DE1188221B - Verfahren zum Erzeugen einer energiereichen hochtemperierten Gasentladung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1188221

Aktenzeichen: U 6349 VIII c/21 g

Anmeldetag: 15. Juli 1959

Auslegetag: 4. März 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer energiereichen hochtemperierten Gasentladung zwischen einer wassergekühlten, becherförmigen, mit Gas beschickten Kathode und einer wassergekühlten, hohlen, gegebenenfalls becherförmigen Anode, wobei diese Elektroden im Abstand einander gegenüber und mit ihren Achsen in Flucht in einer von einer äußeren Kammer umgebenen evakuierten Kammer und innerhalb eines intensiven magnetischen Führungsfeldes, das in Achsenrichtung dieser Elektroden gerichtet ist, angeordnet sind und diese Elektroden mit einer Zündspannung und mit einer Arbeitsspannung beaufschlagt werden. Energiereiche oder Hochtemperatur-Bogenentladungen werden als Dissoziationsmechanismus in Plasmavorrichtungen verwendet. Die Bogenentladungen bekannter Art können nicht in Gegenwart hoher Magnetfelder und bei Drücken betrieben werden, die niedrig genug sind, um für den Dissoziationsmechanismus wirksam zu werden. Beispielsweise ist es mit bekannten Lichtbogen nicht möglich, bei Strömen von wenigstens 100 A zwischen einer Kathode und einer im Abstand von wenigstens 30 cm von dieser Kathode entfernten Anode und bei Gegenwart eines starken Magnetfeldes (6000 Gauß) sowie in einem Vakuum von 3 · 10~⁵ mm Hg zu arbeiten. Die Entladung ist einfach nicht in Gang zu bringen, wenn diese Werte eingestellt werden, da die Gasionisation in dem Bogen ungenügend ist. Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahrensmaßnahmen anzugeben, um eine Hochtemperatur-Bogenentladung bei den genannten Betriebsgrößen zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die äußere Kammer und die von dieser eingeschlossene Bogenentladungskammer getrennt auf unterschiedliche Drücke evakuiert werden, die Gaszuführungsgeschwindigkeit zum Inneren der Kathode, ausgehend von einer zum Zünden der Gasentladung erforderlichen Zuführungsgeschwindigkeit, herabgesetzt und gleichzeitig die Arbeitsspannung des Bogens so weit erhöht sowie der Druck in der Kammer so weit verringert wird, daß die Bogenentladung von der Vorderfläche der Kathode ins Innere der Kathode hineingezogen wird.

Es wird also gemäß der Erfindung zur Zündung der Bogenentladung zwischen einer Hohlkathode und einer Anode oder zwischen einem Hohlkathodenpaar und einer zwischen diesen beiden Hohlkathoden angeordneten Hohlanode zunächst eine vorgegebene Gaszufuhrgeschwindigkeit zu dem Inneren der Hohlkathode oder dem Hohlkathodenpaar eingehalten und anschließend (nach der Zündung der Verfahren zum Erzeugen einer energiereichen
hochtemperierten Gasentladung

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

John Sidney Luce, Oak Ridge, Tenn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 15.JuIi 1958 (748771)-

Bogenentladung) die Gaszufuhrgeschwindigkeit zu der Hohlkathode oder zu dem Hohlkathodenpaar verringert, so daß die Bogenentladung von der Vorderfläche der Kathode(n) ins Innere derselben hineingezogen wird. Nur wenn die Entladung in der Kathode selbst endigt, wird eine vollständige Ionisation des Beschickungsgases erreicht und die Bogenentladung aufrechterhalten, auch wenn der Druck in dem Entladungsraum auf einen sehr geringen Wert in Gegenwart eines sehr starken Magnetfeldes vermindert wird. Die bisher bekannten Verfahrensmaßnahmen zur Erzeugung von energiereichen Bogenentladungen sind nicht geeignet, die oben umrissenen Probleme zu lösen. Die Aufgabe, einen energiereichen Bogen zu erzeugen, in dem ein wesentlicher Prozentsatz von Molekülionen dissoziiert wird, die durch den Bogen in der in der USA.-Patentschrift 3 030 543 beschriebenen Art geführt werden, konnte erst durch den Erfindungsvorschlag gelöst werden.

