СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ENERGY CONVERSION USING BEAM OF CHARGED PARTICLES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые изобретения относятся к области электроэнергетики, а именно к средствам для преобразования энергии, более конкретно - к способу и устройству указанного назначения, использующим пучки заряженных частиц.
Известен ряд технических решений, в которых в качестве носителя энергии используется пучок заряженных частиц.
Так, согласно патенту РФ на полезную модель №15417 (опубл. 10.10.2000 [1]) пучок β-частиц (т.е. электронов) пропускают между обкладками квадрупольного конденсатора, на которые подают переменное напряжение. Соосно с этим конденсатором установлена катушка индуктивности. В последней возникает ЭДС, обусловленная изменением магнитного поля, происходящим вследствие изменения ориентации пучка электронов при его сканировании, вызванном переменным напряжением между обкладками конденсатора.
В соответствии с техническим решением по патенту РФ на полезную модель №84169 (опубл. 27.06.2009 [2]) пучок заряженных частиц пропускают по каналу, окруженному одним или несколькими магнитопроводами с обмотками. Пучок подвергают модуляции, изменяя его интенсивность или знак частиц. В результате происходит изменение магнитного поля в магнитопроводах и возникает ЭДС в обмотках.
В монографии: В.С. Никитин. Технологии будущего. Изд. "Техносфера", Москва, 2010, с.162-169 [3] тоже описаны способ и устройство, использующие пучок заряженных частиц (электронов). В отличие от патентов [1] и [2], в этих способе и устройстве осуществляется не только преобразование энергии, но и ее аккумулирование.
Способ и устройство по монографии [3] (описанные также в заявке на выдачу патента РФ на изобретение №2004110891, опубл. 10.10.2005 [4]) наиболее близки к предлагаемым.
Устройство согласно [3] и [4] содержит герметичную вакуумированную камеру, внутреннее пространство которой напоминает два одинаковых усеченных конуса, приложенных друг к другу большими основаниями, ось которых является осью симметрии камеры. По периметру камеры в зоне, соответствующей указанным основаниям, установлены средства для инжектирования в камеру электронов. Внутри камеры по ее периметру в той же зоне размещен кольцевой отрицательный электрод, а по оси симметрии - центральный положительный электрод. Снаружи камеры размещены магнитные катушки двух видов: а) отклоняющие; б) фокусирующие и удерживающие (либо катушки, совмещающие все три названные функции).
При осуществлении способа, для которого предназначено данное устройство, отклоняющие катушки создают магнитное поле, направленное параллельно оси симметрии камеры и имеющее напряженность, которая уменьшается по мере приближения к этой оси. Под действием этого поля и электрического поля, создаваемого упомянутыми электродами, происходит "закручивание" электронов вокруг центральной оси симметрии камеры, и они движутся по спиральной траектории, приближаясь к оси центральной симметрии. При этом они не достигают центрального положительного электрода, оставаясь от него на расстоянии, при котором сила притяжения со стороны этого электрода уравновешивается центростремительной силой при движении электронов по круговым орбитам. В итоге образуется замкнутый контур с током, создаваемым вращающимся кольцевым пучком электронов. Фокусирующие и удерживающие катушки создают магнитное поле, которое обеспечивают правильную ориентацию плоскости этого кольца. По мере инжектирования электронов их плотность в кольце и создаваемый ток нарастают. После прекращения инжектирования электронов движение образованного им кольца сохраняется. В результате энергия, потребляемая средствами для инжектирования электронов, преобразуется в энергию движущихся электронов кольца и накапливается по мере инжектирования. Кольцо стабилизируется при достижении условий возникновения пинч-эффекта, вызванного магнитным полем тока в кольце. До возникновения пинч-эффекта существование электронного кольца поддерживается продолжением инжектирования электронов.
Для отбора аккумулированной в кольце энергии, как сообщается в [3] и [4], "достаточно уменьшить его плотность, радиус или скорость электронов в кольце. Радиус кольца и скорость электронов можно менять путем изменения разности потенциалов, подаваемых на коаксиальные электроды устройства, либо другим путем. Для этого можно использовать изменение магнитного поля отклоняющих электромагнитов и электронные пушки накачки". В данной части техническое решение представляется описанным недостаточно подробно, и путь его осуществления, к сожалению, остается не вполне ясным.
Конструкция описанного в [3] и [4] устройства и осуществление способа с его помощью существенно усложнены наличием фокусирующих, отклоняющих и удерживающих катушек для создания соответствующих магнитных полей и необходимостью высокоточного управления ими, а, следовательно, необходимостью соответствующих средств управления и контроля в течение всего времени использования способа и устройства. Необходимость управления не позволяет заменить указанные средства для создания магнитных полей постоянными магнитами, а если бы это было возможно, то имело бы место существенное увеличение веса (хотя используемые в известных технических решениях управляемые средства для создания магнитных полей тоже увеличивают вес устройства).
Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, состоящего в исключении необходимости наличия таких средств в конструкции устройства и соответствующих действий при осуществлении способа с сохранением использования вращающегося пучка ускоренных заряженных частиц. Получение такого результата обеспечивается путем изменения пространственной конфигурации устройства и выбора для его изготовления материала, физические свойства которого находятся в определенном соотношении с параметрами используемых заряженных частиц и геометрическими размерами устройства, а также путем соответствующего выбора режимных параметров способа. Предлагаемое устройство, используемое для осуществления предлагаемого способа, является пассивным и не требует какого-либо управления и использования для этого средств, создающих постоянные или переменные магнитные поля. Ниже при раскрытии сущности изобретений и рассмотрении частных случаев их осуществления будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый способ преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц, как и наиболее близкий к нему способ, известный из источников [3] и [4], предусматривает инжектирование ускоренных заряженных частиц в вакуумированный объем с формированием в этом объеме замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, а также отбор энергии.
пр
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, формирование указанного замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, осуществляют путем инжектирования ускоренных заряженных частиц в вакуумированный объем, представляющий собой внутреннее пространство замкнутого канала с продольной осью, имеющей форму гладкой линии, стенка которого изготовлена из материала, способного к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы. Инжектированные частицы транспортируют по указанному каналу с образованием указанного пучка ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при соблюдении следующего условия, связывающего наибольшую энергию E и абсолютную величину Q заряда инжектируемых частиц с наименьшим радиусом R кривизны указанной гладкой линии, а также с наименьшей толщиной d стенки указанного канала, электрической прочностью U ее материала и наибольшим расстоянием h между двумя точками внутренней поверхности указанного канала, расположенными в его поперечном сечении на одной и той же нормали к указанной поверхности:
<mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>Q</mi><mo><</mo><mi>R</mi><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>h</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                    (1)</mtext></mrow>
При этом отбор энергии осуществляют посредством индуцирования ЭДС в проводящем витке или многовитковой катушке, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым указанным пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в процессе нарастания силы этого тока или при его прекращении.
При описанном выборе материала и соблюдении условия (1) имеет место такая электризация внутренней поверхности стенки канала, при которой пучок заряженных частиц движется по каналу, "прижимаясь" к стороне внутренней поверхности стенки канала, более удаленной от центра кривизны его продольной оси, но не сталкиваясь со стенкой. Благодаря этому не имеет места накопление на стенке избыточного заряда, который препятствовал бы прохождению частиц по каналу, уменьшая ток по мере продвижения пучка частиц по каналу, и мог бы привести к его запиранию. Пучок заряженных частиц, движущийся по каналу, приобретает поперечный размер, меньший просвета канала, т.е. фокусируется. Какие-либо ограничения на угол поворота пучка (угол закручивания продольной оси канала при его изгибе) при соблюдении условия (1) отсутствуют. По мере инжектирования в канал новых частиц их общее количество и суммарная энергия возрастают. Приостановление инжектирования не приводит к прекращению движения заряженных частиц, и состоящий из них замкнутый пучок, образующий замкнутый контур с током, остается носителем энергии движущихся частиц. Часть первоначальной энергии инжектированных в канал частиц сохраняется также в виде энергии магнитного поля, создаваемого током в указанном контуре. При отборе энергии, связанном с уменьшением энергии E частиц, выполнение условия (1) не нарушается. Отбор, осуществляемый путем индуцирования электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем витке или многовитковой катушке, индуктивно связанных с замкнутым контуром с током, создаваемым движущимся в канале пучком ускоренных заряженных частиц, может производиться как в процессе инжектирования частиц в канал (при этом сила тока в контуре нарастает, и создаваемое им магнитное поле изменяется), так и при преднамеренном уменьшении силы тока в указанном контуре вплоть до его прекращения (обнуления), когда ток и магнитное поле тоже изменяются.
