專利名稱：沖擊壓縮物質(zhì)的裝置和方法以及等離子體陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將濃縮物質(zhì)(液體或者，最好是固體)沖擊壓縮到超密狀態(tài)的方法，在這種狀態(tài)下，可以進(jìn)行濃縮核過程和慣性約束聚合(以下簡稱為ICF)；還涉及一種為實現(xiàn)上述方法而設(shè)計的、基于具有等離子體陰極的相對真空二極管(以下簡稱RVD)的裝置結(jié)構(gòu)。
這種技術(shù)實際上是將某種化學(xué)元素的原子核演變成其他化學(xué)元素的原子核，以達(dá)到以下目的實驗上獲得更好的化學(xué)元素的穩(wěn)定同位素，該化學(xué)元素包含穩(wěn)定的鈾后元素的合成物；將含有長壽命同位素的、放射性的廢物再加工成含有短壽命同位素和/或穩(wěn)定同位素的材料，這對于凈化使用過的伽馬射線源，例如基于廣泛用于工業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域的鈷的放射性同位素，特別重要。
將來，這種方法也許將有益于通過ICF與更好的固體目標(biāo)的利用獲取能源。
為達(dá)到清楚描述的目的，在本文中和后面的權(quán)利要求書中使用的以下術(shù)語的概念如下“目標(biāo)”是曾經(jīng)用于至少一種化學(xué)元素的至少一種任意同位素的沖擊壓縮量，是一種用于獲得核轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物的原料，也可以是一種用于能源制造的最初的能源載體；“沖擊壓縮”是一種在目標(biāo)的至少一部分上的自聚焦的會聚密度波的等熵沖擊作用；“超密狀態(tài)”是目標(biāo)的至少一部分經(jīng)沖擊后壓縮的一種狀態(tài)在該狀態(tài)下，目標(biāo)物質(zhì)的大部分轉(zhuǎn)變成電子核和電子核的等離子體；“濃縮核過程”是一種壓縮成超密狀態(tài)的目標(biāo)物質(zhì)的電子核的等離子體與電子核的成分之間的重新組合的相互作用(特別是“冷的”)，可導(dǎo)致至少目標(biāo)的同位素的成分發(fā)生變化；“等離子體陰極”是一種RVD負(fù)電極的可消耗的軸對稱部分，它能夠(在放電脈沖的開始)隨著近似于零電子工作功能而產(chǎn)生(近表面層的材料的)等離子體殼體；“陽極增強(qiáng)子”是一種使用過的可以替代的RVD陽極的軸對稱部分，它可以完全由適合的(主要部分)導(dǎo)電材料制成，可在最簡單的演示實驗中作為目標(biāo)本身來使用?；蛘?，當(dāng)陽極增強(qiáng)子用于工業(yè)應(yīng)用時，它具有至少一個由硬質(zhì)材料制成的單層殼體的形狀，一個可選擇的目標(biāo)也軸對稱地固定在該單層殼體內(nèi)部以提供聲學(xué)的接觸；“聚焦空間”是RVD真空腔里的一個空間，它空間地界定了RVD電極的公共幾何對稱軸的某一長度，并且其中(在缺少障礙物以及等離子體陰極的發(fā)射表面面積、電子能量和電流強(qiáng)度為預(yù)設(shè)值的情況下)由于相對電子的聚合性的自聚焦，可能存在部分電子束。
背景技術(shù)：
眾所周知，理論上(參見如U.S.Pat.No.4401618)為執(zhí)行一受控制的核聚變，以下是充分而且必需的首先，要制造出微小尺寸的目標(biāo)，其質(zhì)量從幾微克到幾毫克；第二，把形成的目標(biāo)固定于一空間內(nèi)；第三，通過對目標(biāo)盡可能均勻的沖擊壓縮，將目標(biāo)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成一個超密狀態(tài)；第四，在此種狀態(tài)下將目標(biāo)物質(zhì)保持足夠長的時間，使原子嬗變和/或核聚變，這將伴隨著能量的釋放或吸收。
值得一提的是，所述的目標(biāo)質(zhì)量的限制主要由于ICF變得很重要，因為1毫克的氘或氘和氚的混合物相當(dāng)于大約20至30千克三硝基甲苯的能量。
而且，理論上很明顯的一個事實是，嬗變和/或核聚變實際上伴隨著超密狀態(tài)的獲得而同時發(fā)生。因此，迄今為止，核物理領(lǐng)域的研究者的努力已經(jīng)集中在產(chǎn)生許多物質(zhì)沖擊壓縮的有效方法和裝置。
最后，理論上也很明顯的是上述的壓縮只有在產(chǎn)生了幾十個ns的持續(xù)時間的大功率的機(jī)械脈沖并且將這些脈沖聚焦在目標(biāo)表面的大部分區(qū)域上(直至整個表面)的條件下才有可能，目標(biāo)需要與環(huán)境安全地絕緣。
為達(dá)到該目的，需要有能流的時空壓縮工具，例如基本的能量源，至少一個儲能器，至少一個將累積的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械沖擊脈沖的轉(zhuǎn)換器和一個機(jī)械打擊器，用來完成脈沖在目標(biāo)上的必要的等熵轉(zhuǎn)換，這樣一套完備的工具以及它們之間的相互作用所產(chǎn)生的問題可以通過不同的方式來解決，這依賴于物質(zhì)的沖擊壓縮試驗的目的，倘若(當(dāng)與一工業(yè)動力網(wǎng)絡(luò)連接時)第一個而非僅有的一個儲能器通常是基于一個LC電路的裝置的話(參見例如下列收集的文章Energy Storage，Compression and Switching，edited by W.H.Bostick，V.Nardy and O.S.F.Zuker.Plenum Press，New York and London)。
曾有很長一段時間，在實踐中為實現(xiàn)所述的理論性假設(shè)的努力僅僅集中在ICF，它的工業(yè)控制好像對人類進(jìn)入“能源天堂”來說已經(jīng)足夠了。
由于這個原因，最初只有氣態(tài)氘或者是氘和氚作為活性物質(zhì)來使用，而且目標(biāo)被制成充滿了所述的氫的同位素的微小部分(大約0.1毫克)的密封空球體的形狀。然后，激光驅(qū)動器的光束從各個面均勻同步地指向每一個這樣的目標(biāo)。
殼體的加熱致使其外側(cè)部分燒蝕(部分蒸發(fā))。脫水材料的膨脹引起了導(dǎo)致內(nèi)爆的反應(yīng)力，例如，殼體內(nèi)部的均勻壓縮和目標(biāo)的活性物質(zhì)趨于球體中心(參見例如(1)US4401618；(2)J.Lindl，Phys.of Plasmas，1995；(3)K.Mima et al，F(xiàn)usion Energy，1996.IAEA，Vienna，V.3，p.13，1996)。
這一ICF方案看起來毫無缺點。實際上，激光輻射脈沖的持續(xù)時間能達(dá)到大約1ns，這就能保證能流的充足的壓縮時間，而且目標(biāo)表面區(qū)域的急劇減少也成為所述的能流的空間壓縮的先決條件。
令人遺憾的是，激光器的效率不超過5％，考慮勞森標(biāo)準(zhǔn)(J.D.Lawson，Proc.Phys.Soc.，B70，1957)，從最開始就使得激光驅(qū)動器的效力令人懷疑的。而且，激光轉(zhuǎn)換的同步需要一復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。最后，燒蝕伴隨著把殼體和目標(biāo)作為一整體加熱時的能量的巨大損耗。因此，迄今為止，沒有人把目標(biāo)的氣體物質(zhì)變成超密狀態(tài)，也沒有人得到可以超過ICF開始的能量消耗的能量的積極收益。
