СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ НА БОЛЬШОЕ РАССТОЯНИЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G21K1/00 

Изобретения относятся к области электроэнергетики и предназначены для использования при передаче энергии на большое расстояние в форме пучка ускоренных электронов, а именно для транспортирования такого пучка.

Несмотря на то, что техника традиционных средств транспортирования энергии на большие расстояния с помощью высоковольтных проводных линий электропередачи достигла весьма высокого уровня развития, нельзя не считаться с имеющими место в таких линиях относительно большими потерями энергии, могущими составлять при большой длине линии даже в оптимальном случае несколько процентов (см., например: В.В. Ткаченко. Оптимальная потеря напряжения в ЛЭП. Электротехнические комплексы и системы управления, 2010, №1, с.61-63 [1]). При этом имеются в виду лишь потери, вызванные падением напряжения на проводах линии, а ведь имеют место также потери на перемагничивание стального сердечника, которым снабжают алюминиевые провода для повышения прочности, потери, вызванные коронным разрядом, и др. (Г.Я.Александров. Передача электрической энергии. Санкт-Петербург, Изд. Политехнического университета, 2009 [2]). В соизмеримых с длиной волны тока промышленной частоты сверхдлинных (5000-10000 км и более) воздушных линиях будут ощутимыми также потери на излучение.

Это обусловливает непрекращающиеся поиски альтернативных путей передачи энергии. Одним из направлений таких поисков является передача энергии с помощью электронных пучков. Идея такой передачи, как следует из ряда публикаций (см., например: Ж. Алферов, Е. Велихов. Энергия без границ. Россия в глобальной политике, №1. Январь - Март 2003 [3]; Л.И. Рудаков. Сильноточные пучки заряженных частиц. Соросовский образовательный журнал, 1996, №2 [4]), принадлежит Г.И. Будкеру. Она ассоциируется с его открытием, относящимся к электронному стабилизированному пучку, зарегистрированным в Государственном реестре открытий СССР под №82 с приоритетом от мая 1952 года, описанным в статье: Г.И. Будкер. Релятивистский стабилизированный электронный пучок. Атомная энергия, 1956, Т.1 [5]. В пучке Будкера кулоновское расталкивание электронов частично компенсируется зарядами ионов. Предполагается, что передачу энергии можно осуществить, транспортируя электронный пучок по металлическому трубопроводу [4]. Отмечается, что по расчетам специалистов преобразование энергии жидкого или газообразного топлива в энергию электронного пучка с последующим его транспортированием может оказаться экономически более целесообразным, чем транспортирование самого топлива к месту потребления с последующим получением электроэнергии (Е. Велихов. Мост Россия - Северо-Восточная Азия. Лукойл-пресс, сентябрь 1999; http://asiapacific.narod.ru/countries/apr/most_russia_sva.htm [6]).

Изложенное иллюстрирует актуальность и перспективность разработок, относящихся к данному направлению.

Однако существует проблема устойчивости указанных пучков, обусловленная наличием целого ряда видов неустойчивости и вызывающих ее причин (см., например: С.Ю.Удовиченко. Непотенциальная теория низкочастотных неустойчивостей релятивистских электронных пучков. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 1984 [7]). Наличие проблемы устойчивости ранее отмечалось также Лоусоном (Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. Москва, ”Мир”, 1980, с.272) [8]. Там же высказано мнение о непреодолимых трудностях создания такого пучка даже при отсутствии неустойчивостей.

Кроме того, в реальных условиях протяженный канал транспортирования электронного пучка может иметь многочисленные изгибы с самыми различными радиусами кривизны, в частности, в силу того, что он должен следовать рельефу местности. Это обусловливает необходимость дополнительного магнитного управления пучком электронов в канале для его поворотов, что отмечается разработчиками соответствующих проектов (см., например: Е.А. Абрамян. Электричество - по трубам. Юный техник, 1984, №1 [9]). Поскольку ток в канале при передаче энергии в промышленных масштабах должен быть очень большим, вследствие чего канал формирует весьма интенсивное собственное магнитное поле, создание средств для магнитного управления окажется непростой задачей.

Вместе с тем сравнительно недавно стали известны способ и устройство, позволяющие транспортировать электронный пучок по изогнутому каналу и свободные от упомянутых проблем устойчивости пучка и необходимости использовать магнитные средства. Эти способ и устройство раскрыты в патенте РФ №2462009, опубл. 20.09.2012 [10].

Согласно патенту [10], для транспортирования пучка заряженных частиц по каналу, имеющему изгибы, используют вакуумированный канал, имеющий стенку, изготовленную из материала, способного к электризации, и осуществляют транспортирование пучка по этому каналу при наличии электризации внутренней поверхности его стенки со знаком заряда, одинаковым с зарядом частиц пучка, с соблюдением при этом следующего соотношения, связывающего энергию E и заряд Q частиц пучка с электрической прочностью U_пр материала стенки и геометрическими параметрами канала - наименьшим радиусом R кривизны продольной оси, наименьшей толщиной d стенки и наибольшим расстоянием h между двумя точками внутренней поверхности канала, расположенными в поперечном сечении канала на одной и той же нормали к указанной поверхности:

$$E/Q<Rd{U}_{пр}/h\text{ (*)}$$

При круглом поперечном сечении канала параметр h является не чем иным, как диаметром просвета канала. Применительно к транспортированию электронов заряд на внутренней поверхности стенки канала должен быть отрицательным. Электроны транспортируемого пучка предполагаются предварительно ускоренными, что учитывается наличием параметра E в приведенном выше условии (^∗). Само понятие ”пучок” говорит о том, что скорости электронов в требуемом направлении движения, соответствующем направлению продольной оси канала, существенно выше, чем в поперечном направлении. Данное условие соответствует определению пучка заряженных частиц, см., например: И.Н. Мешков. Транспортировка пучков заряженных частиц. Новосибирск, Изд. ”Наука” (Сибирское отделение), 1991, с.59 [11].

Однако этим способу и устройству присуще ограничение, связанное с тем, что при их использовании электризация внутренней поверхности стенки канала осуществляется электронами самого транспортируемого пучка, часть которых оседает на стенке. При этом возможность транспортирования пучка ограничена необходимостью выполнения условия (^∗). При заданных свойствах материала стенки и геометрии канала, т.е. правой части неравенства (^∗), это препятствует повышению энергии Е электронов, а при заданной энергии, т.е. левой части неравенства (^∗), препятствует уменьшению радиуса R кривизны изгибов канала и увеличению диаметра h просвета канала.

Способ и устройство по патенту [10] наиболее близки к способу и устройству по предлагаемым изобретениям.

Предлагаемые изобретения, относящиеся к способу транспортирования электронного пучка для целей передачи энергии и устройству для его осуществления, направлены на достижение технического результата, заключающегося в том, что энергия E электронов транспортируемого пучка может быть увеличена по сравнению с той, которая при заданных свойствах материала стенки и геометрии канала определяется правой частью неравенства (^∗), а при заданной энергии E электронов радиус R кривизны канала может быть выбран меньше, а диаметр h просвета канала - больше, чем это определяется левой частью неравенства (^∗), ограничивающей снизу отношение R/h. Оба названных фактора важны с учетом предназначенности предлагаемых изобретений для передачи энергии преимущественно в промышленных масштабах при геометрии канала, ”привязанной” к заданной трассе и соответствующему ей рельефу. Ниже при раскрытии изобретений могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.

В предлагаемом способе транспортирования пучка ускоренных электронов, как и в наиболее близком к нему известном способе по патенту [10], указанное транспортирование осуществляют по имеющему изгибы вакуумированному каналу с продольной осью в виде гладкой линии и стенкой, изготовленной из материала, способного к электризации.

Для достижения указанного технического результата, в отличие от наиболее близкого известного способа, в предлагаемом способе при транспортировании указанного электронного пучка используют указанный канал, дополнительно снабженный прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. На указанные электропроводящие оболочку или покрытие подают потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки указанного канала отрицательный заряд с получением в этом канале потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию электронов транспортируемого пучка.

Предлагаемое устройство для транспортирования пучка ускоренных электронов, как и наиболее близкое к нему известное устройство по патенту [10], выполнено в виде имеющего изгибы вакуумированного канала с продольной осью в виде гладкой линии и стенкой, изготовленной из материала, способного к электризации.

Для достижения указанного технического результата, в отличие от наиболее близкого известного устройства, в предлагаемом устройстве указанный канал дополнительно снабжен прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. Эти оболочка или покрытие являются электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

Указанный канал предлагаемого устройства, используемый при осуществлении с помощью этого устройства предлагаемого способа, проложен по трассе для передачи энергии, переносимой указанным электронным пучком, и имеет изгибы, соответствующие этой трассе.

Указанные электропроводящие оболочка или покрытие внешней стенки канала предлагаемого устройства, подключаемые к внешнему источнику напряжения, предназначены для подачи на них при осуществлении предлагаемого способа потенциала, индуцирующего на внутренней поверхности стенки указанного канала отрицательный заряд, обеспечивающий получение в этом канале потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию электронов транспортируемого пучка.

При осуществлении предлагаемого способа с помощью предлагаемого устройства упомянутый индуцированный отрицательный заряд может существенно превосходить заряд, создаваемый при осуществлении наиболее близкого известного способа на стенке канала наиболее близкого известного устройства электронами самих движущихся в канале пучков, и практически может быть сделан любым, позволяющим обеспечить создание в канале возле внутренней поверхности его стенки потенциального барьера, не преодолимого для электронов транспортируемого пучка. Данная мера при плавном характере изгибов канала (когда продольная ось имеет вид гладкой линии) позволяет обеспечить достижение названных выше видов технического результата благодаря тому, что электроны пучка в процессе его транспортирования с поворотами в местах изгибов канала не попадают на стенку последнего, причем этот результат достигается без использования средств для создания магнитных полей. Благодаря отмеченной выше возможности более широкого варьирования энергии транспортируемых пучков и геометрических параметров канала обеспечиваются как большая свобода выбора при проектировании, в зависимости от тех или иных предпочтений, так и возможность использовать для передачи энергии один и тот же канал при изменении параметров пучка.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых показаны:

- на фиг.1 - предлагаемое устройство (продольный разрез) для осуществления способа по предлагаемому изобретению;

- на фиг.2 - канал предлагаемого устройства в поперечном сечении;

- на фиг.3 - распределение потенциала в просвете канала предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) вакуумированный кольцевой канал 1 со стенкой 4, выполненной из материала, способного к электризации, например стекла, керамики с хорошими электроизоляционными свойствами и высокой электрической прочностью или другого диэлектрика с подходящими показателями указанных свойств. Канал 1 имеет продольную ось 8 в виде гладкой (т.е. не имеющей скачков производной) линии. Изображение части канала штриховыми линиями использовано для условного обозначения его большой протяженности. Канал 1 проложен по трассе для передачи энергии, переносимой электронным пучком, и имеет изгибы, соответствующие этой трассе. Он может иметь и другие необходимые изгибы, в частности компенсационные, для предотвращения повреждения канала вследствие температурного расширения или сжатия его материала. Все изгибы канала должны быть выполнены с сохранением гладкости продольной оси 8.

На фиг.2 показано в увеличенном по отношению к фиг.1 виде поперечное сечение канала 1 в частном случае, когда оно является круглым; h - диаметр просвета канала, d - толщина его стенки. Круглая форма поперечного сечения является наиболее технологичной и предпочтительной, но возможна и другая форма в виде гладкой выпуклой линии, например эллиптическая или овальная.

Канал 1 снабжен прилегающей к внешней поверхности 6 его стенки 2 электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием. Указанные оболочка или покрытие показаны позицией 7. Оболочку или покрытие 7 при использовании предлагаемого устройства для осуществления предлагаемого способа подключают к внешнему источнику напряжения (на чертежах не показан), для чего предназначена клемма 9. Оболочка или покрытие 7 не должны иметь разрывов, чтобы по всей длине канала они находились под одним и тем же потенциалом.

Канал 1 имеет входной торец 2 и выходной торец 3. Входной торец 1 предназначен для инжектирования через него в канал 1 подлежащего транспортированию электронного пучка. Инжектор ускоренных электронов, которым сообщена энергия, предназначенная для передачи потребителю, на чертежах не показан. Выходной торец 3 канала 1 предназначен для вывода через него электронного пучка, доставленного по каналу и подлежащего передаче потребителю. Осуществляющие взаимодействие с потребителем средства в состав предлагаемого устройства не входят и на чертежах не показаны. Ввод электронного пучка в канал 1 и вывод из него для передачи потребителю условно показаны на фиг.1 стрелками A и B.

