DE3146572A1

DE3146572A1 - Einrichtung zum mechanischen beschleunigen makroskopischer teilchen

Info

Publication number: DE3146572A1
Application number: DE19813146572
Authority: DE
Inventors: Waldemar Ing. Amenda (grad.), 8046 Garching; Rudolf Dr. Dipl.-Phys. 8300 Landshut Lang
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-11-24
Filing date: 1981-11-24
Publication date: 1983-06-01
Also published as: IT8249411A0; FR2516812B1; DE3146572C2; FR2516812A1; GB2112198B; GB2112198A; IT1189408B

Description

11041 Dr.v.B/E/Schä

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e.V. Bunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Einrichtung zum mechanischen Beschleunigen makroskopischer Teilchen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.

Die mechanische Beschleunigung von makroskopischen Teilchen mittels einer Zentrifuge, also durch die Zentrifugalkraft, ist allgemein bekannt und wird z.B. zur Brennstoffnachfüllung von mit Plasmen großer Dichte und hoher Temperatur arbeitenden Plasmamaschinen mittels verfestigter und dann beschleunigter Teilchen (Pellets)aus Wasserstoff verwendet (S.L. Milora, "Review of Pellet Fuelling", J. of Fusion Energy, Vol. 1, No.1, 1981). Dabei wird das zu beschleunigende Teilchen in einem Abstand r_ von der Drehachse in eine Führungsstrecke des Rotors der Zentrifuge eingeleitet und auf seinem Weg zur Peripherie des Rotors durch die Zentrifugalkraft beschleunigt. Das Teilchen verläßt die Zentrifuge mit der Geschwindigkeit 2 V · cos(6/2), wobei V die Umfangsgeschwindigkeit des Ro-= tors und 0 der Winkel zwischen der Tangente an den Rotorumfang am Ort des Teilchenaustritts und der Richtung der Führungsstrecke bedeuten.

O β β > β O

e β β ο β

... ... .. ... 3Η6572

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Bei den bekannten Zentrifugen werden die zu beschleunigenden Teilchen dem Rotor in der Nähe seiner Drehachse zugeführt, was eine erhebliche Winkelstreuung der Austrittsrichtung der beschleunigten Teilchen zur Folge hat. Für viele Zwecke, insbesondere die Injektion von Wasserstoffteilchen (Brennstoff-Pellets) in eine Plasmamaschine wird jedoch eine kleine Winkelstreuung gefordert.

Außerdem ist bei den bekannten Zentrifugen die erreichbare Teilchengeschwindigkeit durch die Materialfestigkeit des z.B. arm- oder scheibenförmigen Rotors begrenzt. Untersuchungen haben gezeigt, daß mit den derzeit verfügbaren Materialien eine Teilchengeschindigkeit von 2000 m/s nicht wesentlich überschritten werden kann. Für die Brennstoffnachfüllung von Plasmaxnaschinen werden jedoch Teilchengeschwindigkeiten gefordert, die wesentlich über 2000 m/s liegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum mechanischen Beschleunigen von makroskopischen Teilchen anzugeben, welche eine wesentlich geringere Winkelstreuung der Richtung der beschleunigten Teilchen gewährleistet sowie höhere Texlchengeschwindigkeiten zu erzielen gestattet, als die bekannten Zentrifugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäS durch eine Einrichtung gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 oder 2 gekennzeichnet ist.

Die ünteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen solcher Einrichtungen, insbesondere im Hinblick auf die Erhöhung der Äustrittsgeschwindigkeit der Teilchen.

Bei einer mit einem rotierenden BeschleunigungskörperCRotor) arbeitenden Ausführungsform der vorliegenden·Einrichtung wird die Verringerung der Winkelstreuung der den Rotor verlassenden Teilchen im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Führungsstrecke azimutal, d.h. auf der Mantelfläche eines rotierenden Zylinders verläuft. Hiermit läßt sich eine der zentrifugalen Beschleunigung gleichwertige Beschleunigung erzielen, die Winkelstreuung wird jedoch annähernd um den Faktor R/r_Q verringert, wobei R der Zylinderradius und r_Q der Abstand zwischen Einspeisungsort und Drehachse bei den bisher gebräuchlichen Zentrifugen ist. Auch die Ausführungsform, die mit einem oder mehreren linear bewegten Beschleunigungskörpern arbeiten, liefern auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Teilchen mit kleiner Winkelstreuung.

Die erfindungsgemäßen Einrichtuncien ermöglichen ferner durch Hintereinanderschalten mehrerer Einheiten und/oder durch Zurückführen beschleunigter Teilchen vom-Ausgang zum Eingang einer ein- oder mehrstufigen Einrichtung sehr hohe Geschwindigkeiten,

2Q insbesondere Geschwindigkeiten, die wesentlich über 2000 m/s liegen, zu erzielen. Die Anordnung der Führungsstrecken auf Zylindermantelflächen ermöglicht eine technisch einfache Realisierung der Hintereinanderschaltung mehrerer Beschleunigungsstufen. Durch Wahl rationaler Verhältnisse zwischen den Dreh- zahlen zwei aufeinanderfolgender Stufen läßt sich außerdem auf einfache Weise eine Teilchenauswahl erzielen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der vorliegenden Einrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer einstufigen Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer mehrstufigen Beschleunigungseinrichtung, die eine bevorzugte Aus führungs form der Erfindung bildet und

Fig» 4.eins abgewickelte Darstellung der Mantelflächenund

Führungsstrecken zweier aufeinanderfolgender Beschleunigungsstufen der Einrichtung gemäß Fig. 3.

Zur Erläuterung des Prinzips, nach dem die vorliegende Einrichtung arbeitet, soll im folgenden anhand der in Fig. 1 dargestellten ebenen Einrichtung erläutert werden. Schwerkraft und Reibung werden vernachlässigt, x, y seien die Koordinaten einer als punktförmig angenommenen Masse M im raumfesten Koor-

lOdinatensystem» Ein ebener Schlitten S, der eine halbkreisförmige Führungsstrecke F mit dem Mittelpunkt O aufweist, bewege sich in der (x, y)-Ebene in der negativen x-Richtung mit einer Geschwindigkeit des Betrages ν .

15Die Koordinaten x, y des Massenpunktes M im raumfesten Koordinatensystem lassen sich ausdrücken durch die Koordinaten des mit konstanter Geschwindigkeit ν bewegten Krümmungsmittelpunktes 0, dem konstanten Krümmungsradius 9. und dem Winkel Φ^:

x(t) = -v_s · t + £ - sin <p(t) (1)

y(t) = I · (1-cos «p(t)) (2)

Anfangsbedingungen: χ = 0 χ = 0

für t = 0, . ₀ für t = 0

Durch pifferentiation nach der Zeit t erhält man die Geschwindigkeitskomponenten x(t) und y(t).

x(tj - -v + £ · φ · cos «p(t) (3)

YCtJ = S, · φ · sin tp(t) [A)

Ist £ · φ β ν für Φ = Ί30^Ο5 so verläßt der Massenpunkt die Führungsstrecke mit der Geschwindigkeit χ = -2v und y = 0

Zur Zeit t = O ruhe die Masse M und der Schlitten S bewege sich mit ν = konstant. Am Anfang ist also ■$. ·. φ = ν . Nun ist zu zeigen, daß S. · φ = konstant während des gesamten Beschleunigungsvorganges gilt.

Dazu benutzen wir den Lagranga-Formalismus (s. z.B. L. D.Landau, E.M. Lifschitz: "Lehrbuch der theoretischen Mechanik").

