СПОСОБ СОЗДАНИЯ БЕСПРОВОЛОЧНОГО СОЛЕНОИДА Российский патент 1997 года по МПК H01J3/20 H01J29/78 H05H15/00 F03H5/00 

Изобретение относится к физике и может найти применение не только для научных исследований, но и для решения важных технических задач, связанных с получением протяженных однородных электромагнитных полей.

Известен способ создания соленоида путем сворачивания в спираль изолированного проводника, по которому течет электрический ток [1]
Недостатком данного способа создания соленоида является использование в качестве электрического проводника соленоида материала, обладающего омическим сопротивлением, что приводит к большим тепловым потерям.

Известны способы создания многовитковых соленоидов путем сворачивания в спираль проводников, выполненных из прочного материала с высокой электропроводностью и охлаждаемых для отвода джоулева тепла мощным потоком охлаждающей жидкости [2]
Недостатком этого способа является необходимость применения дополнительного оборудования для охлаждения витков.

Прототипом является способ создания соленоида путем сворачивания в спираль проводника с током, выполненного из сверхпроводящего материала [3]
Недостатком прототипа является то, что способ требует создания специфических условий, например, очень низких температур для обеспечения эффекта сверхпроводимости материала проводника, а также применения дорогостоящих материалов для изготовления сверхпроводящих витков соленоида, что делает расходы на его изготовление весьма большими.

Кроме того, по этим же причинам для всех способов создания проволочных соленоидов имеются существенные ограничения на линейные размеры (длину) получаемых соленоидов, что может быть в некоторых случаях нежелательно.

Причиной этих ограничений является рост материальных, экономических, энергетических затрат на создание подобных устройств.

Помимо этого недостатками данных соленоидов являются ограничение их функций, например, невозможность применения указанных соленоидов для создания протяженных магнитных коридоров между объектами, когда необходимо быстро создать достаточно протяженное магнитное поле.

Цель изобретения устранение тепловых потерь энергии на нагрев проводника, возможность создания соленоида большой длины и расширение его функций.

Поставленная цель достигается тем, что в беспроволочном соленоиде, представляющем собой спиральный проводник, спиральный проводник соленоида представляет собой узконаправленный поток заряженных частиц одного знака, например, электронов, спирально закрученный вокруг другого прямолинейного узконаправленного потока заряженных частиц противоположного знака, например, ионов, сформированного внутри и вдоль мощного лазерного луча, причем, прямолинейный узконаправленный поток должен быть сформирован из более тяжелых и обладающий большей энергией частиц, чем спирально закрученный поток.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - силы, действующие на центральный и спиральный потоки.

Устройство содержит блок 1, объединяющий: генератор плазмы, лазер, прибор для разделения плазмы на положительные ионы и электроны, например, масс-сепаратор, и ускоритель; источник 2 заряженных частиц, например, электронную пушку; узконаправленный прямолинейный поток 3 положительно заряженных частиц, охваченный мощным лазерным лучом; узконаправленный спирально закрученный поток 4 отрицательно заряженных частиц.

Устройство работает следующим образом.

Под действием на вещество мощного сфокусированного лазерного излучения в генераторе плазмы в блоке 1 образуется плазма, которая затем разделяется на положительные ионы и электроны, и положительные ионы разгоняются ускорителем, например, ионной пушкой, до необходимой энергии, а электроны могут быть использованы в источнике 2 заряженных частиц для образования узконаправленного спирально закрученного потока 4. Одновременно с ионным потоком формируется лазерный луч так, чтобы он охватывал ионный поток и был направлен вдоль него.

На выходе блока 1 получаем узконаправленный прямолинейный поток 3 положительно заряженных частиц, сформированный внутри и вдоль мощного лазерного луча, который подогревает ионный поток и осуществляет энергетическую подпитку его.

Любой достаточно высокотемпературный, плотный, интенсивный луч, в том числе лазерный, проходя через плотную среду, например, атмосферу, нагревает ее в месте своего прохождения [4] Это приводит к изменению плотности среды и разряжению атмосферы в месте прохождения. Образуется канал транспортировки вроде туннеля, который фокусирует луч. Можно ожидать, что для сильноточного заряженного пучка (ионов) по мере прогрева канала длина пробега в атмосфере возрастет на один или несколько порядков. Этот эффект называется самопросветлением среды [5,6] Лазерный луч, таким образом, играет роль подогревателя для ионного потока, заодно формируя туннель для него.

Ионы, образующие узконаправленный прямолинейный поток, не будут испаряться, рассеиваться из лазерного туннеля, во-первых, благодаря огромной начальной скорости истечения ионов, во-вторых, благодаря фокусировке ионы должны будут двигаться синхронно с лучом лазера, в-третьих, на некотором расстоянии от блока 1 магнитные силовые линии соленоида уже смогут удержать поток.

Таким образом, благодаря большой протяженности лазерного луча и его когерентности туннельный эффект для прохождения ионного потока будет проявляться на значительном расстоянии от источника.

Этот же эффект (образование канала транспортировки) будет относиться и к электронному потоку, поскольку энергия его тоже значительна для прохождения через атмосферу [5]
Одновременно с образованием потока 3 с помощью источника 2 формируют поток 4 противоположно заряженных частиц, например, электронов. Центральный поток 3 должен быть сформирован из более тяжелых и обладающих большей энергией частиц по сравнению со спирально закрученным потоком 4, чтобы частицы, образующие потоки, не вращались вокруг их общего центра масс. Необходимо, чтобы центр масс находился в центральном потоке.

Поток электронов направляют к ионному потоку под углом, обеспечивающим образование витков соленоида с необходимой плотностью витков (число витков на единицу длины), при котором образовавшаяся система ионный поток, закрученный по спирали вокруг него электронный поток, будет находиться в устойчивом равновесном состоянии относительно оси соленоида и плоскости, перпендикулярной к этой оси.

Поток электронов, попадая в магнитное поле, образованное ионным потоком, согласно законам электромагнетизма будет закручиваться вокруг него по спирали. Так как направленное движение заряженных частиц представляет собой электрический ток, то движение электронов по спирали вокруг ионного потока можно сравнить со спирально закрученным проводником, по которому течет ток, т. е. получаем конструкцию из двух потоков противоположно заряженных частиц, которую можно назвать соленоидом.

Радиус образовавшегося соленоида и шаг спирали будут определяться энергией электронов и углом подачи их к центральному потоку. От шага спирали или плотности намотки электронного потока и силы тока в нем будет зависеть напряженность магнитного поля внутри соленоида.

Геометрические размеры (длина) соленоида могут значительно превосходить размеры устройства его создающего (размеры оборудования, предназначенного для создания соленоида).

Получилась самофокусирующаяся система из двух направленных потоков заряженных частиц: центральный ионный поток удерживает на орбите электроны, а магнитное поле образовавшегося соленоида будет стабилизировать центральный ионный поток. К такому выводу можно прийти, если рассмотреть силы, действующие на потоки.

На центральный ионный поток действуют силы электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами, которые направлены как вдоль, так и радиально центральному потоку F₁, силы F₂ теплового расширения потока за счет лазерного подогрева (частицы потока как бы стремятся испариться из лазерного туннеля). Эти силы тоже направлены как вдоль, так и радиально потоку. На переднем конце соленоида фокусирующее действие на центральный поток будут оказывать силовые магнитные линии соленоида, стремящиеся вследствие своего расхождения расширить поток.

Всем этим силам будут противостоять на начальном участке фокусировка и инерция движущихся частиц центрального потока благодаря огромной скорости истечения частиц. На некотором расстоянии от источника силовые магнитные линии воспрепятствуют расхождению, расширению потока. Главной причиной, препятствующей дефокусировке потока, является свойство электрического токового канала в проводящей среде уменьшать свое сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля центрального потока, так называемый Пинч-эффект (сила магнитного давления F₃). При определенной сильноточности поток, благодаря этому эффекту, стремится сжаться и даже запереться на определенном участке. Благодаря стремлению самозапереться такой поток не будет самоускоряющимся. В данном случае этому соответствует сила F₄.

При взаимной компенсации всех перечисленных сил можно добиться полного равновесия и, соответственно, неограниченной длины центрального потока. В случае использования установки в качестве реактивного двигателя достаточно понизить сильноточность центрального потока и тогда силы, обеспечивающие продольное ускорение потока, будут преобладать над запирающим Пинч-эффектом.

На спирально закрученный поток, в нашем случае электронный, аналогично действуют F₁, F₃ и запирающая F₄, а главное, сила F₅ электростатического притяжения к центральному потоку. Так же как и на любой соленоид на обмотку будет влиять сила магнитного притяжения соседних витков, как параллельных токов, F₆ и уравновешивающая ее сила электростатического отталкивания между соседними витками F₇.

Таким образом, если путем изменения сильноточности потоков, их плотности, энергии, угла подачи частиц спирально-закрученного потока к центральному и т.д. добиться компенсации всех сил, то мы получим стабилизированный, неограниченный в размерах соленоид.

