DE1241542B - Vorrichtung zum Erzeugen und Einschliessen eines Plasmas - Google Patents

Description

DEUTSCHES «IW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/21

Nummer: 1 241542

Aktenzeichen: U 8988 VIII c/21 g

Anmeldetag: 22. Mai 1962

Auslegetag: 1. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas in einem zylindrischen Behälter, in dem ein in axialer Richtung verlaufendes Magnetfeld induziert wird, dessen Endzonen größere Feldstärken besitzen als der Mittelbereich, mit zwei in den Endzonen angeordneten Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, die konzentrisch innerhalb des Behälters und elektrisch isoliert gegenüber diesem angeordnet und zum Zweck der Gaszutuhrimg hohl ausgebildet sind.

Es wurden bereits große Anstrengungen unternommen, um eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, in der ein Gas, beispielsweise Deuterium, ionisiert und das resultierende Plasma eingeschlossen und erhitzt werden kann. Eine solche Vorrichtung kann verschiedenen Zwecken dienen, wie z. B. der Erzeugung von energiereichen Ionen, der Erzeugung von Neutronen und, wenn ein ausreichender Einschluß und eine genügende Erhitzung des Plasmas erreichbar ist, der Einleitung von thermonuklearen Reaktionen.

In dem USA.-Patent 3 021 272 ist eine Plasmavorrichtung beschrieben, in der gekreuzte magnetische und elektrische Felder zum Einschließen und Erhitzen der geladenen Teilchen verwendet werden. Bei dieser Vorrichtung ist das Plasma in einem zylindrischen Vakuumbehälter eingeschlossen, indem ein in axialer Richtung orientiertes Magnetfeld erzeugt wird. Eine Potentialdifferenz wird zwischen dem Behälter und einer in axialer Flucht angeordneten röhrenförmigen Elektrode angelegt, um ein radiales elektrisches Feld zu erzeugen, das das magnetische Feld kreuzt, so daß eine ringförmige Plasmaeinschließungszone dadurch definiert -wird. Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung dieser Art zum Ziel, um die Energie des rotierenden Plasmas wirksam in thermische Energie umzuwandeln.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verunreinigungen an dem Eintritt in das Plasma zu hindern. Diese Verunreinigungen kühlen das Plasma und stören die gewünschten Reaktionen. Im allgemeinen kommen die Verunreinigungen entweder von den Wandungen des umgebenden Behälters oder von der Oberfläche des Isolators, der in der Plasmavorrichtung verwendet wird. Die letztgenannte Verunreinigungsquelle ist die bedeutendste, da an den Isolatoren die größten Spannungsunterschiede herrschen. Als Folge dieser hohen Spannungsunterschiede tritt häufig ein Spannungszusammenbruch längs der Isolatoroberfläche auf; dabei wird hinreichend Isolatormaterial frei, um das Plasma zu verVorrichtung zum Erzeugen und Einschließen
eines Plasmas

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Klaus Halbach, Berkeley, CaIif.;
William Randolph Baker,
Orinda, Calif. (V. St. A.);

Didier Veron, Villejuif, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1961 (112132) - -

unreinigen und die Anzahl der gewünschten Reaktionen in dem Plasma weitgehend zu reduzieren.

Da Plasmavorrichtungen Isolatoren verwenden, die frei in der Einschließungszone des Plasmas angeordnet sind, ist es wünschenswert, daß die Isolatoren aus der Nähe des erhitzten Plasmas entfernt werden. Um zu verhindern, daß die Plasmareaktion in der Nähe der Isolatoren stattfindet, ist es notwendig, das nicht ionisierte Brenngas daran zu hindern, daß es die Isolatoren erreicht. Mit anderen Worten, in der Nähe der Isolatoren soll Vakuum herrschen, während in einem kurzen Abstand davon ohne Zwischenschaltung einer materiellen Schranke Gas vorhanden ist.
Die Stärke der Plasmaerhitzung ist teilweise von der Größe des angewandten elektrischen Feldes abhängig. Hierbei kommt wiederum den Isolatoren eine Hauptbedeutung deshalb zu, weil es wichtig ist, die Entladung von den Isolatoren wegzuhalten, um eine Zerstörung derselben durch eine intensive Beschießung durch elektrische Teilchen zu vermeiden. Ein Spannungszusammenbruch findet bereits bei niederen Spannungen an den Isolatoren statt, nachdem sich eine solche Zerstörung ereignet hat, wodurch die maximale elektrische Feldstärke, die erhalten werden kann, begrenzt ist. Daher kann sowohl

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ein reineres Plasma als auch eine höhere elektrische Feldstärke erhalten werden, wenn das Plasma an der Berührung der Isolatoren gehindert wird.

