Спосіб відновлення кремнію і титану шляхом генерації електромагнітних взаємодій часток sio2, fetio3 та магнітних хвиль

Реферат: Винахід належить до способу отримання кремнію і титану шляхом генерації електромагнітних взаємодій часток SiO2, FeТіО3 і магнітних хвиль. Винахід може бути застосований для руйнування, розкладання мінералів при збагаченні в гірничорудній промисловості та рудопідготовці. Суть поставленої задачі полягає у створенні способу сильних електромагнітних взаємодій з елементами мінералів SiO2 і ТіО3 з метою їх розкладу безкислотними способами, без екологічно шкідливих виробництв. Заявлено спосіб відновлення кремнію і титану шляхом генерації електромагнітних взаємодій на резонансній частоті часток 5 12 сировини в діапазоні 10 ÷10 Гц з модуляцією на циклічній частоті 200 Гц в замкнутій петлі струму, причому здійснюють резонансне накачування енергії в частки сировини з фазовими кутами ±φ, відновлення кремнію здійснюють з дрібнодисперсного сорбенту SiO2, насиченого UA 107875 C2 (12) UA 107875 C2 воднем, а відновлення з FeTiO3 металевого заліза і діоксиду титану здійснюють у петлі струму з твердими окислювачами, з модуляцією петлі струму на резонансних частотах сировини. UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Область техніки Винахід відноситься до способу генерації надвисокочастотних (НВЧ) електромагнітних (ЕМ) взаємодій для вилучення корисних елементів і промислової переробки сировини, що містить кремній і титан, та іншої мінеральної сировини в сипучому вигляді, металізації залізорудних окатишів. Рівень техніки Враховуючи широкий спектр застосування способу генерації взаємодій НВЧ магнітних і електричних хвиль і галузей для промислового застосування, будемо його обґрунтовувати спільно зі способом одержання кремнію та діоксиду титану в результаті НВЧ окислювальновідновних реакцій в ЕМ полях і хвилях. Будемо використовувати відомі в літературі способи, що найбільш наближені до даного винаходу. На основі великого експериментального матеріалу був зроблений фундаментальний висновок про резонансну природу взаємодії електричного, магнітного, ЕМ полів із зарядженою часткою. Успіх у напрямку необмеженого за часом стабільного утримання згустку заряджених часток лежить на шляху вивчення резонансних умов взаємодії поля і зарядженої частки, обміну енергією між ними [1]. Будемо розглядати резонансний енергообмін в твердому тілі, в газовому середовищі. Взаємодія має резонансний механізм, але ми, на відміну від інших авторів, вважаємо, що немає необхідності організовувати взаємодію на резонансній моді певного типу і частоти. Природа випромінювання нашого пристрою в корені відмінна від магнетронного або клістронного типу мікрохвильових генераторів, яка потім по позамежовому хвилеводу каналізується в реакційну мікрохвильову камеру, що являє собою закритий об'ємний резонатор мікрохвильового діапазону, що має несучу моду певного типу (ТЕ, ТЕМ). У нашому випадку хвилеводи і закритий об'ємний резонатор відсутні, випромінювання організовується безпосередньо в речовині зразка, спектр частот випромінювання відповідає резонансним частотам матеріалу зразка, об'ємний резонатор відкритого типу (у вигляді шматка труби) відсутній, так як стиснення енергії відбувається в центрі мас, і екран із магнітного поля, що обертається та рухається навколо петлі струму, що обертається – плазмоїда, забезпечують роботу пристрою без спеціальної конструкції камери, в якій відбувається утримання плазми. Відомий спосіб отримання кремнію хімічним паровим осадженням із газу, що містить кремній, з додаванням газів водню і хлору в реакторі псевдокиплячого шару, який носить назву хлорсиланової технології. Даний спосіб був розроблений і впроваджений у виробництво напівпровідникового кремнію вперше компанією Siemens. Типові процеси та обладнання розкрито в процесі Siemens, де кремній осаджується водневим відновленням одного з силанів (діхлорсилану, трихлорсилану або їх сумішшю) на кремнієвому бруску методом електричного резистивного нагріву, як описано в патенті [2] і процесі Komatsu, де кремній осаджується шляхом термічного розкладання силану, описаного в патентах [3, 4]. о У [3] і [5] кремнієвий брусок нагрівався до ~ 1000 – 1200 °C шляхом резистивного нагріву, в [4] він нагрівався до температури термічного розкладання близько 800 °C. Реактори обох процесів виконані з кварцового або нержавіючої сталі куполоподібного корпусу, реакторні стінки якого охолоджуються до 300 °C хладогентом (водою або повітрям), так, що кремній не осідає на внутрішніх стінках. Недолік такого реактора в тому, що швидкість осадження полікремнію низька, в той час як рівень споживання енергії високий, тому що кремнієвий брусок, що використовується в серійному процесі, забезпечує малу площу поверхні для осадження. Для зниження ефектів таких недоліків було запропоновано проводити процес в шарі флюїдизованого матеріалу: кремній з газу, що містить кремній, осідає на кремнієві частки, в той час як кремнієві частки, що мають величезну площу осадження, псевдозріджуються газом, що містить кремній, і кар'єр-газом (газ-носій, що транспортує газ). Процес киплячого шару, як згадувалося вище, використовує в основному способи зовнішнього нагріву, де температура реактора вище, ніж матеріалів, що нагріваються, що призводить до осадження на стінках. Даний метод нагрівання призводить до високого ступеню теплових викидів у навколишнє середовище з системи, а також створює труднощі для будівництва реактора великого діаметру через обмежену потужність нагрівального джерела, необхідного для хімічного парового осадження (Chemical Vapor Deposition – CVD). CVD-розкладання силанів викликає осадження кремнію на внутрішній стінці реактора, відповідно з чим не тільки скорочується внутрішній об'єм реактора, але і тепловий режим стає погано керованим. У випадку кварцового реактора, він може тріснути в той час, коли реактор охолоджується, через різницю в коефіцієнтах термічного розширення кварцового реактора і кремнію, що осідає. Для промислового застосування кварцові труби не придатні. 1 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Введення внутрішнього нагріву замість зовнішнього нагріву в систему було запропоновано як спосіб зменшення вищезгаданих недоліків. Однак, в процесі використання внутрішнього нагрівача, кремній осідає на поверхні нагрівача, що робить неможливим використовувати даний процес тривалий час. Залишаються проблеми, пов'язані з обслуговуванням і заміною полікремнієвого резистивного нагрівача, зануреного в реактор. Нагрівач викликає деякі проблеми в створенні гарної флюїдизації і додає забруднення (домішки) внаслідок прямого контакту з частками кремнію, а також займає деякий об'єм реактора, знижуючи ефективність процесу. Насьогодні відомі різні конструкції реакторів киплячого шару для отримання чистого полікристалічного кремнію, принципово мало відрізняються один від одного. У них кремній, що містить газ (тетрахлорид кремнію, моносилан, хлорсилан, діхлорсилан, трихлорсилан), або їх суміш у зрідженому стані, подається з форсунки в реактор знизу. Киплячий шар (псевдокиплячий або псевдозріджений) утворюється за допомогою водню, що вдувається під тиском з розташованого поруч отвору-сопла. Водень, проходячи через кремній, що містить зріджений газ, розбиває його на краплі, мілкодисперсну суспензію. Суспензія розігрівається в зоні нагріву, що займає певну висоту по осі циліндричного реактора, і піднімається в зону реакції, яка розташовується вище зони нагріву. У зоні реакції кремній, що містить газ, розкладається за ендотермічними реакціями: SiO2+2Cl2 + 2H2 = SiCl4+2H2O - Q SiCl4+2H2 = Si+4HCl - Q За цими реакцій ми нашим способом можемо виробляти кремній. Утворений вільний, атомарний кремній осідає на охолоджених поверхнях, утворюючи кристалічну фазу полі – або монокремнію. Осадження кремнію відбувається не вибірково, тобто, на будь-якій охолодженій поверхні. Для отримання чистого полі – або монокристалічного кремнію напівпровідникової або сонячної якості, що відповідає встановленим вимогам, в якості поверхонь для осадження використовують полікремнієві затравочні частки 6, 7, які збільшуються в діаметрі – ростуть, накопичуючи на собі кремній, що осів. Більш важкі частки осідають з киплячого шару і збираються в колектор для періодичного видалення готового продукту. У реакторі "Siemens" та деяких інших 8 в реактор не подаються затравочні частки, а осадження кремнію при розкладанні газу, що містить кремній, відбувається на високочистому полі – або монокристалічному кремнієвому бруску або електроді, як запропоновано в патентах РФ 8, 9. Недоліком такого реактора є дискретність його роботи: процес необхідно зупиняти для заміни кремнієвого бруска або електрода на новий. При цьому також складно вирішуються проблеми з попаданням домішок в готовий продукт зі стінок реактора і з поверхні бруска або електрода, на яких кремній осідає. Для зниження ймовірності приєднання кремнієм домішок реакція осадження у багатьох випадках проводиться в середовищі інертного газу, наприклад, аргону 7. У деяких випадках ставиться завдання отримання вузького розподілу розмірів кремнієвих часток 6, 7, 10 і відсутність в готовому продукті агломератів 10. Швидкість осідання, рівномірність, форма функції розподілу розмірів, відсоток утворення агломератів пов'язані з рівномірністю нагрівання киплячого шару, яка, у свою чергу, визначається конструкцією, фізичною природою і принципом дії джерела тепла 7. Відомі два основних типи джерел тепла, що застосовуються в реакторах киплячого шару для отримання чистого кремнію: 1) ті, що використовують резистивний конвекційний і 2) ті, що використовують випромінювання певного діапазону (поділ цей умовний, тому що завжди мають місце 3 типи передачі тепла – перенесення тепла, конвекція і випромінювання). Реактори киплячого шару для кремнію, що використовуються для нагрівання випромінювання, можна розділити на 3 групи за типами випромінювання: теплового діапазону, НВЧ і оптичного діапазону – з лазерними джерелами. У них ЕМ енергія хвиль певного діапазону, проникаючи у внутрішню частину реактора, в зону нагрівання і зону реакції, без прямого контакту з газом, що містить кремній, і кінцевим продуктом, нагріває киплячий шар шляхом поглинання цієї енергії. У патенті 11 пропонується вводити необхідну для реакції енергію шляхом фокусованого пучка ЕМ енергії відповідно до частотниго розподілу спектру поглинання газу, що містить кремній. Для цього пропонується створити лазерне джерело з частотою лазерного випромінювання, що підлаштовується до певного складу газів, що містять кремній. Наприклад, неодим-ітрій-алюміній-гранатовий лазер Nd:YAG, що випромінює на довжині хвилі 1,064 мікрона, або СО2 лазер з довжиною хвилі випромінювання 10,6 мікрон можуть бути успішно використані в трихлорсилановому реакторі, але останній з них не може бути використаний для силану. Такий реактор буде занадто дорогим і не відрізнятиметься 2 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 стабільною роботою через необхідність частого, дуже тонкого налаштування по частоті при змінах у складі реакційної суміші. Різноманітні конструкції мікрохвильових реакторів киплячого шару для виробництва чистого полікристалічного кремнію пропонуються в ряді патентів, наприклад, 5, 12-14 та інших. Переваги мікрохвильового нагріву полягають не тільки у відсутності прямого контакту з газами і продуктом, але також і у високій ефективності взаємодії ЕМ випромінювання мікрохвильового діапазону з речовиною, як зазначають багато авторів патентів і публікацій 15-19. Реактори з мікрохвильовим нагріванням використовуються, наприклад, фірмою Canon (Японія) для створення тонких, ювелірної якості, покриттів при виробництві фототехніки 13. Але всі НВЧ джерела мають к.к.д. близько 60 %, що не дозволяє використовувати їх у промисловості. У конструкції реактора киплячого шару з мікрохвильовим нагріванням, наведеної в патенті 5, зроблена спроба подолати нерівномірність мікрохвильового поля шляхом використання 2 магнетронів одночасно, конфігурації полів яких ортогональні. Проблеми з необхідною мікрохвильовою потужністю, що виникли у групи авторів 14 при масштабуванні реактора, так і не вдалося подолати. Реактори з мікрохвильовим нагріванням мають ряд недоліків, що заважають їх широкому промисловому застосуванню: малу потужність джерел – магнетронів; нерівномірність нагрівання, виникнення гарячих / холодних місць, що відповідають пучностям / вузлам у розподілі ЕМ поля в реакторі як в об'ємному закритому резонаторі, що призводить до утворення агломератів часток, що осіли; необхідність використовувати для стінок реактора мікрохвильовопрозорі матеріали, наприклад, кварцове скло, які конструктивно не функціональні (крихкість, наявність домішок). Запропоновано реактори киплячого шару з джерелом теплового випромінювання в якості нагрівача, 10 виконані у вигляді циліндра, що відрізняється більш рівномірним нагрівом і відсутністю осаду на стінках і агломератів. Але ефективність такого нагріву не висока (втрати енергії на нагрів стінок і всієї конструкції). Автори патентів 15, 17 відзначають зв'язок ефективності мікрохвильового нагріву з діелектричними і магнітними властивостями опромінюваних матеріалів зразків. Вони пропонують використовувати для різних зразків окремо електричну або магнітну компоненту ЕМ поля мікрохвильового діапазону, що відображено в конструкції запропонованої ними апаратури. Їх дані знаходяться у згоді з результатами наших досліджень: діелектрики більш активно взаємодіють з електричним полем, яке викликає їх поляризацію, в подальшому іонізацію і нагрівання; провідники, особливо ферити, активно нагріваються в магнітному полі. Для усунення недоліків ряд авторів пропонує поєднати кілька фізичних механізмів нагріву: конвекційний резистивний нагрів з мікрохвильовим опроміненням суміші 16, а також отримання чистого полікристалічного або аморфного кремнію в плазмі мікрохвильового розряду 18, 20-24. Конструкції реакторів, заснованих на плазмово-мікрохвильових технологіях, є експериментальними і знаходяться в стадії розробки. Найбільш близькі аналоги (За сукупністю ознак – плазма, мікрохвильовий нагрів) Наш спосіб і конструкція, що забезпечує його втілення, унікальні і аналогів, по суті, не мають. У патенті 6 запропоновано спосіб отримання нанометрового кристалічного порошкоподібного кремнію напівпровідникової якості з силану (або суміші газів, що містять кремній) у плазмі мікрохвильового випромінювання в діапазоні 900-2500 МГц (переважно 915 МГц) при надмірному тиску 10-1100 мБар в середовищі водню та інертного газу (аргону) з додаванням або без легуючої речовини. Зазначений спосіб можна розглядати як аналог способу, що заявляється, за трьома головним відмітним ознаками: 1. осідання кремнію проводиться в плазмовому середовищі, 2. з порошку SiO2, 3. в середовищі водню. У нашому способі отримання чистого полікристалічного кремнію проводиться шляхом осадження кремнію з порошку, що містить кремній, або газу в середовищі інертного газу (зокрема, аргону) в електронно-іонній петлі струму, що генерується в широкому, зокрема, мікрохвильовому, діапазоні частот ЕМ хвиль резонансно. Генератором випромінювання в даному винаході не є магнетрон, який є причиною нерівномірного нагрівання в мікрохвильовому полі, створення агломератів та осадження на стінках і порівняно невисокого к.к.д. ЕМ хвилі генеруються частками газу, що містить кремній, в біжучому ЕМ полі з резонансним 3 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 накачуванням струму в RLC контурі, що також відсутній в аналозі. Аналогічно також і для FeTiO3. Іншим аналогом даного винаходу можна вважати, наприклад, сопло мікрохвильового плазмотрону з підвищеною стабільністю факела 18, де мікрохвильовий факел організований всередині кварцової труби-резонатора, поєднаного з каналом проходження газу. У цьому аналозі в системі генерування плазми передбачений провідниковий стрижень-електрод для створення поля всередині труби для подачі газу, що одночасно є НВЧ резонатором. Але джерелом мікрохвильового випромінювання в 6, 18 є магнетрон, який відсутній у способі, що заявляється. Для подолання неоднорідності нагріву магнетроном система генерування плазми в 18 містить фазообертач для управління фазою мікрохвиль в НВЧ-резонаторі, що являє собою ковзаючий ланцюг короткого замикання. Це є складний механізм, який не може працювати на великих потужностях. Система генерування плазми в 18 також містить систему з кількох пар магнітів уздовж трубки подачі газу, для взаємодії мікрохвильового випромінювання з газом, що подається, що малоефективно, ненадійно і має низький к.к.д. (60 %). Аналогом плазмового відновлення титанових оксидів може бути винахід 25. Винахід розкриває метод відновлення титану та інших металевих оксидів до металу при використанні негарячої плазми. Негаряча плазма використовується з аргоном і воднем або будь-якими іншими газами. Для отримання титану зазвичай використовують ільменіт або рутил, і методом складних хімічних перетворень шляхом процесу Кролла руду перетворюють на пористий матеріал хлоруванням руди хлорним газом з отриманням тетрахлориду титану. Рутил та ільменіт є оксидами титану (TiO2 та ін.) Кисень видаляється СО2 або СО, отримують безбарвну рідину ТiCl4. Потім рідина тривалою дистиляцією очищається по фракціях. Очищений продукт реагує з магнієм або натрієм (одним із двох) в інертній атмосфері до отримання металевої титанової губки, яка кришилась й пресувалася перед плавкою в плавильній електродній вакуумно-дуговій печі при дуже високій температурі і споживанні тепла. Сплавлений злиток вагою в кілька тонн остигав у вакуумній печі. Цей стандартний Кролл-процес у величезній мірі є причиною високої вартості металевого титану. У дослідницьких експериментах 25 було продемонстровано, що аргон-воднева плазма, що порушується мікрохвилями, може відновлювати оксиди титану до підоксидів і металу титану при відносно низьких температурах у відносно короткий термін часу. Збудження аргон-водневої плазми мікрохвилями передбачає мікрохвильовий генератор. Як відомо, к.к.д. мікрохвильових генераторів близько 50-60 %, що економічно не вигідно. Більш того, зважаючи на великі обсяги оброблюваного ільменіту, потужності існуючих НВЧ генераторів не достатні для промислового застосування. Аргон-воднева плазма дає можливість для окисно-відновних реакцій інших мінералів у різних з'єднаннях, в тому числі і ільменіту або оксидів титану. Різновиди газів: аргон-водень, СО, метан та їх суміші, що застосовуються з плазмою, традиційні і вивчені. Економічно це може бути менш вигідно, ніж тверді відновники, такі як кокс, буре вугілля, графіт та інші. При цьому для установок з високою продуктивністю знадобиться створювати водневі станції. Також немає поділу заліза, його оксидів і титану після отримання TiO2 для виробників титанового білила, що вимагає значних витрат на технологію розділення модифікованого ільменіту. Залізо і титан після обробки в аргон-водневій плазмі знаходяться в слабо зв'язаному стані і магнітною сепарацією не розділяються. У даному винаході в якості відновника використовуються тверді речовини, що містять вуглець: графіт, буре вугілля, кокс. Установка в своєму складі має генератор СО, де попередньо отримують СО для окислювально-відновних перетворень. Робоча суміш поляризується, підігрівається в першому каскаді MVD опромінення, потім в другому каскаді в резонансному режимі розігрівається до 900 °C. Сировина подається в реактор в суміші з окислювачем і повільно просувається в потоці через резонансну область реактора. Окислювально-відновні перетворення і фазовий перехід Fe2O3Fe3O4 організовуються резонансно в біжучому магнітному полі петлі струму, які в аналозі відсутні. Немає резонансної взаємодії, яка дозволяє подрібнювати і здійснювати фазовий перехід з малим споживанням електроенергії. У способі, що заявляється, у відсутність магнетрона в якості генератора мікрохвильового випромінювання, генератором резонансного випромінювання широкого, зокрема, мікрохвильового діапазону, є іонізовані атоми і молекули самої речовини, що нагрівається – суміші шихти, що знаходяться при цьому в біжучому магнітному полі. Біжуче поле (магнітне) в петлі струму електронів та іонів створює іонізацію і, як наслідок, генерацію НВЧ поля великої потужності в замкнутому об'ємі петлі струму з к.к.д. 96 % на відміну від аналогів з к.к.д. 50 %. Електронно-іонна петля струму, утворена безпосередньо в опромінюваній шихті (сировині), біжуче магнітне поле і петля струму в інших технологіях відсутні, низький к.к.д. (~ 50 %). 4 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Взаємодії магнітних, електричних обертових хвиль зі згустком заряджених часток, породженим в потенційному електростатичному полі в режимі параметричного і магнітного резонансів, використовуються з метою отримання магнітного накачування і утримання енергії в біжучому магнітному полі. В якості механізму магнітної накачки енергії використовується резонансне посилення ЕМ хвиль з магнітно-інерційним утриманням згустку заряджених часток, чого немає у всіх розглянутих аналогах. Магнітної накачки немає в аналогах. Термін "магнітноінерційне утримання" позначає фізичні механізми магнітного стиснення та інерційного обертання магнітної енергії і часток сировини або мікро і макро часток. Поняття "утримувати", "стискати", "акумулювати" – умовні, так ми називаємо замкнуті механізми обертання енергії по спіралі до центру зі зміною частоти і фази для часток, магнітних і електричних хвиль і їх комбінацій. Самоузгоджений, резонансний стан у системі "ЕМ хвиля – згусток заряджених часток" розглядається як стійкий стан, названий "магнітним V диполем" (МVD). Пророблені серії експериментів, що підтверджують такий стан. Наші роботи присвячені дослідженням самоузгоджених, резонансних станів "магнітна хвиля – згусток заряджених часток" в електростатичному полі. Отримано безперервне утримання магнітної енергії. Наприклад, винахід "Спосіб отримання ядерної енергії" 1. Цей винахід є також аналогом. У винаході викладена теоретична і практична суті отримання ядерної енергії. З опису винаходу зрозуміло, що способи отримання ядерної енергії можуть бути використані для молекулярних перетворень на рівні кристалічної решітки мінералів, якими є SiO2, FeTiO3 та інші. У даному винаході ми будемо розглядати комплекс електрофізичних перетворень, електричних, магнітних, що стосуються енергоперетворень спільно з частками речовини на молекулярному рівні. Даний винахід є продовженням розпочатих раніше робіт. У ньому ми маємо намір практично застосувати в промисловості ряд досліджень в абсолютно новій якості, в нових, керованих режимах магнітних і електричних перетворень в магнітних хвилях і речовині. Перетворення енергії об'єднані в єдину магнітно-електрично-інерційну систему в осциляторно-обертальній моделі. Обертовий осцилятор має дві інерціальні системи, які умовно розділені кордоном. Механізми перетворень ЕМ поля представлені диференціальними рівняннями. Наші висновки побудовані на класичній електродинамічній концепції поля (рівняннях Максвела, Гельмгольца, Гамільтона-Якобі, перетвореннях Лоренца), що дозволяє в динаміці здійснити ефект взаємодії хвиля – частка. При певному співвідношенні напруг електричної та магнітної енергій (фазовому куті φ), що встановлюється в МVD, стає можливим здійснити магнітне накачування та утримання згустку заряджених часток без обмеження в часі. Згусток часток в цьому випадку знаходиться у стані стабільного осциляторно-обертального руху 2 відповідно до емпірично отриманого співвідношення: Ечасток  CU /2  nhν. Співвідношення 2 пов'язує квантово-хвильові та електротехнічні параметри системи: енергію часток E=nmc , 2 енергію в коливальному контурі E=CU /2 і енергію ЕМ хвилі, що порушується в резонансній системі E=nhν. Розкриття винаходу У нашому винаході пропонується спосіб магнітної накачки енергії для генерації ЕМ взаємодій магнітних хвиль MVD в сировину, що містить кремній, титан, золото, рідкоземельні елементи, і залізорудні окатиші та в інші сухі сипучі сировини: 1. Попереднє очищення, сушіння та підготовка сировини в ЕМ поле мікрохвильового діапазону, отримання дрібнодисперсного порошку SiO2; 2. Нагрівання, поляризація та іонізація сировини в ЕМ поле високої напруги (класу 1100 кВ) в середовищі водню та аргону або твердих відновників: графіт, кокс, буре вугілля та інших, на першій стадії (операції) обробки сировини; 3. Генерація електронно-іонної петлі струму в біжучому магнітному полі згустку іонізованих часток сировини в середовищі водню-аргону (або в середовищі графіту, коксу, вугілля та інших) в електричному полі середнього рівня напруги (класу 1÷0,3 кВ); 4. Утворення фазових переходів типу Fe2O3→Fe3O4 і руйнування кристалічної структури оксидів кремнію, титану та окислення, відновлення; 5. Проведення окислювально-відновних перетворень у іонізованому стані речовини сировини – відновлення кремнію, титану, заліза та ін. пропаном, твердими реагентами, воднем в середовищі аргону, повітря або їх суміші в магнітному полі мікрохвильового діапазону зниженої напруги з великим струмом (класу до 0,1 кВ) на другій стадії (операції); 6. Коагуляція і утворення часток або злитків полікристалічного кремнію, металів титану і заліза. Процеси проводяться в кілька стадій, у кожній з яких вирішується певне завдання, як-от: поляризація, нагрів, іонізація, проведення фазових переходів типу Fe 2O3→Fe3O4, 5 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 окислювально-відновних реакцій, коагуляції оксидів кремнію і титану та інші операції, яких немає в аналогах. 5. Модель осцилятора енергії, що обертається Якщо рух електронно-іонного згустку здійснюється за одночасної наявності постійних напруг електричного Е і магнітного Н полів, перпендикулярних початковому напрямку руху нерелятивістського згустку, коли напруги полів електричного поля Е набагато менше напруг магнітного поля Н, тоді траєкторію часток можна представити як суму двох рухів у напрямку, перпендикулярному схрещеним полям з постійною (дрейфовою) швидкістю υ d=c E/H. У площині, перпендикулярній магнітному полю, електронно-іонний згусток обертається по колу з циклотронною частотою з радіусом R = (υ0=c E/H)/ω, де υ0 – початкова швидкість електронноіонного згустку. R можна утримувати при постійному Е, якщо Н і ω безперервно збільшувати, що ми нашим винаходом покажемо як здійснюється магнітне накачування та магнітно-інерційне утримання згустку. Припустимо, що перетворення енергії в МVD відбуваються згідно наступної моделі. Рух енергії по замкнутій траєкторії простору і часу в самоузгодженому стані ми називаємо обертовим осцилятором. Обертовий осцилятор має дві інерціальні системи відліку – зовнішня (+) і внутрішня (-), які розділені кордоном у вигляді кола (о) – Фіг. 1. Відповідно до теорії відносності, дві незалежні події, що відбуваються у двох незалежних інерціальних системах, можна розглядати як одну в деякій третій інерціальній системі, що є об'єднанням перших двох незалежних інерціальних систем відліку. Тоді подія А0, що відбувається в третій інерціальній + системі, є сполучною ланкою між першою А і другою А подією в першій і другій інерціальних + системах. Через цю третю подію А0 (Фіг. 2) здійснюється зв'язок між А і А, що виражається, + – + – наприклад, в обміні енергією між А і А через А0. Уявімо А і А лежачими на катетах прямокутного трикутника. У цьому випадку вони не мають проекцій один на одного, тобто знаходяться в незалежних інерціальних системах. Подія А 0 розташована на гіпотенузі + + – трикутника і має проекції на А і А, тобто пов'язана з ними. Тоді дві події А і А = А0 у двох + 2 - 2 + інерціальних системах пов'язані рівностями: β + β =1; φ + φ =π/2, що показано на Фіг. 2, де + – + А0, А, А – відлікові інерціальні системи (або події), де відносне відцентрове розширення β = + + cos φ = А/А0; відносний "центротяжіння" β = cos φ = А/А0. Напрями векторів руху енергії в + – інерціальних системах А і А (Фіг. 1, 2) взаємно перпендикулярні. На Фіг. 1 показана модель осцилятора енергії, що обертається, де: W 0 – енергія осцилятора, що обертається; + W – проекція вектора W 0 у зовнішній інерціальній системі; + φ – фазовий кут відцентрового розширення, зовнішня інерціальна система, рух енергії їх центру мас; W – проекція вектора W 0 у внутрішній інерціальній системі; φ – фазовий кут центротяжіння, внутрішня інерціальна система, рух енергії в центр мас; + + + А( r, t) – зовнішня інерціальна система; – - А( r, t) – внутрішня інерціальна система; А0(r0, t0) – кордон відліку інерціальних систем обертового осцилятора;  F – сила в інерціальних системах; t – час в інерціальних системах; r – координати (x, y, z) в інерціальних системах. При спостереженні із зовнішньої інерціальної системи (Фіг. 1) можна бачити у внутрішній інерціальній системі проекцію зовнішньої інерціальної системи у вигляді обертової енергії W. – Стиснення енергії ( W) до центру від 0 до –  з кутом φ призводить до появи петлі струму, що обертається, навколо центру тяжіння, або обертання в площині навколо електрода з о одночасним обертанням петлі струму в площині, орієнтованої під кутом 90 відносно площини навколо електрода. – Напрямок вектора W внутрішньої енергії знаходиться в замкнутому стані. У зовнішній – – інерціальній системі W має умовно полярність N-S. Внутрішня енергія W обертається зі збільшенням частоти від кордону А0 до осі N-S, W 0(ω1(ω2(ω3(…)))). У зовнішній інерціальній + + системі ми бачимо відцентрове розширення зовнішньої енергії W з кутом φ від 0 до +. + Зовнішня енергія W обертається зі зменшенням частоти від кордону А0  +. + m, m, m0 – маса в зовнішній, внутрішній інерціальних системах і на кордоні; + V, V, c – швидкість у зовнішній, внутрішній інерціальних системах, швидкість світла; + q, q, q0 – заряд у зовнішній, внутрішній інерціальних системах і на кордоні; + E, E, E0 – напруга поля в зовнішній, внутрішній інерціальних системах і на кордоні; + ω, ω, ω0 – частота енергії, що обертається, в зовнішній, внутрішній інерціальних системах і на кордоні; 6 UA 107875 C2 + W=W Е – зовнішня енергія електричного поля; W=W М – внутрішня енергія магнітного поля;   Н = H – внутрішня напруга магнітного поля. + Е = E – зовнішня напруга електричного поля; 5 Таблиця1 Диференціальні рівняння механізмів ЕМ поля в енергетичній системі Зовнішня енергетична система Внутрішня енергетична система  div  W  4  F  div  W  4  F  div  W  0  div  W  0 1 d W  c dt  1 d W 1 d W  rot  W     c dt  c dt    d F d W  div 0  dt dt   10 15 20 25 30 35 40 Значення в енергетичній системі rot  W   1 d W  c dt  1 d W 1 d W  rot  W     c dt  c dt  d F  d W  div 0 dt  dt   rot  W   divW0  0   rotW0  0   6. Теоретична модель Розглянемо двохзазорний резонатор, утворений коаксіальними циліндричними оболонками, вісь яких збігається з віссю ОХ (Фіг. 3) [26-28]. В області G між оболонками накладено електростатичне поле з напругою 300 кВ. В області G маємо рух згустку часток в схрещених магнітному та електричному полях. Через систему проходить пучок заряджених часток, емітованих катодами -4. Взаємодію пучка з полем зосереджено в околиці вхідної АВ і вихідної СD областей пристрою. Область ВС є простором дрейфу, в якому пучок екранований від зовнішніх полів. Якщо електронний пучок інтерпретувати як нескінченну послідовність гілок RL, кожна з яких разом з ємністю прилеглої області утворює послідовну гілку RLC (C – еквівалентна ємність, що складається з ємності C1 і ємності між пучком і межами отворів А і В), то приходимо до задачі про дисипацію енергії, попередньо запасеної на ємності C1 в замкнутому коливальному контурі RLC. Система в цілому є системою з розподіленими параметрами. Робочі області АВ і СD з ув'язненими в їх межах елементами пучка представляються контурами із зосередженими параметрами. При цьому порушуваний в цих елементах струм можна розглядати по відношенню до всього пучка як локалізовані на цих елементах джерела струму. Тут ми використовували схему прямолінійного осцилірувального руху згрупованих згустків електронів на осі ОХ. Якщо згусток електронів сформувати в точку на осі ОХ, трубку дрейфу виключити зі схеми, залишити анод у вигляді крапки в центрі резонатора (Фіг. 4), то схема осцилірувального руху електронів перетворюється на осциляторно-обертальну. В експериментах використовуються обидві схеми – осцилірувального і осциляторно-обертального руху. В обох випадках у фазі частки прискорюються, в протифазі є джерелом струму. Стрілками показано напрямок замкнутого струму Jн в RLC контурі, з багатомодовою модуляцією. У резонансній лінії згусток часток, зосереджений в просторі між анодом і катодом при напрузі живлення U, збуджує електромагнітну хвилю в діапазоні частот 0  ν  eUh, де h – постійна Планка, U  Uанод-катод. Модуляція низькочастотних коливань RLC контуру високочастотними відбувається на резонансних частотах ν в умовах параметричного і магнітного резонансів. Розгойдування коливань можлива при зміні R і L стрибками (угрупування за будь-якими періодичними законами з періодом T n=nT0/2 або частотою ωn= ω0/2n, де n – ціле число, T0 – період власних коливань контуру). Найбільш ефективно розгойдування має місце при n=1, коли частота накачування дорівнює частоті перекачування W Е в W M в системі, де W Е, W M – енергії електричного і магнітного полів, відповідно. У магнітних хвилях механізм енергообміну електронно-іонного згустку може бути як з фазовим кутом +φ, так і -φ, що можливо, якщо використовувати електрони та іони. Петля струму з різнополярних часток управляється біжучим магнітним полем магнітних хвиль, що ми покажемо в експериментах MVD, в даній роботі. 7 UA 107875 C2 В якості теоретичної моделі розглянемо двовимірну систему, зображену на Фіг. 3. Поле в такій системі має компоненти Еx, Еy, Hz. У проміжку АВ прикладене електростатичне поле  в проміжку СD прикладене електростатичне поле E 1 зворотного по відношенню до [26, 27]. Поле 5  E0 , а  E 0 напряму   E 0 прискорює електрони, що потрапили в перший проміжок, а поле E 1 гальмує біжучі в другому проміжку електрони. У площині x=0 в систему вводиться електронний згусток, що створює імпульс струму тривалістю τ. Електрони, прискорюючись полем E0 , досягають  області дрейфу ВС, на виході з якої починають гальмуватися полем E 1 так, що в D поздовжня  швидкість електронів стає рівною нулю, і вони під дією поля E 1 починають прискорено рухатися   в зворотному напрямку. Якщо швидкість електронів υ(x)=0 при x=0, то E 1 = E 0 , і рух електронів 10 15 зліва направо і справа наліво симетричний, відрізняючись тільки зрушенням фази на 1/2 періоди. Припустимо у розгляді, що рух електронів одномірний. Взаємодія описується самоузгодженою системою рівнянь Максвела):  divE  4,   divH  0, (1)    rotE  H / t,     1  rotH  j  4 E / t  і релятивістським рівнянням руху зарядженої частки в полі плоскої ЕМ хвилі вздовж осі x: d   E x , (2) dt 1   2 / c 2  20 де: ρ – щільність заряду, j – щільність струму,   e / m – відношення заряду електрона до його маси, яке може як збільшуватися, так і зменшуватися. Рішення системи (1), (2) знаходимо методом ітерацій, виходячи з наближення для заданого струму. В якості вихідного нульового наближення візьмемо струм I в заданому електростатичному полі без врахування просторового заряду. Знехтуємо також ефектами неоднорідності, пов'язаними з наявністю кордону імпульсу струму, і будемо вважати струм постійним в кожному перетині (x=const). В даних припущеннях I  2I0   sin(2n  1) / T 2n  1    2n  1  (3)  exp 2i t( x)  t      In ( x) exp 2i t ,  (2n  1) T  2   n T   n    де T  4t(B)  2t ; BC 25  x  2 x  t( x )      2E 0   c    1/ 2 ; t BC  CB t( x ) ; ( x )  . (4) x c (B)  c E 0 Для наступного наближення знайдемо спочатку поле, наведене цим струмом. Наведене поле будемо шукати у вигляді ряду Фур'є по t: Ex   E n   xn ( x ) exp2i(2n  1)t / T  (5) і аналогічно для компонентів Еy та Hz.  30  Для гармонік E n , Hn будемо мати стаціонарні рівняння Максвела, з яких звичайним шляхом одержимо рівняння Гельмгольца для компоненту Еx: E xn  k 2E xn  i In ( x)  1  2In ( x) (6) , in x 2 де n  2 2n  1. T Для визначення E x n або H x n можна скористатися узагальненим проекційним методом (УПМ) [29, 30]. 8 UA 107875 C2 Знайшовши E x n , визначаємо повне поле Еx(x, y,t) з (5) і підставляємо в рівняння руху, яке тепер буде мати вигляд d   (E 0  E x ) . (7) dt 1   2 / c 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Рівняння (7) треба вирішувати чисельно, наприклад, методом дискретизації. Рівняння (7) єреонелінійним і може описувати нелінійний параметричний резонанс згустку, що зжимається, у вихровому полі. Вирішивши рівняння (7), знаходимо новий період струму Т 1 і новий повний струм I1 (x, t), який визначається або з рівняння збереження заряду I0 dt 0  I1dt 1 , або з рівняння безперервності 1 / t  I1 / x  0 , що дозволяє знайти  1 при відомому υ. Далі знайдений повний струм представляється у вигляді ряду Фур'є за часом типу (3), але з періодом Т 1, після чого його гармоніки підставляються в рівняння (6) і т. д. Слід зауважити, що рішення рівняння (6) у кожній ітерації з огляду згладжуючих властивостей функції Гріна для рівняння Гельмгольца буде згладжувати праву частину, зменшуючи роль високих гармонік і підвищуючи роль основної гармоніки. Експериментальні результати показують, що за допомогою УПМ [29, 30] можна при вирішенні рівняння ефективно врахувати кілька десятків гармонік поля в кожній ітерації, тобто знаходити поле з високою точністю. Починаючи з першої ітерації, струм вже залежить від координати y, так як від неї залежить прискорююче поле, але рівняння руху залишається одномірним. Зростання струму можна пояснити причиною прискорення електронів в проміжку АВ і гальмування в CD, де струм переходить в магнітне поле утримання електронів. Таким чином, приходимо до висновку, що в обертовому, осцилюючому згустку електронів спостерігається зростання струму і магнітне накачування з акумулюванням, з переходом у магнітно-електрично-інерційне утримання, що заявляється в даній роботі. "Магнітно" – це струм і магнітне поле, "електрично" – це накладене електростатичне поле в об'ємі 4π, інерційне обертання – це обертання маси часток навколо центру мас, чого немає в аналогах. 7. Конструкція генератора струму, експериментальне дослідження Конструктивно генератор РВ-2 (релятивістський ортотрон-2) являє собою вакуумний об'єм, виготовлений з відрізків труб з нержавіючої немагнітної сталі 12 × 18Н10Т. Ліворуч і праворуч -5 встановлені вибухові катоди. Після складання генератора в об'ємі був отриманий вакуум 2·10 Тор. Зовнішній вигляд генератора показаний на Фіг. 5 (фото). Основна частина корпусу генератора – це патрубок діаметром 150 мм і довжиною 270 мм. До нього з торців, через фланцеве вакуумне ущільнення типу "конфлат" кріпляться два патрубки того ж діаметру, довжиною по 110 мм. Протяжність РО-2 близько 490 мм ≈λ. Електрична схема вимірювань параметрів РО-2 представлена на Фіг. 6. Висока напруга на трубу дрейфу РО-2 подавалася від генератора наносекундних імпульсів ГІН-300 з параметрами: U0=300 кВ; I ≥1 кА; tімп=20 нс; f=1 Гц через один з 2-х прохідних ізоляторів. Електрична схема ГІН-300 та вимірювання параметрів імпульсу ГІН наведені на Фіг. 7. Генератор імпульсних напруг (ГІН-300) зібраний за традиційною схемою Аркадьєва-Маркса. Він містить 15 ступенів на основі конденсаторів (U0=10 кВ; С=3300 пФ). У кожного ступеня зібрано по послідовній схемі 2 конденсатора. Таким чином, ємність одного ступеня становить С = 1650 пФ. "Ударна ємність" ГІН дорівнює Суд = 110 пФ. Енергія, що запасається, за імпульс Р = 5 Дж. Розрахункова величина струму при тривалості імпульсу tімп = 20 нс дорівнює I=1,6 кА. З метою зменшення теплових втрат у зарядних і розрядних резисторах при роботі ГІН в частотному режимі вони виконані у вигляді індуктивностей. Конструктивно ГІН зібраний в циліндровому баку з нержавіючої сталі діаметром ~550 мм і висотою h=400 мм (Фіг. 5). У баку створюється надлишковий тиск порядку 5 атм. В якості ізолюючого газу використовується технічний азот. На нижньому фланці розташовані високовольтні вводи подачі зарядної напруги і підпалюючого імпульсу на перший управляючий розрядник ГІН - Р (Фіг. 7). Крім того, на цьому фланці розташований вивід роз'єму з дільником вихідної напруги. На протилежному фланці розташований регульований зрізуючий розрядник Р1 (Фіг. 7), манометр для вимірювання тиску (фото Фіг. 5) в об'ємі ГІН і система напуску і стравлювання газу. Висока напруга ГІН через прохідний ізолятор, який знаходиться збоку корпусу ГІН, подається на трубу дрейфу системи РО-2. Конструкцію ГІН в зборі видно на фотографії Фіг. 5. Високовольтний імпульс мікросекундної тривалості на систему РО-2 подається від імпульсного трансформатора. Імпульсний трансформатор (ІТ) формує імпульс напруги з наступними параметрами: U=120 кВ; tімп =10 мкс; f=50 Гц. 9 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 Конструктивно ІТ поміщається в залізний бак з високовольтним прохідним ізолятором. В якості діелектрика використовується трансформаторне масло. Серцевина імпульсного трансформатора виконана з електротехнічної сталі товщиною 0,08 мм. Серцевина являє собою 2 2 прямокутник розмірами 340 × 260 мм , з внутрішнім вікном 260 × 180 мм . Перетин серцевини 8 2 × 8 см . Первинна обмотка ІТ складається з 16 витків, вторинна – з 160 витків. ІТ кріпиться всередині бака на діелектричній підставці, яка за допомогою шпильок підвішується до діелектричної кришки бака ІТ. Управління часом включення ГІН-300 та ІТ здійснюється за допомогою генератора підпалюючих імпульсів (ГПІ). Час включення ГІН-300 та ІТ може зрушуватися один щодо одного. У наших експериментах ГІН-300 включався на фронті високовольтного імпульсу ІТ. Для вимірювання високовольтних імпульсів використовуються подільники напруги (ПН), виконані з малоіндуктівних резисторів. Для вимірювання імпульсу з ГІН використовується ПН (Фіг. 7) з коефіцієнтом розподілу n=1333 разів. Для вимірювання імпульсу з ІТ використовувався дільник з коефіцієнтом ділення n=10 000 разів. Для вимірювання струму електронного пучка в системі використовувалися розроблені спеціально магнітоіндукційні датчики (пояса Роговського). Пояс Роговського (Фіг. 6) намотувався 2 провідником на діелектричне кільце перерізом S=1 см і радіусом R=5см. Кількість витків пояса визначалася з умови: L/R ≥ 10 tімп, де L – індуктивність пояса Роговського; R – активний опір пояса Роговського (вимірювалися експериментально мостом опорів і індуктивностей); t імп – тривалість імпульсу, що вимірюється. Чутливість поясу Роговського визначалася експериментально шляхом розряду спеціального генератора на провідник, що знаходився на осі пояса Роговського і склала близько 0,025 В/А. Крім того, для вимірювання струму електронного пучка використовувалися шунти струму, виконані з малоіндуктівних резисторів, які включалися в ланцюг катодів системи РО-2. 8. Результати вимірювань, обговорення На першому етапі вимірювань необхідно було визначити параметри ГІН-300. З цією метою вихід ГІН через провідник з'єднувався з заземленим корпусом ГІН, тобто здійснювався режим короткого замикання. Імпульс напруги з ПН подавався на вхід осцилографа. Осцилограми знімалися на світлочутливу плівку (у припущенні, що дозвіл на плівці вище, ніж у цифрових камерах). За наявними осцилограмами визначалися наступні параметри ГІН: 2 T L , де Т – період коливань імпульсу; С – "ударна" ємність. Власна уд L , Zв  C уд 4 2 C уд -8 35 40 45 50 55 індуктивність ГІН склала L ≈ 9·10 Гн, а хвильовий опір ГІН Ζв=30 Ом. Імпульс з виходу ГІН однополярний, тривалістю ~ 40 нс, очікувалося 20нс. На Фіг. 8 наведені осцилограми імпульсу напруги з виходу ГІН з ПН 1 (верхня) і імпульс струму в ланцюзі ГІН і системи РО-2 з пояса Роговського (середня). Нижня – мітки генератора високої частоти f=50 МГц, вся розгортка 500 нс. Форма імпульсу напруги в системі РО-2, на трубці дрейфу – синусоїда. Тривалість одного напівперіоду синусоїди t імп = 40 нс. Негативний передімпульс на осцилограмі напруги пояснюється тим, що ІТ під'єднаний до трубки дрейфу РО-2 через відрізок коаксіальної лінії (кабель видно на Фіг. 5), і цей викид показує, що в початковий момент відбувається заряд цієї лінії. Амплітуда першої позитивної напівхвилі U 0 ≈120 кВ. Імпульс струму (середня осцилограма Фіг. 8) фіксувався поясом Роговського, і величина цього струму в першій напівхвилі дорівнює I 0=250/0,025 А=10 кА. Таким чином, на початковій стадії процесу видно, що струм в системі РО-2 не перевищує граничний струм, що 5 1 4 видається ГІН, який визначається як I перед= U0/ΖВ= 3·10 /3·10 А =10 А. Тут U0 – вихідна напруга ГІН. Але слід врахувати, що I0 розрахований ГІН 1,6 кА, тривалість 20 нс. Тривалість і амплітуда імпульсів збільшуються, що можна пояснити прискоренням в АВ і гальмуванням електронів у CD. У другій напівхвилі амплітуда струму зростає до 20 кА, що, ми вважаємо, визначається внеском вже ІТ і за рахунок резонансного накопичення в системі РО-2 спільно з ГІН. Спостережені коливання на огинаючій імпульсів напруги та струму є набагато більш високочастотними і являють частоти, що генеруються самою системою РО-2. Тривалість імпульсів на виході ГІН і зонда збільшилась приблизно в 2 рази в порівнянні з розрахунковою (ГІН - 20 нс). Резонансна лінія утворена з елементів ГІН та РО-2 (Фіг. 9). Резонансні частоти 6÷10 МГц. Низькочастотні коливання модульовані більш високочастотними. У цілому схему можна представити як показано на Фіг. 10. ГІН є джерелом енергії ε, яке може бути імпульсним, частотним або постійного струму і напруги. У резонансній схемі збуджуються резонанси на низьких і на високих частотах. Високі частоти збуджуються в РО-2. Збудження коливань на низьких і високих частотах замкнуті в 10 UA 107875 C2 5 петлі струму, яка в РО-2зорієнтована в екваторіальній площині (осциляторні коливання) по осі ОХ (Фіг. 3). У складі струмової петлі залучені електрони і магнітні хвилі. Можна припускати, що частки і хвилі в схрещених полях являють єдиний електромагнітний механізм перетворень енергії. Перетворення можуть бути з фазовим кутом -φ або +φ. Рух енергії, відповідно вектору Умова-Пойнтінга, змінює напрями. Для нашого випадку -φ напрямок вектора Умова-Пойнтінга не змінюється. Якщо амплітуду струму ГІН приймаємо I m=2 кА, Um=300 кВ, τ=40 нс (Фіг. 10), то за законом Ома 1 2 (8) Um  Im R 2  (L еф  ) . еф С еф Будемо вважати, що Rеф0, тоді 1 Um  Im (L еф  ); (9) С еф 10 L еф  2   2 , (10) 1 Um 1 , (  ), де    T  Im C еф q Im  = 2,6(6) ·10-10 Ф. (11)  U Um 6 Підставляючи (11) в (10), отримаємо Lеф= 2,5·10 Гн. Резонансна частота петлі струму 6 1 ≈ 6,14·10 Гц, яка близька до вимірювань на осцилограмах (Фіг. 8). Збудження  L еф С еф C еф  fрез 15 20 25 30 35 40 45 50 високочастотних коливань на резонансних частотах системи РО-2 призводить до збільшення амплітуди і тривалості основної гармоніки резонансних коливань на низькій частоті, близькій до 6 розрахункової 6,14·10 Гц. Амплітуда основної гармоніки зростає: Iрез  20 кА (40 нс) в порівнянні з розрахунковою для ГІН – 1,6 кА (20 нс). Основна гармоніка імпульсів напруги з зондів 7 (Фіг. 6) в зазорах АВ і СD по амплітуді і тривалості близько збігаються з осцилограмою (Фіг. 8, середня) – струм в ланцюзі ГІН і в системі РО-2. Імпульси з зондів реєструють електродинаміку в об'ємі РО-2 в ланцюзі петлі струму, спільно з імпульсами основної гармоніки. Форму імпульсів зондів можна пояснити як квазіпостійний стан напрямку руху енергії в замкнутій системі коливань РО2. Магнітне поле і струм в системі РО-2 замкнуті і можуть бути представлені як магнітні хвилі з круговою поляризацією, де вектор Умова-Пойнтінга напрямок руху енергії не змінює. У негативній напівхвилі в момент руху електронів в зазорі СD струм переходить в магнітне поле. Це співпадає з теоретичною моделлю та раніше опублікованими роботами [26-28], де ми теоретично показали рух часток в електромагнітних полях, в параметричних схемах прямого перетворення енергії. Таким чином, амплітуда струму зростає, напруженість магнітного поля Н навколо згустку збільшується. Аналогічно в АВ при русі у зворотному напрямку щодо початку руху згустку електронів. Потім напрямок руху змінює знак на зворотний, але рух енергії напрями не змінює. Таким чином, стан накачування струму і магнітного поля підтримуються із збільшенням амплітуди струму від 1,6 кА (ГІН) до 20 кА в РО-2. Якщо припустити, що електрони на аноді призводять до появи іонів, то фізична картина струму також не змінюється, так як позитивні іони продовжують струм в петлі струму в тому ж напрямку. Тут ми розглянули схему накопичення амплітуди струму в осциляторних рухах електронів у вакуумі (Фіг. 3). Щоб збільшити подальше підвищення струму, перейдемо до розгляду електронно-іонного струму в магнітних хвилях. На відміну від першого варіанту, будемо досліджувати петлю струму, що обертається в осциляторно-обертальній схемі по колу (Фіг. 4). Це дозволить збільшувати потужності на циклічній частоті в об'ємі 2π. Будемо формувати петлю струму з електронів та іонів в атмосфері повітря, що дозволяє значно підвищити потужність у безперервному режимі, що відсутнє в аналогах. 9. Експеримент та вимірювання MVD Опишемо експеримент формування MVD в екваторіальній площині в атмосфері повітря в схрещених полях. Експериментальні вимірювання проводилися за схемою, показаною на Фіг. 11. У порівнянні з установкою РО-2 петля струму I1 в установці MVD обертається в біжучому магнітному полі і в полі постійного магніту -8. Петля струму I1 формується в електростатичному полі між анодом і катодом з напругою 8 кВ. Траєкторія петлі струму утворюється в повітрі з електронів, іонів і магнітних хвиль з круговою поляризацією. Електромагнітні коливання між магнітними хвилями і частками повітря організовуються, переважно, на резонансних частотах часток повітря з модуляцією в біжучому магнітному полі на циклічній частоті 200 Гц. Розрахункові частоти RLC контуру можуть бути в межах 6÷10 МГц. Електрична схема 11 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 резонансного RLC контуру, представлена на Фіг. 11, відрізняється від схеми РО-2 (Фіг. 10) відсутністю імпульсного джерела живлення. Замість ГІН на 300 кВ – джерело постійного струму -1 на 8 кВ, 2 кВт (Фіг. 11). Lеф RLC контуру -3 являє собою обмотку соленоїдального магніту, яка намотується шиною на ізольований, водоохолоджуваний каркас. Обмотка RLC контуру одягається на немагнітну камеру реактора і поміщується в об'єм, виготовлений з немагнітної сталі. В експериментах використовувалися знімні камери з різними діаметрами (Ø=24÷160 мм). Магнітне поле в обмотках створюється струмом від петлі струму I1 (послідовне з'єднання з петлею струму) та від автономного джерела живлення -8 постійного струму I2 (Фіг. 11). Дві обмотки: одна – Lеф RLC контуру -3, інша – обмотка постійного поля для утримання MVD в центрі реактора. Осцилограми знімалися цифровими камерами на осцилографі -7. Всі електромагнітні перетворення з електронами та іонами петлі струму здійснюються в реакторі -4. У центрі реактора встановлений анод. Стінки реактора є катодом. Постійні магнітне, електростатичне і електромагнітне поля розподіляються між анодом і катодом в об'ємі реактора. У процесі роботи розігріті анод і катод спільно з повітрям, що знаходиться в об'ємі, є джерелами електронів та іонів. При короткочасному замиканні анод-катодного простору збуджуються резонансні електромагнітні автоколивання, аналогічно як в РО-2, відповідно до теоретичної моделі. В РО-2 петля струму розташована вздовж осі ОХ, в зазорах АВ, ВС, CD. У даній схемі областю взаємодії є анод-катодний простір. При обертанні за і проти годинникової стрілки число зазорів зростає відповідно до циклічної частоти обертання петлі струму в об'ємі 2π. Рух електронів від катода до анода, потім рух іонів від анода до катода представляють струм і траєкторію взаємодій хвиль і часток. Прискорення електронів між катодом і анодом в електростатичному полі і в полі хвилі, іонізовані частки утворюють високочастотну петлю струму. Фото петлі струму показано на Фіг. 12, в реакторі діаметром 22 мм в магнітному полі 0,8 Т, при напрузі 8 кВ (знімок зроблений цифровою камерою), де спостерігаємо п'ять паралельних, резонансних траєкторій "збільшення струму". Струм в петлі струму і в магнітній обмотці RLC контуру створюють біжучі магнітні хвилі на частоті 200 Гц. Частота обертання збільшується зі збільшенням напруженості магнітного поля Н. На фото Фіг. 13 показаний багатомодовий пакет магнітних хвиль, по іонізованим траєкторіям можна бачити шість паралельних обертових магнітних хвиль. Це можна пояснити тим, що вони знаходяться в резонансі. Аналогічний характер паралельних обертових хвиль можна бачити на фото петлі струму (Фіг. 12), де резонансні порушення спостерігаються на високих частотах так само паралельно, як і на фото Фіг. 13. В установці РО-2 резонансні порушення спостерігаються з меншими амплітудами на високих частотах і більш високими амплітудами на низьких частотах 6÷10 МГц. Таку відмінність резонансних збуджень можна пояснити різними значеннями кута φ, що залежать від напруги живлення в установці РО-2-300 кВ, а в установці MVD-8 кВ. Кут ± φ регулюється (встановлюється) блоком -2 Фіг. 11. На осцилограмі Фіг. 14 показана згасаюча синусоїда в RLC контурі петлі струму, схожа на синусоїду RLC контуру РО-2. Розгортка по горизонталі 0,1 мсек/см, по вертикалі – 0,5 В/см. Вимірювання амплітуди струму проводили на Rш = 0,3 Ом (див. схему Фіг. 11). Амплітуда струму досягає 1,7 кА в позитивній частині періоду коливань. Крутизна переднього фронту імпульсу близько 2 мксек, тривалість за основою періоду коливань Т = 0,14 мсек, відповідно частота -6 -6 коливань fрез=7 кГц. Lэф и Сеф RLC контуру склали 18,510 Гн і 26,810 Ф відповідно. Згасаюча синусоїда при повній тривалості коливань повторюється через 0,5 мсек. Відношення виділеної потужності Рвид до потужності, споживаної на R н, становить 390 разів (резонансне зжимання енергії). Розрахункові параметри імпульсів синусоїди збігаються з практично отриманими даними при вимірі. На осцилограмі Фіг. 14 показана пунктиром величина вихідної електростатичної напруги 8 кВ і величина 4 кВ в робочому стані. На Сеф (Фіг. 10) 4 кВ утримується безупинно при безперервному резонансному посиленні й утриманні струму 1,75 кА на частоті ~ 7 кГц, з модуляцією імпульсів на циклічній частоті 200 Гц. Виділяється потужність в об'ємі петлі струму Рвид = 0,9 МВт утримується будь-який тривалий час з урахуванням втрат. Таким чином, в теоретичній моделі, в установках РО-2 і MVD ми показали резонансну генерацію, посилення струму в 390 разів і магнітно-електрично-інерційне утримання енергії будь-який тривалий час, потужністю до 0,9 МВт, при споживанні від джерела живлення ~ 2 кВт. Сильні струми і магнітні поля можуть бути використані в енергетиці, металургії, гірничорудній промисловості при отриманні та розподілі корисних елементів, нанопорошків та інших застосуваннях [1]. (Примітка: при бажанні повторити експерименти MVD необхідно передбачити захист силових ланцюгів Вибухонебезпечно) 10. Приклади формування магнітних обертових полів MVD 12 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Головним пристроєм – генератором ЕМ поля надвисокої частоти широкого спектру, є магнітний V диполь (MVD), в якому формується електронно-іонна петля струму з іонізованої 5 12 сировини і магнітних хвиль. Частота взаємодії ЕМ поля з речовиною (10 -10 Гц) визначається резонансними частотами RLC контуру і сировини. Обертання магнітного диполя здійснюється 1 6 на циклічній частоті 10 -10 Гц біжучим магнітним полем. Передача енергії часткам сировини здійснюється методом взаємоіндукції загального магнітного моменту часток сировини і біжучим магнітних хвиль. Процес руйнування кристалічної решітки мінералів заснований на взаємодії ЕМ поля з речовиною. Процес є комплексним і включає в себе ряд режимів. Розглянемо їх за мірою їх послідовного прояву в процесі. Робоча камера у вигляді порожнистої труби з нержавіючої сталі заповнюється сировиною, попередньо очищеною і висушеною. У камері створюється електростатичне поле між двома електродами. Один з електродів (катод) – труба, що є одночасно стінками камери, другий (анод) розташований по осі труби. Електростатичне поле має центрально-симетричну або осесиметричну конфігурацію розподілу напруженості Е. Електростатичне поле Е взаємодіє з речовиною в об'ємі камери, викликаючи його поляризацію та іонізацію. Так як сировина SiO 2 є діелектриком, то в початковий момент включення поля Е речовина поляризується і нагрівається. Перша операція поляризації та підігріву до температури 50500С в електричному полі високої напруги 1100 кВ. При достатній різниці потенціалів, рівній напрузі пробою діелектрика, організується пробій – розряд в речовині, в газі, подібний дуговому. Так як максимум енергії такого радіального поля знаходиться ближче до центру камери, в центрі, як в каналі розряду, організовується іонізований стан речовини – електронно-іонна петля струму. У цій петлі присутні два типи заряджених часток: легкі – негативно заряджені електрони і більш масивні – іони, які можуть мати як позитивний, так і негативний заряд по траєкторії (див. Фіг.12, 13). Температури і частоти випромінювання електронів та іонів значно відрізняються: електронна температура і частоти випромінювання вище іонних температур і частот. Візуально спостерігаються дві протилежні точки пучності в електростатичному полі, до яких організовуються спрямовані потоки протилежно заряджених часток, що мають різний колір: анод або позитивний полюс, що притягує електрони, має зелено-синьо-фіолетове світіння; катод або негативний полюс, що притягує позитивно заряджені іони, має помаранчево-червоне світіння. Колір пояснюється характерними резонансними частотами заряджених електронів та іонів: електрони, як більш легкі, мають більш високі характеристичні частоти, в тому числі у видимій частині ЕМ спектру. Точки є ділянками об'єднання електронно-іонного струму, що становлять петлю струму (Фіг. 12). Петля струму може бути "складена" з часток твердого тіла (електронів та іонів) і хвиль. Необхідно відзначити, що до утворення видимого випромінювання утворюється випромінювання на звукових частотах. У процесі накачування утворюється електричний струм двох протилежних напрямків – електронний та іонний або складений із зарядів часток і магнітних хвиль, – значення яких може досягати декількох кА. Процес генерації петлі струму збуджується при встановленні режимів орієнтації векторів магнітних і електричних полів в зоні формування MVD. Потоки іонів і електронів утворюють коливальний контур з розподіленими параметрами, зі спектром власних і резонансних частот, обумовлених частотами часток сировини з багатомодовою модуляцією магнітних хвиль. Багатомодова модуляція і магнітне накачування енергії відсутні в аналогах. Орієнтація, нормована напрямком струму електронів від катода до анода, як режим магнітного стиснення енергії в центр мас, в аналогах відсутня. Позитивні іони і негативні електрони утворюють дві гілки петлі замкнутого струму різних діапазонів частот. Високочастотна гілка петлі струму утворена електронами і частками сировини, спрямована від анода з центру мас (в лабораторній системі) до кордону, катода, і має синьо-фіолетове світіння. Низькочастотна гілка петлі струму утворена іонами і частками сировини, спрямована від кордону до центру мас і має помаранчево-червоне світіння. Ці ознаки є фактором для правильного налаштування та формування MVD. У центрі мас може бути розташований катод або анод. При цьомуслід очікувати зжимання енергії в центр мас з кутом -φ або розширення енергії від центру мас з кутом +φ, відповідно (Фіг. 1), що відсутнє в аналогах. Навколо біжучих заряджених часток утворюється магнітне поле, що "одягає" біжучі заряджені частки "магнітною сорочкою". Це, якщо розглядати процес в цілому, спільно з часткою твердого тіла або елементарною часткою. Але окремо це частка і біжуче поле. Магнітне поле в петлі струму "змінне", з частотною модуляцією, з рухом енергії в одному напрямку. Біжуче магнітне поле і струм петлі струму знаходяться в ЕМ взаємодії. 13 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Петля струму обертається на циклічній частоті в результаті взаємодії магнітного поля соленоїду і магнітного поля петлі струму. Поле соленоїду квазіпостійне, так як струм, що його живить, – постійний. Формування MVD організовується магнітним полем, що обертається навколо часток сировини, що опромінюється. Магнітна енергія у вигляді струму подається від електричних схем живлення (Фіг. 15). Залежно від властивостей частинок сировини, їх магнітної та електричної провідності, обирається схема взаємодії з сировиною. Якщо це діелектрики, як у випадку з SiO 2, то пристрій реактора для опромінення складається з 2 каскадів. У першому каскаді виробляємо поляризацію і розігрів, у другому – розігрів і відновлення кремнію воднем або титану твердими відновниками. У першому каскаді обирається напруга живлення 1100 кВ. SiO2 в атмосфері водню поляризується і розігрівається до температури 50500С і направляється в другий каскад. У другому каскаді при напрузі 50300 В зі струмом до декількох кА розігрівається резонансним способом у зоні MVD до температури 7001200С в атмосфері водню (сухі порошки) до повного відновлення кремнію або інших елементів. Аналогічна схема відновлення FeTiO3, також у двох каскадах – поляризація і підігрів у першому каскаді і розігрів у другому. В якості відновника використовуємо тверді вуглецеві сполуки. Відновлення виробляємо до утворення елементарного заліза і TiO2. Можуть бути використані і газоподібні відновники – водень, СО. Аналогічних режимів в аналогах немає. На Фіг.16, 17, 18 показано обертове магнітне поле, – отримання його при додаванні трьох синусоїдальних полів, спрямованих під кутом 120 один щодо одного і зміщених по фазі на третину періоду (120): Фіг. 16 – розташування котушок ХА, YB, ZC, що роблять обертове поле; Фіг. 17 – графік зміни полів НА, НВ, НС з часом; Фіг. 18 – векторне складання полів в моменти t=0, t=T/3, t=2T/3, коли відповідно поля Н А, НВ, НС перетворюються на нуль. Результуючий вектор Н має постійну величину і за 1/3 періоду повертається на 1/3 окружності. Ми маємо тут три котушки ХА, YB, ZC, розташовані один щодо одного під кутом 120. Через кожну з цих котушок проходить один зі струмів системи, яка складає трифазний струм. У котушках створюються магнітні поля, напрями яких відзначені на Фіг. 16 стрілками Н А, НВ, НС. Напруги кожного із полів змінюються з часом за синусоїдальним законом, як і величина струму, що їх складає. Таким чином, магнітне поле в просторі між котушками являє собою результат накладення трьох змінних магнітних полів, які з одного боку спрямовані під кутом 120 один до одного, а з іншого боку зміщені по фазі на 120. Значення результуючої напруги Н являє собою векторну (геометричну) суму значень трьох складових полів в даний момент часу Н = Н А+НВ+НС. Результуюча Н рівномірно повертається, захоплюючи за собою електронно-іонну петлю струму, що описує повний оборот за час одного періоду змінного синусоїдального струму. Якщо біжуче магнітне поле досить сильно пов'язане через індукцію з електронно-іонною петлею струму, то досягаються керованість і обертання петлі струму. Петля струму формується енергією магнітних обертових хвиль, замкнутих кільцевою траєкторією між анодом і катодом. Магнітні хвилі представляють біжуче магнітне поле, яке обертає петлю струму, якщо її помістити у замкнуте магнітне поле соленоїда з орієнтацією перпендикулярно струму і магнітному полю петлі струму. Можна використовувати інший варіант, де біжуче магнітне поле, створене між струмом електронно-іонної петлі струму, магнітним полем і струмом соленоїда, що живиться постійним струмом; цей варіант формування MVD зображений на Фіг. 19. Обмотка соленоїда-2 з напругою магнітного поля 0,11 Тл створює постійне магнітне поле. Орієнтація струмів і магнітних полів є операцією режиму формування MVD. У аналогах таких режимів немає. Напрямок електронного потоку – від електрода -1 до електрода -6, напрямок іонного потоку зустрічно по відношенню до електронного потоку – від електрода -6 до електрода -1. Потоки замкнуті в петлі струму, що має форму, наближену до еліпсоїда, геоїда або диску. Тут: I ion – струм іонів, Ie – струм електронів, In – струм петлі струму, Is – струм соленоїда, Hn – магнітне поле петлі струму, Hs – магнітне поле соленоїда, Hns – біжуче магнітне поле петлі струму. Результуюча Hns рівномірно обертається спільно з петлею струму. За рахунок взаємоіндукції між петлею струму і магнітним полем соленоїда виникає біжуче магнітне поле, яке створює обертання петлі струму проти годинникової стрілки або за годинниковою стрілкою в залежності від полярності напруги живлення обмотки соленоїда. Швидкість обертання пропорційна напрузі магнітного поля соленоїда. Принципова електрична блок-схема живлення MVD показана на Фіг. 15. Її можна умовно розділити на кілька прискорювальних ступенів: 1 ступінь – R1L1C1,…, n-ий ступінь – RnLnCn, – зовнішні, по відношенню до диполю, контури (зовнішня інерціальна система). У кожного ступеня містяться активні опори R навантаження, індуктивності L, які є накопичувачами магнітної енергії, і ємності С – накопичувачем електричної енергії. MVD – внутрішній коливальний контур (внутрішня інерціальна система), індуктивно пов'язаний зі згустком часток (сировини). НВЧ 14 UA 107875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 коливання генеруються в MVD контурі зі своїми RLC параметрами, які індуктивно пов'язані з L s – індукцією соленоїда (Фіг. 15), створює постійне поле соленоїда. Прискорювальні щаблі збільшують магнітну або електричну енергію, встановлюють співвідношення між електричними і магнітними полями в ЕМ хвилях. Це співвідношення встановлюється величиною напруги в прискорювальних щаблях, в яких протікає замкнутий струм I одного напрямку. Сходинки RLC з'єднані послідовно, з таким розрахунком, щоб розряд енергії на створення НВЧ з великими струмами і накопичення енергії в щаблях здійснювалися безперервно, без зупинки на накопичення енергії. В системі через MVD здійснюється перехід енергії із зовнішньої інерціальної системи у внутрішню інерціальну систему. Даний рух енергії із зміною кута від +φ до -φ дозволяє акумулювати магнітну або електричну енергію, що є ознакою винаходу, застосовується нами вперше і є ознакою винаходу. На Фіг. 20 показана осцилограма замкнутого струму і магнітного поля. Як видно з осцилограми, час наростання струму і магнітного поля в зовнішньому ланцюзі MVD ~ 1 мксек. Цей процес дає старт утворенню MVD. Затухаючі коливання зворотного струму I' на нижній тимчасовій осі повторюються в кожному циклі на циклічній частоті. При розігріві поверхні катода робота схеми стабілізується, оскільки збільшується емісія електронів в об'ємі MVD. Наростання струму I і магнітного поля Н – швидкий процес (накачування енергії), у той час як утримання магнітного поля – повільний процес – 80 мсек. Згасання накачування енергії протікає паралельно початку циклу, наступного за часом. Таких режимів в аналогах немає. Існування MVD поновлюється періодично за допомогою електростатичної енергії, запасеної в джерелі живлення і в ємності кожного ступеня прискорення без зупинки. Осі часу t і t', електрична, магнітна види енергії замкнуті на колі і не мають сенсу часу в інерціальних системах від -∞ до +∞. Досягається це режимом роботи при співвідношенні енергії в коливальному RLC контурі Е = 2 Сu /2 і енергії хвилі E=nhν, чого немає в аналогах. Формування MVD здійснюємо відповідно до співвідношення Е