DE4108499A1

DE4108499A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmas

Info

Publication number: DE4108499A1
Application number: DE19914108499
Authority: DE
Inventors: Eduard Prof Dr Ing Igenbergs
Original assignee: Igenwert GmbH
Current assignee: Igenwert GmbH
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1992-09-17
Also published as: EP0503535A1

Description

Gegenwärtig gibt es verschiedenartige Versuche, um in einem He liumplasma, das unter einem hohen Druck ist, neuartige Kohlen stoffmoleküle wie z. B. C-60 zu erzeugen. Es gibt Berichte, nach denen in einer Plasmaatmosphäre bei einer Lichtbogenentladung zwischen Kohleelektroden solche Moleküle entstehen. Nach dem Stand der Technik ist für eine Erzeugung solcher Moleküle ein möglichst dichtes, heißes Plasma hohen Druckes erwünscht, wobei die Parameter, die in einer koaxialen Kompressionsspule erzeugt werden, offenbar hierfür sehr gut geeignet sind. Die Größenord nung liegt bei 10 bis 20 000 Grad Celvin und einem Druck von einigen kbar in Helium. Wird in diesen Bereich Kohlenstoff hin eingebracht entweder durch Injektion oder aber auch durch Hin einschießen in den koaxialen Beschleuniger, dann soll hierbei ein Hochdruckplasma entstehen. Dieses Verfahren wird hier so durchgeführt, daß dieses Hochdruckplasma, das in einer Kompres sionsspule tatsächlich einen vorbeiströmenden Vorgang dar stellt, durch das Gegeneinanderschalten von zwei Kompressions spulen stationär gemacht wird. Es ist zu erwarten, daß bei der hohen Plasmadichte im Bereich der Symmetrielinie zwischen den beiden Beschleunigern die Plasmaströmung stark aufgehoben wird und zum anderen der Staudruck, der auf die dort befindlichen Kohlenstoffteile wirkt, weiter zur Erhöhung des Druckes an die sen Teilchen beiträgt und damit zur Synthetisierung von Mate rialien, wie z. B. C-60 beiträgt. Es sind 2 unterschiedliche An ordnungen denkbar, wobei die Arbeitsweise unterschiedlich ist und in einem Fall eine Stabilisierung durch einen radialen Ma gnetfeldgradienten erfolgt, während in dem anderen Fall die Stabilisierung entlang eines starken axialen Feldes geschieht, das, wenn das Plasma an dieses Feld stark genug gekoppelt ist, zu einer Konzentrierung des Feldes in der Nähe der Achse führen kann.

Ein Hochdruckplasma konnte bislang in einer konvergierende Kompres sionsspule erzeugt werden, wie es in den Patenten

E. Igenbergs: Self-Energized Plasma Compressor. US-Patent No.: 39 29 119 (zusammen mit E. L. Shriver and J. Fletcher), Dec. 31, 1975
E. Igenbergs: Two-Stage Light Gas Plasma Projectile Accelera tor. US-Patent No.: 39 16 761 (zusammen mit D. W. Jex, E. L. Shriver und J. Fletcher), Nov. 4, 1975

dargestellt ist. Weiterhin ist dies in den Veröffentlichungen

Igenbergs, Shriver: Journal of Applied Physics
Igenbergs, Shriver: JEX AEAA-Journal

im einzelnen beschrieben.

Die elektrische Schaltung eines solchen Gerätes ist in Abb. 1 dargestellt. Die Energie einer Kondensatorbatterie wird zunächst in einem koaxialen Beschleuniger eingespeist, das Plasma strömt aus diesem dann in die Kompressionsspule und wird dort komprimiert. Ein Vergleich der theoretisch berechneten und der experimentellen Spannungen im Stromkreis sowie in der Kom pressionsspule ist in der Abb. 2 dargestellt. Eine Skizze einer Kompressionsspule ist in Abb. 3 gezeigt und eine photographi sche Aufnahme der Plasmaströmung in Abb. 4. Die Arbeitsweise der Kompressionsspule ist in Abb. 5 gezeigt. Hier soll insbe sondere auf das Ende der Kompressionsspule hingewiesen werden, die dort auftretende Plasmaströmung und die Magnetfeldkonfigu ration.

In einer solchen Kompressionsspule wird ein Hochdruckplasma er zeugt. Dieses entsteht durch Verdampfung und Ionisation einer festen, flüssigen oder gasförmigen Masse, die zu Beginn der Entladung des Kondensators über den koaxialen Beschleuniger in diesen eingeführt wird. Dies kann entweder durch eine statische Einbringung oder aber durch eine Injektion, hier vorzugsweise durch die Außenelektrode nach innen erfolgen. Das hierbei ent stehende Plasma strömt mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 70 km/sec aus dem koaxialen Beschleuniger in die Kompressionsspule und erzeugt damit eine leitfähige Masse, so daß der Strom von der Spitze der Mittelelektrode zu den Spulenwindungen fließen kann. Dann fließt ein elektrischer Strom durch die Kompressionsspule und durch die Rückleiter wieder zurück, wobei ein Magnetfeld entsteht, das in Wechselwirkung mit dem Plasma dieses komprimiert und gleichzeitig beschleunigt. Am Ende einer solchen Kompressionsspule entsteht auf einer Länge von ca. 2-3 cm ein Hochdruckplasma mit einem Druck von einigen kbar und einer Temperatur zwischen 10 000 und 20 000 K. Die Kompressionsdauer liegt in der Größenordnung von 10 s.

Eine hierzu besonders geeignete Ausführung ist in Abb. 6 ge zeigt, bei der die Plasmaerzeugung im koaxialen Teil über eine Gasinjektion erfolgt. Hierzu wird das Gas über wenigstens 2 elektromagnetische Ventile durch Bohrungen in der Außenelek trode des koaxialen Beschleunigers in die Beschleuniger inji ziert.

Das hier vorgeschlagene Verfahren und die hier vorgeschlagene Einrichtung besteht aus wenigstens 2 solchen Kompressionsspu len, die von der gleichen Energiequelle, vorzugsweise einer Kondensatorbank, betrieben werden. Diese sind gegeneinander ge richtet, wie es in Abb. 7 dargestellt ist. Das Plasma wird je weils in einem koaxialen Beschleuniger erzeugt und in der Kom pressionsspule zu einem Hochdruckplasma verdichtet. Dieses Plasma strömt am Ende der Hochdruckspule aus und trifft dann auf das Plasma, das aus der gegenüberliegenden Spule kommt. Hierbei gibt es 2 mögliche Anordnungen:

Anordnung mit entgegengesetzt gerichtetem Magnetfeld

Wird für beide Kompressionsspulen die gleiche Windungsrichtung verwendet, dann führt dies dazu, daß die Magnetfelder im Be reich zwischen den Kompressionsspulen entgegengesetzt gerichtet sind und sich an der Mittelebene die beiden Kompressionsspulen teile spiegeln. Dies ist in Abb. 7 dargestellt. Dann ist das Magnetfeld in radialer Richtung entlang dieser mittleren Achse stets gleich Null, während das Magnetfeld in radialer Richtung auf der Mittelachse beider Beschleuniger gleich Null ist, um dann nach außen hin zuzunehmen und dann wieder abzunehmen. Dies ist in der Abb. 7 quantitativ skizziert. Daraus ergibt sich ein Bereich nahe der Achse, in dem das Magnetfeld gering ist, die ses nimmt nach außen hin zu. Dieser Gradient des Magnetfeldes kann dazu benutzt werden, um das Plasma in der Nähe der Achse zu halten. Die Plasmaströmungen, die von beiden Seiten gleich zeitig kommen, treffen in der Mitte aufeinander und werden bei der großen Dichte einen hinreichend großen Widerstand aufeinan der ausüben, um in der Mitte einen Bereich mit der Relativge schwindigkeit Null aufzubauen. Dann kommt es nur noch darauf an, das Plasma einige Zeit lang in diesem Bereich zu halten. Dies kann durch den radialen Magnetfeldgradienten geschehen. In diesem Hochdruckplasma, das bei den in den Veröffentlichungen genannten Abmessungen zu Drucken im kbar-Bereich führt, können physikalische und/oder chemische Vorgänge ablaufen.

Anordnung mit gleichgerichtetem Magnetfeld

Führt man die eine Kompressionsspule mit einer Linkswicklung aus und die andere Magnetfeldspule mit einer Rechtswicklung, dann ergibt sich eine Gleichrichtung des Magnetfeldes. Dann tritt entlang der mittleren Symmetrieebene kein radiales Magnetfeld auf. Das axiale Magnetfeld wird entlang der Symmetrieachse beider Beschleuniger ein Maximum haben und nach außen hin abnehmen. Hier nimmt das axiale Magnetfeld nach außen hin ab. Sollte das Plasma jedoch dicht und heiß genug sein, dann könnte eine Kopplung des Plasmas an das Magnetfeld als ′′eingefrorenes Feld′′ auftreten, wodurch das Plasma in der Nähe der Mittelachse festgehalten wird.