Die oben zusammengefaßte Problemstellung wird gelöst, indem gemäß dieser Erfindung die Elektroden als röhrenförmige Ventile ausgebildet sind, die in die Endzonen hineinragen, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um gleichzeitig eine bestimmte Menge Gas in jede der Endzonen des Magnetfeldes einzuführen, und indem in bezug auf den Behälter das eine Ventil an positiver und das andere Ventil an negativer elektrischer Spannung gelegt ist, um zwei ringförmige Plasmakörper zu erzeugen, die in der Mitte des Behälters miteinander kollidieren. Dadurch wird eine hohe Plasmaenergie bei gleichzeitiger Verringerung von Plasmaverunreinigungen erhalten und die Umwandlung der Rotationsenergie in Wärme vergrößert.

Die Vorrichtung wird in Betrieb genommen, indem gleichzeitig Gasimpulse von dem inneren Ende jeder Elektrode aus schnell injiziert werden. Das Gas aus den zwei Elektroden wird unmittelbar ionisiert, wobei ringförmige Plasmakörper erzeugt werden, die in entgegengesetzten Richtungen rotieren. Die Zentrifugalkraft veranlaßt jeden Plasmakörper, sich nach innen längs der magnetischen Feldlinien und weg von dem äußeren Spiegelfeld zu bewegen, wodurch die beiden entgegengesetzt rotierenden Plasmakörper kollidieren. Bevor die Kollision stattfindet, verursachen die entgegengesetzt gerichteten elektrischen Felder in den zwei Plasmakörpern starke Elektronenströme, die zwischen den zwei Plasmakörpern strömen, und einen starken Ionenstrom in jedem Plasmakörper. Der Zusammenstoß erzeugt eine beträchtliche Erwärmung infolge der Ionen-Ionen-Kollisionen zusätzlich zu den bereits vorhandenen und begünstigt darüber hinaus lonenwechselwirkungen.

Bei einer bekannten Vorrichtung wird zwischen zwei hohlen Elektroden, welche der Gaszuführung in die Plasmakammer dienen, eine hohe Spannung erzeugt. Gleichzeitig wird ein axiales magnetisches Feld erzeugt, so daß in der Kammer eine axial verlaufende Bogenladung entsteht. Es ist dabei nicht möglich, eine genau definierte Gasmenge in die Endzonen der Kammer einzuleiten. Eine Entladung wird lediglich zwischen den hohlen Elektroden aufrechterhalten. Im Gegensatz hierzu werden in der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zwei ringförmige Plasmakörper in den Randzonen der Kammer erzeugt, die in der Mitte der Kammer miteinander kollidieren. Durch die als Ventile ausgebildeten hohlen Elektroden werden gleichzeitig in den beiden Endzonen genau definierte Gasmengen ausgestoßen, die zwei getrennte ringförmige Plasmakörper ergeben. Durch das Zusammenwirken von Magnetfeld und elektrischen Feldern werden die beiden in den Endzonen entstandenen Plasmaringe gleichzeitig gegeneinanderbewegt und in entgegengesetzter Richtung um die Längsachse der Kammer gedreht. Beim Aufeinanderprallen der beiden Ringe in der Mitte der Kammer ist die Relativgeschwindigkeit der Plasmateilchen sehr groß, was mehr auf der Gegenbewegung der Ringe als auf der Axialgeschwindigkeit der Ringe beruht.

