|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Способ изменения аллотропных форм веществ, заключающийся в сжатии как минимум одного образца вещества, инициированного по меньшей мере одним из следующих методов: внедрением в упомянутый образец вещества по меньшей мере одного тела, внедрением упомянутого образца вещества по меньшей мере в одно тело, взаимным внедрением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела, соударением упомянутого образца вещества по меньшей мере с одним телом, взаимным соударением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела; при которых внутри упомянутого образца вещества достигают давления и температуры, как минимум, достаточные для реализации в упомянутом образце вещества фазового перехода аллотропной формы последнего, отличающийся тем, что для реализации упомянутых методов сжатия скорость поступательного движения по меньшей мере одному из упомянутых тел или образцов вещества сообщают посредством рельсового электромагнитного ускорителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый образец вещества изолирован от упомянутых тел, например, при помощи деформируемой капсулы сохранения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел выполняют, хотя бы частично, из вещества, идентичного упомянутому образцу вещества. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества подвергают принудительному охлаждению. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества выполняют застревающими в теле или образце вещества, в которые внедряются или с которыми соударяются. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внедрение или соударение тел выполняют в условиях вакуума. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что соударение тел выполняют в среде газа выбираемого химического состава. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомянутого первого, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомянутого первого, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел. 14. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела выполняют предпочтительно одинаковой массы. 15. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам предпочтительно сообщают равные скорости поступательного движения. 16. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам сообщают импульсы ускорения, обеспечивающие предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел. 17. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела предпочтительно ускоряют навстречу друг другу вдоль одной оси, на которой между ними расположено упомянутое первое тело. 18. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что рельсовые электромагнитные ускорители упомянутых второго и третьего тел предпочтительно подключают к источнику электропитания последовательным электрическим соединением. 19. Электромагнитная инерционная система, осуществляющая способ по п.1, содержащая по меньшей мере хотя бы один рельсовый электромагнитный ускоритель, хотя бы одну мишень, хотя бы одно ускоряемое тело и хотя бы один образец вещества, расположенный по траектории движения упомянутого ускоряемого тела между последним и упомянутой мишенью, инициирующая динамическое сжатие и нагрев упомянутого образца вещества внедрением упомянутого ускоряемого тела в упомянутую мишень, отличающаяся тем, что выбранные величины силы сжатия и температуры нагрева упомянутого образца вещества получают сообщением выбранной скорости поступательного движения упомянутого ускоряемого тела, в рельсовом электромагнитном ускорителе. 20. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства принудительного охлаждения как минимум одного из следующих элементов: ускоряемого тела, мишени, образца вещества. 21. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит четное число ускорителей и встречно ускоряемых тел, как минимум два, расположенных парами вдоль как минимум одной собственной оси, на которой между ними расположена упомянутая мишень. 22. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания магнитного потока, пронизывающего образец вещества, с силовыми магнитными линиями расположенными параллельно направлению развиваемых сил сжатия, выполненные, например, в виде как минимум одного из следующих элементов: соленоида, постоянного магнита. 23. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания вакуума в зоне сжатия образца вещества и ускорения тел, выполненные, например, в виде вакуумного насоса, откачивающего газообразную среду из зоны сжатия упомянутого образца вещества и ускорения тел. 24. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания атмосферы газа, выбираемого химического состава в зоне сжатия образца вещества, выполненные, например, в виде баллонов с газом, вентилей и трубопроводов, подающих упомянутый газ в зону сжатия упомянутого образца вещества.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Способ изменения аллотропных форм веществ, заключающийся в сжатии как минимум одного образца вещества, инициированного по меньшей мере одним из следующих методов: внедрением в упомянутый образец вещества по меньшей мере одного тела, внедрением упомянутого образца вещества по меньшей мере в одно тело, взаимным внедрением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела, соударением упомянутого образца вещества по меньшей мере с одним телом, взаимным соударением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела; при которых внутри упомянутого образца вещества достигают давления и температуры, как минимум, достаточные для реализации в упомянутом образце вещества фазового перехода аллотропной формы последнего, отличающийся тем, что для реализации упомянутых методов сжатия скорость поступательного движения по меньшей мере одному из упомянутых тел или образцов вещества сообщают посредством рельсового электромагнитного ускорителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый образец вещества изолирован от упомянутых тел, например, при помощи деформируемой капсулы сохранения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел выполняют, хотя бы частично, из вещества, идентичного упомянутому образцу вещества. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества подвергают принудительному охлаждению. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества выполняют застревающими в теле или образце вещества, в которые внедряются или с которыми соударяются. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внедрение или соударение тел выполняют в условиях вакуума. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что соударение тел выполняют в среде газа выбираемого химического состава. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомянутого первого, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомянутого первого, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел. 14. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела выполняют предпочтительно одинаковой массы. 15. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам предпочтительно сообщают равные скорости поступательного движения. 16. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам сообщают импульсы ускорения, обеспечивающие предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел. 17. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела предпочтительно ускоряют навстречу друг другу вдоль одной оси, на которой между ними расположено упомянутое первое тело. 18. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что рельсовые электромагнитные ускорители упомянутых второго и третьего тел предпочтительно подключают к источнику электропитания последовательным электрическим соединением. 19. Электромагнитная инерционная система, осуществляющая способ по п.1, содержащая по меньшей мере хотя бы один рельсовый электромагнитный ускоритель, хотя бы одну мишень, хотя бы одно ускоряемое тело и хотя бы один образец вещества, расположенный по траектории движения упомянутого ускоряемого тела между последним и упомянутой мишенью, инициирующая динамическое сжатие и нагрев упомянутого образца вещества внедрением упомянутого ускоряемого тела в упомянутую мишень, отличающаяся тем, что выбранные величины силы сжатия и температуры нагрева упомянутого образца вещества получают сообщением выбранной скорости поступательного движения упомянутого ускоряемого тела, в рельсовом электромагнитном ускорителе. 20. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства принудительного охлаждения как минимум одного из следующих элементов: ускоряемого тела, мишени, образца вещества. 21. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит четное число ускорителей и встречно ускоряемых тел, как минимум два, расположенных парами вдоль как минимум одной собственной оси, на которой между ними расположена упомянутая мишень. 22. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания магнитного потока, пронизывающего образец вещества, с силовыми магнитными линиями расположенными параллельно направлению развиваемых сил сжатия, выполненные, например, в виде как минимум одного из следующих элементов: соленоида, постоянного магнита. 23. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания вакуума в зоне сжатия образца вещества и ускорения тел, выполненные, например, в виде вакуумного насоса, откачивающего газообразную среду из зоны сжатия упомянутого образца вещества и ускорения тел. 24. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания атмосферы газа, выбираемого химического состава в зоне сжатия образца вещества, выполненные, например, в виде баллонов с газом, вентилей и трубопроводов, подающих упомянутый газ в зону сжатия упомянутого образца вещества.
Евразийское 023854 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2016.07.29
(21) Номер заявки 201100890
(22) Дата подачи заявки 2011.04.29
(51) Int. Cl.
