DE1564156C - Ablenkvorrichtung zur gesteuerten Ablenkung eines Strahlenbündel hoher Energie dichte - Google Patents
Ablenkvorrichtung zur gesteuerten Ablenkung eines Strahlenbündel hoher Energie dichteInfo
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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 z. 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 Rieh- |0
tung 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 ,5
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 koliimiert.
B. Die Frequenz des durchsetzenden Strahls liegt oberhalb der ,Plasmafrequenz, aber innerhalb
des Dispersionsgebietes.
C. Der Strahl bedeutet 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 Mediums nicht zu verändern'vermag. . ■ '■
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung
von elektromagnetischer Strahlung anzu-50 geben, welche die obengenannten Nachteile nicht
aufweist. Dje 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
Fig. I eine .schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Ablenkung einer ein in einem inagnctischen Feld befindlichen Plasma durchsetzenden
elektromagnetischen Strahlung,
Fig. 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.
Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Behälter 2, beispielsweise aus Glas oder aus Quarz, innerhalb
dessen ein leicht ionisierbares Gas, z. B. He, Ar, Kr,
oder Xe, mit einem Druck von etwa 0,1 bis zu einigen Torr eingeschlossen ist. Die Stirnflächen des Behälters
sind transparent, so daß eine elektromagnetische Strahlung longitudinal durch das Gas geschickt
werden kann. Gegenüber den Stirnflächen des Behälters sind die Spiegel Ml und M2 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 nt. Elektronen, «, Ionen und N Molekülen, jeweils bezogen auf die Volumeinheit (cm3).
Der Gleichgewichtszustand des ionisierten Gases ist durch drei Größen charakterisiert:
1. durch den lonisationsgrad « = n/(n+N);
2. durch die Ladungsträgerdichte n, wobei η = /ι,
= H1., und · ,
3. durch die absolute Temperatur T.
Bei Vorliegen eines wahren thermodynamischcn
Gleichgewichtes sind die drei Variablen <t, 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: «, ji, T1. (Temperatur der
Elektronen), T1 (Temperatur der Ionen) und 7^, (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 Wertl.
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 Ey+jEz und Ey-jEz der Fig. 3 zusammensetzt
und die Fortpflanzungsrichtung parallel zur X-Achse verläuft (7 = ]/ — 1).
Die Dispersion der.Geschwindigkeit läßt sich wie folgt ausdrücken:
r2
V2 = -
V2 = -
Wird ein Magnetfeldgradient von 20 000 Oersted 1/cm
angenommen mit einer Variation von 30000 bis 10 000 Oerstedt, so folgt eine Elektronendichte ne von
yiÜx 1016 Elektronen/cm3, und bei einer Wellenlänge
von 100 μ ergibt sich eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit
1 - W2IW2
1 ± WJW
30
Wp = 5,64 · 104
Wcel = 5,28 ■ 10 ,
Wce2 = 1,76-101V
w = 1,88-1013,
= 1013,
c2
1 -
101
1,88 · 10
,13
5,28 · IQ11
1,88-1O13
1,88-1O13
0,708841 '
wobei die Plasmafrequenz Wp durch
Wp = 5,64 · 104lTn7
und die Larmorfrequenz Wce durch
und die Larmorfrequenz Wce durch
Wce = 1,76 · ΙΟ7 Β
{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 Fig. 2 versinnbildlicht, in der der obere Bereich der Welle sich mit einer
Geschwindigkeit F2 fortpflanzt und der untere WeI-lenbereich
die Geschwindigkeit F1 besitzt. Ist die Geschwindigkeit F1 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. V1U = d,
F2J1 = d- Ad,
V2IV1 = 1 -Ad/d-.
60
Daraus ergibt sich unter
Δ d = (1 - V2IV1) d.
Δ d = (1 - V2IV1) d.
Für den Ablenkungswinkel des Strahls erhält man Θ = .
In ähnlicher Weise ergibt sich | C2 |
V2 | 0,714311 ' |
v\ | 7,08841 |
vl | 7,14311 ' |
2 log -p- | = log 7,08841 - log 7,14311 |
= 0,8505482 - ,8538867 | |
= 0,0033385 | |
log-p- | = 0,0016693 |
•7" | = 1,0039 |
Ad | = Q-V3IV1)--d, |
für d | = 2 cm ergibt sich: |
Ad | = ,0078 , |
ΔΘ | = Ad = ,0078 radians , |
Δ Θ | = 0,445°. |
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 (4)
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
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