DE1184429B - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit gerichteter translatorischer Energie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOIj

Deutsche Kl.: 21g-21/01

Nummer: 1184 429

Aktenzeichen: L 38170 VIII c/21 g

Anmeldetag: 10. Februar 1961

Auslegetag: 31. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft einen Plasmabeschleuniger, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschleunigen einer ionisierten Gasmenge auf hohe Geschwindigkeit.

Plasmabeschleuniger beruhen grundsätzlich auf den gleichen Voraussetzungen wie Elektromotoren und werden deshalb wie diese in Gruppen eingeteilt, die den Hauptschlußmotoren, Nebenschlußmotoren und Induktionsmotoren entsprechen. Jede dieser Gruppen hat ihre bestimmten Vor- und Nachteile, so daß es auf den Verwendungszweck ankommt, welche Gruppe am besten geeignet ist.

Der Hauptschlußplasmamotor wirkt auf die Plasmawolke durch Wechselwirkung des im Plasma fließenden Stromes mit dem durch denselben Strom erzeugten Magnetfeld, während im Nebenschlußmotor sowohl der Strom im Plasma als auch der das Magnetfeld erzeugende Strom durch äußere Mittel aufrechterhalten werden. In beiden Fällen wird kein bewegtes Magnetfeld verwendet, sondern das Magnetfeld steht fest. Zwar kann die Feldstärke pulsieren, aber es entsteht keine magnetische Wanderwelle.

Bei den Plasmabeschleunigern der dritten Art, die in der Betriebsweise einem Induktionsmotor entspricht, wird der Strom in einem Plasmoid (Plasmawolke) durch Induktion aufrechterhalten, die von einer magnetischen Wanderwelle oder einem translatorisch bewegten, vorzugsweise beschleunigten Magnetfeld erzeugt wird. Diese Art der Plasmabeschleunigung wird auch als magnetischer Kolben bezeichnet. Sie hat den Vorteil, daß der im Plasmoid induzierte Strom eine geschlossene Bahn zurücklegt, weshalb keine Elektroden wie in den bei anderen Beschleunigertypen erforderlichen Geräten notwendig sind. Elektrodenlose Geräte sind aus vielen Gründen günstig: nicht nur tritt keine Erosion der Elektroden auf, sondern auch der an Elektroden stets auftretende Spannungsabfall, der elektrische Energie in nutzlose Wärme umwandelt, ist vermieden. Damit ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad. Ferner lassen sich starke Plasmaströme mit verhältnismäßig schwachen Magnetfeldern erzeugen. So ergeben sich starke Beschleunigungskräfte bei geringen Stromverlusten in den Wicklungen, welche das Magnetfeld erzeugen.

Der Induktionsbeschleuniger oder magnetische Kolben kann auch mit einem Transformator verglichen werden, dessen Sekundärwicklung aus dem Plasma besteht, wobei die Energie durch den Ausstoß der Sekundärwicklung mitgenommen wird. So hat auch der Induktionsbeschleuniger einige Vorteile des Transformators, nämlich hohen Wirkungsgrad, außerordentlich große Zuverlässigkeit, einfachen Bau

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit gerichteter translatorischer Energie

Anmelder:

Litton Industries, Inc., Beverly Hills, Calif.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Siegfried Hansen, Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

und Betrieb und Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Anwendungen.

Bei einem bekannten. Verfahren dieser Art wird zuerst am Eingang der Beschleurrigungsstrecke ein Plasmoid erzeugt und danach das beschleunigte Magnetfeld erzeugt und die Wanderwelle gestartet. Das Plasmoid entsteht hierbei durch Einlaß einer kleinen vorionisierten Gasmenge in ein Rohr und Stoßionisation derselben mittels einer elektrodenlosen Ringentladung. Die Wanderwelle wird in bekannter Weise mittels einer das Entladungsrohr umgebenden Verzögerungsleitung erzeugt.

Das bewegte Magnetfeld erzeugt im Zusammenwirken mit dem im Plasma induzierten Strom eine Fortbewegung des Plasmoids. Bei dieser wie bei sämtlichen bekannten Anordnungen mit magnetischem Kolben wandert aber ein Teil des Plasmoids längs der Mittelachse aus und läuft so immer mehr hinter der beschleunigten Plasmamasse her. Das Magnetfeld wird nämlich durch die Anwesenheit ionisierten Gases in der Beschleunigerachse verzerrt.

Dies läßt sich bei den bekannten Anordnungen nicht immer vermeiden und führt zu einem Energieverlust, da das abwandernde Plasma weniger oder gar nicht beschleunigt wird, so daß sich die Anordnung analog einem undichten Kolben verhält

Demgegenüber ist das Verfahren nach der Erfindung zum Erzeugen von Plasma mit gerichteter translatorischer Energie -durch Beschleunigen eines Plas-

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moids mit Hilfe eines translatorisch bewegten, 14, welche die nötige Energie liefert, um das Plasma insbesondere beschleunigten Magnetfeldes in Form in der Beschleunigungsvorrichtung 12 zu beschleunieiner Wanderwelle, dessen Symmtrieachse mit der gen, so daß sich am Ausgang der Beschleunigungs-Symmetrieachse des Plasmoids zusammenfällt (ma- vorrichtung hohe Plasmaenergien ergeben,
gnetischer Kolben), bei dem am Eingang der Be- 5 Außerdem sind gewöhnlich am Ausgang der Beschleunigungsstrecke ein Plasmoid und das beschleu- schleunigungsanordnung eine Kammer 16 und eine nigende Magnetfeld erzeugt werden und die Wander- Evakuierungsvorrichtung 18 vorgesehen, um die Bewelle gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, daß schleunigungsanordnung auf niedrigem Druck zu ein toroidförmiges Plasmoid erzeugt und als solches halten, damit die hindurchtretenden Teilchen eine beschleunigt wird. 10 genügend große freie Weglänge vorfinden. Ob eine

Der Ringstrom in dem erfindungsgemäß erzeugten solche Evakuierungsanordnung erforderlich ist und

toroidförmigen Plasmoid übt im Zusammenwirken wie sie ausgelegt wird, hängt von dem jeweiligen An-

mit dem bewegten Magnetfeld Konzentrationskräfte Wendungsbereich ab. Wenn die Anordnung z. B. zur

aus, die das Plasma in seiner ringförmigen Gestalt Erzeugung von Höchsttemperaturen dienen soll, so

erhalten. Diese Kräfte verhindern einen Zusammen- 15 sind Pumpen erforderlich, während bei ihrer Anwen-

bruch des Toroids; sie entsprechen dem Pincheffekt dung als Schubquelle im luftleeren Raum keine

bei anderen Plasmaanordnungen. Dadurch, daß die solchen Evakuierungsvorrichtungen angebracht wer-

Kraftlinien des bewegten Magnetfeldes durch die den.

Mittelöffnung des Plasmaringes hindurchreichen, Die Plasmaquelle 10 besteht ihrerseits aus einer

kann kein ionisiertes Gas durch die Mittelachse des 20 Gasquelle 20 und einer Ionisationskammer 22, die

»magnetischen Kolbens« nach hinten abwandern. das von der Quelle 20 gelieferte Gas ionisiert und

Ein Plasmabeschleuniger zur Durchführung des somit das Gasplasma erzeugt. Außerdem liefert sie

Verfahrens nach der Erfindung besteht in bekannter das Gasplasma in ringförmiger Gestalt bei Bedarf

Weise aus einer Beschleunigungsvorrichtung in Form an die Beschleunigungsanordnung. Die Gasquelle 20

eines langgestreckten, evakuierten Gefäßes, an dessen 25 kann einfach ein geeignetes Gas bei bestimmtem

einer Stirnseite die Plasmaquelle angeordnet ist und Druck liefern oder auch aus einem Verdampfer be~

das von elektrischen Leitern zwecks Erzeugung des stehen, der einen ionisierbaren Dampf aus einer

Magnetfeldes umgeben ist. Erfindungsgemäß mündet Flüssigkeit erzeugt. Die Art des verwendeten Gases

die Plasmaquelle über eine ringspaltförmige Düse in hängt wieder von den Anwendungen ab. Wenn z.B.

die Beschleunigungsvorrichtung ein. So läßt sich das 3° ein thermonuklearer Reaktor gebaut werden soll, so

gewünschte toroidförmige Plasmoid stoßweise er- besteht das Gas z. B. aus Deuterium, Tritium oder

zeugen. Helium 3, während für einen Windkanal einfach Luft

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich genommen werden kann. Bei anderen Anwendungen

aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfüh- wird man ein Gas mit hohem Molekulargewicht, z.B.

rungsbeispiele an Hand der Zeichnungen. Hierin ist 35 Quecksilberdampf, vorziehen. Dies ist auch bei An-

Fig. 1 ein Blockschaltbild der wichtigsten EIe- Wendung einer Evakuierungsvorrichtung häufig vor-

mente eines Plasmabeschleunigers, teilhaft, da der Dampf kondensiert werden kann und

Fig. 2 ein Schnitt durch eine Ausführungsform so die erforderliche Kapazität der Pumpen herab-

des Plasmabeschleunigers mit den zugehörigen Schalt- gesetzt wird,

elementen in Blockdarstellung, 40 In F i g. 2 ist die Beschleunigungsanordnttng 12

F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung einer Blen- konisch ausgebildet und dient zur Erzeugung von

denscheibe, die bei der Ausführungsform nach Fig. 2 Höchsttemperaturen an einer bestimmten Stelle der

zur Erzeugung periodischer Gasausbrüche verwendet angeschlossenen Kammer 16 durch Beschleunigung

werden kann, periodisch auftretender ringförmiger Plasmamengen,

F i g. 4 die schematische Darstellung einer Be- 45 die aus der Plasmaquelle 10 stammen. Die Plasmaschleunigungsfeldwicklung und der zugehörigen quelle 10 besteht in diesem Falle aus einer Gas-Schaltungselemente, kammer 24, in die ein ionisierbares Gas über eia

F i g. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Absperrorgan 26 eingeleitet und auf einem bestimm-

Feldwicklung, ten Druck gehalten wird, und einer ringförmigen

F i g. 6 eine graphische Darstellung zur Erläute- 50 Düse und Ionisierkammer, die aus einer konischen

rung der Wirkungsweise des Plasmabeschleunigers, Elektrode 28 und einer zugehörigen Grundplatte 30

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer ande- besteht. Diese hat eine entsprechende konische Aas-

ren Ausführungsform des Plasmabeschleunigers, nehmung. Die Elektrode 28 ist in dieser Ausnehmung

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Feldwick- mittels mehrerer Isolierstifte32 befestigt. Mindestens

lungsverteilung bei den Beschleunigern nach Fig. 7 55 einer dieser Stifte ist hohl zur Durchführung eines

und elektrischen Anschlusses 33 zur Anlegung eines

Fig. 9 eine Darstellung eines weiteren Plasma- Ionisationspotentials V₁ an die Elektrode,

beschleunigers. Ferner ist eine mechanische Blende 34 vorgesehen,

In Fig. 1 ist ein Grundsatzschaltbild eines elek- um periodische Gasmengen aus der Kammer24 an

tromagnetischen Plasmabeschleunigers gezeigt, aus 60 der Elektrode 28 vorbeizuleiten. Diese Blende be-

dem das Zusammenwirken der wichtigsten Teile her- steht aus einer Metallscheibe 36, die von einem in

vorgeht. Grundsätzlich umfaßt der Beschleuniger der Kammer 24 angebrachten Elektromotor 38 an-

drei Hauptteile, nämlich eine Gasplasmaquelle 10, getrieben wird. Die Scheibe ist an ihrem Rand mit

die ein geeignetes Gas ionisiert und die Ionen zu- einem oder mehreren Löchern 40 versehen, wie aus

sammen mit den abgetrennten Elektronen in Form 05 Fig. 3 hervorgeht. Diese Löcher dienen zur peri-

eines ringförmigen Plasmas ausstößt, eine rohrförmige odischen Verbindung zweier Kanäle 42 und 44 am

Beschleunigungsanordnung 12, der das Plasma an rechten Ende der Kammer 24 und in der Grundplatte

einem Ende zugeführt wird, und eine Energiequelle 30, so daß sich ein Kanal zum Gasdurchtritt ergSst.

Wie F i g. 2 weiter zeigt, ist die Blendenanordnung ferner mit einem Auslaßkanal 46 verbunden, der zur Abführung etwa an der Scheibe 36 vorbei einsickernden Gases dient, wenn die Scheibe den Kanal 42 verschließt. Hierdurch wird gewährleistet, daß nur durch die Löcher in der Scheibe Gas in die Beschleunigungsanordnung gelangen kann. Ferner ist ein induktives Fühlglied 48 in der Grundplatte 30 am Umfang der Scheibe 36 vorgesehen, das durch in der Nähe der Löcher 40 am Umfang angebrachte ferro- ίο magnetische Einsätze 50 erregt wird. Die vom Fühlglied abgegebenen Impulse dienen zur Synchronisierung der Erregung des Beschleunigers mit dem Umlauf der Blende und damit mit dem Auftreten der einzelnen Plasmamengen am Eingang der Beschleunigungsanordnung.

Die Beschleunigungsanordnung 12 besteht bei der Ausführungsform nach F i g. 2 aus einem inneren Kolben 52 aus Glas oder Keramik, über den eine Vielzahl einzelner Feldwicklungsabschnitte 54-1 bis 54-n geschoben ist. Der Kolben und die Feldwicklungsabschnitte sind kegelstumpfförmig gestaltet. Das breite Ende des Kolbens 52 ist mittels einer Dichtung 56 mit der Grundplatte 30 verbunden, während das schmale Ende des Kolbens dicht mit einem Flansch 58 der Kammer 16 verbunden ist. Hierzu dient eine weitere Dichtung 60.

Die Energiequelle zur Erzeugung des Beschleunigungsfeldes besteht nach F i g. 2 aus einer Vielzahl von Zeitgebern 62-1 bis 62-« und einer entsprechenden Anzahl von Impulserzeugern 64-1 bis 64-n, wobei jeder Zeitgeber und der zugehörige Impulserzeuger mit dem entsprechenden Feldwicklungsabschnitt verbunden ist. Im Betrieb werden die Zeitgeber von einem Impulsentzerrer 67 ausgelöst, der seinerseits durch das Fühlglied 48 gesteuert wird. Die Zeitgeber setzen jeweils nach einem bestimmten Zeitintervall die zugehörigen Impulserzeuger in Betrieb und erzeugen so ein Magnetfeld in der entsprechenden Feldwicklung. Durch entsprechend gewählte Verzögerungen in den einzelnen Zeitgebern läßt sich so ein beschleunigtes Magnetfeld erzeugen.

In F i g. 4 ist schematisch ein Feldwicklungsabschnitt 54 mit dem zugehörigen Zeitgeber 62 und dem Impulsgenerator 64 dargestellt. Der Zeitgeber enthält in bekannter Weise einen kathodengekoppelten monostabilen Multivibrator zur Erzeugung einer einstellbaren Verzögerung. Der Multivibrator enthält zwei Pentoden 66 und 68, deren Kathoden über einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 69 mit Masse verbunden sind und deren Anoden über Anodenwiderstände 70 und 71 an die Anodenspannungsquelle angeschlossen sind. Die Anode der Röhre 66 ist über einen einstellbaren Kondensator 72 mit dem Steuergitter der Röhre 68 verbunden, während das Steuergitter der Röhre 68 seinerseits über einen Widerstand 73 mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist. Der Widerstand 73 und der Kondensator 72 bestimmen die Zeitkonstante des Multivibrators. Das Steuergitter der Röhre 66 ist an eine Eingangsklemme 74 über einen Differenzierkreis 75 angeschlossen, der die negativen Eingangsimpulse differenziert und sie dem Steuergitter der Röhre 66 zuführt, während positive Eingangssignale nicht durchgelassen werden.

