DE2455460A1

DE2455460A1 - Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE2455460A1
Application number: DE19742455460
Authority: DE
Inventors: Thomas I Reuss
Original assignee: Kreidl Chemico Physical KG
Current assignee: Kreidl Chemico Physical KG
Priority date: 1973-11-26
Filing date: 1974-11-22
Publication date: 1975-05-28
Also published as: CH586990A5; FR2252727B1; FR2252727A1; NL7415428A; SE400014B; GB1487642A; SE7414762L; IT1025346B; CA1030667A; JPS50106099A; US3935503A

Description

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l-ϋϊ; j- .·

The Kreidl Chemico Physikal Kommanditgesellschaft in Schaan

(Liechtenstein)
Untere Rossfeldstr. 431

Teilchenbeschleuniger

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Teilchenbeschleuniger, in welchem Elektronen und/oder Ionen längs einer kreisförmigen Bahn bis zum Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit beschleunigt werden, beispielsweise zum Zwecke der Induktion chemischer oder nuklearer Reaktionen, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines hochenergetischen Plasmas.

Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art vom Typus des Zyklotrons werden Teilchen in einem zwischen dosenförmigen Elektroden - wegen ihrer Gestalt D-Elektroden genannt - aufgebauten,, hochfrequenten, elektrischen Feld beschleunigt und beschreiben unter der Einwirkung eines konstanten transversalen magnetischen Feldes eine

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vom Zentrum in der Feldachse nach außen gehende spiralförmige Bahn. Die Frequenz des elektrischen Antriebsfeldes, welches intermittierend auf die Teilchen einwirkt, muß mit deren Masse -Ladungsverhältnis korrelieren. Das Masse-Ladungsverhältnis muß daher für alle synchron zu beschleunigenden Teilchen gleich sein. Darüber hinaus hängt die Beschleunigungsrichtung und damit der Umdrehungssinn von der Polarität der Teilchen ab/

Bei dem Versuch, ein gasförmiges Plasma mit solchen Vorrichtungen zu beschleunigen, würde die polaritätsabhängige Bewegung der Teilchen und die Verschiedenheit ihrer Masse-Ladungsverhältnisse zu Turbulenzen und vorzeitigen Kollisionen zwischen sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegenden Teilchen führen. Die daraus resultierende Uneinheitlichkeit der Geschwindigkeiten des Teilchenstromes macht die Ausbildung kontrollierter Bedingungen für die gewünschten nuklearen oder chemischen Reaktionen unmöglich.

Bei Beschleunigern des Tokomak- oder Betatron-Typs werden Teilchen mit verschiedener Polarität durch ein normal zur Ebene der Umlaufbahn gerichtetes magnetisches Feld in entgegengesetzte Richtungen angetrieben. Die Feldstärke steigt monoton über jeden Antriebszyklus an. Beim Beschleunigen eines Plasmaswird der Großteil der Feldenergie auf die Elektronen übertragen, wodurch sich Energieverluste und sehr große Turbulenzen des Plasmaflusses ergeben.

Eine weitere konventionelle Art.hohe kinetische Energien auf molekulare Teilchen zu übertragen besteht darin, ein Gas, beispielsweise unter Verwendung eines Plasmabogens, auf hohe Temperaturen zu erhitzen. 'Dieses Verfahren zur Beschleunigung von Teilchen ist aber unwirtschaftlich, da damit ein weiter Bereich von Teilchenenergien erzeugt wird, welcher keineswegs auf die

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charakteristischen Energieniveaus für eine gewünschte Reaktion "beschränkt ist. Die Energieverteilung in einem heißen Gas folgt den Maxwell-Boltzmann¹sehen Gesetzen, woraus sich eine Verminderung der Effizienz dieses Verfahrens ergibt. Darüberhinaus können unerwünschte Energiebereiche zu störenden Nebenreaktionen führen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen wirkungsvollen Beschleuniger für Gase im Zustand eines Plasmas, das heißt eine neutrale Mischung von Ionen und Elektronen- zu schaffen, bei welchen der Großteil der Antriebsfeldenergie auf die Ionen des Plasmas übertragen wird. Im besonderen ist es Ziel der Erfindung, einen Beschleuniger dieser Art für die Erzeugung von Plasmaströmen mit sehr hohen Plußraten und mit einstellbaren Ionenenergien zwischen 0,2 und 25 eV für die selektive Anregung spezifischer chemischer Reaktionen zur Erzielung reiner Endprodukte, insbesondere die Herstellung von Verbindungen, die durch thermische Synthese nicht herstellbar sind, zu schaffen.

