Способ осуществления столкновительных ядерных реакций на основе эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в фазах внедрения и эндоэральных структурах

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами. При этом в фазах внедрения или подобранных эндоэдральных структурах внедренные атомы также занимают эти же области в результате процессов адсорбции на выходе каналов, диффузии по каналам или предварительной имплантации в каналы. В случае предварительной имплантации в каналы имплантируемое ядро должно обладать некоторой энергией Е₁, достаточной для того, чтобы после остановки попасть в место, где по условиям фокусировки пройдет следующее ядро с более высокой энергией. Следующее ядро, входящее в тот же канал с энергией Е₂, превышающей энергию Е₁ на величину большую, чем порог ядерной реакции, должно достигнуть точки, в которой остановилось первое ядро, с энергией, равной или большей порога ядерной реакции. Используемое в способе устройство мишени для нейтронной трубки включает закрепленную в корпусе (1) охлаждаемую мишень, имеющей слоистую конструкцию, в которой на охлаждаемой монокристаллической подложке (2) под тонким слоем монокристаллического палладия (4) располагается слой дейтерида лития-шесть (3); мишень бомбардируется ядрами трития. Техническим результатом является создание условий для повышения эффективности ядерных реакций. 2 табл., 7 ил.

 

3.2.4.1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к ускорительной технике, более конкретно, к генераторам нейтронов, но может быть применено как способ реализации любых столкновительных ядерных реакций, так и как один из способов реализации управляемого термоядерного синтеза. Оно может быть применено для всех известных устройств: ускорители ядер и элементарных частиц, ускорительные нейтронные трубки в составе генераторов нейтронов, плазменных установках, установки по имплантации. Преимуществом изобретения является возможность получения поляризованных направленных пучков нейтронов или протонов за счет эффекта каналирования. В случае применения изобретения в устройствах для получения энергии посредством термоядерного синтеза или с целью получения изотопов химических элементов возможно применение изобретения в схеме, аналогичной магнетронному распылению в высокочастотном вакуумном разряде или разряде постоянного тока в магнетронной геометрии с применением монокристаллических мишеней большой площади.

Классы изобретения:

G21K 1/00 Способы и устройства для манипулирования частицами или ионизирующим излучением,

G21B 1/00 Реакторы для ядерного синтеза,

G21G 1/00 Преобразование химических элементов; источники радиоактивности,

H05Н 6/00 Мишени для проведения ядерных реакций.

3.2.4.2. Уровень техники.

В патентной литературе имеется ряд патентов о «Способах осуществления термоядерных реакций…». Это патенты РФ, приведенные в двух нижеследующих таблицах.

Среди устройств, в которых, так или иначе, реализуются способы осуществления ядерных реакций, наиболее близки к изобретению по уровню техники ускорительные нейтронные трубки {см., например:

патент РФ №2065671 (1991 г., Кирьянов Г.И.; Малинин Ю.Н.; Сильников Е.С.; Сыромуков С.В. Ускорительная нейтронная трубка);

патент РФ №2054717 (1993 г., Козловский К.И., Прорвич В.А., Импульсный генератор нейтронов);

патент РФ №2198441 (2000 г., Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики, Плешакова Р.П., Импульсная нейтронная трубка);

патент РФ №2372755 (2008 г., Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова", Боголюбов Е.П., Васин B.C., Газонаполненная нейтронная трубка с источником Пеннинга)}.

Наиболее ранние источники, на которые автор может сослаться:

1. P.O. Howkins, Rev. Sci. Instr., (1960), v.31, №3, 241;

2. Yoshiaki A., Yue-Chanc Z. Achievement of an intense cold fusion reaction. - Fusion Technology, (1990), v.l8, №1, pp.95-102.

3. Карабут А.Б. и др. Ядерная реакция на катоде в газовом разряде. Письма в ЖТФ, 1990, т.16, №12, с.53-57}.

Также промышленностью серийно производятся установки по нанесению покрытий методом распыления в высоковольтном газовом разряде с приложением постоянного или высокочастотного напряжения и магнитного поля ускорительные нейтронные трубки. В частности, ФГУП «Комбинат Электрохимприбор» серийно выпускает импульсные нейтронный трубки Ж83-Р2044, Ж83-Р919, ТИС-5.

Названные устройства объединяет способ, которым осуществляется ядерная реакция: твердотельная мишень, содержащая активные ядра, бомбардируется ускоряемыми ядрами, эмитируемыми из газового разряда или из другой твердотельной мишени.

Частично, по предполагаемому характеру протекающих в мишени процессов, к изобретению близки изобретения, касающиеся термоядерного синтеза с использованием предполагаемого катализа термоядерных реакций синтеза водорода в соединениях с тяжелыми фермионами {см. в таблице патент РФ №2145122, (1997 г., Олендский О.Л., Терез А.Ю. Способ осуществления реакции низкотемпературного ядерного синтеза в системах с «тяжелыми фермионами»}. Частичная экранировка зарядов стакивающихся ядер электронами матрицы несомненно будет способствовать снижению порога реакции синтеза.

В качестве устройств, в которых может быть реализовано изобретение, как способ осуществления столкновительных ядерных реакций, также могут быть ускорители, плазменные установки распыления в высокочастотном или постоянном газовом разряде, ускорительные нейтронные трубки. Очевидно, что время реализации первых способов осуществления столкновительных ядерных реакций относится к первой половине 20-го века - моменту создания первых циклотронов [Е.О. Lowrence, N.E. Edlefson, Science, 72, 376, 1930; Е.О. Лоуренс, Д. Куксей, Успехи физических наук (8), 1932].

В данном очевидном и ранее известном способе ядро-мишень находилось в твердом теле в неопределенном положении и с ним сталкивалось другое ядро или элементарная частица, движущаяся также по неопределенной, с точки зрения даже суб-атомных масштабов, траектории. Предлагаемый способ осуществления ядерной реакции основывается на определенности положения ядра мишени и определенности траектории бомбардирующего ядра или частицы.

Ближайший аналог 1.

Изобретение, установленное экспертизой, RU 2237297 С2, Такибаева Н.Ж. «СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕАКЦИЙ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА». Согласно его реферату, данное изобретение относится к области термоядерной физики, а именно к стимулированию процессов термоядерного синтеза и их управления, и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике, физике твердого тела и кристаллов, в ядерной энергетике. В способе осуществления реакций термоядерного синтеза, включающем эффект туннелирования ядерных частиц сквозь кулоновский барьер, получают встречные пучки ускоренных ядер или ионов легких атомов, налетающих на мишень, например, пучки изотопов водорода, гелия или лития. При этом проводят каналирование встречных пучков ускоренных ядер внутри этой мишени таким образом, чтобы столкновение этих ядер происходило на траектории каналирования. В качестве мишени используют особые среды, имеющие упорядоченную внутреннюю структуру и фокусирующее свойство, например кристаллы. Технический результат - расширение возможностей осуществления реакций термоядерного синтеза и получение энергии реакций ядерного синтеза частиц, каналированных в кристалл.

Недостатком данного изобретения является использование плоскостного каналирования, неучет особенностей движения каналируемых ядер в каналах при прохождении встречных пучков через кристалл, отсутствие четких и точных критериев для выбора кристалла, в котором производится термоядерная реакция, неучет того, что в указанной геометрии основная масса частиц встречных пучков проходит каналы по очереди. Заявляемое изобретение устраняет все данные недостатки, увеличивая эффективную плотность пучков более чем в миллиард раз за счет фиксации ядра-мишени относительно канала и бомбардирующего ядра.

Ближайший аналог 2.

Из перечисленных патентов наиболее близок к заявляемому изобретению приведенный в таблице 2 патент РФ №2022373 (1991, Ромоданов В.А.; Савин В.И.; Скуратник Я.Б.; Шахурин М.В. Научно-исследовательский институт Научно-производственного объединения "Луч", СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ).

В описании изобретения, защищенного патентом РФ №2022373, содержатся положения, полностью относящиеся к заявляемому изобретению, но и отличающие его от способа, описанного в упомянутом патенте РФ №2022373. В данном патенте отмечается, что:

«Изобретение относится к ядерной физике и физике твердого тела и может быть использовано в ядерной и водородной энергетике, очистке газовых смесей от трития, переработке и накоплении изотопов для аналитических работ и в медицинских целях.

Генерация нейтронов при облучении ионами дейтерия твердотельных мишеней снижает экологичность систем ядерного синтеза. Повреждаемость нейтронами многих конструкционных материалов может привести к необходимости захоронения высокоактивных материалов на десятка и сотни лет.

В этом отношении тритий как продукт реакции синтеза намного безопаснее, может использоваться как сырье для термоядерных реакторов, нейтронных генераторов и в медицинских целях. Однако при широком использовании ядерных систем с наработкой трития его производство может превысить естественные потребности, что приведет как к проблемам расширения использования энергетики подобного типа, так и к проблемам утилизации и захоронения. Поэтому поиск условий, при которых в реакциях ядерного синтеза с дейтерием не образовалось бы большого количества не только нейтронов, но и трития, является актуальной задачей, позволяющей существенно повысить экологичность способа.

Известен способ получения реакции ядерного синтеза в твердом теле при электролизе тяжелой воды с катодом из палладия, заключающийся в предварительном насыщении палладия дейтерием и интенсивном термоциклировании в процессе электролиза палладиевого катода посредством изменения электрической мощности вблизи резкого изменения предела растворимости. При этом температура палладия изменялась в пределах от 350 до 390 К. Отмечена интенсивная генерация потока нейтронов, достигающая 10⁸ нейтр/с. Недостатком известного способа является генерация интенсивного потока нейтронов.

Известен способ получения ядерных реакций синтеза, заключающийся в бомбардировке атомов Li, Be, В ускоренными до энергий в несколько мегаэлектронвольт изотопами водорода и организации таким образом цепных реакций с восстановлением активных центров через несколько промежуточных звеньев цепи. Реакции такого типа, например ¹H+^IIB=3⁴ Не, могут быть экологически достаточно чистыми (Дж. Мак-Нелли. Цепные реакции синтеза.- В сб. под ред. А.А. Филюкова. Проблемы лазерного термоядерного синтеза. М.: Атомиздат, 1976, с.296).

Недостатком известного способа является трудность создания и поддержания в горячем состоянии высокотемпературной плазмы, большая вероятность вторичных реакций ядерного синтеза с образованием радиоактивных изотопов, а также нейтронов.

Наиболее близким к предлагаемому, выбранному в качестве прототипа, является способ, заключающийся в бомбардировке металлов ускоренными ионами дейтерия из плазмы тлеющего разряда в диапазоне энергий (100-1000)·1,6·10^-19 Дж при температурах в пределах 300-800 К.

Недостатком известного решения является повышенная генерация нейтронов, до 10⁷ нейт/с»

Относя некоторые неточности в числах этого описания к опечаткам, отметим, что понятие недостатка решения является относительным: то, что является недостатком в одном случае, может быть целью в другом случае. Как это имеет место в случае применения способа для получения интенсивных направленных потоков нейтронов.

Далее в описании изобретения-аналога отмечается, что:

«Сущность изобретения заключается в том, что используется низкоэнергетическая бомбардировка мишеней при пониженных температурах с жесткой стабилизацией уровня и использованием наиболее высоких энергий низкоэнергетического диапазона. При повышенных температурах возрастает вероятность протекания реакции ядерного синтеза ²H+²H->>³H+¹H, при этом реакция ²H+²H->>³He+n при низких энергиях практически не идет. Таким образом, при повышенных температурах в области низких энергий генерация нейтронов практически не заметна, поскольку этот процесс является вторичным, а ускорительные механизмы за счет растрескивания поверхности при таких температурах маловероятны. Однако накопление трития в высокотемпературных низкоэнергетических реакциях синтеза тоже не всегда желательно. Реакции ядерного синтеза при низких энергиях протекают за счет туннелирования внешнего нейтрона, энергия связи которого у дейтеронов и тритонов сравнительно мала. Ввиду этого слабо связанный нейтрон может туннелироватъ не только к другому дейтерону, но и к ядрам материала твердотельной мишени. Расчеты показывают, что при низких энергиях возможны экзотермические реакции:

Это реакции, в результате которых происходит переход трития в дейтерий, а дейтерия - в протий и выделяется энергия. Материал мишени меняет при этом свой изотопный состав, в результате чего могут образовываться и новые элементы за счет радиоактивного распада. Соответствующим подбором материала мишени, например ⁶Li или ⁹⁰Zr, мы можем иметь в результате нерадиоактивные продукты даже при использовании в качестве сырья радиоактивного трития. Это соображение справедливо и для материала мишени.

Взаимодействие ионов с ядрами мишени в реакциях подобного типа значительно менее эффективно из-за повышенного Кулоновского потенциала ядер, препятствующего их сближению на расстояния, достаточно близкие для туннелирования нейтронов и прохождения ядерных реакций. Расчеты, выполненные по теории пробегов быстрых частиц в твердом теле Линдхарда, Шарфа, Шиота (ЛШШ), показали, что низкоэнергетический оптимум для реакций дейтеронов с элементами мишени лежит на один-два порядка выше по сравнению с чисто водородными реакциями и для лития составляет около 200·1,6·10^-19 Дж (200 eV). Эта энергия и является минимальной для ядерных реакций тяжелых изотопов водорода с другими элементами таблицы Менделеева, поскольку отношение ядерных потерь к электронным при понижении энергии резко падает. Этот оптимум для углерода составляет уже 700·1,6·10^-19 Дж, а для дейтерий-уран 5000·1,6·10^-19 Дж или уран-дейтерий около 600000 1,6·10^-19 Дж. Т.е. верхний предел для урана по условиям эффективности должен быть около 1,6·10^-13 Дж, однако при этом уровне энергий уже интенсивно идут обычные высокоэнергетические реакции, продуктами которых являются среди прочих нейтроны и тритий. Поэтому высокоэнергетический предел для заявляемых низкоэнергетических реакций мы выбираем на уровне 20000·1,6·10^-19 Дж, так как при этих энергиях сечение высокоэнергетических реакций дейтерий-дейтерий и дейтерий-тритий еще почти на два порядка токе максимума. Такое соотношение обеспечивает в большинстве случаев приемлемый уровень экологичности ядерных систем синтеза, хотя при этом эффективность реакций в твердом теле для элементов таблицы Менделеева тяжелее никеля снижается примерно вдвое.

Для реакций тяжелый изотоп водорода-атом матрицы эффективность мало зависит от температуры в отличие от реакций дейтерий-дейтерий. Поскольку реакции дейтерий-дейтерий эффективно идут при температурах выше 700 К, то эту температуру мы выбираем как предельно максимальную. При температурах выше 700 К становятся заметными реакции дейтерий-дейтерий с образованием трития».

Информация о низкоэнергетических оптимумах для реакций ядер, приводимая в описываемом изобретении, полезна и дает представление о соотношении оптимальных энергетических затрат, энергетическом выходе и эффективности условий для протекания ядерных реакций, для понимания цели и сути заявляемого изобретения. Как видим из описания изобретения-аналога низкоэнергетический оптимум реакций дейтронов с легкими ядрами составляет порядка 1 keV, тогда как энергетический выход ядерной реакции порядка 10 MeV. Т.е. разница составляет 4 порядка. Это означает, что протекание реакции при столкновении только одного из 10000 бомбардирующих ядер уже покроет затраты на инициирование реакции синтеза. На деле же, если проанализировать параметры, например, ускорительной нейтронной трубки Ж83-Р2044, серийно выпускаемой ФГУП «Комбинат Электрохимприбор» (ускоряющее напряжение 85kV, ионный ток 80 мкА, частота и длительность импульсов, соответственно, 10 кГц и 30мкСек, поток нейтронов 1.5·10⁸ нейтронов/Сек) мы имеем среднюю затрачиваемую электрическую мощность 2 Вт, тогда как энергетический выход нейтронов с энергией 14 MeV дает мощность всего 3.4·10^-4 Вт. Из чего следует, что в реакцию вступает только один из 10⁷ бомбардирующих мишень дейтронов. Оценки показывают, при снижении максимального прицельного расстояния столкновения ядер с субатомного (~10^-10 м) до суб-ядерного (~10^-13 м) эффективность столкновений возрастет более чем в 10⁶ раз и проведение реакции синтеза заявляемым способом станет энергетически выгодно. Таким образом, целью заявляемого изобретения является максимальное увеличение эффективности ядерных столкновений в твердотельной мишени и снижение реального порога протекания ядерных реакций.

Данная цель изобретения достигается путем применения достаточно хорошо известного эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в монокристаллах.

Эффект каналирования ядерных частиц и излучений хорошо известен, имеется большое количество теоретических и экспериментальных научных работ(Туликов А.Ф. Влияние кристаллической решетки на некоторые атомные и ядерные процессы. «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 4, с. 585; Линдхард И. Влияние кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц, там же, 1969, т. 99, в. 2, с. 249; Томпсон М. Каналирование частиц в кристаллах, там же, 1969, т. 99, в. 2, с. 297; Каган Ю.М., Кононец Ю.В. Теория эффекта каналирования, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1970, т. 58, в. 1, с. 226). Однако эффект каналирования, как и обратное резерфордовское рассеяние, используется исключительно для исследования структур твердых тел, положения примесных атомов в их кристаллической решетке, исследованию совершенства кристаллической структуры выращиваемых пленок. Подробно теория эффекта каналирования ядерных частиц и излучений изложена в книге Н.П. Калашникова «Когерентные взаимодействия заряженных частиц в кристаллах» М.: Атомиздат, 1981 г. В книге, в частности, имеются главы: 2 - Дифракционное рассеяние заряженных частиц в монокристалле конечной толщины, глава 3 - Взаимодействие положительно заряженных частиц в кристаллах, 6 - Излучение заряженных частиц в монокристалле. Из материала книги представляется очевидным, что рожденные в каналах нейтроны в результате скользящих отражений вдоль каналов образуют узконаправленные лучи, в отличие от нейтронов, рожденных в атомных плоскостях и узлах решетки. Это указывает на принципиальную важность осуществления ядерных реакций именно на основе естественных фаз внедрения. Аналогичным образом рассматривается вопрос о каналировании ускоренных частиц в статье С.Е. Матюхина и С.Ю. Гришиной «Кинетика ориентированного взаимодействия ускоренных частиц нехиральными нанотрубками», опубликованной в Журнале технической физики» 2005, Т.31, №8, стр. 12-18 (см. также кандидатскую диссертацию Гришиной С.В. «Теория каналирования положительных ионов в углеродных нанотрубках»). В статье отмечается, что каналированные частицы при определенных условия будут застревать внутри нанотрубок, образуя эндоэдральные структуры. В то же время при увеличении энергии каналированные частицы пролетают через нанотрубки без остановки. Однако на выходе такие частицы формируют пучки, расходимость которых не зависит от энергии и расходимости исходного пучка, а зависит только от поперечной температуры нанотрубки, на коротких нанотрубках будет наблюдаться фокусировка пучка. Вопрос об увеличении вероятности столкновения застрявших в нанотрубках ионов с пролетающими, тем более о прохождении внутри нанотрубки ядерной реакции в названных источниках не упоминается.

Автору изобретения не удалось найти ни одного упоминания эффекта каналирования в целях увеличения эффективности получения потоков ядерных излучений или энергии. Так, например, в работе В.М. Шершнева, Н.А. Скакуна, П.А. Светашова «ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТОМОВ УГЛЕРОДА В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ НИКЕЛЯ», опубликованной в Вестнике Харьковского университета 2004 г., №628, стр.115, «С помощью резонансной ядерной реакции ¹³C(p, γ) ¹⁴N (Ерез=1,7476 МэВ, Г_γ=70 эВ), которая возбуждалась протонами, каналированными вдоль плотноупакованных атомами никеля осей <110>,<100> и <111> и плоскости (100), определялось местоположение углерода в монокристаллическом растворе Ni-0,18 ат.%С, обогащенном изотопом ¹³С. В узком интервале углов (±0,4°), по мере совмещения направления импульса пучка протонов и выделенного кристаллографического направления, наблюдалось сильное изменение выхода γ-квантов из реакции. Показано, что атомы углерода в никеле, при концентрации 0,18 ат.% и комнатной температуре, занимают октаэдрические междоузлия. В обзоре Н.А. Скакуна, В.М. Шершнева «Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел », опубликованном в журнале «Вопросы атомной науки и техники», 2003 г., стр. 3-15, излагается применение методов ядерной физики и ускорителей для решения научных и технологических задач в области физики металлов, сплавов, полупроводников, металлоксидных и магнитных материалов. Представляются результаты экспериментов по определению концентрации и распределения элементов, выполненных с помощью пучков ионов водорода и гелия, ускоренных в электростатическом ускорителе до энергии 0,5…4,0 МэВ. Для идентификации элементов и изотопов использовались резонансные ядерные реакции, кулоновское и резонансное ядерное рассеяние и возбуждаемое ускоренными частицами характеристическое рентгеновское излучение. Излагаются результаты и возможности применения каналированных частиц и ориентационных эффектов для изучения локализации, структуры, ориентации, образования, распада и аннигиляции простейших дефектов, определения концентрации и распределения дефектов в радиационно нарушенных кристаллах.

Таким образом, несмотря на изложение результатов и возможности применения каналированных (достаточно высокоэнергичных) частиц и ориентационных эффектов для исследований авторы ни словом не оговаривают возможность и способ применения эффекта каналирования для получения потоков ядерных частиц, отбора (селекции) альтернативных каналов ядерных реакций, для изучения структуры ядер и элементарных частиц, производства энергии.

В частности, в обзоре пишется: «При входе в кант небольшая часть частиц (≈3…5%) рассеивается на «торцах» атомных плоскостей, отклоняется на угол, больший критического, и далее движется в кристалле, как в аморфной (или поликристаллической) среде. Основная доля частиц (≈95…97%) ориентированного пучка испытывает «мягкое» рассеяние на атомных плоскостях и не приближается к центру плоскостей на расстояние ≈0,1…0,2 Å, которое зависит от радиуса экранирования Томаса-Ферми, амплитуды тепловых колебаний атомов решетки и других факторов.

Пучок как бы разделяется на каналированную и неканалированную компоненты. Когда ψ>ψ_кр - каналирования нет. Таким образом, для ориентированного пучка в кристалле существуют разрешенные и запрещенные области. В связи с этим, физические процессы, для реализации которых необходимо сближение с атомами цепочек на расстояния меньшие 0,1…0,2 Å (это упругое или резонансное рассеяние частиц, ядерная реакция, в том числе и с инородными атомами, размещенными в пределах плоскостей или цепочек, характеристический рентген), сильно подавлены, что с неизбежностью приводит к существенному уменьшению (почти на два порядка) выхода излучений по сравнению со случаем неориентированного пучка, - это, во-первых.

Во-вторых, плотность потока каналированных частиц в процессе движения испытывает сильное перераспределение в поперечной плоскости канала. В центре канала, как это видно на рис.7, поток может быть существенно большим, чем у плоскостей. Поэтому выход излучений от атомов, которые находятся за пределами плоскостей или цепочек, зависит от местоположения, которое они занимают в канале. Распределение потока можно с хорошей точностью рассчитать, что позволяет определить расположение атомов, на которых происходит реакция или рассеяние с точностью ≈0,1 Å».

Приведенный в обзоре рисунок 7 (см. фиг.1 описания изобретения) наглядно демонстрирует фактическую фокусировку возможных траекторий движения протонов на центре канала. При понижении энергии бомбардирующих ядер еще больше увеличивается плотность их возможных траекторий вблизи оси канала. Вместе с тем важным вопросом является глубина, на которую проникают в монокристалл низкоэнергичные каналированные частицы. Ответ на этот вопрос можно найти в другой работе той же группы авторов: Н.А. Скакун, В.М. Шершнев, Н.А. Шляхов, Компьютерное моделирование каналирования протонов в кристаллах, «Вестник Харьковского университета», 628, 123 (2004) УДК 539.736.14…669.849 (см. фиг.2 описания изобретения).

Толщина менее 1000 Å, на которую проникают каналированные ядра, оказывается более подходящей для получения мишеней с применением техники выращивания эпитаксиальных тонких активных слоев, чем для получения мишеней с применением монокристаллических мембран. Однако применение мембран выглядит более перспективным, и тогда предполагается применение мембран с использованием поддерживающих элементов. Возможно, что материалом для такого прочного поддерживающего активную мембрану элемента конструкции мог бы стать графен. Из рисунка 2 названной статьи (см. фиг.2 описания изобретения) также хорошо видно, что имеется несколько областей фокусировки потоков протонов в каналах. Т.е. имеется несколько дискретных значений оптимальных толщин мембран, глубин имплантации ядер-мишеней, длин нанотрубок с эндоэдральными структурами. Одновременно отметим, что в данной статье Скакуна Н.Н. с соавторами также не ведется речи о применении данного эффекта в ядерном синтезе, для производства энергии и интенсивных потоков ядерных частиц. Об этом свидетельствует приводимый здесь рис.1 из данной статьи (см. фиг.3 описания изобретения).

Очевидно, что при низких энергиях на глубину проникновения каналированных ядерных частиц должны влиять более подвижные электроны свойства верхних уровней кристалла, за счет движения которых происходит экранировка избыточного заряда каналируемых ядерных частиц. В этом случае на степень экранировки заряда может влиять эффективная масса электронов. Частичное уменьшение заряда каналируемой частицы, за счет ее взаимодействия с подвижными электронами должно способствовать более легкому продвижению ядерной частицы по каналу и более устойчивой привязке ее траектории к оси канала. (В идеальном представлении возможно существование эффекта инерционной «сверхпроводимости», когда заряд вошедшего в канал ядра полностью экранируется и ядро, как нейтральная частица, по инерции проходит по каналу на большое расстояние без потери энергии). Особенно это относится к ионным проводникам, в которых, например, в качестве мигрирующего иона выступает участвующее в ядерной реакции ядро D, T, ⁶Li, ¹¹В. В случае эффективной экранировки зарядов сталкивающихся ядер электронами проводимости с большой эффективной массой в соединениях с тяжелыми фермионами возможно сильное понижение порога реакции ядерного синтеза и динамическое образование конгломератов ядер. В этом случае возможно столкновение ядер задержавшихся на дефектах каналов в кристаллической решетке и движущихся под действием приложенного к кристаллу напряжения.

Фазы внедрения и эндоэдральные структуры. Из наиболее известных фаз внедрения следует назвать системы палладий водород, титан водород, в которых водород обладает очень высокой растворимостью и подвижностью. Хорошо известно, что до определенной критической концентрации водорода кристаллическая решетка металла-матрицы практически не меняется и водород располагается в ее междоузлиях. Т.е. он заведомо заполняет каналы в этой решетке. Что касается эндоэдральных структур, то их классическим примером являются фуллерены, внутри молекулы которых внедрены атомы металла или водорода. В литературе достаточно интенсивно обсуждаются эндоэдральные конструкции типа «стручок гороха», которые предполагается использовать для хранения водорода. В заявляемом изобретении аналогичные конструкции и фазы внедрения предлагается использовать для фиксации положения ядра-мишени. Заявляемое изобретение позволяет снизить неопределенность положения ядра-мишени и бомбардирующего ядра до масштабов, сравнимых с размером ядра. Отличие предлагаемого способа от всех предыдущих состоит в том, что положение и ядра-мишени и бомбардирующей частицы определяется каналом в кристаллической решетке монокристалла-матрицы или эндоэдральной структуры. Как понятно из изложения эффекта каналирования, этот эффект позволяет снизить неопределенность траектории бомбардирующего ядра относительно ядра мишени до суб-ядерных масштабов. Другим важным моментом является фиксация ядра мишени в определенном положении в кристаллической решетке соединения-матрицы. Это достигается применением в качестве кристалла матрицы соединений, образующих с ядром-мишенью фазы внедрения. Т.е. когда ядро-мишень размещается в кристаллической решетке матрицы, практически ее не искажая, либо достаточно жестко положение ядра мишени фиксируется в эндоэдральной структуре (на основе фулеронов, нанотрубок и подобного, в том числе не углеродных нанотрубок и эндоэдральных структур). Как правило, такие фазы имеют высокие коэффициенты диффузии внедренных атомов (ядер) по матрице. Как уже упоминалось, показательным примером таких соединений являются твердотельные ионные проводники, системы металл-водород (например, известные системы Pd-D, Ti-D, Ti-T). Наиболее подходящей на данный момент представляется система SiO₂-³Не. (Также не следует упускать из виду иные аналогичные системы, например, GeO₂-³Не).

В работе Е.В. Калашникова и Б.З. Певзнер, ФТТ, 2002, Т.44, №2, стр.283 «Движения атома гелия по каналу соразмерного диаметра в рамках модели Френкеля - Конторовой». Исследуется движение атома гелия по каналу, диаметр которого сопоставим с "диаметром" этого атома. Такие каналы наблюдаются в кристаллических материалах группы кварца. (SiO₂, GeO₂…) Структурными единицами в этих материалах являются тетраэдры SiO₄, которые расположены так, что образуют протяженные каналы в сечении 2.4-2.6 Å. Размер атома гелия по разным данным составляет 1.8-2.4 Å (см. фиг.4.). Учет локального закона сохранения импульса взаимодействии атома гелия с атомами, формирующими стенку канала, позволяет свести задачу к одномерному движению, сходному движением дислокации в рамках модели Френкеля - Конторовой. В рамках этой модели вычисляется энергия активации комплекса "атом гелия + смещения атомов стенки канала". Полученная энергия выражается через модуль сдвига материала, формирующего канал, и поляризуемость атома гелия, которая зависит от его состояния.

Осложняют реализацию изобретения эффекты, связанные с тепловыми колебаниями атомом, и, особенно, так называемые «нулевые» колебания. Однако данные затруднения могут быть обойдены за счет синхронизации тепловых колебаний звуковой волной с движением бомбардирующих ядер. Также повышает эффективный порог протекания реакции высокое значение фактора Дебая-Валера кристалла-матрицы, способствующее увеличению доли процессов столкновения без затрат энергии бомбардирующего ядра на отдачу (эффект Мессбауэра). Этот порог в любом случае ниже, чем при столкновении свободных ядер (см. фиг.4 описания изобретения).

В вышеупомянутой работе С.Е. Матюхина и С.Ю. Гришиной обмечается такой факт: на выходе (из нанотрубки) такие частицы формируют пучки, расходимость которых не зависит от энергии и расходимости исходного пучка, а зависит только от поперечной температуры нанотрубки, на коротких нанотрубках будет наблюдаться фокусировка пучка. Ф.Ф. Комаровым, А.С. Камышаном, А.Е. Лагутиным в экспериментальном исследовании прохождения протонов через диэлектрические капилляры [Механизмы прохождения протонов с энергией 240 кЭв через диэлектрические капилляры, Ф.Ф. Комаров, А.С. Камышан, А.Е. Лагутин, НИУ «Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко» Белгосуниверситета, г.Минск, Беларусь] отмечается:

«В НИИ ПФП БГУ на ускорителе ЭСУ-2 проведен ряд экспериментов по исследованию взаимодействия ускоренных протонов с поверхностью диэлектрических капилляров с целью изучения характеристик движения частиц при таком взаимодействии. Измерялись угловые распределения протонов с энергией 240 кэВ, прошедших через стеклянные (боросшикатные) капилляры диаметром 0,5 мм, длиной 65, 178 мм и диаметром 0,2 мм, длиной 250 мм в диапазоне тока пучка протонов от 10Р-12Р до 5-10Р-12Р А при углах влета протонов относительно оси капилляра от -0,20° до +0,20°. Угловые распределения протонов, прошедших через капилляры при противоположных относительно нуля углах влета, имеют вид зеркального отражения друг от друга и их ширины одинаковы. Форма угловых распределений протонов, прошедших через стеклянный капилляр длиной 65 мм, определяется в значительной мере однократным рассеянием заряженных частиц внутренней поверхностью капилляра. Увеличение длины капилляра до 178 мм приводит к изменению формы угловых распределений, указывая на то, что распределение протонов, прошедших через такой капилляр, определяется многократным рассеянием заряженных частиц внутренней поверхностью капилляра. В режим протяженного скольжения вдоль поверхности попадает пучок протонов, прошедший капилляр длиной 250 мм. Литература: 1. Lagutin А.Е., Boyko Е.В., Kamyshan A.S., Komarov F.F. //XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators: Novosibirsk, Russia. - 2006. - hiip://rupac2006.inp.nsk.su.»

Т.е. для капилляров, как и для нанотрубок, имеет место поперечная термализация протонов. Можно ожидать, что в дальнейшем будут найдены материалы, в каналах которых будет эффективно поглощаться поперечный импульс каналируемой частицы, вследствие чего будет увеличиваться критический угол для режима каналирования и эффективность фокусировки потока ядерных частиц на оси каналов, в определенном месте которых размещают ядра-мишени, посредством ионной проводимости, нейтральной диффузии этих ядер, имплантации или размещения в эндоэдральных структурах.

Примеры и области применения изобретения.

Наряду с подробно описанным в изобретениях-аналогах и в части изложения сути изобретения применением заявляемого изобретения для осуществления термоядерного синтеза, имеются многочисленные возможности применения его в других целях, в том числе и с целью осуществления химических реакций сложных полых молекул путем прецезионной имплантации в их полости различных ионов. Ниже схематически описывается ряд других областей применения.

Стимулированная мессбауэровская флуоресценция. Выращивается эпитаксиальный слой фазы с внедренными мессбауэровскими ядрами либо в процессе роста, либо имплантированными в последующем в направлении поперек слоя. Также синхротронным излучением, либо каналированным излучением ускоренных электронов также поперек слоя резонансно возбуждаются мессбауэровские уровни внедренных мессбауэровских ядер. При достижении определенного порога концентрации возбужденных ядер происходит вынужденное стимулированное излучение вдоль определенных каналов параллельных поверхности эпитаксиального слоя фазы внедрения.

Замедление нейтронов. Подбирается монокристалл-матрица с внедренными в нее легкими ядрами-мишенями, находящимися, например, в смещенных от оси канала, тетраэдрических позициях, так чтобы при косом столкновении нейтрона, движущегося по каналу, ядро-мишень получало отдачу в направлении другой системы параллельных каналов, а отраженный нейтрон переходил в канал третьей системы параллельных каналов, где аналогичным образом сталкивался бы с другим легким ядром, и так далее, все время оставаясь в режиме каналирования. Ядро отдачи, замедляясь в канале, снова занимало позицию, пригодную для отражения нейтрона в другой канал. В принципе непосредственной необходимости каналирования ядер отдачи нет, но их торможение в режиме деканалирования будет приводить к разрушению кристаллической структуры матрицы. Полезный результат от реализации способа осуществления в данном случае - получение пучков тепловых нейтронов с интенсивностью, сравнимой с исходным пучком быстрых нейтронов, получаемых заявляемым способом при осуществлении реакций термоядерного синтеза с выходом нейтронов.

Генерация пучков мезонов и резонансных гамма-квантов. Применения «Способа» в данной области аналогична реализации способа для осуществления реакций термоядерного синтеза, в которых в качестве бомбардирующих частиц применяются энергичные протоны. Энергичные протоны также могут получаться тем же заявляемым способом, но с инициированием без нейтронных реакций термоядерного синтеза. После этого они дополнительно ускоряются до энергий, необходимых для получения мезонов. Ожидается, что вследствие единообразия производимых в каналах реакций и известного влияния спин-орбитального взаимодействия будут генерироваться направленные пучки частиц, а не рассеянное излучение.

Каталитический термоядерный синтез в конгломератах легких ядер. В данном приложении «Способа» мю-мезоны направляются по каналам монокристаллической матрицы (или нано-канальной мембраны) к конгломератам легких ядер и при попадании производят каталитическое слияние ядер, находящихся в этих конгломератах. Продукты реакции при этом покидают полости и в них имплантируются новые ядра. Примерами таких конгломератов могут быть конгломераты атомов гелия в вольфраме (упомянутые в обзоре Н.А. Скакуна и В.М. Шершнева), атомы гелия в каналах диоксидов кремния и германия, эндоэдральные структуры, заполненные, например, дейтеридом лития. Очевидно, что в случае конгломератов гелия имеется вероятность попадания в него нескольких мезонов и образования мезо-материи. Данное применение каналирования ядерных излучений не совсем отвечает названию способа осуществления, т.к. при вхождении в конгломерат мезон должен погасить практически всю свою кинетическую энергию и столкновения в изложенном ранее смысле закона сохранения импульса не происходит.

3.2.4.3. Сущность изобретения.

Реакции ядерного синтеза, а также реакции с участием элементарных частиц, производятся путем сближения реагирующих ядер на необходимое для реакции расстояние. В случае реакций термоядерного синтеза это расстояние существенно меньше межатомных расстояний (порядка 10^-10 м) и заметно больше размера ядер (~10^-15 м) - порядка 10^-12 м. Сближение на эти расстояния достигается посредством столкновения энергичных ядер, обладающих достаточными скоростями для преодоления кулоновского барьера (горячий термоядерный синтез), либо посредством эффективной экранировки электрического заряда, локализующую и снижающую кулоновский барьер (ядерный катализ с помощью мюонов или «тяжелых» фермионов в твердом теле). При лобовом столкновении для протекания реакции слияния двух дейтронов (D-D реакция) достаточно энергии порядка 3 kV, однако в нейтронных трубках для проведения той же реакции используется энергия ядер порядка 150kV. Это связано с низкой эффективностью столкновений ядер для прохождения реакции - малой долей «лобовых» соударений и высокой долей касательных. Смещение соотношения лобовых и касательных соударений ядер несомненно облегчит инициирование реакции слияния и уменьшит энергетические затраты на ее поддержание. Это может быть достигнуто путем уменьшения разброса траекторий бомбардирующих ядер. В физике хорошо известен эффект каналирования ядерных частиц в кристаллическом твердом теле.

Способ осуществления столкновительных ядерных реакций основывается на том, что каналируемые заряженные частицы и ядра при каналировании смещаются к оси канала в области наименьшей электронной плотности. В фазах внедрения внедренные атомы также занимают эти же области. Суть способа в упрощенном изложении состоит в следующем. Ядро некоторой энергии E₁, достаточной, чтобы до остановки пройти необходимое для смещения на центр канала расстояние, попадает в канал в кристаллической решетки соединения-матрицы и в конечном счете останавливается на некотором расстоянии от его начала. Следующее ядро, входящее в тот же канал с энергией Е₂, превышающей энергию E₁ на величину, большую, чем порог реакции, должно достигнуть точки, в которой остановилось первое ядро с остающейся энергией, равной или большей порога ядерной реакции. Таким образом, заявляемый способ может иметь разновидности в методике, по которой устанавливаются ядра-мишени в кристалл матрицу. Для этого усматриваются три варианта. 1. Диффузия атомов с ядрами-мишенями в зону реакции из резервуара (например, диффузия дейтронов из расплава LiD в монокристаллическую палладиевую мембрану или диффузия ³Hе через монокристаллическую SiO₂ (GeO₂) мембрану по каналам). 2. Предварительная «набивка» монокристалла-матрицы низкоэнергетическими ядрами на нужную глубину (~0.1-1 мкм) и последующая повторная бомбардировка более энергичными ядрами. Эти два варианта характеризуются стохастическим распределением ядер по каналам. Вариант три предполагает прецизионное внедрение обоих ядер в случае применения в качестве источника бомбардирующих ядер монокристалл ионного проводника. В идеале и кристалл-матрица, и кристалл источник ядер являются двумя разъединенными частями одного монокристалла. Вариант предполагает, что за счет авто-ионной эмиссии при определенном приложенном напряжении и температуре бомбардирующие ядра будут перескакивать с одного кристалла на другой по строго повторяющимся траекториям. В этом случае при использовании атомно-силового микроскопа оказываются возможными манипуляции с единичными ядрами

Существенным признаком устройств, использующих заявляемый способ осуществления ядерных реакций, является наличие элементов конструкции, позволяющих юстировать кристалл относительно бомбардирующего пучка строгой направленности. Ожидается, например, при применении данного способа осуществления D-T реакции синтеза, применяемой в нейтронных трубках, удастся только за счет применения монокристаллической мишени, оптимальной энергии и последовательности импульсов ядер трития и дейтерия на два порядка повысить выход нейтронов при том же ионном токе. А это уже позволит сделать нейтронографию в приборном отношении столь же доступной, как и рентгеновскую дифракцию. Увеличение эффективности столкновений до 10% от числа бомбардирующих ядер практически решит проблему управляемого термоядерного синтеза. (В вышеупомянутой статье Н.Н. Скакуна говорится о 95-97% бомбардирующих ядер, попадающих в режим каналирования при энергии протонов 429 keV, см. стр.8 описания изобретения). Аналогично, проблема решается в отношении генерации мюонов для целей катализа термоядерного синтеза. Увеличение эффективности протон-протонных столкновений при каналировании протонов с энергией 300 Мэв до 10%, позволит получить положительный энергетический выход с использованием мюонного катализа уже при достигнутых значениях коэффициента числа реакций.

Ядерные реакции, инициируемые в каналах кристаллических тел или эндоэдральных структур при столкновении движущихся по этим каналам частиц с ядрами примесных атомов, используются для исследования поведения примесей в различных соединениях. Заявляемое изобретение предполагает использовать это явление для получения интенсивных направленных потоков ядерных частиц и решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, а также как средство манипуляции с ядрами.

Признаки, используемые для характеристики способа.

Способ осуществления столкновительных ядерных реакций на основе эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в фазах внедрения и эндоэдральных структурах заключается в следующем:

1. Столкновение реагирующих ядер или ядерных частиц производится в каналах кристаллических тел или в эндоэдральных структурах в режиме каналирования ядерных частиц или бомбардирующих ядер.

2. Различными методами (как то: диффузия из газового, жидкостного или твердотельного резервуара, предварительная низкоэнергетическая бомбардировка («набивка», имплантация)) заполняются реагирующими ядрами все или существенная часть используемых каналов.

3. В каналы инжектируются в режиме каналирования ядра или ядерные частицы так, чтобы поток каналируемых ядер или частиц фокусировался в месте расположения ядер-мишеней в каналах или в эндоэдральных структурах.

4. Условия фокусировки подбираются путем изменения длины каналов (толщина монокристалла-матрицы, глубина, на которую имплантируются ядра-мишени при «набивке»), формы каналов (например, за счет применения слоистых эпитаксиальных структур, с нужной последовательностью размеров каналов, и нанотрубок) и энергии каналируемых ядер или частиц, а также путем подбора материала матрицы, эффективно гасящего поперечный импульс каналируемых ядер или частиц.

3.2.4.4. Перечень фигур, чертежей и иных материалов.

10.7.4.4. Краткое описание чертежей

Фигура 1.

Рисунок 7 с подписью «Компьютерное моделирование траекторий протонов в плоскостном канале (111) кристалла никеля. (•) - октаэдрические междоузлия» из упомянутого в тексте обзора Скакуна Н.А. и др. «Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел», опубликованного в журнале «Вопросы атомной науки и техники», 2003 г., стр. 3-15. Рисунок показывает сильную фокусировку траекторий протонов на оси канала при каналировании в монокристалле никеля.

Фигура 2.

Рисунок 2 с подписью «Осцилляции траекторий протонов с энергией 429 кЭв в плоскостном канале (111) кристалла Ni-0.18 ат.%С; φ_вх=0.0°. В середине канала в плоскости из междоузлий показаны атомы изотопа C¹³ (•)» из упомянутой в тексте статьи Н.А. Скакуна и др., «Компьютерное моделирование каналирования протонов в кристаллах», «Вестник Харьковского университета», 628, 123 (2004), свидетельствующий о многократной фокусировке потока протонов в сечении канала при каналировании пучков протонов.

Фигура 3.

Рисунок 1 с подписью «Принцип измерения выхода резонансной ядерной реакции от энергии налетающего пучка ионов: а) осцилляции траекторий частиц в плоскостном канале, φ_вх=0.0°; б) выход γ - квантов резонансной ядерной реакции на ядрах примеси, расположенных в центре канала» из упомянутой в тексте статьи Н.А. Скакуна и др., «Компьютерное моделирование каналирования протонов в кристаллах», «Вестник Харьковского университета», 628, 123 (2004), как свидетельство отсутствия указаний о применении эффекта каналирования в ядерном синтезе, для производства энергии и интенсивных потоков ядерных частиц.

Фигура 4.

Рисунок из упомянутой в тексте статьи Е.В.Калашникова Б.З. Певзнер, ФТТ, 2002, Т.44, №2, стр.283, «Движения атома гелия по каналу соразмерного диаметра в рамках модели Френкеля - Конторовой», иллюстрирующий наличие каналов в монокристалле кварца с размерами практически совпадающими с размерами атома гелия.

Фигура 5.

А) Пример устройства LiD(T)-Pd мишени для нейтронной трубки. В корпусе (1) закрепляется охлаждаемая мишень. Мишень представляет собой слоистую конструкцию, в которой на охлаждаемой монокристаллической подложке (2) под тонким слоем монокристаллического палладия (4) в ориентации оси [100] перпендикулярно плоскости мишени (т.е. с каналами, расположенными строго по направлению налетающих ядер), располагается слой дейтерида лития - шесть -(3). Мишень бомбардируется ядрами трития.

Б) Пример устройства D(T)-Pd мишени с монокристаллической мембраной. Мембрана (4) располагается на поддерживающей конструкции (сетка), препятствующей деформации мембраны вследствие разницы давлений газа с ее сторон и обеспечивающей доступ и диффузию газообразного дейтерия к ее стороне. Мишень бомбардируется ядрами трития или гелия-3.

Фигура 6.

Пример устройства T(D)-Pd мишени для нейтронной трубки. Мишень представляет собой полую конструкцию с тритием или дейтерием, объем которой отделяется от вакуумного объема (плазма низкого давления) тонкой мембраной монокристаллического палладия или титана. Толщина мембраны подбирается такой, чтобы поток бомбардирующих ядер трития, дейтерия или гелия-3 фокусировался на выходе каналов в месте, где адсорбируемый с этой стороны тритий (дейтерий) проникал в каналы.

Фигура 7.

Пример устройства ³He-SiO₂ (³He-GeO₂) мишени. Мишень представляет собой полую конструкцию с гелием-3, объем которой отделяется от вакуумного объема (плазма низкого давления) тонкой мембраной монокристаллического кварца или оксида германия. Толщина мембраны подбирается такой, чтобы поток бомбардирующих ядер трития, дейтерия или гелия-3 фокусировался на выходе каналов, в месте, где адсорбируемый с этой стороны гелий-3 проникает в каналы. В принципе, мембрана может быть достаточно толстой и использовать эффект многократной фокусировки бомбардирующих ядер на оси канала.

3.2.4.5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Некоторые устройства, в которых используется способ получения ядер и ядерных частиц (протонов, нейтронов) путем бомбардировки ядер-мишеней, размещенных в твердых поликристаллических матрицах, серийно выпускаются промышленностью (упомянутые нейтронные трубки) или существуют в исследовательских центрах (ускорители, плазменные установки).

Также существуют устройства и установки, использующие ядерные реакции, инициируемые в каналах кристаллических тел для целей исследования свойств этих тел. Также имеются многочисленные работы, исследующие эффект каналирования заряженных частиц в каналах углеродных нанотрубок, в тонких капиллярах.

Хорошо известны и давно изучаются фазы внедрения в металлах, эндоэдральные структуры в нанотрубках и фуллеренах, движение нейтральных атомов в каналах графита, цеолитов соединений со структурой кварца. В кварце размер каналов почти равен размеру атома гелия. Это обеспечивает фиксацию ядра гелия по оси канала. Аналогичным образом для фиксации отдельных ядер или групп ядер в крупных каналах (например, в цеолитах) возможно это сделать с помощью эндоэдральных структур в наоотрубках и фулеренах.

Из перечисленного следует, что нет принципиальных препятствий для осуществления изобретения.

Рассмотрим реализацию способа осуществления столкновительных ядерных реакций в устройствах, подобных ускорительным нейтронным трубкам или использующих распыление мишеней в высоковольтном высокочастотном газовом разряде низкого давления (магнетронное распыление). В последнем случае задача состоит и в уменьшении распыления монокристаллической мишени-матрицы. Схему с предварительной «набивкой» матрицы реагирующими ядрами, как очевидную, рассматривать не будем. В этой схеме очевидно, что «набивка» массивной мишени-матрицы реагирующими ядрами производится при пониженных ускоряющих напряжениях, тогда как сама реакция проводится при более высоких ускоряющих напряжениях, так, чтобы в момент столкновения у бомбардирующих ядер была достаточная энергия для преодоления порога реакции и эффективной фокусировке на оси канала. Отметим также, что устройство в любом случае предполагает юстировку кристалла-матрицы так, чтобы направление движения бомбардирующих ядер совпадало с направление каналов. Рассмотрим работу устройства, в котором в качестве источника бомбардирующих ядер и в качестве мишени-матрицы используется монокристаллическая тонкая пластина, находящаяся в контакте с резервуаром ядер-мишеней - кристаллическая мембрана. В принципе нет жестких условий (за исключением паразитной диффузии по межзеренным границам) на мозаичность этой мембраны. Главное условие - это параллельность каналов в кристаллитах, составляющих мембрану. В качестве материала кристаллической мембраны для водородных реакций мы можем взять палладий. Необходимая толщина мембраны оценивается из работы, см. фиг.2 (Никель, близкий по структуре к палладию) исходя из длины канала, на котором происходит фокусировка каналируемой ядерной частицы на оси канала - ~0.5 мкм. (При мишенях большой полощади потребуется поддерживающая конструкция). Эта мембрана разграничивает объем вакуумной камеры от объема с дейтерием или тритием, которые при соответствующих условиях адсорбируются поверхности мембраны и по каналам диффундируют в сторону вакуумного объема. Либо мембрана лежит на слое дейтерида лития-шесть ⁶LiD - неустойчивого при высоких температурах легкоплавкого соединения. Очевидно, что компоненты этого соединения заполнят выходы (входы) каналов и будут диффундировать в сторону выкуумного объема. По последней причине такую же конструкцию можно использовать в качестве источника бомбардирующих и ядер или ионов при соответствующем воздействии на поверхность мембран. При большой площади и строгой параллельности мембран и небольшом расстоянии между ними должны более-менее выполняться условия совпадения направления ускоряющего электрического поля с нормалью к мембранам и направлением каналов в них. Дополнительно обеспечению условия параллельности скоростей бомбардирующих ядер и осей каналов в кристаллической мембране, а также устойчивости газового разряда, должно способствовать параллельное названным направлениям магнитное поле. Как это делается в установках магнетронного распылении. При приложении оптимального ускоряющего напряжения (10-20 kV) ядра дейтерия, трития, или лития пронизывают мембрану, фокусируясь при выходе из каналов на их осях и сталкиваются с проникшими в канал ядрами адсорбированных атомов дейтерия, трития или лития. В зависимости от целей проводимой реакции получаем поток ядерных частиц и вместе с ними выделившуюся энергию. Очевидно, что при проведении реакции в толще мембраны, как это и наблюдается в экспериментах по каналированию, направления вылета ядерных частиц строго фиксируются кристаллографическими направлениями. Представляется возможным с помощью специальных мер (поляризация мишеней и бомбардирующих ядер, подбором углов входа каналируемых частиц) сосредоточить весь поток генерируемых частиц в ограниченном числе направлений. Для осуществления реакций с участием ядер гелия в качестве мембраны возможно использовать монокристаллические мембраны SiO₂, GeO₂ подобные соединения. Для обеспечения электронейтральности мембраны в устройстве требуется применение переменного высокочастотного электрического поля. Диффузия атомов гелия в каналах подобных соединений достаточно интенсивна, и возможно возникновение в каналах многочисленных цепочек из атомов гелия. При достаточной энергии налетающего ядра возможно сжатие этой цепочки и протекание множественных актов реакции ядерного синтеза.

Способ осуществления столкновительных ядерных реакций на основе эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в фазах внедрения и эндоэдральных структурах,
заключающийся в том, что:
столкновение частицы ядерного излучения, направленной по каналу монокристалла, каналообразующей молекулярной структуры или искусственному микро-каналу, производится с ядром-мишенью, находящимся в канале либо в непосредственной близости от него;
отличающийся тем, что:
положение каждого ядра-мишени единообразно фиксируется относительно положения канала химическими, физическими или геометрическими связями, вследствие чего ядро-мишень, должно входить в состав атома, образующего фазу внедрения с материалом монокристалла;
ядра-мишени в составе атома или молекулы заранее помещаются в рассчитанное по замыслу реакции место канала тонкого или массивного монокристалла, эндоэдральной структуры, микроканальной мембраны;
ядра-мишени внедряются в требуемые места каналов матрицы посредством естественных процессов диффузии в каналах кристаллических фаз внедрения; посредством процессов заполнения эндоэдральных структур; посредством процессов адсорбции и напыления или самих материалов, содержащих непосредственно ядра, реагирующие с излучением, или их эндо-фуллеренов; посредством имплантации необходимых по замыслу реакции ядер в каналы кристаллических тел, каналы эндоэдральных структур или в адсорбированные на концах каналов молекул фуллерена;
монокристаллическая матрица с атомными каналами подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию потока ядерных частиц или излучений либо на оси канала, либо вне ее в месте наиболее вероятного расположения ядер-мишеней в каналах.
размер, форма и плотность стенок каналов монокристаллической матрицы подбирается или формируется искусственно таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию потока ядерных частиц или излучений на оси канала, либо в месте наиболее вероятного расположения ядер-мишеней внутри каналов или за их пределами;
коническая форма каналов образуется за счет эффектов внутренних напряжений, возникающих вследствие различия постоянных решетки, при эпитаксиальном выращивании слоистых монокристаллических гетероструктур, устранение дефектов и неоднородностей внутри каналов производится отжигом и прошиванием слоя матрицы с фокусирующими каналами тяжелыми ионами;
отличающийся тем, что в качестве каналируемого излучения может применяться гамма-излучение, нейтронное излучение, пучки мезонов и мюонных ионов, пучки легких ядер, пучки протонов;
в зависимости от свойств используемого по замыслу реакции ядерного излучения применяется источник этого излучения, производящий пространственно модулированное излучение, такое, что его конфигурация повторяет конфигурацию входных окон каналов; пространственная модуляция излучения осуществляется, как за счет свойств излучателя, так и за счет интерференционных эффектов и ионно-оптических систем;
способ включает в себя стадии: подготовки источника излучения, подготовки пространства между источником излучения и устройством, где осуществляется реакция, подготовки мембраны или монокристалла к приему ядер-мишеней и облучению, подготовки ядер-мишеней к облучению, подготовки пространства позади мембраны.
включает стадию подготовки источника излучения, которая содержит, в зависимости от типа используемого по замыслу реакции излучения, этапы: а) запуск оборудования, производящего излучение нужного свойства, с нужной энергией, поляризацией, с нужной направленностью и расходимостью; б) синхронизация источника излучения с оборудованием, производящим подготовку ядер-мишеней;
включает стадию подготовки пространства между источником излучения и устройством, где осуществляется реакция, которая содержит этапы:
а) удаление остаточной атмосферы, мешающей распространению излучения, б) экранировка от электрических и магнитных полей, мешающих совмещению пространственной структуры излучения с расположением каналов, в) юстировка устройств, выполняющих пространственную модуляцию излучения;
включает стадию подготовки мембраны или монокристалла к приему ядер-мишеней и облучению, которая содержит этапы: а) удаление посторонних загрязнений с поверхности, закрывающих входы в каналы, посредством мер обеспечивающих десорбцию этих загрязнений; б) точная юстировка мембраны или монокристалла с каналами относительно направления падения на него излучения; в) устранение примесей и дефектов в каналах на максимальную глубину посредством пробивания их энергичными ионами; г) введение ядер-мишеней в каналы мембраны посредством адсорбции с последующей диффузией по каналу непосредственно элементарного вещества, содержащего ядра-мишени, на обратную облучаемой стороне сторону мембраны, либо нанесением на эту сторону эндо-фуллеренов, в молекулах которых жестко зафиксированы химическими связями ядра-мишени; либо имплантацией ядер-мишеней на нужную глубину в нужную по замыслу реакции позицию; либо имплантацией ядер-мишеней в массивный монокристалл с облучаемой стороны на глубины, соответствующие замыслу реакции и типу используемого излучения, в нужную по замыслу реакции позицию в кристаллической решетке матрицы; либо имплантацией ядер-мишеней в адсорбированные на выходах каналов молекулы фуллерена;
включает стадию подготовки самих ядер-мишеней к взаимодействию с излучением, которая содержит этапы: а) размещения ядер-мишеней относительно каналов в места, где будет производиться реакция, б) юстировки их положения относительно каналов с помощью пьезоэффектов, эффектов магнитострикции, поляризации, теплового расширения, прямого наложения электрических и магнитных полей, фазировки их колебаний в решетке матрицы, например, под действием резонансного ИК излучения; в) ориентирование ядер относительно пучка облучающих частиц посредством импульсного ЯМР и ЯКР воздействия;
мембранная конфигурация способа может быть прямо применена для осуществления химических реакций методом имплантации ионов в молекулы, например для получения эндо-фуллеренов и других эндоэдральных структур.
в качестве атомно-канальных мембран, в зависимости от замысла реакции, вместо монокристаллов, могут применяться наноканальные мембраны с упорядоченными рядами нанотрубок, выращенных на структурированных подложках или построенных посредством сепарации и ориентирования в сильных электрических и магнитных полях из смеси нанотрубок; либо сборки микроканальных мембран, получаемых известными способами бомбардировки тяжелыми ионами или электронной нанолитографии;
при современном уровне развития нанотехники способ может быть реализован в отношении отдельного ядра-мишени и отдельной частицы ядерного излучения, посредством комбинации микроканальных улавливающих и направляющих ядерные частицы конструкционных элементов; ионно-оптических систем традиционной конструкции из полых элементов, в качестве которых используются нанотрубки и другие нанообразования, с налагаемыми электрическим и магнитными полями; посредством управления перемещаемым в позицию, где производится реакция, ядром, путем размещения его в молекуле эндо-фуллерена и в более сложной эндоэдральной структуре.