СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА, ВОССТАНОВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДИОКСИДА ТИТАНА ДО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТИТАНА ПУТЁМ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЧАСТИЦ SiO, КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА, ЧАСТИЦ FeTiО И МАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 2015 года по МПК B01J19/08 C01B33/23 C01G23/00 C22B34/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрохимии и горнорудной промышленности, а именно к способу генерации сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных (ЭМ) взаимодействий для извлечения полезных элементов и промышленной переработки кремний и титан содержащего сырья и другого минерального сырья в сыпучем виде, металлизации железорудных окатышей. Изобретение может быть применено для разрушения, разложения трудно разлагаемых минералов при обогащении в горнорудной промышленности и рудоподготовке. Изобретение предлагает создание способа сильных электромагнитных взаимодействий с элементами минералов SiO₂ и TiO3 с целью их разложения безкислотными способами, без экологически вредных производств.

Уровень техники

Учитывая широкий спектр применения способа генерации взаимодействий СВЧ магнитных и электрических волн и полей для промышленного применения, в настоящем описании он разъясняется совместно со способом получения кремния и диоксида титана в результате СВЧ окислительно-восстановительных реакций в ЭМ полях и волнах. Для разъяснений здесь будут использоваться известные в литературе способы, сходные с решением настоящего изобретения. В предшествующем уровне техники, на основе большого экспериментального материала, был сделан фундаментальный вывод о резонансной природе взаимодействия электрического, магнитного, ЭМ полей с заряженной частицей. В патенте Узбекистана № IAP 03701 от 13.05 раскрыто, что успех в направлении неограниченного по времени стабильного удержания сгустка заряженных частиц лежит на пути изучения резонансных условий взаимодействия поля и заряженной частицы, обмена энергией между ними.

Из патента США №3286685, опубликованного 22.11.1966 г., известен способ получения кремния химическим паровым осаждением из кремний содержащего газа с добавлением газов водорода и хлора в реакторе псевдокипящего слоя, который носит название хлорсилановой технологии. Этот способ был разработан и внедрен в производство полупроводникового кремния впервые компанией "Сименс", правообладателем вышеуказанного патента США. В указанном патенте США раскрыты процессы и оборудование, в которых кремний осаждается водородным восстановлением одного из силанов (дихлорсилана, трихлорсилана или их смеси) на кремниевом бруске методом электрического резистивного нагрева. Осаждение кремния путем термического разложения силана описывается в патентах США №4148814 (опубликован 10.04.1979 г. ) и №4150168 (опубликован 17.04.1979 г. ). Подобные процессы и оборудование описаны также в патенте США №4900411 (опубликован 13.02.1990 г. )

В вышеуказанном патенте №4148814 и в вышеуказанном патенте №4900411 кремниевый брусок нагревался до ~1000°-1200°C путем резистивного нагрева, в вышеуказанном патенте №4150168 он нагревался до температуры термического разложения около 800°C. Реакторы в обоих вышеуказанных процессах были выполнены из кварцевого или нержавеющей стали куполообразного корпуса, реакторные стенки которого охлаждались до 300°C хладогентом (водой или воздухом), так что кремний не осаждался на внутренних стенках. Недостаток таких реакторов заключался в том в том, что скорость осаждения поликремния была низка, в то время как уровень потребления энергии высок, так как используемый в серийном процессе кремниевый брусок обеспечивал малую площадь поверхности для осаждения.

Для устранения подобного недостатка было предложено проводить процесс в слое флюидизированного материала. В этом процессе кремний из кремний содержащего газа осаждался на кремниевые частички, в то время как кремниевые частички, имеющие огромную площадь осаждения, псевдосжижались кремний содержащим газом и карьер-газом (газом-носителем, транспортирующим газ).

Процесс кипящего слоя, как упоминалось выше, использует в основном способы внешнего нагрева, где температура реактора выше, чем нагреваемых материалов, что приводит к осаждению на стенках.

Данный метод нагрева приводит к высокой степени тепловых потерь в окружающую среду из системы, а также создает трудности для строительства реактора большого диаметра из-за ограниченной мощности нагревательного источника, необходимого для химического парового осаждения (ХПО). ХПО силанов вызывает осаждение кремния на внутренней стенке реактора, в соответствии с чем не только сокращается внутренний объем реактора, но и тепловой режим становится плохо управляемым. В случае кварцевого реактора, он может треснуть в то время, когда реактор охлаждается, из-за разницы в коэффициентах термического расширения кварцевого реактора и осаждающегося кремния. Для промышленного применения кварцевые трубы не пригодны.

Введение внутреннего нагрева взамен внешнего нагрева в систему было предложено как способ уменьшения выше упомянутых недостатков. Однако, в процессе использования внутреннего нагревателя, кремний осаждается на поверхности нагревателя, что делает невозможным использовать данный процесс длительное время. Остаются проблемы, связанные с обслуживанием и заменой поликремниевого резистивного нагревателя, погружаемого в реактор. Нагреватель вызывает некоторые проблемы в создании хорошей флюидизации и добавляет загрязнения (примеси) вследствие прямого контакта с частицами кремния, а также занимает некоторый объем реактора, снижая эффективность процесса.

В настоящее время известны различные конструкции реакторов кипящего слоя для получения чистого поликристаллического кремния, принципиально мало отличающиеся друг от друга. В них кремнийсодержащий газ (тетрахлорид кремния, моносилан, хлорсилан, дихлорсилан, трихлорсилан) или смесь их в сжиженном состоянии, подается из форсунки в реактор снизу. Кипящий слой (псевдокипящий или псевдосжиженный) образуется с помощью вдуваемого под давлением водорода из расположенного рядом отверстия-сопла. Водород, проходя через кремнийсодержащий сжиженный газ, разбивает его на капли, мелкодисперсную взвесь. Взвесь разогревается в зоне нагрева, занимающей определенную высоту по оси цилиндрического реактора, и поднимается в зону реакции, которая располагается выше зоны нагрева. В зоне реакции кремнийсодержащий газ разлагается по эндотермической реакции:

SiO₂+2Cl₂↑+2H₂↑=SiCl₄+2H₂O↑-Q

SiCl₄+2H₂↑=Si+4HCl↑-Q

Образовавшийся свободный, атомарный кремний оседает на охлажденных поверхностях, образуя кристаллическую фазу поли- или монокремния. Осаждение кремния происходит не избирательно, т.е. на любой охлажденной поверхности. Для получения чистого поли- или монокристаллического кремния полупроводникового ил и солнечного качества, отвечающего установленным требованиям, в качестве поверхностей для осаждения используют поликремниевые затравочные частицы, описываемые в патенте Российской Федерации №2340551 (опубликован 10.12.2008) и работе "High Purity Silicon Nanoparticles", J. Nanosci. Nanotech. (2004) Vol. 4, №8: 1039-1044, которые увеличиваются в диаметре - растут, накапливая на себе осажденный кремний. Более тяжелые частицы оседают из кипящего слоя и собираются в коллектор для периодического удаления готового продукта.

В патенте Российской Федерации №2342320 (опубликован 27.12.2008 г. ) в реактор не подаются затравочные частицы, а осаждение кремния при разложении кремний содержащего газа происходит на высокочистом полнили монокристаллическом кремниевом бруске или электроде. Недостатком такого реактора является дискретность его работы: процесс необходимо останавливать для замены кремниевого бруска или электрода на новый. При этом также сложно решаются проблемы с попаданием примесей в готовый продукт со стенок реактора и с поверхности бруска или электрода, на которых кремний осаждается. Для снижения вероятности присоединения кремнием примесей реакция осаждения во многих случаях проводится в среде инертного газа, например, аргона (см. вышеуказанную работу "High Purity Silicon Nanoparticles").

В вышеуказанных патентах №2340551 и работе "High Purity Silicon Nanoparticles", а также в патенте США №7029632 (опубликован 18.04.2006 г. ) ставится задача получения узкого распределения размеров кремниевых частиц и отсутствие в готовом продукте агломератов. Как это сказано в вышеуказанной работе "High Purity Silicon Nanoparticles", скорость осаждения, равномерность, форма функции распределения размеров, процент образования агломератов связаны с равномерностью нагрева кипящего слоя, которая, в свою очередь, определяется конструкцией, физической природой и принципом действия источника тепла. Известны два основных типа источников тепла, применяющихся в реакторах кипящего слоя для получения чистого кремния: 1) использующие резистивный конвекционный и 2) использующие излучение определенного диапазона (разделение это условное, т.к. всегда имеют место три типа передачи тепла - перенос тепла, конвекция и излучение).

Реакторы кипящего слоя для кремния, использующие для нагрева излучение, можно разделить на три группы по типам излучения: теплового диапазона, СВЧ и оптического диапазона - с лазерными источниками. В них энергия электромагнитных волн определенного диапазона, проникая во внутреннюю часть реактора, в зону нагрева и зону реакции, без прямого контакта с кремний содержащим газом и конечным продуктом, нагревает кипящий слой путем поглощения этой энергии. В патенте США №5810934 (опубликован 22.09.1998 г. ) предлагается вводить необходимую для реакции энергию путем фокусированного пучка ЭМ энергии в соответствии с частотным распределением спектра поглощения кремний содержащего газа. Для этого предлагается создать лазерный источник с подстраиваемой к определенному составу кремний содержащих газов частотой лазерного излучения. Например, неодим-иттрий-алюминий-гранатовый лазер Nd:YAG, излучающий на длине волны 1,064 микрона, или CO₂ лазер с длиной волны излучения 10,6 микрон, которые могут быть успешно использованы в трихлорсилановом реакторе, но последний из них не может быть использован для силана. Такой реактор будет слишком дорогостоящим и не отличается стабильной работой из-за необходимости частой, очень тонкой настройки по частоте при изменениях в составе реакционной смеси.

Разнообразные конструкции микроволновых реакторов кипящего слоя для производства чистого поликристаллического кремния предлагаются в ряде патентов, например, в вышеуказанном патенте №4900411, а также в патентах США №№4930442 (опубликован 05.06.1990 г. ), 5597623 (опубликован 28.01.1997 г. ), 5382412 (опубликован 17.01.1995 г. ) и других. Преимущества микроволнового нагрева заключаются не только в отсутствии прямого контакта с газами и продуктом, но также, в высокой эффективности взаимодействия ЭМ излучения микроволнового диапазона с веществом, как отмечают многие авторы патентов и публикаций (см. заявку США №2008/0272114 (опубликована 06.11.2008), патенты США №№5023056 (опубликован 11.06.1991) и 6365885 (опубликован 02.04.2002), заявка Российской Федерации №2007104587 (опубликована 10.05.2009), а также публикацию "Definite experimental evidence for MW Effects", Rustum Roy et all, Mat Res Innovat (2002) 6: 128-140).

Реакторы с микроволновым нагревом используются, например, фирмой Canon (Япония), правообладателем вышеуказанного патента США №5597623, для создания тонких ювелирного качества покрытий при производстве фототехники. Но все СВЧ источники имеют к.п.д. около 60%, что не позволяет использовать их в промышленности.

В конструкции реактора кипящего слоя с микроволновым нагревом, приведенной в вышеуказанном патенте США №4900411, предпринята попытка преодолеть неравномерность микроволнового поля путем использования двух магнетронов одновременно, конфигурации полей которых ортогональны. Проблемы с необходимой микроволновой мощностью, возникшие у группы авторов вышеуказанного патента США №5382412 при масштабировании реактора, так и не удалось преодолеть.

Реакторы с микроволновым нагревом имеют ряд недостатков, мешающих их широкому промышленному применению: малую мощность источников - магнетронов; неравномерность нагрева, возникновение горячих/холодных мест, соответствующих пучностям/узлам в распределении ЭМ поля в реакторе как в объемном закрытом резонаторе, что приводит к образованию агломератов осажденных частиц; необходимость использовать для стенок реактора микроволново-прозрачные материалы, например, кварцевое стекло, которые конструктивно не функциональны (хрупкость, наличие примесей).

В вышеуказанном патенте США №7029632 были предложены реакторы кипящего слоя с источником теплового излучения в качестве нагревателя, выполненным в виде цилиндра и отличающимся более равномерным нагревом и отсутствием осаждения на стенках и агломератов. Но эффективность такого нагрева не высока (потери энергии на нагрев стенок и всей конструкции).

Авторы патентов вышеуказанных заявки и патента США №2008/0272114 и 6365885, соответственно, отмечают связь эффективности микроволнового нагрева с диэлектрическими и магнитными свойствами облучаемых материалов образцов. Они предлагают использовать для различных образцов отдельно электрическую или магнитную компоненту ЭМ поля микроволнового диапазона, что отражено в конструкции предложенной ими аппаратуры. Их данные находятся в согласии с результатами исследований, проведенных в настоящем изобретении: диэлектрики более активно взаимодействуют с электрическим полем, которое вызывает их поляризацию, в дальнейшем ионизацию и нагрев; проводники, особенно ферриты, активно нагреваются в магнитном поле.

Для устранения недостатков ряд авторов (см. вышеуказанные патент США №5023056, заявку Российской Федерации №2007/104587, патент Российской Федерации №2329196 (опубликован 20.07.2008), патенты США №№4998503 (опубликован 12.03.1991), 4532199 (опубликован 30.06.1985) и 6888094 (опубликован 03.05.2005)) предлагает совместить несколько физических механизмов нагрева: конвекционный резистивный нагрев с микроволновым облучением смеси, а также получение чистого поликристаллического или аморфного кремния в плазме микроволнового разряда. Конструкции реакторов, основанных на плазменно-микроволновых технологиях, являются экспериментальными и находятся в стадии разработки.

В вышеуказанном патенте Российской Федерации №2340551 предложен способ получения нанометрового кристаллического порошкообразного кремния полупроводникового качества из силана (или смеси кремний содержащих газов) в плазме микроволнового излучения в диапазоне 900-2500 МГц (предпочтительно 915 МГц) при избыточном давлении 10-1100 мбарн в среде водорода и инертного газа (аргона) с добавлением или без легирующего вещества. В указанном способе осаждение кремния производится в плазменной среде, из порошка SiO₂ и в среде водорода.

В вышеуказанной заявке Российской Федерации №2007104587 раскрывается сопло микроволнового плазмотрона с повышенной стабильностью факела, где микроволновый факел организован внутри кварцевой трубы-резонатора, соединенного с каналом прохождения газа. В названном решении в системе генерирования плазмы предусмотрен проводящий стержень-электрод для создания поля внутри трубы для подачи газа, одновременно являющейся СВЧ резонатором. Источником микроволнового излучения в вышеуказанной заявке №2007104587, точно также и в вышеуказанном патенте 2340551, является магнетрон. В упомянутой заявке №2007104587 для преодоления неоднородности нагрева магнетроном система генерирования плазмы содержит фазовращатель для управления фазой микроволн в СВЧ-резонаторе, представляющий собой скользящую цепь короткого замыкания. Это представляет сложный механизм, который не может работать на больших мощностях. Система генерирования плазмы в в заявке №2007104587 также содержит систему из нескольких пар магнитов вдоль трубки подачи газа, для взаимодействия микроволнового излучения с подаваемым газом, что малоэффективно, ненадежно и имеет низкий к.п.д. (60%).

Заявка США №2009/0107290 (опубликована 30.04.2009) раскрывает метод восстановления титана и других металлических оксидов до металла при использовании негорячей плазмы. Негорячая плазма используется с аргоном и водородом или какими-либо другими газами.

