ИОННАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
IONIC POWER PLANT FOR SPACECRAFTS

Данное изобретение относится к двигательным установкам (ДУ) космических аппаратов (КА), предназначенным для перемещения космических аппаратов в космическом пространстве.
Аналогом предлагаемой ДУ может служить проект прямоточного фотонного двигателя с электронным зеркалом [1]. В этих двигателях используется реакция аннигиляции, поэтому удельный импульс имеет максимально возможное значение и равен скорости света. Однако
для осуществления реакции аннигиляции в этом двигателе предлагается использовать антиводород, который должен подаваться в зону реакции из бортового аккумулятора антивещества, и обычное вещество, которое может подаваться в зону реакции как из бортового аккумулятора, так и из окружающего пространства.
Недостатком аналога является тот факт, что на сегодняшний день бортовой аккумулятор антивещества не создан и неизвестно каким образом возможно его создать. Кроме того, проблематично будет и создание электронного зеркала, особенно на низких околоземных орбитах ввиду влияния верхних слоев атмосферы, а также в радиационных поясах ввиду влияния заряженных частиц радиационных поясов.
Прототипом предлагаемой ДУ может служить ионный двигатель [2], состоящий из: источника рабочего тела, последовательно соединенных источника электрической энергии и преобразователя электрической энергии, ионизационной камеры, магнитной системы, нейтрализатора и ускоряющей системы, электрически связанных с преобразователем электрической энергии.
В ионном двигателе не существует температурных ограничений, поэтому в принципе возможно достижение сколь угодно больших скоростей истечения вплоть до приближающихся к скорости света.
Однако недостатком ионного двигателя является тот факт, что для повышения скорости истечения необходимо повышать затраты электроэнергии на разгон ионов рабочего тела и, соответственно, мощность источника электрической энергии, находящегося на борту КА, а следовательно и его массу. При этом масса источника электроэнергии будет возрастать гораздо сильнее, чем тяга и в результате будет сильно снижаться реактивное ускорение, сообщаемое КА [3], [4, с.28]. Достижимые значения скорости истечения лежат в диапазоне от 15 до 100 км/с [2], [4, с.24].
Одной из основных величин, определяющих энергетический КПД ионного двигателя является энергетическая цена иона в пучке, которая представляет собой отношение электрической мощности, потребляемой ионным источником (ионизационной камерой) к количеству ионов, поступающих в ускоряющую систему в единицу времени, которая характеризует энергозатраты на ионизацию рабочего тела [4, с.30], [5, с.53-54].
Чем меньше цена иона, то есть затраты электроэнергии на ионизацию рабочего тела, тем выше энергетический КПД, и соответственно, КПД ионного двигателя [5, с.53-54]. Ионы в ионных двигателях образуются в основном либо в газовом разряде в результате электронных ударов, либо при контакте атомов рабочего вещества с нагретой поверхностью [5, с.50-51]. В обоих случаях происходят затраты электроэнергии, в первом случае - на поддержание разряда, во втором - на нагрев корпуса ионизатора, которые происходят непрерывно весь цикл работы двигателя. Затраты электроэнергии на ионизацию атомов рабочего тела являются еще одним недостатком ионного двигателя, так как они могут существенно снизить энергетический КПД, и соответственно, КПД ионного двигателя [6] и могут достигать величин порядка 20-40% [4, с.26, 30, 237-239, 247, 251].
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение затрат электроэнергии на ионизацию атомов рабочего тела и, как следствие, увеличение КПД двигателя, а также увеличение скорости истечения рабочего тела при сохранении затрат электроэнергии на разгон ионов рабочего тела и, соответственно, сохранении мощности источника электрической энергии, находящегося на борту КА.
