Способ ускорения ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения многозарядных ионов. Способ ускорения ионов включает ускорение ионов в генераторе заряженных частиц, содержащем замкнутый контур с центральной орбитой в виде многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают диполь и уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем, отличающийся тем, что управление движением ионов осуществляют в продольных магнитных полях в замкнутом объеме двух генераторов ионов в совмещенных сторонах орбит обоих генераторов ионов, причем предварительно определяют орбиты ионов, исходя из условия А₁z₂=A₂z₁, где А₁, А₂ - массовые числа, z₁, z₂ - кратности зарядов, после инжекции в углы многоугольников пучки ионов ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами, совмещают участки орбит путем регулирования величины тока источников тока на основе эффектов бесконечного усиления до достижения ионами заданного уровня энергии. Способ отличается тем, что участки орбит обоих генераторов ионов совмещают встречно - в режиме встречных пучков ионов. Способ отличается тем, что участки орбит обоих генераторов ионов совмещают в режиме движения пучков ионов в одном направлении. Технический результат - обеспечение ускорения в многовходовой структуре с числом инжектированных входов, равных количеству сторон орбиты многоугольника. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть предназначено для ускорения многозарядных ионов.

В настоящее время в энергетике используется только управляемая реакция деления, а неуправляемая (взрывная) - в термоядерном оружии.

Сведения о проблемах термоядерной реакции синтеза представлены в [1-14].

В 1938 г. Ганс Бете, Кричфилд Фаулер и Шацман указали циклы, объясняющие происхождение энергии солнца и звезд. Эти циклы сопровождаются большим выделением энергии (700 тыс. кВт•ч на каждые 4 г гелия). На солнце и менее горячих звездах преобладает протон - протонный цикл, а в более горячих звездах основным является углеродно-азотный цикл [1, 2].

В 1953 г. в СССР была испытана водородная бомба. В водородной бомбе происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера в смеси дейтерия и трития.

Согласно классической механике два ядра могут прийти в соприкосновение при их относительном движении с энергией Согласно же квантовой механике возможно проникновение ядер сквозь кулоновский барьер (туннельный эффект) при С ростом энергии относительного движения ядерных частиц длина туннеля падает, а вероятность туннельного эффекта при ударе о барьер резко возрастает. Из приведенных выше формул видно, что управляемый термоядерный синтез идет с заметной интенсивностью только между легкими ядрами.

Вероятность эффективного поперечного сечения термоядерной реакции быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остается несравненно меньше эффективного столкновения атомов. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизированной плазме, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения завершаются ядерным синтезом.

Сооружение термоядерного реактора на основе термоядерного синтеза предполагает: 1. получение плазмы с температурой в сотни миллионов градусов, 2. сохранение плазменной конфигурации в течение времени, необходимого для протекания термоядерной реакции.

Исследования в области управляемого термоядерного синтеза идут уже более 40 лет [10]. В 1950 г. Тамм И.Е. и Сахаров А.Д. предложили концепцию ТОКАМАКа, согласно которой плазма удерживается магнитным полем и полем тока, текущего в плазме вдоль оси тора. Магнитная система ТОКАМАКа выполняет три функции: 1. генерирует тороидальное магнитное поле, 2. формирует в плазме ток 10-30 МА, 3. удерживает в равновесии плазменный виток с током, который стремится увеличить свой большой радиус.

В 50-х годах ХХ века были предложены концепции:
1. "стелларатор" (Л.Спитцер, США),
2. открытых магнитных ловушек (Г.И.Будкер в СССР и Р.Пост в США),
3. тороидальный Z-пинч (Англия).

В [10] отмечается, что в упомянутых концепциях "...плазма удерживается плохо".

Трудности, связанные с магнитным удерживанием плазмы, можно по мнению авторов [8] обойти, если сжигать ядерное горючее за короткие промежутки времени с помощью лазеров, однако спроектировать такую систему пока не удается.

Проблемой термоядерного синтеза во всем мире занято ~ 100 тыс. человек [9] . Многие страны уже отказались от этой проблемы. На ТОКАМАК затрачено 20 миллиардов долларов [13], а ее завершение откладывается еще на 50 лет.

"После водородной бомбы проблема управляемого синтеза стоит около 50 лет и до сих пор не решена, т.е. не только не создан промышленный реактор, но и нет лабораторных модулей со стабильным выходом энергии, ни схемы термоядерного реактора, в который бы верили все специалисты" [14].

За почти одинаковый исторический период важнейшие направления науки на ее переднем крае (в области физики высоких энергий и термоядерного синтеза) развивались с почти одинаковыми результатами, когда период ярких и эффективных достижений заканчивался застоем или переходом в тупик. Развитие указанных направлений науки произошло с принципиальными отклонениями от принципов построения идеальных систем автоматического управления [16], [17], [18] , что в итоге привело к тому, что лидер ускорительной науки синхрофазотрон потерял перспективу своего развития и превратился в одиозный объект гигантских размеров с громадным потреблением энергии, а решение проблемы Токамака откладывается на неопределенное время.

Рассмотрим [20] как прототип, который содержит замкнутый контур для пролета заряженных частиц в виде многоугольника, в каждой из сторон которого установлены диполь, уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

Прототип обеспечивает в компактном объеме ускорение заряженных частиц с энергией Е>10¹⁵ эВ.

Недостаток прототипа состоит в том, что он изначально не был ориентирован на ускорение многозарядных ионов в лабораторной модели термоядерного реактора синтеза.

В предложенном изобретении решается задача управления пучком многозарядных ионов.

Управление движением ионов осуществляют в продольных магнитных полях в замкнутом объеме двух генераторов ионов в совмещенных сторонах орбит генераторов иона, при этом предварительно выбирают орбиты ионов исходя из условия
А₁z₂=A₂z₁,
где А₁, А₂ - массовые числа,
z₁, z₂ - кратности зарядов,
причем после инжекции ионов в углы многоугольников их ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами до достижения заданного уровня энергии.

Будем исходить из того, что произведена многовходовая инжекция ионов с массовыми числами А₁, А₂ и кратностями зарядов z₁, z₂. Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты ионов на угол α между вектором скорости иона и направлением магнитной индукции В диполя, при этом ионы движутся в отклоняющем диполе по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h.

где γ₁, γ₂ - отношение полной энергии иона к энергии покоя,
В - индукция магнитного поля диполя в теслах.

При необходимости в процесс ускорения могут быть дополнительно включены другие группы ионов.

Отклоняющий диполь изменяет направление центральной орбиты на угол α в каждой стороне многоугольника. Из формул (1) и (2) видно, что радиусы вращающихся ионов в процессе ускорения изменяются относительно центральной орбиты от нуля до значений, асимптотически приближающихся при энергии иона Е-->∞ к конечным величинам


Ограниченный размер радиусов выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллективом ионов.

Шаг винта определяется формулой

Смещение орбит ускоряемых ионов Δr=r₂-r₁ в интервале энергий Е=0÷∞ может быть определено формулой

Из формулы (3) видно, что при A₁z₂=A₂z₁
Δr=0 (4)
Например, для термоядерной реакции
₃Li⁶+₁D²-->2₂He⁴+22,4 МэВ
Δr=0.

Можно указать другие примеры (4) в таблице Менделеева.

Эффект совпадения орбит с разными массовыми числами дополнительно усиливается силой магнитного притяжения при движении ионов в одном направлении.

Предлагаемый способ обеспечивает и имеет многовходовую структуру с числом входов инжекции ионов, равным числу углов многоугольников. Все инжектированные ионы располагаются в процессе ускорения по своим орбитам в соответствии с их массовыми числами и кратностями зарядов по формулам (1), (2), . . . и двигаться по орбитам будут в направлениях в соответствии со знаком их зарядов.

При движении коллектива ионов со своим параметром Z по орбитам их энергия увеличивается в соответствии с формулой

где U - ускоряющее напряжение орбиты, т.е. суммарное напряжение всех ускоряющих устройств в многоугольнике центральной орбиты в вольтах,
Т_у - время ускорения в секундах,
П - длина центральной орбиты в метрах.

Радиационные потери генератора ионов для одной компоненты термоядерного топлива равны

где n - число ионов,
В - магнитная индукция в теслах.

На фиг.1 показана схема управления многозарядными ионами, где 1 - блок в комплектации по фиг.2; 2 - отклоняющий диполь с продольным магнитным полем; 3 - уплотняющее устройство с продольным магнитным полем; 4, 5, 6 - источники тока на основе эффектов бесконечного усиления; 7 - ускоряющее устройство; 8 - тепловыделяющий элемент.

Схема ускоряющего устройства 7 показана на фиг.3, где 9 - ускоряющие электроды; 10 - отверстия для пролета ионов; 11 - центральная орбита; 12 - источник высокого напряжения на основе эффектов бесконечного усиления; 13 - управляемый вход источника высокого напряжения.

Схема по фиг. 1 состоит из двух генераторов ионов. Центральные орбиты обоих генераторов имеют совмещенные участки, которые позволяют работать схеме по фиг.1 в режимах:
1 - встречно совмещенных пучков ионов;
2 - движения пучков ионов в одном направлении.

Оба указанных варианта работы схемы расширяют ее функциональные возможности на этапе проведения экспериментальных исследований.