Darüberhinaus ist es Ziel der Erfindung, einen Beschleuniger dieser Art für die Beschleunigung von dichten Plasmaströmen der Wasserstoffisotope auf kinetische Energien von mehr als 10 keV für die Induktion von nuklearen Kollisionen als Quelle von Neutronen und thermischer Energie, sow wie eine wirkungsvolles Verfahren zur Beschleunigung eines Plasmastromes für die oben angeführten Zwecke zu schaffen.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine um eine Achse angeordnete Kammer, eine magnetostatische Einrichtung zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes in im wesentlichen axialer Richtung, eine Einrichtung zur Erregung eines rotierenden und um die Achse umlaufenden magnetischen Feldes mit einem ic

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wesentlichen zur Achse normalen Flußvektor in der Kammer und eine Einrichtung zum Einbringen von geladenen Teilchen zwecks Mitnahme derselben längs einer in sich geschlossenen Umlaufbahn unter der Einwirkung beider magnetischer Felder. Geladene Teilchen (Elektronen und/oder Ionen) werden um die Achse einer geschlossenen Kammer mit im allgemeinen Zylindrischer oder der Gestalt eines Toroids durch ein magnetisches Feld angetrieben, dessen Feldvektor im wesentlichen senkrecht auf diese,* Achse steht und sich mit einer konstanten Geschwindigkeit, welche in Abhängigkeit von der gewünschten kinetischen Energie der Teilchen nach Beendigung der Beschleunigung auf die dadurch bestimmte Geschwindigkeit, gewählt wird, um diese Achse dreht. Der magnetische Vektor kann als Mittellinie einer Zone mit im wesentlichen homogenem magnetischen Fluß, welche sich zumindest über die gesamte axiale Höhe der Kammer erstreckt, betrachtet werden, wobei jeder Punkt dieser Zone sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit um die Kammerachse dreht.

Ein geladenes Teilchen wird in bekannter Weise beim Eintritt in ein homogenes magnetisches Feld mit einer zu diesem senkrecht stehenden Geschwindigkeitskomponente in eine kreisförmige oder schraubenlinienförmige Bahn abgelenkt, deren Krümmungssinn von der Polarität und der Ladung abhängt und deren Radius umgekehrt proportional zur Feldstärke und Ladung und direkt proportional zu Teilchen-Masse und -Geschwindigkeit ist. Ein stationäres Teilchen erfährt daher unter der Wirkung eines sich drehenden magnetischen Vektors einen Schub normal zur Rotationsfläche des Vektors und wird dabei bogenförmig um den sich in Umdrehung befindenden Vektor abgelenkt. Das axiale magnetostatische Feld lenkt das sich bewegende Teilchen in eine kreisförmige Bahn um die AKammerachse ab, wobei sich

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zackige, transversale Abweichungen ähnlich einer Zykloide mit einer mittleren, der Geschwindigkeit der das Teilchen umgebenden Zone des magnetischen Feldes entsprechenden Geschwindigkeit ergeben.

Für geringe Gasdrucke, bei welchen sich nur geringe Wechselwirkungen der Teilchen ergeben, ist die mittlere Bahngeschwindigkeit, welche unabhängig von der Polarität und Ladung der Teilchen ist, .. praktisch gleich der des rotierenden magnetischen Feldes, wogegen die Durchschnittsgeschwindigkeit bei höheren Gaserücken etwas geringer sein kann.

Gemäß der Erfindung,kann ein solches elektromagnetisches Drehfeld auf verschiedene Weise aufgebaut werden. Erfindungsgemäß können zwei oder mehr in einem Winkel zueinander stehende Elektromagneten mit Energie der gleichen Frequenz .und einer ihrem Winkelabstand entsprechenden Phasenverschiebung erregt werden, ähnlich, wie dies auch bei dem Statorfeld eines Mehrphasen-Elektromotors geschieht. Ein * getrenntes feststehendes Fdfcussierungsfeld, welches unabhängig von dem Hoch-, frequenzfeld für den Antrieb ist, kann in diesem Fall dazu verwendet werden die Teilchen daran zu hindern, mit den Seitenwänden der Kammer zu kollidieren. Wenn die Kammer die Gestalt eines Toroids aufweist, eine Gestalt, welche im folgenden in Überanstimmung mit der konventionellen Terminologie als Ringröhie bezeichnet wird, können die mit Sinusschwingungen erregten Elektromagneten entfernt von der Kammerachse und in Abstand von einander längs der Mittellinie des Toroids angeordnet sein. In gleicher Weise, kann eine Mehrzahl von axial ausgerichteten flußkonstanten, beispielsweise permanenten, Magneten längs.dieser Mittellinie angeordnet sehr, um den Bahnradius der Teilchen zu begrenzen, wobei diese 1etzterenl!Magneten entweder alternierend oder koplanar mit den Elektromagneten angeordnet sein können.

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Um die axiale Bewegung der TeiÜhen zu "begrenzen, können die flußkonstanten Magnete mit an der konkaven Seite der Mittellinie konvergierenden Polschuhen ausgestaltet sein, um das im wesentlichen axial gerichtete Fokussierungsfeld einwärts abzulenken. Wenn es sich bei den Teilchen um positive Ionen und Elektronen handelt, muß das Fokussierungsfeld stark genug sein, um die Ionen in der Umlaufbahn zu halten, wobei die Ladung der Ionen ein Streuen der Elektronen verhindert.

Erfindungsgemäß kann das magnetische Drehfeld-durch eine Mehrzahl virtueller Magnetpole erzeugt werden, welche durch eine zylindrische Laseranordnung aufgebaut werden, in welcher ein Strahl an.den Wänden der Kammer längs sich schneidender Sehnen, welche tangential zu einem zu diesen Wänden konzentrischen Kreis liegen, reflektiert wird. Die Schnittpunkte der Sehnen definieren ein Vieleck und sind im allgemeinen parallel zur kreisförmigen Bahn der Teilchen angeordnet. Dieses Vieleck stellt eine unsichtbare, elektrische Barriere dar, welche eine radial nach außgn gerichtete Ablenkung der Teilchen zu den Kammerwänden verhindert und dadurch einnmagnetostatisches Fokussierungsfeld erübrigt.

Im Besonderen ist wie im folgenden im einzelnen beschrieben, jede Seite des Vieleckes ein kleiner Teilbereich des Kammerdurchmessers und ist gleich der der Laserfrequenz entsprechenden Wellenlänge im freien Raum. Der Mittelpunkt jeder Vieleckseite wird durch einen magnetischen Vektor durchdrungen, der bei geeigneter Polari- ' sierung des Strahles Bich in radialer Richtung erstreckt. Bei einem n-seitigen Vieleck, welchem η Reflexionspunkte entsprechen, wobei η eine gerade Zahl ist,ist eine stehende Wellen erzeugende Anordnung gleichwertig einer Anordnung von η Elektromagnet©, welche in Abstand längs der Kreis-

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bahn der Teilchen angeordnet sind.

Wenn benachbarte Vieleckseiten (oder Elektromagenten) mit Energie entgegengesetzter Phase versorgt werden, kann das Hochfrequenzfeld als aus zwei entgegengesetzt rotierenden Vektoren mit einer Winkelgeschwindigkeit von 2 <x>/n , wobei cO die Pulsfrequenz des

Erregungsstromes 1st, zusammengesetzt betrachtet werden. Venn die Teilchen mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit skomponente in peripherer Richtung eingestoßen werden, werden sie lediglich durch den gleichsinnig rotierenden Vektor beschleunigt werden. Da darüberhinaus das eiektromgagnetische Feld sich in Richtung der Strahlenausbreitung längs jeder Vieleck- . seite bewegt und diese Bewegung über das Vieleck in gleicher Richtung verläuft, besteht auch in diesem Falle ein bevorzugter Drehsinn, In einem verallgemeinerten Fall, in welchem die Anordnung zum Aufbau eines aliquoten Anteiles von τα magnetischen Dipole;; angeregt ist, bestimmt die Anzahl solcher Dipole die Rotationsgeschwindigkeit des Feldes.

Alle Ausführungsformen der Erfindung verwenden ein rotierendes magnetisches Feld für die Beschleunigung geladener Teilchen in einer Kammer in die allgemeinen Richtung der Drehfelder,, unabhängig von der Masse und der Polarität der Teilchen. Da alle geladenen Teilchen auf eine mittlere, der Geschwindigkeit des rotierenden magnetischen Feldes gleiche Drehgeschwindigkeit besdieunigt werden, ist die mittlere kinetische Energie jedes Teilchens direkt proportional zu seiner Masse. Beispielsweise werden die Protonen eines atomaren ¥asserstoffplasmas auf eine 1836mal größere mittlere kinetische Energie als die mittlere Elektronenenergie durch das magnetische Feld beschleunigt. Die Fähigkeit des erfkidungsgemäßen Teil-

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chenbeschleunigers für geladene Teilchen, die magnetische Peldenergie zum Großteil auf die Ionen eines beschleunigten Plasmastromes zu übertragen, erleichtert die Kontrolle und die Bündelung solcher Ströme durch geeignete magnetostatische Fokussierungsfelder wesentlich, und ermöglicht die Anregung chemischer Wechselwirkungen zwischen kollidierenden Molekülenzweier chemischer Reaktionspartner.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und unter Hinweis auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Fig.l eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen Beschleunigers vom Lasertypus, Fig.2 einen Teil des Beschleunigers nach Fig.l im Querschnitt, Fig.3 ein Diagramm der axialen Feldverteilung in einem Beschleuniger nach Fig.l und 2, Fig.4 eine diagrammatische Darstellung der Anordnung nach Fig.2 mit Details der Bahn eines koherenten Laserstrahles, Fig.5 ein Diagramm für die durch den Laserstrahl in einer radialen Ebene des Beschleunigers induzierten Magnetpole, Fig.6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, durch Elektromagneten betriebenen Beschleunigers, Fig.7 eine diagrammatische Draufsicht auf einen abgeänderten Beschleuniger mit Elektromagneten, Fig.8 einen Querschnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig.7» Fig.9 ein Diagramm für die lelative Lage des beschleunigenden und fokusäerenden Feldes in der Kammer gemäß Fig.7 und 8, Fig.10 eine vergrößerte Darstellung eines der Beschleunigermagneten aus Fig.8, Fig.11 eine analoge Ansicht zu FigJO eines fokussierenden Magneten für die Anordnung nach den Fig.7 bis 10, Fig.12 eine vergrößerte Ansicht eines zusammengesetzten Magneten und Fig.13 bis ±6 Diagramme zur Erläuterung der verschiedenen Betriebsweisen eines Beschleunigers der in den Fig.7 bis 12 gezeigten Art.