Lagrangefunktion L = T - U; U = 0;-T = | (x² + γ²) 222·2 2 * ·

X=V + ί. · φ · COS Φ - 2 V · I ■ · φ · ΟΟβφ; S ' S

2 2 · 2 2

$ = β ' Φ · sin φ

L = T = ^ (ν² + I² ' φ² - 2ν ■ · £, · φ -_.cosip);

£* S S

ί) L 3 Φ	m 2	(2d²	• •φ — 2v · S
d	3 Τ,	" 2 ⁽	2C · φ + 2v
dt	3 Φ		«
3 T,	m -	S	• φ · ειηφ
3φ	~?	_? ² .	ίό = O und
d.h.	il t m ·

In Gleichung (3) ist j, . φ zu Beginn der Beschleunigung die Relativgeschwindigkeit des Massenpunktes gegen.den bewegten Schlitten.

Tritt der Massenpunkt bereits mit der Geschwindigkeit 2v in Richtung zunehmender x-Werte in den mit ν und negativer x-Richtung bewegten Schlitten ein, so ist die Relativgeschwindigkeit des Massenpunktes zum Schlitten £ · φ = 3v und.nachdem ί ' φ während des Beschleunigungsvorganges in der halbkreisförmigen Fiihrungsstrecke konstant ist, gilt für die Austrittsgeschwindigkeit ( φ = 180°) nach einer 2. Beschleunigungsstufe

χ = -4 v_g.

Die in Fig. 2 im Axialschnitt dargestellte Einrichtung enthält einen Synchronmotor mit einem Stator 10, der an einer feststehenden, senkrecht verlaufenden Welle 12 befestigt ist. Um den Stator ist mit Lagern 14, die für hohe Drehzahlen geeignet sind, ein Rotor 16 gelagert. Der Rotor hat einen zylindrischen Mantel 18, an den eine Führungsstrecke 20, z.B. in Form eines Röhrchens befestigt ist, welche bei Abwicklung der Zylinderfläche 18 in eine Ebene eine halbkreisförmige Konfiguration hat, wie es bei der Führungsstrecke 20a in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Der Mantel wird durch ein rohrförmiges Bauteil aus Metall gebildet und ist durch einen inneren ringförmigen Steg gehaltert. Die Führungsstrecke kann auch an der Innenseite des Mantels angeordnet sein. Die Einrichtung befindet sich vorzugsweise in einem Vaküumraum.

Die zn beschleunigenden Teilchen werden mit einer vorzugsweise möglichst hohen Anfangsgeschwindigkeit in das eine Ende der Führungsstrecke etwa tangential und mit einem relativ kleinen Winkel bezüglich einer zur Drehachse 22 senkrechten Ebene entgegengesetzt zur Drehrichtung in die Führungsstrecke eingeschossen und treten nach Durchlaufen der Führungsstrecke in Drehrichtung aus dieser im wesentlichen tangential aus. Dabei werden die Teilchen beschleunigt, wie es oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert worden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Einrichtung sind mehrere Einheiten der anhand von Fig. 2 erläuterten Art unter Bildung einer "Schleuderkaskade" hintereinandsrgeschaltet, wi© ©s beiΘpi©ls^feise in Fig. 3 dargestellt istο Die Einrichtung gemäß Fig. 3 enthält mehrere Einheiten 24a, 24b, ... 24S»-1* 24n, die jeweils so aufgebaut sein können, wie es anhand von Fig_D 2 erläutert worden ist. Jede Einheit enthält also einen eigenen Elektromotor und die Rotoren benachbarter Einheiten laufen in entgegengesetzten Richtungen um, wie durch Pfeile angedeutet ist. Die Rotoren weisen jeweils einen dünnwandigen Zylindermantel aus einem geeigneten Werkstoff, \tfie Stahl, auf, an dem jeweils eine Führungsstrecke angebracht ist. Der Werkstoff des Mantels soll ein möglichst hohes Verhältnis von Bruchfestigkeit su Dichte aufweisen.