Предлагаемая конструкция соленоида значительно расширит его функции и область применения по сравнению с традиционной.

Изобретение может найти применение:
в качестве магнитной ловушки, в зависимости от того, отрицательно или положительно заряженный поток будет формировать обмотку соленоида, соленоид сможет менять свои полюса и, соответственно, притягивать или отталкивать объекты, обладающие магнитными свойствами;
в космической технике: а) в качестве нового типа космического двигателя: передвижение космического корабля посредством притяжения или отталкивания от космических объектов, обладающих магнитными свойствами, посредством соленоида как магнита; б) ускорение заряженных частиц прямолинейного ионного потока в случае, если он будет недостаточно сильноточным (см. выше), может оказаться весьма значительным, как требуется для получения реактивной струи ракетного двигателя. Важно, чтобы центральный поток ускорялся, тогда он передаст импульс ракете через магнитное поле, чего не происходит в обычных ракетных двигателях, где реактивная струя, вылетая из сопла, перестает контактировать с ракетой;
для телепортации (транспортировки) вещества: вещество переводится в плазму, которая разделяется на ионы и электроны, и транспортируется вместе с центральным или спиральным потоком вместе с магнитным полем. Ограничение - термическая устойчивость вещества;
в военной технике: например, при направлении из космоса электромагнитное поле соленоида взаимодействует с ионосферой планеты, в результате чего низлежащие слои атмосферы в поле действия соленоида будут ионизированы. Ионы ионосферы будут ускоряться возникающим при приближении соленоида вихревым электрическим полем и бомбардировать низлежащие слои атмосферы. Ускоренные в результате этого частицы (ионы) будут бомбардировать поверхность планеты, что может привести к резкому увеличению температуры, в результате чего начнется слияние ядер и, в конечном итоге, инициированный ядерный взрыв;
как квантовый ускоритель в случае формирования центрального потока ускоряющимся;
в термоядерном синтезе для удерживания термоядерной плазмы: в качестве центрального потока соленоида можно использовать термоядерную плазму, а точнее поток положительных ионов, претерпевающих термоядерные превращения, причем, желательно предварительно создать соленоид из обычных ионного и электронного потоков, а затем уже в сформировавшемся соленоиде заменить обычный ионный поток на поток, претерпевающий термоядерные превращения.

Таким образом, предложена принципиально новая конструкция соленоида, устраняющая потери энергии на джоулево тепло и, следовательно, повышающая КПД устройства, вследствие отсутствия омического сопротивления, дающая возможность создавать соленоиды больших (неограниченных) линейных размеров (длин) без применения громоздких конструкций, с использованием компактного по сравнению с длиной соленоида источника, содержащего этот соленоид. Устройство значительно расширяет функции соленоида, позволяющие применять его в различных областях науки и техники по сравнению с традиционными.

Устройство более экономично по сравнению с известными устройствами того же назначению в силу того, что появляется возможность его многократного использования без конструктивных перестроек и ремонта, так как он, соленоид, не требует ремонта.

Источники информации:
1. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, 1984, с. 698.

2. Монтгомери Д.Б. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. М. Мир, 1971, с. 83-91.

3. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, 1984, с. 362.

4. Там же, с. 459.

5. Никеров В.А. Электронные пучки за работой. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 87-88.

6. Збигнев Плохоцкий. Что такое лазер. Минск: Высшая школа, 1987, с. 154-158.

Использование: получение спиральных пучков заряженных частиц, устраняющих потери энергии на нагрев проводника, дающих возможность создавать соленоиды большой длины и расширяющих его функции. Сущность изобретения: беспроволочный соленоид представляет собой два мощных сильноточных потока противоположно заряженных частиц: спиральный проводник соленоида представляет собой узконаправленный поток заряженных частиц одного знака, например, электронов, спирально закрученный вокруг другого прямолинейного узконаправленного потока заряженных частиц противоположного знака, например ионов, сформированного внутри и вдоль мощного лазерного луча, причем прямолинейный узконаправленный поток должен быть сформирован из более тяжелых и обладающих большей энергией частиц, чем спирально закрученный поток. Благодаря большой протяженности потоков в атмосфере, их энергии, углу подачи потока электронов к центральному потоку предполагается формировать соленоиды с заданными параметрами. 2 ил.

Способ создания беспроволочного соленоида путем получения спирально закрученного потока заряженных частиц, отличающийся тем, что указанный поток создают вокруг другого прямолинейного потока заряженных частиц другого знака, сформированного внутри и вдоль лазерного луча, причем прямолинейный поток состоит из более тяжелых и обладающих большей энергией частиц, чем спирально закрученный поток.