已知的是，大家都努力于通過使用一聲學(xué)驅(qū)動器的方式創(chuàng)造出足夠的壓力和溫度來點燃聚變反應(yīng)，這會引起在濃縮中的氣蝕現(xiàn)象，特別是液態(tài)目標(biāo)(美國專利號4333796、5858104和5659173)。特別地，國際公開號為WO 01/39197的專利申請描述如下(1)一個氣蝕聚變反應(yīng)堆包括至少一個機(jī)械超聲波振蕩源，最好有復(fù)數(shù)個以共振方式伴隨著區(qū)域每一單元內(nèi)的能流的增長、能將這些振動發(fā)送到目標(biāo)的限定空間中的聲音傳導(dǎo)體，以一適合的熱轉(zhuǎn)換器的形式出現(xiàn)的去熱裝置；(2)所述反應(yīng)堆的使用方法，包括通過把核聚變所需的燃料，最好是氘化鈦，或氘化鋰，或二氘化釓等等，從一耐火金屬(例如鈦、鎢、釓、鋨或鉬)壓縮成固體空間傳導(dǎo)矩陣，制造微弱地傳導(dǎo)聲音的目標(biāo)，引入至少這樣一個目標(biāo)的至少這樣一個矩陣，將其與連接于機(jī)械超聲波振動源的至少一聲引傳導(dǎo)體進(jìn)行聲學(xué)的接觸，以共振方式的一連串超聲波脈沖作用于矩陣上，由于機(jī)械振蕩的動能轉(zhuǎn)化成熱量，這種作用導(dǎo)致氘化物的機(jī)械和化學(xué)破壞以及目標(biāo)的液化，并且由于氘化物從目標(biāo)的“蒸發(fā)”，例如蒸汽泡的出現(xiàn)和它們在主體材料的壓力下的瓦解，本質(zhì)上同時引起“液體”目標(biāo)的氣蝕發(fā)生。還有，隨著目標(biāo)內(nèi)部能量的釋放，核聚變反應(yīng)結(jié)束后終止整個過程。
固體(初始狀態(tài))目標(biāo)的使用和沖擊壓縮它們的超聲波機(jī)械脈沖似乎很有吸引力，然而令人遺憾的是，就像激光一樣，超聲源只有很低的效率。此外，不同于激光的是，這些超聲源在脈沖中產(chǎn)生很小的能量，這需要使“超聲源-氘化物目標(biāo)”系統(tǒng)處于共振模式。然而，即使是在這種模式下，能量的主要部分消耗在了加熱目標(biāo)和消散上，因此，即使是在長時間的抽運(yùn)能量至目標(biāo)上的情況下，物質(zhì)沖擊壓縮成超密狀態(tài)也是達(dá)不到的。
于是，制造出一種可行的方法和裝置來把物質(zhì)沖擊壓縮成超密狀態(tài)就變得緊迫起來。
長期采用的解決方式從20世紀(jì)初以來就基于RVD的使用(參見例如(1)C.D.Child，Phys.Rev.，V32，p.492，1911；(2)1.Langmuir，Phys.Rev.，V.2，p.450，1913)。
每一個RVD包括一真空腔體，其中固定有一陰極和一陽極，所述的陰極和陽極經(jīng)由一脈沖放電器連接至一充電器。由于可以充分地充電和放電脈沖的持續(xù)時間短，這些二極管能夠提供源自陰極表面的爆發(fā)性的電子發(fā)射和電子加速至相對論的速度，效率超過90％。
正是由于強(qiáng)有力的電子束的發(fā)生器和加速器的功能，相對真空二極管在整個20世紀(jì)內(nèi)成為物理學(xué)家們的注意焦點，對這種二極管作為一個整體的設(shè)計特別是其陰極進(jìn)行了無數(shù)次的改進(jìn)，目的是為了電子束能量的時空壓縮并將這些電子束塑造成所要求的空間形態(tài)。
從美國專利3,892,970中可以得知作出了一種嘗試，其發(fā)明了一種通過RVD內(nèi)的沖擊ICF壓縮一種物質(zhì)的方法，這種方法包括首先，從凍結(jié)的熱核燃料(例如氘或氘和氚的混合物)中提出以濃縮的(最好是固體)物質(zhì)的對稱球的形式的目標(biāo)，其次，將目標(biāo)置入RVD電極中，也就是置入這個空間中，其中陽極等離子體發(fā)生裝置的輸出被打開，接著第三，幾乎同步地注入陽極等離子體和目標(biāo)的壓縮，伴隨著依靠通過陽極等離子體的強(qiáng)電流(100TW的和1MJ的能量)短路而產(chǎn)生的脈動(10ns)環(huán)形沖擊。
然而，這種方法并不能提供目標(biāo)物質(zhì)的壓縮至超密狀態(tài)并為了能量釋放的核聚變保持這種狀態(tài)保持足夠長的時間，因為很明顯目標(biāo)的尺寸大小小于大約1.5MeV能量的電子的路徑長度，這就是為什么電子的動能實際上很快地轉(zhuǎn)變成目標(biāo)體內(nèi)的熱能，并導(dǎo)致了核燃料的空間熱能的爆炸。進(jìn)一步地，伴隨著能量源的放電，在已知的方法中很難使自由飛行的目標(biāo)同時擊中一環(huán)形RVD陰極的中央，同時產(chǎn)生一平板的等離子體陽極。于是，電流在目標(biāo)上的聚集只有偶爾才能獲得，盡管調(diào)整了放電電壓和陽極等離子體密度。
從上述同一個專利中得知，一基于RVD的用于物質(zhì)的沖擊壓縮的設(shè)備，包括一個球形真空腔體，其裝有熱交換器和為目標(biāo)進(jìn)料配備的通道，兩個以真空腔體的中央平面而對稱布置的環(huán)形電極，位于陰極之間的附加的等離子體注入裝置，在補(bǔ)給電路的放電之前直接形成一平板等離子體陽極。
最后，從上述同一個專利中得知，陰極有一電流運(yùn)載部分和一制成環(huán)形的聚集尖端，其有著為增加其上的電場梯度的一尖銳的邊緣。這個陰極的尖端的邊緣在放電時布滿了等離子體層。
實際上不可能在這種RVD中把環(huán)形電子束的能量的有形部分轉(zhuǎn)移到目標(biāo)，因為電子束在它形成時就已經(jīng)接近收縮閾值，而且不穩(wěn)定(特別是與這樣的等離子體陽極結(jié)合，在每一脈沖期間和從一脈沖至下一脈沖期間參數(shù)都會發(fā)生本質(zhì)變化)。
因此，所希望的是，陽極應(yīng)該由固體物質(zhì)得到，其本身起目標(biāo)的作用或與目標(biāo)合并，而且應(yīng)該避免電極之間的間隙中的收縮，并且在放電的過程中陽極表面同時達(dá)到電子束的自聚焦。
令人驚訝的是，依照可以獲得的數(shù)據(jù)，關(guān)于這種方法的改進(jìn)的主要注意力都只是花費(fèi)在當(dāng)使用實質(zhì)的平板電極時改變RVD陰極發(fā)射體的形狀上。這種近似方法的一個醒目的例子是基于RVD的電子源脈沖，它包括一電解質(zhì)材料的成一定形狀的盤子的等離子體陰極和一個正好與盤子表面部分的形狀相同的傳導(dǎo)蓋體(SU1545826 A1)。在一個脈沖放電下，這樣一個復(fù)合的陰極可以產(chǎn)生一電子束，它并不受限于收縮而且有著與電解質(zhì)盤體相對應(yīng)的形狀。
然而，這種ICF和核濃縮過程所必需的目標(biāo)的盡可能的均勻的壓縮僅僅通過改變電子束的形狀是達(dá)不到的，因此，所描述的RVD和其近似物應(yīng)用于物質(zhì)沖擊壓縮至超密狀態(tài)的過程中并不可行。
禁止電極間間隙的收縮和在目標(biāo)表面上提供電子的自聚焦的問題使得很多物理學(xué)家如此悲觀以至于他們得出了RVD作為嬗變過程的驅(qū)動器和ICF不適用的結(jié)論(參見例如(1)James J.Duderstadt，Gregory Moses，Inertial Confinement Fusion.John Wiley and Sons，New York，1982.(2)E.P.Velikhov，S.V.Putvinsky.Fusion Power.Its Status and Role in theLong-Term Prospects.In 4.2.2 Drivers for Inertial Controlled Fusion/http//relcom.website.ru/wfs-moscow.etc.)。
雖然如此，這個方向的研究仍在繼續(xù)。
