noi/terliizagelegglng tnj

Transcriptie

1 Octrooiraad noi/terliizagelegglng tnj Nederland [19] NL [54] Deeltjesversneller, 151] Int.CI 2.: H05H7/04, H05H13/00, H05H1/24// G21B1/02. [71] Aanvrager: The Kreidl Chemico Physical Kommanditgesellschaft te Schaan, Liechtenstein. [74] Gem.: Ir. A. Siedsma c.s. Octrooibureau Arnold & Siedsma 's-gravenhage (ook Enschede en Breda). [21] Aanvrage Nr [22] Ingediend 26 november [32] Voorrang vanaf 26 november [33] Land van voorrang: Ver. St. v. Am. (US). [31] Nummer van de voorrangsaanvrage: [23] -- [61] -- [62] -- [43] Ter inzage gelegd 28 mei De aan dit blad gehechte afdruk van de beschrijving met conclusie(s) en eventuele tekening(en) bevat afwijkingen ten opzichte van de oorspronkelijk ingediende stukken; deze laatste kunnen bij de Octrooiraad op verzoek worden ingezien.

2 The Kreidl Chemico Physical Kommanditgesellschaft te Schaan, Vorstendom Liechtenstein» Deeltjesversneller., De uitvinding heeft betrekking op een deeltjesversneller waarin ionen en/of elektronen worden aangedreven langs een vooraf bepaalde baan om een bepaalde snelheid te bereiken, bijvoorbeeld met het doel chemische of kernreacties te veroorzaken. In conventionele systemen van liét Cyclotron-type worden de deeltjes versneld in een hoogfrequent elektrisch veld opgewekt tussen holle, in segmenten verdeelde elektroden, "dees" genaamd, waarbij de deeltjes door een constant transversaal magnetisch veld worden ingesloten om naar buiten te draaien in een baan gecentreerd op de hartlijn van het veld. De frequentie van het elektrische aandrijfveld, dat intermitterend inwerkt op de deeltjes, moet gecorreleerd zijn met hun massa/ 1ading^ verhöüding die daarom gelijk moet zijn voor alle synchroon te versnellen deeltjes. Bovendien hangt het teken van de versnelling en daarmee de rotatierichting af van de polariteit van het deeltje.. Indien een poging wordt.ondernomen om een gasvormig plasma in dergelijke systemen te versnellen, dan zou de van de polariteit afhangende bewegingsrichting van de deeltjes en het verschil van hun massa/lading-verhouding turbulentie en ontijdige botsingen tussen met verschillende snelheden bewegende deeltjes veroorzaken. Het resulterende verschil in de snelheden van de stroom deeltjes belet het verwezenlijken van beheerste omstandigheden voor de gewenste kern- of chemische reacties. Bij versnellers van het type Tokomak of Betatron worden deeltjes met verschillende polariteit in tegengestelde richtingen aangedreven door een loodrecht op hun baanvlak staand magnetisch veld, waarvan de sterke monotoon stijgt tijdens elke aandrijvingscyclus. Wanneer een plasma aangedreven wordt, wordt het grootste deel van de veldenergie overgedragen aan *

3 de elektronen, hetgeen energieverlies en buitensporige turbulen te van de plasmas troon; veroorzaakt. Een andere bek -27.de wijze om hoge kinetische energie aan moleculaire de - '?.s te geven is het verhitten van een gas tot een here temperaüuur, zoals die welke door een plasmaboog wordt georc^'ceerd. Deze methode van deeltjesversnellen is echter oneconomisch, daar hij een breed gebied van deeltjes» energieën produceert, niet beperkt tot het karakteristieke niveau van een gewenste reactie, maar verdeeld in overeenstemming met de wet van Maxwell-Bolzmann van energieverdeling in een verhit gas, met daaruit volgende-afname van efficiëntie van het proces. Bovendien kunnen de ongewenste, energiebanden ook een toename geven van parasitaire nevenreacties.. In een gelijk met de onderhavige aanvrage ingediende aanvrage is een systeem beschreven voor het synchroon meenemen van geladen deeltjes (electronen en/of ionen) door een magnetisch veld dat roteert met constante hoeksnelheid rond de as van een gesloten vat met een vrijwel cilindrische of torusachtige vorm, waarbij de hoeksnelheid'van het veld zodanig is gekozen, dat de deeltjes de gewenste energie verkrijgen. Indien het vermogen van het magnetische aandrijfveld per volume-eenheid een kritische grootte overschrijdt, veroorzaakt de vo-n van de versneller tijdens het starten vele deeltjes botsingen en een snelle ionisatie van het gehele gasvolume ir, '.at vat, gevolgd door de versnelling van een cirke 1vormige plasma-stroom tot een gemiddelde snelheid die gelijk is aan de snelheid van het roterende aandrijveld. Een extra magnetostatisch veld gericht op de as van de veldrotatie beperkt de radiaal naar buiten gerichte beweging van de plasmadeeltjes. Het is het doel van de uitvinding het effektieve gebruik in de deeltjesversneller van specifieke dynamische effecten veroorzaakt door de in ëën richting plaats vindende meeneming van zowel positief als negatief geladen deeltjes van een plasma, die een magnetisch veld doorlopen, te verhogen. Ook is het doel van de uitvinding deze meenemende beweging te gebruiken om de bewegende plasma-deeltjes binnen

4 vooraf vastgestelde stroomgrenzen te houden., in hoofdzaak door de gebalanceerde wisselwerking van elektromagnetische krachten die uitgeoefend worden door het bewegende magnetische veld en de traagheidsreactiekrachten van de aangedreven deeltjes. 5 Weer een ander doel van de uitvinding is het aandrijven van het meegenomen plasma binneii een vat in snelle heen en weer gaande oscillaties, gebaseerd op.de energiestroom vanuit het bewegende vela gedurende de deeltjasversnelling en het terugkeren van hun kinetische energie gedurende de vertraging naar hst aan- 10 gedreven veld. Deze resonantieverschijnselen betreffen de meeste van de plasma-ionen in evenredigheid nst hun massa en kannen worden gebruikt voor het verlengen van het verblijf en de wisselyarkiïigs-üijö van "plasmacseitjes In het versnellingsbak teneinde cïetita-cevan chemische of nucleaire reacties op te voeren. IS Ook een doel van de uitvinding Is hst verschaffen van tw^e öf meer van dergelijke oscillerende plasmastroraen die in wederzijds tegengestelde richtingen heen en weer bewegen teneinde energetische botsingen van meegenomen plasma-ionen op de snijpunten van die heen en weer gaande plas&astroraen te bewerkstel- 20 ligen. Voorts kan als doel van de uitvinding de reductie van aijdelingse expansie van de plasaastroom genoemd worden, welke zich voor zou kunnen doen tijdens de versnelling door het bewegende magnetische veld, hetgeen een gevolg is van thermische bewegin- 25 gen van de plasma-ionen en willekeurige (random) bo tsingrsef f akten. Dit wordt bereikt door magnetostatische of elektrostatische velden van relatief kleins sterkte voor het afbuigen van.plasmaionen naar de vooraf gekozen stroombaan van het plasma. Het is ook de bedoeling van de uitvinding een dichte mono-energetische 30 plasmastroom met een voornamelijk laminaire stroming langs een. vooraf gekozen open baan tet stand te brengen door net plasma intermitterend te injekteren aan het begin van de open baan en de plasma-injektie in een synchrone faserelatie rust het bewegende magnetische veld dat uitgeoefend wordt op die baan, te 3S doen plaatsvinden. lotte' is een belangrijk doel van da uitvinding het gebruik' 74f 542Q

5 _ 4 - van zeer grote massastroomsnelheden bij plasmaversnellers volgens de uitvinding bereikbaar zijn, waarbij de dichtheden van de plasmastroom niet worden begrensd door de ruimteladingseffekten van ionenve 7 ". ellers. Deze grote snelheden kunnen 5 toegepast worden in. apaalde processen voor het verkrijgen van chemische verbindingen met hoge snelheden, voor de bestuurde opwekking van nucleaire fusie van waterstofisotopen ais een bron van neutronen en thermisch vermogen, en voor het t vormen van mechanische reactiekrachten voor de voortstuwing 10 van ruimte-voertuigen. De uitvinding is gebaseerd op het inzicht, dat de baan van. een geladen deeltje dat meegenomen wordt door een bewegend... magnetisch veld van een constante sterkte en snelheid, waarvan de vector loodrecht op de bewegingslijn staat, een cycloïde. 15 is waarvan de hoekpunten tangenten hebben evenwijdig aan deze bewegingsrichting en waarvan de toppunten op afstand van 21-t van. deze tangenten liggen, waarbij R de straal van een cirkel is ;.,.. die de deeltjes beschrijven rond de centrale veldvector van de meeneemzone, gezien door een waarnemer die met die veld- 20 vector beweegt. Zoals op zichzelf bekend is, wordt een geladen deeltje met massa m en lading dat een stationair en constant magnetisch veld met stérkte B binnengaat met een-lineaire snelheid v loodrecht op dat veld, afgebogen in een cirkelvormige baan waarvan de straal is gegeven door 25 vm_ qb " waarin R, v, m, q en B gemeten..zijn in eenheden in hetzelfde stelsel (bijvoorbeeld meters, meters per/seconde, kilogrammen, 2 coul'-^bp en webers per m ). Indien nu het deeltje vrijwel st:-.r.ionair is en een magnetisch veld.,met sterkte B erlangs 30 beweegt mot een snelheid v, gaat de voorgaande formule steeds op maar wordt de baan van de dèeltjjes gezien van een vast waarnemingspunt nu een"cycloïde met steek 2 R en een hoogte 2R, \>z?.e hoogte 2R representeert de mate van zijdelingse afwijking van het meegenomen deeltje dwars op de-veldbewegings- 35 lijn en moet vanzelfsprekend kleiner zijn dan.de interne breedte i van het vat (dat wil zeggen de afmeting loodrecht op de bewegings- 7 4 I 5 4 f

6 ; s - lijn en op de veldveetor), indien botsingen tussen de deeltjes en de wand van het vat voorkomen moeten worden. Aangezien de straal R (met v en B constant) afhangt van de verhouding m/q, moet desa breedte zodanig gekozen worden, dat de deeltjes waar- 5 van de mass/ladingsverhouding het grootst is van de deeltjes die i,n het vat worden gebracht, te kunnen vewerken. Bij een praktische uitvoeringsvorm van de uitvindingsgedachte zoals hierboven beschreven geven fluctuaties in de magnetische veldsterkte en/of snelheid aanleiding tot afwijkingen van de 10 deeltjesbaan van een nauwkeurige cycloxdale vorm. De feitelijke gevolgde banen kunnen derhalve beschreven worden als quasicyclotdaal. Indien de geladen deeltjes willekeurig (random) ingebracht worden in of gevormd worden binnen het versnellingsvat, zullen 15 zij aan weerszijden x^an de middellijn van het vat uitgespreid worden, zodat sommige van de deeltjes kunnen beginnen op een plaats die relatief dicht bij de zijwand tegenover de convexe zijde van hun cycloïde is gelegen. Teneinde te voorkomen, dat zelfs deeltjes aan de "verkeerde" zijde van de middellijn tegen 20 een zijwand slaan, dient de afstand tussen die zijwand en de middellijn groter te zijn dan de bovengenoemde 2R met het oog op de deeltjes die de meest zijdelingse uitwijking vertonen. In principe zal een bewegend magnetisch veld dat dient voor het meenemen van geladen deeltjes langs cvcloïdale banen uni- 25 form over de gehele lengte van de baan kannen zijn. Een torusvormig vat zou dus gedragen kunnen worden tussen twes concentrische ringvormige poolschoenen met/permanente of elektrisch bekrachtigde constante magneet, welke mechanisch met een hoge snelheid rond zijn as roteert. Sen dergelijk systeem is echter 30 niet erg praktisch aangezien asechanische redenen de foevregingssnelheid van het magnetische veld tamelijk laag gehouden moet " orden. Volgens de uitvinding wordt daarom als voorkeur het rr^ekken van een bewegend.veld gezien, waarbij gebruik kan gemaakt van een stel elektromagneten, die langs de 35 t^esbaan op afstand van elkaar zijn gelegen en dia vanuit --.- i frequence stroouöroa mat een bepaalde faseverschuiving

7 bekrachtigd worden. De tijdvariabele magnetische veldgradiënten die op deze wijze door de electromagneten worden verkregen, produceren het equivalente ef'fekt van een bewegend magnetisch veld, waarvan de t-- en en de dalen in de veldsterkte bewegen langs het stel elektromagneten in de vorm van een magnetische golf in de richting van de gradiënten. Deze electromagneten bezitten kernen op de wand van het vzc, maar indien men ze dichter bij elkaar wenst te hebben, kunnen ze ook ingericht zijn als overlappende spoelen op een gemeenschappelijk ferromagnetisch juk. Een dergelijke wijze van voeding,.soortgelijk aan die van de veldwikkelingen van een meerfase-elektromotor, maakt een selectieve omkering van de richting van het veld mogelijk (en derhalve van de hoofdrichting van de deeltjesbeweging) door het schakelen van de faseleidingen in de voedingsschakeling. Met het snel schakelen, bij voorkeur door electronische middelen, kunnen de deeltjes heen en weer bewegen langs dezelfde of complementaire, quasi '" -cycloïdale banen gedurende een onbeperkte periode tijdens welke hun kinetische energie voor het beoogde doel ter beschikking staat. Dit kenmerk van de uitvinding kan bijvoorbeeld v/orden gebruikt om voortgaande botsingen tussen twee deeltjes. die in onderling tegengestelde richtingen in aangrenzende delen van het vat heen en weer bewegen, te bevorderen» Indien h± systeem slechts twee magneten die afwisselend bekrachtigd worden met een in ëén richting verlopende stroom of met wisselstroom bij de aanwezigheid van een voorspanningsveld omvat, geschiedt de omkering van de beweging automatisch. Volgens een ander belangrijk kenmerk.van de uitvinding. kunnen de aandrijvende elektromagneten die het bewegende veld vormen met hun polaire assen - die gericht zijn op de middel- - lijn van het cilindrische vat, in hoek verschoven zijn ten opzichte van elkaar, waarbij de verschuiving tussen aangrenzende elektromagneten kléiner dan 180 is teneinde de ruimtelijke orientatie varï de magnetische veldvector te variëren wanneer hij zich voortbeweegt langs de baan, waarbij de relatieve belling van die polaire assen'dan de- deeltjes dwingt een 7 5 4

8 mm y bq baan te volgen die getwist is rond de middellijn,- waardoor het aandrijvende veld successisrelijk in verschillende vlakken effektief wordt voor-de besturing van de beweging van de deeltjes, en voor het voorkomen van het uitwaaieren ervan. Hierdoor 5 wordt de-noodzaak voor een axiaal georiënteerd magnetostatisch focusseringsveld, zoals beschreven in de eerdergenoemde, gelijktijdig ingediende aanvrage voor een torusvormig vat, voorkomen, terwijl positiëve in meerdere richtingen plaatsvindende geleiding voor en inperking van de "beweging van de deeltjes wordt IQ bereikt 2elfs indien vaten werden gebruikt met een lineaire of niet cirkelvormige vors. Kiettemin kan de aanwezxgneid van dergelijke magnetostatische fc-gu&s&ringsmiddelen in sqïame omstandigheden voordelen opleveren, ia de-aanwezigheid van een helicoïdale of andere getwiste IS Baan. In het geval een een cilindrisch vat in het bijzonder kunnen die focusseringsm-iddelen de vorm hebben van een spoel die rond het vat is gewikkeld en die doorlopen wordt door gelijk-, stroom, teneinde een constant magnetisch veld in de richting van de middellijn ervan op te wekken. Een dergelijk veld echter 20 heeft een storend effekt op de cycloxdale baan van de deeltjes en dient derhalve in sterkte beperkt te 2-ijn om de turbulentie te minimaliseren. Focusseringsvelden kunnen eveneens worden opgewekt door één of meer langwerpige magnetische organen die het vat flankeren, welke organen bij voorkeur een permeabiliteit 25 hebben van nagenoeg een eenheid teneinde het bewegende veld niet te verstoren. Zij kunnen dus worden gevormd door kernloze vlakke koperen spoelen of andere niat-magnetische geleidingsdraden en zij kunnen eveneens permanente gemagnetiseerde stroken van vrijwel niet-paramagnetisch materiaal zijn, dat wil zeggen 'M materiaal met een permeabiliteit die ongeveer de eenheid var., de dimensie bedraagt. Een passend materiaal hiervoor is een barium~ferrietsamenstelliiig? die op de markt gebracht wordt onder de naam IWDOX I (permeabiliteit 1,15) of'indox VI (permeabiliteit 1,06} door Indiana General Corporation uit Valparaiso 35 Ind. Ver. Staten van Amerika. Hét- bekrachtigen van «en stel op afstand van elkaar celsgen

9 8 electromagneten met een bepaald faseverschil vormt een magnetisch aandrijfveld in de vorm van een bewegende golf met afzonderlijke pieken van wisselende grootte +B en -B. De inwendige breedte van het vat zal dan gr:i..er dan 4R, zoals boven gedefinieerd, moeten zijn, teneinde beide typen cycloïden te kunnen opnemen Volgens een ander kenmerk van de uitvinding echter kan deze breedte worden beperkt door de aandrijvende electromagneten te bekrachtigen met een enkel polaire pulserende stroom, verkregen door een grove gelijkrichting van wisselstroom, zodat de krachtlijnen van deze magneten in dezelfde, richting gepolariseerd worden. Alle deeltjes met dezelfde polariteit zullen dus quasi cloïdale banen volgen in één richting afbuigend, die terwijl/met een tegengestelde polariteit in de andere richting zullen afbuigen. Aangezien de deeltjes met de' grootste massa/ ladingsverhouding meest positieve ionen zijn, kan,het vat zo bemeten zijn, dat de bewegingen opgenomen zullen worden' zonder zich teveel zorgen behoeven te maken over de relatief kleine afwijkingen van de bijgaande electronen. In feite zullen de electronen in hoofdzaak van de wand van het vat afgetrokken. j worden door de electrostatische aantrekking van de ionenwolk, waarvan het zwaartepunt beweegt naar de andere wand. Ongeacht het feit of het bewegende magnetische veld bestaat uit een sen.e bewegende magnetische.fluxgolven van een wisselend of niet-wisselend karakter, verdient he;t de voorkeur de fysische afstand van de opwekkende electromagneten (: af te stemmen op de "steek" van de cycloïde die beschreven wordt door de dominantedeeltjes met de grootste massa/ladingsverhouding. Aangezien dus een cycloïde met hoogte 2R een "steek." heeft gelijk aan 2R, dienen magneten gescheiden door een afstand 2 R {waarbij R voldoet aan de te eerder genoemde vergelijking) met dezelfde fase bekrachtigd/worden om deze dominante deeltjes in de pas met het veld te houden. Dit is met narr.e wenselijk in zeer dichte plasmastromen, waarin het in één. richting meenemen van alle deeltjes - ongeacht hun massa en lading - in gevaar komt door ruimte ladingen en botsingen» Door. het schuiven over een hoek van de electromagneten teneinde een schroeflijnvormige (heli-

10 . - 9 «coïdale) baan te verkrijgen, kan de steek of spoed van de schroeflijn eveneens aan deze afstand 2 R gelijk gemaakt worden. Indien de aandrijvende magneten bekrachtigd worden door wisselstromen in plaats van in één richting plaats vindende pulsvormige stromen, kan de sterkte van het bewegende veld gemodificeerd worden door superpositie van esn in één richting gericht constant, maar bij voorkeur instelbaar voorspanningsveld op de bewegende magnetische vector. Deze techniek van /ërldbesturing is mogelijk zolang, het constante voorspanningsveld een voldoende sterkte heeft om de tegengestelde polariteit van het bewegende veld ts overwinnen. Indien de binnenkomst van een deeltje (met name een ion) In het bewegende magnetische veld in tijd samen moet vallen met een bepaalde fase van. het veld, kan de baan gevolgd door het deeltje bij de.startversnelling door het magnetische veld vooraf worden vastgesteld. Het wordt mogelijk om opeenvolgende electromagneten op te stellen langs de versnellingslij n van de deeltjes door het veld van de direkt voorgaande electromagneet teneinde een baan te verkrijgen, die vrijwel- identiek zal zijn voor alle gelijktijdig geinjekteerde deeltjes van dezelfde massa/ladingsverhouding, die derhalve min of meer parallel verlopende banen kunen volgen, 2odat een vrijwel laminaire plasmastroom ontstaat. Een dergelijke baan zal de de vorm hebben van een halve cycloïde indien de richting van de veldbeweging langs de baan niet verandert, dat wil zeggen indien de velöcradient beweegt parallel aan een vaste lijn,, die de basislijn van de halve cycloïde vormt. Door verandering van de richting van de veldgradiënt tussen opeenvolgende electromagneten kan de vorm van de baan gemodificeerd worden en in een grensgeval kan deze baan zelfs een rechtlijnige baan benaderen. Teneinde de gewenste richtirg van da veldgradiënt te verkrijgen, strekt het tot voordeed de electromagneten uit te rusten set poolschoenen die aan elkaar grenzen langs grenslijnen die d<= middellijn van het vat snijden, welke bij voorkeur een afgevlakte buis is met een vrijwel rechtlijnige dwarsdoorsnede, * -üs^-s. oooischoenen or- siir* hocfövlak öraacrt, Met eer- vriiwel

