Устройство для воздействия на электромагнитные поля

Изобретение относится к устройствам, воздействующим на электромагнитные излучения (поля) для управления ими, и может быть использовано при создании источников и преобразователей энергии. Согласно изобретению устройство содержит гетерогенную субстанцию, включающую носитель и размещенное в указанном носителе активное начало, представляющее собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (веществ), отличного от вещества носителя. Особенность устройства заключается в том, что в носитель гетерогенной субстанции введены другие гетерогенные субстанции, заключенные в изолирующие оболочки, проницаемые для электромагнитного излучения, при этом число заключенных в изолирующие оболочки одних гетерогенных субстанций, помещенных в носители других гетерогенных субстанций, равно одному или более. Благодаря этому обеспечивается возможность не только локально аккумулировать и преобразовывать электромагнитное излучение, но и генерировать его при протекании в носителе гетерогенной субстанции электрического тока. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройствам, воздействующим на электромагнитные излучения с целью управления ими, и может быть использовано при создании источников энергии с большими ресурсами и периодами эксплуатации.

Известно устройство для воздействия на электромагнитные поля - оптическое стекло [1], представляющее собой гетерогенную субстанцию, содержащую прозрачную SiO₂-матрицу и фильтрующие добавки в виде наночастиц металла.

Недостатком указанного устройства для воздействия на электромагнитные поля (гетерогенной субстанции) является узость ее функциональных возможностей воздействия на электромагнитное излучение. Такое устройство не может быть использовано, например, для эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический ток, для отражения электромагнитного излучения, аккумуляции и генерирования электромагнитного излучения, а также многих других функций.

Известно устройство для воздействия на электромагнитные поля - гетероэлектрик [2], выбранное в качестве прототипа данного изобретения, содержащее гетерогенную субстанцию, включающую носитель и размещенное в указанном носителе активное начало, представляющее собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (или веществ), отличного от вещества указанного носителя.

Когерентное взаимодействие частиц через ближнее поле, возникающее в таком устройстве (гетерогенной субстанции), если среднее расстояние между наночастицами или микрочастицами меньше или порядка корня кубического из их поляризуемости, приводит к существенному (в десятки и сотни раз) возрастанию ее диэлектрической функции по сравнению с диэлектрическими функциями материалов частиц и носителя [2]. Это позволяет такой гетерогенной субстанции более активно воздействовать на электромагнитные излучения, в частности усиливать их, отражать их, а также запасать электрическую энергию.

Недостатком указанного устройства для воздействия на электромагнитные поля (гетерогенной субстанции) является невозможность локальной аккумуляции и преобразования внешнего электромагнитного излучения, падающего на устройство, при протекании в носителе электрического тока, а также генерирования электромагнитного излучения.

Задачей изобретения является обеспечение возможности не только локального аккумулирования и преобразования падающего на устройство электромагнитного излучения при протекании в его носителе электрического тока, но и генерирования самим устройством электромагнитного излучения.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для воздействия на электромагнитные поля.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для воздействия на электромагнитные поля, содержащем гетерогенную субстанцию, включающую носитель и размещенное в указанном носителе активное начало, представляющее собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (веществ), отличного от вещества указанного носителя, в отличие от прототипа в носитель гетерогенной субстанции введены другие гетерогенные субстанции в количестве одна и более, заключенные в изолирующие оболочки, проницаемые для электромагнитного излучения, при этом число заключенных в изолирующие оболочки одних гетерогенных субстанций, помещенных в носители других гетерогенных субстанций, равно одному и более.

При такой конфигурации заявляемого устройства для воздействия на электромагнитные поля, названного полигетероэлектриком, компоненты внутри изолирующих оболочек, проницаемых для электромагнитного излучения, в микроисполнении или наноисполнении благодаря их изоляции от внешнего носителя при протекании во внешнем носителе электрического тока и воздействии на это устройство внешнего электромагнитного излучения не имеют возможности разряжаться, что позволяет не только локально аккумулировать в них энергию внешнего электромагнитного излучения, а затем и преобразовывать его, но и самим генерировать электромагнитное излучение за счет помещения в них, например, делящегося вещества (веществ). Эти свойства существенно расширяют возможности полигетероэлектрика по созданию устройств, предназначенных для эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический ток, что может найти широкое применение в различных устройствах источников электрической энергии с большими ресурсами и периодами эксплуатации, крайне актуальных для применения на космических зондах, спутниках, орбитальных станциях, космических транспортных средствах межпланетного сообщения и планетоходах.

Совокупность всех указанных существенных признаков устройства для воздействия на электромагнитные поля - полигетероэлектрика позволяет за счет изоляции внутренних компонентов изолирующих оболочек от внешнего носителя не только локально аккумулировать и преобразовывать энергию внешнего электромагнитного излучения при протекании во внешнем носителе электрического тока, но и самим генерировать электромагнитные излучения.

Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, то заявленное устройство для воздействия на электромагнитные поля, названное полигетероэлектриком, соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Осуществление заявленного технического решения поясняется с помощью схем, представленных на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 приведена схема, показывающая наиболее общий случай устройства для воздействия на электромагнитные поля (полигетероэлектрик) в разрезе.

На фиг.2 приведена схема, показывающая простейший вариант устройства для воздействия на электромагнитные поля (полигетероэлектрик) в разрезе, реализующего функцию локальной аккумуляции и последующего преобразования энергии электромагнитного излучения, с числом вложений одной гетерогенной субстанции в носитель другой, равным единице.

На фиг.3 приведена схема, показывающая вариант устройства для воздействия на электромагнитные поля (полигетероэлектрика) в разрезе, реализующего функцию локального генерирования и последующего преобразования энергии электромагнитного излучения с числом вложений одной гетерогенной субстанции в носитель другой, равным двум.

Полигетероэлектрик, приведенный на фиг.1, содержит гетерогенную субстанцию, состоящую из носителя 1 и помещенного в него активного начала 2. При этом в носитель 1 помещены другие гетерогенные субстанции в количестве один и более, также состоящие из носителя 1 и активного начала 2, размещенные внутри изолирующих оболочек 3, проницаемых для электромагнитного излучения. В носители 1 гетерогенных субстанций, размещенных внутри изолирующих оболочек 3, проницаемых для электромагнитного излучения, также могут быть помещены другие гетерогенные субстанции, тоже состоящие из носителя 1 и активного начала 2, размещенные внутри изолирующих оболочек 3, проницаемых для электромагнитного излучения. При этом число размещенных одних гетерогенных субстанций в носители 1 других гетерогенных субстанций с помощью изолирующих оболочек 3, проницаемых для электромагнитного излучения, в общем случае в зависимости от поставленной задачи может быть равно одному и более. При этом некоторые изолирующие оболочки 3, проницаемые для электромагнитного излучения, в зависимости от назначения могут не содержать или носитель 1, или активное начало 2.

В зависимости от конкретного назначения вещество носителей 1 может быть твердым, жидким или газообразным. При этом оно может быть однородной субстанцией или состоять из слоев проводников, полупроводников, диэлектриков, сегнетоэлектриков, а также быть средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний [2] или делящимся веществом. Причем в зависимости от конкретного назначения вещество носителей 1, помимо перечисленного, может представлять собой скопления микрочастиц и (или) наночастиц перечисленных веществ и материалов.

В зависимости от конкретного назначения активное начало 2 может представлять собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (веществ), отличного от вещества носителя 1, которое может быть твердым: сверхпроводником, проводником, полупроводником, диэлектриком или сегнетоэлектриком [2].

В зависимости от конкретного назначения изолирующие оболочки 3, проницаемые для электромагнитного излучения, могут представлять собой ампулы, капсулы или трубки из твердого вещества или материала, в том числе в микроисполнении или наноисполнении, обеспечивающие локальную электрическую, химическую или радиологическую изоляцию, поскольку степень проницаемости для электромагнитного излучения вещества или материала оболочки может быть выбрана разной. При этом материал или вещество, из которого выполнены изолирующие оболочки, также в зависимости от конкретного назначения может быть диэлектриком, сегнетоэлектриком, полупроводником или проводником.

Поскольку формула изобретения предполагает бесконечное число вариантов исполнения заявляемого устройства, представляется целесообразным рассмотреть варианты конкретного исполнения полигетероэлектрика на примерах усовершенствования одного из частных случаев прототипа изобретения (гетероэлектрика) [2] - гетерогенного фотоэлемента [3].

Полигетероэлектрик, приведенный на фиг.2, содержит носитель 1 в виде слоя прозрачного полимерного полупроводника n-типа и носитель 2 в виде нанокристалов полупроводника p-типа, активное начало 3 в виде металлических наночастиц, помещенных в носитель 1 [3], а также изолирующие оболочки 4 из прозрачного материала, например в виде стеклянных микрокапсул или нанокапсул (микроампул или наноампул, микротрубок или нанотрубок и т.д.), в каждую из которых помещен носитель 5 в виде, например, слоя или скопления микрочастиц (наночастиц) прозрачного кристаллофосфора [4], с веденным в него активным началом 6 в виде микрочастиц или наночастиц люминофора с антистоксовой люминесценцией [6]. Микрокапсулы или нанокапсулы (микроампулы или наноампулы, микротрубоки или нанотрубоки и т.д.) из стекла могут быть изготовлены, например, по технологии, краткое описание которой приведено в [8].

Полигетероэлектрик, приведенный на фиг.3, содержит носитель 1 в виде слоя прозрачного полимерного проводника n-типа и носитель 2 в виде нанокристалов p-типа, активное начало 3 в виде металлических наночастиц, помещенных в носитель 1 [3], а также изолирующие оболочки 4 из прозрачного материала в микроисполнении или наноисполнении, например, в виде стеклянных микрокапсул или нанокапсул (микроампул или наноампул, микротрубок или нанотрубок и т.д.), в каждую из которых помещен носитель 5 в виде, например, слоя или скопления микрочастиц (наночастиц) прозрачного сцинтиллятора [7], возбуждаемого, например, α-излучением, с веденным в него активным началом 6 в виде микрочастиц или наночастиц люминофора с антистоксовой люминесценцией [6], а также изолирующие оболочки 7 из вещества или материала поглотителя нейтронов в микроисполнении или наноисполнении, например в виде микрокапсул или нанокапсул (микроампул или наноампул, микротрубок или нанотрубок и т.д.), в которые помещены носитель 8 в виде вещества или материала замедлителя нейтронов и активное начало 9 в виде, например, микрочастиц (наночастиц) делящегося вещества чистого α-распада с длительным периодом полураспада.

Работа полигетероэлектрика, приведенного на фиг.2, осуществляется следующим образом. При воздействии на полигетероэлектрик солнечного излучения, как это происходит, например, в гетерогенном фотоэлементе [3], между носителем 1, т.е. слоем прозрачного полимерного полупроводника n-типа, и носителем 2 в виде нанокристалов полупроводника p-типа возникает электрический ток, который усиливается за счет явления плазменного резонанса активного начала 3 в виде металлических наночастиц вблизи спектра поглощения носителя 2 в виде нанокристаллов p-типа. Ввиду прозрачности носителя 1 и изолирующих оболочек 4 солнечное излучение воздействует на помещенные в изолирующие оболочки 4 носители 5 в виде слоев или скоплений микрочастиц (наночастиц) прозрачного кристаллофосфора и активные начала 6 в виде микрочастиц или наночастиц люминофора с антистоксовой люминесценцией. Под действием внешнего солнечного излучения носители 5 - слои или скопления микрочастиц (наночастиц) кристаллофосфора [4], помещенные в прозрачные изолирующие оболочки 4, поглощают некоторые спектральные составляющие солнечного излучения и аккумулируют его, после чего за счет явления фосфоресценции [5] начинают испускать вторичное электромагнитное излучение видимой части спектра другой частоты. При этом за счет изолирующих свойств оболочек 4 (в данном случае диэлектрических) заряженные носители 5, т.е. слои или микрочастицы (наночастицы) кристаллофосфора, не разряжаются протекающим в носителе 1 (слое прозрачного полимерного полупроводника n-типа) электрическим током, а сохраняют заряд. В процессе этого электромагнитное излучение теплового диапазона солнечного излучения (инфракрасной части спектра) поглощается активным началом 6 в виде микрочастиц или наночастиц люминофора с антистоксовой люминесценцией, которые преобразуют это тепловое излучение в электромагнитное излучение видимой части спектра и излучают его. Одновременно, поскольку люминофоры с антистоксовой люминесценцией излучают энергии больше, чем поглощают ее [6], производится оптическое охлаждение всего содержимого изолирующих оболочек 4, чем обеспечивается термическая стабилизация процесса испускания вторичного электромагнитного излучения видимой части спектра носителями 5 (слоями или микрочастицами (наночастицами) кристаллофосфора).

После прекращения действия на полигетероэлектрик внешнего электромагнитного излучения носители 5, т.е. слои или скопления микрочастиц (наночастиц) кристаллофосфора, помещенные в изолирующие оболочки 4, благодаря аккумулированной в них энергии электромагнитного излучения продолжают за счет явления фосфоресценции [5] излучать электромагнитное излучение видимой части спектра, которое, проходя через стенки прозрачных изолирующих оболочек 4, попадает на p-n переход и усиливается за счет плазменного резонанса активного начала 3 в виде металлических наночастиц, помещенных в носитель 1 (прозрачный полупроводниковый полимер n-типа), вблизи спектра поглощения носителя 2 в виде нанокристаллов p-типа, приводя к повышенному превращению энергии электромагнитного излучения видимой части спектра в электрическую энергию. Таким образом, гетерогенный фотоэлемент приобретает новое качество - возможность локально аккумулировать энергию падающего на него электромагнитного излучения.

Работа полигетероэлектрика, приведенного на фиг.3, осуществляется следующим образом. Активное начало 9 в виде микрочастиц (наночастиц) делящегося вещества чистого α-распада испускает α-излучение, которое проходит через вещество или материал носителя 8 и стенки изолирующих оболочек 7, где оно частично ослабляется, после чего воздействует на носитель 5 (слой или скопление микрочастиц (наночастиц) прозрачного сцинтиллятора, возбуждаемого α-излучением). Под действием α-излучения носитель 5 начинает излучать электромагнитное излучение видимой части спектра, которое, проходя через стенки прозрачных изолирующих оболочек 4, попадает на p-n переход и усиливается за счет плазменного резонанса активного начала 3 в виде металлических наночастиц, помещенных в носитель 1 (прозрачный полупроводниковый полимер n-типа), вблизи спектра поглощения носителя 2 в виде нанокристаллов p-типа, приводя к повышенному превращению энергии электромагнитного излучения видимой части спектра в электрическую энергию. При этом за счет изолирующих свойств оболочек 4 (в данном случае диэлектрических) заряженные носители 5, т.е. слои или скопления микрочастиц (наночастиц) сцинтиллятора, не разряжаются протекающим в носителе 1 (слое прозрачного полимерного полупроводника n-типа) электрическим током, а сохраняют заряд. Одновременно с этим образующиеся в результате α-распада не идеально чистого изотопа паразитные нейтроны замедляются носителем 8 и поглощаются стенками изолирующих оболочек 7. Также одновременно с этим электромагнитное излучение теплового диапазона, сопровождающее α-распад, поглощается активным началом 6 (в виде микрочастиц или наночастиц люминофора с антистоксовой люминесценцией), которое преобразует электромагнитное излучение теплового диапазона (инфракрасное излучение) в электромагнитное излучение видимой части спектра и излучает его, одновременно производя оптическое охлаждение содержимого изолирующих оболочек 4. За счет этого увеличиваются суммарные потоки электромагнитного излучения видимой части спектра, излучаемые носителями 5 (слоями или скоплениями микрочастиц (наночастиц) сцинтиллятора) и активными началами 6 (микрочастицами или наночастицами люминофора с антистоксовой люминесценцией). В конечном итоге это приводит к повышенному превращению энергии электромагнитного излучения видимой части спектра в электрическую энергию. Таким образом, гетерогенный фотоэлемент [3] превращается в гетерогенный ядерный источник электроэнергии, сам генерирующий электромагнитное излучение одного частотного диапазона, преобразующий его в электромагнитное излучение другого (более низкого) частотного диапазона и, наконец, преобразующий это электромагнитное излучение более низкого частотного диапазона в электрический ток.

Кроме этого, помещая в носитель первичной гетерогенной субстанции с помощью изолирующих оболочек другие гетерогенные субстанции, генерирующие электромагнитные излучения близких частот, можно за счет явления биений [9] возбуждать плазменный резонанс частиц активного начала первичной гетерогенной субстанции, чем существенно понижать частоту электромагнитных колебаний до разностной с целью их дальнейшего преобразования в энергию электрического тока.

Приведенные примеры конкретного исполнения устройства для воздействия на электромагнитные поля - полигетероэлектрика показывают широту возможностей его применения в электронной технике и энергетике.

Литература:

1. RU 2209785 C1.

2. RU 2249277 С1 - прототип.

3. RU 2217845 C1.

4. Кристаллофосфоры. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1990. Т II, стр.515.

5. Фосфоресценция. Большая Советская Энциклопедия (В 30 томах) / Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 3-е. М.: Сов. энциклопедия, 1977. Т 27, стр.564.

6. Антистоксова люминесценция. Физическая энциклопедия/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. Т I, стр.108.

7. Сцинтилляторы. Сцинтилляционный счетчик. Сцинтилляция. Большая Советская Энциклопедия (В 30 томах)/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 3-е. М.: Сов. энциклопедия, 1977. Т 25, стр.128-129.

8. Тянем-потянем. Изобретатель и рационализатор №8, 2007 г., стр.6-7.

9. Биения. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. Т I, стр.201.

Устройство для воздействия на электромагнитные поля, содержащее гетерогенную субстанцию, включающую носитель и размещенное в указанном носителе активное начало, представляющее собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (веществ), отличного от вещества указанного носителя, отличающееся тем, что в носитель гетерогенной субстанции введены другие гетерогенные субстанции в количестве одна и более, заключенные в изолирующие оболочки, проницаемые для электромагнитного излучения, при этом число заключенных в изолирующие оболочки одних гетерогенных субстанций, помещенных в носители других гетерогенных субстанций, равно одному или более.