DE1564156B2

DE1564156B2 - Ablenkvorrichtung zur gesteuerten Ablenkung eines Strahlenbündels hoher Energiedichte

Info

Publication number: DE1564156B2
Application number: DE19661564156
Authority: DE
Inventors: Thomas Jerome; Pleisher Harold; Shapiro Eugene; Poughkeepsie N.Y. Harris (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-06-07
Filing date: 1966-06-07
Publication date: 1970-09-17
Also published as: DE1564156A1; US3434778A; GB1142957A; FR1484064A

Description

.Die Erfindung betrifft eine Ablenkvorrichtung zur Ablenkung eines Strahlenbündels hoher Energiediehte, wobei ein in einem magnetischen Feld befindliches dichtes Plasma zur Erzeugung der Winkelablenkung, als Strahlungsquelle ζ. B. ein Mikrowellensender oder ein Laser benutzt wird.

Es ist bekannt, daß ein hinreichend dichtes Plasma, das in ein genügend starkes magnetisches Feld eingebracht wird, gegenüber elektromagnetischen Wellen Dispersion aufweist, sofern diese sich in Riehtung des Magnetfeldes innerhalb des Plasmas fortpflanzen. Eine Änderung der Intensität des magnetischen Feldes kann dazu benutzt werden, den Brechungsindex des Plasmas zu ändern, da der Dispersionsverlauf eine Funktion des magnetischen Feldes ist. Infolgedessen wird die Phasengeschwindigkeit einer das Plasma durchsetzenden Wellenfront in diesem geringer sein, als es außerhalb desselben der Fall ist, wenn nur folgende Voraussetzungen erfüllt sind:

A. Der einfallende Strahl ist monochromatisch und kollimiert.

B. Die Frequenz des durchsetzenden Strahls liegt oberhalb der Plasmafrequenz, aber innerhalb des Dispersionsgebietes.

C. Der Strahl bedeute^ für das Plasma lediglich eine kleine Störung.

Der Betrag, um den die Phasengeschwindigkeit innerhalb und außerhalb des Plasmas verschieden ist, hängt von der magnetischen Feldstärke ab, die ihrerseits steuerbar ist. Da die innere Geschwindigkeit steuerbar ist, so ist der Brechungsindex steuerbar und damit die Winkelablenkung eines das Plasma durchsetzenden Strahls.

In bisher bekannten Ablenksystemen, bei denen es sich gewöhnlich um elektro-optische Vorrichtungen handelte, wirkte sich die Absorption von elektromagnetischer Energie dahingehend aus, daß die Vorrichtung infolge der auftretenden Erwärmung für ihre Aufgabe nicht mehr funktionsfähig war. Dahingegen sind die Temperaturen des Plasmas, das dem vorliegenden Erfindungsgegenstand zugrunde liegt, so hoch, daß die Energie der durchsetzenden elektromagnetischen Strahlung die physikalischen Eigenschaften des ablenkenden Mediunis nicht zu verändern' vermag.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung anzugeben, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Die Ablenkvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem von einem Gasentladungsplasma erfüllten strahlendurchlässigen Behälter besteht, der von einem Magnetfeld durchsetzt wird, dessen Kraftlinien parallel in bezug auf das den Behälter durchlaufende Strahlenbündel ausgerichtet sind und das einen senkrecht zum Strahlenbündel gerichteten Gradienten der Feldstärke aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bedeutet

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ablenkung einer ein in einem magnetischen Feld befindlichen Plasma durchsetzenden elektromagnetischen Strahlung,

F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Winkelablenkung des Strahls, die innerhalb des Plasmas auf Grund der Phasengeschwindigkeitsdifferenzen der Wellenfront zwischen den seitlichen Begrenzungen des Plasmagebietes stattfindet,

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung und ihrer Fortpflanzungsrichtung.

