СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ НАНОЧАСТИЦ УГЛЕРОДА Российский патент 2018 года по МПК G21B1/03 

Изобретение относится к методам ускорения интенсивных потоков заряженных частиц, а более конкретно к ускорению интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода в электрическом поле до высоких энергий, достаточных для осуществления реакций термоядерного синтеза и проведения исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света, в частности исследований состояния вещества при экстремальных параметрах.

В настоящее время разработаны и практически реализованы различные способы ускорения микро- и макрочастиц, ионов атомов и элементарных частиц (электроны, протоны). Наибольшие значения мощности и интенсивности достигнуты для ионных пучков в импульсном режиме. (Фортов В.Е., Хоффманн Д., Шарков Б.Ю. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества // Успехи физических наук. Февраль 2008 г., том 178, №2. С.113-138). Следует отметить, что атомарные ионы, хотя и могут быть разогнаны до высоких скоростей, но имеют существенное ограничение по величине энергии, приходящейся на одну ускоренную частицу, из-за их малой массы.

При ускорении интенсивных потоков заряженных частиц возникают следующие проблемы, характерные для всех видов используемых в настоящее время частиц. С увеличением массы разгоняемой частицы падают ее скорость, удельный заряд и удельная энергия. Поэтому практически невозможно разогнать заряженную микро- или макрочастицу до высоких скоростей, сравнимых со скоростью света.

Предельные величины электрического заряда частицы и отношения заряда к массе частицы определяются максимальной величиной собственного электрического поля на ее поверхности. Данное поле ограничено автоэлектронной эмиссией (при отрицательном заряде частицы) или автоионной эмиссией (при положительном заряде частицы), а также предельно допустимыми механическими напряжениями в частице, возникающими вследствие действия кулоновских сил отталкивания.

При ускорении заряженных частиц с помощью циклотрона максимальная величина магнитного поля ограничивает максимальную массу частицы, что связано с возможностью ускорения частицы в циклотроне с расчетным минимальным радиусом орбиты частицы. Данный параметр определяет размеры циклотрона в целом.

Минимальные поперечные и продольные размеры потока ускоренных частиц ограничены действием сил кулоновского отталкивания частиц, что существенно снижает предельно достижимые токи, интенсивность потока и плотность энергии на мишени в непрерывном и импульсном режимах ускорения.

Указанные выше технические проблемы характерны для всех известных методов ускорения различного вида заряженных частиц. Так, например, в патенте RU 2371891 C1 (опубликован 27.10.2009) описан способ ускорения микрочастиц до высоких скоростей и энергий с помощью линейного ускорителя. Известный способ предназначен для моделирования микрометеоритного воздействия на космические аппараты. Способ включает генерацию заряженных твердых частиц с помощью инжектора и их ускорение в линейном ускорителе, на выходе из которого последовательно расположены индукционные датчики и калибровочные секции, обеспечивающие фокусировку микрочастиц. На выходе из ускорителя заряженная микрочастица приобретает энергию порядка 0,5 МэВ. При эффективном ускоряющем потенциале U=700 кВ, размере частиц ~25 мкм и удельном заряде частиц Q/m (где Q=Z⋅e, m - масса частицы, е - элементарный электрический заряд, Z - целочисленный электрический заряд частицы), составляющем от 1 Кл/кг до 150 Кл/кг, скорость частиц достигала V=13 км/с (Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов / Н.Д. Семкин [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2007. №2. С. 140-147).

Для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей и энергий используются также циклические электростатические и электродинамические ускорители. Частицы размером 0,1-10 мкм разгоняются в ускорителе до скорости V=25 км/с при суммарном эффективном ускоряющем потенциале U=5 MB и удельном заряде частиц Q/m=Z⋅e/m=150 Кл/кг (Пияков А.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Вестник Самарского аэрокосмического университета. 2011. №7 (31). С. 36-40).

Ограничение удельного заряда Q/m и скорости V для металлических частиц при осуществлении известных способов ускорения заряженных частиц связано с тем, что максимальное значение параметра Q/m обратно пропорционально радиусу заряженной частицы. Поэтому для частиц, имеющих достаточно большие размеры и, соответственно, большую массу, параметр Q/m имеет сравнительно малую величину. Кроме того, для металлов по сравнению с углеродом существенно ниже значение предельного поля автоионной эмиссии, ограничивающего величину максимального заряда частицы. В этом случае невозможно увеличить удельный заряд частицы (Q/m) до значений, при которых достигаются требуемые скорости и энергии ускоренных заряженных частиц. Для известных способов-аналогов характерно ограничение максимальных значений скоростей и энергий частиц: скорость частиц не превышает 2,5⋅10⁴ м/с, а максимальная удельная энергия - 100 эВ на атом ускоренной заряженной частицы. Данные ограничения связаны с относительно малыми значениями удельного заряда частиц: Q/m≤1,5⋅10² Кл/кг.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ создания потоков заряженных наночастиц углерода, в качестве которых используются фуллерены. Интенсивные потоки заряженных фуллеренов используются для исследования процессов распыления кремниевых и углеродных мишеней. Способ включает зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов , где N=60 - число атомов углерода в наночастице (фуллерене), Z=l, 2, 3 - целочисленные электрические заряды наночастиц (Особенности распыления кремниевых и углеродных мишеней ускоренными ионами фуллерена С₆₀ / М.В. Малеев [и др.] // Журнал физики и инженерии поверхности. 2015. №1. С. 91-95).

Для реализации известного способа используются наночастицы углерода в форме фуллеренов, полученных методом объемной конденсацией в вакууме. Преобразование фуллеренов в заряженные частицы осуществлялось путем ионизации наночастиц электронным ударом до образования многоатомных ионов . С помощью системы электростатических линз и диафрагм поток заряженных частиц фокусировался и ограничивался объем фазового пространства, занимаемый частицами. Затем заряженные частицы направлялись в магнитный сепаратор, в котором осуществлялось его пространственное разделение на пучки одно-, двух- и трехзарядных положительно заряженных наночастиц (многоатомных ионов). Заряженные наночастицы углерода ускорялись в электрическом поле до энергии в диапазоне от 2,5 до 24 кэВ при величине ускоряющего напряжения от 3 до 6 кВ.

Достаточно низкий уровень энергий заряженных наночастиц, достигаемый при реализации известного способа, обусловлен решаемыми с его помощью техническими задачами, связанными с исследованием свойств распыляемых кремниевых и углеродных мишеней при воздействии на них интенсивными потоками заряженных наночастиц углерода и определением условий для образования прочных углеродных пленок на поверхности мишеней при таком воздействии. Следует отметить, что применяемые в настоящее время методы исследований с помощью потоков заряженных углеродных наночастиц не могут использоваться для решения задач, связанных с осуществлением реакций термоядерного синтеза и проведением исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света. К числу таких задач относится, в частности, генерация экстремальных состояний вещества при взаимодействии пучков заряженных частиц с веществом, исследование свойств вещества при сверхвысокой концентрации энергии в форме сгустков плазмы с температурой порядка 10 кэВ и плотностью порядка плотности конденсированного состояния вещества (10²² см^-3).

Для решения поставленных задач требуются существенно большие энергии (удельная кинетическая энергия на атом ускоренной частицы должна быть не менее 8 МэВ) и скорости заряженных частиц (не менее 10⁷ м/с). Вместе с тем необходимо установить режимы ускорения наночастиц углерода до чрезвычайно высоких скоростей (не менее 10⁷ м/с), при которых обеспечивалась бы стабильность и целостность ускоряемых наночастиц до момента вхождения их в зону взаимодействия с исследуемым материалом или в зону столкновения потоков заряженных частиц. Иными словами, необходимо обеспечить расчетное время жизни заряженных частиц при их ускорении в электрическом поле с величиной потенциала не менее 10⁸ В.

Для ускорения интенсивных потоков заряженных частиц до требуемого уровня скоростей и энергий, наряду с указанными выше требованиями, необходимо обеспечить высокое значение удельного заряда ускоряемой заряженной частицы: отношение Q/m должно быть не менее 5,3⋅10⁵ Кл/кг. Так, например, для металлических микрочастиц с характерным размером ~1 мкм максимальные значения удельного заряда не превышает 10³ Кл/кг. Удельный заряд для каждого вида частиц ограничен предельными значениями, при которых происходит разрушение частицы за счет действия автоионной эмиссии с поверхности частиц (для положительно заряженных частиц) и электростатических сил отталкивания, действующих внутри частицы.

Изобретение направлено на устранение проблем путем выбора режимов ускорения в электрическом поле интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода и электрического заряда наночастиц перед их ускорением. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении условий для увеличения скоростей и энергий заряженных частиц до значений, при которых возможно осуществление реакций термоядерного синтеза и проведение исследований при взаимодействии высокоскоростных высокоэнергетичных потоков заряженных частиц между собой и с исследуемым материалом. При этом, за счет использования в качестве ускоряемых частиц заряженных наночастиц углерода, в полной мере реализуется возможность получения максимальной энергии, приходящейся на одну ускоренную частицу.

Достижение технического результата обеспечивается за счет реализации способа создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода. Характерной особенностью данного способа является использование наночастиц углерода с расчетными значениями удельного заряда в качестве ускоряемых заряженных частиц. Наночастицы углерода преимущественно могут использоваться в виде фуллеренов (многоатомных ионов) и нанотрубок. Наночастицы углерода могут быть объединены в кластеры (группы заряженных частиц), при ускорении в электрическом поле.

Фуллерены могут быть получены различными методами, в том числе путем сжигания графитовых электродов в электрическом дуговом разряде в атмосфере гелия при низких давлениях (Solid С₆₀: a New Form of Carbon / W. Kraetschmer [et al.] // Nature. 1990, V. 347. P. 354-358). В настоящее время подобраны оптимальные параметры испарения графитовых электродов, включая давление, состав атмосферы, ток и диаметр электродов, при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12% от массы получаемых продуктов (Fullerenes Synthesis in Combustion / Howard J.B. [et. al.] // J. Carbon. 1992. V. 30, №8. P. 1183-1201).

Углеродные одностенные нанотрубки представляют собой листы графена (монослои со структурой графитовой плоскости), свернутые в цилиндры. Подобные структуры устойчивы при диаметре цилиндра 5-20 . Протяженные цилиндрические структуры (углеродные нанотрубки) образуются вместе с фуллеренами при электродуговом испарении графитовых электродов. Наиболее эффективным методом получения углеродных нанотрубок в настоящее время является низкотемпературный метод, заключающийся в каталитическом пиролизе углеводородов (Catalytic production and purification of nanotubules having fullerene-scale diameters / V. Ivanov [et al.] // J. Carbon. 1995. V. 33, №12, P. 1727-1738).

Способ включает зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов углерода , где N - число атомов углерода в наночастице, Z - целочисленный электрический заряд наночастицы. Согласно изобретению наночастицы заряжают до величины удельного заряда Q/m, выбираемой в диапазоне от 5,3⋅10⁵ Кл/кг до 1,1⋅10⁶ Кл/кг, где m - масса наночастицы, е - элементарный электрический заряд. Заряженные наночастицы ускоряют в электрическом поле до достижения скорости не менее 10⁷ м/с при удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ, где Е - кинетическая энергия заряженной наночастицы.

Существенной характеристикой способа является зарядка наночастиц углерода до величины удельного заряда в расчетном диапазоне значений, нижний предел которого (5,3⋅10⁵ Кл/кг) определяет условие достижения требуемого уровня энергий и скоростей заряженных частиц, а верхний предел (1,1⋅10⁶ Кл/кг) - условие сохранения стабильности и целостности заряженных наночастиц в условиях действия электростатических сил отталкивания и автоионной эмиссии. Например, если использовать в качестве заряженных наночастиц углерода многоатомные ионы фуллерена , то указанная характеристика способа соответствует следующему условию выбора целочисленного заряда Z наночастицы (положительного иона фуллерена): 4≤Z≤10. За пределами расчетного диапазона значений удельного заряда наночастиц углерода невозможно достижение технического результата, с одной стороны, из-за разрушения частиц до момента входа в область взаимодействия (с другими частицами либо с материалом мишени), а с другой - вследствие недостаточной скорости и энергии заряженных частиц, ускоренных в электрическом поле.

Выполнение данного существенного условия обеспечивается за счет особых свойств наночастиц углерода: по сравнению с другими материалами наночастицы углерода обладают более высокими прочностными свойствами и более высокими предельными значениями напряженности электрического поля, при которой происходит автоионная эмиссия с поверхности частиц. При использовании указанных свойств наночастиц углерода условие выбора их удельного заряда является критерием достижения высоких скоростей и энергий ускоряемых частиц, что необходимо для решения задач в области управляемого термоядерного синтеза и исследования взаимодействия ускоренных частиц между собой и с материалом мишени. Например, при использовании в качестве заряженных наночастиц углерода ионов фуллерена , заряженных до величины Ze=+10e, при ускоряющем потенциале электрического поля 10⁸ В скорость частиц может достигать 1,6⋅10⁷ м/с. Для микрочастиц с характерным размером ~1 мкм теоретическая предельная скорость при таком же ускоряющем потенциале составляет всего лишь 10⁵ м/с.

Максимальная плотность потока энергии G для нерелятивистских потоков заряженных частиц пропорциональна квадратному корню из отношения заряда к массе (удельного заряда): G∝(Q/m)^1/2. Следовательно, получение высокой интенсивности потока энергии G для заряженных наночастиц углерода связано с обеспечением максимального значения отношения заряда к массе частицы. В случае использования заряженных наночастиц углерода, в том числе фуллеренов и нанотрубок, обладающих более высокими по сравнению с микро- и макрочастицами предельными величинами удельного заряда, могут быть достигнуты максимальные значения плотности потока энергии G.

Ускорение заряженных наночастиц до заданного уровня скорости и энергии (скорость должна быть не менее 10⁷ м/с, а удельная кинетическая энергия на атом углерода E/N - не менее 8 МэВ) осуществляется при величине ускоряющего потенциала электрического поля не менее 10⁸ В. Заряженные наночастицы можно ускорять в электрическом поле с помощью линейного ускорителя, циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями или циклотрона. В классическом циклотроне заряженные наночастицы ускоряются в электрическом поле между дуантами в области действия постоянного магнитного поля.

При использовании циклотрона заряженные наночастицы могут предварительно ускоряться и направляться в тракт ускорения с помощью инжектора, выполненного в виде линейного ускорителя. Для продольного сжатия создаваемого потока заряженных частиц, т.е. уменьшения объема фазового пространства, занимаемого частицами, могут использоваться два фазовых уплотнителя потока заряженных наночастиц, которые выполняются в виде ускоряющих межэлектродных промежутков (зазоров), расположенных вдоль направления движения наночастиц. Данные устройства выполняют функцию группирователей заряженных частиц в продольном направлении. Первый межэлектродный промежуток (продольный фазовый уплотнитель) размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя.

На входе и выходе ускорителя может осуществляться также поперечное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз. Данные устройства используются в качестве группирователей заряженных частиц в поперечном направлении (вдоль поперечного сечения потока). Первую магнитную линзу (поперечный фазовый уплотнитель) размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя.

Следует отметить, что максимальный ток заряженных частиц прямо пропорционально зависит от отношения заряда частицы к ее массе. Высокие значения параметров потока ускоренных наночастиц (ток до 200 мА, интенсивность до 20 МВт, энергия на атом углерода до 10⁸ эВ, энергия на одну наночастицу углерода до 7⋅10¹⁴ эВ) могут быть получены при ускорении наночастиц с помощью классического циклотрона. При ускорении углеродных нанотрубок в электрическом поле с помощью линейных ускорителей в импульсном режиме предельные токи и интенсивность ускоряемого потока наночастиц значительно увеличиваются: величина тока до 1000 А, интенсивность до 100 ГВт.

Рассмотрим основные условия, при которых можно осуществить способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода и обеспечить достижение технического результата.

Максимальная величина удельного заряда положительно заряженной наночастицы углерода связана с предельным значением электрического поля на ее поверхности, при которой происходит разрушение частицы за счет автоионной эмиссии и действия расталкивающих кулоновских сил.

Напряженность Es электрического поля на поверхности частицы ограничено значением , при котором наступает автоионная эмиссия - испускание ионов с поверхности частицы под действием электрического поля (испарение вещества). Величина поля автоионной эмиссии примерно на порядок больше значения поля автоэлектронной эмиссии и составляет для углерода МВ/см при температуре вблизи абсолютного нуля. Следует отметить, что величина напряженности поля автоионной эмиссии для углерода существенно выше по сравнению с соответствующими предельными значениями для металлов. Так, например, для вольфрама составляет 1052 МВ/см, а для титана - 399 МВ/см.

Исходя из порогового значения поля автоионной эмиссии В/м для сферической наночастицы - фуллерена можно определить предельный заряд Q, при котором начинается автоионная эмиссия:

Q=Ze=ε₀E_s⋅4πr²≈1.9⋅10^-18 Кл≈12е, Z=+12,

где ε₀≈ 8.85⋅10^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; r=0.35⋅10^-9 м - радиус фуллерена С₆₀; е≅1.6⋅10^-19 Кл - элементарный электрический заряд.

Таким образом, предельное значение электрического поля автоионной эмиссии для фуллеренов соответствует максимальному заряду наночастицы углерода Z=+12. Следовательно, предельное значение удельного заряда фуллерена составляет:

Для сферической наночастицы углерода произвольного радиуса зависимость, определяющая удельный заряд, имеет следующий вид:

где ρ - плотность вещества частицы.

Из приведенной зависимости (1) видно, что для микрочастиц, имеющих больший по сравнению с фуллереном размер (радиус), ограничение по автоионной эмиссии приведет к уменьшению максимального удельного заряда, поскольку величина Q/m обратно пропорционально радиусу частицы.

Для цилиндрической геометрии наночастицы углерода, характерной для нанотрубок, зависимость Q/m(r) примет следующий вид:

Из сравнения зависимостей (1) и (2) следует, что максимальное значение удельного заряда для нанотрубок в 1,5 раза ниже по сравнению со сферическими наночастицами углерода (фуллеренами): Q/m=1,1⋅10⁶ Кл/кг.

Второе условие, ограничивающее величину максимального электрического поля на поверхности наночастицы, связано с кулоновским отталкиванием зарядов и определяется прочностными свойствами материала частицы. Оценка величины механических напряжений в наночастице основывается на решении системы уравнений упругости в сферической геометрии. Максимальное значение азимутальной компоненты напряжения σ_ϕ на поверхности сферы, ограничивающей поверхность наночастицы, с учетом связи электрического поля E_s на поверхности частицы с ее зарядом в соответствии с теоремой Гаусса, определяется на основании следующей зависимости:

где q - объемная плотность заряда частицы, Кл/м³; r - радиус частицы; ν - коэффициент Пуассона.

Для обеспечения целостности ускоряемой наночастицы углерода величина σ_ϕ не должна превышать значение механического напряжения σ_В, соответствующее пределу прочности материала частицы на разрыв. Данное условие определяет следующую зависимость для максимального значения поля на поверхности частицы:

При характерном значении коэффициента Пуассона ν≈0.3 и значении предела прочности углерода σ_В≈150 ГПа можно определить, согласно зависимости (4), величину максимальной напряженности электрического поля: В/м. Данная величина примерно в 1,5 раза больше максимального предельного значения напряженности электрического поля, при котором возникает автоионная эмиссия с поверхности фуллерена.

Для цилиндрической геометрии нанотрубок величина максимального электрического поля на поверхности наночастицы, связанная с кулоновским отталкиванием зарядов, рассчитывается согласно следующей зависимости:

Рассчитанная согласно зависимости (5) величина больше максимального поля для сферической геометрии наночастиц. Величина предельного значения электрического поля для нанотрубок составляет В/м. Следовательно, нанотрубки по сравнению с фуллеренами имеют более высокое пороговое значение электрического поля, при котором происходит разрушение частиц.

Таким образом, предельные значения электрического поля, являющиеся критериями неразрушения наночастиц по прочностному фактору и возможности возникновения автоионной эмиссии, приблизительно совпадают. Для различных видов наночастиц углерода верхний предел удельного заряда наночастиц, при котором не происходит их разрушение в результате действия кулоновских сил отталкивания и автоионной эмиссии, составляет Q/m≈1,1⋅10⁶ Кл/кг.

Нижнее предельное значение удельного заряда наночастиц углерода выбрано исходя из условия возможности генерации высокоэнергетических и высокоскоростных интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, которые могут использоваться для осуществления реакций термоядерного синтеза и проведения исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света. Для реализации поставленных задач скорость частиц должна быть не менее 10⁷ м/с, а соответствующая величина удельной кинетической энергии заряженных частиц на атом углерода E/N - не менее 8 МэВ. Указанные условия реализуются при величине удельного заряда наночастиц углерода не менее 5,3⋅10⁵ Кл/кг. Расчетные параметры потока заряженных наночастиц углерода могут быть достигнуты за счет ускорения в электрическом поле с ускоряющим потенциалом не менее 10⁸ В. При указанном нижнем ограничении удельного заряда наночастиц углерода минимальный целочисленный заряд фуллерена должен быть не менее Z=+4. Следует отметить, что при использовании макрочастиц с размером ~1 мкм и более, для которых параметр Q/m не превышает 10³ Кл/кг, требуемые минимальные значения параметров ускоренного потока заряженных частиц не могут быть достигнуты.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров осуществления способа создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода.

Необходимый заряд наночастиц углерода, в частности фуллерена, обеспечивается путем ионизации сформированного потока наночастиц электронным пучком. В результате образуются заряженные многоатомные ионы с положительным зарядом до Z=+6 при удельном заряде Q/m=0,8⋅10⁶ Кл/кг (Senn G., Mark Т. D., Scheier P. Charge Separation Processes of Highly Charged Fullerene Ions // J. Chem. Phys. 1998. Vol. 108, №3). Поток фуллеренов формируется при нагреве фуллереновой пудры в печи при температуре до 1020 К. На поток фуллеренов воздействуют пучком электронов с током до 2 мА. В результате воздействия электронов происходит многократная ионизация наночастиц углерода. Образованные заряженные наночастицы вытягиваются из области взаимодействия электрическим полем, направление которого перпендикулярно направлениям электронного пучка и исходного пучка нейтральных фуллеренов.

В процессе зарядки наночастиц углерода образуются многоатомные ионы с различными зарядами Z, например фуллерены: , , и т.д. Для отбора наночастиц, электрический заряд которых соответствует условию выбора удельного заряда Q/m (от 5,3⋅10⁵ Кл/кг до 1,1⋅10⁶ Кл/кг), перед входом в ускоритель производится сепарация заряженных наночастиц по величине заряда. Для этого может использоваться магнитный сепаратор, с помощью которого поток заряженных наночастиц (многоатомных ионов) пространственно разделяется при движении в области действия магнитного поля сепаратора на отдельные пучки, имеющие различные положительные заряды. Выделенный поток наночастиц, имеющих необходимый заряд, направляется в ускоритель заряженных частиц.

Более высокие значения заряда наночастиц углерода (многоатомных ионов ) могут быть получены при облучении сформированного потока фуллеренов мощным лазерным импульсом в инфракрасном диапазоне. Мощность импульсов составляет 10¹⁵ Вт при длительности импульсов 7⋅10^-14 с (Bhardwaj V. R., Corkum Р. В., Rayner D.M. Internal Laser-Induced Dipole Force at Work in С₆₀ Molecule // Physical Review Letters. 2003. V. 91, №20).

Наночастицы углерода можно также заряжать путем контакта с электродом (анодом), облучением протонным пучком, ионизацией при осуществлении электронно-циклотронного резонанса (Wethekam S., Winter Н. Elasticity, Internal Excitation, and Charge Transfer during Grazing Scattering of keV Fullerenes from a LiF (100) Surface // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. В 269. 2011. P. 1179-1184).

Полученные многоатомные ионы являются стабильными, время их жизни составляет не менее одной секунды. Стабильность и достаточно большое время жизни наночастиц, необходимое для их ускорения и транспортировки в область воздействия на другие частицы или материалы, обеспечивается за счет ограничения величины их удельного заряда Q/m в пределах расчетного диапазона: от 5,3⋅10⁵ Кл/кг до 1,1⋅10⁶ Кл/кг.

