DE3888281T2 - Plasmabündelungsvorrichtung mit feldverzerrendem element. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei Plasmafokussiervorrichtungen. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbesserung der Neutronenausbeute, der Qualität der Stromeinhüllung und der Konsistenz der Leistung einer Plasmafokussiereinrichtung durch Anwendung einer neuartigen Konstruktion für ein Feldverzerrungselement.
• Plasmafokussiervorrichtungen sind Plasma-Koaxialbeschleuniger, die dafür ausgelegt sind, einen Hochstrom-Einschnürungseffekt am Ende eines zentralen Leiters anzuwenden, um hohe Neutronenströme zu erzeugen. Siehe beispielsweise W.H. Bostick, V. Nardi und W. Prior, "Formation and Decay of Vortex Filaments in a Plasma Current Sheath", Proc. Int. Sym. on Dynamics of Ionized Gases (1971). Plasmafokussiervorrichtungen haben auch ein Anwendungsgebiet als gepulste Partikelstrahlbeschleuniger, Plasmabeschleuniger, Röntgenstrahlquellen, Nuklearfusionsreaktoren, Neutronenquellen und Megaampere-Unterbrechungsschalter.
• Bei diesen Vorrichtungen wird üblicherweise ein Plasmafokus mittels zweier koaxialer Elektroden gebildet, zwischen denen sich eine Hülse aus isolierendem Material befindet. Die Isolierhülse umgibt die innere Elektrode eng bis auf Herstellungstoleranzen von üblicherweise weniger als 1 mm und trennt die Anode elektrisch von der Kathode. Diese Elektroden sind üblicherweise in einem Tank angeordnet, der mit einem geeigneten, unter Druck gesetzten Gas, wie Deuterium, gefüllt ist. Die Plasmafokussiervorrichtung verwendet üblicherweise als Energiequelle eine Stromversorgung mit geringer Induktivität, wie eine Kondensatorbank, und ein System aus einem oder mehreren Schaltern geringer Induktivität in den Stromversorgungsleitungen zwischen der Stromversorgung und den Elektroden zur Erzeugung mikrosekundenlanger elektrischer Entladungen mit Megaamperestärke.
• Diese elektrischen Entladungen erzeugen eine stoßerregende Stromeinhüllung (manchmal mit einer gewellten fadenförmigen Struktur). Deuteronen und Neutronen, die in dem eingeschnürten Plasma in der letzten Stufe der Entladung vorhanden sind, werden mit Energien beschleunigt, die um ein Vielfaches höher sind als das angelegte Potential der Stromversorgung. Die Stromeinhüllung wandert über die Länge der Elektroden und schnürt sich in der letzten Stufe am Ende der Elektroden ein, wobei sie typischerweise auf dem Axialbereich der Entladung zusammenbricht. Neutronen werden in dem Plasma typischerweise ausgehend von der Einschnürungsbildung bis zu 50 bis 500 ns nach der Einschnürung erzeugt, was verhältnismäßig lange Neutronenimpulse (20-500 ns) ergibt.
• Eine kritische Rolle bei der Leistungsfähigkeit von Plasmafokussiervorrichtungen spielt die Qualität der Plasma-Stromeinhüllung in dem Zwischenelektrodenspalt der beiden koaxialen Elektroden, wo der Großteil des Zwischenelektrodenstromes konzentriert ist. Die Qualität der Stromeinhüllung wird beschrieben durch die Spitzenstromdichte Jm auf der Einhüllung, den Reziprokwert der Stromeinhüllungsdicke 1/d und die Stromeinhüllungs-Ausbreitungsgeschwindigkeit vs entlang der Elektrodenachse. Die Qualität bestimmt die Effizienz des Prozesses des Konzentrierens und Übertragens der anfänglich in der externen Stromversorgung (z. B. einer Kondensatorbank) gespeicherten Energie auf den Plasmabereich am vorderen Ende (Auslaß) der Elektroden, wo die Stromeinhüllung konvergiert und am Ende der Wanderphase zwischen den Elektroden fokussiert wird. Die Effizienz des Energieübertragungsprozesses steigt normalerweise mit einem Anwachsen der Werte Jm, d&supmin;¹ und vs bei einer gegebenen Stromversorgungskapazität und einem gegebenen Spitzenladungspotential an. In der letzten Stufe der Plasmafokusentladung, wo die Stromeinhüllung auf der Elektrodenachse implodiert, bildet sich ein Plasmastromkanal aus, in dem die Energiedichte um einen Faktor von typischerweise 10&sup8; im Vergleich zu der anfänglichen Energiedichte in der Kondensatorbank erhöht ist.
