DE4302630C1 - Koaxial-Beschleuniger zum axialen Beschleunigen eines Plasmarings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Beschleunigung von neutralen Plasmen, die komplementär zur elektrischen Be­ schleunigung von elektrisch geladenen Teilchenstrahlen ist. Bei vielen Anwendungen kommt es nicht auf die Erzielung ex­ tremer Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit) an. Typisch sind Anwendungen in der Plasmaphysik, wenn es sich z. B. um die Aufheizung von Plasmen auf mehr als 1 Million °K durch Kollision eines Plasmas mit einem anderen Plasma oder mit einer Festkörperoberfläche handelt. Dazu genügen Geschwin­ digkeiten über 500 km/s bis einige 1000 km/s, die Masse des Plasmas soll im µg- bis mg-Bereich liegen. Letzteres ist mit elektrisch beschleunigten Teilchenstrahlen wegen der unkompen­ sierten Raumladung nur schwer möglich. Anwendung finden solche beschleunigte Plasmen in der Kernfusion im Trägheitseinschluß.

Lange bekannte Verfahren zur Plasmabeschleunigung sind der z- Pinch und die koaxiale Plasmakanone, besonders in ihrer Aus­ bildung als Plasmafokus. Beiden gemeinsam ist die Topologie mit zwei metallischen Elektroden in koaxialer Anordnung, zwischen denen eine Entladung, ein Lichtbogen, brennt, und die hohe Effizienz bei der Umwandlung der elektrischen Speicher­ energie in kinetische Plasma-Energie, die prinzipiell 25 oder 50% betragen kann, je nach den Startbedingungen. Beiden Ver­ fahren fehlt aber zunächst die inhärente Stabilität; Stabili­ tät ist nur in einer der beiden Richtungen der Plasma-Ober­ fläche gegeben. Dadurch wird der z-Pinch forminstabil, bevor hohe Geschwindigkeiten erreicht sind, und im Plasmafokus werden Teile des Plasmas an die Wände verloren, so daß er schließlich hohe Geschwindigkeiten erreicht, aber nur mit einem kleinen Bruchteil der anfänglichen Masse. Eine als Plasma-Linac bezeichnete Erfindung schließt die Plasmen nahe der Achse einer Anordnung in einer stabilen Konfiguration ein. Einschluß und Beschleunigung geschehen ohne Kontakt mit Elektroden, sozusagen "drahtlos". In allen Bauformen mit dieser Art des Einschlusses ist die Erzielung eines guten Wir­ kungsgrades schwierig. Außerdem sind die plasma-Bunche für ihre gedachten Anwendungen tendenziell zu lang; wünschenswert sind Längen von nur 1 bis wenige cm.

Hartman et al. haben gezeigt, (siehe Fusion Technology, Vol. 20, Dec. 1991, p. 776-786, "Inertial Confinement Fusion Using The Compact Torus Accelerator (CTA)" und " Unconventional Approaches to Fusion" Hg. B. Brunelli und G.G. Lota, New York (1982) S. 73 ff. und S. 441 ff.), daß man auch in einem Koaxial-Beschleuniger Plasmen stabil einschließen kann, wenn sie nach Kollision mit einem radial transversal vom Innenleiter zum Außenleiter gehenden statischen Magnetfluß in ein poloidalen Magnetfeld "eingewickelt" werden. Die Autoren bezeichnen ein so eingeschlossenes Plasma als "kompakten Torus" (Compact Torus, CT). In der Anordnung von Hartman et al. geschieht dies genau einmal. Da es nur magnetische Dipolfelder gibt, muß der Rückschluß außerhalb des Laufweges des CT liegen, vor dem Einkoppelfenster für den elektrischen Entladungsstrom. Wegen der endlichen Skinleitfähigkeit des Plasmas klingt das Poloidal-Magnetfeld unter Eindringen in das Plasma allmählich ab. Bei den verwendeten, sehr heißen Wasserstoff- Plasmen wurde eine Eindringzeit von etwa 50 µs gemessen. Weniger heiße Plasmen, wie die von Edelgasen, die für die Plasmaphysik günstiger wären, haben eine viel geringere und damit zu kurze Abklingzeit. Im Experiment von Hartman et al. macht sich die endliche Abklingzeit störend bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschleunigen eines Plasmarings anzugeben, der formstabili­ sierend magnetisch eingeschlossen wird und in den das ein­ schließende Magnetfeld nicht, zu tief eindringt, sowie einen Beschleuniger bereitzustellen, mit dem das Verfahren durchge­ führt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Verfahrens­ schritte des Anspruchs 1 und 2 mit Hilfe des Koaxial-Be­ schleunigers mit den Kennzeichen des Anspruchs 3 gelöst. Die Unteransprüche 4 bis 7 kennzeichnen zwei vorteilhafte Ausfüh­ rungen des Koaxial-Beschleunigers.