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>84</mn></mrow><mrow><mn>210</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi><mi>o</mi></mrow>
Эта задача решается тем, что в предлагаемой ионной двигательной установке КА, включающей источник рабочего тела, последовательно соединенные источник электрической энергии и преобразователь электрической энергии, ионизационную камеру, магнитную систему, нейтрализатор и ускоряющую систему, электрически связанные с преобразователем электрической энергии источник рабочего тела выполнен в виде системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе, также в ионную двигательную установку введен источник паров изотопа алюминия 27, вход которого связан с выходом системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе, а выход источника паров изотопа алюминия 27 сообщен с ионизационной камерой, введены также источник тепловой энергии, теплообменник для нагрева источника паров изотопа алюминия 27, связанный по теплу с источником тепловой энергии и источником паров изотопа алюминия 27, а также теплообменник для нагрева ионизационной камеры, связанный по теплу с источником тепловой энергии, введены также источники альфа-частиц, содержащие радиоактивные изотопы, испускающие длиннопробежные альфа-частицы (например изотопы полония
), при этом источники альфа-частиц встроены в ионизационную камеру, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой высокопористой структуры из смеси карбида бора и оксида бериллия, причем источник паров изотопа алюминия 27 и ионизационная камера нагреваются до температуры не ниже температуры кипения алюминия 27.
На чертеже изображена схема, иллюстрирующая предложенную ДУ КА, где:
1 - источник электрической энергии;
2 - преобразователь электрической энергии;
3 - ионизационная камера;
4 - магнитная система;
5 - нейтрализатор;
6 - ускоряющая система;
7 - система хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе;
8 - источник паров изотопа алюминия 27;
9 - источник тепловой энергии;
10 - теплообменник для нагрева источника паров изотопа алюминия 27;
11 - теплообменник для нагрева ионизационной камеры;
12 - источники альфа-частиц;
13 - слой высокопористой структуры, состоящий из смеси карбида бора и оксида бериллия, нанесенный на внутреннюю поверхность ионизационной камеры, имеющий высокопористую структуру.
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>84</mn></mrow><mrow><mn>210</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi><mi>o</mi></mrow>
Ионная двигательная установка космических аппаратов включает источник рабочего тела в виде системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе 7, последовательно соединенные источник электрической энергии 1 и преобразователь электрической энергии 2, ионизационную камеру 3, магнитную систему 4, нейтрализатор 5 и ускоряющую систему 6, электрически связанные с преобразователем электрической энергии 2, в двигательную установку введен источник паров изотопа алюминия 27 поз.8, вход которого связан с выходом системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе 7, а выход источника паров изотопа алюминия 27 поз.8 сообщен с ионизационной камерой 3, введены также источник тепловой энергии 9, теплообменник для нагрева источника паров изотопа алюминия 27 поз.10, связанный по теплу с источником тепловой энергии 9 и источником паров изотопа алюминия 27 поз.8, а также теплообменник для нагрева ионизационной камеры 11, связанный по теплу с источником тепловой энергии 9, введены также источники альфа-частиц 12, содержащие радиоактивные изотопы, испускающие длиннопробежные альфа-частицы (например, изотопы
), при этом источники альфа-частиц встроены в ионизационную камеру 3, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой высокопористой структуры из смеси карбида бора и оксида бериллия 13, причем источник паров изотопа алюминия 27 поз.8 и ионизационная камера 3 нагреваются до температуры не ниже температуры кипения алюминия 27.
Функционирование предлагаемой ионной двигательной установки КА происходит следующим образом. Из системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 в твердой фазе 7 изотоп алюминия 27 поступает в источник паров изотопа алюминия 27 поз.8, в источнике паров поз.8 алюминий с помощью теплообменника для нагрева источника паров изотопа алюминия 27 поз.10 нагревается до температуры не ниже температуры кипения и переходит в газообразное состояние, затем пары изотопа алюминия 27 поступают в ионизационную камеру 3, причем температура ионизационной камеры при помощи теплообменника для нагрева ионизационной камеры 11 поддерживается на уровне не ниже температуры кипения алюминия 27 с целью исключения конденсации паров алюминия на стенки ионизационной камеры 3.
В ионизационной камере происходит облучение алюминиевых паров альфа-частицами, образующихся в результате альфа-распада радиоактивных изотопов из источников альфа-частиц 12.