Для получения титана обычно используют ильменит или рутил, и методом сложных химических преобразований путем процесса Кролла руду превращают в пористый материал хлорированием руды хлорным газом с получением тетрахлорида титана. Рутил и ильменит являются оксидами титана (TiO₂ и др.). Кислород удаляется CO₂ или СО, получают бесцветную жидкость TiCl₄. Затем жидкость продолжительной дистилляцией очищается по фракциям. Очищенный продукт реагирует с магнием или натрием (одним из двух) в инертной атмосфере до получения металлической титановой губки, которая крошилась и прессовалась перед плавкой в плавильной электродной вакуумно-дуговой печи при очень высокой температуре и потреблении тепла. Сплавленный слиток весом в несколько тонн остывал в вакуумной печи. Этот стандартный Кролл-процесс в огромной степени является причиной высокой стоимости металлического титана.

В примерах заявки 2009/0107290 было продемонстрировано, что возбуждаемая микроволнами аргон-водородная плазма может восстанавливать оксиды титана до подоксидов и металла титана при относительно низких температурах в относительно короткий срок времени. Возбуждение аргон-водородной плазмы микроволнами предполагает микроволновый генератор. Как известно, к.п.д. микроволновых генераторов около 50-60%, что экономически не выгодно. Более того, учитывая большие объемы обрабатываемого ильменита, мощности существующих СВЧ генераторов не достаточны для промышленного применения. Аргон-водородная плазма дает возможность для окислительно-восстановительных реакций других минералов в различных соединениях, в том числе и ильменита или оксидов титана.

Разновидности газов: аргон-водород, СО, метан и их смеси, применяемые с плазмой, традиционны и изучены. Экономически это может быть менее выгодно, чем твердые восстановители, такие как кокс, бурый уголь, графит и другие. При этом для установок с высокой производительностью понадобится создавать водородные станции. Также нет разделения железа, его оксидов и титана после получения TiO₂ для производителей титановых белил, что требует значительных расходов на технологию разделения модифицированного ильменита. Железо и титан после обработки в аргон-водородной плазме находятся в слабо связанном состоянии и магнитной сепарацией не разделяются.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение позволяет устранить вышеперечисленные недостатки предшествующего уровня. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение степени универсализации оборудования по обработке горнорудного сырья за счет повышения эффективности фазовых преобразований в сырье с различными диэлектрическими свойствами, что позволяет многоэлементные принципы обработки сырья с широкой возможностью попутного извлечения ценных элементов из руд и хвостов в больших объемах.

Для достижения вышеуказанного результатата настоящее изобретение предлагает способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO₂, кремнийсодержащего газа (например, SiH₄, хлорсиланов, SiCl₄) или FeTiO₃ и магнитных волн, в котором осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 10⁵÷10¹² Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO2, кремнийсодержащего газа (например, SiH₄, [kjhcbkfyjd, SiCI4) или FeTiO₃ в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 10¹÷10⁶ Гц циклической частоты, с магнитно-электрически-инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора, в среде водорода или твердых восстановителей типа уголь, кокс, графит или газообразных Н₂ и СО.

В геологической практике при описании содержания в руде каких-либо минералов принято говорить о высоких содержаниях рудных минералов или низких содержаниях по некоторым элементам. Например, если в железной руде содержание железосодержащих компонентов (например, α-Fe, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ или FeS₂) в совокупности менее 10% говорят о малом или низком содержании по железу. Можно говорить тогда о низком содержании магнитных компонент. Соответственно в этом случае будет высокое содержание по силикатам или алюмосиликатам (SiO₂, AlSiO₃, Al₂O₃, или TiO₂), являющимся диэлектриками - выше 90%. Можно говорить тогда о высоком содержании диэлектрических компонент.

Например, содержание железосодержащих компонентов в руде свыше 45%. Часть соединений железа 35% при этом будут иметь высокие магнитные свойства (например, α-Fe, Fe₃O₄), другая часть 8-10% может быть немагнитными соединениями (например, FeO, Fe₂O₃), которые при облучении в MVD намагничиваются. Это будет сырье с достаточным в целом содержанием магнитных компонентов, по которым выгодно будет проводить обогащение. Если содержание таких компонент будет выше (например, 60-80%), можно говорить о высоком содержании магнитных компонент.

Удельное содержание диэлектрических и магнитных компонент может быть квалифицированно определено только при сравнении веса отделенной магнитной и немагнитной фракций, что может быть экспериментально выполнено для образцов конкретного минерального сырья для расчета выхода, процента обогащения или расходов на переработку. В настоящем изобретении имеется в виду общая закономерность, где точные интервалы устанавливать не требуется.

В вышеуказанном способе возможно предварительное определение количественного содержания в сырье диэлектрических и магнитных элементов. Самый простой способ такого определения - провести магнитную сепарацию предварительно измельченного сыпучего материала и по весовым отношениям найти массовую долю магнитной и немагнитной (диэлектрической) фракций. Можно также провести рентгеноструктурный или спектральный анализ и, зная основные типы магнитных элементов и соединений, таких например как α-Fe и Fe₃O₄ и некоторых других ферромагнитных или антиферромагнитных материалов типа шпинелей и других, имеющих нескомпенсированный магнитный момент доменов, определить массовую долю магнитной фракции. Авторами настоящего изобретения проводились такие исследования (Колесник В.Г., Мухтарова Н.Н., Урусова и др. "Исследование влияния электромагнитного поля СВЧ диапазона на молибденовый концентрат", Цветные металлы, №12, 2001 г., стр. 99-102; Хван А.Б., Колесник В.Г., Урусова Е.В. и др. "Исследование возможности применения СВЧ поля для процессов рудоподготовки при получении золота", Горный Вестник Узбекистана, №9, 2002 г., стр. 56-59, результаты согласуются с опубликованными в литературе (Rustum Royetal. " DefiniteexperimentalevidenceforMWeffects". Mat. Res. Innovat. (2002) 6: 128-140).

При этом вышеупомянутое электромагнитное (индуктивное) взаимодействие проводят в сырье, где содержание диэлектрических элементов сырья превышает содержание магнитных элементов, с фазовым углом +φ в соответствии с соотношениями:

где W_E - энергия электрического поля; W_M - энергия магнитного поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ - напряженность электрического поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ - напряженность магнитного поля.

- дифференциал по времени. Тогда - скорость изменения энергии электрического поля со временем; - скорость изменения энергии магнитного поля со временем.

В сырье, где содержание магнитных элементов сырья превышает содержание диэлектрических элементов, индуктивное взаимодействие проводят с фазовым углом - φ в соответствии с соотношениями:

Соотношения впервые найдены в настоящем изобретении.

В вышеуказанном способе согласно настоящему изобретению возможно проведение восстановления кремния из кремнезема SiO₂, кварцитов, силана SiH₄, хлорсиланов (монохлорсилана SiH₃, дихлорсилана SiH₂Cl₂, трихлорсилана SiHCl₃) тетрахлорида кремния SiCl₄ путем получения мелкодисперсного порошка или слитка кремния Si в присутствии аргона или без него, с использованием газа водорода или хлора, при температуре 600÷1200°C, по следующим реакциям:

В вышеуказанном способе согласно настоящему изобретению возможно проведение восстановления из ильменита FeTiO₃ металлического железа α-Fe и диоксида титана TiO₂ до металлического титана в объеме петли тока с фазовым переходом Fe₂O₃→Fe₃O₄ в среде аргона или без аргона, по следующим реакциям:

Как видно из вышеизложенного, настоящее изобретение использует резонансный энергообмен в твердом теле, в газовой среде, но в отличие от предшествующего уровня в настоящем изобретении подразумевается, что нет необходимости организовывать взаимодействие частиц сырья на резонансной моде определенного типа и частоты. Природа излучения в способе по настоящему изобретению в корне отлична от магнетронного или клистронного типа природы излучения микроволновых генераторов, которое затем по запредельному волноводу канализуется в реакционную микроволновую камеру, представляющую собой закрытый объемный резонатор микроволнового диапазона, имеющий несущую моду определенного типа (ТЕ, ТЕМ). В случае настоящего изобретения волноводы и закрытый объемный резонатор отсутствуют, излучение организуется непосредственно в веществе образца, спектр частот излучения соответствует резонансным частотам материала образца, объемный резонатор открытого типа (в виде куска трубы) отсутствует, так как сжатие энергии в центр масс и экран из вращающегося бегущего магнитного поля вокруг вращающейся петли тока - плазмоида обеспечивают способ согласно настоящему изобретению без специальной конструкции камеры, в которой происходит удержание плазмы.

В способе по настоящему изобретению получение чистого поликристаллического кремния производится путем осаждения кремния из кремний содержащего порошка или газа в среде инертного газа (в частности, аргона) в электронно-ионной петле тока, генерируемой в широком, в частности микроволновом, диапазоне частот ЭМ волн резонансно. Генератором излучения в настоящем изобретении не является магнетрон, который является причиной неравномерного нагрева в микроволновом поле, создания агломератов и осаждения на стенках и сравнительно невысокого к.п.д. ЭМ волны генерируются частицами кремний содержащего газа в бегущем ЭМ поле с резонансной накачкой тока в RLC контуре, что также отсутствует в предшествующем уровне техники. Аналогично также и для FeTiO₃.

В настоящем изобретении в качестве восстановителя используются твердые углерод содержащие вещества: графит, бурый уголь, кокс. Установка в своем составе имеет генератор СО, где предварительно получают СО для окислительно-восстановительных преобразований. Рабочая смесь поляризуется, подогревается в первом каскаде MVD облучения, затем во втором каскаде в резонансном режиме разогревается до 900°C. Сырье подается в реактор в смеси с окислителем и медленно продвигается в потоке через резонансную область реактора. Окислительно-восстановительные преобразования и фазовый переход Fe₂O_3→Fe₃O₄ организуются резонансно в бегущем магнитном поле петли тока, которые в предшествующем уровне отсутствуют. Нет резонансного взаимодействия, которое позволяет измельчать и осуществлять фазовый переход с малыми потреблениями электроэнергии.

В способе согласно настоящего изобретения, в отсутствии магнетрона в качестве генератора микроволнового излучения, генератором резонансного излучения широкого, в частности, микроволнового диапазона, являются ионизованные атомы и молекулы самого нагреваемого вещества - смеси шихты, находящихся при этом в бегущем магнитном поле. Бегущее поле (магнитное) в петле тока электронов и ионов создает ионизацию и, как следствие, генерацию СВЧ поля большой мощности в замкнутом объеме петли тока с к.п.д. 96% в отличие от предшествующего с к.п.д. 50%. Электронно-ионная петля тока, образованная непосредственно в облучаемой шихте (сырье), бегущее магнитное поле и петля тока в технологиях предшествующего уровня отсутствуют, в котором, как уже сказано выше, имеется низкий к.п.д. (приблизительно 50%).

В настоящем изобретении взаимодействия магнитных, электрических вращающихся волн со сгустком заряженных частиц, рожденным в потенциальном электростатическом поле в режиме параметрического и магнитного резонансов, используются с целью получения магнитной накачки и удержания энергии в бегущем магнитном поле. В качестве механизма магнитной накачки энергии используется резонансное усиление ЭМ волн с магнитно-инерционным удержанием сгустка заряженных частиц, чего нет в предшествующем уровне техники. В предшествующем уровне нет магнитной накачки как таковой.

Накачку энергии осуществляют в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах. Здесь присутствуют два уровня частот: первый - циклическая частота, определяемая резонансной частотой контуров питающей системы в диапазоне (10¹ 10⁶) Гц; второй уровень - высокая модулирующая частота, определяемая резонансными частотами материала сырья в диапазоне (10⁵ 10¹²) Гц и более. Происходит индуктивное взаимодействие частиц сырья, окруженных бегущими магнитными и электрическими волнами с круговой или эллиптической поляризацией, с этими волнами. Параметры волн (частота, скорость, напряженности магнитного и электрического полей) определяются как параметрами питающей системы (циклическая частота, энергия), так и параметрами вращающихся заряженных частиц сырья (модуляция на высоких резонансных частотах сырья). Взаимодействие происходит в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока, образованной множественными малыми вихрями частиц типа ротора - вращающейся материи. Тогда магнитные и электрические волны как поле можно условно рассматривать аналогично статору - неподвижной части. Электродвигатели, имеющие ротор и статор, преобразуют энергию одного вида в энергию другого вида или в электричество. Аналогия ротор-статор здесь используется в смысле генератора энергии взаимодействия частиц и волн. Взаимодействие это происходит на уровне размеров частиц сырья, молекул, ионов, электронов, длин волн. Поэтому можно считать систему "ЭМ волна - сгусток заряженных частиц" микрогенератором или квантовым генератором.

Описанная система или петля тока удерживается магнитным и электрическим совокупным полем (сформированным питающей системой - скрещенные поля, плюс поле волн вокруг частиц) в центре масс устройства (реактора), т.е. инерционно. Поэтому можно говорить о магнитно-электрически инерционном удержании системы. Термин "магнитно-инерционное" удержание обычно используется для устройств ядерного синтеза и имеет смысл удержания в заданном объеме плазменного сгустка, тора или шнура.

В настоящем изобретении термин "магнитно-инерционное удержание" обозначает физические механизмы магнитного сжатия и инерционного вращения магнитной энергии и частиц сырья или микро и макро частиц. Понятия "удерживать", "сжимать", "аккумулировать" - условные, так в настоящем изобретении названы замкнутые механизмы вращения энергии по спирали к центру с изменением частоты и фазы для частиц, магнитных и электрических волн и их комбинаций.

Для восстановления металлов, находящихся в разрушенной кристаллической решетке сырья, необходимо применить восстановители. Классическим восстановителем для кремния является водород, для железосодержащих минералов, таких как ильменит, могут быть газообразные СО, CO₂ или дешевые твердые восстановители - уголь, кокс, графит, которые использованы в осуществлении способа по настоящему изобретению.

Самосогласованное, резонансное состояние в системе "ЭМ волна - сгусток заряженных частиц" рассматривается как устойчивое состояние, названное "магнитным V диполем" (в сокращении - MVD).

Магнитный диполь - система из двух "магнитных зарядов", которые до сих пор не найдены, носителями магнитного поля являются движущиеся электрические заряды. Понятие магнитного диполя определяется как магнитный момент системы токов. В простейшем случае магнитный диполь аналогичен витку с током в магнитном поле, которое стремится сориентировать виток так, чтобы его магнитный момент был направлен по полю. На взаимодействии магнитного диполя с магнитным полем основано разделение частиц с различными магнитными моментами: атомных ядер, атомов, молекул. Чем больше магнитный момент частицы, тем больше магнитное поле изменяет ее траекторию. В данном случае существование магнитного диполя подтверждается вращением сгустка частиц - петли тока. Для отличия от других диполей была добавлена буква V в название наблюдаемого состояния и устройства. Аббревиатура на латинице для авторов настоящего изобретения предпочтительна.

Ниже приводятся примеры, подтверждающих такое состояние.

Настоящее изобретение посвящено исследованиям самосогласованных, резонансных состояний "магнитная волна - сгусток заряженных частиц" в электростатическом поле. Получено непрерывное удержание магнитной энергии. В предшествующем уровне, в вышеуказанном патенте Узбекистана № IAP 03701 на "Способ получения ядерной энергии" изложена теоретическая и практическая сущности получения ядерной энергии. Из описания этого патента понятно, что способы получения ядерной энергии могут быть использованы для молекулярных преобразований на уровне кристаллической решетки минералов, которыми являются SiO₂, FeTiO₃ и другие.

В настоящем изобретении рассматривается комплекс электрофизических преобразований, электрических, магнитных, касающихся энергопреобразований совместно с частицами вещества на молекулярном уровне. Настоящее изобретение является практическим применением в промышленности ряда исследований в совершенно новом качестве, в новых, управляемых режимах магнитных и электрических преобразований в магнитных волнах и веществе.

Преобразования энергии объединены в единую магнитно-электрически инерционную систему в осцилляторно-вращательной модели. Вращающийся осциллятор имеет две инерциальные системы, которые условно разделены границей. Механизмы преобразований ЭМ поля представлены дифференциальными уравнениями. Выводы настоящего изобретения построены на классической электродинамической концепции поля (уравнениях Максвелла, Гельмгольца, Гамильтона-Якоби, преобразованиях Лоренца), что позволяет в динамике осуществить эффект взаимодействия волна - частица. При определенном соотношении напряженностей электрической и магнитной энергий (фазовом угле φ), устанавливающемся в MVD, становится возможным осуществить магнитную накачку и удержание сгустка заряженных частиц без ограничения во времени. Сгусток частиц в этом случае находится в состоянии стабильного осцилляторно-вращательного движения в соответствии с эмпирически полученным соотношением:

E_частиц~CU²/2~nmc²~nhv, где С - емкость резонансного контура, Ф (F); U - напряжение в нем, В (V); m - масса ионизованных частиц, кг; с - скорость света, с=3×10⁸ м/с (m/s); v - резонансная частота частицы-волны, Гц (Hz); h - постоянная Планка, h=6.6260755×10^-34Дж•с (J•s); n - количество ионизованных частиц. Соотношение связывает квантово-волновые и электротехнические параметры системы: энергию частиц Е=nmc², энергию в колебательном контуре Е=CU₂/2 и энергию ЭМ волны, возбуждаемой в резонансной системе Е=nhv.

В настоящем изобретении предлагается совершенно новая магнитная накачка энергии для генерации ЭМ взаимодействий магнитных волн MVD в кремний, титан, золото, редкоземельные элементы содержащем сырье и железорудных окатышах и в другом сухом сыпучем сырье, что подразумевает, если коротко резюмировать:

1. Предварительную очистку, сушку и подготовку сырья в ЭМ поле микроволнового диапазона, получение мелкодисперсного порошка SiO₂;

2. Нагрев, поляризацию и ионизацию сырья в ЭМ поле высокого напряжения (класса 1÷100 кВ) в среде водорода и аргона или твердых восстановителей: графит, кокс, бурый уголь и других, на первой стадии (операции) обработки сырья;

3. Генерацию электронно-ионной петли тока в бегущем магнитном поле сгустка ионизованных частиц сырья в среде водорода-аргона (или в среде графита, кокса, угля и других) в электрическом поле среднего уровня напряжения (класса 1÷0,3 кВ);

4. Образование фазовых переходов Fe₂O₃→Fe₃O₄ и разрушение кристаллической структуры оксидов кремния, титана и окисление, восстановление;

5. Проведение окислительно-восстановительных преобразований в ионизованном состоянии вещества сырья - восстановление кремния, титана, железа и др. пропаном, твердыми реагентами, водородом в среде аргона, воздуха или их смеси в магнитном поле микроволнового диапазона пониженного напряжения с большим током (класса до 0,1 кВ) на второй стадии (операции);

6. Коагуляцию и образование частиц или слитков поликристаллического кремния, металлов титана и железа.

Процессы проводятся в несколько стадий, в каждой из которых решается определенная задача, как-то: поляризация, нагрев, ионизация, проведение фазовых переходов Fe₂O₃→Fe₃O₄, окислительно-восстановительных реакций, коагуляции оксидов кремния и титана и другие операции, которых нет в предшествующем уровне техники.

Настоящее изобретение позволяет создать режимы направления движения энергии, которые позволяют практически применить настоящее изобретение в промышленном производстве - производстве золота и других металлов, в производстве кремния и титана, коммерческого электричества и применения в электротехнической промышленности. Именно режимы векторных направлений движения энергии магнитной, электрической в комплексе создают условия для направленного накопления - накачки магнитной или электрической энергии. Объем накапливаемой энергии магнитной или электрической значительно превышает энергию связи сложных элементов, что приводит к их разложению. Очень важно, что накопление энергии в настоящем изобретении поэтапно, последовательно возможно отдельно как в электрической, так и в магнитной фазе. В сущности это позволяет достичь практически уровней энергии связи сложных соединений элементов и разложить их на составляющие. При этом энергия связи параллельно суммируется с затрачиваемой энергией в фазе электрической энергии, для дальнейших преобразований.

Для среднего специалиста в данной области техники является очевидным, что любые особенности (признаки) и/или преимущества настоящего изобретения, раскрытые применительно к одному варианту осуществления настоящего изобретения, могут являться составной частью других вариантов настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут раскрыты ниже исключительно в качестве примеров со ссылками на следующие фигуры:

Фиг. 1. Модель осциллятора вращающейся энергии в двух инерциальных системах отсчета.

Фиг. 2. Два события в двух инерциальных системах.

Фиг. 3. Блок-схема двухзазорного резонатора с областями взаимодействия АВ и CD: трубка дрейфа - 1; внешний экран резонатора - 2; резонансная линия - 3; источник электростатического поля или ГИН-300; источник электронов, катоды - 4; измерительные зонды - 5.

Фиг. 4. Резонатор без трубки дрейфа; катод - К; анод - А.

Фиг. 5. Общий вид установки РО-2.

Фиг. 6. Система РО-2: 1 - трубка дрейфа (анод); 2 - катод; 3 - система РО-2; 4 - шунт обратного тока (ШОТ); 5 - пояс Роговского; 6 - проходные изоляторы; 7 - электрические зонды; 8 - импульс от ГИН-300; 9 - импульс от импульсного трансформатора (ИТ).

Фиг. 7. Электрическая схема ГИН-300.

Фиг. 8. Осциллограммы импульса напряжения: верхняя - с выхода ГИН; средняя - с системы РО-2; нижняя - метки генератора высокой частоты f=50 МГц, вся развертка 500 нс.

Фиг. 9. Электрическая схема эксперимента.

Фиг. 10. Электрическая (эффективная) схема эксперимента.

Фиг. 11. Блок-схема MVD измерений: 1 - источник питания на 8 кВ, 2,5 кВт; 2 - блок изменения угла ±φ; 3 - резонансная индуктивность RLC контура MVD; 4 - MVD реактор; 5 - емкость RLC колебательного контура С_эф; 6 - шунт измерительный; 7 - осциллограф измерительный; 8 - обмотка постоянного магнитного поля и источник питания постоянного тока.

Фиг. 12. Процессы образования MVD при напряжении 8 кВ.

Фиг. 13. Пакет магнитных волн при напряжении 50 кВ.

Фиг. 14. Осциллограмма тока.

Фиг. 15. Электрическая блок-схема питания MVD.

Фиг. 16. Расположение катушек ХА, YB, ZC, дающих вращающееся магнитное поле.

Фиг. 17. Вращающееся магнитное поле. График изменения со временем полей НА, НВ, НС;

Фиг. 18. Вращающееся магнитное поле. Векторное сложение полей в моменты: t=0, t=T/3, t=2T/3, когда соответственно поля НА, НВ, НС обращаются в нуль.

Фиг. 19. Схема-модель формирования MVD диполя: 1, 6 - устройства подачи сырья; 3, 5 - электроды; 2 - обмотка соленоида; 4 - электронно-ионная петля тока и векторы вращающихся магнитных полей; 7 - магнитный поток.

Фиг. 20. Осциллограмма замкнутого тока и магнитного поля во внешней цепи MVD.

Фиг. 21. Схема колебательного контура.

Фиг. 22. Схема колебательного контура с поочередным подключением заряжаемых конденсаторов.

Фиг. 23. Изменение во времени токов $$I\underset{\_}{\underset{\_}{R}}$$ I_C, I_L.

Фиг. 24. Формирование импульса тока произвольной формы.

Фиг. 25. Формирование плоской вершины тока.

Фиг. 26. Экваториальное бегущее магнитное поле, образованное петлей тока.

Фиг. 27. Бегущее магнитное поле, образованное петлей тока, ориентированной азимутально.

Фиг. 28. Схема установки для проведения эксперимента, со стенками камеры: слева - форма петли тока - эллипсоид; справа - эллипсоид, близкий к сферической форме.

Фиг. 29. Участок дифрактограммы образца модифицированного ильменита с рефлексами α-Fe и графита.

Фиг. 30. Участок дифрактограммы образца модифицированного ильменита с линиями рутила.

Фиг. 31. Фото исходного образца ильменита FeTiO₃ (методом съемки на растровом электронном микроскопе с анализатором РЭМА-10202).

Фиг. 32. Фото образца ильменита не размолотого, модифицированного.

Фиг. 33. Фото образца ильменита не размолотого, модифицированного при другом режиме облучения.

Фиг. 34. Спектрограммы образцов: верхняя - исходного ильменита; средняя - сросток диоксида титана в модифицированном ильмените (точка 3 на фиг. 32); нижняя - сросток железа (точка 4 там же).

Фиг. 35. Фото образца ильменита модифицированного с графитом (методом съемки на микроаналитическом комплексе JEOL).

Фиг. 36. Фото образца модифицированного с графитом с добавлением соды NaOH в качестве катализатора, крупная фракция.

Фиг. 37. Спектрограмма сростков в образце модифицированного ильменита с графитом с добавлением соды, - коагулированные сростки металлического железа α-Fe (85-98%);

Фиг. 38. То же, что на фиг. 37, - коагулированные сростки диоксида титана TiO₂ (86-93%).

Осуществление изобретения.

Модель осциллятора вращающейся энергии

Если движение электронно-ионного сгустка осуществляется при одновременном наличии постоянных напряженностей электрического Е и магнитного Н полей, перпендикулярных первоначальному направлению движения нерелятивистского сгустка, и когда напряженность электрического поля Е много меньше напряженности магнитного поля Н, тогда траекторию частиц можно представить как сумму двух движений в направлении, перпендикулярном скрещенным полям с постоянной (дрейфовой) скоростью u_d=с Е/Н. В плоскости, перпендикулярной магнитному полю, электронно-ионный сгусток вращается по окружности с циклотронной частотой с радиусом R=(u₀=с Е/H)/ω, где u₀ - начальная скорость электронно-ионного сгустка. R можно удерживать при постоянном Е, если Н и ω - непрерывно увеличивать, то будет в настоящем изобретении осуществляться магнитная накачка и магнитно-инерционное удержание сгустка.

Преобразования энергии в MVD происходят согласно следующей модели. Движение энергии по замкнутой траектории пространства и времени в самосогласованном состоянии в настоящем изобретении названо вращающимся осциллятором. Вращающийся осциллятор имеет две инерциальные системы отсчета - внешняя (⁺) и внутренняя (^-), которые разделены границей в виде окружности (о) - фиг. 1. Согласно теории относительности, два независимых события, происходящие в двух независимых инерциальных системах, можно рассматривать как одно в некоторой третьей инерциальной системе, являющейся объединением первых двух независимых инерциальных систем отсчета. Тогда событие А₀, происходящее в третьей инерциальной системе, является связующим звеном между первым ⁺А и вторым ^-А событием в первой и второй инерциальных системах. Через это третье событие А₀ (фиг. 2) осуществляется связь между ⁺А и ^-А, выражающаяся, например, в обмене энергией между ⁺А и ^-А через А₀. Если представить ⁺А и ^-А лежащими на катетах прямоугольного треугольника то в этом случае они не имеют проекций друг на друга, т.е. находятся в независимых инерциальных системах. Событие А₀ расположено на гипотенузе треугольника и имеет проекции на ⁺А и ^-А, т.е. связано с ними. Тогда два события ⁺А+^-А=А₀ в двух инерциальных системах связаны равенствами: ⁺β²+^-β²=1; ⁺φ+^-φ=π/2, что показано на фиг. 2, где А₀, ⁺А, ^-А - отсчетные инерциальные системы (или события), где относительное центробежное расширение ⁺β=cos⁺φ=⁺А/А₀; относительное "центротяготение" ^-β=cos^-φ=^-А/А₀. Направления векторов движения энергии в инерциальных системах ⁺А и ^-А (фиг. 1, 2) взаимно перпендикулярны.

На фиг. 1 показана модель осциллятора вращающейся энергии, где:

W₀ - вращающаяся энергия осциллятора;

⁺W - проекция вектора W₀ во внешней инерциальной системе;

⁺φ - фазовый угол центробежного расширения, внешняя инерциальная система, движение энергии из центра масс;

^-W - проекция вектора W₀ во внутренней инерциальной системе;

^-φ - фазовый угол центротяготения, внутренняя инерциальная система, движение энергии в центр масс;

⁺A(⁺r,⁺t) - внешняя инерциальная система;

^-A(^-r, ^-t) - внутренняя инерциальная система;

А₀(r₀, t₀) - граница отсчета инерциальных систем вращающегося осциллятора;

F - сила в инерциальных системах;

t - время в инерциальных системах;

r - координаты {x, y, z) в инерциальных системах;

При наблюдении из внешней инерциальной системы (фиг. 1) можно видеть во внутренней инерциальной системе проекцию внешней инерциальной системы в виде вращающейся энергии ^-W. Сжатие энергии (^-W) к центру от 0 до -∞ с углом ^-φ приводит к появлению вращающейся петли тока вокруг центра тяготения или вращение в плоскости, перпендикулярной оси электрода, с одновременным вращением петли тока в плоскости, параллельной оси электрода.

Направление вектора ^-W внутренней энергии находится в замкнутом состоянии. Во внешней инерциальной системе ^-W имеет условно полярность N-S. Внутренняя энергия ^-W вращается с увеличением частоты от границы А₀ к оси N-S, W₀(ω₁(ω₂(ω_3l(…)))). Во внешней инерциальной системе видно центробежное расширение внешней энергии ⁺W с углом ⁺φ от 0 до +∞. Внешняя энергия ⁺W вращается с уменьшением частоты от границы А₀→+∞

⁺m, ^-m, m₀ - масса во внешней, внутренней инерциальных системах и на границе;

⁺V, ^-V, с - скорость во внешней, внутренней инерциальных системах, скорость света;

⁺q, ^-q, q₀ - заряд во внешней, внутренней инерциальных системах и на границе;

⁺Е, ^-Е, Е₀ - напряженность поля во внешней, внутренней инерциальных системах и на границе;

⁺ω, ^-ω, ω₀ - частота вращающейся энергии во внешней, внутренней инерциальных системах и на границе;

⁺W=W_E - внешняя энергия электрического поля;

^-W=W_M - внутренняя энергия магнитного поля;

$${}^{+}E=\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ - внешняя напряженность электрического поля;

$${}^{-}H=\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ - внутренняя напряженность магнитного поля.

Теоретическая модель

Далее рассматривается двухзазорный резонатор, образованный коаксиальными цилиндрическими оболочками, ось которых совпадает с осью ОХ (фиг. 3). Конструкции подобных резонаторов описываются в работах "Схема параметрического преобразования энергии", Вербицкий И.Л. и др.; Сообщения ОИЯИ Р9-90-371, Дубна, 1990; "О принципе прямого преобразования энергии", Колесник В.Г. и др.; книга "Ускорители прямого действия и СВЧ генераторы на их основе", Ташкент, ФАН, 1990, с. 247-259; статья ДАН УзССР, 1988, №8, с 25-31; "О движении частиц в электромагнитных полях", Колесник В.Г. и др.; ДАН УзССР, 1988, №10, с. 26-29. В области G между оболочками наложено электростатическое поле с напряжением 300 кВ. В области G имеем движение сгустка частиц в скрещенных магнитном и электрическом полях.

Через систему проходит пучок заряженных частиц, эмитируемых катодами - 4. Взаимодействие пучка с полем сосредоточено в окрестности входной АВ и выходной CD областей устройства. Область ВС является пространством дрейфа, в котором пучок экранирован от внешних полей. Если электронный пучок интерпретировать как бесконечную последовательность ветвей RL, каждая из которых вместе с емкостью прилегающей области образует последовательную ветвь RLC (С - эквивалентная емкость, состоящая из емкости С₁ и емкости между пучком и границами отверстий А и В), то приходим к задаче о диссипации энергии, предварительно запасенной на емкости С₁ в замкнутом колебательном контуре RLC. Система в целом является системой с распределенными параметрами. Рабочие области АВ и CD с заключенными в их пределах элементами пучка представляются контурами с сосредоточенными параметрами. При этом возбуждаемый в этих элементах ток можно рассматривать по отношению ко всему пучку как локализованные на этих элементах источники тока. Здесь используется схема прямолинейного осциллирующего движения сгруппированных сгустков электронов на оси ОХ. Если сгусток электронов сформировать в точку на оси ОХ, трубку дрейфа исключить из схемы, оставить анод в виде точки в центре резонатора (фиг. 4), то схема осциллирующего движения электронов превращается в осцилляторно-вращательную. В экспериментах используются обе схемы - осциллирующего и осцилляторно-вращательного движения. В обоих случаях в фазе частицы ускоряются, в противофазе являются источником тока. Стрелками показано направление замкнутого тока J_H в RLC контуре, с многомодовой модуляцией.

В резонансной линии сгусток частиц, сосредоточенный в пространстве между анодом и катодом при напряжении питания U, возбуждает электромагнитную волну в диапазоне частот 0<v<eU/h, где h - постоянная Планка, U≤U_{анод-катод}. Модуляция низкочастотных колебаний RLC контура высокочастотными происходит на резонансных частотах v в условиях параметрического и магнитного резонансов. Раскачка колебаний возможна при изменении R и L скачками (группировка по любому периодическому закону с периодом T_n=nT₀/2 или частотой ω_n=ω₀/2n, где n - целое число, Т₀ - период собственных колебаний контура). Наиболее эффективно раскачка имеет место при n=1, когда частота накачки равна частоте перекачки W_Э в W_M в системе, где W_Э, W_M - энергии электрического и магнитного полей, соответственно.

В магнитных волнах механизм энергообмена электронно-ионного сгустка может быть как с фазовым углом ⁺φ, так и ^-φ, что возможно, если использовать электроны и ионы. Петля тока из разнополярных частиц управляется бегущим магнитным полем магнитных волн, что будет показано в примерах работы MVD ниже.

В качестве теоретической модели здесь рассмивается двумерная система, изображенная на фиг. 3. Она раскрыта в вышеуказанных работах "Схема параметрического преобразования энергии" и "О принципе прямого преобразования энергии". Поле в такой системе имеет компоненты Е_х, Е_у, H_z. В промежутке АВ приложено электростатическое поле $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_0$$ , а в промежутке CD приложено электростатическое поле $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_1$$ обратного по отношению к $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_0$$ направления. Поле $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_0$$ ускоряет электроны, попавшие в первый промежуток, а поле $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_1$$ тормозит движущиеся во втором промежутке электроны. В плоскости х=0 в систему вводится электронный сгусток, создающий импульс тока длительностью т. Электроны, ускоряясь полем $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_0$$ , достигают области дрейфа ВС, на выходе из которой начинают тормозиться полем $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_1$$ так, что в D продольная скорость электронов становится равной нулю, и они под действием поля $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_1$$ начинают ускоренно двигаться в обратном направлении. Если скорость электронов u(х)=0 при х=0, то $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_1=-{\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_0$$ , и движение электронов слева направо и справа налево симметрично, отличаясь только сдвигом фазы на 1/2 периода. Если Предположить в рассмотрении, что движение электронов одномерно, то взаимодействие описывается самосогласованной системой уравнений Максвелла):

и релятивистским уравнением движения заряженной частицы в поле плоской ЭМ волны вдоль оси х:

где: ρ - плотность заряда, $$\stackrel{\rightharpoonup }{j}$$ - плотность тока, η=e/m - отношение заряда электрона к его массе. Решение системы (1), (2) находиться методом итераций, исходя из приближения для заданного тока.

В качестве исходного нулевого приближения берется ток I в заданном электростатическом поле без учета пространственного заряда. Если пренебречь также эффекты неоднородности, связанные с наличием границы импульса тока, то можно считать ток постоянным в каждом сечении (х=const). В этих предположениях

(4)

Для следующего приближения найдем сначала поле, наведенное этим током. Наведенное поле будем искать в виде ряда Фурье по t

(5)

и аналогично для компонент Е_у и H_z.

Для гармоник $${\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_n$$ , $${\stackrel{\rightharpoonup }{H}}_n$$ убудем иметь стационарные уравнения Максвелла, из которых обычным путем получим уравнение Гельмгольца для компоненты E_x:

где

Для определения $$E_{x_n}$$ или $$H_{x_n}$$ можно воспользоваться обобщенным проекционным методом (ОПМ), описанным в работах "On the method of solving the Helmholtz", Verbitskii, J. Math. Phys., 1981, V. 22, #1, c. 32-38; V. 23, #4, c. 510-516, и "Обобщенный проекционный метод", Вербицкий И.Л., ДАН СССР, 1987, т. 294, №1, с. 72-75.

Найдя $$E_{x_n}$$ , можно определить полное поле E_x(x,y,t) из (5) и подставить в уравнение движения, которое теперь будет иметь вид:

Уравнение (7) следует решать численно, например методом дискретизации. Уравнение (7) является реонелинейным и может описывать нелинейный параметрический резонанс сжимающегося сгустка в вихревом поле.

Решив уравнение (7), можно найти новый период тока Т₁ и новый полный ток I₁(x,t), который определяется либо из уравнения сохранения заряда I₀dt₀=I₁dt₁ либо из уравнения непрерывности $$\partial {\rho }_1/\partial t+\partial I_1/\partial x=0$$ , позволяющего найти ρ₁ при известном u. Дальше найденный полный ток представляется в виде ряда Фурье по времени типа (3), но с периодом T₁,после чего его гармоники подставляются в уравнение (6) и т.д. Следует заметить, что решение уравнения (6) в каждой итерации в силу сглаживающих свойств функции Грина для уравнения Гельмгольца будет сглаживать правую часть, уменьшая роль высоких гармоник и повышая роль основной гармоники.

Экспериментальные результаты показывают, что с помощью ОПМ можно при решении уравнения эффективно учесть несколько десятков гармоник поля в каждой итерации, то есть находить поле с высокой точностью. Начиная с первой итерации, ток уже зависит от координаты у, так как от нее зависит ускоряющее поле, но уравнение движения остается одномерным. Рост тока можно объяснить причиной ускорения электронов в промежутке АВ и торможения в CD, где ток переходит в магнитное поле удержания электронов. Таким образом, можно прийти к выводу, что во вращающемся, осциллирующем сгустке электронов наблюдается рост тока и магнитная накачка с аккумулированием, с переходом в магнитно-электрически инерционное удержание, что раскрывается в настоящем изобретении. "Магнитно" - это ток и магнитное поле, "электрически" - это наложенное электростатическое поле, инерционное вращение - это вращение массы частиц вокруг центра масс, чего нет в предшествующем уровне техники.

Конструкция генератора тока, экспериментальное исследование

Конструктивно генератор РО-2 (релятивистский ортотрон-2) представляет собой вакуумный объем, изготовленный из отрезков труб из нержавеющей немагнитной стали 12x18H10T. Слева и справа установлены взрывные катоды. После сборки генератора в объеме был получен вакуум 2·10^-5 Тор. Внешний вид генератора показан на фиг. 5. Основная часть корпуса генератора - это патрубок диаметром 150 мм и длиной 270 мм. К нему с торцов, через фланцевое вакуумное уплотнение типа "конфлат" крепятся два патрубка того же диаметра, длиной по 110 мм. Протяженность РО-2 около 490 мм ≈λ.

Электрическая схема измерений параметров РО-2 представлена на фиг. 6. Высокое напряжение на трубу дрейфа РО-2 подавалось от генератора наносекундных импульсов ГИН-300 с параметрами: U₀=300 кВ; I≥1 кА; t_имп=20 нс; f=1 Гц через один из 2-х проходных изоляторов. Электрическая схема ГИН-300 и измерение параметров импульса ГИН приведены на фиг. 7.

Генератор импульсных напряжений (ГИН-300) собран по традиционной схеме Аркадьева-Маркса. Он содержит 15 ступеней на основе конденсаторов (U₀=10 кВ; С=3300 пФ). В каждой ступени собрано по последовательной схеме 2 конденсатора. Таким образом, емкость одной ступени составляет С=1650 пФ. "Ударная емкость" ГИН равна С_уд=110 пФ. Запасаемая энергия за импульс Р=5 Дж. Расчетная величина тока при длительности импульса t_имп=20 нс равна I=1,6 кА. С целью уменьшения тепловых потерь в зарядных и разрядных резисторах при работе ГИН в частотном режиме они выполнены в виде индуктивностей.

Конструктивно ГИН собран в цилиндрическом баке из нержавеющей стали диаметром ⌀~550 мм и высотой h=400 мм (фиг. 5). В баке создается избыточное давление порядка 5 атм. В качестве изолирующего газа используется технический азот. На нижнем фланце расположены высоковольтные вводы подачи зарядного напряжения и поджигающего импульса на первый управляемый разрядник ГИН-Р (фиг. 7). Кроме того, на этом фланце имеется вывод разъема с делителем выходного напряжения. На противоположном фланце расположен регулируемый срезающий разрядник - P1 (фиг. 7) манометр для измерения давления (фиг. 5) в объеме ГИН и система напуска и стравливания газа. Высокое напряжение ГИН через проходной изолятор, который находится сбоку корпуса ГИН, подается на трубу дрейфа системы РО-2. Конструкция ГИН в сборе видна на фиг. 5. Высоковольтный импульс микросекундной длительности на систему РО-2 подается от импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор (ИТ) формирует импульс напряжения со следующими параметрами: U=120 кВ; t_имп=10 мкс; f=50 Гц.

Конструктивно ИТ помещается в железный бак с высоковольтным проходным изолятором. В качестве диэлектрика используется трансформаторное масло. Сердечник импульсного трансформатора выполнен из электротехнической стали толщиной 0,08 мм. Сердечник представляет собой прямоугольник размерами 340×260 мм², с внутренним окном 260×180 мм². Сечение сердечника 8×8 см². Первичная обмотка ИТ состоит из 16 витков, вторичная - из 160 витков. ИТ крепится внутри бака на диэлектрической подставке, которая с помощью шпилек подвешивается к диэлектрической крышке бака ИТ.

Управление временами включения ГИН-300 и ИТ осуществляется с помощью генератора поджигающих импульсов (ГПИ). Время включения ГИН-300 и ИТ может сдвигаться друг относительно друга. В экспериментах настоящего изобретения ГИН-300 включался на фронте высоковольтного импульса ИТ.

Для измерения высоковольтных импульсов используются делители напряжения (ДН), выполненные из малоиндуктивных резисторов. Для измерения импульса с ГИН используется ДН (фиг. 7) с коэффициентом деления n=1333 раз. Для измерения импульса с ИТ использовался делитель с коэффициентом деления n=10000 раз.

Для измерения тока электронного пучка в системе использовались разработанные специально магнитоиндукционные датчики (пояса Роговского). Пояс Роговского (фиг. 6) наматывался проводником на диэлектрическое кольцо сечением S=1 см² и радиусом R=5 см. Количество витков пояса определялось из условия: L/R≥10t_имп, где L - индуктивность пояса Роговского; R - активное сопротивление пояса Роговского (измерялись экспериментально мостом сопротивлений и индуктивностей); t_имп - длительность измеряемого импульса. Чувствительность пояса Роговского определялась экспериментально путем разряда специального генератора на проводник, находящегося на оси пояса Роговского и составила порядка 0,025 В/А. Кроме того, для измерения тока электронного пучка использовались шунты тока, выполненные из малоиндуктивных резисторов, которые включались в цепь катодов системы РО-2.

Результаты измерений

На первом этапе измерений необходимо определить параметры ГИН-300. С этой целью выход ГИН через проводник соединялся с заземленным корпусом ГИН, т.е. осуществлялся режим короткого замыкания.

Импульс напряжения с ДН подавался на вход осциллографа. Осциллограммы снимались на светочувствительную пленку (в предположении, что разрешение на пленке выше, чем в цифровых камерах). По имеющимся осциллограммам определялись следующие параметры ГИН:

где Т - период колебаний импульса; С_уд - "ударная" емкость. Собственная индуктивность ГИН составила L≈9·10^-8 Гн, а волновое сопротивление ГИН Z_B=30 Ом. Импульс с выхода ГИН однополярный, длительностью ~40 нс, ожидалось 20 нс.

На фиг. 8 приведены осциллограммы импульса напряжения с выхода ГИН+ДН (верхняя) и импульс тока в цепи ГИН и системы РО-2 с пояса Роговского (средняя). Нижняя - метки генератора высокой частоты f=50 МГц, вся развертка 500 нс. Форма импульса напряжения в системе РО-2, на трубке дрейфа - синусоида. Длительность одного полупериода синусоиды t_имп=40 нс. Отрицательный предимпульс на осциллограмме напряжения объясняется тем, что ИТ подсоединен к трубке дрейфа РО-2 через отрезок коаксиальной линии (кабель виден на фиг. 5), и этот выброс показывает, что в начальный момент происходит заряд этой линии. Амплитуда первой положительной полуволны U₀≈120 кВ. Импульс тока (средняя осциллограмма фиг. 8) фиксировался поясом Роговского, и величина этого тока в первой полуволне равна I₀=250/0,025 А=10 кА. Таким образом, на начальной стадии процесса видно, что ток в системе РО-2 не превышает предельный ток, выдаваемый ГИН, который определяется как I_пред ⁼U₀/Z_B=3·10⁵/3·10¹ А=10⁴ А. Здесь U₀ - выходное напряжение ГИН. Но следует учесть, что I₀ расчетный ГИН 1,6 кА, длительность 20 нс. Длительность и амплитуды импульсов увеличиваются, что можно объяснить ускорением в АВ и торможением электронов в CD.

Во второй полуволне амплитуда тока возрастает до 20 кА, что, мы считаем, определяется вкладом уже ИТ и за счет резонансного накопления в системе РО-2 совместно с ГИН. Наблюдаемые колебания на огибающей импульсов напряжения и тока являются гораздо более высокочастотными и представляют частоты, генерируемые самой системой РО-2.

Длительность импульсов на выходе ГИН и зонда увеличилась примерно в 2 раза по сравнению с расчетной (ГИН - 20 нс). Резонансная линия образована из элементов ГИН и РО-2 (фиг. 9). Резонансные частоты 6÷10 МГц. Низкочастотные колебания модулированы более высокочастотными. В целом схему можно представить как показано на фиг. 10. ГИН является источником энергии, который может быть импульсным, частотным или постоянного тока и напряжения.

