DE1246138B - Schaltanordnung zur Durchfuehrung eines Verfahrens zum Erzeugen, Beschleunigen und/oder dynamischen Einschliessen von Plasmoiden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21 g - 61/00

Nummer: 1246138

Aktenzeichen: S 99115 VIII c/21 g

Anmeldetag: 28. August 1965

Auslegetag: 3. August 1967

Das Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von Plasmoiden unter Verwendung einer Anordnung mit zwei -achsengleich mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf einem Isolierrohr mit Abstand voneinander angeordneten Feldspulen zur Erzeugung einer spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze. Dabei ist zwischen den beiden Feldspulen achsengleich eine Induktionsspule um das Isolierrohr gewickelt. Nach dem Hauptpatent werden die beiden Feldspulen erregt und gleichzeitig ionisiertes Gas (Plasma) in die Ebene der Induktionsspule gebracht. Danach wird, wenn die Magnetfeldstärke der spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration das Maximum erreicht hat, die Induktionsspule während eines Zeitraumes impulsmäßig elektrisch erregt, der kurz ist relativ zur Erregungsdauer der Feldspulen.

Nach dem Hauptpatent erhält man durch Hintereinanderschalten zweier oder mehrerer der beschriebenen Anordnungen die Möglichkeit, ein beschleunigtes Plasmoid nochmals zu beschleunigen oder zu verzögern und/oder zu reflektieren. Es ist im Hauptpatent auch vorgeschlagen worden, ein Plasma periodisch zwischen zwei der genannten Anordnungen hin- und herzuwerfen und so zu einer dynamischen Einschließung des Plasmas zu gelangen.

Bei stationären Verfahren ist die Plasmaeinschließung durch Diffusionsverluste und Instabilitäten erschwert. Diese Schwierigkeiten lassen sich durch das genannte Verfahren zum dynamischen Plasmaeinschließen reduzieren. Beim dynamischen Einschließen wird das Plasma durch die Einwirkung elektrischer und magnetischer Felder abwechselnd beschleunigt und verzögert. Die dafür benötigte Energie wird während der Eihschließungszeit zum größten Teil in Wärme verwandelt, dient also zugleich der Aufheizung des Plasmas bzw. der Kompensation von Energieverlusten.

Nach dem Hauptpatent wird über die bei der Plasmabeschleunigung mitwirkende Induktionsspule ein Kondensator entladen. Bei einer derartigen Anordnung wird jedoch bei oszillatorischer Entladung des Kondensators Plasma abwechselnd in die beiden Achsennchtungen, entsprechend der Stromfhißrichtung in den Halbwellen ausgestoßen.

Es wurde im Hauptpatent auch schon vorgeschlagen, ein Einzelplasmoid zu einer gegebenen Zeit in einer vorgegebenen Richtung zu beschleunigen. Das konnte jedoch nur durch kritische oder überkritische Dämpfung des Impulsstromes der Induktionsspule bewirkt werden. Bei dieser Art der vorgegeben ge-Schaltanordnung zur Durchführung

eines Verfahrens zum Erzeugen, Beschleunigen

und/oder dynamischen Einschließen

von Plasmoiden

Zusatz zum Patent: 1209 670

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemehs-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Alfred Michel,

Dipl.-Phys. Dr. Heinrich Schindler, Erlangen

richteten Beschleunigung muß man jedoch sehr wesentliche Nachteile in Kauf nehmen; unter anderem wird durch die Dämpfung des Impulsstromes nicht nur ■—■ wie gewünscht — dessen Periodizität beseitigt, sondern auch seine AmpHtade stark verkleinert. Der Erfolg ist zwar eine gerichtete Beschleunigung, jedoch wird diese mit sehr großen Verlusten an aufgewandter Energie im Dämpfungswiderstand erkauft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung zu schaffen, die es erlaubt, Plasma in nur einer vorgegebenen Richtung auszustoßen, wobei die aufgewandte Energie, weitgehend in kinetische Energie des Plasmas bzw. in Plasmawärme verwandelt wird. Sie besteht darin, daß der Stromkreis mindestens einer der Induktionsspulen so beschaltet ist, daß diese während der oszillierenden Kondensatorentladung nur in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossen wird. _

Im folgenden wird die obengenannte »spitzengeometrische Magnetfeldkonfiguratipn nach Art einer bikonischen Spitze« kurz als »Cusp-Feld« bezeichnet.

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Bei einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Schaltanordnung sind die auf dem Isolierrohr aufeinanderfolgenden Induktionsspulen so beschaltet, daß jede einzelne Spule in einer einzigen konstanten Richtung und benachbarte Spulen in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen werden.

Bei einer weiteren Schaltanordnung können z. B. zwei während der oszillierenden Kondensatorentladung in einer einzigen gleichen Richtung vom Strom durchflossene Induktionsspulen verwendet werden. Sind im Isolierrohr mehrere Cusp-Felder erzeugt, so können um letztere (um das Isolierrohr) auch entsprechend viele Induktionsspulen gewickelt sein. Besitzt eine Einschließungsvorrichtung drei Induktionsspulen, so werden (mit Rücksicht auf die Richtung der zugehörigen Cusp-Felder) die beiden äußeren der drei Spulen in entgegengesetzter konstanter Richtung vom Strom durchflossen. Dabei kann der Strom in der mittleren Induktionsspule oszillieren. Selbstverständlich sind die Induktionsspulen jeweils zwisehen die genannten Feldspulen gewickelt.

