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Dokumentenidentifikation DE10212825C1 17.07.2003
Titel Entladungsgrid für eine elektrische Neutronenquelle
Anmelder Astrium GmbH, 85521 Ottobrunn, DE
Erfinder Röhe, Oliver, 28359 Bremen, DE
Vertreter Patentanwälte HANSMANN-KLICKOW-HANSMANN, 22767 Hamburg
DE-Anmeldedatum 22.03.2002
DE-Aktenzeichen 10212825
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.2003
IPC-Hauptklasse G21G 4/02
Zusammenfassung Bei einem Entladungsgrid zum Einschluß eines Reaktionsvolumens sind mindestens zwei flächige Entladungsgrid-Fügeteile durch Zusammenfügen zum Entladungsgrid zusammengesetzt.
Die Entladungsgrid-Fügeteile bestehen aus Metallblech und sind als Ringkomponenten ausgebildet, wobei diese im wesentlichen eben ausgeführt und konzentrisch angeordnet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Entladungsgrid für eine elektrische Neutronenquelle, wobei in einer Vakuumkammer ein in Form einer Kugelfläche ausgebildetes, aus elektrisch leitfähigem Material gebildetes Grid als Kathode angeordnet ist.

Es ist bekannt, ein Kugelgrid in einer elektronischen Neutronenquelle einzusetzen, wobei bei einem bestimmten Druck und einer Hochspannung ein Arbeitsgas (Deuterium oder Tritium) ionisiert wird. Die Ionen fangen auf dem elektrischen Hochspannungsfeld an zu oszillieren. Das Kugelgrid stellt hierbei die Kathode dar und wirkt wie eine elektrische Linse für die Ionen. Bei einer Spannung von ca. 20 kV haben die Ionen genügend kinetische Energie, um Strahlenbündel (Beams) auszubilden. Diese Beams werden durch das Kugelgrid fokussiert, wobei es im Zentrum unter hoher Temperatur zu einer Fusion kommt und Neutronen erzeugt werden.

Ein zentrales Problem stellt jedoch stets die Ausgestaltung des Kugelgrids dar. Das Kugelgrid muß zum einen eine möglichst hohe geometrische Transparenz aufweisen, um den Durchtritt der beschleunigten Atomkerne in dessen Innenraum zu ermöglichen. Zum anderen muß das Kugelgrid eine möglichst toleranzarme sphärische Geometrie aufweisen, damit ein entsprechend toleranzarmes elektrisches Feld aufgebaut wird, mit dem sich hohe Werte für die Plasmadichte im Reaktionsbereich erzielen lassen. Schließlich wird das Kugelgrid durch aufprallende Ionen sowie die vom Plasma ausgehende Infrarotstrahlung stark thermisch beansprucht, was zu einem beachtlichen Verschleiß führen kann.

Bekannte Anordnungen sind aus einer hinreichenden Anzahl kreisrunder geschlossener Drahtringe gefertigt. Diese Drahtringe bestehen jeweils aus einem abgelängten Drahtabschnitt, der kreisförmig gebogen und durch eine kleine Schweißstelle zu einem Ring geschlossen wird. Die einzelnen Drahtringe werden auf eine geeignete Weise konzentrisch, aber mit unterschiedlicher Ausrichtung ihrer jeweiligen Kreisebenen im Raum angeordnet und an den entstehenden Berührungspunkten miteinander verschweißt.

Derartige Drahtkugelgrids können im Prinzip durchaus in steuerbaren Neutronengeneratoren der vorstehend geschilderten Art eingesetzt werden, weisen jedoch in der Praxis erhebliche Nachteile auf. Es treten beispielsweise erhebliche Toleranzen gegenüber der sphärischen Idealform auf, wodurch die Geometrie des elektrischen Feldes beeinträchtigt wird; außerdem behindern diese Toleranzen eine gleichmäßige Serienproduktion von Geräten.

Anordnungen dieser Art sind in unterschiedlichen Ausbildungen nach Patent abstracts of Japan, JP 2001-83298 A und beispielsweise aus der Veröffentlichung "MILEY, George H., u. a.: Discharge Characteristics of the Spherical Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Device. In: IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 25, No. 4, 1997, S. 733-739" bereits bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Kugelgrid zu schaffen, das einen korrekten Zusammenbau ermöglicht und damit die bestehenden Nachteile vermindert oder ausschaltet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß zum Einschluß eines Reaktionsvolumens mindestens zwei flächige Entladungsgrid-Fügeteile zum Entladungsgrid zusammengesetzt sind, die aus Metallblechen bestehen und als Ringkomponenten ausgebildet sind, wobei die Ringkomponenten durch im wesentlichen ebene Ringelemente gebildet und konzentrisch angeordnet sind.

Hierdurch ist es möglich, eine gute Formgebung einer Kugel zu erhalten und eine hohe thermische und mechanische Stabilität zu erhalten.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß mindestens eine Ringkomponente aus je zwei Halbringelementen zusammengesetzt ist.

Eine günstige Ausführungsform für kleine Entladungsgrids wird dadurch geschaffen, daß mindestens ein Paar von Ringkomponenten aus je zwei Ringelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes der beiden jeweiligen Ringelemente entlang einer Durchmesserachse um einen vorbestimmten Winkel räumlich gefaltet ist und die beiden Ringelemente entlang ihrer Faltungsachse konzentrisch zusammengefügt sind.

Ferner ist vorgesehen, daß die Ringkomponenten an den Stellen, an denen sich jeweils zwei bzw. drei Ringkomponenten schneiden, durch zugeordnete dimensionierte Schlitze miteinander verbunden sind, wobei einem Schlitz in der Außenkante ein dazu komplementärer Schlitz in der Innenkante eines anderen Ringes zugeordnet ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Entladungsgrids,

Fig. 2A bis 2H Ringkomponenten zur Zusammensetzung eines Entladungsgrids gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Entladungsgrids und

Fig. 4A bis 4D Ringkomponenten zur Zusammensetzung eines Entladungsgrids gemäß Fig. 3

Eine Ansicht eines Entladungsgrids 100 nach einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist aus einem ersten Ringelement 110, einem zweiten Ringelement 120, einem dritten Ringelement 130 sowie einem ersten Paar mit Halbringelementen 140, einem zweiten Paar mit Halbringelementen 150, einem dritten Paar mit Halbringelementen 160, einem vierten Paar mit Halbringelementen 170 und einem fünften Paar mit Halbringelementen 180 zusammengefügt.

Wegen der erforderlichen thermischen Belastbarkeit ist es vorteilhaft, die Ring- und Halbringelemente aus einem hitzebeständigen Material zu fertigen. Als besonders bevorzugtes Material eignet sich Molybdänblech. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist aus 0,3 mm starkem Molybdänblech gefertigt. Es versteht sich, daß auch andere Dimensionierungen und Materialien gewählt werden können.

In den Teildarstellungen gemäß Fig. 2A bis 2H sind Ringkomponenten, aus denen das Entladungsgrid 100 zusammengesetzt ist, dargestellt, wobei Fig. 2A das erste Ringelement 110, Fig. 2B das zweite Ringelement 120, Fig. 2C das dritte Ringelement 130, Fig. 2D das erste Halbringelement 140, Fig. 2E das zweite Halbringelement 150, Fig. 2F das dritte Halbringelement 160, Fig. 2G das vierte Halbringelement 170 und Fig. 2H das fünfte Halbringelement 180 zeigen.

Wie in Fig. 2A dargestellt, weist das erste Ringlement 110 in der Außenkante 110A insgesamt vier Schlitze 210A, 210B, 210C und 210D auf, die jeweils um 90° zueinander versetzt sind. Ferner weist das erste Ringelement 110 in der Innenkante 110B insgesamt vier Schlitze 215A, 215B, 215C und 215D auf.

Wie in Fig. 2B dargestellt, weist das zweite Ringelement 120 in der Innenkante 120B insgesamt zehn Schlitze 220A, 220B, 220C, 220D, 220E, 220F, 220G, 220H, 220J, und 210K auf. Ferner weist das zweite Ringelement 120 in der Außenkante 120A insgesamt zwei Schlitze 225A und 225B auf.

Das dritte Ringlelement 130 weist, wie in Fig. 2C dargestellt, in der Außenkante 130A insgesamt zwölf Schlitze 230A, 230B, 230C, 230D, 230E, 230F, 230G, 230H, 230J, 230K, 230L und 210M auf, die jeweils um 30° zueinander versetzt sind.

Das erste Halbringelement 140 ist in Fig. 2D dargestellt. Es weist in der Außenkante 140A insgesamt 5 Schlitze auf. Es werden zwei erste Halbringelemente 140 benötigt, die beim Zusammenbau funktional ein zusammengesetztes Ringelement repräsentieren.

Das zweite Halbringelement 150 ist in Fig. 2E dargestellt. Es weist in der Außenkante 150A ebenfalls insgesamt 5 Schlitze 250A, 250B, 250C, 250D und 250E auf. Es werden zwei zweite Halbringelemente 150 benötigt, die beim Zusammenbau funktional ein zusammengesetztes Ringelement repräsentieren.

Das dritte Halbringelement 160 ist in Fig. 2F dargestellt. Es weist in der Innenkante 160B 5 Schlitze 265A, 265B, 265C, 265D und 265E auf. Es werden zwei dritte Halbringelemente 160 benötigt, die beim Zusammenbau funktional ein zusammengesetztes Ringelement repräsentieren.

Das vierte Halbringelement 170 ist in Fig. 2G dargestellt. Es weist in der Innenkante 170B 5 Schlitze 275A, 275B, 275C, 275D sowie 275E auf. Es werden zwei vierte Halbringelemente 170 benötigt, die beim Zusammenbau funktional ein zusammengesetztes Ringelement repräsentieren.

Das fünfte Halbringelement 180 ist in Fig. 2H dargestellt. Es weist in der Außenkante 180A insgesamt 4 Schlitze 280A, 280B, 280C sowie 280D auf. In der Innenkante 180B sind 5 Schlitze 285A, 285B, 285C, 285D und 285E angeordnet. Es werden zwei fünfte Halbringelemente 180 benötigt, die beim Zusammenbau funktional ein zusammengesetztes Ringelement repräsentieren.

Die Daten der einzelnen Schlitze sind folgender Tabelle entnehmbar: Tabelle 1 Geometriedaten der Schlitze















Der Zusammenbau des Entladungsgrids 100 nach dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt mit folgenden Schritten:

  • 1. Montieren des ersten Ringelementes 110, des zweiten Ringelementes 120 sowie des dritten Ringelementes 130 durch Zusammenstecken zu einem sphärischen Grundgerüst (nicht dargestellt);
  • 2. Montieren des Paares erster Halbringelemente 140 durch Einstecken in das sphärische Grundgerüst;
  • 3. Montieren des Paares zweiter Halbringelemente 150 durch Einstecken in das sphärische Grundgerüst;
  • 4. Montieren des Paares fünfter Halbringelemente 180 durch Einstecken in das sphärische Grundgerüst;
  • 5. Montieren des Paares dritter Halbringelemente 160 durch Einstecken in das sphärische Grundgerüst; und
  • 6. Montieren des Paares vierter Halbringelemente 170 durch Einstecken in das sphärische Grundgerüst.

Durch die Schlitze rasten die Ringe ineinander ein. Die Ring- bzw. Halbringelemente bleiben ohne weitere Verbindungstechnik stabil zusammen. Für Fälle, bei denen eine hohe mechanische Belastung erwartet wird, können die Knotenpunkte miteinander verschweißt werden. Das dargestellte erste Ausführungsbeispiel weist einen Außendurchmesser von etwa 80 mm auf; andere Abmessungen sind jedoch ebenfalls realisierbar.

Ein Entladungsgrid 300 nach einer weiteren Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt.

Hierbei sind in den Fig. 4A bis 4D Ringelemente 310, 320, 330 sowie 340, aus denen das Entladungsgrid 300 zusammengesetzt ist, gezeigt.

Das erste Ringelement 310 ist in Fig. 4A dargestellt und wird durch einen im wesentlichen ebenen Ring mit 6 Einschnitten 312A, 312B, 312C, 312D, 312E und 312F im Bereich der Ringaußenkante 310A gebildet. Von dem ersten Ringelement 310 wird ein einziges Stück, das hier mit "Ringkörper 310_1" bezeichnet ist, benötigt.

Das zweite Ringelement 320 ist in Fig. 4B dargestellt und wird durch einen um eine Durchmesserachse (Y-Achse in Fig. 4B) um 60° gebogenen Ring mit 6 Einschnitten 325A, 325B, 325C, 325D, 325E und 325F im Bereich der Ringinnenkante 310B und 4 Einschnitten 322A, 322B, 322C und 322D im Bereich der Ringaußenkante 310A gebildet. Von dem zweiten Ringelement 320 werden zwei Stücke, die hier mit "Ringkörper 320_1" beziehungsweise "Ringkörper 320_2" bezeichnet sind, benötigt.

Das dritte Ringelement 330 ist in Fig. 4C dargestellt und wird durch einen um eine Durchmesserachse (Y-Achse in Fig. 4C) um 120° gebogenen Ring mit 4 Einschnitten 332A, 332B, 332C und 332D im Bereich der Ringaußenkante 330A gebildet. Von dem dritten Ringelement 330 werden zwei Stücke, die hier mit "Ringkörper 330_1" beziehungsweise "Ringkörper 330_2" bezeichnet sind, benötigt.

Das vierte Ringelement 340 ist in Fig. 4D dargestellt und wird durch einen um eine Durchmesserachse (Y-Achse in Fig. 4D) um 90° gebogenen Ring mit 6 Einschnitten 345A, 345B, 345C, 345D, 345E und 345F im Bereich der Ringinnenkante 310B gebildet. Von dem vierten Ringelement 340 werden zwei Stücke, die hier mit "Ringkörper 340_1" beziehungsweise "Ringkörper 340_2" bezeichnet sind, benötigt.

Die Daten der einzelnen Schlitze sind folgender Tabelle entnehmbar: Tabelle 2 Geometriedaten der Schlitze







Die Schlitzbreite hängt von der Blechdicke der Ringelemente ab. Der Zusammenbau des Entladungsgrids 300 nach diesem Ausführungsbeispiel erfolgt mit folgenden Schritten:

  • 1. Aufstecken der Ringkörper 320_1 und 320_2 auf den Ringkörper 310_1;
  • 2. Ringkörper 330_1 und 330_2 von innen in das in Schritt 1 geschaffene Gerüst einstecken;
  • 3. Ringkörper 340_1 und 340_2 von außen in das in Schritt 1 geschaffene Gerüst einstecken; und
  • 4. Verschweißen an den Knotenpunkten.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Außendurchmesser von etwa 35 mm auf; ändere Abmessungen sind jedoch ebenfalls realisierbar. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders für kleine Entladungsgrids geeignet.


Anspruch[de]
  1. 1. Entladungsgrid für eine elektrische Neutronenquelle, wobei in einer Vakuumkammer ein in Form einer Kugelfläche ausgebildetes, aus elektrisch leitfähigem Material gebildetes Grid als Kathode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschluß eines Reaktionsvolumens mindestens zwei flächige Entladungsgrid-Fügeteile (110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180; 310, 320_1, 320_2, 330_1, 330_2, 340_1, 340_2) zum Entladungsgrid (100; 300) zusammengesetzt sind, die aus Metallblechen bestehen und als Ringkomponenten ausgebildet sind, wobei die Ringkomponenten durch im wesentlichen ebene Ringelemente (110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180) gebildet und konzentrisch angeordnet sind.
  2. 2. Entladungsgrid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ringkomponente aus je zwei Halbringelementen (140, 150, 160, 170, 180) zusammengesetzt ist.
  3. 3. Entladungsgrid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar von Ringkomponenten aus je zwei Ringelementen (320, 330, 340) zusammengesetzt ist, wobei jedes der beiden jeweiligen Ringelemente (320, 330, 340) entlang einer Durchmesserachse um einen vorbestimmten Winkel räumlich gefaltet ist und die beiden Ringelemente (320, 330, 340) entlang ihrer Faltungsachse konzentrisch zusammengefügt sind.
  4. 4. Entladungsgrid nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkomponenten an den Stellen, an denen sich jeweils zwei bzw. drei Ringkomponenten schneiden, durch zugeordnete dimensionierte Schlitze miteinander verbunden sind, wobei einem Schlitz in der Außenkante ein dazu komplementärer Schlitz in der Innenkante eines anderen Ringes zugeordnet ist.






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