DE2628368A1 - METHOD FOR EFFECTING FUSION REACTIONS - Google Patents
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Description
Verfahren zum Bewirken von FusionsreaktionenMethod for causing fusion reactions
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewirken von Fusionsreaktionen zwischen Teilchen gleicher Polarität.The invention relates to a method for causing fusion reactions between particles of the same polarity.
In den US-Anmeldungen 247 473 vom 25. April 1972 und 490 69I vom 22. Juli 1974 sind Verfahren und Einrichtungen zum Erzielen von Kernverschmelzungen oder Fusionsreaktionen durch gegenseitige Beeinflussung von selbst-zusammenstoßenden beschleunigten Ionen gleicher Ladung in einer organisierten Mischung ("Migma") von Ionen-Umlaufbahnen unter dem Einfluß eines Magnetfeldes beschrieben. Hier besit?;t eine als "Migmazelle" bezeichnete Einrichtung einen evakuierten Raum, in dem ein Magnetfeld ausgebildet ist, dessen Feldstärke mit wachsendem radialen Abstand von einer vertikalen Mittel- oder z-Achse abnimmt und in dieser Mittelachse mit wachsendem achsialen Abstand von einer senkrecht zu der Mittelachse verlaufenden Mittelebene (x- und y-Achsen) zunimmt. In den mittleren Bereich des evakuierten Raumes werden beschleunigte Ionen eingespeist, deren Einführungsbahn in die Migmazelle durch die Orientierung eines magnetischen Kanales am Umfang des Raumes gegenüber der Mittelebene bestimmt ist. Infolge eines beträchtlichen Einführungswinkels von etwa 60 Grad und eines in der erwähnten Weise ausgebildeten Magnetfeldes werden vertikale Schwingungen ausgelöst, so daß die eingespeisten Ionen Bahnen in der Mitte des evakuierten Raumes in Form einer Acht folgen. Diese Schwingungen bewirken zusammen mit der charakteristischen Präzession eines jeden eingespeisten Iones in einer Umlaufbahn, deren Radius durch die jeweilige Einspeisungs-Energie bestimmt wird, eine metastabile zusammenhaltende Fesselung der Ionen in der Migmazelle,U.S. Applications 247,473 dated April 25, 1972 and 490,693 dated July 22 1974 are methods and facilities for achieving nuclear mergers or fusion reactions through mutual influencing of self-colliding accelerated ions of the same charge in one organized mixture ("migma") of ions orbits under the influence of a magnetic field. Owned here as a "Migma cell" designated device an evacuated space in which a magnetic field is formed, the field strength of which with increasing radial distance from a vertical central or z-axis decreases and in this central axis with increasing axial distance from one perpendicular to the central axis running median plane (x- and y-axes) increases. Accelerated ions are fed into the middle area of the evacuated room, its path of entry into the migma cell through the orientation of a magnetic channel on the circumference of the room in relation to the central plane is determined. As a result of a considerable introduction angle of about 60 degrees and a magnetic field formed in the manner mentioned vertical oscillations are triggered, so that the injected ions follow paths in the center of the evacuated space in the form of a figure eight. These vibrations, together with the characteristic precession of each injected ion in an orbit, produce Radius is determined by the respective feed-in energy, a metastable cohesive restraint of the ions in the migma cell,
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bei welcher die Ionen für eine Vielzahl von Präzessionsperioden nicht an ihren Einspeisepunkt zurückkehren. Hierdurch und durch einen hohen Ioneneinführungs-Augenblicksstrom werden in dem evakuierten Raum selbstkollidierende Ionenbündel gebildet. Die mit Dissoziierungen und Abspaltungen verbundenen Zusammenstöße erzeugen ein atomares Migma und bewirken die Abstrahlung von Kernverschmelzungs-Reaktionsprodukten von der Migmazelle, beispielsweise von geladenen Teilchen, die eine unmittelbare Stromerzeugung gestatten, wenn sie durch äußere elektrische Felder abgebremst werden.at which the ions fail for a variety of precession periods return to their entry point. This and a high instantaneous ion introduction current self-colliding ion bundles are formed in the evacuated space. The ones with dissociations and splits associated collisions create an atomic migma and cause nuclear fusion reaction products to be radiated from the migma cell, for example, of charged particles that allow electricity to be generated directly if they are slowed down by external electrical fields will.
Die vorgeschlagene Migmazelle arbeitet unter Betriebsbedingungen, die ihre Brauchbarkeit bei gewissen Anwendungen einschränken. So bewirkt diese Migmazelle nur dann eine metastabile Fesselung über viele Präzessionsperioden, wenn ein solcher Einführungswinkel beträchtlicher Größe verwendet wird. Da das Magnetfeld durch Spulenanordnungen erzeugt wird, die in der Mittelachse im Abstand voneinander auf gegenüber liegenden Seiten der Mittelebene angeordnet sind, und da die Einführungsbahn der Ionen unter einem derart großen Winkel zu der Mittelebene liegt, müssen daher die Ausgestaltung und die Abstände der Spulenanordnungen so gewählt werden, daß jene nicht die Ionen-Einspeisung körperlich behindern.The proposed Migma cell works under operating conditions that limit their usefulness in certain applications. Only then does this migma cell cause a metastable bondage over many Periods of precession when such a large size lead-in angle is used. Because the magnetic field is generated by coil assemblies which are arranged in the central axis at a distance from one another on opposite sides of the central plane, and there is the lead-in path the ions is at such a large angle to the center plane, the design and the spacing of the coil arrangements must therefore be chosen so that they do not physically hinder the introduction of ions.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Einschränkungen hinsichtlich der Ausgestaltung und Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Bauelemente dadurch zu mildern, daß ein im wesentlichen in der Mittelebene der Migmazelle eingespeister Ionenstrahl zur Erzielung der metastabilen Fesselung elektrostatisch abgelenkt wird. So wirkungsvoll diese Maßnahme auch ist, bedeutet doch die zur elektrostatischen Strahlablenkung erforderliche Einrichtung einen zusätzlichen Aufwand.It has also been suggested that the restrictions on to mitigate the design and arrangement of the magnetic field generating components that a substantially in the center plane of the Migma cell fed ion beam to achieve metastable bondage is electrostatically deflected. So effective is this measure also, the device required for the electrostatic deflection of the beam means an additional effort.
Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine metastabile Fesselung der eingespeisten molekularen Ionen über viele Präzessionsperioden hinweg und damit auch eine solche sperrige Einspeisung dieser Ionen überhaupt nicht mehr erforderlich wird.In contrast, the invention is based on the object of a method of the aforementioned type to the effect that a metastable bondage of the molecular ions fed in over many Precession periods and thus such a bulky feeding of these ions is no longer necessary at all.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: (a) Herstellen eines Vakuums, (b) Ausbilden eines Magnetfeldes in diesem Vakuum, dessen Feldstärke mitThis is achieved according to the invention in that the following process steps are carried out: (a) creating a vacuum, (b) forming a magnetic field in this vacuum, whose field strength is with
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Ausbilden eines Magnetfeldes in diesem Vakuum, dessen Feldstärke mit wachsendem radialen Abstand von einer Mittelachse des Vakuums abnimmt und in der Mittelachse mit wachsendem achsialen Abstand von einer sich senkrecht zu der Mittelachse erstreckenden Mittelebene zunimmt, (c) Erzeugen von Teilchen einer vorgegebenen Polarität mit einer Mengenverteilung, in der die Lichte der Teilchen höheren Schwingungszustandes diejenige solcher Teilchen in einer Normalverteilung übersteigt, und (d) Einspeisen dieser Teilchen in einer Ebene mit der Mittelebene vom Umfang des Vakuums aus radial nach innen in den mittleren Teil des Magnetfeldes.Formation of a magnetic field in this vacuum, its field strength with increasing radial distance from a central axis of the vacuum decreases and in the central axis with increasing axial distance from a increasing central plane extending perpendicular to the central axis, (c) generating particles of a predetermined polarity with a quantity distribution, in which the light of the particles of higher vibrational state exceeds that of such particles in a normal distribution, and (d) Feeding these particles in a plane with the median plane from the circumference of the vacuum radially inward into the central part of the Magnetic field.
Durch diese Maßnahme werden die eingespeisten molekularen Ionen nur einem einzigen Durchgang durch den Reaktorraum unterworfen. Der einzuspeisende Ionenstrahl wird dabei so vorbereitet, daß in seiner Mengenverteilung sich die Moleküle in höheren Schwingungszuständen befinden, als es bei normalen Mengenverteilungen der Fall ist. Dadurch erfahren die eingespeisten Moleküle bereits in einem Durchgang in der Migmazelle unter magnetischem Einfluß eine kollisionslose Dissoziation, die sogenannte Lorentz-Dissoziation.By this measure, the injected molecular ions are only subjected to a single pass through the reactor space. The ion beam to be fed in is prepared in such a way that its quantity distribution the molecules are in higher vibrational states, than is the case with normal quantity distributions. As a result, the injected molecules are already experienced in one pass in the migma cell under magnetic influence a collision-free dissociation, the so-called Lorentz dissociation.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei sich weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben. Es zeigernIn the following, the invention is explained in more detail with reference to some embodiments shown in the accompanying drawings, wherein further features, advantages and embodiments of the invention result. Show it
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Migmazelle zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, welche um neunzig Grad aus ihrer Betriebslage verdreht worden ist, ' '1 shows a front view of a migma cell for carrying out the method according to the invention, which has been rotated ninety degrees from its operating position, ''
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Migmazelle nach Fig. entlang der Linie H-II,FIG. 2 shows a schematic cross section through the Migma cell according to FIG. along the line H-II,
Fig. 3 (a) und (b) den Verlauf des Magnetfeldes, Fig. 4 die von den Ionen durchlaufenen Bahnen,Fig. 3 (a) and (b) the course of the magnetic field, Fig. 4 the paths traversed by the ions,
Fig. 5 die Abhängigkeit der D1 +* Dp+ und D,+ -Ströme von dem Druck in der Ionenquelle und5 shows the dependence of the D 1 + * Dp + and D, + currents on the pressure in the ion source and
Fig. 6 die Ausbeute an D2 + im höchsten Schwingungszustand in Abhängigkeit von dem Ionenquellendruck» sowie6 shows the yield of D 2 + in the highest oscillation state as a function of the ion source pressure and
Fig. 7 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1.FIG. 7 shows a modification of the arrangement according to FIG. 1.
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In Fig. 1 und 2 ist eine Migmazelle 10 dargestellt, die zylindrisch ausgebildet ist und eine' Fusions-Reaktorkammer 12 mit Seitenwänden I4 sowie oberen und unteren Abschlußstücken 16 und 18 aufweist. Die Reaktorkammer 12 ist ein evakuierter Raum mit einer Mittelebene ζ = 0 und einer Mittel- oder z-Achse, die sich senkrecht zu der Mittelebene erstreckt und durch deren Mittelpunkt am Schnittpunkt der x- und y-Achse verläuft (Fig. 2). Mit der Mittelachse sind eine obere und eine untere Spulenanordnung 20 bzw. 22 ausgerichtet.In Fig. 1 and 2, a Migma cell 10 is shown, which is cylindrical is and a 'fusion reactor chamber 12 with side walls I4 as well has upper and lower terminations 16 and 18. The reactor chamber 12 is an evacuated space with a center plane ζ = 0 and one Central or z-axis that extends perpendicular to the central plane and passes through its center at the intersection of the x and y axes (Fig. 2). Upper and lower coil assemblies 20 and 22, respectively, are aligned with the central axis.
Die Spulenanordnungen 20 und 22 stellen ein supraleitendes Magnetsystem dar. Sie befinden sich in Kammern 24a und 24b für flüssiges Helium, das über Rohrleitungen 26a und 26b zugeführt wird. Die ganze Anordnung wird von Kammern 28a und 28b für flüssigen Stickstoff umgeben, der über Rohrleitungen 30a und 30b zugeführt wird. Die Spulenanordnungen 20 und 22 werden über Leitungen 32a und 32b elektrisch erregt. Die Gehäuse für die Spulenanordnungen werden durch einen hier nicht dargestellten Implosionsstift versteift, um ein Zusammenfallen zu verhindern. Wie bereits angedeutet, ist die Anordnung nach Fig. 1 um neunzig Grad aus ihrer Betriebslage verdreht dargestellt; die z-Achse verläuft normalerweise horizontal. Diese Darstellung wurde gewählt, um einen Vergleich mit den eingangs genannten Anmeldungen zu erleichtern, bei denen die Mittelebene horizontal verläuft.The coil arrangements 20 and 22 constitute a superconducting magnet system They are located in chambers 24a and 24b for liquid helium, the is supplied via pipes 26a and 26b. The whole arrangement is surrounded by chambers 28a and 28b for liquid nitrogen, which is supplied via pipes 30a and 30b is supplied. The coil assemblies 20 and 22 are electrically excited via lines 32a and 32b. The housing for the Coil arrangements are stiffened by an implosion pin, not shown here, in order to prevent them from collapsing. As already indicated, the arrangement of Figure 1 is shown rotated by ninety degrees from its operating position; the z-axis is usually horizontal. This representation was chosen to facilitate a comparison with the applications mentioned at the beginning, in which the central plane is horizontal runs.
Die Spulenanordnungen 20 und 22 erzeugen in der evakuierten Reaktorkammer 12 ein Magnetfeld, dessen Stärke mit wachsendem radialen Abstand von der Mittelachse abnimmt und mit wachsendem radialen Abstand von der Mittelebene entlang der Mittelachse zunimmt. Ein derartiges Feld kann durch eine abgebrochene Reihenentwicklung bezüglich Potenzen von r und ζ dargestellt werden:The coil assemblies 20 and 22 generate in the evacuated reactor chamber 12 a magnetic field, the strength of which decreases with increasing radial distance from the central axis and with increasing radial distance from the Median plane increases along the central axis. Such a field can be generated by a broken series expansion with respect to powers of r and ζ being represented:
Bz(r,z)/Bo = 1 -k(f)2 + 2k(f)2 (1)B z (r, z) / B o = 1 -k (f) 2 + 2k (f) 2 (1)
in welcher B die Feldstärke in der Mitte des Raumes am Schnittpunkt der Mittelachse ζ mit der Mittelebene (d.h. x=y=z=0), k eine Konstante kleiner als Eins, R die maximale radiale Ausdehnung des Feldes, r eine den radialen Abstand von der Mittelachse darstellende Veränderliche und ζ eine den achsialen Abstand von der Mittelebene entlang der Mittelachse darstellende Veränderliche ist. Zur weiteren Erläuterung dieses Magnetfeldes dienen die Fig. 3(a) und 3(b).in which B the field strength in the middle of the room at the intersection of the Central axis ζ with the central plane (i.e. x = y = z = 0), k a constant less than one, R the maximum radial extent of the field, r a variable representing the radial distance from the central axis and ζ one is the axial distance from the median plane along the median axis is representational variable. To further explain this magnetic field serve Figs. 3 (a) and 3 (b).
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Fig. 5(a) ist eine graphische Darstellung des Magnetfeldes radial in der Mittelebene, bezogen auf seinen 7/ert im Mittelpunkt der Mittelebene. Dieses Verhältnis hat sein Maximum in der Mittelachse, d.h. für r ·= 0. Fig. 5(b) ist eine ähnliche Darstellung des Magnetfeldes entlang der z-Achse bezogen auf seinen Wert im Mittelpunkt der Mittelebene. Es hat dort ein Minimum.FIG. 5 (a) is a graph of the magnetic field radially in FIG Middle plane, based on its 7 / ert at the center of the middle plane. This ratio has its maximum in the central axis, i.e. for r = 0. Fig. 5 (b) is a similar illustration of the magnetic field along the z-axis related to its value in the center of the median plane. It has a minimum there.
Das Magnetfeld der Fig. 3(a) und 3(b) hatte auf die Migmazelle der eingangs erahnten Anmeldungen den Einfluß, daß eine metastabile Fesselung der eingespeisten Ionen über so viele Präzessionsperioden erfolgte, daß Selbst-Kollisionen der Ionenstrahlen auftraten, welche die Fusionsreaktionen aufrechterhielten, so daß die Reaktionsprodukte die unmittelbare Erzeugung elektrischen Stromes ermöglichten. Eine solche metastabile Fesselung der Ionen ist auf die Energiestufe der Einspeisung zurückzuführen, welche vorhersehbare Bewegungen der eingespeisten Ionen auf Umlaufbahnen verursacht, sowie auf die Fokussiereigenschaften des Magnetfeldes in waagerechter und senkrechter Richtung. Auf diese Weise wurde durch Einspeisung der Ionen unter einem Winkel zur Mittelebene die erwähnte Präzession der Ionenstrahlen in Form einer Ziffer Acht bewirkt.The magnetic field of Figs. 3 (a) and 3 (b) had on the migma cell of the initially Registrations sensed the influence that a metastable bondage of the injected ions occurred over so many precession periods that self-collisions of the ion beams occurred, which caused the fusion reactions maintained so that the reaction products enabled the immediate generation of electrical current. Such a metastable The restraint of the ions is due to the energy level of the feed, which foreseeable movements of the fed ions on Orbits caused, as well as on the focusing properties of the magnetic field in the horizontal and vertical direction. In this way, by feeding the ions at an angle to the central plane, the mentioned precession of the ion beams in the form of a figure eight.
Die vorliegende Erfindung stützt sich auf diese Fokussiereigenschaft des Magnetfeldes, um den eingespeisten Molekularstrahl einmal durch den Mittelpunkt des Raumes au führen. Die Erfindung nutzt weiterhin die Eigenschaft des Magnetfeldes aus, daß bei einer radial nach innen gerichteten Bewegung vom Umfang des Feldes bis zum Mittelpunkt des Raumes in der Mittelebene eine ständig ansteigende Feldstärke festzustellen ist. Die Ioneneinspeisung erfolgt hier so weit koplanar mit der Mittelebene, wie es praktisch gewünscht wird, was in Fig. 2 durch den Einspeisungsstrahl I angedeutet ist, der im wesentlichen in der Mittelebene liegt.The present invention relies on this focusing property of the Magnetic field to guide the fed-in molecular beam once through the center of the room. The invention also uses the Property of the magnetic field from the fact that with a radially inward movement from the circumference of the field to the center of the A constantly increasing field strength can be determined in the central plane of the room. The ion feed takes place here so far coplanar with the Central plane, as is practically desired, which is indicated in Fig. 2 by the feed beam I, which is essentially in the central plane lies.
In Fig. 4 ist die einen einzelnen Durchlauf aufweisende Bahn des eingespeisten Strahles I in der Mittelebene dargestellt. Sie weist eine fortlaufend nach innen gerichtete Verschiebung entlang des Weges §,-0 unter dem Einfluß des Magnetfeldes auf bis zu dem Punkt χ = y = ζ =* 0 maximaler Feldstärke, von wo ab dann entlang des Weges B-O eine radial nach außen gerichtete Bewegung vom Mittelpunkt des Raumes bis zum Ausp-ang erfolsrt. Eine Präzession ier Umlaufbahnen und eine Fesselung überIn FIG. 4, the path of the injected beam I, which has a single pass, is shown in the central plane. It shows a continuous inward displacement along the path §, -0 under the influence of the magnetic field up to the point χ = y = ζ = * 0 of maximum field strength, from where then along the path BO a movement directed radially outward from the center of the room to the exit. A precession ier orbits and a bondage over
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viele Perioden, wie in den erwähnten Anmeldungen, treten nicht auf, da die Einspeisung in der Mittelebene erfolgt und auf den Strahl während seiner Bewegung von 0 nach B kein elektrostatisches Feld einwirkt, um ihn zum Mittelpunkt des Raumes zurück zu zwingen.many periods, as in the mentioned registrations, do not occur there the feed takes place in the center plane and no electrostatic field acts on the beam during its movement from 0 to B. forcing him back to the center of the room.
Zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach Gleichung (1) besitzen die Spulenanordnungen 20 und 22 die Form eines Solenoids, es können aber auch andere Spulenformen bestimmt werden, die in einem Luftkern-Magnetsystem die Bedingungen der Gleichung (1) erfüllen. In einem Artikel in der Zeitschrift Journal of Applied Physics, ToI 22, Nr 9» September 1951» S. 1091 - 1107 werden Verfahrensweisen beschrieben, mit welchen aus den Koeffizienten mathematischer Gleichungen, die einen gewünschten Feldverlauf angeben, die entsprechenden Magnetsysteme entworfen werden können. In dem Buch "Particle Accelerators" von Livingstone und Blewett (I962) werden theoretische Verfahren mit Rechner-Unterstützung besprochen, die zur Bestimmung der physikalischen Spulenparameter in Beschleunigungsvorr'ichtungen für geladene Teilchen dienen können. Bei Magnetsystemen mit Eisenkern kann das Feld der Gleichung (1) durch parabolische Formgebung der Polstückspitzen erzielt werden, die von Einzelspulen umfaßt werden (Zeitschrift "Nuclear Instruments and Methods" 120, 1974»To generate a magnetic field according to equation (1), the coil arrangements have 20 and 22 the shape of a solenoid, but other coil shapes can also be determined, those in an air core magnet system satisfy the conditions of equation (1). In an article in the Journal of Applied Physics, ToI 22, No. 9 "September 1951" Pp. 1091-1107 procedures are described with which from the Coefficients of mathematical equations that produce a desired field profile indicate which magnet systems can be designed. In the book "Particle Accelerators" by Livingstone and Blewett (1962) theoretical methods are discussed with computer support, which are used to determine the physical coil parameters in acceleration devices can serve for charged particles. With magnet systems With an iron core, the field of equation (1) can be achieved by parabolic shaping of the pole piece tips, which are comprised of individual coils (Journal "Nuclear Instruments and Methods" 120, 1974 »
s. 309 - 319).p. 309-319).
Bis hierher bedient sich die Erfindung des Magnetfeldes der Migmazelle lediglich zum Fokussieren eines einzigen Durchlaufes nach dem Einspeisen der Ionen in die Mittelebene der Migmazelle (oder so weit koplanar, wie praktisch). Das Magnetfeld findet jedoch noch eine weitere Verwendung bei der sogenannten Lorentz-Dissoziation eingespeister molekularer Ionen, einer kollisionslosen Dissoziation, die durch magnetische Influenz verursacht wird.So far, the invention of the magnetic field has made use of the migma cell only to focus a single pass after feeding the ions into the midplane of the migma cell (or as coplanar as practically). However, the magnetic field has another use in the so-called Lorentz dissociation of injected molecular ions, a collisionless dissociation caused by magnetic influence.
Bekanntlich ist jedes geladene Teilchen, das sich mit einer Geschwindigkeit (ha bewegt (Lichtgeschwindigkeit c = 3.10 cm/s) in einem Magnetfeld der Stärke B einem induzierten elektrischen Feld E (in v/cm) gemäß der GleichungIt is known that every charged particle that moves at a speed (ha (speed of light c = 3.10 cm / s) in a magnetic field of strength B is an induced electric field E (in v / cm) according to the equation
E = 3ΟθβΒ (2)E = 3ΟθβΒ (2)
unterworfen. Wenn die Feldstärke hinreichend groß und das Teilchen ein geladenes Molekül ist, wird es dissoziiert, d.h. in die Atome zerlegt, aus denen es besteht. Die Wahrscheinlichkeit R des Auftretens einersubject. If the field strength is sufficiently large and the particle enters When the molecule is charged, it is dissociated, i.e. broken down into the atoms that make it up. The probability R of the occurrence of a
609 8 83/0347609 8 83/0347
590 204 - ^ - 104590 204 - ^ - 104
solchen magnetischen Dissoziation steigt mit dem induzierten elektrischen Feld wie folgt an:such magnetic dissociation increases with the induced electrical Field as follows:
R = E1/4.exp(o6E/En) (3)R = E 1/4 .exp (o6E / E n) (3)
n) n )
worin o6 = 3«10 und E die Bindungsenergie in Elektronenvolt eines Moleküls in seinem nten Schwingungszustand ist.where o6 = 3 «10 and E is the binding energy in electron volts of one Molecule is in its nth vibrational state.
Deuterium (Dp ) Moleküle können in 26 verschiedenen Schwingungszuständen erregt werden. Für den ersten Zustand ist die Bindungsenergie E1 = 2,69eV.Deuterium (Dp) molecules can be excited in 26 different vibrational states. For the first state the binding energy E 1 = 2.69 eV.
Für η « 25 und für η = 26 sind die Bindungsenergien Ep1- = 6,2.10 eVFor η «25 and for η = 26 the binding energies are Ep 1 - = 6.2.10 eV
-4
und Ep/- >= 8,2.10 eV. Mit den Migmazellen-Parametern von beispielsweise
0,025 und B = 20 Kilogauß wird Gleichung (3):-4
and Ep / -> = 8.2.10 eV. With the Migma cell parameters of, for example, 0.025 and B = 20 kilogauss, equation (3) becomes:
R = 19,68 exp(0,045/En) (4)R = 19.68 exp (0.045 / E n ) (4)
was für η = 25 und η «= 26 R = 2,8.1O4 l/s bzw. R = 1,34.1ο2·5 l/s ergibt. Daher ist die Geschwindigkeit der Lorentz-Dissoziation D? +(n=26) ungefähr 4,8.10 mal so groß wie diejenige für Dp (n=25). Unter diesen Umständen ist die Lorentz-Dissoziation in der Migmazelle ersichtlich auf Deuterium Moleküle im 26. Erregungszustand beschränkt.which for η = 25 and η «= 26 results in R = 2.8.1O 4 l / s or R = 1.34.1ο 2 · 5 l / s. Hence, the rate of the Lorentz dissociation is D ? + (n = 26) about 4.8.10 times that for Dp (n = 25). Under these circumstances, the Lorentz dissociation in the Migma cell is evidently limited to deuterium molecules in the 26th state of excitation.
Bei einer normalen Verteilung der molekularen Schwingungsstufen eines Deuterium-Plasmas ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein D? +-Molekül sich in seinem 26. Erregungszustand befindet, nicht genau bekannt. Aus der Literatur ergibt sich jedoch 0,004 f°i was auch experimentell bestätigt worden ist. Mit den vorstehenden typischen Migmazellen-Parametern kann daher geschlossen werden, daß ein eingespeister Strahl von Deuterium-Molekülen mit Normalverteilung in der Migmazelle mit Sicherheit nicht durch Lorentz-Dissoziation zu einem nennenswerten atomaren Migma führt, das die Notwendigkeit einer Dissoziation durch Kollisionen infolge hoher Einspeisestromstärken verringern könnte. Beispielsweise liefert ein eingespeister Strom von 0,3 mA lediglich 1,2.10 mA atomaren Migmas, d.h. 7>5·1Ο Dissoziationen pro Sekunde von D2 -Molekülen in ihrem 26. Schwingungszustand.With a normal distribution of the molecular vibration levels of a deuterium plasma, the probability that a D ? + Molecule is in its 26th state of excitation, not exactly known. However, the literature shows 0.004 f ° i, which has also been confirmed experimentally. With the above typical migma cell parameters it can therefore be concluded that a fed-in beam of deuterium molecules with normal distribution in the migma cell certainly does not lead to a significant atomic migma through Lorentz dissociation, which reduces the need for dissociation through collisions as a result of high feed-in currents could. For example, a fed-in current of 0.3 mA supplies only 1.2.10 mA atomic migmas, ie 7> 5 · 1Ο dissociations per second of D 2 molecules in their 26th oscillation state.
Während somit die Erfindung Bedingungen liefert, die zum Teil für eine kollisionslose Dissoziation geeignet sind - die Einspeisung erfolgt in die Mitte des Migmazellenraumes über einen Weg fortlaufend ansteigender magnetischer Feldstärke, wodurch die kollisionslose Dissoziation auf die Umgebung des mittleren Teils der Migmazelle beschränkt ist - sind doch While the invention thus provides conditions that are partially suitable for collision-free dissociation - the feeding takes place in the middle of the migma cell space via a path of continuously increasing magnetic field strength, whereby the collision-free dissociation is limited to the area around the middle part of the migma cell - are
603883/0347603883/0347
590 204 - V> - . 104590 204 - V> -. 104
die Bedingungen zusammengenommen noch nicht für den beabsichtigten Zweck geeignet.the terms, taken together, are not yet for the intended purpose suitable.
Für die Erzielung optimaler Bedingungen, die für eine kollisionslose Dissoziation in der Migmazelle nennenswerten ümfanges geeignet sind und zu einer Verringerung des eingespeisten Stromes führen, werden nach der Erfindung die einzuführenden Moleküle so vorbereitet, daß die Mengenverteilung der Moleküle im 26. Schwingungszustand gegenüber der Normalverteilung um wenigstens eine Größenordnung gesteigert wird. Zu diesem Zweck, so zeigt das Experiment, kann eine "Duoplasmatron"-Ionenquelle (z.B. Type 350 der General Ionex Corporation) so betrieben werden, daß die Moleküle gerade so angeregt werden, daß ihre Molekularbindung geschwächt wird, ohne jedoch die Moleküle bereits in ihre Atome aufzuspalten. Diese Bedingungen sind ungewöhnlich in dem Sinne, daß sie von den üblichen Betriebsbedingungen für solche Ionenquellen abweichen und eine beträchtliche Erhöhung des Gasdruckes für das inerte Gas in der Ionenquelle erfordern. Unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen eine Normalverteilung erzielt wird, werden die Moleküle durch Kollisionen mit Elektronen ionisiert. Bei dem abnormen Betrieb der Ionenquelle nach der Erfindung wird die Mengenverteilung verändert, um durch intermolekulares Zusammenwirken die höchsten Schwingungszustände zu begünstigen. Es wird angenommen, daß der abnorme Betrieb der Ionenquelle folgendermaßen das Zusammenwirken von Molekülen mit Molekülen gegenüber demjenigen von Molekülen mit Elektronen begünstigt:To achieve optimal conditions necessary for collision-free Dissociation in the Migma cell are suitable and worth mentioning lead to a reduction in the current fed in, according to the invention the molecules to be introduced are prepared in such a way that the quantity distribution of the molecules in the 26th oscillation state is increased by at least one order of magnitude compared to the normal distribution. To this Purpose, so the experiment shows, a "Duoplasmatron" ion source (e.g. Type 350 from General Ionex Corporation) can be operated in such a way that the molecules are excited in such a way that their molecular bond is weakened without, however, already splitting the molecules into their atoms. These conditions are unusual in the sense that they differ from the normal operating conditions for such ion sources and require a substantial increase in gas pressure for the inert gas in the ion source. Under normal operating conditions where a normal distribution is achieved, the molecules collide ionized with electrons. At the abnormal operation of the ion source According to the invention, the quantity distribution is changed by intermolecular Working together to favor the highest vibrational states. It is believed that the abnormal operation of the ion source follows the interaction of molecules versus molecules favored that of molecules with electrons:
Unter normalen Umständen wird die Ionenquelle bei einem Druck von ungefähr 75 Mikron betrieben. Wie 'aus Fig. 5 ersichtlich, ergibt sich bei diesem Druck die höchste Ausbeute an D? +. Die Erfindung macht nun Gebrauch von einer besonders wichtigen Eigenschaft zweiatomiger Deuterium-Moleküle, um die kollisionslose Dissoziation in der Migmazelle zu erhöhen. Bekanntlich geht D2 + in einen Schwingungszustand nennenswerter Ordnung dann über, wenn es aus einer Aufspaltung des dreiatomigen D,+ stammt:Under normal circumstances the ion source will operate at a pressure of approximately 75 microns. As can be seen from FIG. 5, the highest yield of D ? + . The invention now makes use of a particularly important property of diatomic deuterium molecules in order to increase the collision-free dissociation in the Migma cell. As is well known, D 2 + changes into a vibrational state of appreciable order when it comes from a splitting of the triatomic D, + :
D3 + -^D2 +*+ D1 (5)D 3 + - ^ D 2 + * + D 1 (5)
worin D? ein Ion in seinem höchsten Anregungszustand darstellt. Diese angeregten zweiatomigen Moleküle können dadurch erzeugt werden, daß dreiatomige Moleküle bis auf Ener/rien in Bereich von 1 bis 2 MeV beschleunigt und dann zum Zusammenprall mit Gasmolekülen gebracht werden.where D ? represents an ion in its highest excited state. These excited diatomic molecules can be generated by accelerating three atomic molecules to energies in the range of 1 to 2 MeV and then causing them to collide with gas molecules.
6G 9883/03476G 9883/0347
590 204 -Vl- 104590 204 -Vl- 104
Aus Fig. !? ist zu ersehen, daß die Erzeugung von D,+ mit dem Druck in der Ionenquelle ansteigt, doch verringert sich dieser Anstieg oberhalb von zweihundert Mikron.From Fig.!? it can be seen that the generation of D, + increases with the pressure in the ion source, but this increase decreases above two hundred microns.
Gemäß Gleichung (5) muß die Anzahl der D proportional der Anzahl der D, vor der Aufspaltung sein. Die Anzahl der D„ aus der Aufspaltung (5) ist am größten, wo der Anstieg der Anzahl der D, in Fig 5 am niedrigsten ist. Dies läßt erwarten, daß die Ionenquelle mit dem größtmöglichen Druck betrieben werden sollte. Die Anzahl der Dp ist aber ebenfalls der gesamten Anzahl der D2 + proportional, die in der Ionenquelle gemäß Fig. 5 vorhanden sind. Allgemein gesprochen wird also ein Betrieb der Ionenquelle in einem Druckbereich, in welchem das Produkt der Anzahlen von D7. und D? ein Maximum ist, die größte Anzahl der erwarten lassen.According to equation (5), the number of D's must be proportional to the number of D's before the split. The number of D "from the splitting (5) is greatest where the increase in the number of D, in Figure 5 a m is lowest. This suggests that the ion source should be operated at the highest possible pressure. The number of Dp but also the total number of D 2 + proportional that in the ion source of FIG. 5 are present. Generally speaking, the ion source is operated in a pressure range in which the product of the numbers of D 7 . and D ? a maximum is the greatest number of expected.
Aus Fig. 6 ist nun zu ersehen, daß bei dem normalen Arbeitsdruck von fünfzig bis fünfundsiebzig Mikron die Ausbeute an D2 außerordentlich niedrig ist im Vergleich zu der Ausbeute, die in einem Arbeitsbereich zwischen einhundert und zweihundert Mikron zu erzielen ist. Ein Betrieb der Ionenquelle mit normal eingestellten Steuerparametern für den Magnetstrom und die Entnahmespannung, aber mit Drücken, die in der beschriebenen Weise gegenüber den normalen Arbeitsdrücken erhöht sind, liefert also die im vorliegenden Fall erwünschte Mengenverteilung derIt can now be seen from Fig. 6 that at the normal working pressure of fifty to seventy-five microns the yield of D 2 is extremely low compared to that which can be obtained in an operating range of between one hundred and two hundred microns. An operation of the ion source with normally set control parameters for the magnet current and the extraction voltage, but with pressures that are increased in the manner described compared to the normal working pressures, thus provides the desired quantity distribution in the present case
Andererseits kann die Anzahl der in dem Strahl zur Verfügung stehenden D2 auch dadurch vergrößert werden, daß durch übliche Massen-Spektroskopie oder Impulsanalyse, wie sie beispielsweise mit Massen-Analysatoren der General Ionex Corporation durchgeführt werden können, nur die D, der Ionenquelle ausgewählt werden. Geladene Teilchen bestimmter Energie und Masse werden nämlich durch ein gegebenes Magnetfeld in einem bekannten Winkel abgelenkt. Die D, können daher von dem erzeugten Ionenstrahl abgetrennt und in eine Kammer zwischen dem Beschleuniger und der Migmazelle beschleunigt werden, die Deuteriumgas ausreichenden Druckes enthält, um eine Kollisions-Dissoziation der dreiatomigen Moleküle in D2 + und D1 + zu erreichen. Die so erzeugten D2 + befinden sich größtenteils in den höheren SchwiOn the other hand, the number of D 2 available in the beam can also be increased by selecting only the D 1 of the ion source by conventional mass spectroscopy or pulse analysis, as can be carried out, for example, with mass analyzers from General Ionex Corporation . Charged particles of a certain energy and mass are deflected by a given magnetic field at a known angle. The D i can therefore be separated from the generated ion beam and accelerated into a chamber between the accelerator and the Migma cell which contains deuterium gas of sufficient pressure to achieve collisional dissociation of the triatomic molecules in D 2 + and D 1 + . The D thus produced 2 + are mostly in the higher Schwi
60S883/03A760S883 / 03A7
590 204 -Vt- 104590 204 -Vt- 104
Der Betrieb der Migmazelle gemäß diesem letztgenannten Gesichtspunkt der Erfindung kann nur dann mit einer Verringerung der Einspeise-Stromstärke erfolgen, wenn die Moleküle höheren Anregungszustandes den mittleren Teil der Migmazelle ohne vorhergehende kollisionslose Dissoziation erreichen können. Bei dem wie zuvor beschrieben ausgebildeten Magnetfeld der Migmazelle liegen die einzigen Wege, die von dem Umfang des Raumes bis zu seiner Mitte reichen und auf diesem 7/eg eine fortlaufend ansteigende Feldstärke aufweisen, innerhalb der Mittelebene. Daher würden die Moleküle höheren Schwingungszustandes bereits dissoziiert werden, bevor sie den mittleren Teil der Migmazelle erreichen, wenn sie auf einem winkelmäßig gegenüber der Mittelebene versetzten Weg eingespeist werden. Beispielsweise ist eine Einspeisung der Ionen unter einem Winkel von dreißig bis sechzig Grad gegenüber der Mittelebene, wie bei der erwähnten Anmeldung, mit einer zentralen kollisionslosen ^Dissoziation unvereinbar. The operation of the Migma cell according to this latter aspect of the Invention can only take place with a reduction in the feed current strength if the molecules of the higher excited state have the average Can reach part of the migma cell without prior collision-free dissociation. With the magnetic field formed as described above of the migma cell are the only paths which extend from the circumference of the space to its center and on this 7 / eg a continuously ascending path Have field strength within the midplane. Therefore, the molecules of higher vibrational state would already be dissociated before they reach the middle part of the migma cell when they are fed in on a path that is angularly offset from the median plane. For example, the ions are fed in at an angle of thirty to sixty degrees with respect to the central plane, as in the case of that mentioned Registration incompatible with a central collisionless dissociation.
Der Ausgang der Ionenquelle 34 in Pig. 2 ist mit einem Beschleuniger 35 verbunden (beispielsweise Type KN 3000 der High Voltage Engineering Corporation). Der Ausgangsstrahl des Beschleunigers 35 wird über eine Strahltransportvorrichtung 36 der Migmazelle 10 zugeführt, deren Vakuum in der Reaktorkammer 12 zum Teil auch durch diese Vorrichtung 36 aufrecht erhalten wird. Eine hierfür geeignete Vorrichtung (Type 50 der Aero-Vac Corporation) wird in dem erwähnten Aufsatz in der Zeitschrift "Nuclear Instruments and Methods" beschrieben, der auch die übrigen Funktionen des Systems umreißt, wie die Strahlfokussierung und -steuerung. Durch drehbare Lagerung der Migmazelle 10 in ihrer Mittelachse und durch eine Balgenverbindung 38 kann der Winkel der Ionenstrahl-Einspeisung in die Reaktorkammer 12 etwas verändert werden.The output of the ion source 34 in Pig. 2 is with an accelerator 35 connected (e.g. Type KN 3000 from High Voltage Engineering Corporation). The output beam of the accelerator 35 is via a The beam transport device 36 is fed to the Migma cell 10, its vacuum in the reactor chamber 12 partly also by this device 36 upright is obtained. A device suitable for this purpose (Type 50 from Aero-Vac Corporation) is described in the above-mentioned article in the journal "Nuclear Instruments and Methods ", which also outlines the other functions of the system, such as beam focusing and control rotatable mounting of the Migma cell 10 in its central axis and by means of a bellows connection 38, the angle of the ion beam feed into the Reactor chamber 12 can be changed somewhat.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie die Reaktionsgeschwindigkeit in einer Migmazelle der beschriebenen Art noch dadurch zu erhöhen gestattet, daß sie die Anzahl der eingespeisten Teilchen vergrößert, die in der Migmazelle vorhanden sein können. Während der einen einzigen Durchlauf darstellenden Bewegung durch die Reaktorkammer 12 ist die Anzahl der Ionen (Nsp. eh.), die in jedem beliebigen Zeitpunkt die Wegstrecke A-O-B in Fig. 4 einnehmen können, durch die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen benachbarten Ionen begrenzt. Die geordnete Bewegung nach Fig. 4 kann daher nur dann aufrecht erhalten werden, wenn die auf benachbarte Ionen durchAnother aspect of the present invention is that they the reaction rate in a Migma cell of the described Art can be increased by increasing the number of injected particles that are present in the migma cell can. During the single pass movement through the reactor chamber 12, the number of ions (Nsp. Eh.) Present in can take the distance A-O-B in Fig. 4 at any point in time, by the electrostatic repulsive forces between adjacent Ions limited. The ordered movement according to FIG. 4 can therefore only be maintained when the on neighboring ions through
603883/0347603883/0347
590 204 - 1*9 - 104590 204 - 1 * 9 - 104
-4i*-4i *
das Magnetfeld ausgeübten Fokussierkräfte die zwischen ihnen herrschenden elektrostatischen Abstoßungskräfte übersteigen. Diese Raumladungsgrenze bestimmt sich wie folgt:The focusing forces exerted by the magnetic field are those between them exceed electrostatic repulsive forces. This space charge limit is determined as follows:
Nsp.ch. - 1,635.1015.kT5/2.m1/2/Bo (6)Nsp.ch. - 1,635.10 15 .kT 5/2 .m 1/2 / B o (6)
Diese Zahl ist kleiner als die Anzahl Ndia. der Ionen, die auf dem Weg
A-O-B zugelassen werden können, bevor der Punkt erreicht wird, an welchem
das Magnetfeld dee Ionenstroms das Feld des Magnetsystems so weit
schwächt, daß eine geordnete Teilchenbewegung gestört wird, beispielsweise durch eine Verringerung des Magnetfeldes um ein Drittel. KcLia.This number is smaller than the number Ndia. of the ions that can be admitted on the AOB path before the point is reached at which the magnetic field of the ion current exceeds the field of the magnetic system so far
weakens the fact that an orderly particle movement is disturbed, for example by reducing the magnetic field by a third. KcLia.
wird durch folgenden Ausdruck gegeben:is given by the following expression:
Ndia. - 9.10i6.T1/2.m5/2/B0 (7)Ndia. - 9.10 i6 .T 1/2 .m 5/2 / B 0 (7)
Das Verhältnis Ndia/lTspch - 0,1817.10 kT/m in den Gleichungen (6) und
(7) zeigt an, daß eine Vergrößerung der Ionenzahl in der Reaktorkammer um ungefähr 3»5·1Ο zur Verfügung steht, sofern ein Zusammenbruch beim
überschreiten von Nsp.ch. vermieden werden kann. Durch gesteuerte Einführung
und Aufrechterhaltung von Elektronen in der Reaktorkammer 12
mittels der in Fig. 7 dargestellten Anordnung können Teilchen bis zu
ungefähr dieser Grenze (Ndia.) oder bis zu einer kleineren Anzahl eingespeist
werden, die oberhalb der Raumladungsgrenze liegt.The ratio Ndia / ITspch - 0.1817.10 kT / m in equations (6) and (7) indicates that an increase in the number of ions in the reactor chamber by approximately 3 »5 · 1Ο is available if a collapse is exceeded when Nsp.ch. can be avoided. By controlled introduction and maintenance of electrons in the reactor chamber 12
by means of the arrangement shown in FIG. 7, particles can be up to
approximately this limit (Ndia.) or up to a smaller number, which is above the space charge limit.
In Fig. 7 weist eine Migmazelle 10* den im Zusammenhang mit den Fig. 1
und 2 besprochenen Aufbau auf. Sie enthält darüber hinaus eine Elektronenkanone 40, Potentialschwellen 42 und 44» eine Anode 46 und Meßsonden
50, 52, 54 und 56. Die Kanone 40 ist üblicher Bauart und hat eine
Kathode 40a und ein Gitter 40b. Die Schwellen 42 und 44 sind offene,
leicht aufgeweitete konische Hülsen aus elektrisch leitendem Material. Die Anode 46 ist tassenförmig und besteht ebenfalls aus Metall. Die
Elemente 14» 16 und 18 können-bei den Anordnungen nach Fig. 7 und 1 aus
rostfreiem Stahl bestehen.In FIG. 7, a migma cell 10 * has the structure discussed in connection with FIGS. 1 and 2. It also contains an electron gun 40, potential thresholds 42 and 44, an anode 46 and measuring probes 50, 52, 54 and 56. The gun 40 is of conventional design and has a
Cathode 40a and a grid 40b. The thresholds 42 and 44 are open,
slightly expanded conical sleeves made of electrically conductive material. The anode 46 is cup-shaped and is also made of metal. the
Elements 14 »16 and 18 in the arrangements according to FIGS. 7 and 1 can consist of stainless steel.
Bei evakuierter Reaktorkammer 12' werden an die Schwellen 42 und 44
sowie an die Anode 46 geeignete Potentiale angelegt, beispielsweise
-14 kV an 42, -13 kV an 44 und -12 kV an 46. Wenn die Kathode 40a auf
-20 kV und das Gitter 40b auf -I5 kV gelegt werden, wird die Elektronenkanone
40 erregt. Sie liefert einen Elektronenstrom an die Reaktorkammer 12·, der dort entlang der z-Achse durch die Potentialschwellen
'42 und 44» cLie Anode 46 und das Gitter 40b begrenzt wird und durch dasWhen the reactor chamber 12 'is evacuated, the thresholds 42 and 44
and appropriate potentials applied to anode 46, for example
-14 kV at 42, -13 kV at 44 and -12 kV at 46. When the cathode 40a is on
-20 kV and the grid 40b are set to -I5 kV, the electron gun 40 is energized. It supplies a stream of electrons to the reactor chamber 12 ·, which flows there along the z-axis through the potential thresholds
'42 and 44 »cLie anode 46 and the grid 40b is delimited and by the
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590 204 - K - . 104590 204 - K -. 104
Feld des Magnetsystems an einer radial nach außen gerichteten Bewegung auf das untere Abschlußstück: der Kammerwandung zu gehindert wird. Zu Anfang wird in achsialer Ausrichtung mit dem Magnetfeld in z-Richtung des Magnetsystems ein elektrostatisches Feld ausgebildet. Wenn das Gebiet zwischen den Schwellen 42 und 44 mit Elektronen gefüllt ist, bildet die gespeicherte Elektronen-Raumladung auch ein radiales elektrostatisches Feld aus. Unter dem Einfluß dieser Felder rotiert der eingespeiste Elektronenkörper als Ganzes in dem Saum um dessen Achse. Ein Zylinder mit einem doppelt so großen Radius wie die Elektronenkanone kann dann bis zu einer Grenze mit Elektronen aufgefüllt werden, die durch die Elektronen-Raumladungsdichte und die abstoßenden Potentiale der Schwellen 42 und 44 bestimmt ist. Die Anzahl der Elektronen in einem solchen Zylinder kann beispielsweise wie folgt berechnet WerdensField of the magnet system from a radially outward movement towards the lower end piece: the chamber wall is prevented. At the beginning, an electrostatic field is formed in axial alignment with the magnetic field in the z-direction of the magnet system. When the area between the thresholds 4 2 and 44 is filled with electrons, the stored electron space charge also forms a radial electrostatic field. Under the influence of these fields, the electron body fed in rotates as a whole in the border around its axis. A cylinder with a radius twice as large as the electron gun can then be filled with electrons up to a limit which is determined by the electron space charge density and the repulsive potentials of the thresholds 42 and 44. The number of electrons in such a cylinder can be calculated as follows, for example
N = V.d/1,66.10"7 = 2.1O11 (8)N = Vd / 1.66.10 " 7 = 2.1O 11 (8)
worin V = 100 kV die Spannungsdifferenz infolge der Elektronen-Raumladung über dem Abstand d = 30 cm zwischen der Mittelebene und der Elektronenkanone ist.where V = 100 kV is the voltage difference due to the electron space charge over the distance d = 30 cm between the central plane and the Electron gun is.
Eine Rückkopplung mit den Meßsonden 50, 52, 54 und 56, welche einen Elektronen-Leckstrom aus dem Elektronen-Zylinder anzeigen, und einer Schaltung zum Ausmitteln der Spannungen an den Meßsonden infolge des Auftretens solcher Leckströme und zum entsprechenden Verändern des an das Gitter 40b angelegten Potentials dient dazu, die Elektronenanzahl N im wesentlichen konstant zu halten. Wenn die ausgemittelte Spannung an den Meßsonden anzeigt, daß eine vorbestimmte Anzahl von Elektronen die Zahl N" überschritten hat'und aus der Einsperrung entweicht, sorgt diese Schaltung dafür, daß das negative Potential am Gitter 40b entsprechend verringert wird, so daß die Elektronenzufuhr zu der Reaktorkammer vermindert oder ganz eingestellt wird.A feedback with the measuring probes 50, 52, 54 and 56, which one Show electron leakage current from the electron cylinder, and a circuit for averaging the voltages on the measuring probes as a result of the Occurrence of such leakage currents and the corresponding change in the potential applied to the grid 40b is used to reduce the number of electrons To keep N essentially constant. If the averaged voltage on the measuring probes indicates that a predetermined number of electrons has exceeded the number N "and escapes from imprisonment this circuit ensures that the negative potential at the grid 40b is correspondingly reduced, so that the supply of electrons to the reactor chamber is reduced or completely discontinued.
Nach einer derartigen Einführung von Elektronen in die Reaktorkammer wird der molekulare Ionenstrahl eingespeist und dissoziiert, so daß sich ein Migma zu bilden beginnt. Da das Migma positiv geladen ist, verringert seine Anwesenheit in der Kammer die elektrostatische Abstoßung zwischen den Elektronen und bewirkt es einen geringeren Elektronen-Leckstrom von der Kammer auf die Meßsonden und damit wieder eine Vergrößerung· der Elektronenzufuhr von der Kanone 40 in die Kammer. AufAfter such introduction of electrons into the reactor chamber the molecular ion beam is fed in and dissociated, so that a migma begins to form. Since the migma is positively charged, Its presence in the chamber reduces the electrostatic repulsion between the electrons and causes less electron leakage current from the chamber to the measuring probes and thus again an increase in the supply of electrons from the cannon 40 into the chamber. on
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diese V/eise wird die Einführungsgeschwindigkeit der Elektronen im wesentlichen gleich derjenigen der Ioneneinspeisung gehalten.this way, the velocity of introduction of electrons becomes substantial kept equal to that of the ion injection.
Wie nach der klassischen Oszillatortheorie zu erwarten, tritt in der räumlichen Verteilung der eingeführten Elektronen eine periodische Bewegung auf: Die Elektronen passieren das Migma entlang der z-Achse in Fig. 7· Sodann kehren sie, vom Migma angezogen und von der Schwelle 44 sowie der Anode 46 abgestoßen, durch das Migma zurück in Richtung auf die Schwelle 42 und das Gitter 40b. Anschließend werden die Elektronen wieder vom Migma angezogen und von der Schwelle 42 und dem Gitter 40b abgestoßen.As expected from the classical oscillator theory, the spatial distribution of the introduced electrons a periodic movement: The electrons pass the migma along the z-axis in Fig. 7 · Then they return, attracted by the migma and by the threshold 44 as well the anode 46 is repelled by the migma back towards the Threshold 42 and the grille 40b. Then the electrons come back attracted by the migma and repelled by the sill 42 and grille 40b.
Wegen der normalen Geschwindigkeitsverteilung der von der Kanone ausgesandten Elektronen tendieren diese in Oszillatorvorrichtungen dazu, sich zu bündeln. Die Oszillatorfrequenz eines Elektronenbündels entlang der z-Achse läßt sich dadurch berechnen, daß zunächst die Laufzeit der Elektronen zwischen dem effektiven Gitter und der virtuellen Kathode bestimmt wird. Das effektive Gitter besteht dabei aus dem positiv geladenen Migma und wird im wesentlichen durch die Mittölebene der Reaktor-Kammer gebildet. Die virtuelle Kathode liegt zwischen diesem Gitter und der Kathode 40a. Die Elektronen-Laufzeit ergibt sich zu:Because of the normal speed distribution of those sent out by the cannon Electrons tend to cluster in oscillator devices. The oscillator frequency of an electron beam along the The z-axis can be calculated by first determining the transit time of the electrons between the effective grid and the virtual cathode will. The effective grid consists of the positively charged migma and is essentially through the middle plane of the reactor chamber educated. The virtual cathode lies between this grid and the cathode 40a. The electron transit time results from:
<E- s/(2.io7.vy2) (9)<E- s / (2.io 7. V y 2 ) (9)
worin S der .Abstand zwischen Gitter 40b und der Mittelebene und V diewhere S is the distance between grid 40b and the central plane and V is the
S Potentialdifferenz zwischen Gitter und Kathode des Migmas ist. Die S is the potential difference between the grid and the cathode of the migma. the
Elektronen-Oszillatorfrequenz beträgtElectron oscillator frequency is
^e =7Γ/£Τ (ίο, 11)^ e = 7Γ / £ Τ (ίο, 11)
wenn^C = 2x^ist.
eif ^ C = 2x ^.
e
Um die geordnete Teilchenbewegung nach Fig. 4 aufrecht zu erhalten, braucht die räumliche Lage des Elektronenkörpers sich nur in einer solchen Weise zu verändern, daß auf die umlaufenden Ionen kein bleibendes Ungleichgewicht ausgeübt wird, d.h. das gemeinsame Feld aus dem periodischen elektrostatischen Feld der schwingenden Elektronenwolke und aus der positiven Ionen-Raumladung muß sich so verändern, daß den Ionen nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, um sich aus ihren Laufbahnen zu defokussieren, so daß diese lediglich kleine periodische Abweichungen von dem 'fiep- A-O-B ausführen. Diese Bedingun·? ist dann erfüllt, wenn die obige Elektronen-Schwinfcunp·?periode r höchstens gleich der Periode l£-.In order to maintain the ordered particle movement according to FIG. 4, the spatial position of the electron body only needs to be changed in such a way that no permanent imbalance is exerted on the orbiting ions, ie the common field from the periodic electrostatic field of the oscillating electron cloud and from the positive ion space charge must change in such a way that the ions do not have enough time to defocus themselves from their trajectories, so that they only perform small periodic deviations from the 'fiep- AOB. This condition ·? is fulfilled if the above electron Schwinfcunp ·? period r is at most equal to the period l £ -.
■609883/ 0*347 *■ 609883/0 * 347 *
BAD ORIGHiALBAD ORIGHiAL
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der Ionen-Bewegung entlang des 'Weges A-O-B ist.the ion movement along the path A-O-B.
In dem so definierten System sind die Bewegungen der beiden Arten voll ionisierter Materie in Zeit und Raum verschieden geordnet. Die eine Art (die Elektronen) wird bei einer Energiestufe von beispielsweise 100 kV eingeführt, um frei zu bleiben von dem eine geordnete Bewegung anstrebenden Einfluß des Magnetsystems und um im wesentlichen senkrecht zu der Mittelebene zu schwingen, in welcher wiederum die andere Art (die Ionen) unter dem Einfluß des Magnetsystems sich in geordneter Weise bewegt. Die Elektronen-Energiestufe während des ganzen Betriebes sollte nicht größer sein als die Hälfte der Energiestufe der eingespeisten Ionen. Während Instabilitäten, wie sie von einem Plasma her bekannt sind, z.B. die sogenannte Zweistrom-Instabilität, durch Wahl von^C kleiner als die Anwachszeit der Instabilität vermieden werden können, müssen Instabilitäten infolge unerwünschter Frequenzen, d.h. solche mit einer Anwachsfrequenz (oder einer Harmonischen davon) in Resonanz mit der Elektronen-Schwingungsfrequenz, durch geeignete Auslöschverfahren unter Anwendung von Interferenzen gedämpft werden, die auch als asynchrones Löschen bezeichnet werden. Auf diese Weise können unerwünschte Schwingungen durch Anwendung eines zeitabhängigen elektrischen Feldes gleicher Frequenz, aber um 180 verschobener Phase, zwischen den Schwellen 42 und 44 gelöscht werden, oder aber auch durch sogenanntes "Zittern", bei welchem ein elektrisches Feld angelegt wird, dessen Frequenz beträchtlich höher liegt als die Frequenz der Instabilität, wodurch der Instabilität Energie entzogen wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der eingespeiste Ionenstrahl mit dieser höheren Frequenz getastet wird. Wie auch durch theoretische Untersuchungen bestätigt worden ist, bewegen sich die eingespeisten Ionen und die eingeführten Elektronen reibungsfrei gegeneinander und die Temperatur der Elektronen erreicht niemale diejenige der Ionen.In the system defined in this way, the movements of the two types of fully ionized matter are ordered differently in time and space. One type (the electrons) is introduced at an energy level of, for example, 100 kV in order to remain free from the influence of the magnetic system, which strives for an orderly movement, and to oscillate essentially perpendicular to the central plane, in which again the other type (the ions ) moves in an orderly manner under the influence of the magnet system. The electron energy level during the entire operation should not be greater than half the energy level of the ions fed in. While instabilities, as they are known from a plasma, e.g. the so-called two-stream instability, can be avoided by choosing ^ C less than the instability increase time, instabilities must be due to undesired frequencies, i.e. those with an increase frequency (or a harmonic thereof ) in resonance with the electron oscillation frequency, are attenuated by suitable cancellation methods using interference, which are also referred to as asynchronous cancellation. In this way, unwanted oscillations can be canceled by applying a time-dependent electric field of the same frequency but a phase shifted by 180 between thresholds 42 and 44, or by so-called "trembling", in which an electric field is applied, the frequency of which is considerable is higher than the frequency of the instability, which removes energy from the instability. This can be achieved in that the ion beam fed in is scanned at this higher frequency. As has also been confirmed by theoretical investigations, the introduced ions and the introduced electrons move against each other without friction and the temperature of the electrons never reaches that of the ions.
Weitere Einzeheiten hierüber ergeben sich aus einem Aufsatz in der Zeitschrift Muclear Instruments and Methods 111 (1973) 213.Further details on this can be found in an article in the journal Muclear Instruments and Methods 111 (1973) 213.
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