RU2658302C1 - Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles - Google Patents

Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
RU2658302C1
RU2658302C1 RU2017144913A RU2017144913A RU2658302C1 RU 2658302 C1 RU2658302 C1 RU 2658302C1 RU 2017144913 A RU2017144913 A RU 2017144913A RU 2017144913 A RU2017144913 A RU 2017144913A RU 2658302 C1 RU2658302 C1 RU 2658302C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
charged
nanoparticles
carbon
accelerator
carbon nanoparticles
Prior art date
Application number
RU2017144913A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рафаэль Варназович Арутюнян
Леонид Александрович Большов
Александр Дмитриевич Васильев
Юрий Николаевич Обухов
Владимир Николаевич Семенов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН)
Priority to RU2017144913A priority Critical patent/RU2658302C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2658302C1 publication Critical patent/RU2658302C1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21BFUSION REACTORS
    • G21B1/00Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/03Thermonuclear fusion reactors with inertial plasma confinement
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method for generating intense flows of charged carbon nanoparticles. In the process, carbon nanoparticles are pre-charged to produce positively charged polyatomic carbon ions
Figure 00000031
, where N is the number of carbon atoms in the nanoparticle, Z is an integer electric charge of a nanoparticle. Charging is performed up to the specific charge Q/m, selected in the range from 5.3⋅105 C/kg up to 1.1⋅106 C/kg, where Q=Z⋅e, m is the mass of the nanoparticle, e is the elementary electric charge. Charged nanoparticles accelerate to achieve a speed of at least 107 m/s at a specific kinetic energy per carbon atom E/N of not less than 8 MeV, where E is the kinetic energy of a charged nanoparticle. Acceleration of charged nanoparticles is carried out at a magnitude of the accelerating potential of the electric field of not less than 108 V. Fullerenes or nanotubes are used as carbon nanoparticles. Acceleration of charged nanoparticles is carried out with the help of accelerators of charged particles of various types: linear accelerators, cyclic accelerators with linear accelerating sections, cyclotrons. At the input and output of the accelerator, longitudinal and transverse compression of the flow of charged nanoparticles is carried out using phase flow sealers. As longitudinal phase seals, accelerating interelectrode gaps along the direction of motion of charged nanoparticles are used, and magnetic lenses are used as transverse phase seals.
EFFECT: technical result is to provide conditions for achieving velocities of the order of 107 m/s and charged-particle energies required for research related to the interaction of high-speed and high-energy flows of charged nanoparticles with each other and with the target material, in particular from the point of view of investigating the feasibility of performing thermonuclear fusion reactions.
7 cl

Description

Изобретение относится к методам ускорения интенсивных потоков заряженных частиц, а более конкретно к ускорению интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода в электрическом поле до высоких энергий, достаточных для осуществления реакций термоядерного синтеза и проведения исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света, в частности исследований состояния вещества при экстремальных параметрах.The invention relates to methods for accelerating intense flows of charged particles, and more particularly to accelerating intense flows of charged carbon nanoparticles in an electric field to high energies sufficient to carry out fusion reactions and conduct studies at particle speeds comparable to the speed of light, in particular studies of the state of matter with extreme parameters.

В настоящее время разработаны и практически реализованы различные способы ускорения микро- и макрочастиц, ионов атомов и элементарных частиц (электроны, протоны). Наибольшие значения мощности и интенсивности достигнуты для ионных пучков в импульсном режиме. (Фортов В.Е., Хоффманн Д., Шарков Б.Ю. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества // Успехи физических наук. Февраль 2008 г., том 178, №2. С.113-138). Следует отметить, что атомарные ионы, хотя и могут быть разогнаны до высоких скоростей, но имеют существенное ограничение по величине энергии, приходящейся на одну ускоренную частицу, из-за их малой массы.At present, various methods for accelerating micro- and macroparticles, atomic ions and elementary particles (electrons, protons) have been developed and practically implemented. The highest values of power and intensity were achieved for ion beams in a pulsed mode. (Fortov V.E., Hoffmann D., Sharkov B.Yu. Intense ion beams for the generation of extreme states of matter // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. February 2008, Volume 178, No. 2. P.113-138). It should be noted that atomic ions, although they can be accelerated to high speeds, have a significant limitation on the amount of energy per accelerated particle, due to their low mass.

При ускорении интенсивных потоков заряженных частиц возникают следующие проблемы, характерные для всех видов используемых в настоящее время частиц. С увеличением массы разгоняемой частицы падают ее скорость, удельный заряд и удельная энергия. Поэтому практически невозможно разогнать заряженную микро- или макрочастицу до высоких скоростей, сравнимых со скоростью света.When accelerating intense flows of charged particles, the following problems arise that are characteristic of all types of particles currently used. With an increase in the mass of the accelerated particle, its velocity, specific charge and specific energy fall. Therefore, it is practically impossible to accelerate a charged micro- or particulate to high speeds comparable to the speed of light.

Предельные величины электрического заряда частицы и отношения заряда к массе частицы определяются максимальной величиной собственного электрического поля на ее поверхности. Данное поле ограничено автоэлектронной эмиссией (при отрицательном заряде частицы) или автоионной эмиссией (при положительном заряде частицы), а также предельно допустимыми механическими напряжениями в частице, возникающими вследствие действия кулоновских сил отталкивания.The limiting values of the electric charge of a particle and the ratio of charge to mass of a particle are determined by the maximum value of the intrinsic electric field on its surface. This field is limited by field emission (with a negative particle charge) or field ion emission (with a positive particle charge), as well as the maximum allowable mechanical stresses in a particle arising from the action of Coulomb repulsive forces.

При ускорении заряженных частиц с помощью циклотрона максимальная величина магнитного поля ограничивает максимальную массу частицы, что связано с возможностью ускорения частицы в циклотроне с расчетным минимальным радиусом орбиты частицы. Данный параметр определяет размеры циклотрона в целом.When charged particles are accelerated using a cyclotron, the maximum magnetic field limits the maximum particle mass, which is associated with the possibility of particle acceleration in a cyclotron with a calculated minimum particle orbit radius. This parameter determines the dimensions of the cyclotron as a whole.

Минимальные поперечные и продольные размеры потока ускоренных частиц ограничены действием сил кулоновского отталкивания частиц, что существенно снижает предельно достижимые токи, интенсивность потока и плотность энергии на мишени в непрерывном и импульсном режимах ускорения.The minimum transverse and longitudinal dimensions of the flow of accelerated particles are limited by the action of the Coulomb repulsion forces of particles, which significantly reduces the maximum achievable currents, flow intensity and energy density on the target in continuous and pulsed acceleration modes.

Указанные выше технические проблемы характерны для всех известных методов ускорения различного вида заряженных частиц. Так, например, в патенте RU 2371891 C1 (опубликован 27.10.2009) описан способ ускорения микрочастиц до высоких скоростей и энергий с помощью линейного ускорителя. Известный способ предназначен для моделирования микрометеоритного воздействия на космические аппараты. Способ включает генерацию заряженных твердых частиц с помощью инжектора и их ускорение в линейном ускорителе, на выходе из которого последовательно расположены индукционные датчики и калибровочные секции, обеспечивающие фокусировку микрочастиц. На выходе из ускорителя заряженная микрочастица приобретает энергию порядка 0,5 МэВ. При эффективном ускоряющем потенциале U=700 кВ, размере частиц ~25 мкм и удельном заряде частиц Q/m (где Q=Z⋅e, m - масса частицы, е - элементарный электрический заряд, Z - целочисленный электрический заряд частицы), составляющем от 1 Кл/кг до 150 Кл/кг, скорость частиц достигала V=13 км/с (Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов / Н.Д. Семкин [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2007. №2. С. 140-147).The above technical problems are characteristic of all known methods of acceleration of various types of charged particles. So, for example, in patent RU 2371891 C1 (published October 27, 2009) a method is described for accelerating microparticles to high speeds and energies using a linear accelerator. The known method is intended for modeling micrometeorite effects on spacecraft. The method includes the generation of charged solid particles by means of an injector and their acceleration in a linear accelerator, at the outlet of which are inductively arranged sensors and calibration sections, providing focusing of microparticles. At the exit from the accelerator, a charged microparticle acquires an energy of the order of 0.5 MeV. With an effective accelerating potential U = 700 kV, a particle size of ~ 25 μm and a specific particle charge Q / m (where Q = Z⋅e, m is the particle mass, e is the elementary electric charge, Z is the integer electric charge of the particle), which is 1 C / kg to 150 C / kg, the particle velocity reached V = 13 km / s (Linear accelerator for modeling micrometeorites / ND Semkin [et al.] // Instruments and experimental equipment. 2007. No. 2. P. 140-147).

Для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей и энергий используются также циклические электростатические и электродинамические ускорители. Частицы размером 0,1-10 мкм разгоняются в ускорителе до скорости V=25 км/с при суммарном эффективном ускоряющем потенциале U=5 MB и удельном заряде частиц Q/m=Z⋅e/m=150 Кл/кг (Пияков А.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Вестник Самарского аэрокосмического университета. 2011. №7 (31). С. 36-40).Cyclic electrostatic and electrodynamic accelerators are also used to accelerate charged particles to high speeds and energies. Particles with a size of 0.1-10 μm are accelerated in the accelerator to a speed of V = 25 km / s with a total effective accelerating potential of U = 5 MB and a specific charge of particles Q / m = Z⋅e / m = 150 C / kg (A. Piyakov B. Cyclic accelerator of charged particles // Bulletin of the Samara Aerospace University. 2011. No. 7 (31). S. 36-40).

Ограничение удельного заряда Q/m и скорости V для металлических частиц при осуществлении известных способов ускорения заряженных частиц связано с тем, что максимальное значение параметра Q/m обратно пропорционально радиусу заряженной частицы. Поэтому для частиц, имеющих достаточно большие размеры и, соответственно, большую массу, параметр Q/m имеет сравнительно малую величину. Кроме того, для металлов по сравнению с углеродом существенно ниже значение предельного поля автоионной эмиссии, ограничивающего величину максимального заряда частицы. В этом случае невозможно увеличить удельный заряд частицы (Q/m) до значений, при которых достигаются требуемые скорости и энергии ускоренных заряженных частиц. Для известных способов-аналогов характерно ограничение максимальных значений скоростей и энергий частиц: скорость частиц не превышает 2,5⋅104 м/с, а максимальная удельная энергия - 100 эВ на атом ускоренной заряженной частицы. Данные ограничения связаны с относительно малыми значениями удельного заряда частиц: Q/m≤1,5⋅102 Кл/кг.The limitation of the specific charge Q / m and velocity V for metal particles in the implementation of known methods of accelerating charged particles is due to the fact that the maximum value of the parameter Q / m is inversely proportional to the radius of the charged particle. Therefore, for particles having a sufficiently large size and, accordingly, a large mass, the parameter Q / m has a relatively small value. In addition, for metals, in comparison with carbon, the value of the limiting field of autoion emission, which limits the maximum particle charge, is significantly lower. In this case, it is impossible to increase the specific charge of the particle (Q / m) to values at which the required speeds and energies of accelerated charged particles are achieved. The known analogue methods are characterized by the limitation of the maximum values of particle velocities and energies: the particle velocity does not exceed 2.5 × 10 4 m / s, and the maximum specific energy is 100 eV per atom of an accelerated charged particle. These restrictions are associated with relatively small values of the specific charge of the particles: Q / m≤1.5⋅10 2 C / kg.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ создания потоков заряженных наночастиц углерода, в качестве которых используются фуллерены. Интенсивные потоки заряженных фуллеренов используются для исследования процессов распыления кремниевых и углеродных мишеней. Способ включает зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов

Figure 00000001
, где N=60 - число атомов углерода в наночастице (фуллерене), Z=l, 2, 3 - целочисленные электрические заряды наночастиц (Особенности распыления кремниевых и углеродных мишеней ускоренными ионами фуллерена С60 / М.В. Малеев [и др.] // Журнал физики и инженерии поверхности. 2015. №1. С. 91-95).The closest analogue of the invention is a method of creating flows of charged carbon nanoparticles, which are used as fullerenes. Intense flows of charged fullerenes are used to study the sputtering of silicon and carbon targets. The method includes charging carbon nanoparticles to obtain positively charged polyatomic ions
Figure 00000001
where N = 60 is the number of carbon atoms in a nanoparticle (fullerene), Z = l, 2, 3 are integer electric charges of nanoparticles (Features of sputtering of silicon and carbon targets by accelerated C 60 fullerene ions / MV Maleev [et al.] // Journal of Physics and Surface Engineering. 2015. No. 1. P. 91-95).

Для реализации известного способа используются наночастицы углерода в форме фуллеренов, полученных методом объемной конденсацией в вакууме. Преобразование фуллеренов в заряженные частицы осуществлялось путем ионизации наночастиц электронным ударом до образования многоатомных ионов

Figure 00000002
. С помощью системы электростатических линз и диафрагм поток заряженных частиц фокусировался и ограничивался объем фазового пространства, занимаемый частицами. Затем заряженные частицы направлялись в магнитный сепаратор, в котором осуществлялось его пространственное разделение на пучки одно-, двух- и трехзарядных положительно заряженных наночастиц (многоатомных ионов). Заряженные наночастицы углерода ускорялись в электрическом поле до энергии в диапазоне от 2,5 до 24 кэВ при величине ускоряющего напряжения от 3 до 6 кВ.To implement the known method, carbon nanoparticles in the form of fullerenes obtained by the method of volume condensation in vacuum are used. The conversion of fullerenes into charged particles was carried out by ionization of the nanoparticles by electron impact before the formation of polyatomic ions
Figure 00000002
. Using a system of electrostatic lenses and diaphragms, the flow of charged particles was focused and the volume of phase space occupied by the particles was limited. Then the charged particles were sent to a magnetic separator, in which it was spatially separated into beams of single, double, and triple charged positively charged nanoparticles (polyatomic ions). Charged carbon nanoparticles were accelerated in an electric field to an energy in the range from 2.5 to 24 keV with an accelerating voltage of 3 to 6 kV.

Достаточно низкий уровень энергий заряженных наночастиц, достигаемый при реализации известного способа, обусловлен решаемыми с его помощью техническими задачами, связанными с исследованием свойств распыляемых кремниевых и углеродных мишеней при воздействии на них интенсивными потоками заряженных наночастиц углерода и определением условий для образования прочных углеродных пленок на поверхности мишеней при таком воздействии. Следует отметить, что применяемые в настоящее время методы исследований с помощью потоков заряженных углеродных наночастиц не могут использоваться для решения задач, связанных с осуществлением реакций термоядерного синтеза и проведением исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света. К числу таких задач относится, в частности, генерация экстремальных состояний вещества при взаимодействии пучков заряженных частиц с веществом, исследование свойств вещества при сверхвысокой концентрации энергии в форме сгустков плазмы с температурой порядка 10 кэВ и плотностью порядка плотности конденсированного состояния вещества (1022 см-3).The sufficiently low energy level of charged nanoparticles, achieved by the known method, is due to the technical problems that can be solved with its help, related to the study of the properties of sputtered silicon and carbon targets when exposed to intense flows of charged carbon nanoparticles and determination of the conditions for the formation of strong carbon films on the target surfaces with such exposure. It should be noted that the currently used research methods using flows of charged carbon nanoparticles cannot be used to solve problems associated with the implementation of fusion reactions and studies at particle speeds comparable to the speed of light. Among these problems are, in particular, the generation of extreme states of matter in the interaction of charged particle beams with matter, the study of the properties of matter at an ultrahigh energy concentration in the form of plasma clots with a temperature of the order of 10 keV and a density of the order of the density of the condensed state of the substance (10 22 cm -3 )

Для решения поставленных задач требуются существенно большие энергии (удельная кинетическая энергия на атом ускоренной частицы должна быть не менее 8 МэВ) и скорости заряженных частиц (не менее 107 м/с). Вместе с тем необходимо установить режимы ускорения наночастиц углерода до чрезвычайно высоких скоростей (не менее 107 м/с), при которых обеспечивалась бы стабильность и целостность ускоряемых наночастиц до момента вхождения их в зону взаимодействия с исследуемым материалом или в зону столкновения потоков заряженных частиц. Иными словами, необходимо обеспечить расчетное время жизни заряженных частиц при их ускорении в электрическом поле с величиной потенциала не менее 108 В.To solve the stated problems, significantly higher energies are required (the specific kinetic energy per atom of an accelerated particle should be at least 8 MeV) and the velocity of charged particles (at least 10 7 m / s). At the same time, it is necessary to establish the regimes of acceleration of carbon nanoparticles to extremely high velocities (not less than 10 7 m / s), at which stability and integrity of accelerated nanoparticles would be ensured until they enter the interaction zone with the material under study or the collision zone of charged particle flows. In other words, it is necessary to ensure the estimated lifetime of charged particles when they are accelerated in an electric field with a potential value of at least 10 8 V.

Для ускорения интенсивных потоков заряженных частиц до требуемого уровня скоростей и энергий, наряду с указанными выше требованиями, необходимо обеспечить высокое значение удельного заряда ускоряемой заряженной частицы: отношение Q/m должно быть не менее 5,3⋅105 Кл/кг. Так, например, для металлических микрочастиц с характерным размером ~1 мкм максимальные значения удельного заряда не превышает 103 Кл/кг. Удельный заряд для каждого вида частиц ограничен предельными значениями, при которых происходит разрушение частицы за счет действия автоионной эмиссии с поверхности частиц (для положительно заряженных частиц) и электростатических сил отталкивания, действующих внутри частицы.To accelerate intense flows of charged particles to the required level of speeds and energies, along with the above requirements, it is necessary to ensure a high specific charge of the accelerated charged particle: the ratio Q / m should be at least 5.3 не10 5 C / kg. So, for example, for metal microparticles with a characteristic size of ~ 1 μm, the maximum values of the specific charge do not exceed 10 3 C / kg. The specific charge for each type of particle is limited by the limiting values at which the destruction of the particle occurs due to the action of autoionic emission from the surface of the particles (for positively charged particles) and electrostatic repulsive forces acting inside the particle.

Изобретение направлено на устранение проблем путем выбора режимов ускорения в электрическом поле интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода и электрического заряда наночастиц перед их ускорением. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении условий для увеличения скоростей и энергий заряженных частиц до значений, при которых возможно осуществление реакций термоядерного синтеза и проведение исследований при взаимодействии высокоскоростных высокоэнергетичных потоков заряженных частиц между собой и с исследуемым материалом. При этом, за счет использования в качестве ускоряемых частиц заряженных наночастиц углерода, в полной мере реализуется возможность получения максимальной энергии, приходящейся на одну ускоренную частицу.The invention is aimed at eliminating problems by selecting acceleration modes in the electric field of intense flows of charged carbon nanoparticles and the electric charge of the nanoparticles before their acceleration. The technical result achieved is to provide conditions for increasing the speeds and energies of charged particles to values at which thermonuclear fusion reactions and research can be carried out when high-speed high-energy flows of charged particles interact with each other and with the material under study. Moreover, due to the use of charged carbon nanoparticles as accelerated particles, the possibility of obtaining the maximum energy per accelerated particle is fully realized.

Достижение технического результата обеспечивается за счет реализации способа создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода. Характерной особенностью данного способа является использование наночастиц углерода с расчетными значениями удельного заряда в качестве ускоряемых заряженных частиц. Наночастицы углерода преимущественно могут использоваться в виде фуллеренов (многоатомных ионов

Figure 00000003
) и нанотрубок. Наночастицы углерода могут быть объединены в кластеры (группы заряженных частиц), при ускорении в электрическом поле.The achievement of the technical result is ensured by the implementation of the method of creating intense flows of charged carbon nanoparticles. A characteristic feature of this method is the use of carbon nanoparticles with calculated specific charge values as accelerated charged particles. Carbon nanoparticles can mainly be used in the form of fullerenes (polyatomic ions
Figure 00000003
) and nanotubes. Carbon nanoparticles can be combined into clusters (groups of charged particles), when accelerated in an electric field.

Фуллерены могут быть получены различными методами, в том числе путем сжигания графитовых электродов в электрическом дуговом разряде в атмосфере гелия при низких давлениях (Solid С60: a New Form of Carbon / W. Kraetschmer [et al.] // Nature. 1990, V. 347. P. 354-358). В настоящее время подобраны оптимальные параметры испарения графитовых электродов, включая давление, состав атмосферы, ток и диаметр электродов, при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12% от массы получаемых продуктов (Fullerenes Synthesis in Combustion / Howard J.B. [et. al.] // J. Carbon. 1992. V. 30, №8. P. 1183-1201).Fullerenes can be obtained by various methods, including by burning graphite electrodes in an electric arc discharge in a helium atmosphere at low pressures (Solid C 60 : a New Form of Carbon / W. Kraetschmer [et al.] // Nature. 1990, V 347. P. 354-358). At present, optimum parameters for the evaporation of graphite electrodes, including pressure, atmospheric composition, current, and electrode diameter, have been selected at which the highest fullerene yield is achieved, which is on average 3-12% of the mass of the products obtained (Fullerenes Synthesis in Combustion / Howard JB [et. al.] // J. Carbon. 1992. V. 30, No. 8. P. 1183-1201).

Углеродные одностенные нанотрубки представляют собой листы графена (монослои со структурой графитовой плоскости), свернутые в цилиндры. Подобные структуры устойчивы при диаметре цилиндра 5-20

Figure 00000004
. Протяженные цилиндрические структуры (углеродные нанотрубки) образуются вместе с фуллеренами при электродуговом испарении графитовых электродов. Наиболее эффективным методом получения углеродных нанотрубок в настоящее время является низкотемпературный метод, заключающийся в каталитическом пиролизе углеводородов (Catalytic production and purification of nanotubules having fullerene-scale diameters / V. Ivanov [et al.] // J. Carbon. 1995. V. 33, №12, P. 1727-1738).Single-walled carbon nanotubes are sheets of graphene (monolayers with the structure of a graphite plane) rolled into cylinders. Similar structures are stable with a cylinder diameter of 5-20
Figure 00000004
. Extended cylindrical structures (carbon nanotubes) are formed together with fullerenes during electric arc evaporation of graphite electrodes. The most effective method for producing carbon nanotubes at present is the low-temperature method, which consists in catalytic pyrolysis of hydrocarbons (Catalytic production and purification of nanotubules having fullerene-scale diameters / V. Ivanov [et al.] // J. Carbon. 1995. V. 33 No. 12, P. 1727-1738).

Способ включает зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов углерода

Figure 00000005
, где N - число атомов углерода в наночастице, Z - целочисленный электрический заряд наночастицы. Согласно изобретению наночастицы заряжают до величины удельного заряда Q/m, выбираемой в диапазоне от 5,3⋅105 Кл/кг до 1,1⋅106 Кл/кг, где m - масса наночастицы, е - элементарный электрический заряд. Заряженные наночастицы ускоряют в электрическом поле до достижения скорости не менее 107 м/с при удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ, где Е - кинетическая энергия заряженной наночастицы.The method includes charging carbon nanoparticles to obtain positively charged polyatomic carbon ions
Figure 00000005
where N is the number of carbon atoms in the nanoparticle, Z is the integer electric charge of the nanoparticle. According to the invention, the nanoparticles are charged to a specific charge Q / m, selected in the range from 5.3 × 10 5 C / kg to 1.1 × 10 6 C / kg, where m is the mass of the nanoparticle, e is the elementary electric charge. Charged nanoparticles are accelerated in an electric field to a speed of at least 10 7 m / s at a specific kinetic energy per carbon atom E / N of at least 8 MeV, where E is the kinetic energy of a charged nanoparticle.

Существенной характеристикой способа является зарядка наночастиц углерода до величины удельного заряда в расчетном диапазоне значений, нижний предел которого (5,3⋅105 Кл/кг) определяет условие достижения требуемого уровня энергий и скоростей заряженных частиц, а верхний предел (1,1⋅106 Кл/кг) - условие сохранения стабильности и целостности заряженных наночастиц в условиях действия электростатических сил отталкивания и автоионной эмиссии. Например, если использовать в качестве заряженных наночастиц углерода многоатомные ионы фуллерена

Figure 00000006
, то указанная характеристика способа соответствует следующему условию выбора целочисленного заряда Z наночастицы (положительного иона фуллерена): 4≤Z≤10. За пределами расчетного диапазона значений удельного заряда наночастиц углерода невозможно достижение технического результата, с одной стороны, из-за разрушения частиц до момента входа в область взаимодействия (с другими частицами либо с материалом мишени), а с другой - вследствие недостаточной скорости и энергии заряженных частиц, ускоренных в электрическом поле.An essential characteristic of the method is the charging of carbon nanoparticles to a specific charge in the calculated range of values, the lower limit of which (5.3⋅10 5 C / kg) determines the condition for achieving the required level of energies and velocities of charged particles, and the upper limit (1.1⋅10 6 C / kg) is a condition for maintaining the stability and integrity of charged nanoparticles under the action of electrostatic repulsive forces and autoionic emission. For example, if polyatomic fullerene ions are used as charged carbon nanoparticles
Figure 00000006
, then this characteristic of the method corresponds to the following condition for choosing an integer charge Z of a nanoparticle (positive fullerene ion): 4≤Z≤10. Outside the calculated range of the specific charge of carbon nanoparticles, it is impossible to achieve a technical result, on the one hand, due to the destruction of particles before entering the interaction region (with other particles or with the target material), and on the other, due to insufficient speed and energy of charged particles accelerated in an electric field.

Выполнение данного существенного условия обеспечивается за счет особых свойств наночастиц углерода: по сравнению с другими материалами наночастицы углерода обладают более высокими прочностными свойствами и более высокими предельными значениями напряженности электрического поля, при которой происходит автоионная эмиссия с поверхности частиц. При использовании указанных свойств наночастиц углерода условие выбора их удельного заряда является критерием достижения высоких скоростей и энергий ускоряемых частиц, что необходимо для решения задач в области управляемого термоядерного синтеза и исследования взаимодействия ускоренных частиц между собой и с материалом мишени. Например, при использовании в качестве заряженных наночастиц углерода ионов фуллерена

Figure 00000007
, заряженных до величины Ze=+10e, при ускоряющем потенциале электрического поля 108 В скорость частиц может достигать 1,6⋅107 м/с. Для микрочастиц с характерным размером ~1 мкм теоретическая предельная скорость при таком же ускоряющем потенциале составляет всего лишь 105 м/с.The fulfillment of this essential condition is ensured by the special properties of carbon nanoparticles: in comparison with other materials, carbon nanoparticles have higher strength properties and higher limit values of the electric field strength at which autoionic emission from the particle surface occurs. When using these properties of carbon nanoparticles, the condition for choosing their specific charge is a criterion for achieving high speeds and energies of accelerated particles, which is necessary for solving problems in the field of controlled thermonuclear fusion and studying the interaction of accelerated particles with each other and with the target material. For example, when using fullerene ions as charged carbon nanoparticles
Figure 00000007
charged to Ze = + 10e, with an accelerating electric field potential of 10 8 V, the particle velocity can reach 1.6 достиг10 7 m / s. For microparticles with a characteristic size of ~ 1 μm, the theoretical limiting velocity at the same accelerating potential is only 10 5 m / s.

Максимальная плотность потока энергии G для нерелятивистских потоков заряженных частиц пропорциональна квадратному корню из отношения заряда к массе (удельного заряда): G∝(Q/m)1/2. Следовательно, получение высокой интенсивности потока энергии G для заряженных наночастиц углерода связано с обеспечением максимального значения отношения заряда к массе частицы. В случае использования заряженных наночастиц углерода, в том числе фуллеренов и нанотрубок, обладающих более высокими по сравнению с микро- и макрочастицами предельными величинами удельного заряда, могут быть достигнуты максимальные значения плотности потока энергии G.The maximum energy flux density G for nonrelativistic flows of charged particles is proportional to the square root of the ratio of charge to mass (specific charge): G∝ (Q / m) 1/2 . Therefore, obtaining a high energy flux G for charged carbon nanoparticles is associated with ensuring the maximum value of the ratio of charge to mass of the particle. In the case of using charged carbon nanoparticles, including fullerenes and nanotubes, which have higher specific charge values in comparison with micro- and macroparticles, the maximum values of the energy flux density G can be achieved.

Ускорение заряженных наночастиц до заданного уровня скорости и энергии (скорость должна быть не менее 107 м/с, а удельная кинетическая энергия на атом углерода E/N - не менее 8 МэВ) осуществляется при величине ускоряющего потенциала электрического поля не менее 108 В. Заряженные наночастицы можно ускорять в электрическом поле с помощью линейного ускорителя, циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями или циклотрона. В классическом циклотроне заряженные наночастицы ускоряются в электрическом поле между дуантами в области действия постоянного магнитного поля.The acceleration of charged nanoparticles to a predetermined level of velocity and energy (the velocity should be at least 10 7 m / s, and the specific kinetic energy per carbon atom E / N - at least 8 MeV) is carried out at an accelerating potential of the electric field of at least 10 8 V. Charged nanoparticles can be accelerated in an electric field using a linear accelerator, a cyclic accelerator with linear accelerating sections, or a cyclotron. In a classical cyclotron, charged nanoparticles are accelerated in an electric field between the dees in the region of a constant magnetic field.

При использовании циклотрона заряженные наночастицы могут предварительно ускоряться и направляться в тракт ускорения с помощью инжектора, выполненного в виде линейного ускорителя. Для продольного сжатия создаваемого потока заряженных частиц, т.е. уменьшения объема фазового пространства, занимаемого частицами, могут использоваться два фазовых уплотнителя потока заряженных наночастиц, которые выполняются в виде ускоряющих межэлектродных промежутков (зазоров), расположенных вдоль направления движения наночастиц. Данные устройства выполняют функцию группирователей заряженных частиц в продольном направлении. Первый межэлектродный промежуток (продольный фазовый уплотнитель) размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя.When using a cyclotron, charged nanoparticles can be pre-accelerated and sent to the acceleration path using an injector made in the form of a linear accelerator. For longitudinal compression of the generated stream of charged particles, i.e. To reduce the volume of the phase space occupied by the particles, two phase compactors of the charged nanoparticle flow can be used, which are made in the form of accelerating interelectrode gaps (gaps) located along the direction of motion of the nanoparticles. These devices act as groupers of charged particles in the longitudinal direction. The first interelectrode gap (longitudinal phase sealer) is placed at the entrance to the accelerator, and the second at the exit of the accelerator.

На входе и выходе ускорителя может осуществляться также поперечное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз. Данные устройства используются в качестве группирователей заряженных частиц в поперечном направлении (вдоль поперечного сечения потока). Первую магнитную линзу (поперечный фазовый уплотнитель) размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя.At the inlet and outlet of the accelerator can also be transverse compression of the flow using two phase compressors of the flow of charged carbon nanoparticles, made in the form of magnetic lenses. These devices are used as groupers of charged particles in the transverse direction (along the cross section of the stream). The first magnetic lens (transverse phase seal) is placed at the entrance to the accelerator, and the second is at the exit of the accelerator.

Следует отметить, что максимальный ток заряженных частиц прямо пропорционально зависит от отношения заряда частицы к ее массе. Высокие значения параметров потока ускоренных наночастиц (ток до 200 мА, интенсивность до 20 МВт, энергия на атом углерода до 108 эВ, энергия на одну наночастицу углерода до 7⋅1014 эВ) могут быть получены при ускорении наночастиц с помощью классического циклотрона. При ускорении углеродных нанотрубок в электрическом поле с помощью линейных ускорителей в импульсном режиме предельные токи и интенсивность ускоряемого потока наночастиц значительно увеличиваются: величина тока до 1000 А, интенсивность до 100 ГВт.It should be noted that the maximum current of charged particles is directly proportional to the ratio of the particle charge to its mass. High values of the accelerated nanoparticle flux parameters (current up to 200 mA, intensity up to 20 MW, energy per carbon atom up to 10 8 eV, energy per carbon nanoparticle up to 7⋅10 14 eV) can be obtained by accelerating nanoparticles using a classical cyclotron. When accelerating carbon nanotubes in an electric field using linear accelerators in a pulsed mode, the limiting currents and the intensity of the accelerated flow of nanoparticles increase significantly: the current value is up to 1000 A, the intensity is up to 100 GW.

Рассмотрим основные условия, при которых можно осуществить способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода и обеспечить достижение технического результата.Consider the basic conditions under which it is possible to implement a method of creating intense flows of charged carbon nanoparticles and ensure the achievement of a technical result.

Максимальная величина удельного заряда положительно заряженной наночастицы углерода связана с предельным значением электрического поля на ее поверхности, при которой происходит разрушение частицы за счет автоионной эмиссии и действия расталкивающих кулоновских сил.The maximum specific charge of a positively charged carbon nanoparticle is associated with the limiting value of the electric field on its surface, at which the particle is destroyed due to autoionic emission and the action of repulsive Coulomb forces.

Напряженность Es электрического поля на поверхности частицы ограничено значением

Figure 00000008
, при котором наступает автоионная эмиссия - испускание ионов с поверхности частицы под действием электрического поля (испарение вещества). Величина поля автоионной эмиссии примерно на порядок больше значения поля автоэлектронной эмиссии и составляет для углерода
Figure 00000009
МВ/см при температуре вблизи абсолютного нуля. Следует отметить, что величина напряженности поля автоионной эмиссии для углерода существенно выше по сравнению с соответствующими предельными значениями для металлов. Так, например,
Figure 00000008
для вольфрама составляет 1052 МВ/см, а для титана - 399 МВ/см.The electric field strength Es on the particle surface is limited by
Figure 00000008
at which autoionic emission occurs - the emission of ions from the surface of a particle under the influence of an electric field (evaporation of a substance). The field of field emission is approximately an order of magnitude larger than the field of field emission and is for carbon
Figure 00000009
MV / cm at a temperature near absolute zero. It should be noted that the magnitude of the field of autoion emission for carbon is significantly higher compared with the corresponding limit values for metals. For example,
Figure 00000008
for tungsten is 1052 MV / cm, and for titanium - 399 MV / cm.

Исходя из порогового значения поля автоионной эмиссии

Figure 00000010
В/м для сферической наночастицы - фуллерена можно определить предельный заряд Q, при котором начинается автоионная эмиссия:Based on the threshold value of the field of field emission
Figure 00000010
V / m for a spherical nanoparticle - fullerene, it is possible to determine the limiting charge Q, at which autoion emission begins:

Q=Ze=ε0Es⋅4πr2≈1.9⋅10-18 Кл≈12е, Z=+12,Q = Ze = ε 0 E s ⋅4πr 2 ≈1.9⋅10 -18 Cl≈12е, Z = + 12,

где ε0≈ 8.85⋅10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; r=0.35⋅10-9 м - радиус фуллерена С60; е≅1.6⋅10-19 Кл - элементарный электрический заряд.where ε 0 ≈ 8.85⋅10 -12 F / m is the dielectric constant of vacuum; r = 0.35⋅10 -9 m is the radius of fullerene C 60 ; е≅1.6⋅10 -19 Кл - elementary electric charge.

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

Figure 00000011
составляет:Thus, the limiting value of the electric field of autoion emission for fullerenes corresponds to the maximum charge of a carbon nanoparticle Z = + 12. Therefore, the limit value of the specific charge of fullerene
Figure 00000011
is:

Figure 00000012
Figure 00000012

Для сферической наночастицы углерода произвольного радиуса зависимость, определяющая удельный заряд, имеет следующий вид:For a spherical carbon nanoparticle of arbitrary radius, the dependence determining the specific charge has the following form:

Figure 00000013
Figure 00000013

где ρ - плотность вещества частицы.where ρ is the density of the substance of the particle.

Из приведенной зависимости (1) видно, что для микрочастиц, имеющих больший по сравнению с фуллереном размер (радиус), ограничение по автоионной эмиссии приведет к уменьшению максимального удельного заряда, поскольку величина Q/m обратно пропорционально радиусу частицы.It can be seen from the above dependence (1) that for microparticles having a larger size (radius) compared to fullerene, the restriction on autoionic emission will lead to a decrease in the maximum specific charge, since Q / m is inversely proportional to the particle radius.

Для цилиндрической геометрии наночастицы углерода, характерной для нанотрубок, зависимость Q/m(r) примет следующий вид:For the cylindrical geometry of carbon nanoparticles characteristic of nanotubes, the Q / m (r) dependence takes the following form:

Figure 00000014
Figure 00000014

Из сравнения зависимостей (1) и (2) следует, что максимальное значение удельного заряда для нанотрубок в 1,5 раза ниже по сравнению со сферическими наночастицами углерода (фуллеренами): Q/m=1,1⋅106 Кл/кг.From a comparison of dependences (1) and (2), it follows that the maximum specific charge for nanotubes is 1.5 times lower compared to spherical carbon nanoparticles (fullerenes): Q / m = 1.1⋅10 6 C / kg.

Второе условие, ограничивающее величину максимального электрического поля на поверхности наночастицы, связано с кулоновским отталкиванием зарядов и определяется прочностными свойствами материала частицы. Оценка величины механических напряжений в наночастице основывается на решении системы уравнений упругости в сферической геометрии. Максимальное значение азимутальной компоненты напряжения σϕ на поверхности сферы, ограничивающей поверхность наночастицы, с учетом связи электрического поля Es на поверхности частицы с ее зарядом в соответствии с теоремой Гаусса, определяется на основании следующей зависимости:The second condition, limiting the maximum electric field on the surface of the nanoparticle, is associated with the Coulomb repulsion of charges and is determined by the strength properties of the particle material. The estimation of the value of mechanical stresses in a nanoparticle is based on the solution of a system of elasticity equations in spherical geometry. The maximum value of the azimuthal stress component σ ϕ on the surface of the sphere bounding the surface of the nanoparticle, taking into account the connection of the electric field E s on the surface of the particle with its charge in accordance with the Gauss theorem, is determined based on the following relationship:

Figure 00000015
Figure 00000015

где q - объемная плотность заряда частицы, Кл/м3; r - радиус частицы; ν - коэффициент Пуассона.where q is the volumetric charge density of the particle, C / m 3 ; r is the particle radius; ν is the Poisson's ratio.

Для обеспечения целостности ускоряемой наночастицы углерода величина σϕ не должна превышать значение механического напряжения σВ, соответствующее пределу прочности материала частицы на разрыв. Данное условие определяет следующую зависимость для максимального значения поля на поверхности частицы:To ensure the integrity of the accelerated carbon nanoparticles, the value of σ ϕ should not exceed the value of the mechanical stress σ B corresponding to the tensile strength of the particle material. This condition determines the following dependence for the maximum value of the field on the particle surface:

Figure 00000016
Figure 00000016

При характерном значении коэффициента Пуассона ν≈0.3 и значении предела прочности углерода σВ≈150 ГПа можно определить, согласно зависимости (4), величину максимальной напряженности электрического поля:

Figure 00000017
В/м. Данная величина примерно в 1,5 раза больше максимального предельного значения напряженности электрического поля, при котором возникает автоионная эмиссия с поверхности фуллерена.When the characteristic value of Poisson's ratio and the value of the limit ν≈0.3 carbon strength σ B ≈150 GPa can be determined according to the relationship (4), the magnitude of the maximum electric field intensity:
Figure 00000017
V / m This value is approximately 1.5 times greater than the maximum limit value of the electric field strength at which autoionic emission from the fullerene surface occurs.

Для цилиндрической геометрии нанотрубок величина максимального электрического поля на поверхности наночастицы, связанная с кулоновским отталкиванием зарядов, рассчитывается согласно следующей зависимости:For the cylindrical geometry of nanotubes, the maximum electric field on the surface of the nanoparticle, associated with the Coulomb repulsion of charges, is calculated according to the following dependence:

Figure 00000018
Figure 00000018

Рассчитанная согласно зависимости (5) величина больше максимального поля для сферической геометрии наночастиц. Величина предельного значения электрического поля для нанотрубок составляет

Figure 00000019
В/м. Следовательно, нанотрубки по сравнению с фуллеренами имеют более высокое пороговое значение электрического поля, при котором происходит разрушение частиц.The value calculated according to dependence (5) is greater than the maximum field for the spherical geometry of nanoparticles. The limiting value of the electric field for nanotubes is
Figure 00000019
V / m Therefore, nanotubes in comparison with fullerenes have a higher threshold value of the electric field at which the destruction of particles occurs.

Таким образом, предельные значения электрического поля, являющиеся критериями неразрушения наночастиц по прочностному фактору и возможности возникновения автоионной эмиссии, приблизительно совпадают. Для различных видов наночастиц углерода верхний предел удельного заряда наночастиц, при котором не происходит их разрушение в результате действия кулоновских сил отталкивания и автоионной эмиссии, составляет Q/m≈1,1⋅106 Кл/кг.Thus, the limiting values of the electric field, which are the criteria for the non-destruction of nanoparticles by the strength factor and the possibility of autoion emission, approximately coincide. For various types of carbon nanoparticles, the upper limit of the specific charge of nanoparticles, at which they are not destroyed as a result of the Coulomb repulsive forces and autoionic emission, is Q / m≈1.1⋅10 6 C / kg.

Нижнее предельное значение удельного заряда наночастиц углерода выбрано исходя из условия возможности генерации высокоэнергетических и высокоскоростных интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, которые могут использоваться для осуществления реакций термоядерного синтеза и проведения исследований при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света. Для реализации поставленных задач скорость частиц должна быть не менее 107 м/с, а соответствующая величина удельной кинетической энергии заряженных частиц на атом углерода E/N - не менее 8 МэВ. Указанные условия реализуются при величине удельного заряда наночастиц углерода не менее 5,3⋅105 Кл/кг. Расчетные параметры потока заряженных наночастиц углерода могут быть достигнуты за счет ускорения в электрическом поле с ускоряющим потенциалом не менее 108 В. При указанном нижнем ограничении удельного заряда наночастиц углерода минимальный целочисленный заряд фуллерена должен быть не менее Z=+4. Следует отметить, что при использовании макрочастиц с размером ~1 мкм и более, для которых параметр Q/m не превышает 103 Кл/кг, требуемые минимальные значения параметров ускоренного потока заряженных частиц не могут быть достигнуты.The lower limit value of the specific charge of carbon nanoparticles is selected based on the condition of the possibility of generating high-energy and high-speed intense flows of charged carbon nanoparticles, which can be used to carry out fusion reactions and conduct studies at particle speeds comparable to the speed of light. To achieve these goals, the particle velocity should be at least 10 7 m / s, and the corresponding value of the specific kinetic energy of charged particles per carbon atom E / N - at least 8 MeV. These conditions are realized when the specific charge of carbon nanoparticles is not less than 5.3⋅10 5 C / kg. The calculated flow parameters of charged carbon nanoparticles can be achieved by accelerating in an electric field with an accelerating potential of at least 10 8 V. With the specified lower limit on the specific charge of carbon nanoparticles, the minimum integer fullerene charge should be at least Z = + 4. It should be noted that when using particles with a size of ~ 1 μm or more, for which the parameter Q / m does not exceed 10 3 C / kg, the required minimum values of the parameters of the accelerated flow of charged particles cannot be achieved.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров осуществления способа создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода.The invention is further illustrated by the description of specific examples of the method for creating intense flows of charged carbon nanoparticles.

Необходимый заряд наночастиц углерода, в частности фуллерена, обеспечивается путем ионизации сформированного потока наночастиц электронным пучком. В результате образуются заряженные многоатомные ионы

Figure 00000001
с положительным зарядом до Z=+6 при удельном заряде Q/m=0,8⋅106 Кл/кг (Senn G., Mark Т. D., Scheier P. Charge Separation Processes of Highly Charged Fullerene Ions // J. Chem. Phys. 1998. Vol. 108, №3). Поток фуллеренов формируется при нагреве фуллереновой пудры в печи при температуре до 1020 К. На поток фуллеренов воздействуют пучком электронов с током до 2 мА. В результате воздействия электронов происходит многократная ионизация наночастиц углерода. Образованные заряженные наночастицы вытягиваются из области взаимодействия электрическим полем, направление которого перпендикулярно направлениям электронного пучка и исходного пучка нейтральных фуллеренов.The necessary charge of carbon nanoparticles, in particular fullerene, is provided by ionizing the generated nanoparticle stream by an electron beam. As a result, charged polyatomic ions are formed.
Figure 00000001
with a positive charge up to Z = + 6 with a specific charge Q / m = 0.8⋅10 6 C / kg (Senn G., Mark T. D., Scheier P. Charge Separation Processes of Highly Charged Fullerene Ions // J. Chem. Phys. 1998. Vol. 108, No. 3). The fullerene stream is formed when the fullerene powder is heated in a furnace at a temperature of up to 1020 K. The electron beam is affected by an electron beam with a current of up to 2 mA. As a result of the action of electrons, multiple ionization of carbon nanoparticles occurs. The formed charged nanoparticles are pulled out of the interaction region by an electric field whose direction is perpendicular to the directions of the electron beam and the initial beam of neutral fullerenes.

В процессе зарядки наночастиц углерода образуются многоатомные ионы с различными зарядами Z, например фуллерены:

Figure 00000020
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
и т.д. Для отбора наночастиц, электрический заряд которых соответствует условию выбора удельного заряда Q/m (от 5,3⋅105 Кл/кг до 1,1⋅106 Кл/кг), перед входом в ускоритель производится сепарация заряженных наночастиц по величине заряда. Для этого может использоваться магнитный сепаратор, с помощью которого поток заряженных наночастиц (многоатомных ионов) пространственно разделяется при движении в области действия магнитного поля сепаратора на отдельные пучки, имеющие различные положительные заряды. Выделенный поток наночастиц, имеющих необходимый заряд, направляется в ускоритель заряженных частиц.In the process of charging carbon nanoparticles, polyatomic ions with different charges Z are formed, for example, fullerenes:
Figure 00000020
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
etc. To select nanoparticles whose electric charge corresponds to the condition for the choice of specific charge Q / m (from 5.3 × 10 5 C / kg to 1.1 × 10 6 C / kg), charged nanoparticles are separated by the amount of charge before entering the accelerator. For this, a magnetic separator can be used, with the help of which the flow of charged nanoparticles (polyatomic ions) is spatially separated when moving in the field of action of the magnetic field of the separator into individual beams having different positive charges. The selected stream of nanoparticles having the necessary charge is directed to the charged particle accelerator.

Более высокие значения заряда наночастиц углерода (многоатомных ионов

Figure 00000023
) могут быть получены при облучении сформированного потока фуллеренов мощным лазерным импульсом в инфракрасном диапазоне. Мощность импульсов составляет 1015 Вт при длительности импульсов 7⋅10-14 с (Bhardwaj V. R., Corkum Р. В., Rayner D.M. Internal Laser-Induced Dipole Force at Work in С60 Molecule // Physical Review Letters. 2003. V. 91, №20).Higher values of the charge of carbon nanoparticles (polyatomic ions
Figure 00000023
) can be obtained by irradiating the formed stream of fullerenes with a powerful laser pulse in the infrared range. The pulse power is 10 15 W with a pulse duration of 7⋅10 -14 s (Bhardwaj VR, Corkum R.V., Rayner DM Internal Laser-Induced Dipole Force at Work in C 60 Molecule // Physical Review Letters. 2003. V. 91 , No. 20).

Наночастицы углерода можно также заряжать путем контакта с электродом (анодом), облучением протонным пучком, ионизацией при осуществлении электронно-циклотронного резонанса (Wethekam S., Winter Н. Elasticity, Internal Excitation, and Charge Transfer during Grazing Scattering of keV Fullerenes from a LiF (100) Surface // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. В 269. 2011. P. 1179-1184).Carbon nanoparticles can also be charged by contact with an electrode (anode), proton beam irradiation, ionization during electron-cyclotron resonance (Wethekam S., Winter H. Elasticity, Internal Excitation, and Charge Transfer during Grazing Scattering of keV Fullerenes from a LiF ( 100) Surface // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 269. 2011. P. 1179-1184).

Полученные многоатомные ионы

Figure 00000024
являются стабильными, время их жизни составляет не менее одной секунды. Стабильность и достаточно большое время жизни наночастиц, необходимое для их ускорения и транспортировки в область воздействия на другие частицы или материалы, обеспечивается за счет ограничения величины их удельного заряда Q/m в пределах расчетного диапазона: от 5,3⋅105 Кл/кг до 1,1⋅106 Кл/кг.The resulting polyatomic ions
Figure 00000024
are stable, their life time is at least one second. The stability and sufficiently long lifetime of nanoparticles necessary for their acceleration and transportation to the area of influence on other particles or materials is ensured by limiting the value of their specific charge Q / m within the calculated range: from 5.3 от10 5 C / kg to 1.1⋅10 6 C / kg.

Сформированный интенсивный поток заряженных наночастиц, заряд которых удовлетворяет условию выбора удельного заряда, направляется на вход ускорителя заряженных частиц, с помощью которого производится ускорение частиц в электрическом поле до требуемого уровня скорости (не менее 107 м/с) и удельной кинетической энергии (не менее 8 МэВ на один атом углерода).The generated intense flow of charged nanoparticles, the charge of which satisfies the condition for the choice of specific charge, is directed to the input of the charged particle accelerator, with the help of which the particles are accelerated in the electric field to the required velocity level (at least 10 7 m / s) and specific kinetic energy (at least 8 MeV per carbon atom).

Для ускорения заряженных наночастиц углерода может использоваться линейный резонансный ускоритель, в котором положительно заряженные частицы ускоряются электрическим полем в зазорах между цилиндрическими дрейфовыми трубками (см., например, международную заявку WO 2007/144058 А1, опубликованную 21.12.2007). В рассматриваемом примере разность потенциалов между дрейфовыми трубками для каждого ускоряющего промежутка составляет 500 кВ. Частота ускоряющего поля ƒ составляет от 1000 МГц до 3000 МГц. Достижение кинетической энергии 500 МэВ на фуллерен и удельной кинетической энергии 8,4 МэВ на атом углерода обеспечивается с помощью линейного ускорителя, содержащего 1000 ускоряющих промежутков.To accelerate charged carbon nanoparticles, a linear resonant accelerator can be used in which positively charged particles are accelerated by an electric field in the gaps between cylindrical drift tubes (see, for example, international application WO 2007/144058 A1, published on December 21, 2007). In this example, the potential difference between the drift tubes for each accelerating gap is 500 kV. The frequency of the accelerating field ƒ is from 1000 MHz to 3000 MHz. The kinetic energy of 500 MeV per fullerene and the specific kinetic energy of 8.4 MeV per carbon atom are achieved using a linear accelerator containing 1000 accelerating gaps.

Ускорение заряженных наночастиц в электрическом поле может осуществляться циклически с помощью циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями. Изменение направления движения заряженных частиц для ввода их на заданную замкнутую траекторию движения осуществляется с помощью инфлекторов ускорителя, а изменение направления движения заряженных частиц для отклонения их с траектории движения, в частности для вывода их с орбиты, - с помощью дефлекторов ускорителя. Заряженные частицы в таких ускорителях двигаются по замкнутым траекториям, состоящим из линейных участков (линейных ускоряющих секций), между которыми расположены направляющие устройства, изменяющие траекторию движения частиц (см., например, патент RU 2456781 C1, опубликованный 20.07.2012). Ввод и вывод частиц из ускорительного тракта ускорителя обеспечивается с помощью специальных устройств, обеспечивающих отклонение траектории движения частиц. Ускоритель содержит цилиндрические электроды, попеременно подключенные к двум выходам источника высокого напряжения. После достижения заданной скорости напряжение в одном из направляющих устройств отключается, и поток заряженных наночастиц выводится из ускорителя.The acceleration of charged nanoparticles in an electric field can be carried out cyclically using a cyclic accelerator with linear accelerating sections. Changing the direction of motion of charged particles to enter them into a given closed path of motion is carried out using accelerators, and changing the direction of motion of charged particles to deflect them from the path of motion, in particular to remove them from orbit, using accelerators. Charged particles in such accelerators move along closed paths consisting of linear sections (linear accelerating sections), between which are guiding devices that change the particle path (see, for example, patent RU 2456781 C1, published July 20, 2012). The input and output of particles from the accelerator path of the accelerator is provided with the help of special devices that provide deviation of the particle path. The accelerator contains cylindrical electrodes alternately connected to two outputs of a high voltage source. After reaching the set speed, the voltage in one of the guiding devices is turned off, and the flow of charged nanoparticles is removed from the accelerator.

В другом варианте осуществления изобретения заряженные наночастицы углерода могут ускоряться в электрическом поле с помощью циклотрона. В классическом циклотроне (ускорителе Лоуренса) заряженные частицы ускоряются электрическим полем, действующим в зазорах между дуантами. Движение заряженных частиц по спиральной траектории обеспечивается с помощью постоянного магнитного поля (см., например, патент RU 2373673 C1, опубликованный 20.11.2009). В процессе ускорения в таких ускорителях действующая на частицу центробежная сила уравновешивается силой, возникающей в результате действия магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению движения заряженной частицы. При движении многоатомного иона

Figure 00000025
с линейной скоростью 1,6⋅107 м/с величина индукции постоянного магнитного поля вычисляется согласно зависимости: В [Тл]=18/R [м], где R - радиус орбиты вращения иона. При радиусе орбиты R=3 м индукция магнитного поля должна быть равна 6 Тл. При данной величине магнитного поля период обращения фуллерена в циклотроне составит 3.6⋅10-6 с. Для достижения скорости 1,6⋅107 м/с и энергии 1,0 ГэВ при амплитуде напряжения между дуантами ускорителя 105 В заряженная наночастица углерода должна совершить 104 оборотов. За счет увеличения эффективной длины разгона наночастицы, при сохранении компактности устройства, ускорение наночастиц углерода с помощью циклотрона является наиболее целесообразным способом ускорения.In another embodiment, charged carbon nanoparticles can be accelerated in an electric field using a cyclotron. In the classical cyclotron (Laurence accelerator), charged particles are accelerated by an electric field acting in the gaps between the dees. The movement of charged particles along a spiral trajectory is provided using a constant magnetic field (see, for example, patent RU 2373673 C1, published on November 20, 2009). During acceleration in such accelerators, the centrifugal force acting on the particle is balanced by the force arising from the action of a magnetic field directed perpendicular to the direction of motion of the charged particle. When moving a polyatomic ion
Figure 00000025
with a linear velocity of 1.6⋅10 7 m / s, the magnitude of the induction of a constant magnetic field is calculated according to the dependence: V [T] = 18 / R [m], where R is the radius of the orbit of rotation of the ion. When the radius of the orbit R = 3 m, the induction of the magnetic field should be equal to 6 T. At a given magnitude of the magnetic field, the period of revolution of the fullerene in the cyclotron will be 3.6⋅10 -6 s. In order to achieve a speed of 1.6 710 7 m / s and an energy of 1.0 GeV with a voltage amplitude between the accelerators of 10 5 V, a charged carbon nanoparticle must complete 10 4 revolutions. By increasing the effective length of the acceleration of the nanoparticles, while maintaining the compactness of the device, the acceleration of carbon nanoparticles using a cyclotron is the most appropriate way to accelerate.

Для ввода заряженных наночастиц в ускорительный тракт циклотрона используется инжектор заряженных частиц, выполненный в виде линейного ускорителя. Инжектор устанавливается на расчетном расстоянии от оси циклотрона. Вращаясь в магнитном поле вокруг оси циклотрона, заряженные наночастицы ускоряются за один период вращения в двух зазорах, образованных между дуантами, между которыми прикладывается переменное электрическое поле с частотой, соответствующей частоте вращения частиц. Вывод заряженных наночастиц из ускорительного тракта осуществляется через канал (дефлектор), расположенный на расстоянии радиуса R от оси вращения. Заряженные наночастицы выводятся из ускорителя посредством воздействия на них электрическим полем, отклоняющим их траекторию движения вдоль касательной к спиральной траектории вращения в циклотроне.A charged particle injector made in the form of a linear accelerator is used to introduce charged nanoparticles into the accelerating path of the cyclotron. The injector is installed at a calculated distance from the axis of the cyclotron. Rotating in a magnetic field around the axis of the cyclotron, charged nanoparticles are accelerated in one rotation period in two gaps formed between the dees, between which an alternating electric field is applied with a frequency corresponding to the particle rotation frequency. The withdrawal of charged nanoparticles from the accelerator path is carried out through a channel (deflector) located at a distance of radius R from the axis of rotation. Charged nanoparticles are removed from the accelerator by exposure to them by an electric field that deflects their trajectory along the tangent to the spiral trajectory of rotation in the cyclotron.

Предельная плотность потока заряженных частиц определяется поперечным и продольным кулоновским отталкиванием частиц. Отношение тока пучка к предельному току характеризует расхождение пучка заряженных частиц вследствие действия кулоновских сил отталкивания. Важным параметром, определяющим плотность потока заряженных частиц, является эмиттанс - численная характеристика ускоренного потока заряженных частиц, равная объему фазового пространства, занимаемого частицами. Различают продольный и поперечный эмиттанс. В случае поперечного эмиттанса обычно переходят от рассмотрения частиц в пространстве координат и импульсов к рассмотрению частиц в пространстве координат и углов направлений движения. Характерные значения поперечного эмиттанса для ускоренного с помощью циклотрона потока протонов составляют

Figure 00000026
(Behavior of Space Charge Dominated Beam in High-Current Compact Cyclotron / A.Goswami [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2006. V. 562. P. 34-40).The limiting flux density of charged particles is determined by the transverse and longitudinal Coulomb repulsion of particles. The ratio of the beam current to the limiting current characterizes the divergence of the beam of charged particles due to the action of Coulomb repulsive forces. An important parameter that determines the density of the flow of charged particles is emittance - a numerical characteristic of the accelerated flow of charged particles equal to the volume of the phase space occupied by the particles. Distinguish between longitudinal and transverse emittance. In the case of transverse emittance, one usually goes from considering particles in the space of coordinates and momenta to considering particles in the space of coordinates and angles of directions of motion. The characteristic values of the transverse emittance for the proton flux accelerated by the cyclotron are
Figure 00000026
(Behavior of Space Charge Dominated Beam in High-Current Compact Cyclotron / A. Goswami [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2006. V. 562. P. 34-40).

Продольное и поперечное сжатие потока заряженных наночастиц углерода обеспечивает достижение максимальной плотности и максимального тока ускоряемых наночастиц за счет уменьшения объема фазового пространства, занимаемого частицами. Для сжатия потока используются продольные и поперечные фазовые уплотнители потока заряженных наночастиц углерода.Longitudinal and transverse compression of the flow of charged carbon nanoparticles ensures maximum density and maximum current of accelerated nanoparticles by reducing the volume of phase space occupied by the particles. To compress the flow, longitudinal and transverse phase compressors of the flow of charged carbon nanoparticles are used.

Продольное сжатие потока заряженных наночастиц осуществляют на входе и выходе ускорителя заряженных частиц с помощью двух фазовых уплотнителей, выполненных в виде ускоряющих межэлектродных промежутков (зазоров), расположенных вдоль направления движения наночастиц и выполняющих функцию электростатических линз. Первый ускоряющий межэлектродный промежуток размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя. В случае использования инжектора в циклотроне первый межэлектродный промежуток размещается перед инжектором. Электрическое поле в ускоряющих промежутках ускорителей изменяется, например, по синусоидальному закону. За счет модуляции скорости частиц по продольной координате обеспечивается дополнительное увеличение плотности потока заряженных частиц (Sing Babu P., Goswami A., Pandit V.S. Simulation of Beam Bunching in the Presence of Space Charge Effects // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2009. V. 603. P. 222-227).Longitudinal compression of the flow of charged nanoparticles is carried out at the inlet and outlet of the charged particle accelerator using two phase seals made in the form of accelerating interelectrode gaps (gaps) located along the direction of motion of the nanoparticles and acting as electrostatic lenses. The first accelerating interelectrode gap is placed at the entrance to the accelerator, and the second at the exit of the accelerator. In the case of using an injector in a cyclotron, the first interelectrode gap is placed in front of the injector. The electric field in the accelerating gaps of the accelerators changes, for example, according to a sinusoidal law. By modulating the particle velocity along the longitudinal coordinate, an additional increase in the flux density of charged particles is provided (Sing Babu P., Goswami A., Pandit VS Simulation of Beam Bunching in the Presence of Space Charge Effects // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2009 V. 603. P. 222-227).

За счет использования продольных фазовых уплотнителей в виде дополнительных ускоряющих межэлектродных промежутков в циклических или линейных ускорителях достигается продольное сжатие потока заряженных частиц (уменьшение размера фазового пространства, занимаемого частицами, в продольном направлении) на входе с ускоритель до 20 раз, а на выходе - в два раза.Through the use of longitudinal phase seals in the form of additional accelerating interelectrode gaps in cyclic or linear accelerators, longitudinal compression of the flow of charged particles (reduction of the phase space occupied by the particles in the longitudinal direction) is achieved at the input from the accelerator up to 20 times, and at the output, two times.

На входе и выходе ускорителя осуществляют также поперечное сжатие потока заряженных наночастиц с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз. Первую магнитную линзу размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя. Поперечное сжатие потока частиц происходит за счет азимутального профилирования магнитного поля, создаваемого магнитными линзами. В результате поперечного сжатия потока максимальный установившийся ток фуллеренов в поперечно сжатом потоке составит I~200 mА, а плотность потока фуллеренов - 1.3⋅1017 частиц/с. При данных параметрах могут быть получены следующие энергетические характеристики для потока фуллеренов: поток энергии - Н≈20 МВт, плотность потока энергии при диаметре поперечного сечения потока частиц (диаметре пятна) 6 мм - G≈80 МВт/см2.At the inlet and outlet of the accelerator, the flow of charged nanoparticles is also transversely compressed using two phase compressors of the flow of charged carbon nanoparticles, made in the form of magnetic lenses. The first magnetic lens is placed at the entrance to the accelerator, and the second at the output of the accelerator. Transverse compression of the particle flow occurs due to the azimuthal profiling of the magnetic field created by magnetic lenses. As a result of transverse compression of the flow, the maximum steady-state fullerene current in the transversely compressed flow will be I ~ 200 mA, and the fullerene flux density will be 1.3 --10 17 particles / s. With these parameters, the following energy characteristics can be obtained for the fullerene flux: energy flux — H≈20 MW, energy flux density at a diameter of the cross section of the particle flux (spot diameter) 6 mm — G≈80 MW / cm 2 .

В случае использования в качестве наночастиц углерода нанотрубок можно получить следующие характеристики потока заряженных наночастиц углерода.In the case of using nanotubes as carbon nanoparticles, the following flow characteristics of charged carbon nanoparticles can be obtained.

Рассмотрим поток нанотрубок, ускоряемых в электрическом поле. Нанотрубки могут быть однослойными или многослойными. Длина различных видов нанотрубок может варьироваться в широком диапазоне: от 10-8 м до 10-2 м. Для оценочных расчетов выберем нанотрубку со следующими характерными параметрами: радиус r=3,5⋅10-10 м, длина

Figure 00000027
=10-2 м, удельный заряд Q/m=106 Кл/кг. При ускоряющем потенциале ϕ=108 В углеродная нанотрубка может быть ускорена до скорости V=1,6⋅107 м/с и энергии Т=7⋅1015 эВ. Длительность импульсного воздействия ускоренных нанотрубок на мишень будет составлять ~10-9 с. Ток, создаваемый движущейся нанотрубкой, будет равен:
Figure 00000028
мА. При параллельном движении десяти нанотрубок величина тока будет составлять 180 мА. Данная величина сравнима с максимально достижимым током, полученным для потока фуллеренов с учетом его поперечного сжатия с помощью магнитных линз. Поток энергии в этом случае (для десяти углеродных нанотрубок) составит H≈18 МВт.Consider the flow of nanotubes accelerated in an electric field. Nanotubes can be single-walled or multi-walled. The length of various types of nanotubes can vary in a wide range: from 10 -8 m to 10 -2 m. For evaluative calculations, we choose a nanotube with the following characteristic parameters: radius r = 3.5 × 10 -10 m, length
Figure 00000027
= 10 -2 m, specific charge Q / m = 10 6 C / kg. At an accelerating potential ϕ = 10 8 V, a carbon nanotube can be accelerated to a speed of V = 1.6 × 10 7 m / s and energy T = 7 × 10 15 eV. The duration of the pulse action of accelerated nanotubes on the target will be ~ 10 -9 s. The current generated by a moving nanotube will be equal to:
Figure 00000028
ma With the parallel movement of ten nanotubes, the current value will be 180 mA. This value is comparable to the maximum achievable current obtained for the fullerene flux taking into account its transverse compression using magnetic lenses. The energy flow in this case (for ten carbon nanotubes) will be H≈18 MW.

Учитывая, что в нанотрубках элементарные заряды удерживаются прочными связями межатомного взаимодействия, для потоков углеродных нанотрубок могут быть достигнуты более высокие предельные значения тока и потока энергии. Отличие потока фуллеренов от потока нанотрубок заключается в том, что поток нанотрубок может состоять из небольшого числа одиночных нанотрубок, обеспечивая токи, сравнимые с предельными значениями для потока фуллеренов. Предельное значение тока параллельно движущихся углеродных нанотрубок можно оценить исходя из следующих граничных условий: потенциальная энергия частицы на границе потока равна энергии движения частицы вдоль оси потока, частица при перемещении вдоль оси потока на расстояние порядка радиуса потока приобретет боковую скорость (скорость разлета) порядка скорости движения вдоль оси потока. При данных условиях направленный поток заряженных частиц должен разлететься в боковые стороны на расстоянии вдоль оси потока порядка радиуса потока. В этом случае предельное значение тока для параллельно движущихся углеродных нанотрубок составит I≈2⋅104 А.Considering that elementary charges in nanotubes are held by strong bonds of interatomic interaction, higher limit values of current and energy flux can be achieved for carbon nanotube flows. The difference between the fullerene flux and the nanotube flux is that the nanotube flux can consist of a small number of single nanotubes, providing currents comparable to the limiting values for the fullerene flux. The limiting value of the current of parallel moving carbon nanotubes can be estimated on the basis of the following boundary conditions: the potential energy of the particle at the flow boundary is equal to the energy of the particle along the flow axis, when moving along the flow axis a distance of the order of the radius of the flow, it will acquire a lateral velocity (expansion velocity) of the order of velocity along the flow axis. Under these conditions, the directed flow of charged particles should scatter to the sides at a distance along the flow axis of the order of the radius of the flow. In this case, the limiting current value for parallel moving carbon nanotubes will be I≈2⋅10 4 A.

Оценка радиального расширения потока заряженных наночастиц углерода может быть проведена по величине радиального электрического поля на периферии потока ускоренных частиц, которое влияет на расширение потока и ограничивает величину тока пучка. При максимальном установившемся токе I~200 mА потока заряженных фуллеренов и диаметре поперечного сечения потока d=6 мм радиальная компонента электрического поля на периферии потока составит ER≈7,7⋅104 В/м. Данная величина напряженности электрического поля существенно меньше предельного значения напряженности электрического поля, при которой возникает автоионная эмиссия. Таким образом, можно считать, что на предельные значения тока ускоряемого пучка заряженных наночастиц углерода практически не влияют ограничения, непосредственно связанные со свойствами ускоряемых заряженных частиц.Evaluation of the radial expansion of the flow of charged carbon nanoparticles can be carried out by the magnitude of the radial electric field at the periphery of the flow of accelerated particles, which affects the expansion of the flow and limits the magnitude of the beam current. At the maximum steady-state current I ~ 200 mA of the flow of charged fullerenes and the diameter of the cross section of the flow d = 6 mm, the radial component of the electric field at the periphery of the flow will be E R ≈7.7⋅10 4 V / m. This value of the electric field strength is significantly less than the limiting value of the electric field strength at which autoion emission occurs. Thus, we can assume that the limiting current values of the accelerated beam of charged carbon nanoparticles are practically not affected by restrictions directly related to the properties of accelerated charged particles.

Радиальная компонента электрического поля, создаваемого одной нанотрубкой, удельный заряд которой равен Q/m≈106 Кл/кг, на периферии потока (r≈3⋅10-3 м) составляет ER≈4,3⋅103 В/м. Предельное значение тока, создаваемого нанотрубками при параллельном движении, будет достигнуто, если количество нанотрубок в потоке достигнет порядка 30. Величина радиального электрического поля в потоке нанотрубок может быть снижена за счет уменьшения длины углеродных нанотрубок по отношению к диаметру потока. В итоге предельный ток для нанотрубок может составить I≈10 А при диаметре потока порядка 6 мм.The radial component of the electric field created by one nanotube, the specific charge of which is Q / m≈10 6 C / kg, at the periphery of the flow (r≈3⋅10 -3 m) is E R ≈4.3⋅10 3 V / m. The limit value of the current generated by nanotubes in parallel motion will be reached if the number of nanotubes in the flow reaches about 30. The value of the radial electric field in the flow of nanotubes can be reduced by reducing the length of the carbon nanotubes relative to the diameter of the flow. As a result, the limiting current for nanotubes can be I≈10 A with a flow diameter of about 6 mm.

Приведенные выше экспериментальные и расчетные данные подтверждает возможность создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, движущихся со скоростью не менее 107 м/с при величине удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ. Указанные параметры потока заряженных наночастиц углерода достигаются в результате их ускорения в электрическом поле. Наночастицы углерода могут ускоряться в электрическом поле в виде сгустка заряженных частиц. За счет выбора величины удельного заряда Q/m наночастиц углерода в пределах расчетного диапазона значений обеспечивается стабильность и целостность наночастиц в процессе их ускорения в электрическом поле до момента вхождения в реакционную зону. Такой зоной может быть зона взаимодействия с исследуемым веществом или зона столкновения заряженных частиц (при осуществлении реакций термоядерного синтеза).The above experimental and calculated data confirms the possibility of creating intense flows of charged carbon nanoparticles moving at a speed of at least 10 7 m / s with a specific kinetic energy per carbon atom E / N of at least 8 MeV. The indicated flow parameters of charged carbon nanoparticles are achieved as a result of their acceleration in an electric field. Carbon nanoparticles can be accelerated in an electric field in the form of a bunch of charged particles. By choosing the specific charge Q / m of carbon nanoparticles within the calculated range of values, stability and integrity of the nanoparticles during their acceleration in an electric field is ensured until they enter the reaction zone. Such a zone may be a zone of interaction with the test substance or a zone of collision of charged particles (during the implementation of fusion reactions).

Способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода может найти применение для решения ряда технических и исследовательских задач, включая:The method of creating intense flows of charged carbon nanoparticles can be used to solve a number of technical and research problems, including:

- создание условий для протекания реакций управляемого термоядерного синтеза, в том числе с инерциальным удержанием;- creating conditions for the occurrence of controlled thermonuclear fusion reactions, including those with inertial confinement;

- исследование свойств вещества при экстремальных параметрах в результате взаимодействия интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода с материалом мишени;- study of the properties of a substance at extreme parameters as a result of the interaction of intense flows of charged carbon nanoparticles with the target material;

- получение и исследование свойств вещества при сверхвысокой концентрации энергии в виде горячей плазмы с температурой порядка 10 кэВ и плотностью порядка плотности конденсированного вещества (1022 см-3).- obtaining and studying the properties of a substance at an ultrahigh energy concentration in the form of a hot plasma with a temperature of the order of 10 keV and a density of the order of the density of the condensed substance (10 22 cm -3 ).

Claims (7)

1. Способ создания интенсивных потоков заряженных наночастиц углерода, включающий зарядку наночастиц углерода до получения положительно заряженных многоатомных ионов углерода
Figure 00000029
где N - число атомов углерода в наночастице, Z - целочисленный электрический заряд наночастицы, и ускорение заряженных наночастиц в электрическом поле, отличающийся тем, что наночастицы заряжают до величины удельного заряда Q/m, выбираемой в диапазоне от 5,3⋅105 Кл/кг до 1,1⋅106 Кл/кг, где Q=Z⋅е, m - масса наночастицы, е - элементарный электрический заряд, при этом заряженные наночастицы ускоряют в электрическом поле при величине ускоряющего потенциала не менее 108 В до достижения скорости не менее 107 м/с и удельной кинетической энергии на атом углерода E/N не менее 8 МэВ, где Е - кинетическая энергия заряженной наночастицы.
1. A method of creating intense flows of charged carbon nanoparticles, comprising charging carbon nanoparticles to obtain positively charged polyatomic carbon ions
Figure 00000029
where N is the number of carbon atoms in the nanoparticle, Z is the integer electric charge of the nanoparticle, and the acceleration of charged nanoparticles in an electric field, characterized in that the nanoparticles are charged to a specific charge Q / m, selected in the range from 5.3⋅10 5 C / kg to 1.1⋅10 6 C / kg, where Q = Z⋅е, m is the mass of the nanoparticle, e is the elementary electric charge, while the charged nanoparticles are accelerated in an electric field with an accelerating potential of at least 10 8 V until the speed is reached not less than 10 7 m / s and specific kinetic energy per carbon atom Yes E / N not less than 8 MeV, where E is the kinetic energy of a charged nanoparticle.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наночастиц углерода используют фуллерены или нанотрубки.2. The method according to p. 1, characterized in that fullerenes or nanotubes are used as carbon nanoparticles. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью линейного ускорителя.3. The method according to p. 1, characterized in that the charged carbon nanoparticles are accelerated using a linear accelerator. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью циклического ускорителя с линейными ускоряющими секциями.4. The method according to p. 1, characterized in that the charged carbon nanoparticles are accelerated using a cyclic accelerator with linear accelerating sections. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заряженные наночастицы углерода ускоряют с помощью циклотрона.5. The method according to p. 1, characterized in that the charged carbon nanoparticles are accelerated using a cyclotron. 6. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что на входе и выходе ускорителя осуществляют продольное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде ускоряющих межэлектродных промежутков, расположенных вдоль направления движения заряженных наночастиц углерода, первый из которых размещают на входе в ускоритель, а второй - на выходе ускорителя.6. The method according to any one of paragraphs. 3-5, characterized in that the inlet and outlet of the accelerator carry out longitudinal compression of the flow using two phase compressors of the flow of charged carbon nanoparticles, made in the form of accelerating interelectrode spaces located along the direction of motion of the charged carbon nanoparticles, the first of which is placed at the entrance to the accelerator and the second at the output of the accelerator. 7. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что на входе и выходе ускорителя осуществляют поперечное сжатие потока с помощью двух фазовых уплотнителей потока заряженных наночастиц углерода, выполненных в виде магнитных линз, первую из которых размещают на входе в ускоритель, а вторую - на выходе ускорителя.7. The method according to any one of paragraphs. 3-5, characterized in that at the inlet and outlet of the accelerator, the stream is transversely compressed using two phase flow compactors of charged carbon nanoparticles made in the form of magnetic lenses, the first of which is placed at the entrance to the accelerator, and the second at the exit of the accelerator.
RU2017144913A 2017-12-21 2017-12-21 Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles RU2658302C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144913A RU2658302C1 (en) 2017-12-21 2017-12-21 Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144913A RU2658302C1 (en) 2017-12-21 2017-12-21 Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658302C1 true RU2658302C1 (en) 2018-06-20

Family

ID=62620385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017144913A RU2658302C1 (en) 2017-12-21 2017-12-21 Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2658302C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2205525C2 (en) * 2001-07-30 2003-05-27 Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П.Королева High-speed solid-particle accelerator
RU2371891C1 (en) * 2008-07-02 2009-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева High-speed solid particle accelerator
WO2015107128A1 (en) * 2014-01-16 2015-07-23 The Queen's University Of Belfast Beam focusing and accelerating system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2205525C2 (en) * 2001-07-30 2003-05-27 Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П.Королева High-speed solid-particle accelerator
RU2371891C1 (en) * 2008-07-02 2009-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева High-speed solid particle accelerator
WO2015107128A1 (en) * 2014-01-16 2015-07-23 The Queen's University Of Belfast Beam focusing and accelerating system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А. Е. Майер, О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОВ, Вестник Челябинского государственного университета. 2013. *
Особенности распыления кремниевых и углеродных мишеней ускоренными ионами фуллерена С 60 / М.В. Малеев [и др.] // Журнал физики и инженерии поверхности. 2015. N1. С. 91-95. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yu et al. Bright betatronlike x rays from radiation pressure acceleration of a mass-limited foil target
Prelec et al. Formation of negative hydrogen ions in direct extraction sources
Honrubia et al. On intense proton beam generation and transport in hollow cones
Faircloth Ion sources for high-power hadron accelerators
Seznec et al. Dynamics of microparticles in vacuum breakdown: Cranberg’s scenario updated by numerical modeling
Barnes et al. Beyond the Brillouin limit with the Penning fusion experiment
RU2658302C1 (en) Method of generating intense flows of charged carbon nanoparticles
Furman et al. Ionic diode
Zhu et al. High-intensity pulsed ion beam focusing by its own space charge
Solyakov High-power plasma dynamic systems of quasi-stationary type in IPP NSK KIPT: results and prospects
Abdelrahman Factors enhancing production, extraction and focusing of positive ion beams
Ahmad et al. A cusp field, hollow cathode, carbon cluster ion source
Lisenkov et al. Numerical investigation of a high-pressure gas medium preionization by runaway electrons
Antipov et al. Investigation of the initial stage of the discharge in an ablative pulsed plasma thruster
Xia et al. An ultracold low emittance electron source
Mamontov et al. Runaway electrons in an air gap in the presence of a magnetic field
RU2764147C1 (en) Injector for cluster ion accelerator
RU2700583C1 (en) Method for multi-step energy recovery of charged particles and device for its implementation
RU192808U1 (en) PULSE NEUTRON GENERATOR
RU2707272C1 (en) Powerful neutron source using a nuclear synthesis reaction, which proceeds during bombardment of a neutron-forming gas target by accelerated deuterium ions
Pushkarev et al. Applicability of the 1D Child–Langmuir relation for ion diode current calculation
Hattori et al. Ion source of multiply charged C 60 fullerene and fullerene linear accelerator
Jiang et al. Particle-in-cell simulation of electron trajectories and irradiation uniformity in an annular cathode high current pulsed electron beam source
Behtouei et al. Relativistic approach to a low perveance high quality matched beam for a high efficiency Ka-Band klystron
Valerio-Lizarraga Longitudinal ion-clearing mechanism in space-charge neutralization of low energy beams