РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2021 года по МПК H01J23/04 G21G4/00 G21H1/04 H05H7/02 

«Область техники, к которой относится изобретение»

Изобретение относится к радиоизотопным источникам электрической энергии.

«Уровень техники»

На сегодняшний день известны следующие типы источников электрической энергии, использующие ядерные излучения:

радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи): используются термоэлементы;

радиоизотопные термоэмиссионные генераторы: используется термоэмиссионный преобразователь;

радиоизотопные комбинированные генераторы: используются термоэмиссионный преобразователь (1-я ступень) и термоэлементы (2-я ступень преобразования);

радиоизотопные паротурбинные генераторы: парортутные турбины или пароводяные турбины и электрогенератор;

атомные элементы: альфа- и бета-излучающие изотопы, помещенные в вакуумные капсулы, создают очень высокое напряжение при малых токах;

атомные полупроводниковые элементы: облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении;

радиоизотопные пьезоэлектрические источники;

радиоизотопные оптико-электрические источники;

радиоизотопные генераторы переменного тока.

Известна атомная батарея следующей конструктивной схемы (Патент США 2552050), которая представлена далее на одном из чертежей.

В центре вакуумированного сферического корпуса находится радиоактивный излучатель (эмиттер), выделяющий заряженные частицы. Пригоден излучатель альфа-частиц, бета-частиц и осколков деления, однако альфа-частицы и некоторые осколки деления после нейтрализации образуют газы, нарушающие вакуум в приборе и за счет ионного тока понижающие КПД преобразования ядерной энергии в электрическую. По этой причине предпочтительны бета-распадные изотопы церий-144, никель-63, прометий-147 и подобные.

Излученные частицы оседают на внутренних стенках корпуса и передают ему свой заряд, соответственно, сам излучатель приобретает заряд противоположного знака. Возникающая между излучателем и корпусом разность потенциалов определяется кинетической энергией излучаемых частиц и составляет обычно от нескольких десятков тысяч до миллиона вольт. Она поддерживается, если отбор тока не превышает темпа поступления заряда с заряженными частицами, при отборе большего тока напряжение снижается. Расстояние между излучателем и корпусом должно обеспечивать отсутствие пробоя. Известно, что электрическая прочность вакуума составляет от 30 до 120 кВ/мм, поэтому минимальный размер корпуса получается порядка единиц или десятков сантиметров.

Таким образом, данная атомная батарея имеет два недостатка - выход на постоянном токе, который сравнительно трудно затем преобразовывать, и высоковольтный выход на столь высоком напряжении, которое не может иметь широкого применения.

В ядерной физике известен прибор для получения заряженных частиц высоких энергий путем ускорения их переменным электрическим полем - циклотрон. Циклотрон является преобразователем электрической энергии в кинетическую энергию ускоренных частиц, и, как и другие электромеханические преобразователи, обладает обратимостью. Если в циклотрон направить заряженную частицу, то между дуантами возникнет переменное высокочастотное электрическое поле. При подключении к дуантам нагрузки в нагрузку потечет переменный ток, который при необходимости можно подвергнуть выпрямлению.

Однако непосредственно преобразовать кинетическую энергию заряженных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, циклотрон не может. Одна причина в том, что радиоактивный распад случаен, а частицы должны входить в циклотрон синфазно с создаваемым ими электрическим полем, т.е. в виде периодических сгустков. Вторая причина в том, что при радиоактивном распаде частицы разлетаются во все стороны, и нет возможности их отразить или сфокусировать в пучок, а значит, лишь ничтожная часть всех частиц сможет войти по правильной траектории.

Чтобы решить проблему случайного момента поступления продуктов распада в узел преобразования энергии, были предложены механические и иные модуляторы потока ядерных частиц, например, следующий.

Патент США №3290522, озаглавленный как «Электрический генератор ядерных выбросов», опубликованный Робертом Гинеллем 6 декабря 1966, он раскрывает прибор, обеспечивающий электрическую энергию путем модуляции плотности заряженных частиц, ограниченных в замкнутом пространстве магнитным полем. Радиоактивный материал расположен в центре замкнутого полого шара, имеющего внутреннюю поверхность, покрытую серебром. Сфера находится в центральном положении между полюсами постоянного магнита. Изменение плотности облака заряженных частиц приводит к изменению в магнитном поле, созданное облаком. Это изменение магнитного поля сокращает электропроводящие средства для создания электрического потенциала и тока в нем. Плотность облака заряженных частиц может быть различной при применении периодического изменения электростатического или электромагнитного поля к замкнутому облаку заряженных частиц. Электрическая энергия образуется из кинетической энергии, которая внедряется в заряженные частицы (продукты распада) на случай спонтанного распада в ходе разрушения радиоактивного материала. Однако с этой системой эффективность преобразования очень низка, а объем электрической энергии - слишком мал для большинства применения.

В радиолокационной технике хорошо известен такой прибор, как магнетрон, представляющий собой резонансную систему. В ней электроны, хаотически испускаемые катодом, сами группируются в периодические сгустки под действием наводимого ими самими электрического поля в резонансной системе (в анодном резонаторе). Иначе, если расположить вместо катода в центре магнетрона радиоактивный источник и приложить некоторый потенциал между излучателем и анодом (возможно, нулевой, т.е. соединив анод с излучателем перемычкой), то при подборе силы магнита магнетрон начнет генерировать высокочастотные колебания.

Подобная идея была предложена в Патенте США №4835433 автор Пол Браун (Paul Brown), однако его устройство использовало альфа частицы и требовало импульса для запуска высокочастотных колебаний.

Влияние магнитного поля на движение электронов в магнетроне; по мере усиления магнитного поля траектории электронов все более и более искривляются (представлена далее на одном из чертежей).

Влияние слабого магнитного поля на полет электронов еле заметно: их пути до анода остаются почти прямолинейными. Сильное же магнитное поле заставляет электроны лететь по кривым линиям. При определенных условиях электроны не станут попадать на анод, т.е., не долетая до него, будут возвращаться на катод, при этом анодный ток прекратится.

Анодное напряжение и силу магнитного поля подбирают так, что поворот электронов происходит у самой поверхности анода.

Вращающийся с определенной переносной скоростью электронный поток будет взаимодействовать с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживать в них высокочастотные колебания за счет отдачи им энергии электронов. Очевидно, что сплошной электронный поток не может поддерживать возникшие в резонаторах магнетрона колебания. Действительно, если бы в работающем магнетроне пространственный заряд был бы распределен равномерно, то количество энергии, передаваемое электронами при их движении в тормозящем поле резонаторе, было бы равно количеству энергии, получаемой другими электронами, находящимися в данный момент в ускоряющем поле резонатора. Суммарная же энергия электронного потока при этом равнялась бы нулю, и такой электронный поток не смог бы восполнять энергию, расходуемую в колебательной системе резонаторов, и возникшие колебания прекратились бы.

Принцип поддерживания незатухающих колебаний в магнетроне - электроны должны группироваться так, чтобы при своем движении они смогли пролетать под резонаторами в момент времени, когда переменное электрическое поле этих резонаторов было бы тормозящим.

Процесс группирования электронов происходит в магнетроне автоматически в результате взаимодействия электронов с переменным электрическим полем резонаторов.

Рассмотрим это подробнее.

Предположим, что электронный поток равномерно распределен по окружности магнетрона с одинаковой плотностью и пусть в данный момент электроны, вылетая с катода, попадают в тормозящее поле резонатора. На на одном из чертежей далее это условие показано в виде трех групп электронов, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Переменное электрическое поле Е_~ в каждой точке пространства взаимодействия можно разложить на две составляющие: тангенциальную составляющую Et, направленную по касательной к окружности, проходящей через данную точку с центром на оси анодного блока; и радиальную составляющую Er, направленную по радиусу.

Для группы электронов 1 радиальная составляющая переменного поля Er в данный момент времени совпадает с напряженностью постоянного электрического поля Е₌, что приводит к увеличению средней переносной скорости движения электронов. Для группы электронов 3 радиальная составляющая переменного электрического поля Er направлена против вектора Е₌, в результате чего результирующая составляющая переменного поля (радиального) уменьшается, а, следовательно, уменьшается переносная скорость электронов.

В плоскости «АВ» радиальная составляющая переменного электрического поля Е равна нулю, поэтому группа электронов 2 своей скорости не меняет. В результате этого группа электронов 1 движется с большей скоростью и постепенно догоняет группу 2, а группа электронов 3 движется медленнее группы 2 и постепенно сливается с ней. В результате таких изменений скоростей электронов под действием радиальной составляющей переменного электрического поля будет происходить их сближение, т.е. их формирование в электронные потоки, которые по форме напоминают «спицы колеса» и потому получивших название электронных спиц. Число «спиц» зависит от вида колебаний. Для колебаний типа «р» это число равно N/2, т.е. в два раза меньше числа резонаторов. Вся картина распределения электронов примет вид, показанный далее на одном из чертежей.

Действительно, под действием тангенциальной составляющей Et электроны, находящиеся в тормозящем поле резонатора будут уменьшать свою скорость (так называемые полезные электроны), а электроны, находящиеся под резонаторами - увеличивают и, получив добавочную скорость, возвращаются на катод. В результате этого в сплошном электронном потоке автоматически образуются области сгущения и разряжения электронов, т.е. происходит первичная (и основная) сортировка электронов. Под действием радиальной составляющей происходит дополнительная, так называемая фазовая фокусировка электронов, находящихся в тормозящем переменном электрическом поле резонатора.

Под действием тангенциальной составляющей будет происходить торможение электронов, благодаря чему электрическое поле резонатора будет пополняться энергией и в резонаторе будут поддерживаться незатухающие колебания. При дальнейшем движении электронный поток будет пополнять энергией колебательную систему лишь в том случае, если «спицы» будут достигать соседних резонаторов, когда поле этих резонаторов будет тормозящим. Очевидно, для этого требуется соответствующий выбор переносной скорости электронов n_e.

Необходимая величина переносной скорости зависит от периода генерируемых колебаний, сдвига фаз в соседних резонаторах и расстояния между соседними резонаторами. Для противофазного вида колебаний, основного вида колебаний в современных магнетронах, электронные спицы должны проходить расстояние от одного резонатора до соседнего с ним за время, равное половине периода генерируемых колебаний. Это и есть условие синхронизма, или фазовое условие самовозбуждения магнетрона. Условие синхронизма осуществляется необходимым подбором величин электрического и магнитного полей в магнетроне. Так как магнит у магнетрона обычно постоянный, то регулировка эта осуществляется только изменением анодного напряжения.

Вывод: таким образом, переменное электрическое поле как бы сортирует электроны на полезные и вредные. Вредные электроны быстро удаляются из пространства взаимодействия обратно на катод, отбирая при этом часть энергии у резонаторов. Полезные же электроны отдают резонаторам больше энергии, чем отнимают вредные, так как полезные электроны находятся в пространстве взаимодействия значительно дольше, поддерживая тем самым возникшие колебания в магнетроне незатухающими.

Обычно магнитная индукция составляет от 0,1 до 0,5 Тл. Для импульсной работы в дециметровом диапазоне магнетроны строят на мощность в десятки тысяч киловатт, а в сантиметровом - в тысячи киловатт. В самых мощных магнетронах анодное напряжение в импульсе достигает десятков киловольт, а анодный ток - сотен ампер. Магнетроны для непрерывного режима имеют мощность в десятки киловатт на дециметровых волнах и в единицы киловатт - на сантиметровых. В мощных магнетронах применяется принудительное, воздушное или водяное охлаждение. КПД мощных магнетронов может быть 70% и даже выше при работе в дециметровом диапазоне, в сантиметровом диапазоне 30-60%.

«Раскрытие изобретения»

Технический результат изобретения заключается в увеличении вырабатываемой мощности и КПД, исключения необходимости в первичном запуске и упрощения конструкции.

Для осуществления технического результата предложен радиоизотопный источник переменного электрического тока, представляющий собой эмиттер заряженных частиц и резонаторную систему, помещенные в вакуумную камеру, причем в нем применена резонаторная система магнетронного типа, в которой роль катода выполняет эмиттер, и которая выполнена с возможностью преобразования кинетической энергии испускаемых в случайные моменты времени эмиттером заряженных частиц в переменный высокочастотный ток, а также с возможностью полезного использования радиальной и тангенциальной составляющих скорости сгруппированных резонатором заряженных частиц, при этом два электростатических отражателя, установленные параллельно плоскости резонансной системы с обеих сторон от нее, выполнены с возможностью подавления аксиальной составляющей.

Согласно настоящему изобретению эмиттер может быть замкнут по постоянному току с резонансной системой.

Согласно настоящему изобретению между эмиттером и резонансной системой может быть приложено высокое постоянное напряжение от внешнего источника, предпочтительно от атомной батареи.

Согласно настоящему изобретению электростатические экраны, выполненные с возможностью подавления аксиальной составляющей скорости заряженных частиц, могут быть установлены с возможностью получения электрического заряда от оседающих на них заряженных частиц.

Согласно настоящему изобретению электростатические экраны могут быть выполнены с возможностью получения заряда от отдельного внешнего источника, предпочтительно от атомной батареи.

Согласно настоящему изобретению радиоизотопный источник переменного электрического тока может быть выполнен с возможностью использования заряженных частиц, образующих при нейтрализации своего заряда атомы газов, и для поддержания вакуума в рабочей камере, содержащей встроенный вакуум-насос.

Согласно настоящему изобретению радиоизотопный источник переменного электрического тока может содержать шлюзовое устройство для замены эмиттера после снижения интенсивности испускания им заряженных частиц вследствие распада большей части активного материала.

«Краткое описание чертежей»

На Фиг. 1. представлена атомная батарея по Патенту US 2552050;

На Фиг 2. показано влияние напряженности магнитного поля на траекторию движение электронов. Здесь а - форма движения почти прямолинейная; б и в - форма движения криволинейная при усилении напряженности магнитного поля; г - форма движения круговая и электроны возвращаются на катод;

На Фиг. 3 представлен процесс автоматического группирования электронов в магнетроне в результате взаимодействия с переменным электрическим полем резонаторов;

На Фиг. 4 показано формирование электронных потоков, напоминающих «спицы колеса»;

На Фиг. 5 схематично показана предлагаемая конструкция радиоизотопного источника переменного электрического тока.

«Осуществление изобретения»

В изобретении раскрываются детали, представленные на фиг. 5.

Радиоизотопный источник переменного электрического тока содержит вакуумную камеру 1 цилиндрической формы, помещенную в зазор магнитопровода 2, причем полюса магнитопроводы являются торцами этой камеры 1. Кольцевая стенка камеры выполнена из немагнитного материала. В камере концентрично расположены эмиттер 3, выполненный из фольги бета-излучающего металла, предпочтительно Церия-144, Прометия-147, Тулия-170, или подобных чистых бета-излучателей, толщиной порядка длины свободного пробега бета-частиц в данном металле и два резонатора 4 и 5 магнетронного типа. Внутренний резонатор 5 расположен в центре камеры и его резонаторные полости 6 открываются от центра к периферии, а наружный резонатор 4 окружает эмиттер 3 и его резонаторные полости 7 открываются в направлении к центру.

Вывод электромагнитной энергии из резонаторов осуществляется двумя петлями 8 и 9, установленными соответственно в одной из полостей 6 и одной из полостей 7. Электромагнитная энергия, выведенная петлями 8 и 9 преобразуется трансформатором 10 и передается в нагрузку 11, при необходимости через выпрямитель 12.

В зазоре, между полюсами магнитопровода 2 и торцами резонаторов 4 и 5 установлены электростатические отражатели 13, находящиеся под высоким отрицательным потенциалом относительно эмиттера 3.