Im Betrieb ist die Röhre 66 normalerweise leitend, während die Röhre 68 über den Widerstand 73 eine Sperrspannung erhält. Beim Empfang des negativen Eingangsimpulses wird die Röhre 66 gesperrt und öffnet durch den Anstieg ihrer Anodenspannung die Röhre 68. Durch die bekannte Rückkopplungswirkung wird die Röhre 66 durch den Strom im Kathodenwiderstand 69 gesperrt gehalten, bis das vom Kondensator 72 des Widerstands 73 gebildete i?C-Glied eine Rückkehr des Steuergitters der Röhre 68 auf die Sperrspannung bewirkt. In diesem Zeitpunkt kehren die Zustände der beiden Röhren auf die Ausgangswerte zurück. Die Zeitdauer, während welcher die Röhre 68 leitend ist, kann bekanntlich durch die Werte des Widerstandes 73, des Kondensators 72 und die Vorspannung eingestellt werden.

Der Impulsgenerator 64 enthält eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre 76, deren Steuergitter mit einem Impulstransformator 78 in der Anodenleitung einer Pentode 80 verbunden ist. Das Steuergitter der Pentode ist mit den Anode der Röhre 68 im Zeitgeber 62 über einen Differenzierkreis 82 verbunden.

Die Gasentladungsröhre besitzt einen Anodenwiderstand 84 und ist an einen abgestimmten Ausgangskreis angeschlossen, der aus einem Kondensator 86 und der Primärwindung eines Aufwärtstransformators 88 besteht. Letzterer ist unmittelbar am Feldwicklungsabschnitt 54 angeordnet.

Im Betrieb wird die Stufe 80 normalerweise gesperrt gehalten und spricht deshalb nicht auf den negativen Impuls an, der im Zeitgeber auftritt, wenn der Multivibrator aus dem Ruhezustand gekippt wird. Der negative Impuls dient nur zur Umschaltung des nachfolgenden Zeitgebers in seinen Arbeitszustand. Am Ende des Arbeitszustandes, wenn der Zeitgeber in den Ruhezustand zurückkehrt, wird jedoch der an der Anode der Röhre 68 auftretende positive Impuls durch das Differenzierglied 82 differenziert und öffnet die Röhre 80. Demgemäß wird vom Impulstransformator 78 ein kräftiger positiver Impuls erzeugt, der die Gasentladungsröhre 76 zündet und hierdurch einen Ausgangsimpuls auf den Transformator 88 gibt. Der durch den Kondensator 86 und die Primärwicklung des Transformators 88 gebildete abgestimmte Kreis bewirkt eine Lösung der Gasentladungsröhre nach einer Halbperiode, wenn der Strom durch den Transformator sich umzukehren sucht.

Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators 88 ist mit einer Hochspannungsquelle (ζ. Β. 10 kV) verbunden, während das andere Ende mit der Mittelelektrode 90 einer Funkenstrecke verbunden ist, die sich zwischen zwei Außenelektroden 92 und 94 befindet. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist die Elektrode 92 über die zugehörige Feldwicklung 96 geerdet, während die Elektrode 94 mit einem Hochspannungskondensator 98 verbunden ist, der seinerseits über einen Begrenzungswiderstand 100 mit einer zweiten Hochspannungsquelle verbunden ist. Die Spannung der letzteren beträgt hier 20 kV.

Der Luftspalt zwischen den Elektroden 90 und 92 ist so groß, daß kein Funke überspringt, wenn die Gleichspannung, hier 10 kV, an die Sekundärwicklung des Transformators 88 angelegt wird. Ebenso ist der Luftspalt zwischen den Elektroden 90 und 94 so groß gewählt, daß bei dem Spannungsunterschied zwischen 20 und 10 kV kein Funke überspringt, sondern erst wenn der Spannungsunterschied etwa 20 kV erreicht.

Im Betrieb wird demnach der Kondensator 98 über den Widerstand 100 auf etwa 20 kV auf ge-

laden, und diese Spannung stellt die ruhende Betriebsspannung dar. Bei Anlegung eines Impulses an den Transformator 88 gelangt die Mittelelektrode 90 auf eine noch höhere Spannung, bei der ein Überschlag zwischen den Elektroden 90 und 92 stattfindet. Der hierdurch gebildete geringe Widerstand bewirkt, daß die Spannung von 20 kV im wesentlichen am Luftspalt zwischen den Elektroden 90 und 94 liegt. Demgemäß wird auch zwischen diesen bei-

Hochspannungskondensators 98 verbunden, dessen Gehäuse die andere Klemme darstellt und über eine zylindrische Buchse 112 mit dem Teil 106 verbunden ist. Der Anschluß an die Hochspannungsquelle 5 zur Ladung des Kondensators 98 geschieht über eine Durchführung 114, die in der Buchse 112 angebracht ist und ebenfalls zur Klemme 110 führt.
Schließlich ist noch der Impulstransformator 88

vorgesehen, dessen Sekundärwicklung um einen

den Elektroden ein Bogen gezogen, so daß sich ein io Kern 115 herumgewickelt ist. Die Enden der Sekun-

Entladungsweg geringen Widerstandes über die därwicklung erstrecken sich in zwei Armen diame-

Feldwicklung 96 für den Kondensator 98 ergibt. tral zum Kern. Der linke Ann ist von einem Winkel

Die Feldwicklung 96 besteht vorzugsweise aus 116 gehalten, der an der Abschirmung 104 befestigt

einer einzigen Windung, um ihre Induktivität mög- ist. Der rechte Arm erstreckt sich durch ein Loch in

liehst klein zu halten. Der Kondensator 98 hat eben- 15 ^der Buchse 112 und trägt an seinem Ende unmittel

bar die mittlere Elektrode 90. Die Primärwicklung besteht aus einem isolierten Draht 118, der einfach einige Male um den Kern des Transformators herumgewickelt ist.

Die Betriebsweise des Plasmabeschleunigers wird nun an Hand der Fig. 2 beschrieben. Wenn die Kammer 16 zunächst evakuiert wurde, bewirkt die. Drehung der Blendenscheibe 36 durch den Motor 38 den periodischen Einlaß des in der Kammer 24 be

falls vorzugsweise einen möglichst kleinen Induktivitätswert. Der Speicherkondensator und die Induktivität des Entladungsweges für jede Feldwicklung bilden nämlich einen Schwingkreis, der auf eine
bestimmte Hochfrequenz abgestimmt ist. Um ein 20
möglichst starkes Magnetfeld in der Beschleunigungsanordnung bei der gewählten Frequenz zu erzeugen, muß ein möglichst großer Strom durch die
Feldwicklung fließen, was seinerseits bedeutet, daß
der Speicherkondensator möglichst groß sein soll, 25 findlichen Gases in die Ionisationskammer und während die Ladespannung ebenfalls möglichst hoch Düse, die durch die konische Elektrode 28 und die sein soll. Da die Resonanzfrequenz eines Serien- Grundplatte 30 gebildet wird. An dieser Stelle wird Schwingkreises mit dem Reziprokwert des Produktes eine verhältnismäßig große Anzahl der Gasmoleküle von Induktivität und Kapazität zunimmt, muß für in jeder ausgetretenen Gasmenge durch das an die eine gegebene Frequenz die Induktivität möglichst 30 Elektrode 28 angelegte Potential ionisiert, so daß klein gehalten werden, wenn die Kapazität einen sich eine Plasmawolke ergibt, die in Ringform in die großen Wert erhalten soll. Da ferner der Schwing- Beschleunigungsanordnung einströmt und sich mit widerstand eines Serienschwingkreises mit der In- thermischer Geschwindigkeit fortpflanzt. "...;..._„ duktivität und dem Reziprokwert der Kapazität zu- Gleichzeitig mit der Erzeugung dieses Plasmanimmt, macht auch ein kleiner induktiver Wider- 35 ringes wird ein Synchronisierimpuls auf die Eaergjestand zusammen mit einem großen kapazitiven quelle 14 gegeben und löst hier die Zeitgeber 62-1 Widerstand den Schwingwiderstand kleiner, wodurch bis 62-n aus, die ihrerseits nacheinander in bestimmdie Entladestromstärke bei der gewählten Frequenz ten Verzögerungsintervallen die zugehörigen Feldzunimmt, wicklungen erregen. Wenn also die ringförmige Zur elektrischen Energiequelle in Fig. 2 gehören 40 Plasmawolke die Feldwicklung des ersten Abschnitts selbstverständlich nicht nur die Zeitgeber und Im- 54-1 erreicht, wird der Impulserzeuger 64-1 durch pulserzeuger für jede Feldwicklung, sondern auch seinen Zeitgeber 62-1 betätigt und bewirkt eines die Funkenstrecken und Speicherkondensatoren ge- Überschlag in der Funkenstrecke des Feldwickluapmäß F i g. 4. Diese Teile sind jedoch vorzugsweise abschnittes 54-1, wodurch ein außerordentlich starmechanisch mit dem Feldwicklungsabschnitt verbun- 45 kes Magnetfeld rings um die zugehörige Feldwickden, um die Induktivität der Entladungsstrecke mög- lung hervorgerufen wird.

liehst gering zu halten. Dieses Magnetfeld wirkt auf den Plasmaring ein, Eine Ausführungsform eines solchen Feldwick- der eben in die Beschleunigungsanordnung eiagelungsabschnittes mit den zugehörigen Teilen ist in treten ist. Da die elektrische Leitfähigkeit eines Fig. 5 dargestellt. Die eigentliche Feldwicklung be- 50 verhältnismäßig stark ionisierten Gasplasmas dje-> steht aus einem verhältnismäßig dicken Leiter 96 in jenige von guten metallischen Leitern wie Kupfer einer einzigen Windung, der in ein Isoliermaterial und Silber übertreffen kann, verhält sich der Plasma-_;-102 (z. B. Epoxyharz) eingebettet ist. Ferner ist die ring wie ein elektrischer Ringleiter, der sich in Feldwicklung mit einer leitenden Abschirmung 104 einem Magnetfeld bewegt. Es wird also ein ekkumgeben, die mit den Abschirmungen der benach- 55 frischer Ringstrom induziert. Die Relativbewegung barten Feldwicklungen überlappend ausgeführt sein zwischen dem Plasmaring und dem Magnetfeld, die kann, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Sie unterdrückt zur Induktion dieser Ringströme dient, ist graatidie Bildung eines äußeren Magnetfeldes und verrin- sätzlich stärker von der Bewegung des sich rasch gert hierdurch die Gesamtinduktivität der Wicklung. aufbauenden Magnetfeldes als von der Anfaagsge-Ein Ende der Feldwicklung 96 ist radial durch ein 60 schwindigkeit der eintretenden Plasmawolke abtrichterförmiges Anschlußglied 106 herausgeführt, hängig, die verhältnismäßig gering ist. Ferner wird das an der Abschirmung 104 angelötet oder sonst- darauf hingewiesen, daß sowohl die Elektronen als wie befestigt ist. Dieses Ende der Feldwicklung ist auch die Ionen zur Stromerzeugung beitragen und unmittelbar mit der Elektrode 92 der Funkenstrecke sich in entgegengesetzter Richtung bewegen, wobei verbunden. Das andere Ende der Feldwicklung ist 65 der Elektrodenstrom überwiegt, mit einer Lasche 108 verbunden, die vom Teil 106 Der im Plasma induzierte Strom hat seinerseits in das Isoliermaterial hineinragt. Die Elektrode 94 verschiedene Wirkungen. Zunächst erzeugt der ist unmittelbar mit der isolierten Klemme 110 des Strom ein toroidförmiges eigenes Magnetfeld, das'

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den Plasmaring umgibt und mit dem Strom im Ring und Beschleunigung des Plasmaringes, wobei der derart in Wechselwirkung tritt, daß sich eine Ein- jeweilige Maßstabsfaktor jeweils den zugehörigen schnürungskraft ergibt, die den Querschnitt des Kurven angeschrieben ist. Der Plasmaring tritt wie Plasmaringes zu verringern sucht. Dies ist der bei gesagt mit thermischer Geschwindigkeit in die BeGasentladungen bekannte »Pincheffekt«. 5 schleunigungsanordnung ein. Diese entspricht etwa

Ferner tritt der Strom im Plasmaring in Wechsel- der Schallgeschwindigkeit, und man erkennt am Gewirkung mit dem von der Feldwicklung erzeugten schwindigkeitsmaßstab der F i g. 6, daß diese anMagnetfeld und ruft eine Beschleunigungskraft auf fängliche Plasmageschwindigkeit vernachlässigbar die Plasmawolke hervor, wodurch das Plasma in klein ist. Außerdem ist es klar, daß bis zur Erregung Richtung auf die Evakuierungskammer 16 beschleu- io der ersten Feldwicklung die auf den Plasmaring einnigt wird. Schließlich dienen der im Plasmaring wirkenden Beschleunigungskräfte praktisch gleich fließende Strom und die dadurch hervorgerufenen Null sind, da nur eine verhältnismäßig geringe Zusammenstöße zwischen Teilchen der Aufrechter- Bremskraft infolge von Reibung und Zusammenhaltung der Ionisation des Plasmaringes, so daß stoßen zwischen den Teilchen auf das Plasma dessen Leitfähigkeit erhalten bleibt. 15 einwirkt.

Während die Plasmawolke so ihre Geschwindig- Wenn die erste Feldwicklung zur Zeit t₀ erregt keit steigert, werden die nachfolgenden Feldwicklun- wird, dient demgemäß ein verhältnismäßig großer gen entsprechend dem vorbestimmten Verzögerungs- Anteil der Energie des hierdurch erzeugten Magnetprogramm nacheinander erregt und erzeugen hier- feldes zur Induzierung eines Ringstromes in der ringdurch ein sich beschleunigendes Feld in der Be- 20 förmigen Plasmawolke. Dieser Ringstrom tritt seinerschleunigungsanordnung, das mit dem Strom in der seits in Wechselwirkung mit dem induzierenden Feld Plasmawolke in Wechselwirkung tritt und das und erzeugt eine Beschleunigungskraft, die sich stän-Plasma ständig beschleunigt, bis es mit einer Endge- dig steigert, wenn die Stromstärke zunimmt. Da die schwindigkeit in die Kammer 16 ausgestoßen wird, Geschwindigkeit des Plasmaringes mit dem Zeitdie von dem Beschleunigungswert und der Länge 25 integral der Beschleunigung wächst, während die der Einwirkung der Beschleunigungskraft abhängt. Lage des Plasmaringes sich mit dem Zeitintegral der Jede Tendenz der Stromstärke zur Abnahme im Geschwindigkeit ändert, sind die Zunahme der Plasmaring während der Beschleunigung wird durch Plasmageschwindigkeit und die Lageänderung in der ein entsprechendes Nacheilen des Plasmas relativ zum Beschleunigungsanordnung während dieser anfäng-Beschleunigungsfeld begleitet, da die auf den Plasma- 30 liehen Periode unmittelbar nach der Erregung der ring einwirkende Beschleunigungskraft unmittelbar Feldwicklung 54-1 und vor der Erregung der FeIdvon der Ringstromstärke abhängt. Jedes Nacheilen wicklung 54-2 beide verhältnismäßig gering,
des beschleunigten Plasmaringes bezüglich des Be- Fig. 6 zeigt, daß kurz nach der Erregung der schleunigungsfeldes bewirkt aber eine Erhöhung der ersten Feldwicklung die zweite Feldwicklung erregt Stromstärke im Plasmaring und damit eine Er- 35 wird, während die Lage des Plasmaringes sich nur höhung der Beschleunigungskraft, wodurch die Ge- um eine kurze Strecke verschoben hat, und daß auch schwindigkeit der fortschreitenden Plasmawolke die dritte, vierte und fünfte Feldwicklung nacheinwieder erhöht wird. ander erregt werden, bevor der Plasmaring sich in

Die Art, in welcher der Plasmaring durch die Be- eine Lage unmittelbar unterhalb der zweiten FeIdschleunigungsanordnung fortschreitet, entspricht 40 wicklung bewegt hat. Aus der Beschleunigungskurve demnach weitgehend dem Bewegungsmechanismus und dem angegebenen Erregungsprogramm der FeIddes Läufers eines Induktionsmotors, der dem vom wicklungen ersieht man, daß; die auf die ringförmige Ständer erzeugten Drehfeld nachläuft. Es bestehen Plasmawolke einwirkende Beschleunigungskraft stänjedoch zwei wichtige Unterschiede zwischen der dig zunimmt, solange die ernten sieben Feldwicklun-Arbeitsweise eines Induktionsmotors und des er- 45 gen erregt werden, während anschließend die Befindungsgemäßen Plasmabeschleunigers. Einerseits schleunigung auf einem Wert von etwa 17 · 10⁹ m/sec² bewegt sich das Feld im Plasmabeschleuniger mit konstant bleibt. ■■
stets zunehmender Geschwindigkeit, während das Das Beschleunigungsfeld kann praktisch so erzeugt Drehfeld in einem Induktionsmotor mit konstanter werden, daß die Feldwicklungen nahezu proportio-Geschwindigkeit umläuft. Andererseits erzeugt der 50 nal zum Zeitablauf erregt werden, wie Fig. 6 zeigt, vorliegende Beschleuniger eine lineare Bewegung des Um dieses scheinbare Paradoxon zu erklären, muß Plasmaringes, während ein Induktionsmotor einer die Gestalt des Beschleunigungsfeldes und die Art Vielzahl von linearen Leitern eine Drehbewegung betrachtet werden, in welcher, die Erregung der Felderteilt, wicklungen die gewünschte Fejdverteilung erzeugt.

Zur näheren Erläuterung des Plasmabeschleu- 55 Es kann analytisch gezeigt werden, daß der nigers nach Fig. 2 dient die graphische Darstellung Plasmaring sich stets vorzugsweise in einer Ebene der F i g. 6. Diese zeigt die zeitliche Beziehung befindet, wo der magnetische Feldvektor senkrecht zwischen der Erregung der Feldwicklung, der Lage zu den Seiten der Beschleunigungsanordnung verdes Plasmaringes, seiner Geschwindigkeit und seiner läuft, da die Beschleunigungskraft, die an jedem Beschleunigung für einen Plasmaring von bestimm- 60 Punkt auf das Plasma einwirkt, bekanntlich stets ter Masse, der sich in einem Beschleunigungsfeld senkrecht zu den Ebenen des· Magnetfeldvektors und von bestimmter Größe bewegt. Die rechte Ordinaten- des Plasmastromes an dieser Stelle wirkt. Es wurde bezifferung zeigt, daß nur die ersten fünfzehn Feld- gefunden, daß ein bewegtes Feld mit dieser Eigenwicklungen des Plasmabeschleunigers hier in Be- schaft dadurch erzeugt wird, daß die aufeinandertracht gezogen werden. Beim Ausführungsbeispiel 65 folgenden Feldwicklungen auf immer höhere Resosind die Feldwicklungen jeweils 2^lk cm voneinander nanzfrequenzen abgestimmt werden und daß man entfernt. Die Einheiten auf der linken Seite der dann diese Feldwicklungen jeweils nach einem Ordinate beziehen sich auf Lage, Geschwindigkeit Intervall erregt, das nur einen verhältnismäßig klei-

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nen Anteil der Schwingungsperiode der vorher- gleichförmige Beschleunigung aufrechterhalten wer*- gehenden Feldwicklung darstellt. Es ergibt sich so den soll, nachdem der gewünschte Ringstrom kdi*· ein zusammengesetztes Magnetfeld, das als Funktion ziert wurde, so muß die Stärke des Beschleunigung»" der Phasen- und Frequenzunterschiede zwischen auf- feldes ebenfalls stets gleich groß sein,
einanderfolgenden Windungen fortschreitet, d. h., die 5 Aus verschiedenen Gründen wird man das Ma-Ilonipcnente des Magnetfeldes, die von jeder Feld- gnetfeld so stark wie möglich wählen. Einmal muß wicklung beigesteuert wird, ändert sich hinsichtlich bei stärkerem Magnetfeld um so geringerer Strom der von den benachbarten Feldwicklungen bei- in der Plasmawolke aufrechterhalten werden, um gesteuerten Komponenten, weil die verschiedenen eine bestimmte Beschleunigung zu erreichen. Eine Feldwicklungen zu verschiedenen Zeiten erregt wer- io geringe Ringstromstärke erfordert wieder ihrerseite den und fortschreitend auf immer höhere Frequen- ein geringes Nacheilen des Plasmas hinter dem Mäzen abgestimmt sind. gnetfeld, wodurch die Beschleunigung für eine län-

Die Schwingkreise der einzelnen Feldwicklungen gere Zeit angelegt werden kann und ein geringerer führen nach der Erregung gedämpfte Koppelschwin- Energieverlust durch Wärmeerzeugung im Plasma gungen aus, wobei die Stromumkehr in den früheren 15 auftritt. Andererseits hängt auch die jeweils zu beFeldwicklungen infolge dieser Koppelwirkungen eine schleunigende Plasmamasse von der Magaetfeld-Magnetf eldkomponente erzeugt, die mit den von den stärke ab. Für eine gegebene Endgeschwindigkeit nachfolgenden Feldwicklungen erzeugten Magnet- wird natürlich die verfügbare Ausgangsenergie um feldkomponenten derart zusammenwirkt, daß sich so größer, je größer die Masse eines Plasmaringes ist. die senkrecht zu den Wänden der Beschleunigungs- ao Wenn alle anderen Faktoren wie Feldstärke und Beanordnung verlaufende Magnetfeldkonfiguration er- schleunigungswert konstant bleiben, so braucht man gibt. Ferner muß beachtet werden, daß nach Er- bei größeren Plasmamassen immer größere Stromregung der ersten Feldwicklung allein der gewünschte stärken, um die Beschleunigungskraft aufrechtzaradiale Feldverlauf teilweise dadurch erzeugt wird, erhalten, und damit eilt das Plasma immer stärker daß durch das Beschleunigungsfeld Wirbelströme in as relativ zum Beschleunigungsfeld nach. Andrerseits der Grundplatte 30 der F i g. 2 erzeugt werden und kann mit einem kräftigeren Magnetfeld eine größere so eine Spiegelung des Magnetfeldes hervorrufen. Masse beschleunigt werden, ohne die Stromstärke

Nachdem einmal der gewünschte Ringstrom in der im Plasma zu erhöhen.

Plasmawolke erzeugt wurde, bleibt die Beschleuni- Die Beschleunigung b ist demnach unmittelbar gung verhältnismäßig konstant, wie oben angegeben, 30 proportional zur Feldstärke und zur Plasmästrosa*. und die Lage des Plasmaringes schreitet nahezu stärke und umgekehrt proportional zur Plasmagleichmäßig mit der aufeinanderfolgenden Erregung masse, also
der Feldwicklungen fort, abgesehen von einem ge- BI
ringen Nacheilen, das zur Aufrechterhaltung der ^ ~ ~M "'
Ringströme im Plasma erforderlich ist. So ist z. B. 35

der Zeitunterschied zwischen der Erregung der Hierin ist M die Masse je Längeneinheit und alle

achten und der neunten Feldwicklung ungefähr Einheiten sind im MKS-System gemessen. Es iSßt

0,5 Mikrosekunden, was einer Geschwindigkeit von sich leicht zeigen, daß der beste Weg zur Erhöhung

50 000m/sec für Feldwicklungen mit einem Ab- der Beschleunigung und der Ausgangsenergie in

stand von 2V« cm entspricht. Der Zeitunterschied 40 einer Steigerung der Feldstärke liegt. Aus diesem

zwischen der Erregung der vierzehnten und fünf- Grunde war bei der Ausführungsform nach Fig. S

zehnten Windung beträgt etwa 0,28 Mikrosekunden, die Induktivität jeder Feldwicklung möglichst kWa

was einer Geschwindigkeit von 8900 m/sec ent- gewählt worden, es wurden verhältnismäßig große

spricht. Wie die Geschwindigkeitskurve zeigt, beträgt Entladungskondensatoren gewählt und bei einer

andrerseits die mittlere Geschwindigkeit des Plasma- 45 möglichst hohen Spannung gearbeitet, da die richtige:

ringes zwischen der Erregung der achten und der Wahl dieser Werte eine möglichst große Feldstärke,

neunten Feldwicklung etwa 48 000 m/sec und stei- in der Beschleunigungsanordnung ergibt, während;

gert sich während des Intervalls zwischen der Er- die Feldwicklungen bei den gewünschten Frequenzelf

regung der vierzehnten und der fünfzehnten Feld- Resonanz zeigen können.

wicklung auf einen Mittelwert von etwa 82 000 m/sec. 50 Hinsichtlich der Abmessungen der Beschleuni-Das Plasma wird somit auf eine Geschwindigkeit be- gungsanordnung ist zu bemerken, daß Länge uad schleunigt, die etwa einem Tausendstel der Licht- Querschnitt des Beschleunigers weitgehend den Ergeschwindigkeit entspricht. Durch entsprechende fordernissen angepaßt werden kann. Wenn z. B. eine Fortsetzung der Beschleunigungsstrecke kann leicht gegebene Anzahl von Feldwicklungen je Längend», eine weitere Beschleunigung erzielt werden. Die am 55 heit angenommen wird, ergibt offenbar eine längere Ausgang des Beschleunigers vorhandene Plasma- Beschleunigungsanordnung eine längere Plasmalaufgeschwindigkeit ist demnach groß gegen die Schall- zeit zur Erzielung einer bestimmten Endgeschwia* geschwindigkeit. digkeit. Für eine gegebene konstante Feldstärke

Beim Entwurf eines Plasmabeschleunigers sind die braucht dann ein geringerer Ringstrom im Flasme

folgenden Überlegungen zu beachten. Aus der EIe- 60 erzeugt zu werden, um diese Geschwindigkeit m

mentarphysik ist bekannt, daß die Kraft auf einen erreichen. Wenn andererseits angenommen wird, daß·

senkrecht zum Magnetfeld stehenden stromführen- die Feldstärke so hoch wie möglich gewählt wurde

den Leiter proportional dem Produkt der magne- und daß die Feldwicklungen so eng wie möglich

tischen Feldstärke und der Stromstärke ist. Dem- aneinander angeordnet sind, kann die hierdurch

gemäß wird die größte Beschleunigung für einen 65 erzeugte Beschleunigung länger angelegt werden und

Plasmaring gegebener Masse dadurch erreicht, daß damit eine höhere Endgeschwindigkeit erzielt wer-

man sowohl die Feldstärke als auch die Strom- den, indem einfach die Beschleunigungsanordnuag

stärke möglichst hoch wählt. Wenn ferner eine länger gemacht wird, so daß zusätzliche Fektwtde»

lüngen untergebracht werden können. Es muß jedoch beachtet werden, daß bei einer längeren Beschleunigungsanordnung unter Umständen die Pumpkapazität der Evakuierungskammer erhöht werden muß, um zu gewährleisten, daß sich kein verbrauchtes Gas im Beschleuniger ansammelt, bis der Druck wesentlich ansteigt. Im allgemeinen soll der Druck in der Beschleunigungsanordnung unter l-10-⁴mm Hg bleiben, wenn der Beschleuniger zur Erzeugung verhältnismäßig hoher Geschwindigkeiten Verwendung finden soll.

Hinsichtlich der Querschnittsfläche des Beschleunigers muß beachtet werden, daß die Feldstärke für eine bestimmte Feldwicklungsstromstärke um so größer wird, je geringer der Querschnitt des Beschleunigers ist. Andererseits verringern sich die Plasmamassen in jeder Wolke, wenn der Querschnitt verringert wird, und das Feld, das den Pincheffekt im Plasma hervorruft, sucht auch den Plasmaring zu erweitern, wenn sein Durchmesser zu gering ist. Dies wird nachstehend näher erläutert.

Bekanntlich wird der sogenannte Pincheffekt durch den in der Plasmawolke fließenden Ringstrom erzeugt. Dieser Strom ruft ein toroidförmiges Magnetfeld hervor, das das Plasma umgibt, und mit dem im Plasma fließenden Strom derart in Wechselwirkung tritt, daß sich eine Kraft ergibt, die den Querschnitt des ringförmigen Plasmas zu verkleinern sucht. Wenn also der Ringstrom anfänglich in dem Plasma induziert wird, beginnt sich der Querschnitt des Plasmas zu verringern und nimmt weiter laufend ab, während der Ringstrom auf den Sollwert zunimmt. Die Abnahme der Querschnittsfläche des Plasmas wird ihrerseits von einer Zunahme des inneren Drucks im Plasmaring begleitet. Diese Kraft wirkt der Einschnürung entgegen. Für einen gegebenen Ringstrom wird also der Plasmaring exponentiell eingeschnürt, bis die inneren Druckkräfte und die Einschnürungskräfte einander die Waage halten.

Es ist hierbei festzuhalten, daß die nach vorstehendem gebauten Plasmabeschleuniger zur Energieanreicherung des Plasmas ein bewegtes solenoidförmiges Feld verwenden und daß der Pincheffekt keineswegs die Quelle darstellt, durch welche die Teilchen beschleunigt werden, sondern nur ein Nebenerzeugnis des Ringstromes im Plasma ist. Es kann also ein Plasmaausbruch mit einer Geschwindigkeit hervorgerufen werden, die einen merklichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit darstellt, während die Relativgeschwindigkeiten der im Plasma befindlichen Teilchen gegeneinander verhältnismäßig gering sind.

Der Pincheffekt ist nützlich, wenn ein Plasmabeschleuniger zur Erzeugung von Höchsttemperaturen verwendet werden soll, da die Einschnürung zur Konzentrierung der ausströmenden Gasplasmamengen dienen kann. Es kann gezeigt werden, daß die beim Zusammenstoß eines Plasmas hoher Geschwindigkeit mit einem Gegenstand auftretende effektive Temperatur umgekehrt proportional zu der Auf trefffläche des Plasmas ist, d. h. umgekehrt proportional zur Projektion des Plasmas auf die Auftreffebene. Da der Pincheffekt den Querschnitt des Plasmaringes zu verringern sucht, verringert er auch die Projektion der Stirnfläche des Plasmaringes, wenn angenommen wird, daß der Durchmesser des Plasmaringes entweder konstant ist oder in der Größe abnimmt. Es muß dabei beachtet werden, daß das das Plasma umgebende Einschnürungsfeld den Durchmesser des Plasmaringes an sich zu vergrößern sucht, da die Feldstärke an diametral gegenüberliegenden Stellen des Plasmas entgegengesetzt gerichtet ist. Diese Tendenz kann jedoch durch Verwendung einer konvergenten Beschleunigungseinrichtung mehr als überwunden werden, da die dem Plasma erteilte Beschleunigung sich dann in eine Axialkomponente und eine radial nach innen gerichtete Komponente zerlegt, wobei die letztere Kraft die Tendenz des Plasmas, sich unter dem Pincheffekt im Durchmesser zu vergrößern, ausgleicht. Aus den vorstehenden Überlegungen geht hervor, daß bei der Festlegung des Sollwertes des Ringstromes der hierdurch erzeugte Pincheffekt beachtet werden muß, da er die beim Auftreffen auf einen Gegenstand erzielbare Temperatur beeinflußt.

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist der Einfluß des Plasmas und der Betriebsfrequenz auf die

so Pumpleistung der Einrichtung und die verfügbare elektrische Energie. Die Frequenz, mit der die einzelnen Plasmawolken erzeugt werden, und die Masse jeder Wolke sollen hinsichtlich der Kapazität der Pumpen derart gewählt werden, daß ein ausreichend

a₅ niedrigerer Druck im Beschleuniger aufrechterhalten wird, so daß die weiteren Plasmawolken keine Störung erfahren. Andererseits muß die Frequenz, mit der die einzelnen Plasmawolken die Kammer betreten, so klein gewählt werden, daß die Speicherkondensatoren der Feldwicklungen sich zwischen aufeinanderfolgenden Entladungen auf den gewünschten Spannungswert aufladen können.

Zur Illustration der Relativwerte der verschiedenen miteinander verknüpften Bestimmungsgrößen diene die folgende Tabelle, die sich auf einen Plasmabeschleuniger zur Erzeugung hoher Temperaturen bezieht.

Tabelle 1

Mittlere Strömungsmenge 1,2 · 10~⁷ kg/sec

Impulsfrequenz 60 Hz

Ausströmgeschwindigkeit 10^s m/sec

Masse jeder Plasmawolke 2 · 10~⁹ kg

Energie jeder Wolke 10 Joule

Beschleunigermenge 4 m

Anzahl der Feldwicklungen .... 160

Dauer der Beschleunigung jeder

Wolke 20 Mikrosekunden

Impulsverhältnis 0,0012

Mittlere Beschleunigung 5 · 10⁹ m/sec²

Mittlere mechanische Kraft ... 10 Newton

Mittleres beschleunigendes
Magnetfeld 0,05 Weber/m²

Mittlerer Ringstrom im Plasma 200 Amp.

_fi Plasmatemperatur nach der Ein-

schnürung 1390° K

Plasmadruck nach der Einschnürung 2,91 Newton/m²

Einschnürungsradius 1,48 · 10~² m

Erforderliche Impulsleistung .. 500 kW

Mittlere Ausgangsleistung 60Ö Watt

Erzeugte Wärmeleistung im Ring 17,35 kW

15 16

Die obigen Werte dienen nur zur Erläuterung und Die Feldwicklungen des inneren Gliedes 208 ia stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Ins- F i g. 7 werden in gleicher Weise wie die Feldwickbesondere läßt sich aus der Beschreibung entnehmen, lungen auf dem Außenglied 206 gespeist. Die drei daß viel höhere Endgeschwindigkeiten durch größere Gruppen der Phasenwicklungen auf dem äußeres Länge des Beschleunigers, höhere Feldstärke, geringe 5 und dem inneren Glied, welche die Beschleunigungs-Masse jeder Plasmawolke und andere oben angege- anordnung bilden, sind also in gleicher Weise verbene Maßnahmen erzielt werden können. Anderer- teilt und gepolt. Demnach ergibt die Erregung der seits kann der Plasmabeschleuniger wie gesagt auch drei Feldwicklungsgruppen aus einem dreiphasigen zu anderen Anwendungen als zur Erzeugung hoher Sinusgenerator ein resultierendes Magnetfeld, das Temperaturen herangezogen werden, wobei unter io sich entsprechend der Verteilung der Feldwindungea Umständen eine größere Strömungsmenge mit ge- beschleunigt durch die Beschleunigungsanordnung ringerer Endgeschwindigkeit erwünscht sein kann. fortpflanzt. Die Amplitude des fortschreitenden FeI-In F i g. 7 ist schematisch eine andere Ausfüh- des, gesehen von irgendeiner festen Stelle des Berungsform des erfindungsgemäßen Plasmabeschleu- schleunigers während einer Periode der Netzwechselnigers dargestellt. Hier besteht die Plasmaquelle 10 15 spannung, erreicht ein Maximum in zwei um 180° aus einer Kammer 20, die einen kondensierbaren entfernten Zeitpunkten, wobei die Feldrichtung zwi-Dampf, z.B. Quecksilber, enthält. Das Quecksilber sehen den beiden Maximalpunkten umkehrt. Demkann durch eine Heizschlange 200 verdampft wer- nach können während jeder Periode zwei ringförmige den. Die Ionisationskammer 22 enthält eine Elek- Plasmawolken durch das bewegte Feld beschleunigt trode 202 zur Ionisierung des aus der Kammer 20 ao werden, wobei die Richtung des in der ringförmigea stammenden Dampfes. Eine Ringdüse 204 schickt Plasmawolke fließenden Ringstromes sich jeweils eine ringförmige Plasmawolke in die Beschleuni- gegenüber der vorhergehenden und der nachfolgengungsanordnung 12, die von der Energiequelle 14 ge- den Plasmawolke umkehrt.

speist wird. Diese besteht in letzterem Falle aus einem Statt der einen Beschleunigungswicklungsvertei-Mehrphasengenerator oder Wechselstromerzeuger. 35 lung in Fig. 8 könnte eine Anordnung nach Fig. 7 Gemäß F i g. 7 besteht die Beschleunigungsanord- auch mehrere solche Wicklungsverteilungen aufnung aus einem hohlzylindrischen Außenglied 206 weisen. Es muß dabei beachtet werden, daß für und einem zylindrischen Innenglied 208, die zuein- jeden Verteilungszyklus der Feldwicklungen zwei ander konzentrisch sind. Jedes Glied besteht aus beschleunigte Plasmawolken gleichzeitig den Bezahlreichen längsverlaufenden Lamellen aus ferro- 30 schleuniger durchlaufen, falls nicht eine Blende vormagnetischem Werkstoff, die auf dem Umfang ver- gesehen ist, die nur zeitweise das Plasma in den Beteilt sind und sich gegen einen zylindrischen Träger schleuniger einläßt. Die Netzfrequenz des Mehrlegen. Die einzelnen Lamellen sind auf ihrer Länge phasengenerators wird im Hinblick auf die Verwenmit zahlreichen Löchern versehen, die mit ent- dung des Beschleunigers derart gewählt, daß sich die sprechenden Löchern der anderen Lamellen derart 35 gewünschten Strömungsmengen und Endgeschwindigfluchten, daß sich kreisförmige Nuten zur Aufnahme keiten ergeben. Da mehrphasige Wechselspannungsder Feldwicklungen ergeben. Der Einfachheit halber quellen mit verhältnismäßig hoher Klemmenleistung sind die Feldwicklungen in Fig. 7 als einzelne Lei- bei Frequenzen bis zu 100 kHz und mehr für Indukter dargestellt, die unmittelbar an der Oberfläche der tionsheizung und Rundfunksender bekannt sind, ist Glieder 206 und 208 sitzen. Wie aus der nachstehen- 40 eine nähere Beschreibung eines derartigen Mehrden Beschreibung der Fig. 8 hervorgehen wird, kann phasengenerators nicht erforderlich, aber in jeder Feldwicklungsnut eine Mehrzahl von Die Verwendung eines Plasmas, das aus einem Leitern untergebracht sein, die von verschiedenen kondensierbaren Dampf besteht, bringt unter vear-Phasenausgängen des Mehrphasengenerators 14 ge- schiedenen Umständen Vorteile mit sich. Wenn z. B. speist werden. Wenn z.B. mit Dreiphasenerregung 45 der Beschleuniger zusammen mit einer Evakuierungsgearbeitet werden soll, so werden die Feldwicklungen einrichtung verwendet wird, so läßt sich ein Teil des in drei Gruppen unterteilt, die jeweils mit einer verbrauchten Plasmas kondensieren und die Pum-Phase verbunden sind. In F i g. 8 ist gezeigt, wie die penkapazität wird hierdurch verringert. Bei Ver-Windungen jeder Feldwicklungsgruppe längs der wendung als Vortriebsquelle für ein Weltraumfahr-Beschleunigerachse verteilt sein können, um ein 50 zeug vereinfacht andererseits die Verwendung eines gleichmäßig beschleunigtes Feld mit sinusförmiger verhältnismäßig schweren, kondensierbaren Gases, Dreiphasenerregung zu erzeugen. Wie die Zeichnung wie Quecksilberdampf, die Brennstoffvorratshaltung zeigt, ändert sich die Dichte je Längeneinheit der und ergibt gleichzeitig einen hohen spezifischen Im-Windungen in jeder erregenden Phase wie eine kon- puls.

stant beschleunigte Sinuswelle, wobei die Polarität 55 Andere Ausführungsformen des Plasmabeschleuder Dichtekurve für jede Phase die Erregungsrich- nigers lassen sich je nach den Anwendungen ohae tung der zugehörigen Feldwindungen angibt. Zum weiteres bauen. So ist z. B. in F i g. 9 ein Plasma-Beispiel ist für die Abstände 210 und 212 vom An- beschleuniger dargestellt, der als Überschallwindfang des Beschleunigers die Dichte der von der kanal zur Nachbildung von Machzahlen in tier™ Phase 1 erregten Windungen ein Maximum, aber der 60 Größenordnung von 2 bis 20 bei Drücken dienen durch die Windungen im Abstand 210 fließende kann, die Höhen von etwa 30 000 bis 60 000 m entStrom ist dem durch die Windungen im Abstand 212 sprechen. Bei dieser Anwendung wird man vorzugsfließenden Strom entgegengerichtet. Andererseits weise als zu beschleunigendes Gas Luft wählen, die haben die von der zweiten und dritten Phase erreg- dem Beschleuniger über eine Ansaugleitung 220, eine ten Windungen an den Punkten 210 und 212 nur 65 Ionisationskammer 22 und eine Düse 204 zugeführt eine Dichte von etwa der Hälfte des Maximalwertes wird.

und sind zu den Windungen der Phase 1 an den- Die Beschleunigeranordnung 12 bildet bei dieser

selben Stellen entgegengesetzt gepolt. Anwendung einen Kegelstumpf, so daß das Plasma

eine nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente erhält und an einer Stelle innerhalb der nicht dargestellten angeschlossenen Kammer konvergiert, die den Beobachtungsbereich des Windkanals bildet. Da das beschleunigte Gas möglichst weitgehend sich wie ungestörte Luft verhalten soll, ist ein möglichst geringer Anteil ionisierten Gases in der von der Beschleunigungsanordnung gelieferten Gasmenge erwünscht. Dies kann dadurch erzielt werden, daß man den Beschleuniger mit überschüssigem Gas am Eingang betreibt und eine verhältnismäßig geringe spezifische Beschleunigung benutzt, da unter diesen Umständen das Gas sich in Bereiche verhältnismäßig hoher Ionendichte, die sich mit der Phasenfront des magnetischen Beschleunigungsfeldes fortpflanzen, und Bereiche niedrigerer Ionendichte zerlegt, die durch die wie Kolben wirkenden Bereiche hoher Ionendichte durch den Beschleuniger durchgeschoben werden.

Zur Erläuterung der letzteren Anwendungsmög- ao lichkeit eines Plasmabeschleunigers werden die folgenden Zahlenwerte gegeben, die für einen Uberschallwindkanal gelten, der zur Nachbildung der Luftbewegung bei der Machzahl 20 in einer äquivalenten Höhe von 60 000 m dient.

Eingangsdüse des Beschleunigers

40:1
350⁰K

1,492 · ΙΟ-² atm

1,49 · IO-² kg/m*
122°K

3,73 · 10-* atm
1,07 · 10-3 kg/_m3

676 m/sec
3^07· ΙΟ-² kg/sec
28,7 m³/sec
4,24· ΙΟ-² _m2

Tabelle	Beschleuniger	2	4,10 · 10-* kg/m.3	30
Ausgangsdichte		3,73 · 10-* atm
Ausgangsdruck	349°K
Ausgangstemperatur ..
Ausgangsgeschwindig	Mach 20 = 20 · 375
keit	= 7500 m/sec	35
	3,07· 10-2kg/sec
Ausgangsmasse	75 ms/sec
Ausgangsvolumen	1· ΙΟ-2 m2
Ausgangsfläche	02OkW
Beschleunigungsleistung 1		40
Heizleistung	8,5 kW
(122 K bis 349° K) ..
Ionendichte in den Rin	99,1%
gen	17%
Mittlere Ionendichte ..	1OkHz	45
Erregungsfrequenz ....	1,53 · ΙΟ-« kg
Masse jedes Gasringes
Dissozierte Ladung in	1,7 Coulomb
jedem Ring	32,8 Amp.
Ringstrom		50
Elektronenwanderungs	10,5 m/sec bei 0,175m
geschwindigkeit ....	Durchmesser
	3,72-ΙΟ-* Volt
Ringspannung	1,22-ΙΟ-2 Watt
In jedem Ring ver		55
brauchte Leistung ..
Maximale Magnetfluß	0,07 Weber/m2
dichte
Mittlere Flußdichte am	0,05 Weber/m2
Ring	3,4 Watt/kg	60
Eisenverluste	1,07 · 106 m/sec
Mittlere Beschleunigung
Dauer der Luftstöße für
7500 m/sec Ausgangs	6,38 · 10-3 see
geschwindigkeit		65
Länge des Beschleuni	26,0 m
gers	127,6
Anzahl der Ringe
In den Ringen ver	1,43 Watt
brauchte Leistung ..

Expansionsverhältnis ..

Eingangstemperatur ...

Eingangsdruck

Eingangsgeschwindig- ;
keit

Ausgangstemperatur ..

Ausgangsdruck

Ausgangsdichte

Ausgangsgeschwindigkeit

Ausgangsmasse .

Ausgangsvolumen

Ausgangsfläche ■■;

Zusatzgeräte Gesamte Kühlleistung .. 1 122 kW = 268 kcal/sec

Pumpleistung 75 000 1/sec bei

0,28 mm Hg

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von Plasma mit gerichteter translatorischer Energie durch Beschleunigen eines Plasmoids mit Hilfe eines translatorisch bewegten, insbesondere beschleunigten Magnetfeldes in Form einer Wanderwelle, dessen Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des Plasmoids zusammenfällt (magnetischer Kolben), bei dem am Eingang der Beschleunigungsstrecke ein Plasmoid und das beschleunigende Magnetfeld erzeugt werden und die Wanderwelle gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein toroidförmiges Plasmoid erzeugt und als solches beschleunigt wird.

2. Plasmabeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Beschleunigungsvorrichtung in Form eines langgestreckten, evakuierten Gefäßes, an dessen einer Stirnseite die Plasmaquelle angeordnet ist und das von elektrischen Leitern zwecks Erzeugung des Magnetfeldes umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle (10) über eine ringspaltförmige Düse in die Beschleunigungsvorrichtung (12) einmündet.

3. Plasmabeschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsvorrichtung (12) konisch ausgebildet ist in der Form, daß die Stirnseite mit dem größeren Durchmesser der Plasmaquelle zugewandt ist.

4. PlasmabeschleunigernachAnspruch2oder3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des den Beschleunigungsraum umschließenden Gefäßes (206) und konzentrisch zu diesem ein magnetischer Kern (208) angeordnet ist.

5. Plasmabeschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf dem Kern Erregerwicklungen angeordnet sind.

6. Plasmabeschleuniger nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle (10) eine konische Ionisierungselektrode am Einlaß des Beschleunigers enthält, die in eine konische Ausnehmung der Stirnplatte (30) eingefügt und in Abstand von dieser gehalten ist und deren Rand eine Begrenzung der Einlaßdüse darstellt;

7. Plasmabeschleuniger nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 mit Erregerwick-

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hingen und zugehörigen Ladekondensatoren, die zusammen gedämpfte Schwingkreise zur Erzeugung des bewegten Magnetfeldes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schwingkreise auf in Bewegungsrichtung des Plasmaringes fortschreitend zunehmende Frequenzen abgestimmt sind.

8. Plasmabeschleuniger nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnung, daß zur Speisung der Feldwicklungen ein elektrischer Mehrphasengenerator dient und daß die das bewegte Magnetfeld erzeugenden Wicklungen in den Phasen des Generators entsprechende Gruppen unterteilt sind, die mit den einzelnen Klemmen desselben verbunden sind.

9. Plasmagenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in jeder Gruppe längs der Beschleunigungsanordnung derart verteilt sind, daß die Anzahl der Feldwicklungen je Längeneinheit in Abhängigkeit

vom Ort auf der Symmetrieachse etwa der Gestalt einer beschleunigten Sinusschwingung entspricht.

10. Plasmabeschleuniger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrphasengenerator einen Dreiphasenwechselstrom abgibt und daß die drei Feldwicklungsgruppen elektrisch um 120° gegeneinander versetzt sind.

11. Plasmabeschleuniger nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Plasmoids Deuterium, Tritium, Helium-3 oder Quecksilberdampf dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceeding of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1958, Genf, Vol. 31, S. 341 bis 347, und Vol. 32, S. 427 bis 430.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 760/289 12.64 © Bundesdruckerei Berlin