DE1273709B

DE1273709B - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen raeumlich scharf begrenzter Materiestrahlen

Info

Publication number: DE1273709B
Application number: DEG48553A
Authority: DE
Inventors: Erwin Becker
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1966-11-25
Filing date: 1966-11-25
Publication date: 1968-07-25
Also published as: US3628342A; FR1555731A; GB1148900A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H05h

Deutsche KL: 21g-21/01

Nummer: 1273 709

Aktenzeichen: P 12 73 709.6-33 (G 48553)

Anmeldetag: 25. November 1966

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen räumlich scharf begrenzter Strahlen aus kondensierter Materie im Hochvakuum, bei dem durch Expansion eines Gases aus einer Düse ein aus kondensierter Materie und unkondensiertem Restgas bestehender Strahl erzeugt wird, der in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, von denen nur die im wesentlichen kondensierte Materie enthaltenden Anteile Vakuumkammern zugeführt werden.

Solche Strahlen dienen beispielsweise, in einen hochevakuierten Raum gerichtet eingeführt, zur Erzeugung von Hochtemperaturplasmen durch elektrische Entladungen. Dabei ermöglicht die Verwendung gerichteter Strahlen aus kondensierter Materie eine räumliche Trennung des Plasmas von den Wänden des Vakuumgefäßes, wodurch Energieverluste weitgehend vermieden werden.

Strahlen aus kondensierter Materie im Hochvakuum lassen sich aber auch in vielen anderen Fällen mit technischem und wirtschaftlichem Erfolg verwenden, wo es darauf ankommt, im Hochvakuum in einem begrenzten Raumbereich eine verhältnismäßig hohe Materiedichte aufrecht zu erhalten.

Bei dem bisher bekannten Verfahren zum Erzeugen von Strahlen aus kondensierter Materie im Hochvakuum wird das zur Strahlerzeugung vorgesehene Material in gasförmigem Zustand unter solchen Druck- und Temperaturbedingungen aus einer Düse expandiert, daß ein Gemisch von Agglomeraten und Gasteilchen entsteht. Das Gemisch wird mit Hilfe von Abschälblenden und Pumpleitungen in einen Kernstrahl und einen Mantelteil zerlegt, wobei der Kernstrahl vorzugsweise die Agglomerate enthält und der Mantelteil vornehmlich aus unkondensiertem Gas besteht. Der Kernstrahl wird in den Hochvakuumraum eingeführt. Bei diesem bekannten Verfahren können sich technische und wirtschaftliche Nachteile ergeben, da die Agglomerate beim Austritt aus der Düse einen verhältnismäßig großen Raumbereich erfüllen. Vor allem ist eine räumliche Einengung des Strahles aus kondensierter Materie praktisch nur durch Ausblenden möglich, wobei aber ein großer Teil der Agglomerate verloren geht.

Weitere technische Schwierigkeiten ergeben sich bei dem Versuch, nach dem bekannten Verfahren einen Hohlzylinder aus kondensierter Materie im Hochvakuum herzustellen, wie er für die Erzeugung besonders heißer und besonders dichter Plasmen im Hochvakuum vorteilhaft ist. Ein solcher Hohlzylinder ist nur durch Verwendung einer ringförmigen Düse zu erhalten. Beim Abtrennen der Agglomerate Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen
räumlich scharf begrenzter Materiestrahlen

Anmelder:

Gesellschaft für Kernforschung m. b. H.,

7500 Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:

Erwin Becker, 7500 Karlsruhe-Durlach

durch Ausblenden ist es jedoch bei dem bekannten Verfahren kaum zu vermeiden, daß auch innerhalb des Hohlzylinders Gas anfällt, welches dann abgesaugt werden muß. Das Absaugen des im Innern des Hohlzylinders anfallenden Gasen ist aber meist mit technischen Schwierigkeiten verbunden und insbesondere bei kleineren Zylinderdurchmessern praktisch nur sehr schwer durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei dem bereits vor der Aufspaltung des Strahles eine räumliche Trennung von kondensierter Materie und unkondensiertem Restgas erfolgt und das geeignet ist, räumlich scharf begrenzte Strahlen aus kondensierter Materie herzustellen, wobei dieser Strahl einseitig weitgehend frei von nichtkondensierten Restgasen ist und ohne wesentliche Verluste an kondensierter Materie die auf der anderen Seite des Strahles mitgeführten Restgase durch Schälblenden abgetrennt werden können und auch das Erzeugen eines hohlzylinderförmigen in seinem Innenraum weitgehend von nichtkondensierten Restgasen freien, scharf begrenzten Strahles aus kondensierter Materie im Hochvakuum mit relativ einfachen Mitteln ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strahl vor der Aufspaltung mechanisch umgelenkt wird.

Durch dieses Umlenken werden die Agglomerate räumlich stark konzentriert, wodurch die Dichte des Strahles aus kondensierter Materie im Hochvakuum erheblich gesteigert wird. Überraschenderweise tritt während der mechanischen Strahlumlenkung kein das Verfahren beeinträchtigendes Wiederverdampfen bereits kondensierter Materie ein, obwohl zunächst damit gerechnet werden mußte, daß beim Umlenken des Strahles ein Teil der Agglomerate durch Ver-

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Claims

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dichtungsstöße und andere störende Effekte wieder angereichert wird. Dabei tritt aus der Düse ein aus

verdampft wird. kondensierter Materie bestehender Strahl 5, auf des-

Der Umlenkwinkel kann beispielsweise 90° betra- sen der Lavaldüse zugewandten Seite nichtkondengen. Das Umlenken ist jedoch keineswegs auf Winkel sierte Restgase 6 angelagert sind, welche mit einer von 90° beschränkt, sondern das Verfahren nach der 5 Abschälblende 7 abgetrennt und mit einer nicht dar-Erfindung kann selbstverständlich auch mit anderen gestellten Vakuumpumpe abgesaugt werden. Von be-Umlenkwinkeln von beispielsweise bis zu 270° mit sonderem Vorteil ist dabei, daß der durch die UmErfolg durchgeführt werden, lenkung des Strahles in der Lavaldüse bewirkte

Es hat sich nun gezeigt, daß der Erfolg des Ver- Trenneffekt zur Folge hat, daß der aus kondensierter

fahrens nach der Erfindung noch wesentlich gestei- io Materie bestehende Strahl auf der von der Lavaldüse

gert werden kann, wenn der Strahl in einer Laval- abgewandten Seite weitgehend frei ist von nichtkon-

düse mit beiderseits gekrümmten Düsenwänden um- densierten Restgasen und/oder Hilfsgasen.

gelenkt wird. Dadurch wird nämlich eine erhebliche In F i g. 2 wird der Gasstrom 8 dem ringförmigen

zusätzliche räumliche Konzentrierung der Agglo- Eintrittskanal 9 einer rotationssymmetrischen Laval-

merate erzielt, ohne daß störende Effekte durch Wie- 15 düse 10 mit beiderseits gekrümmten Düsenwänden

derverdampfen bereits kondensierter Materie auf- zugeführt und so umgelenkt, daß der Winkel zwi-

treten. sehen dem aus der Düse austretenden, ringförmigen

Das Erzeugen von Strahlen mit ringförmigem Querschnitt besitzenden Strahl 11 aus kondensierter

Querschnitt (Hohlzylinderstrahlen) wird nach einer Materie und dem in die Düse eingeleiteten Gasstrom

Weiterbildung der Erfindung in besonders vorteil- 20 etwa 90° beträgt. Von besonderem Vorteil ist dabei,

hafter Weise durch eine ringförmige Düse erreicht, daß der aus kondensierter Materie bestehende hohl-

in die das Gas unter einem vorbestimmten Winkel zylinderförmige Strahl in seinem Innern weitgehend

zur Zylinderachse eintritt. Der austretende Strahl frei ist von unkondensierten Restgasen. Die an der

wird mit mechanischen Mitteln so umgelenkt, daß Außenseite des Strahles angelagerten Restgase 12

keine Verdichtungsstöße auftreten. Dabei ist es selbst- 25 werden durch Schälblenden 13 abgetrennt und durch

verständlich möglich, die Querschnittsfläche des aus nicht dargestellte Vakuumpumpen abgesaugt. Das die

Agglomeraten gebildeten Hohlzylinderstrahles durch Innenwand der Lavaldüse bildende Mittelteil 14 wird

entsprechende Formgebung der Düse nicht nur kreis- mit einem elektromagnetischen Hubwerk 15 in axia-

ringförmig, sondern auch in jeder beliebigen anderen ler Richtung so bewegt, daß es in seiner unteren

Form, z. B. elliptisch, rechteckig usw. herzustellen. 30 Stellung die ringförmige Lavaldüse vakuumdicht ver-

Diese Anordnung ermöglicht das Erzeugen von hohl- schließt, in seiner Betriebsstellung jedoch die Gas-

zylinderförmigen Strahlen aus kondensierter Materie, eintrittsöffnung (Ringschlitz) freigibt. Das elektro-

deren Innenraum weitgehend frei von nichtkonden- magnetische Hubwerk erhält seine Antriebsenergie

sierten Restgasen ist, so daß ein Absaugen derselben von einem Impulsgenerator 16, dessen Impulsdauer

nicht erforderlich wird. 35 und Tastverhältnis zweckmäßigerweise veränderbar

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungs- sind.

gemäßen Verfahrens wird der Strahl mehr als einmal Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen

umgelenkt und dadurch die Dichte der Agglomerate insbesondere darin, daß durch die Strahlumlenkung

weiter erhöht, sowie diese leicht von nichtkonden- die Dichte des Strahles aus kondensierter Materie er-

sierten Restgasen getrennt. 40 heblich gesteigert wird, ohne daß während der Strahl-

Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der umlenkung die bereits kondensierte Materie wiederVorrichtung nach der Erfindung tritt das expandie- verdampft oder der Kondensationsvorgang verzögert rende und dabei mindestens teilweise kondensierte wird.

Materie bildende Gas in vorbestimmbaren Zeitinter- Ein anderer wesentlicher Vorteil des erfindungsvallen aus einer ringförmigen Lavaldüse, welche ein 45 gemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit einfachen bewegbar angeordnetes, eine Umlenkwand derselben Mitteln und geringem Aufwand räumlich scharf bebildendes Mittelteil besitzt. grenzte Strahlen aus kondensierter Materie erzeugt

Dadurch entsteht ein die Düseneintrittsöffnung bil- werden, wobei dieser Strahl einseitig weitgehend frei

dender Ringschlitz, dessen Querschnitt mit Hilfe einer von nichtkondensierten Restgasen ist und praktisch

Hubvorrichtung zum Bewegen des Mittelteils der 50 ohne Verlust an kondensierter Materie die auf der

Lavaldüse in vorbestimmbarer Weise veränderbar ist. anderen Seite des Strahles mitgeführten Restgase

Vorteilhafterweise wird die Antriebsenergie für die durch Schälblenden abgetrennt werden können,

elektromagnetische Hubvorrichtung einem Impuls- Ferner ist es von außerordentlichem Vorteil, daß

generator entnommen. Zwei Ausführungsbeispiele mit dem Verfahren nach der Erfindung Strahlen aus

der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und 55 kondensierter Materie mit ringförmigem Querschnitt

im folgenden näher beschrieben. Es zeigt hergestellt werden, wobei der Innenraum des

F i g. 1 das Prinzip des Erzeugens eines räumlich schlauchförmigen Strahles frei ist von nichtkonden-

begrenzten Strahles aus kondensierter Materie durch sierten Restgasen. Umlenken mit einer gekrümmten Lavaldüse,

F i g. 2 eine vereinfachte Vorrichtung zur Erzeu- 60

gung eines hohlzylinderförmigen Strahles. Patentansprüche:

In F i g. 1 wird das zur Strahlerzeugung benutzte

Gas an der Stelle 1 unter vorgegebenen Druck- und 1. Verfahren zum Erzeugen räumlich scharf

Temperaturbedingungen einer Lavaldüse 2 mit bei- begrenzter Strahlen aus kondensierter Materie im

derseits gekrümmten Düsenwänden zugeleitet und um 65 Hochvakuum, bei dem durch Expansion eines

etwa 90° umgelenkt. Dabei bildet sich im expan- Gases aus einer Düse ein aus kondensierter Ma-

dierenden Gasstrom 3 kondensierte Materie, die terie und unkondensiertem Restgas bestehender

durch Zentrifugalkräfte an der äußeren Düsenwand 4 Strahl erzeugt wird, der in mindestens zwei Teil-

strahlen aufgespalten wird, von denen nur die im wesentlichen kondensierte Materie enthaltenden Anteile Vakuumkammern zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl vor der Aufspaltung mechanisch umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl um einen Winkel von weniger als 270° umgelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl um 90° umgelenkt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl mehr als einmal umgelenkt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Lavaldüse mit beiderseits gekrümmten Düsenwänden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine ringförmige Lavaldüse mit beiderseits gekrümmten Düsenwänden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen die Düseneintrittsöffnung bildenden in vorbestimmbarer Weise veränderbaren Ringschlitz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein bewegbar angeordnetes, eine Umlenkwand der ringförmigen Lavaldüse bildendes Mittelteil.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Hubvorrichtung zum Bewegen des Mittelteils der Lavaldüse.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen die Antriebsenergie für die Hubvorrichtung liefernden Impulsgenerator.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens eine Schälblende zum Abschälen des an dem aus kondensierter Materie bestehenden Strahl angelagerten nichtkondensierten Restgases.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 107 842;
Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 17 a, 1962,
Nr. 5, S. 432 bis 438.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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