Es sind bereits Ionenquellen mit becherförmigen Hohlkathoden sowie Ionenquellen mit magnetischen Führungsfeldern (Pig Ion Source) bekannt. Diese bekannten Ionenquellen sind dazu bestimmt, die Ionenausbeute so groß wie möglich zu machen. Dementsprechend wird die Gaszufuhrgeschwindigkeit geregelt. Nach dem Erfindungsvorschlag wird hingegen die Gaszufuhrgeschwindigkeit reduziert, um die Bogenentladung von der Vorderfläche der Kathode bzw. der Kathoden in das Innere derselben hineinzuziehen,

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was bei den bekannten Ionenquellen ersichtlich nicht der Fall ist.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Schnittansicht einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Vorrichtung;

F i g. 2 zeigt eine Schnittansicht einer hohlen Kathode mit den darin verlaufenden Elektronenbahnen;

F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Ausfiihrungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

F i g. 4 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer dafür geeigneten Vorrichtung.

Die nachstehend beschriebenen Bogen werden unter ziemlich hoher Spannung und mit einem ziemlich starken Strom betrieben, so daß die Erhitzung der Elektroden ein Problem darstellt. Dieses Problem wurde durch die Verwendung von Elektroden aus Wolfram oder aus einem anderen leitenden Material gelöst, das einen hohen Schmelzpunkt aufweist und gleichzeitig ein guter Wärmeleiter ist. Für die Anoden kann Kohle verwendet werden, was jedoch nicht zweckmäßig erscheint, da Kohle bei hoher Temperatur ein schlechter Wärmeleiter ist, so daß mit einer teilweisen Verdampfung des Anodenmaterials gerechnet werden muß, was unerwünscht ist. Die Elektroden sind in dicke wassergekühlte Kupfermäntel fest eingepaßt.

Bei einem Druck beispielsweise von 3 · 10~⁵ mm Hg oder niedriger ist der Bogen bei der Vorrichtung nach F i g. 1 ein hohler Zylinder, wobei der Bogenstrom in diesem Zylinder eng an der inneren Kathodenwand geführt wird. Der Bogenstrom hängt von der Emission quer zum Magnetfeld innerhalb der hohlen Kathode ab. Es findet keine Verringerung der Emission statt, wenn der Bogen in einem starken Magnetfeld von z. B. 6000 Gauß betrieben wird. Die Bogen bei den Vorrichtungen nach den F i g. 3 und 4 sind nicht hohl, jedoch hängt deren Stromstärke ebenfalls von der Emission quer zum Magnetfeld innerhalb der hohlen Kathode ab.

Die hier beschriebenen Deuteriumbogen weisen mindestens zwei neuartige Merkmale auf, durch die sie sich von anderen Bogen unterscheiden und die ihren Betrieb unter niedrigem Druck sowie mit hoher Energie ermöglichen. Das erste Merkmal besteht in der Querfeldemission, die durch die Verwendung eines großen Oberflächenbereiches, von dem Elektronen in das System eintreten können, erzielt wird. Das Deuteriumgas, das dem Innenraum der hohlen Kathode zugeführt wird, ist völlig ionisiert, bevor es die Hohlkathode verläßt. Da innerhalb der Kathode eine angemessene Raumladungsneutralisation stattfindet, ist es möglich, den Druck zu verringern, ohne die Emissionseigenschaften der Bogen zu beeinträchtigen. Das zweite wesentliche Merkmal ist in dem Bestehen eines axialen Spannungsgradienten in den Bogen zu sehen. Die Elektronen werden von der Innenwand der Kathode aus radial beschleunigt. Einige dieser Elektronen, welche Zusammenstöße erleiden, bevor sie zur Wand zurückkehren, werden nahe der Kathodeninnenwand eingefangen und dann aus der Kathode infolge dieses axialen Spannungsgradienten herausgezogen.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 ist eine hohle, langgestreckte, becherförmige Kathode 1 in einem.

Block 3 und eine hohle, langgestreckte, becherförmige Anode 2 in einem Block 4 angeordnet. Kathodenabschirmungen 5 und 6 werden von an einer Außenkammerwand 13 befestigten Isolatoren 8 und 9 getragen. Die Kammerwand 13 trägt ferner mittels eines Isolators 10 eine Anodenabschirmung 7. Magnete 11 und 12 erzeugen ein starkes Magnetfeld von beispielsweise 6000 Gauß, dessen Richtung durch den Pfeil H angedeutet ist. Deuterium- oder Tritiumgas wird aus einem Gasvorratsbehälter 14 über eine Rohrleitung 15 dem Innenraum der hohlen Kathode 1 zugeführt. Kathode und Anode werden durch ein durch Rohrleitungen 33 strömendes Kühlmittel gekühlt.