Ebenso wie bei der Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent kann auch vorliegend Plasma durch beliebig viele aufeinanderfolgende Stufen (Feldstufen, das sind die Ebenen der um ein Isolierrohr gewickelten Induktionsspulen) beschleunigt bzw. eingeschlossen werden. Das Isolierrohr braucht dabei nicht gerade zu sein, sondern kann auch z. B. Torusform haben. Die Schaltanordnung kann als selbständiger Beschleuniger für Plasmoide oder für eine selbständige Plasmaeinschließungsvorrichtung verwendet werden. Außerdem ist es möglich, eine Anordnung, wie sie im Hauptpatent beschrieben ist, einem Plasmabeschleuniger mit vorliegender Schaltanordnung vorzuschalten. Bei einer die vorliegende Schaltanordnung benutzenden Vorrichtung zum Plasmaeinschließen in einem Rohr kann die Anordnung, wie sie im Hauptpatent beschrieben ist, auch auf beiden Seiten des Rohres vorgeschaltet, sein.

In einem Ausführungsbeispiel der Schaltanordnung sind die in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossenen Induktionsspulen jeweils über einen Gleichrichter in Graetz-Schaltung mit dem Kondensator verbunden. Es ist auch möglich, die Graetz-Schaltung aus Bauelementen mit veränderlichem Widerstand zusammenzustellen und der Graetz-Schaltung Mittel zuzuordnen, mit denen der Widerstandswert der Bauelemente im Rhythmus der Kondensatorentladung eingestellt werden kann. Die Bauelemente können z. B. magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände sein. Diese sind dabei z. B. in einen Magnetkreis gesetzt, der von einem mit der Induktionsspule gleichzeitig durchflossenen Stromkreis erregt und so vormagnetisiert ist, daß die Widerstände abwechselnd paarweise in den aufeinanderfolgenden Halbwellen der Kondensatorentladung hoch- bzw. niederohmig sind. An Stelle der magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände können unter anderem auch magnetisch beblasene Funkenstrecken Anwendung finden, deren Widerstandswert durch ein Magnetfeld gesteuert wird.

In einer anderen Ausführungsform der Schaltanordnung ist der in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossenen Induktionsspule ein zum Kurzschließen des Spulenstroms im Strommaximum vorgesehenes Bauelement parallel geschaltet. Beispielsweise kann dieses Bauelement ein gegenüber der ersten Halbwelle der Kondensatorentladung in Sperr-

richtung geschalteter Gleichrichter sein. Unter anderem ist an Stelle des Gleichrichters auch eine im Strommaximum (der Induktionsspule) gezündete Funkenstrecke geeignet. Es kann auch ein in seinem Widerstandswert in Abhängigkeit vom Spulenstrom magnetisch einstellbares Bauelement, insbesondere ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand oder eine magnetisch beblasene Funkenstrecke, vorgesehen sein.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Schaltanordnung sind zwei Induktionsspulen über je einen Gleichrichter parallel auf einem Kondensator geschaltet. Dabei sind die Gleichrichter so gepolt, daß der eine während der geradzahligen und der andere während der ungeradzahligen Halbwellen der Kondensatorentladung sperrt. An Stelle der beiden Gleichrichter können auch zwei magnetisch beeinflußbare Widerstände, insbesondere magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände oder magnetisch beblasene Funkenstrecken, verwendet werden. Die Widerstände können in einen Magnetkreis, der zugleich mit den Induktionsspulen erregt und geeignet vormagnetisiert ist, gesetzt sein. Es ist auch möglich, ohne Vormagnetisierung zu arbeiten, wenn Mittel zum magnetischen Erregen der Widerstände mit der halben Entladungsfrequenz des Kondensators vorgesehen sind, mit dessen elektrischer Energie die Induktionsspulen versorgt werden.

An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Plasmabeschleuniger mit einer über eine Graetz-Schaltung an den Kondensator angeschlossenen Induktionsspule,

Fig. 2 einen Plasmabeschleuniger mit zwei Induktionsspulen, entsprechend F i g. 1,

F i g. 3 einen Plasmabeschleuniger mit vier Induktionsspulen, entsprechend Fig. 2,

F i g. 4 eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit zwei Induktionsspulen, entsprechend F i g. 1,

Fig. 5 eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit drei Induktionsspulen, von denen zwei je über eine Gxaetz-Schaltung mit dem zugehörigen Kondensator verbunden sind,

F i g. 6 einen Plasmabeschleuniger mit zwei über je einen Gleichrichter an denselben Kondensator angeschlossenen Induktionsspulen,

F i g. 7 eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen, entsprechend F i g. 6,

Fig. 8 ein Strom-Zeit-Diagramm für die beiden über Gleichrichter an einen Kondensator angeschlossenen Induktionsspulen, gemäß F i g. 6 oder 7,

Fig. 9 eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit drei Induktionsspulen, von denen zwei gemäß F i g. 7 geschaltet sind,

Fig. 10 eine Schaltanordnung mit magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen an Stelle von Gleichrichtern gemäß F i g. 1,

Fig. 11 eine Schaltanordnung mit magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen an Stelle von Gleichrichtern gemäß Fig. 6,