F i g. 1 zeigt einen zylindrischen Behälter 2,, beispielsweise aus Glas oder aus Quarz, innerhalb dessen ein leicht ionisierbares Gas, ζ. B. He, Ar, Kr, oder Xe, mit einem Druck von etwa 0,1 bis zu einigen Torr eingeschlossen ist. Die Stirnflächen des Behäl- . ters sind transparent, so daß eine elektromagnetische Strahlung longitudinal durch das Gas geschickt werden kann. Gegenüber den Stirnflächen des Behälters sind die Spiegel Ml und M 2 angebracht, von denen der Spiegel Ml so justiert ist, daß er einen monochromatischen, kollimierten und zirkulär polarisierten Strahl empfängt und weiter auf die eine Stirnfläche des Behälters reflektiert, wobei die elektromagnetische Strahlung entweder im Mikrowellen-, Millimeter- oder im sichtbaren Bereich liegen kann und nach Passieren des Behälters 2 auf den Spiegel M 2 gelangt, von welchem er durch Reflexion an einen weiteren für seine Verwertung geeigneten, in der Figur nicht gezeigten Ort gelangt. An den Enden des Behälters sind die leitenden Ringelektroden 6 und 8 angebracht, die mit den Klemmen eines Hochfrequenzgenerators 10 verbunden sind, welcher zur Anregung des ionisierten Gases bzw. zur Erzeugung des Plasmas innerhalb des Behälters 2 dient. In axialer Richtung des Behälters 2 sind die Polschuhe 12 und 14 eines Elektromagneten 16 angeordnet. Diese zeigen die in der Figur gezeigte Gestalt, wodurch ein konstanter Gradient des magnetischen Feldes in radialer Richtung des Behälters zustande kommt. Die Wicklung 18 des Elektromagneten 16 kann mit einer bezüglich ihrer Spannung variablen Stromquelle verbunden werden, was durch den Widerstand 20 angedeutet ist, der die Stromquelle 22 überbrückt.

Befindet sich in dem Behälter 2 ein ionisiertes Gas bzw. ein Plasma, so entstehen im Behälter zwischen den Polschuhen infolge des magnetischen Feldes eine ternäre Mischung von Partikeln. Diese besteht aus n_e Elektronen, /I₁ Ionen und N Molekülen, jeweils bezogen auf die Volumeinheit (cm³).

Der Gleichgewichtszustand des ionisierten Gases ist durch drei Größen charakterisiert:

1. durch den Ionisationsgrad α = n/(n + N);

2. durch die Ladungsträgerdichte n, wobei π = /I₁ = n_e, und

3. durch die absolute Temperatur T.

Bei Vorliegen eines wahren thermodynamischen Gleichgewichtes sind die drei Variablen α, η und T nicht unabhängig voneinander. Die Ionisation ist festgelegt durch die Dichte und die Temperatur, wobei man sagt, das Gas sei in einem Gleichgewichtszustand der thermischen Ionisation.

In vielen Fällen jedoch ist die Ionisation zurückzuführen auf ein äußeres elektrisches Feld, und das Gas befindet sich nicht im thermischen Gleichgewicht. Es wird vielmehr häufig einen stationären Zustand annehmen, welcher charakterisiert werden kann durch die folgenden Parameter:· α, η, T_e (Temperatur der Elektronen), T_; (Temperatur der Ionen) und T₀ (Temperatur der Moleküle).

Wird das elektrische Feld ausgeschaltet, so streben die ■ obengenannten Temperaturen innerhalb einer sehr kurzen Zeit dem gleichen Wert zu, wohingegen α für eine vergleichsweise lange Zeit seinen Wert beibehält. Der Ionisationsgrad α variiert praktisch von sehr kleinen Werten in der Größenordnung von 10~¹⁰ in schwachen Gasentladungen bis zum Wert 1.

Ein starkes Plasma kann dazu benutzt werden, die Winkelablenkung eines intensiven Strahls elektromagnetischer Energie zu steuern. Die Wirkungsweise beruht hierbei auf der dispergierten Wirkung des Plasmas, die dieses auf den durchsetzenden Strahl ausübt, wobei das Plasma sich innerhalb eines magnetischen Feldes befindet. Wir betrachten eine Anordnung, bei der die Fortpflanzungsrichtung des Strahls parallel zu den magnetischen Feldlinien verläuft. Unter der Annahme, daß die Welle anfangs linear polarisiert ist, erscheint die Polarisationsebene nach Durchgang durch das Plasma gedreht. Die Analyse gestaltet sich einfacher, wenn man annimmt, daß sich der Strahl aus zirkulär polarisierten Wellen E_y+jE₂ und E_y—jE_z der F i g. 3 zusammensetzt und die Fortpflanzungsrichtung parallel zur X-Achse verläuft (/' = ]/ — 1).