В резонансной схеме возбуждаются резонансы на низких и на высоких частотах. Высокие частоты возбуждаются в РО-2. Возбуждение колебаний на низких и высоких частотах замкнуты в петле тока, которая в РО-2 сориентирована в экваториальной плоскости (осцилляторные колебания) по оси ОХ (фиг. 3). В составе токовой петли вовлечены электроны и магнитные волны. Можно предполагать, что частицы и волны в скрещенных полях представляют единый электромагнитный механизм преобразований энергии. Преобразования могут быть с фазовым углом -φ или +φ.Движение энергии в соответствии с вектором Умова-Пойнтинга может менять направление. Для нашего случая -φ направление вектора Умова-Пойнтинга не меняется. Если амплитуду тока ГИН принимаем I_m=2 кА, U_m=300 кВ, т=40 нс(фиг. 10), то по закону Ома:

Если считать, что R_эф→0, тогда

Подставляя (11) в (10), получаем L_эф=2,5·10⁶ Гн. Резонансная частота петли тока Гц, которая близка к измерениям на осциллограммах (фиг. 8). Возбуждение высокочастотных колебаний на резонансных частотах системы РО-2 приводит к увеличению амплитуды и длительности основной гармоники резонансных колебаний на низкой частоте, близкой к расчетной 6,14·10⁶ Гц. Амплитуда основной гармоники возрастает: I_рез≥20 кА (40 нс) по сравнению с расчетной для ГИН - 1,6 кА (20 нс). Основная гармоника импульсов напряжения с зондов 7 (фиг. 6) в зазорах АВ и CD по амплитуде и длительности близко совпадают с осциллограммой (фиг. 8, средняя) - ток в цепи ГИН и в системе РО-2. Импульсы с зондов регистрируют электродинамику в объеме РО-2 в цепи петли тока, совместно с импульсами основной гармоники. Форму импульсов зондов можно объяснить как квазипостоянное состояние направления движения энергии в замкнутой системе колебаний РО-2. Магнитное поле и ток в системе РО-2 замкнуты и могут быть представлены как магнитные волны с круговой поляризацией, где вектор Умова-Пойнтинга направление движения энергии не меняет. В отрицательной полуволне в момент движения электронов в зазоре CD ток переходит в магнитное поле. Это совпадает с теоретической моделью и ранее опубликованными работами "Схема параметрического преобразования энергии", Вербицкий И.Л. и др.; Сообщения ОИЯИ Р9-90-371, Дубна, 1990; "О принципе прямого преобразования энергии", Колесник В.Г. и др. в книге "Ускорители прямого действия и СВЧ генераторы на их основе", Ташкент, ФАН, 1990, с. 247-259;

статья ДАН УзССР, 1988, №8, с 25-31; "О движении частиц в электромагнитных полях", Колесник В.Г. и др.; ДАН УзССР, 1988, №10, с. 26-29, где на основе теории показано движение частиц в электромагнитных полях, в параметрических схемах прямого преобразования энергии. Таким образом, амплитуда тока растет, напряженность магнитного поля Н вокруг сгустка увеличивается. Аналогично в АВ при движении в обратном направлении относительно начала движения сгустка электронов. Затем направление движения меняет знак на обратный, но движение энергии направления не меняет. Таким образом, состояние накачки тока и магнитного поля поддерживаются с увеличением амплитуды тока от 1,6 кА (ГИН) до 20 кА в РО-2. Если предположить, что электроны на аноде приводят к появлению ионов, то физическая картина тока также не меняется, так как положительные ионы продолжают ток в петле тока в том же направлении.

Здесь рассмотрена схема накопления амплитуды тока в осцилляторных движениях электронов в вакууме (фиг. 3). Чтобы увеличить дальнейшее повышение тока, необходимо перейти к рассмотрению электронно-ионного тока в магнитных волнах. В отличие от первого варианта, будет исследоваться петля тока, вращающаяся в осцилляторно-вращательной схеме по окружности (фиг. 4). Это позволит увеличивать мощности на циклической частоте в объеме полного цикла вращения. Петля тока будет формироваться из электронов и ионов в атмосфере воздуха, что позволяет значительно повысить мощность в непрерывном режиме, что отсутствует в предшествующем уровне техники.

Эксперимент и измерения MVD

Здесь описывается эксперимент формирования MVD в экваториальной плоскости в атмосфере воздуха в скрещенных полях. Экспериментальные измерения производились по схеме, показанной на фиг. 11. В сравнении с установкой РО-2 петля тока I₁ в установке MVD вращается в бегущем магнитном поле и в поле постоянного магнита - 8. Петля тока I₁ формируется в электростатическом поле между анодом и катодом с напряжением 8 кВ. Траектория петли тока образуется в воздухе из электронов, ионов и магнитных волн с круговой поляризацией. Электромагнитные колебания между магнитными волнами и частицами воздуха организуются преимущественно на резонансных частотах частиц воздуха с модуляцией в бегущем магнитном поле на циклической частоте 200 Гц. Расчетные частоты RLC контура могут быть в пределах 6÷10 МГц. Электрическая схема резонансного RLC контура, представленная на фиг. 11, отличается от схемы РО-2 (фиг. 10) отсутствием импульсного источника питания. Вместо ГИН на 300 кВ - источник постоянного тока -1 на 8 кВ, 2 кВт (фиг. 11). L_эф RLC контура - 3 представляет собой обмотку соленоидального магнита, которая наматывается шиной на изолированный, водоохлаждаемый каркас. Обмотка RLC контура одевается на немагнитную камеру реактора и помещается в объем, изготовленный из немагнитной стали. В экспериментах использовались съемные камеры с разными диаметрами (⌀=24÷160 мм).

Магнитное поле в обмотках создается током от петли тока I₁ (последовательное соединение с петлей тока) и от автономного источника питания - 8 постоянного тока I₂ (фиг. 11). Две обмотки: одна - L_эф RLC контура - 3, другая - обмотка постоянного поля для удержания MVD в центре реактора. Осциллограммы снимались цифровыми камерами на осциллографе - 7.

Все электромагнитные преобразования с электронами и ионами петли тока осуществляются в реакторе - 4. В центре реактора установлен анод. Стенки реактора являются катодом. Постоянные магнитное, электростатическое и электромагнитное поля распределяются между анодом и катодом в объеме реактора. В процессе работы разогретые анод и катод совместно с воздухом, находящемся в объеме, являются источниками электронов и ионов. При кратковременном замыкании анод-катодного пространства возбуждаются резонансные электромагнитные автоколебания, аналогично как в РО-2, в соответствии с теоретической моделью. В РО-2 петля тока расположена вдоль оси ОХ, в зазорах АВ, ВС, CD. В данной схеме областью взаимодействия является анод-катодное пространство. При вращении по и против часовой стрелки число зазоров возрастает в соответствии с циклической частотой вращения петли тока в объеме полного цикла вращения. Движение электронов от катода до анода, затем движение ионов от анода до катода представляют ток и траекторию взаимодействий волн и частиц. Ускорение электронов между катодом и анодом в электростатическом поле и в поле волны, ионизованные частицы образуют высокочастотную петлю тока. Фото петли тока показано на фиг. 12, в реакторе диаметром 22 мм в магнитном поле 0,8 Т, при напряжении 8 кВ (снимок сделан цифровой камерой), где можно наблюдать пять параллельных, резонансных траекторий "увеличения тока". Ток в петле тока и в магнитной обмотке RLC контура создают бегущие магнитные волны на частоте 200 Гц. Частота вращения увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля Н.

На фиг. 13 показан многомодовый пакет магнитных волн, по ионизованным траекториям можно видеть шесть параллельных вращающихся магнитных волн. Это можно объяснить тем, что они находятся в резонансе. Аналогичный характер параллельных вращающихся волн можно видеть на фото петли тока (фиг. 12), где резонансные возбуждения наблюдаются на высоких частотах так же параллельно, как и на фото фиг. 13. В установке РО-2 резонансные возбуждения наблюдаются с меньшими амплитудами на высоких частотах и более высокими амплитудами на низких частотах 6÷10 МГц. Такое различие резонансных возбуждений можно объяснить разными значениями угла φ, зависящим от напряжения питания в установке РО-2 - 300 кВ, а в установке MVD - 8 кВ. Угол ±φ регулируется (устанавливается) блоком - 2 (фиг. 11).

На осциллограмме фиг. 14 показана затухающая синусоида в RLC контуре петли тока, похожая на синусоиду RLC контура РО-2. Развертка по горизонтали 0,1 мсек/см, по вертикали - 0,5 В/см. Измерение амплитуды тока проводили на R_ш=0,3 Ом (см. схему фиг. 11). Амплитуда тока достигает 1,7 кА в положительной части периода колебаний. Крутизна переднего фронта импульса около 2 мксек, длительность по основанию периода колебаний Т=0,14 мсек, соответственно частота колебаний f_peз=7 кГц. L_эф и С_эф RLC контура составили 18,5·10^-6 Гн и 26,8·10^-6 Ф соответственно. Затухающая синусоида при полной длительности колебаний повторяется через 0,5 мсек. Отношение выделяемой мощности Р_выд к мощности, потребляемой на R_н, составляет 390 раз (резонансное сжатие энергии).

Расчетные параметры импульсов синусоиды совпадают с практически полученными данными при измерении. На осциллограмме фиг. 14 показана пунктиром величина исходного электростатического напряжения 8 кВ и величина 4 кВ в рабочем состоянии. На С_эф (фиг. 10) 4 кВ удерживается непрерывно при непрерывном резонансном усилении и удержании тока 1,75 кА на частоте ~7 кГц, с модуляцией импульсов на циклической частоте 200 Гц. Выделяемая мощность в объеме петли тока Р_выд=0,9 МВт удерживается любое длительное время с учетом потерь.

Таким образом, в теоретической модели, в установках РО-2 и MVD видна резонансная генерация, усиление тока в 390 раз и магнитно-электрически инерционное удержание энергии любое длительное время, мощностью до 0,9 МВт, при потреблении от источника питания ~2 кВт. Сильные токи и магнитные поля могут быть использованы в энергетике, металлургии, горнорудной промышленности при получении и разделении полезных элементов, нанопорошков и другие применения. При проведении экспериментов MVD необходимо предусмотреть защиту силовых цепей, поскольку без нее это - взрывоопасно.

Примеры формирования магнитных вращающихся полей MVD

Главным устройством - генератором ЭМ поля сверхвысокой частоты широкого спектра, является магнитный V диполь (MVD), в котором формируется электронно-ионная петля тока из ионизованного сырья и магнитных волн. Частота взаимодействия ЭМ поля с веществом (10⁵-10²² Гц) определяется резонансными частотами RLC контура и сырья. Вращение магнитного диполя осуществляется на циклической частоте 10¹-10⁶ Гц бегущим магнитным полем. Передача энергии частицам сырья осуществляется методом взаимоиндукции общего магнитного момента частиц сырья и бегущих магнитных волн.

Процесс разрушения кристаллической решетки минералов основан на взаимодействии ЭМ поля с веществом. Процесс является комплексным и включает в себя ряд режимов. Здесь они рассматриваются по мере их последовательного проявления в процессе.

Рабочая камера в виде полой трубы из нержавеющей стали заполняется сырьем, предварительно очищенным и высушенным. В камере создается электростатическое поле между двумя электродами. Один из электродов (катод) - труба, являющаяся одновременно стенками камеры, второй (анод) расположен по оси трубы. Электростатическое поле имеет центрально-симметричную или осесимметричную конфигурацию распределения напряженности Е.

Электростатическое поле Е взаимодействует с веществом в объеме камеры, вызывая его поляризацию и ионизацию. Так как сырье SiO₂ является диэлектриком, то в начальный момент включения поля Е вещество поляризуется и нагревается. Первая операция поляризации и подогрева до температуры 50÷500°C в электрическом поле высокого напряжения 1÷100 кВ. При достаточной разности потенциалов, равной напряжению пробоя диэлектрика, организуется пробой - разряд в веществе, в газе, подобный дуговому. Так как максимум энергии такого радиального поля находится ближе к центру камеры, в центре, как в канале разряда, организуется ионизованное состояние вещества - электронно-ионная петля тока. В этой петле присутствуют два типа заряженных частиц: легкие - отрицательно заряженные электроны и более массивные - ионы, которые могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд по траектории (см. фиг. 12, 13).

Температуры и частоты излучения электронов и ионов значительно отличаются: электронные температура и частоты излучения выше ионных температуры и частот. Визуально наблюдаются две противоположные точки пучности в электростатическом поле, к которым организуются направленные потоки противоположно заряженных частиц, имеющие разный цвет: анод или положительный полюс, притягивающий электроны, имеет зелено-сине-фиолетовое свечение; катод или отрицательный полюс, притягивающий положительно заряженные ионы, имеет оранжево-красное свечение. Цвет объясняется характерными резонансными частотами заряженных электронов и ионов: электроны, как более легкие, имеют более высокие характеристические частоты, в том числе в видимой части ЭМ-спектра. Точки являются участками объединения электронно-ионного тока, представляющего петлю тока (фиг. 12). Петля тока может быть "составлена" из частиц твердого тела (электронов и ионов) и волн. Необходимо отметить, что до образования видимого излучения образуется излучение на звуковых частотах.

В процессе накачки образуются электрические токи двух противоположных направлений - электронный и ионный или составленный из зарядов частиц и магнитных волн, - значения которых может достигать нескольких кА. Процесс генерации петли тока возбуждается при установлении режимов ориентации векторов магнитных и электрических полей в зоне формирования MVD. Потоки ионов и электронов образуют колебательный контур с распределенными параметрами, со спектром собственных и резонансных частот, обусловленных частотами частиц сырья с многомодовой модуляцией магнитных волн. Многомодовая модуляция и магнитная накачка энергии отсутствуют в предшествующем уровне техники. Ориентация, нормированная направлением тока электронов от катода к аноду, как режим магнитного сжатия энергии в центр масс, в предшествующем уровне техники отсутствует. Положительные ионы и отрицательные электроны образуют две ветви петли замкнутого тока различных диапазонов частот. Высокочастотная ветвь петли тока образована электронами и частицами сырья, направлена от анода из центра масс (в лабораторной системе) к границе, катоду, и имеет сине-фиолетовое свечение. Низкочастотная ветвь петли тока образована ионами и частицами сырья, направлена от границы к центру масс и имеет оранжево-красное свечение. Эти признаки являются фактором для правильной настройки и формирования MVD. В центре масс может быть расположен катод или анод. При этом следует ожидать сжатие энергии в центр масс с углом -φ или расширение энергии от центра масс с углом +φ, соответственно (фиг. 1), что отсутствует в предшествующем уровне техники.

Вокруг движущихся заряженных частиц образуется магнитное поле, "одевающее" движущиеся заряженные частицы "магнитной рубашкой". Это, если рассматривать процесс в целом, совместно с частицей твердого тела или элементарной частицей. Но по отдельности это частица и бегущее поле. Магнитное поле в петле тока "переменное", с частотной модуляцией, с движением энергии в одном направлении. Бегущее магнитное поле и ток петли тока находятся в ЭМ взаимодействии.

Петля тока вращается на циклической частоте в результате взаимодействия магнитного поля соленоида и магнитного поля петли тока. Поле соленоида квазипостоянное, так как питающий его ток - постоянный.

Формирование MVD организовывается магнитным полем, вращающимся вокруг частиц облучаемого сырья. Магнитная энергия в виде тока подается от электрических схем питания (фиг. 15). В зависимости от свойств частиц сырья, их магнитной и электрической проводимости, выбирается схема взаимодействия с сырьем. Если это диэлектрики, как в случае с SiO₂, то устройство реактора для облучения состоит из 2 каскадов. В первом каскаде производим поляризацию и разогрев, во втором - разогрев и восстановление кремния водородом или титана твердыми восстановителями. В первом каскаде выбирается напряжение питания 1÷100 кВ. SiO₂ в атмосфере водорода поляризуется и разогревается до температуры 50÷500°C и направляется во второй каскад. Во втором каскаде при напряжении 50÷300 В с током до нескольких кА разогревается резонансным способом в зоне MVD до температуры 700÷1200°C в атмосфере водорода (сухие порошки) до полного восстановления кремния или других элементов. Аналогичная схема восстановления FeTiO₃, также в двух каскадах - поляризация и подогрев в первом каскаде и разогрев во втором. В качестве восстановителя используются твердые углеродные соединения. Восстановление производится до образования элементарного железа и TiO₂. Могут быть использованы и газообразные восстановители - водород, СО. Аналогичных режимов в предшествующем уровне нет.

На фиг. 16, 17, 18 показано вращающееся магнитное поле, получение его при сложении трех синусоидальных полей, направленных под углом 120° друг относительно друга и смещенных по фазе на треть периода (120°): фиг. 16 - расположение катушек Х_А, Y_B, Z_c, делающих вращающееся поле; фиг. 17 - график изменения полей Н_А, Н_в, Н_с со временем; фиг. 18 - векторное сложение полей в моменты t=0, t=T/3, t=2T/3, когда соответственно поля Н_А, H_B, H_C обращаются в нуль. Результирующий вектор Н имеет постоянную величину и за 1/3 периода поворачивается на 1/3 окружности. Мы имеем здесь три катушки Х_А, Y_B, Z_C, расположенные друг относительно друга под углом 120°. Через каждую из этих катушек проходит один из токов системы, составляющей трехфазный ток. В катушках создаются магнитные поля, направления которых отмечены на фиг. 16 стрелками Н_А, H_B, H_C. Напряженности каждого из полей изменяются с течением времени по синусоидальному закону, как и величина составляющего тока. Таким образом, магнитное поле в пространстве между катушками представляет собой результат наложения трех переменных магнитных полей, которые с одной стороны направлены под углом 120° друг к другу, а с другой стороны смещены по фазе на 120°. Значение результирующей напряженности Н представляет собой векторную (геометрическую) сумму значений трех составляющих полей в данный момент времени Н=Н_А+Н_В+Н_С. Результирующая Н равномерно поворачивается, увлекая за собой электронно-ионную петлю тока, описывая полный оборот за время одного периода переменного синусоидального тока. Если бегущее магнитное поле достаточно сильно связано через индукцию с электронно-ионной петлей тока, то достигаются управляемость и вращение петли тока. Петля тока формируется энергией магнитных вращающихся волн, замкнутых кольцевой траекторией между анодом и катодом. Магнитные волны представляют бегущее магнитное поле, которое вращает петлю тока, если ее поместить в замкнутое магнитное поле соленоида с ориентацией перпендикулярно току и магнитному полю петли тока. Можно использовать другой вариант, где бегущее магнитное поле, создаваемое между током электронно-ионной петли тока, магнитным полем и током соленоида, питаемого постоянным током; этот вариант формирования MVD показан на фиг. 19. Обмотка соленоида - 2 с напряженностью магнитного поля 0,1÷1 Тл создает постоянное магнитное поле. Ориентация токов и магнитных полей является операцией режима формирования MVD. В предшествующем уровне техники таких режимов нет. Направление электронного потока - от электрода-1 к электроду-6, направление ионного потока встречно по отношению к электронному потоку - от электрода-6 к электроду-1. Потоки замкнуты в петле тока, имеющей форму, приближающуюся к эллипсоиду, геоиду или диску. Здесь: I_ion - ток ионов, I_e - ток электронов, I_n - ток петли тока, I_s - ток соленоида, H_n - магнитное поле петли тока, H_s - магнитное поле соленоида, H_ns - бегущее магнитное поле петли тока. Результирующая H_ns равномерно вращается совместно с петлей тока. За счет взаимоиндуции между петлей тока и магнитным полем соленоида возникает бегущее магнитное поле, которое создает вращение петли тока против часовой стрелки или по часовой стрелке в зависимости от полярности питающего напряжения обмотки соленоида. Скорость вращения пропорциональна напряженности магнитного поля соленоида.

Принципиальная электрическая блок-схема питания MVD показана на фиг. 15. Ее можно условно разделить на несколько ускорительных ступеней: 1 ступень - R₁L₁C_1, …_, n-я ступень - R_nL_nC_n, - внешние по отношению к диполю контуры (внешняя инерциальная система). В каждой ступени содержатся активные сопротивления R нагрузки, индуктивности L, являющиеся накопителями магнитной энергии, и емкости С - накопителем электрической энергии. MVD - внутренний колебательный контур (внутренняя инерциальная система), индуктивно связанный со сгустком частиц (сырья). СВЧ колебания генерируются в MVD контуре со своими RLC параметрами, которые индуктивно связаны с L_s - индукцией соленоида (фиг. 15), создающего постоянное поле соленоида. Ускорительные ступени увеличивают магнитную или электрическую энергию, устанавливают соотношение между электрическими и магнитными полями в ЭМ волнах. Это соотношение устанавливается величиной напряжения в ускорительных ступенях, в которых протекает замкнутый ток I одного направления. Ступени RLC соединены последовательно, с таким расчетом, чтобы разряд энергии на создание СВЧ с большими токами и накопление энергии в ступенях осуществлялись непрерывно, без остановки на накопление энергии. В системе через MVD осуществляется переход энергии из внешней инерциальной системы во внутреннюю инерциальную систему. Это движение энергии с изменением угла от +φ к -φ позволяет аккумулировать магнитную или электрическую энергию, что является признаком изобретения, применяется в настоящем изобретении впервые.

На фиг. 20 показана осциллограмма замкнутого тока и магнитного поля. Как видно из осциллограммы, время нарастания тока и магнитного поля во внешней цепи MVD ~1 мксек. Этот процесс дает старт образованию MVD. Затухающие колебания обратного тока I′ на нижней временной оси повторяются в каждом цикле на циклической частоте. При разогреве поверхности катода работа схемы стабилизируется, так как увеличивается эмиссия электронов в объеме MVD. Нарастание тока I и магнитного поля Н - быстрый процесс (накачка энергии), в то время как удержание магнитного поля - медленный процесс - 80 мсек. Затухание накачки энергии протекает параллельно началу цикла, следующего по времени. Таких режимов в предшествующем уровне техники нет. Существование MVD возобновляется периодически с помощью электростатической энергии, запасенной в источнике питания и в емкости каждой ступени ускорения без остановки. Оси времени t и t′, электрическая, магнитная виды энергии замкнуты на окружности и не имеют смысла времени в инерциальных системах от -∝ до +∝. Достигается это режимом работы при соотношении энергии в колебательном RLC контуре Е=CU²/2 и энергии волны Е=nhu, чего нет в предшествующем уровне техники.

Формирование MVD осуществляется в соответствии с соотношеним Е<<Н или Н<<Е в нескольких RLC колебательных контурах (фиг. 15). Соотношение Н<<Е достигается при высоких напряжениях питания в автономном каскаде MVD. Эти соотношения выбираются в зависимости от магнитной и электрической проводимостей перерабатываемого сырья. Если это диэлектрик SiO₂, то напряжение высокое, до 1÷100 кВ. Выбирается напряжение на одной ступени и общее напряжение питания MVD. Оптимально в схеме две или более ступеней (фиг. 15). RLC колебательные контуры ступеней обеспечивают питание MVD на частотах 10⁶÷10¹² Гц. В петле тока частота электронной части может достигать 10¹² Гц и более. Токовые импульсы питания в ступенях получаются способом, описанным ниже. Все указанные здесь частоты, соотношения |Е| и |Н| полей в контурах представляют новизну и являются частью настоящего изобретения и устанавливаются направлениями векторов полей и параметрами напряжения и тока.

О получении токовых импульсов заданной формы на индуктивности колебательного контура при закорачивании ее на диод блок-схемы формирования MVD

Ниже рассматриваются процессы в электрической схеме (фиг. 21) и описывается общий способ формирования импульсов тока произвольной формы поочередным подключением заряженных конденсаторов (фиг. 22) в схему с закороченной индуктивностью, с учетом фазового угла φ. Расчеты, описанные здесь, используются при выборе RLC.

При соответствующей полярности заряда конденсатора С, индуктивность L и конденсатор С являются элементами обычного колебательного контура до тех пор, пока ток I_L не достигнет максимального значения (фиг. 21). С момента достижения максимального разрядного тока I_C в работе схемы участвует диод с внутренним прямым сопротивлением R (ток через диод I_R). Процессы в схеме описываются уравнениями Кирхгофа (здесь описывается ток, имея в виду, что для напряжения адекватно)

Начальные условия для момента t=0 следующие:

Решения системы (12) будут апериодическими (в виде гиперболических функций), если:

и колебательными (синусоидальными с затуханием), если D<0.

В дальнейшем рассматривается случай апериодического решения:

где волновое сопротивление контура.

При этом токи равны:

здесь - собственная частота колебательного контура;

- постоянная затухания;

При условии сильной апериодичности:

Решения (15) приближенно записываются в виде:

Для малых ωt (малость означает, что выполняется приближенное равенство справедливо:

где учтено, что

Для больших ωt:

Согласно выражениям (18) и (19) емкость почти не перезаряжается (быстрый спад тока I_C по закону I₀exp [-(ω+δ)t)]; в течение всего переходного процесса можно приближенно считать:

Это приближение тем лучше, чем существенней неравенство (16). Изменение во времени токов I_R, I_C, I_L>подтвержденное экспериментально при закорачивании соленоида с током 100 кА и энергии накопительной батареи 10⁴ Дж, показано на фиг. 23.

Для получения высоких значений dE/dt, di/dt (для облучения диэлектриков) поочередным разрядом и отключением C_k-1 с одновременным подключением в схему заряженных емкостей C_k (фиг. 22) можно достигнуть формирования импульса тока с передним фронтом произвольной формы Ф(t) (фиг. 24).

Необходимо, чтобы максимум тока при полном разряде емкости C_k в момент t_k точно равнялся значению Ф(t_k). Возникающая при этом задача о колебаниях тока в колебательном контуре с начальными условиями

t=0, I_L=I₁₀, q₀=CU₀

(q₀, U₀ - начальные заряд и напряжение конденсатора) имеет решение:

Выражения для тока и напряжения на конденсаторе C_k после отключения полностью разряженной емкости C_k-1 записываются в виде рекуррентных соотношений:

Угол φ_к находится графически по t_k - временной координате пересечения функций Ф(t) и I_k-1,0/cosω₀(t-t_k-1), что является новизной (ход этой кривой обозначен пунктиром). Ордината пересечения является значением I_k0. При этом диод D гарантирует надежность работы схемы при запаздывании отключения и подключения емкостей (фиг. 21).

По аналогичной методике можно получать формирование плоской вершины импульса. Для этого необходимо, чтобы по достижении очередного максимального разрядного тока индуктивность на некоторое время, определяемое заданным спадом тока, закорачивалась на диод, затем включалась заряженная емкость (разряженная емкость в этот момент отключена). Следующий максимум тока должен равняться предыдущему (фиг. 25).

Если все подключаемые емкости одинаковы, то согласно (20), (21) для интегралов нарастания тока справедливо:

где U₂₀ - напряжение на подключаемой емкости.

Интервал спада (t_k-t_k-1)=t₀ легко определить по заданной величине отклонения тока от максимального значения:

откуда

Длительность "плато" Т определяется по количеству подключаемых элементов n:

По-видимому, возможно получить плоскую вершину импульса без отключения разреженных емкостей с малым спадом. Предположим, что заряд подключаемых емкостей мгновенно перераспределяется между остальными емкостями; легко записать выражения для токов и начальных напряжений конденсаторов

Длительность "плато" и количество подключаемых элементов связаны следующим образом:

Изменение угла φ выбирается графически для соотношений dE/dt, di/dt, которые позволяют устанавливать соотношение электрической и магнитной мощностей. Это позволяет работать с диэлектриками (шихты) или с магнитопроводящими и электропроводящими шихтами автономно в автономных каскадах MVD. Индуктивности в RLC контурах могут достигать много больше 100 мГн. Во втором каскаде MVD работает с магнитной энергией при соотношении | $$\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ |«| $$\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ |. ЭМ волны при этом соотношении индуцируются с высокими di/dt. Это взаимодействие осуществляется со скоростью света на резонансной частоте частиц сырья и электронов и ионов в петле тока. Этот эффект позволяет получать высокие скорости dP/dt потребляемой мощности, высокие di/dt. Это приводит к снижению общей потребляемой энергии. Увеличиваются скорости окислительно-восстановительной или других реакций. Аналогичного эффекта 2 в предшествующем уровне нет, что является новым признаком изобретения. Раздельная работа с электрической и магнитной составляющими в ЭМ волнах таким способом реализуется впервые. Достигается это в замкнутых магнитных и электрических, ЭМ волнах петли тока. Замкнутые магнитные поля и токи и их взаимоиндукция с сырьем в петле тока являются новыми и представляют существенно новые способы генерации сверхвысокочастотных полей.

На фиг. 19 показана блок-схема формирования MVD с магнитно-инерционным удержанием частиц сырья, где можно видеть направления векторов магнитных волн в замкнутом состоянии в петле тока - 4. Электронный I_e и ионный I_ion токи также замкнуты в петле тока и вращаются в окружности типа эллипсоида между электродами -3, -5, что составляет существенную новизну и признак изобретения. Диаметр электродов определяет размер реактора по диаметру.

Взаимоиндукция между магнитным полем соленоида и магнитным вращающимся полем петли тока создает бегущее магнитное поле, которое вращает последнюю с циклической частотой 10¹÷10⁶ Гц по замкнутому кругу. Токи и бегущие магнитные поля в MVD (фиг. 19 и фиг. 15) сформированы в направлениях:

где , - замкнутые ток и магнитное поле в RLC контуре n-й ступени, , - замкнутые ток и магнитное поле соленоида. Частоты RLC контуров в ступенях выбираются в соответствии с соотношением f₁(R₁L₁C₁)<<f_n(R_nL_nC_n). Ориентации полей и токов в пределах от перпендикулярных до параллельных (угол φ, см. выше, раздел "Модель осциллятора вращающейся энергии") осуществляются в соответствии с соотношениями:

где W_E - энергия электрического поля, W_M - энергия магнитного поля, $$\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ - напряженность электрического поля, $$\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ - напряженность магнитного поля. Перпендикулярными и параллельными ориентациями полей и токов можно изменять отношение электрической и магнитной составляющих ЭМ поля, что является новизной и существенным признаком настоящего изобретения. Многокаскадность, последовательность и автономность осуществления операций поляризации, нагрева, повышения температуры позволяет направленно осуществлять ЭМ взаимодействия с диэлектриками и проводниками, что является режимами, новизной и существом настоящего изобретения. Эти режимы объединяются рядом признаков новизны, обоснованных и практически полученных в настоящем изобретении.

Примеры физических механизмов формирования петли тока

Ниже рассмотриваются два случая расположения петли тока в бегущем магнитном поле.

1) Экваториальное бегущее магнитное поле образуется в среде воздуха или в среде облучаемого сырья, в петле тока, которая вращается на циклической частоте в результате взаимодействия магнитного поля соленоида и магнитного поля петли тока. Поле соленоида постоянное, так как питающий его ток постоянный (фиг. 26).

