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Verfahren und Vorrichtung zur Randschicht-
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ableitung beim toroidalen Hochtemperaturplasma Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur verbesserten Aufnahme und Abführung des in der Randschicht
eines toroidalen Hochtemperaturplasmas anfallenden Plasma- beziehungsweise Gasflusses
mit Hilfe von allgemein T-förmigen, an den Pumpöffnungen angeordneten Abschällimitern
sowie auf eine E'u,sionsanordnung (mit Abschällimiter(n) in beziehungsweise an einer
Pumpöffnung) zur Durchführung des Verfahrens.
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Toroidale Hochtemperaturplasmen werden derzeit vorzugsweise in tokamak-
oder stellaratorförmigen Konfigurationen erzeugt und magnetisch eingeschlossen.
Dabei wird die Plasmarandschicht üblicherweise von einer mechanischen Blende begrenzt.
Diese Blende, allgemein Limiter genannt, dient hauptsächlich dem Zweck, eine unerwünschte
und unkontrollierte Berührung des Plasmaschlauches mit der inneren Wand des den
Plasmaschlauch umgebenden toroidalen Vakuumgefäßes zu verhindern. Der Limiter umfaßt
den Plasma schlauch im allgemeinen in poloidaler Richtung, wobei er zum Beispiel
kreisringförmig ausgebildet sein kann (siehe DE-OS 26 32 905). Die aus dem Inneren
des toroidalen
Plasmaschlauches herausdiffundierenden Plasmateilchen,
Elektronen und Ionen, treffen auf die Limiteroberfläche auf, wo sie neutralisiert
werden und in Form von Neutralgas anschließend entweder durch Pumpstutzen abgepumpt
oder aber (zum größeren Teil) wieder dem Brennstoffkreislauf zugeführt werden.
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Im Zuge des oben beschriebenen Prozesses ergeben sich zwei für Fusionsplasmen
wesentliche Probleme, nämlich das Verunreinigungsproblem und das Problem der Heliumabfuhr.
Das Verunreinigungsproblem besteht darin, daß die aus dem Plasma emittierten Teilchen
und Strahlen bei ihrem Auftreffen auf Gefäßwände und den Limiter dort Material freisetzen
können, welches zu einem Bruchteil in den Plasmaschlauch eindringt und dort - im
wesentlichen infolge erhöhter Strahlungsverluste (Linienstrahlung) - die Wirkung
einer schädlichen Verunreinigung hat. Darum ist man bemüht, Lösungen zu finden,
welche einerseits das Maß dieser sogenannten Plasma-Wand-Wechselwirkung insgesamt
reduzieren, andererseits gestatten, die in die Plasmarandschicht eingedrungenen
Wandverunreinigungen möglichst schnell wieder aus dem Plasma zu entfernen. Letzterer
Prozess, nämlich die Entfernung von Plasmakomponenten, welche nicht als thermonuklearer
Brennstoff dienen können, hat auch für die abfuhr des bei Fusionsreaktionen entstehenden
Heliums ( d-Teilchen) große Bedeutung. Falls es nämlich nicht gelingt, das als Abbrand
im Fusionsplasma entstandene Heliumahinreichend rasch aus dem Brennvolumen zu entfernen,
so
bewirkt dessen allmähliche Akkumulation -in ähnlicher Weise wie die Akkumulation
schädlicher Wandverunreinigungen- eine unzulässige Erhöhung der aus dem Plasma emittierten
Strahlung (das heißt Strahlungsverluste) und gleichzeitig (im Falle einer Begrenzung
des zulässigen Plasmadruckes) eine Verdünnung des Brennstoffes.
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Zur Verminderung der schädlichen Plasma-Wand-Wechselwirkung und Erhöhung
der Heliumabfuhr kennt man unter anderem den sogenannten Abschällimiter und die
sogenannten Divertoren.
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Unter Abschällimitern versteht man eine Umgestaltung des in der Einleitung
beschriebenen einfachen Limiters in einer Weise, daß der auf den Limiter auftreffende
Teilohenstrom (in Kombination mit einer neben dem Limiter in der Gefäßwand angebrachten
großen Pumpöffnung) nach seiner Neutralisierung vorzugsweise nach außen in eine
an der Gefäßwand angebrachte Pumpkammer gelenkt wird. Der eigentliche Limiter ist
dabei im wesentlichen allgemein T-förmig ausgebildet, wobei sich der obere Querbalken
des T nach vorn zunehmend verjüngt und in Form einer keilförmigen Schneide der Plasmaströmung
zugewandt ist, so daß die auf die Unterseite dieser Schneide auftreffenden Teilchen
durch geeignete Blenden an einer Rückströmung in das Plasmavolumen gehindert und
vorzugsweise in Richtung der Pumpkammer geleitet werden. Der untere oder Fußteil
der T-förmigen Schneide wird durch die Pumpkammer nach außen
geführt
und dient gleichzeitig der Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, welches zur Abfuhr
der erheblichen Wärmebeaufschlagung dient. Der Abschällimiter hat zwei Nachteile:
Die Leistungsdichte - insbesondere an der dem Teilchenstrom ausgesetzten Schneidenkante
- ist sehr hoch und in einem Fusionsreaktor nur dann tolerabel, wenn der größte
Teil der über Ladungsträger aus dem Plasma emittierten Leistung nicht auf den Limiter
strömt, sondern durch Strahlung und Ladungsaustauschprozesse möglichst gleichmäßig
auf die Gefäßoberfläche verteilt wird und von dieser abgeführt werden kann. Wegen
des nach außen abfallenden Dichteprofils gelangt der größte Teil des geladenen Teilchenstromes
nur in die Nähe der Schneidenkante des T-förmigen Querbalkens und wird nicht optimal
gepumpt.
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Eine grundsätzlich andere Lösung wird mit sogenannten Divertoren angestrebt:
Diese wirken auf die Magnetfeldstruktur, wobei die die Plasmarandschicht begrenzenden
magnetischen Feldlinien durch schlitzförmige Blendensysteme aus der eigentlichen
Entladungskammer heraus in eine separate sogenannte Divertorkammer geführt werden,
wo der Plasma- und Energiestrom auf dort befindliche Prallplatten auftrifft und
das dabei entstehende Neutralgas abgepumptwird. Je nach Art der Divertorkonfiguration
unterscheidet man zwischen dem sogenannten Toroidalfeld-Divertor (0-Stellarator),
Poloidalfeld-Divertor (ASDEX, PDX) und dem sogenannten Bündel-Divertor, welcher
eine gewisse Variante des Toroidalfeld-Divertors
darstellt (DITE).
Die genannten Divertoren haben jedoch Nachteile. Sie erfordern zusätzliche Magnetspulen,
deren Ströme von vergleichbarer Stärke sind wie die Ströme in den Toroidalfeld-Spulen
beziehungsweise wie der gesamte Plasmastrom. Es ergeben sich große Kräfte und Biegemomente,
und die Divertorspulen sind deshalb ein wesentlicher und einschränkender Faktor
beim design zr Maschine. Im übrigen ist der mit ihrer Bereitstellung verbundene
finanzielle Aufwand und Raumbedarf erheblich.