• Die Verwendung von Feldverzerrungselementen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Plasmafokussiervorrichtungen ist bekannt. Die Verwendung einer eng sitzenden Messerschneide am Einlaßende einer koaxialen Elektrode zur Verbesserung der Plasmafokussierleistungsfähigkeit wurde in der Literatur verwendet und beschrieben. W.H. Bostick, C.M. Luo, V. Nardi, C. Powell, "Measurements on Pinhole Camera Photographs With Particle Detectors And Plasma Focus Optimization", Proc. 4th Int. Workshop On Plasma Focus and Z-Pinch Research, Seiten 128-31 (Warschau 1985); M. Borowiecki et al, "Influence Of Insulator On Plasma-Focus Discharge", Ibid, Seiten 86-89 (Warschau 1985). Bei diesen Anwendungen liegen die Innenfläche der Messerschneide und die scharfe Kante des zylindrischen Messers auf oder sehr nahe an (d. h. bis auf Herstellungstoleranzen von weniger als etwa 1 mm) der Außenfläche der Isolierhülse. Diese Messerschneide mit kleinem Radius erhöht die Neutronenausbeute in Deuterium um einen Faktor von 1,3 bis 2 bei Plasmafokussystemen, welche mit einer Energie von etwa 1 Kilojoule (kJ) bis etwa 100 kJ bei optimalen Betriebsbedingungen arbeiten. Wenn solche Messerschneiden verwendet werden, verbleibt aber eine gewisse Fluktuation "von Schuß zu Schuß" der Leistungsfähigkeit der Plasmafokussiervorrichtung bei wiederholten Impulsen (d. h. "Schüssen") der Vorrichtungen.
• Die US-A-4 596 030 beschreibt beispielsweise eine Plasmaanlage mit einer ringförmigen Messerschneiden-Feldverzerrungseinrichtung (4, Fig. 1) im Zwischenelektrodenspalt. Sie schreibt einen Abstand zwischen dem scharfen Ende der Messerschneide und der Isolierhülsenaußenseite vor, welcher kleiner ist als die mittlere freie Wegstrecke der Elektronen. Die spezielle Lehre ist, daß es wesentlich ist, den Abstand kleiner als die mittlere freie Wegstrecke zu halten, und daher zeigt ein wesentlicher Prozentsatz aller Schüsse jene geringe Neutronen- (und Röntgenstrahlen-)Ausbeute, die mit solchen kleinen Abstandswerten verknüpft ist.
• Es wurde bei der vorliegenden Erfindung entdeckt, daß eine herausragende Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Konsistenz ansonsten optimierter Plasmafokusanlagen auftritt, wenn eine Messerschneide oder ein anderes geeignet konfiguriertes Feldverzerrungselement verwendet wird, das einen relativ größeren Abstand von der Isolatoroberfläche (z. B. 3 mm) hat. Insbesondere wird der spezifische elektrische Widerstand während des Einsetzens der Entladung durch eine Verringerung der Emission von Verunreinigungsionen von der Oberfläche der Isolatorhülse reduziert und die Neutronenausbeute erhöht sich um einen Faktor 5 oder mehr im Vergleich zu dem Fall, wo kein Feldverzerrungselement vorhanden ist, und um einen Faktor von etwa 3 im Vergleich zu dem Fall einer "engen" Messerschneide bzw. Messerschneide mit kleinem Radius nach dem Stand der Technik.
• Erfindungsgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung zur Erzeugung eines dichten Plasmafokus, mit inneren und äußeren Elektroden, die voneinander durch einen Zwischenelektrodenspalt getrennt sind, wobei jede Elektrode ein Einlaßende und ein gegenüberliegendes Auslaßende aufweist, einer Hülse aus Isoliermaterial, die zwischen den Elektroden liegt und die innere Elektrode umgibt, einem gasgefüllten Gehäuse, welches die Elektroden aufnimmt und Deuterium unter einem Druck von 1,333 hPa bis 13,33 hPa (1-10 Torr) enthält, einer Stromversorgung, die zumindest einen Schalter aufweist und über elektrische Leitungen mit den Elektroden elektrisch verbunden ist, und einem elektrisch leitfähigen Feldverzerrungselement im Zwischenelektrodenspalt am Einlaßende der äußeren Elektrode entweder in Form einer zylindrischen Messerschneide, deren Basis mit der Einlaßseite der äußeren Elektrode elektrisch verbunden ist, oder in Form einer Gruppe von gleichmäßig azimutal verteilten Stiften, die sich axial von der Einlaßseite aus erstrecken, wobei die Messerschneide bzw. die Stifte Abstand von der Außenseite der Isolierhülse haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Feldverzerrungselement und der Außenseite der Isolierhülse im Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.
• Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt einer zylindrischen symmetrischen Plasmafokussiervorrichtung.
• Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Teiles der Plasmafokussiervorrichtung von Fig. 1, welche das Feldverzerrungselement der Vorrichtung zeigt.
• Die Fig. 3A-E sind Querschnitte von alternativen Ausführungsformen eines Feldverzerrungselementes.
• Die Fig. 4A-B sind Histogramme des Prozentsatzes an Schüssen als Funktion von Yn. Fig. 4A stellt die Leistungsfähigkeit mit dem Feldverzerrungselement des Standes der Technik dar. Fig. 4B stellt die Leistungsfähigkeit mit dem Feldverzerrungselement einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Diese bevorzugte Ausführungsform verwendet eine J. Mather-Geometrie der koaxialen Elektroden. Bei einem solchen System ist der innere Elektrodendurchmesser kleiner als die Elektrodenlänge. Eine alternative Geometrie ist die nach N.V. Filippov, wobei der Mittenelektrodendurchmesser größer oder etwa gleich der Elektrodenlänge ist. Ein weiteres bekanntes nicht-koaxiales System, bei dem die Entdeckungen Anwendung finden, welche sich auf die Verbesserung von Feldverzerrungselementen beziehen, ist das Z-Einschnürungssystem, bei dem die beiden Elektroden nicht koaxial sind, sondern einander gegenüberliegen.
• Es versteht sich, daß die Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung darin besteht, die Leistungsfähigkeit eines Systems zu verbessern, welches sonst unter oder nahe den optimalen Bedingungen für dieses System arbeitet. Daher sollten dort, wo die vorliegende Erfindung bei einer Geometrie angewandt wird, welche sich von der Plasmafokusgeometrie der bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, die Abmessungen und anderen Parameter des Systems (z. B. der Stromversorgung) bevorzugt so gewählt werden, daß die Leistungsfähigkeit dieses Systems in Abwesenheit der vorliegenden Erfindung optimiert ist. Die Optimierungsbedingungen und -parameter in Abwesenheit der vorliegenden Erfindung sind Fachleuten wohl bekannt. Die vorliegende Beschreibung einer einzigen bevorzugten Ausführungsform gibt die Bedingungen und Parameter für den speziell angeführten Energiepegel an.
• Die angegebenen Abmessungen in Millimetern sind typisch für ein Plasmafokussiersystem, das für den Betrieb auf einem Energiepegel von etwa 5 kJ bei einem Potential von annähernd 14 kV bis zu 10 kJ bei einem Potential von 20 kV optimiert ist. Für höhere Energiewerte sollten abhängig von der Betriebsspannung und den Parametern der Stromversorgung einige Änderungen der Plasmafokussierparameter (Elektrodenradii und -längen) im Einklang mit den Optimierungswerten vorgenommen werden, die Fachleuten bekannt sind und in der Literatur angegeben werden.
• Eine ausführliche Beschreibung von Plasmafokussiersystemen, ihren Konstruktionsmerkmalen und ihren optimierten Betriebsmodus sind in der Literatur beispielsweise in den folgenden Artikeln angegeben, deren Offenbarungen durch Bezugnahme hier aufgenommen werden: J.W. Mather, "Dense Plasma Focus", Method of Experimental appropriate Physics, Band 9, Teil B, Seiten 187-249, H.R. Griem & R.H. Lovberg, Eds. (Academic Press, N.Y. 1971); V. Nardi et al, "Magnetic Field Higher Than 100 MG Produced In The Current Sheath Of A Coaxial Accelerator", Colloques Internationaux C.N.R.S., Nr. 242 - Physique Sous Champs Magnetiques Intenses, Seiten 129-138 (CNRS Paris, Frankreich 1974); Energy Storage, Compression And Switching, Band 1-2, W.H. Bostick, V. Nardi, Eds. (Plenum New York 1976, 1983).
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die nun beschrieben wird, ist eine zylindrische symmetrische Plasmafokussiervorrichtung allgemein unter 1 dargestellt. Sie weist eine innere Elektrode 3 und eine äußere Elektrode 5 auf, die koaxial sind und voneinander durch einen Zwischenelektrodenspalt 7 getrennt sind. Typische Werte für die Abmessungen der Elektroden sind 118 mm und 138 mm Axiallänge für die äußere Elektrode 5 bzw. die innere Elektrode 3, gemessen von der einlaßseitigen Wand 9 aus. Ihre jeweiligen Durchmesser sind 10 cm (id) und 34,3 mm (od). Die Elektroden haben jeweilige Mündungsbzw. Auslaßenden 11 und 13, an denen sich die Stromeinhüllung 15 während des Betriebes der Vorrichtung ausbildet. Eine Hülse 17 aus elektrisch isolierendem Material wie Aluminiumoxid oder Pyrex ist zwischen den Elektroden 3 und 5 angeordnet und umgibt eng (bis auf Fertigungstoleranzen von etwa 1 mm) die innere Elektrode 3.
• Die Elektroden sind in einem Tank 9 eingeschlossen, der (nicht gezeigt) gegenüber der Atmosphäre abgedichtet und mit einem Gas gefüllt ist, das bevorzugt Deuterium enthält, unter einem Druck von 1,333 hPa bis 13,33 hPa (1 bis 10 Torr). Deuterium-Tritium-Gas kann verwendet werden, um die Fusionsereignisse zu maximieren. Gase mit schweren Kernen, wie Argon, können verwendet werden, um die Röntgenstrahlenausbeute zu maximieren. Alternativ kann die äußere Elektrode, wenn sie an beiden Enden entsprechend verschlossen wird, als Entladungsgefäß verwendet werden, so daß kein externer, die Elektroden enthaltender Tank notwendig ist. In diesem Fall schließt die axiale Einschnürung direkt an die äußere Elektrode an, also nicht über den abseits der Achse liegenden Teil der Stromeinhüllung.
• Eine Stromversorgung 19 mit niedriger Induktivität, wie eine Kondensatorbank, ist über Übertragungsleitungen 21 mit den koaxialen Elektroden 3 und 5 über zumindest einen Schalter 23 mit niedriger Induktivität verbunden, der in der Lage ist, megaamperestarke, mikrosekundenlange elektrische Entladungen über die koaxialen Elektroden zu erzeugen. Ein Isolatorstapel von Folien 35 liegt zwischen zwei Stromversorgungsplatten. Ein Isolator 17, z. B. Polyvinylchlorid oder Silikongummi, trennt zwei einlaßseitige Platten 31, 39, von denen jede mit einer der beiden Elektroden 3 und 5 verbunden ist. Die Impedanz der Stromversorgung besitzt eine vernachlässigbare Ohmsche Komponente. Die Induktivität der Stromversorgung ist bevorzugt gleich der Summe der Induktivität der koaxialen Elektroden, der Induktivität der Stromübertragungsleitung 21 und der Induktivität der Schaltmittel 23. Die Gleichheitsbedingung wird üblicherweise während der normalen (d. h. optimierten) Betriebsbedingungen einer Plasmafokussiervorrichtung erfüllt und ist ein Beispiel der Randbedingungen, welche die Parameter eines Plasmafokussiersystems im optimierten Betrieb miteinander verknüpfen.
• Eine Feldverzerrungseinrichtung 25 ist im Zwischenelektrodenspalt am eingangs- bzw. einlaßseitigen Ende angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Feldverzerrungseinrichtung eine zylindrische Messerschneide 27, die üblicherweise eine dickere Basis 29 hat, welche elektrisch mit der Einlaßseite 31 der Außenelektrode 5 verbunden ist und von der Außenfläche 33 der Isolierhülse 17 einen entsprechenden Abstand hat. Es wurde gefunden, daß dieser Abstand ein Kompromiß zwischen der Notwendigkeit ist, daß die Feldverzerrungseinrichtung nahe der Isolatoroberfläche ist, um die Induktivität der beginnenden Stromeinhüllung zu minimieren, und der entgegengesetzten Anforderung an die Feldverzerrungseinrichtung, von der Isolatoroberfläche möglichst weit entfernt zu sein, um die Emission von Verunreinigungsionen (und als ein Effekt die negative Folge eines hohen spezifischen Widerstandes) zu vermeiden. Für diese spezielle Geometrie beträgt der bevorzugte Bereich 2 bis 4 mm.
• Das Nettoergebnis der Verwendung einer kreisförmigen Messerschneide ist neben anderen Vorteilen eine fünffache oder noch größere Erhöhung der Neutronenausbeute pro Entladung aus den D-D-Fusionsreaktionen bei einem ansonsten optimierten System mit einem festen Wert der Energie in der Stromversorgung, der Spitzenspannung auf der Kondensatorbank, des Fülldruckes und der üblichen geometrischen Parameter der Elektroden und Isoliermaterialien, welche Fachleuten bekannt sind, um die Leistung zu optimieren. Diese Erhöhung der Neutronenausbeute qualifiziert die verbesserte Plasmafokussiervorrichtung mit Feldverzerrungselementen als geeignete Neutronenquelle für eine Vielzahl praktischer Anwendungen einschließlich Neutronenradiographieanwendungen.
• Die Verwendung eines Plasmafokus als Neutronenquelle ist eine der wichtigsten Anwendungen. Die Verbesserungen, welche durch die Feldverzerrungseinrichtung der vorliegenden Erfindung eingebracht werden, ergeben sich aber auch bei anderen Anwendungen, wie beispielsweise einer Röntgenstrahlenquelle oder einem Fusionsreaktor (z. B. durch Verwendung einer Mischung aus 50%Deuterium und 50%Tritium). In letzterem Falle beobachtet man, daß sich die Neutronenausbeute um einen Faktor 100 im Vergleich zu der Ausbeute mit einer reinen Deuteriumfüllung erhöht, aber die Vorrichtung hat Nachteile in Bezug auf die Radioaktivitätspegel, die mit dem Tritium verknüpft sind.
• Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn eine Neutronenquelle sehr hoher Intensität erforderlich ist. Die Erfindung kann auch als Trennschalter im Megaampere- und Mikrosekundenbereich verwendet werden.
• Die exakte Form der Feldverzerrungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht kritisch. Sie kann beispielsweise durch diskrete Stifte gebildet werden, die sich axial von der einlaßseitigen Wand aus erstrecken und einen Abstand zur Isolatoraußenfläche 33 einhalten, wie in Fig. 3A dargestellt. 36 Stifte, die gleichförmig azimutal verteilt sind, reichen aus. Andere Ausführungsformen sind in den Fig. 3B-E dargestellt, welche verschiedene Befestigungsarten zeigen (Aufschrauben eines Ringes, Einschrauben einzelner Stifte, und Verbolzen). Die Feldverzerrungseinrichtung wird aus einem leitenden Material gefertigt und kann mit Bolzen oder Schrauben oder jeglichen anderen sicheren und bequemen Mitteln an der einlaßseitigen Wand befestigt werden, einschließlich der Möglichkeit, daß sie ein Vorsprung der Rückplatte ist, welcher ein Teil der Rückplatte selbst ist. Ihre axiale Erstreckungslänge von der einlaßseitigen Wand 9 aus beträgt bei dieser bevorzugten Ausführungsform 2 bis 14 mm und optimalerweise 3 bis 12 mm.
• Eine geeignete kreisförmige Messerschneide kann ein Zylinder aus leitendem Material (wie ein Segment eines Metallrohres) sein mit einer Wanddicke, welche auf das vordere (mündungsbzw. auslaßseitige) Ende hin abnimmt. Die Wanddicke der Feldverzerrungseinrichtung auf der Einlaßseite ist nicht kritisch und kann so gewählt werden, daß sie an die Art der Befestigung der Feldverzerrungseinrichtung an der Plasmafokussierrückplatte angepaßt ist, auf welcher die Außenelektrode befestigt ist. Der Querschnitt der Feldverzerrungseinrichtung in einer Ebene, welche die Elektrodenachse enthält, kann auch ein Dreieck sein oder Dreieckform mit gekrümmten Seiten haben (siehe Fig. 3D). Wie angegeben, kann die Länge der Messerschneide zwischen 2 und 14 mm mit einem Optimalwert zwischen 3 und 12 mm gewählt werden. Wir haben 7 mm für unsere spezielle Geometrie bevorzugt. Eine größere Länge ist im wesentlichen gleichwertig mit einer Verringerung der Länge der Isolierhülse 17 von einem bevorzugten Wert von etwa 55 mm gemessen von der einlaßseitigen Wand, was letztlich die Plasmafokusoptimierungsbedingungen reduzieren kann.
• Die bevorzugte Feldverzerrungseinrichtung 27 der vorliegenden Erfindung umfaßt metallische Einsätze im Zwischenelektrodenspalt eines Plasmafokussiergerätes. Sie schärfen die anfängliche Stromverteilung zum Zeitpunkt des Zusammenbruches auf der Isolierhülse an der Einlaßseite. Dies beeinflußt wiederum die Dicke der Stromeinhüllung in allen darauffolgenden Stufen, vom Abheben der Einhüllung von Isolierhülse bis zur Bildung der Einschnürung und der Stufe des Zusammenbruches der Einschnürung, welche mit den Zeitgrenzen des "offen"-Zustandes eines als Trennschalter verwendeten Plasmafokus zusammenfallen bzw. diese definieren.
• Die Leistungsfähigkeit einer Plasmafokussiervorrichtung als Trennschalter wird von der Rate bestimmt, mit welcher sich die Einschnürung als Folge des sprunghaften Anstieges des nicht-kollisionsbedingten spezifischen Widerstandes in der Stufe der maximalen Kompression der Einschnürung auflöst. Der Stromabfall auf die Hälfte oder weniger des Spitzenwertes in einigen wenigen (10-100) Nanosekunden zeigt an, daß eine Plasmafokussiervorrichtung als Hochleistungstrennschalter für Megaampereströme verwendet werden kann. Die Menge an Energie, die von dieser Art von Schalter absorbiert wird, kann verhältnismäßig klein gemacht werden, indem die Plasmafokussierparameter angepaßt werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Schalters, d. h. das Verhältnis des Zeitintervalles, in welchem der Schalter geschlossen ist, zu der Zeit, während der der Schalter offen ist, kann bei einem Schalter vom Plasmafokustyp wesentlich größer als 10 sein. Auf Megaamperestrom-Betriebsniveau bedeutet dies einen herausragenden Vorteil. Wenn sie als Trennschalter verwendet wird, wird die Plasmafokussiervorrichtung in einen Megaampere-Hochstromschaltkreis so eingebaut, daß der Strom von einer Plasmafokussierelektrode auf die andere über die Stromeinhüllung fließt.
• Eine dünne Stromeinhüllung ergibt sich kritischerweise aus den anfänglichen Bedingungen während des Zusammenbruchs am einlaßseitigen Ende. Für die Zwecke des Betriebes als Trennschalter ist eine dünne Stromeinhüllung günstig, weil eine dünne Einhüllung den anormalen (d. h. nicht-kollisionsbedingten) sprunghaften Anstieg des spezifischen Widerstandes in der Einschnürung optimiert, welcher die Öffnungsfunktion des Schalters kontrolliert. Andere Faktoren stehen damit in Konkurrenz, wie die Ausgasung der Isolierhülse und die Verunreinigungskonzentration im Plasmagas. Allgemein kann ein langsamer Anstieg der Spannung zwischen den Elektroden die Dicke der Stromeinhüllung erhöhen und begrenzt letztlich die Amplitude des sprunghaften Anstieges des spezifischen Widerstandes am Ende und begrenzt damit auch den Vorteil der Plasmafokussiervorrichtung in der Verwendung als Trennschalter.
• Die Verbesserungen, die mit einem Feldverzerrungselement der vorliegenden Erfindung erhalten werden, können aus der Erhöhung der Neutronenausbeute in einer Reihe von tausenden von Plasmafokusschüssen im Vergleich zu einer Referenzreihe von Schüssen unter denselben Bedingungen des Fülldruckes, der Kondensatorbankspannung, der Energie, der Induktivität usw. beobachtet werden. Diese Erhöhung wird im Mittelwert und Maximalwert der D-D-Neutronenausbeute/Schuß, Yn, während des sprunghaften Anstieges des spezifischen Widerstandes der Einschnürung beobachtet.
• Wenn Yn mit dem Spitzenwert der Zeitableitung des Elektrodenstromes in demselben Schuß für eine große Anzahl (etwa 10³) von Schüssen unter ähnlichen Bedingungen verglichen wird, finden wir, daß Yn eine stetig anwachsende Funktion des Spitzenwertes dieser Zeitableitung ist. (Die Zeitableitung des Plasmafokuselektrodenstromes kann mit einer Magnetfeldsonde nahe dem Spalt des Plasmafokushauptschalters gemessen werden). Diese systematische Erhöhung von Yn, die bei den Feldverzerrungselementen der vorliegenden Erfindung beobachtet wird, wird durch entsprechende Änderungen der Zwischenelektroden-Stromeinhüllung (z. B. Einhüllungsdicke) bestimmt. Diese Erhöhung hängt daher mit der Reproduzierbarkeit "von Schuß zu Schuß" der "Stärke" des anormalen, d. h. nicht-kollisionsbedingten, sprunghaften Anstieges des spezifischen Widerstandes in der Einschnürung zusammen. Diese Reproduzierbarkeit ist entscheidend für die Verwendung einer Plasmafokussiervorrichtung im Repetitionsmodus, in welchem eine einzige diffuse Einhüllung in einer Reihe vieler Stromeinhüllungen eine ganze Sequenz von "Öffnungs"-Funktionen des Schalters negativ beeinflussen könnte.
• Bei der vorliegenden Erfindung werden die Fluktuationen "von Schuß zu Schuß" von Yn des Plasmafokussiersystems grundsätzlich beseitigt und Yn wird um den Faktor fünf (5) oder mehr im Vergleich zu einer Reihe von Schüssen ohne Messerschneide und um einen Faktor von mehr als zwei oder drei im Vergleich zu einer Reihe von Schüssen mit einer Messerschneide mit kleinem Radius ("enge Messerschneide") bei gleicher Wahl aller anderen Betriebsbedingungen erhöht. Die Fig. 4A und 4B sind Histogramme, welche die Anzahl der Schüsse zeigen, die ein bestimmtes Yn erreichen, als Funktion von Yn für (a) das Feldverzerrungselement des Standes der Technik und (b) das Feldverzerrungselement der vorliegenden Erfindung. Das Anhäufen der Ereignisse in der linken Seite der Figuren zeigt die relative Unverläßlichkeit des Standes der Technik im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung an.
• Unsere Laborversuche haben eine Erklärung für die wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit eines Plasmafokussiersystems mit einer Feldverzerrungseinrichtung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der Leistungsfähigkeit eines Plasmafokus mit einer engen Messerschneide geliefert. Eine geeignete Messerschneide am einlaßseitigen Ende der Plasmafokussierelektrode bietet die folgenden Vorteile: (i) Sie erhöht das elektrische Feld im Zusammenbruch- (Zwischenelektroden-Entladungsbeginn-) Bereich bei einem festen Wert der angelegten Spannung.
• (ii) Der verhältnismäßig große Radius einer Feldverzerrungseinrichtung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu jenem einer enden Messerschneide hebt die in der Zusammenbruchstufe sich bildende Stromeinhüllung über die Isolatoroberfläche, sowie auch in den darauffolgenden Nachzündungen zu einem späteren Zeitpunkt. Dies reduziert die Emission von Verunreinigungsionen von der Oberfläche der Isolierhülse, hält den spezifischen elektrischen Widerstand auf einem geringen Wert und verhindert ein Anwachsen der Stromeinhüllungsdicke während der Zusammenbruchstufe. Eine anfänglich dünne, hochdichte Stromeinhüllung hat einen sehr starken Effekt auf die gesamte Entwicklung der Stromeinhüllung in allen darauffolgenden Stufen der Entladung und bestimmt die Gesamtleistungsfähigkeit des Plasmafokus.
• (iii) Die Verwendung der vorliegenden Erfindung erhöht das Gasvolumen, in welchem der spitzennahe Wert des elektrischen Feldes die Stromträger (Hintergrundelektronen und positive Ionen) in der Zusammenbruchstufe beschleunigt. Dies sollte dem Spitzenfeldvolumen einer engen Messerschneide gegenübergesetzt werden, bei welcher ein größerer Teil des Bereiches mit hohem elektrischen Feld nahe der scharfen Kante des Messers innerhalb der Isolierhülse liegt. (iv) Die Stromeinhüllung während der Zusammenbruchstufe bildet sich entlang des Pfades minimaler Induktivität aus, d. h. sehr nahe der Isolatoroberfläche.
• Der Abstand der Messerschneide von der Isolatoroberfläche sollte nicht zu klein sein, um die unter (ii), (iii) angeführten Vorteile zu erzielen, kann aber nicht einen Optimalwert (typischerweise zwischen 2 und 4 mm) überschreiten, oberhalb welchem schädliche Auswirkungen auf die Struktur der einsetzenden Stromeinhüllung wegen des Abstandes der im Gas einsetzenden Stromkanäle von dem Pfad minimaler Induktivität auf der Isolatoroberfläche bemerkbar werden.

Claims (9)

1. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung zur Erzeugung eines dichten Plasmafokus, mit inneren (3) und äußeren (5) Elektroden, die voneinander durch einen Zwischenelektrodenspalt (7) getrennt sind, wobei jede Elektrode ein Einlaßende (11, 13) und ein gegenüberliegendes Auslaßende (31) aufweist, einer Hülse (17) aus Isoliermaterial, die zwischen den Elektroden (3, 5) liegt und die innere Elektrode (3) umgibt, einem gasgefüllten Gehäuse, welches die Elektroden (3, 5) aufnimmt und Deuterium unter einem Druck von 1,333 hPa bis 13,33 hPa (1-10 Torr) enthält, einer Stromversorgung (19), die zumindest einen Schalter (23) aufweist und über elektrische Leitungen (21) mit den Elektroden (3, 5) elektrisch verbunden ist, und einem elektrisch leitfähigen Feldverzerrungselement (25) im Zwischenelektrodenspalt (7) am Einlaßende (31) der äußeren Elektrode (5) entweder in Form einer zylindrischen Messerschneide (27), deren Basis (29) mit der Einlaßseite (31) der äußeren Elektrode (5) elektrisch verbunden ist, oder in Form einer Gruppe von gleichmäßig azimutal verteilten Stiften, die sich axial von der Einlaßseite (31) aus erstrecken, wobei die Messerschneide (27) bzw. die Stifte Abstand von der Außenseite der Isolierhülse (17) haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Feldverzerrungselement (25) und der Außenseite der Isolierhülse (17) im Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.

2. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement (25) einen dreieckigen Querschnitt in einer die gemeinsame Elektrodenachse enthaltenden Ebene aufweist.

3. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement (25) gerade Seiten hat.

4. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement (25) gekrümmte Seiten hat.

5. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement (25) eine Wanddicke hat, die in Richtung auf das Auslaßende der Elektroden (3, 5) abnimmt, und eine Länge von 2 mm bis 14 mm aufweist.

6. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement (25) eine Länge von 3 mm bis 10 mm hat.

7. Plasmafokussier-Koaxialbeschleuniger mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1, bei welchem das Feldverzerrungselement aus 36 gleichmäßig azimutal verteilten Stiften gebildet ist.

8. Verwendung des Plasmafokussier-Koaxialbeschleunigers mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1 in der Röntgenstrahllithographie.

9. Verwendung des Plasmafokussier-Koaxialbeschleunigers mit Z-Einschnürung nach Anspruch 1 in der Neutronenradiographie.