DE1589631B1

DE1589631B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herbeifuehren einer elektrischen Gasentladung

Info

Publication number: DE1589631B1
Application number: DE19671589631
Authority: DE
Inventors: Jean Sole
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-09-07
Filing date: 1967-08-30
Publication date: 1970-07-02
Also published as: DE1589631C2; BE702441A; NL6712143A; GB1187150A; IL28470A; US3568116A; LU54374A1; SE340485B; CH483135A; ES344774A1; FR1517759A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herbeiführen einer elektrischen Gasentladung.

Das bisher am meisten verwendete Verfahren zur Erzeugung starker Gasentladungen besteht darin, daß S eine Kondensatorbatterie, die über geeignete Leitungen mit der das Entladungsgas enthaltenden Kammer verbunden ist, entladen wird. Um die durch die Gasentladung erreichbare Temperatur höher zu machen, ist das verwendete Entladungsgas häufig schon vorionisiert.

Ein derartiges Verfahren weist jedoch verschiedene Nachteile auf: So gestattet es die Verwendung von Kondensatorbatterien nicht, größere Energiebeträge, insbesondere von mehr als einigen MJ, zu speichern. Außerdem führen die Verbindungen zu der Kondensatorbatterie verhältnismäßig große parasitäre Impedanzen ein. Weiterhin kann die Eigenkapazität in den Verbindungsleitungen zu oszillierenden elektrischen Gasentladungen führen, d.h., der Strom ändert bei jeder Halbwelle der Schwingungen seine Richtung, wodurch das Plasma selbst gestört wird. Ferner kann der Widerstand der Verbindungsleitungen gegenüber dem Scheinwiderstand des im Plasmazustand vorliegenden Entladungsgases hoch sein, so daß wegen des verhältnismäßig geringen Spannungsabfalls an der Entladungsstrecke diese relativ wenig Energie aufnimmt. Schließlich ist bei gedämpftem Betrieb die Spannung an den Anschlußklemmen der Entladungsstrecke begrenzt, und sie kann die Ladespannung der Kondensatorbatterie nicht überschreiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herbeiführen einer elektrischen Gasentladung anzugeben, das nicht die Nachteile der üblichen leitungsgebundenen Stromzufuhr von Kondensatorbatterien aufweist.

Das Verfahren zum Herbeiführen einer elektrischen Gasentladung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem supraleitenden elektrischen Kreis ein elektri- 4» scher Strom erzeugt wird, daß auf einer Teilstrecke dieses elektrischen Kreises durch Temperaturerhöhung und/oder Magnetfelderhöhung der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bewirkt wird und daß dann die Gasentladung, deren Entladungsstrecke einen elektrischen Nebenschluß zu der genannten Teilstrecke darstellt, infolge des erhöhten Spannungsabfalls an der genannten Teilstrecke gezündet wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine das Entladungsgas enthaltende Kammer, von deren Wand mindestens ein Teil mit einer supraleitenden Teilauskleidung bedeckt ist, die die genannte Teilstrecke des supraleitenden elektrischen Kreises darstellt, durch Mittel zum Erzeugen eines Stromes in dem supraleitenden elektrischen Kreis und durch Mittel zur Erzeugung eines Überganges der Teilauskleidung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2, 3 und 4 drei abgewandelte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung von Fig. 1.

Wie man in F i g. 1 sieht, besitzt die Vorrichtung einen Zylinder 1 aus einem guten elektrischen Leiter, z. B. Kupfer. Der Zylinder 1 ist drehsymmetrisch zu seiner Achse 2 und an beiden Enden durch zwei Flansche 3 und 4 abgeschlossen, die ebenfalls aus Kupfer bestehen. Im Innern des so entstehenden geschlossenen Behälters befindet sich ein zweiter Zylinder 5, der zu dem ersten koaxial ist und aus einem Isolierstoff besteht. Der zweite Zylinder 5 ist ebenfalls hohl und begrenzt in seinem Innern eine Kammer 6, die die Achse 2 umgibt und isolierende Seitenwände aufweist. Im Innern der Kammer 6 ist ein Gas oder ein Plasma eingeschlossen, das über Leitungen?, die den oberen Flansch 3 durchqueren, eingeführt wird und in dem eine elektrische Gasentladung erzeugt werden soll.

Der Zylinder 1, die Flansche 3 und 4 und der zweite Zylinder 5 begrenzen eine Ringkammer 8, die innen mit einer Schicht 9, 9 α aus einem Material ausgekleidet ist, das bei geeigneten Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Magnetfeld supraleitende Eigenschaften aufweist, so daß die Schicht 9,9 a einen supraleitenden elektrischen Kreis bildet. Mit ( 9 a ist die Teilschicht bezeichnet, die den zweiten Zylinder 5 bedeckt und so eine Teilstrecke dieses Kreises darstellt. Vorteilhafterweise wird die Schicht 9,9 α ausgehend von einer binären Legierung aus Niob und Zinn entsprechend der Formel Nb₃Sn hergestellt.

Der Zylinder 5 ist in seinem Innern mit einem Widerstandskreis 10 versehen, der eine Erhöhung seiner Temperatur gestattet, wobei dieser Widerstandskreis bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel aus einer spiralförmigen Wicklung aus Widerstandsdraht besteht. Außen auf dem Zylinder 5 ist im Innern der Ringkammer 8 ein Solenoid Il angebracht, das die Erzeugung eines Magnetfeldes in der supraleitenden Schicht 9 α ermöglicht. Der Widerstandskreis 10 und das Solenoid 11 sind außerhalb der Vorrichtung mit in der Zeichnung nicht dargestellten normalen elektrischen Stromquellen verbunden. Außerdem sind rund um den Zylinder 1 und außerhalb davon elektrische Spulen 12 angeordnet, die bei Speisung mit vielphasigen zeitlich gegeneinander versetzten Wechselströmen ein magnetisches Gleitfeld erzeugen.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung ist die folgende:

Indem man die ganze Vorrichtung auf sehr niedrige Temperatur bringt, beispielsweise in ein Bad aus flüssigem Helium eintaucht, das in die Ringkammer 8 über in dem Zylinder 1 vorgesehene Fenster 13 eindringt, gelangt die Schicht 9, 9 α in supraleitenden Zustand. Ist dieser Zustand einmal erreicht, so erzeugt man mittels des von den Spulen 12 geschaffenen magnetischen Gleitfeldes in der Schicht 9, 9 α einen in der Zeichnung durch die Pfeile J schematisch angedeuteten Strom, wobei man sich eines elektromagnetischen Akkumulators bedient. Der durch die den elektrischen Kreis bildende supraleitende Schicht 9, 9 α eingefangene Strom erzeugt in der Ringkammer 8 ein zur Achse 2 drehsymmetrisches Magnetfeld, das einer bestimmten Energie entspricht, die man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Gasentladung des in der Kammer 6 eingeschlossenen Gases oder Plasmas verwenden möchte.

Zu diesem Zweck veranlaßt man den Übergang der Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normal-

leitenden Zustand. Zu diesem Ziel ruft man mittels des Widerstandskreises 10 eine Erhöhung der Temperatur in der den Zylinder 5 umgebenden Teilschicht 9 a bis in die Nähe der Temperatur hervor, bei der unter den Versuchsbedingungen das die Teilschicht 9 α bildende Material den Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand erfährt, und erzeugt anschließend in dem Solenoid Il einen durch einen passenden Stromimpuls geschaffenen magnetischen Impuls, wodurch man einen sofortigen und totalen Übergang der Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand auslöst.

Sobald dieser Übergang der Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand erÖffnung 18 von dem Querschnitt des Laserstrahles gleichem Querschnitt versehen. Die den Laserstab 16 umgebende, von der Umhüllung 17 begrenzte ringförmige Kammer ist mit einem Gas von der Art gefüllt, wie es heute in Gasentladungsrohren benutzt wird. An beiden Enden der Umhüllung 17 steht dieses Gas in unmittelbarer Berührung mit der jeweiligen Oberfläche 14 bzw. 15 der Flansche 3 bzw. 4. Während man die Teilschicht 9 α vom supraleitenden in ίο den normalleitenden Zustand übergehen läßt, stellt die im Gas in der Umhüllung 17 auftretende Entladung die Pumpenergie für den Laserstab 16 sicher. Das in der Umhüllung 17 eingeschlossene Gas kann vorionisiert sein, wobei die Vorionisierung vor

folgt ist, tritt zwischen den Oberflächen 14 und 15 15 der Entladung oder im Augenblick der Entladung der beiden Flansche 3 und 4 in der Kammer 6 eine vorgenommen werden kann.

Potentialdifferenz auf, die, wenn der Widerstand der Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbei-

Teilschicht 9 α im normalleitenden Zustand groß ge- spiel sind die den Zylinder 1 abschließenden Flannug ist, in dem Fall, daß das Gas nicht vorionisiert ist,
einen elektrischen Lichtbogen zündet und auf jeden 2°
Fall den Durchgang des eingeschlossenen Stromes/
durch das Gas bestimmt und auf diese Weise die anfänglich in der Ringkammer 8 durch das vom Strom /
erzeugte Magnetfeld gespeicherte Energie freisetzt.

Man ruft so in dem Plasma den sogenannten Pinch- 25 damit die Längsabmessung des supraleitenden elek-Effekt hervor, der in einer radialen Einschnürung der trischen Kreises entlang der Achse 2 zu vergrößern.

sehe 3 und 4 durch zylindrische Elektroden 19 und 20 verlängert, die entlang der Achse in den Zylinder 5 eindringen und das Volumen der Kammer 6 verringern. Diese Volumenverringerung gestattet es, bei einer vorgegebenen Kammer 6 die Länge der als supraleitender Schalter dienenden Teilschicht 9 α und

Plasmasäule unter der Einwirkung der elektromagnetischen Laplace-Kompression infolge des Durchganges eines elektrischen Stromes durch das Plasma besteht. Selbstverständlich lassen sich in Verbindung mit den oben beschriebenen Vorkehrungen noch weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Übertragung der Magnetfeldenergie treffen. So kann man im Innern der das Plasma enthaltenden Kam-Auch bei diesem Ausführungsbeispiel findet man wieder den Widerstandskreis 10 und das Solenoid 11, die die Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen lassen.

In F i g. 4 schließlich liegt die das Plasma enthaltende Kammer 6 nicht mehr im Zentrum der Ringkammer 8, sondern, wie in der Zeichnung angedeutet, unmittelbar oberhalb des Flansches 3. Der isolierende

mer 6 einen zweiten, in der Zeichnung nicht darge- 35 Zylinder 5 ist durch eine an den Flansch angefügte

stellten Behälter anbringen, der aus einem Isolierstoff besteht und von den Seitenwänden des Zylinders 5 durch einen Vakuumraum getrennt ist, damit das Innere der Kammer 6 nicht durch die Seitenwände des Zylinders 5 gekühlt wird.

Im Gegensatz dazu kann man auch anstreben, daß die Seitenwände der Kammer 6 auf einer sehr tiefen Temperatur gehalten werden. In diesem Falle kann man durch die Öffnungen 7 ein Gas, z. B. Deuterium, injizieren und die Verfestigung dieses Gases durch Kondensation an der Innenwandung des Zylinders 5 erreichen, wodurch man einen dazu koaxialen Zylinder aus festem Deuterium erhält, dessen Dicke von der Menge des injizierten Gases abhängt. Durch Aus-Platte 21 ersetzt, während der Widerstandskreis 10 und das Solenoid 11 abgewandelt sind, um wieder den Übergang der Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und damit die Gasentladung in der Kammer 6 auszulösen.

Diese Anordnung der Kammer 6 gestattet es, während der Entladung und unter dem Einfluß der Laplace-Kompression in der Achse der Kammer 6 eine Plasmakugel zu erzielen.

Indem man die leitende obere Wand 3 α der Kammer 6 wegläßt, erhält man eine andere Konfiguration für eine Plasmakammer, die unter dem Namen Plasma-Kanone bekannt ist und es ermöglicht, dank

der sich in dem Plasma während der Entladung auslösung einer teilvveisen Verdampfung des Deuteriums 5° wirkenden Laplacekräfte entlang der Achse der Kammittels eines Wärmeimpulses durch den Widerstands- mer Plasmawolken auszustoßen. Es ist ohne weiteres kreis 10 erzeugt die Potentialdifferenz, die zwischen klar, daß sich die den supraleitenden elektrischen

Kreis bildende supraleitende Schicht 9, 9 α durch eine Vielzahl von aus Drähten oder Bändern gebildeten, in sich geschlossenen und einander gegenüberliegenden Windungen ersetzen läßt. Diese Windungen können gleichfalls in Serie miteinander geschaltet sein und eine kontinuierliche Wicklung bilden. Im letzteren Fall läßt sich die Stromspeicherung dadurch vornehmen, daß man an zwei Punkte dieses Drahtes oder dieses Bandes eine übliche Gleichspannungsquelle anschließt und anschließend diese beiden Punkte nach einem wohlbekannten Prinzip über eine

den Oberflächen 14 und 15 der Flansche 3 und 4 nach dem Übergang der Teilschicht 9 α vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand auftritt, einen Plasmazylinder, in den man nach dem oben beschriebenen Verfahren die Energie des Magnetfeldes überträgt, das zuvor vom in der supraleitenden Schicht 9, 9 α der Kammer 8 fließenden Strom J erzeugt wurde.

Auch an dem Aufbau der Vorrichtung selbst lassen sich zahlreiche Abwandlungen vornehmen. So kann man die im Mittelpunkt der Vorrichtung vorgesehene zylindrische Kammer 6 mit einer rohrförmigen Umhüllung 17 (siehe Fig. 2) ausfüllen, die einen Laserstab 16 umgibt. Für den Austritt des von dem Laserstab 16 erzeugten Laserstrahles ist mindestens einer der Flansche 3 oder 4 der Vorrichtung mit einer supraleitende Verbindung miteinander verbindet. Aus den obigen Darlegungen ergibt sich, daß — gleichgültig welches Ausführungsbeispiel der Vorrichtung man für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wählt — stets die Verwendung

unmittelbarer Verbindungen zwischen dem supraleitenden elektrischen Kreis und dem Gas bzw. Plasma vermieden bleibt. Daraus folgt, daß man viel stärkere, zudem nicht oszillierende Gasentladungen als mit den bekannten Verfahren erzielen kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herbeiführen einer elektrischen Gasentladung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem supraleitenden elektrisehen Kreis ein elektrischer Strom erzeugt wird, daß auf einer Teilstrecke dieses elektrischen Kreises durch Temperaturerhöhung und/oder Magnetfelderhöhung der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bewirkt wird und daß dann die Gasentladung, deren Entladungsstrecke einen elektrischen Nebenschluß zu der genannten Teilstrecke darstellt, infolge des erhöhten Spannungsabfalls an der genannten Teilstrecke gezündet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine das Entladungsgas enthaltende Kammer (6), von deren Wand mindestens ein Teil mit einer supraleitenden Teilauskleidung bedeckt ist, die die genannte Teilstrecke des supraleitenden elektrischen Kreises darstellt, durch Mittel zum Erzeugen eines Stromes in dem supraleitenden elektrischen Kreis und durch Mittel zur Erzeugung eines Überganges der Teilauskleidung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) aus einem Zylinder (5) mit kreisförmigem Querschnitt aus Isolierstoff und der supraleitende elektrische Kreis aus der Auskleidung eines koaxial zu der Kammer um diese angeordneten Behälters (1, 3,4) besteht, der von der Außenwand der Kammer und von einem dazu koaxialen Zylinder (1) begrenzt und an beiden Enden durch die Kammer abdeckende ebene Flansche (3, 4) abgeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus einer Schicht (9, 9 a) aus einer supraleitenden binären Legierung besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Legierung eine Legierung aus Niob und Nickel von der Formel Nb₃Sn ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus supraleitenden Spiralen oder Bändern besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Stromes in dem supraleitenden elektrischen Kreis aus außerhalb des Behälters verteilten und mit vielphasigen zeitlich gegeneinander versetzten Wechselströmen gespeisten Spulen (12) bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Überganges der Teilauskleidung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand aus einem widerstandsbehafteten elektrischen Leiter (10) bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Überganges der Teilauskleidung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand aus einem Solenoid (11) bestehen, dessen Windungen nahe der Wand der das Entladungsgas enthaltenden Kammer (6) angeordnet sind. t

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß der Behälter (1,3,4) Fenster (13) aufweist, die seine Füllung mit einem Bad aus einem verflüssigten Gas sehr tiefer Temperatur gestatten, in das der Behälter zur Herbeiführung der Supraleitfähigkeit des supraleitenden elektrischen Kreises eintauchbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem verflüssigten Gas sehr tiefer Temperatur in Berührung stehende Außenwand der Kammer (6) innen mit einem Zylinder aus verfestigtem Gas hinterlegt ist, der durch teilweise Verdampfung das Entladungsgas entstehen läßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das verfestigte Gas Deuterium ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) innen eine das Entladungsgas, in dem ein Laserstab (16) angeordnet ist, enthaltende rohrförmige Umhüllung (17) und eine öffnung (18) für den Durchtritt eines von dem Laserstab nach Pumpen emittierten Laserstrahls besitzt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgas vorionisiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen