DE1113042B - Plasma-Einspritzvorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C21727Vmc/21g

ANMELDETAG: 21. JUNI 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DEB AUSLEGESCHRIFT: 24. AUGUST 1961

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Anwendung in der Technik der thermonuklearen Fusion, bei denen das gasförmige Plasma im Innern der Vorrichtung eingegrenzt ist, um Energieverluste durch Berührung oder Zusammenstoß der Teilchen, die durch gegenseitige Zusammenstöße auf Temperaturen, bei denen thermonukleare Fusionsvorgänge wahrscheinlich werden, gebracht sind, mit den Wänden zu verhindern. Insbesondere betrifft die Erfindung Plasma-Einspritzsysteme zur Einspritzung von Plasma in derartige Vorrichtungen.

Die Einspritzung in diese Vorrichtungen ist eines der schwierigsten Probleme in dieser Technik und wurde bislang nicht zufriedenstellend gelöst. Es wurde versucht, die Ionen und Elektronen getrennt voneinander in die Eingrenzungsvorrichtung einzuspritzen und in derem Innern eine Mischung davon zu bilden. Für geladene Teilchen, wie die Ionen und Elektronen sie darstellen, ist es jedoch schwierig, die Wände der sogenannten »magnetischen Flaschen«, welche im allgemeinen für die Eingrenzung verwendet werden, in Gegenwart der durch eben diese Teilchen erzeugten Raumladung, die deren Bewegung in der gewünschten Richtung entgegenwirkt, zu durchqueren.

Es ist auch versucht worden, das Plasma vor der Einspritzung zu bilden, ausgehend von einer Titanquelle, welche gasförmiges Deuterium adsorbiert hat und die plötzlich erwärmt wird, wodurch eine Plasma-Emission eingeleitet wird. Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß die Ionen die Quelle mit einer relativ geringen Energiehöhe verlassen und daher bis zum Erreichen einer hinreichend hohen kinetischen Energie, die zur Erhitzung des Plasmas notwendig ist, mehr Zeit benötigen. In allen Fällen ist die Zeit für die Erhitzung des Plasmas auf thermonukleare Temperaturen verlängert und birgt die Gefahr, länger zu werden als die Zeit, während der eine Aufrechterhaltung der Eingrenzung möglich ist, wodurch die Aussicht auf eine Kernreaktion gefährdet würde.

Es ist weiter bereits der allgemeine Vorschlag gemacht worden, das Plasma vor seiner Einspritzung in die Eingrenzungsvorrichtung dadurch zu bilden, daß ein Strahl freier Elektronen mit einem Strahl von Ionen hoher Energie vermischt wird. Mittel zur Durchführung dieses allgemeinen Vorschlages sind bisher nicht bekannt.

Ziel der Erfindung ist es, Mittel zu schaffen, mit denen die Mischung eines Elektronenstrahls mit einem Strahl von Ionen hoher Energie in einfacher Art und mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann.

Plasma-Einspritzvorrichtung

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphie sans FiI, Paris

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,

Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 23. Juni 1959

MM. Hubert Leboutet und R. Georges Dube, Paris, sind als Erfinder genannt worden

Das erfindungsgemäße Einspritzsystem enthält im wesentlichen Mittel zur Ausbildung zweier koaxial verlaufender Strahlen, und zwar eines Strahles von Ionen hoher Energie und eines Elektronenstrahles, sowie Mittel zur Ablenkung von mindestens einem der Strahlen, um ihn gegen den anderen Strahl zu richten. Die Elektronen können dabei von relativ geringer Energie sein, da dieser Faktor ohne Bedeutung für den erfindungsgemäßen Zweck ist, bei dem nur Ionenenergie und zugeordnete Temperaturen eine Rolle spielen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung tritt der Ionenstrahl durch das Innere des rohrförmigen Elektronenstrahles hindurch.

