Способ генерации направленного движения электронов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерации магнитных полей. Технический результат - повышение относительной скорости направленного движения электронов в составе высокоскоростного потока ртутного пара. Способ генерации направленного движения электронов заключается в том, что свободные электроны получают путем термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии с термокатода цилиндрической формы и двигают их радиально во всех направлениях под действием электрического поля на анод, представляющий собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, на оси симметрии которого через изолирующее приспособление располагают термокатод. Между термокатодом и анодом вращают по спиральной траектории скоростной поток ртутного пара, в котором электроны сталкивают с атомами ртути для приобретения электронами временно на пути к аноду направленного движения по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для генерации направленного движения электронов и может быть использовано в электротехнике, научных исследованиях, связанных с получением и применением магнитных полей.

Известно, что направленное движение электронов возникает при наличии их в свободном состоянии в металлах, сверхпроводниках, в газах, в вакууме и т.д. и воздействии на них электрическим полем. Так происходит, например, в металлических проводниках, в электровакуумных приборах, в сварочной дуге и т.д. при приложении разности потенциалов к концам проводников или к электродам [1]. По признакам: наличие свободных электронов, характер их направленного движения, температурные условия протекания процесса их движения - прототипом является способ и устройство направленного движения электронов вдоль металлического проводника, свернутого в спираль - соленоида, под действием электрического поля [3].

Недостатком известного способа и устройства для генерации направленного движения электронов является относительно низкая скорость их направленного движения. Так, например, для медного провода плотность тока, при которой проводник начинает разрушаться, составляет порядка пятидесяти ампер на квадратный миллиметр [4]. Скорость направленного движения электронов рассчитывается по формуле V=j/ne [5],

где j - плотность тока;

n=8.5×10²⁸ м^-3 - количество свободных электронов в одном кубическом метре меди;

е - заряд электрона.

Подставляя эти значения в формулу, получаем V≈10^-2 м/сек.

Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы существенно увеличить относительную скорость направленного движения электронов.

Поставленная задача решается тем, что в способе генерации направленного движения электронов, при котором на свободные электроны в металлическом проводнике, свернутом в спираль, воздействуют электрическим полем, согласно изобретению свободные электроны получают путем термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии с термокатода цилиндрической формы [2], воздействуют на них электрическим полем и направляют их радиально во всех направлениях на анод, представляющий собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, вдоль оси симметрии которого располагают изолированный от него термокатод и между ним и анодом вращают по спиральной траектории скоростной поток ртутного пара, в котором электроны сталкивают с атомами ртути для приобретения электронами временно на пути к аноду направленного движения по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара. В способе согласно изобретению электрическое поле создают путем приложения ускоряющей разности потенциалов к термокатоду и аноду, величину которой с учетом контактной разности потенциалов между термокатодом и анодом определяют исходя из условия U₁<U_ускU₂,

где U_уск - ускоряющая разность потенциалов между термокатодом и анодом;

U₁ - первый резонансный потенциал атома ртути;

U₂ - второй резонансный потенциал атома ртути.

Технический результат достигается также тем, что устройство для генерации направленного движения электронов, содержащее свернутый в спираль металлический проводник с свободными электронами, источник электропитания для создания в проводнике электрического поля, согласно изобретению содержит термокатод цилиндрической формы для получения свободных электронов, источник электропитания, подключенный к термокатоду и аноду, для создания электрического поля, двигающего электроны радиально во всех направлениях от термокатода к аноду, представляющему собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, вдоль оси симметрии которого через изолирующее приспособление расположен термокатод. На одном конце сосуда установлен выходной патрубок для выхода ртутного пара, на другом - улитка [6] с входным соплом для плавного спирального ввода в сосуд скоростного потока ртутного пара, в котором электроны сталкиваются с атомами ртути для приобретения электронами временно на пути к аноду направленного движения по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара. В устройстве согласно изобретению электрическое поле создается путем приложения к термокатоду и аноду ускоряющей разности потенциалов, равной выходному напряжению источника электропитания, величина которой с учетом контактной разности потенциалов между термокатодом и анодом определяется исходя из условия U₁<U_уск<U₂,

где U_уск - ускоряющая разность потенциалов между термокатодом и анодом;

U₂ - первый резонансный потенциал атома ртути;

U₂ - второй резонансный потенциал атома ртути.

