DE1589945A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung nuklearer Reaktionen - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Heinz Ciaessen
Patentanwalt
Stuttgart-1
Rotebühlstr. 70

ISB/Reg. 3605

P. T. Farnsworth 167

INTERNATIONAL STAIDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Verfahren und Anordnungen zur Erzeugung nuklearer Reaktionen.

Die Priorität der Anmeldung Nr. 549 849 'vom 13. Mai 1966 in den Vereinigten Staaten von Amerika ist in Anspruch genommen.

Io Einführung

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und Anordnungen zur Erzeugung nuklearer Reaktionen und insbesondere mit einem Verfahren und Anordnungen zur Erzeugung gesteuerter nuklearer Reaktionen.

Bei den bekannten Verschmelzreaktionen werden Atomkerne von zwei leichten Elementen zu einem Atomkern eines einzigen schwereren Elementes vereinigt. Es bleibt dabei der Bindungsenergieüberschuss in der Form von subatomischen Teilchen (Neutronen und Protonen) und Strahlung zurück. Ehe die positiv geladenen Atomkerne einander so nahe gebracht werden, dass eine Verschmelzung stattfinden kann, muss genügend Energie aufgewendet werden, um ihre elektrostatischen Rückstosskräfte zu überwinden. Es gibt viele mögliche Reaktionen, die sich mit der Vereinigung zweier leichter Atomkerne befassen und welche einen Energieüberschuss haben, aber Wasser stoff ( Deuterium und Tritium) und Helium werdtn als dit gteignetsten zur Erzeugung steuerbarer Veraohmelzreaktionen be-

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brachtet. Beispiele dieser Reaktionen sind:

(1) ^² + .,D²^₂He³ (.82 mev.) + _Qn¹ (2.45 mev.)

(2) .jD² + .,D² "^₁T³ (1.01 mev.) + .,p¹ (3.02 mev.)

(3) .,D² + .,T³-^₂He⁴ (3.5 mev.) + _Qn¹ (14.1 mev.)

(4) .,D² + ₂He³-»₂He⁴ (3.6 mev.) + .,p¹ (14.7 mev.)

Es wurde festgestellt, dass zur Erzeugung einer sich selbst unterhaltenden Verschmelzreaktion (es bleibt mehr Energie auf Grund der Reaktion zurück als erforderlich ist, um sie zu erzeugen) die Dichte eines Plasmas in einem hohen^s Zustand erhalten werden muss. Es wird allgemein angenommen, dass wenn ein Plasma so beschränkt werden kann, die anderen Probleme bei der Erzeugung einer sich selbst erhaltenen Verschmelzre- " aktion, hauptsächlich das Anwachsen der Teilchenenergie auf einen Betrag um die Rückstosskräfte zu überwinden, gelöst werden können. Diese Vorschläge zur Plasmabesehränkung verwenden sehr hohe magnetische Felder. Diese beinhalten eine begrenzte Entladung, den "St ellerat or", den magnetischen Spiegel, den "Astron" und dergl. Die Erfindung entfernt sich weit von

sier solchen Verfahren, die sich denen, welche/s, .^st erzeugend· elektrische Felder zur Begrenzung des Plasmas benützen, nähern. Durch den Gebrauch solcher elektrischer Felder sind die Probleme, die die magnetischen Feldanordnun§Pmit sich bringen, überwunden.

Verfahren und Anordnungen, die geeignet aind, soüie kontinuierlichen Reaktionen zu erzeugen, sind in der deutschen Patentschrift 1 177 260 beschrieben. Ein Ausführungebeispiel dieser Patentschrift hat kugelförmige Geometrie. Ein· «missiona·

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fähige Kathode "umgibt konzentrisch eine Anordnung, welche einen konzentrischen Hohlraum aufweist. Die Anode ist für Atomteilchen durchlässig, während die Kathode dies nicht ist. Bei Betrieb dieser Anordnung erzeugt eine elektrische Entladung, welche sich aus Elektronen- und Ionenströmen, die durch die Anode in den Hohlraum entwickelt werden, eine radiale Potentialverteilung, welche im Zentrum des Anodenhohlraums ein Minimum und in der Nähe der Anodenwand ein Maximum ist. Ionen, die an Punkten zwischen dem Mittelpunkt und der Anodenwand entstehen, fallen zurück und schwingen durch den Mittelpunkt mit Geschwindigkeiten, welche abhängen von den Betriebspotentialen, den Potentialen innerhalb des anodischen Raumes und den Potentialen, bei welchen die Ionen entstehen. Mit Potentialen genügender Grosse werden die Ionen mit Energien, die zu nuklearen Reaktionen ausreichen, zusammentraffen, sodass Ionenkollisionen im Zentrum stattfinden, wodurch nukleare Reaktionen erzeugt werden.

Die Erfindung unterscheidet sich darin strukturell fundamental dadurch, dass die Kathode und die Anode vertauscht sind und die Anode die Kathode umgibt. Die Kathode ist im wesentlichen undurchlässig für Elektronen und ist beachtlich durchlässig für positiv geladene Teilchen, während die Anode dies nicht ist. Eine innerhalb der Anordnung erzeugte elektrische G-asentladung verursacht die Konzentration von Elektronen und Ionen gegen und in die zentrale Zone des durch die Kathode umschlossenen Raumes, wodurch in dieser konzentrischen Zone abrupte schalenähnliche Potentialschranken alternierender Polarität oder virtuale Kathoden und Anoden erzeugt werden. Ionen hoher Energie innerhalb des Raumes der Anordnung werden gegen und durch diese virtuelle Elektroden zum geometrischen Mittelpunkt der Anordnung bewegt, wodurch im Verein mit deri Ionen niederer Energie* die in diesem Raum erzeugt werden, eine Ionenkonzentration von extrem hoher Dichte erzeugt wird. Wenn die Raumladung im Mittelpunkt vollständig entwickelt¹ ist, erreicht die Potentialdifferenz zwischen der innersten viiv

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tuellen Kathode und der ersten benachbarten virtuellen Anode eine Grosse, die ausreicht, um Ionen durch den Mittelpunkt mit . Energien, die zu Yerschmelzreaktionen ausreichen, zu bewegen. Atomische und subatomische Produkte, die durch diese Reaktionen erzeugt werden, sind zur Energiegewinnung verwertbar. Die Erfindung beinhaltet neue und verbesserte Mittel und Verfahren zur Beschränkung der Plasmateilchen, ungeachtet der ladung, Komprimierung dieser Teilchen in kleine Volumen hoher Dichte und Aufrechterhaltung dieses Zustandes für eine längere Zeit.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Mittel zur Komprimierung und Beschränkung einer Plasmaentladung durch die Verwendung von sich selbst erzeugenden elektrischen Feldern vorzusehen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen leides und Kittel zur Erzeugung einer stabilen elektrischen Entladung vorzusehen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und Anordnungen zur Umwandlung der von den nuklearen Reaktionen erzeugten Energie in nützliche Wärmeenergie vorzusehen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Methoden und Anordnungen zu schaffen, um die positiv geladenen atomischen Teilchen direkt in elektrische Kraft zu verwandeln.

Schliesslich ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Energie und Hitzequelle zu schaffen, in welcher die kinetische Energie der Produkte der Verschmelzreaktionen direkt in elektrische Energie mit oder ohne Neutronen umgewandelt werden.

Beschreibung der theoretischen Anordnung.

In Vervollständigung der obigen und damit zusammenhängenden . Aufgaben hat ein elektrisches Entladungsgefäss eine Anode, welche eine Kathode umgibt, die einen strukturlosen Raum oder Volumen elektrisch umschliesst. Die Kathode ist praktisch un-

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durchlässig für Elektronen, aber beachtlich durchlässig für Ionen. Die Anode und die Kathode sind ungleich konstruiert und vereinigt, um ein elektronenoptisches System zu bilden, indem der Kathodenraum vollständig mit elektrischer Entladung ausgefüllt ist. Unter dem Einfluss der elektrischen Optiken folgen durchquerende Elektronen radialen Wegen durch den Kathodenraum und da die Kathode ganz undurchlässig für Elektronen ist, sind sie dadurch davon abgehalten, in beachtlicher Anzahl durch die umgebende Anode eingefangen zu werden. Die Temperaturen werden dadurch auf Minimalwerten gehalten und es wird ein hoher Elektronenstrom entwickelt, welcher zur Erzeugung des erforderlichen Potentialgradienten im Kathodenraum dient.

Eine Änderung der Verschmelzreaktionen ist möglich, indem die Reaktionen zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie benutzt werden. Die geladenen Teilchen dieser besonderen Verschmelzreaktionen werden mit einer genügend hohen kinetischen Energie emittiert, um das Br'emsfeld der Anode zu überwinden. Dadurch leisten die positiv geladenen Teilchen Arbeit gegen das Anodenfeld, wodurch die in diesem Feld gespeicherte Energie vermehrt wird. Die verbleibende Energie wird in Wärme auf der Anode umgewandelt, aber das Auf treffen der positiven Ladungen auf dieser ergibt ihre direkte Umwandlung in elektrische Energie dder Kraft. In Hitze umgewandelte Energie kann auch zur Erzeugung von Kraft verwendet werden.

Die oben erwähnten und weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung sollen nun im folgenden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der Zeichnungen näher beschrieben werden.

• Pig. 1 zeigt eine achematische Darstellung eines Ausführungebeispiels der Erfindung, die zur Erläuterung der Theorie der Arbeitsweise dient.

Fig. 2 und 3 sind Potentialverteilungskurven, die der Erläuterung der Arbeitsprinzipien der Erfindung dienen.

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Mg. 4 ist eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Theorie der Streuung geladener Teilchen.

Mg. 5,6,7 und 8 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.

Mg. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Theorie dei^irbeitsweise.

Mg.10 ist eine graphische Darstellung der Deuterium-Tritium Reaktion zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung.

Mg.11 ist ein Teilschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Mg.12 ist ein axialer Schnitt eines Teiles der Anordnung gemäss der Mgur 11.

Mg.13 ist ein teilweiser axialer Schnitt eines Ionenstrahlerzeugungssystems der S¹Ig. 11.

Mg. 14 ist eine Teilansicht einer Kathode der Anordnung der Mg. 11.

Fig.15 ist ein Schnitt längs der linie 15-15 der Pig. 14.

Mg.16 ist eine vergrösserte Ansicht einer Ionenöffnung der Mg. 11.

Pig.17 ist ein Schnitt längs der Linie 17 der Pigur 16..

Fig.18a und Pig.18b sind Diagramme zur Erläuterung der relativen Stellungen des Ionenstrahlerzeugungssysteins und der öffnungen in der Kathode.

Fig·19 ist eine Ansicht eines Ionenstrahlerzeugungssysteme.

Fig.20 und 21 sind Schnitte längs der linien 20 bzw. 21-21 der Fig.13.

Fig.22 ist ein Schnitt längs dir Linien 22-22 der Pig. 11.

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. 23 ist ein Teilsehnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

24 zeigt einen vergrösserten Teilschnitt der Schirmanordnung auf der Kathode der Anordnung der S¹Ig₀ 23.

Mg .25 zeigt einen vergrösserten Teilschnitt der Ionenöffnung, die auf der Kathode der Anordnung der i^lig.23 aufgetaut ist.

Fig.26 ist ein vergrösserter Teilschnitt der Zuführung zwecks Anlagen der Spannungen an die Schirmanordnung der M-guren 23 und 24.

Mg, 27 zeigt einen vergrösserten Teilschnitt eines anderen-Ausführungs"beispiels für ein Ionenstrahlerzeugungssystem.

Mg β 28 ist ein Schnitt längs der Linie 28-28 der Mg. 27. .29 ist ein Schnitt längs der Linie 29-29 der Pig. 27.

III. Vereinfachte Erklärung der Arbeitsweise

Es wurde angenommen, dass Verschmelzreaktionen, die mehr Energie gehen als diejenige, die nötig ist um den Effekt zu erzeugen, nur in plasmenhoher Dichte stattfinden, in welchen die Gesamtheit der kinetischen Energien der das Plasma zusammen-

.20 setzenden Teilchen gross genug sind, um ihre gegenseitigen Abstossungskräfte zu überwinden. Bei den Vorschlägen zu Erzielung dieser Bedingungen werden starke äussere Magnetfelder verwendet, um das Plasma in einem kleinen Volumen zusammenzupressen, um dadurch die Dichte und die Temperatur (Energie) der darin enthaltenen Teilchen zu vergrössern. Derartige Magnetfelder zur Begrenzung der Blasmateilchen in die erforderliche hohe Dichte ist nur bei extrem kurzen (Mikrosekunden) Verschmelzreaktionen erfolgreich gewesen. Die erforderliche Zeit, um wünschenswerte Bedingungen (Zeitraum zwischen den Impuleen)

'30. zu schaffen, ist so gross, dass keine nützliche Energie aus den Reaktionen entnommen werden konnte.

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Die Erfindung unterscheidet sich grundsätzlich von denjenigen Verfahren, bei welchen geladene Teilchen in eine geeignete dichte Konfiguration durch die Wirkung einer "elektrodynamischen linse", welche durch in einem Volumen des freien Raumes begrenzte bipolare Ladungen erzeugt wird, gebracht v/erden. Solche bipolare ladungen werden in einer sphärischen Konfiguration derart entwickelt, dass eine Anzahl von kenzentrischen sphärischen Potentialen mit radialem Abstand voneinander entstehen. Zwischen diesen Potentialen sind grosse Potenticildifferenzen vorhanden,, Die Maximum- ujid I-Iiniinumpotentiale alternieren radial in ihrer Lage und sind durch virtuelle Anoden bzw. Kathoden charakterisiert. Eine virtuelle Kathode ist im Innersten und entspricht im wesentlichen dem geometrischen Zentrum.

Durch diese Anordnung von virtuellen Anoden und virtuellen Kathoden wird eine radiale Potentialverteilung in einem sphärischen Raum erhalten. Das Minimumpotential ist in der Nähe des Zentrums. Auf diese Art und Weise fallen positiv geladene Teilchen in diesen Raum und durch das Zentrum. Sie werden zum Zentrum hin fokussiert,, Diese Fokussierungskräfte können als Resultat der bipolaren Ladungsoptiken (Elektron und Ion) betrachtet werden.

Bipolare Ladungen, welche sich radial innerhalb des Raumes bewegen, erzeugen eine radiale Potentialverteilung, wie bereits oben beschrieben. Es ist daher möglich, diese bipolaren Ladungsoptiken als "Poisson Optics" zu bezeichnen, weil die Lösung der poissischen Differentialgleichung für die radiale Potentialverteilung, die durch die bipolaren Ladungen in einer sphärischen Konfiguration entstehen, das Phenomen der oben beschriebenen virtuellen Anoden und virtuellen Kathoden offenbart.. Das elektrische Feld, welches innerhalb des freien Rau-'mes, der durch diese virtuellen Elektroden besetzt ist, sei ein "Poissor" genannt.

* Die Bahnen der geladenen Teilchen werden durch das zusammengesetzte Feld, Avelehes durch die Anhäufung der Felder ent-

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gegengesetzt geladener Teilchen erzeugt wird, bestimmt. Wenn ein positiv geladenes Teilchen (lon) von der Geschwindigkeit Full von einem Punkt innerhalb einer virtuellen Kathode (welcher eine sphärische positive Potentiälgrenze bestimmt) fällt, wird es gegen die benachbarte virtuelle Kathode beschleunigt und wenn es über diese hinausgeht, auf eine Geschwindigkeit von Hull YoIt an einer Iquipotentialgrenze abgebremst und dann wiederholt sich dieser Geschwindigkeitsgradient von Null zu einem Maximum und dann wieder von UuIl in die entgegengesetzte Richtung. In gleicher Weise .oszillieren Elektronen durch die virtuellen Anoden zwischen negativen üquipotentialsperren. Da diese Teilchen träge' zwischen derartigen Äquipotentialgrenzen eingefangen sind, sei die Methode zur Beschränkung der Teilchen für Verschmelzraaktionen "träge Beschränkung" genannt. Ionen, welche an den Innersten der Grenzen von sphärischen virtuellen Anoden entstehen und welche durch das nahe Zentrum der Anordnung oszillieren, erzeugen die erforderliche Dichte, sodass die Bedingung für eine sich selbst unterhaltende nukleare Reaktion gewährleistet ist. Die geladenen Teilchen sind zu der erforderlichen Dichte im zentralen Bereich durch den Prozess der "trägen Beschränkung" zusammengepresst und die Anordnung benutzt diesen Prozess.

In der Fig. 1 ist eine evakuierte sphärische Elektronenröhrenanordnung gezeigt _t welche aus einer sphärischen Ano^de mit dem Radius r besteht und eine sphärische Kathode 21 mit dem Raa

dius r einschliesst. An der Aussenseite der Anode 20 ist

c ·

ein Ionenstrahlerzeugungssystem 22 vorgesehen. Die Anoden- und Kathodenelektroden sind konzentrisch angeordnet. Die Kathode 21 und ihr Feld ;äind im wesentlichen undurchlässig 30. für Elektronenflug zur Anode 20; aber die Kathode ist dureh- ■■■'■:■■ lässig für den Flug positiv geladener Teilchen, wie z.B. Ionen. Bei der theoretischen Erläuterung kann die Kathode 21 als eine Maschenelektrode, welche aus einem Metallnetz oder ähnlichem hergestellt ist, betrachtet werden. Die Kathode ist aus foto--

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elektrischem Material und insbesondere solchem, welches im Ultraviolettbereich fotoelektrisch ist, hergestellt, Geeignete Verbindungen zu den Elektroden sind vorgesehen. Eine Leitung 23, die mit der Anode 20 verbunden ist, legt diese an ein positives Potential, Eine andere Leitung 24 verbindet die Kathoden 21 mit dem negativen Pol. Eine Energiequelle, wie z.B« die Batterie 25, welche eine geeignet hohe Spannung liefert, ist mit den Leitern 23 und 24 verbunden» Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich die Anode 20 auf Erdpotential.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Ionen eines für nukleare Reaktionen geeigneten Gases in den durch die Kathode 21 umschlossenen Raum eingeführt. Eine elektrische Entladung j die sich aus hohen Elektronen- und Ionenströmen zusammensetzt, bildet sich im Kathodenraum und entwickelt eine Potentialdifferenz, welche ganz allgemein gesprochen, in der Nähe des geometrischen Mittelpunktes 26 ein Minimum und in der Nähe der Anode 20 ein Maximum ist. Eines oder mehrere potentiale Maxima (virtuelle Anoden) und Minima (virtuelle Kathoden) sind konzentrisch innerhalb der Kathode 21 eingeschlossen. In der Nähe der Potentialmaxima (virtuelle Anoden) entstehende Ionen fallen und oszillieren durch die benachbarten Potentialminima (virtuelle Kathoden) mit Energien,die äquivalent sind zu den Potentialen an den Punkten, an denen sie gestattet sind. Diese Ionen, welche nach innen gegen das Zentrum 26 von Region hoher Potentiale falZ ., werden mit Geschwindigkeit (Energien) vorangetrieben, welche genügen, um die Rückstosskräfte langsamere Elektronen, welche in der Nähe des Zentrums 26 entstanden sind, zu überwinden und kollidieren, wodurch nukleare Reaktionen erzeugt werden.

Um Ionen mit zu Verschmelzreaktion ausreichende Energie zu erhalten, müssen die Grossen der virtuellen Kathoden und virtuellen ÄnVden 'derart ausgebildet sein, dass ihre Grenzen scharf definiert sind und die Potentialdifferenzen zwischen sich unterscheiden. Dies wird durch Verfahren erreicht, welche • im Detail In der späteren Beschreibung näher erläutert werdin.

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IY-. BesiClireib-ang. de.r Bildung der virtuellen Elektroden

..,.wenn geeignete Potentiale -an den Elektroden liegen und v/enn das Ioneiistrahlerzeugungssystem 22 .gespeist-wird, werden Ionen

■ eines zu Tersclimelzreaktionen geeigneten Gases in den durch

die Kathode 21 umsehlos seilen Raum gerichtet. Dort werden sie radial nach innen gegen den geometrischen Mittelpunkt 26 beschleunigt. Da ein Potentialgradient zwischen der Anode 20 und der Kathode 21 besteht, werden positiv geladene Ionen, welche mit dem Bezugszeichen 27 versehen sind, durch die Kathode 21 beschleunigt. Da die Kathode 21 im wesentlichen durchlässig für Ionen ist, setzt jedes Ion 27 seinen Weg fort und wenn die Optiken als perfekt betrachtet werden, geht es durch den Mittelpunkt 26 und wandert in gerader_Linie bis zu dem Rüokstossfeld der Anode 20, etwa bis der Punkt 28 erreicht ist.