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Fig. 1 bis 5 zeigen eine zylindrische Laseranordnung für einen erfindungsgemäßen Teilchenbeschleuniger. Die Anordnung umfaßt eine geschlossene, . die Gestalt eines Toroids aufweisende Kammer 100, mit einem ringförmigen Hohlraum 101 und einer Achse 0. Der Hohlraum 101 ist mit einem für die stimulierte Emission von Lichtquanten durch elektrische Anregung geeigneten Gas gefüllt* Die elektrische Anregung erfolgt durch einen nicht dargestellten Hochfrequenzoszillator über die Eingangsklemmen 102, 103» welche in nicht dargestellea inneren Elektroden enden. Die strahlendurchlässige äußere Wand 101^f des Hohlraumes 101 ist koaxial von einem zylindrischen Reflektor 104 umgeben, wobei die innere Wand 101" ebenso durchsichtig für einen im Inneren des Hohlraumes erzeugten Laserstrahl ist. Äußere Blenden 105* sind zwischen den Wänden 104, 101^f und innere Blenden 105" sind nahe der durchsichtigen Wand 101" radial in Richtung.zur. Achse 0 angeordnet und in gleichen Abständen über den Umfang verteilt, wie in Fig.2 dargestellt. Die Blenden 105* sind am Reflektor- 104 angebracht, wogegen die .Blenden 105" von einem Paar paralleler ebe-? ner Ringe 106 getragen wird.

Fig.2 zeigt ebenfalls einen koherenten Laserstrahl 107, der unter mehrfachen Reflexionen längs der Wand 104' im allgemeinen den Hohlraum 101 diametral durchsetzt. Jeder Durchgang des Strahles 107 ist tangential zu.einem _ Kreis 108, dessen Mittelpunkt in der Achse 0 und dessen ' Radius r klein im Vergleich zu dem Radius R der inneren Umfangswand ist. Ein solcher Strahl erzeugt eine mehrfache Anordnung von elektromagnetischen Polpaaren, wenn die Durchgangszeit durch die Kammer genau gleich einer ganzen Zahl von Perioden der erregenden Schwingung und sein Weg ein geschlossenes Vieleck bildet, dessen Seiten vom Stahl wiederholt nachgezogen werden, wie dies bereits oben erklärt wurde.

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Teile des Strahlweges sind deutlicher in Fig;k zu ersehen, in welcher der Kreis 108 zur Verdeutlichung relativ vergrößert wurde. Jeder Durchgang des Strahles schließt ersichtlich einen Winkel f>~ sin"¹ r/R mit der radialen Richtung R ein. An den Schnittpunkten P zwischen zwei Durchgängen ist die kombinierte Strahlenergie ein Maximum, wenn die Wellenfronten in Phase sind, d.h. wenn die Ehasendifferenz der erbenden. Schwingung anden Reflexionspunkten Q die Differenzen!! der Weglängen |J kompensiert. Die verschiedenen Schnittpunkte P sind daher die Ecken eines kleineren Vieleckes, welches im allgemeinen den Kreis 108 umgibt und zu diesen parallel ist und welches für sehr kleine Winkel/^ , d.h. mit R ^r mit diesem Kreis nahezu verschmilzt. Wie in Fig.3 dargestellt, wird die Feldstärke H der magnetischen Komponenten des erzeugten elektromagnetischen Feldes in der Nähe des Kreises 108 ein Maximum. Der Kreis 108 kanndaher als Grenzlinie eines* Kanales W aufgefaßt werden, innerhalb welcher die Erzeugung eines Plasmas stattfinden kann. Die Seiten ja des durch die Punkte P definierten Vieleckes stimmen mit der Wellenlänge des Laserstrahles überein.

Die augenblickliche. Verteilung des magnetischen Feldes in und um diesenEanäl in einer zur Kammerachse transversalen Ebene wurde in Fig.5 für den Fall dargestellt, in welchem der Hohlraum in einem Sechspolmodus resoniert. d.h., in welchem das Feld in Umfangsrichtung gleichzeitig in Abständen von 30° 0 wird. Dies entspricht sechs N-S Dipolen, welche um den Kanal W rotieren, d.h. sechs Paaren von Schnittpunkten P, in welchen das magnetische Feld mit entgegengesetzter Phase zwischen einem positiven und einem negativen Maximum variiert. An dazwischen liegenden Punkten längs des Kreises treten weitere in Fig.5 nicht dargestellte Schnittpunkte auf, an welchen das radiale magnetische Feld gleichzeitig kleinere Amplituden, insbesondere

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auch O-Amplituden an einem Mittelpunkt oder Knoten annimmt. Die in Fig.5 dargestellten Punkte stellen die Pole eines rotierenden, in einer in.sich geschlossenen Zone um die Achse O angeordneten, magnetischen Feldes dar.

-AlsErgebnis dieser Feldverteilung und der Laserstrahlintensität wird jedes neutrale Gasmolekül, welches durch die Wand des Kanales W durchtritt, augenblicklich ionisiert und die entstandenen positiven Ionen und negativen Elektronen werden zu einem in sich geschlossenen rotierenden Plasmastrom beschleunigt und innerhalb des Kanales eingeschlossen. Dieser Prozeß dauert an, bis der Großteil der Gasmoleküle im Inneren, der Kammer 100 ionisiert ist und innerhalb der Wand zirkuliert. Das Gas kann in die Kammer in einer im wesentlichen tangentialen Richtung kontinuierlich oder intermittierend unter Vermittlung eines Rohres 109 mit einem· oder mehreren Austrittsöffnungen 110, wie in Fig.4 dargestellt, in das nicht dargestellte evakuierte Gehäuse, welches den Hohlraum 101 umgibt, eingestoßen werden.