Ein derartiges System liefert zwei Grenzmöglichkeiten, abhängig davon, ob der Elektronenstrahl gegen den Ionenstrahl konvergiert oder ob der Ionenstrahl zum Elektronenstrahl hin divergiert. Es sind jedoch auch andere, zwischen diesen beiden Grenzmöglichkeiten liegende Möglichkeiten in der Erfindung enthalten, nach denen beide Strahlen mehr oder weniger gegeneinander abgelenkt werden. • Ein Ziel der Erfindung besteht demnach darin, ein Plasma-Einspritzsystem zu schaffen, welches die Mängel und Nachteile bekannter Vorrichtungen wirksam und einfach beseitigt.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine bilden, bevor dieses in das Nutzgefäß eingespritzt

Plasma-Einspritzvorrichtung zu schaffen, bei der wird. Dieser Elektronenstrahl wird von einer Quelle

Ionen mit relativ hoher kinetischer Energie mit den geliefert, welche eine ringförmige Kathode 14, die

Elektronen gemischt werden. Ein weiteres Ziel der koaxial zum Ionenstrahl 13 angeordnet ist, sowie eine

Erfindung ist die Schaffung eines Einspritzsystems 5 Wehneltelektrode 15 von ebenfalls ringförmiger Ge-

zur Einspritzung eines Plasmas in eine Eingrenzungs- stalt enthält. Die Kathode 14 wird über Leiter 16, die

vorrichtung, welches nicht nur eine innige Mischung Durchführungen 17 durchlaufen, an eine Stromquelle

der das Plasma bildenden Teilchen gewährleistet, angeschlossen. Eine geeignete Vorspannung der Ka-

sondern auch die Einspritzung durch die Wände der thode 14 und der Wehneltelektrode 15 in bezug auf

Eingrenzungsvorrichtung in einfacher Weise gestattet. io den Körper 8 wird durch geeignete elektrische Span-

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der nungsquellen (nicht dargestellt) sichergestellt. Die

Schaffung einer Plasma-Einspritzvorrichtung, die eine Anordnung aus Kathode und Wehneltelektrode wird

einfache und wirkungsvolle Einspritzung der Plasma- von einem aus Weicheisen bestehenden Schirm 18

teilchen durch eine sogenannte magnetische Flasche, umgeben, der als Anode für die Elektronenquelle

wie sie normalerweise zur Eingrenzung des Plasmas 15 wirkt und dessen Aufgabe einerseits darin besteht,

in einem vorgegebenen Raum verwendet wird, ge- den Bereich der Kathode gegen das magnetische Feld

stattet. der Fokussierwicklungen 12 für den Ionenstrahl ab-

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile zuschirmen, und andererseits darin, die Feldliniender Erfindung werden durch die Beschreibung in verteilung des magnetischen Fokussierfeldes für die Verbindung mit den Zeichnungen, welche nur zu Er- 20 Elektronen zu bestimmen, derart, daß die durch den läuterungszwecken zwei Ausführungsformen gemäß ringförmigen Schlitz 19 im Schirm 18 hindurchtretender Erfindung zeigen, näher offenbart. den Elektronen den gekrümmten und konvergieren-

Fig. 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine erste den Bahnen 20 folgen, um sich in der Achse derVor-

Ausführungsform eines Plasma-Einspritzsystems nach richtung mit dem Ionenstrahl 13 zu vermischen und

der Erfindung, bei dem der Elektronenstrahl gegen 25 dabei den Plasmastrahl 21 zu bilden. Zu diesem

den Ionenstrahl konvergiert; Zweck ist die Fläche, innerhalb derer der Schütz 19

Fig. 2 ist ein axialer Längsschnitt durch eine abge- angebracht ist, konisch, und die Wehneltelektrode 15 wandelte Ausführungsform eines Einspritzsystems ist so gerichtet, daß die Elektronen die Elektronennach der Erfindung, bei dem der Ionenstrahl zum quelle im wesentlichen senkrecht zu dieser konischen Elektronenstrahl hin divergiert. 30 Fläche verlassen. Das magnetische Fokussierfeld für

In den Zeichnungen wurden zur Bezeichnung ent- die Elektronen entsteht durch die Wicklungen 22. sprechender Teile bei beiden Ansichten gleiche Be- Seine Feldstärke, die größer als die von den Wickzugsnummern verwendet. Fig. 1 zeigt einen Längs- lungen 11 und 12 ist, ist so gewählt, daß die geschnitt durch eine erste Ausführungsform gemäß der wünschten Bahnen 20 entstehen, wobei die Verfor-Erfindung. Bezugsnummer 1 bezeichnet darin ein 35 mung der Feldverteilung durch den Schirm 18 in BeGefäß, in das ein Gas wie Deuterium durch das Ein- tracht gezogen wird. Die Beschleunigungsspannung laßrohr oder die Einlaßöffnung 2 eingeführt wird. der Elektronenquelle ist vorzugsweise derart, daß die Am linken Ende des Gefäßes 1 befindet sich eine Geschwindigkeit der Elektronen des Strahles 20 in Ionenquelle herkömmlicher, klassischer Bauart, die der gleichen Größenordnung wie die des Ioneneine Kathode 3, welcher über Leiter 4 Strom von 40 Strahles 13 liegt. Diese Beschleunigungsspannung ist einer geeigneten elektrischen Energiequelle (nicht daher sehr viel geringer als die Beschleunigungsdargestellt) zugeführt wird, enthält. In Gegenwart des spannung für die Ionen, wenn die Massenunterschiede gasförmigen Mediums wirkt die Kathode 3 dabei als zwischen den Ionen und Elektronen berücksichtigt Quelle ionisierender Elektronen. Das dadurch er- werden. Dessenungeachtet muß dafür gesorgt werzeugte ionisierte Gas entweicht in Form eines 45 den, daß ein genauer Gleichlauf zwischen den beiden Strahles durch die in der Blende 6 vorgesehene Öff- Geschwindigkeiten vermieden wird, weil dadurch die nung5 und durchläuft eine konisch geformteAbsaug- Rekombination der Ionen undElektronen zu Atomen elektrode 7, die am Einspritzkörper 8 angebracht ist. zutnNachteil des reinenPlasma-Zustandes begünstigt Der Einspritzkörper 8 ist mit Hilfe eines isolierenden würde.

Ringes 9 aus einem geeigneten Material vom Gefäß 1 50 DerEinspritzkörperSist einerseits mit einerPumpisoliert. Geeignete elektrische Spannungen werden leitung 23 und andererseits mit einer Plasma-Einderart angelegt, daß das Gefäß 1 und die Blende 6 grenzungsvorrichtung 24 verbunden, die beispielsgegenüber dem Körper 8 und der Absaugelektrode 7 weise aus einem zyhnderförmigen Gefäß besteht, stark positiv sind. Der Inonenstrahl hat daher von An- dessen Enden von Wicklungen 25 umgeben sind, fang an eine sehr hohe Energie. Die Kathode 3 da- 55 welche magnetische Spiegel bilden und im Innern des gegen wird in bezug auf das Gefäß 1 auf negativem Zylinders ein Schema von Feldlinien 26 in Form Potential gehalten, was infolge der isolierten Durch- einer magnetischen Flasche erzeugen. Als erläuternführungen 10 für die Leiter 4 möglich ist. In dieser des Beispiel wurde eine transversale Einspritzung des Art wirkt die Blende 6 als Beschleunigeranode für die Plasmas 21 durch die Wände der Flasche 26 darge-Elektronen von der Quelle 3. Die Magnetwicklungen 60 stellt. Mit einem erfindungsgemäßen System ist dies 11 und 12 fokussieren den Ionenstrahl 13, der sich dank der hohen Energie des eingespritzten Plasmas längs der Achse des Einspritzsystems fortpflanzt. und seines elektrisch neutralen Zustandes möglich.

Erfindungsgemäß wird der Ionenstrahl hoher Die Arbeitsweise der Eingrenzungsvorrichtung erEnergie durch das Innere eines röhrenförmigen Elek- fordert keine ins einzelne gehende Beschreibung, da tronenstrahles geleitet, welcher derart zum Konver- 65 sie an sich bekannt ist. Es genügt, darauf hinzugieren gebracht wird, daß die Elektronen sich in der weisen, daß das in Form eines geordneten Strahles Nachbarschaft der Achse des Einspritzsystems mit eingespritzte Plasma im thermodynamischen Sinn den Ionen vermischen und ein Plasma hoher Energie trotz der hohen kinetischen Energie noch nicht

»heiß« ist, seine Erwärmung jedoch durch Zusammenstöße zwischen Ionen im Innern der magnetischen Flasche, welche das Plasma in dem von den Gefäßwänden isolierten Bereich eingrenzt und dabei Energieverluste durch Kühlung verhindert, bis zur Auflösung (Disorganisation) des Strahles zunimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem kann die Zeit der Aufheizung auf thermonukleare Temperaturen kürzer werden als die Eingrenzungszeit, wobei die Vorrichtung in der Lage versetzt wird, thermonukleare Fusionen zu begünstigen.

Die abgewandelte Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 nur dadurch, daß an Stelle des zur Mischung mit den Ionen in seiner Achse konvergierenden Elektronen-Strahles nunmehr der Ionenstrahl divergiert, um sich mit dem Elektronenstrahl, der im wesentlichen seine rohrförmige zylindrische Form beibehält, zu vermischen. Der allgemeine Aufbau der Anordnung entspricht dem der Fig. 1, und zur Bezeichnung entsprechender Teile wurden gleiche Bezugsnummern verwendet. Nur die Fläche, in der der Schutz 19 angebracht ist, ist nicht mehr konisch, sondern eben, und die Wehneltelektrode 15 ist so angeordnet, daß der Strahl 20 rohrförmig, zylindrisch und koaxial mit dem Strahl 13 ist. Der Teil 18 braucht dabei nicht mehr aus magnetischem Material zu bestehen. Zusätzlich ist eine Hilfswicklung 27 zwischen den Wicklungen 22 und 12 angeordnet, die ein schwächeres Magnetfeld als das von den Wicklungenil und 12 erzeugt. Die Wirkung der Hilfswicklung 27 besteht darin, den Strahl 13 zu zerstreuen (zum Divergieren zu bringen) und den Strahl 20 nur unbedeutend zu beeinflussen, d. h. nur sehr leicht abzulenken, und zwar derart, daß der Plasmastrahl 21 beim Eintritt in das Gefäß 24 rohrförmig ist. Die Arbeitsweise der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 ist die gleiche wie die der Ausführungsform nach Fig. 1.

Während zwei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, ist es klar, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern vielen Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Gedankens und desUmfanges der Erfindung zugänglich ist. Ein Fachmann sieht leicht Möglichkeiten für umgekehrte Ausführungen, bei denen der Elektronenstrahl z.B. durch das Innere des lonenstrahles hindurchtritt, wobei entweder der Elektronenstrahl divergiert oder im Gegensatz dazu der Ionenstrahl gegen die Achse der Einspritzvorrichtung konvergiert. In allen diesen Fällen wird das gewünschte Ergebnis erzielt, da ein Plasmastrahl hoher Energie vor der Einspritzung in die Eingrenzungsvorrichtung gebildet wird.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE: 55

1. Plasma-Einspritzvorrichtung für Teilchen-Eingrenzungsvorrichtungen, gekennzeichnet durch Mittel zur Ausbildung zweier koaxial verlaufender Strahlen, und zwar eines Strahles von Ionen hoher Energie und eines Elektronenstrahles, sowie durch Mittel zur Ablenkung von mindestens einem der Strahlen, um ihn gegen den anderen Strahl zu richten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl hoher Energie im Innern des rohrförmigen Elektronenstrahles verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, um den Elektronenstrahl gegen den Ionenstrahl konvergieren zu lassen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, bei der der Ionenstrahl durch ein magnetisches Längsfeld fokussiert wird, gekennzeichnet durch Abschirmmittel (18) zur Abschirmung des Elektronenstrahles gegen das magnetische Fokussierfeld.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl durch übliche magnetfelderzeugende Mittel fokussiert und abgelenkt wird, die von den Mitteln zur Fokussierung des Ionenstrahles unabhängig sind, wobei die Stärke des die Elektronen beeinflussenden Feldes wesentlich größer ist als die Feldstärke des lonen-Fokussierfeldes.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14,15) zur Erzeugung des Elektronenstrahles von einer Abschirmung (18) aus Weicheisen umschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (18) eine konische Fläche hat, deren Scheitel gegen die den Ionenstrahl erzeugenden Mittel hin gerichtet ist und die in der Kegelachse eine Öffnung für den Durchtritt des Ionenstrahles (13) und um diese Achse einen ringförmigen Schlitz (19) für den Durchtritt des Elektronenstrahles (20) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel, die den Ionenstrahl (13) gegen den Elektronenstrahl (20) hin divergieren lassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Ionenstrahl durch ein magnetisches Längsfeld fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (20) durch ein magnetisches Feld, welches von dem erstgenannten unabhängig und stärker als dieses ist, fokussiert wird, während der Ionenstrahl (13) durch andere unabhängige magnetfelderzeugende Mittel abgelenkt wird, wobei die Feldstärke des Ionenablenkfeldes wesentlich geringer als die des Ionenfokussierfeldes ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (20) durch einen ringförmigen Schlitz (19) in einer scheibenförmigen Elektrode, die in der Mitte eine Öffnung für den Durchtritt des Ionenstrahles hat, austritt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeiten des Ionen- und des Elektronenstrahles von gleicher Größenordnung sind, ohne genau synchron zu sein.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 656 398.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 679/179 8.61