Сущность предлагаемого способа и устройства для генерации направленного движения электронов поясняется на фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 представлен общий схематический вид устройства, на фиг. 2 схематично представлены вероятные процессы, происходящие при столкновениях электронов с атомами ртути в вихревом потоке ртутного пара, в результате которых решается поставленная задача предлагаемого изобретения.

На фиг. 1 источник электропитания 1 с выходным напряжением, равным ускоряющей разности потенциалов, подключен к термокатоду 2 цилиндрической формы и аноду 3, представляющему собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, для создания электрического поля, под действием которого свободные электроны с термокатода двигаются радиально во всех направлениях на анод. Термокатод расположен вдоль оси симметрии анода через изолирующее приспособление 4. На одном конце сосуда установлен выходной патрубок 6 для выхода ртутного пара, на другом - улитка 5 с входным соплом для плавного спирального ввода в сосуд высокоскоростного потока ртутного пара.

Способ реализуется, а устройство работает следующим образом. Ртутный пар, например, от парогенератора, под давлением подается в входное сопло улитки 5 вакуумного металлического сосуда цилиндрической формы - анода 3, где расширяется и с относительно большой скоростью, например, более 100 м/с [7], поступает в сосуд, где вращается по спиральной траектории между анодом и термокатодом 2 цилиндрической формы, расположенным вдоль оси симметрии анода через изолирующее приспособление 4, и двигается к выходному патрубку 6. Источник электропитания 1 подключается к термокатоду и аноду. Под действием центробежной силы вращающийся поток отбрасывается к внутренней стенке анода, образуя свободное пространство между поверхностью термокатода и потоком пара, в котором термоэмиссионные электроны 7 с предварительно подогретого термокатода, двигаясь радиально во всех направлениях на анод под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для возбуждения атомов ртути 8. Величина ускоряющей разности потенциалов, равная выходному напряжению источника электропитания, определяется с учетом контактной разности потенциалов между термокатодом и анодом исходя из условия: U₁<U_уск<U₂. Резонансные потенциалы U₁ и U₂ атома ртути рассчитываются по формуле: eU_1,2=hc/L_1,2[10],

где е - заряд электрона;

U_1,2 - резонансные потенциалы атома ртути;

h - постоянная Планка;

с - скорость света;

L_1,2 - длины волн резонансной ультрафиолетовой линии.

L₁=253,7 нм - длина волны первой резонансной ультрафиолетовой линии атома ртути;

L₂=184,9 нм - длина волны второй резонансной ультрафиолетовой линии атома ртути.

Подставляя известные постоянные в формулу, получаем:

U₁=4,887 В - первый резонансный потенциал атома ртути;

U₂=6,705 В - второй резонансный потенциал атома ртути.

Процессы, происходящие при столкновениях электронов с атомами ртути, исследовали в начале прошлого века Д. Франк и Г. Герц и в серии экспериментов подтвердили постулаты Н. Бора о дискретности характера передачи энергии атомным электронам и о правилах частот [8].

Столкновения электронов с атомами ртути могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях, когда кинетической энергии электронов недостаточно для возбуждения атомов ртути, меняется только направление движения электронов. Неупругие столкновения первого рода возникают при взаимодействии невозбужденных атомов ртути с электронами, кинетическая энергия которых соответствует нижним возбужденным состояниям атомов ртути.

Из упрощенной схемы энергетических уровней атомов ртути видно, что нижнее возбужденное состояние является триплетным. Правилами отбора по изменению полного момента оптические переходы в основное состояние разрешены между термами одинаковой мультиплексности, поэтому переходы с уровней 6³Р₀ и 6³Р₂ запрещены. Но сильное спин-орбитальное взаимодействие снимает этот запрет и излучательное время терма 6³Р₁ всего 1,18×10^-7 сек. Переходы с этого уровня в основной дают интенсивную спектральную ультрафиолетовую линию с длиной волны L=253,7 нм. Именно при этих энергиях существует высокая вероятность временного захвата электрона атомом ртути («резонанса») с образованием атомарного отрицательного иона 9. Если ширина этого резонанса порядка 20 мэВ, то время жизни иона не более 10^-13 сек. После этого происходит автоотрыв электрона 11 и атом ртути 10 за время приблизительно 10^-8 сек переходит в основное состояние, излучая квант с энергией перехода, либо в возбужденное [9]. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны L=253,7 нм сильно поглощают пары ртути, что еще в начале девятнадцатого века наблюдал Р. Вуд в своих опытах по возбуждению свечения в газах, а затем переизлучают его во все стороны (резонансная люминесценция) при переходе их в основное состояние [11], в том числе и на темокатод, «выбивая» с него фотоэмиссионные электроны 12. Так как масса атома ртути в 400 тысяч раз больше массы электрона, то средняя скорость и направление движения атомарного отрицательного иона (и электрона в его составе) совпадают с этими параметрами движения потока ртутного пара. После автоотрыва электрон до очередного столкновения с атомом ртути имеет две составляющие скорости - потока ртутного пара и радиальной в электрическом поле. Вследствие резонансной люминесценции повышается вероятность неупругих столкновений второго рода, при которых возбужденный атом ртути передает энергию низкоэнергетическим электронам, поэтому повышается вероятность неупругих столкновений первого рода. Также следует заметить, что из-за многочисленных столкновений электронов с атомами ртути увеличивается время их движения к аноду, осевая составляющая скорости потока значительно меньше тангенциальной. Все это ведет к повышению концентрации электронов в потоке ртутного пара. Таким образом электроны, двигающиеся под действием электрического поля сталкиваются с атомами ртути в скоростном потоке ртутного пара и временно на пути к аноду приобретают направленное движение по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара.

Литература

[1] Прохоров A.M. (ред.), Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 5, с. 515.

[2] Там же, с. 555.

[3] Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984, с. 698.

[4] Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1988, с. 154.

[5] Там же, с. 123.

[6] Мартынов А.В. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976, с. 152.

[7] Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Теоретическая физика. Изд-во: Физматлит. 2001, Т. 6, с. 501.

[8] Дубов Д.Ю. Возбуждение и ионизация атомов электронами (опыт Франка-Герца): Методические указания к лабораторной работе. - Новосибирск: НГУ, 2005, с. 10, 11.

[9] Там же, с. 12,13.

[10] Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная физика. Т. 5, ч. 1, М.: Наука, 1986, с. 86.

[11] Там же, с. 87.

1. Способ генерации направленного движения электронов, при котором на свободные электроны в металлическом проводнике, свернутом в спираль, воздействуют электрическим полем, отличающийся тем, что свободные электроны получают путем термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии с термокатода цилиндрической формы, воздействуют на них электрическим полем и двигают радиально во всех направлениях на анод, представляющий собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, вдоль оси симметрии которого располагают изолированный от него термокатод, и между ним и анодом вращают по спиральной траектории скоростной поток ртутного пара, атомы которого сталкивают с электронами для приобретения ими временно на пути к аноду направленного движения по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрическое поле создают путем приложения ускоряющей разности потенциалов к термокатоду и аноду, величину которой с учетом контактной разности потенциалов между термокатодом и анодом, определяют исходя из условия: U₁<U_уск<U₂,
где U_уск - ускоряющая разность потенциалов между термокатодом и анодом;
U₁ - первый резонансный потенциал атома ртути;
U₂ - второй резонансный потенциал атома ртути.

3. Устройство для генерации направленного движения электронов, содержащее свернутый в спираль металлический проводник с свободными электронами, источник электропитания для создания в проводнике электрического поля, отличающееся тем, что содержит термокатод цилиндрической формы для получения свободных электронов, источник электропитания, подключенный к термокатоду и аноду для создания электрического поля, двигающего электроны радиально во всех направлениях от термокатода к аноду, представляющему собой вакуумный металлический сосуд цилиндрической формы, вдоль оси симметрии которого через изолирующее приспособление расположен термокатод, на одном конце сосуда установлен выходной патрубок для выхода ртутного пара, на другом - улитка с входным соплом для плавного спирального ввода скоростного потока ртутного пара, с атомами которого сталкиваются электроны для приобретения ими временно на пути к аноду направленного движения по спиральной траектории вместе с потоком ртутного пара.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что электрическое поле создается путем приложения к термокатоду и аноду ускоряющей разности потенциалов, равной выходному напряжению источника электропитания, величина которой с учетом контактной разности потенциалов между термокатодом и анодом определяется исходя из условия
U₁<U_уск<U₂,
где U_уск - ускоряющая разность потенциалов между темокатодом и анодом;
U₁ - первый резонансный потенциал атома ртути;
U₂ - второй резонансный потенциал атома ртути.