Fig. 12 und 13 Ausführungsbeispiele der Schaltanordnungen gemäß Fig. 10 und 11,

F i g. 14 eine magnetisch beblasene Funkenstrecke im Prinzip,

F i g. 15 eine Anordnung mit magnetisch beblasenen Funkenstrecken oder magnetfeldabhängigen

Widerständen an Stelle von Gleichrichtern gemäß Fig. 9,

Fig. 16 ein Strom-Zeit-Diagrarnm zu Fig. 15,
F i g. 17 eine Schaltanordnung zum Kurzschließen

des Induktionsspulenstromes durch. Zünden einer Funkenstrecke im Strommaximum,

Fig. 18 Strom- und Spannungs-Zeit-Diagramme

zu Fig. 17,

F i g. 19 und 20 Schaltanordnungen zum. Kurzschließen des Induktionsspulenstromes und durch magnetische Beeinflussung eines magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes oder einer magnetisch anblasbaren Funkenstrecke,

F i g. 21 eine Schaltanordnung zum Kurzschließen des Induktionsspulenstromes im Strommaximum durch einen der Induktionsspule parallelgeschalteten Gleichrichter.

In F i g. 1 ist ein Plasmabeschleuniger mit einer über eine Graetz-Schaltung 16 an den Kondensator 21 angeschlossenen Induktionsspule 6 gezeichnet, die um das Isolierrohr 10 gewickelt ist. Zur Erzeugung des Cusp-Feldes 25 liegen um das Isolierrohr 10 außerdem die beiden entgegengesetzt gewickelten Feldspulen 1 und 2.

Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung gemäß F i g. 1 wird zunächst die Funkenstrecke 50 mittels des Zündgerätes Z gezündet, so daß der Kondensator 51 sich durch die Feldspuleiil und 2 entladen kann. Bei dem Kondensator Sl kann es sich, wie in allea folgenden Beispielen, um eine ganze Kondensatorbatterie handeln. Durch Erregung der Spulen 1 und 2 entsteht zwischen diesen das Cusp-Feld 25. Dieses Cusp-Feld ist also, wie gezeichnet, in der Ebene der Induktionsspule 6 radial nach außen gerichtet. In der Zeichenebene ist das durch die beiden Pfeile 36 gekennzeichnet.

Gleichzeitig mit der Erregung der Feldspulenl und 2 wird — eventuell über einen Kondensator 52 und einen Widerstand 53 — die Funkenstrecke 54 gezündet, so daß der Kondensator 55 (falls erforderlieh über einen Widerstand 56) das Ventil 58 erregen kann. Mittels des Ventils 58 wird Gas stoßartig in das vorher evakuierte Isolierrohr 10 eingeblasen. Es bewegt sich im Isolierrohr von links nach rechts.

Mit der Entladung des Kondensators 55 wird gleichzeitig mittels eines Rogowski-Gürtels 59 ein Verzögerungsgerät VG angestoßen. Dieses zündet zunächst die Funkenstrecke 15, so daß sich der Kondensator 57 durch die Vorionisierungsspule 20 entlädt und durch letztere das in das Rohr 10 eingeblasene Gas vorionisiert, also in sogenanntes Plasma verwandelt wird. Danach zündet das Verzögerungsgerät VG die Funkenstrecke 11 in dem Moment, in dem das Plasma in der Ebene der Induktionsspule 6 angelangt ist. Nach Zünden der Funkenstreckell wird der Kondensator 21 über die aus den Gleichrichtern 41 bis 44 bestehende Graetz-Schaltung 16° durch Induktionsspule 6 entladen.

Es sei angenommen, daß zunächst die obere Platte des Kondensators 21 positiv geladen war. Darm nimmt der Strom in der ersten Halbwelle der Kondensatorentladung seinen Weg über den Gleichrichter 41, die Induktionsspule 6 und den Gleichrichter 42 zurück zum Kondensator 21. In der zweiten Halbwelle nimmt dann der Strom den Weg von der unteren Kondensatorplatte über den Gleichrichter 43, die Induktionsspule 6 und den Gleichrichter 44· zurück zur oberen Kondensatorplatte. Durch eine solche

Schaltanordnung wird also die Induktionsspule 6 bei der oszillierenden Kondensatorladung in nur einer Richtung vom Strom durchflossen.

Durch Erregung der Induktionsspule 6 entsteht in deren Ebene ein elektrischer Ringstrom 26 innerhalb des Isolierrohres 10. Die Spule 6 kann dabei in einer Richtung vom Strom durchflossen sein, die durch die einen Pfeil symbolisierenden Zeichen — Punkt und Kreuz — gekennzeichnet ist. Der Ringstrom 26 fließt innerhalb des Plasmas, das bis in die Ebene der Spule 6 vorgedrungen ist. Infolge der Lorentz-Kraft, die aus dem Vektorprodukt von Ringstrom 26 und Magnetfeld 36 gebildet ist, wird das Plasma in Pfeilrichtung 46 beschleunigt aus der. Ebene der Induktionsspule ausgestoßen.

Sollte in die Vorrichtung gemäß F i g. 1 schon auf irgendeine Weise Plasma eingebracht sein, so ist das Ventil 58 mit der zugehörigen Schaltung überflüssig. In diesem Fall kann das Verzögerungsgerät VG direkt (durch die Kondensatorentladung 51) über die gestrichelte Leitung 60 angestoßen werden.