Е<<H в петле тока.

I₁ - замкнутый ток одного направления в петле тока, представляющий собой тор, образованный ЭМ волной.

I₂ - замкнутый ток в виде ампервитков или постоянного замкнутого магнитного поля.

I₁ - ток электронов и ионов на резонансной циклической частоте петли тока, модулированной резонансными частотами электронов, ионов и частиц воздуха. I₁ представляет собой колебательные RLC контуры с питанием в противоположных точках анода (А) и катода (К), соединенных параллельно, частота в которых изменяется в соответствии с модуляцией. Анод условно находится в центре масс в лабораторной системе координат. Также может быть в центре масс катод (К) (выбирается это в зависимости от типа облучаемого сырья), при этом электронная температура будет либо в центре, либо снаружи, т.е. градиент температур направлен от центра масс. Если выберается направление градиента температур к центру масс (что зависит от угла φ), то осуществляется аккумулирование энергии и, соответственно, разрушение или фазовые изменения структуры кристаллической решетки облучаемого сырья.

В результате индукционного взаимодействия замкнутых токов I₁ и I₂ напряженности магнитных полей H_i1 и H_i2 суммируются на циклической частоте бегущего магнитного поля F_бп. В соответствии с векторами, указанными на фиг. 26, движение энергии магнитного поля направлено от центра масс. Напряженность магнитного поля H_i1 в каждом цикле циклической частоты тока I₂ увеличивается. Между частицей и магнитным полем петли тока I₁ устанавливается замкнутое ЭМ взаимодействие, в котором энергия магнитного поля движется в соответствии с вектором Умова-Пойнтинга Р. Движение магнитной энергии в петле тока замкнуто на окружности тока I₁ и параллельно току I₂. Ток I₂ движется на границе проводимости катода. На границе проводимости находятся витки с током соленоида, магнитное поле которого складывается как векторная (геометрическая) сумма F_i1, F_i2 магнитного поля соленоида. H_i2 и H_i1 параллельны и замкнуты в объеме анод-катодного пространства.

2) Экваториальное бегущее магнитное поле можно получить также катушками на железном сердечнике (фиг. 16), на переменном трехфазном токе. Также бегущее магнитное поле можно получить в магнитном поле соленоида, как описано выше для случая 1).

Е<<H в петле тока.

I₁ замкнут и увеличивается на циклической частоте.

Три соленоида, питаемые переменным трехфазным током с частотой 50 Гц, расположенные вокруг воображаемого цилиндра через каждые 120°, создают бегущее магнитное поле, которое вращает петлю тока вокруг анода и катода вдоль стенки цилиндра (фиг. 27). Внешняя поверхность цилиндра образована совокупностью вертикальных траекторий ионов, внутренняя поверхность цилиндра образована совокупностью вертикальных траекторий электронов. На аноде и катоде эти траектории соединяются. На катоде также происходит соединение ионной и электронной составляющих петли тока. Энергия, также как и в случае, показанном на фиг. 26, вращается вокруг центра масс. Вектор Умова-Пойнтинга замкнут вокруг центра масс. Таким образом происходит модулирование резонансными частотами частиц сырья. Магнитные и электрические поля, вектор Умова-Пойнтинга замкнуты и вращаются вокруг центра масс с магнитно-электрически инерционным удержанием. Режим замкнутых направлений векторов магнитных, электрических полей, замкнутого вектора Умова-Пойнтинга и их вращения вокруг центра масс являются новыми и представляют существенные признаки изобретения.

Примеры практического применения способа MVD структурных преобразований кремний и титан содержащего сырья

Ниже Приводятся некоторые данные осуществления способа, полученные на экспериментальных установках, а также расчеты, измерения режимов, анализы полученной продукции. Для получения кремния в устройстве способом возбуждения ЭМ взаимодействий можно использовать несколько вариантов восстановления кремния путем получения мелкодисперсного порошка (размер зерен менее 1 мкм) по реакции

Вначале изготовливается мелкодисперсный (~1÷100 мкм) порошок из кварцитов SiO₂ в присутствии NaOH. Приготавливается смесь из NaOH и SiO₂ и в магнитном поле MVD (фиг. 15) напряженностью до 10¹⁰ Т доводися до температуры 600÷800°C. Получается спек-глыба. Затем глыба измельчается и растворяется в воде, получается гель, затем проводится фильтрация, осаждение, промывание, высушивание и в результате получается порошок - мелкодисперсный SiO₂. Таким путем можно получать спек минералов железосодержащих или диэлектриков, например, золошлаков, вольфрамита и другого минерального сырья.

После чего осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 10⁵÷10¹² Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO₂ (также возможно FeTiO₃ или SiH₄), в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 10¹÷10⁶ Гц циклической частоты, с магнитно-электрически инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора, в среде водорода (или возможно твердых восстановителей типа уголь, кокс, графит или газообразных Н₂ и СО). Предварительно возможно определение количественного содержания в сырье диэлектрических и магнитных элементов и проведение электромагнитного (индуктивного) взаимодействия с фазовым углом +φ в соответствии с соотношениями:

в сырье с преобладанием диэлектрических элементов; и с фазовым углом -φ в соответствии с соотношениями:

в сырье с преобладанием магнитных элементов, где W_E - энергия электрического поля; W_M - энергия магнитного поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ - напряженность электрического поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ - напряженность агнитного поля.

Полученный порошок SiO₂ в среде водорода вводится в петлю тока, которая генерирует вращающееся магнитное поле в первом каскаде установки (фиг. 15). Рабочая смесь в среде водорода с добавкой аргона облучается в MVD поле в первом каскаде (фиг. 9, 10, 11) с высоким напряжением 1200 В; производится поляризация и разогрев сырья до 50÷500°C.

Из первого каскада разогретое сырье подается во второй каскад установки. Во втором каскаде в режиме сильных токов с помощью тороидальной катушки переводится магнитное поле в электрическое с напряжением (50÷300) В и 120 В и продолжается на циклических частотах в диапазоне (10¹÷10⁶) Гц обработка сырья до 600÷1200°C и проводится окончательное восстановление кремния. Аналогично производятся операции с титан содержащим сырьем.

Восстановленный кремний в виде мелкодисперсного порошка отделяют и очищают методом переплава с получением слитка. Для получения слитка используется кристаллизатор, где восстановленный кремний в среде водорода сплавляется в слиток необходимого диаметра и необходимой длины.

Осуществляется восстановление кремния по реакциям:

Восстановление из ильменита FeTiO₃ металлического железа α-Fe и из диоксида титана TiO₂ металлического титана проводися с твердыми восстановителями типа уголь, кокс, или газообразными Н₂, СО с добавками катализатора NaOH, аргона и/или без NaOH и/или аргона по следующим реакциям и их вариантам:

В вышеописанном примере практического применения способа MVD структурных преобразований кремний и титан содержащего сырья существенным являются взаимодействия частиц и волн с круговой поляризацией, т.е. частица и замкнутая волна вокруг частицы. Волны, возбуждаемые этими же частицами образуются резонансно в постоянном электрическом и магнитном поле вокруг частиц сырья (см. фиг. 12, 13, 14, 19, 26, 27) в плазменном реакторе. Возбуждение частиц и волн осуществляется путем подачи напряжения 8 кВ между анодом и катодом (фиг. 19, 26, 27). Из вращающихся частиц формируется петля тока с направлением движения энергии в центр масс, путем расположения анода в центре плазменной камеры. Направление движения энергии в центр масс в момент генерации и накачки магнитной энергии поля находится в соответствии с однонаправленным вектором Умова-Пойнтинга.

На фиг. 15 (электрическая схема MVD) видно, что постоянное магнитное поле $$\stackrel{o}{H_2}(L_s)$$ в резонансном объеме петли тока возбуждается путем подачи питания постоянного тока $$\stackrel{o}{J_2}(L_S)$$ на обмотку L_S. Взаимоиндукция между полем соленоида L_S и магнитным вращающимся полем петли тока создает бегущее магнитное поле круговой поляризации, которое вращается с петлей тока на циклической частоте (10¹÷10⁶) Гц, в экваториальной проекции. Направления токов бегущего магнитного поля в петле тока и соленоиде устанавливаются однонаправленными. Токи и бегущее магнитное поле в MVD (фиг. 15. 19) формируется в соответствии с выражением:

,

где круговое движение и векторы показывают режимы накачки энергии. Движение энергии в комплексе режимов в соответствии с выражением позволяет осуществить однонаправленное движение энергии в MVD, что представляет собой в изобретении существенное достижение в отношении предшествующего уровня техники. Таким образом осуществляется однонаправленный вектор Умова-Пойнтинга накачки энергии магнитного бегущего поля в резонансной зоне обрабатываемого сырья.

В режимах направлений движения энергии осуществляется накачка энергии в фазе магнитного поля, которое создает магнитное и инерционное удержание вращающихся частиц сырья (типа ротора) и магнитных и электрических волн (типа статора) в резонансной области на циклической частоте. Энергия резонансного взаимодействия частиц сырья и бегущего магнитного поля со скоростью, равной или близкой к скорости света, путем прямого преобразования выделяется на основной моде колебательного RLC контура, образованного петлей тока и обмоткой L_n на циклической частоте (фиг. 15). Таким образом, путем параллельного ориентирования полей и токов, бегущих и постоянных, создается MVD генератор, в котором за счет энергии прямого преобразования накапливается энергия, которая больше энергии связи частиц сырья. Энергия связи при этом преобразовании переходит на основной моде в колебательный RLC контур. Кристаллическая решетка сырья разрушается, энергия связи выделяется и используется для продолжения процесса преобразований. Таким образом осуществляется накопление магнитной $$\stackrel{o}{H_1}(L_n)$$ и электрической энергии конденсатора С в RLC контуре (фиг. 14). На осциллограмме тока показана пунктиром величина исходного электростатического напряжения 8 кВ и величина 4 кВ в рабочем состоянии. На С RLC контура (фиг. 15), на R - 4 кВ удерживается непрерывно при непрерывном резонансном усилении и удержании тока 1,75 кА с модуляцией на частоте 7 кГц и 200 Гц циклической частоты. Выделяемая мощность Р_выд.=0,9 МВт удерживается любое длительное время. Таким образом, в теоретической модели, в установках РО-2 и MVD показана и доказана резонансная генерация усиления тока в 390 раз и магнитно-электрически инерционное удержание любое длительное время, мощностью 0,9 МВт, при потреблении от источника питания 2 кВт, что является существенным достижением настоящего изобретения в сравнении с предшествующим уровнем техники.

В электрической схеме (фиг. 15) в резонансной линии 1-ая, 2-ая и 3-я ступени возбуждают колебания тока в контурах R₁L₁C₁, R₂L₂C₂ и R_n-1L_n-1C_n-1 на циклической частоте в диапазоне (10¹-10⁶) Гц в экваториальной проекции (фиг. 26, 27), на резонансной частоте (10⁵÷10¹²) Гц в азимутальной проекции. Колебания в экваториальной и азимутальной проекциях (фиг. 12, 13, 26, 27) возбуждаются в автономных инерциальных системах с фазовым углом φ=(0-360)°. 360° являются режимом максимального заполнения энергией колебаний циклической частоты, модулированных частотой азимутальных колебаний, что представляет существенное преимущество настоящего изобретения в сравнении с предшествующим уровнем техники. Аналогичным образом создается полная энергия частицы на азимутальных колебаниях в фазовом угле φ=360°. Энергия азимутальных колебаний равна полной энергии частицы, образующейся в результате прямого преобразования типа ротора. Параметры резонансной линии и циклическая частота устанавливаются из необходимого минимального времени удержания петли тока и мощности ЭМ преобразований (фиг. 27, 12, 13, где показаны процессы MVD при напряжении 8 и 50 кВ в петле тока). На фиг. 12, 13 практически полученная энергия, вращающаяся в азимутальной и экваториальной проекциях на высоких и низких частотах, типа ротора и статора. На фиг. 19 схематично показаны MVD диполь и его устройство, расположения формируемых полей, вращающихся в динамике относительно движущихся частиц сырья и полей 1 и 6. Автономные магнитные и электрические накачки энергии в устройстве MVD диполя сориентированы в резонансной области MVD на частицах сырья. Сырье подается в резонансную область MVD полей, где вращается петля тока, в динамике непрерывно.

Магнитно-электрически инерционное удержание создается магнитным полем H_S соленоида L_S, током J_S (фиг. 19), магнитным полем петли тока (фиг. 12, 13), магнитным полем L_n, обмотки MVD, током J₁ (фиг. 15) путем подачи питания постоянным током (электрическое удержание) и включением индуктивности L₀, замкнутой диодом. На L₀ создается дополнительно ток и магнитное поле, вращающееся через диод током через индуктивность и диод в одном направлении с током J₁ MVD. Таким образом создаются режимы накачки магнитной энергии в резонансной области частиц сырья и осуществляется операция накачки магнитной энергии в резонансной области движения сырья. Объем энергии рассчитывается и определяется экспериментальными измерениями тока в цепи петли тока (фиг. 11). Расчет определяется видом сырья и необходимых разложений в кристаллической решетке частиц сырья, энергией связи, энергией фазовых переходов I и II рода.

Затем в инерциальной системе измерения, другой по отношению к системе измерения для накачки электрического поля, сдвигаются устройства накачки магнитных полей на 180° по отношению к исходному полю соленоида L_S MVD (фиг. 15). Выполняется такой сдвиг путем изменения направления намотки витков с током J₂ в экваториальной плоскости на направление намотки витков с током в азимутальной проекции. Таким способом осуществляется накачка электрического поля непосредственно на вращающихся частицах сырья во вращающихся электрических волнах в резонансной зоне MVD диполя. Две операции - накачка магнитной и электрической энергий представляют сущность изобретения в совокупности с режимами в двух инерциальных системах отсчета, в резонансной зоне MVD диполя, что является особенностью настоящего изобретения.

Особенностями настоящего изобретения являются преобразования в магнитных и электрических волнах с круговой поляризацией с объемом энергии больше энергии связи кристаллической решетки, что приводит к развалу ее и переходу элементов сырья электронов, ионов и заряженных частиц в магнитное и электрическое фазовое состояние. Фазовое состояние частиц, представляющих электрическую энергию, получаемую прямым переходом заряженных частиц топлива в электричество. Фазовые преобразования частиц сырья в магнитных и электрических волнах с круговой поляризацией позволяют осуществлять восстановление кремния и титана или других элементов. Выше, в результатах проведенных экспериментов, очевидно получение увеличения мощности преобразований электричества по сравнению с потребляемой мощностью электричества в 390 раз, что является абсолютным доказательством экономически выгодных ЭМ преобразований восстановления кремния и титана. Способ преобразований ЭМ волн, вращающихся частиц сырья типа ротора и вращающихся волн типа статора являются особенностью изобретения, которая позволяет восстанавливать кремний и титан или другие элементы, так как в MVD используются электроны и ионы, которые есть во всех элементах любого сырья.