因此，至于技術(shù)本質(zhì)，與本發(fā)明最接近的是，主要適用于物質(zhì)沖擊壓縮的方法和裝置在專注于粒子加速器(S.Adamenko，E.Bulyak et al.Effect of Auto-focusing of the Electron Beam in the Relativistic Vacuum Diode.InProceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference，New York，1999)的國際會議上和后來的一篇文章上公開(V.I.Vysotski，S.V.Adamenko et al.Creating and Using of Superdense Micro-beams ofRelativistic Electrons.Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A 455，2000，pp.123-127)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易地可以從上述信息源察覺到，物質(zhì)的沖擊壓縮方法包括從至少是RVD陽極的一部分的濃縮物質(zhì)中產(chǎn)生一類似于這樣一種軸對稱部分的形狀的目標(biāo)(即，類似于針狀陽極增強(qiáng)子的半球狀尖端的形狀，它有幾微米的直徑)，將目標(biāo)置于同一軸對稱的等離子體陰極相固定的RVD中，其實際上位于和所述的陽極增強(qiáng)子相同的幾何軸上間隔幾毫米的位置放置，和通過RVD、以電子束自聚焦方式在陽極增強(qiáng)子表面進(jìn)行電源的脈沖放電。
使用所描述的方法實現(xiàn)物質(zhì)的沖擊壓縮的裝置的制造基于一RVD，它包括一個形狀呈軸對稱以界定一真空腔體的堅固的氣密外殼，其部分由導(dǎo)電材料制成，和一個軸對稱的等離子體陰極以及一個軸對稱的陽極增強(qiáng)子固定于所述的腔體內(nèi)，實際上在同一個幾何軸上至少等離子體陰極連接至一脈沖高壓電源。
陰極依照一經(jīng)典的方案制成“導(dǎo)電(通常是金屬)桿朝著陽極方向合并并以電介質(zhì)元件結(jié)束”，后面元件的操作端的周長和面積不大于各自的周長和所述的桿的橫截面積(Mesyats G A.Cathode Phenomena in aVacuum DischargeThe Breakdown，the Spark and the Arc.Nauka Publishers，Moscow，2000，p.60)。
將兩極的形狀塑造成特定的幾何形狀以允許在RVD間隙中抑制收縮，并使電子束變尖銳以提供其在陽極增強(qiáng)子表面的一小部分上的自聚焦。
然而，這樣在陽極增強(qiáng)子上的本質(zhì)上的尖端作用只是對RVD應(yīng)用于物質(zhì)的沖擊壓縮的演示才合適，但它不能在每一個脈沖放電時提供目標(biāo)體的絕大部分的壓縮至超密狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明基于以下問題第一、通過改變執(zhí)行步驟的條件的方式，產(chǎn)生一種將目標(biāo)物質(zhì)的絕大部分沖擊壓縮至超密狀態(tài)的方法，它在每一個脈沖RVD放電時完成，第二、通過改變RVD中的電極形狀和它們的相對位置的方式，產(chǎn)生一種通過沖擊來壓縮物質(zhì)的裝置，它可以保證方法的有效應(yīng)用，以及第三、通過改變導(dǎo)體及電介質(zhì)部分的形狀和尺寸比率的方式，產(chǎn)生一種給所述的方法提供最經(jīng)濟(jì)有效應(yīng)用的軸對稱的等離子體陰極。
問題的第一個方面獲得了解決，所以在沖擊壓縮物質(zhì)的方法中采用一個RVD，它具有一個有導(dǎo)電壁的軸對稱的真空腔體，一個軸對稱的等離子體陰極和一個軸對稱的陽極增強(qiáng)子，該方法包括制造一個形狀為濃縮物質(zhì)的軸對稱部分的目標(biāo)，起到陽極增強(qiáng)子的至少一部分的作用，將陽極增強(qiáng)子以一間隙對著等離子體陰極放入RVD腔體中，實際上它們位于同一幾何軸上，以及經(jīng)過RVD、以電子束自聚焦的方式在陽極增強(qiáng)子表面進(jìn)行電源的脈沖放電，依照本發(fā)明，軸對稱等離子體陰極以導(dǎo)電桿的形式使用，包括一個電介質(zhì)端元件，其背部端的周長以一連續(xù)的間隙在垂直于陰極的對稱軸的至少一平面中包圍所述的桿的周長，而且發(fā)射表面面積大于陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積，陽極增強(qiáng)子以這樣一個間隙朝著等離子體陰極放置，使得陽極增強(qiáng)子的工作表面的曲率中心位于共同自聚焦的電子束的焦點空間內(nèi)，以及陽極增強(qiáng)子有一電子束作用其上，該電子束有不少于0.2MeV的電子能量，電流密度不小于106A/cm2，持續(xù)時間不大于100ns。
該方法的應(yīng)用結(jié)果恰好對那些已經(jīng)從事了十多年的研究的發(fā)明者來說是很不可思議的，因此，使用具有高純度的銅、鉭和其他材料的最簡單的單金屬目標(biāo)使以下實驗演示成為可能沖擊壓縮之后，每一個目標(biāo)塊的有形部分分開并作為嬗變產(chǎn)物的集合體急速下落在RVD真空腔體的內(nèi)壁上和/或以下將要提到的護(hù)罩上；一些集合體在它們的元素組成上是相當(dāng)相似的；在集合體中當(dāng)然不僅檢測到了已知化學(xué)元素的穩(wěn)定的同位素，它們在目標(biāo)物質(zhì)中并不作為混合物存在，還有未知的和還未證實的鈾后元素的相對穩(wěn)定的同位素；目標(biāo)物質(zhì)嬗變的產(chǎn)物的同位素成分本質(zhì)上不同于地殼中相同元素的同位素成分的參考數(shù)據(jù)，直到現(xiàn)在，從嬗變區(qū)域檢測熱能的積極收率的努力都失敗了。
以上所述從本質(zhì)上把依照本發(fā)明的嬗變與傳統(tǒng)的嬗變區(qū)分開，傳統(tǒng)的嬗變通過對固體目標(biāo)(例如，由相同的銅或鉬制得)的離子(通常是氘核)轟擊獲得，該離子由具有磁化限定的陽極等離子體的源產(chǎn)生并，并在復(fù)雜危險的正運(yùn)轉(zhuǎn)著的脈沖加速器中運(yùn)行，在大于5Mev的離子能量下獲得1kw的能流，(參見例如，美國專利號5848110)。實際上，只有預(yù)先已知的化學(xué)元素，例如Zn65，Mo99，I123，O15等等的預(yù)先已知的主要的放射性的同位素才能由這一過程得到，然而關(guān)于本發(fā)明的方法至少對于化學(xué)研究足夠多的鈾后元素的聚變來說是可行的。
以上所述和以下將要詳細(xì)描述依照本發(fā)明實施的方法的結(jié)果可以作如下假設(shè)，電子束共同自聚焦在陽極增強(qiáng)子表面的一實質(zhì)部分上，并在其近表面層激勵一機(jī)械的類似于孤子的密度脈動集中于目標(biāo)的對稱軸上。所述脈動以等熵方式將來自電子束的能量傳送到目標(biāo)物質(zhì)上靠近對稱軸的一部分。該脈沖前沿趨于一球形。因此，當(dāng)類似于孤子的脈動在目標(biāo)的對稱軸中心上減小到某一較小的體積，其前沿變得陡峭，其中的能量密度增大到足夠大的值使得物質(zhì)達(dá)到超密狀態(tài)，核濃縮過程得以繼續(xù)。這就是為什么最簡單的(同時也是非常重要的，實施過程中實際上是安全的)具有最小能耗的RVD型電子加速器(以下會詳細(xì)描述)提供了具有同位素的寬頻譜產(chǎn)生的嬗變核反應(yīng)。
第一個附加特征是，在相對真空二極管中使用的等離子體陰極有一個尖的導(dǎo)電桿，這個陰極的電介質(zhì)端元件配備了一個開口用于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于開口里。這就可以至少部分控制RVD電極之間的間隙，也可以使等離子體陰極工作穩(wěn)定，這對于沖擊壓縮過程的實驗優(yōu)化特別重要。
第二個附加特征是，目標(biāo)是以插入RVD陽極增強(qiáng)子的中央部分的插入物的形式形成的，所述插入物的直徑在陽極增強(qiáng)子的最大橫截面尺寸的0.05至0.2范圍內(nèi)選擇。這就允許使用任何一種材料作為壓縮至一超密狀態(tài)的對象而不用考慮其電導(dǎo)率和其在固體及液體中的使用情況。自然地，液體應(yīng)當(dāng)直接封入陽極增強(qiáng)子的固體殼內(nèi)或者封入一獨立的殼體內(nèi)，封閉之后，其必須以最大的聲學(xué)透明度插入陽極增強(qiáng)子中。
第三個附加特征是，至少陽極增強(qiáng)子的指向等離子體陰極的那部分在裝入RVD之前形成球狀，這就允許機(jī)械的類似于孤子的密度脈動集中在極微小的體積里，集中的結(jié)果是，給每一個目標(biāo)物質(zhì)提供沖擊壓縮使其達(dá)到超密狀態(tài)，伴隨著嬗變產(chǎn)物的1017至1018個原子的產(chǎn)生即使在單次“發(fā)射”能耗最小(300-1000J)的時候。
第四個附加特征是，目標(biāo)以球狀體的形式形成，它緊緊地裝在陽極增強(qiáng)子內(nèi)使得球體的內(nèi)外中心實際上重合在一起，這就能提高嬗變材料的產(chǎn)量。
第五個附加特征是，陽極增強(qiáng)子由電子束作用其上，電子束有著能達(dá)到1.5MeV的電子能量，電流密度不大于108A/cm2，持續(xù)時間不超過50ns。這些參數(shù)對于核濃縮過程在目標(biāo)中的進(jìn)行來說是足夠，目標(biāo)由大部分的周期表“中間部分”的化學(xué)元素的穩(wěn)定的原子組成。
第六個附加特征是，電子束的電流密度不大于107A/cm2，這對于濃縮目標(biāo)材料的主要部分的有效沖擊壓縮來說足夠了。
第七個附加特征是，在RVD真空腔體內(nèi)的剩余壓力維持在不大于0.1Pa的水平上，這對于防止RVD電極間的氣體放電來說足夠了。
問題的第二個方面的解決在于物質(zhì)的沖擊壓縮裝置，其基于RVD并包括一堅固的氣密外殼，其部分由導(dǎo)電材料制成軸對稱形狀來界定一個真空腔體，和一個軸對稱的等離子體陰極以及一個軸對稱的以一間隙裝在真空腔體內(nèi)的陽極增強(qiáng)子，實際上它們位于同一個幾何軸上，依照本發(fā)明，至少陰極連接至一脈沖高電壓電源。
等離子體陰極以導(dǎo)電桿的形式制成，導(dǎo)電桿包括一個電介質(zhì)端元件，其背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長，而且發(fā)射表面面積大于陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積；上述電極至少一個配備有調(diào)整電極間的間隙的工具，以及從所述的等離子體陰極的共同的幾何軸到真空腔體的導(dǎo)電壁內(nèi)部的距離大于50dmax，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。
有著上述特征集合的RVD至少對于某些化學(xué)元素的核子到另一種化學(xué)元素核子的嬗變來說是有用的，這一點在上述的本發(fā)明的方法的主題的解釋中已經(jīng)揭示了。
第一個附加特征是，等離子體陰極的導(dǎo)電桿是尖的，而且這個陰極的電介質(zhì)端元件配備了一個開口，便于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于開口里。這種設(shè)計就使得穩(wěn)定等離子體陰極工作成為可能，而且可以相對于導(dǎo)電桿通過移動電介質(zhì)端元件來至少部分調(diào)整RVD電極之間的間隙。
第二個附加特征是，陽極增強(qiáng)子的橫截面為圓形，并且陽極增強(qiáng)子完全是由可被嬗變的主要部分導(dǎo)電的材料產(chǎn)生。這就允許演示純金屬和金屬合金的最簡單的樣本的嬗變效果，特別是允許產(chǎn)生出鈾后元素。
第三個附加特征是，陽極增強(qiáng)子是合成的，它包括至少一層固體殼體和被這層殼體緊緊包住的插入的目標(biāo)，所述目標(biāo)是一旋轉(zhuǎn)體的形狀并由一直徑范圍在(0.05-0.2)dmax內(nèi)的任意濃縮材料制成，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。這就允許實施物質(zhì)的沖擊壓縮，不僅以原子核子嬗變?yōu)槟康亩疫€以在空間中產(chǎn)生能量為目的，在該空間中核濃縮過程以實質(zhì)上(至少在順序上)超越勞森標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
第四個附加特征是，最好是導(dǎo)電材料的至少一護(hù)罩裝在陽極增強(qiáng)子的尾部，它能捕獲作為主要目標(biāo)沖擊壓縮至一超密狀態(tài)的結(jié)果產(chǎn)生的核濃縮過程的產(chǎn)物的一部分，并起到在陽極增強(qiáng)子的嬗變粒子的散射中的核反應(yīng)的附加目標(biāo)的作用。
第五個附加特征是，所述的護(hù)罩是一個直徑不超過5dmax的薄壁旋狀體，從所述的陽極增強(qiáng)子的等離子體陰極端的最近部分間隔開20dmax的距離，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。這樣的護(hù)罩能促進(jìn)陽極增強(qiáng)子表面的主要部分上的電子束的自聚焦，還能捕獲濃縮核過程產(chǎn)物的有形部分。
第六個附加特征是，所述的薄壁旋狀體在陽極增強(qiáng)子的一側(cè)有一平的或凹的表面，這有效延緩了核濃縮過程產(chǎn)物在真空腔體壁上的沉淀。
問題的第三個輔助方面的解決在于，在軸對稱的等離子體陰極中，它有一個導(dǎo)電桿，用來連接至一脈沖高壓電源，還有一個本發(fā)明的電介質(zhì)端元件，這個電介質(zhì)元件的背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長。
在沿表面擊穿的情況下，這個陰極的電介質(zhì)端元件立刻覆蓋等離子體。該等離子體中的電子工作功效接近于零。因此，RVD電極中間的間隙中的電流和電子束中的總的電子能量實際上分別與這些參數(shù)的物理上可允許的最大值相符合。這就是為什么本發(fā)明的等離子體陰極在物質(zhì)的沖擊壓縮的基于RVD的設(shè)備中特別有用的原因。
第一個附加特征是，等離子體陰極的導(dǎo)電桿是尖的，而且這個陰極的電介質(zhì)端元件配備了一個開口，便于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于開口里。電介質(zhì)端元件如上面提到的，這就使得使用等離子體陰極至少作為一設(shè)備來調(diào)整RVD電極之間的間隙成為可能。
第二個附加特征是，電介質(zhì)端元件有一個封閉的開口，這對于調(diào)整RVD電極之間的間隙來說更可取。
第三個附加特征是，電介質(zhì)端元件有一個直通的開口，這對于控制等離子體云的形成并在擊穿時刻穩(wěn)定RVD工作來說更可取。
第四個附加特征是，電介質(zhì)端元件由一種材料制成，這種材料從一個族中選取，該族包括單個碳-碳鍵(例如，聚乙烯、聚丙烯等等)的碳鏈聚合體，層壓紙制品或具有有機(jī)粘結(jié)劑、烏木、天然或合成的云母、屬于周期表中的第3至7族純金屬氧化物、無機(jī)玻璃、微晶玻璃、陶瓷電介質(zhì)和玄武巖纖維氈制品的層壓膠布板狀復(fù)合材料。
考慮多種不同的需要，更好的材料的目錄允許對電介質(zhì)進(jìn)行選擇，例如，就方便性而言，所述的有機(jī)材料和玄武巖纖維氈對于制造電介質(zhì)端元件和在調(diào)整RVD電極之間的間隙時操作它們是有用的，就耐磨性和對每一次“沖擊”之后RVD真空腔體內(nèi)的剩余壓力的最小作用而言，上述其余的無機(jī)材料是有用的。
第五個附加特征是，萬一有沖擊，電介質(zhì)端元件有一個展開的表面來促進(jìn)在擊穿情況下等離子體云的形成。
第六個附加特征是，所述電介質(zhì)元件的最小橫截面尺寸是Cde min＝(5-10)Ccrmax，所述元件的長度是Ide＝(10-20)Ccrmax，Ccrmax是導(dǎo)電桿的最大橫截面尺寸。等離子體陰極的部分的這種相對尺寸完全排除了RVD電極中間的間隙中的收縮并保證了電子束在陽極增強(qiáng)子的重要部分上的自聚焦。
需要理解的是在本發(fā)明的特殊實施方式的選擇中，可以在基本的發(fā)明概念的基礎(chǔ)上隨意組合所述的附加特征，發(fā)明概念可以增補(bǔ)且/或使用已有技術(shù)的成熟的常識在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行說明，以下揭示的發(fā)明的優(yōu)選實施方式并不限制發(fā)明的范圍。


本發(fā)明的本質(zhì)將結(jié)合附圖，通過詳細(xì)描述沖擊壓縮物質(zhì)的裝置和方法來闡明(核濃縮過程中的核嬗變的例子)，其中圖1是RVD中電極的結(jié)構(gòu)布局圖，指出了可調(diào)整的幾何參數(shù)；圖2是脈沖高電壓源的框圖；圖3是軸對稱的等離子體陰極的優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖(沿對稱軸的截面圖)；圖4是軸對稱的等離子體陰極的背部端的沿IV-IV剖開的顯示圖(包含導(dǎo)電桿的截面)；圖5是直接用作一目標(biāo)的軸對稱的陽極增強(qiáng)子的整體示意圖，用來演示沖擊壓縮物質(zhì)至超密狀態(tài)(沿對稱軸的截面)；圖6是一中空的軸對稱陽極增強(qiáng)子，有一插入的球狀的目標(biāo)，它被設(shè)計成，例如，至少將所選的化學(xué)元素的長壽命輻射性同位素的粒子部分嬗變成通常的化學(xué)元素的穩(wěn)定同位素(沿對稱軸的截面)；圖7是RVD放電脈沖中的電壓和電流變化的圖表；圖8是依照純銅嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的化學(xué)元素的絕對(按重量％)分布圖；圖9是依照純銅嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的同樣的化學(xué)元素的相對分布圖；圖10是依照純鉭嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的化學(xué)元素的絕對(按重量％)分布圖；圖11是依照純鉭嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的同樣的化學(xué)元素的相對分布圖；圖12是依照純鉛嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的化學(xué)元素的絕對(按重量％)分布圖；圖13是依照純鉛嬗變的產(chǎn)物中的原子核質(zhì)量的同樣的化學(xué)元素的相對分布圖；
圖14是通過天然鎳的樣本的研究獲得的鎳的同位素的參考質(zhì)譜，其與地殼中的此種同位素的天然豐度相符；圖15是由整體銅目標(biāo)中的核濃縮過程的結(jié)果獲得的、銅護(hù)罩上的集合體之一的鎳的同位素的相對分布的質(zhì)譜；圖16與圖15同樣的質(zhì)譜，由相同的護(hù)罩上的鎳原子的另一集合體的研究獲得；圖17是物質(zhì)沖擊壓縮至超密狀態(tài)的產(chǎn)物的顯微照片，以有著敲入銅護(hù)罩并部分被離子束刻蝕的球狀腔體的鐵半球的形式。
具體實施例方式
本發(fā)明的裝置(圖1)是在RVD的基礎(chǔ)上制成的，其基本部分是一個堅固的氣密外殼1，其部分由導(dǎo)電材料(例如，銅或不銹鋼)制成，設(shè)計成軸對稱的形狀以界定一個真空腔體。在工作條件下，該真空腔體由電介質(zhì)的端蓋體2關(guān)閉，當(dāng)需要時，還通過至少一根管道(圖未示)連接至一真空泵；一不可消耗的、呈軸對稱的導(dǎo)電桿3，其截面最好為圓形且在縱向上呈錐形，堅固地并緊緊地固定在蓋體2中，用于連接RVD至一下述的脈沖高壓電源；一可更換的(當(dāng)磨損之后)軸對稱的等離子體陰極包括一導(dǎo)電桿4，其尾部裝在導(dǎo)電桿3中，和一緊密地與導(dǎo)電桿4連接的電介質(zhì)端元件5，所述的電介質(zhì)端元件5的工作端的面積超過導(dǎo)電桿4的橫截面積；一完整的或包含目標(biāo)7的軸對稱陽極增強(qiáng)子6，所述陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積小于電介質(zhì)端元件5的發(fā)射表面的面積；可選地，一最好由導(dǎo)電材料制成的護(hù)罩8安裝在陽極增強(qiáng)子6的尾部；至少一個調(diào)整電極間的間隙的工具(沒有特別顯示出來，但是在等離子體陰極4、5和陽極增強(qiáng)子6的輪廓下用一對箭頭表示)，例如，有一對稱軸的陰極等離子體的電介質(zhì)元件5的端表面的橫斷點與陽極增強(qiáng)子6的端部的相似點之間的間隙，該兩點實際上沿著同一幾何軸布置。
在這個最簡單的實例中的RVD脈沖高壓電源(圖2)對那些本領(lǐng)域中熟悉已有技術(shù)的人來說是眾所周知的，它包括具有至少兩個等離子體(或其他)電流斷流器的至少一個電容或電感儲能器。然而，最好是混合電源(參見例如，1.P.F.Ottinger，J.Appl.Phys.，56，No.3，1984；2.G I.Dolgachev et al.Physics of Plasma，24，No.12，p.1078，1984)，其以下串聯(lián)的元件(圖2)一個輸入變壓器9，其具有一用以連接一個工業(yè)動力網(wǎng)和一個高壓輸出線圈的元件，一個儲存LC電路10，其具有適當(dāng)?shù)?未示)電容和電感，一個用在LC電路中放電電流的等離子體中斷單元11，包括一套本領(lǐng)域人員熟知的、對稱位于一個平面的等離子槍，其數(shù)量(特別的情況下達(dá)到12個)通常等于LC電路中電容的數(shù)量。
當(dāng)然，除了所述的電源單元以外，RVD脈沖高壓電源通常結(jié)合了用于測量脈沖電流和電壓的設(shè)備(圖未示)，例如至少一個RogovskiBelt和至少一個電容性的電壓分壓器。
這種類型的電源用于通過沖擊將物質(zhì)壓縮至超密狀態(tài)的實驗中的RVD供應(yīng)，這在下面會談到。這個電源能提供以下控制參數(shù)值電子束的平均能量...........................0.2至1.6MeV電子束持續(xù)時間..............................不大于100ns電子束能量....................................2*109至0.75*1012W高壓放電電流....................................10kA至500kA為有效的實施物質(zhì)的沖擊壓縮方法，當(dāng)產(chǎn)生RVD和目標(biāo)的分離部分時推薦遵從大多數(shù)附加條件。
因此，重要的是從等離子體陰極4、5和陽極增強(qiáng)子6的共同幾何軸到殼體1的導(dǎo)電壁的內(nèi)側(cè)的距離要超過50dmax，dmax是陽極增強(qiáng)子6的最大橫截面尺寸。
令人希望的是，等離子體陰極(圖3)有弄尖的導(dǎo)電桿4和一個窗或直通開口的電介質(zhì)端元件5。這個電介質(zhì)端元件5必須稍微緊密地安裝在導(dǎo)電桿4上，以便于導(dǎo)電桿4的安裝部分連同尖端一起可以在上的開口里被發(fā)現(xiàn)。這樣一個開口其橫截面和導(dǎo)電桿4(在軸對稱的情況下)的橫截面可以不是環(huán)形的(例如，卵形、橢圓形、如圖4所示的星形，等等)。
同樣，令人希望的是，至少在一個平面內(nèi)垂直于等離子體陰極的對稱軸的電介質(zhì)端元件5(圖4)的后端的周長以一連續(xù)的間隙包圍導(dǎo)電桿4的周長?？梢岳斫獾氖?，這種情況可以在導(dǎo)電桿4和電介質(zhì)端元件5的橫截面輪廓為各種形狀的條件下提供。
更可取的是，等離子體陰極的電介質(zhì)端元件5有一個展開的外表面，例如，最初粗糙的，如圖4所示，或者至少在任一方向上故意形成波紋的。特別是，電介質(zhì)端元件5可以在其橫截面上有著軸對稱的多個尖角的星形。
令人希望是，所述的電介質(zhì)端元件5的最小橫截面尺寸Cdemin在(5-10)Ccrmax的范圍內(nèi)，長度Ide在(10-20)Ccrmax的范圍內(nèi)，Ccrmax是導(dǎo)電桿4的最大橫截面尺寸。
所述的等離子體陰極的電介質(zhì)端元件5可以由任一電介質(zhì)材料制成，在RVD電極間的間隙中的所選工作電壓下，其(在所選形狀和尺寸下)可以被擊穿。
優(yōu)選的是，這種材料從族中選取，該族包括單個碳-碳鍵(例如，聚乙烯、聚丙烯等等)的碳鏈聚合體，層壓紙制品或具有有機(jī)粘結(jié)劑、烏木、天然或合成的云母、屬于周期表中的第3至7族純金屬氧化物、無機(jī)玻璃、微晶玻璃、陶瓷電介質(zhì)和玄武巖纖維氈制品的層壓膠布板狀復(fù)合材料。
如上所述，軸對稱的陽極增強(qiáng)子6可以是一體的(圖5)并由一任意的固體組成，該固體通常一種其內(nèi)部可以導(dǎo)電材料，最好是導(dǎo)電材料(包括純金屬和它們的合金)，例如，銅，鉭，鉛等等；或者具有(圖6)至少一個最好由導(dǎo)電材料制成的、最好是球狀的單層殼體6，以及一個緊密地安裝在所述殼體中并由沖擊壓縮后的任一濃縮(固體或液體)物質(zhì)制成的、呈軸對稱插入的目標(biāo)7。
該軸對稱插入的目標(biāo)7的最大直徑最好在(0.05-0.2)dmax的范圍內(nèi)選取，其中，dmax是陽極增強(qiáng)子6作為一個整體時的最大橫截面尺寸。如果不考慮目標(biāo)7的形狀，它必須安裝在陽極增強(qiáng)子6的里面，所以其表面曲率中心實際上與陽極增強(qiáng)子6的工作表面的曲率中心相符。陽極增強(qiáng)子6和目標(biāo)7中的材料的位錯密度應(yīng)當(dāng)盡可能的小，并且提供它們之間的聲學(xué)接觸，這是非常重要的。
可裝在陽極增強(qiáng)子6的尾部的所述的護(hù)罩8通常由導(dǎo)電材料制成，最好形成一旋轉(zhuǎn)的薄壁體。所述的護(hù)罩8的直徑必須小于5dmax，而且從陽極增強(qiáng)子6的工作端到它的距離必須不大于20dmax，dmax是陽極增強(qiáng)子6的最大橫截面尺寸。所希望的是，所述的護(hù)罩8在陽極增強(qiáng)子6的工作端一側(cè)有一平面或曲面(圖5和圖6)。
使用所描述裝置的沖擊壓縮物質(zhì)的方法通常包括a)連接上述等離子體陰極的導(dǎo)電桿4至無損耗的導(dǎo)電桿3；b)產(chǎn)生一組可替換的軸對稱的陽極增強(qiáng)子6，最好其工作端為以下變化形式之一以通過沖擊(為嬗變或其他核轉(zhuǎn)換)將物質(zhì)壓縮成整片的形式，或者，以單層殼體的形式，目標(biāo)7緊緊插入該單層殼體中，所述的目標(biāo)通過沖擊(為嬗變或其他核轉(zhuǎn)化)壓縮材料(如需要，可以初始封裝)而成。
c)(可選的)用銅、鉛、鎳、鉭等制成的導(dǎo)電護(hù)罩8裝配至少一些陽極增強(qiáng)子6；d)在RVD殼體1的真空腔體內(nèi)放置每下一個陽極增強(qiáng)子6，實際上它們與等離子體陰極4、5在同一幾何軸上；e)用以下方式調(diào)整等離子體陰極的電介質(zhì)端元件5的工作端與陽極增強(qiáng)子6之間的間隙，即陽極增強(qiáng)子6的工作表面的曲率中心位于通過RVD進(jìn)行電源脈沖放電時產(chǎn)生的共同自聚焦聚焦的電子束的焦點空間內(nèi)；f)通過將端電介質(zhì)蓋體2裝在RVD堅固的氣密導(dǎo)電殼體1凸緣上來關(guān)閉真空腔體；g)將RVD殼體1內(nèi)的腔體抽成真空，其實施如下在第一次“射擊”目標(biāo)之前至少兩次(先抽出空氣，然后用潔凈、干燥的氮氣沖放腔體至少一次，再次抽氣使得剩余的氣體壓力不大于0.1Pa)，而且如果殘留壓力超過上述值，每下一次“射擊”之前至少抽一次；h)將RVD的外部高壓電源通過輸入變壓器9連接至一個電力網(wǎng)，為LC電路10中的實驗存儲所需的電能；i)經(jīng)由單元11使LC電路10放電實現(xiàn)電流脈沖的等離子體中斷，無損耗的軸對稱的導(dǎo)電桿3，可替換的導(dǎo)電桿4和RVD陽極增強(qiáng)子6上的電介質(zhì)端元件5有電子束的產(chǎn)生，該電子束的電子能量不小于0.2MeV，電流密度不小于106A/cm2(也最好不大于108A/cm2，不大于107A/cm2更好)，持續(xù)時間不大于100ns(最好不大于50ns)；j)從RVD殼體1的真空腔體中移除目標(biāo)物質(zhì)的一部分壓縮至超密狀態(tài)之后獲得的產(chǎn)物，并通過通常使用的技術(shù)研究這些產(chǎn)物。
本實驗的目的是論證嬗變效果作為一種物質(zhì)沖擊壓縮至超密狀態(tài)(與圖5相符的整體的陽極增強(qiáng)子6)的結(jié)果；并且評價放射性的材料鈍化的可能性(參照圖1和圖6，插入目標(biāo)7的中空的陽極增強(qiáng)子6)。如上所述，目標(biāo)7必須插入陽極增強(qiáng)子6，使它們的連接接觸獲得最大聲學(xué)透明度，而且上述兩個元件的工作表面的曲率中心必須實際上一致。
整體的陽極增強(qiáng)子6有著平均的工作端曲率半徑，其范圍通常在0.2至0.5mm內(nèi)。它們特別由化學(xué)的純金屬制成，如銅、鉭和鉛。這樣的陽極增強(qiáng)子6可以在室外保存。根據(jù)一些觀察得知，依照上述目的，表面出現(xiàn)的氧化物保護(hù)膜(特別是銅和鉛)不會妨礙，甚至?xí)鰪?qiáng)它們的使用功能。
插入的目標(biāo)7呈球狀，由可獲得的Co60同位素與Co56和Co58的人工混合物制成。該Co56和Co58的人工混合物由烏蘭克科學(xué)國立研究院核研究所的U-120回旋加速器上的天然鎳的輻射產(chǎn)生。
這種目標(biāo)的使用需要附加的由聚已內(nèi)酰胺(卡普綸)制成的殼體(圖未示)，這些殼體裝在RVD真空腔體內(nèi)。這些殼體包圍了RVD的兩個電極并顯著地降低了放射性的鈷沉淀在殼體1和RVD蓋體2上的危險。
最初的放射能力值和那些使用的鈷同位素的嬗變之后得到的放射能力值由普通的鍺-鋰伽馬射線檢測器控制。
在沖擊物質(zhì)使其壓縮至超密狀態(tài)的操作實驗開始之前進(jìn)行了超過上千次的調(diào)整實驗，調(diào)整實驗的結(jié)果幫助選擇和更確切地限定(考慮到等離子體陰極的部分4、5和陽極增強(qiáng)子6的尺寸，還有負(fù)荷的特殊參數(shù))RVD電極間的間隙寬度，便于提供目標(biāo)的曲率中心的打擊到RVD電子束的焦點空間里。
操作實驗是按系列進(jìn)行的，數(shù)量根據(jù)不同的系列變化，范圍從50(在放射性的鈷的嬗變的時候)到幾百次不等。所有的實驗有一個一貫的編號方式。
在使用的目標(biāo)上的原始數(shù)據(jù)、放電參數(shù)和獲得的結(jié)果都以有序的數(shù)字記錄在日志上。
RVD電極的間隙里的電壓和電流脈沖形狀以及電子束的實際持續(xù)時間由電流電壓示波圖檢查，典型的例子參見圖7。這些和其他一些示波圖證實了電子束的持續(xù)時間不超過100ns。
重要的是應(yīng)該注意到，電子束電流(盡管在RVD等離子體陰極上有一尖的電壓)相比于峰值只是稍微減小了，這證明了等離子體陰極4、5的使用效率。
在對關(guān)于電子束產(chǎn)生過程的控制參數(shù)的調(diào)整實驗結(jié)果的統(tǒng)計處理之后，得出了電極間隙的近似尺寸和焦點空間體積的近似值(見表1)。
表1電極間隙和焦點空間體積對于電子束產(chǎn)生過程的剩余參數(shù)的依賴關(guān)系

在操作實驗中參照RVD電極間的間隙的這些限制可以保證第一、整體的陽極增強(qiáng)子6的工作表面的曲率中心打擊(且在使用目標(biāo)7的情況下，它們的表面的曲率中心也打擊)入共同自聚焦的電子束的焦點空間，以及第二、每一次RVD電源的脈沖放電之后顯示嬗變的效果。
此外，遵循表1所列的參數(shù)，陽極增強(qiáng)子6的工作端的表面上的電流密度有可能確定在106A/cm2至108A/cm2的范圍之內(nèi)。對于沖擊壓縮實驗的大部分來說，該參數(shù)維持在106A/cm2至107A/cm2的范圍之內(nèi)。
所有操作實驗的結(jié)果看上去相當(dāng)一致，即嬗變產(chǎn)物以變化的(包括輕的、重的，甚至超重的鈾后元素)化學(xué)元素的事實上穩(wěn)定的同位素的寬頻譜的形式從原始材料的一部分(按重量平均大約30％)出現(xiàn)；如果適當(dāng)?shù)脑挘@些產(chǎn)物和整體的陽極增強(qiáng)子6(和插入的目標(biāo)7)的未發(fā)生化學(xué)變化的剩余物從沖擊壓縮空間最初朝著與等離子體陰極相反的方向分散開，并以各種形式和尺寸的滴狀集合體沉淀在RVD的真空腔體壁上和/或護(hù)罩8上。
所述產(chǎn)物被收集用于研究。
電子微探針分析儀REMMA-102，特斯拉線圈和Cameca被用作檢測嬗變產(chǎn)物的分散的集合體和確定它們在表面上(特別是在護(hù)罩8上)的位置，目的是為了隨后的元素的和同位素的成分(在某些情況下，為登記這些集合體形狀的)的研究。JEOL設(shè)計的俄歇能譜儀的Jamp 10S模型，由國立基輔舍普琴科大學(xué)(烏克蘭)設(shè)計的飛行時間脈沖激光質(zhì)譜儀，法國CAMECA公司的IMS-4f型離子微探針分析儀和美國FINNIGAN公司的高靈敏度質(zhì)譜儀VG9000都被用來研究所述產(chǎn)物的元素的和同位素的成分。
作為所有關(guān)于整體的陽極增強(qiáng)子6沖擊壓縮至超密狀態(tài)的操作實驗的結(jié)果，在它們最初的成分(實際上在每一個系列中所有的目標(biāo)都只有一種化學(xué)元素)與嬗變產(chǎn)物的元素的和同位素的成分之間觀察到了一個本質(zhì)的差異。
為了確定上述觀察，讓我們來看看圖8至13，其中豎直虛線表明了最初的化學(xué)元素的核子電荷。
應(yīng)該注意的是，在目標(biāo)的最初材料中并不存在但卻出現(xiàn)在嬗變產(chǎn)物中的化學(xué)元素的同位素在圖8、10和12中顯示出來了。
細(xì)圓周線表示在核濃縮過程中的它們的濃度情況，黑色小方塊表示在地殼中的它們的濃度情況。
核電荷和這些同位素重量的百分比很容易通過X、Y軸上的數(shù)據(jù)分別確定。
圖9、11和13用細(xì)三角形線和相鄰的化學(xué)元素符號顯示了某些化學(xué)元素的濃度(重量百分比)與天然豐度比率之間的相對偏差Y，可以由公式得出(A-B)/(A+B)＝Y(jié)其中，A是嬗變產(chǎn)物中某一化學(xué)元素的某一同位素的比率B是地殼中同一化學(xué)元素的同一同位素的比率從圖8、10和12中可以清楚地看出，在初始的銅、鉭和鉛的嬗變過程中出現(xiàn)了多種化學(xué)元素的同位素的寬頻譜，其Z核電荷相對于母體元素的核電荷來說小些或大些。
然而，目標(biāo)材料的核電荷越大，原子質(zhì)量超過250原子量單位的(在一些經(jīng)檢測的情況中，達(dá)到600amu甚至更大)穩(wěn)定的鈾后元素(包括那些未確定的)產(chǎn)生的可能性就越大。
如此質(zhì)量的原子的存在首先是通過離子質(zhì)譜分析方法檢測到的，然后由已經(jīng)熟知的盧瑟福阿爾法和質(zhì)子背散射方法所證實。
此外，圖9、11和13清晰的顯示出嬗變產(chǎn)物中的化學(xué)元素的大部分的濃度，據(jù)可靠的統(tǒng)計，這些濃度超過(3倍多，有些元素超過5至10倍甚至更多)它們在地殼中的通常的濃度(參見Y值在0.5至1.0的范圍內(nèi)，黑色標(biāo)注的區(qū)域)，這顯然證實了核濃縮過程的這些產(chǎn)物的人為因素。
至于元素的和同位素的成分變化，也在放射性的鈷的目標(biāo)的實驗中得出了相似的結(jié)果。然而，在這些情況中，注意力主要集中在減少目標(biāo)分布的產(chǎn)物的放射性，這歸因于鈷的放射性核嬗變成為其他化學(xué)元素的無輻射同位素，目標(biāo)的那些部分都位于焦點空間內(nèi)。
這種減少在不同的樣品中有本質(zhì)的不同，這可以通過陽極增強(qiáng)子中的空腔內(nèi)壁和插入的目標(biāo)7的材料之間在空間接觸的密度上的不同來解釋(參見從日志中得出的數(shù)據(jù)，見表2)表2鈷目標(biāo)分布的產(chǎn)物的放射性減小

因此，比較它們在嬗變結(jié)果中的放射性，在第2497個樣品中，放射性失去了2.2％，而第2397和第2588個樣品中放射性卻失去了45％還要多。
進(jìn)一步的，正如已經(jīng)被確定了的，在核濃縮過程產(chǎn)物中檢測到的每一化學(xué)元素原子的礫巖中，同位素的分布與地殼中的相同的同位素的分別有著本質(zhì)的不同。
這種顯著差異的最明顯的實例是鎳的同位素在天然樣本(圖14)中的通常分布與其在鎳原子的兩個集合體中的分布的不同，該集合體是由銅目標(biāo)(圖15和16)的嬗變產(chǎn)生的。因此，在天然鎳的質(zhì)量中Ni58同位素的含量達(dá)到70％，而銅嬗變產(chǎn)物中的Ni58的比例(Cu63同位素在目標(biāo)中占絕大部分)超過10％。類似地，Ni60同位素的含量大幅下降而Ni62的含量卻急劇增加。
最后，通過本發(fā)明的方法將物質(zhì)沖擊壓縮至超密狀態(tài)的一個明顯的跡象是，從焦點空間排出很大的主體，其形狀形象地證實了使得至少電子核和，甚至核子等離子體在所述空間中短期出現(xiàn)所必備的條件的存在。
因此，圖17中，顯示了在銅護(hù)罩背景下的實際的鐵半球，它包括重量占93％的鐵，還有硅和銅的同位素的混合物。
顯然，這個半球是一個球體的小部分，該球體是由銅陽極增強(qiáng)子6的物質(zhì)部分形成的(申請人日志中編號為4908的樣品)。它有著約為95微米的外部直徑和一個直徑約為35微米的實際上同心的球形腔體。半球的環(huán)形端的主要部分上的凹凸不平可以由原始球體的破裂來解釋。
很容易推定，在編號為4908的樣品中，電子束焦點空間的中心實際上與目標(biāo)曲面的中心重合，在這種情況下，像孤子樣的密度脈動將自身集中在一空間中，該空間在所揭示的產(chǎn)物中表示為一個球形腔體。
工業(yè)應(yīng)用通過沖擊壓縮物質(zhì)的設(shè)備可以通過使用商業(yè)可獲得的元件來制造，而且本發(fā)明方法或許可以成為高效環(huán)保技術(shù)的發(fā)展和實施的基礎(chǔ)首先，穩(wěn)定鈾后元素的合成，這對于擴(kuò)大關(guān)于自然的認(rèn)識非常重要；其次，已知化學(xué)元素的核嬗變，用于它們的穩(wěn)定的同位素的實驗產(chǎn)物并用于含有長期放射性的同位素的放射性材料(包括原子工業(yè)的廢料)的中和作用；以及再次，把自然界廣泛存在的化學(xué)元素和它們的化合物作為燃料使用的ICF。
權(quán)利要求
1.一種使用相對真空二極管沖擊壓縮物質(zhì)的方法，該真空二極管包括一具有導(dǎo)電壁的軸對稱的真空腔體、一軸對稱的等離子體陰極和一軸對稱的陽極增強(qiáng)子，該方法包括產(chǎn)生一個由濃縮物質(zhì)制成的軸對稱形狀的目標(biāo)，起到至少一部分的陽極增強(qiáng)子的作用；將陽極增強(qiáng)子以一間隙對著等離子體陰極放入相對真空二極管腔體中，實際上它們位于同一幾何軸上，并且，通過相對真空二極管以電子束自聚焦方式在陽極增強(qiáng)子表面的電源的脈沖放電，其特征在于軸對稱等離子體陰極以導(dǎo)電桿的形式使用，該導(dǎo)電桿包括一個電介質(zhì)端元件，其背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長，而且發(fā)射表面面積大于陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積，陽極增強(qiáng)子以這樣一個間隙朝著等離子體陰極放置，使得陽極增強(qiáng)子的工作表面的曲率中心位于共同自聚焦的電子束的焦點空間內(nèi)，以及陽極增強(qiáng)子有一電子束作用其上，該電子束有不少于0.2MeV的電子能量，電流密度不小于106A/cm2，持續(xù)時間不大于100ns。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在相對真空二極管中使用的等離子體陰極有一個尖的導(dǎo)電桿，這個陰極的電介質(zhì)端元件配備了一個開口，便于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于開口里。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于目標(biāo)是以插入RVD陽極增強(qiáng)子的中央部分的形狀形成的，所述插入物的直徑在陽極增強(qiáng)子的最大橫截面尺寸(dmax)的0.05至0.2范圍內(nèi)選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于至少陽極增強(qiáng)子的那個朝著等離子體陰極的部分在裝入相對真空二極管之前形成球形。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于目標(biāo)以球體的形狀形成，它緊緊地裝在陽極增強(qiáng)子內(nèi)使得球體的內(nèi)外中心實際上重合在一起。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于陽極增強(qiáng)子有一電子束作用其上，電子束有著能達(dá)到1.5MeV的電子能量，電流密度不大于108A/cm2，持續(xù)時間不超過50ns。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于電子束的電流密度不大于107A/cm2。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于相對真空二極管的真空腔體內(nèi)的剩余壓力維持在不大于0.1Pa的水平上。
9.一種用于沖擊壓縮物質(zhì)的裝置，其基于相對真空二極管并包括一堅固的氣密外殼，其部分由導(dǎo)電材料制成軸對稱形狀來界定一個真空腔體，和一個軸對稱的等離子體陰極以及一個軸對稱的以一間隙裝在真空腔體內(nèi)的陽極增強(qiáng)子，實際上它們位于同一個幾何軸上，至少陰極連接至一脈沖高電壓電源，其特征在于軸對稱等離子體陰極以導(dǎo)電桿的形式使用，該導(dǎo)電桿包括一個電介質(zhì)端元件，其背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長，而且發(fā)射表面面積大于陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積，電介質(zhì)端元件相對真空二極管的至少一個電極配備有調(diào)整電極間的間隙的工具，以及從所述的等離子體陰極和陽極增強(qiáng)子的共同的幾何軸到真空腔體的導(dǎo)電壁的內(nèi)部的距離大于50dmax，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于等離子體陰極的導(dǎo)電桿是尖的，而且這個陰極的電介質(zhì)端元件配備了一個開口，便于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于所述的開口里。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于陽極增強(qiáng)子在橫截面上有一個圓形部分，并且陽極增強(qiáng)子完全是由可被嬗變的主要部分導(dǎo)電的材料產(chǎn)生。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于陽極增強(qiáng)子是合成的，它包括至少一層固體殼體和被這層殼體緊緊包住的插入的目標(biāo)，所述目標(biāo)是一旋轉(zhuǎn)體的形狀并由一直徑范圍在(0.05-0.2)dmax內(nèi)的任意濃縮物質(zhì)制成，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于最好是導(dǎo)電材料的至少一護(hù)罩裝在陽極增強(qiáng)子的尾部。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的護(hù)罩是一個直徑不超過5dmax的薄壁旋狀體，從所述的陽極增強(qiáng)子的等離子體陰極端的最近部分間隔開20dmax的距離，dmax是陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積尺寸。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于所述的薄壁旋狀體在陽極增強(qiáng)子的一側(cè)有一平的或凹的表面。
16.一種用于相對真空二極管的等離子體陰極，有一導(dǎo)電桿，該導(dǎo)電桿用于連接至一脈沖高壓電源，以及一擊一電介質(zhì)端元件，其特征在于電介質(zhì)元件的背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長。
17.如權(quán)利要求16所述的陰極，其特征在于其中的導(dǎo)電桿是尖的，而且這個電介質(zhì)端元件配備了一個開口，便于裝在所述的導(dǎo)電桿上，所述桿體的安裝部和尖端一起都位于所述開口里。
18.如權(quán)利要求17所述的陰極，其特征在于電介質(zhì)端元件有一個封閉的開口。
19.如權(quán)利要求17所述的陰極，其特征在于電介質(zhì)端元件有一個直通的開口。
20.如權(quán)利要求16所述的陰極，其特征在于電介質(zhì)端元件由一種材料制成，這種材料從族中選取，該族包括單個碳-碳鍵(例如，聚乙烯、聚丙烯等等)的碳鏈聚合體，層壓紙制品或具有有機(jī)粘結(jié)劑、烏木、天然或合成的云母、屬于周期表中的第3至7族純金屬氧化物、無機(jī)玻璃、微晶玻璃、陶瓷電介質(zhì)和玄武巖纖維氈制品的層壓膠布板狀復(fù)合材料。
21.如權(quán)利要求16、17或18所述的陰極，其特征在于電介質(zhì)端元件有一個展開的表面。
22.如權(quán)利要求16或17所述的陰極，其特征在于所述電介質(zhì)元件的最小橫截面尺寸是Cde min＝(5-10)Ccr max，所述元件的長度是Ide＝(10-20)Ccr max，Ccr max是導(dǎo)電桿的最大橫截面尺寸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在軸對稱的相對真空二極管(RVD)中沖擊壓縮物質(zhì)的方法，該二極管有一等離子體陰極和一陽極增強(qiáng)子，該方法包括制造一軸對稱的濃縮物質(zhì)的目標(biāo)，其至少作為陽極增強(qiáng)子的一部分；軸向放置所述電極；通過RVD進(jìn)行電源脈沖放電。為了將目標(biāo)物質(zhì)的絕大部分壓縮至超密狀態(tài)，等離子體陰極以導(dǎo)電桿的形式制成，導(dǎo)電桿包括一電介質(zhì)端元件，其背部端的周長以一連續(xù)的間隙、至少在垂直于陰極的對稱軸的平面內(nèi)包圍所述的桿的周長，而且發(fā)射表面面積大于陽極增強(qiáng)子的最大橫截面積；陽極增強(qiáng)子朝著等離子體陰極的方向放置以便于陽極增強(qiáng)子的工作表面的曲率中心位于集中自聚焦電子束的焦點空間內(nèi)；陽極增強(qiáng)子有一電子束作用其上，該電子束有不少于0.2MeV的電子能量，電流密度不小于106A/cm
文檔編號H05H5/02GK1631063SQ03803607
公開日2005年6月22日 申請日期2003年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者斯坦尼斯拉夫·瓦西里耶維奇·阿達(dá)緬科 申請人:質(zhì)子－21有限公司, 斯坦尼斯拉夫·瓦西里耶維奇·阿達(dá)緬科