Die F i g. 2 zeigt einen Plasmabeschleuniger mit zwei Induktionsspulen 6 und 7, entsprechend Fig. 1. Außer den beiden Feldspulen 1 und 2 liegt um das Isolierrohr 10 in diesem Fall eine weitere Feldspule 3. Die Schaltung der Induktionsspule 6 entspricht genau derjenigen in F i g. 1. Gleiche TeUe in F i g. 2 sind ebenso bezeichnet wie in Fig. 1.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Einheit halber das Ventil mit dem zugehörigen Schaltkreis nicht gezeichnet worden. Die Induktionsspule 6 wird über die — hier symbolisch gezeichnete —· Graetz-Schaltung 16 nach dem gleichen Mechanismus erregt wie in F i g. 1. Nach einem Intervall — das der Laufzeit des Plasmas von der Induktionsspule 6 zur Induktionsspule 7 und eventuell einer zusätzlichen Akkumulationszeit im Cusp-Feld 37 entspricht — wird durch das - Verzögerungsgerät VG die Funkenstrecke 12 gezündet. Dadurch kann sich der Kondensator 22 über die Graetz-Schaltung 17 durch die Induktionsspule 7 entladen. Die Graetz-Schaltung 17 entspricht genau der Schaltung 16. Die Spulen 6 und 7 unterscheiden sich — wie in der Zeichnung dargestellt — lediglich dadurch, daß sie entgegengesetzt zueinander gepolt sind. Diese Polung der Spule 7 ist wichtig, da das Plasma mit der Vorrichtung gemäß F i g. 2 auch aus der Ebene der Spule 7 nach rechts beschleunigt werden soll (Pfeil 47), aber das Cusp-Feld 37 in der Ebene der Spule 7 radial nach innen gerichtet ist.

In Fig. 3 ist ein Plasmabeschleuniger mit vier Beschleunigungsstufen schematisch dargestellt. Da es sich um einen Beschleuniger handelt, d. h.; in den vier Cusp-Feldstufen soll in die Richtungen 46 bis 49 beschleunigt werden, müssen benachbarte Induktionsspulen (6 bis 9) wegen der Richtungen der zugehörigen Cusp-Felder entgegengesetzt zueinander gepolt sein. Wegen der bei der Beschleunigung zunehmenden Geschwindigkeit des Plasmas kann es dabei vorteilhaft sein, die Feldspulenl bis 5 von. links nach rechts zunehmend länger zu machen. Auch im Fall der Fig. 3 wird jede einzelne der Induktionsspulen 6 bis 9 bei der oszillierenden Entladung der Kondensatoren 21 bis 24 nur in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossen. Soll ein einzelnes Plasmoid von der Spule 6 bis zur Spule 9 stufenweise beschleunigt werden, so können mittels des Verzögerungsgerätes VG die Funkenstreeken 11 bis 14 in

passenden Zeitabständen nacheinander gezündet werden, so daß die Kondensatoren 21 bis 24 sich nacheinander über die Graetz-Schaltungen 16 bis 19 durch die Spulen 6 bis 9 entladen.

Die F i g. 4 zeigt eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit zwei Induktionsspulen 6 und 7 a, die gleichsinnig um das IsolierrohrlO zwischen die Feldspulen 1 bis 3 gewickelt sind. In Fig. 4 wie in den folgenden Figuren sind gleiche Teile ebenso wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet. Ein Element, das sich lediglich durch die Umkehrung seiner Richtung von analogen Elementen anderer Figuren unterscheidet, ist' hier und im folgenden durch die gleiche Zahl mit einem dahintergesetzten »a« gekennzeichnet.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird durch das Zusammenwirken des Ringstromes 27a im Plasma und des radial nach innen gerichteten Cusp-Feldes 37 das Plasma (30) aus der Ebene der Spule 7 a in Richtung 47 a beschleunigt bzw. reflektiert und beim Abbremsen in den Cusp-Feldern 36 bzw. 37 stufenweise aufgeheizt. In Fig.4 ist außerdem gezeigt, daß bei der schnellen Aufeinanderfolge der Zündungen der Induktionsspulen 6 bzw. 7 a hierzu abwechselnd die Funkenstrecken 11 und 11' bzw. 12 und 12' und eventuell noch weitere verwendet werden können. Auf diese Weise können die Funkenstrecken zwischen den Zündungen entionisiert werden, und man erhält die Möglichkeit, die Kondensatoren 21 und 21' bzw. 22 und 22' und eventuell noch weitere in der Zwischenzeit wieder aufzuladen.

In der F i g. 5 ist eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit drei Induktionsspulen 6, 70 und Sa gezeichnet. Die Spulen 6 und 8 a entsprechen in ihrer Schaltung und Wirkungsweise ganz den Spulen 6 und 7 a von F i g. 5. Es besteht gegenüber der F i g. 4 lediglich der Unterschied, daß die beiden Spulen gegensinrrig gewickelt sind. Das ist nötig, da in der Ebene der Spule 8 a das Cusp-Feld 38 ebenso wie bei der Spule 6 radial nach außen gerichtet ist. Nach Zündung der Funkenstrecke 13 wird also durch die Entladung des Kondensators 23 das Plasma aus der Ebene der Spule 8 a durch Zusammenwirkung des Ringstromes 28 a mit dem Cusp-Feld 38 in Richtung 48 beschleunigt. Im Gegensatz zum Betrieb der bisher beschriebenen Induktionsspulen wird durch die Spule 70 nach Zündung der Funkenstrecke 71 ein Kondensator 72 so entladen, daß der Spulenstrom in dem Schwingkreis oszilliert. Daher wird aus der Ebene der Spule 70 durch Zusammenwirkung des im Plasma oszillierenden Ringstromes 73 und des radial nach innen gerichteten Cusp-Feldes 37 abwechselnd in Richtung 75 bzw. 76 beschleunigt.

