Способ ударного сжатия вещества, устройство для его осуществления и плазменный катод для такого устройства

Способ ударного сжатия вещества, устройство для его осуществления и плазменный катод для такого устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится:

к технологии ударного сжатия конденсированного (жидкого или, что предпочтительно, твердого) вещества до сверхплотного состояния, при котором могут протекать пикноя-дерные процессы и инерциальный термоядерный синтез (далее ИТС), и

к конструкции устройств для ее осуществления на основе релятивистских вакуумных диодов (далее РВД), включая плазменные катоды для них.

Эта технология предназначена преимущественно для трансмутации ядер атомов одних химических элементов в ядра других химических элементов с целью:

экспериментального получения преимущественно стабильных изотопов химических элементов, включая синтез стабильных трансуранидов, и

переработки радиоактивных отходов, содержащих долгоживущие изотопы, в материалы, содержащие короткоживущие и/или стабильные изотопы, что особенно важно для дезактивации отработанных источников гамма-излучения, например на основе радиоактивных изотопов кобальта, которые широко применяют в промышленности и медицине.

В перспективе эта технология может служить для получения энергии путем ИТС с использованием предпочтительно твердых мишеней.

Применительно к изобретению здесь и далее обозначены:

термином «мишень» - однократно используемая для ударного сжатия доза по меньшей мере одного произвольного изотопа по меньшей мере одного химического элемента, который служит сырьем для получения продуктов ядерных преобразований и, по желанию, первичным энергоносителем для получения энергии;

термином «ударное сжатие» - изоэнтропическое импульсное действие самофокусирующейся сходящейся волны плотности на по меньшей мере часть мишени;

термином «сверхплотное состояние» - такое состояние по меньшей мере части мишени после ударного сжатия, в котором существенная часть ее вещества преобразуется в электронно-ядерную и электронно-нуклонную плазму;

термином «пикноядерный процесс» - такое (в частности, «холодное») рекомбинационное взаимодействие между компонентами электронно-ядерной и электронно-нуклонной плазмы сжатого до сверхплотного состояния вещества мишени, при котором происходит по меньшей мере изменение элементного состава мишени;

термином «плазменный катод» - такая заменяемая по мере износа осесимметричная часть отрицательного электрода РВД, которая способна в начале разрядного импульса генерировать из материала приповерхностного слоя плазменную оболочку с близкой к нулю работой выхода электронов,

термином «анод-концентратор» - такая однократно используемая сменная осесимметричная часть анода РВД, которая в простейших демонстрационных экспериментах целиком изготовлена из предпочтительно электропроводного в основной массе материала и непосредственно служит мишенью, а при использовании устройства для промышленных нужд имеет вид по меньшей мере однослойной оболочки из твердого прочного материала, внутри которой также осесимметрично с обеспечением акустического контакта закреплена выбранная мишень; и

термином «фокальное пространство» - такая часть пространства вакуумной камеры РВД, которая объемно охватывает определенный отрезок общей геометрической оси симметрии электродов РВД и в которой при отсутствии препятствий и при заданных значениях площади эмитирующей поверхности плазменного катода, энергии электронов и плотности тока вследствие коллективной самофокусировки релятивистских электронов возможен пинч электронного пучка.

Уровень техники

Теоретически общеизвестно (см., например, US Patent 4401618), что для проведения управляемых ядерных реакций необходимо и достаточно:

во-первых, изготовить мишень микроскопического объема, масса которой обычно составляет от нескольких микрограммов до нескольких миллиграммов,

во-вторых, зафиксировать сформированную мишень в пространстве,

в-третьих, как можно более равномерным ударным сжатием мишени во всем ее объеме перевести вещество в сверхплотное состояние и,

в-четвертых, удержать вещество мишени в таком состоянии на время, достаточное для трансмутации и/или слияния ядер атомов, что может сопровождаться выделением или поглощением энергии.

Следует заметить, что указанные ограничения массы мишени важны в основном для ИТС, ибо 1 мг дейтерия или смеси дейтерия и трития по энергоемкости эквивалентен примерно 20-30 кг тринитротолуола.

