НАКОПИТЕЛЬНАЯ ЛОВУШКА ФОТОНОВ
ACCUMULATIVE PHOTON TRAP

Изобретение относится к области оптоэлектроники и в частности к электронно-оптическим устройствам, оптические функции которых изменяются при изменении оптических свойств среды, а также управлении светом с помощью градиентных электрических полей электронного облака с градиентом концентрации электронов.
8
Известны различные лазерные устройства, в которых лампу накачки и резонатор можно рассматривать как ловушку для фотонов. Однако в существующих схемах таких устройств применяется система зеркал, которые обращают путь фотона, обеспечивая его многократное отражение при прохождении рабочей зоны лазера. Недостатком такой фотонной ловушки как раз и является наличие зеркал, так как при многократном отражении светового луча от зеркал происходит потеря световой энергии, и поэтому время удержания в ней фотонов мало (например, при длине резонатора 3 м время τ≈10 с.) (Патент RU 2095898(13) С1. Оптический резонатор для лазеров на свободных электронах. МПК H01S 3/00, H01S 3/22 по заявке: 95111794/25. Дата подачи заявки: 10.07.1995. Авторы Богатова Г.А.; Перебейнос В.В.; Чебуркин Н.В).
http://nuclphvs.sinp.msu.ru/experiment/).
Известны также ловушки для удержания заряженных частиц высоких энергий в локальной области, которые используют конфигурированные магнитные и электрические поля. Существующие ловушки заряженных частиц предназначены для удержания фермионов, например электронов или протонов, распределение которых подчиняется статистике Ферми-Дирака, а следовательно, их плотность в локальном объеме пространства теоретически ограничена некоторым пределом согласно запрету Паули (Ускорители заряженных частиц. Web-публикация на основе учебного пособия Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И.Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент". - М.: Издательство МГУ, 2005.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится устройство (прототип) для создания устойчивых тороидальных плазменных вихрей в свободной атмосфере. Это устройство содержит цилиндрический полый электрод, центральный линейный электрод, расположенный по оси цилиндрического полого электрода и металлической мембраны (1. Кунин В.Н., Плешивцев B.C. Эксперименты по исследованию природы шаровой молнии. Деп. в ВИНИТИ 29.05.98, №1678. В98.; 2. Кунин В.Н. Научное открытие. Диплом №338. // Научные открытия: сборник кратких описаний научных открытий, научных гипотез - 2007. МААНОИ, 2008. С.46.).
В прототипе металлическая мембрана, зажатая между цилиндрическим электродом и центральным линейным электродом, взрывается мощным импульсом тока, при этом образуется оптически плотная плазма, в которой за счет радиального градиента электронной концентрации и в результате нелинейной рефракции происходит закольцовка световых лучей. Такой плазменный вихрь становится ловушкой для фотонов. Удержание фотонов в плазменном вихре происходит в течение времени порядка секунды.
Недостатком указанного устройства является то, что оно работает в импульсном режиме и в каждом новом цикле необходима перезарядка мембраны. В процессе эксплуатации устройства подгорают полый цилиндрический и центральный линейный электроды. К недостаткам следует отнести присутствие в плазме высокой концентрации вредных загрязнений, образующихся при взрыве фольги и подгорании электродов, что затрудняет целенаправленное применение ловушки, например, для осуществления фотонных реакций и получения необходимого полезного выхода этих реакций. Кроме того, в этом устройстве фотонная ловушка не локализована в пространстве, поскольку плазменный вихрь, рожденный в пространстве между полым цилиндрическим и центральным линейными электродами, перемещается в свободной атмосфере.
Указанные недостатки препятствуют практическому использованию оптической энергии, накопленной таким способом.
Задачей изобретения является создание устройства для удержания и накопления фотонов, которое может применяться во всех областях техники, где требуется высокая и сверхвысокая фотонная плотность, а также в реакторах, где необходимо сообщить взаимодействующим частицам большую энергию.
Для достижения поставленной задачи цилиндрический полый электрод покрыт изнутри материалом, обеспечивающим эмиссию электронов в полость между полым цилиндрическим и центральным управляющим электродом цилиндрической формы. Два экранирующих электрода, подсоединенные к источнику электрического питания и установленные соосно и симметрично к полому цилиндрическому электроду с двух сторон на расстоянии от его торцов, обеспечивают удержание электронов в полости между полым цилиндрическим и центральным управляющем электродами. В стенке полого цилиндрического электрода выполнено отверстие, осевая линия которого совпадает с касательной к окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра полого цилиндрического электрода и больше диаметра центрального управляющего электрода. Через это отверстие в полость вводится оптическое излучение от источника фотонов. Электроды размещены в герметичном корпусе, внутренний объем которого вакуумируется в нужной степени.
На фиг.1, 2 показано предлагаемое устройство. Накопительная ловушка фотонов содержит полый цилиндрический электрод 1, внутренняя поверхность которого покрыта веществом, обеспечивающим эмиссию электронов. Соосно с ним и внутри него расположен центральный управляющий электрод 2 цилиндрической формы, так что между внутренней поверхностью полого цилиндрического электрода и поверхностью управляющего центрального цилиндрического электрода образована полость 3 цилиндрической формы. Эта полость заполняется эмитированными электронами 4. С обоих торцов цилиндрического полого электрода соосно с ним и на расстоянии, обеспечивающем удержание в полости электронов электрическим полем, установлены экранирующие электроды 5. Электроды подсоединены к источнику электрического питания 6 и на них поддерживается необходимый электрический потенциал по величине и знаку. В полом цилиндрическом электроде выполнено отверстие 7, ось которого совпадает с касательной к окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра полого цилиндрического электрода и больше диаметра центрального управляющего электрода. Через это отверстие от источника оптического излучения 8 вводится в полость пучок фотонов 9. Электроды и экранирующие диски размещены внутри корпуса 10, внутренний объем которого вакуумируется в нужной степени. Пучок фотонов распространяется в цилиндрической полости, заполненной свободными электронами, концентрация которых меняется по радиусу в соответствии с величиной и направлением напряженности электрического поля Е, создаваемого управляющим электродом, которое задает необходимый градиент концентрации электронов  Вследствие электронной рефракции траектория пучка фотонов принимает криволинейную форму 11 и смещается в область критической рефракции, где траектория будет иметь форму окружности 12. Запущенные внутрь устройства фотоны будут проходить многократно внутри кольцевой полости, не покидая ее.
Для достижения необходимого эффекта в устройстве создается, формируется и удерживается электронная атмосфера с заданным по величине и направлению радиальным градиентом концентрации электронов. Благодаря эмиссии электронов с внутренней поверхности полого цилиндрического электрода 1 в полости 3 между полым эмитирующим электродом и центральным управляющим электродом 2 образуется электронная атмосфера с необходимым градиентом концентрации электронов, направленным по радиусу. Электрическое поле экранирующих электродов предотвращает утечку электронов из полости. Электрический потенциал по величине и знаку на центральном цилиндрическом электроде 2 позволяет регулировать величину градиента электрического поля в полости между центральным и полым электродами и тем самым обеспечивать необходимый для работы ловушки радиальный градиент концентрации электронов. Плотность частиц в потенциальном поле (в электрическом поле) меняется согласно распределению Больцмана по экспоненциальному закону от внутренней поверхности полого электрода 1 и убывает с расстоянием от него. Поскольку градиент экспоненты также экспонента, то максимальная плотность электронной атмосферы будет вблизи поверхности полого электрода, т.е. плотность электронной атмосферы максимальна у эмитирующей поверхности. Оптические свойства такой атмосферы характеризуются изменяющимся по радиусу показателем преломления, что приводит к электронной рефракции светового луча в сторону уменьшения концентрации электронов.
В полость 3, заполненную электронами 4, вводится пучок фотонов 9 по касательной к окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра полого цилиндрического электрода и больше диаметра центрального управляющего электрода. Фотоны распространяются в межэлектродной полости, заполненной электронами. За счет градиента концентрации электронов  и вследствие рефракции траектория фотонов принимает криволинейную форму 11 и смещается в область критической рефракции. В этой области траектория будет иметь форму окружности 12 с радиусом, определяемым формулой , где n - показатель преломления, dn/dr - градиент показателя преломления.
кp
кр
кр
Для предотвращения выхода фотонов наружу через это окно пучок фотонов вводится по касательной к окружности с радиусом R>r. Поскольку градиент концентрации электронов увеличивается с увеличением радиуса, то критический радиус r траектории светового луча становится соответствующим принципу Ферма и фотон не может перейти на траекторию с радиусом R не равным r, так как это противоречит принципу Ферма. Этим достигается невозможность лучу покинуть внутреннюю полость полого цилиндрического электрода в обратном направлении, т.е. в этой полости осуществляются захват и удержание фотонов. Внутри цилиндрической полости фотон многократно проходит по замкнутой траектории не взаимодействуя со стенками электродов и не покидая полость (критическая рефракция), поэтому эта полость с градиентной электронной атмосферой выполняет роль ловушки фотонов.
8
При непрерывной работе источника фотонов в ловушке накапливаются фотоны. Поскольку каждый фотон проходит многократно по кольцу (при длине кольца порядка 1 м фотон проходит 3·10 раз за 1 секунду), то интенсивность пучка фотонов внутри устройства значительно возрастает, что приводит к нелинейной рефракции и эффекту самофокусировки (самосжатию) пучка (Аскарьян Г.А. Эффект самофокусировки. // УФН т.111, вып.2, 1973. С 249-260). Это в свою очередь приводит к уменьшению поперечного сечения светового пучка и к еще большему повышению плотности энергии в нем.
Данное устройство обеспечивает удержание и накопление фотонов в локальной области пространства. Создание накопительной ловушки для фотонов, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, позволит создать фотонные пучки с теоретически неограниченной плотностью в локальной области пространства, поскольку в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное количество тождественных бозонов. Чистая атмосфера устройства позволяет загружать ее необходимым исходным продуктом, например дейтерием, и обеспечивать энергетическую накачку ядер за счет многофотонных столкновений для протекания заданных реакций, например реакций синтеза.