11 uniform magnetisch veld aan weerszijden van de grenslijn, is de veldgradiënt loodrecht erop gericht. Nabij het beginpunt van de baan moeten deze grenslijnen vrijwel parallel aan de middellijn van het vat 'open teneinde de geïnjecteerde deeltjes in de juiste richting e doen versnellen. 'Met toenemende snel- - heid vanaf het begin naderen deze grenslijnen in toenemende mate in een richting loodrecht op de middellijn, waardoor de versnelling kleiner wordt maar de geleiding van de deeltjesstroom doorgaat. Op het eindpunt brengt de cumulatieve versnel^, ling de deeltjesnelheid op ongeveer een waarde van tweemaal de snelheid van het bewegende veld. Hierdoor worden verliezen tengevolge van ionenbotstingen en stralingseffekten vermeden en wordt het vormen van monoenergetische bundels die krachtig genoeg zijn om nucleaire reacties te starten, met name indien een aantal van dergelijke bundels uit een aantal soortgelijke versnellers t gecombineerd worden in. een gemeenschappelijk reactievat, mogelijk. Een reactor van dit-type kan dienst-doen.- - als een nèutronenbron en kan ook gebruikt worden als generator voor het thermisch vermogen. Andere toepassingen van een systeem volgens de uitvinding zijn het stimuleren van chemische reacties door het versnellen van één van de reactanten tot matige snelheden waarmee ze ge-, injekteerd kunnen worden in een ander omhulsel gevuld met een geëxiteerde reactievloeistof, terwijl als alternatief ionen van verschillende reactanten tot wederzijdse botsing gebracht kunnen worden doordat ze versneld worden in verschillende delen van een gemeenschappelijk vat, met behulp van afzonderlijke stellen aandrijvende magneten teneinde in tegengestelde richtingen te bewegen. Aangezien het onderhavige systeem een nauwkeurige besturing van de ionen-energieën mogelijk maakt, kunnen produkten met een grote zuiverheid verkregen worden zonder de gelijktijdige vorming van ongewenste verbindingen. Dit omvat bijvoorbeeld de selectieve omzetting van atmosferische delen in stikstofoxiden (NO, NO2}, de synthese van ammonia (NH^) uit--, de samenstellende elementen of de omzetting van zuurstof (Oj) in ozon (0^), de transformatie van méthaan (CH^) of ethaan (C^PIg) in acetyleen (C-H-) plus waterstof. Hogere plasmasnelheden die '

12 gemakkelijk met de onderhavige versneller mogelijk zijn, maken het mogelijk om verbindingen te synthetiseren die bij de normale verwarmingsmethoden niet bereikt kunnen worden. Het systeem volgens de uitvinding kan ook gebruikt worden voor de implantatie van ionen in vaste objecten voor bruikbare en/of ornamentale modificatie van hun oppervlakte-karakteristieken r bijvoorbeeld hardheid,, corrosie, weerstand of electrische geleidbaarheid. Zeer grote plasmastroomsnelheden die met versnellers volgens de uitvinding mogelijk zijn, maken het geschikt ze te gebruiken als reactiemotors voor voortstuwing en richtingsbesturing van interplanetaire ruimtevoertuigen. In alle uitvoeringsvormen worden de ionen en electronen van een plasma voortgestuwd met dezelfde snelheid langs hun banen. Als consequentie hiervan is de energie verleend aan de electronen een verwaarloosbaar deel van de energie die overgedragen. wordt op de dominante ionen. Het kenmerk van de uitvinding is van fundamentele betekenis voor nucleaire fusiereacties, aangezien hierdoor in'hogefflatede turbulentie en stralingsverliezen van dichte plasmastromen van waterstofiostopen beperkt worden terwijl het ook van belang is voor -e stimulatie van chemische reacties door de beschikbaarheid van electronen met lage energie. De uitvinding zal aan de hand van de bijgaande tekeningen nader worden verduidelijkt. In de tekeningen toont; Fig. 1 en 2 schema's die de werking van. het systeem volgens de uitvinding verduidelijken, Fig. 3 een bovenaanzicht van een torusvormige deeltjesversneller volgens de uitvinding,, Fig. 4 een dwarsdoorsnede-aanzicht volgens de lijn IV-IV' uit fig. 1 op grotere schaal Fig 5 een perspektivisch aanzicht van een lineaire deeltjesversneller volgens de uitvinding', Fig. 6 een perspektivisch aanzicht van een segment van de versneller uit fig. 1 voorzien van aanvullende focusseringsmid-

13 delen omvattende een stel hulpspoelen, Fig. 7 een aanzicht gelijk aan fig. 6 waarin permanente magneten getekend zijn in plaats van de aanvullende focusseringsspoelen, 5 Fig. 8 een, ander aanzicht gelijk aan fig. 6, waarin andere aanvullende focusseringsmiddelen getekend zijn, Fig. 9 een schematisch aanzicht van een deeltjesversneller gelijk aan fig. 5 maar axiaal verdeeld in verschillende delen met verschillende aandrijvingen, 10 Fig. 10 een perspektivisch aanzicht gelijk aan fig. 5 van een deel van de lineaire versneller van een gemodificeerd ontwerp, Fig. 11 een bovenaanzicht van een eènvoudige lineaire versneller volgens de uitvinding, 15 Fig. 12 een dwarsdoorsnede-aanzicht volgens de lijn XII-XII uit fig. 11, Fig. 13 een bovenaanzicht soortgelijk aan fig. 11 van een gedeeltelijke modificatie, Fig. 14 een dwarsdoorsnede-aanzicht volgens de lijn XIV-XIV 20 uit fig. 13, Fig. 15 een schakelschema van een voeding voor een versneller volgens de uiiviiding, Fig. 16 een schematisch bovenaanzicht van een gemodificeerde deeltjesversneller volgens de uitvinding, 25 Fig. 17 een perspektivisch detailaanzicht op grotere schaal volgens de lijn XVII-XVII uit fig. 16, Fig. 18 een aanzicht soortgelijk aan fig. 16 van een modificatie, Fig. 19 een schematisch doorsnede-bovenaanzicht van een nucleaire reactor omvattende verschillende versnellers van het type 30 uit fig. 16, en. Fig. 20 een perspektivisch doorsnede-detailaanzicht van een deel van de reactor uit fig. 19. < *