Fig. 6 zeigt einen Plasmabeschleuniger mit zwei über je einen Gleichrichter 63 und 64 an denselben Kondensator 62 angeschlossenen Induktionsspulen 6 und 7. In seiner Wirkung auf das Plasma entspricht diese Schaltanordnung derjenigen gemäß F i g. 2. Es sei angenommen, daß sich der Kondensator 62 nach Zündung der Funkenstrecke 61 zunächst über den Gleichrichter 63 durch die Induktionsspule 6 entlädt. In der nach dieser Halbwelle der Kondensatorentladung folgenden Halbwelle wird dann der Gleichrichter 64 leitend, während der Gleichrichter 63 sperrt, so daß bei der zweiten Halbwelle die Induktionsspule 7 stromdurchflossen ist.

Die Fig. 7 zeigt eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen, bei der die beiden Induk-

tionsspulenö und 7 a ebenso beschaltet sind wie in F i g. 6. Lediglich die Polung der Spule 7α ist gegenüber der Spule 7 umgekehrt. Daher wird in diesem Fall das Plasma zwischen den beiden Spulen 6 und 7 α reflektiert und stufenweise aufgeheizt. Beiderseits der Spulen 6 und 7a können auf dem gleichen Isolierrohr weitere Induktionsspulen — z.B. 8a und 9a wie gezeichnet — zwischen Feldspulen (1 bis 5) angeordnet sein. Die Induktionsspulen 8 α und 9 a können ebenso beschaltet sein wie die Spulen 6 und 7 a. Es ist bei der Polung der Spulen 8 a und 9 a lediglich darauf zu achten, daß durch die Ringströme 28 a und 29 a in Zusammenwirkung mit den Cusp-Feldern 38 und 39 das Plasma in die gezeichneten Richtungen 48 a und 49 a beschleunigt wird.

Die F i g. 8 zeigt ein Strom-Zeit-Diagramm für die beiden über Gleichrichter 63 und 64 in einen Kondensator 62 angeschlossenen Induktionsspulen 6 und 7 (7a) gemäß Fig. 6 und 7. In der Abszisse des zo Diagramms sind die Spulenströme I_e und I₇ (bzw. I_7a) der Spulen 6 und 7 bzw. 7 a in Ampere abgetragen. Die beiden Abszissen sind zeitproportional (t), z. B. in μββο. Es geht aus dem Diagramm hervor, daß nach einer halben Periode (erste Halbwelle) τ/2 der as Strom durch die Spule 6 sein Maximum überschritten hat und der Strom I₇ bzw. I_{7 a} durch die Spule 7 (bzw. 7 a) zu fließen beginnt. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Stromrichtung in den Spulen ihr Vorzeichen an keiner Stelle umkehrt.
Die F i g. 9 zeigt eine Anordnung zum dynamischen Plasmaeinschließen mit drei Induktionsspulen 6, 70 und 8 a, die betreffend die Wirkung auf das Plasma den drei Spulen von Fig. 5 entsprechen. Die Schaltung gemäß F i g. 9 unterscheidet sich lediglich dadurch, daß an die Stelle der beiden Graetz-Schaltungen mit den zugehörigen Kondensatoren eine Schaltanordnung gemäß F i g. 6 getreten ist.

In F i g. 10 ist eine Schaltanordnung für eine Induktionsspule — z. B. die Induktionsspule 6 der Schaltanordnung gemäß Fig. 1 — gezeichnet. Zwischen dem nach Zündung der Funkenstrecke 11 sich entladenden Kondensator 21 und die Induktionsspule 6 ist in diesem Fall eine Graetz-Schaltung mit vier magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen 65 bis 68 geschaltet. Die Widerstände sind mittels konstanter Magnetfelder 69 vormagnetisiert. Parallel zu dieser Schaltung ist auf den Kondensator eine Magnetspule 80 über einen Widerstand 81 geschaltet. Der Widerstand 81 dient dazu, den Strom durch die Spule 80 zu begrenzen, so daß der Erregerstrom der Spule 6 nicht zu sehr geschwächt wird. Das Zusammenwirken der einzelnen Elemente gemäß F i g. 10 wird an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 12 deutlich.

. Fig. 11 zeigt eine der Fig. 6 entsprechende , Schaltanordnung, wobei magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände 77 und 78 an die Stelle der Gleichrichter 63 und 64 getreten sind. Die Widerstände 77 und 78 sind ebenso wie die entsprechenden Widerstände gemäß Fig. 10 durch konstante Magnetfelder 69 vormagnetisiert und in das Feld einer auf ' den Kondensator 62 geschalteten Magnetspule 80 gesetzt. Einzelheiten des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 11 gehen unter anderem aus der F i g. 13 hervor.