Die Dispersion der. Geschwindigkeit läßt sich wie folgt ausdrücken:

Wird ein Magnetfeldgradient von 20 000 Oerstedt/cm angenommen mit einer Variation von 30000 bis 10 000 Oerstedt, so folgt eine Elektronendichte n_e von ]/TÖx 10¹⁶ Elektronen/cm³, und bei. einer Wellenlänge von 100 μ ergibt sich eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit

W_p = 5,64-10⁴V

W_cel = 5,28-10,

W_ce2 = 1,76-10¹¹,

w = 1,88-1O¹³,

= 10

¹³

y\ =

c²

1 -

10¹

1,88 · 10^i:

5,28 · 10^u

1,88 -ΙΟ

¹³

V² =

1 - W²IW²

1 ± WJW

3°

wobei die Plasmafrequenz W durch

W_p = 5,64 · lO⁴]/^
und die Larmorfrequenz W_ce durch

WJ. = 1,76 -10⁷B

{B Feldintensität in Oerstedt) festgelegt sind.

Das Minuszeichen im Nenner steht dann, wenn der elektrische Vektor in gleichem Sinne rotiert, wie dies für die Elektronen der Fall ist. Es liegt dann eine außerordentliche Welle vor. Für die ordentliche Welle rotiert der elektrische Vektor im entgegen^ gesetzten Sinn, und dies muß durch ein Pluszeichen berücksichtigt werden.

Die Ablenkung innerhalb des Plasmas der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung kommt auf Grund der Tatsache zustande, daß jeder Punkt der Wellenfront mit einer verschiedenen Geschwindigkeit fortschreitet. Dieses ist in F i g. 2 versinnbildlicht, in der der obere Bereich der Welle sich mit einer Geschwindigkeit V₂ fortpflanzt und der untere WeI-lenbereich die Geschwindigkeit V₁ besitzt. Ist die Geschwindigkeit V₁ größer als V₂, so wird sich eine Ablenkung der Welle um den Winkel ε ergeben, nachdem eine Strecke von dem innerhalb des Plasmas zurückgelegt wurde. V₁I₁ =d,

V₂t_x = d - Ad, V₇JV₁ = 1 - Ad/d.

Daraus ergibt sich unter
A d = (1 - V₂ZV₁) d.

■ 1	0,708841 ' ■	c²
In ähnlicher Weise ergibt sich	0,714311 '
	7,08841
Vi	7,14311 '
Vi	= log 7,08841 - log 7,14311
2 log -^-	= 0,8505482 - ,8538867
1	= 0,0033385
	= 0,0016693
log-j^-	- 1,0039
V₂	= 0.-VJV₁)-d;
V₁	= 2 cm ergibt sich:
Ad	= ,0078,
für d	= ,Ad = ,0078 radians ,
Ad	= 0,445°.
ΔΘ
ΔΘ

60

Für den Ablenkungswinkel des Strahls erhält man

Ad
η

Θ =

Ein Lichtstrahl kann daher beim Durchsetzen eines Plasmas von 2 cm Länge von 0 bis 0,445° ; abgelenkt werden.

Dieser Bereich kann überstrichen werden durch Änderung der Magnetfeldstärke oder durch Änderung der Elektronendichte oder durch beide Maßnahmen. Eine größere Ablenkung kann erreicht werden durch Benutzung höherer Felder, stärkerer Gradienten und größerer Elektronendichten. Materialien im festen Aggregatzustand, wie Wismut, können benutzt werden, um eine höhere Elektronendichte zu erhalten. Wismut weist das Phänomen der Larmorfrequenz auf und ist für Strahlung großer Wellenlänge transparent.

Claims

Patentansprüche:

1. Ablenkvorrichtung zur gesteuerten Ablenkung eines Strahlenbündels elektromagnetischer Strahlung hoher Energiedichte, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem von

einem Gasentladungsplasma erfüllten strahlendurchlässigen Behälter (2) besteht, der von einem Magnetfeld durchsetzt wird, dessen Kraftlinien parallel in bezug auf das den Behälter durchlaufende Strahlenbündel ausgerichtet sind und das einen senkrecht zum Strahlenbündel gerichteten Gradienten der Feldstärke aufweist.

2. Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma auf induktivem Wege durch eine elektrodenlose Ringentladung erzeugt wird.

3. Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient des magnetischen Feldes in an sich bekannter Weise durch Abschrägung der Polschuhe (12, 14) des das Feld erzeugenden Elektromagneten (16) bewerkstelligt wird.

4. Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Plasmas die Gase He, Ar, Kr oder Xe mit einem Druck von etwa 0,1 bis zu einigen Torr benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen