DE3628919A1

DE3628919A1 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrizitaet und kurzwelliger strahlung

Info

Publication number: DE3628919A1
Application number: DE19863628919
Authority: DE
Inventors: Edward Victor George
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1985-08-26
Filing date: 1986-08-26
Publication date: 1987-02-26
Also published as: FR2586504A1; GB8620112D0; JPS6264999A; USH407H; GB2179780A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Neutronenreaktionen mit Elementen, die ein niedriges Atomgewicht aufweisen, um elektrische Spannungen und/oder elektromagnetische Strahlung kurzer Wellenlängen zu erzeugen.

US-PS 24 40 167 beschreibt eine Differentialionenkammer zur gesonderten Messung des Flusses langsamer Neutronen und schneller Neutronen sowie Gamma-Strahlen. Die Vorrichtung verwendet drei konzentrisch hohle zylindrische Elektroden C ₁, C ₂ und C ₃, wobei dazwischen eine innere Unterkammer C ₁-C ₂ und eine äußere Unterkammer C ₂-C ₃ gebildet wird, wobei jede ein Volumen von annähernd 800 cm³ besitzt. C ₂ dient als ein geladener Teilchenkollektor (erste Anode) und die Innenoberfläche von C ₃ und die Außenoberfläche von C ₂ sind jeweils mit B oder Li überzogen, um bei Bombardierung mit langsamen Neutronen α-Teilchen zu ermittieren. Eine positive statische Spannung V(C ₁-C ₃) = 360-1195 Volt wird an die Elektroden C ₁ und C ₃ angelegt und die Elektrode C ₂ ist elektrisch mit dem Vorrichtungsgehäuse verbunden, wobei V(C ₁-C ₂) ≅ 360 Volt. Jede Unterkammer ist mit einem inerten Gas, wie beispielsweise He oder Ar gefüllt, und zwar mit gleichen Drücken p ≅ 1 Atm. Ein im Unterkammergas laufendes Neutron oder Gamma-Teilchen kann zusätzlich geladene Teilchen, wie beispielsweise He^+1,2, e^- und negative Ionen erzeugen. In der Unterkammer C ₁-C ₂ (C ₂-C ₃) auf diese Weise erzeugte Elektronen und negative Ionen wandern zu C ₁ (C ₂), und zwar infolge der auferlegten Potentialdifferenzen und die positiven Ionen bewegen sich in entgegengesetzter Richtung. Die bei C ₂ angesammelte elektrische Nettoladung infolge der schnellen Neutronen oder Gamma-Strahlenreaktionen in den zwei Unterkammern ist Null. Die auf die überzogenen Wände der Unterkammer C ₂-C ₃ auftreffenden langsamen Neutronen werden aber eine negative Überschußladung an C ₂ erzeugen und gestatten die Messung des langsamen Neutronenflusses gesondert von dem Fluß aus schnellen Strahlungsteilchen. Es fließt somit ein Nettostrom von C ₂ nach C ₃. Die Vorrichtung verwendet drei Elektroden und extern aufgeprägte elektrische Potentiale zwischen den Elektroden, um den Fluß aus geladenen Teilchen zu fördern. Die einzig ausgenutzte Kernreaktion ist offenbar n + Li → He⁺⁺ (andere geladene Teilchen) und keine Exzimerreaktionen werden ausgenutzt.

US-PS 24 93 935 beschreibt einen Hochenergieneutronendetektor. Eine Folge dünner, ebener (planarer), paralleler kreisförmiger Scheiben aus Al sind elektrisch voneinander isoliert und mit Abstand voneinander angeordnet, wobei jede Scheibe mit einer dünnen Bi-Schicht (Oberflächendichte ≅ 1 mgm/cm²) überzogen ist, und zwar angeordnet in einer geschlossenen, hohlen Kammer, die Ar-Gas mit einem Druck von p 1 Atmosphäre plus 3% CO₂-Gas enthält. Die Scheiben-Nr. 1, 3, 5, 7, . . . sind sodann elektrisch miteinander verbunden und die Scheiben Nr. 2, 4, 6, 8, . . . sind elektrisch miteinander verbunden; diese beiden Untersätze von Scheiben sind aber elektrisch voneinander isoliert. Eine elektrische Spannung V = 400 bis 800 Volt wird extern auf einen Untersatz dieser Scheiben bezüglich des anderen Untersatzes aufgeprägt. Die Kammer ist offenbar mit einem "Fenster" ausgestattet, und zwar für den Eintritt der Neutronen in einer Richtung grob gesagt senkrecht zu den Scheibenebenen. Die Kollisionen von schnellen Neutronen der Energie E ≦λτ40 MeV mit den in Bi-Atomen in den Scheibenüberzügen bewirkt die Spaltung oder Fission von Bi und die eine hohe kinetische Energie aufweisenden Spaltungs- oder Fissionsfragmente rufen die Mehrfachionisation der Ar-Gasteilchen hervor. Die positiv geladenen Ar-Ionen bewegen sich zu den Scheiben hohen elektrischen Potentials und die negativ geladenen Elektronen bewegen sich zu den abwechselnden Scheiben mit niedrigem elektrischen Potential, auf welche Weise ein elektrischer Strom zwischen abwechselnden Platten erzeugt wird, der gemessen werden kann und der mit dem Fluß aus schnellen Neutronen einfallend auf die Vorrichtung in Beziehung gesetzt werden kann. Der Bi-Überzug kann durch einen Überzug aus Au oder Th oder ein anderes geeignetes Element ersetzt werden, und zwar mit unterschiedlichen Fussionsenergieschwellen. Die beiden oben genannten US-Patente verwenden Überzüge aus spaltbarem Material, wobei das eigentliche Scheibenmaterial derart gewählt ist, daß es einen niedrigen Einfang- oder Reaktionsquerschnitt für schnelle Neutronen besitzt, und wobei ferner ein elektrisches Potential extern auf die Targetscheiben aufgeprägt wird.