Durch die Wände 13 ist eine äußere Vakuumkammer 21 begrenzt, welche durch ein Rohrstück 23 mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Eine innere Vakuumkammer 20 ist durch Wände 17 begrenzt und durch ein Rohrstück 22 mit einer Vakuumpumpe verbunden. Benachbart der Kathode 1 sind Leitwände 18 und benachbart der Anode 2 Leitwände 19 vorgesehen. Die Leitwände 18 und 19 sind isoliert gelagert. Eine Bogenzündhilfseinrichtung, beispielsweise eine Hochfrequenzspannungsquelle 31, die ein Schweißtransformator üblicher Art sein kann, ist mit ihrem einen Ende über eine Leitung 32 mit der Anode 2 und an ihrem anderen Ende über eine Leitung 30, einen Schalter 29 und eine Leitung 28 mit der Kathode 1 verbunden. Eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Mehrzellenbatterie 25 mit veränderlichem Abgriff, liefert die Betriebsspannung für die Anoden-Kathoden-Strecke. Die Batterie 25 ist dabei an ihrer einen Seite über eine Leitung 24 mit der Kathode 1 und an ihrer anderen Seite über einen Schalter 26 und eine Leitung 27 mit der Anode 2 verbunden.

Die Blöcke 3 und 4 sind gegen die Kammerwandung 13 isoliert gelagert. Bei der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung beträgt z. B. die Länge der Kathode 12,7 mm, deren Außendurchmesser 19,05 mm und deren Innendurchmesser 9,525 mm. Die Anode hat eine Länge von 12,7 mm, einen Außendurchmesser von 19,05 mm und einen Innendurchmesser von 12,7 mm.

Bei der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird beim Anfahren Gas von der Vorratsquelle 14 über die Rohrleitung 15 der Kathode 1 zugeführt, bis der Druck in der Kathode und in der Kammer 20 einen Wert von etwa 3 · 10~³ mm Hg erreicht, worauf die Hochfrequenzspannungsquelle 31 an die Elektroden 1 und 2 gelegt wird. Ferner wird an die Elektroden eine Gleichspannungsquelle 25 gelegt. Der Bogen wird an den Flächen 34 und 35 der Kathode und Anode gezündet. Nach dem Zünden des Bogens 16 wird die Hochfrequenzquelle abgeschaltet und die Gaszufuhr herabgesetzt, bis sich der Bogen von den Flächen 34 und 35 der Elektroden in das Innere der Elektroden bewegt. Die Gaszufuhrgeschwindigkeit wird dabei auf einem Wert gehalten, der zur Erzielung einer völligen Raumladungsneutralisation innerhalb der hohlen Kathode gerade ausreicht, während der Druck in der Kammer 20 stetig bis auf etwa 3 · 10~^r> mm Hg oder niedriger herabgesetzt wird. Der Druck in der Außenkammer 21 wird dabei auf einem Wert von etwa 10~⁴ mm Hg gehalten. Im Betrieb wird der Druckunterschied zwischen den beiden Kammern auf einem konstanten Wert gehalten.

Während der gesamten Betriebszeit wird in der bezeichneten Vorrichtung ein Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 6000 Gauß durch die Magnete 11 und 12 aufrechterhalten. Wenn der Druck in der Kammer 20 verringert wird, nimmt die Spannung an den Elektroden zu; wenn der Druck in der Kammer 20 einen normalen Betriebswert von beispielsweise 3 · 10~³ mm Hg erreicht hat, beträgt die Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 etwa 400 Volt, und der Bogenstrom beträgt dann etwa 100 A.

