DE1814802A1

DE1814802A1 - Vorrichtung zur Herbeifuehrung von Kernfusionen

Info

Publication number: DE1814802A1
Application number: DE19681814802
Authority: DE
Inventors: Hirsch Robert Louis
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1967-12-15
Filing date: 1968-12-14
Publication date: 1969-10-16
Also published as: FR1603632A; US3530036A; JPS462320B1

Description

Dipl.Phyg. Leo Thul "18H802

Patentanwalt ^v *

■ 7 Stuttgart-Feuerbach
Kurze Str.8

R. L. Hirsch-3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen

- Die Priorität der Anmeldung Nr. 691 049 vom 15. Dez.1967 in den Vereinigten Staaten von Amerika ist in Anspruch genommen f -

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen, insbesondere von kontrollierten Kernfusionen.

Methoden und Vorrichtungen zur Herbeiführung fortlaufender Kernfusionen von der Art, die auch Gegenstand der Erfindung ist, sind beschrieben in der deutschen Patentschrift 1 177 und der deutschen, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung F 15 89 945.

Diese Vorrichtungen verwenden eine kugelförmige Anordnung, in der zwei im wesentlichen kugelförmige Elektroden, eine Kathode und eine Anode, konzentrisch zueinander angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist die elektronenemittierende Kathode konzentrisch von einer schalenförmigen Anode umgeben. Die Kathode ist im Gegensatz zur Anode für Ionen durchlässig. Bei Betrieb der Vorrichtung erzeugt eine elektrische Entladung, welche sich aus Elektronen- und Ionenströmen hoher Grössenordnung in dem von der Kathode umgebenen Raum zusammensetzt, eine radiale Potentialverteilung, welche nahe dem Zentrum des Kathodenhoiilraums ein Minimum und ausserhalb davon in der Nähe der Anodenwand ein Maximum hat. Bei einem bestimmten Radius zwischen dem Zentrum und der Kathodenwand entsteht eine virtuelle Anode in Form einer kugelförmigen Hülle. Das

10.Dez. 1968

Ku/Ku -2-

9098A2/1068

18U802

R.L. Hirsch 3

Potential dieser virtuellen Anode ist im wesentlichen gleich dem der wirklichen Anode, wodurch innerhalb der virtuellen Anodenhülle Ionen eingefangen werden. V/egen der Elektronenemission durch die Kathode liegt das Potentialminimum im Zentrum, weshalb die eingefangenen Ionen durch dieces Zentrum · schwingen. Bei genügend hohem Potentialunterschied zwischen der virtuellen Anode und dem Zentrum werden die eingefangenen Ionen auf für nukleare Reaktionen ausreichende Energien gebracht, so daß im Zentrum stattfindende Ionenzusammenstöße zu Kernfusionen führen.

Die Ionen bipolarer Ladungen, die sowohl zur Erzeugung der zuvor erwähnten virtuellen Elektroden als auch zur Herbeiführung der Kernfusionen benutzt werden, werden in der Vorrichtung nach dem eingangs erwähnten deutschen Patent 1 177 in einem -Beispiel durch Ionisation neutralen Gases erhalten, welches direkt in die Anode eingeführt wird, in einem anderen Beispiel mittels Ionenkanonen, die außerhalb der Anode und Kathode angeordnet sind, wobei Jede dieser Ionenkanonen einen Nadelstrahl erzeugt, der auf daa Zentrum der Anordnung gezielt ist. Bei der deutschen, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung P 15 8g 945 ist die Ionenquelle überhaupt auf Ionenkanonen beschränkt, die außen an der Anode befestigt sind, in deren Innenraum eine Kathode angeordnet ist. Auch diese Ionenkanonen erzeugen Strahlen konzentrierter bleistift- oder nadeiförmiger Gestalt mit vollem Querschnitt.

Experimente haben gezeigt, daß um so mehr Ionen zur Herbeiführung von Kernfusionen ausgenutzt werden, je mehr die Ionenbewegungen sich einem radialen Verlauf nähern. Ionen, bei denen dies nicht der Pail ist, weisen einen jinergieverlust auf. Man hat gefunden, daß die Raumladung, die sich in den erwähnten Tadelstrahlen ausbreitet, eine bedeutende Anzahl nicht radialer Ionen erzeugt, wodurch die Gesamt : JiI der zugeführten Ionen nicht maximal ausgenutzt una der

909842/1068

18U802

R.L. Hirsch 3

Wirkungsgrad beim Einfangen der Ionen reduziert wird.

Weitere Experimente zeigen, daß die Ionisation des neutralen Gases innerhalb der Anode als Quelle der die Hülle formenden Ionen einen niedrigen Wirkungsgrad aufweist und willkürlich in ihrem Charakter ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen zu schaffen, deren Wirkungsgrad größer als der bisher bekannten ist.

Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen zu schaffen, in der Ionenströme, die aus kugelförmig im Abstand voneinander angeordneten Quellen austreten und sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt kreuzen, besser radialen Bahnen folgen als in den bekannten Vorrichtungen der gleichen Art.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herbeiführung, von Kernfusionen zu schaffen, welche bei der Fusion eine größere Anzahl von Ionen ausnutzt als die bisher bekannten Vorrichtungen.

Bei einer Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen, bei der eine kugelförmige Anode eine kugelförmige, für positiv geladene Teilchen durchlässige und für Elektronen undurchlässige Kathode konzentrisch umgibt, die ihrerseits einen zentral zu diesen Elektroden liegenden freien Raum bestimmt und durch Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches den in den Raum zwischen Anode und Kathode eingeführten positiv geladenen Teilchen eine für Kernfusionen ausreichende Energie verleiht, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß außerhalb der Anode von dieser durch jeweils eine Driftkammer getrennte Ionenquellen angeordnet sind und die durch Ionisation

-4-

909842/1068

■1BU802

R.L. Hirsch 3

neutralen Gases erzeugten geladenen Teilchen durch Öffnungen, die mit solchen der Anode und Kathode übereinstimmen, zur Anode gelangen und auf den Mittelpunkt des zentral zur . Kathode und Anode liegenden freien Raumes fokussiert werden und das nicht ionisierte Gas aus der Driftkammer während des Durchgangs der geladenen Teilchen forlaufend abgesaugt wird.

Die obenerwähnten und weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung sollen nun im folgenden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen näher beschrieben werden.

fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, die zur Erläuterung der Theorie der Arbeitsweise dient.

Pig. 2 zeigt eine Potentialverteilungakurve zur Erläuterung der Theorie.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Theorie einer verteilten Ionenquelle in Verbindung mit der Entstehung einer virtuellen Anode.

Pig. 4 und 5 sind Darstellungen zur Erläuterung der Raumladungseffekte, die bei Verwendung nadei

förmiger Strahlen auftreten.

Pig. 6 und 7 zeigen Querschnitte von Nadel- und Hohlstrahlen, die zur Erläuterung der Theorie dienen.