После инжектирования в канал 1 электронов, образующих транспортируемый пучок, последний движется по каналу 1, повторяя его изгибы и не вступая в контакт с внутренней поверхностью 5 стенки 4 канала, что обеспечивается благодаря наличию на поверхности 5 индуцированных отрицательных зарядов. На фиг.1 присутствие таких зарядов условно показано лишь для небольшой части канала 1. Упомянутые заряды индуцируются благодаря тому, что на оболочку (покрытие) 7 подают соответствующий потенциал от внешнего источника напряжения, с которым соединена клемма 9. В просвете канала возникает спадающее к его центру вдоль радиуса распределение потенциала U(r), вид которого показан на фиг.3. Координата r отсчитывается от центра поперечного сечения канала. Ее наибольшему значению, равному h/2, соответствует уровень U_B потенциального барьера, возникающего в канале возле внутренней поверхности его стенки. Его подбирают так, чтобы энергия движения электронов в поперечном направлении была недостаточна для преодоления величины U_B потенциального барьера и попадания электронов на стенку канала. Например, при энергии инжектируемых в канал электронов 100 кэВ потенциальный барьер U_B, равный 100 кВ, вполне достаточен для предотвращения попадания электрона на стенку, так даже если вся энергия электрона превратится в энергию его поперечного движения, этот барьер не будет преодолен. Условия для попадания электрона на стенку наиболее благоприятны в местах изгиба канала, так как в этих местах электроны могут иметь составляющую скорости, направленную в сторону стенки. Появление у электрона поперечной составляющей скорости возможно также в результате столкновения с молекулами остаточного газа. Поэтому важным требованием является поддержание в канале хорошего вакуума.

В экспериментах, которые были проведены при вакууме порядка 10^-10 мм ртутного столба, движение электронов с энергией E=100 кв, инжектированных в замкнутый сам на себя канал, приобретающий при этом форму кольца диаметром 40 см, сохранялось в течение нескольких сотен секунд. Даже за гораздо меньшее время - 100 секунд электроны пучка с указанной энергией проходят в таком кольцевом канале, совершая множество оборотов, путь порядка 1,6·10⁷ км. Это говорит о вполне удовлетворительном качестве канала и вакуума в нем. В реальной ситуации, если условно принять длину линии передачи энергии с помощью электронного пучка равной 10000 км, электронам предстоит пройти в 1600 раз меньший путь за соответственно меньшее время, так что потери, связанные с неидеальностью вакуумирования, при указанном его уровне пренебрежимо малы.

Еще одной возможной причиной потерь энергии в предлагаемом устройстве при осуществлении предлагаемого способа с его помощью может быть излучение на криволинейных участках трассы. Однако оценка влияния этого фактора показывает, что и эти потери малы. Даже если предположить наличие на длине 10000 км одного миллиона поворотов (т.е. один поворот на каждые 10 метров) на 90 градусов каждый с радиусом 1 м, то потери на излучение для одного электрона с первоначальной энергией 100 кэВ составят немногим более 0,02 эВ. Иначе говоря, каждый электрон потеряет в несколько раз меньше одной миллионной доли своей первоначальной энергии.

Величина транспортируемой энергии зависит, наряду с прочими факторами, от плотности n электронов в пучке, которая, в свою очередь, зависит от величины потенциального барьера U_B и радиуса h/2 просвета канала. Для этой зависимости можно получить соотношение:

$$n=\frac{1}{4}{\left(\frac{4U_B}{e^{2}h}\right)}^{3/2}$$ ,

где e - заряд электрона.

При U_B=10⁵ В и h/2=10 см имеем: n≈10¹⁹ 1/см³. При движении электронного пучка в канале происходит его эффективное фокусирование. Приняв, что электронный пучок сосредоточен, в основном, в прилегающей к осевой линии части объема канала, радиус которой составляет 0,01 от радиуса просвета канала, т.е. 1 мм, получим для объема занятой электронами части канала оценку 30 м³. В таком объеме при найденной выше плотности n=10¹⁹ 1/см³ =10²⁵ 1/м³ находятся 30·10²⁵ электронов. Выше уже было сказано, что канал длиной 10000 км электрон с энергией 100 кэВ =10⁵ эВ проходит за время Δt≈6,1·10^-2 с. За такое время по каналу проходит найденное выше количество электронов. Следовательно, за 1 секунду по каналу можно пропустить 30·10²⁵:6,1·10^-2≈5·10²⁷ электронов, суммарная энергия которых равна 5·10²⁷·10⁵=5·10³² эВ. Такой энергии, предаваемой за 1 секунду, соответствует мощность 5·10³² эВ/с ≈ 8,3·10¹¹ ватт, или, округленно, 800 ГВт. Для сравнения укажем, что проектная мощность одной из крупнейших в мире Саяно-Шушенской ГЭС составляет 6,4 ГВт.

Весьма большие мощности могут быть переданы и при существенно меньших значениях энергии электронов, получение которых (как и значения 100 кэВ, использованного выше в примерах) не является проблемным. Учитывая огромную величину мощности, полученной при приведенной выше оценке, можно констатировать, что предлагаемые изобретения обладают весьма большим ”запасом” с точки зрения возможности их использования для передачи энергии электронных пучков, которые реально могли бы быть созданы.

Таким образом, предлагаемые изобретения вполне приемлемы для использования при передаче энергии в форме пучка ускоренных электронов на дальние и сверхдальние расстояния.

Для преобразования энергии, передаваемой предлагаемым устройством в соответствии с предлагаемым способом, представляющей собой энергию движущихся электронов, в более удобную для традиционных путей использования могут быть применены после соответствующей адаптации известные технические решения, например, по авторским свидетельствам СССР №376027 [12] (опубл. 05.08.1978), №686160 [13] (опубл. 15.09.1979), №1565740 [14] (опубл. 15.05.1990) и патенту США №7417356 [15] (опубл. 26.08.2008).

Источники информации

1. В.В. Ткаченко. Оптимальная потеря напряжения в ЛЭП. Электротехнические комплексы и системы управления, 2010, №1, с.61-63.

2. Г.Я. Александров. Передача электрической энергии. Санкт-Петербург, Изд. Политехнического университета, 2009.

3. Ж. Алферов, Е. Велихов. Энергия без границ. Россия в глобальной политике, №1. Январь - Март 2003.

4. Л.И. Рудаков. Сильноточные пучки заряженных частиц. Соросовский образовательный журнал, 1996, №2.

5. Г.И. Будкер. Релятивистский стабилизированный электронный пучок. Атомная энергия, 1956, Т.1.

6. Е. Велихов. Мост Россия - Северо-Восточная Азия. Лукойл-пресс, сентябрь 1999; http://asiapacific.narod.ru/countries/apr/most_russia_sva.htm.

7. С.Ю. Удовиченко. Непотенциальная теория низкочастотных неустойчивостей релятивистских электронных пучков. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 1984.

8. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. Москва, ”Мир”, 1980, с.272.

9. Е.А. Абрамян. Электричество - по трубам. Юный техник, 1984, №1.

10. Патент РФ №2462009, опубл. 20.09.2012.

11. И.Н. Мешков. Транспортировка пучков заряженных частиц. Новосибирск, Изд. ”Наука” (Сибирское отделение), 1991, с.59.

12. Авторское свидетельство СССР №376027, опубл. 05.08.1978.

13. Авторское свидетельство СССР №686160, опубл. 15.09.1979.

14. Авторское свидетельство СССР №1565740, опубл. 15.05.1990.

15. Патент США №7417356, опубл. 26.08.2008.

Изобретения относятся к средствам передачи энергии в форме пучка ускоренных электронов. В заявленном изобретении транспортирование пучка электронов осуществляют по имеющему изгибы вакуумированному каналу (1) с продольной осью (8) в виде гладкой линии и стенкой (4), изготовленной из материала, способного к электризации. При этом используемый при транспортировании канал снабжен прилегающей к внешней поверхности (6) его стенки (2) электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием (7). На оболочку или покрытие (7) подается потенциал с использованием клемм (9), индуцирующий на внутренней поверхности (5) стенки канала отрицательный заряд с получением в канале потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию электронов транспортируемого пучка. Техническим результатом является возможность транспортирования пучков электронов большой энергии в сочетании с обеспечением широкой свободы выбора геометрических параметров канала без попадания электронов на стенку канала и устранение необходимости в использовании средств магнитного управления пучком. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ транспортирования пучка ускоренных электронов, осуществляемого по имеющему изгибы вакуумированному каналу с продольной осью в виде гладкой линии и стенкой, изготовленной из материала, способного к электризации, отличающийся тем, что при транспортировании используют указанный канал, дополнительно снабженный прилегающей к внешней поверхности его стенки электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, на которые подают потенциал, индуцирующий на внутренней поверхности стенки указанного канала отрицательный заряд с получением потенциального барьера, превышающего наибольшую энергию электронов транспортируемого пучка.

2. Устройство для транспортирования пучка ускоренных электронов, выполненное в виде имеющего изгибы вакуумированного канала с продольной осью в виде гладкой линии и стенкой, изготовленной из материала, способного к электризации, отличающееся тем, что оно снабжено прилегающей к внешней поверхности стенки указанного канала электропроводящей оболочкой или нанесенным на эту поверхность электропроводящим покрытием, являющимися электродом для подключения к внешнему источнику напряжения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный канал выполнен круглым в поперечном сечении.