Прекращение в указанном контуре тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть осуществлено, в частности, путем облучения внешней поверхности стенки указанного канала заряженными частицами того же знака, что и транспортируемые по каналу частицы.
Прекращение указанного тока может быть осуществлено также путем воздействия на создающие его движущиеся заряженные частицы магнитным полем, ориентированным по нормали к продольной оси канала.
Кроме того, прекращение в указанном контуре тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть осуществлено путем перемещения участка стенки канала по нормали к внутренней поверхности этого участка.
Предлагаемое устройство для преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц, предназначенное для осуществления предлагаемого способа, как наиболее близкое к нему устройство, известное из документов [3] и [4], содержит средство для формирования замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям в вакуумирован-ном внутреннем пространстве указанного средства, один или несколько узлов инжектирования ускоренных заряженных частиц в указанное пространство, а также узел отбора энергии.
пр
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от наиболее близкого к нему известного, указанное средство для формирования замкнутого контура с током выполнено в виде замкнутого вакуумированного канала с продольной осью, имеющей форму гладкой линии, стенка которого изготовлена из материала, способного к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы, с соблюдением следующего условия, связывающего наименьший радиус R кривизны указанной гладкой линии, электрическую прочность U материала стенки указанного канала и наибольшее расстояние h между двумя точками внутренней поверхности этого канала, расположенными в его поперечном сечении на одной и той же нормали к указанной поверхности, с наибольшей энергией E и абсолютной величиной Q заряда ускоренных частиц, производимых указанными узлами инжектирования:
<mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>Q</mi><mo><</mo><mi>R</mi><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>h</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                     (2)</mtext></mrow>
При этом узел отбора энергии выполнен в виде витка из проводящего материала или многовитковой катушки, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям. Кроме того, предлагаемое устройство снабжено узлом прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям.
Описанное выполнение предлагаемого устройства с соблюдением соотношения (2) обеспечивает осуществление предлагаемого способа при использовании этого устройства. Электризация внутренней поверхности стенки канала возникает при запуске устройства в работу, а в процессе работы - в результате подзарядки этой поверхности (замены немногочисленных утекающих зарядов новыми, получаемыми из пучка транспортируемых по каналу частиц). Наличие на стенках канала указанных зарядов, имеющих тот же знак, что и частицы введенного в канал пучка, при соблюдении условия (2) обеспечивает возможность движения заряженных частиц без запирания канала и без соприкосновения с его стенкой.
В частном случае внутренняя поверхность стенки канала имеет круглое поперечное сечение. В этом случае величина h, входящая в соотношение (2), равна наибольшему из всех значений, которые принимает диаметр указанного поперечного сечения (поскольку они могут быть разными по длине канала).
В другом частном случае внутренняя поверхность стенки канала образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид двух отрезков параллельных прямых (под планарной поверхностью, как известно, принято понимать поверхность, полученную в результате изгиба плоскости вокруг параллельной ей оси или нескольких таких осей, параллельных друг другу). В этом случае величина h, входящая в соотношение (2), равна наибольшему расстоянию между указанными планарными поверхностями (поскольку это расстояние может быть разным по длине канала).
Предпочтительной и наиболее технологичной формой канала является такая, при которой указанная гладкая линия является окружностью, а поперечные размеры канала постоянны по его длине.
Узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в частном случае может быть выполнен в виде установленного снаружи указанного канала источника заряженных частиц того же знака, что и транспортируемые по каналу частицы, и формирующего поток таких частиц, направленный на внешнюю поверхность стенки канала.
В другом частном случае узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть выполнен в виде установленного снаружи указанного канала источника магнитного поля, ориентированного по нормали к продольной оси канала. Такое поле может быть создано простейшим средством, в том числе постоянным магнитом, который достаточно поднести к каналу.
Еще в одном частном случае узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может представлять собой участок стенки канала, выполненный с возможностью его перемещения по направлению нормали к внутренней поверхности этого участка.