Beide Anordnungen können auch mit Hilfe von konver gent/divergenten Kompressionsspulen ausgeführt werden. Für die sen Fall gilt sinngemäß das gleiche, wie es für die oben be schriebenen Anordnungen dargestellt wurde.

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung ei nes Hochdruckplasmas beschrieben, die aus wenigstens 2 Plas mabeschleunigern mit Kompressionsspule besteht, die entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnet sind, so daß die aus den Plasmabeschleunigern strömenden Hochdruckplasmaströ mungen zusammengeführt werden und ein Hochdruckplasma erzeu gen.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Plasmabeschleuniger mit Kompressionsspule entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse oder entlang von mehreren ge meinsamen, sich kreuzenden Symmetrieachsen so angeordnet sind, daß die aus den Plasmabeschleunigern mit Kompres sionsspule strömenden Hochdruck-Plasmaströmungen aufein ander zugerichtet sind und so auf den Schnittpunkt der Symmetrielinien bzw. entlang einer Symmetrielinie aufein ander zuströmen.

2. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma in den Plasmabeschleunigern durch die Einführung einer festen oder flüssigen oder gasförmigen Masse oder einer Kombination derselben hergestellt wird. Dieser Stoff kann entweder vor dem Betriebsbeginn eingebracht werden oder aber durch Injektoren injiziert werden. Im letzteren Falle erfolgt die Injektion entweder durch die Mittelelek trode des koaxialen Beschleunigers oder aber von außen durch die Außenelektrode des koaxialen Beschleunigers nach innen.

3. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Plasmabeschleuniger mit Kompressionsspule aus der gleichen Energiequelle gespeist bzw. betrieben werden, wo bei diese vorzugsweise eine Kondensatorbatterie ist. Hier bei wird insbesondere darauf geachtet, daß alle elektri schen Parameter am Anschluß von jedem Plasmabeschleuniger gleich sind. Die Plasmabeschleuniger selbst können entwe der gleich oder unterschiedlicher Ausbildung sein.

4. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der axiale Abstand der Plasmabeschleuniger mit Kom pressionsspule voneinander verändert werden kann. Insbe sondere kann der Abstand zwischen den einander gegenüber liegenden Kompressionsspulen und hier wiederum der Abstand von deren engem Ende verändert und eingestellt werden. Weiterhin kann bei Verwendung von mehr als 2 Plasmabe schleunigern mit Kompressionsspule der Winkel zwischen den sich im allgemeinen kreuzenden Symmetrieachsen der mehr als 2 Plasmabeschleunigern mit Kompressionsspulen frei ge wählt werden. Dies geschieht vorzugsweise so, daß sich ein möglichst geeignetes Hochdruckplasma ergibt.

5. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet da durch, daß die Plasmabeschleuniger völlig identisch in ih rer Ausführung sind. In diesem Fall wird das axiale Ma gnetfeld auf einer Fläche, die senkrecht zur gemeinsamen Symmetrieachse steht und im gleichen Abstand von den bei den Kompressionsspulen und zwischen diesen liegt, Null sein, während das radiale Magnetfeld mit dem Abstand von der Symmetrieachse auf dieser Ebene zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt. In diesem Falle wird der Abstand der Plasmabeschleuniger mit Kompressionsspule sowie die Win dungszahl der Kompressionsspule, der Abstand der Windungen sowie die Steigung der konvergenten Form der Kompressions spule so gewählt, daß sich im Raum zwischen den beiden Plasmabeschleunigern ein optimales Hochdruckplasma bildet.

6. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekenn zeichnet, daß durch Anpassung der elektrischen Parameter zusammen mit dem axialen Abstand nach Anspruch 4 eine be sonders vorteilhafte Erzeugung eines Hochdruckplasmas be wirkt wird.

7. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Plasmabeschleuniger bis auf die Kompres sionsspule identisch sind. Die Kompressionsspulen unter scheiden sich durch die Art ihrer Windungen. Jeweils eine der Kompressionsspulen ist rechts herum gewunden, während die andere links herum gewunden ist, wobei dies in beiden Fällen in der Strömungsrichtung des beschleunigten Plasmas zu sehen ist. Es heben sich die auf der in Anspruch 5 de finierten Symmetrieebene die radialen Komponenten des von den beiden Spulen erzeugten Magnetfeldes auf, während sich die axialen Komponenten addieren und auf der Symmetrie achse den größten Wert haben.

8. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff in die Plasmaströmung eingebracht und so zu dem Ort des Hochdruckplasmas und in dieses hineinbefördert wird. Dies erfolgt vorzugsweise nach den 3 folgenden Verfahren:

1. Einbringung bei der Plasmaerzeugung im koaxialen Be schleuniger.
2. Einbringung auf einer Folie oder ohne eine solche am Ende der Kompressionsspule.
3. Injektion durch die Mittelelektrode des koaxialen Be schleunigers. Hierzu kann am Anfang der Mittelelektrode eines Beschleunigers ein eigenes Gerät zur Beschleunigung dieses Stoffes angebracht werden.

9. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nach Anspruch 8 eingebrachte feste, flüssige oder gasförmige Stoff sich am Orte des zu erzeugenden Hoch druckplasmas befindet und von diesem nach erfolgter Erzeu gung der Plasmaströmung und des Hochdruckplasmas umgeben wird.

10. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Plasmaströmung eingebrachte und so an den Ort des Hochdruckplasmas und in dieses hineinbeförderte Stoff gleich ist dem Material, das zur Erzeugung der Plas maströmung verwendet wird oder aber sich von diesem unter scheidet. In dem Hochdruckplasma können dann physikalisch- chemische Prozesse ablaufen, die eine Veränderung dieses Stoffes bewirken.

11. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des Materials durch eine Mittelelektrode oder die Mittelelektroden des koaxialen Beschleunigers in die Plasmaströmung mittels eines gasdynamischen, elektro magnetischen oder eines elektrothermalen Beschleunigers erfolgt. Auch Kombinationen dieser Beschleuniger sind mög lich. Dadurch ist eine Abstimmung der Inbetriebnahme der zur Injektion eingesetzten und der zur Plasmaerzeugung eingesetzten Beschleuniger möglich, weil beide Systeme im gleichen Frequenzbereich arbeiten und weil der Zeitbedarf für das Einschalten in beiden Fällen dann von der gleichen Größenordnung liegt.

12. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren eingesetzten Beschleunigern zur Injektion einer festen, flüssigen oder gasförmigen Masse in die Plasmaströmung diese Beschleuniger alle aus der gleichen Energiequelle gespeist werden. Vorzugsweise wird hierfür eine Kondensatorbatterie verwendet, die in ihrer Lei stungscharakteristik mit der zur Erzeugung der Plasmaströ mung eingesetzten Kondensatorbatterie abgestimmt ist.

13. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des aus der Kompressionsspule strömenden Plasmas zusammen mit dem elektromagnetischen Feld der Plasmaströmung und der Kompressionsspule so ausgebildet sind, daß sich zwischen den beiden Plasmabeschleunigern mit Kompressionsspule ein Hochdruckplasma ausbildet, das vorzugsweise ortsfest ist.

14. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe, aus denen der koaxiale Beschleuniger und die Kompressionsspule hergestellt sind, so ausgewählt ist, daß die Erosionsbeiträge zu der Plasmaströmung die chemische/physikalische Umwandlung der Plasmaströmung und/oder des in die Plasmaströmung eingebrachten festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffes nicht behindert.

15. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck plasmas nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruck-Heliumplasma erzeugt wird, in das dann Kohlenstoff eingebracht wird. Dies erfolgt entweder durch axialen Einschuß durch die Mittelelektroden oder aber auch durch statische Anbringung am hinteren Ende des koaxialen Beschleunigers vor der Inbetriebnahme des Gerätes oder aber durch Einbringung des Kohlenstoffes auf einer Folie am Ende der Kompressionsspule oder bei beiden Kompres sionsspulen. Eine weitere Einbringungsmöglichkeit ist die, den Kohlenstoff direkt am Ort der Mittelebene zwischen den beiden Kompressionsspulen anzubringen, wo das Hochdruck plasma stationär erwartet wird. Dieses System ist dann be sonders gut dazu geeignet, neuartige Kohlenstoffmoleküle zu erzeugen. Dieses Verfahren kann auch mit beliebigen an deren festen, flüssigen oder gasförmigen Materialien er folgen, wobei bei gasförmigen Materialien nur die Möglich keit besteht, diese entweder zusammen mit dem zur Erzeu gung des Plasmas benutzten Material in den koaxialen Be schleuniger zu injizieren oder aber das Material durch die Mittelelektroden in die Plasmabeschleunigung einzubringen.