B01J3/08 (2006.01) C01B 31/06 (2006.01)
(54) СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ АЛЛОТРОПНЫХ ФОРМ ВЕЩЕСТВ ИНЕРЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНЕРЦИОННАЯ СИСТЕМА
(43) 2012.11.30
(96) 2011/EA/0022 (BY) 2011.04.29 (71)(73) Заявитель и патентовладелец:
ЗАРЕЦКИЙ АЛЕКСАНДР
КОНСТАНТИНОВИЧ (BY) (56) JP-A-06272044
Л.Ф. Верещагин. Синтетические алмазы и гидроэкструзия. Москва, Издательство "Наука", 1982, с. 7-9, рис. 1
RU-C2-2333300
RU-C1-2052378
(57) Способ изменения аллотропных форм веществ, заключающийся в динамическом воздействии на расположенный между по меньшей мере двумя телами 4 и 6 образец исходного вещества 7 нагревом и давлением, получаемыми от сжатия упомянутого образца исходного вещества 7, инициируемого соударением упомянутых тел 4, 6, параметры массы и скорости соударения которых выбирают, исходя из величин сил сжатия и температур нагрева упомянутого образца исходного вещества 7, необходимых для создания условий получения в последнем необходимых температур и давлений, достаточных для реализации фазовых переходов аллотропных форм веществ, отличающийся I тем, что по меньшей мере одному из упомянутых тел 4 сообщается механический импульс поступательного движения в пространстве посредством рельсового электромагнитного ускорителя 5. Электромагнитная инерционная система, содержащая по меньшей мере хотя бы один рельсовый электромагнитный ускоритель 5, хотя бы одну мишень 6, хотя бы одно ускоряемое тело 4 и хотя бы один исходный образец 7, расположенный между упомянутым ускоряемым телом 4 и упомянутой мишенью 6, реализующая динамическое сжатие и нагрев исходного образца 7 посредством внедрения ускоряемого тела 4 в мишень 6, отличающаяся тем, что выбранные значения параметров сжатия и нагрева исходного образца 7 достигаются сообщением выбранной скорости поступательного движения ускоряемого тела 4 посредством ускорения последнего в рельсовом электромагнитном ускорителе 5.
Заявляемые способ изменения аллотропных форм веществ инерционным воздействием и электромагнитная инерционная система преимущественно относятся к способам и устройствам для изменения аллотропных форм кристаллических решеток различных веществ (в частности, элементарного углерода) методом ударного воздействия, в частности, к установкам для получения монокристаллов алмаза и лон-сдейлита.
Для углерода явления изменения аллотропных форм его кристаллических решеток под воздействием высоких температур и давлений в настоящее время хорошо изучены и созданы различные технологии получения из различных твердых, жидких и газообразных углеродсодержащих веществ синтетических монокристаллов и поликристаллических порошков различных фракций алмаза и лонсдейлита.
В частности, известны способы синтеза монокристаллов алмаза способом пресспеканий образцов графитсодержащих материалов под воздействием высоких температур (порядка 1300°С) и сверхвысоких давлений (порядка 200 кбар) в течение длительного времени (более 200 ч).
Разработки Института сверхтвердых материалов АН УССР:
патент SU 999439 А1, 2724713/26 от 27.05.1995 г.;
патент SU 1120630 А1, 3430737/26 от 19.06.1995 г.;
патент SU 1570223 А1, 4450404/26 от 25.07.1995 г.;
патент SU 1655080 А1, 19950910 от 10.09.1995 г.
Эти технологии предполагают помещение образцов углерода аллотропной формы - графит с "затравками" из микрокристаллов алмаза в условия метастабильности углерод-алмаз (температуры порядка 1300°С и давление порядка 200 кбар). При длительном воздействии этих условий на "затравках" (микрокристаллах алмаза) наблюдается переход аллотропной формы углерода из графита в алмаз и, как следствие, наблюдается рост кристаллов алмаза.
Известен способ синтеза поликристаллических порошков алмаза мелких фракций импульсным воздействием на образец графита давлением и высокой температурой от ударной волны взрывчатого вещества (далее по тексту - ВВ).
Разработка РФЯЦ "Всероссийский НИИ экспериментальной физики".
Патент RU 02122050 С1, 19981120 от 20.11.1998 г.
Эта технология предполагает использование энергии ВВ для создания условий перехода аллотропной формы углерода из графита в алмаз. При этом достигались следующий условия - давление до 40 ГПа и температуры порядка 1500 К. Эти условия также соответствуют фазе метастабильности углерод-алмаз. В этом способе углеродно-алюминиевая смесь в герметичных ампулах сохранения подвергалась сжатию от воздействия ударной волны заряда ВВ. При таком воздействии до 80% углерода формы графит переходила в алмазоподобную форму в виде микрокристаллов алмаза (размером до 20 мкм).
Известен также способ обжатия герметичных ампул с медно-графитовыми смесями с помощью сверхбольших зарядов ВВ (3-5 т). При таком воздействии также создаются условия метастабильности аллотропной формы углерода графит - алмаз (давление 35 ГПа и температура 1500 К). При таком способе достигается до 80% выхода алмазоподобных форм в виде микрокристаллов алмаза (порядка 20 мкм).
Последний описанный способ оказался нецелесообразен в силу технологической сложности и дороговизны конечного продукта из-за использования больших зарядов ВВ, а также низкого качества получаемого продукта.
Известен способ сжатия углерода методом динамического внедрения снаряда с графитной массой на конце в мишень.
Патент RU 02052378 С1, 19960120 от 20.01.1996 г.
Эта технология предполагает динамическое внедрение снаряда с графитной массой на конце в мишень. Динамическое внедрение обеспечивается выстреливанием из артиллерийского орудия с помощью энергии воспламеняемого заряда или ВВ. При соударении снаряда с неподвижной мишенью, по предположениям авторов, графитная масса на конце снаряда преобразуется в алмазоподобную форму. Однако для создания условий метастабильности графит - алмаз необходимы гигантские заряды ВВ. На сегодняшний день современный уровень техники не располагает ствольными системами подобной мощности и сообщаемой кинетической энергии, поэтому этот способ является неработоспособным. Однако этот способ обладает наибольшим сходством с заявляемым способом изменения аллотропных форм веществ инерционным воздействием и поэтому может быть выбран за прототип.
Анализ открытой патентной документации и информации по данному вопросу показал, что в настоящее время основной трудностью преобразования аллотропных форм веществ под действием сверхбольших давлений и температур, в частности, преобразование аллотропной формы элементарного углерода из графита в алмаз является невозможность создания сверхбольших давлений.
Современный уровень развития техники позволяет получать с помощью различных гидравлических и механических приспособлений максимальные статические давления на уровне 5-7 ГПа. Максимальные динамические давления, инициируемые, например, с помощью сверхбольших зарядов ВВ или сверхбольших взрывных электрических токов получены на уровне 70 ГПа. Эти показатели, в соответствии с диаграммой аллотропных форм элементарного углерода, соответствуют метастабильным значениям углерод - алмаз. При создании таких внешних условий наблюдается только очень медленный рост кристал
лов алмаза и лонсдейлита в среде углеродсодержащего материала. Для мгновенного перехода графита в алмаз необходимо создать давления не менее 100-200 ГПа.
При современном уровне развития техники, в силу малой прочности известных конструкционных материалов, не представляется возможным с помощью каких-либо механических приспособлений создать статические давления более 100-200 ГПа в течение сколько-нибудь продолжительного времени.
Заявляемый способ изменения аллотропных форм веществ инерционным воздействием и электромагнитная инерционная система позволяют создать динамические давления практически любого порядка вплоть до нескольких тысяч ГПа без воздействия механических, гидравлических и прочих приспособлений, а также возгораемого заряда или ВВ. Заявляемый способ основан на свойстве инерционности материи. В создании динамических давлений участвуют только массы самих веществ, участвующих в синтезе.