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Bezüglich des Maßes an apparativem und finanziellem Aufwand sowie
an Störung der ursprünglichen Magnetfeldkonfiguration nimmt eine weitere Art von
Divertor, der sogenannte Resonante Helische Divertor, eine Sonderstellung ein. Der
wesentliche Grund hierfür liegt in der Tatsache, daß die für die Umlenkung der Magnetfeldlinien
in der Randschicht erzeugte Konfiguration unter Ausnutzung einer natürlichen Eigenschaft
der zur Einschließung toroidaler Plasmen mittels Rotationstransformation nötigen
Magnetfelder erzeugt wird. Solche Magnetfelder zeichnen sich nämlich dadurch aus,
daß die den Plasmaschlauch helikal einspinnenden magnetischen Feldlinien an bestimmten
Stellen des Plasmaradius derart entarten, daß sie zum Beispiel nach drei oder nach
vier Umläufen in toroidaler Richtung wieder in sich selbst zurückgeführt werden
(rationale magnetische Oberfläche), anstatt wie sonst die magnetische Oberfläche
ergodisch, das heißt mit unendlich vielen Umläufen,
einzuhüllen.
Erzeugt man nun durch von außen angelegte zusätzliche Magnetfelder eine sehr kleine
Störung der ursprünglichen Magnetfeldkonfiguration, die in Stärke und Richtung im
wesentlichen nur am Ort einer den Plasmaschlauch umfassenden rationalen Feldlinie
angreift, so lassen sich in der Randschicht des Plasmas Inselstrukturen erzeugen,
die in einer Art Zopfmuster den toroidalen Plasmaschlauch helikal umfassen. Die
Divertorkammer wird im Falle eines resonant helischen Divertors dadurch gebildet,
daß im Inneren der erzeugten Insel im wesentlichen helikal geformte Abschirmflächen
angebracht werden, die in ihrer Mitte durch stegartige Verbindungsstücke, welche
gleichzeitig als Prallplatten dienen, mit der Innenseite des Vakuumgefäßes verbunden
sind. Diese ihrungsbleche erstrecken sich entweder über die gesamte innere Oberfläche
des Vakuumgefäßes oder aber sie bedecken nur die "äußere" Hemisphäre der Vakuum£efäßinnenseite,
das heißt zum Beispiel circa 40 % der inneren torusförmigen Oberfläche des Vakuumgefäßes.
Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die vom Vakuumgefäß nach außen
führenden Pumpenöffnungen, welche naturgemäß nur einen kleinen Bruchteil, zum Beispiel
2 - 3 %, der Torusoberfläche betragen können, sehr unwirksam sind, um den entlang
der stegartigen Verbindungen (3 Platten) anfaAlenden Gasballast abzupumpen. Eine
effektivere Pumpwirkung kann nur durch zwischen Leitblechen und Vakuumgefäß angebrachten
pumpenden Oberflächenschichten
( zum Beispiel Kryopumpen oder Sorptionspumpen
oder Getterpumpen ) bewirkt werden. Diese sind jedoch weniger gut zum Abpumpen des
Heliums geeignet und außerdem eine zusätzliche Komplikation bei der Gestaltung der
inneren Vakuumgefäßoberfläche; einige Eigenschaften ( zum Beispiel hohe Temperatur
der Gefäßoberfläche und Kryopumpe) stellen einen Widerspruch dar. Ein weiterer Nachteil
der geschilderten Anordnung besteht darin, daß die Leitbleche und Abstandsstückstrukturen
noch vor Montage des gesamten Vakuumgefäßes eingebracht werden müssen und praktisch
keine Möglichkeit bieten, eine nachträgliche Anpassung zwischen der Positionierung
der helikalen Leitbleche und der experimentell festgestellten tatsächlichen Lage
der Insel vorzunehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, mit
dem eine verbesserte Aufnahme und Ableitung der Plasmarandschichten erreicht werden
kann.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß der oder die Abschällimiter mit einer helikalen äußeren
Leiteranordnung zur Erzeugung von an der oder den Pumpöffnungen vorbeiführenden
magnetischen Inseln kombiniert und derart im Zentrum der an der oder den Pumpöffnungen
vorbeiführenden Inseln angeordnet wird beziehungsweise werden, daß die Leistungsbeaufschlagung
der Leitblech(kanten) vermindert wird und dass dem Abschällimiterfuß jeweils eine
solche minimale
poloidale Ausdehnung gegeben wird, daß jede Feldlinie
bei einem Umlauf um die Insel den Fuß mindestens einmal durchschneidet.
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Die Erfindung betrifft mithin eine Kombination des Abschällimiterkonzeptes
mit dem Konzept eines helikalen Divertors, wobei das Leitblech des T-förmigen Limiters
in das Zentrum einer durch helikale äußere Leiter erzeugten Insel eingebracht wird,
so daß diese Insel als magnetische Abschirmung der gegenüber Teilchen beziehungsweise
Leistungsbeaufschlagung empfindliche Teile des Limiters wirkt. Gleichzeitig lassen
sich dann die als Leitblech dienenden Teile des Abschällimiters geometrisch so gestalten
und optimieren, daß der in der Nachbarschaft des als Prallplatten dienenden T-Deils
entstehende Gasanfall nur noch zu einem geringen Bruchteil in das Entladungsvolumen
zurückströmen kann.
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Da ein solcher Abschällimiter durch eine äußere Pumpöffnung des Vakuumgefäßes
eingebracht, gekühlt und justiert werden kann, bietet die Erfindung den weiteren
Vorteil, daß Form und Positionierung des Abschällimiters der experimentell festgestellten
Lage der magnetischen Insel angepaßt werden können. Wegen der im wesentlichen an
die magnetischen Feldlinien gebundenen Bewegung der Plasmateilchen läßt sich durch
geeignete Wahl der poloidalen Ausdehnung des Fußteils der T-förmigen Struktur, der
durch die Halterung der Abschirmbleche gebildet wird und gemäß der Erfindung wegen
der magnetischen Abschirmung
der Leitbleche als Prallplatte für
den auffallenden Teilchen-beziehungsweise Leistungsfluß dient, die Länge der magnetischen
Feldlinien einstellen, entlang derer die Teilchen nach Durchlauf durch den Stagnationspunkt
strömen müssen, bis sie die Prallplatte erreichen.
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Diese Länge spielt im Hinblick auf charakteristische plasmaphysikalische
Eigenschaften eines solchen Divertors wie zum Beispiel die sich einstellende Plasmadichte
in der Randschicht eine Rolle. Diese Plasmadichte ist für die Randschichtdicke bestimmend,
die für eine gewünschte Abschirmwirkung zur Beaufschlagung der Divertorplatten herangezogen
werden muß und ihrerseits maßgebend für die Abschirmwirkung gegenüber von der Wand
in das Plasma einströmenden Verunreinigungsteilchen ist. Um diese Randschicht- oder
Abschirmdicke experimentell variieren zu können, ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung möglich, die poloidale Breite des Fußteils des T-förmigen Abschällimiters
zu verändern, wie es im einzelnen im unten folgenden Anwendungsbeispiel gezeigt
werden wird.
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Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen Erfindung besteht. darin,
daß die den Limiterfuß bildenden Prallplatten in relativer Nähe zum eigentlichen
Plasmavolumen angebracht sein müssen, die größenordnungsmäßig gleich der radialen
Breite einer Insel ist. Diese Tatsache kann bei einem Fusionsreaktor insoweit ein
Nachteil sein, als dann die relativ große Pumpkammer noch im Bereich des Blankets
angebracht werden muß, wo sie unter anderem starker Neutronenbestrahlung ausgesetzt
ist und
außerdem wertvolles Blanketvolumen in Anspruch nimmt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dieser Nachteil dadurch
gemildert werden, daß man quer zum Magnetfeld in Nachbarschaft der Prallplatten
durch zwei Elektroden ein elektrisches Feld anlegt, welches zu einer Drift des Plasmas
senkrecht zu diesem elektrischen Feld und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien
in Richtung nach außen, das heißt weg vom eingeschlossenen Plasmakern, führt. Dabei
kann die Prallplatte selbst als eine der beiden Elektroden dienen.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Beispiels im Zusammenhang
mit einer fusionsorientierten Versuchsanlage zum Einschluß eines Hochtemperaturplasmas
nach dem Tokamakprinzip näher beschrieben. Charakteristische Parameter der Versuchsanlage
sind: großer Plasmaradius: 1,75 m kleiner lichter Gefäßradius: 0,60 m Stärke des
toroidalen Magnetfeldes auf der Achse:2 T im Plasma induzierbarer toroidaler Plasmastrom:
1/2 MA.
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DieDrErzeugung der inselförmigen Strukturen nötigen zusätzlichen elektrischen
Leiter winden sich helisch um das Vakuumgefäß herum, wobei ein Umlauf in poloidaler
Richtung mit drei Umläufen in toroidaler Richtung erreicht wird. Die zur Erzeugung
dieser Inseln nötige Stromstärke (bezogen auf 1/2 MA Plasmastrom) beträgt 3 - 5
kA. Die angefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen schematisch:
Figur
1 einen poloidalen Schnitt durch das Vakuumgefäß einer Fusionsanordnung an einem
Pumpstutzen; Figur 2a-c den Abschällimiter in der Perspektive (Figur 2a) seine Zuordnung
zu Pumpstutzen (Figur 2b) irnd im Schnitt A-A wie in Figur 2b angedeutet (Figur
2c).
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Die schematische Anordnung des in das Vakuumgefäß eingebrachten und
durch die Inseln magnetisch geschützen Abschällimiters ist in Figur 1 wiedergegeben:
Das Vakuumgefäß (1) hat im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt, der jedoch
an der gezeigten Schnittstelle nach außen durch die große Pumpöffnung (2) unterbrochen
ist. Diese Pumpöffnung kann sowohl kreisförmig (mit etwa 60 cm lichtem Durchmesser)
als auch rechteckig sein (und hat dann zum Beispiel eine lichte Weite in der Schnittebene
von 60 cm und senkrecht dazu von 80 cm). Die zur Erzeugung der Inseln nötigen magnetischen
Störfelder werden von drei Paaren (Hin- und Rückleiter) von helikalen Wicklungen
(3) erzeugt, welche sich jeweils dreimal in toroidaler Richtung um den Torus schlingen
müssen, bevor sie denselben einmal in poloidaler Richtung umfaßt haben. Die lokale
Steigung dieser Wicklungen ist dabei so gewählt, daß die Leiter den Feldlinien in
der Inselmitte parallel laufen. Die bei einem Stromfluß von 4 kA durch die helikalen
Wicklungen erzeugten Inseln (4) haben die an Hand der markierten Durchstoßpunkte
der umgrenzenden magnetischen Feldlinien
ersichtliohe Form. Wie
man sieht, werden in der gezeigten Querschnittsebene drei sichelförmige Inseln gebildet,
die durch drei Stagnationspunkte voneinander getrennt sind. Die Magnetfeldlinien
innerhalb der Inseln ung solche, die von der Plasmaachse her gesehen außerhalb des
Inselkranzes liegen, schneiden den Abschällimiter.
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Da die magnetische Konfiguration beim Umlaufen der Insel umgestülpt
wird, fällt die höchste Leistung an den Flanken des Abschällimiters an und die Vorderkante
wird entlastet. Gleichzeitig wird dadurch die Pumpwirkung verbessert. Zur Hemmung
der Gasrückströmung von den Prallplatten (5) in das Gefäßinnere sind außerdem Blenden
oder FUhrungsbleche (6) am Kragen des Pumpstutzens angebracht, die in den Pumpstutzen
hereinragen. Die Ausdehnung der auch als Leitblech bezeichneten Abschirmplatte (7)
des Abschällimiters in poloidaler Richtung ist so gewahit, daß die Spaltbreite zwischen
der Blende (6) und der Abschirmplatte (7) möglichst klein wird, gleichzßitig jedoch
ein hinreichender Sicherheitsabstand zwischen dem Ende der Abschirmplatte und dem
Sta ationspunkt der Insel bestehenbleibt, um einen hinreichenden Schutz der Abschirmplattenkante
vor Beaufschlagung durch Plasma und Energiefluß sicherzustellen.
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In poloidaler Richtung (schwach geneigt, um ein Zusammenfallen der
Mi telachse der Abschirmplatte mit
der magnetischen Feldlinie in
Inselmitte sicherzustellen) ist die Ausdehnung dieser Platte so gewählt, daß ihre
Montierbarkeit durch die Pumpöffnung hindurch sichergestellt ist, wobei die Platte
über die Grenze der Pumpöffnung entlang der Feldlinie noch so weit in den Bereich
der Innenwand des Gefäßes überragt, daß auch hier ein Zurückströmen des entstandenen
Gases von den Prallplatten wirkungsvoll behindert wird. Die poloidale Breite der
als Fuß des T-förmigen Abschällimiters ausgebildeten Prallplatten (5) wird vorzugsweise
so gewählt, daß sie etwa 1/4 der poloidalen Ausdehnung der den Abschällimiter umhüllenden
Insel ausmacht. Diese poloidale Breite ist außerdem durch geeignete Vorrichtungen
(zum Beispiel eine Hydraulik) von außerhalb des Gefäßes durch die Pumpöffnung einstellbar,
um die plasmaphysikalischen Verhältnisse in der Randschicht beeinflussen zu können.
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Die Ausdehnung dieser Prallplattenstruktur entlang der magnetischen
Feldlinien ( das heißt nahezu in toroidaler Richtung ) ist durch die lichte Breite
der Pumpöffnung bestimmt. Im angeführten Beispiel beträgt sie also knapp 80 cm.
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Ein Schnitt durch einen Teil des Abschällimiterfußes ist in Figur
2 c angedeutet, die eine Anordnung der in Figur 1 allgemein mit 5 bezeichneten Prallplatten
8 mit Wärmeabfuhizum Beispiel durch Wasserkühlung) über die von außen mittels eines
Balgs radial zu verschiebende Stütze 9 sowie Einstell- oder Justiereinrichtungen
zur
Variation der poloidalen Breite (mit Hilfe einer Hydraulik 10 und Federn 11) zeigt.
Aus Figur 2 c geht ferner hervor, daß dieser Querschnitt keine direkte Rautenstruktur
besitzt, sondern mehr spindelförmige Gestalt hat, um eine gleichmäßigere Beaufschlagung
der Prallplatten mit Teilchen beziehungsweise mit Energie zu gewährleisten.
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Der gesamte Abschällimiter ist in mehreren Richtungen verstellbar,
um eine möglichst weitgehende Anpassung seiner Position und Ausrichtung an die tatsächliche
experimentell festgestellte Lage und Ausdehnung der Insel zu ermöglichen.
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Als äußere Pumpe können sowohl mechanische Pumpen wie zum Beispiel
lurbomolekularpumpen verwendet werden als auch Getter-, Kryosorptions- oder ähnliche
Pumpen, die dann bereits im Raume des als Pumpstutzen (12) gezeigten Gebietes liegen.
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Eine zusätzliche Verbesserung des Gastransportes nach außen, das heißt
in Richtung des Pumpstutzens läßt sich dadurch bewirken, daß zwischen den Prallplatten
(5) und den Blenden (6) ein elektrisches Feld angelegt wird, das eine auf diesem
Felde sowie auf den im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden magnetischen
Feldlinien senkrecht gerichtete Driftbewegung des Plasmas zur Folge hat. Das Vorzeichen
dieses Feldes wird so gewählt, daß die Driftbewegung vom Plasmavolumen wes b richtet
ist und daß demzufolge die Pumpleistung durch den Querschnitt zwischen den Blenden
(6) und den Prallplatten (5) weiter erhöht wird.
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