Anfang und Ende jeder Führungsstrecke liegen einander in axialer Richtung gegenüber und der Verlauf der Führungsstrecke ist so gewählt, daß das zu beschleunigende Teilchen eine Richtungsumkehr erfährt. An den Rotoren angebrachte Markierungen (nicht dargestellt) ermöglichen über eine elektronische Regelung üblicher Bauart die Synchronisation der Drehung der einzelnen Rotoren in bezug aufeinander, um eine einwandfreie Überleitung der Teilchen vom Austrittsende der _e Führungsstrecke einer Einheit in das Eintrittsende der Führungsstrecke der folgenden Einheit zu gewährleisten. Bei einem stetigen Verlauf der Führungsstrecke ist die in einer Einheit erreichbare Geschwindigkeitserhöhung unabhängig vom Verlauf der Führungsstrecke und beträgt bei Vernachlässigung der Reibung maximal 2 V , wobei V die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ist. Bei η hintereinandergeschalteten Einheiten beträgt die Endgeschwindigkeit der Teilchen also etwa 2 nV .

Beim Beschleunigungsvorgang wirken auf das Teilchen Zwangskräfte, die senkrecht zur Führungsstrecke gerichtet sind. Es ist vorteilhaft, den Verlauf der Führungsstrecke so zu wählen, daß die tangential zur Mantelfläche wirkenden Zwangskräfte während des gesamten Beschleunigungsvorganges in der Führungsstrecke konstant- bleiben. Dies wird durch eine sattelförmige Führungsstrecke nahezu erreicht. In der Abwicklung der Zylinderfläche hat eine solche Führungsstrecke die .Form eines Halbkreises mit möglichst großem Radius .(maximal gleich der halben Zylinderhöhe). Für das überleiten der Teilchen von einer Einheit oder Stufe in die nächste ist es wesentlich, welche Art der Reibung in der Führungsstrecke oder im Führungskanal vorliegt. Bei rollender Reibung wird während der Beschleunigung auch Rotationsenergie im Teilchen gespeichert. Die Führungsstrecke der nächsten Stufe soll sich daher derart an die vorangehende Stufe anschließen, daß sich die Rotation des Teilchens ohne Unterbrechung fortsetzen kann.

Diese Einschränkung ist im Falle einer gleitenden Reibung nicht notwendig.

■ Wie man aus den Zylinderabwicklungen in Fig. 4 ersehen kann, treten die Teilchen aus der Führungsstrecke 20a der Einheit 24a im wesentlichen tangential und mit einem kleinen Winkel bezüglich einer zur Drehachse senkrechten Ebene längs einer Überleitungsstrecke 26 in die gegenläufige Führungsstrecke 20b der Einheit 24b ein und werden dort weiter beschleunigt.

IQ vorrichtung, insbesondere einen stationären, stetig gekrümmten Führungskanal zum Teilcheneinlaß der betreffenden Einrichtung zurückgeführt werden, so daß die Teilchen die betreffende Einrichtung mehrfach durchlaufen und entsprechend mehrfach beschleunigt werden. Zur Auskopplung der Teilchen kann im stationären Führungskanal eine Schleuse, z.B. ein ausschwenkbares Teil des Führungskanals vorgesehen sein. Die Auskopplung kann auch durch eine Beeinflussung der Drehung des oder der Rotoren erfolgen, die bewirkt, daß die auszukoppelnden Teilchen am Einlaß des Rückführungskanales vorbeifliegen.

Fig. 4 zeigt, daß ebene Führungsstrecken der dargestellten Art eine lineare Schleuderkaskade ergeben. Bei einer solchen Ausführungsform ist also mindestens ein linear bewegter, schlittenartiger Beschleunigungskörper mit einer in Bewegungsrichtung (Pfeile in Fig. 4) konkaven, vorzugsweise • halbkreisförmigen Führungsstrecke vorgesehen. Die Erläuterungen bezüglich der Ausfuhrungsformen gem. Fig. 2 und 3, die einen oder mehrere rotierende Beschleunigungskörper enthalten, gelten also analog« Der oder die linear bewegten Beschleunigungskörper können durch einen geeigneten, z.B.

magnetischen antrieb in eine hin- und hergehende Schwingungsbewegung um eine Ruhelage versetzt werden und es kann eine phasengerecht®, mehrstufige Beschleunigung (analog zu Fig. 3) mit oder ohne mäbüaches Durchlaufen der Führungsstrecke(n) durch phasengerechte Teilchenrückführung stattfinden.