Die Erfindung besteht im Einschluß eines Plasmaringes als kom­ pakter Torus in ein poloidales Wechselfeld hoher Frequenz. Im Innenleiter oder auch außerhalb des Außenleiters des Koaxial- Beschleunigers, oder als Kombination von beiden, werden Gleichstrom- oder Permanentmagnete angeordnet derart, daß Magnetflüsse, deren Polarität in Abständen von wenigen Zentimetern abwechseln, den Koaxialraum radial durchqueren.

Das Verfahren soll anhand der Zeichnung mit den Fig. 1a und 1b erläutert werden. Der Koaxial-Beschleuniger mit den aneinandergereihten magnetfelderzeugenden Einrichtungen im Innern des Innenleiters ist in Fig. 2 im Prinzip dargestellt.

Der Koaxial-Beschleuniger Fig. 2 besteht aus zwei koaxialen Rohrelektroden, die keine direkte elektrische Verbindung unter­ einander haben. Der Raum zwischen den konzentrischen Elek­ troden, als Koaxialraum bezeichnet, ist evakuiert, kann aber in einer der Ausführungsformen vor Beginn einer Entladung (eines "Schusses") mit einem Gas vom Druck 10^-3 bis 10^-1 Torr gefüllt sein. Das Koaxialsystem hat an einem Ende ein Isola­ tor-Fenster. An diesem Ende sind die Koaxialelektroden mit einer elektrischen Energiequelle verbunden, z. B. mit einer Kondensatorbatterie, entweder über einen Hochleistungs­ schalter, oder auch direkt. Letztere Ausführung wird man wählen, wenn das zu beschleunigende Medium nicht schon als verdünntes Gas a priori vorhanden ist, sondern über ein schnelles Ventil zur Einleitung der Entladung zugeführt wird.

Nach Zündung einer Entladung im Gas in der Nähe des iso­ lierenden Fensters wird ein Plasma-"Kolben" vom Fenster weg beschleunigt. Die Kraftdichte ½[jB] treibt ihn vorwärts, wobei B das einseitig außerhalb der Plasmaoberfläche durch die Stromdichte j erzeugte Magnetfeld (j und B sind senkrecht zu­ einander stehende Vektoren). j dringt mit einer Zeitkonstante (gegeben durch die Leitfähigkeit des Plasmas ein, bis ange­ nähert homogene Stromdichte in der leitfähigen Zone des Plas­ mas herrscht.

Störungen des kolbenförmigen Plasmaringes in azimutaler Rich­ tung werden stabil ausgeglichen, radiale Störungen jedoch nicht. Dies wird anders, wenn die Magnetfeldlinien sich um den Plasmaring spiralig herumwinden, in dem noch eine zweite "poloide" Ringkomponente, die das Loch des Ringes durchtritt, hinzugefügt wird. Das Magnetfeld ist dann dem in einem Tokamak ähnlich und hat daher den Namen "kompakter Torus". Allerdings stabilisiert die Anwesenheit der koaxialen Massivleiter den Ring zusätzlich. Das poloidale Magnetfeld wirkt wie ein ela­ stisch kompressibles Kissen zwischen den Massivleitern und dem Plasma.

Im Beschleuniger von Hartman et al (s. o.) wird das Poloidal­ feld durch Induktionswirkung an einem quer zur Bahn des Ringes im Koaxialraum liegenden statischen Magnetfeld erzeugt. Wäh­ rend des Herumlegens des Magnetflusses um den Ring wird der Ring gebremst; je nach Stärke des Feldes kann der Ring sogar zum Stillstand kommen (siehe C.W. Hartman et al., Physical Review Letters, Vol. 48, I1, o 14, 5. Apr. 1982, pp 929-932, "New Tpe of Collective Accelerator"). Die magnetische Feld­ energie des Poloidalfeldes wird der kinetischen Energie des Plasma-Ringes entnommen. Nach Verlassen der Magnetfeldzone ist nämlich das radiale Magnet-Gleichfeld wieder aufgebaut, und das Poloidalfeld ist zusätzlich vorhanden.

Erfindungsgemäß wird dieser Prozeß mehrfach mit abwechselnder Polarität wiederholt. Hierbei wird keine neue Energie benötigt außer für den Ersatz von durch Ohm′sche Verluste verursachte Schwächung des Poloidalfeldes der vorhergehenden Halbperiode. Dies aber ist beabsichtigt. Es ergibt sich daher ein viel bes­ serer Einschluß des Plasmaringes, letzten Endes ein Ring mit kleineren Abmessungen (Dicke in Achsrichtung). Während der Um­ polung ist jeweils eine Stelle der Plasmaoberfläche ohne Feld (siehe Fig. 1a, b). Diese Stelle wandert mit hoher Geschwin­ digkeit über die Plasmaoberfläche. In dieser Zeit dehnt sich das Plasma mit Schallgeschwindigkeit in die Lücke hinein aus. Die Lücke muß sich wieder schließen oder weiterwandern, bevor die Plasmaoberfläche um die Größenordnung von 1 mm expandiert ist. Daraus errechnet sich eine minimale Wechselfrequenz, die im Megahertz-Bereich liegt. Fig. 1a und b zeigt schematisch Feldlinienbilder bei der ersten Entwicklung (Fig. 1a) und bei der Umpolung (Fig. 1b).