Сформированный интенсивный поток заряженных наночастиц, заряд которых удовлетворяет условию выбора удельного заряда, направляется на вход ускорителя заряженных частиц, с помощью которого производится ускорение частиц в электрическом поле до требуемого уровня скорости (не менее 10⁷ м/с) и удельной кинетической энергии (не менее 8 МэВ на один атом углерода).

Для ускорения заряженных наночастиц углерода может использоваться линейный резонансный ускоритель, в котором положительно заряженные частицы ускоряются электрическим полем в зазорах между цилиндрическими дрейфовыми трубками (см., например, международную заявку WO 2007/144058 А1, опубликованную 21.12.2007). В рассматриваемом примере разность потенциалов между дрейфовыми трубками для каждого ускоряющего промежутка составляет 500 кВ. Частота ускоряющего поля ƒ составляет от 1000 МГц до 3000 МГц. Достижение кинетической энергии 500 МэВ на фуллерен и удельной кинетической энергии 8,4 МэВ на атом углерода обеспечивается с помощью линейного ускорителя, содержащего 1000 ускоряющих промежутков.

Ускорение заряженных наночастиц в электрическом поле может осуществляться циклически с помощью циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями. Изменение направления движения заряженных частиц для ввода их на заданную замкнутую траекторию движения осуществляется с помощью инфлекторов ускорителя, а изменение направления движения заряженных частиц для отклонения их с траектории движения, в частности для вывода их с орбиты, - с помощью дефлекторов ускорителя. Заряженные частицы в таких ускорителях двигаются по замкнутым траекториям, состоящим из линейных участков (линейных ускоряющих секций), между которыми расположены направляющие устройства, изменяющие траекторию движения частиц (см., например, патент RU 2456781 C1, опубликованный 20.07.2012). Ввод и вывод частиц из ускорительного тракта ускорителя обеспечивается с помощью специальных устройств, обеспечивающих отклонение траектории движения частиц. Ускоритель содержит цилиндрические электроды, попеременно подключенные к двум выходам источника высокого напряжения. После достижения заданной скорости напряжение в одном из направляющих устройств отключается, и поток заряженных наночастиц выводится из ускорителя.

В другом варианте осуществления изобретения заряженные наночастицы углерода могут ускоряться в электрическом поле с помощью циклотрона. В классическом циклотроне (ускорителе Лоуренса) заряженные частицы ускоряются электрическим полем, действующим в зазорах между дуантами. Движение заряженных частиц по спиральной траектории обеспечивается с помощью постоянного магнитного поля (см., например, патент RU 2373673 C1, опубликованный 20.11.2009). В процессе ускорения в таких ускорителях действующая на частицу центробежная сила уравновешивается силой, возникающей в результате действия магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению движения заряженной частицы. При движении многоатомного иона с линейной скоростью 1,6⋅10⁷ м/с величина индукции постоянного магнитного поля вычисляется согласно зависимости: В [Тл]=18/R [м], где R - радиус орбиты вращения иона. При радиусе орбиты R=3 м индукция магнитного поля должна быть равна 6 Тл. При данной величине магнитного поля период обращения фуллерена в циклотроне составит 3.6⋅10^-6 с. Для достижения скорости 1,6⋅10⁷ м/с и энергии 1,0 ГэВ при амплитуде напряжения между дуантами ускорителя 10⁵ В заряженная наночастица углерода должна совершить 10⁴ оборотов. За счет увеличения эффективной длины разгона наночастицы, при сохранении компактности устройства, ускорение наночастиц углерода с помощью циклотрона является наиболее целесообразным способом ускорения.

Для ввода заряженных наночастиц в ускорительный тракт циклотрона используется инжектор заряженных частиц, выполненный в виде линейного ускорителя. Инжектор устанавливается на расчетном расстоянии от оси циклотрона. Вращаясь в магнитном поле вокруг оси циклотрона, заряженные наночастицы ускоряются за один период вращения в двух зазорах, образованных между дуантами, между которыми прикладывается переменное электрическое поле с частотой, соответствующей частоте вращения частиц. Вывод заряженных наночастиц из ускорительного тракта осуществляется через канал (дефлектор), расположенный на расстоянии радиуса R от оси вращения. Заряженные наночастицы выводятся из ускорителя посредством воздействия на них электрическим полем, отклоняющим их траекторию движения вдоль касательной к спиральной траектории вращения в циклотроне.

Предельная плотность потока заряженных частиц определяется поперечным и продольным кулоновским отталкиванием частиц. Отношение тока пучка к предельному току характеризует расхождение пучка заряженных частиц вследствие действия кулоновских сил отталкивания. Важным параметром, определяющим плотность потока заряженных частиц, является эмиттанс - численная характеристика ускоренного потока заряженных частиц, равная объему фазового пространства, занимаемого частицами. Различают продольный и поперечный эмиттанс. В случае поперечного эмиттанса обычно переходят от рассмотрения частиц в пространстве координат и импульсов к рассмотрению частиц в пространстве координат и углов направлений движения. Характерные значения поперечного эмиттанса для ускоренного с помощью циклотрона потока протонов составляют (Behavior of Space Charge Dominated Beam in High-Current Compact Cyclotron / A.Goswami [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2006. V. 562. P. 34-40).

Продольное и поперечное сжатие потока заряженных наночастиц углерода обеспечивает достижение максимальной плотности и максимального тока ускоряемых наночастиц за счет уменьшения объема фазового пространства, занимаемого частицами. Для сжатия потока используются продольные и поперечные фазовые уплотнители потока заряженных наночастиц углерода.

Продольное сжатие потока заряженных наночастиц осуществляют на входе и выходе ускорителя заряженных частиц с помощью двух фазовых уплотнителей, выполненных в виде ускоряющих межэлектродных промежутков (зазоров), расположенных вдоль направления движения наночастиц и выполняющих функцию электростатических линз. Первый ускоряющий межэлектродный промежуток размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя. В случае использования инжектора в циклотроне первый межэлектродный промежуток размещается перед инжектором. Электрическое поле в ускоряющих промежутках ускорителей изменяется, например, по синусоидальному закону. За счет модуляции скорости частиц по продольной координате обеспечивается дополнительное увеличение плотности потока заряженных частиц (Sing Babu P., Goswami A., Pandit V.S. Simulation of Beam Bunching in the Presence of Space Charge Effects // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2009. V. 603. P. 222-227).

За счет использования продольных фазовых уплотнителей в виде дополнительных ускоряющих межэлектродных промежутков в циклических или линейных ускорителях достигается продольное сжатие потока заряженных частиц (уменьшение размера фазового пространства, занимаемого частицами, в продольном направлении) на входе с ускоритель до 20 раз, а на выходе - в два раза.

На входе и выходе ускорителя осуществляют также поперечное сжатие потока заряженных наночастиц с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз. Первую магнитную линзу размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя. Поперечное сжатие потока частиц происходит за счет азимутального профилирования магнитного поля, создаваемого магнитными линзами. В результате поперечного сжатия потока максимальный установившийся ток фуллеренов в поперечно сжатом потоке составит I~200 mА, а плотность потока фуллеренов - 1.3⋅10¹⁷ частиц/с. При данных параметрах могут быть получены следующие энергетические характеристики для потока фуллеренов: поток энергии - Н≈20 МВт, плотность потока энергии при диаметре поперечного сечения потока частиц (диаметре пятна) 6 мм - G≈80 МВт/см².

В случае использования в качестве наночастиц углерода нанотрубок можно получить следующие характеристики потока заряженных наночастиц углерода.

Рассмотрим поток нанотрубок, ускоряемых в электрическом поле. Нанотрубки могут быть однослойными или многослойными. Длина различных видов нанотрубок может варьироваться в широком диапазоне: от 10^-8 м до 10^-2 м. Для оценочных расчетов выберем нанотрубку со следующими характерными параметрами: радиус r=3,5⋅10^-10 м, длина =10^-2 м, удельный заряд Q/m=10⁶ Кл/кг. При ускоряющем потенциале ϕ=10⁸ В углеродная нанотрубка может быть ускорена до скорости V=1,6⋅10⁷ м/с и энергии Т=7⋅10¹⁵ эВ. Длительность импульсного воздействия ускоренных нанотрубок на мишень будет составлять ~10^-9 с. Ток, создаваемый движущейся нанотрубкой, будет равен: мА. При параллельном движении десяти нанотрубок величина тока будет составлять 180 мА. Данная величина сравнима с максимально достижимым током, полученным для потока фуллеренов с учетом его поперечного сжатия с помощью магнитных линз. Поток энергии в этом случае (для десяти углеродных нанотрубок) составит H≈18 МВт.

Учитывая, что в нанотрубках элементарные заряды удерживаются прочными связями межатомного взаимодействия, для потоков углеродных нанотрубок могут быть достигнуты более высокие предельные значения тока и потока энергии. Отличие потока фуллеренов от потока нанотрубок заключается в том, что поток нанотрубок может состоять из небольшого числа одиночных нанотрубок, обеспечивая токи, сравнимые с предельными значениями для потока фуллеренов. Предельное значение тока параллельно движущихся углеродных нанотрубок можно оценить исходя из следующих граничных условий: потенциальная энергия частицы на границе потока равна энергии движения частицы вдоль оси потока, частица при перемещении вдоль оси потока на расстояние порядка радиуса потока приобретет боковую скорость (скорость разлета) порядка скорости движения вдоль оси потока. При данных условиях направленный поток заряженных частиц должен разлететься в боковые стороны на расстоянии вдоль оси потока порядка радиуса потока. В этом случае предельное значение тока для параллельно движущихся углеродных нанотрубок составит I≈2⋅10⁴ А.

Оценка радиального расширения потока заряженных наночастиц углерода может быть проведена по величине радиального электрического поля на периферии потока ускоренных частиц, которое влияет на расширение потока и ограничивает величину тока пучка. При максимальном установившемся токе I~200 mА потока заряженных фуллеренов и диаметре поперечного сечения потока d=6 мм радиальная компонента электрического поля на периферии потока составит E_R≈7,7⋅10⁴ В/м. Данная величина напряженности электрического поля существенно меньше предельного значения напряженности электрического поля, при которой возникает автоионная эмиссия. Таким образом, можно считать, что на предельные значения тока ускоряемого пучка заряженных наночастиц углерода практически не влияют ограничения, непосредственно связанные со свойствами ускоряемых заряженных частиц.

Радиальная компонента электрического поля, создаваемого одной нанотрубкой, удельный заряд которой равен Q/m≈10⁶ Кл/кг, на периферии потока (r≈3⋅10^-3 м) составляет E_R≈4,3⋅10³ В/м. Предельное значение тока, создаваемого нанотрубками при параллельном движении, будет достигнуто, если количество нанотрубок в потоке достигнет порядка 30. Величина радиального электрического поля в потоке нанотрубок может быть снижена за счет уменьшения длины углеродных нанотрубок по отношению к диаметру потока. В итоге предельный ток для нанотрубок может составить I≈10 А при диаметре потока порядка 6 мм.

Приведенные выше экспериментальные и расчетные данные подтверждает возможность создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, движущихся со скоростью не менее 10⁷ м/с при величине удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ. Указанные параметры потока заряженных наночастиц углерода достигаются в результате их ускорения в электрическом поле. Наночастицы углерода могут ускоряться в электрическом поле в виде сгустка заряженных частиц. За счет выбора величины удельного заряда Q/m наночастиц углерода в пределах расчетного диапазона значений обеспечивается стабильность и целостность наночастиц в процессе их ускорения в электрическом поле до момента вхождения в реакционную зону. Такой зоной может быть зона взаимодействия с исследуемым веществом или зона столкновения заряженных частиц (при осуществлении реакций термоядерного синтеза).

Способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода может найти применение для решения ряда технических и исследовательских задач, включая:

- создание условий для протекания реакций управляемого термоядерного синтеза, в том числе с инерциальным удержанием;

- исследование свойств вещества при экстремальных параметрах в результате взаимодействия интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода с материалом мишени;

- получение и исследование свойств вещества при сверхвысокой концентрации энергии в виде горячей плазмы с температурой порядка 10 кэВ и плотностью порядка плотности конденсированного вещества (10²² см^-3).

Изобретение относится к способу создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода. В способе осуществляют предварительную зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов углерода , где N - число атомов углерода в наночастице, Z - целочисленный электрический заряд наночастицы. Зарядка производится до величины удельного заряда Q/m, выбираемой в диапазоне от 5,3⋅10⁵ Кл/кг до 1,1⋅10⁶ Кл/кг, где Q=Z⋅е, m - масса наночастицы, е - элементарный электрический заряд. Заряженные наночастицы ускоряют до достижения скорости не менее 10⁷ м/с при удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ, где Е - кинетическая энергия заряженной наночастицы. Ускорение заряженных наночастиц осуществляют при величине ускоряющего потенциала электрического поля не менее 10⁸ В. В качестве наночастиц углерода используют фуллерены или нанотрубки. Ускорение заряженных наночастиц осуществляется с помощью ускорителей заряженных частиц различных типов: линейных ускорителей, циклических ускорителей с линейными ускоряющими секциями, циклотронов. На входе и на выходе ускорителя производится продольное и поперечное сжатие потока заряженных наночастиц с помощью фазовых уплотнителей потока. В качестве продольных фазовых уплотнителей используются ускоряющие межэлектродные промежутки, расположенные вдоль направления движения заряженных наночастиц, а в качестве поперечных фазовых уплотнителей - магнитные линзы. Технический результат заключается в обеспечении условий для достижения значений скоростей порядка 10⁷ м/с и энергий заряженных частиц, необходимых для проведения исследований, связанных с взаимодействием высокоскоростных и высокоэнергетичных потоков заряженных наночастиц между собой и с материалом мишени, в частности с точки зрения исследования возможности осуществления реакций термоядерного синтеза. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, включающий зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов углерода где N - число атомов углерода в наночастице, Z - целочисленный электрический заряд наночастицы, и ускорение заряженных наночастиц в электрическом поле, отличающийся тем, что наночастицы заряжают до величины удельного заряда Q/m, выбираемой в диапазоне от 5,3⋅10⁵ Кл/кг до 1,1⋅10⁶ Кл/кг, где Q=Z⋅е, m - масса наночастицы, е - элементарный электрический заряд, при этом заряженные наночастицы ускоряют в электрическом поле при величине ускоряющего потенциала не менее 10⁸ В до достижения скорости не менее 10⁷ м/с и удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ, где Е - кинетическая энергия заряженной наночастицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наночастиц углерода используют фуллерены или нанотрубки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью линейного ускорителя.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью циклотрона.

6. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что на входе и выходе ускорителя осуществляют продольное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде ускоряющих межэлектродных промежутков, расположенных вдоль направления движения заряженных наночастиц углерода, первый из которых размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя.

7. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что на входе и выходе ускорителя осуществляют поперечное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз, первую из которых размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя.