СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ИОНОВ И ПОЛЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК G21B1/00 H05H11/00 

Изобретение относится к проблеме управляемого термоядерного синтеза и может найти применение в качестве сильноточного индукционного ускорителя предпочтительно положительно заряженных частиц и ионов, а также для создания пучка нейтронов.

Известно, что будущее энергетики зависит от решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. Поэтому во многих странах мира ведутся широкие исследования по осуществлению управляемого термоядерного синтеза путем электродинамического сжатия и нагрева плазмы или путем воздействия на нее либо мощным лазерным излучением, либо пучком ускоренных электронов и т.п. Сущность этих способов сводится к тому, чтобы благодаря сжатию или введению в нее энергии довести температуру ее частиц до таких величин, при которых должна гарантированно протекать реакция синтеза ядер. Недостатком всех этих способов является то, что практически сложно и трудно одновременно достичь необходимой температуры плазмы и сохранить ее определенное время, так как чем большие усилия в этом направлении прилагаются, тем к еще большему хаосу (в плазме) это приводит и, в частности, к различного рода неустойчивостям плазмы.

Иной путь достижения высоких энергий дейтронов (и заряженных частиц плазмы вообще) был открыт (открытие № 3) группой физиков под руководством академика Л.А.Арцимовича еще в 1952 году. К сожалению, механизму приосевого ускорения дейтронов до энергии порядка 100 кэВ при средней энергии частиц плазмы около 100 эВ не нашли тогда объяснения. Сам же факт свидетельствует о том, что термояд осуществим, если понять и эффективно использовать механизм этого открытия.

Будем исходить из предположения, что в явлениях, описанных в открытии № 3, работает механизм ускорения, что придает процессу более высокую упорядоченность. И он имеет индукционную природу и сводится к ускорению приосевых заряженных частиц за счет напряженности поля, которая возникает при разрыве тока в результате сжатия плазменного шнура и развития перетяжек. Появление «особенностей» подтверждает это.

Однако упомянутый в этом открытии процесс неудобен на практике, так как, во-первых, необходимые ускоряющие поля, как и разрывы тока в местах развития перетяжек возникают, как правило, только в процессе второго и третьего максимального сжатия плазменного шнура. Поэтому чтобы достичь нужного процесса с первого разряда, необходимо на порядок увеличить величину напряженности импульсного разряда (до 2000 В/с). Важно отметить, что протяженность перетяжек (локальных мест разрыва тока) слишком мала по сравнению с длиной плазменного шнура, а места их возникновения имеют случайный характер (Л.А.Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М. 1961., с. 168-169), а плазменный фокус сохраняет эти недостатки.

Существует, однако, еще один малоизвестный индукционный принцип ускорения заряженных частиц плазмы, свободный от только что перечисленных недостатков. Этот принцип ускорения был обнаружен тоже экспериментально при исследовании линейного плазменного индукционного ускорителя (сб. «Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой», Киев, 1965, с.217-228). При этом было установлено (но также не объяснено), что в линейном индукционном ускорителе, в котором роль вторичной обмотки выполняет плазма, при импульсных разрядах тока возникает не только ожидаемое (расчетное) поле, т.е. обусловленное суммарной разностью потенциалов, создаваемых индукторами, но также и противоположно направленное ему ускоряющее поле. К тому же оно более сильное, как оказалось, чем расчетное, так как электроны, ускоренные вновь обнаруженным полем, легко преодолевают расчетное поле (там же, с. 226-228).

Возникновение этих двух взаимно противоположных по направлению полей также является недостатком, так как приводит к снижению эффективности и того и другого поля. Другим его недостатком является то, что ускорению в плазме подвергаются только электроны. Объяснить это можно тем, что носителями тока в коробах индукторов являются электроны. Они (электроны-носители), следовательно, и ответственны за наведение поля, ускоряющего частицы избирательно (знак носителя тока в ускорителе и знак заряда частицы, которую необходимо ускорить индукционным способом, должны совпадать. Это - совершенно новое знание!!!).

Целью предлагаемого изобретения является преодоление недостатков, присущих описанным принципам ускорения, и использование их же положительных качеств.

Поставленная цель достигается следующим образом. Чтобы ослабить (практически устранить) «расчетное поле», линейный индукционный ускоритель выполняют без индукторов, в виде, например, линейного полого проводника, вдоль по которому пропускают импульсные разряды тока. С устранением индукторов отпадает необходимость в их синхронизации и перемагничивании, что упрощает эксплуатацию ускорителя. Делает конструкцию ускорителя компактнее, проще, экономичнее, легче и дешевле.

На чертеже представлен предлагаемый ускоритель.

Чтобы «научить и заставить» индукционный ускоритель ускорять и положительно заряженные частицы, полый (не обязательно линейный) проводящий элемент (полая стенка) изготавливают не из металла, а в виде цилиндра, состоящего из двух стенок 2 из непроводящего ток материала, межстеночные торцы которого заглушают металлическими фланцами-шайбами 3 и 4, а полость между ними заполняют проводником второго рода 1, включенного в цепь 5 последовательно с генератором 6 импульсного тока (или напряжения) путем использования этих металлических торцевых фланцев.

Индукционное ускоряющее поле, возникающее в результате разрядов импульсного тока, кумулируется у оси цилиндра в виде поля векторного потенциала, а оно, это поле, существует и тогда, когда в этой полости магнитное поле считается равным нулю. Эффект Ааронова-Бома служит доказательством работоспособности такого в принципе даже стационарного поля. Чтобы это поле из увлекающего электроны v=(e/mc) А (В.В.Мантуров. Шаровая молния как система волн де Бройля. М., 2001) превратилось в ускоряющее, поле векторного потенциала делают изменяющимся во времени. С этой целью вдоль такого индукционного ускорителя пропускают импульсный ток такой длительности, чтобы его полуволна была не менее длины (вдоль оси) рабочей части ускорителя, а с целью повышения ускоряющего (и фокусирующего) эффектов формируют импульсы, мощность которых достаточна для проникновения к оси плазменного шнура с первого раза. С целью реализации ускоряющего эффекта этого поля у оси формируют плазменный из дейтерия и др. легких элементов шнур (столб), диаметр, плотность и электрическую прозрачность которого подбирают так, чтобы ускоряюще-фокусирующее действие (в виде «особенностей») импульсного разряда тока достигалось с первой попытки, без обращения к напряженностям поля в тысячи Вольт/см и по всей длине плазменного столба. Проводник второго рода подбирают так, чтобы его диссоциация и подвижность положительно заряженных ионов были бы как можно выше.

Изобретение относится к проблеме управляемого термоядерного синтеза и может найти применение в качестве сильноточного индукционного ускорителя предпочтительно положительно заряженных частиц и ионов, а также для создания пучка нейтронов. Способ ускорения положительно заряженных частиц и ионов заключается в использовании проводников второго рода в импульсных индукционных ускорителях в качестве проводящих рабочих стенок и расположении или формировании плазменного шнура у их оси. Полый импульсный индукционный ускоритель включает полость, образуемую двумя соосными стенками 2 из непроводящего материала, например стекла. Стенки 2 разнесены по радиусу и герметично заглушены по торцам металлическими шайбами-фланцами 3 и 4. Полость между стенками 2 заполнена проводником второго рода 1, используемым в качестве рабочих проводящих элементов. Шайбы-фланцы 3 и 4 последовательно с проводником второго рода 1 включены в цепь 5 с генератором 6 импульсного тока. Изобретение позволяет повысить компактность и упростить конструкцию ускорителя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ускорения положительно заряженных частиц и ионов, состоящий в том, что в импульсных индукционных ускорителях в качестве проводящих рабочих стенок используют проводники второго рода, а у оси располагают или формируют плазменный шнур.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсный разряд по длительности импульса формируют так, чтобы длина полуволны импульса была не менее длины вдоль оси рабочей части ускорителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность импульсного разряда, диаметр плазменного шнура, плотность и прозрачность плазмы подбирают так, чтобы ускоряющее поле проникало к оси шнура с первого импульсного разряда тока.

4. Полый импульсный индукционный ускоритель, отличающийся тем, что в нем в качестве рабочих проводящих элементов используют проводник второго рода, заполняющий полость, образуемую двумя соосными стенками из непроводящего материала, например стекла, разнесенными по радиусу и герметично заглушенными по торцам металлическими шайбами-фланцами, последовательно с проводником второго рода включенными в цепь с генератором импульсного тока.