Wenn die Blenden 105' und 105" nicht vorgesehen sind, könnte der Laserstrahl 107 andere stabile Moden annehmen, welche nicht zur Ausbildung eines polygonalen Feldes von Polen P, wie in Fig.k dargestellt, führen wurden.

Die Bewegung der geladenen Teilchen könnte auch eine axiale Komponente aufweisen, wenn man das Gas. in die Kammer an einem Ende eintreten und am anderen Ende austreten läßt. Der Großteil dieser Teilchen könnte dann tangential an der Ausgahgsseite der Kammer ausge- bracht werden, um auf ein beliebiges anderes Medium für chemische oder nukleare Wechselwirkung aufzutreffen, wie dies im allgemeiner Weise in Bezug auf Fig.13-16 beschrieben wird.

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Die Pig.6 bis l6 zeigen einen Plasmaantrieb gemäß der Erfindung mit stationären Elektromagneten. Pig.6 zeigt den gesamten Aufbau eines Teilchenbeschleunigers 200 dieser Art. Der Beschleuniger umfaßt eine im allgemeinen zylindrische Kammer 201 aus Quarz oder anderem hitzebeständigen Material, welches um eine Achse 0 angeordnet ist, in dessen evakuiertes Inneres ein Gas mit niederem Druck durch ein Rohr 2Q2 mit einem Hahn 203 eingelassen wird. Die Spulen eines Paares von Elektromagneten 204, welche parallel oder in Serie an eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschlossen sind, erzeugen ein magnetostatisches Fokussierungsfeld, welches die gesamte Kammer in axialer Richtung durchsetzt. Die Kammer wird auch von meinem radialen mit konstanter Geschwindigkeit um die Achse rotierenden Feld durchsetzt, welches durch ein Paar zueinander normal stehender Spulen 205, 206 erzeugt wird, welche parallel mit einem Hochfrequenzosziallator 207 und einem in Serie mit der Spule 206 geschalteten 90 -Phasenschieber; 208 verbunden sind. Die Relation des magnetischen Vektors führt zu weiterer Ionisation des Gases, auch wenn das Gas ursprünglich nur einen geringen Anteil geladener Teilchen enthielt, und nimmt die Ladung in der Rotationsrichtung mit. Das axiale Pokuasierungsfeld, welches durch die Spulen 204 erzeugt wird, muß eine hinreichende Amplitude aufweisen, um den Bahnradius der Teilchen auf einen geringeren Radius als den der Kammer zu begrenzen, um so Kollisionen zwischen den Teilchen und der Kammerwand zu verhindern.

TiSe bereits oben ausgeführt, bewegt sich jedes mitgeführte Teilchen kreisförmig längs einer die augenblickliche Lage des magnetischen Vektors darstellenden Linie und folgt somit einem quasi zykloidförmigen Weg um die Achse 0. Die Intensität des rotierenden Feldes muß dabei groß genug sein, um ein zu.·;'· weites Streuen aus der radialen Mittelebene der

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Kammer 201 und der Spülen 205, 206 zu verhindern. Die umlaufende Ladung wird daher virtuell auf ein Volumen begrenzt, welches wenig kleiner ist als das der Kammer.

Nach Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit können die Teilchen oder ein Teil davon durch einen tangentialen Auslaßkanal, welcher nicht in Fig.6 dargestellt ast, aus der Kammer 201 ausgebracht werden, wie dies im folgenden mit Bezug auf "dig.Fig.13 bis im einzelnen beschrieben wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die prinzipiellen Bestandteile eines abgewandelten Teilchenbeschleunigers 1:'^% der in Fig.6 dargestellten Art. Der Beschleuniger 300 umfaßt eine toroidförmige Kammer 301 mit einer Mittellinie C, einen Einlaß 302 für eine gasförmige Charge (z.B. einen Reaktionspartner für die Bildung einer Verbindung) und einen Auslaß 310 für dieselbe. Der Einlaß 302 ist mit einem Hahn 303 versehen. Eine Spule 304 oder eine Anzahl solcher Spulen wie in Fig.6, umgibt die Kammerachse Q und erzeugt ein axiales . magnetostatisches Feld, dessen Richtung zur Kammer 30i durch vertikale Pfeile A in Fig.9 eingezeichnet -ist.

Eine Mehrzahl von Elektromagneten 305 sind in gleichen Winkelabständen um die Kammer 301 angebracht und in vier Gruppen von je drei Magneten unterteilt, welche mit 305a, 305b, 305c, respektive^bezeichnet sind. Die Magnete 305a werden alle parallel oder in Serie von einem Hochfrequenzoszillator (Fig.lO) erregt, welcher auch die Magneter 305b und 305c unter Zwischenschaltung eines 120 Grad und 240 Grad Phasenschiebers respektive erregt. Jeder dieser Elektromagnete.3 erzeugt daher ein sinusförmig variierendes magnetisches Feld bestimmter Frequenz, wobei nebeneinanderliegende Magneter: um 120° (elektrisch) phasenverschoben sind. Daraus ergibt sich ein radial orientierter, um die. Achse 0

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in einer gegebenen Richtung (hier im Uhrzeigersinn)

f
mit einer Geschwindigkeit — Umdrehungen pro Sekunde rotierender magnetischer Vektor, wobei f die Oszillatorfrequenz und η die Anzahl der Magnetgruppen (hier V) darstellt. Dieses rotierende magnetische Feld, welches in Fig.9 durch horizontale Pfeile B dargestellt ist, tritt mit den Teilchen in der oben beschriebenen Weise

in Wechselwirkung. ^:

Wie in Fig.10 deutlicher dargestellt ist, beinhaltet jeder Magnet 305 einen Kern 311, vorzugsweise einen Ferritkern, welcher teilweise von einer geteilten Wicklung 312 umgeben ist, welche mit einem Oszillator 307 und einem parallel dazu geschalteten Abstimmkondensator 313 verbunden ist, mit welchem das Netzwerk 312, 313 auf Resonanz mit der Oszillatorfrequenz abgestimmt ist. Die beiden zur Kammer 301 gerichteten Enden des Kernes 3II enden in.Polschuhe 31V. Ein gleicher Kern 315> (Fig.ll) verbindet ein paar unterstützender Permanentstabmagneten 316, um eine lokale Komponente des konstanten axialen Feldes A zu erzeugen. Der Kern endet in Polschuhen 317, welche in Richtung der Mittelebene der Kammer 3OI an der konkaven SeiteKVon deren Mittellinie C konvergieren. Dieser einseitige Konvergenz führt zu einer Krümmung des Fukussierungsfeldes, wie dies bei A' angegeben ist, wodurch die umlaufenden Teilchen ·

auf
daran gehindert werden,/von der Achse 0 entfernte Wandteile der Kammer 301 aufzuprallen. Durch diese deformierten Polschuhe 317 wird darüberhinaus auch eine Kraft ausgeübt, durch welche die Teilchen von oberen und unteren Randteilen der Kammer ferngehalten werden.

Eine Mehrzahl von Magnetanordnungen 315 bis 317, ttie in Fig.il dargestellt, kann längs der toroidförmlgen Kammer 301 alternierend mit den Elektromagneten 305 angeordnet werden. Die Stabmagneteu 316 und die Halbwicklungen 312 können aber auch, wie in: Fig.12 gezeigt, einen gemeinsamen .iCerji 318 mit horizontal in

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Abstand liegenden Polschuhen 314 und vertikal in Abstand liegenden Polschuhen 317 aufweisen. Der durch die Magnete 316 erzeugte konstante Fluß kann durch einschiebbar in Spalte 320 des Kerns 318 einzufügende nicht-magnetische Platten 319 adjustiert werden.

Fig.13 zeigt eine Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Beschleunigers mit einer toroidförmigen Kammer 301, einem Einlaß 302 und einem Auslaß 310, wie bereits mit Bezug auf Fig.7 beschrieben. In dieser und den folgenden. Figuren wurden die Antriebs- und Fokus-. ■ sierungsmagnete zur besseren Verständlichkeit weggelassen. Die Kammer 301 ist mit der Ausbringröhre 310 bei 321 verbunden, wobei die Ausbringstelle in an sich bekannter Weise dadurch in Betrieb gesetzt wird, daß ein lokales magnetisches Feld erzeugt wird, welches das Fokussierungsfeld an diesen Punkt aufhebt, so daß die Teilchen ihren Weg in tangentialer Richtung in die Ausbringröhre 310 nehmen und sich nicht mehr längs der in sich geschlossenen Bahn weiterbewegen, über welche sie bis auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt wurden. Die Röhre 310 ist von einer der Fokussierung dienenden Wicklung 322 umgeben, welche an eine Gleichstromquelle 322 angeschlossen ist.

Die hochenergetischen Teilchen, welche die Kammer unter geringem Druck verlassen, werden in einen Reaktionsraum 324 eingebracht, welcher einen Einlaß 325 für einen zweiten Reaktanzen, welcher mit diesen Teilchen bombardiert werden soll, aufweist. Dieser zweite Reaktant kann eine Mischung verschiedener kalter Gase sein, oder aber einem gleichen Beschleunigungsprozeß unterworfen worden sein, wie dies bei dem ersten Reaktanten beschrieben wurde. Die beiden Ströme der Reaktanten können, wie gezeigt, !>· -einander in einem Winkel von ungefähr^90°

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schneiden oder aber unter einem beliebigen anderen Winkel, welcher für die gewünschte Reaktion optimal erscheint. Das Wechselwirkungsprodukt wird durch eine. Saugpumpe 326 in einen Kondenser 327, dessen Mantel durch ein bei 328 eintretendes und bei 329 austretendes Kühlmittel gekühlt ist, abgezogen. Das verflüssigte Endprodukt kann durch einen mit einem Hahn 331 verseherei Abfluß 330 gesammelt werden.

Die Erregung der Antriebsmagnete sowie die Funktion des Ausbringtores 321 werden vorteilhafter Weise durch eine Programmeinheit 332 kontrolliert, welcher auch in anderen Phasen des Prozesses zugeschaltet sein kann, wie beispielsweise beim Öffnen und Schließen der Ventile für das Auffüllen des Inhaltes am Reaktanten in den Kammern 301 und 324.

Der zweite Reaktant, welcher in die Kammer 324 eingebracht wird, kann außer gasförmig auch flüssig oder sogar fest sein.

Wenn der Gasdruck in der Kammer 301 relativ hoch ist, kann von einer Pumpe 326 abgesehen werden. Die Funktionen des Reaktionsgefäßes 324 und des Kondensers 327 können dann, wie in Fig.14 dargestellt, in einem einzigen gekühlten Aufnahmegefäß 333 kombiniert werden. In dieser Figur ist eine Kammer 301 mit zwei Einlassen 302¹, 302" für zu ionisierende und zu beschleunigende Gasströme, deren Teile zur Bildung eines Produktes, welches im Auffanggefäß 333 verflüssigt und gesammelt wird, in Wechselwirkung treten. Zur Ableitung der bei der exothermen Reaktion in der Kammer 301 auftretenden Wärme können die Wände der Kammer durch ein in Rohren 334 umfließendes Kühlmittel gekühlt sein. Zur Verstärkung dieser Wechselwirkung kann von der Programmeinheit 332 vorteilhafter Weise ein Puls oder eine andere Modulation des durchden Oszillator 307 ange-

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regten Antriebsfeldes erzeugt werden, wodurch lokale Turbulenzen mit zahlreichen Kollisionen zwischen den Teilchen erzeugt werden. Eine Abzugsleitung 3^7 dient dem Entfernen von gasförmigen Nebenprodukten, welche bei der Kondensattonstempsratur des verflüssigten Reaktionsproduktes flüchtig bleiben. Die in Fig.i3 oder X gezeigte Einrichtung kann zur Synthese verschiedener Verbindungen, wie beispielsweise Stickoxyden (NO^NO₂) oder Ammoniak (NEL·) aus den entsprechenden Elementen verwendet werden. Molekulare Umwandlungen, wie beispielsweise von Sauerstoff (O₂) in Ozon (θ-) oder von ) (

Methan (CII₄) oder Äthan (C₂II₆) in Acetylen (C₂H₂) und Wasseistoff sind gleichfalls möglich.

Nukleare Wechselwirkungen, insbesondere die Erzeugung von Neutronen und Kernfusionsenergie können durch Beschleunigen eines Plasmas der Wasserstoffisotope in einem Beschleuniger dieser Art auf kinetische Energien von mehr als 10 000 eV erzielt werden.

In Fig.15 sind zwei gleiche Kammern 301¹, 301" durch eine tangentiale Leitung 310 verbunden dargestellt, wodurch das Überleiten von Plasma hoher Geschwindigkeit aus der Kammer 301^f in die Kammer 301" über ein Ausgangstor 321· im ersten und ein Eingangst>r 321" im zweiten Beschleuniger erleichtert wird. Die beiden Kammern weisen ein gemeinsames Kühlsystem 33^t rait einer Umlaufpumpe 335 und einem Wärmeaustauscher 336 auf, wodurch die thermische E_nergi_e aus dem Reaktor an einen Verbraucher weitergegeben werden kann. Die Kammern 3Oi¹ und 301" können durch eine Vakuumpumpe mit Programmeinheit-kontrolliertem Hähhw3£-1 in eine Leitung 342 evakuiert werden. Ein Speicherbehälter 338 enthält ein Betriebsgas, wie beispielsweise eine Mischung aus Deuterium und Tritium,, welches in die Kammer 301' über ein Druckminderventil 339 und ein Absperrventil eingelassen wird. Die Kammern sind in der Darstellung

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mit konzentrischen Fokussierungswindungen 304', 304" versehen, welche die nichtdargestellten Permanentmagneten (Fig.11, 12) ergänzen oder ersetzen.

Während des Betriebs führt das von der Programmeinheit 332 gesteuerte Öffnen der Tore 321' und 321" dazu, daß ein Plasmastrom aus Deuterium und Tritium, welcher mit hoher Geschwindigkeit in der Kammer 301· umläuft, diese Kammer verlässt und in die Kammer 301" eintritt, in welcher zuvor ein gleicher Plasmastrom eingeführt wurde, bevor dessen Antriebsmagneten erregt» werden. Die zwei Chargen in den Kammern301^f und 301". rotieren in entgegengesetzte Richtungen, d.h. im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn im speziellen Fall, so daß die Teükhen nach Verlassen" des Tores 321" mit hoher Geschwindigkeit auf die in entgegengesetzter Richtung rotierenden Teilchen in der Kammer 301" auftreffen. Mit einer Energie von über 20 000 eV, werden durch die Fusion der zusammenstoßenden Teilchen Neutronen und eine große Menge Wärme freigesetzt, welche durch das Kühlmittel im Kreislauf 334 abgeführt wird.

Fig.l6 stellt einen abgewandelten Beschleuniger dar, welcher dem aus Fig.15 ähnlrh ist, aber nur eine Kammer 301 beinhaltet. Ein Betriebsgas, wie das zuvor beschriebene .Deuterium-Tritium-Gemisch wird in diese Kammer aus einem Speicherbehälter 338 über die Ventile 339» 3^0 in die Kammer eingeführt und auf eine mittlere kinetische Energie von 45 000 eV beschleunigt. Die Kammer wird, wie zuvor beschrieben, durch eine Saugpumpe 337, welche mit einer Saugleitung 342 und einem Hahn 341, welcher durch eine Programmeinheit 332 gesteuert ist, verbunden ist, evakuiert, wobei die Saugleitung auch eine Vakuumflasche 343 umfaßt.

