RU2508595C1 - Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation - Google Patents
Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2508595C1 RU2508595C1 RU2012132135/07A RU2012132135A RU2508595C1 RU 2508595 C1 RU2508595 C1 RU 2508595C1 RU 2012132135/07 A RU2012132135/07 A RU 2012132135/07A RU 2012132135 A RU2012132135 A RU 2012132135A RU 2508595 C1 RU2508595 C1 RU 2508595C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- charged particles
- specified
- moving along
- wall
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемые изобретения относятся к области электроэнергетики, а именно к средствам для преобразования энергии, более конкретно - к способу и устройству указанного назначения, использующим пучки заряженных частиц.The present invention relates to the field of electric power, and in particular to means for converting energy, and more particularly to a method and device of the indicated purpose, using charged particle beams.
Известен ряд технических решений, в которых в качестве носителя энергии используется пучок заряженных частиц.A number of technical solutions are known in which a beam of charged particles is used as an energy carrier.
Так, согласно патенту РФ на полезную модель №15417 (опубл. 10.10.2000 [1]) пучок β-частиц (т.е. электронов) пропускают между обкладками квадрупольного конденсатора, на которые подают переменное напряжение. Соосно с этим конденсатором установлена катушка индуктивности. В последней возникает ЭДС, обусловленная изменением магнитного поля, происходящим вследствие изменения ориентации пучка электронов при его сканировании, вызванном переменным напряжением между обкладками конденсатора.So, according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 15417 (publ. 10.10.2000 [1]), a beam of β particles (ie electrons) is passed between the plates of the quadrupole capacitor, to which an alternating voltage is applied. An inductor is mounted coaxially with this capacitor. In the latter, an EMF arises due to a change in the magnetic field due to a change in the orientation of the electron beam during its scanning caused by an alternating voltage between the capacitor plates.
В соответствии с техническим решением по патенту РФ на полезную модель №84169 (опубл. 27.06.2009 [2]) пучок заряженных частиц пропускают по каналу, окруженному одним или несколькими магнитопроводами с обмотками. Пучок подвергают модуляции, изменяя его интенсивность или знак частиц. В результате происходит изменение магнитного поля в магнитопроводах и возникает ЭДС в обмотках.In accordance with the technical solution of the RF patent for utility model No. 84169 (published on June 27, 2009 [2]), a beam of charged particles is passed through a channel surrounded by one or more magnetic circuits with windings. The beam is modulated by changing its intensity or particle sign. As a result, a change in the magnetic field occurs in the magnetic cores and an EMF appears in the windings.
В монографии: В.С. Никитин. Технологии будущего. Изд. "Техносфера", Москва, 2010, с.162-169 [3] тоже описаны способ и устройство, использующие пучок заряженных частиц (электронов). В отличие от патентов [1] и [2], в этих способе и устройстве осуществляется не только преобразование энергии, но и ее аккумулирование.In the monograph: V.S. Nikitin. Future technologies. Ed. "Technosphere", Moscow, 2010, p.162-169 [3] also described a method and device using a beam of charged particles (electrons). Unlike the patents [1] and [2], in this method and device, not only energy conversion is carried out, but also its storage.
Способ и устройство по монографии [3] (описанные также в заявке на выдачу патента РФ на изобретение №2004110891, опубл. 10.10.2005 [4]) наиболее близки к предлагаемым.The method and device according to the monograph [3] (also described in the application for the grant of a patent of the Russian Federation for the invention No. 2004110891, publ. 10.10.2005 [4]) are closest to the proposed ones.
Устройство согласно [3] и [4] содержит герметичную вакуумированную камеру, внутреннее пространство которой напоминает два одинаковых усеченных конуса, приложенных друг к другу большими основаниями, ось которых является осью симметрии камеры. По периметру камеры в зоне, соответствующей указанным основаниям, установлены средства для инжектирования в камеру электронов. Внутри камеры по ее периметру в той же зоне размещен кольцевой отрицательный электрод, а по оси симметрии - центральный положительный электрод. Снаружи камеры размещены магнитные катушки двух видов: а) отклоняющие; б) фокусирующие и удерживающие (либо катушки, совмещающие все три названные функции).The device according to [3] and [4] contains a sealed evacuated chamber, the inner space of which resembles two identical truncated cones attached to each other by large bases, the axis of which is the axis of symmetry of the chamber. Along the perimeter of the chamber in the area corresponding to the indicated bases, means are installed for injecting electrons into the chamber. An annular negative electrode is placed around the perimeter in the same zone inside the chamber, and a central positive electrode along the axis of symmetry. Two types of magnetic coils are placed outside the chamber: a) deflecting; b) focusing and holding (or coils combining all three of these functions).
При осуществлении способа, для которого предназначено данное устройство, отклоняющие катушки создают магнитное поле, направленное параллельно оси симметрии камеры и имеющее напряженность, которая уменьшается по мере приближения к этой оси. Под действием этого поля и электрического поля, создаваемого упомянутыми электродами, происходит "закручивание" электронов вокруг центральной оси симметрии камеры, и они движутся по спиральной траектории, приближаясь к оси центральной симметрии. При этом они не достигают центрального положительного электрода, оставаясь от него на расстоянии, при котором сила притяжения со стороны этого электрода уравновешивается центростремительной силой при движении электронов по круговым орбитам. В итоге образуется замкнутый контур с током, создаваемым вращающимся кольцевым пучком электронов. Фокусирующие и удерживающие катушки создают магнитное поле, которое обеспечивают правильную ориентацию плоскости этого кольца. По мере инжектирования электронов их плотность в кольце и создаваемый ток нарастают. После прекращения инжектирования электронов движение образованного им кольца сохраняется. В результате энергия, потребляемая средствами для инжектирования электронов, преобразуется в энергию движущихся электронов кольца и накапливается по мере инжектирования. Кольцо стабилизируется при достижении условий возникновения пинч-эффекта, вызванного магнитным полем тока в кольце. До возникновения пинч-эффекта существование электронного кольца поддерживается продолжением инжектирования электронов.When implementing the method for which this device is intended, the deflecting coils create a magnetic field directed parallel to the axis of symmetry of the chamber and having a tension that decreases as it approaches this axis. Under the influence of this field and the electric field created by the mentioned electrodes, the electrons "twist" around the central axis of symmetry of the chamber, and they move along a spiral path, approaching the axis of central symmetry. However, they do not reach the central positive electrode, remaining at a distance from it at which the attractive force from the side of this electrode is balanced by the centripetal force when the electrons move in circular orbits. As a result, a closed loop is formed with the current generated by the rotating ring electron beam. The focusing and holding coils create a magnetic field that ensures the correct orientation of the plane of this ring. As electrons are injected, their density in the ring and the current generated increase. After the injection of electrons ceases, the motion of the ring formed by it is preserved. As a result, the energy consumed by the means for injecting electrons is converted into the energy of the moving electrons of the ring and accumulates as it is injected. The ring is stabilized when the pinch effect caused by the magnetic field of the current in the ring is reached. Before the appearance of the pinch effect, the existence of the electron ring is supported by the continuation of electron injection.
