DE4108499A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmas - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmasInfo
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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
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
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:
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.
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 (15)
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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914108499 DE4108499A1 (de) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmas |
EP92104001A EP0503535A1 (de) | 1991-03-15 | 1992-03-09 | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckplasmas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914108499 DE4108499A1 (de) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4108499A1 true DE4108499A1 (de) | 1992-09-17 |
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ID=6427405
Family Applications (1)
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DE19914108499 Withdrawn DE4108499A1 (de) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochdruckplasmas |
Country Status (2)
Country | Link |
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EP (1) | EP0503535A1 (de) |
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