An diesem Punkt wird die Bahn des Ions umgekehrt und es wieder-' holt seinen Weg auf die entgegengesetzte Seite der Anordnung bis in die Iahe der Anode 20. Dabei geht es wiederum durch den Mittelpunkt 26.

Da'das Potential innerhalb der .Kathode gleichförmig ist (es wird dabei angenommen, dass keine andere Ionen oder Elektronen

■ existieren), erfahren die Ionen keine Kräfte zur Änderung ihrer Geschwindigkeit, während sie durch den Kathodenraum fliegen. Ein Ion kann betrachtet werden, wie wenn es seine Reise an

■ einen·bestimmten oder nah einem bestimmten Punkt an der Anode 25" beginnt, gegen die Kathode beschleunigt wird, mi| konstanter ■ r Geschwindigkeit durch den Kathodenraum wandert und dann von

der Kathode bis in· die Nachbarschaft der Anode abgebremst wird, . wo seine Geschwindigkeit Null wird und sich seine Bahn umkehrt.

Dieses Ion setzt seine oszillatorische Bewegung fort,bis es •30: durch einen der verschiedenen Prozesse, welche später erläutert . "werden, verloren geht. Die Bedeutung dieses Konzeptes eines

BADORlGlMAt.

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einzigen Ions ist zweifach.

1.) Es ergibt, dass das normale Raumpotential innerhalb der Kathode 21 gleichförmig ist bei einem Wert der Kathode •und ein durch die Kathode wanderndes Ion dies mit gleich-' förmiger G-eschwindigkeit tut und

2.) dass ein Ion innerhalb des durch die Anode 20 umschlossenen Raumes solange isoliert, bis es letztlich durch die Kathode 21 eingesammelt ist.

Es sei nun angenommen, dass zwei Ionen die Anode gleichzeitig von diametral gegenüberliegenden Punkten verlassen, so z.B.

von den Ionenstrahlerzeugungssystemen 22 und 22a. Jedes dieser Ionen wird radial nach innen gegen den exakten Hittelpunkt des ^athodenraumes getrieben, sodass sie an einen Punkt in Abwesenheit anderer Kräfte kollidieren müssten. Da jedes Ion positiv geladen ist, übt es eine Rückstosskraft auf das andere aus derart,, dass ihre G-es chwindigkeit en allmählich verkleinert werden, bis sie in die Ifähe des exakten Mittelpunktes gelangen, wo sie alle ihre Energien"abgegeben haben und anhalten. 3h±k:k

. Unter dem Einfluss der Kathode und dem Einfluss der Rückstosskraft ihrer Felder kehren sie die Richtung ihres Weges um und werden nach aussen beschleunigt. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel erleiden die Ionen jedoch einen ablenkenden Effekt und passieren einander mit minimaler Geschwindigkeit anstelle zu stoppen. Nachdem die Ionen durch die Kathode 21 gegangen sind, werden sie durch das Feld der Anode 20 gestoppt bis sie in der Nähe der Anode 20 selbst stoppen und ■ cl_er Kreislauf wiederholt wird. Das gleichförmige Potential innerhalb der Kathode 21 übt nur eine kleine oder keine Kraft auf ein einzelnes durch die Kathode gehendes Ion aus. Zwei Ionen, die sich §wf diametralen Wegen einander annähern, erfahren Rückstosskräfte und Geschwindigkeitsänderungen, wodurch

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ein positives elektrisches Feld im Kathodenraum erzeugt wird. Das Maximum dieses Effektes findet im Zentralbereich statt, wo die Geschwindigkeit am geringsten ist. Dies kann als Raumladungseffekt bezeichnet werden»

Nehmen wir nun an, dass eine reichliche Anzahl von Ionen in den der Anode 20 unmittelbar benachbarten Raum von einer Anzahl symmetrisch angeordneter Ionenstrahlerzeugungssysteme eingeführt werden. Diese Ionen konvergieren gegen den Mittelpunkt 26 mit sich allmählich verringernden Geschwindigkeiten bis"sie ein Geschwindigkeitsminimum erreichen und danach nach aussen divergieren im wesentlichen längs derselben Durchmesser und beschleunigt werden, bis sie durch die Kathode 21 gehen. Diese Ionen ergeben eine positive Ladung im Kathodenraum, welche sich ständig vergrössert, wenn der Mittelpunkt 26 er-15. reicht ist. Wenn die Ionen den Mittelpunkt 26 verlassen, ab- '";'' sorbieren sie Energie von dem "Feld auf ihrem Weg zu der Ka- ^: thode. Auf diese Art wird eine virtuelle Anode, welche den KathOdenmittelpunkt 26 (und innerhalb der Kathode 21) umgibt, erzeugt, welche das Potential (V ) der Anode 20 um den Faktor "Δ "V " übersteigt, gleich dem mittleren Spannungs-

Zuwachs, welcher erforderlich ist, damit die Ionen, die von dem Ionenstrahlerzeugungssystem kommen, das Feld der Anode durchdringen. Der Ionenraumladungsstrom oszilliert also vorwärts durch die.durchlässige Kathode 21, wenn er nicht zur Anode 20 zurückkehrt.

\ Die Entstehung der Ionenraumladung innerhalb der Kathode 21 •sei im Zusammenhang mit der graphischen Darstellung der Fig. näher erläutert, in welcher die Abszisse den Radius der Anordnung und die Ordinate die Potentialverteilung darin darstellt. Die Grosse der Ionenraumladung hängt ab von dem Betrag des Raumladungsstromes, welcher durch den Kathodenraum fliesst. Für einen kleinen Strom ist die positive Ladung^ klein und das Potential im Zentrum gleicht dem der Kurve "a". Ein grö'sserer Strom erzeugt eine stärkere posi-

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tive Potentialverteilung, wie dies z.B. die Kurve "b" zeigt. Grössere oder kleinere Ströme ändern das Potential im Mittelpunkt 26 entsprechend.

Da die Kathode 21 nicht vollständig durchlässig für Ionen ist, werden Ionen auf die Kathode auftreffen und sekundär Elektronen auslösen (während des Betriebs der Anordnung können auch Elektronen von der fotoelektrischen Kathode durch Ultraviolettbestrahlung austreten). Elektronen, welche die Kathode 21 verlassen können, müssen ein Potential (V +Λ V ) haben. "V "

C C C

ist das Potential der Kathode. Die derart durch die Kathode emittierten Kathoden verlassen diese mit einer Eermi-Dirac Verteilung der Geschwindigkeiten und der Potentialgradient nahe der Kathode 21 wird dadurch um den Faktor "Λ V " negativer als der der Kathode und die Potentialkurve bewegt sich nach unten bis sie ein Minimum beim Radius "r " dicht bei der Kathode 21 hat. An diesem tunkt entspricht das ""Potential der mittleren Emissionsgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Bedingung werden die meisten Elektronen abgebremst, bis sie zum Halten kommen; Dadurch wird eine virtuelle Kathode 29 mit dem Radius "r " erzeugt, von wo aus die Elektronen in jede

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Richtung fliegen können,. d„h. entweder sie kehren zur Kathode zurück oder sie fliegen in den zentralen Kathodenraum.

Die Elektronen werden unter dem Einfluss des Potentialgradienten, der in dem zentralen Raum durch die Ionen und die Rückstosseinflüsse der virtuellen Kathode 29 ent^r jnden ist,, gegen den Mittelpunkt 26 solange beschleunigt, bis ihre gegenseitigen Rückstosskräfte überwiegen. Dann werden die Elektronen abgebremst, geben negative Energie an das Feld ab, werden über weite Winkel,zerstreut, kehren zur virtuellen Kathode 29 zurück und wiederholen ihren Kreislauf. Da die .-Elektronendichte-in dem kleinen sphärischen Volumen, welches *"■■ den Mittelpunkt 26 umgibt > jam gross ten ist, ist der Beitrag der Elektronen zur negativen Raumladung in diesem Raum am grössten und es entwickelt sich ein Potentialminimum oder ein »Krater» im Mittelpunkt des positiven Gradienten ⁿhⁿ (Fig.2),-

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-15*

welcher solange abfällt, bis eine virtuelle Kathode 30a mit e-inem der virtuellen Kathode 29 gleichen Potential im -Mittel-'

• -punkt 26, Radius "r " entstanden ist-„ Diese Aktion ist von

einer Versetzung nach aussen der Spitze des positiven Potentialgradienten zum Radius "r " verbunden, wo eine sphärische Po-■·■:.,■ -:.; >' ■ a j

teii'tialflache oder virtuelle Anode gebildet wird.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde die Anwesen/heit von neutralen* Gjssmolekülen innerhalb der Anordnung nicht berücksichtigt. .wenn neutrales Gas anwesend ist, ist es anfänglich gleichmässig über' das von der Anode 20 umschlossene Volumen ver-

■■-·■' teilt. Die Elektronen und Ionen, welche innerhalb der Kathode oszillieren, treffen neutrale Gasmoleküle und erzeugen zusätzliche Elektronen und Ionen, welche ihrerseits unter dem Einfluss der elektrischen Felder in oszillierende Bewegung versetzt werden. Die Längen ihrer ¥ege werden durch die Potentiale ihrer Entstehungspunkte innerhalb des Kathodenraumes bestimmt. Als Beispiel sei angenommen, dass ein Ion ausserhalb der virtuellen Anode 31 (Figo2) entsteht, es wird dann durch die virtuelle Kathode 29 beschleunigt und trifft auf die Kathode 21, wodurch zusätzliche Elektronen erzeugt werden. Die während der Entstehung der Ionen befreiten Elektronen fliegen durch die virtuelle Anode 31 und kommen in der Nähe der Kathode 30a zur Ruhe - wenn jegliche Ablenkung vernachlässigt wird - sie ihre Richtung umkehren und zu ihrem Entstehungspunkt zurückkehren.

liehmen wir an,-dass die Ionen und Elektronen an der Innenseite der virtuellen Anode 31 (Fig.2) entstehen, so werden die Ionen von der Rücks'tosskraft der virtuellen Anode 31 nach innen getrieben und gegen und durch die virtuelle Kathode 30a beschleunigt und kommen an der positiven Schranke auf der ent- gegehgesetzten Seite des Mittel 26 zur Ruhe und oszillieren dann zwischen diesen zwei Schranken. Die Elektronen werden durch die virtuelle Anode 31 getrieben und oszillieren zwischen 'der virtuellen Kathode 29 und der virtuellen Kathode 30a, Die ■' grösste Anzahl von Ionen (und Elektronen) werden bei weitem in

3*5 der Nähe der .virtuellen Kathode 30a erzeugt,. ,_;.

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Wenn dieser Prozess fortgesetzt wird, bilden die Ionen und Elektronen Raumladungsströme, ein kleines positives Potentialmaximum innerhalb der virtuellen Kathode 30a (Mg.2) durch die Ionen, welche in diesem Raum erzeugt werden und durch ihn oszillieren, wodurch die virteuelle Kathode 30a etwas vom Mittelpunkt 26 versetzt wird, sodass eine virtuelle Anode 32 (Fig.3) im Mittelpunkt 26 gebildet ist und die virtuelle Kathode 30a sich zu einem neuen Ort 30 mit dem Radius "r ^M bewegt. Diese Aktion versetzt auch die virtuelle Anode 31 radial nach aussen gegen die Kathode 21. Die neue radiale Potentialverteilung ist in Pig· 3 dargestellt. Es sei bemerkt, dass das Anwachsen der ■ Ionenstromdichte innerhalb der virtuellen Kathode die Bildung einer virtuellen Anode darin und einer neuen virtuellen Kathode zur Folge hat und gleichzeitig die Versetzung der virtuellen Anode 31 radial nach aussen. Dieser Prozess des Hinzufügens von virtuellen Elektroden kann theoretisch solange fortgesetzt werden, bis ein Termischungspunkt erreicht ist, wo sie verschmelzen und das Feld zusammenbricht. In der Praxis jedoch kann die Anzahl der virtuellen Elektroden gesteuert werden.

Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel zur Erklärung werden nur zwei virtuelle Kathoden (29 und 30) eine virtuelle Anode und die Restanode 32 angenommen.

Es sei bemerkt, dass weder die Ionen noch die Elektronen genau auf radialen Wegen wandern. Es besteht eine Geschwindigkeitsstreuung schon innerhalb der lonen-und Elektronengruppen. Als Folge davon liegen die Punkte, an welchen die Ionen und Elektronen ihre Bewegungsrichtung umkehren, nicht auf mathematisch dünnen Oberflächen, folglich haben die virtuellen Anoden und Kathoden eine endliche radiale Dicke die "Potentialgradients- . flächen¹¹ oder einfach "Flächen" genannt werden.

Ss sei bemerkt, dass die Bildung der Raumladung innerhalb der Kathode 21 zu der Entwicklung Ton konzentrischen Potentialgradientflächen geführt &at»welche dazu dienen, negativ und posltiT geladene Teilchen auf Wegen zu bewegen» von denen

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einige den Mittelpunkt schneiden, während andere Längswege oszillieren, die durch die Energiebeträge bestimmt werden, an welchen die geladenen Teilchen entstanden sind. Die Schirmteilchen zu Verschmelzreaktionen können in ein so dichtes Yolumen konzentrisch zu dem geometrischen Mittelpunkt 26 zusammengepresst werden, dass die Wahrscheinlihhkeit, dass diese Teilchen, die wie Schirme wirken, mit den von der virtuellen Anode 31 (Mg.3) beschleunigten Teilchen verschmolzen zu werden, hoch ist. Die schwingenden Ionen, welche durch die virtuelle Restanode 32 im Mittelpunkt 26"gehen, vergrössern die Teilchendichte darin und durch diesen Prozess werden die im Mittelpunkt 26 oszillierenden Ionen zu Radien, welche kleiner sind als der Radius der Verschmelzung, zusammengepresst und Verschmelzung findet statt«,

Die Errichtung eines virtuellen Elektrodensystems (eines PoisBor) durch Lichtstrahlung innerhalb sphärischer Anordnungen,ähnlich, der oben beschriebenen Anordnung, sind bei vielen Gelegenheiten durch Fenster beobachtet und zu Studienzwecken fotografisch festgehalten worden.

Y. Andere atomische Prozesse in der Entladung.

Bei der unmittelbar vorhergehenden Diskussion wurden die Ionen und Elektronen so betrachtet, als wenn sie sich nacheinander bewegen und nur ihren entsprechenden Raumladungen unterliegen. Es gibt eine Anzahl von anderen atomiechen Prozessen, welohe stattfinden können. Ee soll jedoch im folgenden gezeigt werden, dass die Konstruktion der Anordnungen so ausgeführt werden kann, dass einige dieser Wirkungen vermindert und andere zu gutem Vorteil benutzt werden.

Wie bereite ausgeführt, oszillieren die Ionen oder Elektronen hoher Energie In Abwesenheit von äuseeren linfltieeen duron 4ea Baum der Anode 20 oder der Kathode 21 (»ig. 3). Die Bnenlauts«it

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zwischen den Grenzen ihrer Bahn, d.h. die Zeit, welche ein Ion braucht auf einem Weg seiner Bahn, ist der Länge des Ionenweges proportional und umgekehrt proportional zu seiner Geschwindigkeit. Dieses Schwingen der Ionen setzt sich bei Anwesentheit von Elektronen und neutralem Gas nur fort, bis eine der drei Möglichkeiten stattfindet:

a) Der Ionenweg wird durch den"Streuungsprozess^l! geändert;

b) das Ion fängt ein "Elektron" ein mit einer Ladungsänderung oder es rekombiniert sich mit einem Elektron und wird ein neutrales Atom oder

c) das Ion wird durch eine nukleare Reaktion verschmolzen.

Die Schwingung der Elektronen unterliegt in ähnlicher Weise der Streuung und einige haufen ein genügendes Winkelmoment an, um in Planetenbahnen zu wandern.

Die "Streuung" ist die gesamte statistische Wirkung der Wahrscheinlichkeit der elektrostatischen Ablenkung von ähnlichen leuchen mit variablem Hadius und Abstand, d.h. die Ablenkung der von Teilchen gleicher ladung durch die Koulombsche Rückstossungskräfte· Wenn Ionenströmung stattfindet, so erfolgt sie meistens in der zentralen virtuellen Restanode 32, wo die Ionendichte vielfach grosser ist als irgendwo sonst längs der Ionenwege.(Da die Ionen und Elektronen innerhalb einer sphärischen Umhüllung schwingen, wachsen ihre stromdichten Radial· nach innen wie "l/r ⁿ wobei "r" der Abstand des geometrischen Mittelpunktes 26 von dem Punkt 1st, an dem die Dichte gemessen wird). Ein Ion wird von seinem Weg abgelenkt, wenn es eich einem anderen Ion nähert und nicht in der lage ist, sich diesem dioht genug zu nähern (innerhalb des Radiuses der Yersohmel- f sung "x>"). Dieser besondere Abstand wischen awei Ionen (?«)»' vo Streuung duroh 7eraobj|el«ung ereetat wird, kann berechnet " werden, wenn der Querschnitt der Verschmelzung tür Alteta be- '* ■on&ere Ion bfcannt ist. Venn wir s.B. annehmen, da«β der Quer· | ■ohni-tt der Verschmelzung (C₁) für Tritiumionen mit Deuterium- * ionen gleioh ieti /

000028/0408 r

ISE/Reg. 3605

5 x 1(T²* cm²,

dann TF (r_f)² =ö_f=5x 10*"²⁴

(5) r~ =l| 5 x 1(T²⁴ 1.26 χ 10"¹² cm.

Wenn die Streuung zu gross ist, ist es nicht möglich, die hohe Ionendichte im Mittelpunkt 26 aufrecht zu erhalten, die nltig ist, um die erforderliche Verschmelzungswahrscheinlichkeit zu sichern. In anderen Worten, die Wirkung der Streuung vergrössert die Grosse des Volumens der zentralen virtuellen Restanode 32. Es ist vorteilhaft, die Anzahl der Ionenwege durch den Mittel-•JO punkt zu begrenzen für eine bestimmte Teilchenenergie, um ein Anwachsen durch Streuung in diesem Raum zu verhindern.

Der Ablenkwinkel hängt davon ab, wie nahe sich die zwei Ionen einander nähern. Dieser Winkel ist direkt proportional zu der Dichte der Schirmionen innerhalb der innersten virtuellen Kathode 30 und umgekehrt proportional zu der Wurzel der Energie des gestreuten Ions. Ionen, welche sich einander in einem Abstand kleiner als "r~" nähern, verschmelzen. Solche, die nicht in der ^age sind, sich bis unter diesen Abstand zu nähern, werden abgelenkt. Der Streuwinkel wird umso grosser, je dichter

"20 die Ionen sich einander nähern. Der kritische Winkel, bei dem Verschmelzung stattfindet, genannt der "Versch^telzungswinkel¹¹, kann mittels Rutherford's Formel berechnet werden. Für Tritium- Deuterium Ionen ist dieser Winkel ausserhalb 58°, sodass Streuung nur stattfindet, wenn diese Winkel kleiner als 58° sind. Xs kann mathematisch nachgewiesen werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Streuwinkel 8° übersteigt, nur ungefähr tOjC i«t»

Da ein Ion eine viel kleinere Wellenlänge als ein Elektron hat» sind seine atomischen Dimensionen viel kleiner» Daraus folgen . zwei wichtige Konsequenzen!

a) Beugungs- bzw. Ablenkungseffekte finden nicht als elastische Streuung statt. Für den Hauptteil eines

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Winkelbereichs ist die elastische Streuung die gleiche wie sie durch die klassische Theorie gegeben ist. (Bei sehr kleinen Winkeln ergibt die Quantentheorie bessere Resultate).

b) Elastische Streuung wird zu sehr kleinen Winkeln begrenzt. Die gestreute Intensität nimmt ab mit dem Anwachsen des Streuwinkels und die Streuung ist auf kleine Winkel konzentriert, wenn die einfallende Energie anwächst: Die Ge samt st reuung wird mit anwachsender Energie verkleinert.

Pur elastische Kollisionen ist der Querschnitt klein wenn (6) r ζ de.js, h

worin ^_{6 =} Ionisationsenergie
h = Ilanck's Konstante

~U = Geschwindigkeit der Ionen

r = Radius der Ionenablenkung.

Je grosser der Wert von "de" umso grosser ist die Energie, bei der der maximale unelastische querschnitt auftritt, weil bei kleinen Werten von "de" Ladungsaustausch der wichtigste unelastische Kollisionsprozess ist.