Из представленных формул хорошо видны предложения, которые оптимизируют схему по фиг. 1, в частности определяют оптимальное число сторон многоугольников и число инжекционных входов. Схема является малогабаритным ускорителем, здесь нет проблемы фокусировки и поэтому устройства 3 названы уплотняющими. Параметры площадки ускорения обеспечиваются управляемыми источниками питания на основе эффектов бесконечного усиления, способными точно выдерживать и повторять заданное магнитное поле в соответствии с заданной программой. Высокая разрешающая способность источников питания магнитной системы фиг.1 позволит строго удерживать орбиты ионов относительно центральной орбиты. Регулируя величину тока источников тока, можно дополнительно управлять положением орбит схемой фиг.1:

Магнитные индукции В₂ и В₁ в СГИ определяются уставками источников тока магнитной системы фиг.1.

На фиг. 3 ускоряющие электроды имеют форму полусфер, но они могут быть выполнены в виде пластин или колец с отверстиями для пролета ионов. При выборе конкретной конструкции ускоряющих электродов следует исходить из ее эффективности, т. е. из максимального прироста энергии на единицу длины комплекта ускоряющих электродов. Симметричная форма ускоряющих электродов и симметричное размещение их относительно центральной орбиты позволяют по законам электростатики подавить тормозящие электрические поля при пролете ионов.

Генератор ионов, являясь быстродействующим объектом, обуславливает принципиально новые возможности ускорительной техники. Экспериментальные исследования фиг.1 позволят:
проверить теоретически сформулированные требования для осуществления термоядерной реакции синтеза, сформулированные в литературе;
определить основные физические, конструктивные и технологические параметры лабораторного образца термоядерного реактора.

Каждый из генераторов ионов имеет колоссальный запас по энергии, и этот факт может способствовать решению задачи создания термоядерного реактора.

Источники информации
1. Атомная энергия. Краткая энциклопедия. - М.: БСЭ, 1958.

2. БЭС, 42, 1956.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, ГРФМЛ, 1985.

4. Физика на пороге новых открытий /Браун М.А., Яппа Ю.А., Козырев А.Н. и др. Под ред. профессора Лабзовского Л.Н. - Л.: ЛГУ, 1990.

5. БЭС, 27, 1977.

6. БЭС, 26, 1977.

7. Инженерные проблемы ТОКАМАК /Сб. ст. под ред. Чуянова В.А. М.: Энергоатомиздат, 1986.

8. Наука и жизнь, N 11, 1999.

9. Наука и жизнь, N 1, 2000.

10. Сверхпроводящие магнитные системы для ТОКАМАКов /Под ред. Н.А.Черноплекова. - М.: РНЦ "Курчатовский институт", ИЗДАТ, 1997.

11. Вопросы теории плазмы /Сб. ст. под ред. Б.Б.Кадомцева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

12. Вопросы теории плазмы /Под ред. М.А.Леонтовича. - М.: Атомиздат, 1972.

13. Газета "Век", май, 2000.

14. Наука и жизнь, 12, 2000.

15 Гладков Б.Д. Заявка на изобретение 2000102815/06.

16. Гладков Б. Д. Системы с бесконечным усилием (идеальные системы). Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Протвино, 1995.

17. Гладков Б.Д. Система импульсного питания электромагнита. Патент РФ 2013893 с приоритетом от 05.09.1988.

18. Гладков Б.Д. Автономно-секционированная система электропитания кольцевого электромагнита. Патент РФ 2164059, Н 05 Н 7/04.

19. Бомко В. А. , Дьяченко А.Ф., Кобец А.Ф., Рудяк Б.И. Исследования структур для ускорения тяжелых ионов. - М.: ЦНИИатоминформ, 1988.

20. Патент RU 2166844 С1, Н 05 Н 13/04, 10.05.2001.

Формула изобретения

1. Способ ускорения ионов, включающий ускорение ионов в генераторе заряженных частиц, содержащем замкнутый контур с центральной орбитой в виде многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают диполь и уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем, отличающийся тем, что управление движением ионов осуществляют в продольных магнитных полях в замкнутом объеме двух генераторов ионов в совмещенных сторонах орбит обоих генераторов ионов, причем предварительно определяют орбиты ионов, исходя из условия А₁z₂= A₂z₁, где А₁, А₂ - массовые числа, z₁, z₂ - кратности зарядов, после инжекции в углы многоугольника пучки ионов ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами, совмещают участки орбит путем регулирования величины тока источников тока на основе эффектов бесконечного усиления до достижения ионами заданного уровня энергии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участки орбит обоих генераторов ионов совмещают встречно - в режиме встречных пучков ионов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участки орбит обоих генераторов ионов совмещают в режиме движения пучков ионов в одном направлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3