Fig. 2 zeigt eine Ausführung gemäß dem Anspruch 3, die für eine kinetische Plasmaenergie von 1 kJ bei einer Geschwindig­ keit von 500 km/s berechnet ist. Der Innenleiter ist aus Kupfer, der Außenleiter aus innen verkupfertem Weicheisen. im berechneten Beispiel sind beide etwa 2 m lang. Fig. 2 ist das zylindrische Keramik-Einkoppelfenster 3 zu einer Kondensator­ batterie mit Plasmaschalter. Die Gasentladung wird eingeleitet durch eine sogenannte Gleitentladung auf der vakuumseitigen Oberfläche des Isolators 3. Die Anordnung ist so berechnet, daß ein 4 µs-Strompuls von 120 kA eine Plasmafront 5 durch den Beschleuniger treibt, die durch Aufsammeln von Gas 5a (10^-3 bis 10^-2 hPA) in das Plasma am Ende bis zu einer Masse von 8 µg angewachsen ist. Durch die Dissipation von 25% der Energie während des Aufsammelns ist der Wirkungsgrad (kinetische Plasma-Energie/elektrische Kondensator-Energie) maximal 25%; weitere 50% bleiben als magnetische Feldenergie im Koaxialrohr zurück. Wenn weitere Verluste durch den Ohmschen Bo­ genwiderstand angenommen werden, so ergibt sich ein Gesamtwir­ kungsgrad von ca 20%. Die Energiedissipation durch die Massen­ akkretation ist von Vorteil, da dadurch das Plasma heißer bleibt und die Bogenspannung kleiner sein kann.

Das azimutale Magnetfeld 7 vor dem Plasmakolben beträgt ca. 1.2 T (12 kG). Quermagnetfelder 8 von 0,2 T sind passend, da sie im "Kissen" um das 5- bis 10-fache komprimiert werden. Die Feldstärke erreicht man mit Stabmagneten 6 (Material: Cobalt- Samarin-Magnete gemischt mit Weicheisenstücken) im Innen­ leiter. Durch Passieren der magnetostatischen Querfelder 8 wird die Plasmafront in ein poloidales Magnetfeld 9 einge­ schlossen. Alle 4 cm findet ein Polwechsel statt. Der erste und der letzte Pol haben nur den halben Fluß der mittleren Polschuhe. Beim Verlassen des Beschleunigers hat das Plasma dann gerade keinen poloidalen Fluß mehr. Durch eine kleine Mo­ difikation (Wechsel zwischen Strecken, die einen Dipolmagneten enthalten, mit Strecken ohne Dipolmagnet) kann man dem Plasma­ ring auch ein Poloidalfeld auf den Weg zum Target 10 mitgeben. Das ist aber von der Zielsetzung her zu entscheiden.

Bezugszeichenliste

 1 Innenleiter
 2 Außenleiter
 3 Keramik-Einkoppelfenster
 4 Koaxialkabel-Zuleitung
 5 Plasmafront, Plasmaring
 5a Gas
 6 magnetfelderregende Einrichtung, Permanentmagnet, Stabmagnet, Solenoid
 7 azimutales Magnetfeld
 8 Quermagnetfeld
 9 poloidales Magnetfeld
10 Target

Claims (6)

1. Koaxial-Beschleuniger zum axialen Beschleunigen eines magnetisch eingeschlossenen Plasmarings mit gegeneinander isolierten und koaxial angeordneten Innen- und Außenelektroden, zwischen denen in einem Abschnitt sich ein radiales statisches Magnetfeld befindet, dadurch gekennzeichnet, daß axial weitere Abschnitte mit radialen statischen Magnetfeldern so angeordnet sind, daß durch die axiale Folge von radialen statischen Magnetfeldern abschnittsweise wechselnder Polarität mit dem beschleunigenden Azimutalmagnetfeld ein abschnittsweise resultierendes, poloidales Wechselmagnetfeld um den axial vorwärtsgetriebenen Plasmaring gelegt wird, um dadurch den Plasmaring formstabilisierend einzuschließen.

2. Koaxial-Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - im Innenleiter des Koaxial-Beschleunigers mindestens zwei magnetfelderregende Einrichtungen in vorbestimmtem Abstand aneinandergereiht sind, die jeweils ein rotationssymmetrisches Magnetfeld vorbestimmter Stärke erzeugen;
• - sich zwei benachbarte, magnetfelderzeugende Einrichtungen mit dem gleichen Magnetpol gegenüber stehen;
• - die Außenelektrode des Koaxial-Beschleunigers aus Weicheisen ist, deren Innenwand mit einem elektrisch gut leitenden Material bedeckt ist.

3. Koaxial-Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axial aneinander gereihten, magnetfelderzeugenden Einrichtungen Permanentmagnete sind.

4. Koaxial-Beschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Permanentmagnete durch ein Weicheisenstück voneinander getrennt sind.

5. Koaxial-Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axial aneinandergereihten, magnetfelderzeugenden Einrichtungen Solenoide sind.

6. Koaxial-Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Solenoide auf einem Weicheisenkern aneinandergereiht sind.