Die Programmeinheit 332 steuert das Ventil 340 intermittierend an, so daß kleine Mengen des Betriebsgases in die Reaktionskammer, welcher von der Kammer

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gebildet wird, eingestoßen werden. Die in der Folge auftretende Kernfusion führt wiederum zu Neutronen und "Wärme, welche an einen Verbraucher über einen Wärmeaustauscher 336 weitergegeben werden kann. Überschüssiges Betriebsgas, welches durch eine Pumpe

durch abgesaugt wurde, kann über eine/eine Programmeinheit gesteuertes Ventil 3^ und einen Kompressor 3^5 zurück in einen Behälter 5--ü gefördert werden, um in der Folge wiederverwendet zu werden.

Bei Bedarf können die Erregerwicklungen der Elektromagneten abgeschirmt werden, um eine Wechselwirkung des hochfrequenten elektrischen Feldes dieser Wicklungen mit den Teilchen innerhalb der Kammer zu vermeiden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

( 1. !Beschleuniger für geladene Teilchen, gekennzeichnet durch eine um eine Achse angeordnete Kammer, eine magnetostatische Einrichtung zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes in im wesentlichen axialer Richtung, eine Einrichtung zur Erregung eines rotierenden und um die Achse umlaufenden magnetischen Feldes mit einem im wesentlichen zur Achse normalen Flußvektor in der Kammer und eine Einrichtung zum Einbringen von geladenen Teilchen ■ in die Kammer, zwecks Mitnahme derselben längs einer in sich geschlossenen Umlaufbahn unter der Einwirkung beider magnetischer Felder.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erregung des rotierenden Feldes einen Laser aufweist, dessen Strahl an einer Umfangswand der Kammer längs sich schneidender Sehnen, die tangential zu einem zu dieser Wand konzentrischen Kreis liegen, reflektiert wird, wobei die Schnittpunkte der Sehnen ein Vieleck bilden und im allgemeinen parallel zur in sich geschlossenen Umlaufbahn der Teilchen liegen.

3. Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Kammerwand eine Anzahl in Umfangsrichtung der Kammer in Abstand angeordneter äußerer Blenden und längs eines Kreises zwischen der Kammerwand und.den Schnittpunkten der Sehnen eine Anzahl in Umfangsrichtung ii Abstand angeordneter innerer Blenden zur Unterdrückung parasitärer Strahlmoden vorgesehen sind.

k. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des ro-

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tierenden Feldes eine Anzahl im Winkel zueinander versetzter Elektromagnete aufweist, welche durch Wechselströme gleicher Frequenz und in Abhängigkeit von ihrer Winkellage verschobener Phase' erregt werden.

5. Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer tJoroidförmige Gestalt aufweist und die Eloktromagnete.. längs der kreisförmigen Mittellinie der-Kammer in Abstand voneinander angeordnet sind, und daß die magnetostatische Einrichtung von einer Anzahl flußkonstanter längs der Mittellinie in Abstand angeordneter Magnete gebildet ist.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die flußkonstanten Magnete alternierend mit den Elektromagneten angebracht sind.

7. Beschleuniger nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die flußkonstanten Ma;gnetenund die Elektromagnete in gemeinsamen axialen Ebenen angeordnet sind, wobei die koplanaren Permanentmagnete und die Elektromagnete einen gemeinsamen Kern aufweisen.

8. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flußkonsbanten Magnete« mit an der konkaven .Seite der Mittellinie konvergierenden Polschuhen versehen sind, um die axiale Streuung der Teilchen zu begrenzen.

9. Verfahren zur Herstellung eines hochernergetischen Plasmas, welches mit anderen Substanzen in Wechselwirkung treten kann, dadurch gekennzeichnet, daß geladene Teilchen in eine geschlossene um eine Achse angeordnete Kammer eingebracht werden, daß ein stationäres magnetisches Feld mit einem achsparallelai Flußvektor:,.· vorgesehen wird und ein magnetisches Feld erzeugt wird, dessen Flußvektor achsnormal orienterit ist und um die Achse rotiert, und daß die Plasmateilchen längs einer in. sich geschlossenen Bahn mit vorbestimmtem Bahnradius um die Achse in Umdrehung versetzt werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaionen durch die' Winkelgeschwindigkeit und die Flußstärke des stationären und des rotierenden magnetischen Feldes zusammen auf kinetische Energien von über 10 000 eV beschleunigt werden.

11. Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Kammer mit für Laserstrahlen durchlässigen Wänden, eine konzentrisch die Kammer umgebende Laser-Strahlenquelle, einen zlyindri· sehen, die Laserstrahlenquelle in koaxialer Ausrichtung

und
umgebenden Reflektor,/eine Anzahl in Umfangsrichtung in Abstand radial angeordneter, nicht reflektierender Blenden für die Bündelung der Laserstrahlen innerhalb des durch den zylindrischen Reflektor:- gebildeten Hohlraumes in einen einzigen Strahlmodus .-; hoher in die Kammer gerichteter Energiedichte zur Ausbildung eines starken, längs der gemeinsamen Achse rotierenden magnetischen und elektrischen Feldes.

12. Beschleuniger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß äußere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete nicht reflektierende. Blenden im Zwischenraum zwischen der Laserstrahlenquelle und dem zylindrischen Reflektor zur Verbesserung der Unterdrückung unerwünscher Laser Hohlraum-Strahl-Moden zugunsten der erwünschten.Moden angeordnet sind.

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