DE1259603B - Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer Gasmenge, insbesondere zur Isotopentrennung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIn

Deutsche KL: 421-3/09

Nummer: 1259 603

Aktenzeichen: L 29147IX b/421

Anmeldetag: 23. November 1957

Auslegetag: 25. Januar 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer Gasmenge, insbesondere zur Isotopenanreicherung in einer ruhenden Zentrifugentrommel, bestehend aus einem vorzugsweise rotationssymmetrischen Gehäuse mit axial symmetrischer Anordnung eines elektrischen Stromes einer Gasentladung und eines zu diesem mindestens mit einer nicht verschwindenden Komponente senkrecht stehenden magnetischen Feldes, wobei die mit hoher Umlaufgeschwindigkeit sich bewegenden geladenen Teilchen aus der Gasentladung im Magnetfeld durch teilweise Weitergabe ihrer Energie durch Stoß an die ungeladenen Teilchen die Gesamtgasmasse in Rotation versetzen.

Es ist bereits eine Einrichtung zur Erzeugung von Überschall-Windgeschwindigkeit bekannt, die eine zylindrische Kammer aus einem Isolierstoff, welche von einem der Zylinderachse parallelen Magnetfeld durchsetzt wird, besitzt. Eine zylindrische Elektrode befindet sich in der Zylinderachse, eine zweite Elektrode wird von einem Ring gebildet, der die Zylinderelektrode in ihrem mittleren Teil umgibt. Die Kammer ist mit Luft von einer Dichte gefüllt, bei welcher die mittlere Stoßzeit von Elektronen viel größer als ihre Zyklotronperiodizität und die mittlere Stoßzeit von Ionen viel kleiner als ihre Zyklotronperiodizität ist. Die beiden Elektroden werden an eine so hohe Spannung angeschlossen, daß zwischen ihnen eine Bogenentladung auftritt. In einer solchen Einrichtung wird im Betrieb eine Rotation der Luftfüllung der Kammer hervorgebracht, welche Windgeschwindigkeiten größer als die Schallgeschwindigkeit erzielen lassen soll.

Nachstehend wird die Erfindung auf dem Anwendungsgebiet der Isotopenanreicherung näher erläutert.

Zur Isotopentrennung ist eine Vorrichtung bekannt, welche mit elektrischen und magnetischen Feldern nach dem Prinzip des Massenspektrographen arbeitet. Grundlage der Trennungswirkung sind bei dieser Vorrichtung also die ungestörten Bahnen von Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern. Eine solche bekannte Vorrichtung zur Trennung ionisierter Teilchen weist eine zylindrische Spulenanordnung auf, welche ein axiales Magnetfeld erzeugt. Innerhalb dieses Feldes befinden sich drei konzentrische zylindrische Elektroden, deren Zylinderachsen parallel zur Magnetfeldrichtung sind. Die beiden inneren Zylinderelektroden besitzen in ihrem mittleren Teil längs ihres Umfanges Schlitze für den Durchtritt ionisierter Teilchen. Alle Elektroden sind in eine zu evakuierende Kammer eingeschlossen.

Zur Trennung von positiv geladenen Teilchen, Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer
Gasmenge, insbesondere zur Isotopentrennung

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

6000 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:
Dr. phil. Karl Steimel,
6240 Königstein-Johanniswald

welche in der Symmetrieachse der Elektroden- und Magnetfeldanordnung erzeugt werden, erhält die innere Zylinderelektrode das Potential der Ionenquelle, während die mittlere und die äußere Zylinderelektrode das gleiche negative Potential erhalten. In dieser Weise wird ein elektrisches Feld in radialer Richtung, also senkrecht zu dem magnetischen Feld erzeugt. Die negative Vorspannung der mittleren und der äußeren Zylinderelektrode wird durch die Masse der zu trennenden Ionen und die Feldstärke des Magnetfeldes bestimmt. Die Ionen gelangen von dem Erzeugungsraum durch die Schlitze der inneren Elektrode in den Raum zwischen der mittleren und der äußeren Elektrode. Sind das elektrische und das magnetische Feld bezüglich ihrer Größe aufeinander abgestimmt, werden die Ionen mit größerer Masse (schwerere Isotope eines Elementes) auf der Innenseite der äußeren Elektrode und die Ionen mit kleinerer Masse (leichtere Isotope eines Elementes) auf der Außenseite der mittleren Elektrode aufgefangen. Der Massendurchsatz einer solchen Einrichtung ist schon wegen der Notwendigkeit der Trennung der Stoffmenge im höchsten Vakuum außerordentlich klein. Außerdem ist die zu trennende Stoffmenge in Ionen zu überführen.

Eine Einrichtung zur Gewinnung von Isotopen, welche in einer Kammer eine in bezug auf die Achse der Kammer axialsymmetrische Anordnung eines elektrischen Stromes einer Gasentladung und eines zu diesem mindestens mit einer nicht verschwindenden Komponente senkrecht stehenden magnetischen Feldes besitzt und eine Gasmasse mit einem Druck enthält, bei dem die mittlere Stoßzahl der Gasteilchen pro Zeiteinheit größer als die doppelte Frequenz der Periodizität der Bewegung eines Gasions ist, die dieses in einem Magnetfeld von der gleichen Richtung bei Abwesenheit aller übrigen Gasteilchen ausführen würde, ermöglicht die Isotopenanreicherung indem

709 720/236

3 4

die mit hoher Umfangsgeschwindigkeit auf die in Ro- Scheibenebene parallel zur Symmetrieachse durch-

tation gebrachte Gasmasse wirkende Zentrifugalkraft setzendes Magnetfeld erzeugt.

ausgenutzt wird, welche eine Anreicherung des schwe- An der wulstf örmigen Erweiterung des Entladungs-

reren Isotops gegen die Kammerwand hin und dem- gefäßes ist ein Gasauslaß angebracht, der durch den

entsprechend eine Anreicherung des leichteren Iso- 5 Ringtorus des Magneten hindurchgeführt ist. Wird an

tops gegen die Kammerachse hin hervorruft. die beiden Elektroden eine genügend hohe Spannung

Bei derartigen Einrichtungen droht der elektrische angelegt, so fließt zwischen diesen ein elektrischer

Strom der Gasentladung, insbesondere dann, wenn Strom, und zwar senkrecht zu dem axial gerichteten

der Gasdruck nicht optimal eingehalten wird, sich zu- Magnetfeld. Die entstehende Rotation der in dem

sammenzuschnüren und im Magnetfeld zu rotieren. io scheibenförmigen Entladungsgefäß befindlichen Gas-

Beispielsweise findet man bei einer rotationssymme- menge bringt in der wulstförmigen Erweiterung des

taschen Anordnung eines axialgerichteten Magnet- Scheibenrandes eine Druckerhöhung und in der Sym-

feldes und eines senkrecht zu diesem verlaufenden metrieachse eine Druckerniedrigung hervor, welche

elektrischen Stromes einer Gasentladung zwischen z. B. zum Abpumpen einer Gasmenge eines an den

einer kreisringförmigen und einer axialen, zylindri- 15 Pumpstutzen anzuschließenden Behälters dienen

sehen Elektrode, daß die Entladung sich zusammen- kann.

schnürt und wie eine Speiche eines Rades im Magnet- Nachfolgend werden drei Beispiele für Vorrichtun-

feld rotiert. gen zur Isotopenanreicherung beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- F i g. 1 zeigt in zum Teil schematischer Darstellung

gründe, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Ro- 20 einen Teil eines Schnittes einer Einrichtung nach

tation in einer Gasmenge, insbesondere zur Isotopen- einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

anreicherung in einer ruhenden Zentrifugentrommel Die Elektrodenanordnung für die elektrische Gas-

zu schaffen. entladung besteht bei diesem Beispiel aus einer

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch peripheren kreiszylindermantelförmigen Elektrode 1, gelöst, daß mindestens eine der Elektroden der Gas- 25 welche erfindungsgemäß längs des Kreisumfanges in entladung in Segmente aufgeteilt ist und in den Strom- Stücke, also in Segmente, unterteilt ist, in deren Zuleitungen zu den Segmenten jeweils ein Vorwider- Stromzuleitungen jeweils ein Vorwiderstand oder/und stand oder/und eine Drosselspule liegt. Durch diese eine Drosselspule liegt, sowie aus einer zentralen erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden und Elektrode! mit zwei zueinander parallel und zur der Stromzuführung für eine elektrische Entladung 30 Symmetrieachse konzentrischen Ringscheiben. Diese kann bei einer Einrichtung mit axialsymmetrischer Ringscheiben 2 sind symmetrisch zu einer Ebene Anordnung eines elektrischen Stromes einer Gas- senkrecht zur Symmetrieachse angeordnet, wobei in entladung und eines zu diesem mindestens mit einer dieser Ebene der elektrische Strom der Gasentladung nicht verschwindenden Komponente senkrecht stehen- fließt. Das magnetische Feld wird durch die beiden den magnetischen Feldes eine gleichmäßige Vertei- 35 kreisringförmigen und zur Symmetrieachse konzentrilung des elektrischen Stromes der Entladung auf den sehen Magnetpole 3 und 4 erzeugt. Es steht senkrecht gesamten Stromraum erreicht werden. Wenn der zu dem radial fließenden Entladungsstrom. Diese AnStrom in einer der Zuleitungen zu den Segmenten Ordnung ermöglicht eine besonders günstige Stabiliinfolge einer Störung in dem Entladungsstromraum sierung der elektrischen Entladung, wobei die periabzunehmen droht, steigt die Spannung an dem be- 40 phere kreiszylindermantelförmige Elektrode 1 durch treffenden Segment an und zieht wieder einen größe- ihre Unterteilung in Segmente und die Ausbildung der ren Strom auf dieses Segment. Diese Homogenisie- Stromzuleitungen zu den Segmenten eine azimutale rung der elektrischen Entladung ist besonders für eine Homogenisierung hervorbringt. Außerdem bewirken Vorrichtung zur Isotopenanreicherung von Vorteil, die zentralen kreisringscheibenförmigen Elektrodenbei welcher zum Zentrifugieren erne Gasmasse in Ro- 45 teile 2 durch ihre symmetrische Lage zu der genanntation versetzt wird. Sie ermöglicht eine Steigerung ten Ebene senkrecht zur Symmetrieachse und gegebedes Durchsatzes durch eine Erhöhung der Anreiche- nenfalls in den Stromzuleitungen zu den beiden Elekrung, indem eine Verwirbelung der rotierenden Gas- trodenteilen2 vorzusehende Vorwiderstände oder/und masse verringert und die Umfangsgeschwindigkeit Drosselspulen eine axiale Gleichmäßigkeit der Stromvergrößert werden kann. 5" verteilung der Gasentladung.

Mit einer solchen Einrichtung, bei welcher in einer Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung rotationssymmetrischen Anordnung eine Gasmenge in wird an Hand der F i g. 2 erläutert, welche in zum Rotation versetzt wird, kann ferner eine Pumpwirkung Teil schematischer Darstellung einen Teil einer Einauf eine Gasmenge oder eine Uberschall-Wind- richtung gemäß der Erfindung in einem Schnitt senkgeschwindigkeit der Gasmenge erzeugt werden. Eine 55 recht zur Symmetrieachse der Anordnung zeigt. Die Einrichtung für diesen Zweck besitzt vorzugsweise ein Elektrodenanordnung weist eine periphere, beispielsscheibenförmiges Entladungsgefäß mit einem senk- weise kreiszylindermantelförmige Elektrode 5 und recht zur Scheibenebene in der Symmetrieachse her- eine ringscheibenförmige zentrale Elektrode 6 auf, die ausgeführten Pumpstutzen. Das Entladungsgefäß nach der Erfindung in Segmente unterteilt ist, in deren weist am Scheibenrand eine wulstförmige Erweiterung 60 Stromzuleitungen jeweils ein Vorwiderstand oder/und auf, in welcher sich ein als Elektrode dienender Me- eine Drosselspule liegt. Das magnetische Feld steht tallring befindet. Eme zweite, bolzenförmige Elek- senkrecht zu dem radial fließenden Entladungsstrom trode ist in der Symmetrieachse des Entladungs- und kann durch zwei kreisringförmige und zur Symgefäßes angeordnet. Durch einen Magneten von der metrieachse konzentrische Magnetpole erzeugt wer-Form eines Ringtorus, der die wulstförmige Erweite- 65 den, von welchen F i g. 2 lediglich einen, mit 7 berung des Entladungsgefäßes einschließt und einen zeichneten, zeigt. Eine günstige Ausbildung dieser kreisringförmigen, die Scheibenebene des Entladungs- Anordnung kann dadurch erhalten werden, daß die gefäßes aufnehmenden Spalt aufweist, wird ein die Elektrodenanordnung eine periphere Zylindermantel-

förmige Elektrode 5 sowie zwei zentrale ringscheibenförmige, parallele, konzentrische, in Segmente unterteilt und symmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse angeordnete Elektroden 6 aufweist, wobei in den Stromzuleitungen zu den beiden Segmenten der zentralen Elektroden 6 jeweils ein Vorwiderstand oder/und eine Drosselspule liegt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrodenanordnung für die Gasentladung einer Einrichtung zur Erzeugung der Rotation einer Gasmenge ist nicht daran gebunden, daß die Gasentladung radial brennt und das Magnetfeld axiale Richtung besitzt. Vielmehr kann das Magnetfeld radiale (axialsymmetrische) Richtung haben und der elektrische Strom der Gasentladung in axialer Richtung fließen sowie jede Kornbination von Magnetfeld und Stromrichtung vorgesehen werden, sofern die Richtungen von Magnetfeld und elektrischem Strom vorwiegend senkrecht zueinander stehen und axiale Symmetrie der Gesamtanordnung von elektrischem Strom der Gasentladung und zu diesem mindestens mit einer nicht verschwindenden Komponente senkrecht stehendem magnetischem Feld vorliegt.

Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das magnetische Feld radiale Richtung und Rotationssymmetrie hat und der elektrische Strom der Gasentladung in axialer Richtung und axial- oder rotationssymmetrisch, also senkrecht zum magnetischen Feld fließt, zeigt Fi g. 3.

Die Elektrodenanordnung dieses Beispiels besitzt zwei parallele, zur Symmetrieachse konzentrische, ringscheibenförmige Elektroden 8 und 9, welche beide in Segmente, also Kreisbogenstücke, aufgeteilt sind. In den Stromzuleitungen zu den Segmenten der Elektroden 8 und 9 liegt jeweils ein Vorwiderstand oder/ und eine Drosselspule. Das magnetische Feld wird durch eine ringförmige Anordnung von sektorförmigen Magneten hervorgebracht. Der gleiche Pol, z. B. der S-PoI 10, der Magneten bildet den zentralen Pol und der andere Pol, als in diesem Beispiel der N-PoI 11 des Magneten, bildet den peripheren Pol der Magnetanordnung.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer Gasmenge, insbesondere zur Isotopenanreicherung in einer ruhenden Zentrifugentrommel, bestehend aus einem vorzugsweise rotationssymmetrischen Gehäuse mit axialsymmetrischer Anordnung eines elektrischen Stromes einer Gasentladung und eines zu diesem mindestens mit einer nicht verschwindenden Komponente senkrecht stehenden magnetischen Feldes, wobei die mit hoher Umlaufgeschwindigkeit sich bewegenden geladenen Teilchen aus der Gasentladung im Magnetfeld durch teilweise Weitergabe ihrer Energie durch Stoß an die ungeladenen Teilchen die Gesamtgasmasse in Rotation versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden der Gasentladung in Segmente aufgeteilt ist und in den Stromzuleitungen zu den Segmenten jeweils ein Vorwiderstand oder/und eine Drosselspule liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine zylindermantelförmige, insbesondere periphere Elektrode aufweist und diese Elektrode in Segmente aufgeteilt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine ringscheibenförmige, insbesondere zentrale Elektrode aufweist und diese Elektrode in Segmente aufgeteilt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine periphere und in Segmente unterteilte Elektrode sowie solche zentrale, scheiben- oder ringscheibenförmige zueinander parallele und zur Symmetrieachse konzentrische Elektroden aufweist, in deren Stromzuleitungen jeweils ein Vorwiderstand oder/und eine Drosselspule liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen scheiben- oder ringscheibenförmigen Elektroden symmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse angeordnet sind, wobei in dieser Ebene der Entladungsstrom senkrecht zum magnetischen Feld oder zu einer nicht verschwindenden Komponente des magnetischen Feldes verläuft.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine periphere zylindermantelförmige Elektrode sowie zwei zentrale ringscheibenförmige, parallele, konzentrische, in Segmente unterteilte und symmetrisch zu einer Ebene, senkecht zur Symmetrieachse angeordnete Elektroden aufweist und in den Stromzuführungen der beiden zentralen Elektroden jeweils ein Vorwiderstand oder/und eine Drosselspule liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung zwei parallele, zur Symmetrieachse konzentrische, scheibenförmige Elektroden aufweist und beide Elektroden in Segmente aufgeteilt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 724 056, 2 724 057;
Physical Review, 79 (1950), S. 186.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 720/236 1.68 © Bundesdruckerei Berlin