US-PS 25 95 622 beschreibt einen Spaltungs- oder Fissionsindikator unter Verwendung von drei dünnen, parallel-ebenen Elektroden, wobei die Mittelelektrode geerdet ist und die zwei äußeren Elektroden ein elektrisches Potential aufgeprägt besitzen, welches gleiche Größe, aber entgegengesetzte Vorzeichen besitzt. Die drei Elektroden sind in einen geschlossenen hohlen Behälter positioniert, der mit einem Edelgas auf einem Druck von p 1 Atmosphäre gefüllt ist. Das Elektrodenmaterial ist ein Metall mit niedrigem Atomgewicht, wenn Teilchen niedriger Energie überwacht werden sollen und es handelt sich um ein Metall mit mittlerem oder höherem Atomgewicht, wenn Teilchen mit hoher Energie überwacht werden sollen. Der Spaltfragmentteilchenstrahl tritt in das Behälterinnere durch ein dünnes Fenster in einer Behälterwand ein und bewirkt die Ionisation des Gases zwischen jedem Paar von benachbarten Elektroden, und die negativ geladenen Teilchen bewegen sich zur Elektrode höheren Potentials, so daß ein Strom zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden hervorgerufen wird. Dies bewirkt einen Stromfluß in einer externen Schaltung, welche die zwei äußeren Elektroden verbindet. Ziel der Vorrichtung besteht darin, die Ionisation zu messen, die durch die Spalt- oder Fissionsfragmente erzeugt wird und die Ionisationseffekte von geladenen Teilchen innerhalb des Behälters sollen entfernt oder ausgelöscht werden. Die Elektrodenplatten sind nicht überzogen oder in anderer Weise mit einem geeigneten Spalt- oder Fissionsmaterial, wie beispielsweise Li⁶ behandelt und es werden keine Exzimerreaktionen ausgenutzt. Die zwischen den Elektroden auftretenden Potentiale werden extern angelegt.

US-PS 30 93 567 beschreibt eine Fissions- oder Spaltreaktionsvorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung in Analogie mit einer thermo-elektrischen Zelle. Eine kleine Masse aus spaltbarem Material bildet die Kathode und eine aus Metall bestehende oder in anderer Weise leitende Oberfläche (gehalten auf einer kühleren Temperatur) bildet die Anode, wobei der Abstand zwischen Kathode und Anode mit einem Ar-Gas auf einem Druck von p ≅ 20 Torr gehalten wird. Spaltfragmente aus dem Kathodenmaterial bewirken eine Ionisation des Ar-Gases (gewünschte Ionendichte: 10¹¹-10¹⁴ Ionen/cm³), wodurch jede Raumladung neutralisiert wird, benachbart zu der (erhitzten) Kathoden-Elektronenemission und gestattet die thermische Elektronenemission ebenda gemäß der Richardson-Dushman-Gleichung

J (Amp/cm²) = AT@Y:2:c exp[-e ϕ _c/k ₈ T _c]
-A = thermiionische Konstante,
ϕ _c = Arbeitsfunktion der Kathode,
T _c = Kathodentemperatur

mit hinreichend hohem T _c (≅2000°K) und hinreichend niedrigem ϕ _c (≅1,6 eV), kann die thermionische Stromdichte in der Größenordnung von 25 Amp/cm² liegen. Die zwischen der heißen Kathode und der kalten Anode erzeugte elektrische Spannung ist dann V _o = ϕ _c - ϕ _a, wobei ϕ _a die an der Anode als Wärme verteilte Elektronenenergie ist; der Energieverlust infolge Plasmawiderstandes wird offensichtlich ignoriert. Die Vorrichtung erzeugt einen Strom mit einer Spaltspannungsdifferenz in der Größenordnung von 2 Volt. Die Erfindung macht die Verwendung von hinreichend spaltbarem Material erforderlich, um eine sich selbst erhaltende Spaltreaktion zu erzeugen und um ein Plasma von hinreichender Ladungsdichte zu erzeugen, um im wesentlichen die Raumladung zu neutralisieren, die sich anderenfalls benachbart zu der ladungsabgebenden Stirnfläche der Kathode entwickeln würde.

US-PS 32 19 849 beschreibt einen Hochspannungselektrizitätsgenerator mit niedriger Stromausgangsgröße unter Verwendung eines aus spaltbarem Material bestehenden Überzugs für die Kathode, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß der Axialaustritt von Spaltteilchen und Sekundäremissionselektronen minimiert wird. Die Vorrichtung weist ein koaxiales Paar von hohlen Metallzylindern auf, die mit Abstand angeordnet sind und wobei zwischen den beiden Zylindern entweder ein Hochvakuum- oder Niederdruck-Inertgas gehalten wird. Der dünne innere Zylinder (Kathode) ist mit einem Überzug ausgestattet, der spaltbares Material, wie beispielsweise U ²³⁵ oder P ²³⁹ enthält. Die Spaltung im Kathodenüberzug tritt durch Wechselwirkung mit einem Strom von Niederenergieneutronen auf, die auf die Kathode auftreffen. Der äußere Zylinder (Anode) ist hinreichend dick, um sämtliche Spaltfragmente und Gamma-Strahlteilchen, die darauf einfallen, einzufangen und ist hinreichend dünn, um für Hochenergieelektronen relativ transparent zu sein, die darauf einfallen, die durch den Beta-Zerfall oder die Compton-Streuung erzeugt werden; eine Anodenwanddicke von 0,001 Zoll aus einem schweren Metall, wie beispielsweise Pt oder Ni oder W wird empfohlen. Innerhalb des Anodenmaterials durch Beta-Zerfall oder Compton-Streuung emittierte Hochenergieelektronen treten vermutlich aus der Anode aus und kommen im Kathodenmaterial oder anderen benachbarten Komponenten zur Ruhe. Die positiv geladenen Spaltfragmente kommen vermutlich im Anodenmaterial oder anderen benachbarten Komponenten zur Ruhe, auf welche Weise eine elektrische Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode erzeugt wird. Eine die Kathoden- und Anoden-Zylinder umgebende Spule erzeugt ein axiales magnetisches Feld, welches bestrebt ist, die von der Kathode emittierten geladenen Teilchen abzulenken und zu diesem Zylinder zurückzuleiten. Die zwischen Kathode und Anode enthaltenen inerten Gasteilchen - wenn überhaupt welche vorhanden sind - werden durch Kollisionen mit den energiereichen Spaltfragmenten ionisiert, die sich von der Kathode zur Anode bewegen; die positiv geladenen inerten Gasionen bewegen sich auch zur Anode auf welche Weise der Strom in diese Richtung geführt wird. Es wird angenommen, daß das durchschnittliche Spaltfragment die meiste oder seine ganze kinetische Energie durch Ionisationskollisionen mit den inerten Gasteilchen verliert, auf welche Weise die Anzahl der positiv geladenen Teilchen erhöht wird, die für die Bewegung zur Anode verfügbar ist. Die Vorrichtung gemäß diesem Patent verwendet ein externes magnetisches Feld für die Steuerung der geladenen Teilchen und ist nicht für die Erzeugung eines hohen Kathoden-Anodenstroms geeignet, der durch Raumladungseffekte beschränkt sein könnte.

Zusammenfassung der Erfindung. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, um Neutronenreaktionen mit Elementen niedriger Atomzahl auszunutzen zur Erzeugung eines Photostroms und einer zugehörigen elektrischen Spannung. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung von Neutronenreaktionen anzugeben, wobei Elemente niedriger Atomzahl Exzimer und zugehörige Strahlung niedriger Wellenlänge erzeugen. Weitere Ziele der Erfindung und Vorteile derselben ergeben sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Um die genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, die gemäß einem Ausführungsbeispiel folgendes aufweist: Einen hohlen, geschlossenen Behälter mit zwei entgegengesetzt angeordneten planaren (ebenen) Wänden, wobei mindestens eine solche Wand eine Dicke von 0,1 mm aufweist und Li⁶ enthält und ein Metall mit einer niedrigen Elektronenarbeitsfunktion und Konstituenten; eine Schirm- oder Siebanode positioniert im Behälterinneren zwischen den beiden entgegengesetzt liegenden planaren Wänden; eine Impedanz oder andere elektrische Last, die die Schirm- oder Siebanode und mindestens eine der entgegengesetzt liegenden planaren Wände verbindet, die das Li⁶ und das eine niedrige Elektronenarbeitsfunktion aufweisende Metall als Konstituenten enthält; ein Edelgas, wie beispielsweise He oder Ne, welches das Innere des Behälters anfüllt und einen Druck von 1 bis 30 Atmosphären aufweist, und eine Quelle von Neutronenenergie E 1 MeV, positioniert außerhalb des Behälters, benachbart zu mindestens einer der entgegensetzt liegenden ebenen Wände, die das Li⁶ und das eine niedrige Elektronenarbeitsfunktion aufweisende Metall als Konstituenten enthält.

Die Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel kann folgendes aufweisen: Eine geschlossene, hohle Kugel mit einem Radius von im wesentlichen 10 M mit einem oder mehreren Winkelsektoren entfernt und mit einer kleinen sphärischen Zone in der Kugelmitte entfernt; das Kugelwandmaterial ist elektrisch leitend und besitzt eine zugehörige elektronische Arbeitsfunktion von nicht mehr als 1,6 eV und hat eine Wanddicke, ausreichend um einen Innendruck von mindestens 100 Atmosphären zu widerstehen; eine oder mehrere dünne Metallanodenplatten sind in dem Kugelinneren benachbart zu und im wesentlichen parallel mit Abstand angeordnet und von der Kugelwand angeordnet, wobei die Anodenplatten aus einem Material bestehen, das eine Elektronenarbeitsfunktion aufweist, die » 1,6 eV ist; schließlich ist eine Impedanz oder eine andere elektrische Last vorgesehen, welche die Anodenplatten mit der Kugelwand verbindet, ein Edelgas, wie beispielsweise He oder Ne füllen das Innere des Behälters mit einem Druck von im wesentlichen 100 Atmosphären; ein Laserfusionstarget ist im wesentlichen in der geometrischen Mitte der Kugel positioniert und eine Quelle von Laserstrahlung von vorbestimmter Frequenz ist außerhalb der Kugel angeordnet und wird positioniert, daß das Laserfusionstarget bestrahlt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung: In den beigefügten Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt, die zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung dienen:

Fig. 1 ist eine schematische aufgeschnitte Ansicht der Vorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Verwendung der Neutronenbestrahlung auf zwei Seiten (wahlweise) dargestellt ist;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem das erste Ausführungsbeispiel mehrere Male angeordnet wird, um eine große elektrische Gesamtspannung zu erzeugen;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der He-Ne-Potentialenergiepegel in unterschiedlichen Zuständen als Funktion des Zwischenatomabstandes (r);

Fig. 4 ist eine schematische geschnittene Ansicht der in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung brauchbaren Vorrichtung;

Fig. 5 sind schematische Ansichten einer Kathoden/Anoden/elektrische Lastanordnung, verwendet für die Erzeugung einer elektrischen Spannung im zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer photovoltaischen Anordnung, verwendet zur Entwicklung einer elektrischen Spannung im zweiten Ausführungsbeispiel.

Im folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Neutronenenergie (E 1 MeV) in einen elektrischen Strom umgewandelt, und zwar gleichzeitig mit der Erzeugung einer elektrischen Spannung und zugleich wird eine im tiefen Ultraviolettbereich liegende Strahlung erzeugt. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei ein Schwarm aus 10 bis 14 MeV Neutronen (n) betrachtet, der auf die eine oder beide entgegengesetzt liegenden Seiten eines geschlossenen, hohlen Behälters 11 auftrifft. Die Behälterseitenwand oder die Seitenwände 13 a und 13 b, auf die die Neutronen auffallen, sind jeweils eine dünne im wesentlichen planare (ebene) Metallkathode, jedoch mit der Dicke h und eine im wesentlichen planare (ebene) Schirm- oder Siebanode 15 ist parallel zu und annähernd mit dem gleichen Abstand von den beiden Kathoden, wie gezeigt, dargestellt. Jede der Kathoden enthält ein ein niedriges Atomgewicht besitzendes Element, wie beispielsweise Li⁶ als einen Bestandteil. Die energiereichen Neutronen kollidieren mit den Li⁶-Teilchen in den Kathoden und erzeugen ionisierendes Helium und Tritium gemäß Reaktionen, wie der folgenden:

n + Li⁶ → He⁺⁺ + T⁺ + 3e ^-.

Die Dicke Δ h jeder Kathode wird derart gewählt, daß der mittlere freie Pfand von He⁺⁺ und T⁺, der auf diese Weise erzeugt wird, größer ist als Δ h. Der mittlere freie Weg oder Pfad eines Alpha-Teilchens in einem Metall mit einer effektiven Atomladung Z wird wie folgt abgeschätzt:

(He⁺⁺) ≅ 10^-1/Z ² (cm),

so daß die Dicke jeder Kathode wahrscheinlich Δ h ≦ωτ 0,1 mm sein muß.

Ein substantieller Anteil (Fraktion) (≦λτ50%) der energiereichen He⁺⁺ und T⁺-Ionen tritt in das Innere des Behälters 11 ein, wo sie auf einem Hochdruckgas (P = 1 bis 30 atm.) 17 auftreffen, wie beispielsweise He, Ne oder Ar. Die He⁺⁺- und T⁺-Ionen, die in das Behältergas eintreten, geben Energie an das Gas ab und erzeugen zusätzlich geladene Teilchen und angeregte Zustände durch den "Coulomb drag" (die Coulomb-Verzögerung) und ein Plasma wird gebildet. Das Plasma strahlt tief ultraviolette Photonen (h = 10 bis 20 eV) und viele derselben treffen auf die benachbarten Metallkathoden auf und ejekzieren Photoelektronen mit einer Energie, bestimmt durch

eV = h _ν - ϕ _work (Arbeit)
h = die repräsentative Photonenenergie 10 bis 20 eV,
ϕ _work = die Kathodenmaterialarbeitsfunktion 1,6 bis 5 eV.

Die Spannung V entsprechend den ejektzierten Photoelektronen wird ferner durch das Produkt IR _Plasma des Stromflusses I (von der Kathode weg und zur Schirmanode hin, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist) und der Plasmawiderstand R _Plasma zu einer resultierenden Spannung wie folgt reduziert:

V _r = V - JR _{Plasma, spezifisch}

Der spezifische Plasmawiderstandswert wird hier als sehr niedrig erwartet (R ≦ωτ 0,3 Ohm · cm²), und zwar wegen des Vorhandenseins des Plasmas im Behältergasvolumen. Das Produkt IR _Plasma ist nicht größer als 3 Volt für J 10 Ampere/cm², wenn der Behälterraum durch das Plasma neutralisiert ist; die sich ergebende entwickelte Spannung ist dann V _R = 5 bis 15 Volt. Wenn man eine Impedanz oder eine andere elektrische Last 19 zwischen Siebanode und Metallwandkathode anordnet und damit verbindet, so wird eine elektrische Spannung an der Last zwischen Kathode und Anode erzeugt. Die Wirkung ist analog zu der einer gasgefüllten Photodiode und das Vorhandensein des Plasmas vermeidet Raumladungsbegrenzungen beim Stromfluß von Kathode zu Anode im Behältergas.

Um ein Neutron mit einer anfänglichen kinetischen Energie E ≅ 10 MeV zu stoppen oder wesentlich zu verzögern, würde man eine Äquivalentdicke des Kathoden-Anodenmaterials von mindestens 25 bis 50 cm metallischen Materials benötigen. Man kann somit den Kathoden/Anoden/Gas-Grundbehälter mehrere Male hintereinander anordnen, wobei benachbarte Einheiten in Fig. 2 gezeigt verwendet werden und man wiederholt die oben beschriebene Folge von Ereignissen mehrere hundert Male im wesentlichen gleichzeitig. Dies verbessert die Effizienz der Energieumwandlung des Neutronenschwarms, und da sich die ergebenden Spannung UV additiv sind, ist die sich ergebende Nettospannung von einem Ende der hintereinandergeschalteten Struktur bis zum anderen Ende in der Größenordnung von 1 kV.

Das Vorhandensein von He⁺-Ionen im Behältergasvolumen kann die folgenden Reaktionen fördern:

Fig. 3 zeigt schematisch die Energieniveaus der angeregten Monomere und Dimere (Exzimer), die interessieren, nämlich He* und He₂*. Der He₂*-Exzimer wird vorzugsweise in He + He dissoziieren, und zwar in Anwesenheit eines dritten Teilchens (beispielsweise He) mit Emission von UV-Strahlung mit einer Wellenlänge λ _d ≅ 840 Å (E = 14,7 eV); dies repräsentiert ungefähr 60% der internen Energiebindung der zwei He-Teilchen. Die Strahlung der Wellenlänge λ = 640 Å, die ebenfalls im Fall gemäß Fig. 3 erzeugt wird, wird strahlungseingefangen und wird wahrscheinlich vom Behälter nicht mehr emittiert. Wenn Neon oder Argongas anstelle von Heliumgas im Behälter verwendet wird, so würde die UV-Strahlung mit einer Wellenlänge λ _d ≅ 1100 Å (E = 11,3 eV) oder λ _d ≅ 1300 Å (E = 9,5 eV) erscheinen, und zwar mit ungefähr der gleichen Umwandlungseffizienz. Somit kann annähernd 60% Umwandlungseffizient eine tiefe UV-Strahlung (E = 9,5 bis 14,7 eV) erzeugt und vom Behälter emittiert werden. Ein großer Teil dieser Strahlung kann zu in situ Eperimenten innerhalb des Behälters 11, wenn gewünscht, verwendet werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht auch die elektrische Energieerzeugung vor und die damit in Hand gehende Entwicklung einer elektrischen Spannung aus schnellen Neutronenreaktionen. Fig. 4 zeigt eine geschlossene, hohle Sphäre (Kugel) 21 mit einem hinreichend dicken Mantel 22, um Innendrücken von mindestens p = 100 Atmosphären zu widerstehen. Das Kugelinnere ist mit einem Edelgas oder einem anderen inerten Gas, wie beispielsweise He oder Ne gefüllt, und zwar mit einem Druck von im wesentlichen p = 100 Atmosphären. Der Innendurchmesser der Kugel sollte mindestens d = 20 M sein und sollte einen oder mehrere gewidmete Sektoren 23 aufweisen, um eine Folge von Fusionstargets T (und gesondert zwei oder mehr Fusionslaserstrahlen h _L) an die geometrische Mitte der Kugel zu liefern, wo die laserinduzierte Fusion auftritt. Die Targetfusion erzeugt eine Vielzahl von Hochenergieneutronen (n), die durch das Edelgas sich bewegen und mit diesem kollidieren und Reaktionssequenzen wie die folgenden erzeugen:

Wird Ne für He substituiert, so wird Strahlung mit der Wellenlänge λ ≅ 1100 Å aus dem Ne₂*-Zerfall erzeugt.

Nimmt man einen Reaktionquerschnitt von σ(n, He) = 10^-24 cm² an, so ist der mittlere freie Weg zwischen Kollisionen eines energiereichen Neutrons mit He-Teilchen gleich λ = 1/N σ = 370 cm, so daß im wesentlichen die ganze Neutronenenergie (n, He)-Kollisionen innerhalb des Gases absorbiert wird, bevor ein Neutron die Wand der Kugel erreicht. Wie oben erwähnt, haben die He oder He⁺ oder He⁺⁺ oder He₂⁺-Gasteilchen keine elektronischen Zustände, die durch Strahlung der Wellenlänge λ = 840 Å angeregt werden könnten, so daß das He-Gas im wesentlichen für diese Strahlung transparent ist. Nur bescheidenes Rayleight-Streuen der Strahlung tritt innerhalb des Gases auf, so daß der größte Teil der Strahlung (Photonenenergien bis zu 14,5 eV) schließlich die Kugelwände erreichen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 laufen diese Photonen sämtlich durch eine erste Schicht aus dünnen Anodenplatten 25, und zwar positioniert benachbart und im wesentlichen parallel zu den Kugelwänden und mit Abstand angeordnet demgegenüber in dem Kugelinnenraum. Die Photonen treffen sodann (und erhitzen schwach) eine dicke Metallkathodenschicht 27 (die Kugelwand), die in ihrer Masse mit Cs, Th, Ba-Oxid, Sr-Oxid oder einem ähnlichen geeigneten Atommaterial behandelt ist, um die Arbeitsfunktion des Metallkathodenmaterials auf ≦ωτ 1,6 eV zu reduzieren. Vorzugsweise hat das die dünnen Anodenplatten 25 bildende Material eine Arbeitsfunktion ϕ _a » 1,6 eV bei den Arbeitstemperaturen. Die Photonen streuen an Atomen oder Molekülen innerhalb des Kathodenmaterials. Wenn die Photonenenergie der folgenden Ungleichung genügt:

h ≦λτE _F + ϕ _a,

wobei E _F das Fermi-Niveau der Elektronen in dem Kathodenmaterial ist, so wird jedes Photon innerhalb des Kathodenmaterials eines oder mehrerer Photo-Elektronen erzeugen, die aus dem Kathodenmaterial austreten und zu der einen oder der anderen der Anoden 25 laufen, auf welche Weise eine Potentialdifferenz an der Kathodenanodenschaltung (Fig. 5) erzeugt wird. Wenn die Elektronenarbeitsfunktion des Anodenmaterials mit »1,6 eV gewählt wird, so werden die Photoelektronen vorzugsweise im Kathodenmaterial vis-a-vis zum Anodenmaterial erzeugt und werden dort vorzugsweise austreten, so daß der Elektronenfluß von den Kugelwänden zu den Anodenplatten vorherrschen wird.

Jede Anodenplatte 25 ist innerhalb der Kugel derart positioniert, daß der Raum 26 zwischen jeder Anodenplatte und der benachbarten Kugelwand 27 ebenfalls mit dem Edelgas auf p = 100 atm. Druck gefüllt ist. Der Abstand d ₁ (= 10 bis 50 μm) zwischen Anodenplatte und Kugelwand in den Fig. 5 und 6 ist derart klein gewählt, daß die meisten der durch die Kathode emittierten Photoelektronen nur eine bescheidene Anzahl von Streuungen durch die Edelgasteilchen in dem Raum erfahren wird, der Anode und Kathode trennt und diese Photoelektronen werden schließlich eine der Anodenplatten 25 erreichen und dort absorbiert werden.

Eine angenäherte Beziehung für die durch ein Targetfusionsereignis erzeugte Leistung wird gegeben durch:

P = (η _el Q - 1/η _Laser) E _L _prf.
η _el = elektrische Energieumwandlungseffizienz (hier mit 0,4 angenommen)
Q = Fusionstargetenergiegewinn (hier mit 80 angenommen),
η _Laser = Laserenergieeffizienz (hier mit 0,05 angenommen),
E _L = an das Target gelieferte Laserenergie (hier mit 1 MJ angenommen),
_prf = Targetfusionsimpulswiederholfrequenz.

Wenn eine Gigawatt Leistung hier erforderlich ist, so muß die Targetfusionsimpulswiederholfrequenz mindestens _prf = 83 Hz sein, das wahrscheinlich mit der derzeitigen Technologie erreichbar ist.

Gemäß Fig. 5 sind die Anodenplatten benachbart zur Kugelwand aus der sehr dünnen Platten aus einem leichten Metall, wie beispielsweise Al hergestellt, und zwar mit einer Querfläche von 2 bis 100 cm², wobei benachbarte Anodenplatten mit Abstand angeordnet sind, und zwar mit einem kleinen Abstand, bestimmt durch die statischen Spannungsabstandserfordernisse für zwei derartige benachbarte Platten. Die Anodenplatten selbst können sehr dünn (≦ωτ100 μm Dicke) ausgebildet werden, da die Platten kein irgendwie geartetes Druckdifferential über ihre Oberfläche hinweg aufnehmen müssen.

Gemäß Fig. 6 kann man die Kathoden-Anoden-Anordnung der Fig. 5 durch eine photovoltaische Anordnung 25 ersetzen, die benachbart, aber mit Abstand angeordnet ist, gegenüber der Kugelwand 27, und zwar mit einer Folge von Dioden 29, die die photovoltaischen Anordnungsmittel 25 und die Kugelwand 27 elektrisch verbinden. Die photovoltaischen Mittel 25 sollten vorzugsweise eine Radialdicke von mindestens zwei mittleren freien Wegen für die Absorption der Photonen der charakteristischen Energie h _d besitzen. Wenn ein Photostrom in 25 erzeugt wird und durch die Diode (wahlweise) oder die andere elektrische Last sich bewegt, so kann eine beträchtliche elektrische Spannung zwischen den photovoltaischen Mitteln 25 und der Kugelwand 27 erzeugt werden.

Die Verwendung der photovoltaischen Anordnung der Fig. 6 bietet bestimmte Vorteile gegenüber der Verwendung der Kathoden-Anoden-Anordnung der Fig. 5. Als erstes sind die photovoltaischen Mittel in der Lage, sich selbst durch Anlassen in der Umgebung aus hohem Gamma-Fluß und hohem Neutronenfluß zu reparieren. Höhere Photonenflüsse erzeugen einen entsprechenden höheren Strom ohne irgendwelche direkten schädlichen Effekte. Zum zweiten ist der an den Dioden entwickelte Strom nicht raumladungsbegrenzt, wohingegen der von der Kathode zur Anode in Fig. 5 fliessende Strom in dieser Weise begrenzt ist. Für einen Betrieb im stetigen Zustand ist die Leistungsumwandlungseffizienz für den photovoltaischen Prozeß annähernd folgende:

η = F _f I _sc V _oc/P _in, dabei ist
F _f (≅0,8) = photovoltaische Systemfüllfaktor,
I _sc = der Kurzschlußstrom des Systems
V _oc = die Leerlaufspannung des Systems (≅0,85 E _{spalt oder gap})
P _in = die Leistungseingabe zum System,
E _gap = der Energiespalt des geeigneten photovoltaischen Halbleiters (≅1,45 bis 5 eV).

Um die höchste verfügbare Umwandlungseffizienz (20 bis 50%) für die verwendeten Photonenenergie zu erhalten, könnte man ein Halbleitermaterial verwenden mit einem Wert von E _gap so hoch wie möglich (beispielsweise Diamand oder ZnS mit einem E _gap = 5,4 bzw. 3,9 eV), und zwar in Übereinstimmung mit anderen physikalischen Erfordernissen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Es werden Verfahren und zugehörige Vorrichtungen angegeben zur Verwendung bei Kollisionen von eine hohe Energie besitzenden Atomen und Ionen aus He, Ne oder Ar miteinander oder mit eine hohe Energie besitzenden Neutronen, um kurzwellige Strahlung (λ ≅ 840 bis 1300 Å) zu erzeugen, die zur Erzeugung von Kathoden-Anoden-Strömen oder photovoltaischen Strömen verwendet wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein hohler, geschlossener Behälter mit mindestens einer im wesentlichen ebenen Wand, die Li⁶ und einen metallischen oder anderen elektrischen Leiter aufweist mit einer zugehörigen Elektronenarbeitsfunktion ϕ _c = 1,6-6 eV, wobei die ebene Wand als eine Kathode dient,
eine Schirmanode, angeordnet im Behälterinneren an einer Stelle mit Abstand angeordnet gegenüber und im wesentlichen parallel zu der im wesentlichen ebenen Wand, wobei das Anodenmaterial ein Metall oder ein anderer elektrischer Leiter ist,
eine Impedanz oder andere elektrische Last, die die Kathode und die Schirmanode verbindet,
ein inertes Gas, gehalten auf einem Druck von 1-30 Atmosphären, wobei das Gas das Innere des Behälters ausfüllt, und
eine Energiequelle energetischer Neutronen mit mindestens 10 MeV, positioniert außerhalb des geschlossenen Behälters und benachbart zu einer der im wesentlichen ebenen Wände.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der hohle, geschlossene Behälter ferner eine zweite im wesentlichen ebene Wand aufweist, die Li⁶ und ein Metall oder einen anderen elektrischen Leiter aufweist mit einer zugehörigen Arbeitsfunktion ϕ _c = 1,6-6 eV, wobei die zweite ebene Wand ebenfalls als eine Kathode dient und mit Abstand angeordnet ist gegenüber und im wesentlichen parallel verläuft zu der ersten ebenen Wand und der Schirmanode, so daß die Schirmanode zwischen der ersten ebenen Wand und der zweiten ebenen Wand positioniert ist, und
ferner mit einer zweiten Impedanz oder elektrischen Last, die die Schirmanode und die zweite Kathode verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das inerte Gas einer He, Ne und Ar enthaltenden Klasse entnommen ist.

4. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Spannung und elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 840 Å oder höher, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen eines hohlen, geschlossenen Behälters mit mindestens einem im wesentlichen ebenen Wand, die Li⁶ und einen metallischen oder anderen elektrischen Leiter aufweist, und zwar mit einer zugehörigen Elektronenarbeitsfunktion ϕ _c = 1,6-6 eV,
Vorsehen einer Schirmanode im Behälterinneren an einer Stelle mit Abstand angeordnet gegenüber von und im wesentlichen parallel zu der im wesentlichen ebenen Wand, wobei das Schirmanodenmaterial ein metallischer oder anderer elektrischer Leiter ist,
Vorsehen einer Impedanz oder anderen elektrischen Last, die die im wesentlichen ebene Wand und die Schirmanode verbindet,
Vorsehen eines inerten Gases wie He oder Ne oder Ar, und zwar gehalten auf einen Druck von 1 bis 30 Atmosphären im Behälterinneren,
Leiten eines Strahls von Energie aus energiereichen Neutronen mit mindestens 10 MeV auf die im wesentlichen ebene Wand des Behälters,
Zulassen der Kollision der energiereichen Neutronen mit den Li⁶-Teilchen der im wesentlichen ebenen Wand, um Hochenergieheliumionen durch Reaktionen, wie die folgende zu erzeugen: n + Li⁶ → He⁺⁺ + (H³)⁺ + 3e^-, Gestatten, daß die durch die n + Li⁶-Rekationen erzeugten Hochenergieheliumionen mit den inerten Gasteilchen reagieren, um Ionen und Exzimer und kurze Wellenlängenstrahlung durch Reaktionen wie die folgenden zu erzeugen: Vorsehen von einem oder mehreren Strahlungsfenstern in dem geschlossenen Behälter, benachbart zu dem inerten das im wesentlichen transparent für die Strahlung der Wellenlänge λ _d = c/ _d ist,
Zulassen, daß ein erster Teil der Dissoziationsstrahlung der Wellenlänge λ _d aus dem geschlossenen Behälter durch die Strahlungsfenster austritt,
Zulassung, daß ein zweiter Teil der Dissoziationsstrahlung der Wellenlänge λ _d auf die benachbarte im wesentlichen ebene Wand auftrifft und Photoelektronen der Energie 10 bis 20 eV ejiziert, und
Gestatten, daß die durch die im wesentlichen ebene Wand ejekzierten Photoelektronen zur Schirmanode laufen und ein ein elektrischer Potentialdifferenz zwischen der im wesentlichen ebenen Wand und der Schirmanode erzeugen.

5. Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine hohle, geschlossene elektrisch-leitende Kugel mit einem Radius von im wesentlichen 10 M, wobei aus der Kugel eine oder mehrere Winkelsektoren entfernt sind und eine kleine sphärische Zone in der Kugelmitte entfernt ist, um die Positionierung eines Laserfusionsziels oder -targets an der Kugelmitte zu gestatten, und wobei des Kugelwandmaterial eine zugehörige Arbeitsfunktion von im wesentlichen 1,5 eV besitzt,
eine oder mehrere dünne, elektrisch-leitende Anodenplatten, positioniert im Kugelinneren, benachbart zu und mit Abstand angeordnet von und im wesentlichen parallel zu der benachbarten Kugelwand, wobei jede solche Platte eine zugehörige Elektronenarbeitsfunktion besitzt, die »1,6 eV ist,
eine Impedanz oder andere elektrische Last, die jede Anodenplatte und die benachbarte Kugelwand verbindet,
ein im inneren der hohlen Kugel enthaltene inertes auf einem Druck von im wesentlichen 100 Atmosphären gehaltenes Gas,
ein im wesentlichen in der Mitte der Kugel angeordnetes Fusionstarget, und
ein auf das Laserfusionstarget fokussierter Laserstrahl.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das inerte Gas der aus He und Ne bestehenden Klasse entnommen ist.

7. Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine hohle, geschlossene elektrisch-leitende Sphäre (Kugel) mit einem Radius von im wesentlichen 10 M, wobei der Kugel ein oder mehrere Winkelsektoren entnommen sind und mit einer kleinen sphärischen Zone in der Kugelmitte entfernt, um die Positionierung eines Laserfusionstargets in der Kugelmitte zu gestatten,
eines oder mehrere photovoltaische Mittel, deren jedes eine Platte aus Halbleitermaterial aufweist, und zwar mit einem Bandspalt von mindestens 1,45 eV und mit einer oder mehreren Dioden oder anderen elektrischen Lasten, welche die Halbleiterplatte und die Kugelwand verbinden und für normalen Stromfluß vom Halbleiter zur Kugelwand orientiert sind, wobei jede Halbleiterplatte vom Kugelinneren benachbart zu mit Abstand von und im wesentlichen parallel zu der benachbarten Kugelwand angeordnet ist,
ein im Inneren der hohlen Kugel enthaltenes auf einem Druck von im wesentlichen 100 Atmosphären gehaltenes inertes Gas,
ein Fusionstarget, positioniert im wesentlichen in der Mitte der Kugel, und
ein auf das Laserfusionstarget fokussierter Laserstrahl.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das inerte Gas der He und Ne enthaltenen Klasse entnommen ist.

9. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen einer hohlen, geschlossenen Kugel mit einem Radius von im wesentlichen 10 M, wobei einer oder mehrere Winkelsektoren entfernt sind und eine kleine sphärische Zone in der Kugelmitte entfernt ist, wobei ferner das Kugelwandmaterial elektrisch-leitend ist und eine zugehörige Elektronenarbeitsfunktion von nicht mehr als 1,6 eV aufweist und eine Wanddicke besitzt, die ausreicht, um einem Innendruck von mindestens 100 Atmosphären zu widerstehen,
Vorsehen von einer oder mehreren dünnen, elektrisch-leitenden Anodenplatten, positioniert im Kugelinneren, benachbart zu mit Abstand angeordnet von und im wesentlichen parallel zu der benachbarten Kugelwand, wobei jede Anodenplatte eine assoziierte Elektronenarbeitsfunktion von »1,6 eV besitzt,
Vorsehen einer Impedanz oder einer anderen elektrischen Last, die die Anodenplatte und die benachbarte Kugelwand verbindet,
Vorsehen eines inerten Gases aus He und Ne im Kugelinneren mit einem Druck von im wesentlichen 100 Atmosphären,
Vorsehen eines Fusionstargets im wesentlichen in der Mitte der Kugel,
Bestrahlung des Fusionstarget mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer Vielzahl von schnellen oder Hochenergieneutronen der Energie 10 MeV,
Zulassen, daß sich die Hochenergieneutronen hindurchbewegen und mit den Atomen und Molekülen des inerten Gases X kollidieren, um Ionen und Exzimer und kurzwellige Strahlung zu erzeugen, und zwar durch Reaktionen wie beispielsweise: Zulassen, daß die auf diese Weise erzeugte elektromagnetische Strahlung auf der Wellenlänge λ _d=c/ _d durch eine oder mehrere der Anodenplatten läuft und auf die Kugelwand auftrifft, um so eine Vielzahl von Photoelektronen zu erzeugen, die sich von der Kugelwand zu den Anodenplatten bewegen, auf welche Weise eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Kugelwand und der Anodenplatte erzeugt wird.