Ein Ion kann durch Einfangen eines Elektrons neutralisiert wer den _β Dies kann auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen: Ein Ion kollidiert mit einem neutralen Atom und entreisst ihm eines seiner Elektronen (ladungsaustausch) oder das Ion kollidiert mit einem freien Elektron und rekorabiniert zu einem neutralen Atom. Ganz allgemein gesprochen haben diese beiden Prozesse eine wesentliche Wahrscheinlichkeit, nur dann stattzufinden, wenn die cvci kollidierende Teilchen in derselben Richtung und ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit Abändern. Der Prozess

30· des Ladungsaustausches kann nur in einem Bereich stattfinden,

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ISB/Reg« 3605

wo die Ionengeschwindigkeit klein ist, das ist in der ITähe der virtuellen Anode 31 (]?igo3)) Je sanfter der Anstieg des Potentialgradienten ist, umso langer ist der Ionenweg, innerhalb welchem Ladungsaustausch stattfinden kann. Da Elektronen immer schneller wandern als Ionen, ist der Bereich, in welchem Rekombination stattfinden kann, dicht bei den virtuellen Kathoden 29 und 30, wo die Slektronengeschwindigkeit am niedrigsten und die Ionengeschwindigkeit am höchsten ist.

',Venn Ladung saus tausch stattfindet, ist ein sehr kleiner Energieaustausch zwischen den zwei Teilchen vorhanden, anders als bei der Übertragung eines Elektrons von einem Atomkern zu einem anderen. Das alte Ion, welches zum neutralen Atom wird, behält meistens seine Geschwindigkeit und da es nicht langer durch das elektrische Feld beeinflusst wird, wandert es einfach weiter bis es durch die Röhrenwand eingefangen wird. Das neu gebildete Ion hat eine Energie, welche dem Potential seinen Intstehungspunktes entspricht. Bs beginnt eine schwingende Bewegung durch den Mittelpunkt 26 oder wandert zur Kathode 21, wenn es nicht vorher abgelenkt wird. Das neu gebildete Ion kann betrachtet werden als würde es die mittlere Anzahl der Bahnen, die von dem alten Ion ausgeführt wurde, fortsetzte, aber mit dem Nachteil, dass es ein Energieverlust erlitten hat. Der Ionenladungsaustausch an der Innenseite der virtuellen Anode 31 kann meiiiimals wiederholt werden bevor der Energieverlust so gross wird, dass eine Ter-Schmelzung nicht stattfindet.

Wenn eine Rekombination stattfindet, resultiert ein neutrales Atom, welches solange nach aussen wandert, bis es entweder durch ein anderes Elektron oder Ion ionisiert ist, oder es wandert zu Wänden der Röhre. Um die Rekombination auf einen so niedrig als möglichen Jert zu begrenzen, führt zu Energieverlust durch Strahlung und zu dem Verlust von Ionen und Elektronen in der Raumladung. Jeim die radialen Dimensionen der virtuellen Kathoden schmal gehalten sind, so ist die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationen kleiner. In anderen Worten, der Potentialgradient der virtuellen Flächen der Kathode sollte sehr steil gehalten werden. Diese Bedingung wird dadurch erreicht, dass der llektro-

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ORIGINAL INSPECTED

nenkreisstrom durch die virtuelle Anode 31 so hoch wie dies möglich ist und die Elektronenwege so nahe radial als möglich gehalten werden,, Ein Mittel, um diese radiale Bewegung zu erhalten, ist die G-eschwindigkeitssteuerung der Elektronen auf ein Minimum zu "begrenzen.

Steuerung des Ladungsaustausehes durch Begrenzung der Ionenwege

Es wurde gezeigt, dass Ionenstreuung "begrenzt werden kann, wenn die Anzahl der Ionenwege durch den Mittelpunkt der Anordnung begrenzt wird. Es soll nun gezeigt werden, dass diese Anzahl der Ionenwege durch Ladungsaustausch gesteuert werden kann.

Der Umfang des Ladungsaustausches kann aus der Beziehung, welche die Wahrscheinl
rechnet werden:

die Wahrscheinlichkeit pro Weg "P " wie folgt ausgedrückt, be-

wobei: L = die Länge eines Ionenweges in cm ist;

Pi 3

= die neutrale Gasdichte in Teilchen pro cm

£) = der Ladungsaus^tauschquerschnitt in cm .

Der höchste mögliche Wert für "P " ist 1, da dies bedeutet, dass Ladungsaustausch stattfindet. Der augenscheinliche Minimalwert von "P " ist Null. Aus der Formel ergibt sich für ¹¹P_n"

Or ^ß

ein Wert von 10 . Dies bedeutet, dass ein Ion im Mittel 10 Schwingungen ausführt, bevor der Energieverlust des Ions durch Ladungsaustausch so gross wird, dass es nicht mehr den Yer- · schmelzungsradius erreichen kann. Werte für den Ladungsaustaus chqruerschnitt können der Kurve von Jackson & Schriff in "Physical Review", Vol. 89, No.2, page 359, 1953 entnommen werden.

Es ist wünschenswert, die Anzahl der Ionenwege auf weniger als 1 Million während des Ablaufs von 4-6 Ladungsaustauschzyklen zu begrenzen. Wenn im Mittel 4 Einfänge pro 10 angenommen werden, dann ist

P₀ = -£. = 4. x. ΙΟ*"⁶ ..

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ORSGlNAL INSPECTED

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Wird nun als/Öeispiel angenommen, dass die Weglänge 0,135 cm und

— 16 2
der viert von " O " 10 cm beträgt, dann kann der Wert der Dichte des neutralen Gases "P_n" aus der Gleichung (7) v/ie folgt abgeleitet v/erden:

^ü _c x L 10" _x 0.135 250,000 χ 10~¹⁶ χ 0.135 ~L_ 3 x 10¹¹ Partikel cm³.

Es sei bemerkt, dass die Steuerung· des Iadungsaustausch.es, welche ihrerseits in einem grossen Umfang' die Form der Potentialverteilung beherrscht, durch die Steuerung der Gasdichte erreichi wird, da der Ladungs aus t aus clique rs chnitt umgekehrt potential zur Gasdichte ist.

Aufrechterhaltung der radialen !Dicke virtueller Kathoden durch Steuerung der Elektronenstreuung.

Während der Ausbildung der Raumladung haben die Elektronen anfänglich Energien zur Oszillation innerhalb der Begrenzungen der Kathode 21 längsradialen Wegen, welche durch den Mittelpunkt 26 gehen. Diese Elektronen unterliegen der gleichen Art von Ablenkungskräften, wie sich einander nähernde Ionen, sodass Elektronenstreuungen stattfinden. Elektronen, welche sich einander im Mittelpunkt oder nahe des iiittelpunktes 26 nähern, v/erden lüngs verschiedenen Wegen abgelenkt, die ebenfalls radial sind. Wenn jedoch sich diese Elektronen an anderen Punkten als am Hittelpunkt 26 treffen, werden sie längs neuen Wegen abgelenkt, welche entweder radialer oder weniger radial werden.

Wenn die Elektronen ihren Weg fortnetzen können und treffen die nicht radialen Elektronen mit anderen Elektronen zusammen und erzeugen weiterhin nicht radiale und radiale Elektronen, sodass eventuell nach einer relativ grosaen Anzahl von Elektronenwegen die Elektronenbewegungen innerhalb der Kathode 21 in gewissem Masse nicht radial zu werden neigen. Figo 4 zeigt ein vereinfachtes Beispiel dieser Ablenkung für zwei verschiedene Orte

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— H —

eines Elektrons (33 und 34) in Bezug auf einen Elektronenweg längs eines nicht radialen Weges. In Fig. 4 ist das Elektron längs eines (und radialen) Weges abgelenkt, während das Elek-.tron 34 längs eines mehr nicht radialen Weges abgelenkt ist. Wenn der Ablenkwinkel gross ist, können einige der Elektronen, wenn sie nicht in anderer ./eise gehindert sind, genügend Energie erwerben, um die virtuelle Kathode 29 und die Kathode 21 zu durchdringen und durch die Anode 20 absorbiert zu werden oder in die Kathode 21 einzudringen unci dadurch aus dem Feld entfernt zu werden, Andere Elektronen erfahren Bewegung auf planetenartigen Bahnen.

Die erforderliche Bedingung zur Erzeugung scharf begrenzter virtueller Anoden und Kathoden wird anfangs erreicht durch Steuerung der Zahl von Elektronenwegen innerhalb des Kathodenraumes. Diese Bedingung kann durch die folgende Gleichung dargestellt v/erden:

(8) I_e = tf_e χ I₀₂₀

wo I= der Kreiselektronenstrom durch die virtuelle e

Anode 31 innerhalb der Kathode 21 (Fig.3)

2Q i 2 = der Elektronenstroin, v/elcher von der

inneren Oberfläche der Kathode 21 (Fi;;.3) emittiert wird,

IJ = die mittlere Anzahl der Elektronenwege

(2iJ ist die mittlere Anzahl der runden Wege).

Wenn ein Teilchenweg durch den Iiittelpunkt ;eht, ist der Abstand von seinem Startpunkt zu dem Punkt, wo or beginnt umzukehren, zwei Wegen oder einem Eundweg gleich. Wenn der Weg eines Teilchens vom Mittelpunkt entfernt ist, ist der Abstand seines Ursprungs punkte s von seinem Umkehrpunkt ein Weg. Es ist wünschenswert, dass: der Faktor ''f\f " zwischen dio Figuren 10 und 10 fällt. Wenn "Il " zu gross wird, werden die virtuellen Kathoden und Anoden nicht genau gebildet. Dadurch, dass verhindert wird,

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dass die Anzahl der Elelctronenwege zu gross wird, kann die nicht radiale Komponente des Elektronenraumladungsstromes bei einem Minimum gehalten v/erden.

Die Anzahl der Elektronenwege kann relativ klein gemacht werden, indem innerhalb des Kathodenraumes eine hohe Elektronenstromdichte aufrecht erhalten wird. Da der Maximalwert des Kreiselektronenstromes "I_e" durch die Raumladungssättigung begrenzt wird, welche eine Funktion des Kathodenspannungsgradienten ist, kann "I " (Gleichung 8) so gemacht werden, dass er sich seiner Sättigungsgrenze nähert und zwar durch Anwachsen des Kathodenstromes "igPo"» wodurch eine sehr grosse Anzahl von Elektronen innerhalb der Kathode 21 begrenzt wird, welche nur wenig "runde Wege" ausführen. Folglich werden einige Elektronen mit Planetenbahnen gebildet. In einer praktischen Anordnung kann der Elektronenstrom durch die Verwendung von Elektroneneittern innerhalb der Kathode 21 vergrössert werden.

Die Wege der Planetenelektronen üind ellipsenförmig und jedes derartige Elektron ist daher einer Kraft unterworfen, welches den Elektronenweg verursacht, von einer sphärischen Oberfläche innerhalb der Kathode abzuweichen. Diese Elektronen tragen zu dem Elektronenkreisstrom und auch zu den Feldern der virtuellen Kathoden bei aufgrund ihrer ellipsenförmigen Bahnen. Mit nichtradialen G-eschwindigkeitskomponenten können Elektronen mit Planetenbahnen die virtuellen Kathoden nicht so dicht erreichen wie radiale Elektronen. Ihre maximalen Raumladungsbeiträge finden mehr von den virtuellen Kathoden statt als von den radialen und die virtuellen Kathoden werden verbreitert. Eine beträchtliche Anzahl von Elektronen mit Planetenbahnen (mehr als 10$ des Elektronenkreisstromes) sind daher nicht wünschenswert, weil sie die Aufrechterhaltung scharf definierter Elektronen verhindert. In der Praxis übersteigen die Elektronen mit Planetenbahnen, wenn überhaupt vorhanden, selten 3 bis 4 #.

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Elektronen mit Planetenbahnen reduzieren zusätzlich zu ihrem Beitrag zum Elektronenkreisstrom die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationen und den damit verbundenen Strahlungsverlusten. In dem Raum zur Verschmelzreaktion, welcher eingeschlossen ist durch die virtuelle Kathode 30, wird dies extrem wichtig, da der Verlust von verschmelzfähigen Ionen aus diesem Raum reduziert wird» Ausserhalb der virtuellen Kathode 30 tragen die Elektronen mit Planetenbahnen nicht nur zu dem Feld, welches die virtuelle Kathode 29 aufrecht erhält, bei, sondern bewegen diese

nach
Kathode auch/innen gegen die virtuelle Anode 31, wodurch in grossem Masse jegliche Spitzen oder Sonderbarkeiten des elektrischen Feldes der virtuellen Kathode 29 reduziert werden und die durch das Feld der Anode 20, welches durch die öffnungen in der Kathode 21 dringt, hervorgerufen sind.

VI. Teilchenflug

Es wird nunmehr erforderlich, die Raumladungsoptiken und den Teilchenflug näher zu untersuchen. Die Gesetze, nach welchen sich geladene Teilchen von einem Emitter zu einem Kollektor bewegen, ohne Rücksicht auf die Spannung zwischen den Elektroden, wurden in Langmuir und Blodgett ("Physical Review", Vol. 24, No. 1, pp. 49-59, July 1924) beschrieben. Diese besondere Ableitung wurde aufgestellt, um die Ströme zu berechnen, welche durch die^aumladung zwischen konzentrischen Flächen (entweder Elektronen oder Ionen, aber nicht beide) begrenzt werden. Bei den erfindungsgemässen Anordnungen bestehen jedoch innerhalb der sphärischen Elektroden bipolare Ladungen und die goisson's Gleichung erhält folgenden Ausdruck:

I (Sj

worin "V" das Potential an irgend einem Radius "r" ist und und "P₁" die Elektronen und Iontn volumetrischen Raumladungsdichte sind.

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ISS/Regο 3605 - 27 -

Gleichung 10 zusammen mit den Bnergiegleicliungen 1/2 M_e-U_e ² = ^eV> ^{und 1}/2 M₁V₁ ² = e (Y^ - Y)

worin "H" die Hasse des geladenen Teilchens "e" die Ladung des Elektrons "\)" die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens bei irgend einem Potential "V" und "t>" der Punkt ist, an dem das Ion eintritt (nach der Erfindung wird als dieser Punkt die Anode "betrachtet, da die meisten der geladenen Teilchen an oder sehr nahe an ihren entsprechenden Elektroden gebildet werden); und die Dichte, Ladung und Geschwindigkeitsbeziehungen

"e ^re^e

(wo "ä" die Ladung der Raumladung ist) genügen, um alle Beziehungen, welche die Elektronen und Raumladungsflüge beinhalten, zu bestimmen.

Durch die folgende Annäherung, welche durch Langmuir in der Veröffentlichung "The Interaction of Electron and Positive Ion Space Oahrges in Cathode Sheaths", ("Physical Review", Vol.33, page 954, June 1929) offenbart wurde, reduziert sich die Gleichung 10 zu

⁴Z₃

I. = der Kreisionenstrom

I = der ^reiselektronenstrom bei Anwesenheit von e

Ionen

. "V ⁼ ln(r/r ), (r ist der Radius der Emissionsober

fläche

JUL ~ f (Λ/), (entspricht dem "CL" ^von Langmuir und Blodgett und wird "Ct" wenn "\" Null wird).

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Ein Paktor ähnlich zu "/\" vmrde von ^jigmuir in .jeiner Veröffentlichung vom Juni 1929 verwendet, ■'eichen er ¹¹Q" nannte. . Er aeigte, dass der rotentialgraaient an der oberfläche der Anode proportional zu (1 -OL) ⁷^ und imaginär wurde, i?onn Ct> war, in anderen Worten,wenn "Cl!¹ Z? 1 wurde, wurden axe Ionen schneller zurückgezogen als -;ie eingespritzt vmrden. ubv/ohl diese Berechnungen für eine planparallele Entladung aufgestellt wurden, wurde gefunden, dass die gleiche Begrenzung auch für die sphärischen konzentrischen Flächen der Anordnungen nach der Erfindung angewendet v/erden kSnnen.

Aus Gleichung 12 geht hervor, dass wenn laan eich iait einem bestimmten Verhältnis aer Radien der Elektroden befasst, hat "A" nur einen ,/ert und wird daher eine Konstante. ./enn "A" iiull ist (es i.st kein Ionenstrora anwesend;, kann das "Ct" von Langmuir und Blodgett anstelle des "JUi" in der Gleichung (11) gesetzt v/erden, sodass erfolgt:

ay

welche "wie es sein soll" die lan.jmuir und Llougett Gleichung ist ο

Spangenberg (book "Vacuum Tubes", 1st Ed.1948, §8.4,p. IM) gibt für den Elektronen-Raumladungsstrom für konzentrische sphärische Elektronen in Abwesenheit von Ionen folgende Gleichung an: /

(14) I = £ä-?4 * 10"^x V

worin "V" die Potentialdifferenz zwischen den sphärischen Elektroden und "CL" eine Punktion von "y= In (r/r₀)" ist, gegeben durch die l-iaclaurin's Reihen:

- 0.3V² + 0.075Λ/ - 0.0013V +

Die Werte für "CL" ^Bind gleichgültig, ob die Kathode ausserhalb oder innerhalb ist und können in der Tabelle II von Langmuir und

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ο Blodgett gefunden werden. Zwei Funktionen bezeichnet als "CL "

und "(-CL )²" sind dort aufgeführt. Die erste gilt für den Fall, dass die Spannung "V" an einem Punkt "P" ausserhalb der Elektronen emittierenden Elektrode besteht und die zweite, wenn der -tunkt innerhalb der Elektronenquelle liegt.

Die Langinuir Überlegungen können zur Bestimmung der Elektronen- und Ionenkreisströme und unter der Voraussetzung, dass beide vorhanden sind, erweitert werden. Genau wie bei Langmuir und Blodgett die Gleichung 15 nicht direkt integriert werden konnte, war dies auch für die Gleichung 11 der Fall, aber es konnte in der gleichen tfeise wie die von Langmuir und Blodgett benutzte eine Lösung erhalten werden. Der Elektronenkreisstrom in Anwesenheit von Ionen nimmt folgende Form an:

(15) τ - 29.34 χ 10 ° χ V
e 5

μ²

Die vierte für "JUi" können durch die Taylor's Reihen ermittelt v/erden:

3 /o

Aus Gleichung (15) ergibt sich, dass der Elektronenkreisstrom "I " unabhängig von der Grosse der Flächen ist, weil die Radien nur als Verhältnis auftreten.

Nachdem man den Wert von »λ» und den Kreiselektronenstrom aus der Gleichung (12) kennt, kann der Ionenkreisstrom ¹¹I₁" bestimmt werden, sodas3:

(16) I₁ = I_e x\ ^xf5" - 29.34 x lo"⁶

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Da die Poisson'sche Gleichung nur für die Anwesenheit einer Raumladung gültig ist, muss "/^ " grosser als eins sein, um dem Erfordernis, welches dadurch entsteht, dass eine virtuelle Kathode durch eine virtuelle Ano/de umschlossen ist, zu ge-

c nügen, wie dies durch "r " und "r " (ini S?ig.3) gezeigt ist.

C₁ ά_λ

Da Langmuir gezeigt hat, dass das elektrische Feld wie

W —^ variiert,· kann "/A^ » nicht grosser als eins sein und es muss eine mathematische Diskontinuität an der virtuellen Kathode entstehen. In gleicher V/eise muss eine derartige"Sonderbarkeit" an der virtuellen Kathode "r " , welche

^C2 durch die virtuelle Anode "r " umschlossen wird, entstehen.

Es ist unumstösslich, dass "ein raumladungsgesättigter Strom nicht auf der Seite einer Emissionsoberfläche erzeugt werden kann, welche nach aussen strahlt". Me radiale Potentialverteilung für die Anordnungen gemäss der Erfindungen sind in der Figo 5a gezeigt. Dass derartige "Besonderheiten" bestehen, kann mit dem Fall einer gleichmässig über eine imaginäre sphärische Fläche verteilte Ladung verglichen werden.