Осевой размер резонаторов 4 и 5 лимитирован напряженностью магнитного поля, которая должна быть максимально возможной для повышения эффективности источника.

Источник работает следующим образом.

В вакуумированном корпусе 1 между полюсами магнитопровода 2 размещены резонаторы магнетронного типа, наружный 4 и внутренний 5, между которыми установлен эмиттер 3, в виде кольца из фольги β-активного металла.

Испущенные эмиттером 3 в направлении резонатора 4 (преимущественно тангенциально, в плоскости резонатора) бетта-частицы 14 перемещаются в электромагнитном поле, создаваемом резонатором 4 и отдают ему свою энергию. Аналогично происходит передача энергии бета-частиц 15 резонатору 5.

Бэтта-частицы 16, испущенные преимущественно в аксиальном направлении к резонатору 4, отталкиваются отражателем 13 возвращаются в зазор между эмиттером 3 и резонатором 4. Аналогично возвращаются бета-частицы 17 в зазор между эмиттером 3 и резонатором 5. При этом возвращенные частицы 16 и 17 передают энергию резонаторам 4 и 5.

Электромагнитная энергия, полученная резонаторами передается в нагрузку 11 через петлю связи 8, расположенную в одной из камер 6 внутреннего резонатора и петлю связи 9, расположенную в одной из камер внешнего резонатора 7 и далее через согласующий трансформатор 10 в нагрузку 11.

Для нейтрализации заряда, переносимого испущенными эмиттером 3 заряженными частицами на резонаторы 4 и 5, эмиттер и резонаторы замкнуты между собой по постоянному току через петли связи 8 и 9, и первичную обмотку трансформатора 10.

Изобретение относится к источникам электрической энергии. Радиоизотопный источник переменного электрического тока содержит эмиттер из бета-излучающего металла, выполняющий роль катода, и резонаторную систему магнетронного типа, являющуюся анодом, помещенные в вакуумную камеру, расположенную в зазоре магнитопровода. Катод выполнен в виде кольца из фольги и концентрично установлен между наружным и внутренним магнетронными резонаторами, резонаторные полости которых открываются навстречу друг другу, а в зазоре между полюсами магнитопровода и торцами резонаторов установлены два электростатических отражателя. Испущенные β-частицы перемещаются в электромагнитном поле, создаваемом резонаторами, и отдают им свою энергию. Используется радиальная и тангенциальная составляющие скорости заряженных частиц, а аксиальная составляющая β-частицы подавляется при помощи двух электростатических отражателей, установленных параллельно плоскости резонансной системы с обеих сторон от нее, при этом электромагнитная энергия передается в нагрузку через петли связи, расположенные в одной из камер внешнего и внутреннего резонаторов. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Радиоизотопный источник переменного электрического тока, представляющий собой эмиттер из бета-излучающего металла, выполняющий роль катода и резонаторную систему магнетронного типа, являющуюся анодом, помещенные в вакуумную камеру, расположенную в зазоре магнитопровода, отличающийся тем, что катод выполнен в виде кольца из фольги и концентрично установлен между наружным и внутренним магнетронными резонаторами, резонаторные полости которых открываются навстречу друг другу, а в зазоре между полюсами магнитопровода и торцами резонаторов установлены два электростатических отражателя.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что эмиттер замкнут по постоянному току с резонаторной системой.

3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что между эмиттером и резонансной системой приложено высокое постоянное напряжение от внешнего источника, предпочтительно от атомной батареи.

4. Источник по п. 1, отличающийся тем, что электростатические экраны, подавляющие аксиальную составляющую скорости заряженных частиц, изолированы от анода и катода.

5. Источник по п. 1, отличающийся тем, что электростатические экраны подключены к отдельному внешнему источнику, предпочтительно к атомной батарее.

6. Источник по п. 1, отличающийся тем, что для поддержания вакуума рабочая камера связана со встроенным вакуум-насосом.

7. Источник по пп. 1 и 6, отличающийся тем, что содержит шлюзовое устройство для замены эмиттера.