Pig. 8 zeigt ein teilweise im Schnitt gehaltenes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Pig. 9 ist ein Teilschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Pig. 10, 11 und 12 sind entsprechende Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung. 909842/1068 -5_

R.I. Hirsch 5■

Die Erfindung umfaßt eine nicht magnetische Methode zur Beschränkung ionisierter Schmelzgase und die Ausnutzung dieses Phänomens bei der Konstruktion eines Reaktors für kontrollierte Kernfusionen, wie es schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Eine ionendurchlässige kugelförmige Kathode 20 ist von einer gleichmäßig ionenemittierenden kugelförmigen Anode 21 umgeben. Es wird vorausgesetzt, daß die Kathode an ihrer Innenfläche Elektronen emittiert und undurchlässig gegenüber Elektronenströmen ist. Bei nicht vorhandener Elektronenemission und vollkommen radialen -^ewegungerjwerden die Ionen von der Anode 21 in die Kathode 20 beschleunigt, wo sie durch gegenseitige Abstoßung abgebremst werden und etwa beim Radius r - zur Ruhe kommen. Sie werden dann radial nach außen beschleunigt. Nach dem Durchsgang durch die Kathode kommen sie auf der Anode 21 wieder zur Ruhe. Da die Ionen vom Radius r - aus radial nach außen emittiert werden, kann die Ionenkonzeatration an dieser Stelle zweckmäßig als virtuelle Anode "betrachtet werden.

Im einzelnen zeigt die Fig. 1 eine evakuierte kugelförmige Elektronenröhrenstruktur, in welcher die Kathode 20 als eine offene Gitterelektrode aus metallischem Maschendraht oder ähnlichem betrachtet werden kann, welche Elektronen emittiert und vorzugsweise durch äußere Mittel beeinflußt wird. Die Anode 21 sei eine feste/metallische, für Sas undurchdringliehe Hülle. Geeignete elektrische Verbindungen führen zu den Elektroden 20 und 21, wobei ein Leiter zum Anlegen einer positiven Spannung mit der Anode 21 verbunden ist und ein weiterer Leiter 23 mit der Kathode 20 zum Anschluß an den negativen Pol einer Spannungsquelle, etwa einer Batterie 24. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Anode 21 auf Erdpotential.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Ionen

-6-

009842/1068

18U802

R.L. Hirsch 3 ' '

eines für Kernfusionen geeigneten Gases in den von der Kathode 20 umschlossenen Raum eingeführt. Eine elektrische Entladung, die sich aus Elektronen- und Ionenströmen hoher Größenordnung zusammensetzt, entsteht im Raum innerhalb der Kathode und entwickelt einen derartigen Potentialunterschied, daß man ein Minimum nahe dem geometrischen Mittelpunkt 25 und ein Maximum nahe der Anode 21 erhält, außerdem ein oder mehrere Potentialmaxima (virtuelle Anoden) und Minima (virtuelle Kathoden) konzentrisch innerhalb der Kathode 20. Energiereiche Ionen, die aue Getreten hohen Potentials nach innen in Richtung auf den Mittelpunkt 25 fallen, werden auf Geschwindigkeiten (Energien) gebracht, welche ausreichen, um die Abstoßkräfte der langsameren, im Gebiet um den Mittelpunkt 25 entstandenen Ionen zu überwinden und kollidieren, wodurch sie eine Kernfusion herbeiführen.

Die Ionen, die im allgemeinen gleichmäßig von der Innenfläche der Anode 21 emittiert werden, sind mit 26 bezeichnet, wie sie radialen Bahnen der entsprechenden Pfeile 27folgen, bis zur inneren Grenze der virtuellen Anode beim Radius r ₁ Der den Mittelpunkt 25 konzentrisch umgebende Kreis 28 zeigt die Größe und den Ort der virtuellen Anode.

Als nächstes sei die Elektronenemission aus der Kathode 20 betrachtet. Solche Ionen sind mit 29 bezeichnet. Sie werden durch die virtuelle Anode 28 beschleunigt und durchdringen sie in Richtung auf den Mittelpunkt 25. Sind sie erst einmal innerhalb der virtuellen Anode, werden sie durch ihre gegenseitige Abstoßung abgebremst und kommen etwa beim Radius r (kleiner als r ■·) zur Ruhe (Pig.1 und 2), wobei sie eine virtuelle Kathode von kugelförmiger Gestalt bilden, die konzentrisch zum Mittelpunkt 25 angeordnet ist. Ionen der virtuellen Anode 28 werden dann nach innen in Richtung dieser virtuellen Kathode30 beschleunigt. Bei entsprechender

-7-909842/1068

R.Iu Hirsch 3

Einstellung der relativen Ionen- und Elektronenströme kann diese virtuelle. Kathode 30 im ^rrinzip mit einem solch kleinen Radius aufrechterhaltenwerden, daß sie fast als im Mittelpunkt liegend betrachtet werden kann. Die durch dieses Zentrumsgebiet wandernden Ionen 26 werden in radialer Rieh- ■ tung fokussiert und besitzen hohe kinetische Energien. Da viele Ionen Bahnen folgen, die sich im Kittelpunkt 25 schneiden, kollidieren sie miteinander, so daß bei Verwendung von Deuterium- und/oder Tritiumionen eine hohe Fusionsrate erreicht wird.

Die Entstehung der bipolaren Raumladung innerhalb der Kathode 20 läßt sich besser an Hand der graphischen Darstellung von Fig. 2 verstehen, in der die Abszisse den Radius der Anordnung und die Ordinate die Potentialverteilung darin darstellt. Die Größe der Raumladung hängt von dem Betrage des im Kathodenraum fließenden Raumladungsstromes ab. Für einen sehr kleinen Strom ist dieijpositive Ladungsverteilung klein und das Potential im Mittelpunkt würde dem in Kurve "a" gezeigten entsprechen. Ein größerer Strom erzeugt eine größere positive Potentialverteilung entsprechend Kurve "b". Größere oder kleinere Ströme verändern das Potential im Mittelpunkt entsprechend, Wenn nun Elektronen von der Kathode 20 erzeugt werden, wird der Potentialgradient in der Hähe der Kathode 20 negativer als an derKathode selbst und die Poteritialkurve fällt bis zu einem Minimum bei 31. Dies kommt dadurch zustande, daß die meisten Elektronen abgebremst werden, bis sie zur Ruhe kommen und so in der Nähe der Kathode 20 und konzentrisch zu dieser eine virtuelle Kathode schaffen, ebenfalls mit 31 bezeichnet. Elektronen von dieser Kathode fliegen in beide Richtungen, d.h. sie kehren entweder zur Kathode zurück oder fliegen in den zentralen Kathodenraum.

Etliche Elektronen werden unter dem anziehenden Einfluß der

-8-

909842/10Sd

18U802

E.L.Hirsch 3

.virtuellen Anode 28 in Richtung auf den Mittelpunkt 25 beschleunigt, bis ihre Coulombschen Abst.oßkräfte überwiegen. Diese Elektronen werden dann abgebremst, wobei sie

'· ihre kinetische Energie an das PeId abgeben, schließlich zerstreut und kehren zur virtuellen Anode 31 zurück, wo sie den Kreislauf wiederholen. Da die Elektrönendichte in

'■ dem kleinen, den Mittelpunkt 25 umgebenden Raum am größten ist, wird auch die negative Raumladungsverteilung durch die Elektronen in diesem Gebiet am größten sein und sich in der Mitte des positiven Gradienten «b¹¹ (Fig.2) ein Potentialminimum oder Krater entwickeln, der bis zu einer virtuellen Kathode 30 anwächst, wobei das Potential dem der virtuellen Kathode 31 entspricht. Dieser Vorgang ist mit einer Verschiebung der Spitze des positiven Potentialgradienten zu einem

Radius "r ^" verbunden, wo eine kugelförmige Potentialhül-Ie oder virtuelle Anode 28 (bereits beschrieben) entsteht. _T-

Wie im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 15 89 beschrieben, entstehen abwechselnd mehrere virtuelle Anoden und Kathoden. Jedoch braucht für die Zwecke dieser Erfindung nur die Existenz je einer virtuellen Anode und Kathode betrachtet zu werden.

Das Wesentliche der Bildung der virtuellen Elektroden liegt darin, daß durch eine erzwungene Ladungstrennung kugelförmiger Gestalt ein Einfangen oder eine Beschränkung von Seilchen und .eine hohe Dichte erreicht wird. Die Bildung der virtuellen .Elektroden verbraucht augenscheinlich Leistung und die bipolaren Ladungen sind dis bei dar Elektrodenbildung benutzten Instrumente. Je wirksamer von diesen Gebrauch gemacht wird, um so weniger Leistung wird bei der Bildung und Aufrechterhaltung der virtuellen Elektroden verbraucht. Diese Erfindung befaßt sich direkt mit dieser wirksamen Ausnutzung.

9Q9S42/10S8

18U802 S

. R.L. Hirsch 3

Der ideale Aufbau ist schematisch in Fig. 3 gezeigt, in welcher die Anode 21 als Quelle der Ionen 26 betrachtet wird, die aus der gesamten kugelförmigen Oberfläche der Anode austreten. Es wird angenommen, daß die Ionen radialen Bahnen folgen, so daß sie nach Erreichen der virtuellen Anode 28 auf denselben Bahnen zur Anode 21 zurückkehren. Jedes Ion trägt daher mit seiner ganzen Energie zur Bildung und Aufrechterhaltung der virtuellen Anode 28 bei, so daß die als Mittel oder Werkzeuge betrachteten Ionen 26 mit maximalem Wirkungsgrad ausgenutzt werden.

Die Bedeutung dieses idealisierten Konzepts ist in Verbindung mit den Pig. 4 bis 7 weiter erklärt. Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, in dem außen auf der Anode 21 eine Vielzahl von Ionenkanonen 32 mit Elektroden,

15welche die Ionen zu Nadelstrahlen 33 mit vollem Quereohnitt formen, angeordnet ist. Ein Teil eines solchen Strahls ist in Pig. 5 gezeigt und e$js Querschnitt davon in Pig. 6. Die Strahlen 33 werden auf den Mittelpunkt 25 hin fokussiert, wobei die Ionenkanonen paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind, so daß ihre Strahlen im wesentlichen gemeinsamen diametralen Bahnen folgen*

Die Ionen in den Strahlen 33 bilden, wie bereits erklärt» die virtuellen Elektroden, wobei die Anode 28 als Endpunkt der Strahlen gezeigt ist.

Um alle Ionen der Strahlen 33 mit maximalem Wirkungsgrad für die Bildung der virtuellen Anode 28 ausnutzen zu können, ist es notwendig, daß sie genau radialen Bahnen folgen.. Jedoch ist dies wegen der Baumladungsausbreitung innerhalb der Strahlen 33 nicht bei allen Ionen der Pail, so daß gewisse Energieverluste auftreten· Dies ist im Zusammenhang mit Pig. 5 erklärt, wo der Endpunkt eines Strahles 33 und

-10-

909842/1069

18U802

R.L. Hirsch 3

ein Teil der virtuellen Anode 28 gezeigt sind. In der Nähe dieser virtuellen Anode werden die Ionen des Strahls langsamer und kommen schließlich zur Buhe. Je stärker der Strom im Strahl 33 ist, um so mehr werden sich die äußeren Ionen ausbreiten, während die Strahlionen langsamer werden. Diejenigen Ionen, die genau radialen Bahnen folgen, mit 34 bezeichnet, kehren entweder entlang derselben radialen Bahnen zur Anode 21 zurück oder, was wichtiger ist, sie können in das Gebiet innerhalb der virtuellen Anode 28 eintreten, wo sie zum Pusionsgebiet im Mittelpunkt 25 beitragen können. Wie ersichtlich, schneiden sich diese radialen Bahnen im Hittelpunkt 25* Jedoch besitzen die äußeren Ionen, die den Bahnen 35 folgen, bei Annäherung an die virtuelle Anode 28 einen Drehimpuls gegenüber dem Mittelpunkt 25.

Dadurch vermindert ihre Bahnenergie ihre radiale Energie und die Ionen sind nicht in der Lage, den Potentialberg, d.h. die virtuelle Anode 28 zu überwinden. Sie werden daher reflektiert und können niemals in den Mittelpunkt, das Reaktionagebiet, gelangen. Sie werden zwar mit ihrer Baumladung in der Nähe, der virtuellen Anode zu dieser beitragen, jedoch kaum oder gar nicht zur Bildung des Heaktionszentrums und sie stellen daher einen Energieverlust dar. Dieses Phänomen kann als ein Fall von "schlelchter lonenökonomie" betrachtet werden. Stellt man die Ionenausnutzung der beiden Ausführungsbeispiele von Fig. 3 und 4 einander gegenüber, so nutzt jenes von Fig. 3 alle Ionen maximal aus und jenes von Fig. 4 diese nur teilweise.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Problem der "schlechten lonenökonomie" wesentlich erleichtert, indem daa elektrische Querfeld nahe der Oberfläche dee Ionenstrahls reduziert wird. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden, einmal, indem man die Anzahl der Ionenstrahlen erhöht, so daß der Strom pro Strahl vermindert

-11-

909842/1068

R.L. Hirsch 3

wird und man die verteilte Ionenquellenanordnung von Pig. erhält, zum andern, indem man die Strahlform der bleistift- oder nadeiförmigen Anordnung der Pig. 5 und 6 ändert. Die erste Alternative ist "bereits im Zusammenhang mit Pig, 3 erörtert worden. Die zweite Alternative stellt einen Kompromiß dar, indem der Tollstrahl von Mg. 6 "beispielsweise in einen Hohlstrahl entsprechend Pig. 7 abgevrandelt wird. Bei Betrachtung des Strahls in Pig« 7 sei angenommen, daß alle lonenkanonen der Pig. 4 Hohlstrahlen emittieren, welehe genau auf den Mittelpunkt 25 fokussiert werden. Ebenfalls sei angenommen, daß die Ströme in den heiden Strahlen der Pig. 6 und 7 gleich sind; weiter sei die Querschnittsfläche des Strahls in Pig. 7 viel größer als die des Strahls in·Pig. 6. In diesem Zusammenhang betrage bei Betrachtung eines theoretischen Beispiels der Durchmesser des Strahls ■ in Pig. 6 zwei Millimeter und der Außendurchmesser des Strahls in Pig. 7 acht Zentimeter. Das Symbol "E ^" in Pig. 6 stellt das Querfeld dar, das auf die Handionen einwirkt und ihre seitliche Streuung bewirkt. Das Symbol ¹¹E -. " in Pig. 7 und die zugehörigen Pfeile deuten die Pelder senkrecht zur Strahlachse an, die darauf abzielen, die Ionen su zerstreuen. Sofern die Ströme in den beiden Strahlen gleich sind und der Querschnitt des Strahls in Pig. 7 viel größer als der des Strahls in Pig. 6 ist, folgt logischerweise, daß das Querfeld "E^'für den Hohlstrahl viel kleiner als das Querfeld ¹¹E-J₃" für den ifadelstrahl von Pig.6 ist. Bezeichnet man mit "I" den Ionenstrom in Milliampere, dann gilt für den Hade!strahl

wobei "J" die Stromdichte in ¹ bedeutet.

cm

Im Palle des Hohl- oder Eingstrahles, dessen Dicke klein

-12-909842/1068

_T12-

R.I. Hirsch 3

gegenüber dem Durchmesser ist, gilt annähernd

worin "t" die Wanddicke des Ringstrahls bedeutet (Fig.7)

. Dann gilt:
^Jrb ^rpb ²²

Jpb^rb 80,1/2 40 1O

Es ist daher augenscheinlich, daß im Falle des Ringstrahles das elektrische PeId an der Oberfläche proportional der Stromdichte J ist und im Falle des Nadelstrahls proportional dem Strom I ist. Offenbar wird dann die Queretreüung der Ionen beim Ringstrahl in Fig. 7 geringer als beim Strahl in Fig. sein, so daß eine bessere Ausnutzung der Ionen erreicht werden kann.

Gehl man in der Analyse einen Schritt weiter, so gilt für die Annahme, daß die Anordnung von Fig. 3 eine unendliche Zahl aus der Anode 21,austretender Strahlen ausnutzt, folgendes:

1.) Der Strom pro Strahl nähert sich Null, wenn man annimmt, daß der gesamte Ionenstrom in der Anordnung in Fig. 3 der gleiche wie der in Fig. 4 ist.

2.) Das elektrische Feld senkrecht zur Richtung der Strahlen in Fig. 3 nähert sich ebenfalls Null, da die Querfelder der verschiedenen Strahlen sich gegenseitig aufheben. Der radiale Durchgang der Ionen ist nicht gestört. Dies führt zu einer 100%igen Ausnutzung aller an der Anode 21 eingeführten Ionen. Dies ist wichtig, da die prinzipielle Methode der Energiezuführung in den Fusionsraum die Ionenstromzuführung, bildlich durch die Ionen 26 dargestellt, ist.

909842/1068 -¹3-

R.L. Hirsch 3

Nachfolgend werden mehrere praktische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen die Idealbedingungen der Ionenaufuhr angenähert erreicht werden können und sich dadurch größere Wirkungsgrade beim PusionsVorgang ergeben. Eine etwas schematische Darstellung ist in Fig. 10 gezeigt, in der eine kugelförmige Kathode 20a mit einer vergrößerten Öffnung 36 versehen ist, die mit einem relativ großen Maschennetz 37 aus Wolframdraht bedeckt ist. Das Maschennetz 37 ist als kugelförmige Weiterführung der Kathodenhülle 20a ausgebildet.

Die Anodenhülle 21a ist über ein weites Gebiet mit einer Vielzahl relativ kleiner Öffnungen 38 versehen. Außen an der Anode 21a ist eine alle Öffnungen 38 einschließende leitende Hülle 39 befestigt, an der eine konventionelle Ionenkanone 40 angebracht ist, die in der lage ist",- einen Nadelstrahl entsprechend dem in Fig. 6 vom Ende 4-1 entlang der Achse 42 in Richtung auf den Mittelpunkt 25 zu emittieren. Die Hülle 39 ist aus leitendem Material, vorzugsweise Metall, und stellt eine Driftkammer dar, in die die Ionen von der Kanone 40 eingeschossen werden. Da die Hülle 39 mit der Anode 21a leitend verbunden ist, ist auch das Potential auf dieser Hülle das gleiche wie auf der Anode 21a, wodurch ein Raum gleichen Potentials geschaffen wird, in den die Ionen von der Kanone 40 geschossen werden. Der Aufbau der Kanone ist so, daß sie im wesentlichen das gleiche Potential wie die Hülle 39 besitzt, sofdaß beim Einschuß der Ionen in die Hülle 39 diese mit niedriger Geschwindigkeit eingeschossen werden. Als Folge davon breiten sioh die Ionen über die gesamte, mit Öffnungen 38 versehene Fläche der Anode 21a aus, Infolge der Anziehung durch die Kathode werden jene Ionen, die im Begriff sind, in die öffnungen 38 einzutretender sioh ihnen stark nähern, nach innen entlang der durch die Pfeile 42 angedeuteten Bahnen in Richtung auf die Kathode beschleunigt und durchdringen den Maschen-

-14-903842/106$

-H-

18U802

R.L. Hirsch 3

draht 37 in Richtung auf den Mittelpunkt 25. Man erkennt sofort, daß die durch die verschiedenen Öffnungen 38 hindurchgehenden Ionen Strahlen niedriger Stromstärke bilden, . deren über eine relativ große Fläche der Anode 21a gestreute Gesamtzahl eine "örtlich verteilte Quelle" von Ionen bildet. Wie aus der vorhergehenden Beschreibung klar hervorgeht, wird die seitliche Streuung der Ionen auf ein Minimum beschränkt, was zur "Ionenökonomie" bei der Bildung und Aufrecht erhaltung der virtuellen Elektroden beiträgt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Pig. 11 dargestellt, bei dem eine andere Ionenerzeugungsanordnung verwendet wird, In diesem Ausführungsbeispiel können die Kathode 20b und die Anode 21b die gleichen sein wie gerade zuvor im Zusammenhang mit Pig. 10 erklärt, mit der Ausnahme, daß eine geringere Anzahl von Anodenöffnungen 38a und anstelle eines Drahtnetzes über einer Öffnung der Kathode 2ob eine Heihe von Öffnungen 43 verwendet wird. Wie in dem Ausführungsbeispiel der Pig. 10 sind die Öffnungen 38a über eine ausgedehnte kugelförmige Fläche der Anode 21b verteilt, genau wie die Öffnungen 43 der'Kathode 20b. Selbstverständlich sind alle Öffnungen 38a und 43 kugelförmig nach allen Richtungen um den Mittelpunkt 25 angeordnet, um einen großen Teil der kugelförmigen Fläche auf den jeweiligen Elektroden zu bedecken.