14 De figuren I en 2 tonen schematisch de principes die ten grondslag liggen aan de uitvinding. Een bewegend magnetisch veld dat zich voortbeweegt langs de middllijn C van een nietgetekend vat bestaat uit een afwisseling van noord-polen S en zuid-polen S met een fluxdichtheid B met daartussen neutrale zones 0. De grenslijnen tussen-de polaire en neutrale zones; 1 2ijn voor de duidelijkheid scherp getrokken, waarbij aangenomen wordt dat door elke polaire zone de veldsterkte uniform is, maar in werkelijkheid kan deze uniformiteit slechts bestaan in dwarsrichting (loodrecht op de lijn C) met een graduele reductie en uiteindelijk omkering van de veldsterkte tussen de zones N_en S. We gaan uit van een positief deeltje P^, bijv. een zwaar ion met een grote nassa/ladingsverhouding, dat wordt ingebracht in het vat in de nabijheid van de middellijn C,dat op het opgenblik wanneer de zone N' er.langs zwaait met een snelheid v van zichzelf vrijwel geen bewegingsenergie bezit. Aangezien deze situatie gelijkwaardig is aan het injecteren van het deeltje met een snelheid -v in het statische magnetische veld met de zelfde sterkte, zal het deeltje afgebogen worden in een cirkelvormige baan met straal R = vm/gb rond een as Vj die evenwijdig loopt aan. de krachtlijnen en die in dit verband beschouwd kan worden als een veldvector. De lineaire e beweging van deze vector met een snelheid v zet deze cirkel om in een cycloide güj/fbaan met een steek Z - 2 "ft R en een hoogte 2R gemeten.tussen de hoekpunten en een basislijn die de toppen verbindt. De absolute snelheid van het deeltje in. de richting van de lijn, C is nul op de toppunten en 2v op de hoekpunten met een gemiddelde van v over de gehele periode..f. Een soortgelijk deeltje gelegen in de zelfde zone van het veld op het ogenblik wanneer een zone S voorbij zwaait wordt afgebogen in een cycloide baan symmetrisch aan die v.an het deel P^. In dit geval is eveneens de hoofddeel-snelheid in de richting van de lijn C die van de bijbehorende veldvector nl» Vo

15 -14- Een negatief geladen deeltje Pj, zoals een electron dat meegenomen wordt door zone N wordt op soortgelijke.wijze maar in tegengestelde richting als deeltje Pj afgebogen, met een'-kleinere steek z - 27ir, waarbij r de straal is van een cirkel die door dat ' iel-rond een veldvector Vy' wordt doorlopen Een ander deeltje? 2 ~ dat megenomen wordt door een zone S volgt een cycloïde die gecentreerd is op een veldvector P 2 ", waarbij deze cycloide in de zelfde richting uitstulpt als het deeltje Pj*. De hoofdsnélheid van de negatieve deeltjes in de richting wanneer het veld voortbeweegt is eveneens v. De relatieve grootten'van de cvcloiden voor de ionen en de electronen uit figuur 1 representeren niet de werkelijke" verhoudingen van hun banen, en zijn alleen bedoeld om het principe aan te geven. De werkelijke verhouding van de afmeting van de cvcloiden van het lichte ion, het proton, t.o.v. de electronen-cycloide zal gelijk zijn aan de massaverhouding tussen protonen-electronen en bedraagt 1836 tot 1. Er kan aangenomen worden dat op een bepaald ogenblik aangegeven door het schema uit figuur 1 de zones S en'n samenvallen met de plaatsen van ;'de resp. electromagneten dié met tegenfase - '- worden bekrachtigd, waarbij andere electromagneten in tussengelegen bekrachtigingsfasen daartussen zijn gelegen. Met de veldsterkte op elk van deze electromagneten varierend op harmonische wijze tussen +B en -B, zijn de momentane veldwaarden onderling sinusvormig gerelateerd, waarbij 'echter op de spleten tussen deze magneten het strooiveld gevormd door de aangrenzende magneten een amplitude bezit die aanzienlijk kleiner is dan die van de sinusgolf, zodat de bewegende polaire zones fluctueren in sterkte bij het overgaan van de ene magneet naar de volgende. Dit is de reden dat de voorkeur bestaat om de afstand tussen deze magneten gelijk te maken aan een factor van de steek Z van de cycloide van de dominante deeltjes P (zie figuur 1) waarbij gewaarborgd wordt dat elk van deze deeltjes op elk toppunt aan de zelfde versnelling onderworpen wordt. De electronen P, waarvan de cycloiden over het algemeen geen geheel" aantal