Damit der Bogen aus dem Innenraum der Kathode heraus unter den vorstehend angegebenen Bedingungen betrieben werden kann, ist es erforderlich, daß die Gasströmung auf einer Geschwindigkeit gehalten wird, die ausreichend niedrig ist, damit eine angemessene Raumladungsneutralisation innerhalb der Kathode, jedoch nicht im Hauptvolumen, erfolgt; außerdem muß die Bohrung der Kathode sich in genauer Ausfluchtung mit dem Magnetfeld befinden.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die Elektronenpfade innerhalb der Kathode. Wie erwähnt, werden die Elektronen von der Innenwandung der Kathode radial beschleunigt. Einige dieser Elektronen, die, bevor sie zur Wand zurückkehren, Zusammenstöße erleiden, werden eingefangen und aus der Kathode infolge des axialen Spannungsgradienten im Bogen herausgezogen, so daß sie sich zur Anode bewegen. Auf ihrem Weg zur Anode finden weitere Zusammenstöße über die Länge des Bogens statt. Jeder dieser Zusammenstöße mit Gasmolekülen hat die Bildung von Ionen zur Folge, so daß der Bogen gebildet und unterhalten wird. Diese Ionen werden längs des Magnetfeldes zur Kathode infolge des Spannungsgradienten im Bogen beschleunigt. Da die Bewegung der Ionen nicht zufällig oder regellos ist, sondern diese rasch zur Kathode geführt werden, werden Verluste durch Diffusion und Rekombination stark herabgesetzt. Um diesen Vorteil auszunutzen, sind die Leitwände 18 und 19 zwischen den Elektroden und dem Arbeitsvolumen des Bogens vorgesehen. Eine große Anzahl der Ionen, welche zur Kathode hin beschleunigt werden und rekombinieren, werden dann daran gehindert, als neutrale Teilchen in die Kammern 20 und 21 zurückzufließen.

Es können Bogen auch mit anderen Gasen, z. B. Luft, Wasserstoff, Argon, Stickstoff und Helium, betrieben werden; für das Studium thermonuklearer Prozesse ist jedoch die Verwendung von Deuterium oder Tritium unerläßlich.

Die Anode braucht nicht unbedingt becherförmig gestaltet zu sein; sie kann auch massiv ausgeführt sein. Die Erhitzung der Anode und damit das Einstreuen von Verunreinigungen kann durch die Verwendung einer sich drehenden Anode, durch welche die Elektronenbeschießung über einen großen Oberflächenbereich verteilt wird, auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Der vorangehend beschriebene Bogen ist eine wirksame Dissoziationsvorrichtung. Es wurde festgestellt, daß dieser Bogen einen Aufspaltungswirkungsgrad bis zu 25 ^fl/o besitzt, wenn er zur Dissoziation von 20 keV Deuteriummolekülionen verwendet wird.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 ist eine erste hohle becherförmige Wolframkathode 40 vorgesehen, die in einem Kupferblock 42 angeordnet ist. Der Kupferblock 42 ist von einem Gehäuse 44 eingeschlossen, das in der Außenkammerwandung 62 isoliert gelagert ist. Eine zweite hohle becherförmige Wolframkathode 41 ist in einem Kupferblock 43 angeordnet. Der Kupferblock 43 ist von einem Gehäuse 45 eingeschlossen, das in der Außenkammerwandung 42 isoliert gelagert ist. Mit einer Öffnung versehene Kathodenabschirmungen 46, 47 und 48 und ein mit einer Öffnung versehener Elektronenreflektor 49 sind in der Innenkamtnerwandung 54 isoliert gelagert und benachbart der ersten Kathode 40 angeordnet. Entsprechende Kathodenabschirmungen 51, 52 und 53 und ein mit einer Öffnung versehener Elektronenreflektor 50 sind isoliert in der Innenkammerwandung 54 gelagert und benachbart der zweiten Kathode 41 angeordnet. Diese Kathodenabschirmungen und Elektronenreflektoren wirken als Leitwände zwischen einer inneren Vakuumkammer 80 und einer äußeren Vakuumkammer 81. Die Innenkammerwandung 54 trägt eine hohle, langgestreckte Anode 78.

Magnete 60 und 61 erzeugen ein starkes Magnetfeld, dessen Richtung durch den Pfeil H angegeben ist. Von einer Vorratsquelle 58 wird Deuterium- oder Tritiumgas über eine Rohrleitung 56 dem Innenraum der hohlen Kathode 40 zugeführt. Ferner wird Deuterium- oder Tritiumgas von einer Vorratsquelle 59 über eine Rohrleitung 57 dem Innenraum der hohlen Kathode 41 zugeführt.

Die innere Vakuumkammer 80 ist durch Wände 54 gebildet und durch eine Rohrleitung 55 mit einer Vakuumpumpe verbunden. Die äußere Vakuumkammer 81 ist durch Wände 62 gebildet und durch eine Rohrleitung 63 mit einer Vakuumpumpe verbunden. Eine Bogenhilfszündeinrichtung, beispielsweise eine Hochfrequenzspannungsquelle 74, die ein Schweißtransformator üblicher Art sein kann, ist mit ihrer einen Seite über Leitungen 71 und 73 sowie über Leitungen 71 und 72 mit den Kathoden 40 und 41 und mit ihrer anderen Seite über eine Leitung 75, einen Schalter 76 und eine Leitung 77 mit der Anode 78 verbunden. Eine Betriebsspannungsquelle, beispielsweise eine Mehrzellenbatterie 67 mit veränderlichem Abgriff, ist mit ihrer einen Seite über Leitungen 64 und 66 sowie Leitungen 64 und 65 mit den Kathoden 40 und 41 und mit ihrer anderen Seite über eine Leitung 68, einen Schalter 69 und eine Leitung 70 mit der Anode 78 verbunden.

Bei der in der F i g. 3 dargestellten Vorrichtung besitzen z. B. die Kathoden 40 und 41 eine Länge von 12,7 mm und einen Innendurchmesser von 15,88 mm. Die hohle Anode 78 hat dann eine Länge von 20,32 mm und einen Innendurchmesser von 5,08 mm. Für lange Bogen bis zu einer Länge von 1,83 m können Anoden mit einem Durchmesser bis zu 15,24 mm verwendet werden. Die Länge der Anode ist für den Betrieb nicht kritisch. Die Anode wird im allgemeinen im Verhältnis zu ihrem Durchmesser lang hergestellt, damit im Mittelbereich ein niedrigerer Druck als an den Kathoden erzielt werden kann.

Beim Anfahren wird Gas von der Vorratsquelle 58 über die Rohrleitung 56 der Kathode 40 und von der Vorratsquelle 59 über die Rohrleitung 57 der Kathode 41 zugeführt, bis der Druck in den Hohlkathoden und in der Kammer 80 einen Wert von etwa 3 · 10~³mm Hg erreicht, worauf die HF-Spannungsquelle 74 durch Schließen des Schalters 76 an die Kathoden 40/41 und die Anode 78 gelegt wird. Ferner wird die Gleichspannungsquelle 67 durch Schließen des Schalters 69 an die Kathoden 40/41 und die Anode 78 gelegt. Der Bogen wird an den Katho-

denflächen 82 und 83 gezündet. Nach dem Zünden des Bogens 79 wird die Hochfrequenzquelle 74 durch den Schalter 76 abgeschaltet und die Gaszufuhr herabgesetzt, bis sich der Bogen von den Kathodenflächen 82 und 83 in das Innere der Kathoden bewegt. Die Gaszufuhr zum Bogen wird mit einer Geschwindigkeit aufrechterhalten, die ausreicht, um eine vollständige Raumladungsneutralisation innerhalb der hohlen Kathoden herbeizuführen, während der Druck in der Kammer 80 stetig herabgesetzt wird, bis er einen Wert von etwa 3 · 10~⁵mmHg oder niedriger erreicht. Der Druck in der Außenkammer 81 wird auf einem Wert von etwa 3 · 10~⁴ mm Hg gehalten. Der Druckunterschied zwischen den beiden Kammern wird unter normalen Betriebsbedingungen auf einem konstanten Wert gehalten.

Während der gesamten Betriebszeit wird in der bezeichneten Vorrichtung durch die Magnete 60 und 61 ein Magnetfeld von etwa 3000 bis 6000 Gauß aufrechterhalten. Der mit der Vorrichtung nach F i g. 3 erzeugte Bogen hat einen viel höheren Widerstand als der mit der Vorrichtung nach F i g. 1 erzeugte und wurde mit Spannungen bis zu 1 Kilovolt und mit Bogenströmen bis zu 100 A betrieben.

Damit der Bogen unter den vorangehend beschriebenen Bedingungen aus dem Innenraum der Kathoden heraus betrieben werden kann, muß, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1, die Gasströmung auf einer Geschwindigkeit gehalten werden, die ausreichend niedrig ist, damit eine angemessene Raumladungsneutralisation innerhalb der Kathoden, jedoch nicht im Hauptvolumen, stattfindet; außerdem müssen die Bohrungen der Kathoden sich in genauer Ausfluchtung befinden.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 spielt das Problem der Erhitzung keine so große Rolle wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1. Die Art der Entladung bei der Vorrichtung nach F i g. 3 ist derart, daß die Elektronen in der Entladung zwischen den Kathoden oszillieren, bis sie einen Zusammenstoß erleiden und allmählich mit einer Präzessionsbewegung zu verschiedenen Teilen der Innenfläche der hohlen Anode gelangen. Für die Vorrichtungen nach den F i g. 3 und 4 sind ebenfalls Kühlrohre erforderlich, welche in der in der F i g. 1 gezeigten Weise angeordnet sein können. Die Kühlrohre sind in den F i g. 3 und 4 der übersichtlichen Darstellung halber nicht gezeigt. Die Wolframkathoden 40 und 41 sind in den Blöcken 42 und 43 fest eingepaßt, so daß eine gute Wärmeübertragung bei der Erhitzung stattfindet.

Die bei der Vorrichtung nach F i g. 3 vorgesehenen Kathodenabschirmungen und Elektronenreflektoren dienen dem gleichen Zweck wie die Leitwände der Vorrichtung nach Fig. 1. Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 kann eine der Kathoden gegebenenfalls durch eine Platte ersetzt werden.

Die in der Vorrichtung nach F i g. 3 erzeugte Bogenentladung muß nicht unbedingt in einer geraden Linie ausgeblendet sein, sondern kann bei entsprechender Gestaltung des Magnetfeldes und der Elektroden gekrümmt sein. So besitzt eine Vorrichtung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, einen toroidförmig gekrümmten Bogen 98. Die Anode ist im wesentlichen ein Toroid, von dem ein Segment weggenommen ist, um das Einsetzen einer gekrümmten hohlen Kathode und der mit einer öffnung versehenen Abschirmungen und Elektronenreflektoren zu ermöglichen. Bei einer solchen Anordnung findet eine Emission an beiden Enden der Kathode statt. In der Wirkungsweise sind die in den F i g. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen einander gleichartig.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 4 ist eine gekrümmte hohle Wolframkathode 85 in einem Kupfermantel 104 fest eingesetzt. An der Außenkammerwand96 ist eine kreisförmig gekrümmte hohle Anode 86 durch nicht gezeigte Mittel befestigt. Die Enden der Anode 86 liegen den Endflächen 116 und 117 der hohlen Kathode gegenüber. Durch die Innenkammerwandung 93 sind mit einer öffnung versehene Kathodenabschirmungen 88 und 89 sowie ein mit einer öffnung versehener Elektronenreflektor 87 isoliert gelagert und benachbart der Kathodenfläche 117 angeordnet. Benachbart der Kathodenfläche 116 sind ferner mit einer Öffnung versehene Kathodenabschirmungen 90 und 91 sowie ein mit einer öffnung versehener Elektronenreflektor 92 angeordnet, welche von der Innenkammerwandung 93 isoliert getragen werden.

Durch Magnetspulen 103 wird ein starkes Magnetfeld, beispielsweise von 3000 bis 6000 Gauß, erzeugt. Magnetspulen 103 sind um die hohle Anode 86 herum über deren ganze Länge angordnet. Die Richtung des Magnetfeldes ist durch den Pfeil H angegeben.

Aus einer Vorratsquelle 100 wird Deuterium- oder Tritiumgas über eine Rohrleitung 99 dem Innenraum des Mittelteils der hohlen Kathode zugeführt. Das Zuführungsrohr 99 ist von einem Rohrstück 105 umgeben. Durch die Wandung 93 wird eine innere Vakuumkammer 102 begrenzt, die über das Rohrstück 95, welches an die Kammerwandung 93 angeschlossen ist, mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die Wandung 96 begrenzt eine äußere Vakuumkammer 101, die über ein rohrförmiges Ansatzstück 97 mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Eine Bogenzündhilfseinrichtung 112 (HF-Spannungsquelle), beispielsweise ein Schweißtransformator üblicher Art, ist mit ihrer einen Seite mit der Kathode 85 über eine Leitung 111 und mit ihrer anderen Seite über eine Leitung 113, einen Schalter 114 und eine Leitung 115 mit der Anode 86 verbunden. Eine Betriebsgleichspannungsquelle 107, beispielsweise eine Mehrzellenbatterie mit veränderlichem Abgriff, ist mit ihrer einen Seite über eine Leitung 106 mit der Kathode 85 und mit ihrer anderen Seite über eine Leitung 108, einen Schalter 109 und eine Leitung 110 mit der Anode 86 verbunden.

Die Elektronenreflektoren 87 und 92 sowie die Kathodenabschirmungen 88, 89 und 90, 91 wirken als Leitwände, um eine differentielle Pumpwirkung zwischen der Innen- und der Außenkammer in ähnlicher Weise wie bei der Vorrichtung nach F i g. 1 zu erzielen.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 4 entspricht der der Vorrichtung nach Fig. 3.

Die Bogenentladungen bei den Vorrichtungen nach den F i g. 3 und 4 können zur Erzeugung einer Quelle energiereicher Ionen und Elektronen und zur Dissoziation und/oder Ionisation von Molekülionen verwendet werden. Ferner kann ein Teil der Entladung durch magnetische Spiegelspulen eingeschnürt und verdichtet werden, wodurch eine Energievervielfachung erzielt wird, die insbesondere für das Studium thermonuklearer Prozesse von Bedeutung ist.

Ein Vorteil der Vorrichtungen nach den F i g. 3 und 4 besteht darin, daß Pinch-Entladungen indu-

ziert werden können, ohne daß der starke Pinch-Strom in konzentrierten Bereichen die Elektroden beaufschlagt. In der Tat findet bei einem bestimmten Punkt während des Pinch-Betriebs bei der Vorrichtung nach F i g. 4 überhaupt keine Beaufschlagung der Kathoden durch die Entladung statt. Hierdurch wird die Erhitzung sowie die Erosion der Elektroden und der Eintritt von Fremdstoffen in die Entladung beträchtlich vermindert.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer energiereichen hochtemperierten Gasentladung zwischen einer wassergekühlten, becherförmigen, mit Gas beschickten Kathode und einer wassergekühlten, hohlen, gegebenenfalls becherförmigen Anode, wobei diese Elektroden im Abstand einander gegenüber und mit ihren Achsen in Flucht in einer von einer äußeren Kammer umgebenen evakuierten Kammer und innerhalb eines intensiven ma- zo gnetischen Führungsfeldes, das in Achsenrichtung dieser Elektroden gerichtet ist, angeordnet sind und diese Elektroden mit einer Zündspannung und mit einer Arbeitsspannung beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kammer und die von dieser eingeschlossene Bogenentladungskammer getrennt auf unterschiedliche Drücke evakuiert werden, die Gaszuführungsgeschwindigkeit zum Inneren der Kathode, ausgehend von einer zum Zünden der Gasentladung erforderlichen Zuführungsgeschwindigkeit, herabgesetzt und gleichzeitig die Arbeitsspannung des Bogens so weit erhöht sowie der Druck in den Kammern so weit verringert wird, daß die Bogenentladung von der Vorderfläche der Kathode ins Innere der Kathode hineingezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Bogenentladung von etwa 100 A der verminderte Druck in der Entladungskammer etwa 3 · 1O^-5 mm Hg und der verminderte Druck in der äußeren Kammer etwa 3 · 10~⁴ mm Hg beträgt, die Arbeitsspannung auf etwa 400 V Gleichspannung und das Magnetfeld auf eine Feldstärke von etwa 6000 Gauß eingeregelt ist und daß das zugeführte Gas Deuterium ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung nach. F i g. 3 mit einer zweiten becherförmigen, wassergekühlten und mit Gas beschickten Kathode die Gaszuführungsgeschwindigkeit zu den beiden Kathoden gleichzeitig verändert wird, so daß die Entladung ins Innere der beiden Kathoden hineingezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung nach F i g. 4 mit teilringförmig und rohrförmig ausgebildeter Anode und Kathode das Gas an der Längsmitte der Kathode dem Kathodenhohlraum zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 735105, 736130,
861299, 873 594, 879 583;

österreichische Patentschrift Nr. 132189;

französische Patentschrift Nr. 883 711;

britische Patentschriften Nr. 400 320, 706 036;

USA.-Patentschrift Nr. 2 510 448;

»Annalen der Physik«, 5. Folge, Bd. 36, 1939, S. 9 bis 37;

»The Review of Scientific Instruments«, Vol. 24, Nr.

5, Mai 1953, S. 394/395.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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