Eine hermetisch abgeschlossene Hülle in Form einer röhrenförmigen Anode 45 besitzt zwei gegenüberliegende Endverschlüsse 46 und 47. Der Endverschluß besteht aus einer entsprechend starken Metallplatte, die mit dem linken Ende der Anode verschmolzen und mit Durchführungsisolatoren 48 und 49 versehen ist, die zwei leitende Tragbolzen 50 und 51 einfassen. Die Einfassung dieser Tragbolzen in den Isolatoren 48 und 49 ist konventionell und zwar stark genug, um an den inneren

-15-

909842/1068

L. Hirsch 3

Enden Glühkathoden 52 zu tragen. Ein Metallnapf von ringförmiger Gestalt mit flachem Boden und rohrförmigen Innen- und Außenwänden ist leitend mit dem Ende des Bolzens 51 verbunden und starr von diesem gehaltert. Die Kathoden 52 sind ebenfalls ringförmig und koaxial, wie aus Mg. 11 ersichtlich, eingepaßt. Der Napf 53 ist koaxial zur Anode 45 befestigt und hat in radialer Richtung genügend Abstand zu ihr. Seine Aufgabe ist es, die Elektronenbewegung zur Rückseite der Kammer zu verhindern und einen gewissen Grad elektrostatischer Fokussierung der Entladung zu erreichen.

In der Endplatte 46 ist eine Öffnung, in die ein Gaszuführungsrohr 54 eingesetzt ist, welchesmit einem entsprechenden Vorrat verschmelzbaren Gases wie Deuterium, Tritium oder beidem verbunden ist. In den Verlauf des Rohres wird zweckmäßig ein Ventil eingeschaltet, um die Menge des in das Innere der Anode 45 strömenden Gases manuell zu re.geln.

Der Endverschluß 47 hat die Form einer Metallplatte, die an ihrem Umfang mit der Anode abgeschlossen und leitend mit ihr verbunden ist. Diese Platte ist mit einer Anzahl Öffnungen versehen.

Eine Extraktoranordnung 56 ist am rechten Ende der Anode 45 aufgesetzt und hermetisch mit dieser abgeschlossen. Diese Anordnung umfaßt einen metallischen Befestigungsring 57, mit dem eine Extraktor- oder Zugelektrodenplatte 58 verbunden ist. Die Platte 58 ist parallel zur Endverschlußplatte mittels eines ringförmigen Körpers aus Isoliermaterial gehaltert, der so angeordnet ist, daß er links mit der Platte 47 und rechts mit der Plätte 58 abschließt. Diese Platte wird an diametral gegenüberliegenden Stellen durch zwei Klammern aus Isoliermaterial gehalten, die am Rand der Anordnung 56 befestigt sind. Auf dies Weise wird die Platte 58 fest in ihrer Lage gehalten und ist darüberhinaus von

-16-

909842/1068

■-16-

18U802

R.L. Hirsch 3

der Anode 45 isoliert. Ein konventioneller Durchführungsisolator 61 ist vakuumdicht mit dem Endverschluß 46 verbunden, durchdringt die ganze Anordnung in axialer Richtung und ist . an der Platte 58 befestigt. Dieser Durchführungsisolator besteht aus einer Hülse 62 aus Isoliermaterial und einem Mittelleiter 63, der rechts mit der Platte 58 leitend ver-. bunden ist. Mit diesem Durchführungsisolator bzw. dessen Mittelleiter wird die notwendige Speisespannung an die Extraktorplatte 58 angekoppelt.

Eine Vielzahl ionenanziehender Elektroden 64 ist fester Bestandteil der Extraktorplatte 58. Jede der Elektroden 64 von konischer Form hat eine Öffnung 65 in Übereinstimmung mit einer entsprechenden Öffnung 55 in der Platte 47. Die Öffnungen 55 und 65 sind vorzugsweise in Form zweier konzentrischer Kreise angeordnet} jedoch sind auch andere Anordnungen möglich.

Zwischen der Ionenerzeugungsanordnung 44 und der kugelförmigen Anode 21b ist eine röhrenförmige leitende Hülle montiert. Diese Hülle· ist am linken Ende mit dem Befestigungsring 57 vakuumdicht verbunden, wobei dieser Befestigungsring wieder vakuumdicht undleitend an der Anode 45 befestigt ist. Am rechten Ende ist die Hülle 66 vakuumdicht und leitend mit der Anode 21b verbunden. Eine Rohrhalterung 67 ist an der Hülle 66 angebracht, damit eine Vakuumpumpe zur Evakuierung der Kammer 68 innerhalb der Hülle 66 angeschlossen werden kann. Diese Kammer 68 ist an ihrem Umfang durch die Hülle 66 und an ihren beiden Enden durch die Extraktorplatte 58 und die Außenfläche der Anode 21b begrenzt. Es sei vermerkt, Daß die Öffnungen 38a im wesentlichen mit den Öffnungspaaren 55 , 65 fluchten, so daß parallele gerade Linien, wie aus der Zeichnung ersichtlich, alle drei Öffnungen 55, 65 und 38a schneiden.

-17-

909842/1068

R.I. Hirsch 3

Während des Betriebs wird eine hohe Spannung an die Kathode 20b und Anode 21b gelegt. Die Anordnung wird durch eine passende, mit der Halterung 67 verbundene Vakuumpumpe evakuiert. Zur gleichen ^eit werden genau bestimmte Mengen verschmelzfähigen Gases durch das iJinlaßrohr 54 in die Ionenerzeugungsanordnung 44 eingeführt. Spannungen werden, wie aus Fig. 11 ersichtlich, an die Ionenerzeugungsanordnungen gelegt, wobei eine entsprechende Heizstromversorgung mit dem Heizfaden in der Kathode 52 verbunden ist. und eine Vorspannungsbatterie zwischen der Anode 45 und dem Kathodenkreis liegt. Dadurch liegt die Anode hinsichtlich des Heizfadens 52 auf positivem Potential, jedoch auf dem gleichen Erdpotential wie die Anode 21b. Die Extraktorplatte 58 ist durch eine Batterie 69 gegenüber Brdpotential negativ vorgespannt.

Wird die Kathode 52 erhitzt, so emittiert sie Elektronen, die von der Anode 45 angezogen werden. Diese Elektronen werden durchdie Anziehungskraft des zwischen Kathodennapf und Anode 45 herrschenden Feldes auf die Lochplatte hin gerichtet, sofern der Kathodennapf 53 das gleiche Potential wie die Kathode 52 besitzt.

Angenommen, der Raum innerhalb der Anode 45 sei beispielsweise auf einen Druck von 10 ' Torr evakuiert worden, während das mit dem Einführungsrohr 54 verbundene Ventil geschlossen war. Dann wird dieses Ventil ( nicht in der Zeichnung dargestellt) etwas geöffnet, damit Gas in das Innere der Anode 45 strömen kann. Ein Druck von mehr als 10 Torr innerhalb der Anode 45 schafft günstige Betriebs-, bedingungen. Die von der Kathode 52 entlang verschiedener Bahnen zur Anode fliegenden Elektronen stoßen mit neutralen Gasteilchen zusammen und ionisieren sie. Dadurch bildetsich innerhalb des Anodenraums 45 zwischen Kathode 52 und Platte 47 ein Plasma. Dieser Raum wird daher als

9OS842/1ÖS0

18U802

R.L. Hirsch 3
"Plasmakammer¹¹ bezeichnet.