Для отбора аккумулированной в кольце энергии, как сообщается в [3] и [4], "достаточно уменьшить его плотность, радиус или скорость электронов в кольце. Радиус кольца и скорость электронов можно менять путем изменения разности потенциалов, подаваемых на коаксиальные электроды устройства, либо другим путем. Для этого можно использовать изменение магнитного поля отклоняющих электромагнитов и электронные пушки накачки". В данной части техническое решение представляется описанным недостаточно подробно, и путь его осуществления, к сожалению, остается не вполне ясным.To select the energy accumulated in the ring, as reported in [3] and [4], “it is enough to reduce its density, radius or speed of electrons in the ring. The radius of the ring and the speed of electrons can be changed by changing the potential difference applied to the coaxial electrodes of the device, or in another way. To do this, you can use the change in the magnetic field of the deflecting electromagnets and electronic pump guns. " In this part, the technical solution seems to be described in insufficient detail, and the path to its implementation, unfortunately, remains not entirely clear.
Конструкция описанного в [3] и [4] устройства и осуществление способа с его помощью существенно усложнены наличием фокусирующих, отклоняющих и удерживающих катушек для создания соответствующих магнитных полей и необходимостью высокоточного управления ими, а, следовательно, необходимостью соответствующих средств управления и контроля в течение всего времени использования способа и устройства. Необходимость управления не позволяет заменить указанные средства для создания магнитных полей постоянными магнитами, а если бы это было возможно, то имело бы место существенное увеличение веса (хотя используемые в известных технических решениях управляемые средства для создания магнитных полей тоже увеличивают вес устройства).The design of the device described in [3] and [4] and the implementation of the method with it are significantly complicated by the presence of focusing, deflecting and holding coils to create the corresponding magnetic fields and the need for high-precision control of them, and, therefore, the need for appropriate control and monitoring tools throughout time of use of the method and device. The need for control does not allow replacing the indicated means for creating magnetic fields with permanent magnets, and if it were possible, then there would be a significant increase in weight (although the controlled means for creating magnetic fields used in known technical solutions also increase the weight of the device).
Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, состоящего в исключении необходимости наличия таких средств в конструкции устройства и соответствующих действий при осуществлении способа с сохранением использования вращающегося пучка ускоренных заряженных частиц. Получение такого результата обеспечивается путем изменения пространственной конфигурации устройства и выбора для его изготовления материала, физические свойства которого находятся в определенном соотношении с параметрами используемых заряженных частиц и геометрическими размерами устройства, а также путем соответствующего выбора режимных параметров способа. Предлагаемое устройство, используемое для осуществления предлагаемого способа, является пассивным и не требует какого-либо управления и использования для этого средств, создающих постоянные или переменные магнитные поля. Ниже при раскрытии сущности изобретений и рассмотрении частных случаев их осуществления будут названы и другие виды достигаемого технического результата.The present invention aims to achieve a technical result, consisting in eliminating the need for such means in the design of the device and the corresponding actions when implementing the method while maintaining the use of a rotating beam of accelerated charged particles. Obtaining such a result is achieved by changing the spatial configuration of the device and selecting a material for its manufacture, the physical properties of which are in a certain ratio with the parameters of the charged particles used and the geometric dimensions of the device, as well as by appropriate selection of the operating parameters of the method. The proposed device used to implement the proposed method is passive and does not require any control and use for this means, creating constant or alternating magnetic fields. Below, when disclosing the essence of inventions and considering particular cases of their implementation, other types of achieved technical result will be named.
Предлагаемый способ преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц, как и наиболее близкий к нему способ, известный из источников [3] и [4], предусматривает инжектирование ускоренных заряженных частиц в вакуумированный объем с формированием в этом объеме замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, а также отбор энергии.The proposed method of energy conversion using a beam of charged particles, as well as the method closest to it, known from sources [3] and [4], provides for the injection of accelerated charged particles into a vacuum volume with the formation in this volume of a closed loop with a current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, as well as the selection of energy.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, формирование указанного замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, осуществляют путем инжектирования ускоренных заряженных частиц в вакуумированный объем, представляющий собой внутреннее пространство замкнутого канала с продольной осью, имеющей форму гладкой линии, стенка которого изготовлена из материала, способного к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы. Инжектированные частицы транспортируют по указанному каналу с образованием указанного пучка ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при соблюдении следующего условия, связывающего наибольшую энергию E и абсолютную величину Q заряда инжектируемых частиц с наименьшим радиусом R кривизны указанной гладкой линии, а также с наименьшей толщиной d стенки указанного канала, электрической прочностью Uпр ее материала и наибольшим расстоянием h между двумя точками внутренней поверхности указанного канала, расположенными в его поперечном сечении на одной и той же нормали к указанной поверхности:To achieve the specified technical result in the proposed method, in contrast to the closest known to it, the formation of the specified closed loop with the current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, is carried out by injecting accelerated charged particles into a vacuum volume, which represents the internal space a closed channel with a longitudinal axis having the shape of a smooth line, the wall of which is made of a material capable of electrifying a charge m of the same sign as the injected particles. Injected particles are transported along the specified channel with the formation of the specified beam of accelerated charged particles moving along closed paths, subject to the following condition, connecting the highest energy E and the absolute value Q of the charge of the injected particles with the smallest radius R of curvature of the indicated smooth line and with the smallest thickness d the walls of the specified channel, the electric strength U pr of its material and the greatest distance h between two points of the inner surface of the specified channel, is located in its cross section on the same normal to the indicated surface:
При этом отбор энергии осуществляют посредством индуцирования ЭДС в проводящем витке или многовитковой катушке, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым указанным пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в процессе нарастания силы этого тока или при его прекращении.In this case, the selection of energy is carried out by inducing EMF in a conducting coil or multi-turn coil inductively coupled to the specified closed loop with the current generated by the specified beam of accelerated charged particles moving along closed trajectories during the growth of this current or upon its termination.
При описанном выборе материала и соблюдении условия (1) имеет место такая электризация внутренней поверхности стенки канала, при которой пучок заряженных частиц движется по каналу, "прижимаясь" к стороне внутренней поверхности стенки канала, более удаленной от центра кривизны его продольной оси, но не сталкиваясь со стенкой. Благодаря этому не имеет места накопление на стенке избыточного заряда, который препятствовал бы прохождению частиц по каналу, уменьшая ток по мере продвижения пучка частиц по каналу, и мог бы привести к его запиранию. Пучок заряженных частиц, движущийся по каналу, приобретает поперечный размер, меньший просвета канала, т.е. фокусируется. Какие-либо ограничения на угол поворота пучка (угол закручивания продольной оси канала при его изгибе) при соблюдении условия (1) отсутствуют. По мере инжектирования в канал новых частиц их общее количество и суммарная энергия возрастают. Приостановление инжектирования не приводит к прекращению движения заряженных частиц, и состоящий из них замкнутый пучок, образующий замкнутый контур с током, остается носителем энергии движущихся частиц. Часть первоначальной энергии инжектированных в канал частиц сохраняется также в виде энергии магнитного поля, создаваемого током в указанном контуре. При отборе энергии, связанном с уменьшением энергии E частиц, выполнение условия (1) не нарушается. Отбор, осуществляемый путем индуцирования электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем витке или многовитковой катушке, индуктивно связанных с замкнутым контуром с током, создаваемым движущимся в канале пучком ускоренных заряженных частиц, может производиться как в процессе инжектирования частиц в канал (при этом сила тока в контуре нарастает, и создаваемое им магнитное поле изменяется), так и при преднамеренном уменьшении силы тока в указанном контуре вплоть до его прекращения (обнуления), когда ток и магнитное поле тоже изменяются.With the described choice of material and condition (1), there is such an electrification of the inner surface of the channel wall, in which a beam of charged particles moves along the channel, "clinging" to the side of the inner surface of the channel wall, more remote from the center of curvature of its longitudinal axis, but not colliding with a wall. Due to this, there is no accumulation of excess charge on the wall, which would prevent the passage of particles through the channel, reducing the current as the particle beam moves along the channel, and could lead to its blocking. A beam of charged particles moving along a channel acquires a transverse dimension smaller than the channel’s lumen, i.e. focuses. There are no restrictions on the angle of rotation of the beam (the angle of twisting of the longitudinal axis of the channel when it is bent) subject to condition (1). As new particles are injected into the channel, their total number and total energy increase. The suspension of injection does not stop the movement of charged particles, and the closed beam consisting of them, forming a closed loop with current, remains the carrier of energy of moving particles. Part of the initial energy of the particles injected into the channel is also stored in the form of magnetic field energy generated by the current in the specified circuit. In the selection of energy associated with a decrease in the energy E of the particles, the fulfillment of condition (1) is not violated. The selection, carried out by induction of an electromotive force (EMF) in a conducting coil or multi-turn coil, inductively coupled to a closed circuit with the current generated by a beam of accelerated charged particles moving in the channel, can be carried out as during the injection of particles into the channel (in this case, the current in the circuit increases, and the magnetic field created by it changes), and with a deliberate decrease in the current strength in the specified circuit until its termination (zeroing), when the current and magnetic field also change.
Прекращение в указанном контуре тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть осуществлено, в частности, путем облучения внешней поверхности стенки указанного канала заряженными частицами того же знака, что и транспортируемые по каналу частицы.The current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths can be stopped in this circuit, in particular, by irradiating the outer surface of the wall of the specified channel with charged particles of the same sign as the particles transported along the channel.
Прекращение указанного тока может быть осуществлено также путем воздействия на создающие его движущиеся заряженные частицы магнитным полем, ориентированным по нормали к продольной оси канала.The cessation of this current can also be accomplished by acting on the moving charged particles creating it by a magnetic field oriented normal to the longitudinal axis of the channel.
Кроме того, прекращение в указанном контуре тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть осуществлено путем перемещения участка стенки канала по нормали к внутренней поверхности этого участка.In addition, the cessation of the current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths in this circuit can be accomplished by moving the channel wall section along the normal to the inner surface of this section.
Предлагаемое устройство для преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц, предназначенное для осуществления предлагаемого способа, как наиболее близкое к нему устройство, известное из документов [3] и [4], содержит средство для формирования замкнутого контура с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям в вакуумирован-ном внутреннем пространстве указанного средства, один или несколько узлов инжектирования ускоренных заряженных частиц в указанное пространство, а также узел отбора энергии.The proposed device for converting energy using a beam of charged particles, designed to implement the proposed method, as the device closest to it, known from documents [3] and [4], contains means for forming a closed loop with current generated by a beam of accelerated charged particles, moving along closed trajectories in the evacuated internal space of the specified means, one or more sites of injection of accelerated charged particles into the specified space, as well as power take-off unit.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от наиболее близкого к нему известного, указанное средство для формирования замкнутого контура с током выполнено в виде замкнутого вакуумированного канала с продольной осью, имеющей форму гладкой линии, стенка которого изготовлена из материала, способного к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы, с соблюдением следующего условия, связывающего наименьший радиус R кривизны указанной гладкой линии, электрическую прочность Uпр материала стенки указанного канала и наибольшее расстояние h между двумя точками внутренней поверхности этого канала, расположенными в его поперечном сечении на одной и той же нормали к указанной поверхности, с наибольшей энергией E и абсолютной величиной Q заряда ускоренных частиц, производимых указанными узлами инжектирования:To achieve the above technical result in the proposed device, in contrast to the closest known to it, the specified means for forming a closed circuit with current is made in the form of a closed evacuated channel with a longitudinal axis having the shape of a smooth line, the wall of which is made of material capable of electrification with a charge of the same sign as the injected particles, subject to the following condition, connecting the smallest radius R of curvature of the indicated smooth line, electric strength U pr material wall of said channel and the longest distance h between two points of the inner surface of the channel arranged in its cross section on the same normal to said surface, with the highest energy E and the absolute value of Q the charge of the accelerated particles produced by these nodes injection:
При этом узел отбора энергии выполнен в виде витка из проводящего материала или многовитковой катушки, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям. Кроме того, предлагаемое устройство снабжено узлом прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям.In this case, the energy selection unit is made in the form of a coil of conductive material or a multi-turn coil inductively coupled to the specified closed circuit with a current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths. In addition, the proposed device is equipped with a node terminating the current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths.
Описанное выполнение предлагаемого устройства с соблюдением соотношения (2) обеспечивает осуществление предлагаемого способа при использовании этого устройства. Электризация внутренней поверхности стенки канала возникает при запуске устройства в работу, а в процессе работы - в результате подзарядки этой поверхности (замены немногочисленных утекающих зарядов новыми, получаемыми из пучка транспортируемых по каналу частиц). Наличие на стенках канала указанных зарядов, имеющих тот же знак, что и частицы введенного в канал пучка, при соблюдении условия (2) обеспечивает возможность движения заряженных частиц без запирания канала и без соприкосновения с его стенкой.The described implementation of the proposed device in compliance with the ratio (2) ensures the implementation of the proposed method when using this device. Electrification of the inner surface of the channel wall occurs when the device is put into operation, and during operation, as a result of recharging this surface (replacing a few leaky charges with new ones obtained from the beam of particles transported through the channel). The presence of the indicated charges on the channel walls that have the same sign as the particles of the beam introduced into the channel, subject to condition (2), allows charged particles to move without locking the channel and without touching its wall.
В частном случае внутренняя поверхность стенки канала имеет круглое поперечное сечение. В этом случае величина h, входящая в соотношение (2), равна наибольшему из всех значений, которые принимает диаметр указанного поперечного сечения (поскольку они могут быть разными по длине канала).In a particular case, the inner surface of the channel wall has a circular cross section. In this case, the value of h included in relation (2) is equal to the largest of all the values that the diameter of the indicated cross section assumes (since they can be different along the length of the channel).
В другом частном случае внутренняя поверхность стенки канала образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид двух отрезков параллельных прямых (под планарной поверхностью, как известно, принято понимать поверхность, полученную в результате изгиба плоскости вокруг параллельной ей оси или нескольких таких осей, параллельных друг другу). В этом случае величина h, входящая в соотношение (2), равна наибольшему расстоянию между указанными планарными поверхностями (поскольку это расстояние может быть разным по длине канала).In another particular case, the inner surface of the channel wall is formed by two planar surfaces and in the cross section has the form of two segments parallel to the straight lines (under a planar surface, as you know, it is customary to understand the surface obtained by bending a plane around its parallel axis or several such axes parallel to each other friend). In this case, the value of h included in relation (2) is equal to the largest distance between the indicated planar surfaces (since this distance can be different along the length of the channel).
Предпочтительной и наиболее технологичной формой канала является такая, при которой указанная гладкая линия является окружностью, а поперечные размеры канала постоянны по его длине.The preferred and most technologically advanced form of the channel is one in which said smooth line is a circle and the transverse dimensions of the channel are constant along its length.
Узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в частном случае может быть выполнен в виде установленного снаружи указанного канала источника заряженных частиц того же знака, что и транспортируемые по каналу частицы, и формирующего поток таких частиц, направленный на внешнюю поверхность стенки канала.The site of termination of the current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, in the particular case, can be made in the form of a source of charged particles of the same sign installed outside the specified channel as the particles transported through the channel and forming a stream of such particles directed to the external channel wall surface.
В другом частном случае узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может быть выполнен в виде установленного снаружи указанного канала источника магнитного поля, ориентированного по нормали к продольной оси канала. Такое поле может быть создано простейшим средством, в том числе постоянным магнитом, который достаточно поднести к каналу.In another particular case, the current termination unit created by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths can be made in the form of a magnetic field source installed outside the specified channel, oriented normal to the longitudinal axis of the channel. Such a field can be created by the simplest means, including a permanent magnet, which is enough to bring to the channel.
Еще в одном частном случае узел прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, может представлять собой участок стенки канала, выполненный с возможностью его перемещения по направлению нормали к внутренней поверхности этого участка.In another particular case, the site of termination of the current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths can be a section of the channel wall made with the possibility of its movement in the normal direction to the inner surface of this section.
Во всех названных случаях происходит такое изменение траекторий заряженных частиц в канале, при котором дальнейшее их движение без контакта со стенкой становится невозможным, в результате чего пучок, ранее создававший ток в образуемом им замкнутом контуре, разрывается, и ток обнуляется.In all these cases, there is a change in the trajectories of charged particles in the channel, in which their further movement without contact with the wall becomes impossible, as a result of which the beam that previously created the current in the closed circuit formed by it breaks and the current is zeroed.
В частном случае выполнения устройства катушка узла отбора энергии может быть размещена на магнитопроводе, охватывающем указанный канал с находящимся в нем замкнутым контуром с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям. В этом случае усиливается индуктивная связь между нею и указанным замкнутым контуром с током.In the particular case of the device, the coil of the power take-off unit can be placed on a magnetic circuit that spans the specified channel with a closed circuit inside it with a current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths. In this case, the inductive coupling between it and the specified closed loop with the current is amplified.
Канал может быть выполнен также с продольной осью в виде цилиндрической спирали, концы которой соединены друг с другом, или спирали, намотанной на тор. В этих случаях также целесообразно выполнение канала с постоянными поперечными размерами по его длине и преимущественно с круглым поперечным сечением. Катушка узла отбора энергии в обоих этих случаях может быть образована витками, расположенными рядом с витками спирали.The channel can also be made with a longitudinal axis in the form of a cylindrical spiral, the ends of which are connected to each other, or a spiral wound around a torus. In these cases, it is also advisable to make the channel with constant transverse dimensions along its length and mainly with a circular cross section. The coil of the power take-off unit in both of these cases can be formed by turns located next to the turns of the spiral.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, which show:
- на фиг.1 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде одиночного витка из проводящего материала;- figure 1 - the proposed device for implementing the proposed method, containing a channel of a means for forming a closed loop with a current curved in the form of a circular ring, when performing a power take-off unit in the form of a single coil of conductive material;
- на фиг.2 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде многовитковой катушки индуктивности;- figure 2 - the proposed device for implementing the proposed method, containing a channel-shaped means for forming a closed loop with a current, curved in the form of a circular ring, when the power take-off unit is made in the form of a multi-turn inductor;
- на фиг.3 - предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее изогнутый в виде кругового кольца канал средства для формирования замкнутого контура с током, при выполнении узла отбора энергии в виде многовитковой катушки индуктивности, размещенной на магнитопроводе, охватывающем указанный канал;- figure 3 - the proposed device for implementing the proposed method, containing a channel curved in the form of a circular ring for forming a closed loop with current, when performing the power take-off in the form of a multi-turn inductor placed on a magnetic circuit spanning the specified channel;
- на фиг.4 - фрагмент канала средства для формирования замкнутого контура с током, поперечное сечение которого имеет круглую форму;- figure 4 is a fragment of the channel means for forming a closed loop with current, the cross section of which has a circular shape;
- на фиг.5 - фрагмент канала средства для формирования замкнутого контура с током, в котором внутренняя поверхность стенки канала образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид двух отрезков параллельных прямых;- figure 5 is a fragment of the channel means for forming a closed loop with current, in which the inner surface of the channel wall is formed by two planar surfaces and in cross section has the form of two segments of parallel straight lines;
- на фиг.6 - то же, что на фиг.1, при другом взаимном расположении указанных канала и витка;- in Fig.6 - the same as in Fig.1, with a different mutual arrangement of the specified channel and coil;
- на фиг.7 - то же, что на фиг.2, при другом взаимном расположении указанных канала и катушки;- in Fig.7 - the same as in Fig.2, with a different mutual arrangement of these channels and coils;
- на фиг.8 - выполнение канала средства для формирования замкнутого контура с током виде цилиндрической спирали;- in Fig.8 - the implementation of the channel means for forming a closed loop with current in the form of a cylindrical spiral;
- на фиг.9 - выполнение канала средства для формирования замкнутого контура с током виде спирали, витки которой намотаны на тор;- figure 9 - the implementation of the channel means for forming a closed loop with current in the form of a spiral, the turns of which are wound on a torus;
- на фиг.10 - действие узла прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при выполнении этого узла в виде источника заряженных частиц;- figure 10 - the action of the node termination of the current generated by a beam of charged particles moving along closed paths, when this node is executed as a source of charged particles;
- на фиг.11 - действие узла прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в случае, когда этот узел представляет собой участок стенки канала, выполненный с возможностью его перемещения.- figure 11 - the action of the node termination of the current generated by the beam of charged particles moving along closed paths, in the case when this node is a section of the channel wall, made with the possibility of its movement.
- на фиг.12 - действие узла для прекращения тока, создаваемого пучком заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, при выполнении этого узла в виде источника магнитного поля.- Fig.12 - the action of the node to terminate the current generated by a beam of charged particles moving along closed paths, when this node is executed in the form of a magnetic field source.
Предлагаемое устройство в целом, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ преобразования энергии с использованием пучка заряженных частиц (электронов или ионов), иллюстрируется фиг.1, 2, 3. В нем используется канал 1 для транспортирования указанных частиц, в процессе которого образуется замкнутый контур 2 с током, создаваемым заряженными частицами, движущимися по замкнутым траекториям. Инжектирование заряженных частиц в канал 1 осуществляется узлом 3 инжектирования. На фигурах показан только один такой узел, но их может быть и несколько.The proposed device as a whole, by means of which the proposed method for converting energy using a beam of charged particles (electrons or ions) is carried out, is illustrated in FIGS. 1, 2, 3. It uses a
Устройство содержит также узел отбора энергии. Этот узел в случае, показанном на фиг.1, представляет собой массивный одиночный виток 4 из проводящего материала, в случае, показанном на фиг.2 - многовитковую катушку индуктивности 5, а в случае, показанном на фиг.3 - многовитковую катушку индуктивности 6, размещенную на магнитопроводе 7, охватывающем канал 1 с контуром 2 в нем (под указанной катушкой понимается катушка, имеющая более одного витка). Во всех названных случаях имеет место индуктивная связь узла отбора энергии с контуром 2. Для подключения нагрузки (потребителя) служат контакты 9. Устройство содержит также узел 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, роль которого будет пояснена ниже при дальнейшем рассмотрении устройства и его работы при осуществлении предлагаемого способа.The device also contains an energy extraction unit. This node in the case shown in figure 1, is a massive
Канал 1, показанный на фиг.1 - 3 в виде кольца, может иметь различное выполнение. Во всех частных случаях продольная ось канала является гладкой замкнутой линией (на фиг.1-3 такой линией является окружность 10). Фиг.4 и 5, на которых изображены фрагменты канала 1, иллюстрируют два частных случаях его конструктивного выполнения.
В случае, показанном на фиг.4, канал выполнен в виде трубки 12 со стенкой 15, а канал по фиг.5 имеет стенку, содержащую две изогнутые полосы 16, 17. На фиг.4 и 5 показаны также поперечные сечения канала C-C и D-D соответственно. Внутренняя поверхность стенки канала по фиг.4 в поперечном сечении имеет вид окружности 20. Внутренняя поверхность стенки канала по фиг.5 образована двумя планарными поверхностями и в поперечном сечении имеет вид отрезков 21, 22 двух параллельных прямых. Две части 16, 17 стенки канала по фиг.5 могут быть соединены боковыми стенками или поддерживающими элементами 23, показанными штриховыми линиями. Ширина Н канала в этом случае, по меньшей мере, на порядок больше расстояния h между частями 16, 17 стенки (или, что то же самое, между отрезками 21 и 22). Стрелками 13 и 18 соответственно на фиг.4 и 5 показано направление движения частиц.In the case shown in figure 4, the channel is made in the form of a
Радиус R кривизны продольной оси канала (позиция 10 на фиг.1-3, позиция 24 на фиг.4 и позиция 25 на фиг.5, где эта ось проходит вдоль канала посредине между упомянутым планарными поверхностями 16 и 17) должен быть ограничен снизу в зависимости от наибольшей энергии Е и абсолютной величины Q заряда частиц, для работы с которыми предназначено предлагаемое устройство. Условие, выражающее это ограничение, имеет вид:The radius R of curvature of the longitudinal axis of the channel (
В него входят также электрическая прочность Uпр материала стенки канала, наименьшая толщина d его стенки и наибольшее расстояние h между двумя точками внутренней поверхности стенки канала, расположенными в поперечном сечении канала на одной и той же нормали к указанной поверхности.It also includes the electric strength U pr of the material of the channel wall, the smallest thickness d of its wall and the largest distance h between two points of the inner surface of the channel wall located in the cross section of the channel on the same normal to the specified surface.
Входящая в неравенство величина h, определенная описанным выше образом, для устройства с каналом по фиг.4 является диаметром внутренней поверхности стенки 15 канала в поперечном сечении (или, что то же самое, - диаметром просвета канала). Для устройства с каналом по фиг.5 величина h - расстояние между планарными поверхностями, образующими стенку канала, имеющую части 16 и 17, т.е. расстояние между параллельными отрезками 21 и 22. В обоих случаях величина h есть расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками поперечного сечения внутренней поверхности стенки канала, находящимися на одной и той же нормали к ней. На фиг.4 такой нормалью является любой диаметр поперечного сечения внутренней поверхности стенки канала, а на фиг.5 - любой перпендикуляр к отрезкам 21, 22. Изгиб канала в случае, иллюстрируемом фиг.5, происходит вокруг оси, параллельной отрезкам 21, 22.The inequality h, defined as described above, for the device with a channel in FIG. 4 is the diameter of the inner surface of the
Показанные на фиг.4 и 5 частные случаи выполнения канала не исчерпывают всех возможностей, приемлемы и другие формы поперечного сечения, при которых величина h может быть определена описанным выше образом, например, эллиптическая. Две рассмотренные выше формы, в особенности форма по фиг.4, наиболее технологичны.The particular cases of the channel shown in FIGS. 4 and 5 do not exhaust all the possibilities, other forms of the cross section are acceptable, in which the value of h can be determined in the manner described above, for example, elliptical. The two forms discussed above, in particular the shape of FIG. 4, are the most technologically advanced.
Геометрические параметры R, h и d канала могут быть неодинаковы по длине канала. В приведенном выше неравенстве под R и d понимаются их наименьшие значения, а под h - наибольшее, т.е. такие, что это неравенство заведомо выполняется в любом месте канала по его длине. Аналогично, при проектировании устройства должны учитываться заряд частиц и максимальное значение их энергии, при которой предстоит эксплуатация устройства. При эксплуатации уже изготовленного устройства и осуществлении с его помощью предлагаемого способа его параметры, зависящие от геометрии конструкции (R, d, h) и свойств материала стенки канала (Uпр) определяют допустимые значения режимных параметров способа (E и Q).The geometric parameters R, h and d of the channel may not be the same along the length of the channel. In the above inequality, by R and d we mean their smallest values, and by h the largest, i.e. such that this inequality is certainly fulfilled anywhere in the channel along its length. Similarly, when designing a device, the charge of particles and the maximum value of their energy at which the device is to be operated should be taken into account. When operating an already manufactured device and implementing the proposed method with its help, its parameters depending on the geometry of the structure (R, d, h) and the properties of the channel wall material (U CR ) determine the permissible values of the process mode parameters (E and Q).
Материал стенок 15, 16, 17 должен быть способен к электризации зарядом того же знака, что и инжектируемые частицы. Подходящими материалами являются, в частности, боросиликатное и кварцевое стекло, керамика, полимерные материалы, материалы, обладающие свойствами электретов. Для такого легкодоступного материала, как стекло, электрическая прочность Uпр может достигать значений порядка 108 В/м (см. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Том 2, с.207, рис.22-11. Москва, Энергоатомиздат, 1987 [5]).The material of the
Электризация внутренней поверхности стенки канала зарядами, знак которых соответствует знаку частиц, инжектируемых узлом 3 инжекции, возникает при запуске устройства в работу, а в процессе работы поддерживается в результате подзарядки этой поверхности (замены немногочисленных утекающих зарядов новыми, получаемыми из транспортируемого пучка). Электризация может быть достигнута и в результате предварительной зарядки поверхности, в частности, при использовании для изготовления стенки канала материалов, обладающих свойствами электретов (см. монографию "Электреты", под ред. Г. Сесслера, Москва, изд. "Мир", 1983 [6], с.32-54, где описаны разнообразные методы зарядки). Наличие на стенках канала указанных зарядов, имеющих тот же знак, что и частицы введенного в канал пучка, при соблюдении приведенного выше неравенства (2*) (которое соответствует условиям (1) и (2)) обеспечивает возможность введения пучка в канал и распространение его по каналу без существенных потерь благодаря отсутствию контакта со стенкой и без запирания канала.Electrification of the inner surface of the channel wall by charges, the sign of which corresponds to the sign of the particles injected by the
При движении в канале частицы, имеющей энергию E, по траектории с радиусом кривизны R на нее действуют центростремительная силаWhen a particle with energy E moves in a channel along a trajectory with a radius of curvature R, a centripetal force acts on it
которая "стремится" сбросить частицу с круговой траектории, и электростатическая сила, Fe, возникающая при взаимодействии электрона с наэлектризованной внутренней поверхностью стенки канала, которая удерживает частицу на круговой траектории. Силу Fe приближенно можно оценить по формуле:which “seeks” to drop a particle from a circular path, and the electrostatic force, F e , arising from the interaction of an electron with the electrified inner surface of the channel wall, which keeps the particle on a circular path. The force F e can be approximately estimated by the formula:
где Uб - величина потенциального барьера, h - размер, показанный на фиг.4 и фиг.5 (т.е. при круглом поперечном сечении канала - это его внутренний диаметр), а x - координата в поперечном сечении канала, отсчитываемая от его продольной оси. Величина Uб потенциального барьера связана с электрической прочностью Uпр материала стенки канала соотношением:where U b is the value of the potential barrier, h is the size shown in Fig. 4 and Fig. 5 (i.e., with a round cross-section of the channel, this is its internal diameter), and x is the coordinate in the cross-section of the channel, counted from longitudinal axis. The value of U b the potential barrier is associated with the electric strength U pr material of the channel wall material by the ratio:
где Q- модуль заряда частицы, d - толщина стенки канала.where Q is the particle charge modulus, d is the channel wall thickness.
Частица может двигаться по окружности при условии Fe>Fц, т.е., с учетом того, что максимальное значение ч равно h/2:A particle can move in a circle under the condition F e > F c , i.e., taking into account the fact that the maximum value of h is equal to h / 2:
или, учитывая соотношение (5),or, given relation (5),
Физические величины, входящие в соотношение (7), выражаются, как и в неравенствах (1), (2), (2*), в единицах СИ, т.е. имеют размерности: [E] = Дж, [Q] = Кл, [Uпр] = В/м, [R]=[d]=[h] = м. Если же энергия E выражается во внесистемных единицах - электрон-вольтах, как это может иметь место в ускорительной технике и смежных с нею областях, то заряд Q должен выражаться в количестве элементарных зарядов (т.е. зарядов электрона), которому он кратен.The physical quantities involved in relation (7) are expressed, as in inequalities (1), (2), (2 *), in SI units, i.e. have dimensions: [E] = J, [Q] = C, [U CR ] = V / m, [R] = [d] = [h] = m. If the energy E is expressed in off-system units, electron-volts , as this can take place in accelerator technology and related areas, the charge Q should be expressed in the number of elementary charges (i.e., charges of an electron) to which it is a multiple.
Условие (7) отличается от условий (1), (2), (2*) отсутствием в последних множителя 2, что отражает наличие "запаса", благодаря которому в движение по круговым траекториям может быть захвачено подавляющее большинство инжектированных в канал частиц.Condition (7) differs from conditions (1), (2), (2 *) by the absence of a factor of 2 in the latter, which reflects the presence of a “margin”, due to which the vast majority of particles injected into the channel can be captured in circular paths.
Пучок инжектируемых частиц, направления скоростей которых первоначально имеют разброс относительно направления касательной к продольной оси канала 1 в месте сопряжения его с узлом 3 инжектирования, зависящий от расходимости инжектируемого пучка, при дальнейшем движении по каналу приобретает поперечный размер, меньший поперечного сечения просвета канала, т.е. фокусируется. Это происходит благодаря действию на частицы пучка электрического поля, создаваемого одноименно заряженной стенкой канала. Наличие электризации стенки при одновременном соблюдении условий (1), (2), (2*) позволяет пучку преодолевать изгибы канала, тоже не вступая в контакт с его стенкой. При этом пучок движется по изогнутому каналу, "прижимаясь" к стороне внутренней поверхности стенки канала, более удаленной от центра О кривизны продольной оси, но не сталкиваясь со стенкой. Благодаря этому не имеет места накопление на стенке избыточного заряда, который препятствовал бы прохождению частиц по каналу, уменьшая ток по мере продвижения пучка по каналу, и мог бы привести к его запиранию.A beam of injected particles, the velocity directions of which initially have a scatter relative to the direction of the tangent to the longitudinal axis of
Инжектирование заряженных частиц в канал предлагаемого устройства во всех рассмотренных выше и других случаях его выполнения и использования может быть произведено с помощью известных средств и методов (см., например, монографию: А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Москва, Энерго-издат, 1981 [7], т.1, с.88, 104-105, т.2, с.191).Injection of charged particles into the channel of the proposed device in all the above and other cases of its implementation and use can be done using known means and methods (see, for example, the monograph: AN Lebedev, AV Shalnov. Fundamentals of physics and accelerator techniques. Moscow, Energo-Izdat, 1981 [7], vol. 1, p. 88, 104-105, vol. 2, p. 191).
В частности, узел 3 инжектирования может содержать электронную или ионную пушку со средством ускорения электронов или ионов и размещен снаружи указанного канала с возможностью введения электронов или ионов в канал через отверстие в его стенке по касательной к продольной оси канала.In particular, the
Кроме того, в случае, когда в качестве заряженных частиц используются электроны, возможно осуществление инжектирования заряженных частиц в канал непосредственно из самого канала. Для этого стенка канала имеет участок, внутренняя поверхность которого имеет покрытие или выполнена из материала, способного эмитировать электроны, и образует подогревный (термоэлектронный) или холодный (автоэлектронный) катод (см.: Электроника. Энциклопедический словарь. Москва, "Советская энциклопедия", 1991, с.190, 542-544, 598-599 [8]). С этим участком сопряжена ускорительная секция, тоже являющаяся частью канала, в которой инжектируемым электронам сообщается необходимая энергия. Ускорительная секция также может быть реализована с помощью известных средств с использованием электростатических, индукционных и др. методов (см. [7], т.1, с.6-83, 120-143).In addition, in the case when electrons are used as charged particles, it is possible to inject charged particles into the channel directly from the channel itself. For this, the channel wall has a section, the inner surface of which is coated or made of a material capable of emitting electrons, and forms a heated (thermionic) or cold (field-effect) cathode (see: Electronics. Encyclopedic Dictionary. Moscow, Soviet Encyclopedia, 1991 , p. 190, 542-544, 598-599 [8]). An accelerator section is also associated with this section, which is also part of the channel in which the necessary energy is supplied to the injected electrons. The accelerator section can also be implemented using known means using electrostatic, induction and other methods (see [7], t.1, p.6-83, 120-143).
По мере инжектирования частиц сила тока в контуре, который образует движущийся по каналу пучок частиц, нарастает. При силе тока инжекции, равной IИ, в канал в единицу времени входят n=IИ/ Q частиц. Каждая частица массы m, обладая скоростью
Например, при использовании в качестве заряженных частиц электронов с энергией E=10 кэВ при радиусе продольной оси кольцевого канала R=10 см и силе тока инжекции IИ=1 мкА начальная скорость нарастания силы тока в кольце составит около 85 ампер в секунду (в приведенных выше расчетах релятивистские эффекты не учитывались). В устройстве, использованном при проведении экспериментального исследования предлагаемого способа, были получены токи порядка нескольких килоампер.For example, when electrons with energy E = 10 keV are used as charged particles with a radius of the longitudinal axis of the annular channel R = 10 cm and an injection current strength I И = 1 μA, the initial slew rate of the current in the ring will be about 85 amperes per second (in the above calculations did not take into account relativistic effects). In the device used during the experimental study of the proposed method, currents of the order of several kiloamperes were obtained.
При прекращении инжектирования движение уже введенных в кольцевой канал заряженных частиц не прекращается и, следовательно, автоматически поддерживается существование сформированного ранее контура 2 с током, создаваемым указанными движущимися частицами, являющегося носителем энергии этих частиц и энергии магнитного поля, создаваемого током в контуре 2.When injection stops, the movement of charged particles already introduced into the annular channel does not stop and, therefore, the existence of the previously formed
Во время инжектирования частиц, когда сила тока в контуре 2 увеличивается, индукция создаваемого эти током магнитного поля тоже увеличивается, благодаря чему оно способно индуцировать электродвижущую силу и может создавать ток в нагрузке, подключенной к контактам 9 витка 4 или катушек 5, 6 узла отбора энергии, выполненного по фиг.1-3. Вместо концентрического взаимного расположения канала 1 и витка 4 или катушки 5, показанного на фиг.1, 2, может быть использовано коаксиальное расположение, показанное на фиг.6, 7. Конструкция узла отбора по фиг.3, содержащая магнитопровод 7, способствует увеличению коэффициента индуктивной связи с контуром 2. При коаксиальном или концентрическом взаимном расположении канала 1 и витка 4 или катушки 5 (фиг.1, 2, 6, 7) тоже возможно использование ферромагнитного сердечника, например, сердечника 30, как показано штриховыми линиями на фиг.6 и 7.During particle injection, when the current strength in
Канал может быть выполнен также в виде многовитковой цилиндрической спирали 35 (фиг.8), концы которой соединены друг с другом участком 36, или в виде спирали 40, витки которой выглядят так, будто они намотаны на тор (фиг.9), а концы тоже соединены друг с другом. Витки катушки индуктивности узла отбора энергии в этих случаях могут быть расположены рядом с витками спирали, в том числе в промежутках между ними (они на чертежах не показаны, так же, как и узел инжектирования и узел прекращения тока, создаваемого пучком частиц, движущихся по замкнутым траекториям). Под многовитковой спиралью понимается спираль, имеющая более одного витка.The channel can also be made in the form of a multi-turn cylindrical spiral 35 (Fig. 8), the ends of which are connected to each other by a
Отбор энергии может производиться также при прекращении тока в контуре 2, когда вследствие быстрого уменьшения тока происходит соответствующее уменьшение индукции создаваемого им магнитного поля и, так же, как при нарастании тока, возможно индуцирование ЭДС в витке 4 или катушках 5, 6 узла отбора энергии. Управление прекращением (обнулением) этого тока осуществляется с помощью узла 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, разные частные случаи реализации и работы которого иллюстрируются фиг.10-12.Energy can also be taken when the current in
В случае, показанном на фиг.10, узел 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, выполнен с возможностью формирования потока 41 частиц, направленного на внешнюю поверхность стенки канала. Частицы данного потока имеют тот же знак, что и инжектируемые в канал и транспортируемые по нему частицы (на фиг.10 предполагается, что эти частицы имеют отрицательный знак, например, являются электронами). При этом происходит нейтрализация индуцируемых на внешней поверхности стенки канала зарядов противоположного знака (на фиг.10 они показаны знаками "+") и, как следствие, уменьшение заряда (в данном случае - отрицательного) на внутренней поверхности стенки канала 1, поле которого обеспечивает искривление траектории частиц. Электрическое поле в канале, ранее обеспечивавшее фокусирование пучка заряженных частиц и движение их без контакта со стенкой канала, искажается, в результате чего траектории частиц изменяются. Эти траектории, которые в верхней части фиг.10 первоначально (до воздействия извне потоком 41 отрицательно заряженных частиц) имели вид штриховых линий, при воздействии этого потока приобретают вид линий 42. В результате дальнейшее существование в кольцевом канале замкнутого контура с током становится невозможным.In the case shown in Fig. 10, the
В показанном на фиг.11 случае прекращение тока в контуре 2 осуществляется благодаря такому выполнению узла 11 прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, когда он связан механически с участком 45 стенки канала, выполненным с возможностью перемещения в направлении, нормальном к внутренней поверхности этого участка. В этом случае тоже происходит деформация электрического поля в соответствующей части канала, приводящая к невозможности дальнейшего движения частиц без контакта со стенкой канала. Траектории частиц, которые в верхней части фиг.11 первоначально (до перемещения участка 45 стенки) имели вид штриховых линий, после такого перемещения приобретают вид линий 46.In the case shown in FIG. 11, the current is terminated in
Прекращение тока пучка может быть осуществлено также с помощью узла 11 (фиг.12), имеющего магнитопровод 51 с обмоткой 52, формирующего магнитное поле, ориентированное по нормали к продольной оси канала 1 и, следовательно, перпендикулярно к первоначальному направлению вектора скорости частиц, транспортируемых по каналу 1. На фиг.12 показаны этот вектор скорости К и вектор индукции B магнитного поля. В результате воздействия этого магнитного поля на движущиеся в канале 1 заряженные частицы возникает сила Лоренца (на фиг.12 показан вектор F этой силы), изменяющая форму траекторий частиц, и последние уже не могут продолжать движение без контакта со стенкой канала. Траектории, частиц, которые в верхней части фиг.12 (см. правую проекцию) первоначально (до воздействия магнитного поля) имели вид штриховых линий, после такого воздействия приобретают вид линий 56. Для приведения узла 11 в действие достаточно подать напряжение на обмотку 52.The beam current can also be stopped using a node 11 (Fig. 12) having a
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют накапливать энергию первоначально ускоренных заряженных частиц и сохранять ее в форме энергии движущегося по кругу пучка и энергии магнитного поля, создаваемого током этого пучка, при многократном (в сотни миллионов раз) превышении силы этого тока над током инжекции. При этом отбор энергии и передача ее потребителю возможны как в процессе накопления частиц в кольце (нарастания тока в пучке при инжектировании частиц), так и после его окончания. Эти процессы реализуются полностью в пассивном режиме, не требующем использования каких-либо средств для обеспечения работы устройства, осуществляющего способ, и энергии для работы таких средств (разумеется, необходим сам источник энергии для осуществления инжектирования). Сохранение энергии с поддержанием тока в кольцевом канале, продолжительность которого зависит от качества вакуумирования, происходит аналогично тому, как это имеет место при наличии сверхпроводимости, однако не требует использования криогенных средств.Thus, the proposed method and device can accumulate the energy of initially accelerated charged particles and store it in the form of the energy of a beam moving in a circle and the energy of a magnetic field created by the current of this beam, with a multiple (hundreds of millions of times) exceeding the strength of this current over the injection current. In this case, the selection of energy and its transfer to the consumer are possible both in the process of accumulation of particles in the ring (increase in current in the beam during the injection of particles), and after its completion. These processes are implemented completely in a passive mode, which does not require the use of any means to ensure the operation of the device that implements the method, and the energy for the operation of such means (of course, you need a source of energy for injection). The conservation of energy while maintaining the current in the annular channel, the duration of which depends on the quality of the vacuum, occurs in the same way as in the presence of superconductivity, but does not require the use of cryogenic agents.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ на полезную модель №15417, опубл. 10.10.2000.1. RF patent for utility model No. 15417, publ. 10/10/2000.
2. Патент РФ на полезную модель №84169, опубл. 27.06.2009.2. RF patent for utility model No. 84169, publ. 06/27/2009.
3. В.С. Никитин. Технологии будущего. Изд. "Техносфера", Москва, 2010, с.162-169.3. V.S. Nikitin. Future technologies. Ed. "Technosphere", Moscow, 2010, p.162-169.
4. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение №2004110891, опубл. 10.10.2005.4. Application for the grant of a patent of the Russian Federation for invention No. 2004110891, publ. 10/10/2005.
5. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Москва, Энергоатомиздат, 1987. Том 2, с.207, рис.22-11.5. Handbook of electrical materials. Edited by Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. Moscow, Energoatomizdat, 1987.
6. Электреты. Под ред. Г. Сесслера, Москва, изд. "Мир", 1983, с.32-54.6. Electrets. Ed. G. Sessler, Moscow, ed. Mir, 1983, p. 32-54.
7. А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Москва, Энергоиздат, 1981. т.1, с.6-83, 88, 104-105, 120-143; т.2, с.191.7. A.N. Lebedev, A.V. Shalnov. Fundamentals of physics and technology of accelerators. Moscow, Energoizdat, 1981. t.1, p.6-83, 88, 104-105, 120-143; t.2, p.191.
8. Электроника. Энциклопедический словарь. Москва, "Советская энциклопедия", 1991, с.190, 542-544, 598-599.8. Electronics. Encyclopedic Dictionary. Moscow, "Soviet Encyclopedia", 1991, p. 190, 542-544, 598-599.
Claims (14)
E/Q<RdUпр/h,
а отбор энергии осуществляют посредством индуцирования электродвижущей силы в проводящем витке или многовитковой катушке, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым указанным пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, в процессе нарастания силы этого тока или при его прекращении.1. The method of energy conversion using a beam of charged particles, including the injection of accelerated charged particles into a vacuum volume with the formation in this volume of a closed loop with a current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, and the selection of energy, characterized in that the formation of the specified closed loop with current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, carried out by injection of accelerated charged parts c into the evacuated volume, which is the inner space of a closed channel with a longitudinal axis in the form of a smooth line, the wall of which is made of a material capable of electrification with a charge of the same sign as the injected particles, injected particles are transported through the specified channel with the formation of the specified beam of accelerated charged particles moving along closed paths, subject to the following condition, connecting the smallest radius R of curvature of the indicated smooth line with the largest energy E and ab olyutnoy charge quantity Q of injected particles, and the smallest thickness d of said channel wall electric strength U pr material and its greatest distance h between the two points of the inner surface, arranged in the channel cross-section on the same normal to said surface:
E / Q <RdU pr / h,
and the selection of energy is carried out by inducing an electromotive force in a conducting coil or multi-turn coil inductively coupled to the specified closed loop with the current generated by the specified beam of accelerated charged particles moving along the closed paths, in the process of increasing the strength of this current or when it stops.
E/Q<RdUпр/h,
при этом узел отбора энергии выполнен в виде витка из проводящего материала или многовитковой катушки, индуктивно связанных с указанным замкнутым контуром с током, создаваемым пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям, кроме того, указанное устройство снабжено узлом прекращения тока, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц, движущихся по замкнутым траекториям.5. A device for converting energy using a beam of charged particles, comprising means for forming a closed loop with current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths in the evacuated internal space of said means, one or more nodes for injecting accelerated charged particles into said space, and node energy selection, characterized in that the said tool is made in the form of a closed evacuated channel with a longitudinal axis in the form of smooth a line, the wall of which is made of a material capable of electrification with a charge of the same sign as the injected particles, subject to the following condition, connecting the smallest radius R of curvature of the indicated smooth line, the electric strength U pr of the material of the wall of the specified channel and the largest distance h between points of the inner surface of this channel, located in its cross section on the same normal to the specified surface, with the highest energy E and the absolute value Q of the charge accelerated by the charge particles produced by injecting said nodes:
E / Q <RdU pr / h,
in this case, the energy selection unit is made in the form of a coil of conductive material or a multi-turn coil inductively coupled to the specified closed circuit with a current generated by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths, in addition, the specified device is equipped with a current termination unit created by a beam of accelerated charged particles moving along closed paths.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132135/07A RU2508595C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132135/07A RU2508595C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2508595C1 true RU2508595C1 (en) | 2014-02-27 |
Family
ID=50152276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012132135/07A RU2508595C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2508595C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2004110891A (en) * | 2004-04-09 | 2005-10-10 | Владимир Степанович Никитин (RU) | METHOD FOR ENERGY ACCUMULATION AND ELECTRODYNAMIC ACCUMULATOR FOR ITS IMPLEMENTATION |
US7379286B2 (en) * | 2004-09-27 | 2008-05-27 | Jovion Corporation | Quantum vacuum energy extraction |
US20090195120A1 (en) * | 2006-06-06 | 2009-08-06 | University Of Virginia Patent Foundation | Capillary Force Actuator Device and Related Method of Applications |
-
2012
- 2012-07-27 RU RU2012132135/07A patent/RU2508595C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2004110891A (en) * | 2004-04-09 | 2005-10-10 | Владимир Степанович Никитин (RU) | METHOD FOR ENERGY ACCUMULATION AND ELECTRODYNAMIC ACCUMULATOR FOR ITS IMPLEMENTATION |
US7379286B2 (en) * | 2004-09-27 | 2008-05-27 | Jovion Corporation | Quantum vacuum energy extraction |
US20090195120A1 (en) * | 2006-06-06 | 2009-08-06 | University Of Virginia Patent Foundation | Capillary Force Actuator Device and Related Method of Applications |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Никитин В.С. Технологии будущего. - М.: Техносфера, 2010, с.162-169. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3896420B2 (en) | All ion accelerator and its control method | |
RU2462009C1 (en) | Method of changing direction of beam of accelerated charged particles, device for realising said method, electromagnetic radiation source, linear and cyclic charged particle accelerators, collider and means of producing magnetic field generated by current of accelerated charged particles | |
US7098615B2 (en) | Radio frequency focused interdigital linear accelerator | |
US9805901B2 (en) | Compact magnet design for high-power magnetrons | |
US20220174810A1 (en) | Resonator, linear accelerator configuration and ion implantation system having toroidal resonator | |
Stygar et al. | Shaping the output pulse of a linear-transformer-driver module | |
RU2508595C1 (en) | Method of energy conversion using beam of charged particles, and device for its implementation | |
US6762393B2 (en) | Inductively coupled plasma source with conductive layer and process of plasma generation | |
CN113099601B (en) | Low-energy heavy ion accelerator and acceleration method | |
CN102623128B (en) | Superconducting hybrid magnet device for generating minimum B magnetic field | |
US2953750A (en) | Magnetic cable | |
US9726621B1 (en) | Helical resonator ion accelerator and neutron beam device | |
EP2232960B1 (en) | Methods and systems for accelerating particles using induction to generate an electric field with a localized curl | |
US6653640B2 (en) | Multichannel linear induction accelerator of charged particles | |
Wilson | Recirculation acceleration of high current relativistic electron beams–a feasibility study | |
Heikkinen | Injection and extraction for cyclotrons | |
Lamy et al. | 60-GHz ECR ion sources | |
Swenson | An RF focused interdigital ion accelerating structure | |
Merrison et al. | A new electro-produced pulsed slow positron facility | |
Butenko et al. | Design of the Nuclotron Booster in the NICA Project | |
Manca | Some new accelerating structures for high current intensity accelerators | |
Antaya | ECR ion source development for super-stripped positive ions in accelerator and atomic physics applications | |
Zhang | Radio-Frequency Quadrupole Accelerators: From Protons to Uranium Ions | |
SU1077068A1 (en) | Ring cyclotron | |
US20130307437A1 (en) | Energy Density Intensifier for Accelerating, Compressing and Trapping Charged Particles in a Solenoid Magnetic Field |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140728 |