In einer weiteren bekannten Vorrichtung, die mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden an beiden Enden einer Kammer ausgerüstet ist, werden synchronisierte magnetische Stoßwellen erzeugt, die von den Kammerenden zu der Mitte hin

sich fortpflanzen. Bei dieser Anordnung prallen die Plasmawolken in gerader Richtung in der Mitte der Kammer aufeinander, wobei die nach dem Erfindungsvorschlag erzielbaren Temperaturen dort nicht erreicht werden können. Die Plasmawolken haben bei der bekannten Vorrichtung keine kohärente Bewegung der beiden Plasmawolken, mit Ausnahme der Linearbewegung dieser Plasmawolken.

In einer weiteren bekannten Plasmavorrichtung wird ein Bogen zwischen zwei Elektroden an demselben Ende einer Kammer erzeugt, um ein Plasma zu bilden. Es entsteht dabei ein Paar von zueinander gerichteten magnetischen Spiegelfeldern, die das Plasma einschließen, verdichten und erhitzen. In dieser bekannten Vorrichtung werden keine rotierenden Plasmakörper erzeugt und auch nicht die hohen Plasmaenergien wie in einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung erreicht.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei der Schnitt in Längsrichtung gelegt ist;

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ventil für die in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

F i g. 3 a bis 3 d zeigen in schematischen Ansichten aufeinanderfolgende Stufen der Arbeitsweise der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.

In der F i g. 1 ist ein zylindrischer hohler Behälter 7 aus korrosionsbeständigem Stahl oder einem ähnlichen leitfähigen Material dargestellt. Der Behälter besitzt an seinen beiden Enden Halsteile 8 und 9, deren Durchmesser reduziert ist. Die beiden Halsteile sind der Größe und der Länge nach identisch. Der Behälter 7 ist symmetrisch zu einer Achse, die in der Transversalebene liegt, angeordnet. Die Halsteile 8 und 9 setzen sich in zylindrische Isolatoren 11 und 12 fort. Die äußeren Enden der Behälterhalsteile 8 und 9 sind durch scheibenförmige Isolatoren 14 und 16 verschlossen, so daß das Innere des Behälters 7 hermetisch abgedichtet ist.

Längs der Mittellinie des Behälters 7 ist ein erstes und ein zweites schnell wirkendes Ventil 17 bzw. 18 angeordnet. Die Ventile durchdringen dicht die Isolatorscheiben 14 und 16. Das Ende jedes der Ventile 17 und 18 erstreckt sich durch den entsprechenden Halsteil und ein kurzes Stück in den Behälter 7 hinein. Das andere Ende jedes der Ventile 17 und 18 ist durch die entsprechende Isolatorscheibe 14 bzw. 16 geführt und wird auf diese Weise elektrisch isoliert von dem Behälter 7 durch die zylindrischen Isolatoren 11 und 12 und die Isolatorscheiben 14 und 16 gehalten. Nahe dem inneren Ende jedes der Ventile 17 und 18 ist eine Vielzahl von Gasöffnungen 19 und 21 auf einem Streifen rund um das Ventil angeordnet. Durch die Öffnungen 19 und 21 kann ein plötzlicher Gasstoß von beispielsweise Deuterium ausgelassen werden, um die Arbeitsweise der Vorrichtung einzuleiten. Das Gas kommt von einer Versorgungsquelle 13, die mit den Ventilen 17 und 18 an deren äußeren Enden verbunden ist. Die innere Konstruktion der Ventile 17 und 18 wird weiter unten beschrieben.

Eine ringförmige Magnetspule 22 ist koaxial um den Behälter 7 angeordnet, um in diesem ein axiales Magnetfeld zu errichten. Koaxial um die Halsteile 8 und 9 sind zwei ringförmige Spiegelfeldspulen 23 und 24 mit kleinerem Durchmesser angeordnet. Die

Spulen 22, 23 und 24, die von einer Stromquelle 26 gespeist werden, erzeugen relativ zu dem Feld der Spule 22 magnetische Hilfsfelder in den Halsteilen 8 und 9. Das resultierende Feld besitzt auf diese Weise an seinen beiden Enden magnetische Spiegelfeldkonfigurationen, die dazu dienen, die Bewegung der geladenen Teilchen längs der Achse der Vorrichtung nach außen in bekannter Weise zu begrenzen.