Unter der Annahme, dass die positive Ladung "Q" gleichmässig über die imaginäre sphärische Fläche vom Radius "r^" verteilt ist, kann das Gauss'sehe Gesetz für elektrostatische Ladungen zur" Berechnung der Feldstärke (E) und des Potentials (V) an irgend einem Radius "r" innerhalb und ausserhalb .des Radiuses "r " (Figo 5) benutzt werden. Zusätzlich kann die Oberflächenladungsdichte ¹¹P₃" als Funktion des radialen AbstandeB "r" ermittelt werden (siehe See. 1-20, Chapter 1, Part I, of "Electro-Magnetics" by John D. Kraus, McGraw-Hill Electrical and Electronics Engineering Series, 1st Ed.,1953). Es wurde gefunden, dass die Feldstärke "E" (in der Abwesenheit von elektrischen Ladungen) für irgend einen Radius innerhalb der Oberfläche Null ist und das absolute Potential ausstr-

- 31 -

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hall) der Oberfläche bei einem Radius durch die folgende Gleichung gegeben ist:

(17) V =

ti Y" ti

worin "Q" die positive Ladung in Coulomb iat und "Γ " die Elektrizitätskonstante Luft iat. Oa die Feldstärke innerhalb der Fläche WuIl ist, ist das Potential innerhalb der Fläche konstant. Die Oberfleichendichte ¹¹P " ist überall Null, ausgenommen beim Radius der Fläche, wo sie folgenden Wert hat:

Die Änderung von "E", "V" und "P ^M ist in der Fig₀ 6 durch die Kurven a, b und c dargestellt.

Die Ähnlichkeit der radialen Potentialgradienten der Figuren 5(a) und 6(b) ist auffallend. Jenn der Gradient(dV) bei "rJ¹ (Figo6) und "r " (Fig. 5(a)) Hull ist und eine BeSingung für die RaumladungsSättigung bei "r " durch eine unendlich dünne

sphärische Fläche bei diesem Radius bestimmt ist, kann angenommen werden, dass die Gleichungen (17) und (18) zur Ermittlung einer radialen Potentialverteilung benutzt v/erden können und das"Feld nicht durch Grenzladungen erzeugt ist. ils ist daher erforderlich, die entsprechenden Emissionsoberflächen durch Index (Kathode "c" und eine Nummer oder Anode "a" und eine Nummer) zu bestimmen, welche den zirkulierenden Strom (Elektronen oder Ionen) erzeugen.

Da die Kreisstrüme durch alle virtuellen Elektroden konstante Werte für alle Radien zwischen den Grenzen der Bahnen haben gilt:" _τ

(19) ^- = k²

• worin "k²" eine Konstante ist, die unabhängig von den Spannunger bei irgend einem Radius ist. Unter Benutzung der Gleichungen

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(14)und (15) kann die Gleichung (19) in folgender Porin besdhrieben werden:

	k2	29.	34	χ	10	-6	χ	3/2 va '
(20)	ίν —			- ί	uc	ι
	29.	34	X	10	-6	χ	3/2 va

-a_c ²

Wenn die reale Kathode "c" die Emissionsoberfläche ist_o

Die Langmuir-Gleichung (12) und die folgenden in seiner Veröffentlichung vom Juni 1929 lehrt ein Verfahren sur Ermittlung der Werte von __e_ für planparallele Elektroden für jeglichen Wert von "Ct" (Welches dem in den Unterlagen verwendeten "A" für sphärische Elektroden entspricht).

Die Grenzbedingungen für "Ct" und "T^" sind NuIl und Eins. Wenn sich das Verhältnis der Radien ^a1 (Fig.3) der Einheit

nähert, nähert sich die sphärische Geometrie der Planparallelen so dicht, da_s der Potentialgradient bei "ü " Hull wird und

T 2 ^C1

^e (und "k ") den gleichen Wert annimmt, als denjenigen Ton

Langmuir für "OL", welcher 1„8605 ist. Oies bedeutet, dass 'der Elektronenkreisstrom bei Anwesenheit von unbegrenzten Ionen 1.8605 mal gro.saer ist als derjenige beim gleichen Potential in Abwesenheit von Ionen.

Wenn "A" WuIl wird, dass kein Ionenstrom anwesend,ist ^-e wieder das gleiche wie langmuir's ¹¹Q." und __e (und "k"""),

welches Eins ist.

Han bemerkt, dass mit den Grenzen für Langmuir¹S "(X" und dem "λ" , die identisch sind, es eich ergibt, dass "Cl" und "Λ" das gleiche für Zwifjchenwerte ist. In der Pig. 7 sind ,/erte

- 3? 00 9 8 28/0409

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von _e für verschiedene ^:./erte von ¹¹X » aufgetragen, sodass alle zwischenwerte leicht ermittelt werden können«

Praktisch kann man^ ein gewünschtes Potential zwischen die reale Anode 20 mit dem Radius "r_a" und reale Kathode 21 mit dem Radius "r " (I¹Ig₀3) legen und den Strom ¹¹I " messen. Es

^υ ο

werden nun Ionen von den Ionenquellen eingeleitet und die Ströme "I " gemessen. Die Verhältnisse von *e können dann

·=—

berechnet werden und die entsprechenden Werte°für ¹¹A," der Mg β 7 entnommen werden.

Nachdem auf diese Weise die Werte für ^e (oder "k²"), "I "

und "A " bekannt sind, kann man Werte fSr die entsprechenden "I₁" "('-CL)²" und "(-JUi)²" unter Beachtung, dass virtuelle Elektroden nicht nach aussen emittieren können und nur die negativen Werte für "CL" und "/IAJ¹ gültig sind, berechnen«, Hit diesen Angaben hat man die Mittel, um die radiale Potentialverteilung zu erhalten.

Der Radius der virtuellen Anode "r " (Figo 5(a)) ist im

allgemeinen genau durch experimentelle Daten durch Änderung bekannt. Der aktuelle tatsächliche Wert von "r_ " ( und das 1 resultierende Verhältnis °1 ) hängt von den totalen Energie·

Verlusten ab, welche erforderlich sind, um die gewünschte Elektrodenanordnung ("Poissor") und die G-rösse des Ionenstromes aufrecht zu erhalten, welcher durch (oder in) die reelle Kathode 21 (Radius ^Hr_c") fliesst. Die angenäherten Werte für "r " sind visuell bei experimentellen Anordnungen bestimmt worden.

Beim Entwurf einer arbeitsfähigen Anordnung für einen Ver-Bchmelzer ist es wichtig, dass das durch die innerste virtuelle Kathode, z.B. durch die Kathode 30 mit dem Radius »r " (Mg.5 (a)) eingeschlossen ist, «ine genügend grosse Anzahl von 'feilchen (mit einer Volumendichte, die der VerijchmeIzWahrscheinlichkeit 1 entspricht), um die Erzeugung

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eines nützlichen Energiebetrages sicher-zu-stel^en« Es wurde gefunden, dass wenn das Verhältnis der Radien eines Paares benachbarter Elektroden grosser als 3 ist, die innere virtuelle Kathode nicht gebildet wird und wenn das Verhältnis der Radien zu klein ist, die zur Aufrechterhaltung der Elektrodenanordnungen ("DPoissor") erforderlichen Kreisströme übermässig gross werden.

Bei einem tatsächlich verwendeten Ausführungsbeispiel eines Verschmelzers können die Radien der virtuellen Anoden und Kathoden berechnet werden. Ebenso die Werte für die Ströme und die radiale Potentialverteilung ausserhalb der virtuellen Kathode 30 mit dem Radius "r ". Das radiale Potential inner-

C₂

halb der erwähnten virtuellen Kathode ist nicht berechnet worden, weil die Radien des virtuellen Elektrodensystems viel kleiner werden, Fehler in den Ionen- und Elektronenoptiken in einem Umfang auftreten, dass es nicht bekannt ist, ob das System fortfährt, sich selbst zu wiederholen oder nicht. Da Verschmelzung in dem kleinen Volumen des Zentrums des Verschmelzers nicht stattfindet, können die Raumladungsbedingungen durch logische Überlegungen bestimmt werden.

In Figo 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Es besteht aus einer Anode 20, einer Kathode und einem Ionenstrahlerzeugungssystem 22. Innerhalb der Kathode 21 ist ein virtuelles Elektrodensystem ("Poissor") mit der virtuellen Kathode 29 mit einem Radius "r ", einer vir-

^c.t tuellen Anode 31 mit dem Radius "r ^M, einer virtuellen Ka-

thode 30 mit dem Radius "r " und einer virtuellen Anode 32

°o

C,

mit dem Radius "r " eingeschlossen. Um die Arbeitsweise des Verschmelzers zu verstehen, ist es wichtig, zwischen den Strömen, welche durch die Öffnungen der reellen Kathode 21, welche mit "Gitterströmen" (i_m) und dem Strom, welcher in die reelle Kathode 21 fliesst und mit Kathodenstrom (i_c) benannt ist, zu unterscheiden.

- 35 009828/0409

ISE/Rego 3605 - 35 -

Der Ionengitterstrom (i_im) wird durch. Ionen erzeugt:

(a) welche in die Kathode 21 durch die Ionenstrahlerzeugungssysteme geschickt werden;

(b) welche die Anode 20 aufgrund der Beschiessung mit Elektronen und neutralen G-asmolekülen verlassen;

(e) Vielehe in dem Raum zwischen Anode 20 und der Kathode 21 entstehen und

(&) welche durch Ionisationsprozesse innerhalb des Yo-

lumens "r " und "r " entstehen. ^a1 ^C1

Die Ionen, welche ihren Ursprung an der Anode 20 haben, werden durch die Kathode 21 gesammelt oder kehren zur Anode 20 zurück, nachdem sie nur einen"Rundweg" vollendet haben. Diejenigen Anoden, welche an der Innenseite der virtuellen Anode 31 (it_rit ^ ti_r it) entstehen und genügend Energie besitzen um da

^a1
durchzudringen, werden durch die Anode 20 oder die Kathode nach dem Zurücklegen nur einiger "Rundwege" gesammelt. Die anderen Ionen oszillieren von der virtuellen Anode 31 durch die Öffnungen der Kathode 21, bis sie durch die Kathode 21 eingesammelt werden. Das Potential der virtuellen Anode wird zu dem der Anode 20 ausgebildete

Der Elektronengitterstrom (i_a_)> welcher anfänglich sehr gsrass sein kann und ausserst nützlich zur Bildung des virtuellen Elektrodensystems ist, wird im Betrieb so klein, dass er vernachlässigbar' ist. Er wird gebildet durch diejenigen Elektronen, welche von der inneren Oberfläche derreellenJtathode 21 emittiert werden und die durch die Öffnungen der Kathode 21 zu der Anode 20 fliegen.

Der gesamte G-itterstrom durch die Öffnungen der Kathode 21 ist daher die algebraische Summe des Ionengitterstromes und des Elektronengitterstromes, sodass folgt:

lter reine Strom "i " der Kathode 21 ist die algebraische Summe

des Ionenstromen in die Kathode und lOlektronenströme in und aus

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ISB/Heg. 3605 - 36 -

der Kathode. Ionen, die in die Kathode fliegen und Elektronen, die die Kathode 21 verlassen, sind üblicherweise positive Ströme zur .Kathode 21, sodass sich ergibt:

worin "i_ic" der Ionenstrom zur Kathode "i ₁ " eier Eleiitronenstrom zur Innenseite der Kathode "i ₂ " der Elektronenstrom, von der inneren Oberfläche der Kathode und "i " der Elektronen-

θ C

strom von der äusseren Oberfläche der Kathode zur Anode ist.

Der Strom "i" in das Volumen und aus diesem Volumen, welches durch die Kathode 21 umschlossen ist, ist die Summe des Gitterstromes und des Stromes der Kathode 21, sodass folgt:

Die allgemeine Bedingung für ein Gleichgewicht des Potentialfeldes ist dann erfüllt, wenn "i " Null wird, wenn keine Ladüngen in den Raum oder aus dem Raum gebracht werden. Folglich ist:

<²⁴) %= ¹C = °-

V/enn "i " ITuIl ist, ist die von der Anordnung verbrauchte

Energie ein.Minimum.

Der Ionengitterstrom"i. " in die zentrale Kathode 21 hält die Dichte der virtuellen Anode aufrecht und verursacht,jede freie ladung darin radial zu oszillieren. \Ienn das Flicken von Ionen nach innen sich fortsetzt, wächst das positive Potential an der virtuellen Anode 31 an, bis das Einwärtsfliegen von Ionen durch das Auswärtsfliegen zu der Kathode 21 unterbunden wird. Der reine Ionengitterstrom wird dann Null. Unter Vernachlässigung des geringen Elektronengitterstromes "i ",

ti 111

wenn alle Elektronen, die von der Innenseite der Kathode 21 ' emittiert werden und alle Ionen und Elektronen, welche innerhalb des Volumenn der Kathode 21 erzeugt werden, zu dieser Kathode zurückkehren, ergibt sich aus der Gleichung ('22), dass nur der Elektronenotrom "i¹ " übrig-bleibt, um zur Ano-

6 C

de 20 zu fliegen. Wird "i "Null, so muss "i' " in gleicher Yfeise zu Muli gebracht v/erden. Ein derartiges Gleichgewicht

00 9 8 287ÖUÖ9
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3605 - 37 -. .

des Potentialfeldes kann dadurch erhalten werden, dass genügend ;Ionen die Anode 20 erreichen, um "i¹ " zu kompensieren.

'■■/; Ionen von der virtuellen Anode 31, welche eine Energie gleich oder grosser als "V " haben, erreichen die Anode 20 und lösen eine gleiche oder eine grössere Anzahl von.Elektronen aus. Mit einer genügenden Anzahl von solchen Ionen, welche die Anode 20 erreichen, kann die Komponente des Stromes der Kathode 20 ",i¹ " · zu Full reduziert werden. ·

Bei der "bisherigen Beschreibung wurde für das, Kathodenvolumen eine RaumladungsSättigung angenommen. Die Ionen, welche in der Nähe der virtuellen Anode 31 ("r" = "r ") entstehen, wo der

ist 1 Ionisationsprozess ein. Maximum/haben Energien annähernd ^MeV "„

Diese durchqueren die innere virtuelle Kathode 30 und die virtuelle Anode 31 mit Yerschmelzenergieno Dies ist eine wesentliehe Bedingung für die Arbeitsweise . Die Ionen, welche den Ionengitterstrom "i_im" ausmachen, sind in dem Volumen ausserhalb der virtuellen Anode Jl (":£" = "r " ) entstanden und gleich

den Ionen von den Ionenstrahlerzeugungssystemen 22 und der Anode 20 durch die Kathode 21 gesammelt. Wenn Eaumladungssattigung i³¹ diesem Bereich existieren könnte, würde ein so extrem grosser Energiever.lust erzeugt werden, dass nukleare Reaktionen nicht erhalten werden. Glücklicherweise kann, wie bereits gezeigt, in diesem Bereich keine Ionenraumladungssättigung-existieren und die Arbeitsbedingungen werden so festgelegt, dass der Ionenkreisstrom gerade ausreicht, um eine virtuelle Anode 31 von der gewünschten Grosse zu sichern* Die ideale radiale Potentialverteilung für die Anordnungen gemäss der Erfindung (einige Male bereits als "Verschmelzer" bezeichnet) ist in der I¹Ig₀ 5(a)

wiedergegeben, Wo die virtuelle Elektrodenanordnung ('Poiasor) durch IonenraumladimgsSättigung in dem Volumen "r" = "r_a "aufrecht erhalten v?ird und kein Raujäladungsfeld in dem Volumen der , Kathode 21 existiert, wo "r¹·¹ grosser als: "r_a "ist. "A" hat daher den Weg, welcher-lonenraumladungsaättigung nur in dem Be-

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009Ö2Ö/0409 - 3ß -

ISE/Rego 3605 - 38 -

reich benachbart zu der Strahlenoberfläche der virtuellen Anode ergibt, wo der Potentialgradient Null ist; Elektronenraumladungssättigung wird in dem Bereich innerhalb von "r "

C_n

erhalten. ^ά

Innerhalb einer virtuellen Anode 31 Jig, 5(a) muss jede positive Ladung durch ein Elektron gebunden werden. Die meisten Kraftlinien der Ionen mit einem Radius "r" ^ "r " endigen

a.·

in der virtuellen Kathode 30, während bei "r" ^ »r " die

^a1

meisten Kraftlinien in der virtuellen Kathode 29 enden. Alle geladenen Teilchen im Yolumen der Kathode 21 können sich frei bewegen und oszillieren. Die virtuelle Anode 31 mit dem Radius "r_a " der Ort des Maximums der Ionendichte hat ein Pptential praktisch gleich "V " und sehr wenige Ionen werden

innerhalb der virtuellen Anode gebildet, deren Energie grosser als "eV " ist. Um das Potential "V " aufrecht zu erhalten,

^a1 ^a1

ist es nur nötig, dass eine gleiche Anzahl von Kraftlinien von dem Inneren von "r " zu "r " wie nach aussen zu "r "

^a1 ^C2 ^C1

I'igo 5(a) sind. Ionen mit weniger Energie als "eV„ " er-

Gl.a

reichen ihre Umkehrpunkte bei Radien grosser als "r ", wenn

•Q iipii ^ ii_r Ii oder weniger als "r " wenn "r¹¹ = "r und die ;

^a1 ^a1 ^a1 . ,

Ionendichten sind kleiner als bei "r ". Wenn einige Ionen

innerhalb von "r " mit Energien grosser als "eV_Q " erzeugt

^a1 ^a1 * ·

werden, fliegen diese durch die virtuelle Anode 31 und fallen ·■ zur Kathode 21 und mannhmal auch zur Anode 20. Sie tragen nicht zum Ionenkreisstrom bei. Auf diese Art und Weise wird '■'■■; die virtuelle Anode für Ionen mit Energien grosser als "eV_a ". ■

Als Hochpaßfilter innerhalb der virtuellen Anode 31 wo ii_r» 5- n_r μ i_st_t wandern die Ionen auf einem relativ grossen

^a1
Teil ihrer radialen Wege langsam, wenn sie ihre entsprechenden Umkehrpunkte erreichen. Ausserhalb des Radiuses "r_a. " werden ti

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009 82 8/OA09 _bäd original j

ISB/Regc 3605 - 39 -

die Ionen rasch beüchleunigt, wenn sie sich "r " nähern und ^: geben ihre Energien, innerhalb einer sehr kurzen Distanz von "r " ab ο

: · ^ai

Das radiale Potential-¹¹V " ist eine Punktion des Radiuses "r" und der Zeit "t", d.h. "V_r = f (r, t)». Die Ausbildung des

virtuellen Elektrodensystems (Poissor) innerhalb des Radiuses _: ii_r ti zusammen mit der Entstehung des asymmetrischen leides ausserhalb von "r_r "'ist schematise!! in der Mg. 8 dargestellt.

Die Anode 20 und die Kathode 21 sind anfänglich auf Erdpo-10' tential. Wenn ein negatives Potential von "V¹ " (Kurve "a", ffigle) von annähernd - 30 ICV an die Kathode 21 gelegt, wird und Ionen von den Ionenstrahlerzeugungssystemen in das Volumen der Kathode 21 fortlaufend geochidkt werden, beginnt dieses Volumen positiv zu werden. Diese Ladung wächst solange an, bis das Potential bei einem inneren Radius "r " genügt, um die Ionen in dem gleichen Masse zur Kathode 21 umzukehren, indem sie in den Kathodenraum 21 eintreten. Das Gleichgewicht kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden

i'. = i. .
im ic

Sobald das Potential innerhalb der Kathode 21 positiv wird, werden von der* inneren Oberfläche der Kathode 21 emittierte Elektroden gegen das zentrale Volumen beschleunigt und oszillieren durch dieses und erreichten rasch virtuelle Kathoden mit den Radien "r " und "r ". Durch die ausgebildeten vir-

tuellen Kathoden ist die Lage der virtuellen Anoden zwischen diesen bestimmt. Der Gleichgev/ichtaradius und das Potential der virtuellen Anode mit dem Radiuis "r " erfordert eine etwas längere AushiLüungszeit als die Bild\mg der virtuellen Kathoden . mit den Radien "r " und "r " aufgrund der längeren Laufzeit

der Ionen.

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ISE/Reg. 3605 - 40 -

Wenn das negative Potential der Kathode 20 abrupt von ¹¹V " zu

nyiin _zu »γι ι ι ιι anwächst, finden ähnliche Polgen von Ereignissen statt. Jedes der aufeinanderfolgenden Gleichgewichte der radialen Potentialgradienten ist durch die Kurven "b" und "c" der Figo 8 dargestellt. Um die Lage der virtuellen Elektroden zu bestimmen, ist es nur nötig, die radiale dichte Verteilung der Elektronen und Ionen su ermitteln. Die radiale Potentialverteilung wurde bereits berechnet. Der Ort der virtuellen Anode liegt dicht bei der Oberfläche, ν/ο α ie Ionendichte am grössten ist. Die virtuellen Kathoden liegen an dem Ende der Elektronenwege, v/o die Elektronendichten am höchsten sind.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Bedingung für eich selbst unterhaltende Ver:jclimelzreaktionen erzeugt werden können, ist schematiacii in Figo 9 gezeigt. Eine sphärische Anode 20 von einem Radius "r " umschliesst zwei kon-

el

zentrische Kathoden 21 und 36 mit dem Radius "r " bzv/. "r' ". Auf der Aussenseite der Anode 20 sind die lonenstrahler^eugungssysterae 22 und 22a angeordnet. Die konzentrischen Kr.thoden 21 und 36, welche aus Elektronen emittierendem Material, wie z„B» Stahl, Lolybden oder dergl. konstruiert sind und welche eine öffriUngEweite von 70^c/o aufv/eisen, sind innerhalb der Anode 20 durch geeignete (nicht dargestellte Isolatoren) gehaltert. Die Öffnungen der Kathoden 21 und 36 sind mit 37 bzw. 28 bezeichnet. Die Konzentrizität der Kathoden 21 und 36 zueinander wird durch geeignete (nicht dargestellte) Isolatoren gesichert. An der äusseren Kathode 36 ist axial zum Ionenstrahlerzeugungss.ystem eine konische Hülse 40 befestigt, die den intensiven Ionenstrahl fokussiert. Geeignete Verbindungen sind zwischen der Gleichspannungsquelle 25 und den Elektroden durch die Zulei-■ tungen 23, 24 und 42 vorgesehen. Die Anode 20 liegt auf oder nahe auf Erdpotential, während negative Potentiale zu den Elektroden 21 und 36 von der Spannungsquelle 43 geliefert werden, dabei ist die äussere Elektrode negativer als die innere vorge-

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spannt. Beim Betrieb werden die meisten der Ionen von den Ionenerzeugungssystemen 22 und 22a zur Errichtung der anfänglichen virtuellen Anode Im Zentralbereich der Kathode 21 benutzte Elektronen der Kathode 21 v/erden von der Anode 20 durch die negativ vorgespannte aussere Kathode 36 abgehqlten. Das frühe Entfernen der Ionen aus dem nicht raumladungsgesättigten Feld wird durch die zweite Kathode 36 erhöht und nur solche positive ladungen mit Energien grosser als "V " haben die Wahr-

ei

selieinlichkeit ,bei ihrem ersten Flug nach aussen nicht von der virtuellen Anode 31 (Figo 5(a)) eingefangen zu werden» Durch die aussere Kathode $6 (E'ig_o9) eingefangene Ionen lösen Elektronen aus, die entweder in den Kathodenraum eintreten oder durch die äusserste virtuelle Kathode umgekehrt werden.

VII. Verluste

Um eine radiale Potentialverteilung gemäss Figo 5(a) zu bilden und aufrecht zu erhalten, ist es zuerst nötig, alle Verluste zu kompensieren« Für einen kleinen Verschmelzer typischer Art sind diese Verluste, die 10$ der aufgewendeten Gesaiatenergie ausmachen, nach ihrer Wichtigkeit und G-rösse angeordnet, folgende:

1. Hitzeverlust - 7$

2. Le.dungs aus tausch - 2$

3. Energie zur Auslösung

von Elektronen erforderlich 2/3 $ 4. Bremsstrahlung - 1/3 $

riitzeverlust: Im Hittelpunkt einer inneren virtuellen Kathode durchqueren die Ionen von der Innenseite der benachbarten virtuellen Anode den Mittelpunkt aus allen Richtungen. Wenn sie nahe an anderen Ionen vorbeikommen, erfahren sie eine Ablenkung, die kleine Abweichungen von den radialen Wegen ergeben, sodass eine Ütreubewegung auftritt. Das Äquivalent ist

eine sehr hohe scheinbare. Temperatur von 1,6x10 oK für 100 KBV oder ungefähr 11,600 ⁰K/'-^. ν (Maxwell-Boltzman¹ sehe Konstante).

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SAD ORfGiNAL

ISE/Reg. 3605 -42-

Diese scheinbare Temperatur verringert sich um 2 χ 10 ⁰K in einem Abstand von einigen Millimetern vom Mittelpunkt. Jedes neutrale Atom, welches durch den Zentralbereich geht, wird auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt. Es erfährt Wirkung, die es zu einer der reellen Elektroden treibt, wo es-nach dem Auftreffen -seine kinetische Energie (Hitze) abgibt und in einer Streurichtung gemäss dem Cosinus-Gesetz von der Elektrode wegfliegt. Es besteht wenig Wahrscheinlichkeit", dass es nochmals den.Mittelpunkt erreicht, wenn es ainen Weg innerhalb des kathorischen Raumes fortsetzt bis Ionisation stattfindeto

Es wird sehr ernst, wenn zu viele neutrale Atome hoher Energie durch die Kathode eingefangen v/erden, da deren Kühlung meist schwierg ist. Andererseits ist die Kühlung der Anode relativ leicht „ Die Kühlung der Kathode ..wird durch die Leitung ihrer elektrischen Verbindungen mit den Energiequellen vervollständigt. Die Grosse der Kathode beeinflusst das Kühl-Problenw Mit dem Anwachsen der Grosse reduziert sich die Er-

. ρ

wärmung pro Flächeneinheit im Verhältnis "1/r ", da die Kreisströme unabhängig von den Radien der Flächen sind.

Die Rutherford'sehe Streugleichung zeigt, wie mit dem Anwachsen der angelegten Spannung die Neutronenzahl vergrössert werden kann, wenn: der Strom steigt mit dem 1,5 fachen der Energie an und die Teilchendichte wächst proportional zum 4-fachen dew Energie(oder Spannungs)-Quadrates. Demgemäss· kann der Hitzeverlust durch Anwachsen der Spannung vergrössert werden, da dann weniger Streuungen auftreten. Als Beispiel 3ei auf Efe.10 Bezug genommen, die eine typische Kurve für den Neutronenquerschnitb einer gleichen Mischung von Deuterium und Tritium zeigt. DieArbeitspunkte "a" und "b" sind für den gleichen Verschmelzquerschnitt (öf)» aber vom Standpunkt der llitzeverluste ist "b" wirksamer, denn:

(26) 2~ ₌ ¹^P* cot (y

^4W - 43 -

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IöE/Reg. 3605 - 43 -

worin "N(Q " ^die An^zanl der in halben Winkeln abgelenkten Ionen "N " die Gesaratzahl der Ionen, und ¹¹W" die Energie (mv =2W):

2 '2 2
((mv ). = 4W ) ist. Dies zeigt,je kleiner die Spannung umso grosser die Verluste.

Ladungsaustausch. Die Ionen wandern relativ längsam innerhalb der radialen Dicke benachbart zur virtuellen Anode aufgrund der Ruckstosskräfte ihrer gleichen Ladung. Daher besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass ein·. Ladungsaus tausch mit einem neutralen Atom stattfindet« Dieser Verlust ist in dem DBP1223 näher beschrieben. Dieser Verlust wird merkbar, wenn zu viele Gasmoleküle anwesend sind. Die Gasdichte (Druck) muss so klein wie möglich gehalten werden, um die V/ahrs ehe inlichke it einer Einheit einer Verschmelzung zu erhalten. Dies bestimmt den Entwurf für einen Verschmelzer. Praktisch arbeitet der Ver—

Schmelzer bei einer Dichte des neutralen Gases von 3.535 x Molekülen oder weniger, so dass:

"fn. " die normale Gasdichte von 2.687 x 10 " MoIel:ülen/sc ist bei Hormalternperatur (20⁰O) auch einem Druck von 760 mm Hg.

Il
ItQ

τι die Arbeitsgasdichte in Ionen pro cc. ist

2.687 x 10¹⁹ x 10-6 =3.535 x 10¹³ Ionen/cc. 760 χ ΙΟ"⁵

bei einem Arbeitsdruck von 1 nun Hg.

• Togo

Wenn die Leistung eines Verschmelzers vergrössert wird, wird mehr Ionenstrom von den Ionenquellen verlangt und folglich der Radius der virtuellen Anode 31 (Fig_o 5 (ä)) vergrössert. Dies bedeutet: ein grösseres Volumen, welches - für Ionenraumladungssättigung - ein Anwachsen der Gesamtzahl der darin ent- ! haltenen Ionen ergibt. Der grössere Leistungseingang (Ionen) ' vergrössert den Leistungsverlust, wodurch wiederum der Radius 30" der virtuellen Anode anwächst bis ein Gleichgewicht erreicht : ist, bei dem die Eingarigsleistung gleich der Verlustleistung ^! ist.

· · 009828/0/, 0 9

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ISE/iteg. 3605 - 44 -

Bremsstrahlung: Wenn Elektronen hoher Energie auf ihrem Weg aurch die virtuelle Anode abgelenkt werden, strahlen sie in rechten Winkeln zu ihren Bewegungsrichtungen. Wenn die Elektronen Momente haben, die erhalten werden nüssen, findet eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion statt, wie wenn ein Elektron seine Bahnrichtung ändert. Da diese Reaktionen stattfinden nachdem das Elektron seine Bahnriehtung ändert, sind sie nicht radial» .Jies führt zu einer Verbreiterung der virtuellen Kathode 30 mit einer Bewegung gegen den Mittelpunkt 26* folglieh wachsen:.die -Elektronen-'x'eiaperaturen. Der sogenannte "Stralilungsdämpfungseffelrt" der überschüssigen Ionen (positive Atomkerne) in der virtuellen Anode führt zu einer Verminderung der Bremsstrahlungsverluste auf weniger als V/o der Energie der virtuellen Anode. Mit dem "Jert der Ionendichte in dor virtueilen Anode kann die Elektronenstreuung mit der bekannten Rutherford 'sehen Streuformel berechnet werden_o

VIII. Verschmelzreaktionen: Der Verschmelzer der Fij. 9 ist

—9 —10 anfänglich auf einen Druck von 10 bis 10 mm Hg mittels der Pumpe 44 evakuiert. Die Anode 20 bildet die vakuumdichte Umhüllung. An die verschiedenen Elektroden sind die entsprechende Potentiale angelegt und eine verschwelzfähige Substanz in Form eines Gases in die Ionenquellen 22 und 22a aus den Quellen 45

-6 -4 ■ und 45a mit einem Druck von 10 bis 10 mm Hg eingeführt.

Dieses Gas wird durch die Ionenstrahlerseugungssysteme 22 und 22a ionisiert und z\\ gegen den Hittelpunkt gerichtete Ionenstraiilon geformt. Es wird ein virtuelles Elektrodensystem (ein "roissor")-wie bereits früher ausgeführt - auogebildet.

Ionen hoher Energie oszillieren durch den Bereich des Mittelpunktes 26 längs diametralen Wegen, die an der benachbarten virtuellen Anode >1 (Figo b(&)) enden. An den Ionen geringerer Energie legen !..Lirsere diametrale «/ege innerhalb der virtuellen Anode 31 durch den gleichen Bereich zurück und tragen dadurch zur Dichte der Ionenteilchen im Mittelpunkt bei. Bei genügend " hohem Potential (100 KV) an der virtuellen Anode 31 werden durch die Kollisionen der Ionen hoher Energie mit anderen im Zentral- .· bereich 26 nukleare Versclimelzreaktionen erzeugt.

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IbE/Reg«, 5605 - 45 -

Es ist eine Anzahl von nuklearen Verschmelzreaktionen möglich.. Exotherme Verschmelareaktionen v/erden besonders als eine Art von Reaktion, welche au erhalten gesucht v/erden, "betrachtet. Me Energieerzeugung ist theoretisch bei derartigen Reaktionen dem Betrag der pro Reaktion erzeugten Energie und der Anzahl der Reaktionen pro Zeiteinheit proportional. Die Anzahl der Reaktionen pro Zeiteinheit wird aus dem Produkt des nuklearen Querschnittes erhalten, welcher die Yfahrscheinlichkeit für das Stattfinden einer spezifischen nuklearen Reaktion, die Anzahl der Ionen im Zentralbereich 26, und die Anzahl der von der Anode 20 und der virtuellen Anode (Figo 5(a)) pro Zeiteinheit durch den Zentralbereich 26 gehenden Teilchen, ausdrückt. Der nukleare Querschnitt, oder die Wahrscheinlichkeit, dass eine nukleare Reaktion stattfindet, ist ein^ funktion der Geschwindigkeit oder Energie.,, der fliegenden Teilchen, die bei dieser Anordnung eine Funktion der Potentialdifferenz zwischen der Anode 20, der virtuellen Anode 31 und dem Mittelpunkt 26 (Figo3) ist„ Daraus geht hervor, dass Reaktionen mit guter Energieerzeugung einen grosaen nuklearen Querschnitt und auch einen grossen Energiebetraß erfordern.

Eine Reaktion, wulehe diode Anforderungen theoretisch besonders stellt, ist die Reaktion zwischen Tritium und Deuterium. Diese nukleare Gleichung j.'iir diesen Brozess lautet;

(3) _rD² + .jT³ ->₂Πΰ⁴ (3.5 mev.) + _Qn¹ (14.1 mev.)

Dies bedeutet, da.se ein/; Triton und eine Deuteron und die üumme ihrer kinetischen Energion ο ine nukleare Reaktion ergibt, die Helium 4 erzeugt, eine Neutron, und die Summe der überschüssigen Bindungsenergie und die kinetischen Energien des ursprünglichen Triton und Deuterons ergibt. 1'¹Ur das obige Beispiel beträgt die freigegebene Reaktiouüunergle 17.6 Millionen Elektronenvolt.. (MEV). Diese^/ert lot im Vergleich zu den Werten anderer möglicher Reaktionen, die in den meisten Fällen 3 oder 4 MBV betragen, gross. Der nukleare Querschnitt für die in GIe1-

01)902 87 0409- ■'' _ ₄₆ -

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. ... . BAD ORIGINAL

ISE/iieg. 3605 - 46 - .

chung 3 dargestellte Reaktion steigt auf einen Uert von unge-

-24 2
fähr 5x10 cm für Teilchenenergien von TOO iCiloelektronenvolt (KEV). Der Viert des Querschnittes ist ungefähr 100 mal grosser als der der meisten Reaktionen mit den gleichen Teilchenenergien.

Zusätzlich mögliche Reaktionen sind folgende:

(1) ^T)² + ^Q² -*₂He³ (.82 mev.) + _Qn¹ (2.45 mev.)

(2) .,D² + .jD² -^₁T³ (1.01 mev.)+ ^¹ (3.02 mev.)

(4) -,D² + ₂He³-*₂He⁴ (3.6 mev.) + _rp¹ (14.7 mev,)

Die Reaktionen (1) und (2) haben einen kleineren Uert für die frei v/erdende Energie und einen kleineren Querschnittswert für 100 KEV als die Reaktion (3). Die Reaktion (4) hat ungefähr den gleichen Energiewert, aber einen kleineren Querschnittswert für 100 KEV. ·

IX. Verschmelzprodukt'e in der Entladung;

Wie bereits erwähnt, wird,wenn eine äussere Spannung zwischen die Anode 20 und die Kathode 21,36 (I¹Ig.9) gelegt ist, ein System von virtuellen Anoden und Kathoden ("Poissor") innerhalb des kathorischenRaumes gebildet. Die radiale l'otentialverteilung dieses Systems ("Poissor") ist in Fig. 5(a) gezeigt. Innerhalb des kleinen, von der Kathode 30 umschlossenen Volumens, wo die Ionendichte am gross ben ist und die Energien (Geschwindigkeiten) der fliegenden Ionen ein Maximum ist, ist die Wahrscheinlichkeit einer Verschmelzung am grössten.

Die Gleichungen (1), (2), (3) und (4) zeigten, dass es bei der Verwendung von nur 6 Deuteronen möglich ist, 4 verschiedene nukleare Verschmelzreakbionen auszulösen und dass diese Reaktionen 5 neue Arten von Teilchen mit einer Gesamtenorgie von 43,2 Milliononelektronenvolt (MEV) ergeben. Vier dieser 5 Teil-

D often C₁P¹, .,T⁵, ₂He⁵ und ₂He*) Bind positiv geladen und haben

009828/0409 copy _ ₄₇ ..

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26.65 MEV, das 5te ist ein neutrales Teilchen, das Neutron und die bei den 2 Reaktionen erzeugten zwei haben 16.55 I¹IEV. Es gibt zwei wichtige Gesichtspunkte für die Energieverteilung zwischen geladenen und ungeladenen Teilchen* Erstens die Heu--' tronen entrinnen dem reagierenden-'System und geben ihre Energie irgendwo als Hitze ab. Hur die geladenen Teilchen verbleiben in dem reagierenden Bereich und können Energieverluste (Strahlung, Rekombination, etc.) kompensieren und die nuklearen Verschmelzreaktionen unterhalten. Zweitens kann nur die Energie der geladenen Teiküien, welche GA-',ό der bei den 4 Reaktionen freiwerdenden Energie ausmacht, direkt, in elektrische Energie umgewandelt werden. Es sei bemerkt, dass nur solche Ionen, die durch die Verschmelzreaktion erzeugt werden, genügend Energie zur Erzeugung elektrischer Energie haben.

Alle durch die nukleare Verschmelzreaktion gebildeten Teilchen vierden aus dem Reaktionsraum radial nach aussen mit hohen Energien entsprechend den Gleichungen (l) bis (4) gestossen. Diese Energien (Geschwindigkeiten) sind mehr als ausreichend, um die Teilchen durch die virtuelle Anode 31 (Eigο5a)) zu treiben.

Unter dem Einfluss der reellen Kathode 21, 36, (Fig„9) werden sie· auf ihrem V/eg nach aussen beschleunigt bis sie durch die Kathodenöffnungen 37,38 gehen, dann v/erden sie von dem Anodenfeld abgebremst und kurz vor der Anode 20 zum Halten gebracht oder treffen auf der Anode aui\ Teilchen, die die Anode nicht erreichen, kehren um und oszillieren durch den Ilittelpunkt. Die Teilchen, die die Anode treffen, geben ihre Energien als Hitze und gleichzeitig ihre ladungen an die Anode ab. Einige '. .,Teilchen können die Kathode treffen und eingefangen werden, wodurch Sekundärelektronen ausgelöst werden. Wenn nur Deuterium ein Verschmelzer ist, finden die zwei ¹¹D-D" -Re akt ionen (Glei- ·.. ■ chungen (2) und (3) zu gleichen Teilen statt. Die positiv geladenen Erzeugnisse dieser Reaktionen, die oszillieren, vergrössern den Ionenkreisstrom, wodurch die Ionendichte im Re-

·. ' aktionsraum und daher die \7ahrscheinlichkeit einer Verschmelzun,

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vergrössert wird. Die oszillierenden Teilchen (..5T und JEe^) können mit Deuteronen verschmelzen und die in den Gleichungen (1) und (4) aufgezeigten Reaktionen erzeugen, oder können Streuung, Einfangen oder Rekombination mit Elektronen erfahren und werden neutrale Atome. Die nicht verschmelzbaren Teilchen (...p und pHe ) tragen, zum Verschmelzprozess durch die Erzeugung verschmelzfähiger Ionen infolge des Einfangens von Elektronen von den G-asatomen und zur Raumladung bei, sie werden endlich zu neutralen G-asatomen. Die neutralen Gasatome treiben gegen die Elektrodenwände, von wo sie eventuell durch die Vakuumpumpe"44 (Pig.9) aus dem Reaktionssystem entfernt werden. · .

Es wurde ausgeführt, dass einige der .geladenen Teilchen bei den nuklearen Verschmelzreaktionen die reelle Anode 20 erreichen. Wenn dies erfolgt, entnehmen die Teilchen der Anode genug Elektronen, um ihre positiven Ladungen zu neutralisieren und Gasatome zu bilden,.' Dies ist gleichwertig mit der Erzeugung eines Stromes, der von der Anode 20 zu der Batterie 25 (Fig.9) fliesst. In anderen Worten,die geladenen Teilchen sind direkt in elektrische Energie umgewandelt worden. Dies ist eines tier besonderen Merkmale dieser Erfindung.

Durch Einfügen eines geeigneten Widerstandes 46 (ii^lig.9) in Serie mit der Leitung 24 kann die timgewandelte elektrische Energie an einen äusseren Verbraucher abgewickelt werden. Ein Schalter 47 kann wahlweise diesen Widerstand 46 in die Serienanordnung einschalten.

Aus den Gleichungen 1-4 geht hervor, dass ebenso viele positive Ladungen in den Verschmelzbereich eintreten als aus die-. sem entfernt werden» In anderen V/orten, die nukleare Ladungen werden aufbewahrt. Die Bildung neuer Teilchen unter Zurüeklassung der überschüssigen Bindungsenergie der ursprünglichen Ionen vervollständigt die Verschmelzreaktion. Da die ursprüngliche Energie erhalten bleiben muss, wird der Überschuss auf

-49- . 00 98 2 8/(H 0 9

I3j3/Eeg. 3605 -49-

die neuen Teilchen übertragen. Folglich verlassen die neuen Teilchen den Reaktionsraum mit e&trem hohen Geschwindigkeiten. Die ersetzten Ionen treten in den Raaktionsraum mit vergleichbaren kleinen Geschwindigkeiten in der Grössenordnung von 100 bis 200 EEY ein. Ss gibt daher eine extrem kurze Periode, indem das Potential im Mittelpunkt kleiner als vor der Verschmelzreaktion ist, was zur Folge hat, dass das negative Potential der virtuellen Kathode momentan ansteigt und das der virtuellen Anode 31 abfäxlt, sodass ein Anwachsen des Elektronenstromes eintritt. Dadurch wird ein Anwachsen der Radien der virtuellen Elektroden hervorgerufen, bis das ursprüngliche Potential der Anode 32 (Fig. 5(a)) wieder hergestellt ist. Ss besteht daher ein x^er-iodisches Auseinandergehen und Zusammenziehen des Volumens des virtuellen Elektrodensystems ("Poissor") durch die sehr hohe Oszillationsfrequenz der Teilchen, vienn die Verschmelzreaktion beginnt, verlassen mehr positive Teilchen den Mittelöunkt als in ihn hineinfliegen und diese Bedingung setzt sich fort bis Gleichgewicht erreicht ist. Dies führt dazu, dass eine "Potentialquelle" (negativeres Potential) an der virtuellen Kathode 30 entwickelt wird. Eine derartige Bedingung kann nicht existieren, da dann Strom von der reellen Kathode 21, 36 (ligdo) zu der virtuellen Kathode 30 fliessen würde. Demgemäss muss die virtuelle Kathode 30 ' innerhalb einer extrem kurzen Zeitperiode zu dem reellen Ka-25" thodenpotential zurückgeführt werden. Dies wird durch ein Anwachsen des Potentials der virtuellen Anode 31 erreicht. Der Verlust von positiv geladenen Teilchen aus dem Mittelpunkt erzeugt eine positive Vorspannung an der virtuellen Kathode 30, welche dem Anwachsen des Potentials der virtuellen, Anode 31 gleich ist. Da diese Vergrösserungen kumulativ erfolgen, bis die Gleichgewichtebedingung erreicht ist, ergibt sich durch die virtuelle Anode 31 (lig.5 (a)) das Potential der,reellen Anode 20.

BAD ORLGINAL

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Die positiv geladenen Teilchen, -weiche durch die Verschmelzreaktion gebildet werden, leisten gegen das Feld der virtuellen Anode 31 Arbeit, wenn sie diese durchdringen. Dadurch wird ihre Geschwindigkeit etwas.reduziert, wodurch das Feld anwächst und dadurch zu dem Potential der virtuellen Anode beigetragen wird.

'Es ist das Potential der virtuellen Anode 31, welches zu der Energie der positiv geladanen Teilchen, die durch den Mittelpunkt 26 oszillieren, beiträgt„ Wenn die Energien der reagierenden Teilchen innerhalb der Resonanzgrenzen des nuklearen Verschmelzquerschnittes anwachsen, wächst die Wahrscheinlich- · keit einer Verschmelzung an. Innerhalb der virtuellen Anode 31 ausgelöste Elektronen werden radial mit genügender Energie getrieben, umd das Rückstossfeld der reellen Kathode zu überwinden,, Sie dringen durch die Öffnungen 37_f 38 (i⁽¹ig₀9) und werden ■ dann gegen die reelle Anode 20 beschleunigt. Ί/enn die Kontrolle über die Eingangsdichte verloren geht, erscheint es wahrscheinlich, dass 'der Bildungsprozess des Potentials der virtuellen Anode 31 sich unvermindert fortsetzt und zu einem katastrophalen Unglücksfall führen kann» Dies ist jedoch nicht der Fall, denn es sind Sicherheitsprozesse eingebaut, welche eine derartige Ausbildung verhindern. Die Hauptkontrolle ist das Querschnittsresonanzphänomen, welches in nuklearen Reaktionen stattfindet. Die Querschnittskurven für "D-D" (total),

•7.

"D-T" und "D-He ^J "-Reaktionen, wie sie in "physical Review"^ Vol.88, p.468, 1952 von Connor, Bonner und Smith und ebenso in "Physical Review", Vol»88, p.473, 1952 beschrieben sind,.zeigen, dass die "D-T" Kurve ein Maximum bei einer Energie von 110 KEV erreicht, von wo sie steil abfällt mit einer Vergrösserung der Deuteronenenergie„ Im gleichen Energiebereioh sind die "D-He^" - Querschnitte beachtlich geringer als die "D-D"(total) und die "D-T"-Werte, aber die Kurve steigt rasch mit der Deuteronenergie an und schneidet die «D-D"-(total)Kurve bei 120 KEV, erreioht die "D-7"-Kurve bei 500 KÜV und fällt dann schnell ab. In dem Bereich der Deuteronenergien,z.B. von 120 - 200 KEV verringern sloh die "D-T'-Querschnitte um 1 barn

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1589345 :

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(1O~ cm²), während die "D-D"(total) und die "D-He⁵"-Quer-■ schnitte nur um ungefähr 0,5 barn anwachsen, die Gesamtver-

■z

ringerung ist ungefähr 1 barn. Nachdem die "D-He^"-Querschnit-· ." te ihr Maximum bei 500 KEV passiert haben, ist der Abfall der 5 Gesamtquerschnitte ausgeprägter„ Es ergibt sich, dass die Ausbildung des Potentials der virtuellen Anode bei Deuteronenergien grosser als ungefähr 150-200 KSV' kontrolliert werden kann. ■

Ein anderer bicherlieitsprozess, der das Verhindern des "Davon-10 rennens" durch die sogenannte "Potentialquelle ¹J unterstützt, ist die Ausweitung der negativen Potentialflächen (virtuelle Kathode 30) (Figo5(a)), da der Radius durch die oszillierenden Teilchen geändert wird, wodurch· ein Abfall der Verschmelz- : querschnitte hervorgerufen wird.

15 Die Umwandlung der positiv geladenen Teilchen in elektrische.

: ■ Energie an der Anode wurde bereits beschrieben. Diese Phase

' sei nun in einigen Details aufgezeigt. TJm ein Überhitzen der

,; Anode zu verhindern, ist es sehr wünschenswert, dass der größte

j Teil der Teilchen'energie^an die Bremsfelder der virtuellen

20 und reellen Anode abgegeben wird. Die Teilchen würden die' Ano-

I de 20 mit sehr viel weniger als ihre ursprünglichen Energien

I und dadurch weniger Hitze an die Anode abgeben, wodurch ein

bedeutender Aristieg des Gesamtnützeffektes entsteht. Der Ideal-

: zustand wäre dann erreicht, wenn die .Ladungen die Anode 20

25 (Pig.9) mit wenig oder gar keiner Energie erreichen würden, ihre Ladungen abgeben und als neutrale Gasatome abwandern würden. Mit einem Energiebereich von 0,82 - 14,7 MEV lässt

s sich diese Bedingung jedoch nicht erreichen. Es müssen daher

^; 2 verschiedene Arbeitssituationen betrachtet werden, nämlich

30 (a) man begnügt sich mit der maximalen elektrischen Umwand-.

; lung, die mit einem Minimum an Erhitzung der Anbde 20 erreicht

i" werden· kann,

■; (b) man lässt den Verschmelzer als Wärmeerzeuger mit Umwand-

< lung der Hitze und der geladenen Teilchen zu einem maximalen

'35 Betrag an elektrischer Energie arbeiten. '.

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BAD ORIGINAL " ⁵² ~

ISE/Reg. 3605 " - 52 - ■ . "r.'-'--' -·■ : '-

Bei' der ersten Arbeitsweise ist es"-nötige die Vor^chmalzreaktio-. :.nen"s0 nahe wie möglich auf solche der ■ Gleichungen. (2) -und (3) zu beschränken? dabei ist der-Snergiebereich 0j8 --3y02-^;'I^sSV und die Anode hat ein Potential," das .-Teilchen mit Geachwindigkeiten ,von 0", 8 MEV derart -abbremst,- dass- sie-die-Anode 20" atit einer Ges-chwindigkeit erreichen, die gerade ausreicht-, Um ihre ■Ladungen abzugeben,,·.. -Die Teilchen mit Ge.sehwihdigkei&sa voni

-""·-' --3 jLO^!2-^r-JiS3V'"--ⁱii?-re'f-f^:öii bei· di-ase-r Bedingung -auf 'der^:-^Ahoa&-20*'sU*f" und wandeln ,'ihre verb'le^ribeiTd.e jinergie· 'in· Hitzk ^:uri. " ^iriBa'"ungef:i.hr

-JO 5.0?> der- "D-D"-Reaktionen ider rröton-Linie. .fö'lgen",-'..".iät\es: .'nicht^ möglich, ciieae Teilchen höherer jJn-e-irgie -zv.. :eliminie"ren. Die Reaktionen der Gleichungen (A) und (4) - können.;daclurhh.beträchtlich reduziert werden, dass man den Verschmelzer bei einer niedrigeren als der normalen Gasdiclite-arbeiten" Ifegt^un-d' sie neu-.

15. .tr al en, H und Tritium-Atome diirch^ eine^ .groöse, Vakuumpumpeabpumpen läsot, bevor sie Gelegenheit zur Verschmelzung haben». -

' 'Im Gegens-ί,τζ müssen,'wenn die Anordntuig 'als ifärra'ee'rze/uger'" arbeitet',*" aie' "D-¹T" und "J-He^"-R-eaktionen" unterstiitz-t werden. Da der ^;J3"eitr^:ag der "D-T"'und' "'D-He^"-RoAktionen zur direkten -"■Umv/andlUng/'in el ext fische· 3nerjie betri'.chtlich 3 ein"·" kann'·, kann -' es -Torteilhait^:-se-ih,'-bei ^i;einigen AnV;e'nd*ungen Tritium durchn^Von'iiith'ium^sechsmit-Hautrohen su erzeugen:"'

('27) ^Li⁶ + _on¹ -* ₂He⁴ -t- ^⁵ + 4.6 MEV däiiii 'iritiiim 'als^^ennergas"''zu benutzen; *"'""'. ■"■'

wenn, erreicht wird,, ctäs;s..~genügend ,pasitiv .geladene ..-Teilchen . ,■ -Me Jmöäß 2.0-erreicherL, Tim den. ötroiiifluss .von der. Batterie, 25 VJ\2ukeh.r_;en.,· .wird es..möglich,f 43₁*e..anü^-e.l.egt.-e. Anode.nr(Kathoden) apannung 2^· ,su. entf er-nen, v/ährenci^tie nuklearen Vers.chmelz-... _:^r_;ea^tio^ai^|rqrt₁daK^rni,,_v¥eni]_i:, ^uJ-".-_vund. "V_r," uer· vor de.r .Verschmel z-ung:. geme^Sjijeiaia ^/S^gm;_;(:;b_:av;«_aidiLe_t^.emo.8,iöne. Anodenspannung ist, x-^nn^'ist --naolit. B^iQ^„;d-ea?,Jte^c^t(|.lajin.g „die.-^ingangsleistving in Watt .

(28) W = V χ IT -<£> e (A - B)!

BAD ORIGiNAi:

ISE/Hegc 3605 . - 53 -

worin "<|^>" die VerSchmelzerwartung; "e" die elektrische Ladung; "A" der Einfangfaktor der positiv geladenen Teilchen durch die Anode; und "B" der Einfangfaktor der positiv geladenen Teilchen durch die Kathode ist. Da die Kathode 21,36 äusserst durchlässig für positiv geladene Teilchen ist, ist . "A" sehr viel grosser als "B" und wenn der Viert von I- <ί^ e (A- Β-Π grosser als ¹¹I(V-)" wird, wird der Ver-I ^*-"^ -J ^a

Schmelzer tatsächlich selbstunterhaltend. Diese Bedingung kann ohne die Hilfe einer äusseren Last erreicht werden. Um die elektrische Energie, die die zum Betrieb des Verschmelzers übersteigt, zu entfernen, ist es nur nötig, eine äussere Last\46 - wie dies in Fig«, 9 gezeigt ist - hinzuzufügen.

ν Praktisches Ausführungsbeispiel.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel, wie es in Fig_β 9 gezeigt ist, wird im folgenden anhand der Fig. 11-22 näher erläutert. In diesen Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen benutzt. Die sphärisch ausgebildete Anode 20 ist aus 2 Halbschalen aus rostfreiem Stahl hergestellt, die mittels der ringförmigen Flansche 47a vakuumdicht miteinander verbunden

⁶ s beiden Kathoden 36 u.21

sind. Innerhalb der Anode 20 sind die/konzentrisch angeordnet, die ebenfalls aus Halbschalen aus rostfreiem Stahl hergestellt sind. Die Halterung dieser Elektroden wird später beschrieben.

Acht Ionenquellen 22 und 22a sind aussen an der Anode 20 im Abstand zueinander und sphärisch versetzt diametral angeordnet, die Strahlachsen dieser Ionenquellen schneiden sich im Mittelpunkt 26 des Verschmelzers. Die genaue Lage dieser Ionenquellen 22, 22a ist in Verbindung mit den sphärischen Diagrammen der Fig. 18(a) und 18(b) näher erläutert. Jede der Ionenquellen ist durch einen Kreis mit einem Mittelpunkt dargestellt, in dem die Achse der Ionenquelle die durch die Anode 20 bestimmte sphärische Oberfläche schneidet, Fig.l8a

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zeigt eine sphärische Oberfläche, die bestimmt wird durch eine der Anoden- und Kathodenschalen, Die Ebene der Zeichnung ist die gleiche wie die Querschnittsebene der Pig. 11; letztere enthält die Nord- und Südpole der Kugel. Die Linie 47b bezeichnet die Äquatorebene im rechten WinJcel zur Zeichnungsebene. In Pig. 11 würde diese Äquatorebene in der Mitte zwischen den ringförmigen Planschen 47a durchgehen. Die Ionenquellen 22, 22a sind in Ebenen, die einen Abstand von 45° von der Äquatorebene haben, angeordnet. .Diese zueinander versetzten Ebenen gehen durch den Äquatordurchmesser, der auf der Zeichnungsebene senkrecht steht. Wie in Pig» 18b gazeigt, die eine rechtwinklige Projektion der sphärischen Oberfläche der Pig.l8a ist, sind 4 Ionenquellen 22 um 90° voneinander getrennt auf der sphärischen Oberfläche und auf dem gleichen Meridian angeordnet. In Winkelversetzung ausgedrückt, liegen diese Ionenquellen bei 0°, 90°, 180° und 270°. In jeder Ebene, die Ionenquellen enthält, liegt jeder Ionenquellenmittelpunkt auf dem Schnittpunkt des Radiuses von 45° über dem Äquator und der sphärischen Oberfläche; einige Iladien liegen in der Ebene der

Pig. 18a. .

Vier Ionenquellen 22 sind in der oberen oder nördlichen Halbr· kugel angeordnet sind.

Die Öffnungen 37 und 38 in den Kathodenschalen 21 und 36 sind · 12 Paare, jedes Paar 37 urn 38 ist durch ein ¹¹X", welches mit dem Bezugszeichen 48 in Pig. 18a und 18b gekennzeichnet ist, dargestellt. Die Lagen der Ionenquellen und der öffnungen 48 sind - als wären sie auf der gleichen sphärischen Oberfläche dargestellt, um die V/inkelbeZiehungen dazwischen zu zeigen. Es gibt 4 Öffnungspaare 48 auf dem Äquator in Pig, 18b bei 0°, 90°, 180° und 270°. Ebenen, die die Nord- und Südpole schneiden, die um 90° voneinander getrennt sind, enthalten die übri gen Öffnungspaare 48; diese Ebenen'sind um 45° von der 0^o-180^o Ebene, die die Nord- und Südpole einschliesst. In diesen

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ISE/Eeg. 3605 - 55 - .-....*-■ " ='^: -

iiad4iri|tiellen _;;9'ö°.-Ebenen .auf .einem: Radius-init einem Winkel^: . ■ _,^;\ζρη; 3_;5°l6.^f ,_izu,,4e.r---laua^:fcOre'beiiQ..,.4?t>:. liefen die· übrigen Off-,_it^₊^nungspaare_;,;48. '.. Die/die -Qf fnun^spaare 48 enthaltende^ .sphärische Qbe^fläch^^kanxL-als eine-der kathode ns chale η 21 .'und-.-36 , .^_5-.., Jd e.tr.a'Ch-tet- wer den.. - .■ . . '■-." -^; ■ . ■ - . ■'"■■

"" " Die Ac[ua.toren.der iCatlioden- tmd Anodensclialen liegen in der ." "gleicnen Aq.xtatore,T3e_:ne-, sodass die Öffnuruspaare 48 in einem "regulären Vinke lernst er von den lQiie/xxquell,en,-2,2,,und·. 22a ang^e~ ordnet sind. ;. ; :-.·- ^,-.-.· .,-; - ,,--

"Bie^ianoSenBehale 20 und ebenso di-e Katliodenschale'n 21 und' -^ϊ-ηφ-ίίη_:'^:'ϊ1ίΓθ·-Γ-*ΪΒοΘ^; durch den rohrförmigen Halter 49 gehaltert. '-"Bie^e^"⁴SaIter besteht aus einem rostfreien Teil 50 und ist -.-^^..mit·'.einem- Ende an der" Öffnung 51 der Anodenschale' 20 ange~- --i:> .S'chWeiis^'ti^ ·'■Eoaxial und vakuumdicht gesichert' ist an' dem'^; /Snd-e- des Teiles- 50 ein 'Tragerohr 52' mit_: grösserem

et. -Auf der Innenseite des" Trägerohres --e'Sfhe^-Hoilse 5^:5^: mit'kleinerem- Dur c'hmes's er eingepasst/ deren

iait^deu radialen'"Flanschet 54' verbunden ist,-' welche die Teile 50 und 52 verbindet. ■■ ■ ' '

"Am'-Bndeisd'e'r" Hülise 3'3 ist "koaxial" ein Ring'55■ 'angebracht-j an dem 4 Metallposten 56, die um 90° sue'i'nander versetzt j 'um die Achse des Halterohres angeordnet sind. Eine Metall-"■""" "scheibe-' 5^7 ißt "koaxial' am 'Ende der Posten 56 mittels Schrau-'"'.· '' Sem' 5'8'befestigt'. " im zentralen' Teil' der Scheibe 57 ist ein " i£eramik'stab^5'8ä^ 'befestigt. I)iesej7Stab 58a ist koaxial im °* "ilait'erohr 52'' ebenso'-wie Im'Teil 50 durch Haltehülsen,'Ringe

;. ' An dem oberen Ende des Stabes 58 ist

festigt,"welcher mit der Montagescheibe

'vericiiraubt ist,"Tile" in die "öffnung 61 der'äüsseren Käthoden-

t lsi; ο "Auf der f lach eh_s'Oberfläche -der ' ' 3" 6'Ö"^:stiitkt''sloit^: ein keramischer o"äer'"ähnlicher

^^^^t^^iilt¹^ & ati^'deufen-^ol-ze'n'e^¹ sJigenif^h^^ Üf¥-

^ ^Sfer 'imi^rBn' Kliihod'e'nsclraite ^:''2.Γ" passtV Dir'^A halter 62 liegt zwischen den bchalen 21 und 36 und-bestimmt deren Abstand.
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Der Stab 59 ist in Bezug auf denl'eil 50 von einer drartigen Länge, dass die z\.^rei Katlioaensclialen 21 und 36 konzen- - trisch in der Anodenschale 20 angeordnet sind. Dieser Stab kann als übereinstimmend mit den Südpolen der Kathode- und Anodenschalen betrachtet werden.

An den ilordpolen dieser Schalen sind v/eitere Halterungen und Endabschlüsse für die Verbindung der -Elektroden mit den Spannungsquellen angeordnete Diese Anordnung enthält einen ringförmigen Abstandshalter 65 aus geeignetem Isoliermaterial, wie z.B. Bornitrit, der zwischen den zwei Schalen 21 und 36 so angeordnet ist, dass er deren Abstand bestimmt. Dieser Abstand ist der gleiche wie der zwischen den Südpolen. In dem Abstandshalter 65 ist koaxial eine leitende Endscheibe 66, welche sau.gend in die Öffnung der Schale 21 eingepasst ist.

Diese Öffnung entspricht dem ITordpol der Schale.

Der aufwärtsragende Teil 67 des Abstandshalters 65 ist mit einem rohrförmigen Leiter 68 verlängert, welcher saugend in die öffnung 69 der äusseren Schale 36 passt und mit dieser Kontakt macht.

Dieser Leiter 68 geht diametral nach aussen durch die relativ grosse isolierende öffnung 70 in der Anode 20. Der Abstand zwischen den Teilen 70 und 68 ist gross genug, um Isolation bei der hohen Spannung, bei -welcher der Verschmelzer arbeitet, zu gewährleisten. Ein leitendes Rohr 71 ist frobust und vakuumdicht mit dem äusseren der Anode 20 an der Öffnung verbunden und erstreckt sich koaxial zum Leiter 68. Am oberen Ende des leitenden Rohres 71 ist ein relativ langer zylindrisch geformter Isolator 72 (i'igo 12) befestigt, an dessen oberen Ende ein leitender Endabschluss 73 angebracht ist. Dieser Endabschluss ist mit einer geeigneten Verbindung 74 versehen, durch welche die Kathodenvorspannung der Batterie 43 mit einem Dre^ht 75 verbunden ist, welcher sich koaxial durch den Leiter 68 erstreckt und mit der Endscheibe 66 verbunden ist ο Diese rohrförmige Anordnung 71_f72 und 73» welche koaxial

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den leiter 68 umgibt, ist vakuuiv oht derart miteinander verschmolzen, dass der Raum zwischen dem Leiter 68 und den Anordnungen 71, 72 und 73 evakuiert und auf dem gleichen Druck wie das Innere der Anode 20 gehalten werden kann.

Da hohe Betriebspotentiale zwischen dem leiter 68 und den äusseren rohrförmigen Anordnungen 71, 72 und 73 herrschen, werden Koronaschirme 76, 77 und 78 von ringförmiger Konfiguration zwecks Vermeidung von Koronaentladungen verwendet. Ss können auch andere Konfigurationen fir die Bndhalteanordnungen verwendet werden. Es ist' nur erforderlich, dass diese Anordnungen die nötige physikalische Halterung für die Verschmelzer Anoden- und Kathodenelemente vorsieht und in der lage ist, die Anoden- und Kathodenelemente mit den erforderlichen Betriebsspannungen ohne J^rzeugünp; von Koronaentladüngen oder Feldemission zu versorgen.

Alle Ionenquellen 22 und 22a sind gleich konstruiert, sodass die Beschreibung einer für alle genügt. Zu diesem Zweck sollen nun die figuren 11, 13, 19, 20 und 21 näher betrachtet werden. Jede Ionenquelle besteht aus einem leitenden Gehäuse oder Hülse 79 aus rostfreiem Stahl oder ähnlichesm Material und ist in die Öffnung 80 in der Anodenschale 20 eingeschmolzen. Die Hülse 79 ist derart angeordnet, dass ihre Achse mit dem Durchmesser der Anode 20 übereinstimmt. In der Hülle 20 ist koaxial gegenüber der Anodä 20 eine Blendenplatte 81 befestigt, welche eine strahldefinierende Öffnung 82 aufweist. Innerhalb der Hülse 79 ist koaxial und radial von dieser beabstandet und isoliert eine Anodenhülse 83 mit einer kegelstumpf förmigen Bohrung 84 angeordnet. Das Ende der Anodenhülse 83 mit dem grösseren Durchmesser liegt der Anode 20 gegenüber. Bogenförmig geformte und im Umfang voneinander isolierte Isolatoren 85 umgeben die Anode 83. Um die ffisolatoren 85 an der Anode 83 zu befestigen, ist ein dünnes Metallband 86 in eine kreisförmige Vertiefung eingepasst. Diesea

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Metallband drückt die drei Isolatoren 85 gegen die Anode 83. Die achsiale Halterung für die Anode 83 wird durch drei Keramikstäbe 87 erreicht, welche sich achsial erstrecken und an der äusseren Oberfläche der Anode 83 in gleichem Abstand voneinander befestigt sind. Ein derartiger Stab 87 ist in Fig. 13 gezeigt, die nun im Zusammenhang mit den Figuren 20 und 21 näher betrachtet werden soll. Diese drei Stäbe 87 sind an einem Metallring 88 befestigt, der seinerseits an der äusseren Peripherie der Kappe 89 befestigt ist. Diese Kappe 89 besteht aus Metall und hat im wesentlichen eine zylindrische Form und einen Durchmesser, der etwas grosser als der der Hülse 79 ist. Diese Kappe 89 ist vakuumdicht mit der Hülse 79 verschmolzen. Wie aus den Fig. 19 und 21 näher hervorgeht, sind drei Versorgungsanschlüsse 90, 91 und 92 in der Kappe 89 in einem Abstand von 120° montiert. Der innerhalb des Anschlusses 90 verlaufende leiter 93 geht koaxial durch einen der Stäbe 87 und ist mit der Anode 83 verbunden. Die Anschlüsse 91 und 92 haben eben solche Leiter 94 bzw. 95» welche in den zentralen Teil der Quelle vordringen und durch einen Block 96 aus Isolationsmaterial zwecks Sicherung des Abstandes zwischen ihnen gehen. An dem innersten Ende dieser Leiter 94 und 95 ist ein thermionischer Draht 97 angebracht. Dieser Draht hat die Form einer kreisförmigen Schleife und'liegt koaxial in Bezug auf die Achse der Ionenquelle. Wie aus Fig. 13 hervorgeht, ist dieser Draht am hinteren Ende der Anode 83 gelegen. Eine Leitung 98 ist an der Kappe 89 zwischen den zwei Anschlüssen 91 und 92 befestigt und wie aus der Zeichnung hervorgeht, mit der Innenseite der Ionenquelle verbunden. Durch diese Leitung 98 kann verschmelzfähiges Gas von einer geeigneten Quelle 45 (Fig·9) in das Innere der Ionenquellen durch Bedienen der Ventile 99 geleitet werden.

Die Anode 83 ist von der sie umgebenen Hülse 79 derart isoliert, dass eine Spannungsquelle 100 zwischen diese Anode 83 und die Hülse 79 und ebenso zwischen die Anode 20 gelegt werden kann. In den Figuren 11 und 13 ist die Spannungsquelle 110 mit ihrem positiven Pol mit dem Anschluss 90 und ihr negativer Pol mit

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!Erde und dem Gehäuse 79 der Ionenquelle verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung war die Spannung der Spannungsquelle 100 zwischen den Grenzen 0-1000 Volt variabel. Eine geeignete Spannung, die an die zwei Anschlüsse 91 und 92 (Fig„21) gelegt wird, speist den Faden 97. Beim Betrieb erzeugt und emittiert jede Ionenquelle 22 einen Ionenstrahl, welcher gegen den Mittelpunkt -26 des Verschmelzers gerichtet ist. Um diesen Mittelpunkt 26 zu erreichen, muss der Strahl die Kathode 36 und 31 durchdringen. Zu diesem Zweck sind geeignete Öffnungen vorgesehen. Wie den Figuren 16 und 17 zu entnehmen ist, besteht jede Öffnung aus einer ringförmigen Einpassung mit sanft abgerundeten Ecken, welche saugend in die entsprechende Öffnung 102 in der Schale 36 passt. Die Schale 21 ist mit einer Öffnung 103 vom gleichen Durchmesser wie die Öffnung 102 versehen und genau radial zu dieser ausgerichtet.

Der von den Ionenquellen 22 emittierte Strahl geht durch die "Einpassung 101 und die Öffnung 103. Jede Öffnung 38 in der 'Kathodenschale 36 ist mit einem Schirm 104 (Figuren 14 und 15) abgedeckt. Dieser Schirm 104 wird in seiner Lage durch einen Ring 105 gehalten, der an der Aussenseite der Schale 36 ausgerichtet zu der Öffnung 38 und einem anderen Ring 106 befestigt ist, der den Schirm und den Ring 105 verklammert. Die öffnung inder Schale 21 hat die gleiche Grosse wie die Öffnung 38. Die zwei Ringe" 105 und 106 sind fest und leitend mit der Scha-Ie 36 durch eine Anzahl von Schrauben 107 verbunden.

Wenn nichts anderes vermerkt, ist die Anordnung der Fig. 11 aus· Metall und vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Kathodenschale 21 sollte aus fotoelektrischem Material be-. stehen; zwei Materialien, nämlich rostfreier Stahl und Molybden, haben,, die nötigen Eigenschaften. Es kffinnen jedoch auch andere Materialien verwendet werden.

Da die Dimensionen der Anordnung der Fig. 11 im Vergleich zu den benutzten Betriebsspannungen relativ klein sind, ist es

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nötig, die üblichen Vorsichtsmassregeln zur Vermeidung von Feldemission und Koronaentladung anzuwenden. Geeignete Korona-■ abschirmung en en verschiedenen Platzen werden benutzt und wie bereits ausgeführt und noch später ausgeführt wird, sind alle scharfen Kanten, Ecken-» Punkte und dergl.', von denen Geldemission ausgehen kann, vermieden.

Die Ionenquellen 2l und 22a stehen sich paarweise diametral gegenüber. Zusätzlich sind die Achsen dieser gegenüberliegenden Paare derart angeordnet, dass die Ionenstrahlen im wesentlichen den gleichen lifeistiftähnlichen Raum besetzen.

Dieser Raum geht durch den i-iittelpunkt 26 des Verschmelzers. ■

Die Arbeitsweise der Anordnung der 'Figo 11 wurde""im wesentlichen bereits im Zusammenhang mit der Pig. 9 beschrieben» Bei Beginn sind alle Arbeitsspannungen abgeschaltet und die Vakuumpumpe 44 mit dem Inneren der -jaodenseliale 20 verbunden. Die Vakuumpumpe ist mit dem Auslassrohr 108 in der Kappe (Figo 11') verbunden, welche den Seil 52 abscaliesst. jjas Gas innerhalb der Anode 20, den Kathodensciialen 21 und 36 wird durch die Leitungen 50 und 52 durch das Gewebe in der ocheibe 57 und durch das Auslassrohr 108 evakuiert.

Die Pumpe arbeitet dann noch für eine genügende Zeit weiter und der Verschmelzer wird-weiterhin entgast, um Bestandteile zu entfernen, welche die Arbeitsweise stören können.

lach dem Ausgasen und evakuieren des Verschmelzers auf einen Druck 1.0 bis T0~ mm HG wird ein geeignetes verschmelzfähiges Gas, wie z.B. Deuterium,von den Gasquellen 45 "und 45a, (Fig. 9 und 11) den Ionenquellen 22 und 22a durch Bedienung der Ventile 99 zugeführt.Zu diesem Zweck werden die Ventile gerade soweit geöffnet, dass kleine Mengen des Gases zugelassen werden, welche den Druck auf 1O~ bis TO mm HG er-. höhen.. Bevor jedoch das Gas den Ionenquellen zugeführt wird,

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werden die Betriebsspannungen ar. ien Verschmelzer, wie bereits ausgeführt, angelegt. Um eine vollständige Kontrolle über die Arbeitsweise des Verschmelzers zu haben,; ist es "wünschenswert, dass alle Spannungen allmählich von STuIl YoIt startend angelegt werden. Zuerst wird die Spannung an die Anschlüsse 91 und 92 zur Erhitzung der Drähte 97 aller Ionenquellen 22 und 22a angelegt. Dann werden die Spminungsquellen 100 allmählich bei Null Volt startend angeschaltet, bis eine genügend hohe Potentialdifferenz zwischen den Anoden 83 und den ent sprechenden Drähten 97 liegt-, sodass das verschmelzfähige Gas ionisiert wird, welches zur Bildung der Ionenstrahlen zugeführt wurde. Nun wird die Spannung der Spannungsquelle 25 stetig erhöht, bis Verschmelzreaktionen bemerkt werden. Dies kann mit Neutronenzähler der üblichen Art erfolgen. Die Span-

3-5 nungsquellen 100 werden so eingestellt, dass ein genügender Grad von Ionisation geeignete Dichte und kompakte Ionenstrahlen erhalten werden, die gegen den Mittelpunkt 26 des Verschmelzers gerichtet sind. Zur Bildung und Beschleunigung der Ionenstrahl . len ist das an die Anode und die Kathoden 21 und 36 gelegte Potential von Wichtigkeit.

Die mit dem Auslass 108 verbundene Vakuumpumpe 44 kann weiter arbeiten, sodass der Druck des neutralen Gases innerhalb des V Verschmelzers auf geeigneten niedrigen V/ert gehalten wird. Zusätzliche können die Gasventile 99 ein-wenig geöffnet sein, oder sie können auch intermittierend geöffnet und geschlossen werden, um dem Verschmelzer die nötigen Mengen von Gas, die zur Erhaltung der gewünschten Reaktion erforderlich sind, zuzuführen. Durch Ändern der Spannungsquelle 25 kann die Reaktionsrate geändert werden. In ähnlicher-Weise ergibt eine iinderung der Spannung an der Ionenquelle eine Änderung der Reaktionsrate. Wahlweises Vergrössern oder reduzieren der Menge des dem Verschmelzer zugeführten neutralen Gases beeinflusst ebenso die Reäktionsrate. Daher können die gewünschten Reäktiönsraten durch Änderung der verschiedenen Kreise und System· parameter gesteuert werden.' Üin Gasdruck von ungefähr 10 mm Hg

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foifcLaufend aufrecht erhalten, wurde zur Erzeugung von Verschmelzreaktionen als geeignet gefunden.

Heim in Fig. 12 der Schalter 47, der in Serie mit der Hochspannungsquelle 25 geschlossen ist, werden die soeben be- ' schriebenen Reaktionen Erhalten. Wenn eine elektrische Ausgangsleitung von dem Verschmelzer erhalten werden soll, ist es nur nötig, den Schalter 47 zu öffnen, um den Widerstand 46 in Serie mit der Hochs ρ annungs quelle zu legen,, Wenn die Reaktion im Yerschmelzer ansteigt und einen geeigneten hohen Wert erreicht, wird ein Umkehrstrom im Stromkreis der Anode in Richtung' des Pfeiles "Z" (am Widerstand 46) entwickelt. Dies ergibt einen Spannungsabfall am Widerstand 46. Dieser Umkehrstrom "Z" wird entwickelt, wenn die an der Anode 20 erzeugte Spannung die der Spannungsquelle 25 übersteigt. Ist der sich selbst erhaltende Betriebszustand durch die Erzeugung dieser Anodenspannung einmal erreicht, so kann die Hochspannungsquelle 25 herausge-

durcn nommen werden, die zunächst unterbrochen und/einen Kurzschluß · , überbrückt wird. Ein derartiger Wechsel ist jedoch nicht nötig, wenn die Spannungsquelle 25 geeignet ist, den Strom in . · der umgekehrten Richtung zu leiten.

Um die virtuellen Elektrodensysteme (^Poissor") im Mittelpunkt der Kathoden 21,36 zu bilden ist - wie bereits früher ausgeführt - die Anwesenheit von Ionen und Elektronen nötig. Diese Ionen werden zuerst von den Ionenquellen 22 und 22a geliefert.

Die Elektronen werden teilweise durch. Photoeaiission an der inneren Oberfläche der Kathodenschale 21 ausgelöst. Die von den Ionenquellen 22 und 22a erzeugten Ionen errichten die anfängliche virtuelle Anode im Zentralbereich der Kathodenschale 21* Das virtuelle Elektrodensystem ("Poissor") wird - wie bereits beschrieben - gebildet. Elektronenflug von der Innenseite der Kathodenschale 21 zur Anode 20 ist durch die negative Vorspannung an der Kathodenschale 36 gegenüber der Schale 21 ver- \ hindert. Die Vorspannung wird durch die Spannungequelle 43 geliefert und auf einen Wert geregelt, bei dem der äusser· Anoden-

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I .strom (20) zu einem, gewünschten-Minimum reduziert ist. Die ochirme 104 über den Öffnungen 38 in der äusseren Kathoden-

■ schale 36 bringen die gewünschte l-'otentialflache,, die nega- : tiver als das Potential an der Kathodenschale 21 ist. Dies

ί "

5 verhindert das Einfangen von Elektronen von der Innenseite

■ der Kathodenschale 21, wodurch Verluste durch Einfangen solcher ' Elektronen durch die Anode 20 reduziert werden« Ebenso hinj dem die bchirme 104 das positive Feld der Anode 20 in die : Öffnungen 57 der Kathodenschale .21'einzudringen und die 10 sphärische Konfiguration der i-otentialiläche· zu stören.·

Die verschiedenen Öffnungspaare 37 und 38 sind zwecks Ermöglichung eines radialen Ionenweges gegenüber angeordnet. Die Kathodenschale 21 und 36 hat ungefähr 70/» Öffnungen und damit genügend Durchlässigkeit für die Ionen.

15 Anderes Ausführungsbeispiel.

In den Figo 22 - 26 ist ein anderes Ausführungsbeispiel be- ; schrieben, bei dem gleiche Teile mit den gleichen'Bezugs-' .." zeichen versehen sind₀ GrundsatzIieh besteht der Unterschied zwischen dieser Anordnung und eier der Figo 11 in der Verwen-20 dung einer einzigen Kathodenschale 21 anstelle der doppelten , Kathoden 21 und 36 bei der Anordnung der Fig₀ 11. Die Konstruktion des'Verschmelzers der Fig. 23 soll in dem Umfang, in dem er von der Anordnung der Fig. 11 abweicht, im folgen-r den beschrieben v/erden»

25 Die Kathodenschale 21 der Fig. 23 ist konzentrisch zur Anode

mitt-el's der Anordnung 49a gehaltert, die der Anordnung 49 des ; Vefs'cihmelzers· der Fig. 11 entspricht. Die Anordnung besitzt '' - eine"Trageröhre 50a aus rostfreiem Stahl oder dergl., die mit

einem Ende an der Anode 20 befestigt ist.· Eine mit einer /30* öffnung versehene Scheibe 110 ist in der Röhre' 50abefestigt

und trägt ''eirieri'Keramikstab 111, welcher koaxial durch diö " · p"-^'''ftShre-'50a^; bis^: in die Anode 20 ragt. Das andere Ende des Sta- .· j 'bes 111 ist an einer Platte 112 befestigt, die fest mit der ·

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Kathodenschale 21 verbunden ist. Alle bisher beschriebenen Teile sind genügend robust und fest, um die Lage der Kathode zur -anode 20 zu sichern.

Mit dem linken Teil der Röhre 50a der Fig. 23 kann eine Vakuumpumpe verbunden werden.

Der Hochspannungsanschluss 72a entspricht der Anordnung 72 der Fig. 11. Die Anordnung 72a besteht aus einer rohrförmigen Anordnung 71a, mit der der flaschenähnlühe Isolator 113 vakuumdicht verschmolzen ist. Koaxial durch die Anordnung 71a und den Isolator 113 erstreckt sich eine Elektrode 114, die dem Element 68 der Fig» 11 und 12 entspricht= Das innere Ende 68a dieser Elektrode 114 hat einen robusten leiter 115, der mit der Platte 116 verbunden ist, die an der Kathode 21 befestigt ist.

Das Ende 117 der Elektrode 114 durchdringt vakuumdicht die Endwand 118 des Isolators 113 und ist mit der Hochspannungszuführung verbunden. Die Teile 71a, 113, 114, 115 und 116 sind genügend fest und robust, um die Zentrierung der Kathode 21 innerhalb der Anode 20 zu gewährleisten. 3ine geeignete balgähnliche Anordnung 119 ist innerhalb der Anordnung 71aangeordnet und mit einer Iiikromet ere ins teilung 120 Versehen, um die Anordnung 71a, 113 ein wenig zu bewegen, sodass die Lage der Kathode 21 innerhalb der Anode 20 einstellbar ist.

Die Kathode 21 selbst kann der Kathode 21 der Fig. 11 identisch sein, sie ist ebenfalls mit Öffnungen 37 und 103 versehen. Die Funktion der äusseren Schale 36 der Fig. 11 wird jedoch durch eine Schirmanordnung hervorgebracht, wie sie vergrössert im Detail in der Fig. 24 dargestellt und mit dem Bezugszeichen .versehen ist. Diese Anordnung besteht aus einem ringförmigen Teil 122 aus rostfreiem Stahl oder dergl., an dessen Unterseite ein feines leitendes Netz 123 befestigt ist, welohes die . Öffnung 37 vollständig abdeckt* Konzentriech zur Peripherie des Schirmes 123 ist ein ringförmiger Isolator 124 mit Ii-förmigem,

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Quersclinitt angeordnet. Auf dem Isolator 124 ruht ein Ring aus rostfreiem Stahl, auf dessen Oberseite ein zweiter Schirm - gleich dem anderen Schirn 123 - befestigt ist. Der Schirm ist parallel zu dem Schirm 123, weist aber einen Abstand zu diesem auf. Der Zweck dieser Schirmanordnung wurde früher in "Verbindung mit den Schirmen der Figuren 14 und 15, welche an der äusseren Kathodenschale 36 befestigt sind, näher erläutert.

Über dem Ring 125 ist ein anderer ringförmiger Isolator 127 mit L-förmigem Querschnitt angebracht, welcher an dem ringförmigen Teil 122 anliegt, um den Ring 125 in konzentrischer

/ lage zu halten. /

Auf dem ringförmigen Teil 122 und dem Isolator 127 ist ein flacher Ring 128 vorgesehen, welcher die Teile 124, 125 und 127 in eine Einheit zusammenfasst,/ Eine ringförmige Kappe ist über dem Ring 128 befestigt. /Auf dem Umfang gehen eine Anzahl von Schrauben 130 durch #Le Teile 129, 128, 122, fassen diese zusammen und befestigen diese an der kathode 21.

Eine Hülse 131 aus Isolationsmaterial ist radial in einer Öffnung in dem ringförmigen/Teil 122 befestigt und führt eine Zuführung 132. Diese Zuführung ist mit ihrem inneren Ende leitend mit dem Ring 125 Verbunden und zwar dadurch, dass er zwischen dem Ring 125 undi dem Isolator 124 eingeklemmt ist. Jede der Öffnungen 37 ±xi der Kathode 21 ist mit einer Schirmanordnung 121 beschrieben und die Zuführungen 132 all dieser Anordnungen sind miteinander verbunden, sodass die Potentiale, die an alle die Schirme 126 gelegt werden, die gleichen sind.

Wie bei dem Verschmelzer der Pig. 11 ist jede der Kathodenöffnungen 103 de» Verschmelzers der Pig. 23 koaxial mit der Strahlachse der entsprechenden Ionenquellen 22 und 22a auggerichtet. In jeder dieser Öffnungen 103 des Verschmelzers der Fig. 23 ist eine Elektrodenanordnung, wie sie vergrössert in Fig. 25 dargestellt ist,'vorgesehen. Diese Anordnung besteht

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aus einer rohrförmigen Hülse 133 aus Keramik mit einem ringförmigen Vorsprung 134. Die Hülse 133 passt saugend in die Kathodenöffnung 103, mit ihrem Vorsprung 134 stützt sie sich auf der äusseren Kathodenoberfläche ab. Eine metallische rohrförmige Elektrode wird passend von der Hülse 133 umgeben und das Endteil 136 der Elektrode 135 greift über das untere Ende der Hülse 133 hinweg. Das obere Ende der Elektrode 135 ist mit einem leicht gewölbten Flansch 137 versehen, welcher das obere Ende der Hülse 133 überlappt. Ein drahtähnlicher Leiter 138 ist zwischen dem Plansch 137 und dem oberen Ende der Hülse 133 vorgesehen. Dieser Draht 138 hat einen derartigen Durchmesser, dass er als Keil zwischen dem Plansch und der Hülse 133 dient, sodass diese fest miteinander verbunden werden. Die bis jetzt beschriebene Anordnung wird endlich mit der Kathodenschale 21 durch den Ring 139, welcher über dem Vorsprung 134 angebracht ist, verschwelest.

Entweder als Teil des Drahtes 138 oder in anderer Weise an diesem befestigt, ist die Zuführung 140 zum Anlegen des Potentials an die Elektrode 135. Diese Elektrode 135 ist von' der Kathode 21 isoliert.

Ionenanordnungen der Fig. 25 sind durch Zuleitungen 140 miteinander verbunden. Alle diese Zuleitungen sind mit der Zuleitung 132 und der Schirmanordnung 121 verbunden, sodass die Elektroden 135 die gleiche Vorspannung wie die verschiedenen Schirme 126 haben.

DieVorspannung wird den Elektroden 135 (Fig. 24 und 25)durch die in Pig. 26 dargestellte Anordnung zugeführt. Diese Anordnung besteht aus einem evakuierten rohrförmigen Gehäuse 141, bestehend aus dem rohrförmigen Gehäuse 142 aus Metall, welches vakuumdicht mit der Anode 20 verschmolzen ist und dem äusseren rohrförmigen Isolator 143, welcher beim AusführungsbeiBpiel aus Glas besteht. Koaxial innerhalb des rohrförmigen Gehäuses 141 ist ein Mittelleiter vorgesehen, welcher aus einer Metallröhre 144, welche vakuumdicht mit dem metallischen Teil . 145 verbunden ist, besteht» Ein rohrförmiger leiter 146 ist

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'mit dem anderen'Ende des metallischen Teiles 145 verbunden und hat an seinem anderen Ende einen hülsenförmigen Abschluss 147, welcher bei 148"vakuumdicht mit dem Leiter 146 und mit dem Ende 149 des äusseren Ende des Isolators 143 verschmolzen ist„ 'Der Raum zwischen der Aussenwand 142, 143 und der Leiteranordnung en 144, 145, 146 ist vakuumdicht und mit dem Inneren des Verschmelzers in Verbindung. Eine metallische Kappe 145 umgreift mit ihrem hülsenförmigen Kontakt 151 den Abschluss 147 und stellt dadurch die leitende Verbindung zu diesem her. Die · Kappe 150 ist von einem Schutzüberzug 152 aus Gummi umgeben» In diesem Schutzüberzug ist eine Leitung 153 vorgesehen, welche mit der Kappe 150 verbunden ist und erstreckt sich mit ihrem Ende soweit nach aussen, dass sie mit einem äusseren Stromkreis verbunden werden kann. Der Stromkreis besteht aus der Batterie 154, deren positiver Pol mit der Kathodenschale 21 und deren negativer Pol mit der Leitung 153 verbunden isto

Eine Schleife 155 aus Federdraht ist leitend mit den peripheralen Teilen einer der Schirme 126 verbunden und besitzt einen Draht 156, der sich durch die Röhre 144 erstreckt. Der Draht hat eine derartige Länge, dass er bis zu dem Teil 45 reicht und mit diesem Kontakt macht. Der Draht 156 ist in seiner Lage innerhalb der Röhre 144 durch einen kleinen Metallring gehalten, welcher in das Ende der Röhre 144 eingepasst ist. Durch eine der «Anordnungen 141 auf dem Verschmelzer der Fig.23 können an alle Schirme 126 und Elektroden 135 die erforderlichen Spannungen angelegt v/erden.

. Die Ionenquellen 22 und 22a des Verschmelzers der Fig. 23 sind '. mit ringförmigen Magneten 158 versehen, welche die Hülsen 79

umgeben. Diese Magnete 158 haben einen Pol benachbart zu der Anode 20 und den anderen Pol auf der abgewgndeten Seite. Sie · sind in Bezug auf die "Anode 83 (Figo 13) derart ausgebildet, " - · dass sie die Bahnen der von der Kathode 97 emittierten Elektronen . verlängern, um die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation durch· '· jedes Elektron zu vergrössern. Dadurch wird ein Anwachsen der

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Ionenerseugung erzielt. Die Ionenquelle!! 22 und 22a der Fig.23 gleichen denen, die im Zusammenhang mit dor Pig,, 13 be.■·; ehr ie ben wurden,,

DieArbeitsweise des Verschmelzers dor WIg₀- 23 ist in den meisten Beziehungen die gleiche vie die des Ver.'jclimelzors dor WIr₀ 11. Die gleichen Betriebsspannungen werden angelegt und alle diese Spannungen sind variabel, um eine Kontrolle der Vero'climelzoperation zu gewährleisten, wenn in dem Fall deo Vurcchmelzers der Pig. 11 die. Spannung an dem Schirm 126 und der Elektrode 135,

-]Q der durch die Batterie 154 geliefert wird, z.B_o auf einen Wert einreguliert ist, bei -./eichen- der äusrjere Anodeiistrom auf ein gewünschtes Minimum reduziert iat. Die ochirme 126 über den Öffnungen 37 in der L.atliouenscli.'j.le 21 bringt die gev/ün.jch.te Äquipotentialfläche hervor, './eiche negativer als das Potential an der iv.a'ühoüensclialö 21 und an den inneren -jcIiinnen 123 ist.

Dies verhindert das iilinfangen von Elektronen aus der Jchale 21, • wodurch Verluste auf Grund des Einfangens derartiger Elektronen¹ durch die Anode 20 vermindert v/erden. Ebenso verhinu .'rn die Schirme 126 das positive Jj'eld der Anode 20 durch die öffnungen

2Q zu dringen und die sphärische Konfiguration der virtuellen Elektrodensysteme ("PcEaor") zu stören. i)±e Elektroden 135 sind negativer als oiie ilathoden.:cjj.ale 121, wodurch Aouinotentialflachen errichtet λ'/ercien, τ/elclie das Ausv/ärtsfliegen von Elektronen aus dem Inneren der ilathodensciaie 21 verhindert wird..

Anderes AusfüJirun.-'sbeispiel einer lononouelle.

In den Figuren 27 bis 29 ist eine abgeänderte Ionenquelle 22b wiedergegeben, reiche die Ionenquellen 22 und 22a der Anordnungen ersetzen kanu, Teile dieser Ionenquelle 22b, die Teilen .der in Fig. 13 gezeigten entsprechen, sind i.iit gleichen Bezugszeichen versehen. Anstelle eine Kappe 89 (V±q.13) vorzusehen, ist ein ringförmiger Plansch 89a,ähnlich dem Plansch 87,verwendet, um ein Ende des rohri'ürmigeii juiodenteiles 159 zu moiirtieren. Das iiussere Em'e dieses 'J'eiles ist vakuumdicht durch

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die Ka\>pe 160 ab^esciiloüfien« Jas ÜGüüuse der Ionenquelle 22b, welche die Teile 79 und 195 entoult, ist beträchtlich langer als das GJ-ehLluse der lonenquellen 2;·.. und 22a. Durch den Leiter 93 des -AnscUluaürfs- 90 wird eine rohrförmige Elektrode 161 getragen, welche in gewissem Sinne dem Steuergitter einer gewohnlichen Vakuumröhre entspricht. .Oie Elektrode lol ist an dem leiter 93 befestigt und hat zusätzlich eine leitende Verbindung 162· zu einem-der i)rahtaufUhrungen 94· Der Draht 97 und die Elektrode 161 sind durch dia Batterie 163 negativ vorgespannt, deren negativer Pol mit dem leiter 93 und deren positiver J-'ol mit dem G-ehJ-uso der Ionenquelle- 22b verbunden ist. Die Teile 79 und 159 bilden eine leitende Ausweitung der Anode 20 und arbeiten auf dem gleichen Potential wie die Anode 20. Der Teil 159 ist von einer Anzahl Stabmagneten 164 umgeben, deren Längsachse parallel zur Achse der Ionenquelle 22b verläuft. Diese Stabmagnete 164 v/erden durch 2 asial voneinander entfernt angeordnete Hinge 166 und 167 getragen« Diese Hinge bestehen aus ^isen oder .rinom ähnlichen.magnetischen Material. Bin Band 167 a. spannt die·;ο Magnete mit den Ringen 166 und 167 zusammen und ii.-.eht dadurch aus diesen eine Einheit. Bei dem AusfUhrungsbeiSüiol der J-¹Ij. 27 sind sechs derartige Magnete verwendet. Es können jedoch auch mehr oder weniger-Magnete Verwendung finden.

Beim Betrieb der lonenque Llon 22b \·'rcioa dieselben Bedingungen für den Betrieb dos Yur;jchi:iolzors beobachtet, v/ie die früher beschriebenen, Im einzelnen mu:j!j eine geeignete fadenspannung an den Paden 97 gelegt worden, um io/iicjlorunde Jillektronen au erzeugen. Da der !''adcüi 97 iin wutron Lliehon in der Elektrode enthalten ist, mü.ssen sich die Elektronen, iim zur Anode 159 ■ . zu gelangen, axial bewegen. Durch den Einfluss der Magnete werden die Elektronen auf einen spiralförmigen i/eg abgelenkt, "birj sie auf die Anode 159 gel; mg en. Verrjchmelzfähiges G-as, v/elches der ionenquelle Über die Zuleitung 98 zugeleitet wird, wird durch die Elektronen ionisiert. Diene Ionen gelangen unter dem Einfluss der negativeren Elektrode 161 und der Kathode 21. Ionen v/erden eventuell durch d Le Ol'f'nung 82 beschleunigt

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und "bilden Strahlen, deren 7/ege. den fcittelpuaidfc 26 der üühre schneidenο

Höhere Ionenstrüiue können von den Ionenquellen. 22b als von den lonenquellen der Fig. 11 deshalb erhalten werden, veil die ionisierenden Elektronen, welche von dem Dralut 97 (^JK'lg.27) emittiert werden, lungere liege aurücklegen, bevor sie durch die Anode eingefangen werden. Sie haben daher eioie grössere V/ahrsclieinlichkeit, Ionen zu erzeugen vor ihrem. Sitif angen „

Im folgenden werden die Dimensionen und V/erie für die Anordnung und für die Stromkreisparameter des Ausführiuiijsbelspieles der Figo 23 wiedergegeben.

Dimensionen

Innerer durchmesser der Anodenschale Dicke der Anode η so Li id. ο Material der Anode 20

Innerer Durchmesser der kathodenschale Dicke der Kathodenscha.le Material der Kathode 21 Grosse der öffnungen 37 G-rösse der " 103 Innerer Durchmesser der Ulrike 124,125,127 Grosse der Schirme. 123 und 12b

Abstand zwischen den Schirmen 123 und Gesamthölie der Anordnung radial Ubor die Kathode 21 hinaus Länge der Elektrode 1.35

Erstreckung der Elektrode 135 radial auswärts

von der Katliode 21 Grosse dar Öffnung 80

ca. 15 cm " 0,24 cm

" rostfreier Stahl

ⁿ 11,13 cdi ⁿ 0,15 cm

rostfreier Stahl ca. 4,44 cm 1,59 cm ^ffl 3,8 cm

Maschen gewebtes !Wolfram

ca. 0,36 cm

ⁿ 0,81 cm

" 1,11 cm

^M 1,27 cm

¹¹ 0,8 cm ι ¹¹ 2,76 cm

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ca.	3,81	cm
11	1,2?	cm
It	7,.3Q-	cm
Il	2,54	cm
Il	1,59	cm
11	2,10	cm
it	0,64	cm
11	0,57	cm
ti	: 0,33	cm
Il	1,27	cm

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Äusserer Durchmesser der Hülse 79 Innerer Durchmesser der Öffnung 82 Axiale Länge der Quellen 22 und 22a Länge der Anoae 84

Minimaler innerer Durchmesser der Anode 84 Maximaler " " " " 84 Abstand des Fadens 97· "vom "benachbarten !finde

der Anode 84 '

Abstand zwischen Hülse 79 und Anode 84 Dicke desRinges 81

Abstand zwischen Eilig 81 und Anode 84

Pur eine Heutronenzahl von 10° mögen annähernd die folgenden Arbeitsparameter für den Veruchmelzer der "Fig« 23 verwendet
werden.

lReak1imsfahig.es Gas = Deuterium und Tritium

zu gleichen Teilen

'Druck des neutralen Gases im YerSchmelzer ca. 2 Mikron

■ Strom (Anode 20) " 30 mA.

. Spannung (Anode 20) " . 100 KV
^: .Spannung der Spannungsquelle 100

! an Anode 84 " 250 1

. Spannung am Faden 97 " 6 Y ·

Fadenstrom 97 " 7 A

Spannung an den Schirmen 126 ¹V 500 V

Eine Anordnung 168 zur Beobachtung ist mit der Anode 20 (Figo27) verbunden. Die Beobachtung kann direkt oder indirekt mittels e^Lner Fennsehanlage durch das mit dem äusserenEnde der Anordnung 168 vakuumdicht verschmolzenen Fenster 169 erfolgen«, .

14 Patentansprüche - 72 -

16 Bl. Zeichnungen, 29 I¹Ig„

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Claims (1)

ISl/Rego 3605 72 - Patent a nsprüch-e T. Elektrisches Entladungsgefäß zur Herbeiführung von Kernreaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (20) mindestens eine teilweise für Gasteilchen durchlässige Kathode (21,36) umschliesst, die ihrerseits einen zentral zu diesen Elektroden (20,21,36) liegenden freien Raum bestimmt und das zwischen Anode und Kathode durch Spannungsanlegung erzeugte elektrische leid Ionen eines verschmelzfähigen Gases längs radial konvergierenden liegen durch di.e- - sen freien Raum mit zu Kernreaktionen genügenden Energien beschleunigt. 2. Elektrisches Entladungsgefäss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Raum im wesentlichen sphärische Gestalt hat und diese Wege der Ionen einen gemeinsamen ochnittpunkt (26) im Zentrum dieses freien Raumes haben. 3. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (n)- (21,36) im wesentlichen eine sphärische metallische Kapsel ist, die von einer im wesentlich sphärischen metallischen Anode (20) konzentrisch umgeben ist. 4. Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (20) mit paarweise diametral angeordneten Ionenquellen (22, 22a) vakuumdicht verbunden ist, von denen Ionen zwischen die Anode (20) und die Kathode(n) (21,36) und durch zu den Ionenquellen ausgerichtete Öffnungen (102, 103 Pig. 17,· 103 Pig.25) in den . Kathoden (36,21) in diesen freien Raum gelangen. 5. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, dass die öffnungen (102 bzw.103) der der Anode (20) benachbaiteiir Kathode (36 Fig.17, bzw. 21 Fig.25) mit ringförmigen Einsätzen (40 bzw. 155) versehen sind. 009828/0409 _ 73 _ BAD RlßlMM ISE/Reg» 3605 - 73 - 6c Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet:, dass die Einsätze (135) von der Kathode (21) isoliert sind. 7. Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche "1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die.Kathoden (21,36) mit einer · '. weiteren Anzahl von Öffnungen (37,38) versehen sind rind die Öffnungen (38 "bzw. 37) der der Anode (20) "benachbarten Kathode (36. "bzw β 21) mittels "mit den entsprechenden Kathoden leitend verbundenen netzartigen. Schirmen (104 bzw. 123) verbunden .sind. 8. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über den netzartigen Schirmen (123) weitere netzartige οchirnie (126 1'1Ig.' 24) isoliert angeordnet sind. - ' - .9. Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet,- dass den Ionenquellen (22,22a) verschmelzfähiges Gas in einem vorbestimmten Druckbereich zugeführt wird. -. ' - ' ■ . TO.■Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vakuumpumpe versehen ist. ' - ■ ■

1.1. Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum des freien Raumes eine aus den Elektronen und Ionen des verschmelzfähigen Gases bestehende Raumladung gebildet wird und diese Ionen derartig , _ verteilt sind, dass ein im v/esentlichen sphärisches elektrisches Feld bestehend aus üchirmionen in einem punktförmigen Bereich des Zentrums besteht, durch das Ionen mit Energien- zur Herbeiführung von Kernreaktionen bei Kollision mit diesen Schirmionen oszillieren.

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12o Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Raumladung aus einer sphärischen virtuellen Kathode "besteht., die konzentrisch von einer sphärischen virtuellen Anode umgeben ist, die ihrerseits von der sphärischen reellen Kathode (21) konzentrisch umgeben ist,und das elektrische "Feld zwischen dieser reellen Kathode und der virtuellen Anode positiv geladene^ Teilchen radial gegen diese reelle Kathode beschleunigt und das Potential der virtuellen Anode Ionen nach innen durch die virtuelle Kathode oszillierend treibt.

13ο Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1.2, dadurch gekennzeichnet, dass die positiv geladenen Teilchen gegen das Feld der Anode (20) mit einer solchen Energie gegen diese getrieben werden, dass sie ihre Ladung an diese Anode (20) abgeben, deren Stromkreis elektrische leistung entnommen wird.

ο Elektrisches Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen;, die Zusammensetzung des Gases und die Anzahl der G-asteilchen des elektrischen Entladungsgefäßes so eingestellt sind, dass sich selbst unterhaltende Verschmelzreaktionen stattfinden, die mehr Energie abgeben als sie erfordern..'

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