ГРАВИТАЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

Заявленное изобретение относится к ускорителям и может найти применение в качестве ускорителя элементарных микрочастиц, например молекул или атомов, лишенных заряда.

Известно устройство для ускорения микрочастиц, описанное в патенте RU №251718402, С2, опубл. 27.11.13

В известном устройстве ускоритель представляет собой стационарное магнитное поле, в качестве микрочастиц применены электрон-ионные сгустки, которые разгоняют за счет собственного электрического поля, загоняя эти сгустки в магнитную ловушку.

Недостаток известного устройства для ускорения микрочастиц заключается в том, что ускорять в нем можно только электрон-ионные сгустки в стационарном магнитном поле определенного типа. Само устройство имеет сложную конструкцию. Кроме того, скорость истечения микрочастиц на выходе ускорителя относительно невелика.

Наиболее близким к предлагаемому ускорителю и принятым за прототип является гравитационный ускоритель, описанный патенте RU 2327877 С1, опубл. 27.06.2008.

Известный ускоритель представляет собой коаксиально установленные с зазором относительно друг друга ротор и статор, на взаимообращенных поверхностях которых выполнены выступающие зубцы с винтовыми пазами с расходящимся от входного отверстия к выходному шагом, зубцы статора в поперечном разрезе выполнены в форме зубцов статора асинхронной машины с прямоугольными открытыми пазами, зубцы ротора в поперечном разрезе выполнены в форме зубцов якоря машины постоянного тока с прямоугольными открытыми пазами, число зубцов ротора равно числу зубцов статора, зазор между каждым из зубцов статора и ротора непрерывен от входного до выходного отверстий ускорителя, шаг винтовых пазов статора от входного отверстия до выходного приближен к бесконечности, винтовые пазы статора выполнены с противоположным по отношению к ротору направлением, ширина наружной поверхности зубцов выполнена в зависимости от угла α пересечения зубцов статора и ротора, ротор и статор выполнены вращающимися с одинаковой скоростью в разные стороны.

Известный ускоритель отличается простотой исполнения и обеспечивает возможность разгона нейтральных микрочастиц до высоких скоростей.

Его недостаток состоит в том, что концентрация частиц на выходе невелика, что затрудняет процесс их исследования.

Задачей данного изобретения является повышение концентрации микрочастиц на выходе, снижение расхода исследуемых образцов и, как следствие, повышение КПД ускорителя.

Техническим результатом является создание простых и удобных для применения в различных областях ускорителей, способных обеспечить высокую концентрацию нейтральных элементарных микрочастиц, например молекул или атомов.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве линейного гравитационного ускорителя нейтральных микрочастиц, состоящем из коаксиально установленных с зазором относительно друг друга ротора и статора, на взаимообращенных поверхностях которых выполнены выступающие зубцы с винтовыми пазами с расходящимся от входного отверстия к выходному шагом, зубцы статора в поперечном разрезе выполнены в форме зубцов статора асинхронной машины с прямоугольными открытыми пазами, зубцы ротора в поперечном разрезе выполнены в форме зубцов якоря машины постоянного тока с прямоугольными открытыми пазами, число зубцов ротора равно числу зубцов статора, зазор между каждым из зубцов статора и ротора непрерывен от входного до выходного отверстий ускорителя, шаг винтовых пазов статора от входного отверстия до выходного приближен к бесконечности, винтовые пазы статора выполнены с противоположным по отношению к ротору направлением, ширина наружной поверхности зубцов выполнена в зависимости от угла α пересечения зубцов статора и ротора, ротор и статор выполнены вращающимися с одинаковой скоростью в разные стороны согласно изобретению, ротор и статор выполнены так, что на входе ускорителя их диаметры больше, чем на выходе, а ширина зубцов в каждом поперечном сечении статора и ротора равна:

,

где b_i - ширина зубца в i-м сечении, b₃ - ширина зубца в основании ротора, d_i - диаметр ротора в i-м сечении, D - диаметр ротора в его основании, α - угол пересечения между зубцами статора и ротора в i-м сечении.

Ротор ускорителя может быть выполнен в виде прямого, кругового усеченного конуса, зазор в основании конуса является входным отверстием, шаг винтовых линий в суженной части ротора приближается к бесконечности,

Ротор может быть выполнен в виде половины двухполостного гиперболоида, сечения которого относительно оси симметрии являются окружностями, а выходное отверстие ротора и статора имеет вид горловой части гиперболоида.

Если ротор и статор выполняют так, что на входе ускорителя их диаметры больше, чем на выходе, то такая конструкция позволяет концентрировать нейтральные микрочастицы.

Если ширина зубцов в каждом поперечном сечении статора и ротора равна:

,

где b_i - ширина зубца в i-м сечении, b₃ - ширина зубца в основании ротора, d_i - диаметр ротора в i-м сечении, D - диаметр ротора в его основании, α - угол пересечения между зубцами статора и ротора в i-м сечении, то площадь взаимодействия микрочастиц и элементов ускорителя снижается, что обеспечивает процесс ускорения микрочастиц по мере их приближения к выходу ускорителя.

Выполнение ротора в виде прямого, кругового усеченного конуса, зазор в основании которого является входным отверстием, а шаг винтовых линий в суженной части ротора приближается к бесконечности позволяет фокусировать разгоняемые микрочастицы в строго определенной точке пространства, что облегчает процесс исследования.

Если ротор выполнен в виде двухполостного гиперболоида, сечения которого относительно оси симметрии являются окружностями, а выходное отверстие ротора и статора имеет вид горловой части гиперболоида, то на выходе ускорителя разогнанные микрочастицы буду двигаться почти параллельно оси ускорителя в виде окружности небольшого диаметра определенных размеров, что необходимо для бомбардировки некоторых мишеней.

Изобретение иллюстрируется 7-ю фигурами.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез статора и ротора.

На фиг. 2 представлен ротор ускорителя, винтовые пазы которого имеют переменный шаг. Показан только один зубец.

На фиг. 3 нарисован продольный разрез статора, пазы которого имеют переменный шаг. Показан только один зубец.

На фиг. 4 показан продольный разрез ускорителя.

На фиг. 5 дан вид ускорителя со стороны стрелки в сечении по линии А-А (фиг. 4).

На фиг. 6 представлена принципиальная электрическая схема питания двигателя, приводящего во вращение статор ускорителя.

Фиг. 7 демонстрирует ротор, выполненный в виде половины двухполостного гиперболоида.

Гравитационный ускоритель устроен следующим образом.

Ротор 1 (фиг. 1) установлен внутри статора 2 и имеет зубцы 3, которые в профиль выполнены в форме зубцов якоря машины постоянного тока с углубленным открытым прямоугольным пазом (см. кн. Гольдберг О.Д. и др. Проектирование электрических машин - М.: Высшая школа, 1984 г., стр. 248). Между зубцами ротора 1 имеются прямоугольные открытые пазы 4, профиль которых выполнен в форме открытых прямоугольных пазов якоря машины постоянного тока (см. там же). Зубцы статора 5 в профиль выполнены в форме зубцов статора асинхронной машины с прямоугольным открытым пазом (см. кн. Гольдберг О.Д. и др. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 1984 г., стр. 134). Между зубцами 5 статора 2 имеются открытые прямоугольные пазы 6 (прямые каналы), выполненные в форме пазов статора асинхронной машины с углубленными прямоугольными открытыми пазами (см. там же, стр. 134). Ширина наружной поверхности зубцов статора и ротора и ширина пазов в любом сечении выполнена одинаковой. Зубцы 3 ротора 1, так же как и зубцы статора, непрерывны, проходят вдоль всей поверхности ротора в продольном направлении. Ротор 1 выполнен в виде прямого, кругового усеченного конуса (фиг. 2) и на фиг. 2 показан только один зубец. Начальная часть конуса является его основанием. Зубцы 3 расположены по резьбе по винтовой линии с шагом, расходящимся от его начала к концу. Шаг винтовых линий в суженной части ротора приближается к бесконечности. Зубцы 5 статора 2 (фиг. 3), так же как и зубцы 3 ротора 1, в продольном направлении расположены по резьбе по винтовой линии в виде шнека или винта с переменным шагом, расходящимся от его начала к концу. (На фиг. показан только один виток). Причем направление винтовой линии резьбы статора взаимно противоположно направлению винтовой линии резьбы ротора. Шаг винтовых линий статора и количество витков его резьбы точно такое же, как и у ротора. Шаг резьбы винтовой линии в конце статора, в суженной его части так же как у ротора, приближается к бесконечности. Конструкция предусматривает многозаходный винт. Количество зубцов может достигать двузначного или даже трехзначного числа в зависимости от размеров машины. Ширина зубцов в каждом поперечном сечении статора и ротора принимается равной:

где b_i - ширина зубца в i-м сечении, b₃ - ширина зубца в основании конуса, d_i - диаметр конуса в i-м сечении, D - диаметр конуса в его основании, α - угол пересечения между зубцами статора и ротора в i-м сечении. И статор 2, и ротор 1 выполнены подвижными. Ротор 1 установлен с возможностью вращения коаксиально с минимальным зазором внутри статора 2 (фиг. 4) и имеет вал 7 с повышенным диаметром, выступающий с одной стороны и снабженный односторонними подшипниками 8 и 9. Статор 2 расположен внутри неподвижной станины 10. Между станиной и статором с двух сторон установлены подшипники 11 и 12. Статор 2 имеет подшипниковые щиты 13 и 14, которые вставлены внутрь статора. Через ступицы 15 и 16 эти щиты сочленены с валом ротора 7 через подшипники соответственно 17 и 18. Щиты содержат обширные окна (на фигуре не показаны), допускающие свободный проход испытательных образцов к зазору 19 между статором и ротором. Статор 2 механически сочленен с внешним приводом (на фигуре не показан) с помощью конической передачи 20 с валом 21 для внешнего привода. Вал 7 ротора 1 также сочленен с внешним приводом (на фиг. не показан) с помощью конической передачи 22 с валом 23 для привода. Приводы статора и ротора должны вращать соответственно статор и ротор в разные стороны и с одинаковой скоростью. При этом для вращения статора и ротора может быть применен один общий привод, передающий движение на оба вала с помощью редукторной коробки передач. Вращение ротора и статора должно происходить в разные стороны и с одинаковой скоростью.

Фиг. 5 дает представление о виде ускорителя со стороны стрелки в сечении по линии А-А (фиг. 4), где показаны неподвижная станина 10, подшипники 11, 12 между станиной 10 и подвижным статором 2, подшипниковый щит 14 со ступицей 15 и соединители между ступицей и ободом, выполненными в виде лучей 24. На фигуре видны также подшипники 8, 9, окна 25, зазор 19 и вал 7 ротора 1 и обод 26, расположенный между зазором 19 и лучами 24.

Вращение статора ускорителя от вала 21 осуществляется с помощью асинхронного короткозамкнутого двигателя 27 (фиг. 6), получающего питание от частотного регулятора 28. Последний подключен к источнику постоянного тока. Аналогично производится и вращение ротора 1 ускорителя от вала 23.

В варианте технического решения ротор выполнен в виде половины двухполостного гиперболоида (фиг. 7), сечения которого плоскостями, перпендикулярными относительно оси симметрии, являются окружностями, а выходная поверхность 27 имеет вид горловой части гиперболоида. Статор (на фиг. не показан) должен иметь соответствующую форму, а между статором и ротором по всей поверхности должен быть минимальный зазор. Все остальные элементы конструкции аналогичны фиг. 4. Вид со стороны входной части гиперболоидной конструкции аналогичен фиг. 5. Электропитание для привода статора и ротора выполнено аналогично фиг. 6.