Во всех названных случаях происходит такое изменение траекторий заряженных частиц в канале, при котором дальнейшее их движение без контакта со стенкой становится невозможным, в результате чего пучок, ранее создававший ток в образуемом им замкнутом контуре, разрывается, и ток обнуляется.
В частном случае выполнения устройства катушка узла отбора энергии может быть размещена на магнитопроводе, охватывающем указанный канал с находящимся в нем замкнутым контуром с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям. В этом случае усиливается индуктивная связь между нею и указанным замкнутым контуром с током.
Канал может быть выполнен также с продольной осью в виде цилиндрической спирали, концы которой соединены друг с другом, или спирали, намотанной на тор. В этих случаях также целесообразно выполнение канала с постоянными поперечными размерами по его длине и преимущественно с круглым поперечным сечением. Катушка узла отбора энергии в обоих этих случаях может быть образована витками, расположенными рядом с витками спирали.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде одиночного витка из проводящего материала;
- на фиг.2 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде многовитковой катушки индуктивности;
- на фиг.3 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде многовитковой катушки индуктивности, размещенной на магнитопроводе, охватывающем указанный канал;
- на фиг.4 - фрагмент канала средства для формирования замкнутого контура с током, поперечное сечение которого имеет круглую форму;
- на фиг.5 - фрагмент канала средства для формирования замкнутого контура с током, в котором внутренняя поверхность стенки канала образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид двух отрезков параллельных прямых;
- на фиг.6 - то же, что на фиг.1, при другом взаимном расположении указанных канала и витка;
- на фиг.7 - то же, что на фиг.2, при другом взаимном расположении указанных канала и катушки;
- на фиг.8 - выполнение канала средства для формирования замкнутого контура с током виде цилиндрической спирали;
- на фиг.9 - выполнение канала средства для формирования замкнутого контура с током виде спирали, витки которой намотаны на тор;
- на фиг.10 - действие узла прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при выполнении этого узла в виде источника заряженных частиц;
- на фиг.11 - действие узла прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в случае, когда этот узел представляет собой участок стенки канала, выполненный с возможностью его перемещения.
- на фиг.12 - действие узла для прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при выполнении этого узла в виде источника магнитного поля.
Предлагаемое устройство в целом, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц (электронов или ионов), иллюстрируется фиг.1, 2, 3. В нем используется канал 1 для транспортирования указанных частиц, в процессе которого образуется замкнутый контур 2 с током, создаваемым заряженными частицами, движущимися по замкнутым траекториям. Инжектирование заряженных частиц в канал 1 осуществляется узлом 3 инжектирования. На фигурах показан только один такой узел, но их может быть и несколько.
Устройство содержит также узел отбора энергии. Этот узел в случае, показанном на фиг.1, представляет собой массивный одиночный виток 4 из проводящего материала, в случае, показанном на фиг.2 - многовитковую катушку индуктивности 5, а в случае, показанном на фиг.3 - многовитковую катушку индуктивности 6, размещенную на магнитопроводе 7, охватывающем канал 1 с контуром 2 в нем (под указанной катушкой понимается катушка, имеющая более одного витка). Во всех названных случаях имеет место индуктивная связь узла отбора энергии с контуром 2. Для подключения нагрузки (потребителя) служат контакты 9. Устройство содержит также узел 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, роль которого будет пояснена ниже при дальнейшем рассмотрении устройства и его работы при осуществлении предлагаемого способа.
Канал 1, показанный на фиг.1 - 3 в виде кольца, может иметь различное выполнение. Во всех частных случаях продольная ось канала является гладкой замкнутой линией (на фиг.1-3 такой линией является окружность 10). Фиг.4 и 5, на которых изображены фрагменты канала 1, иллюстрируют два частных случаях его конструктивного выполнения.
В случае, показанном на фиг.4, канал выполнен в виде трубки 12 со стенкой 15, а канал по фиг.5 имеет стенку, содержащую две изогнутые полосы 16, 17. На фиг.4 и 5 показаны также поперечные сечения канала C-C и D-D соответственно. Внутренняя поверхность стенки канала по фиг.4 в поперечном сечении имеет вид окружности 20. Внутренняя поверхность стенки канала по фиг.5 образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид отрезков 21, 22 двух параллельных прямых. Две части 16, 17 стенки канала по фиг.5 могут быть соединены боковыми стенками или поддерживающими элементами 23, показанными штриховыми линиями. Ширина Н канала в этом случае, по меньшей мере, на порядок больше расстояния h между частями 16, 17 стенки (или, что то же самое, между отрезками 21 и 22). Стрелками 13 и 18 соответственно на фиг.4 и 5 показано направление движения частиц.
Радиус R кривизны продольной оси канала (позиция 10 на фиг.1-3, позиция 24 на фиг.4 и позиция 25 на фиг.5, где эта ось проходит вдоль канала посредине между упомянутым планарными поверхностями 16 и 17) должен быть ограничен снизу в зависимости от наибольшей энергии Е и абсолютной величины Q заряда частиц, для работы с которыми предназначено предлагаемое устройство. Условие, выражающее это ограничение, имеет вид:
<mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>Q</mi><mo><</mo><mi>R</mi><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>h</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                     (2*)</mtext></mrow>
пр
В него входят также электрическая прочность U материала стенки канала, наименьшая толщина d его стенки и наибольшее расстояние h между двумя точками внутренней поверхности стенки канала, расположенными в поперечном сечении канала на одной и той же нормали к указанной поверхности.
Входящая в неравенство величина h, определенная описанным выше образом, для устройства с каналом по фиг.4 является диаметром внутренней поверхности стенки 15 канала в поперечном сечении (или, что то же самое, - диаметром просвета канала). Для устройства с каналом по фиг.5 величина h - расстояние между планарными поверхностями, образующими стенку канала, имеющую части 16 и 17, т.е. расстояние между параллельными отрезками 21 и 22. В обоих случаях величина h есть расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками поперечного сечения внутренней поверхности стенки канала, находящимися на одной и той же нормали к ней. На фиг.4 такой нормалью является любой диаметр поперечного сечения внутренней поверхности стенки канала, а на фиг.5 - любой перпендикуляр к отрезкам 21, 22. Изгиб канала в случае, иллюстрируемом фиг.5, происходит вокруг оси, параллельной отрезкам 21, 22.
Показанные на фиг.4 и 5 частные случаи выполнения канала не исчерпывают всех возможностей, приемлемы и другие формы поперечного сечения, при которых величина h может быть определена описанным выше образом, например, эллиптическая. Две рассмотренные выше формы, в особенности форма по фиг.4, наиболее технологичны.
пр
Геометрические параметры R, h и d канала могут быть неодинаковы по длине канала. В приведенном выше неравенстве под R и d понимаются их наименьшие значения, а под h - наибольшее, т.е. такие, что это неравенство заведомо выполняется в любом месте канала по его длине. Аналогично, при проектировании устройства должны учитываться заряд частиц и максимальное значение их энергии, при которой предстоит эксплуатация устройства. При эксплуатации уже изготовленного устройства и осуществлении с его помощью предлагаемого способа его параметры, зависящие от геометрии конструкции (R, d, h) и свойств материала стенки канала (U) определяют допустимые значения режимных параметров способа (E и Q).
пр
8
Материал стенок 15, 16, 17 должен быть способен к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы. Подходящими материалами являются, в частности, боросиликатное и кварцевое стекло, керамика, полимерные материалы, материалы, обладающие свойствами электретов. Для такого легкодоступного материала, как стекло, электрическая прочность U может достигать значений порядка 10 В/м (см. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Том 2, с.207, рис.22-11. Москва, Энергоатомиздат, 1987 [5]).
Электризация внутренней поверхности стенки канала зарядами, знак которых соответствует знаку частиц, инжектируемых узлом 3 инжекции, возникает при запуске устройства в работу, а в процессе работы поддерживается в результате подзарядки этой поверхности (замены немногочисленных утекающих зарядов новыми, получаемыми из транспортируемого пучка). Электризация может быть достигнута и в результате предварительной зарядки поверхности, в частности, при использовании для изготовления стенки канала материалов, обладающих свойствами электретов (см. монографию "Электреты", под ред. Г. Сесслера, Москва, изд. "Мир", 1983 [6], с.32-54, где описаны разнообразные методы зарядки). Наличие на стенках канала указанных зарядов, имеющих тот же знак, что и частицы введенного в канал пучка, при соблюдении приведенного выше неравенства (2*) (которое соответствует условиям (1) и (2)) обеспечивает возможность введения пучка в канал и распространение его по каналу без существенных потерь благодаря отсутствию контакта со стенкой и без запирания канала.
При движении в канале частицы, имеющей энергию E, по траектории с радиусом кривизны R на нее действуют центростремительная сила
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>ц</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>E</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                               (3)</mtext></mrow>
e
e
которая "стремится" сбросить частицу с круговой траектории, и электростатическая сила, F, возникающая при взаимодействии электрона с наэлектризованной внутренней поверхностью стенки канала, которая удерживает частицу на круговой траектории. Силу F приближенно можно оценить по формуле:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>e</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><msub><mi>U</mi><mi>б</mi></msub><mi>x</mi></mrow><mrow><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                        (4)</mtext></mrow>
б
б
пр
где U - величина потенциального барьера, h - размер, показанный на фиг.4 и фиг.5 (т.е. при круглом поперечном сечении канала - это его внутренний диаметр), а x - координата в поперечном сечении канала, отсчитываемая от его продольной оси. Величина U потенциального барьера связана с электрической прочностью U материала стенки канала соотношением:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>б</mi></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mi>d</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                                            (5)</mtext></mrow>
где Q- модуль заряда частицы, d - толщина стенки канала.
e
ц
Частица может двигаться по окружности при условии F>F, т.е., с учетом того, что максимальное значение ч равно h/2:
<mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><msub><mi>U</mi><mi>б</mi></msub></mrow><mi>h</mi></mfrac><mo>></mo><mfrac><mi>E</mi><mi>R</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                               (6)   </mtext></mrow>
или, учитывая соотношение (5),
<mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>Q</mi><mo><</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>h</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                  (7)</mtext></mrow>
пр
Физические величины, входящие в соотношение (7), выражаются, как и в неравенствах (1), (2), (2*), в единицах СИ, т.е. имеют размерности: [E] = Дж, [Q] = Кл, [U] = В/м, [R]=[d]=[h] = м. Если же энергия E выражается во внесистемных единицах - электрон-вольтах, как это может иметь место в ускорительной технике и смежных с нею областях, то заряд Q должен выражаться в количестве элементарных зарядов (т.е. зарядов электрона), которому он кратен.
Условие (7) отличается от условий (1), (2), (2*) отсутствием в последних множителя 2, что отражает наличие "запаса", благодаря которому в движение по круговым траекториям может быть захвачено подавляющее большинство инжектированных в канал частиц.
Пучок инжектируемых частиц, направления скоростей которых первоначально имеют разброс относительно направления касательной к продольной оси канала 1 в месте сопряжения его с узлом 3 инжектирования, зависящий от расходимости инжектируемого пучка, при дальнейшем движении по каналу приобретает поперечный размер, меньший поперечного сечения просвета канала, т.е. фокусируется. Это происходит благодаря действию на частицы пучка электрического поля, создаваемого одноименно заряженной стенкой канала. Наличие электризации стенки при одновременном соблюдении условий (1), (2), (2*) позволяет пучку преодолевать изгибы канала, тоже не вступая в контакт с его стенкой. При этом пучок движется по изогнутому каналу, "прижимаясь" к стороне внутренней поверхности стенки канала, более удаленной от центра О кривизны продольной оси, но не сталкиваясь со стенкой. Благодаря этому не имеет места накопление на стенке избыточного заряда, который препятствовал бы прохождению частиц по каналу, уменьшая ток по мере продвижения пучка по каналу, и мог бы привести к его запиранию.
Инжектирование заряженных частиц в канал предлагаемого устройства во всех рассмотренных выше и других случаях его выполнения и использования может быть произведено с помощью известных средств и методов (см., например, монографию: А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Москва, Энерго-издат, 1981 [7], т.1, с.88, 104-105, т.2, с.191).
В частности, узел 3 инжектирования может содержать электронную или ионную пушку со средством ускорения электронов или ионов и размещен снаружи указанного канала с возможностью введения электронов или ионов в канал через отверстие в его стенке по касательной к продольной оси канала.
Кроме того, в случае, когда в качестве заряженных частиц используются электроны, возможно осуществление инжектирования заряженных частиц в канал непосредственно из самого канала. Для этого стенка канала имеет участок, внутренняя поверхность которого имеет покрытие или выполнена из материала, способного эмитировать электроны, и образует подогревный (термоэлектронный) или холодный (автоэлектронный) катод (см.: Электроника. Энциклопедический словарь. Москва, "Советская энциклопедия", 1991, с.190, 542-544, 598-599 [8]). С этим участком сопряжена ускорительная секция, тоже являющаяся частью канала, в которой инжектируемым электронам сообщается необходимая энергия. Ускорительная секция также может быть реализована с помощью известных средств с использованием электростатических, индукционных и др. методов (см. [7], т.1, с.6-83, 120-143).
И
И
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>E</mi></mrow><mi>m</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow>
По мере инжектирования частиц сила тока в контуре, который образует движущийся по каналу пучок частиц, нарастает. При силе тока инжекции, равной I, в канал в единицу времени входят n=I/ Q частиц. Каждая частица массы m, обладая скоростью
, делает
оборотов по круговой траектории. Поэтому через любое поперечное сечение канала в единицу времени проходят nN частиц. Этому соответствует приращение силы тока, создаваемое частицами, вводимыми в единицу времени,
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mi>n</mi><mi>N</mi><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>И</mi></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mi>R</mi></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mi>E</mi><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                                                             (8)</mtext></mrow>
И
Например, при использовании в качестве заряженных частиц электронов с энергией E=10 кэВ при радиусе продольной оси кольцевого канала R=10 см и силе тока инжекции I=1 мкА начальная скорость нарастания силы тока в кольце составит около 85 ампер в секунду (в приведенных выше расчетах релятивистские эффекты не учитывались). В устройстве, использованном при проведении экспериментального исследования предлагаемого способа, были получены токи порядка нескольких килоампер.
При прекращении инжектирования движение уже введенных в кольцевой канал заряженных частиц не прекращается и, следовательно, автоматически поддерживается существование сформированного ранее контура 2 с током, создаваемым указанными движущимися частицами, являющегося носителем энергии этих частиц и энергии магнитного поля, создаваемого током в контуре 2.
Во время инжектирования частиц, когда сила тока в контуре 2 увеличивается, индукция создаваемого эти током магнитного поля тоже увеличивается, благодаря чему оно способно индуцировать электродвижущую силу и может создавать ток в нагрузке, подключенной к контактам 9 витка 4 или катушек 5, 6 узла отбора энергии, выполненного по фиг.1-3. Вместо концентрического взаимного расположения канала 1 и витка 4 или катушки 5, показанного на фиг.1, 2, может быть использовано коаксиальное расположение, показанное на фиг.6, 7. Конструкция узла отбора по фиг.3, содержащая магнитопровод 7, способствует увеличению коэффициента индуктивной связи с контуром 2. При коаксиальном или концентрическом взаимном расположении канала 1 и витка 4 или катушки 5 (фиг.1, 2, 6, 7) тоже возможно использование ферромагнитного сердечника, например, сердечника 30, как показано штриховыми линиями на фиг.6 и 7.
Канал может быть выполнен также в виде многовитковой цилиндрической спирали 35 (фиг.8), концы которой соединены друг с другом участком 36, или в виде спирали 40, витки которой выглядят так, будто они намотаны на тор (фиг.9), а концы тоже соединены друг с другом. Витки катушки индуктивности узла отбора энергии в этих случаях могут быть расположены рядом с витками спирали, в том числе в промежутках между ними (они на чертежах не показаны, так же, как и узел инжектирования и узел прекращения тока, создаваемого пучком частиц, движущихся по замкнутым траекториям). Под многовитковой спиралью понимается спираль, имеющая более одного витка.
Отбор энергии может производиться также при прекращении тока в контуре 2, когда вследствие быстрого уменьшения тока происходит соответствующее уменьшение индукции создаваемого им магнитного поля и, так же, как при нарастании тока, возможно индуцирование ЭДС в витке 4 или катушках 5, 6 узла отбора энергии. Управление прекращением (обнулением) этого тока осуществляется с помощью узла 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, разные частные случаи реализации и работы которого иллюстрируются фиг.10-12.
В случае, показанном на фиг.10, узел 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, выполнен с возможностью формирования потока 41 частиц, направленного на внешнюю поверхность стенки канала. Частицы данного потока имеют тот же знак, что и инжектируемые в канал и транспортируемые по нему частицы (на фиг.10 предполагается, что эти частицы имеют отрицательный знак, например, являются электронами). При этом происходит нейтрализация индуцируемых на внешней поверхности стенки канала зарядов противоположного знака (на фиг.10 они показаны знаками "+") и, как следствие, уменьшение заряда (в данном случае - отрицательного) на внутренней поверхности стенки канала 1, поле которого обеспечивает искривление траектории частиц. Электрическое поле в канале, ранее обеспечивавшее фокусирование пучка заряженных частиц и движение их без контакта со стенкой канала, искажается, в результате чего траектории частиц изменяются. Эти траектории, которые в верхней части фиг.10 первоначально (до воздействия извне потоком 41 отрицательно заряженных частиц) имели вид штриховых линий, при воздействии этого потока приобретают вид линий 42. В результате дальнейшее существование в кольцевом канале замкнутого контура с током становится невозможным.
В показанном на фиг.11 случае прекращение тока в контуре 2 осуществляется благодаря такому выполнению узла 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, когда он связан механически с участком 45 стенки канала, выполненным с возможностью перемещения в направлении, нормальном к внутренней поверхности этого участка. В этом случае тоже происходит деформация электрического поля в соответствующей части канала, приводящая к невозможности дальнейшего движения частиц без контакта со стенкой канала. Траектории частиц, которые в верхней части фиг.11 первоначально (до перемещения участка 45 стенки) имели вид штриховых линий, после такого перемещения приобретают вид линий 46.
Прекращение тока пучка может быть осуществлено также с помощью узла 11 (фиг.12), имеющего магнитопровод 51 с обмоткой 52, формирующего магнитное поле, ориентированное по нормали к продольной оси канала 1 и, следовательно, перпендикулярно к первоначальному направлению вектора скорости частиц, транспортируемых по каналу 1. На фиг.12 показаны этот вектор скорости К и вектор индукции B магнитного поля. В результате воздействия этого магнитного поля на движущиеся в канале 1 заряженные частицы возникает сила Лоренца (на фиг.12 показан вектор F этой силы), изменяющая форму траекторий частиц, и последние уже не могут продолжать движение без контакта со стенкой канала. Траектории, частиц, которые в верхней части фиг.12 (см. правую проекцию) первоначально (до воздействия магнитного поля) имели вид штриховых линий, после такого воздействия приобретают вид линий 56. Для приведения узла 11 в действие достаточно подать напряжение на обмотку 52.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют накапливать энергию первоначально ускоренных заряженных частиц и сохранять ее в форме энергии движущегося по кругу пучка и энергии магнитного поля, создаваемого током этого пучка, при многократном (в сотни миллионов раз) превышении силы этого тока над током инжекции. При этом отбор энергии и передача ее потребителю возможны как в процессе накопления частиц в кольце (нарастания тока в пучке при инжектировании частиц), так и после его окончания. Эти процессы реализуются полностью в пассивном режиме, не требующем использования каких-либо средств для обеспечения работы устройства, осуществляющего способ, и энергии для работы таких средств (разумеется, необходим сам источник энергии для осуществления инжектирования). Сохранение энергии с поддержанием тока в кольцевом канале, продолжительность которого зависит от качества вакуумирования, происходит аналогично тому, как это имеет место при наличии сверхпроводимости, однако не требует использования криогенных средств.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №15417, опубл. 10.10.2000.
2. Патент РФ на полезную модель №84169, опубл. 27.06.2009.
3. В.С. Никитин. Технологии будущего. Изд. "Техносфера", Москва, 2010, с.162-169.
4. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение №2004110891, опубл. 10.10.2005.
5. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Москва, Энергоатомиздат, 1987. Том 2, с.207, рис.22-11.
6. Электреты. Под ред. Г. Сесслера, Москва, изд. "Мир", 1983, с.32-54.
7. А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Москва, Энергоиздат, 1981. т.1, с.6-83, 88, 104-105, 120-143; т.2, с.191.
8. Электроника. Энциклопедический словарь. Москва, "Советская энциклопедия", 1991, с.190, 542-544, 598-599.