Ein hohes elektrisches Potential liegt an beiden Ventilen 17 und 18, um ein starkes radiales elektrisches Feld zwischen jedem der Ventile und dem Behälter 7 zu erhalten, wobei die Potentiale der beiden Ventile 18 etwa gleich groß, jedoch von entgegengesetzter Polarität sind. Um die elektrischen Felder zu erzeugen, ist eine Hochspannungsquelle 27, die positive und negative Klemmen 28 und 29 besitzt, mit den Ventilen 17 und 18 verbunden. Der Behälter 7 ist an den Mittelabgriff 31 der Hochspannungsquelle 27 angeschlossen. Die Erdung des Behälters 7 und des Abgriffs 31 ist eine bevorzugte Vorsichtsmaßnahme, um die Möglichkeit der Lichtbogenbildung zu anderen Teilen der Vorrichtung zu verhindern und das Bedienungspersonal zu sichern. Eine elektrische Stromquelle 32 ist über einen Ventilschalter 33 mit jedem der Ventile 17 und 18 verbunden, um das durch die Öffnungen 19 und 21 ausströmende Gas zu zünden. Die Art und Weise, in der die Ventile elektrisch betätigt werden, wird weiter unten beschrieben. Eine erste und eine zweite Ionisierungsspannungsquelle 34 und 35 sind mit einer Ionisierungskonstruktion vom Penning-Typ verbunden, die in jedem der Ventile 17 und 18 angeordnet ist. Eine solche Konstruktion erzeugt eine kleine Anzahl von Elektronen in dem durch die Öffnungen 19 und 21 ausströmenden Gas. Auch diese Konstruktion wird später im einzelnen beschrieben werden. Die Elektronen verursachen einen schnelleren Kurzschluß über das Gas, und aus diesem Grund ist eine genauere Zeitbestimmung des durch den Kurzschluß bestimmten Spannungszusammenbruchs möglich.

Eine übliche Vakuumpumpe 30 ist mit dem Inneren des Behälters 7 durch eine Öffnung in der Verschlußscheibe 14 verbunden.

In der F i g. 2 ist die Konstruktion des Ventils 18 genau dargestellt. Das andere Ventil 17 ist diesem Ventil 18 identisch. Ein langes Zylinderrolir 41 bildet das Ventilgehäuse und ist durch die Mitte des Isolators 16 längs der Mittellinie des Behälters 7 geführt. Ein vakuumdichter O-Ring 42 ist zwischen dem Zylinder und dem Isolator 16 angeordnet. Wie oben ausgeführt, befindet sich ein ringförmiger Streifen von Gasöffnungen 21 nahe dem inneren Ende des Zylinders 41. Das innere Ende dieses Zylinders 41 ist durch eine runde Kappe 43 geschlossen. Sowohl der Zylinder 41 als auch der Verschlußteil 43 werden als Elektrode geschaltet und sind deshalb aus einem geeigneten, den elektrischen Strom leitenden Material, wie z. B. Kupfer oder korrosionsbeständigem Stahl, hergestellt. Das äußere Ende des Zylinders 41 ist mit einem breiteren koaxialen Zylinder 44 verbunden, der das Gehäuse für eine ringförmige Magnetspule 46 bildet. Der breitere Zylinder 44 ist vorzugsweise aus nichtmagnetischem und den elektrischen Strom nichtleitendem Material hergestellt, beispielsweise aus einem Polyvinyl-Kunststoff.

Die Spule 46 ist teilweise von einem Teil 47 aus Kupfer eingeschlossen, der einen zylindrischen Abschnitt, welcher koaxial um die Spule angeordnet ist,

und einen scheibenförmigen Endabschnitt aufweist, der eine Mittelöffnung 48 besitzt. Dieser das Magnetfeld der Spule 46 beeinflussende Teil 47 besitzt gewöhnlich wenigstens einen radialen Schlitz 55, der sich sowohl durch den Endscheibenabschnitt als auch durch den zylindrischen Abschnitt erstreckt, um zu verhindern, daß der Teil 47 als Kurzschlußwindung eines Transformators wirkt.

Das Magnetfeld der Spule 46 wird schnell verändert, um das Ventil zu öffnen. Diese schnelle Änderung des Magnetfelds durchdringt ein leitfähiges Material, wie z. B. den Teil 47, nicht unmittelbar, und deshalb dient dieser Teil, um das Feld der Spule 46 in der Zentralöffnung 48 zu konzentrieren.