Гравитационный ускоритель действует следующим образом. При вращении ротора 1 внутри подвижного статора 2 (фиг. 4, 5) исследуемые образцы (жидкость или газ) поступают во входные окна 25 и проходят в зазоры, образованные пазами статора 2 и ротора 4. Локальные зазоры, сформированные между зубцами статора и ротора, будут при вращении статора и ротора линейно и непрерывно с ускорением смещаться в сторону от начала статора и ротора к их концам в суженой части. При этом движение микрочастиц будет формироваться двумя силами. Первая сила образуется за счет шнекового эффекта, при которой частицы, оказавшиеся в пазах, будут двигаться вдоль пазов. Вторая сила образуется за счет того, что частицы благодаря центробежным силам попадают в зазор между зубцами ротора и статора в зоны взаимного пересечения зубцов и оказываются в гравитационной ловушке. Иными словами, микрочастицы образцов, попадающие в зазор 7 между зубцами, взаимодействуют с зубцами по принципу взаимного притяжения согласно формуле:

где m₁ - массы элементов исследуемого материала и m₂ - массы ротора и статора, которые взаимодействуют с частицами с силой F_i; R - расстояние между массами ротора и статора и микрочастицами, γ₁=6,67384(80)·10^-11 м³·с^-2·кг^-1, или Н·м²·кг^-2 - универсальная постоянная. Что касается расстояния R, то в предлагаемом ускорителе эта величина неопределенна, поскольку элементы материала находятся во взаимодействии с двумя движущимися параллельно массами, расположенными с двух сторон от микрочастиц, и это расстояние на практике может приближаться к нулю. Во всяком случае, R в сотни и тысячи раз меньше, чем если бы взаимодействие было односторонним.

Площадь зазора между зубцами статора и ротора зависит от угла «α» взаимного пересечения зубцов статора и ротора и диаметра конусного ротора согласно формуле (1). Максимальные размеры этой площади на входе в ускоритель, где она равна b₃ ² при α=90°. По мере перемещения микрочастиц эта площадь постоянно снижается, что приводит к увеличению их концентрации на выходе ускорителя, и будет иметь вид ромба.

Если шаг винтовых пазов статора и ротора на выходе приближен к бесконечности, то скорость истечения микрочастиц будет соразмерна релятивистской скорости, при этом масса частиц будет определяться согласно формуле:

где m₀ - масса частиц на входе ускорителя, m - масса ускоренной частицы, V - скорость ускоренной частицы, с - скорость света.

Согласно формуле 3 взаимодействие между частицами и зубцами ротора и статора по мере их ускорения и приближения к выходному отверстию ускорителя будет усиливаться.

Фокус ускорителя будет находиться в вершине конуса, что облегчает выбор места установки мишени, на которую будут направляться микрочастицы.

Скорость V можно регулировать путем изменения числа оборотов статора и ротора. При этом сама скорость вращения статора и ротора может быть относительно невелика, что позволит снизить шум и вибрацию. Скорость V движения микрочастиц на выходе двигателя определяется скоростью вращения ротора и выходным шагом винтовой поверхности согласно соотношению V=Pn, где P - шаг винта, n - число оборотов вала ротора.

В варианте технического решения, когда ротор выполнен в виде половины двухполостного гиперболоида (фиг. 7), линейный ускоритель действует по тому же принципу, что и при конусном исполнении ротора. Разница лишь в том, что форма пятна на выходе ускорителя, образованная ускоренными микрочастицами, будет иметь вид кольца, размеры которого определяются диаметром горловины.

В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (пучками элементарных частиц), а также в промышленности (например, для имплантации инородных материалов в полупроводниках). Таким образом, предлагаемый гравитационный ускоритель может найти самое широкое применение в различных областях науки и техники.