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Vorrichtung zur Ionisation eines Gasstrahles und Anwendung der Vorrichtung
in einem MHD-Generator Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ionisation eines
Gasstrahles mit Hilfe von elektrischen Gasentladungen; diese Aufgabe stellt sich
beispielsweise in Verbindung mit MHD-Generatoren zur Erzeugung eines praktisch nutzbaren
elektrischen Stroms im Weg der direkten Umwandlung -von Wärme- in elektrische Energie.
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Es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, die lonisation eines
Gasstrahles mittels elektrischer Gasentladungen durch den Gasstrahl hindurch vorzunehmen.
Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art ist typischerweise nur eine einzige Gasentladungseinrichtung
mit zwei üblicherweise gegenüberliegend angeordneten Entladungselektroden vorgesehen.
Selbst wenn sich diese Entladungseinrichtung bzw. ihre Elektroden über eine größere
Strecke entlang der Achse der Gasstrahlkammer erstrecken, erfüllte der zwischen
den Elektroden gezündete Bogen jeweils nur ein verhältnismäßig kleines Volumen;
selbst wenn eine Verlagerung des Bogens entlang der Achse der Gasstrahlkamnier im
Verlauf eines Arbeitszyklus vorgesehen ist, läßt sich mit den bekannten Anordnungen
keine räumlich und zeitlich gleichförmige lonisierung des gesamten Kammervolumens
erzielen, wie dies für einen optimalen Wirkungsgrad beispielsweise bei einem MHD-Generator
von wesentlicher Bedeutung ist.
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Durch die vorliegende Erfindung soll somit eine Vorrichtung zur lonisation
eines Gasstrahles, insbesondere zur Anwendung in MI-ID-Generatoren, geschaffen werden,
mittels welcher eine zeitlich und räumlich gleichförmige Ionisation im wesentlichen
des gesamten Strahlvolumens erzielbar ist.
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Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß mehrere Gasentladungseinrichtungen
in Strahlrichtung nebeneinander angeordnet sind und die Entladungsfrequenz dieser
Gasentladungseinrichtungen in der Größenordnung von 1000 Hz liegt.
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Indem gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Gasentladungseinrichtungen
in Strahlrichtung nebeneinander angeordnet und kontinuierlich zu Bogenentladungen
mit einer geeigneten Frequenz erregt wird, erhält man einen in allen seinen Teilen
und zu jeder Zeit stark ionisierten Gasstrahl; der durch .die Erfindung erzielbare
hohe Ionisationsgrad erbringt bei Anwendung in einem MHD-Generator eine wesentliche
Wirkungsgradsteigerung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß jede der Gasentladungseinrichtungen jeweils zwei paarweise mit ihren Entladungsenden
einander gegenüberliegend an den Seitenwandungen eines von dem Gasstrahl durchströmten
Kanals angeordnete lonisationselektroden sowie Einrichtungen aufweist, mittels welcher
den Ionisationselektroden an ihren außerhalb des Kanals befindlichen Speiseenden
Spannungsirnpulse zur Erzeugung von Bogenentladungen zwischen den Entladungsenden
der lonisationselektrode zugeführt werden.
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Zweckmäßig ist dabei vorgesehen,- daß die Entladungsenden jedes Paares
von lonisationselektroden im wesentlichen ohne Vorsprung in das Innere des Kanals
in den Kanalwandungen angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die insbesondere
die Anwendung in einem MHD-Generator betrifft, ist vorgesehen, daß der Gasstrahlkanal
von einem Magnetfeld durchsetzt ist, dessen Richtung im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung
des Gasstrahles in dem Kanal verläuft, und daß die lonisationselektroden jeder Entladungseinrichtung
so angeordnet sind, daß die ihre Entladungsenden verbindenden Geraden im wesentlichen
parallel zur Richtung des Magnetfelds sind. Bei dieser gegenseitigen geometrischen
Anordnung der Entladungselektroden in bezug auf das Magnetfeld läßt sich für einen
gegebenen Aufwand an Ionisierungsenergie eine optimale Ionisierung erzielen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung;
in dieser zeigen F i g. 1 und 2 in perspektivischer, schematisierter Ansicht
zwei Ausführungsformen von Vorrichtungen (F .,emäß der Erfindung mit entlang einem
Gasstrahlkanal angeordneten Gasentladeeinrichtungen; F i g. 3 veranschaulicht
die Speiseschaltung zur Erregung der elektrischen Entladeeinrichtungen.
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In F i g. 1 und 2 ist angenommen, daß ein Gasstrom F mit großer
Geschwindigkeit durch einen Kanal 1 (von beispielsweise quadratischem oder
rechteckigem Querschnitt) strömt, welcher aus einem Isolationsstoff, z. B. Glas,
besteht. Dieser Kanal kann insbesondere Teil eines magnetohydrodynamischen Generators
sein, wobei er dann in einem praktisch gleichförmigen, z. B. zu den Seitenwänden
2 des Kanals 1 senkrechten Magnetfeld H liegt und eine Reihe von Elektrodenpaaren
3, 4 zum Auffangen der elektrischen positiven und negativen Ladungen aufweist;
die Elektroden sind so angeordnet, daß ihre Flächen parallel zu dem Magnetfeld H
und zu der Richtung des Gasstroms F liegen, z. B. längs der Seitenwände
5 des Kanals 1. Die so erzeugte elektrische Spannung kann in einer
Belastung benutzt werden, welche in F i g. 1 durch Widerstände
10 dar-Clestellt ist; in F i g. 2 sind die Lastwiderstände zur Vereinfachung
weggelassen.
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Die Ionisierung des Gasstroms F (in dem Kanal 1)
wird dadurch
erzeugt oder erhöht, daß eine Folge von elektrischen Gasentladungen, insbesondere
von Lichtbögen, verhältnismäßig kurzer Dauer in mehreren örtlichen Zonen des Gasstroms
(d. h. innerhalb des Kanals 1) hervorgerufen wird.
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Die Entladungen (Bögen) erzeugen die Ionisierung des Gasstroms innerhalb
des Kanals 1 dadurch, daß sie freie negative Elektronen sowie positive Ionen
erzeugen. Diese Elektronen und Ionen diffundieren durch den Gasstrom und suchen
sich praktisch gleichförmig in diesem zu verteilen, wenn die erwähnten örtlichen
Zonen genügend nahe beieinanderliegen. Nach etwa einigen Millisekunden vereinigen
sich die negativen Elektronen und die positiven Ionen wieder, wenn jedoch die Entladungen
oder Bögen genügend häufig sind, d. h., wenn die Wiederholungsfrequenz z.
B. über 1000 Hz liegt, kann praktisch ein statistisches Gleichgewicht erhalten
werden, bei welchem die Zahl der Ionen-Elektronenpaare praktisch in einem bestimmten
Volumen zeitlich konstant ist.
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Wenn ferner der Gasstrom einen leicht ionisierbaren Stoff enthält,
insbesondere ein Alkalimetall, wie Caesium, z. B. in pulverförmigem oder gasförmigem
Zustand, ionisieren die Entladungen oder Bögen nicht nur das Gas des Gasstroms,
sondern auch den leicht ionisierbaren Stoff, wodurch die lonisierung des gesamten
Gasstroms mit einer genügenden Ausbeute hergestellt oder vergrößert werden kann.
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Eine Reihe von Paaren von (von den Auffangelektroden 3, 4 verschiedenen)
Ionisierungselektroden 6, 7 oder 8, 9, welche von den Seitenwänden
(5 bei der Ausführungsfonn der F i g. 1, oder 2 bei der Ausführungsform
der F i g. 2) des Kanals 1 getragen werden, sind so angeordnet, daß
die Entladungsenden 6a, 7a oder 8a, 9a eines jeden Paares einander innerhalb
des Kanals 1 in dem Gasstrom gegenüberliegen. Ferner sind (in F i
g. 1 und 2 nicht dargestellte) Einrichtungen vorhanden, welche zwischen die
Speisungsenden 6 b, 7 b oder 8 b, 9 b eines jeden Paares,
welche außerhalb des Kanals 1 angeordnet sind, Spannungsimpulse legen, deren
Amplitude ausreicht3 um Lichtbögen zwischen den entsprechenden Entladungsenden
6 a, 7 a oder 8 a, 9 a zu zünden.
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Der Abstand zwischen den beiden Ionisierungselektroden eines jeden
Paares ist zweckmäßig praktisch gleich dem Abstand zwischen den die Elektroden tragenden
Wänden des Kanals 1, so daß vermieden wird, daß diese Elektroden weit in
das Innere des Kanals 1 vorspringen, was die Gefahr mit sich bringen würde,
daß sie durch das im allgemeinen heiße bewegte Gas angegriffen werden.
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Die Wiederholungsfrequenz wird unter Berücksichtigung der Wiedervereinigungsgeschwindigkeit
der Ionen und Elektronen gewählt und kann z. B. größenordnungsmäßig 1000
Hz betragen.
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Wie in F i g. 2 dargestellt, sind die lonisierungselektroden
8 und 9 vorzugsweise so angeordnet, daß die die Entladungsenden
8 a, 9 a eines jeden Paares vereinigenden Geraden praktisch
parallel zu der Richtung des Magnetfeldes H sind, was gestattet mit dem gleichen
Aufwand an Ionisierungsenergie eine kräftigere lonisierung zu enthalten, als wenn
diese Geraden einen erheblichen Winkel mit dieser Richtung bilden würden, da der
übergang der elektrischen ionisierenden Impulse in einer zu dem Magnetfeld parallelen
Richtung bequemer als quer zu dieser Richtung ist.
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Die Einrichtungen zur Anlegung der Spannungsimpulse können durch Anordnungen
gebildet werden, welche denen zur Erzeugung von Stoßwellen entsprechen. Die durch
diese Anordnungen erzeugten Spannungsimpulse können durch elektronische z. B. mit
Thyratrons bestückte Einheiten an die verschiedenen Ionisierungselektroden entweder
gleichzeitig oder nacheinander angelegt werden. Für jedes Paar von Ionisierungselektroden
kann auch die an sich bekannte in F i g. 3 dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung
von Stoßwellen benutzt werden. Diese Vorrichtung enthält einen Ladekreis, welcher
durch einen (grundsätzlich für die Gesamtheit der Stromkreise für die verschiedenen
Paare von Ionisierungselektroden gemeinsamen) Hochspannungsgenerator 11,
einen Kondensator 12 und einen Widerstand 13 gebildet wird, wobei der Kondensator
12 während eines ersten Betriebszustands allmählich von dem Generator
11 über den Widerstand 13 geladen wird; einen Entladekreis, welcher
außer dem Kondensatof 12 eine Funkenstrecke 14 enthält und zur Speisung der Enden
6 b, 7 b oder 8 b, 9 b eines Paares von Ionisierungselektroden
6, 7 oder 8, 9 dient, wobei der zwischen den Entladungsenden 6a, 7a
oder 8a, 9a der Elektroden strömende ionisierte Gasstrom den elektrischen
Stromkreis zwischen diesen Entladungsenden schließt. Wenn der Kondensator 12 am
Ende des ersten Betriebszustands auf eine genügende Potentialdifferenz aufgeladen
ist, springt ein Funke zwischen den entgegengesetzten Enden der Funkenstrecke 14
über, und eine Entladung tritt zwischen den Enden 6 a, 7 a
oder 8 a, 9 a
auf. Dies ist der zweite Betriebszustand, welcher
mit dem ersten ein Arbeitsspiel der Vorrichtung bildet.
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Es beginnt dann ein neues Arbeitsspiel (Ladung des Kondensators 12
über den Ladekreis und Entladung des Kondensators 12 über den Entladekreis
mit
Erzeugung von Entladungen bei 6a, 7a oder 8 a, 9 a) usf., wobei
der Wert C der Kapazität des Kondensators 12 die Dauer der Entladungen in
dem Gasstrom zwischen den lonisierungselektroden bestimmt, während das Produkt CR
(wobei R der ohmsche Wert des Widerstands 12 ist) die Wiederholungsfrequenz der
Entladungen bestimmt.
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Wenn eine praktisch zeitlich und räumlich gleichförmige Ionisierung
innerhalb des Kanals 1 erhalten werden soll, werden die aufeinanderfolgenden
Paare von lonisierungselektroden einander genügend genähert, und die Spannungsimpulse
werden mit einer genügend großen Wiederholungsfrequenz erzeugt, damit die statistische
Verteilung der Elektronen und der Ionen innerhalb des Kanals praktisch homogen ist.
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So kann z. B. die spezifische elektrische Leitfähigkeit eines Gasstroms
(welcher z. B. elektrischen Strom in einer magnetohydrodynamischen Maschine liefern
soll und durch Argon mit 0, 1 % Kalium unter dem Atmosphärendruck und bei
20001 K gebildet wird) auf einen zwischen etwa 10 und mehreren Hundert Siemens/Meter
liegenden Wert gebracht werden, z. B. auf etwa 50 Siernens/Meter.
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Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung ist sehr ausgedehnt,
da mit ihnen die Ionisierung eines Gasstroms hergestellt oder vergrößert werden
kann und die Anwendungen eines ionisierten Gasstroms sowohl in der Physik als auch
in der Technik sehr zahlreich sind.
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Als Beispiel wurde bereits die Umwandlung der Wärme in Elektrizität
in einem magnetohydrodynamischen Generator angeführt. Die Erfindung ist auch auf
Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität durch einen thermoelektrischen
Effekt und andere Effekte anwendbar, bei welchen ein stark ionisierter Gasstrom
oder ein Plasma benutzt wird.
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Ferner kann die Erfindung angewandt werden, um die mittlere Leitfähigkeit
eines Gasstroms zu verändern. Zur Herstellung einer derartigen Veränderung genügt
es, die Wiederholungsfrequenz der Entladungen oder Bögen zu verändern,
d. h. die Wiederholungsfrequenz der an die Speisungsenden 6
b, 7 b
oder 8b, 9b der Ionisierungselektroden6,
7 oder 8, 9 angelegten Spannungsimpulse.
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Es ist sogar möglich, die mittlere Leitfähigkeit eines Gasstroms durch
Modulierung der Wiederholungsfrequenz der Entladungen oder Bögen zu modulieren.