Теоретически также общеизвестно, что трансмутация и/или слияние ядер происходят практически одновременно с достижением сверхплотного состояния. Поэтому усилия специалистов в области ядерной физики до сих пор были направлены на создание как можно более эффективных способов и средств ударного сжатия вещества.

И, наконец, также теоретически понятно:

что такое сжатие возможно только при генерировании мощного механического импульса длительностью порядка нескольких десятков наносекунд и фокусировании этого импульса на существенной части (а в пределе - на всей) поверхности мишени, расположенной в надежно изолированном от окружающей среды объеме,

что для этого необходимы такие средства пространственно-временного сжатия потока энергии, как первичный источник энергии, по меньшей мере один накопитель энергии, по меньшей мере один преобразователь накопленной энергии в ударный механический импульс и механический ударник для практически изоэнтропической передачи этого импульса на мишень, и

что вопрос о достаточном наборе таких средств и взаимосвязей между ними может быть решен по-разному в зависимости от целей экспериментов по ударному сжатию вещества с той оговоркой, что при подключении к промышленной сети электроснабжения первым, но не единственным накопителем энергии обычно служит устройство на основе LC-цепи (см., например: сборник статей «ENERGY STORAGE COMPRESSION AND SWITCHING» edited by W.H. Bostick, V. Nardy and O.S.F. Zucker, Plenum Press, New York and London или его русский перевод «НАКОПЛЕНИЕ И КОММУТАЦИЯ ЭНЕРГИИ БОЛЬШИХ ПЛОТНОСТЕЙ».-Москва: «МИР», 1979).

Попытки реализовать указанные теоретические предположения на практике долгие годы были направлены только на ИТС, промышленное освоение которого казалось достаточным условием перехода человечества в «энергетический рай».

Именно поэтому в качестве активного вещества первоначально применяли только газообразные дейтерий или дейтерий и тритий, а мишени изготовляли в виде герметичных полых сфер, заполненных микроскопическими (около 0,1 мг) порциями указанных изотопов водорода. Далее на каждую такую мишень синхронно и равномерно с многих сторон направляли пучки электромагнитного излучения лазерного драйвера. Нагрев оболочки вызывал абляцию (частичное испарение) ее внешней части. Расширение испарившегося материала порождало реактивные силы, которые вызывали имплозию, то есть равномерное сжатие внутренней части оболочки и активного вещества мишени по направлению к центру сферы (см., например: 1. US Patent 4401618; 2. J. Lindl, Phys. of Plasmas, 1995; 3. К. Mima et al., Fusion Energy, 1996, IAEA, Vienna, v.3, p.13, 1996).

Эта схема ИТС казалась безупречной. Действительно, длительность импульсов лазерного излучения можно довести до величин около 1 нс. Это обеспечивает эффективное временное сжатие потока энергии, а резкое уменьшение площади поверхности мишени служит предпосылкой и для пространственного сжатия этого потока.

К сожалению, к.п.д. лазеров не превышает 5%, что с самого начала ставило под сомнение эффективность лазерного драйвера с учетом критерия Лоусона (J.D. Lawson, Proc. Phys. Soc., В.70, 1957). Далее, синхронизация включения лазеров требует сложной системы автоматического управления. И, наконец, абляция сопровождается существенными потерями энергии на нагрев оболочки и мишени в целом. Поэтому до сих пор никто не довел газообразное вещество мишени до сверхплотного состояния и не получил положительный выход энергии, превышающий ее затраты на инициирование ИТС.

Известны попытки создать давления и температуры, достаточные для инициирования и протекания ИТС, акустическим драйвером, который должен вызывать кавитацию в конденсированных, в частности «жидких», мишенях (US Patents 4333796; 5858104 и 5659173). Так, в международной публикации WO 01/39197 описаны:

(1) кавитационный термоядерный реактор, который имеет:

по меньшей мере один источник механических ультразвуковых колебаний, предпочтительно несколько звукопроводов, способных передавать эти колебания в резонансном режиме в замкнутый объем мишени с увеличением плотности потока энергии в расчете на единицу площади, и

средство отбора тепла в виде подходящего теплообменника; и

(2) такой способ использования описанного реактора, который предусматривает:

изготовление плохо проводящих звук мишеней путем запрессовки топливного материала, необходимого для ядерного синтеза, в частности дейтерида титана или дейтерида лития, или дидейтерида гадолиния и т.д., в твердую матрицу из звукопроводного тугоплавкого металла типа титана, вольфрама, гадолиния, осмия или молибдена,

введение по меньшей мере одной такой матрицы с по меньшей мере одной такой мишенью в акустический контакт с по меньшей мере одним звукопроводом, который подключен к источнику ультразвуковых механических колебаний,

воздействие на такую матрицу серией ультразвуковых импульсов в резонансном режиме, которое, вследствие преобразования кинетической энергии механических колебаний в теплоту, вызывает механохимическую деструкцию дейтеридов и псевдоожижение мишеней и, вследствие «испарения» дейтерия из мишеней, практически одновременно возбуждает в «жидких» мишенях кавитацию, то есть появление паровых пузырьков и их схлопывание под давлением материала матрицы, и

завершение процесса после протекания внутри мишеней реакций ядерного синтеза с выделением энергии.

Применение твердых (в исходном состоянии) мишеней и ультразвуковых механических импульсов для их ударного сжатия кажется весьма привлекательным. К сожалению, источники ультразвука, как и лазеры, имеют незначительный к.п.д. Мало того, в отличие от лазеров эти источники дают весьма малую плотность мощности в импульсе, что и вынуждает вводить систему «источник ультразвука - дейтеридная мишень» в резонансный режим. Однако и в этом режиме основная часть энергии затрачивается на нагрев мишеней и рассеивается. Поэтому ударное сжатие вещества до сверхплотного состояния не было достигнуто даже при длительной «накачке» энергии в мишени.

Соответственно, проблема создания практически эффективных способов и средств ударного сжатия вещества до сверхплотного состояния остается актуальной.

Перспективный подход к ее решению основан на применении РВД, которые известны с начала XX века (см., например: 1. C.D. Child, Phys. Rev., v.32, h.492, 1911; 2. I. Langmuir, Phys. Rev., v.2, p.450, 1913).

Каждый РВД имеет вакуумную камеру, в которой закреплены катод и анод, подключенные к накопителю электрического заряда через импульсный разрядник. При достаточно большом заряде и малой длительности разрядного импульса такие диоды способны обеспечить взрывную эмиссию электронов с поверхности катода и их разгон до субсветовых скоростей с к.п.д. более 90%.

Именно в этом качестве генераторов и ускорителей мощных электронных пучков РВД были объектом внимания физиков в течение всего XX века, а многочисленные усовершенствования конструкции таких диодов в целом и, особенно, катодов для них были направлены на пространственно-временное сжатие энергии в электронных пучках и придание этим пучкам требуемой пространственной формы.

Попытка создать способ ударного сжатия вещества в РВД с целью ИТС известна из US Patent 3892970. Этот способ включает:

изготовление мишени в виде симметричной крупинки конденсированного (в частности, твердого) вещества, которым служит замороженное топливо для термоядерного синтеза (то есть дейтерий или смесь дейтерия и трития),

во-вторых, подачу мишени в межэлектродный промежуток РВД, в который открыт выход средства генерирования анодной плазмы, и

в-третьих, практически синхронное впрыскивание анодной плазмы и импульсное (до 10 нс) кольцевое ударное сжатие мишени закорачиванием на нее через анодную плазму мощного (порядка 100 ТВт) тока, несущего энергию около 1 МДж.

Однако таким способом весьма трудно сжать вещество мишени до сверхплотного состояния и удержать его в нем на время, достаточное для слияния ядер атомов с выделением энергии, ибо размеры мишени явно меньше длины пробега электронов с энергией около 1,5 МэВ. Поэтому кинетическая энергия электронов практически мгновенно во всем объеме мишени превращается в тепловую энергию и вызывает объемный тепловой взрыв ядерного топлива. Далее, в известном способе крайне трудно синхронизировать попадание свободно летящей мишени в центр кольцевого катода РВД с разрядом источника энергии и созданием плоского плазменного анода. Соответственно, фокусировка потока электронов на мишени может быть достигнута только случайно несмотря на регулирование напряжения разряда и плотности анодной плазмы.

Известное из того же источника устройство для ударного сжатия вещества на основе РВД имеет сферическую оснащенную теплообменником вакуумную камеру с каналом для подачи мишеней, два симметрично расположенных относительно центральной плоскости вакуумной камеры кольцевых катода, дополнительное устройство для впрыскивания плазмы, расположенное между катодами и формирующее плоский плазменный анод непосредственно перед разрядом питающей цепи.

И, наконец, известный из того же источника катод имеет токоведущую часть и фокусирующий наконечник, который выполнен в виде кольца с острой кромкой для увеличения на ней градиента электрического поля. Во время разряда кромка такого катода покрывается собственным слоем плазмы.

В таком РВД практически невозможно передать мишени заметную долю энергии кольцевого электронного пучка, ибо он уже в момент формирования находится на пороге пинча и неустойчив (особенно в сочетании с плазменным анодом, параметры которого заметно изменяются как в течение каждого импульса, так и от импульса к импульсу).

Поэтому желательно, чтобы анод был твердым и либо сам по себе служил мишенью, либо включал мишень, и чтобы в процессе разряда одновременно предотвращался пинч в межэлектродном промежутке и достигалась самофокусировка электронного пучка на поверхности анода.

Удивительно, что, по имеющимся данным, в поисках средств такого рода основное внимание было уделено только профилированию эмиттеров катодов РВД при использовании практически плоских анодов. Ярким примером такого подхода может служить импульсный источник электронов на основе РВД, у которого плазменный катод имеет профилированную пластину из диэлектрика и точно так же профилированную электропроводную накладку на часть поверхности указанной пластины (SU 1545826 А1). Такой составной катод при импульсном разряде может порождать не подверженный пинчу электронный пучок с профилем, соответствующим профилю диэлектрической пластины.

Однако для ИТС и пикноядерных процессов необходимо как можно более равномерное сжатие мишени, которое нельзя обеспечить профилированием электронного пучка. Поэтому описанный РВД, как и его аналоги, практически неприменим в процессах ударного сжатия вещества до сверхплотного состояния.

Трудность подавления пинча в межэлектродном промежутке и обеспечения самофокусировки электронных пучков на поверхности мишеней породили у многих физиков такой пессимизм, что они сделали вывод о принципиальной непригодности РВД как драйвера для трансмутационных процессов и ИТС (см., например: 1. James J. Duderstadt, Gregory Moses, Inertia! confinement fusion. John Wiley and Sons, New York, 1982 (Дж. Дюдерштадт, Г. Мозес.Инерциальный термоядерный синтез. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.18.); 2. Е.Р.Velikhov, S.V.Putvinsky. Fusion power. Its status and role in the long-term prospects. In 4.2.2. Drivers for Inertial Controlled Fusion/ http://relcom. website. ru/wfs-moscow. и мн. др.).

Тем не менее поиски в этом направлении продолжались.

Так, наиболее близкие к изобретению по технической сущности способ и устройство, которые в принципе пригодны для ударного сжатия вещества, были раскрыты на международной конференции, посвященной ускорителям частиц (S. Adamenko, E. Bulyak et al. Effect of Auto-focusing of the Electron Beam in the Relativistic Vacuum Diode. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999), и в более поздней статье (V.I.Vysotski, S.V.Adamenko et al. Creating and using of superdense micro-beams of relativistic electrons. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 455, 2000, pp.123-127).

Способ ударного сжатия вещества, легко усматриваемый специалистами из указанных источников информации, включает:

изготовление мишени в виде такой осесимметричной детали из конденсированного вещества, которая служит по меньшей мере частью анода РВД (а именно - в виде полусферического наконечника игольчатого анода-концентратора диаметром порядка нескольких микрометров),

установку мишени в РВД, оснащенный также осесимметричным плазменным катодом, который расположен практически на одной геометрической оси с указанным анодом-концентратором и отдален от него на несколько миллиметров, и

импульсный разряд источника питания на РВД в режиме самофокусировки электронного пучка на поверхности анода-концентратора.

Устройство для ударного сжатия вещества таким способом изготовлено на основе РВД. Оно имеет:

прочный газонепроницаемый корпус, часть которого изготовлена из электропроводного материала, выполнена осесимметричной и ограничивает вакуумную камеру, и

закрепленные в этой камере практически на одной геометрической оси осесимметричный плазменный катод и осесимметричный анод-концентратор, из которых по меньшей мере плазменный катод подключен к импульсному высоковольтному источнику питания.

Катод был выполнен по классической схеме «электропроводный сужающийся в направлении к аноду (обычно металлический) стержень - торцевой диэлектрический элемент», периметр и площадь рабочего торца которого не превышают соответственно периметр и площадь поперечного сечения указанного стержня.

Придание обоим электродам специфических геометрических форм позволило подавить пинч в межэлектродном промежутке РВД, заострить электронный пучок и обеспечить его самофокусировку на незначительной части поверхности анода-концентратора.

Однако такое по сути точечное воздействие на анод-концентратор пригодно лишь для демонстрации применимости РВД для ударного сжатия вещества, но не способно гарантировать сжатие вещества до сверхплотного состояния в существенной части объема мишени при каждом очередном импульсном разряде.

Плазменный катод был выполнен по схеме «электропроводный (металлический) элемент, предназначенный для подключения к импульсному высоковольтному источнику питания, - торцевой диэлектрический элемент», который со стороны заднего торца контактирует с электропроводным элементом и передний торец которого служит средством организации эмиссии электронов (Mesyats G.A. Cathode Phenomena in a Vacuum Discharge: The Breakdown, the Spark and the Arc. - Moskow: Nauka Publishers, 2000, p.60).

Краткое изложение сущности изобретения

В связи с изложенным выше в основу изобретения положена задача:

во-первых, изменением условий выполнения операций создать такой способ ударного сжатия, который мог бы гарантировать сжатие существенной части вещества мишени до сверхплотного состояния при каждом очередном импульсном разряде на РВД,

во-вторых, изменением формы и взаиморасположения электродов в РВД создать такое устройство для ударного сжатия вещества, которое обеспечило бы практическое осуществление способа, и,

в-третьих, изменением формы и соотношения размеров электропроводной и диэлектрической частей создать такой осесимметричный плазменный катод, который обеспечивал бы наиболее экономичное практическое осуществление способа.

Поставленная задача в первой части решена тем, что в способе ударного сжатия вещества с использованием РВД, имеющего осесимметричную вакуумную камеру с электропроводными стенками, осесимметричный плазменный катод и осесимметричный анод-концентратор, включающем:

изготовление мишени в виде осесимметричной детали из конденсированного вещества, которая служит по меньшей мере частью анода-концентратора,

установку анода-концентратора в РВД с зазором относительно плазменного катода практически на одной с ним геометрической оси и

импульсный разряд источника питания на РВД в режиме самофокусировки электронного пучка на поверхности анода-концентратора,

согласно изобретению

используют осесимметричный плазменный катод в виде электропроводного стержня и жестко связанного с ним торцевого диэлектрического элемента, у которого площадь рабочего торца превышает площадь поперечного сечения электропроводного стержня и максимальную площадь поперечного сечения анода-концентратора,

анод-концентратор устанавливают с таким зазором относительно плазменного катода, при котором центр кривизны рабочей поверхности анода-концентратора расположен внутри фокального пространства коллективно самофокусирующегося электронного пучка,

и воздействуют на анод-концентратор электронным пучком с энергией электронов не менее 0,2 МэВ, плотностью тока не менее 10⁶ А/см² и длительностью не более 100 нс.

Результаты осуществления такого способа оказались весьма неожиданными даже для изобретателя, который стремился к ним более 10-и лет. Так, при использовании простейших монометаллических мишеней из высокочистых меди, тантала и других материалов удалось экспериментально установить следующее:

заметная часть массы каждой мишени после ударного сжатия разлеталась и в виде скоплений продуктов трансмутации оседала на стенках вакуумной камеры РВД и/или на указанном далее экране;

отдельные скопления были довольно однородны по элементному составу;

в скоплениях были достоверно выявлены не только стабильные изотопы известных ныне химических элементов, которые не присутствовали в веществе мишеней в качестве примесей, но и также относительно стабильные изотопы неизвестных ныне и пока не идентифицированных трансуранидов;

изотопный состав продуктов трансмутации вещества мишеней существенно отличался от справочных данных об изотопном составе этих же элементов в земной коре,

положительный выход тепловой энергии из зоны трансмутации зафиксировать не удалось.

Это принципиально отличает трансмутацию согласно изобретению от традиционной трансмутации обстрелом твердых мишеней (например, из той же меди или молибдена) ионами (обычно дейтронами), которые получают из источников с магнитно-удерживаемой анодной плазмой и разгоняют на сложных и опасных в эксплуатации импульсных ускорителях до получения потоков мощностью порядка 1 кВт при энергии ионов более 5 МэВ (см., например, US Patent 5848110). Действительно, в таких процессах удается получать только заведомо известные преимущественно радиоактивные изотопы заведомо известных химических элементов, например: Zn⁶⁵, Mo⁹⁹, I¹²³, О¹⁵ и т.д., тогда как способ согласно изобретению практически пригоден, как минимум, для синтеза трансуранидов в достаточных для химического исследования количествах.

Упомянутые выше и подробно описанные далее результаты осуществления способа согласно изобретению позволяют предположить, что электронный пучок коллективно самофокусируется на существенной части поверхности анода-концентратора и возбуждает в его приповерхностном слое механический солитоноподобный импульс плотности, сходящийся к оси симметрии мишени. Этот импульс изоэнтропически передает энергию, полученную от электронного пучка, на часть вещества мишени вблизи оси ее симметрии. Передний фронт указанного импульса стремится приобрести сферическую форму. Поэтому по мере приближения солитоноподобного импульса к некоторому малому объему с центром на оси симметрии мишени происходит укручение его переднего фронта и возрастание плотности энергии в нем до величины, достаточной для достижения сверхплотного состояния вещества и протекания пикноядерных процессов. Именно поэтому на простейшем (и, что важно, практически безопасном в эксплуатации) ускорителе электронов типа РВД с минимальным расходом энергии удается, как будет подробно показано ниже, обеспечивать трансмутационные ядерные реакции с получением широкого спектра изотопов.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что в составе РВД используют такой плазменный катод, у которого электропроводный стержень заострен, а торцевой диэлектрический элемент имеет отверстие для насадки на указанный стержень, посадочная часть которого вместе с острием находится внутри указанного отверстия. Это позволяет по меньшей мере частично регулировать межэлектродный зазор в РВД и стабилизировать работу плазменного катода, что особенно важно для экспериментальной оптимизации процесса ударного сжатия.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что мишень формируют в виде вставки в центральную часть анода-концентратора РВД, диаметр которой выбирают в пределах от 0,05 до 0,2 максимального поперечного размера анода-концентратора. Это позволяет использовать в качестве объекта, который сжимают до сверхплотного состояния, любые материалы независимо от их электропроводности и применять их как в твердом, так и в жидком состоянии. Естественно, что жидкости предварительно капсулируют либо непосредственно в твердой оболочке анода-концентратора, либо в отдельной оболочке, которую после герметизации вставляют в анод-концентратор с обеспечением плотного акустического контакта.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что по меньшей мере той части анода-концентратора, которая обращена к плазменному катоду, придают сфероидальную форму. Это позволяет свести механический солитоноподобный импульс плотности в микроскопически малый объем и даже при минимальном (порядка 300-1000 Дж) расходе энергии внутри РВД на один «выстрел» обеспечивать ударное сжатие вещества каждой очередной мишени до сверхплотного состояния с получением 10¹⁷-10¹⁸ атомов как продуктов трансмутации.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что мишень формируют в виде сфероидального тела, которое плотно фиксируют внутри анода-концентратора таким образом, что центры внутреннего и внешнего сфероидов практически совпадают. Тем самым удается заметно повысить выход трансмутированного материала.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что на анод-концентратор воздействуют электронным пучком с энергией электронов до 1, 5 МэВ, плотностью тока не более 10⁸ А/см² и длительностью не более 50 нс. Эти режимы достаточны для протекания пикноядерных процессов в мишенях, состоящих из наиболее стабильных атомов химических элементов из «средней части» таблицы Менделеева.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что плотность тока в электронном пучке составляет не более 10⁷ А/см², что достаточно для эффективного ударного сжатия большинства конденсированных мишеней.

Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что остаточное давление в вакуумной камере РВД поддерживают на уровне не более 0,1 Па, что вполне достаточно для исключения газового разряда между электродами РВД.

Поставленная задача во второй части решена тем, что в устройстве для ударного сжатия вещества на основе РВД, которое включает:

прочный газонепроницаемый корпус, часть которого изготовлена из электропроводного материала, выполнена осесимметричной и ограничивает вакуумную камеру, и

установленные в вакуумной камере с зазором практически на одной геометрической оси осесимметричные плазменный катод и анод-концентратор, из которых по меньшей мере катод подключен к импульсному высоковольтному источнику питания,

согласно изобретению

плазменный катод выполнен в виде электропроводного стержня и жестко связанного с ним торцевого диэлектрического элемента, у которого площадь рабочего торца превышает площадь поперечного сечения электропроводного стержня и максимальную площадь поперечного сечения анода-концентратора,

по меньшей мере один из электродов РВД снабжен средством регулирования межэлектродного зазора, а

расстояние от общей геометрической оси указанных плазменного катода и анода-концентратора до внутренней стороны электропроводной стенки вакуумной камеры превышает 50d_max, где d_max - максимальный поперечный размер анода-концентратора.

РВД, обладающий совокупностью указанных признаков, как минимум пригоден для трансмутации ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, как это указано выше в комментариях к сущности способа согласно изобретению.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что электропроводный стержень плазменного катода заострен, а торцевой диэлектрический элемент имеет отверстие для насадки на указанный стержень, посадочная часть которого вместе с острием находится внутри указанного отверстия. При такой конструкции перемещением диэлектрического элемента относительно электропроводного стержня можно стабилизировать работу плазменного катода и по меньшей мере частично регулировать межэлектродный зазор в РВД.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что анод-концентратор имеет круглую в поперечном сечении форму и целиком выполнен из электропроводного в основной массе материала, подлежащего трансмутации. Это позволяет на простейших образцах из чистых металлов или сплавов металлов демонстрировать эффект трансмутации и, в частности, получать трансураниды.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что анод-концентратор выполнен составным и включает по меньшей мере однослойную твердую оболочку и плотно охваченную этой оболочкой вставную мишень в виде тела вращения, которая изготовлена из твердого или жидкого материала и имеет диаметр в пределах (0,05-0,2)·d_max, где d_max - максимальный поперечный размер анода-концентратора. Это позволяет проводить ударное сжатие вещества не только с целью трансмутации ядер атомов, но и с целью получения энергии в зоне протекания пикноядерных процессов с существенным (по меньшей мере на порядок) превышением критерия Лоусона.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что в хвостовой части анода-концентратора установлен по меньшей мере один экран из предпочтительно электропроводного материала. Он может улавливать часть продуктов пикноядерных процессов, полученных при ударном сжатии до сверхплотного состояния основной мишени, и служить дополнительной мишенью для межъядерных взаимодействий при разлете частиц анода-концентратора.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что указанный экран выполнен в виде тонкостенного тела вращения, диаметр которого составляет не менее 5d_max и которое удалено от ближайшего к плазменному катоду торца этого анода на расстояние до 20d_max, где d_max - максимальный поперечный размер анода-концентратора. При этих условиях электропроводный экран способствует самофокусировке электронного пучка на большей части поверхности анода-концентратора и улавливает заметную часть продуктов пикноядерных процессов.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что указанное тонкостенное тело вращения со стороны анода-концентратора имеет плоскую или вогнутую поверхность. Это существенно замедляет зарастание стенок вакуумной камеры РВД осадками, которые содержат продукты пикноядерных процессов.

Поставленная задача в третьей, вспомогательной части решена тем, что в осесимметричном плазменном катоде для РВД, имеющем электропроводный элемент для подключения катода к импульсному высоковольтному источнику питания и торцевой диэлектрический элемент, который со стороны заднего торца введен в контакт с указанным электропроводным элементом и передний торец которого служит средством организации эмиссии электронов, согласно изобретению электропроводный элемент выполнен в виде стержня, а торцевой диэлектрический элемент жестко связан с этим стержнем и служит эмиттером электронов по всей своей площади.

Диэлектрический элемент такого катода при пробое по поверхности практически мгновенно покрывается плазмой. Работа выхода электронов из нее близка к нулю. Поэтому ток в межэлектродном зазоре РВД и, соответственно, суммарная энергия электронов в электронном пучке практически совпадают с физически допустимыми максимальными значениями этих параметров. Поэтому же плазменный катод согласно изобретению предпочтительно применять в устройствах для ударного сжатия вещества на основе РВД.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что электропроводный стержень плазменного катода заострен, а торцевой диэлектрический элемент имеет отверстие для насадки на указанный стержень, посадочная часть которого вместе с острием находится внутри указанного отверстия. Как уже было сказано выше, это позволяет использовать плазменный катод по меньшей мере как одно из средств регулирования межэлектродного зазора в РВД.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что торцевой диэлектрический элемент имеет глухое отверстие, что предпочтительно при регулировании межэлектродного зазора в РВД.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что торцевой диэлектрический элемент имеет сквозное отверстие, что предпочтительно при регулировании образования плазменного облака при пробое и стабилизации работы РВД.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что торцевой диэлектрический элемент изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из карбоцепных полимеров с одинарными углерод-углеродными связями, композиционных материалов с органическими связующими типа гетинакса или текстолита, эбеновой древесины, природной или синтетической слюды, чистых оксидов металлов III-VII групп периодической системы элементов Менделеева, неорганических стекол, ситаллов, керамических диэлектриков и войлока из базальтового волокна.

Этот предпочтительный перечень позволяет подбирать диэлектрические материалы с учетом разных требований. Например, указанные органические материалы и войлок из базальтового волокна желательны из соображений удобства изготовления торцовых диэлектрических элементов и манипулирования ими при регулировании межэлектродного зазора в РВД, а прочие указанные неорганические материалы желательны с точки зрения стойкости к износу и минимума влияния на остаточное давление в вакуумной камере РВД после каждого очередного «выстрела».

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что торцевой диэлектрический элемент имеет развитую поверхность, что облегчает образование плазменного облака при пробое.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что минимальный поперечный размер указанного диэлектрического элемента c_{∂э мин}=(5-10)·с_{эс макс}, а длина этого элемента I_∂э=(10-20)·с_{эс макс}, где с_{эс макс} - максимальный поперечный размер электропроводного стержня. При таких относительных размерах частей плазменного катода полностью исключается пинч в межэлектродном промежутке РВД и гарантируется самофокусировка электронного пучка на существенной части анода-концентратора.

Должно быть понятно,

что при выборе конкретных вариантов осуществления изобретения возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом,

что этот замысел в пределах, очерченных формулой изобретения, может быть дополнен и/или уточнен с использованием обычных знаний специалистов и

что описанные далее предпочтительные примеры воплощения изобретательского замысла никоим образом не ограничивают объем прав на основе изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее сущность изобретения (на примерах трансмутации ядер в пикноядерных процессах) поясняется подробным описанием конструкции устройства и способа ударного сжатия вещества со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:

фиг.1 - конструктивная схема взаиморасположения электродов в РВД с указанием регулируемых геометрических параметров;

фиг.2 - структурная схема импульсного высоковольтного источника питания;

фиг.3 - предпочтительная конструкция осесимметричного плазменного катода (в продольном разрезе по оси симметрии);

фиг.4 - вид заднего торца осесимметричного плазменного катода в плоскости IV-IV (с поперечным сечением электропроводного стер