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Die vorliegenden Einrichtungen können überall dort angewendet werden, wo es auf die Bereitstellung von Teilchen mit großer Geschwindigkeit und hoher Repetitionsrate sowie geringer Richtungsstreuung ankommt. Insbesondere eignen sich die vorliegenden Einrichtungen für die Brennstoffzufuhr und die Brennregelung von Fusionsmaschinen. Ferner können die vorliegenden Einrichtungen als Hilfsmittel für die Diagnostik an Plasmamaschinen der jetzigen und zukünftigen Generationen sowie an Fusionsreaktoren eingesetzt werden. Die Größe der hierbei verwendeten Wasserstoffpellets liegt im allgemeinen in der Größenordnung von einigen Kubikmillimetern.

Claims

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DJPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARlA-TMfRESlA-STHASSE 22 POSTFACH 66 02 60

D-aOOO MUENCHEN 06

ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

EUROPtAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES IN BfIEVETS EUIU)PEENS

TELEFON 089/4 70 00 TELEX 522 638 TELEGRAMM SOMBEZ

Jl 1041 Dr.v.B/Schä

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. ,
Bunsenstrasse 10, 3400 Göttingen

Einrichtung zum mechanischen Beschleunigen makroskopischer Teilchen

Patentansprüche

1 ο Einrichtung zum mechanischen Beschleunigen makroskopischer Teilchen auf hohe Geschwindigkeit mit einem rotierenden Beschleunigungskörper, der eine die Beschleunigung bewirkende Kraft auf die Teilchen ausübt und eine von dem Teilchen durchlaufene Führungsstrecke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstrecke (20) im wesentlichen in einer Zylinderfläche (18) verläuft.
2. Einrichtung zum mechanischen Beschleunigen makroskopischer Teilchen auf hohe Geschwindigkeit mit einem linear beweglichen Beschleunigungskörper, der eine die Beschleunigung'bewirkende Kraft auf die Teilchen ausübt, dadurch gekennze ichnet, daß der Beschleunigungskörper eine bogenförmige, in Bei-regungsrichtung konkave Führungsstrecke für die Teilchen
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichnet, daß die Führungsstrecke im wesentlichen halbkreisförmig ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstrecke bei Abwicklung der Zylinderfläche in eine Ebene wenigstens annähernd die Form eines Halbkreises hat.
5. Einrichtung nach Anspruch 1/ 2, 3 oder 4, "

dadurch gekennzeichnet, daß Anfang und Ende der Führungsstrecke (20) auf einer zur Bewegungsrichtung des Beschleunigungskörpers senkrechten Geraden liegen.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1. bis 5, dadurch gekennzeichn et, daß die Führungsstrecke durch einen rohrartigen Kanal gebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadu rch gekennzeichnet, daß an der Teilchenaustrittsseite der Einrichtung (24a) mindestens eine weitere, gleichartige Einrichtung (24b) angeordnet ist; daß sich die Beschleunigungskörper zweier benachbarter Einrichtungen (24a, 24b) in entgegengesetzten Richtungen bewegen; daß die Führungsstrecken (20a, 20b) der beiden benachbarten Einrichtungen so angeordnet sind, daß ein aus der Führungsstrecke (20a) der ersten Einrichtung (24a) austretendes Teilchen in das Eintrittsende der Führungsstrecke (20b) der folgenden Einrichtung (24b) eintreten kann, und daß eine Einrichtung zur Synchronisation der Bewegung der Beschleunigungskörper der beiden Einrichtungen vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine

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1 Rückführungsstrecke, die ein mehrfaches Beschleunigen eines Teilchens durch dieselbe Einrichtung ermöglicht.
9. Einrichtung nach Anspruch 1,

5 gekennzeichnet durch einen Elektromotor mit einem an einer senkrechten, feststehenden Welle (12) angebrachten Stator (10) und einem um diesen drehbar gelagerten Rotor (16), der einen die Führungsstrecke (20) tragenden zylindrischen Mantel (18) hat.