Die Extraktorplatte 58, die hinsichtlich der Anode 45 negativ ist, erzeugt ein Feld, welches in die Plasmakammer hineinreicht und daraus Ionen anzieht. Dieses Feld fokussiert die Ionen in die Öffnungen 55 und richtet sie durch die entsprechenden Öffnungen 65. Die Feldverteilung ist derart, daß die Ionen zu einer Vielzahl von Nadelstrahlen geformt werden, deren Größe und Gestalt denen der entsprechenden Öffnungen 55 und 65 entspricht. Daher können die Platte 47 mit ihren Öffnungen 55 und die Extraktorplatte 58 mit ihren Öffnungen 65 als Ionenlinsenanordnung betrachtet werden, welche die Ionen aus der Plasmakammer anzieht und zu einer Vielzahl von kleinen lonenstrahlen formt, die auf einander parallelen Bahnen nach rechts in die evakuierte Kammer 68 beschleunigt werden, die nun als "Driftkammer" bezeichnet werden soll. In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Anode 45 in einem Bereich von 50 bis 500 Volt positiver Spannung hinsiohtlich der Kathode betrieben.

Ein Teil des durch die Zuleitung 54 in die Plasmakammer gelangten Gases wird nicht ionisiert und wandert durch die Öffnungen 55 und 65 in die Driftkammer 68. Eine an die Halterung 67 angeschlossene Vakuumpumpe ist fortlaufend in Betrieb, um diese neutralen teilchen aus der Kammer 68 abzusaugen. Die Gründe hierfür werden aus der weiteren Beschreibung ersichtlich.

Sofern die Kammer 68 von Wänden gleichen Potentials umgeben ist, ist auch das Feld innerhalb des ganzen Raums zylindrisch-symmetrisch. Jedoch werden wegen der fokussierenden Wirkung durch die Extraktorplatte 58 die sehr kleinen, aus dieser austretenden Strahlen, nun mit 70 bezeichnet, im

-19-

909842/106 8

•18 U 80 2

Hirsch 3

wesentlichen geraden Bahnen folgen und durch die jeweiligen Öffnungen 38a dringen. Diese Strahlen treten in die Öffnungen 38a mit Geschwindigkeiten ein, die von den in der Kammer 44 angelegten Spannungen abhängen. Wünschenswert ist es jedoch, wenn sie mit relativ geringer Geschwindigkeit eintreten. Bei Eintritt in diese Öffnungen 38a wirkt das Feld zwischen Kathode 20b und Anode 21 b'auf die Ionen mit einem Fokussierungs- und Beschleunigungseffekt, der alle Ionen auf den Mittelpunkt 25 konvergieren läßt* Die Öffnungen 43 fluchten in radialer Richtung mit den Öffnungen 38a, um die Ionen in ihren radialen Bewegungen in Richtung auf den Mittelpunkt zu halten.

Wie in Zusammenhang mit Fig. 10 erläutert, dient die Vielzahl der Ionenstrahlen niedriger Stromstärke dazu, zusammen mit einer Netzverbesserung die Ionenausnutzung bei den Radialbewegungen auf einen Maximalwert zu steigern.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, in dem die lonenbewegungen in Richtung auf den Mittelpunkt 25 gegenüber denen der Anordnunng von Fig. 11 weiter vervollkommnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl die Ionenerzeugungsanordnung 44 als auch die Driftkammer 68 mit denen der Fig. 11 identisch, mit der Ausnahme, daß anstelle der sich an die Anode 21b anschließenden Driftkammer 68 zwischen beiden eine "Radialisierungskammer"71 eingeschoben ist. Die rechte Seite der Driftkammer 68 ist mit einer leitenden Wand 72 dicht abgeschlossen, die mit einer Vielzahl von Öffnungen 73 versehen ist, welche mit den entsprechenden, bereits beschriebenen, Öffnungspaaren 55, 65 fluchten. Eine weitere röhrenförmige

2Q Hülle 74 ist an einem Ende an der Platte 72 vakuumdicht befestigt und am entgegengesetzten Ende am Umfang einer relativ großen Öffnung 75 in der Anode 21b. Innerhalb, der

-20-

909842/106 8

18U802

R.L. Hirsch 3

Hülle 74.ist eine Reihe kreisförmig angeordneter leiten-■ der Fokussierrohre 76 montiert, die den Öffnungen 73 zugeordnet sind. Diese Rohre sind mit ihren Achsen radial auf das Fusionszentrum 25 ausgerichtet und an einem Metallrahmen 77 befestigt, der mit den Mittelleitern 78 konventioneller Durchführungsisolatoren 79 verbunden ist. Diese Durchführungsisolatoren 79 entsprechen den zuvor beschriebenen Isolatoren 48 und 49. Der Aufbau ist derart, daß eine feste Anordnung der Rohre 76 innerhalb der Kammer 71 gewährleistet ist und die Rohre gegenüber der Hülle 74 isoliert sind.

Die Öffnungen 43 in der Kathode 20b fluchten in radialer Richtung mit den entsprechenden Rohren 76. Eine variable Spannungsquelle, als Batterie 80 dargestellt, ist mit einer der Klemmen 79 verbunden, um an die Rohre 76 eine passende Spannung zunlegen.

Die Betriebsweise des Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen der des im Zusammenhang mit Pig. 11 beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die Pokussierrohre 76 genügend vorgespannt sind, um die Ionenstrahlen besser auf den Mittelpunkt zu fokussieren. Durch Regulierung der Spannung an diesen Pokussierrohren 76 kann die Fokussierung der Strahlen 70a verändert werden. Da die Fokussierrohre dazu dienen, die Strahlen 70a auf radiale Bahnen zu lenken, wird die Kammer 71 als "Radialisierungskammer" bezeichnet.

Pig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung eines Hohlstrahls, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 7 erörtert, bei dem die Plasmakammer eher ringförmig als zylindrisch ist. Diese ringförmige Kammer wird durch eine Anodenanordnung begrenzt, die eine äußere Anodenhülse 45a und eine innere Anodenhülse 45b umfaßt. Eine ringförmige Scheibe 46a schließt die Kammer an der linken Seite, eine weitere ringförmige Scheibe 47a an der rechten Seite ab.

-21-

909842/1068

R.L. Hirsch 3

Die Scheibe 47a ist mit einer ringförmigen Öffnung 55a versehen, die hinsichtlich, des übrigen Aufbaus der Anordnung koaxial ist.

Eine weitere Scheibe 82 bedeckt das rechte Ende der Anodenhülse 45b und ist derart befestigt, daß sich ein hermetischer Abschluß ergibt. Die zwei Scheiben 47a und 82 können bei der Erörterung des Ausführungsbeispiels als eine einzige Scheibe angesehen werden.

Eine Ringkathode 52a ist koaxial in der Kammer zwischen den beiden Anodenhülsen 45a und 45b angeordnet und liegt in axialer Sichtung gegenüber der ringförmigen Öffnung 55a.

Ebenfalls koaxial innerhalb der Anordnung ist ein ringförmiger Kathodenbecher 53a befestigt, der innen die Kathode 52a enthält. Der Tragbolzen 50a des Durchführungsisola- tors 48a ist direkt leitend mit der Ringkathode 52a verbunden und wird aus Isolationsgründen durch ein vergrößertes Loch in den Kathodenbecher 53a eingeführt. Der andere Tragbolzen 51a ist direkt mit dem Boden des Kathodenbeehers 53a verbunden, die Kathode wiederum ist an einem kleinen aus dem Boden des Bechers 53a herausragenden Stift 83 befestigt» um die Kathode in ihrer Lage zu fixieren und mit ihr eine leitende Verbindung zu schaffen.

Eine flache Metallseheibe 84 enthält eine ringförmig ausgebildete Extraktor- oder Zugelektrode 64a. Im Schnitt besitzt sie eine dreieckige Form mit einer ringförmigen öffnung 55a im Scheitelpunkt. Die Öffnungen 55a und 65a stimmen in axialer Richtung überein, wie bei den vorherigen Beispielen.

Zwischen der Abschlußscheibe 47a und dem äußeren Rand der Platte 84 ist eine Isolationshülse 59a angeordnet. IJm die Platte 84 in ihrer Lage zu fixieren, sind zwei Klammern 60a aus Isolationsmaterial am Anodenflansch 57a befestigt und

-22-

909942/1-099

R.I,. Hirsch 3 '

drücken, gegen die Platte 34 #

Um eine leitende Verbindung zur Platte 84 !Herzustellen_t wird ein zentral angeordneter Durchführungsisolator 86 verwendet, der an der Platte 82 befestigt ist tmd dessen Mittelleiter 88 mit seinem rechten Ende mit der Platte 84 verbunden ist. Das Gaszuführungsrohr 54a ist an der Platte 46 befestigt und dient der Zuführung neutralen Sases in die Plasmakammer.

Eine Driftkammer 68 ist zwischen der Anode 21c und der Extraktorplatte 84 angeordnet und durch eine leitende röhrenförmige Ketallwand 90 begrenzt. Die Wand 90 ist leitend mit der Anode 21c und ebenfalls mit dem Anodlenflansch 57a verbunden, wie es bereits in Zusammenhang mit Fig. 11 erklärt wurde.

Innerhalb der Driftkammer 68 ist koaxial ein relativ großes Fokussierrohr angeordnet, welches mittels Bur-chführungsisolatoren 95 in der Wand 90 gehaltert ist. Der Durchmesser dieses Pokussierrohres 92 ist etwas gröler als der Außendurchmesser der ringförmigen Öffnung 65a. J)Ie Durehführungsisolatoren 95 dienen der Fixierung des Rohres 92 und isolieren es außerdem gegenüber der Wand 90.

Die Anode 21c ist mit der ringförmigen Öffnung 94 versehen, die koaxial mit der Öffnung 65a übereinstimmt raid deren Außendurchmesser ebenfalls gleich dem der Öffnung 65a ist. Um die Öffnung 94 zu schaffen, wird ein Segment 95a der Anodenkugel durch einen Isolierstift 96 gehalten» der im Mittelpunkt der Platte 84 befestigt ist» Bas Segment 95a kann durch eine entsprechende Verbindung Mit der Anode 21c selbst oder der Anode 45a geerdet werden.

Bei Betrieb der Anordnung werden die Spannungen in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig.11 beschrieben

-23-909842/1068

18H802

R.L. Hirsch 3

angelegt, mit der Ausnahme, daß die Spannung am Fokussierrohr in den Grenzen von -1 KV bis +1 KV bezüglich des Erdpotentials variiert werden kann. Die Ionisation erfolgt in der Plasmakammer, aus der die Ionen zu ringförmigen Öffnungen 55a und 65a gezogen v/erden, wodurch ein Ringoder Hohlstrahl entsteht. Dieser Ringst.rahl wird in die Driftkammer 68 gerichtet, wo er durch die fokussierende Wirkung nicht nur des Rohrs 92, sondern auch der Anode 21c und Kathode 20c radial nach innen auf den Mittelpunkt hin fokussiert wird. Der Ringstrahl passiert die ringförmige Öffnung 94 in der Anode 21c und das Maschennetz 37a, welches eine relativ große Öffnung in der Kathode 20c bedeckt, in dichtung auf den Mittelpunkt 25.

'Während in den Fig. 9 bis 12 jeweils nur ein Teilstück oder Modul einer kompletten Verschmelzeranordnung dargestellt wurde, zeigt Fig. 8 eine komplette Verschmelzeranordnung. Y/enn in dieser auch vorzugsweise das Ausführuiigsbeispiel nach Fig. 11 verwendet wird, so können stattdessen aber auch die anderen nach Fig. 9» 10, und 12 benutzt werden.

' "In dem Verschmelzer nach Fig. 8 werden acht Ionenerzeugung sanordnungen bzw. Ionenquellen 44 verwendet, die paarweise diametral gegenüberliegend, symmetrisch um den Umfang der kugelförmigen Anode 21 angeordnet sind. Die Kathodenhülle 20 ist mittels eines säulenförmigen Gestells 97 konzentrisch innerhalb der Anode 21 befestigt. Das Gestell 97 besteht aus einem Tragrohr 98 aus rostfreiem Stahl, welches mit einem Ende an der Anode 21 befestigt ist. Innerhalb des Rohres ist eine mit einer Öffnung versehene Scheibe 99 befestigt, welche einen Keramikstab trägt, der koaxial durch das Rohr bis in die Anode 21 hineinragt. Das gegenüberliegende Ende ist mit einer mit der Kathodenhülle 20 fest-verbundenen Tragplatte 101 versehen. ,_.,.·■ ·

-24- 909842/1068

18U802

R.I. Hirsch 3

Das linke Ende des Rohrs 98 ist für den Anschluß einer Vakuumpumpe passend ausgebildet, wie es bereits im Zusammenhang mit den Ionenerzeugungsanordnungen 44 beschrieben • wurde.

Ein Hochspannungsanschluß 102 beisteht aus einem leitenden ,· Rohr 105, das an der rechten Seite mit einem kappen- oder flaschenförmigen Isolator 104 vakuumdicht abgeschlossen ist, Durch das Rohr 103 und den Isolator 104 erstreckt sich koaxial eine stangenförmige Elektrode 105. Das innere Ende 106 dieser Elektrode ist über stabile Leiter 107 mit einer Tragplatte 108 verbunden, die ihrerseits an der Kathode 20 befestigt ist. Das entgegengesetzte Ende 109 der Elektrode 105 durchdringt vakuumdicht das einspringende Ende 110 des Isolators 104, um an die Hochspannung angeschlossen zu werden. Alle Teile sind genügend fest und stabil, um die Kathode 20 sicher innerhalb der Anode 21 zu halten. Die Kathode 2o selbst besteht, wie bereits bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, aus einer kugelförmigen metallischen Hülle mit einer Anzahl relativ großer Öffnungen, die mit einem relativ weiten Maschengitter aus Wolframdraht bedeckt sind. Stattdessen kann die Kathodenhülle, wie bereits im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12 beschrieben, auch selbst mit einer Vielzahl kleiner Öffnungen versehen werden.

Die Arbeitsweise des Verschmelzers unterscheidet sich von der früher beschriebenen nur dadurch, daß der Anodenraum durch eine mit dem Gestell 97 verbundene Pumpe fortlaufend evakuiert wird. Jede der Ionenerzeugungsanordnungen 44 stellt in Verbindung mit der Anode 21 und der Kathode 20 eine "örtlich verteilte Quelle" von Ionen dar, die von .außen in den Anodenraum eingeführt werden. Diese Ionen bedecken eine wesentliche Fläche der Anode und Kathode, so daß die seitliche Streuung infolge der Coulombschen

-25-909842/1068

R.L. Hirsch 3

Abstößkräfte reduziert wird und die Ionen besser radialen Bahnen folgen* Wie bereits erklärt, gehen für den Fall, daß die einzelnen lonenströme sich null nähern, die für die seitliche Streuung verantwortlichen Querfelder ebenfalls gegen null» Da die Ionen über ein relativ großes Gebiet der Anode verteilt werden, bevor sie mit niedriger Geschwindigkeit in sie eintreten, haben die einzelnen auf den Mittelpunkt 25 gerichteten- Ionenstrahlen eine entsprechend geringe Stärke und streuen erfahrungsgemäß weniger als Strahlen hoher Stromstärke und vollen Querschnitts.

Der Wirkungsgrad während des Eötriebs wird durch die Tatsache erhöht, daß die Ionen außerhalb der Anode in einer Kammer gewonnen werden, wo der Ionisierungsgrad hoch ist und der Ionisierungsprozeß besser gesteuert werden kann.

Statt zu wenigen Einzelstrahlen werden die Ionen zu einer Serie relativ weit verbreiteter und kontrollierter Strah- » len niedriger Stromstärke geformt, die mit niedriger Ionengeschwindigkeit in dieiwAnodenhülle eintreten. .Die Ionenzuführung ist so gesteuert, daß die Ionen radialen Bahnen von der Anode zur Kathode folgen. Außerdem ist sie von einem fortlaufenden Absaugen des neutralen Gases begleitet, welches dadurch am Eintritt in die Anode gehindert wird. Dies vermindert Verluste in den Anoden- und Kathodenräumen durch Kollisionen von Ionen mit neutralen Gasmolekülen.

Dadurch , daß die Anwesenheit neutralen Gases in den Anoden- und Kathodenräumen auf ein Minimum beschränkt bleibt, und die Verschmelzionen in verteilter Form auf die Anodenoberflache gebracht werden, werden größere Wirkungsgrade bei der Herbeiführung von Kernfusionen erreicht.

9 Patentansprüche

7 Bl. Zeichnungen, 12 Fig, -26-

9GS842/1ÜS8

Claims

R*L. Hirsch 3 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen, bei der eine kugelförmige Anode eine kugelförmige, für positiv geladene Teilchen durchlässige und für Elektronen undurchlässige Kathode konzentrisch umgibt, die ihrerseits einen zentral zu diesen Elektroden liegenden freien Raum bestimmt und durch Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches den in den Raum zwischen Anode und Kathode eingeführten positiv geladenen Teilchen eine für Kernfusionen ausreichende Energie verleiht, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Anode von dieser durch jeweils eine Driftkammer getrennte Ionenquellen angeordnet sind und die durch Ionisation neutralen Gases erzeugten geladenen Teilchen durch Öffnungen, die mit solchen der Anode und Kathode übereinstimmen, zur Anode gelangen und auf den Mittelpunkt des zentral zur Kathode und Anode liegenden freien Raumes fokussiert werden und das nicht ionisierte Gas aus der Driftkammer während des Durchgangs der geladenen Teilchen fortlaufend abgesaugt wird.

2. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Trennwand (47) zwischen Ionenquelle (44) und Driftkammer (68) mit einer Vielzahl kleiner Öffnungen (55) versehen ist, welche die geladenen Teilchen zu einer gleichen Anzahl dünner, auf die Anode (21b) gerichteter Strahlen formen.

3. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Driftkammer (68) an der Trennwand (47) eine mit einer Vielzahl positive Ionen anziehender konischer Lochelek;troden (64) versehene leitende Extraktor- oder Zugelektroden-

909842/1068 ~²⁷~

18U802

R.L. Hirsch 3

platte (58) isoliert befestigt ist, deren Öffnungen (65) mit denen der Trennwand (47) übereinstimmen.

4. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (55) und (65) jeweils in Form zweier konzentrischer Kreise angeordnet sind.

5. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmige Anodenhülle (21b) gegenüber der Driftkammer (68) eine Vielzahl von Öffnungen (38a) aufweist, die mit denjenigen (65) und (55) der Extraktorplatte (58) und Trennwand (47) in axialer Richtung und entsprechenden Öffnungen (43) der Kathode (20b) in radialer Richtung fluchten.

6. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach den Ansprüchen 3 oder 4> dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen Driftkammer (68) und Anode (21b) angeordnete und letzterer gegenüber offene Radialisierungskainmer (71) in der Trennwand (72) zur Driftkammer (68) eine Vielzahl mit den Öffnungen (55),(65) fluchtender Öffnungen (73) aufweist und ein System von elektrostatischen Einzellinsen (76) enthält, die so angeordnet sind, daß jeder Ionenstrahl mittels einer Einzellinse durch eine entsprechende Öffnung (43) der Kathode (20b) hindurch auf den Mittelpunkt (25) des zentral zur Kathode und Anode liegenden freien Raums abgelenkt und fokussiert wird.

7. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Trennwand (47a) zwischen Driftkammer (68) und Ionenquelle (44) mit einer konzentrischen ringförmigen Öffnung (55a) versehen ist, welche die geladenen Teilchen zu einem auf die Anode(21c) gerichteten Hohlstrahl fcrmt.

-28-

909842/1068

18U802

R.L. Hirsch 3

8. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch.7»* dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Driftkammer (68) an der Trennwand (47a) eine mit einer, positive Ionen anziehen-

. den, ringförmigen Öffnung (65a) versehene leitende Extraktorplatte (84) isoliert befestigt ist, deren Öffnung (65a) mit derjenigen der Trennwand (47a) fluchtet.

9. Vorrichtung zur Herbeiführung von Kernfusionen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Driftkammer (68) koaxial eine rohrförmige Pokussierelektrode (92) angeordnet ist, deren Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Hohlstrahls ist.

909842/1068