Причем при альфа-распаде атомных ядер довольно часто в кинетическую энергию движения альфа-частицы и ядра продукта превращается не вся энергия ядра. Часть этой энергии может пойти на возбуждение ядра продукта. Это ядро спустя короткое время после вылета альфа-частицы испускает один или несколько гамма-квантов и возвращается в нормальное состояние [7, с.338], [8, с.106]. Таким образом, источники альфа-частиц будут излучать не только альфа-частицы, но и гамма-кванты. При этом энергия испускаемых в результате альфа-распада гамма-квантов обычно не превышает 0,5 МэВ [8, с.106].
При облучении атома изотопа алюминия 27 альфа-частицей образуется изотоп фосфора 30 и нейтрон [7, с.341]:
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><mn>27</mn></mrow></msubsup><mi>A</mi><mi>l</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi><msubsup><mo>=</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><mn>27</mn></mrow></msubsup><mi>A</mi><mi>l</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi></mrow>
где
- ядро изотопа алюминия 27,
- ядро изотопа гелия 4 (альфа-частица),
- ядро изотопа фосфора 30,
- нейтрон.
Ядро изотопа фосфора 30 неустойчиво и склонно к бета-распаду, в результате которого образуется изотоп кремния 30 и позитрон [7, с.341]:
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi><msubsup><mo>→</mo><mrow><mn>14</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>S</mi><mi>i</mi><msubsup><mo>+</mo><mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mi>e</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>0</mn></msubsup><msub><mi>ν</mi><mi>e</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>14</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mi>e</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mn>0</mn><mn>0</mn></msubsup><msub><mi>ν</mi><mi>e</mi></msub></mrow>
где
- ядро изотопа фосфора 30,
- ядро изотопа кремния 30,
- позитрон,
- электронное нейтрино, кроме того освобождается один электрон из электронной оболочки атома [8, с.89].
-7
-11
Бета-распад часто сопровождается гамма-излучением [8, с.94], оно сопровождает бета-распад в тех случаях, когда часть энергии бета-распада затрачивается на возбуждение ядра продукта. Возбужденное ядро через малый промежуток времени (среднее время жизни гамма-активных ядер обычно порядка 10-10 с [8, с.108]) освобождается от избытка энергии путем испускания одного или нескольких гамма-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ [8, с.105-106, 158].
Поэтому в результате бета-распада будут также образовываться гамма-кванты. Причем радиоактивные атомы одного и того же сорта испускают бета-частицы самых различных энергий, начиная от нуля и заканчивая некоторым предельным значением [8, с.93], которое может достигать 2-2,5 МэВ [8, с.106].
В процессе испускания гамма-кванта энергия возбужденного ядра передается не только гамма-кванту, но и самому ядру в виде кинетической энергии поступательного движения последнего или энергии отдачи [8, с.109]. Таким образом, ядро кремния 30, получившееся в результате бета-распада фосфора 30, в случае излучения гамма-кванта приобретет скорость. Оценим скорость, приобретаемую ядром кремния 30. Предположим, что до излучения гамма-кванта атом покоился, тогда после излучения гамма-кванта, в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>γ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>M</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msup><mi>с</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>8,</mn><mtext> </mtext><mi>c</mi><mn>.110</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>}</mo></mrow></mrow>
яд
γ
яд
(где К - кинетическая энергия ядра, Е - энергия гамма-кванта, М - масса ядра, с - скорость света),
яд
скорость ядра кремния 30 ϑ, будет вычисляться по формуле:
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>γ</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>М</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mi>с</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>{</mo><mn>2</mn><mo>}</mo></mrow></mrow>
4
В соответствии с формулой {2}, при излучении гамма-кванта энергии 2,5 МэВ, скорость, приобретаемая ядром кремния 30, может достигать 2,5·10 м/с.
<mrow><msubsup><mrow /><mn>5</mn><mrow><mn>10</mn></mrow></msubsup><mi>B</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mn>4</mn><mn>9</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>e</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><mn>27</mn></mrow></msubsup><mi>A</mi><mi>l</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>14</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow>
В результате реакции (1) помимо фосфора 30 образуется, как показано выше, еще и нейтрон. При захвате медленных нейтронов легкими ядрами (А≤50), т.е. ядрами элементов, присутствующих в рабочей камере, за исключением
и
(то есть
,
кислорода и углерода), наиболее вероятным оказывается вылет из ядра нейтронов первоначальной энергии, т.е. осуществляется реакция упругого рассеяния нейтронов [8, с.222].
При больших энергиях падающих нейтронов становится возможным неупругое рассеяние, при котором конечное ядро получается не в основном, а одном из возбужденных состояний [8, с.228], нейтрон при этом теряет часть своей энергии, а возбужденное ядро испускает гамма-квант при переходе в основное состояние. Таким образом, взаимодействие нейтронов с ядрами приводит к генерации этими ядрами гамма-квантов [8, с.217, 222], соответствующих квантовым уровням этих ядер.
Поэтому быстрые нейтроны, возникающие в результате реакции (1) при взаимодействии с ядрами алюминия 27, подаваемого в рабочую камеру, кремния 30, получаемого в результате реакции (2), кислорода 14 и углерода 12, входящих в состав позиции 13, будут передавать часть своей энергии этим ядрам, возбуждая их, а ядра, в свою очередь, при переходе из возбужденного в основное состояние будут испускать гамма-кванты.
Бериллий и его оксид являются одним из наиболее эффективных замедлителей нейтронов, применяющихся в ядерных реакторах, замедляющий быстрые нейтроны до тепловых энергий [8, с.275-276, 280].
<mrow><msubsup><mrow /><mn>5</mn><mrow><mn>10</mn></mrow></msubsup><mi>B</mi></mrow>
Эффективное сечение поглощения нейтрона ядром
обратно пропорционально скорости нейтрона, поскольку при уменьшении кинетической энергии нейтрона будет уменьшаться его скорость, при уменьшении скорости нейтрона будет увеличиваться время его взаимодействия с ядром, а это увеличивает вероятность захвата нейтрона ядром [8, с.220].
<mrow><msubsup><mrow /><mn>4</mn><mn>9</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>e</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mn>5</mn><mrow><mn>10</mn></mrow></msubsup><mi>B</mi></mrow>
,
Поэтому при уменьшении энергии нейтронов после взаимодействия с ядрами алюминия 27, подаваемого в рабочую камеру, кремния 30, получаемого в результате реакции (2), кислорода 14 и углерода 12, входящих в состав позиции 13, и особенно с ядрами
, входящего в состав позиции 13, будет возрастать вероятность захвата нейтронов ядрами  входящего в состав 13, с испусканием альфа-частицы [8, с.222-223, 227-228]:
<mrow><msubsup><mrow /><mn>5</mn><mrow><mn>10</mn></mrow></msubsup><mi>B</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><msubsup><mo>=</mo><mn>3</mn><mn>7</mn></msubsup><mi>L</mi><mi>i</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
5
Причем, сечение этой реакции примерно в 10 раз превосходит сечение радиационного захвата нейтрона. Столь большая вероятность испускания альфа-частицы связана с тем, что захват нейтрона ядром сопровождается выделением энергии, значительная часть которой (1,77 МэВ) уносится альфа-частицей. Поэтому кулоновский барьер не оказывает альфа-частице серьезных препятствий для вылета из ядра [8, с.227-228].
Позитрон, полученный в результате реакции (2), через короткое время (миллионные доли секунды) аннигилирует с электроном [8, с.103, 380], причем если это будет электрон одной из электронных оболочек атома, то произойдет ионизация атома.
При аннигиляции свободных электрона и позитрона не может появляться только один гамма-квант, так как в противном случае нарушалось бы одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса [8, с.152, 379], при этом энергия гамма-квантов будет равна энергии аннигиляции.
Позитроны, проходя через вещество, испытывают аннигиляционные потери за счет двухфотонной аннигиляции с электронами вещества [8, с.157], поэтому в основном в результате реакции аннигиляции позитрона с электроном будут появляться 2 гамма-кванта с энергией не менее ~0,51 МэВ каждый.
Часть гамма-квантов, образовавшихся в результате вышеперечисленных процессов, будет участвовать в реакции:
<mrow><mi>γ</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>4</mn><mn>9</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><msubsup><mn>2</mn><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Причем для данной реакции энергия освобождения нейтрона мала, и для осуществления данной реакции достаточно энергии гамма-квантов, испускаемых радиоактивными веществами [8, с.230].
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><mn>27</mn></mrow></msubsup><mi>A</mi><mi>l</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mrow /><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msubsup><mi>P</mi></mrow>
Альфа-частицы, возникающие в результате реакций (3) и (4), будут взаимодействовать с
в соответствии с реакцией (1), образовавшийся в результате реакции (1)
, будет распадаться в соответствии с реакцией (2) и так далее вплоть до реакции (4). Таким образом, процессы, происходящие в рабочей камере двигателя будут иметь циклический характер, причем количество реакций (1-4) в каждом новом цикле будет возрастать, так как каждая альфа-частица, участвующая в реакции, (1) будет вызывать появление до трех новых альфа-частиц, в соответствии с реакциями (2) и (3).
Часть альфа-частиц, возникающих в результате реакций (3) и (4), а также из источников альфа-частиц будут взаимодействовать с бериллием [8, с.227]:
<mrow><msubsup><mrow /><mn>4</mn><mn>9</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>e</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi><msubsup><mo>=</mo><mn>6</mn><mrow><mn>12</mn></mrow></msubsup><mi>C</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>5,6</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>э</mi><mi>В</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
С нейтронами, возникающими в результате реакции (4) и (5), будет происходить то же, что и с нейтронами, возникающими в результате реакции (1), то есть быстрые нейтроны будут испытывать неупругое рассеяние при взаимодействии с ядрами алюминия 27, подаваемого в рабочую камеру, кремния 30, получаемого в результате реакции (2), кислорода 14 и углерода 12, входящих в состав позиции 13, и будут передавать часть своей энергии этим ядрам, возбуждая их, а ядра, в свою очередь, при переходе из возбужденного в основное состояние будут испускать гамма-кванты, медленные нейтроны будут испытывать упругое рассеяние при взаимодействии с теми же ядрами, а нейтроны, взаимодействующие с ядрами бериллия, независимо от их энергии могут замедлиться до тепловых энергий, после чего может произойти захват нейтронов бором, входящим в состав поз.13, в соответствии с реакцией (3).
7
Кроме всего прочего, часть нейтронов, образовавшихся в результате реакций (1), (4) и (5), будет покидать рабочую камеру, придавая двигателю реактивное ускорение. Причем скорости нейтронов могут достигать величин ~3·10 м/с [8, с.234-236].
Таким образом, в рабочей камере двигателя будут образовываться гамма-кванты широкого спектра энергий в результате следующих процессов:
- альфа-распада, происходящего в источниках альфа-частиц (энергия ≤0,5 МэВ);
- бета-распада фосфора 30 (энергия ≤2,5 МэВ);
- реакции аннигиляции (энергия ≥0,51 МэВ);
- взаимодействия нейтронов с ядрами;
- а также кулоновского возбуждения ядер при столкновениях с заряженными частицами в ядерных реакциях [8, с.107].
Гамма-кванты будут взаимодействовать с веществами, присутствующими в рабочей камере следующим образом.
Часть гамма-квантов, в основном энергией менее 0,1 МэВ, будут производить фотоэффект, поскольку фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения при низких энергиях гамма-излучения, а при высоких энергиях его роль становится ничтожной [8, с.151]. То есть один электрон из электронной атомной оболочки будет выбрасываться за пределы атома, и таким образом будет происходить ионизация атома.
Причем вероятность фотоэффекта выше для электронов, которые сильнее связаны с атомами [8, с.151]. Поэтому вырывание электронов будет происходить в основном с нижних уровней (т.е. близких к ядру) в том случае, если энергия гамма-кванта больше энергии ионизации электронной оболочки нижнего уровня [8, с.150-151]. При вырывании электронов с нижних уровней (т.е. близких к ядру) будет происходить переход электронов с вышележащих электронных слоев и оболочек на место, освобожденное электроном, вырванным в результате фотоэффекта, переходы электронов на более низкие уровни будут сопровождаться рентгеновским излучением [8, с.107]. Например, при удалении электрона с нижнего электронного уровня атома алюминия может быть выделено до 12 квантов рентгеновского излучения (в случае перехода 12 оставшихся электронов на более низкие уровни), которые могут ионизировать посредством фотоэффекта еще 12 атомов алюминия.
Свободный электрон принципиально не может поглощать и испускать гамма-квант, так как в противном случае было бы нарушено одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса [8, с.150], поэтому гамма-кванты небольших энергий будут поглощаться только связанными электронами и производить фотоэффект.
Электроны, освобожденные в результате фотоэффекта, будут разгоняться электрическим полем, создаваемым ускоряющей системой. И при взаимодействии с электронами оболочек атомов рабочего тела, присутствующего в рабочей камере, будут передавать им часть своей кинетической энергии и таким образом ионизировать атомы рабочего тела (ионизация электронным ударом).
При увеличении энергии гамма-квантов вплоть до нескольких МэВ, существенную роль во взаимодействии гамма-квантов с веществом, находящимся в рабочей камере, будет играть эффект Комптона [8, с.151, 154].
В случае эффекта Комптона будет происходить рассеяние гамма-квантов (изменение направления движения) и частичное уменьшение энергии гамма-квантов за счет передачи части энергии комптоновским электронам отдачи [8, с.152], при этом электроны отдачи могут получать релятивистские скорости [9, с.27, 31, 32] и соответственно покидать атом, таким образом будет проводиться ионизация атома. Причем электроны отдачи, вектор скорости которых параллелен линиям напряженности электрического поля рабочей камеры или отклонен на небольшой угол и направлен в сторону, противоположную движению положительно заряженных частиц в рабочей камере, во время своего движения будут получать дополнительное ускорение от электрического поля и развивать еще большие скорости.
<mrow><mi>γ</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>4</mn><mn>9</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><msubsup><mn>2</mn><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При столкновении со стенками камеры или частицами, находящимися в объеме рабочей камеры, они будут испытывать резкое торможение из-за кулоновского взаимодействия не только с электронами, но и с атомными ядрами, при котором будет возникать тормозное излучение электронов, которое может сопровождаться возникновением мощных потоков гамма-квантов, направленных преимущественно вперед [8, с.155-157]. Гамма-кванты, полученные в результате тормозного излучения электронов будут участвовать во всех процессах, описанных выше, в том числе и в реакции
, особенно, если гаммы кванты будут получены в результате столкновения электронов с частицами слоя, состоящего из смеси карбида бора и оксида бериллия, нанесенного на внутреннюю поверхность ионизационной камеры.
Кроме того, электроны, движущиеся с большими скоростями, будут взаимодействовать с электронами оболочек атомов рабочего тела, присутствующего в рабочей камере, будут передавать им часть своей кинетической энергии и таким образом ионизировать атомы рабочего тела (ионизация электронным ударом).
Рассеянный на электроне в результате эффекта Комптона гамма-квант может сам в дальнейшем претерпеть комптоновское рассеяние, в результате чего получит кинетическую энергию еще один электрон отдачи, и таким образом ионизировать еще один атом и так далее до тех пор, пока этот гамма-квант не покинет рабочую камеру или пока его энергия не уменьшиться настолько, что он произведет фотоэффект.
Как уже говорилось выше, фотоэффект преобладает при низких энергиях гамма-квантов, при средних (несколько МэВ) будет преобладать эффект Комптона, а при высоких преобладающую роль во взаимодействии гамма-квантов с веществом будет играть рождение пар [8, с.154].
Часть гамма-квантов, будет преобразовываться в пары, состоящие из электрона и позитрона. Превратиться в электрон-позитронную пару гамма-квант может только тогда, когда его энергия больше суммы энергий покоя электрона и позитрона (1,02 МэВ), это порог рождения пар [8, с.152-153].
Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле какой-либо частицы, возможно также рождение пар при столкновении двух гамма-квантов. Однако с наибольшей вероятностью происходит рождение пар гамма-квантами в кулоновском поле ядра. Ядро воспринимает импульс отдачи в соответствии с законами сохранения энергии и импульса, причем передача импульса отдачи ядру происходит посредством его кулоновского поля [8, с.153]. Таким образом, при рождении электрон-позитронных пар импульс гамма-кванта воспринимается ядром [8, с.153, 380].
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>γ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>{</mo><mn>3</mn><mo>}</mo></mrow></mrow>
Оценим скорость ядра алюминия 27 приобретенную в результате получения импульса отдачи при рождении электрон-позитронной пары в его кулоновском поле. Предположим, что ядро до получения импульса гамма-кванта покоилось. Тогда в соответствии с законом сохранения импульса
. Отсюда скорость ядра после получения импульса отдачи будет определяться по формуле {2}:
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>γ</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>М</mi><mrow><mi>я</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mi>с</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>{</mo><mn>2</mn><mo>}</mo></mrow></mrow>
4
и в случае превращения в пару гамма-кванта с энергией ~1,02 МэВ будет порядка 1,2·10 м/с.
Таким образом, будет происходить увеличение кинетической энергии и соответственно скорости истечения ионов рабочего тела.
Полученные в результате рождения пар позитроны будут, проходя через вещество, аннигилировать с электронами с образованием гамма-квантов, которые будут взаимодействовать с веществом, находящимся в рабочей камере посредством процессов, описанных выше.
Электроны, полученные в результате рождения пар, будут разгоняться электрическим полем, создаваемым ускоряющей системой. И при взаимодействии с электронами оболочек атомов рабочего тела, присутствующего в рабочей камере, будут передавать им часть своей кинетической энергии и таким образом ионизировать атомы рабочего тела (ионизация электронным ударом).
Таким образом, в рабочей камере двигателя будет происходить ионизация атомов рабочего тела:
- в результате фотоэффекта, производимого гамма-квантами (в основном гамма-кванты с энергией <0,1 МэВ);
- в результате эффекта Комптона, производимого гамма-квантами (в основном гамма-кванты с энергией ≥0,1 МэВ);
- в результате фотоэффекта, производимого рентгеновскими квантами, получаемыми при вырывании электронов с нижних уровней;
- в результате аннигиляции позитронов с электронами атомных оболочек;
- за счет электронных ударов от электронов, получивших большие скорости в результате эффекта Комптона, либо возникших в результате превращении гамма-квантов в электрон-позитронные пары, либо от электронов, освобожденных в результате фотоэффекта;
- за счет кулоновского взаимодействия альфа-частиц с атомами рабочего тела.
За счет этих эффектов ионизация атомов рабочего тела будет протекать без внешнего вмешательства, и электрическая энергия на ионизацию атомов рабочего тела затрачиваться не будет.
При аннигиляции электронов и позитронов будут возникать гамма-кванты сплошного спектра энергий от 0,51 и выше ввиду того, что суммарные скорости электронов и позитронов в момент встречи также будут представлять широкий интервал значений от 0 м/с до релятивистских скоростей. Т.о., часть гамма-квантов будет иметь энергию, равную энергии перехода ядра атома алюминия (или ядра кремния) на более высокий энергетический уровень плюс энергия на сообщение ядру поступательного движения, которое должно присутствовать при поглощении гамма-квантов ядрами [8, с.109]. Эти гамма-кванты будут поглощаться ядрами рабочего тела. При поглощении энергия гамма-кванта идет не только на возбуждение внутренней энергии ядра, но и на сообщение ему поступательного движения [8, с.109-110].
-7
-11
Через некоторое время (10-10 с [8, с.108]) возбужденное ядро испустит гамма-квант. Причем в процессе испускания гамма-кванта энергия возбужденного ядра передается не только гамма-кванту, но и самому ядру в виде кинетической энергии поступательного движения последнего или энергии отдачи [8, с.109]. Таким образом, ядро получает кинетическую энергию при поглощении и испускании гамма-квантов
4
В соответствии с формулами {1-2} также можно оценить скорость, полученную ядром при поглощении/испускании гамма-кванта, которая будет иметь порядок ~10 м/с.
Таким образом, с учетом всего вышеизложенного ускорение частиц в рабочей камере двигателя помимо ускорения заряженных частиц электрическим полем будет происходить в результате следующих процессов:
7
7
<mrow><msubsup><mrow /><mn>5</mn><mrow><mn>10</mn></mrow></msubsup><mi>B</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>0</mn><mn>1</mn></msubsup><mi>n</mi><msubsup><mo>=</mo><mn>3</mn><mn>7</mn></msubsup><mi>L</mi><mi>i</mi><msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mi>H</mi><mi>e</mi></mrow>
- получения кинетической энергии продуктами ядерных реакций (скорость частиц может достигать порядка 10 м/с, например, в случае реакции (3)
, значительная часть энергии, выделяемой при реакции, (1,77 МэВ) уносится альфа-частицей [8, с.227-228], тогда скорость альфа-частицы будет ~0,9 10 м/с);
4
- получения импульса отдачи ядром-продуктом при бета-распаде (скорость частиц порядка 10 м/с);
4
- получения импульса отдачи ядром при образовании электрон-позитронной пары в его поле (скорость частиц порядка 10 м/с);
4
- получения импульса отдачи ядром при поглощении/испускании гамма-кванта (скорость частиц порядка 10 м/с);
- взаимодействия нейтронов с ядрами.
При этом кинетическая энергия, получаемая частицами рабочего тела в результате этих процессов, будет добавляться к кинетической энергии, сообщаемой иону электрическим полем, в результате скорость истечения частиц рабочего тела будет выше, чем в ионном двигателе.
Таким образом, предлагаемый двигатель позволяет:
- снизить затраты электроэнергии на ионизацию атомов рабочего тела практически до нуля и таким образом существенно увеличить КПД;
- увеличить скорость истечения рабочего тела без увеличения затрат электроэнергии;
- применять рабочее тело с низкой стоимостью (алюминий);
- упростить процедуру хранения рабочего тела по сравнению с существующими ДУ;
- увеличить тягу без увеличения затрат электроэнергии.
То есть достигнута задача предлагаемого изобретения: уменьшение затрат электроэнергии на ионизацию атомов рабочего тела и, как следствие, увеличение КПД двигателя, а также увеличение скорости истечения рабочего тела при сохранении затрат электроэнергии на разгон ионов рабочего тела и, соответственно, сохранении мощности источника электрической энергии, находящегося на борту КА.
Список использованной литературы
1. Бурдаков В.П., Данилов В.И. Физические проблемы космической тяговой энергетики. // М.: Атомиздат. 1969. С.279-280.
2. Космические двигатели: состояние и перспективы. Под редакцией Л.Кейвни. // М.: Мир. 1988. С.184-185.
3. Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. 3-е изд., дополненное и переработанное. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980. С.43-44.
4. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холовские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. Под. ред. академика РАН Коротеева А.С. - М.: Машиностроение, 2008. 280 с.
5. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение. 1989. 216 с.
6. С.Нейдиш, Л.Галлагер, Р.Гринфилд, Дж. Раулитт. Экспериментальные ионные источники для двигателей. Сборник статей. Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. - М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники. 1961. С.68.
7. А.Т.Глазунов, О.Ф.Кабардин, А.Н.Малинин, В.А.Орлов, А.А.Пинский. Физика. Учебное пособие для 11 класса школ и классов с углубленным изучением физики. 2-е издание. - М.: Просвещение. 1995. 432 с.
8. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Учебное пособие для ВУЗов. В 2-х ч. Ч. 2. Ядерная физика (Общий курс физики; T.V). - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит. 1989. 416 с.
9. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Учебное пособие для ВУЗов. В 2-х ч. Ч. 1. Атомная физика (Общий курс физики; T.V). - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит. 1986. 417 с.