In Fig. 12 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung gemäß Fig. 10 dargestellt. Die Magnetspule 80 hegt um den Kern 83 eines Magneten mit den Polschuhpaaren 84 und 85. Die in den Luftspalt

der Polschuhpaare 84 und 85 gesetzten magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände 65 und 66 bzw. 67
und 68 sind in entgegengesetzter Richtung durch die
aus der Stromquelle 82 erregte Spule 69 vormagnetisiert. Je nachdem, in welcher Richtung der Kern 83
durch die SpuleSO magnetisiert ist, haben also die
beiden Widerstände 65, 66 oder die beiden Widerstände 67,68 einen hohen bzw. niedrigen Widerstandswert. Die Wirkungsweise der^- magnetfeldabhängigen Widerstände65 bis 68 ist also die gleiche io gekennzeichnet. Beispielsweise geht aus der Fig. 16

10

spulen 97 bzw. 98. Die Kurven in Fig. 16 sind der Einfachheit halber ohne Berücksichtigung der Dämpfung gezeichnet. Ferner ist das Amphtudenverhältnis von I₀ zu Z₁ und Z₁₁ nicht maßstabsgetreu dargestellt.

Die Elemente 91 und 92 von F i g. 15 sind so ausgelegt, daß sie den Strom I₀ abwechselnd während einer Zeit sperren, in der die Ströme I₁ bzw. Z₁₁ maximale Werte haben. Letztere sind in den KurvenZ₁ und I_u der F i g. 16 durch verstärkte Strichfuhrung

wie die der Gleichrichter 41 bis 44 von F i g. 1. An die Stelle der magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände 65 bis 68 können auch — wie gestrichelt gezeichnet—magnetisch beblasene Funkenstrecken 65' bis 68' treten.

Die Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltanordnung gemäß Fig. 11. Sie ist ganz analog aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12, jedoch befindet sich im Luftspalt jedes der Polschuhpaare 84 und 85 nur ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand 77 bzw. 78. Auch in diesem Fall können die Halbleiterwiderstände 77 und 78 durch magnetisch beblasene Funkenstrecken 77' bzw. 78' ersetzt werden.

Lichtbogen wie bei 88 zur Seite gedrückt, so daß der Widerstand der Funkenstrecke sich erhöht. Solche Funkenstrecken bieten deshalb im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltanordnung besondere Vorteile, da sie ohne Schwierigkeiten für große 35 Ströme ausgelegt werden können.

Die F i g. 15 zeigt eine Anordnung gemäß F i g. 9, bei der an Stelle der Gleichrichter 63 und 64 magne-

hervor, daß die magnetisch beblasene Funkenstrecke 92 (bzw. der magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstand 92') während der ersten in F i g. 16 gezeichneten Halbwelle des Stromes I₀ infolge des relativ gro-15 ßen Stromes Z₁₁ einen großen Widerstand hat. Daher fließt während dieser Halbwelle des Stromes I₀ letzterer durch die Induktionsspule 6. In der zweiten Halbwelle sind die Verhältnisse umgekehrt. In dieser Halbwelle des StromesZ₀ erreicht der StromZ₁ sein 20 Maximum, so daß die Funkenstrecke 91 (bzw. der Halbleiterwiderstand 9Γ) hochohmig ist und der Strom Z₀ durch die Spule 8 a fließt.

In F i g. 17 ist eine Schaltanordnung mit einer Induktionsspule 6 dargestellt. Der Strom durch die In-Das Prinzip einer solchen magnetisch beblasenen 25 düktionsspule 6 wird im Strommaximum durch Zün-Funkenstrecke ist in Fig. 14 schematisch ange- den einer Funkenstrecke 101 kurzgeschlossen. In der deutet. Im Normalfall brennt die Funkenstrecke etwa Wirkung entspricht diese Schaltanordnung derjenigen so, wie das mit den Linien 86 angedeutet ist. Nach gemäß F i g. 1, d. h., die Induktionsspule 6 wird bei Einschalten eines Magnetfeldes, z. B. das senkrecht der oszillierenden Entladung des Kondensators 21 auf der Zeichenebene stehende Feld 87, wird der 30 nur in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossen. Die Funkenstrecke 101 ist — z. B. über ein Verzögerungsgerät VG mittels eines Rogowski-Gürtels 100 — an den Kreis mit der Spple 6 und dem Kondensator 21 gekoppelt.

Die ,Arbeitsweise der Schaltanordnung gemäß Fig. 17 wird an Hand von Fig. 18 erläutert. Die obere Teilkurye von Fig. 18 gibt den StromZ der Induktionsspule6 (z.B. in Ampere) und die untere tisch beblasene Funkenstrecken 91 und 92 bzw. Teilkurve von F i g. 18 den Verlauf der Spannung U magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände9Γ und 40 (z.B. in Volt) als Funktion der Zeit t fasec) wieder. 92' verwendet sind. Wie aus der Zeichnung hervor- Ohne Anwendung der Funkenstrecke 101 würden der geht, wirken auf die Elemente91 bzw. 91' und 92 Strom Z und die Spannung U den in Fig. 18 ge- bzw. 92' die Felder von Magnetspulen 97 und 98. strichelten Verlauf haben. Wird jedoch die Funken-Die Magnetspulen sind Bestandteile von Schwing- strecke 101 im Strommaximum I_m — also nach einer kreisen mit Kondensatoren 95 und 96, die mittels 45 Viertelperiode (r/4) — gezündet, so lädt sich der eines Verzögerungsgerätes 74 durch Zünden der Kondensator 21 nicht mehr umgekehrt auf, d. h., die Funkenstrecken 93 und 94 in Betrieb gesetzt werden. Spannung am Kondensator, die im Strommaximum Das Verzögerungsgerät kann mit einem Rogowksi- (bei. r/4)-den Wert 0 hatte, bleibt konstant Null. VielGürtel 89 an die Leitung mit dem Kondensator 62 mehr fließt der Strom von diesem Zeitpunkt (r/4) gekoppelt sein oder, wie bei90 gestrichelt gezeichnet, 50 etwa nur noch, in dem Kreis mit der Induktionsunmittelbar an das Zündgerät Z angeschlossen sein. spule 6 und der Funkenstrecke 101. Dieser KurzUm zu erreichen, daß jede der Induktionsspulen 6 schlußstrom fällt nach einer e-Funktion ab, die proportional exp (—t-R/L) ist. Dabei ist R der Widerstand und L die Induktion des Kreises mit den Ele-55 menten 6 und 101. Damit der Ström nach dem Kurzschluß seinen Weg auch wirklich durch diesen Kreis nimmt, ist es zweckmäßig, den Widerstand des letzteren möglichst klein zu machen.

Die F i g. 19 und 20 zeigen Möglichkeiten von 60 Schaltanordnungen zum Kurzschließen des Stromes der Induktionsspule 6 durch magnetische Beeinflussung von magnetfeldabhängigeh Halbleiterwiderständen 103 bzw. magnetisch beblasenen Funkenstrecken 102. Dabei sind gleiche Teile wie in F i g. 18 bezeich-Kondensators 62 durch dessen Zuführungsleitungen 65 net und Alternativen gestrichelt dargestellt, (z. B. zwischen dem Kondensator 62 und dem Punkl Die F i g. 19 gibt den Fall wieder, daß die magne-99 in Fig. 15) fließt. Die StromeZ₁ und Z₁₁ beziehen tisch beeinflußbaren Widerstände mittels eines Masich auf die beiden Schwingkreise mit den Magnet- gnetfeldes 104 vormagnetisiert sind. Solange mir die

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und 8 a für sich bei der oszillierenden Entladung des Kondensators 62 in nur einer Richtung vom Strom durchflossen wird, ist es zweckmäßig, die Eigenfrequenzen der beiden Schwingkreise mit den Magnetspulen 97 und 98 halb so. groß einzustellen wie die Entladungsfrequenz des Kondensators 62.

Die Arbeitsweise der Schaltanordnung gemäß Fig. 15 wird an Hand von Fig. 16 näher erläutert. In Fig. 16 ist der Strom in der Ordinate (z.B. in Ampere) und die Zeit t in der Abszisse (z. B. in μβεο) abgetragen. Die Kurve Z₀ in F i g. 16 gibt den oszillierenden Strom wieder, der bei der Entladung des

Claims (7)

Vormagnetisierung auf die Elemente 102 bzw. 103 einwirkt* ist deren Widerstand groß. Wird jedoch gleichzeitig die Magnetspule 105 so in Betrieb gesetzt, daß ihr Magnetfeld entgegengesetzt zu dein der Vormagnetisierung ist, so werden die beiden Eleüiente 102 bzw. 103 nieüerohmig. Der Zeitpunkt, in dem die Spule 105 eingeschaltet wird, ist also der gleiche, in dem die Funkenstrecke 101 gemäß F i g. 17 zu zünden ist, Beispielsweise kann die Magnetspule 105 in einen Schwingkreis mit dem Kondensator 106 eingeschaltet sein, der durch Zündung der Funkenstrecke 107 entladen wird. Wenn man, wie in F i g, 20 gezeichnet, ohne Vormagnetisierung arbeitet, wird z. B. die Magnetspule 105 so lange in Betrieb gehalten, bis der Strom durch die Induktionsspule 6 sein Maximum erreicht. Das kann z, B. dadurch geschehen} daß im gewünschten Zeitpunkt die die Spule 105 versorgende SpannungsqüeUe 108 mittels der Funkenstrecke 107 kurzgeschlossen wird. Eine besonders einfache Schaltanordnung zum Kurzschließen des Stromes durch die Induktionsspule 6 ist in F i g, 21 dargestellt. In diesem Fall liegt parallel zur Induktionsspule ein Gleichrichter 109. Es sei angenommen, daß dieser in der ersten Halbwelle der Kondensatorentladung sperrt. Dann wird der Gleichrichter also nach Nulldurchgang der Spannung am Kondensator, d. h, im Strommaximum der Induktionsspule 6, leitend. Wenn der Gleichrichter 109 leitend geworden ist, kann der Strom der Induktions- spule in den Kreis mit dem Gleichrichter fließen. Wenn der Widerstand der Leitung mit dem Gleichrichter einscHießlich desselben kleiner ist als der Widerstand der Leitung mit der Funkenstreckell und dem Kondensator 21. In den Cusp-Feldern aller vorbesGhriebenen Schaltanordnungen kann — wie schon vorgeschlagen — das Plasma vor der Emission in einer einige Mikrosekunden dauernden Einfangphase gesammelt und dabei aufgeheizt werden, Diese Aüfheizung erfolgt dadurch, daß die kinetische Energie des Plasmas in der Einfangsphase weitgehend thermalisiert wird. Patentansprüche: +5

1. Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen, Beschleunigen und/ ödef dynamischen Einschließen von Plasmoiden in spitzengeometrischen Magnetfeldkonfigurationen nach Art bikonisGher Spitzen, die durch Erregung von achsengleich mit abwechselndem Wicklungssinn auf einem Isolierrohr mit Abstand voneinander angeordneten Feldspulen erzeugt werden, Wobei achsengleich zwischen zwei Feldspulen je eine Induktionsspule gewickelt ist, über die ein Kondensator entladen wird, nach Patent 1209670, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis mindestens einer der Induktionsspulen (6) so beschaltet ist, daß diese während der oszillierenden Kondensatorentladung nur in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossen wird,

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierrohr (10) aufeinanderfolgende Induktionsspulen (6) so beschaltet sind, daß jede einzelne Spule in einer einzigen konstanten Richtung und benachbarte Spu-

Ien in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen Werden.

3, Schaltanordnung gum dynamischen Einschließen Von Plasmoiden nach Anspruch I_i dadurch gekennzeichnet} daß zwei Wahrend dir oszillierenden Kondensatorentladung in einer einzigen gleichen Riehtung vom Strom durehflossenc Induktionsspulen (6) vorgesehen, sind.

4. Schaltanordnung zum dynamischen Einschließen von Plasmoiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei auf dem Isolierrohr aufeinanderfolgende Induktionsspulen (6) vorgesehen sind, von denen die beiden äußeren in einander entgegengesetzter, aber nur diese in konstanter Richtung vom Strom durchflossen werden.

5, Schaltanotdnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierröhr (10) wenigstens auf einer Seite der Anordnung mindestens eine weitere Induktionsspule gewikkelt ist, die in konstanter Richtung entgegengesetzt vom Strom durchflossen ist wie die benachbarte Induktionsspule,

6. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer einzigen Richtung vom Strom durchflösssenen Induktionsspulen je über eine Graetz-Schaltung mit den ihnen zugeordneten Kondensatoren verbunden sind,

•

7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Graetz-Schaltung aus Gleichrichtetrt (41 bis 44) gebildet ist.

8. Schältanotdnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräetz-Schaltung aus Bauelementen mit veränderlichem Widerstand gebildet ist und daß Mittel zum Einstellen des Widerstandswertes im Rhythmus der Kondensatorentladung vorgesehen sind.

9. Schaltanordnung nach Anspruch S_j dadurch gekennzeichnet, daß für die Graetz-Schaltung vier magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände (65 bis 68) vorgesehen sind und daß die Widerstände in einen Magnetkreis gesetzt Sind, der von einem mit der Induktionsspule (6) gleichzeitig durchflossenen Stromkreis erregt (80) und so vormagnetisiert (69) ist, daß die Widerstände abwechselnd paarweise in den aufeinanderfolgenden Halbwellen der Kondensatorentladung (21) hoch- bzw. niedeföhmig sind.

10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände magnetisch beblasene Funkenstrecken (65' bis 68') vorgesehen Sind, deren Widerstandswert durch ein Magnetfeld steuerba? ist.

11. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß deren in einer einzigen Richtung vom Strom durchflossenen Induktionsspulen (6) ein zum Kurzschließen des Spulenstromes im Strommaximum Qm) vorgesehenes Bauelement parallel geschaltet ist,

12. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein gegenüber der ersten Halbwelle der Kondensatorentladung (21) in Sperrichturtg geschalteter Gleichrichter(109) ist.

13. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet; daß das Bauelement eine

im Strommaximum gezündete Funkenstrecke (101) ist.

14. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinem Widerstandswert in Abhängigkeit vom Spulenstrom magnetisch einstellbares Bauelement, insbesondere magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand (103) oder magnetisch beblasene Funkenstrecke (102), vorgesehen ist.

15. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktionsspulen (6, 7) über je einen Gleichrichter (63, 64) parallel auf einen Kondensator (62) geschaltet sind, wobei die Gleichrichter so gepolt sind, daß der eine während der geradzahligen und der andere während der ungeradzahligen Halbwellen der Kondensatorentladung sperrt.

16. Schaltanordnung nach Anspruch 15, dahin abgewandelt, daß an Stelle der beiden Gleichrichter zwei magnetisch beeinflußbare

Widerstände, .insbesondere mägnetfeidabhängige Halbleiterwiderstände (77, 78) oder magnetisch beblasene Funkenstrecken (77', 78'), vorgesehen sind.

17. Schaltanordnung nach Anspruch 15 mit Widerständen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (77, 78) in einen Magnetkreis (83 bis 85) gesetzt sind, der von einem mit der Induktionsspule gleichzeitig durchflossenen Stromkreis erregt (80) und so vormagnetisiert (69) ist, daß die Widerstände abwechselnd nacheinander in den aufeinanderfolgenden Halbwellen der Kondensatorentladung (62) hoch- bzw. niederohmig sind.

18. Schaltanordnung nach Anspruch 15 mit Widerständen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (93, 98) zum magnetischen Erregen der Widerstände (91, 92) mit der halben Entladungsfrequenz des Kondensators (62) vorgesehen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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