Заявляемый способ с успехом может применяться для изменения аллотропных форм различных веществ, в частности, углерода. Способ может применяться также в условиях вакуума. С помощью заявляемого способа, в частности из графита, можно в промышленных масштабах получать высококачественные монокристаллы и поликристаллические порошки различных фракции алмаза, лонсдейлита, а также смешанные карбино-алмазные гибриды для нужд оптической, химической, металлургической, горнодобывающей, радиоэлектронной, медицинской, ювелирной и других отраслей. Также можно в промышленных масштабах и с низкими затратами получать высококачественное сырье для производства режущих и абразивных материалов. Используя данный способ можно в научно-исследовательских целях экспериментально проверить существование предполагаемых гипотетических сверхплотноупакованных аллотропных форм веществ, в частности для элементарного углерода: "металлический углерод" и "супералмаз". На основе заявленного способа можно проводить исследования поведения других веществ в условиях сверхвысоких давлений и температур (например, нитрида бора или элементарного азота).
Заявленный способ изменения аллотропных форм веществ заключается в сжатии как минимум одного образца вещества, инициированного по меньшей мере одним из следующих методов: внедрением в упомянутый образец вещества по меньшей мере одного тела, внедрением упомянутого образца вещества в по меньшей мере одно тело, взаимным внедрением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела, соударением упомянутого образца вещества по меньшей мере с одним телом, взаимным соударением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела; при которых внутри упомянутого образца вещества достигают давления и температуры, как минимум, достаточные для реализации в упомянутом образце вещества фазового перехода аллотропной формы последнего, отличающийся тем, что для реализации упомянутых методов сжатия, скорость поступательного движения по меньшей мере одному из упомянутых тел или образцов вещества сообщают посредством рельсового электромагнитного ускорителя.
Одно из тел (далее по тексту лайнеров) может быть выполнено в виде неподвижной мишени, а другое с высокой скоростью внедряется в последнюю или соударяется с ней. В результате происходит сжатие двух лайнеров.
Также два лайнера могут быть ускорены навстречу друг другу и при соударении со сверхвысокими скоростями, за счет развиваемых сил инерции, сжимаются или внедряются друг в друга.
Также два встречно двигающихся лайнера могут соударяться с противоположных сторон с неподвижной мишенью или внедряться в нее.
В общем случае заявленный способ предпочтительно подразумевает множество парных одинаковых лайнеров, двигающихся с одинаковыми кинетическими энергиями с противоположных сторон в разных направлениях (осях), которые одновременно внедряются друг в друга или в неподвижную мишень.
Парные, одинаковые по весу и сообщенным кинетическим энергиям, встречно двигающиеся лайнеры использовать в заявленном способе предпочтительно, так как способ подразумевает сообщение лайнерам весьма больших кинетических энергий (порядка от единиц до сотен МДж), преимущественно в виде сообщаемых лайнерам очень высоких линейных скоростей поступательного движения (порядка от единиц до сотен км/с). При соударении таких парных одинаковых лайнеров, за счет сил инерции лайнеры внедряются друг в друга, механический импульс лайнеров взаимно компенсируется, в результате, полученный конечный продукт остается на месте (суммарная скорость массы после соударения равна нулю).
При внедрении лайнера в неподвижную мишень при таких сверхбольших скоростях и кинетических энергиях практически невозможно обеспечить прочность конструкции всей системы, и полученный конечный продукт после соударения или внедрения имеет не скомпенсированный механический импульс, разрушающий как мишень, так и полученный конечный продукт. Для остановки полученного конечного продукта в пространстве, в этом случае, необходимо приложить к нему дополнительные средства механического воздействия, при этом очень трудно обеспечить целостность полученного конечного продукта.
При соударении или внедрении встречно двигающихся со сверхвысокими скоростями лайнеров, за счет сил инерции, молекулы (атомы) вещества не успевают изменить свое направление поступательного движения. В месте контакта, за счет сил инерции, развиваются сверхвысокие давления, изменяются
межмолекулярные расстояния в кристаллических решетках исходного образца и молекулы (атомы) веществ двух лайнеров внедряются в кристаллические решетки друг друга. При определенных механических параметрах системы практически вся кинетическая энергия встречно двигающихся лайнеров преобразуется в нагрев и изменение кристаллической аллотропной структуры полученного конечного продукта. В результате соударения лайнеров за счет динамического сжатия и нагрева исходного образца получается конечный продукт новой аллотропной формы.
Основное отличие заявляемого способа от уже известных, это то, что энергия, необходимая для осуществления сжатия исходного образца сообщается в виде кинетической энергии скорости поступательного движения как минимум одного лайнера при помощи рельсового электромагнитного ускорителя.
Использование "рельсотрона" для ускорения лайнеров, участвующих в процессе динамического сжатия исходного образца за счет плавного разгона лайнеров, позволяет получить практически неограниченные скорости поступательного движения лайнеров (теоретически вплоть до скоростей света) и, как следствие, за счет развиваемых сил инерции, при соударении этих лайнеров получить практически неограниченные механические силы сжатия исходных образцов только за счет масс самих лайнеров, участвующих в таком взаимодействии.
Уже сейчас в опытных настольных лабораторных установках - рельсотронах получены линейные скорости движения макротел на выходе рельсотрона на уровне 10-20 км/с, и это при движении в воздушной среде при атмосферном давлении. Значения линейных скоростей порядка 15-20 км/с при движении в воздушной среде в силу резко возрастающего сопротивления воздуха являются практически на уровне предельных. Но даже и эти скорости уже на порядок выше, чем максимальные скорости лайнеров, полученные в традиционных ствольных системах с использованием возгораемого заряда или в системах с использованием сверхбольших зарядов ВВ.
При разгоне лайнеров в рельсотронах в условиях вакуума можно получать линейные скорости на несколько порядков выше, чем в воздушной среде, и, тем самым, достигать, при соударениях лайнеров, динамические давления, недостижимые никакими, на сегодняшний день известными, техническими способами. Причем, за счет развиваемых при соударении лайнеров сил инерции, сбалансированную систему ударяющихся друг в друга тел можно никак не изолировать. За счет взаимной компенсации механических импульсов кинетическая энергия будет полностью расходоваться на преобразование внутренней структуры вещества. Кроме того, на сегодняшний день неизвестно никаких технических средств компенсации подобных сверхвысоких линейных скоростей и кинетических энергий без разрушения конечного продукта.
Использование рельсотронов для ускорения лайнеров в заявленном способе позволяет выполнять внедрение или соударение лайнеров как в вакууме, так и в среде газа выбираемого химического состава, например газа, инертного по отношению к синтезируемому веществу, или газа содержащего вещества, которые необходимо в микродозах включать в структуру синтезированного конечного продукта (например, элементарный бор в микро количествах окрашивает монокристаллы углерода (алмазы) в голубой и синий цвета и придает им полупроводниковые свойства).
Лайнеры в данном способе можно частично или полностью выполнять из исходного вещества. При их соударении или внедрении за счет взаимного сжатия происходит синтез новых аллотропных форм вещества, из которых состояли лайнеры.
Образцы исходного вещества в данном способе также можно заключать в герметичные деформируемые капсулы сохранения, которые изолируют исходное вещество от окружающей среды и от соударяющихся тел, передают сжимающие усилия, отводят лишнее тепло и обеспечивают остаточные давления, предотвращающие обратные процессы распада синтезированных аллотропных форм под действием избыточной температуры.
Также можно реализовывать данный способ в конструкциях, обеспечивающих застревание лайнеров в телах, в которые они внедряются или с которыми соударяются. Застревание лайнеров позволяет создавать остаточные давления в зоне синтеза и исключать обратные процессы распада синтезированных аллотропных форм вещества.
Для реализации настоящего способа в расчете параметров соударения или внедрения тел следует помимо выбора массы и скорости поступательного движения тел осуществлять выбор и других параметров, в частности, таких как геометрические размеры и форма соударяющихся или внедряющихся тел, используемые материалы и вещества для изготовления тел, фазовые состояния тел и веществ, участвующих во внедрении или соударении, угловые скорости и направления движения лайнеров при соударении или внедрении, начальные температуры тел, теплопроводности и теплоемкости тел и веществ, участвующих во внедрении или соударении, параметры систем принудительного криогенного охлаждения продуктов синтеза, конструктивные особенности прочностные характеристики, материал изготовления и фазовое состояние системы тел, ограничивающих и изолирующих зону соударения, химический состав и давление окружающей среды, а также другие параметры, непосредственно влияющие на механические и тепловые процессы в зоне синтеза.
На фиг. 1 представлена упрощенная диаграмма основных фазовых состояний и аллотропных твердых форм элементарного углерода.
На фиг. 2 схематично показан один из вариантов заявленного способа. В этом варианте изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет динамического внедрения ускоренного в рельсовом электромагнитном ускорителе лайнера в неподвижную мишень.
На фиг. 3 схематично показан второй вариант заявленного способа. В этом варианте изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет динамического внедрения друг в друга двух встречно направленных лайнеров, обладающих равным количеством кинетической энергии, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях.
На фиг. 4 схематично показан третий вариант заявленного способа. В этом варианте изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет одновременного динамического внедрения в неподвижную мишень с двух сторон двух встречно направленных лайнеров, обладающих равным количеством кинетической энергии, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях.
На фиг. 5 схематично показан четвертый вариант заявленного способа. В этом варианте изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет одновременного динамического внедрения друг в друга с нескольких сторон (в данном случае, по трем направлениям) пар, встречно направленных лайнеров, обладающих равным количеством кинетической энергии, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях.
На фиг. 6 схематично показан пятый вариант заявленного способа. В этом варианте изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет одновременного динамического внедрения в неподвижную мишень с нескольких сторон (в данном случае, по трем направлениям) пар встречно направленных лайнеров, обладающих равным количеством кинетической энергии, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях.
На фиг. 7 схематично показан вариант простейшей электромагнитной инерционной системы, состоящей из двух рельсовых электромагнитных ускорителей с расположенной между ними неподвижной мишенью, заключенных в герметичный корпус. В данном варианте электромагнитной инерционной системы изменение аллотропной формы конечного продукта получается за счет одновременного динамического внедрения в неподвижную мишень с двух сторон двух встречно направленных лайнеров, обладающих равным количеством кинетической энергии, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях в условиях вакуума.
В качестве примера приведен расчет физических параметров системы, показанной на фиг. 7.
Как показано на фиг. 1, элементарный углерод имеет три основных фазовых состояния: твердое, жидкое и газообразное. Твердое состояние элементарного углерода имеет множество аллотропных форм кристаллических решеток. Наиболее хорошо изученные аллотропные формы твердого состояния углерода - это графит и алмаз. Предположительно существует металлическая твердая аллотропная форма элементарного углерода и сверхплотноупакованная алмазоподобная твердая аллотропная форма углерода "супералмаз", но современный уровень техники не позволяет создать условия для постановки эксперимента по ее получению.
Существование углерода в виде аллотропной формы - "Графит" возможно, как показано на диаграмме фиг. 1, в области, ограниченной точками C, D, G, Q, H.
Существование углерода в виде аллотропной формы "Алмаз" возможно в области, ограниченной точками A, B, D, H.
Правее линии HD алмаз переходит в графит (алмаз распадается).
Выше линии CD алмаз мгновенно синтезируется из любой твердой аллотропной формы углерода.
Понятие "мгновенно" основывается на положительных опытных данных синтеза поликристаллических фракций алмазоподобных аллотропных форм в результате импульсных воздействий на графит сверхмощными взрывными зарядами (порядка 3-5 т ВВ) в течение 10-20 мкс с созданием давлений порядка 70 ГПа. Эти положительные результаты многократно получены различными исследователями и описаны в различных патентах. На диаграмме фиг. 1 эта область обозначена под номером 1.
Выше линии DB алмаз синтезируется из жидкого фазового состояния углерода.
Выше линии ID графит постепенно переходит в алмаз (алмаз постепенно синтезируется). Современные технологии искусственного синтеза алмазоподобных форм углерода воздействием статических давлений (порядка 2-7 ГПа) в течение продолжительного времени (более 200 ч) реализуют этот принцип и позволяют осуществить постепенный и очень медленный процесс синтеза алмаза. На диаграмме эта область обозначена под номером 2. При таком воздействии на углерод кристаллы алмаза медленно растут в среде графита.
Заявляемый способ изменения аллотропных форм веществ позволяет получить условия мгновенного синтеза кристаллических аллотропных форм алмаза и лонсдейлита. На диаграмме данная область схематично обозначена под номером 3. Эта область характеризуется стабильной аллотропной формой углерода в виде алмаза и в этих условиях происходит практический мгновенный синтез кристаллов алмаза из любых аллотропных твердых, жидких и газообразных фаз элементарного углерода.
Как показано на фиг. 2 лайнер 4, который получил ускорение в рельсовом электромагнитном ускорителе 5, внедряется в неподвижную мишень 6, электропитание рельсового электромагнитного ускорителя осуществляется через устройства коммутации от источника постоянного электрического тока "Е".
Неподвижная мишень 6 обладает значительной массой и механической прочностью по сравнению с лайнером 4 и преобразуемым веществом 7. Лайнер 4 и мишень 6 предпочтительно частично выполнены из преобразуемого вещества 7, в частности углерода. В результате соударения лайнера 4 и мишени 6, за счет сил инерции, кинетическая энергия движущегося лайнера 4 преобразуется сжатие исходного преобразуемого вещества 7 и, как следствие, в изменение аллотропной формы кристаллической решетки исходного вещества 7. В результате получается конечный продукт другой аллотропной формы.
В процессе внедрения лайнера 4 в мишень 6 значительно повышается температура в месте соударения (в месте соударения образуется плазма). Поэтому предпочтительно проводить такое внедрение в среде с отсутствием кислорода (в среде инертного, по отношению к исходному веществу, газа или в вакууме). Использование способа электромагнитного разгона лайнера 4 в рельсовом электромагнитном ускорителе 5 без труда позволяет осуществить такое внедрение со сверхвысокими линейными скоростями поступательного движения как в среде инертных газов, так и вакууме. За счет сверхвысоких скоростей соударения, из-за сил инерции, молекулы (атомы) исходного, преобразуемого вещества, в частности углерода, в кристаллических решетках не успевают изменить свое направление движения, внедряются в кристаллические решетки друг друга, происходит уменьшение межмолекулярных расстояний в кристаллических решетках исходного преобразуемого вещества и, как следствие, происходит изменение аллотропной формы конечного продукта, в частности, для элементарного углерода переход из графита в алмаз.
Неподвижная мишень 6 при таком способе должна обладать значительной массой, за счет которой, при соударении с лайнером 4, из-за сил инерции развиваются значительные давления, сжимающие исходное вещество 7. Кроме того, неподвижная мишень 6 должна обеспечивать быстрое охлаждение зоны соударения и конечного продукта. Снижение температуры и давления конечного продукта, в частности, для элементарного углерода должно происходить левее и выше линии H, D, B диаграммы фиг. 1, тем самым исключается обратный процесс перехода алмаза в графит. Первоочередное снижение температуры конечного продукта можно обеспечить прямым теплопереносом из зоны соударения путем принудительного криогенного охлаждения большой массы мишени 6 до сверхнизких температур. Также можно обеспечить задержку снижения давления в зоне соударения путем обеспечения условий механического застревания лайнера 4 в неподвижной мишени 6, при этом лайнер 4 и мишень 6 хотя бы частично выполняются из вязких сверхпрочных материалов (например, сплавы алюминия и стали). При соударении лайнер 4 и мишень 6 за счет развиваемых высоких температур частично расплавляются и свариваются между собой. Лайнер 4 механически застревает в неподвижной мишени 6, что обеспечивает сохранение остаточного давления в зоне соударения. Остаточное давление совместно с интенсивным охлаждением зоны соударения исключает обратный процесс преобразования синтезированного алмаза в графит.
Технически подобную механическую систему фиг. 2 можно выполнить, изготовив массивную мишень 6 и закрепив ее в подвешенном состоянии с возможностью угловой или линейной подвижности (по принципу баллистического маятника), при этом массивная мишень после внедрения лайнера получит механический импульс и будет совершать затухающие колебательные движения. Тем самым конечный продукт синтеза сохранится в целостности и можно обеспечить механическую прочность всей конструкции, а также многократное ее использование.
Также подобную механическую систему фиг. 2 можно выполнить, изготовив массивную мишень 6 и закрепив ее с возможностью линейного перемещения (например, в вертикальном или наклонном к горизонту направлении). Это легко можно выполнить, к примеру, закрепив массивную мишень 6 на рельсовых направляющих или на железнодорожной подвижной тележке, при этом массивная мишень после внедрения лайнера получит механический импульс и приобретет линейную скорость вертикального или наклонного к горизонту перемещения, но за счет своей значительной массы и действия силы тяжести плавно остановится и вернется в свое первоначальное положение. Тем самым конечный продукт синтеза сохранится в целостности и можно обеспечить механическую прочность всей конструкции, а также многократное ее использование.
Как показано на фиг. 3, лайнеры 8, 9, которые получили ускорение в рельсовых электромагнитных ускорителях 10, 11, питающихся через устройства коммутации 13 от источника постоянного тока "Е", внедряются друг в друга. Лайнеры 8, 9 предпочтительно выполнены из преобразуемого материала 12, в частности углерода. В этом варианте лайнеры 8, 9 обладают одинаковыми массами и геометрическими размерами. Рельсовые электромагнитные ускорители 10, 11 включены последовательно в электрической цепи и подключены к источнику электропитания Е через ключ 13. При замыкании ключа 13 за счет последовательного соединения по электрическим цепям ускорителей одновременно начинает протекать одинаковый по величине электрический ток. После вылета одного из лайнеров из ускорителя электрическая цепь размыкается и электрический ток в обоих ускорителях 10, 11 прекращается. Тем самым достигается синхронизация импульсов ускорения по времени начала импульса, величине тока и продолжительности импульса. В результате лайнеры 8, 9, имея одинаковые массы, получают в одинаковых ускорителях 10, 11 практически равные количества кинетической энергии.
В результате соударения, за счет сил инерции, кинетическая энергия движущихся лайнеров 8, 9 преобразуется в изменение аллотропной формы исходного вещества 12 и выполняется синтез конечного
продукта. В процессе внедрения лайнеров 8, 9 друг в друга значительно повышается температура в месте соударения (в месте соударения образуется плазма). Поэтому предпочтительно проводить такое внедрение в среде с отсутствием кислорода (в среде инертного газа или вакууме). Использование способа электромагнитного разгона лайнеров в рельсовых электромагнитных ускорителях 10, 11 технически позволяет осуществить такое внедрение как в среде инертных газов, так и вакууме. За счет сверхвысоких скоростей соударения, из-за сил инерции, молекулы исходного, преобразуемого вещества (в частности углерода) в кристаллических решетках не успевают изменить свое направление движения, внедряются в кристаллические решетки друг друга, происходит уменьшение межмолекулярных расстояний в кристаллических решетках исходного преобразуемого вещества и, как следствие, происходит изменение аллотропной формы конечного продукта, в частности, для элементарного углерода переход из графита в алмаз.
Снижение температуры и задержку снижения давления в зоне соударения в этом случае можно осуществить путем выполнения лайнеров 8, 9 из вязких материалов и принудительного криогенного охлаждения последних до сверхнизких температур. При этом после соударения лайнеры 8, 9 свариваются друг с другом и, за счет теплопереноса, происходит быстрое охлаждение зоны соударения. Этими средствами обеспечивается наличие остаточного давления в месте соударения и быстрое охлаждение места соударения, тем самым исключается обратный процесс перехода аллотропных форм веществ в исходное состояние, в частности для углерода, обратный переход формы кристаллической решетки из алмаза в графит.
Как показано на фиг. 4, лайнеры 14, 15, которые получили ускорение в рельсовых электромагнитных ускорителях 16, 17, внедряются с противоположных сторон в неподвижную мишень 20. Рельсовые электромагнитные ускорители 16, 17 подключены последовательно к источнику постоянного тока "Е" через устройство коммутации 21. Лайнеры 14, 15 и мишень 20 предпочтительно выполнены из преобразуемого материала 18, в частности углерода. В результате соударения за счет сил инерции кинетическая энергия движущихся лайнеров 14, 15 преобразуется в изменение аллотропной преобразуемого материала 18 и получение конечного продукта. В процессе внедрения лайнеров в мишень 20 значительно повышается температура в месте соударения (в месте соударения образуется плазма). Поэтому предпочтительно проводить такое внедрение в среде с отсутствием кислорода (в среде инертного газа или вакууме). Использование способа электромагнитного разгона лайнеров 14, 15 в рельсовых электромагнитных ускорителях 16, 17 без труда позволяет осуществить такое внедрение как в среде инертных газов, так и вакууме.
За счет сверхвысоких скоростей соударения, из-за сил инерции, молекулы (атомы) исходного, преобразуемого вещества (в частности углерода) в кристаллических решетках не успевают изменить свое направление движения, внедряются в кристаллические решетки друг друга, происходит уменьшение межмолекулярных расстояний в кристаллических решетках исходного преобразуемого вещества и, как следствие, происходит изменение аллотропной формы конечного продукта, в частности, для элементарного углерода переход из графита в алмаз.
Так же как и в варианте фиг. 3 в электромагнитной системе фиг. 4 последовательное включение рельсовых электромагнитных ускорителей 16, 17 обеспечивает синхронизацию импульсов ускорения по времени начала импульса, величине электрического тока и продолжительности импульса.
Также как и в варианте фиг. 2, 3 в электромагнитной системе фиг. 4 необходимо обеспечить первоочередное снижение температуры конечного продукта и задержку снижения давления в зоне соударения. Эти параметры можно обеспечить прямым теплопереносом из зоны соударения путем принудительного криогенного охлаждения массы мишени 20 до сверхнизких температур. Также можно обеспечить задержку снижения давления в зоне соударения путем обеспечения механического застревания лайнеров 14, 15 в неподвижной мишени 20, при этом лайнеры 14, 15 и мишень 20 хотя бы частично выполняются из вязких сверхпрочных материалов (например, сплавы дюралюминия и стали). При соударении лайнеры 14, 15 и мишень 20 за счет развиваемых высоких температур частично расплавляются и свариваются между собой. Лайнеры 14, 15 механически застревают в неподвижной мишени 20, что обеспечивает сохранение остаточного давления в зоне соударения. Остаточное давление совместно с интенсивным охлаждением зоны соударения исключает обратный процесс преобразования синтезированных аллотропных форм конечного продукта в исходное состояние, в частности, для углерода, исключается процесс распада синтезированного алмаза обратно в графит.
Как показано на фиг. 5, лайнеры 22, 23, 24, 25, 26, 27, которые получили ускорение в рельсовых электромагнитных ускорителях 28, 29, 30, 31, 32, 33, внедряются одновременно по трем ортогональным направлениям с противоположных сторон друг в друга. Лайнеры 22, 23, 24, 25, 26, 27 предпочтительно выполнены из преобразуемого материала 36, в частности углерода. В результате соударения за счет сил инерции кинетическая энергия движущихся лайнеров 22, 23, 24, 25, 26, 27 преобразуется в изменение аллотропной формы преобразуемого материала 36. В процессе внедрения лайнеров 22, 23, 24, 25, 26, 27 друг в друга значительно повышается температура в месте соударения (в месте соударения образуется плазма). Поэтому предпочтительно проводить такое внедрение в среде с отсутствием кислорода (в среде инертного газа или вакууме). Использование способа электромагнитного разгона лайнеров в рельсовых электромагнитных ускорителях 28, 29, 30, 31, 32, 33 технически позволяет осуществить такое внедрение как в среде инертных газов, так и вакууме.
За счет сверхвысоких скоростей соударения, из-за сил инерции, молекулы (атомы) исходного, преобразуемого вещества (в частности углерода) в кристаллических решетках не успевают изменить свое направление движения, внедряются в кристаллические решетки друг друга, происходит уменьшение межмолекулярных расстояний в кристаллических решетках исходного преобразуемого вещества и, как следствие, происходит изменение аллотропной формы преобразуемого материала и синтез конечного продукта, в частности, для элементарного углерода переход из графита в алмаз.
Также как и на фиг. 3, 4 в варианте фиг. 5 рельсовые электромагнитные ускорители 28, 29, 30, 31, 32, 33 через устройство коммутации 35 подключены последовательно к источнику постоянного тока "Е", тем самым обеспечивается синхронизация импульсов ускорения по времени начала импульса, величине электрического тока и продолжительности импульса ускорения. Это наряду с выполнением лайнеров 22, 23, 24, 25, 26, 27 с одинаковыми массами и геометрическими размерами обеспечивает их синхронный разгон и сообщение им равных количеств кинетической энергии.
Также как и на фиг. 2, 3, 4 в варианте, изображенном на фиг. 5 снижение температуры и задержку снижения давления в зоне соударения можно осуществить путем выполнения лайнеров 22, 23, 24, 25, 26, 27 хотя бы частично из вязких материалов и криогенного охлаждения последних до сверхнизких температур. При этом после соударения лайнеры 22, 23, 24, 25, 26, 27 свариваются друг с другом и, за счет теплопереноса, происходит быстрое охлаждение зоны соударения. Этими средствами обеспечивается наличие остаточного давления в месте соударения и быстрое охлаждение места соударения, тем самым исключается обратный процесс перехода аллотропных форм синтезируемых веществ в исходное состояние, в частности для углерода, обратный переход из алмаза в графит.
Как показано на фиг. 6, лайнеры 37, 38, 39, 40, 41, 42, которые получили ускорение в рельсовых электромагнитных ускорителях 43, 44, 45, 46, 47, 48, внедряются одновременно по трем ортогональным направлениям с противоположных сторон в неподвижную мишень 52. Лайнеры 37, 38, 39, 40, 41, 42 и мишень 52 предпочтительно выполнены из преобразуемого материала 51, 52, в частности углерода. В результате соударения за счет сил инерции кинетическая энергия движущихся лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 преобразуется в изменение аллотропной формы преобразуемого вещества 51, 52. В процессе внедрения лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 в неподвижную мишень 52 значительно повышается температура в месте соударения (в месте соударения образуется плазма). Поэтому предпочтительно проводить такое внедрение в среде с отсутствием кислорода (в среде инертного газа или вакууме). Использование способа электромагнитного разгона лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 в рельсовых электромагнитных ускорителях 43, 44, 45, 46, 47, 48 технически позволяет осуществить такое внедрение как в среде инертных газов, так и вакууме.
За счет сверхвысоких скоростей соударения, из-за сил инерции, молекулы (атомы) исходного, преобразуемого вещества (в частности, углерода) в кристаллических решетках не успевают изменить свое направление движения, внедряются в кристаллические решетки друг друга, происходит уменьшение межмолекулярных расстояний в кристаллических решетках исходного преобразуемого вещества и, как следствие, происходит изменение аллотропной формы конечного продукта, в частности, для элементарного углерода, переход из графита в алмаз.
Также как и на фиг. 5 в варианте фиг. 6 рельсовые электромагнитные ускорители 43, 44, 45, 46, 47, 48 подключены через устройство коммутации 50 последовательно к источнику постоянного электрического тока "Е" 49, тем самым обеспечивается синхронизация импульсов ускорения по времени начала импульса, величине электрического тока и продолжительности импульса ускорения. Это, наряду с выполнением лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 с одинаковыми массами и геометрическими размерами, обеспечивает их синхронный по времени разгон и сообщение равных количеств кинетической энергии.
Также как и в варианте фиг. 2, 3, 4, 5 в варианте на фиг. 6 необходимо обеспечить первоочередное снижение температуры конечного продукта и задержку снижения давления в зоне соударения. Эти параметры можно обеспечить прямым теплопереносом теплоты из зоны соударения путем криогенного охлаждения лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 и мишени 52 до сверхнизких температур. Также необходимо обеспечить задержку снижения давления в зоне соударения механическим застреванием лайнеров 37, 38, 39, 40, 41, 42 в неподвижной мишени 52, при этом лайнеры 37, 38, 39, 40, 41, 42 и мишень 52 хотя бы частично выполняются из вязких сверхпрочных материалов (например, сплавы дюралюминия и стали) При соударении лайнеры 37, 38, 39, 40, 41, 42 и мишень 52, за счет развиваемых высоких температур, частично расплавляются и свариваются между собой. Лайнеры 37, 38, 39, 40, 41, 42 механически застревают в неподвижной мишени 52, что обеспечивает сохранение остаточного давления в зоне соударения. Остаточное давление совместно с интенсивным охлаждением зоны соударения исключает обратный процесс распада синтезированных аллотропных форм конечного продукта, в частности, для углерода, исключается процесс распада синтезированного алмаза обратно в графит.
Заявляется также электромагнитная инерционная система, состоящая по меньшей мере хотя бы из одного рельсового электромагнитного ускорителя, хотя бы из одной мишени, хотя бы из одного ускоряемого тела и хотя бы из одного исходного образца, расположенного между упомянутым ускоряемым телом и упомянутой мишенью, реализующая динамическое сжатие и нагрев упомянутого исходного образца посредством внедрения упомянутого ускоряемого тела в упомянутую мишень, отличающаяся тем,
что выбранные значения параметров сжатия и нагрева исходного образца достигаются сообщением необходимой скорости поступательного движения ускоряемого тела, которая сообщается последнему посредством ускорения в рельсовом электромагнитном ускорителе.
На фиг. 7 схематично показан вариант исполнения простейшей электромагнитной инерционной системы, состоящей из двух рельсовых электромагнитных ускорителей 55, 56, ускоряемых лайнеров 53, 54 и расположенной между ними неподвижной мишенью 58. Вся система заключена в герметичный корпус 62. В герметичном корпусе 62 с помощью вакуумного насоса 63 создается вакуум, либо с помощью средств заполнения инертными газами 64 (баллон с инертным газом, вентиль, трубопровод) корпус заполняется необходимым газовым наполнителем выбранного химического состава под выбранным давлением, например инертного по отношению к синтезируемому веществу газа. Предпочтительно создавать в корпусе установки вакуум либо сильно разреженную атмосферу инертного по отношению к синтезируемому веществу газа. Тем самым исключается либо значительно снижается сопротивление газового наполнителя при движении лайнеров со сверхвысокими скоростями, а также исключается окисление исходного вещества в процессе синтеза. Также обеспечивается отсутствие посторонних примесей различных веществ в зоне синтеза. Тем самым достигается малый процент дефектов кристаллической решетки, отсутствие посторонних включений в структуру конечного продукта и, как следствие, достигается высокое качество синтеза конечного продукта.
Принцип работы электромагнитной системы фиг. 7 аналогичен принципу работы системы, изображенной на фиг. 4. Лайнеры 53, 54 выполнены с одинаковыми параметрами массы и геометрических размеров, получают одинаковые импульсы ускорения в рельсовых электромагнитных ускорителях 55, 56. В процессе ускорения в рельсовых электромагнитных ускорителях 55, 56 лайнерам 53, 54 сообщаются одинаковые количества кинетической энергии.
Лайнеры 53, 54 с высокими скоростями (в частности, порядка 10-20 км/с) двигаются навстречу друг другу и одновременно внедряются с двух противоположных сторон в неподвижную мишень 58. Лайнеры 53, 54 и неподвижная мишень 58 частично выполнены из преобразуемого вещества 57 (в частности, из элементарного углерода). В результате внедрения лайнеров 53, 54 в мишень 57, 58 реализуется процесс динамического сжатия преобразуемого вещества 57. В процессе сжатия в преобразуемом веществе 57 повышается температура, и оно переходит в состояние плазмы. Место соударения изолировано массивной втулкой 58, выполненной из прочного материала, инертного к преобразуемому веществу, например (в частности для углерода), втулка может быть выполнена из меди или сплавов стали и дюралюминия. Плазма в месте соударения находится под сверхвысоким давлением. Область сверхвысокого давления плазмы с двух сторон по оси движения лайнеров 53, 54 ограничена силами инерции, развиваемыми массами лайнеров 53, 54. В радиальном направлении область сверхвысокого давления ограничена силами инерции неподвижной массы втулки 58, а также, для уменьшения динамической нагрузки сверхвысокого радиального давления плазмы на втулку 58, система имеет средства создания мощного магнитного потока, за счет развиваемых электромагнитных сил, сжимающего область плазмы в шнур в осевом направлении и частично компенсирующего динамические радиальные давления плазмы на втулку 58. Средства создания мощного магнитного потока выполнены в виде соленоида 59, расположенного на втулке и создающего однородное магнитное поле с расположением силовых линий параллельно оси втулки и движению лайнеров 53, 54.
Система также предпочтительно должна быть обеспечена средствами принудительного криогенного охлаждения лайнеров 53, 54, мишени 57 и втулки 58 (на фиг. 7 не показано), а также средства создания вакуума 63, либо создания среды газа выбираемого химического состава 64 внутри герметичного корпуса 62 установки.
Быстрое охлаждение полученного в результате синтеза конечного продукта обеспечивается прямым теплопереносом теплоты из зоны синтеза за счет криогенного охлаждения лайнеров 53, 54, мишени 57 и массивной втулки 58.
Обеспечение остаточного давления в зоне синтеза обеспечивается конструкцией лайнеров 53, 54 и мишени 57, 58, обеспечивающей механическое застревание лайнеров 53, 54 в мишени 57, 58 после их соударения.
Этими средствами (криогенного охлаждения массивной мишени, и лайнеров и застревания лайнеров в мишени) замедляется и частично исключается обратный процесс распада синтезированных аллотропных модификаций конечного продукта.
Электропитание рельсовых электромагнитных ускорителей 55, 56 проще всего и предпочтительно выполнить по способу, описанному в заявке "Способ электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, электромагнитная конструкция рельсотрона, рельсовый реактивный двигатель" при помощи механическо-электромагнитной системы 61, состоящей из униполярных генераторов и маховиковых накопителей энергии. При таком способе электропитания рельсотронов система обладает наилучшими показателями экономичности энергопотребления и массогабаритными параметрами.
Электрическую коммутацию цепей питания рельсотронов 55, 56 осуществляют с помощью коммутатора 60.
Рельсотроны 55, 56 предпочтительно включать в электрическую цепь питания последовательно.
Этим достигается синхронизация импульсов ускорения по времени начала ускорения, величине электрического тока и продолжительности импульса ускорения. Это, наряду с выполнением лайнеров 53, 54 с одинаковыми массами и геометрическими размерами, обеспечивает сообщение последним равных количеств кинетической энергии и синхронный по времени разгон в рельсотронах. В результате, при такой конструкции системы, после соударения лайнеров 53, 54 с неподвижной мишенью 57, 58 последняя, в результате взаимной компенсации механических импульсов, остается на месте (суммарная скорость после соударения равна нулю).
Вышеописанный простейший вариант электромагнитной инерционной системы имеет простую конструкцию, малые габаритные размеры, позволяющие разместить подобное оборудование в любых производственных, даже лабораторных условиях, очень низкое энергопотребление (на уровне нескольких десятков кВт) и позволяет инициировать сверхвысокие давления (порядка сотен ГПа), недостижимые никакими на сегодняшний день известными способами.
В заключение приведем приблизительный расчет выходных силовых параметров варианта вышеописанной на фиг. 7 простейшей электромагнитной инерционной системы.
В качестве рельсовых электромагнитных ускорителей 55, 56 используем разработанный Шатурским филиалом ИВТАН РАН (Россия) вариант лабораторного рельсового электромагнитного ускорителя.
Длина рельс рельсотронов 55,56-0,5м.
Максимальная скорость лайнеров 53, 54 на выходе рельсотронов 55, 56 в воздушной среде при атмосферном давлении - 15 км/с.
Лайнеры 53, 54 выполняются частично из углерода (аллотропная модификация - графит) с габаритными размерами:
диаметр - 0,02 м,
длина - 0,02 м,
объем - 6-10-6 м3,
плотность графита - 2100 кг/м3,
масса лайнера - 0,013 кг.
При скорости лайнеров 53, 54 в 15 км/с каждый лайнер на выходе рельсового электромагнитного ускорителя обладает кинетической энергией порядка 1,5 МДж.
Неподвижная мишень 57 выполнена из углерода (аллотропная модификация - графит) с габаритными размерами:
диаметр - 0,02 м,
длина - 0,02 м,
объем - 6-10-6 м3,
плотность графита - 2100 кг/м3,
масса мишени - 0,013 кг.
Неподвижная мишень расположена в массивной втулке 58.
При соударении двух встречно направленных лайнеров 53, 54, ускоренных в рельсовых электромагнитных ускорителях 55, 56 до линейных скоростей в 15 км/с и кинетических энергий порядка 1,5 МДж с неподвижной мишенью 57, в последней разовьются сжимающие давления порядка 250 ГПа.
Давления в 250 ГПа согласно диаграмме основных фазовых состояний и аллотропных твердых форм элементарного углерода фиг. 1 приведут к мгновенной модификации аллотропной формы углерода из графита в алмаз с получением монокристалла алмаза параметрами:
диаметр порядка - 20 мм,
длина прядка - 40 мм,
вес монокристалла алмаза порядка - 40 г,
что в каратах соответствует весу монокристалла порядка 200 карат.
При выполнении синтеза в условиях вакуума с использованием очищенных исходных материалов с содержанием углерода 99,99% в данной простейшей электромагнитной инерционной системе можно получить высококачественные монокристаллы алмаза значительных размеров и ювелирного качества. На основе полученного сырья ювелирная промышленность могла бы выпускать недорогие углеродные украшения (искусственные бриллианты).
Используя микродобавки различных элементов (в частности, например, элементарный бор для окраски кристаллов алмаза в голубой и синий цвета), можно окрашивать кристаллы углерода в различные цвета или синтезировать вещества с заранее заданными (например, полупроводниковыми) свойствами.
Как видно из описаний способа и варианта простейшей конструкции электромагнитной инерционной системы, данный способ относительно простыми средствами позволяет изменять аллотропные модификации различных веществ.
В заключение стоит сказать, что, так как стоимость монокристаллов и поликристаллических порошков различных фракций алмаза на сегодняшний день на рынке очень высока, научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по данному методу чрезвычайно перспективны и быстро окупаемы.
Выполнив необходимые научно-исследовательские и конструкторские работы и изготовив простейшие механические и электромагнитные приспособления, можно получать с большой производительностью в промышленных объемах для нужд различных отраслей промышленности высококачественные монокристаллы и поликристаллические порошки различных фракции алмаза с очень низкими затратами по их производству.
Так как алмаз при удельной плотности 3520 кг/м3 практически на 100% состоит из химически чистого углерода, он является на сегодняшний день самым энергоемким энергоносителем (обладает наибольшим из известных энергоносителей удельным запасом энергии на единицу объема). Алмаз равномерно горит в кислородсодержащей среде без зольного остатка при очень высокой температуре порядка 800-1000° с образованием углекислого газа. Поэтому синтетические кристаллы алмаза, полученные из кокса по данному мало затратному способу, могут использоваться в качестве высококачественного бездымного и высокотемпературного топлива в металлургической и химической промышленности и других отраслях для выработки тепловой энергии и обеспечения протекания химических реакций.
Уникальная, наибольшая из известных веществ, теплопроводность (до 2300 Вт/м-К), а также электроизоляционные и полупроводниковые свойства алмаза наряду с его абсолютной инертностью по отношению практически ко всем агрессивным средам, при радикальном снижении себестоимости его производства, открывают широчайшие перспективы применения данного кристалла в электронной промышленности в качестве подложек и различных элементов для изготовления полупроводниковых приборов, а также для изготовления различных твердых теплоотводов и тепловых аккумуляторов.
Конструирование на основе заявляемого способа изменения аллотропных форм веществ инерционным воздействием различных электромагнитных инерционных систем является очень перспективным направлением развития современной техники.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ изменения аллотропных форм веществ, заключающийся в сжатии как минимум одного образца вещества, инициированного по меньшей мере одним из следующих методов: внедрением в упомянутый образец вещества по меньшей мере одного тела, внедрением упомянутого образца вещества по меньшей мере в одно тело, взаимным внедрением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела, соударением упомянутого образца вещества по меньшей мере с одним телом, взаимным соударением упомянутого образца вещества и по меньшей мере одного тела; при которых внутри упомянутого образца вещества достигают давления и температуры, как минимум, достаточные для реализации в упомянутом образце вещества фазового перехода аллотропной формы последнего, отличающийся тем, что для реализации упомянутых методов сжатия скорость поступательного движения по меньшей мере одному из упомянутых тел или образцов вещества сообщают посредством рельсового электромагнитного ускорителя.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый образец вещества изолирован от упомянутых тел, например, при помощи деформируемой капсулы сохранения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел выполняют, хотя бы частично, из вещества, идентичного упомянутому образцу вещества.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества подвергают принудительному охлаждению.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере хотя бы одно из упомянутых тел или образец вещества выполняют застревающими в теле или образце вещества, в которые внедряются или с которыми соударяются.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внедрение или соударение тел выполняют в условиях вакуума.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что соударение тел выполняют в среде газа выбираемого химического состава.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением двух тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или
внедрением двух тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с
возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомя-
нутого первого, а второму телу посредством рельсового электромагнитного ускорителя сообщают меха-
нический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых двух тел.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено неподвижно, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых закреплено с возможностью линейного перемещения, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие образца вещества инициируют соударением или внедрением трех тел, первое из которых выполнено в виде баллистического маятника и закреплено с возможностью, как минимум, угловой подвижности вокруг оси, проходящей вне центра тяжести упомянутого первого, а второму и третьему телам посредством рельсовых электромагнитных ускорителей сообщают механический импульс поступательного движения в направлении упомянутого первого, обеспечивающем соударение или внедрение упомянутых трех тел.
14. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела выполняют предпочтительно одинаковой массы.
15. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам предпочтительно сообщают равные скорости поступательного движения.
16. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутым второму и третьему телам сообщают импульсы ускорения, обеспечивающие предпочтительно одновременное соударение или внедрение упомянутых трех тел.
17. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что упомянутые второе и третье тела предпочтительно ускоряют навстречу друг другу вдоль одной оси, на которой между ними расположено упомянутое первое тело.
18. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что рельсовые электромагнитные ускорители упомянутых второго и третьего тел предпочтительно подключают к источнику электропитания последовательным электрическим соединением.
19. Электромагнитная инерционная система, осуществляющая способ по п.1, содержащая по меньшей мере хотя бы один рельсовый электромагнитный ускоритель, хотя бы одну мишень, хотя бы одно ускоряемое тело и хотя бы один образец вещества, расположенный по траектории движения упомянутого ускоряемого тела между последним и упомянутой мишенью, инициирующая динамическое сжатие и нагрев упомянутого образца вещества внедрением упомянутого ускоряемого тела в упомянутую мишень, отличающаяся тем, что выбранные величины силы сжатия и температуры нагрева упомянутого образца вещества получают сообщением выбранной скорости поступательного движения упомянутого ускоряемого тела, в рельсовом электромагнитном ускорителе.
20. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства принудительного охлаждения как минимум одного из следующих элементов: ускоряемого тела, мишени, образца вещества.
21. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит четное число ускорителей и встречно ускоряемых тел, как минимум два, расположенных парами вдоль как минимум одной собственной оси, на которой между ними расположена упомянутая мишень.
22. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания магнитного потока, пронизывающего образец вещества, с силовыми магнитными линиями расположенными параллельно направлению развиваемых сил сжатия, выполненные, например, в виде как минимум одного из следующих элементов: соленоида, постоянного магнита.
23. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания вакуума в зоне сжатия образца вещества и ускорения тел, выполненные, например, в виде вакуумного насоса, откачивающего газообразную среду из зоны сжатия упомянутого образца вещества и ускорения тел.
24. Система по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства создания атмосферы газа, выбираемого химического состава в зоне сжатия образца вещества, выполненные, например, в виде баллонов с газом, вентилей и трубопроводов, подающих упомянутый газ в зону сжатия упомянутого образца вещества.
11.
11.
11.
11.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
023854
023854
- 1 -
- 1 -
(19)
023854
023854
- 1 -
- 1 -
(19)
023854
023854
- 4 -
- 3 -
(19)
023854
023854
- 12 -
- 12 -
023854
- 13 -
- 14 -
023854
- 15 -
- 14 -
|