16 -15- magneetafstanden overspannen, worden min of meer gedwongen om de grote ionen bij te hóuden tengevolge van de electrostatische aantrekking. Kleiner positieve ionen in het plasma kunnen periodiek met het veld uit de pas vallen, maar aangdzien dit gebeuren kan op punten waar een snelheidscomponent in de voortbewegingsrichting hetzij kleiner of groter s dan die van het veld, kan het netto-effect vrijwel nul zijn, zodat hun hoofdsnelheid ongeveer die van de dominante deeltjes is. De deeltjesversneller volgens de figuren 3 en 4 omvatten een toroidaal" vat 100 van vuurvast materiaal (bijv. kwarts), dat tegen de atmosfeer is afgedicht. Een aantal electromagneten dragen het vat 100 op -plaatsen die langs de middellijn C op gelijke hoekafstanden zijn gelegen. Elk van deze electromagneten, zie magneet 103 in figuur 4, heeft een kern 117 met poolvlakken " en een bekrachtigingswikkeling 118 die over. een hoogfrequente oscillator 119 verbonden is, die gemeenschappelijk is voor alle electromagneten, d.m.v. een faseverschuiving 120,welke gemeenschappelijk kan zijn voor het aantal electromagneten dl&mst de zelfde fase bekrachtigd worden. Een inlaat 121 voorzien van een stop 122 dient om electrisch geladen gas (bijv. een geïoniseerde reactant die binnenkomt.in de vorm van een verbinding} in het vat 100 te laten, terwijl een uitlaat voor de reectieproduceten getekend is ter plaatse van het verwijzingscijfer 123. De poolvlakken 117', 117" hebben een as Q die loopt door de middellijn C van het vat 100 en sluiten een hoek \ met het vlak P door die midellijn, en wel loodrecht op de.as A van de toroide loopt in. De hellingshoek varieert van de ene electromagneet naar de volgende en verandert progressief met incrementen van 45, voor de oneven genummerde magneten 101 ((f> * 0), 103 0>= 45 ), 105 (0= 90 }... alsmede voor de even genummerde magneten 102 (&= 270 ), 104 (f= 315 } }... Het blijkt derhalve dat elke evengenummerde magneet over 90 verschoven is t.o.v. de voorbaande onevenaenummerde. / i'

17 Electrisch is het ringvormige stelsel magneten verdeeld in vier sector eft ^S^ S^ S 3, S^ waarin.de fase van de corresponderende magneten/jidentiek optreedt behalve wat betreft een omkering van dé^polariteit' tussen de aangrenzende sectoren. De eerste twee magneten van elke sector bijv. 101, 102 of 105, 106 worden dus met de zeilde féise bekrachtigd met een faseverschuiving w= 0 (secotfen S )' of sectoren S.) ' 1 "' 3 met betrekking tot de uitgang van de gemeenschappelijke stroomvoeding 119, waarbij de-faseverschuiving 120 uit figuur 4 derhalve weggelaten ka'n 'worden in-deze omstandigheden-waarbij de draden in het geval van eve'n*genummerde sectoren eenvoudig gekruist kunnen worden. Dè laatste magneten van elke sector bijv. 10 3, 104 of 107, 108 bekrachtigd paar,' met90 vormen tevens een met gelijke fase {s'ecotren S^ S 3 ) of ^ = 270^ (secotren S 2, S^) De aandacht wordt erop gevestigd dat deae vereenvoudigde relatie niet kritisch is en dat de fasehoek eveneens progressief kan varieren van de ene electromagneet tot de volgende warbij bijv.'friet30 de fasehoeken van de direct voorgaande magneten wordt overschreden Het boven beschreven stelsel genereert in feite twee in elkaar geschoven magnetische velden dwars op de cirkelvormige middellijn C en beweegt lahgs die lijn met een snelheid gelijk aan T radialen per cyclus van de meerfasenstroom uit de bron. 119 die de electromagneten bektachtigt» Tegel-ij-,t kertijd varieert bij het'doorlopen van een volledige cirkel de richting van de veldvector t.o.v. het baanvlak P progressief met incrementen yan,45, over 360. Met uitzondering voor de negatieve en positeive deeltjes die weer gecombineerd worden tijdens de bewegingsduur, van het veld over 2 7; radialen (twee cycli wisselstroom in het zo juist beschreven stelsel), beweegt elk deeltjes over 360 tijdens elke veldomwenteling. Cycloidale golven die vrijwel evenwijdig verlopen aan de midellijn C worden gevolgd door elk deeltje, positief én negatief, zoals in het voorgaande is beschreven. _ ' ' 74 f

18 Indien de assen Q van de aandrijfelectromagneten in' : het zelfde vlak zouden liggen, bijv. loodrecht op de as A van het vat, zouden focusseringsmiddelen die een megnetostatisch veld genereren gebruikt moeten worden om de beweging van de deeltjes te begrenzen, zodat hun cycloidale golfvormige banen ' begrensd blijven tot binnen het toroidale vat 100. Dit is ver-- eist omdat het"magnetische aandrijvende veld geen tegengestelde krachten kan uitoefenen in de richting van dit veld. Dergelijke krachten die de deeltjes kunnen deen botsen met de wanden van de reactor, kunnen worden veroorzaakt door wederzijdse repulsies van afzonderlijke deeltjes, door tragheidskrachten, door de effecten van elastische botsingen tussen de deeltjes of door -de wisselwerking tussen ruimteladingen van groepen deeltjes. Met het stelsel van over een hoek verschoven aandrijvende magneten uit figuur 3 en 4 echter, wordt elke deeltjes- ' " snelheidscomponent gericht naar de wanden van het vat 100 in êên fase van de beweging van dat deeltje omgetet i,n eon comnonent evenwijdig aan de wanden van het vat in een latere fase van 2ijn beweging tengevolge van het feit dat de vectoren van het aandrijvende veld in die latere fase van de beweging hellen t.o.v. die die in het voorgaande werkzaam zijn. De cycliodale golfbeweging van de deeltjes wordt dus schroeflijnvormig getwist rond de middellijn C met de steek van een imaginair schroeflijnvormig oppervlak dat de polaire as Q omvat. Figuur 5 toont een cilindrisch vat 200, dat van het vat 100 verschilt doordat het lineair i.p.v. toroidaal is, waarbij de bijbehorende electroraagneet aangegeven is met De werking is het zelfde als bij het toroidale vat 100 met als uitzondering natuurlijk dat de deeltjes slechts één keer langs elke electromagneet bewegen indien de richting van de veldbeweging niet verandert. De inlaat en de uitlaatpoorten van de reactant zijn getekend als de open einden van het cilinderische vat 200. Het reactieve gas dat de inlaat-, i'

19 poort in gaat kan worfden geioniseerd door in figuur 5 niet getekende aanvullende : ioniseringsiaiddeleni Bij die toepassingen waarin een langdurige inperking van de bewegn^de deeltjes binnen het vat 200 gewenst is, kan de fase van de strooravoeding van de electromagneten periodiek geïnverteerd, worden d.m.v. schakelmiddelen van het in figuur 15 getekende type teneinde de bewegingsrichting van het magnetisch veld om te keren. Een dergelijke periodieke omkering veroorzaakt de heen en weer gaande.beweging van de deeltjes van de as van'het vat 200, waarbij natuurlijk de lengte van de heen en weer gaande cyclus zodanig gekozen moet worden, dat de afstand die de deeltjes beslaan kleiner is dan de leng-» te van het vat. Figuur 6 toont een deel van het vat 100 uit figuur 1 met weglating van de aandrijf magneten '6 voor de duidelijkheid. Het binnen het vat 100 houden-van de lading wordt bevorderd door de aanwezigheid van een paar gelijkstroomspoelen 124', 124"' gecentreerd op de toroidale as A (figuur 1) en twee paren relatief hellende extra spoelen 125', 126' en 125", 126", die hunconètant aanvullend veld nabij de middellijn C genereren, waardoor het centrale veld van de spoelen 124', 124'* in steïkte bêpeïkt kan worden. De spoelen 125', 126' en 125", 126" vormen een paar platte, langwerpige magnetische organen- die het vat 100 flankeren en genereren relatief hellen fluxen binnen' Het vat. Aangezien deze spoelen geen enkele ferromagnetische kern hebben, is een permeabiliteit de zelfde als die van de omringende ruimte waardoor het veld gevormd door de aandrijfihagneten ongemoeid wordt gelaten. Het zal duidelijk zijn dat soortgelijke spoelen, die i.p.v. ringvormig lineair zijn, -ook gebruikt kunnen worden, (zonder de spoelen 124', 124") bij een rechte lijn Versneller van het type uit figuur 5. In een toroidaal vat uitgerust met voldoende sterkte focusseringsifiiddelen 125', 126' en 125", 126" kunnen de coaxiale spoelen 124', 124" eveneens weggelaten worden, In figuur 7 is een equivalent stelsel getekend waarin»'

20 de platte langwerpige focusseringsmiddelen de vorm hebben van parmanent gemagnetiseerde stroken met soortgelijke relatieve helling. Deze magneten die in gemodificeerde vorm ook gebruikt. zouden kunnen worden bij een lineiare versneller, zijn bij voorkeur vervaardigd uit materiaal met-een lage permeabiliteit. Figuur 8 toont een spoel 128 die eveneens door gelijkstroom wordt gevoed, welke de buis 100 omhult teneinde de lading daarvan binnen de gewenste grenzen te helpen houden. Alhoewel een dergelijke omhullende spoel niet kan voldoen als enig begrenzingsmiddel om de reeds genoemde redenen, kan het ook worden gebruikt als extra focusseringselement voor een lineaire versneller volgens figuur 5. Da axiale gerichte spoelen 124', 124" kunnen weer in sommige omstandigheden weggelaten worden. De spoel 128 behoeft niet de buis direct te omhullen, zoals getekend is maar zou groot genoeg kunnen zijn om de aandrijfelectromagneten of uit figuur -3 of figuur 5 te omringen of de electromagneten uit figuur 10. Het focusseringsstelsel uit figuur 6-8 zal eveneens "gebruikt kunnen worden in een deeltjesversneller met polaire assen in ëën vlak die loodrecht staan op de hartlijn van het vat. Figuur 9 toont een lineair reactievat 200, soortgelijk aan dat uit figuur 5, hetwelk axiaal in vier secties verdeeld _ is langs dwarsvlakken X, Y, Z, Deze secties worden bestuurd door de resp. nevenstellen-aandrijfmagneten soortgelijk aan die welke getekend zijn op punt die collectief aangeduid zijn met 300a, 300b, 300c, 300d. De buitenste aandrijfmagneetstellen 300a en 30Qd worden bekrachtigd met wederzijds tegengestelde fase vanuit een eerste oscillator 219', waarbij de binnenste magneetstelsels 300b en 300c eveneens bekrachtigd worden vanuit een tweede oscillator 219" met tegengestelde fase. De laatstgenoemde oscillator in pnriodi*ik omkeerbaar onder besturing van een electronische schakelaar 230, waarbij lading in de secties bestuurf door de stelsels