Wenn der Ventilmechanismus nicht erregt ist, ist die Öffnung 48 von einem breiteren kreisförmigen Ventilkopf 49 geschlossen, der sich an einem Ende eines langen Titanstabs 51 befindet, der längs der Achse des Ventilgehäuses 41 verlaufend angeordnet ist. Das andere Ende des Stabs 51 weist einen ringförmigen, in axialer Richtung vorspringenden Rand 50 auf, der gegen einen elastischen Block 52 aus Tetrafluoräthylen gedrückt wird, der innerhalb des zylindrischen Gehäuses 41 an der Verschlußkappe 43 angeordnet ist. Der Rand 50 bildet zusammen mit der angrenzenden Fläche eine kleine Kammer 53, die mit Gas gefüllt ist, das durch eine axiale Passage 54 in dem Stab 51 und durch ein flexibles Rohr 56 strömt, das mit der Gasversorgungsquelle 13 verbunden ist. Das flexible Rohr 56 ermöglicht eine geringe axiale Bewegung des Stabs 51, ohne daß der Gasstrom unterbrochen wird. Der Kopf 49 am äußeren Ende des Stabs 51 liegt an einem zweiten federnden Block 57 an, der an der inneren Wandung des Zylinders 44 achsenzentriert befestigt ist.

Ein erstes und ein zweites ringförmiges Leitelement 58 und 59 aus leitfähigem Material sind koaxial in dem Zylinder 41 auf jeder Seite der ringförmig angeordneten Öffnungen 21 angeordnet. Das erste Leitelement 58 umgibt den elastischen Block 52, während das zweite Leitblech den Stab 51 umgibt. Ein O-Ring 61 ist rund um das zweite Leitelement 59 angeordnet, um eine vakuumdichte Abdichtung zwischen dem Leitelement und dem Zylinder 41 zu bilden. Die Leitelemente 58 und 59 leiten das Gas, das aus der Kammer 53 durch die Öffnungen 21 ausströmt.

Im Betrieb des Ventils ist die Kammer 53 mit Gas, das aus der Gasversorgung 13 kommt, gefüllt, und der Ventilschalter33 (s. Fig. 1) ist geschlossen, da Strom durch die Spule 46 fließt. Die Erregung der Spule 46 erzeugt ein magnetisches Feld, wie es durch die gestrichelten Feldlinien 66 in der F i g. 2 angedeutet ist. Da der schnelle Feldanstieg nicht unmittelbar den leitfähigen Teil 47 oder den Titanstab 51 durchdringen kann, müssen die Feldlinien 66 durch die Mittelöffnung 48 zwischen dem Kopf 59 und dem Teil 47 verlaufen, um einen vollständigen Magnetkreis zu bilden. Obgleich der zweite elastische Block 57 den Kopf 49 gegen den Teil 47 drückt, erzeugt das zunehmende Magnetfeld eine starke Kraft, die den Kopf 49 von dem Teil 47 wegstößt, indem für einen Moment der zweite elastische Block 57 zusammengedrückt wird. In dem Stab 51 wird eine Schallwelle erzeugt, die hinreichend ist, um den Rand 50 von dem federnden Block 52 aus Teflon abzuheben und das Gas, das sich in der Kammer 53 befindet,

freizugeben. Das Gas tritt schnell durch die Öffnungen 21. Das Magnetfeld fällt daraufhin ab, und die Elastizität des zweiten Blocks 57 bewirkt die Rückführung des Stabs 51 in seine Ruhestellung.

Die ausströmende Gasmenge wird durch die Größe der Kammer 53 und den Druck in der Gasversorgungsquelle 13 bestimmt. Der Widerstand, den die enge Gasleitung 54 der Gasströmung entgegensetzt, ist hinreichend groß, um praktisch zusätzliches Gas, das während der kurzen Öffnungszeit der Kammer 53 emittiert wird, am Ausströmen zu hindern. Auf diese Weise ist die aus der Kammer 53 ausströmende Gasmenge in Grenzen genau bestimmbar, ohne daß die Dauer des Zeitintervalls, in dem die Kammer 53 geöffnet ist, von Bedeutung ist.

Obgleich nicht in allen Fallen wesentlich, kann es jedoch, wenn bei der Synchronisierung des Kurzschlusses durch das aus den Ventilen 17 und 18 ausströmende Gas Schwierigkeiten auftreten, wünschenswert sein, eine kleine Anzahl von freien Elektronen innerhalb des Gases zu erzeugen, bevor dieses durch die Öffnungen 21 austritt. Deshalb ist ein Vorionisierungsmechanismus vorgesehen und in der Fig. 2 dargestellt, der zur Ionisierung eines kleinen Teils des Gases vorgesehen ist und dadurch freie Elektronen bildet. Ein isolierter Leiter 70, der an die Spannungsquelle 35 angeschlossen ist, ist elektrisch mit einem Ring 71 verbunden, der koaxial innerhalb des Zylinders 41 zwischen den zwei Leitelementen 58 und 59 und etwa in der Mitte zwischen den Öffnungen 21 und der Kante des Randes 50 angeordnet ist. Der Ring 71 ist von den benachbarten Elementen isoliert und wird von einer Vielzahl von Isolatoren 72 getragen, die sich von dem Leitelement 59 aus erstrecken. Der lonisierungsmechanismus ist ähnlich dem, wie er in einer »Phillips- oder Penning lon Gauge« vorgesehen ist, worin Gasatome durch beschleunigte Elektronen ionisiert werden. Das Potential des Ringes 71 ist positiver als das Potential der Hochspannungsquelle 27. Auf diese Weise ist das Potential des Ringes 71 auch positiver als das Potential der Leitelemente 58 und 59. Das elektrische Feld zwischen den Leitelementen und dem Ring 71 beschleunigt ein freies Elektron gegen diesen Ring 71 zu; infolge des axial gerichteten Magnetfeldes der Spulen 22,23 und 24 folgt das Elektron jedoch den Magnetfeldlinien, und deshalb wird der Hauptteil solcher Elektronen nicht auf den Ring 71 auftreffen. Die Elektronen werden an dem Ring 71 vorbeigeführt und hierauf durch das elektrische Feld beschleunigt. Wird das Elektron eventuell angehalten und zu dem Ring 71 zurückbeschleunigt, wobei es aber wiederum den Ring verfehlt, beginnt der oben beschriebene Vorgang von neuem. Das Elektron wird abwechselnd vor und zurück beschleunigt und verzögert. Da die effektive Weglänge des Elektrons damit sehr groß ist, ist die Wahrscheinlichkeit, daß Gasatome durch solche Elektronen ionisiert werden, stark vergrößert. Jedesmal wenn ein Atom ionisiert wird, ist ein weiteres Elektron für die Ionisierung anderer Atome verfügbar. Der Hauptteil des Gases wird durch die »Penning-Gauge« nicht ionisiert. Die neutralen Teilchen reißen die geladenen Teilchen ohne Schwierigkeit quer zu den magnetischen Feldlinien mit und verteilen die geladenen Teilchen über das Gas, wobei diese dazu beitragen, die Kurzschlußzündung des Gases innerhalb des äußeren Behälters zu bewirken.

Andere Einrichtungen, um freie Elektronen in das Gas einzubringen, können in dem Ventil vorgesehen sein. Beispielsweise ein Lichtbogen oder ein elektronenemittierendes Element. Wie oben erwähnt, ist die Ionisierung durch Elektronen nicht in jedem Fall, in dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist, erforderlich, jedoch in Abhängigkeit von den Parametern kann eine verbesserte Arbeitsweise durch den Vorionisierungsvorgang erhalten werden.

Die Betriebsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung soll nun beschrieben werden. In der F i g. 3 a ist schematisch die Kontur des Behälters 7 und der anderen Teile der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung dargestellt. Einzelheiten wurden weggelassen, um deutlicher die Plasmakörper und den Feldverlauf darzustellen. In der F i g. 3 a ist ein ringförmiger Gaskörper 81 dargestellt, gerade nachdem er durch die Betätigung des Ventilmechanismus 17, wie oben beschrieben wurde, diesen verlassen hat und während das Gas von der Öffnung 19 aus gegen den Behälterhals 8 zu diffundiert. Die Strecke von der Öffnung 19 bis zu dem nächsten Punkt auf der Wand des Halsteils 8 ist im Vergleich zu der Strecke von der Öffnung 19 zu dem Isolator 11 klein. Auf diese Weise wird das Gas 81 den Halsteil 8, lange bevor das Gas den Isolatorll berührt, erreichen. Ein ähnlicher Vorgang findet gleichzeitig bei dem zweiten Ventilmechanismus 18 statt, wo das Gas 82 durch die Öffnung 21 desselben ausgeströmt ist.

Sobald das Gas die Wand des Halsteils 8 berührt, wie in der F i g. 3 b dargestellt ist, strömt ein Strom durch das Gas, der einen ringförmigen Plasmakörper

83 ionisiert und bildet, der annähernd die gleiche Anzahl von Elektronen und Ionen aufweist. Ein gleicher Plasmakörper 84 wird an dem anderen Ende rand um den zweiten Ventilmechanismus 18 gebildet. Das starke elektrische Feld, das zwischen dem Ventil 17 und dem Halsteil 8 existiert, verursacht eine Kraft auf die verschiedenen Plasmateilchen, die diese in radialer Richtung zu beschleunigen sucht, die Elektronen gegen das Ventil zu und die Ionen nach außen gegen den Halsteil 8 zu. Die Plasmateilchen sind jedoch durch das magnetische Feld 86, dessen Feldlinien in der F i g. 3 b dargestellt sind, eingeschlossen, und die einzelnen Teilchen verlaufen auf zykloidischen Bahnen rand um das Ventil 17. Während die radialen Kräfte auf die Elektronen und Ionen entgegengesetzt gerichtet sind, ist die resultierende Ringbewegung der zwei Teilchenarten in der gleichen Richtung gerichtet, und der Plasmakörper 83 dreht sich als Einheit in der durch den Pfeil 87 angezeigten Richtung. Das Potential des zweiten Ventilmechanismus 18 ist entgegengesetzt gepolt, wie oben beschrieben wurde, und deshalb rotiert der zweite Plasmakörper 84 in entgegengesetzter Richtung, wie durch den Pfeil 88 angedeutet wird.

Wie in der F i g. 3 c dargestellt ist, verursacht die Zentrifugalkraft, die auf das rotierende Plasma wirkt, daß die Plasmakörper 83 und 84 sich aufeinander zu gegen die Mitte des Behälters 7 längs den divergierenden magnetischen Feldlinien 86 bewegen, da das Feld ein Spiegelfeld ist. Während der Zeit, in der sich die zwei Plasmakörper einander nähern, beginnt ein Starkstrom zwischen den Zentren der Körper 83 und

84 und zwischen den äußeren Rändern dieser Körper zu fließen. Da das innere elektrische Feld jedes Plasmakörpers vom Umfang zum Zentrum entgegen-

Claims (8)

gesetzt dem des anderen Plasmakörpers gerichtet ist, herrscht eine große Potentialdifferenz von gleicher Polarität zwischen den zwei äußeren Rändern der Plasmakörper und eine Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität zwischen den Zentren der zwei Plasmakörper. Die Elektronen, die längs den magnetischen Feldlinien beweglicher sind als die Ionen, bewegen sich schnell längs diesen Feldlinien 86 von einem Plasmakörper zum anderen, wie durch die Pfeile 89 dargestellt ist. Innerhalb jedes Plasmakörpers fließt gleichzeitig ein radialer Ionenstrom zwischen dem äußeren Rand und dem Zentrum. Die Ionen, die einen größeren Larmor-Radius besitzen als die Elektronen, bewegen sich leicht quer zu den magnetischen Feldlinien 86. Die Ionen strömen deshalb in Richtung der Pfeile 91 und schließen damit den Stromkreis. Der Stromfluß erhöht die Temperatur der Plasmakörper. Wie in der F i g. 3 d dargestellt ist, nähern sich die Plasmakörper 83 und 84 schnell einander und verschmelzen. Während die Axialgeschwindigkeiten der zwei Plasmakörper 83 und 84 nicht von primärer Bedeutung sind, drehen sich die zwei Plasmakörper in entgegengesetzten Richtungen, und die Relativgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Plasmateilchen in dem einen Plasmakörper und in dem anderen ist sehr hoch. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen einzelnen Ionen wird dadurch sehr vergrößert. Das Ergebnis einer solchen Kollision kann eine Verschmelzungsreaktion sein, bei der ein Neutron oder ein Teilchen frei wird. Die Summe der Energien der Teilchen nach der Verschmelzungsreaktion ist höher als die der verschmelzenden Teilchen. Das erhitzte Plasma kann als Ionenquelle oder als mögliche Energiequelle verwendet werden, oder die emittierten Neutronen werden für Heizzwecke oder Bestrahlungen verwendet. Bei einer besonderen Ausführungsform besitzen die Magnetfelder in den Halsteilen 8 und 9 eine Intensität von 30 000 Gauß, während das an den Abgriffen 28 und 29 der Hochspannungsquelle 31 zur Verfügung stehende Potential plus 150 000 Volt bzw. minus 150 000 Volt ist. Die Halsteile können einen Durchmesser von etwa 12,7 cm und eine Länge von 60,96 cm besitzen, wobei die Hälfte dieser Länge von der Isolation eingenommen wird. Der größere Teil des Behälters kann einen Durchmesser von 25,4 cm und eine Länge von 60,96 bis 91,44 cm besitzen. Auf diese Weise kann die Gesamtlänge der Vorrichtung von 1,82 bis 2,13 m betragen. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas in einem zylindrischen Behälter, in dem ein in axialer Richtung verlaufendes Magnetfeld induziert wird, dessen Endzonen größere Feldstärken besitzen als der Mittelbereich, mit zwei in den Endzonen angeordneten Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, die konzentrisch innerhalb des Behälters und elektrisch isoliert gegenüber diesem angeordnet und zum Zweck der Gaszuführung hohl

ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als röhrenförmige Ventile ausgebildet sind, die in die Endzonen hineinragen, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um gleichzeitig eine bestimmte Menge Gas in jede der Endzonen des Magnetfeldes einzuführen, und daß in bezug auf den Behälter das eine Ventil an positiver und das andere Ventil an negativer elektrischer Spannung gelegt ist, um zwei ringförmige Plasmakörper zu erzeugen, die in der Mitte des Behälters miteinander kollidieren.

2. Plasmavorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter einen Mittelabschnitt und zwei als zylindrische Halsteile ausgebildete Enden aufweist, deren Durchmesser kleiner sind als der des Mittelabschnittes, und daß die Ventile sich in den zylindrischen Halsteilen und konzentrisch zu diesen erstrecken.

3. Plasmavorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile dicht durch elektrisch isolierende Endscheiben der zylindrischen Halsteile eingeführt sind.

4. Plasmavorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes eine um den Mittelabschnitt des Behälters gewickelte Spule und zur Erzeugung der Spiegelfelder an den Enden des Behälters zusätzliche um die Halsteile gewickelte Spulen vorgesehen sind.

5. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenventil einen stabförmig ausgebüdeten Ventilschieber besitzt, durch den eine mit einer Gasversorgungsquelle verbundene Bohrung geführt ist, die in einer Kammer endigt, die bei geschlossenem Ventil durch eine fest angeordnete Wandung, gegen die der Kammerrand elastisch gedrückt wird, geschlossen ist, und daß eine Magnetspule vorgesehen ist, die bei Erregung den Ventilschieber kurzzeitig gegen den Druck einer elastischen Kraft öffnet, so daß das in der Ventilkammer befindliche Gas, das unter dem Druck der Gasversorgungsquelle steht, austreten kann.

6. Plasmavorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber sich längs der röhrenförmigen Elektrode erstreckt.

7. Plasmavorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material zur Verformung des von der Magnetspule für die Ventilbewegung erzeugten Magnetfeldes vorgesehen sind.

8. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um in der Nähe des Gasaustritts freie Elektronen zu erzeugen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1234 901; britische Patentschrift Nr. 846 547; USA.-Patentschriften Nr. 2 920 235, 2 728 877.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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