Особенности настоящего изобретения достигаются в двух инерциальных системах отсчета. Это для заполнения вращающейся энергии в экваториальной, затем в азимутальной проекциях с фазовым углом (0-360)° (2π рад) автономно для электрической, отдельно для магнитной энергии. Осуществляется практически направление движения энергии с углом (0-360)° (2π рад) созданием конструктивно обмоток магнитов с изменением направления намотки витков на 90°. Главные из них - магнитная обмотка имеет направление намотки витков, параллельное обмотке соленоида Соленоид S₁ устанавливает начало отсчета в инерциальной системе. Затем поворот на 180° (π рад); и 360° (2π рад). В составе электрической схемы резонансной линии (фиг. 15) первая ступень, 2-я ступень, 3-я ступень, n-1 и L_n ударной обмотки MVD диполя. В соответствии со схемой формирования MVD диполя (фиг. 19) электрическая обмотка относительно магнитной повернута на 90°. Ток при этом в обмотке повернут на 180° относительно витков магнитной обмотки. Т.е. ток в витках "электрической" обмотки повернут относительно тока в "магнитной" обмотке на 180°, что является особенностью настоящего изобретения и приводит к его преимуществу в сравнении с предшествующим уровнем техники, заключающемся в возможности получения электрической энергии коммерческого типа.

Процесс ЭМ преобразований в резонансных условиях в объеме плазменной камеры производится в магнитных и электрических волнах автономно, в замкнутой петле тока и частиц сырья. Сырье, содержащее элементы с магнитными составляющими, эффективно проходит преобразования в стадии накачки магнитной энергии, затем в стадии накачки электрической энергии. Элементы с диэлектриками (оксиды титана, кремния) более активно разлагаются в стадии накачки электрической энергии. Операции накачки магнитной энергии проводятся для сырья с ильменитом и кварцем при температурах (600-900)°C. Вторая операция обработки в электрическом поле в волнах с круговой поляризацией приводит к развалу кристаллической решетки и приводит к вышепоказанным техническим результатам настоящего изобретения.

Пример осуществления способа обработки ильменита FeTiO₃ в бегущем магнитном поле MVD

Экспериментальные измерения параметров при обработке в MVD 350

г. шихты и расчет энергии на обработку одной тонны FeTiO₃

1. Данные эксперимента

Состав шихты: 5 частей ильменита FeTiO₃, 1 часть графита С.

Количество шихты - 350 г (180 мл).

Плотности: ильменит - 2,558 г/см³, графит - 0,9426 г/см³, шихта - 2,04 г/см³.

Реакция FeTiO₃+С=Fe+TiO₂+СО.

Эксперимент разбит на три фазы по числу физических состояний. Каждая фаза имеет свой источник питания. Ниже Приводятся измерения напряжений, токов и времени потребления энергии. Расчет будет проводиться по потребляемому току от источника постоянного тока.

Расход энергии на создание бегущего магнитного поля не учитывается. Протяженность пробиваемого участка шихты L=22,5 мм.

2. Расчет потребляемой энергии

Затраченная энергия рассчитывается по формуле Q=U·I·t, где Q - энергия в Дж, U - напряжение тока в В, I - сила тока в A, t - время в сек.

Для фазы №1 энергия будет (25·80·90) Дж=180000 Дж.

Для фазы №2 - (25·150·180) Дж=675000 Дж.

Для фазы №3 - (26·7,5·1500) Дж=292500 Дж.

Итого, общее количество энергии, затраченное в ходе эксперимента (180000+675000+292500) Дж=1147500 Дж=318,75 Вт·час=0,31875 кВт·час

3. Расчет энергии, затраченной на единицу массы и объема шихты

Масса шихты m=350 г, объем V=180 см³.

Суммарная энергия, затраченная на единицу массы шихты (1 грамм) P=Q/m. Р_шихта=Q/m=318,75 Вт·час/350 г=0,91 Вт·час/г.

Суммарная энергия, затраченная на единицу объема шихты (1 см³) P=Q/V.

Р_объем=318,75 Вт·час/180 см³=1,77 Вт·час/см³.

4. Плотность энергии в петле тока

Плотность энергии в петле тока (1) (Средняя плотность энергии на время работы)

Форма петли тока №1 - эллипсоид.

Объем эллипсоида - V=136,7 см³ (фиг. 28, слева; d₁=59 мм, d₂=75 мм)

Плотность энергии в петле тока на единицу объема=Q/V=1147500 Дж/136,7 см³=8394,3 Дж/см³ или 2,332 Вт·час/см³

Плотность энергии в петле тока (2) (Средняя плотность энергии на время работы)

Форма петли тока №2 - эллипсоид, близкий к форме шара.

Объем эллипсоида V=111.712 см³ (фиг. 28, справа; d=60 мм)

Плотность энергии в петле тока на единицу объема=Q/V=1147500 Дж/111.712 см³=10 271,95 Дж/см³ или 2,8533 Вт·час/см.

Средняя арифметическая плотность энергии для петли тока 1 и 2:

(2,332+2,8533)/2 Вт·час/см³=2,6 Вт·час/см³.

5. Разница затрачиваемой мощности на объем шихты и средней мощности, распределяемой в петле тока

Р_{на объем ших.}=1,77 Вт·час/см³.

Р_средн.=2,6 Вт·час/см³.

Разница плотностей составляет Y=Р_средн-Р_{на объем ших}=(2,6-1,77) Вт·час/см³=0,83 Вт·час/см³.

Y определяется как побочные потери энергии при конвекции, нагреве элементов аппаратуры, тепловом излучении от стенок аппарата, количество энергии, не задействованной в реакции. Снизить этот показатель возможно при герметизации процесса и лучшей тепловой изоляции (отражательности) стенок.

Если Р_{на объем ших}=1,77 Вт·час/см³=100%,

то Y=(0,83·100/1,77)%=46% - это процент потери энергии.

Итого, чисто на реакцию потрачено 54% выделенной энергии.

6. Расчет энергии на обработку 1000 кг ильменита в час.

Масса шихты: ильменит - 1000 кг, графит - 80 кг, Итого - 1080 кг.

В эксперименте измерено, что Р_шихта=Q/m=318,75 Вт·час/350 г=0,91 Вт·час/г;

0,91 Вт·час/г умножаем на 1080000 г, получаем:

Р=(0,91×1080000) Вт·час/г=982800 Вт·час/г=982,8 кВт·час/кг=0,982

МВт·час/тонна.

Общее время проведения 3 фазного процесса 1,5+3+25=29,5 мин ≈0,5 часа.

Количество шихты, обрабатываемой за 0,5 часа, равно 540 кг.

7. Параметры токов для установки производительностью 1080 кг шихты в час.

Имеем для обработки 1080 кг шихты в час общую мощность 982,8 кВт·час.

Напряжение, достаточное для пробоя, U_пробив=U×L=(25/22,5) В/мм=1,11 В/мм.

Напряжение, необходимое для создания канала, U_канала=U_пробив×L=(1,11·150) В=166,5 В.

150 мм - предварительно установленное расстояние между катодом и анодом. Ориентировочно берем большее напряжение для всех 3 фаз процесса, U=250 В.

Количество энергии, выделенной на единицу массы на каждую фазу при эксперименте:

Р_1фаза=180000 Дж/350 г=514 Дж/г,

Р_2фаза=675000 Дж/350 г=1928 Дж/г,

Р_3фаза=292500 Дж/350 г=835 Дж/г.

Ориентировочная пофазная потребляемая энергия на установку 1080 кг в час:

Фаза №1 - Р₁=1080000г×514 Дж/г=555120000 Дж,

Фаза №2 - Р₂=1080000 г×1928 Дж/г=2082240000 Дж,

Фаза №3 - Р₃=1080000 г×835 Дж/г=901800000 Дж.

Параметры силы тока I для каждой фазы определяются по формуле I=Р_фаза/U·t, где U - напряжение, В; t - время, сек:

Для 1 фазы (90 сек) сила тока I=555120000 Дж/250 В·90 сек=24672 А, для 2 фазы (180) I=2082240000 Дж/250 В·180 сек=46281 А, для 3 фазы (1500 сек) I=901800000 Дж/250 В-1500 сек=2404 А.

Пример результатов анализов образцов ильменита (FeTiO₃), обработанных в магнитных волнах в MVD

Эксперимент 1

Ниже приводится описание исследований двух образцов модифицированного ильменита, выполненных рентгеноструктурным анализом на рентгеновском дифрактометре ДРОН2 "Буревестник" (мягкое СоαК - излучение λ=1,79Å, скорость вращения детектора 2°/мин). Образцы были получены путем облучения ильменита с графитом в магнитном V диполе, Разделение на железо и оксид титана проводили в 10% кислоте H₂SO₄.

Образец 1 - магнитная фракция из модифицированного ильменита, с использованием графита. Образец 1 содержит металлическое железо α-Fe примерно 40-45% (полуколичественная оценка интегральной интенсивности рефлекса); графит (преобладает) ~45-50%; большая аморфная составляющая; рутил, анатаз, брукит вместе не более 5%. На приведенном участке дифрактограммы образца (фиг. 29) видны рефлексы α-Fe и графита. На дифрактограммах цифрами от руки подписаны значения телесного угла 2θ, соответствующие рефлексам 1, 2 и т.д. порядков для кристаллических фаз рутила, ильменита, α-Fe и графита. Высокий аморфный фон свидетельствует о значительном разрушении кристаллической фазы в результате облучения.

Образец 2 получен выщелачиванием спека в 10% H₂SO₄. Затем выделен нерастворимый осадок и промыт в воде, удалено железо. Образец 2 содержит рутила более 95%; брукита - менее 5%.; кварц в малом количестве.

Линии рутила смещены по сравнению с эталонными, что можно объяснить образованием напряжений в кристаллической решетке минерала в результате воздействия электромагнитного излучения. На дифрактограмме присутствуют практически только линии рутила (фиг. 30).

Эксперимент 2

Образцы модифицированного ильменита исследовались методом съемки, сделанной на растровом электронном микроскопе с анализатором РЭМА-10202. На первом снимке (фиг. 31) ильменит исходный FeTiO₃. На снимках 2 (фиг. 32) и 3 (фиг. 33) ильменит не размолотый модифицированный при другом режиме облучения. Аналитические данные взяты из исходного ильменита и точек 3, 4, обозначенных на фиг. 32, приведены на фиг. 34:

спектрограмма исходного образца на фиг. 34, верхняя;

спектрограмма - сросток TiO₂ (точка 3) фиг. 34, средняя; спектрограмма - сросток α-Fe (точка 4) фиг. 34, нижняя.

Из сравнения результатов и анализа спектрограмм видно, что при модификации ильменита в магнитных волнах MVD произошло разложения кристаллической структуры ильменита и образовались сростки TiO₂ и α-Fe.

В среднем по образцу: кристаллическая фаза ильменита - не более 6%, размер частиц 0,2-0,4 мк в относительно неизмененном состоянии (сохранены связи между атомами титана и железа); 94% разделилось на оксиды титана и железо.

Эксперимент 3

Исследования двух проб ильменита с графитом и с графитом с добавлением катализатора (NaOH) на микроаналитическом комплексе, состоящем из волнового спектрометра Jeol JXA-8800R electron probe; microanalyser ("Superprob-98"); микрозонда и энергодисперсионной приставки Link ISIS (OXFORD). Анализы выполнены на энергодисперсионном спектрометре; условия съемки V=20 kV, I=1O A; стандарты - Fe, сфен CaTi[SiO₄]O.

Результаты свидетельствуюто меньшей степени разрушения ильменита при добавлении графита в качестве восстановителя и о большей степени разрушения при режимах облучения с графитом с добавлением соды:

образец 1 с графитом (фиг. 35) - тонкодисперсная пыль,

образец 2 с графитом с добавлением соды (фиг. 36) разделился на крупную и мелкую фракции, отличающиеся по составу.

Крупная фракция (фиг. 36) состоит из двух типов агломератов:

- коагулированные сростки α-Fe (фиг. 37), содержащие металлическое железо 85-98%; окисленное железо 1-1,5%; внутри крупной фракции присутствует TiO₂ и С;

- коагулированные сростки TiO₂ 86-93% (фиг. 38).

Коагулированные фазы отличаются по цвету. Железо дает более сильную флюоресценцию, из-за этого сростки железа почти белые (фиг. 36); серым цветом - сростки TiO₂, густо-серым в 2 - смесь TiO₂ и более легких элементов: кремния, кальция, алюминия, натрия, магния, марганца, ванадия, меди; почти черным в 1 - зерна углерода.

Анализы проб, проведенные на растровом микроскопе РЭМА, аналитическом комплексе JEOL и методом рентгеноструктурного анализа, дают основания считать, что при облучении ильменита в магнитных волнах MVD с графитом или с графитом с добавлением катализатора NaOH в качестве катализатора ильменит разлагается на диоксид титана и железо, которое коагулирует в сростки α-Fe, содержащие металлическое железо в пределах 85-95%. Присутствует также частично окисленное железо 1-1,5%. В сростках диоксида титана содержание TiO₂ в пределах 85-93%.

Из проведенных исследований можно сделать вывод, что FeTiO₃ полностью восстанавливается до железа металлического и TiO₂/Ti. В облученных образцах можно выделять железо и титан. Экспериментальные облучения ильменита с графитом показали возможность полного восстановления металлов. Скорость реакции восстановления достигала нескольких минут на 300 г ильменита. В сравнении с образцами разложения ильменита с графитом конвекционным теплом (резистивный нагрев, спираль) восстановление достигало таких же параметров через 8-10 часов при температуре 1200°C. Такое сравнение результатов доказывает высокую эффективность и экономическую целесообразность применения данного изобретения в промышленности. Расход электроэнергии снижается в 2 раза. Установки малогабаритные с высокой производительностью. При более точной настройке резонанса удается значительно уменьшить потребление электроэнергии при высокой производительности в потоке.

Изобретение может быть использовано в химической, горнорудной промышленности. Восстановление железа, кремния и восстановление диоксида титана до металлического титана проводят путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO₂, кремнийсодержащего газа, частиц FeTiO₃ и магнитных волн. При этом осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC-контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 10⁵÷10¹² Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO₂, кремнийсодержащего газа или частиц FeTiO₃ в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 10¹÷10⁶ Гц циклической частоты, с магнитно-электрически инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора. Изобретение позволяет переработать трудноразлагаемое кремний- и титансодержащее сырье без использования кислот, повысить при этом экологичность и уменьшить энергозатраты. 3 з.п. ф-лы, 38 ил., 4 табл., 3 пр.

1. Способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO₂, кремнийсодержащего газа, частиц FeTiO₃ и магнитных волн, отличающийся тем, что осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC-контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 10⁵÷10¹² Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO₂, кремнийсодержащего газа или частиц FeTiO₃ в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 10¹÷10⁶ Гц циклической частоты, с магнитно-электрически инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора, в среде водорода или твердых восстановителей типа уголь, кокс, графит или газообразных Н₂ и СО.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно определяют количественное содержание в сырье диэлектрических и магнитных элементов, а индуктивное взаимодействие проводят в волнах с фазовым углом +φ в соответствии с соотношениями:

при содержании диэлектрических элементов, большем содержания магнитных элементов, и с фазовым углом -φ в соответствии с соотношениями:
при содержании диэлектрических элементов, меньшем содержания магнитных элементов, где W_E - энергия электрического поля; W_M - энергия магнитного поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{E}$$ - напряженность электрического поля; $$\stackrel{\rightharpoonup }{H}$$ - напряженность магнитного поля.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что восстановление кремния из кремнезема SiO₂ или силана SiH₄ проводят путем получения мелкодисперсного порошка или слитка кремния Si в присутствии аргона или без него, при температуре 600÷1200°C, по следующим реакциям:

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что восстановление из ильменита FeTiO₃ металлического железа α-Fe и диоксида титана TiO₂ до металлического титана в объеме петли тока проводят с фазовым переходом Fe₂O₃→Fe₃O₄ в среде аргона или без аргона по следующим реакциям: