충격에 의한 물질의 압축 방법과 장치 및 플라즈마 캐소드

충격에 의한 물질의 압축 방법과 장치 및 플라즈마 캐소드{Method and device for compressing a substance by impact and plasma cathode thereto}

본 발명은 응축된 (액체 또는 바람직하게는, 고체) 물질을 핵융합 공정(pycnonuclear processes) 및 관성 제한 융합(inertial confinement fusion) (이후, ICF)이 속행될 수 있는 초고응축 상태로 충격 압축하기 위한 방법, 및 이 방법을 실행하기 위한 설계된, 플라즈마 캐소드를 포함하는 상대성 진공 다이오드(relativistic vacuum diodes) (이후, RVD)에 기초한 디바이스의 구조에 관한 것이다. 이러한 기술은 다음의 목적을 가지고, 실질적으로 특정 화학 원소의 원자핵을 다른 화학 원소의 원자핵으로 변환시키기 위한 것이다:

안정된 초우라늄의 합성을 포함하는 화학 원소의 가급적 안정된 동위 원소를 실험적으로 얻기 위한 목적; 및

예를 들어, 산업계 및 의학계에 광범위하게 사용되는 코발트의 방사성 동위 원소에 기초한 기사용된 감마선 광원의 정화시에 실질적으로 중요한, 단수명 동위 원소 및/또는 안정된 동위 원소를 포함하는 재료로 장수명 동위 원소를 포함하는 방사성 폐기물을 재생 처리하기 위한 목적.

장래에, 이러한 방법은 가급적 고체 표적을 이용하여, ICF에 의한 에너지를 얻는데 유용할 수 있다.

이러한 설명을 목적으로, 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 채택된 다음의 용어들은 다음의 개념들을 인용한다:

"표적(target)"은 적어도 하나의 화학 원소의 적어도 하나의 임의 동위 원소의 충격 압축용으로 한번 사용된 선량(dose)이고, 이는 핵변환 생성물을 얻기 위한 원료이고, 선택적으로는 에너지 생성을 위한 주 에너지 캐리어이다.

"충격 압축(impact compression)"은 적어도 표적의 일부 상에서의 자체 포커싱 수렴 밀도파(a self-focusing converging density wave)의 등엔트로피 충격 동작(isoentropic impact action)이다.

"초고응축 상태(superdense state)"는 충격에 의해 압축된 후의 표적의 적어도 일부의 상태인데, 이는 표적 물질의 실질적 부분이 전자-핵 및 전자-핵 플라즈마로 변환되는 상태를 나타낸다.

"핵융합 공정(pycnonuclear process)"은 최소한 표적 동위 원소 합성 변화를 야기하는 초고응축 상태로 압축된 표적 물질의 전자-핵 및 전자-핵 플라즈마의 성분들 간의 재결합 상호 작용(특히, "콜드(cold)")이다.

"플라즈마 캐소드"는 제로에 가까운 전자 일 함수(near zero electron work function)를 갖는 (근접 표면층의 물질의) 플라즈마 쉘(shell)을 (방전 펄스의 시점에서) 생성할 수 있는 RVD 음 전극의 소모성의 선대칭 부분이다.

"애노드-증강기(anode-enhancer)"는 바람직하게 (주요 부분에서) 도전성 재료로 완벽하게 제조되고 가장 간단한 실물 실험에서 표적 자체로서 사용될 수 있거나, 또는 애노드-증강기가 산업상 필요로 사용될 때, 음향 접촉을 선대칭적으로 또한 제공하는, 선택된 표적이 내부에 고정되어 있는 매우 강한 재료의 최소한 단층 쉘의 형태를 갖는 RVD 애노드의 한번 사용된 교환가능한 선대칭 부분이다.

"초점 공간(focal space)"은 RVD 전극의 공통 기하학 대칭축의 특정 길이를 공간적으로 한정하고, (장애물의 부재시에, 그리고 플라즈마 캐소드의 방출 표면적의 사전 설정된 값, 전자 에너지 및 전류 밀도 하에서) 상대성 전자의 집합적 자동 집속으로 인해 전자 빔의 핀치가 가능할 수 있는 RVD 진공 챔버 내의 볼륨이다.

제어된 핵융합을 실행하기 위해서는,

첫째, 초소형 사이즈, 즉 질량이 수 마이크로그램 내지 수 밀리그램의 표적을 만들고,

둘째, 형성된 표적을 공간 내에 고정시키며,

셋째, 가급적 균일하게 표적의 충격 압축으로 표적 물질을 초고응축 상태로 변환하고,

넷째, 에너지 방출 또는 흡수가 수반될 수 있는, 원자의 변환 및/또는 핵융합에 충분한 시간 동안 그 상태로 표적 물질을 유지하는 것이 필수적이고 충분하다는 것은 이론적으로 공지된 사실이다. (예를 들면, 미국 특허 제 4,401,618호 참조).

언급할 만한 가치가 있는 것은 표적 질량의 상기 제한이 ICF에 있어서 매우 중요하다는 것인데, 그 이유는 1 mg의 중수소 또는 중수소와 삼중 수소의 혼합물이 약 20-30 kg의 트리니트로톨루엔에 상당하는 에너지를 갖기 때문이다.

또한, 이론적으로 분명한 것은 변환 및/또는 핵융합이 초고응축 상태의 달성과 실제로 동시에 발생한다는 사실이다. 따라서, 핵 물리 분야에서의 연구자들의 노력은 지금까지는 물질의 충격 압축에 관한 가장 효율적인 방법 및 수단의 창안에 주력해 왔다.

그리고, 마지막으로, 이론적으로 명백한 것은, 그러한 압축이 수십 나노초의 지속 기간 순서의 고전력의 기계적 임펄스를 생성하고, 이러한 임펄스를 환경적 볼륨으로부터 확실하게 분리되어 위치한 표적의 표면의 상당한 면적 (전체 면적까지) 위에 집속시키는 상태에서만 가능하다는 것이다.

그러한 목적을 위해 요구되는 에너지 선속의 공간-시간 압축 수단은, 예를 들어, 주 에너지원, 최소한 하나의 에너지 저장 장치, 누적된 에너지를 기계적 충격 임펄스로 변환하기 위한 최소한 하나의 컨버터, 및 이러한 임펄스를 표적 상에 본질적으로 등엔트로피 전송하기 위한 기계적 스트라이커이다.

충분한 세트의 그러한 수단과 그들 간의 상호 작용의 문제점들은, (산업 전력 네트워크에 접속될 때) 최초이나 유일한 것은 아닌 에너지 저장 장치가 보통 LC 회로에 기초한 장치이면, 물질의 충격 압축을 가하는 실험의 목적에 따라 여러 방식으로 해결될 수 있다. (예를 들면, 수집된 기사: WH Bostick, V. Nardy 및 OSF Zuker(Plenum, 뉴욕 및 런던 소재)에 의해 편집된 에너지 저장 장치, 압축 및 스위칭을 참조.)

수년 동안, 실제로 상기 이론적 가설을 실현하기 위한 노력이 ICF에만 치중되어 왔고, 그 산업적 마스터링은 인류가 "에너지 파라다이스"로 이행해 가기에 충분하다고 가정된다.

이러한 이유로, 가스 형태의 중수소 또는 중수소 및 3중 수소만이 그 초기부터 활성 물질로서 사용되고, 표적은 상기 수소 동위 원소의 극소 (약 0,1 mg) 부분으로 채워진 빈틈없는 빈 구형 형태로 제조된다. 그 다음, 레이저 구동기의 빔은 많은 측면으로부터 균일하게 및 동시적으로 각각의 표적을 향하게 된다.

쉘의 가열은 외부 부분의 융제(ablation)(부분 증발;partial evaporation)의 원인이 된다. 증발된 물질의 팽창은 반작용 힘을 야기하는데, 이는 내부 파열, 즉 구형 중심 방향으로 표적의 활성 물질 및 쉘의 내부 부분을 균일하게 압축하게 한다. (예를 들면, (1) 미국 특허출원 4,401,618; (2) J. Lindl 저(著) 플라즈마의 물리학, 1995; (3) K. Mima 등의 저(著) 융합 에너지, 1996.IAEA, 비엔나, V.3, 페이지 13, 1996 참조).

이러한 ICF 체계는 결점이 없는 것으로 여겨진다. 실제로, 레이저 방사 펄스의 지속 기간은 약 1 ns일 수 있다. 이는 에너지 선속의 효율적인 시간의 압축을 보장하고, 표적 표면적의 뽀족한 부분의 감소는 마찬가지로, 상기 선속의 공간 압축에 필수적이다.

불행하게도, 레이저의 효율성은 로슨 기준(Lawson criterion) (JD Lawson 저(著), Proc. Phys. Soc., B.70, 1957)을 고려할 때, 레이저 구동기의 유효성을 의심케 하는 그 초기부터 5 %을 초과하지 못한다. 더구나, 레이저 스위칭의 동기화는 복잡한 자동 제어 시스템을 필요로 한다. 그리고, 마지막으로, 융제는 전체적으로 쉘 및 표적을 가열하기 위한 에너지에서 상당한 손실을 수반한다. 따라서, 아무도 그 때까지 표적의 가스 형태 물질을 초고응축 상태로 만들지 않았고, ICF 초기 시의 에너지 소모를 초과하는 에너지의 포지티브 수율을 갖지 않았다.

응축된, 특히 액체의 표적 (미국 특허 제4,333,796; 5,858,104 및 5,659,173호를 참조) 내에 공동 현상을 유도해야 하는 음파 구동기(acoustic driver)에 의해 융합 반응을 점화하기에 충분한 압력 및 온도를 만들기 위한 노력은 공지되어 있다. 특히, 국제 공개 번호 WO 01/39197호는 다음을 기술한다:

(1) 공동 융합 반응기는:

기계적 초음파 진동의 적어도 하나의 소스,

단위 면적당 에너지 선속 밀도의 증가에 따라 공진 모드에서 표적의 한정된 본체 내에 이들 진동을 전달할 수 있는 가능한 다수의 음향 전도체, 및

적절한 열 교환기의 형태로의 열 제거를 위한 수단

을 포함한다.

(2) 상술한 반응기의 사용 방법은;

핵 융합에 필요한 핵연료 재료, 가능하면 티타늄 중수소화물, 또는 리튬 중수소화물, 또는 가돌리늄 중수소화물 등을 내화성 금속 (예를 들면, 티타늄, 텅스텐, 가돌리늄, 오스뮴 또는 몰리브덴)으로 만들어진 고체 음향 전도성 매트릭스 내에 압착하므로써, 약하게 음향을 전도하는 표적을 제조하는 단계,

기계적 초음파 진동의 소스에 접속된 적어도 하나의 음향 전도체를 갖는 음파 접촉부 내에 적어도 하나의 표적을 갖는 적어도 하나의 매트릭스를 유입하는 단계,

공진 모드에서 초음파 임펄스의 트레인에 의한 매트릭스에 대해서, 기계적 진동의 운동 에너지의 열로의 변환으로 인해 표적의 유동화 및 중수소화물의 기계적-및-화학적 파괴를 야기하는 동작, 그리고 표적으로부터 중수소의 "증발(evaporation)", 즉 호스트 재료(host material)의 가압력 하에 증기 기포의 출현(appearance of vapor bubbles) 및 그의 붕괴로 인해 "액체" 표적 내에 공동을 본질적으로 동시에 유도하는 동작을 행하는 단계, 및

표적 내부에서 에너지가 방출되는 핵 융합 반응이 완료된 후에 공정을 종료하는 단계

를 포함한다.

고체 (초기 상태) 표적 및 충격 압력을 위한 초음파 기계적 임펄스의 사용이 오히려 매력적일 수 있다. 불행하게도, 레이저와 같이, 초음파원은 효율성이 그다지 높지 않다. 더우기, 레이저와는 달리, 이들 음원은 임펄스에서 비교적 작은 전력 밀도를 만드는데, 이는 시스템 "초음파원-중수소화물 표적"을 공진 모드로 만드는데 필요하다. 그러나, 이러한 모드에서도, 에너지의 주요 부분은 표적을 가열하는데 소모되어 소진된다. 따라서, 물질의 초응축 상태로의 충격 압축은 에너지를 표적 내로 오랫 동안 펌핑을 하는 경우에도 달성되지 않았다.

따라서, 초응축 상태로 물질을 충격 압축하기 위한 가능한 방법 및 수단을 창작해야 한다는 문제점은 여전히 시급한 일로 남아 있다.

그 해결책에 대한 광범위한 방법은 20세기가 시작한 이래로 공지된 RVD의 사용에 기초한다. (예를 들면, (1) CD Child 저(著), Phys. Rev., V.32, 페이지 492, 1911; (2) I. Langmuir 저(著), Phys. Rev., V.2, 페이지 450, 1913 참조).

각각의 RVD는 캐소드 및 애노드가 내부에 고정되어 있는 진공 챔버를 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드는 펄스 방전기를 통해 전기 충전 저장 장치에 접속된다. 방전 펄스의 짧은 지속 기간 및 충분히 큰 충전으로 인해, 그러한 다이오드들은 캐소드 표면으로부터 폭발적 전자 방출을 제공할 수 있고, 90% 이상의 효율성을 갖는 상대 속도로 전자의 가속을 제공할 수 있다.

정확히, 강력한 전자 빔의 발전기 및 가속기의 기능에서, 상대성 진공 다이오드는 20세기 전반에 걸쳐 물리학자들의 주된 관심사이었고, 전반적으로 그러한 다이오드 및 특별히 캐소드의 디자인에 대한 다양한 개선은 전자 빔 내로의 에너지의 공간-시간 압축을 위한 것이고, 이들 빔을 원하는 공간 형태로 성형하기 위한 것이다.

ICF용 RVD 내에서 충격에 의한 물질의 압축 방법을 창작하기 위한 노력은 미국 특허 제3,892,970호에 공지되어 있다. 이 방법은:

첫째, 동결된 열핵 연료 (즉, 중수소 또는 중수소와 3중 수소와의 혼합)로부터 응축된 (가능하면 고체) 물질의 대칭적 펠릿(symmetric pellet)의 형태로 표적을 제조하는 단계,

둘째, RVD 전극들 사이, 즉 애노드 플라즈마 발생을 위한 수단의 출력이 오픈되는 체적 내로 표적을 배치하는 단계, 및

셋째, 애노드 플라즈마를 실제로 동시에 주입하고, 애노드 플라즈마를 통해 강력한 전류 (약 100 TW 및 1 MJ의 에너지)의 단락-회로에 의한 임펄스(10 ns) 환형 충격으로 표적을 압축하는 단계

를 포함한다.

그러나, 이러한 방법은 표적 물질을 초응축 상태로 압축하여, 에너지가 방출되는 핵 융합에 충분하게 긴 그러한 상태로 유지하지 못하는데, 그 이유는 표적의 사이즈가 약 1.5 MeV의 에너지를 갖는 전자의 경로 길이보다 명확히 작기 때문이다. 그것은 전자의 운동 에너지가 표적의 전체 본체에 걸쳐 실제로 열 에너지로 즉시 변환되어, 핵 연료의 공간적 열 팽창을 야기하기 때문이다. 더구나, 공지된 방법에서는, 에너지원이 방전된 환형 RVD 캐소드의 중심으로 자유 비행 타켓의 타격과 평판 플라즈마 애노드의 제조를 동기화하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 표적 상에 전자 전류의 포커싱은 방전 전압과 애노드 플라즈마 밀도의 조정에도 불구하고 가끔 달성될 수 있을 뿐이다.

동일한 특허로부터 공지된, 물질의 충격 압축을 위한 RVD 기초 장치는 열 교환기와 꼭 맞는 그리고 표적 공급을 위한 채널이 제공된 구형의 진공 챔버, 이 진공 챔버의 중심 평면에 대해 대칭적으로 위치한 2개의 환형 캐소드, 및 이들 캐소드들 사이에 위치하여, 공급 전류의 방전 이전에 직접 평판 플라즈마 애노드를 형성하는 추가 플라즈마 주입 장치를 포함한다.

그리고, 마지막으로, 동일한 특허로부터 공지된 캐소드는 전류 공급부, 및 상부에서 전계 기울기를 증가시키기 위한 날카로운 에지를 갖는 링의 형태로 만들어진 포커싱 팁을 포함한다. 그러한 캐소드의 에지는 방전 중에 플라즈마의 자체 층으로 커버된다.

환형 전자 빔의 에너지의 실체적인 부분을 그러한 RVD 내의 표적으로 실제 전송하는 것은 불가능한데, 그 이유는 빔이 형성 바로 순간에 핀치 임계에 존재하고 불안정하기 때문이다. (특히, 각각의 펄스 중에 그리고 한 펄스부터 다른 펄스까지, 본질적으로 파라미터가 변하는 그러한 플라즈마 애노드와 결합시에).

따라서, 애노드가 고체 물질로 만들어지고, 어느 한쪽이든 그 자체는 표적으로서 기능하거나 표적을 채택하며, 핀치는 전극들 간의 갭 내에서 방지되고, 전자 빔의 자체-포커싱은 방전 공정 시에 동시에 애노드 표면 상에서 달성되는 것이 바람직하다.

가용 데이터에 따르면, 그러한 수단의 개발에서의 주된 관심이, 본질적으로 평판 애노드를 사용하면서 RVD 캐소드 에미터를 성형하는 데에만 기울어져 있음은 놀라운 일이다. 그러한 방법의 현저한 예는 전자의 RVD 기초 펄스원일 수 있는데, 이는 유전체 물질의 성형된 플레이트 및 이 플레이트의 표면 일부에 대한 정확히 동일한 형태의 도전성 커버를 갖는 플라즈마 캐소드를 포함한다.(SU 1545826 A1). 펄스 방전하에서, 그러한 복합 캐소드는 전자 빔을 생성하는데, 이는 핀치에 영향을 받지 않고, 유전체 플레이트의 형태에 대응하는 형태를 갖는다.

그러나, ICF 및 핵융합 공정에 필요한 만큼, 표적의 가능한 균일한 압축은 전자 빔만을 성형하는 것으로는 달성할 수 없다. 따라서, 상술한 RVD 및 그 유사체는 초응축 상태까지 물질의 충격 압축 공정 시에 실제로 적용될 수 없다.

전극들 간의 갭 내에 핀치를 가압하고 표적 표면 상에 전자 빔의 자체-포커싱을 제공할 때의 문제점은 결국 변성 공정 및 ICF에 대한 구동기로서 RVD의 주된 부적합성의 원인이 되기 때문에, 많은 과학자들을 비관적으로 만든다. (예를 들면, (1) James J. Duderstadt, Gregory Moses, Inertial Confinement Fusion, John Wiley and Sons, New York, 1982, (2) EPVelikhov, SVPutvinsky. Fusion Power. Its Status and Role in the Long-Term Prospects. In 4.2.2 Drivers for Inertial Controlled Fusion/http://relcom.website.ru/wfs-moscow. 등. 참조).

그럼에도 불구하고, 이러한 방향으로의 연구는 계속된다.

따라서, 기술적 요소로서, 본 발명에 가장 근접한, 즉 물질의 충격 압축에 대해 원리적으로 적용가능한 방법 및 수단은 입자 가속기를 위한 국제 회의에서 공개되었고 (S.Adamenko, E. Bulyak 등., Effect of Auto-focusing of the Electron Beam in the Relativistic Vacuum Diode. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999), 나중에 기사에도 공개되었다, (VI Vysotski, SV Adamenko 등. Creating and Using of Superdense Micro-beams of Relativistic Electrons. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 455,2000, 페이지 123-127).

상기 정보 소스로부터 본 분야의 숙련자들에 의해 쉽게 이해될 수 있는, 물질의 충격 압축 방법은:

최소한 RVD 애노드의 일부인 응축된 물질로부터 선대칭 부분의 형태로 (즉, 대략 수 마이크로미터의 직경을 갖는 침상(針狀) 애노드-증강기의 반구상(狀) 팁의 형태로) 표적을 제조하는 단계,

상기 애노드-증강기와 동일한 기하학적 축 상에 실제로 위치하고 그로부터 수 밀리미터 만큼 격설된, 선대칭 플라즈마 캐소드와 또한 맞춰진 RVD 내에 표적을 배치하는 단계, 및

애노드-증강기 상의 전자 빔의 자체-포커싱 모드로 RVD를 통해 전원을 펄스 방전시키는 단계

를 포함한다.

물질의 충격 압축을 위한 상기 방법을 이용하는 장치는 RVD의 기초하에 만들어지는데, 이는:

진공 챔버를 한정하기 위해 축 대칭적으로 성형된 전류-전도성 재료로 그 일부가 만들어진 강한 가스 기밀 하우징(a strong gas-tight housing), 및

최소한 플라즈마 캐소드가 펄스형 고전압 전원에 접속되는 동일한 기하학적 축 상에서 실제로 상기 챔버 내에 고정된 선대칭 애노드-증강기 및 선대칭 플라즈마 캐소드

를 포함한다.

캐소드는 전통적 체계에 따라 만들어진다: "유전체 소자"로 끝 마무리된 애노드로의 방향으로 수렴되는 전류-전도 (보통 금속성) 로드", 상기 로드의 각자의 주변 및 단면보다 크지 않은 후자 소자의 작동 단부의 주변 및 영역 (Mesyats GA Cathode Phenomena in a Vacuum Discharge: The Breakdown, the Spark and the Arc. Nauka Publishers, Moscow, 2000, 페이지 60).

특정 기하학 형태로 두 전극들의 성형은 핀치가 RVD 캡 내에 가압되게 하고, 전자 빔을 예리하게 만들어 애노드-증강기 표면의 작은 부분 상에 자체-포커싱을 제공한다.

그러나, 애노드-증강기 상에서의 본질적인 포인트 동작은 물질의 충격 압축을 위한 RVD 적응성의 실연(實演)에만 적합하지만, 각각의 펄스 방전에서 초응축 상태로 표적 본체의 실질적인 부분의 압축을 제공할 수 없다.

본 발명의 진수는 첨부 도면을 참조하여, 충격에 의해 물질을 압축하기 위한 장치 및 방법의 상세한 설명에 의해 (핵융합 공정에서 핵 변성의 예에서) 설명되어진다.

도 1은 조정가능한 기하학적 파라미터가 지적된, RVD 내의 전극들의 구조적 배치도이다.

도 2는 펄스형 고전압 전원의 블럭도이다.

도 3은 선대칭 플라즈마 캐소드의 바람직한 구조도(대칭축을 따른 단면)이다.

도 4는 평면 IV-IV (전류-전도성 로드의 횡단면)를 따라 취해진 선대칭 플라즈마 캐소드의 후단부를 도시한 도면이다.

도 5는 초응축 상태로 물질의 충격 압축의 시현을 위한 표적으로서 직접 사용된 완전한 선대칭 애노드-증강기를 도시한 도면(대칭축을 따른 단면)이다.

도 6은 예를 들면, 선택된 화학 원소의 긴 수명의 방사성 동위 원소의 일반적으로 다른 화학 원소의 안정된 동위 원소로의 적어도 부분적인 변성을 위해 설계된 삽입되는 구형 표적을 갖는 공동형-본체의 선대칭 애노드-증강기를 도시한 도면(대칭축을 따른 단면)이다.

도 7은 RVD 방전 펄스 내의 전압 및 전류 변화의 그래픽 차트이다.

도 8은 화학적으로 순수한 구리의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 화학 원소의 절대치 분포(중량 %)의 다이어그램이다.

도 9는 화학적으로 순수한 구리의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 동일 화학 원소의 상대적 분포의 다이어그램이다.

도 10은 화학적으로 순수한 탄탈의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 화학 원소의 절대치 분포(중량 %)의 다이어그램이다.

도 11은 화학적으로 순수한 탄탈의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 동일 화학 원소의 상대적 분포의 다이어그램이다.

도 12는 화학적으로 순수한 납의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 화학 원소의 절대치 분포(중량 %)의 다이어그램이다.

도 13은 화학적으로 순수한 납의 변성의 생성물에서의 원자핵의 질량에 따른 동일 화학 원소의 상대적 분포의 다이어그램이다.

도 14는 지각 내에서 자연적으로 풍부한 동위 원소와 일치하는 천연 니켈의 샘플의 연구에 의해 얻어진 니켈의 동위 원소의 기준 질량 스펙트럼이다.

도 15는 완전체의 구리 표적(견본 번호 1)의 핵융합 공정 결과에서 얻어진 구리 실드 상의 집합체 중의 하나에서 니켈의 동위 원소의 상대적 분포의 질량 스펙트럼이다.

도 16은 동일 실드 상의 니켈의 원자의 다른 집합체의 연구를 통해 얻어진 도 15에서와 같은 동일한 질량 스펙트럼이다.

도 17은 이온 빔에 의해 부분적으로 에칭되고 구리 실드 내로 유도된 구형 공동을 갖는 철제 반구형 형태로의 초응축 상태로 물질의 충격 압축의 생성물의 마이크로포토그래프이다.

따라서, 본 발명은 다음의 문제점에 기초한다:

첫째, 단계들을 수행하는 조건을 변경하기 위해서, 각각의 펄스형 RVD 방전시에 이행될 수 있는 초응축 상태로 표적 물질의 필수 부분의 충격 압축을 위한 방법을 창작하는 것.

둘째, RVD 내의 전자의 형태 및 상대적 위치를 변경하기 위해서, 방법의 효과적 적용을 보장하는, 충격에 의해 물질을 압축하기 위한 장치를 제조하는것.

셋째, 전도성 및 유전성 부분의 형태 및 치수 비율을 변경하기 위해서, 방법의 가장 경제적이고 효과적인 적용을 제공하는 선대칭 플라즈마 캐소드를 제조하는 것.

제1 관점에서의 문제점은 다음의 방법으로 해결되는데, 전류-전도성 벽, 선대칭 플라즈마 캐소드 및 선대칭 애노드-증강기를 갖는 RVD를 사용하여 충격에 의한 물질의 압축 방법에서, 이 방법은:

적어도 애노드-증강기의 일부로서 기능하는 응축된 물질로 된 선대칭 부분의 형태로 표적을 제조하는 단계,

실질적으로 동일한 기하학적 축 상에 플라즈마 캐소드 쪽으로 애노드-증강기를 갭을 두고 RVD 챔버 내로 배치하는 단계, 및

애노드-증강기의 표면 상에서 전자 빔 자체-포커싱 모드로 RVD를 통해 전원을 펄스 방전하는 단계를 포함하고,

본 발명에 따르면, 선대칭 플라즈마 캐소드는, 후 단부(rear end)의 둘레가 적어도 연속 갭을 두고 캐소드의 대칭축에 수직인 평면 내에서 전류-전도성 로드의 둘레를 감싸고, 방출 표면의 면적이 애노드-증강기의 최대 단면적보다 큰 유전체 단부 소자를 포함하는 전류-전도성 로드의 형태로 사용되고,

애노드-증강기는 애노드-증강기의 작업 표면의 만곡 중심이 집합적 자체-포커싱 전자 빔의 초점 공간 내부에 위치하는 그러한 갭을 두고 플라즈마 캐소드 쪽으로 배치되며,

애노드-증강기는 전자 에너지가 적어도 0.2 MeV이고, 전류 밀도가 적어도 10 ⁶ A/cm ² 이고, 지속 기간이 100 ns보다 길지 않은 전자 빔에 의해 작동된다.

이러한 방법의 적용 결과는 10년 이상 노력한 발명자들 조차도 예상가능하지 않게 일어난다. 따라서, 고순도의 구리, 탄탈 및 다른 재료의 가장 간단한 단일 금속 표적의 사용은 다음을 실험적으로 증명하게 한다:

충격에 의해 압축된 후, 각각의 표적 질량의 실재 부분은 산산히 흩어져 RVD 진공 챔버의 벽 상의 및/또는 후술된 실드 상의 변성 생성물의 집합체로서 응결되고;

몇몇 집합체는 원소 성분에 대해서 어느 정도 동종이며;

상기 집합체에서, 혼합물로서 표적의 물질 내에 존재하지 않는 공지된 화학 원소의 안정된 동위 원소뿐만 아니라, 현재 알려지지 않은 그리고 아직 식별되지 않은 초우라늄의 비교적 안정된 동위 원소가 확실히 검출되고;

표적 물질의 변성 생성물의 동위 원소 성분은 본질적으로 지각(Earth's crust) 내의 동일한 원소의 동위 원소 성분 상의 기준 데이터와는 다르며,

변성의 존(zone)으로부터 열 에너지의 결정적인 핵출력(positive yield)을 검출하기 위한 시도들은 현재까지 실패했다.

상기와 같은 사실은 자기적으로 한정된 애노드 플라즈마를 갖는 소스로부터 생성된 이온(대개는 중양자)에 의한 고체 표적(즉, 동일한 구리 또는 몰리브덴으로 만들어진)에 의해 얻어진, 그리고 5 MeV보다 큰 이온 에너지에서 약 1kW의 전력 플럭스를 얻기 위해 동작 펄스 가속기 내에서 복잡하고 위험하게 되는 전통적 변성과 본질적으로 본 발명에 따른 변성을 구별한다. (미국 특허 제5,848,110호 참조). 실제로, 사전에 공지된 화학 원소의 유일하게 사전에 공지된 대개의 방사선 동위원소, 즉 Zn ⁶⁵ , Mo ⁹⁹ , I ¹²³ , O ¹⁵ 등은 상기 공정에서 생성될 수 있는 반면, 본 발명에 따른 방법은 최소한 화학 연구에 충분한 분량의 초우라늄의 융합에 적용가능하다.

본 발명에 따른 방법을 실행하는 상기 및 후술한 결과는 다음을 가정할 수 있게 한다. 전자 빔은 애노드-증강기의 표면의 주요 부분 상에 집합적으로 자체-포커싱되어, 표적의 대칭축에 수렴하는 기계적 솔리톤형(soliton-like) 밀도 임펄스를 인접 표면층 내에서 여기시킨다. 이러한 임펄스는 전자 빔으로부터 수용된 에너지를 등엔트로피 방식으로 대칭축에 인접한 표적 물질의 부분으로 전달한다. 상기 임펄스의 선행 에지는 구형 형태로 되는 경향이 있다. 따라서, 솔리톤형 임펄스가 표적 대칭축 상에 중심을 갖는 특정의 작은 볼륨으로 감소되기 때문에, 그 선행 에지는 경사가 급하게 되고, 에너지의 밀도는 처리될 핵융합 공정에 충분한 초응축 상태에 도달하기 위한 물질에 충분한 크기로 증가한다. 그 이유는 전력 소모가 최소인 가장 간단한 (그리고, 동작 시에 매우 중요하고, 실질적으로 안전한) RVD형 전자 가속기가 (후술하는 바와 같이) 동위 원소의 넓은 스펙트럼의 핵출력을 갖는 변성 핵 반응을 제공하기 때문이다.

제1 추가 특징은 다음과 같은데, 상대성 진공 다이오드 내에 사용된 플라즈마 캐소드는 뾰족한 전류-전도성 로드를 포함하며, 이 캐소드의 유전체 단부 소자에는 상기 로드 상에서의 세팅을 위한 오프닝이 제공되고, 뾰족한 단부와 함께 상기 로드의 세팅 부분은 오프닝 내부에 위치한다. 이는 RVD 전극들 간의 갭을 적어도 부분적으로 제어하게 하고, 충격 압축 공정의 실험적 최적화에 특히 중요한 플라즈마 캐소드 동작을 안정화하게 한다.

제2 추가 특징은 다음과 같은데, 표적은 RVD 애노드-증강기의 중심부 내로의 인서트의 형태로 형성되며, 상기 인서트의 직경은 애노드-증강기의 최대 단면적 치수(dimention)의 0.05 내지 0.2의 범위 내에서 선택된다. 이는 전기 전도율과 무관하게 초응축 상태로의 압축의 대상물로서 소정의 물질을 사용하게 하고, 고체 및 액체 상태로의 사용을 가능하게 한다. 본래, 액체는 애노드-증강기의 고체 쉘 내에 직접 또는 개별 쉘 내에 캡슐화되어야 하는데, 이 개별 쉘은 밀폐 후에, 최대 음향 투명성으로 애노드-증강기 내로 삽입되어야 한다.

제3 추가 특징은 다음과 같은데, 플라즈마 캐소드로 향하는 애노드-증강기의 적어도 일부는 RVD 내에 장착되기 이전에 회전 타원체로 형성된다. 이는 극히 작은 볼륨으로 집중될 밀도의 기계적 솔리톤형 임펄스를 가능하게 하고, 이러한 집중의 결과로서, 단일 "폭발(shot)"에 대한 최소(약 300-1000 J) 에너지 소모로 변성 생성물의 10 ¹⁷ 내지 10 ¹⁸ 원자의 핵출력을 갖는 초응축 상태까지 각각의 표적 물질의 충격 압축을 제공하게 한다.

제4 추가 특징은 다음과 같은데, 표적은 내부 및 외부 회전 타원체의 중심들이 실질적으로 일치하는 그러한 방식으로 애노드-증강기의 내부에 단단히 고정되는 회전 타원체 본체의 형태로 형성된다. 이는 변성된 재료의 핵출력을 본질적으로 증가시키게 한다.

제5 추가 특징은 다음과 같은데, 애노드-증강기는 전자 에너지가 1.5 MeV까지이고, 전류 밀도가 10 ⁸ A/cm ² 보다 크지 않으며, 지속 기간이 50 ns보다 길지 않은 전자 빔에 의해 작동된다. 이들 파라미터들은 주기율표의 "중간 부분"으로부터의 화학 원소의 가장 안정된 원자로 구성된 표적을 처리하기 위한 핵융합 공정에 충분하다.

제6 추가 특징은 전자 빔의 전류 밀도가 10 ⁷ A/cm ² 보다 크지 않은데, 이는 대부분의 응축된 표적 재료의 효과적인 충격 압축에 충분하다.

제7 추가 특징은 RVD 진공 챔버 내의 잔류 압력은 0.1 Pa보다 크지 않은 레벨로 유지되는데, 이는 RVD 전극들 간의 가스 방전을 방지하기에 충분하다.

제2 관점에서의 문제점은 물질의 충격 압축을 위한 장치에서 해결되는데, 이 장치는 RVD에 기초하고, 이 장치는:

진공 챔버를 한정하기 위해 축 대칭적으로 성형된 전류-전도성 재료로 그 일부가 만들어진 강한 가스 기밀 하우징, 및

실질적으로 동일한 기하학적 축 상에 진공 챔버 내에 갭을 두고 장착되는 선대칭 애노드-증강기 및 선대칭 플라즈마 캐소드를 포함하고, 적어도 상기 캐소드가 펄스 고전압 전원에 접속되며, 본 발명에 따르면,

플라즈마 캐소드는, 후 단부(rear end)의 둘레가 적어도 연속 갭을 두고 캐소드의 대칭축에 수직인 평면 내에서 전류-전도성 로드의 둘레를 감싸고, 방출 표면의 면적이 애노드-증강기의 최대 단면적보다 큰 유전체 단부 소자를 포함하는 전류-전도성 로드의 형태로 만들어지고,

적어도 하나의 전극에는 전극들 간의 갭을 조정하기 위한 수단이 제공되며,

상기 플라즈마 캐소드와 애노드-증강기의 공통 기하학적 축으로부터 진공 챔버의 전류-전도성 벽의 내측면까지의 거리는 50 d _max 보다 큰데, 여기서 d _max 는 애노드-증강기의 최대 단면적 치수이다.

상기 특징들의 조합을 갖는 RVD는 적어도, 특정 화학 원소의 원자핵을 다른 화학 원소의 원자핵으로 변성하기에 유용한데, 이는 본 발명에 따른 방법의 주제에 대한 논평에 기술되어 있다.

제1 추가 특징은 다음과 같은데, 플라즈마 캐소드의 전류-전도성 로드는 뾰족하고, 유전체 단부 소자에는 상기 로드 상에서의 세팅을 위한 오프닝이 제공되는데, 상기 세팅부는 뾰족한 단부와 함께 상기 오프닝 내부에 위치한다. 그러한 디자인은 전류-전도성 로드에 대해 유전체 단부 소자를 시프팅(shifting)시키므로써 RVD 내의 전극들 간의 갭을 적어도 부분적으로 조정하고, 플라즈마 캐소드 동작을 안정화시킬 수 있다.

제2 추가 특징은 다음과 같은데, 애노드-증강기는 단면적이 원형이고, 변성될 주 질량 재료가 전류-전도성인 재료로만으로 완전히 제조된다. 이는 순수 금속 및 금속 합금의 가장 간단한 견본에 대한 변성의 효과를 시현하게 하고, 특히 초우라늄을 제조하게 한다.

제3 추가 특징은 다음과 같은데, 애노드-증강기는 합성물로 만들어지고, 적어도 하나의 단층의 고체 쉘 및 이 쉘에 의해 타이트하게 감싸지는 삽입 표적을 포함하며, 상기 표적은 회전체 형태이고, (0.05-0.2) d _max 의 직경을 갖는 임의 응축된 재료로 만들어지는데, 여기서 d _max 는 애노드-증강기의 최대 단면적 치수이다. 이는 원자핵의 변성을 위한 목적 뿐만 아니라, 볼륨 내에 에너지를 생성할 목적으로 물질의 충격 압축을 실행하게 하는데, 여기서 핵융합 공정은 로슨 기준(Lawson criterion)을 초과하는 상당량(최소한 주문에 의한)으로 처리된다.

제4 추가 특징은 다음과 같은데, 바람직하게는 전류-전도성 재료로 된 적어도 하나의 실드가 애노드-증강기의 꼬리 부분에 장착된다. 이는 초응축 상태로 주 표적의 충격 압축의 결과로서 생성된 핵융합 공정의 생성물의 일부를 획득할 수 있고, 애노드-증강기의 변성된 입자들의 확산시에 핵 반응에 대한 추가 표적으로서 기능할 수 있다.

제5 추가 특징은 다음과 같은데, 상기 실드는 상기 애노드-증강기의 플라즈마 캐소드 단부에 가장 가까운 곳으로부터 20 d _max 까지의 간격만큼 떨어져 있고 직경이 5 d _max 보다 작지 않은 얇은 벽의 회전체인데, 여기서 d _max 는 애노드-증강기의 최대 단면적 치수이다. 그러한 실드는 애노드-증강기 표면의 주요 부분 상에 전자 빔의 자체-포커싱을 촉진하고, 핵융합 공정의 생성물의 실체 부분을 획득한다.

제6 추가 특징은 다음과 같은데, 상기 얇은 벽의 회전체는 애노드-증강기의 측면에 평평하거나 오목한 표면을 갖는다. 이는 진공 챔버 벽 상에서의 핵융합 공정 생성물의 침전을 상당히 지연시킨다.

제3의 부가적 관점에서의 문제점은 해결되는데, 그 이유는 본 발명에 따른 펄스형 고전압 전원 및 유전체 단부 소자에의 접속을 위한 전류-전도성 로드를 갖는 선대칭 플라즈마 캐소드에서, 유전체 소자의 후 단부의 둘레가 적어도 캐소드의 대칭축에 수직인 평면 내에서 연속 갭을 두고 상기 로드의 둘레를 감싼다는 점이다.

표면을 따라 생기는 브레이크다운의 경우에, 그러한 캐소드의 유전체 단부 소자는 실질적으로 플라즈마로 즉시 커버된다. 그러한 플라즈마에서의 전자 일 함수는 거의 0에 가깝다. 따라서, RVD 전극 내의 전류는 갭 사이에 들어가고, 전자 빔 내의 전체 전자 에너지는 파라미터들의 물리적으로 허용가능한 최대값과 실질적으로 일치한다. 그 이유는 본 발명의 플라즈마 캐소드가 물질의 충격 압축을 위한 RVD 기초 장치에서 특히 유용하기 때문이다.

제1 추가 특징은 다음과 같은데, 플라즈마 캐소드의 전류-전도성 로드는 뾰족하고, 유전체 단부 소자에는 상기 로드 상에서의 세팅을 위한 오프닝이 제공되는데, 그 세팅부는 뾰족한 단부와 함께 상기 오프닝 내부에 위치한다. 상술한 바와 같이, 이는 RVD 전극들 간의 갭을 조정하기 위한 적어도 하나의 수단으로서 플라즈마 캐소드를 사용할 수 있게 한다.

제2 추가 특징은 다음과 같은데, 유전체 단부 소자는 블라인드(blind) 오프닝을 구비하는데, 이는 RVD 전극들 간의 갭을 조정하는데 있어서 좀 더 바람직하다.

제3 추가 특징은 다음과 같은데, 유전체 단부 소자는 관통 오프닝(through opening)을 구비하는데, 이는 플라즈마 클라우드(plasma cloud)의 형성을 조정하는데 있어서 좀 더 양호할 수 있고, 각각, 브레이크다운의 순간에 RVD 동작을 안정화시킨다.

제4 추가 특징은 다음과 같은데, 유전체 단부 소자는 단일 카본-대-카본 결합을 갖는 카본-체인 중합체, 유기 결합제를 갖는 페이퍼-기재 적층물 또는 텍스토라이트형(textolite type) 합성 재료, 흑단 나무, 천연 또는 합성 운모, 주기율표의 III-VII족에 속하는 금속들의 순수 산화물, 무기 유리, 시탈(sitall), 세라믹 유전체 및 현무암-섬유 펠트(basalt-fiber felt)로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어진다.

이러한 바람직한 재료의 리스트는 다양한 조건을 고려하여 유전체의 선택을 허용한다. 예를 들면, 상기 유기 재료 및 현무암-섬유 펠트는 유전체 단부 소자를 제조하고 이들을 처리하면서 RVD 전극들 간의 갭을 조정할 시에 편리성 측면에서 유용하고, 나머지 상기 무기 재료는 각각의 다음 '폭발' 후에 RVD 진공 챔버 내의 잔류 압력에 대한 내마모성 및 최소 효과의 견지에서 유용하다.

제5 추가 특징은 다음과 같은데, 유전체 단부 소자는 브레이크다운의 경우에 플라즈마 클라우드의 형성을 용이하게 하기 위해 현상된 표면을 갖는다.

제6 추가 특징은 다음과 같은데, 상기 유전체 소자의 최소 단면적 치수는 c _{de min} = (5-10)· c _{cr max} 이고, 상기 유전체 소자의 길이는 l _de = (10-20)· c _{cr max} 인데, 여기서 c _{cr max} 는 전류-전도성 로드의 최대 단면적 치수이다. 플라즈마 캐소드 부분들의 상대적 치수들은 RVD 전극 중간 갭 내의 핀치를 완전히 배제하고, 애노드-증강기의 실제 부분 상에 전자 빔 자체-포커싱을 보장한다.

다음은 잘 알려진 사실이다:

본 발명의 특정 실시예의 선택 시에, 주요한 발명 개념을 갖는 상기 추가 특징들의 임의 조합이 가능하고,

이러한 발명 개념은 본 분야의 숙련자들의 일반적 지식을 사용하여 클레임에 의해 정의된 범위 내에서 특정되고/또는 보충될 수 있으며,

후술될 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.

본 발명에 따른 장치(도 1)는 RVD를 기초로 만들어진다.

필수적인 부분은 다음과 같다:

유전체 단부 커버(2)로 동작 조건에 따라 폐쇄되고, 적어도 하나의 파이프(도시안됨)를 통해 필요할 때 진공 펌프에 접속되는 진공 챔버를 한정하기 위해 선대칭적으로 성형된 전류-전도성 재료(예를 들면, 구리 또는 스테인레스 스틸)로 부분적으로 만들어진 강한 가스 기밀 하우징(1);

횡단면이 바람직하게는 원형이고, 종단면이 바람직하게는 테이퍼형이고, 커버(2) 내에 견고하고 타이트하게 고정되고, 후술될 펄스형 고전압 전원에 RVD의 접속을 위해 의도된 비소모성 선대칭 전류-전도성 로드(3);

-로드(3) 내에 고정된 꼬리를 갖는 전류-전도성 로드(4), 및

-로드(4)와 견고하게 접속되고, 로드(4)의 단면적을 초과하는 작업 단부의 면적을 갖는 유전체 단부 소자(5)를 포함하는 교체가능한(소모성) 선대칭 플라즈마 캐소드;

최대 단면적이 유전체 단부 소자(5)의 방출 표면의 면적보다 작은 완전체이거나 표적(7)을 포함할 수 있는 선대칭 애노드-증강기(6);

선택적으로, 애노드-증강기(6)의 꼬리부 상에 장착된, 바람직하게는 전류-전도성 재료의 실드(8); 및

전극들 간의 갭, 즉 동일한 기하학적 축을 따라 실질적으로 둘 다 놓여 있는, 대칭축을 갖는 플라즈마 캐소드의 유전체 소자(5)의 단부 표면의 교차 포인트와 애노드-증강기(6)의 단부에서의 유사한 포인트 간의 공간을 조정하기 위한 적어도 하나의 수단 (특별히 도시되지는 않았지만 플라즈마 캐소드(4, 5) 및 애노드-증강기(6)의 윤곽 아래에 한 쌍의 화살표로 표시됨).

가장 간단한 경우에서의 RVD 펄스형 고전압 전원(도 2)은 적어도 2개의 플라즈마 (또는 다른) 전류 차단기를 갖는 적어도 하나의 용량성 또는 유도성 에너지 저장기를 포함하는 본 분야의 시스템에서 숙련자들에게는 잘 알려질 수 있다. 그러나, 바람직하게는 "하이브리드"형 전원인데(예를 들면, 1. PF Ottinger, J.Appl.Phys., 56, No.3, 1984; 2. GI Dolgachev 등. Physics of Plasma, 24, No. 12, p.1078, 1984 참조), 이는 다음과 같은 구성으로 직렬로 접속되어 있다(도 2):

산업상의 전력 네트워크와 고전압 출력 권선에 접속하기 위한 수단을 갖는 입력 변압기(9),

적절한 (도시안된) 캐패시터 및 인덕터를 포함하는 저장 LC-회로(10), 및

한 평면 내에 대칭적으로 위치한, 본 분야의 작업자들에게는 잘 알려진 한 세트의 플라즈마 총(gun)들을 포함하는 LC-회로 내의 방전 전류의 플라즈마 차단을 위한 유닛(11)으로, 한 세트의 수는 보통 (특히, 12까지) LC-회로 내의 캐패시터의 수와 같은, 상기 유닛.

물론, 상기 전력 유닛 이외에도, RVD 펄스형 고전압 전원은 적어도 하나의 로고프스키 벨트(Rogovski belt) 및 적어도 하나의 용량성 전압 분배기와 같은, 펄스 전류 및 전압을 측정하기 위한 (도시안된) 수단을 보통 채택한다.

그러한 형태의 전원은 후술될 초응축 상태로 충격에 의한 물질의 압축시의 실험에서 RVD 공급을 위해 사용되었다. 이러한 소스는 제어된 파라미터의 다음 값들을 제공한다:

빔 전자의 평균 에너지 .......................... 0.2 내지 1.6 MeV

전자 빔 지속 기간 .............................. 100 ns 이하

전자 빔 전력 ................................... 2×10 ⁹ 내지 0.75×10 ¹² W

고전압 방전 전류 ............................... 10 kA 내지 500 kA.

물질의 충격 압축 방법을 효과적으로 실행하기 위해서, RVD 및 표적의 개별 부분을 생성할 때 다수의 추가 조건을 따르도록 제안된다.

따라서, 플라즈마 캐소드(4, 5)와 애노드-증강기(6)의 공동의 기하학적 축으로부터 하우징(1)의 전류-전도성 벽의 내면까지의 거리가 50 d _max 를 초과하는 것이 중요한데, 여기서 d _max 는 애노드-증강기(6)의 최대 단면적 치수이다.

플라즈마 캐소드(도 3)는 뾰족한 전류-전도성 로드(4) 및 블라인드 또는 관통 오프닝이 제공된 유전체 단부 소자(5)를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 소자(5)는, 뾰족한 단부와 함께 로드(4)의 세팅부가 상기 오프닝의 내부에서 발견되도록 약간 타이트하게 로드(4) 상에 맞춰져야 한다. 오프닝의 횡단면과 로드(4)의 횡단면(대칭축의 조건이 제공된)에서의 오프닝의 형태는 원형이 아닐 수 있다. (예를 들면, 도 4 등에 도시된 바와 같이, 달걀형, 타원형, 별형).

또한, 최소한 플라즈마 캐소드의 대칭축에 수직인 평면 내에서 유전체 소자(5)(도 4)의 후단부의 둘레가 연속 갭을 두고 전류-전도성 로드(4)의 둘레를 감싸는 것이 바람직하다. 이러한 조건은 로드(4)와 소자(5)의 횡단면 윤곽의 다양한 형태로 제공될 수 있음을 알 수 있다.

플라즈마 캐소드의 유전체 단부 소자(5)가 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 초기에 거친, 또는 적어도 하나의 임의 방향으로 고의로 주름잡힌, 현상된 외부 표면을 갖는 것이 매우 바람직하다. 특히, 횡단면이 선대칭으로 다중-뾰족한 별 형태를 갖는 소자(5)가 사용될 수 있다.

상기 소자(5)의 최소 단면적 치수 c _{de min} 이 (5-10)· c _{cr max} 의 범위 내에 있고, 길이 l _de 는 (10-20)· c _{cr max} 의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 여기서 c _{cr max} 는 전류-전도성 로드(4)의 최대 단면적 치수이다.

플라즈마 캐소드의 상기 소자(5)는 유전체 재료로 만들어질 수 있는데, 이는 (선택된 형태 및 치수에서) RVD 전극들 간의 갭 내의 선택된 작업 전압 하에서 브레이크다운이 가능하게 한다.

그러한 재료는 단일 카본-대-카본 결합을 갖는 카본-체인 중합체 (예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 유기 결합제를 갖는 페이퍼-기재 적층물 또는 텍스토라이트형(textolite type) 합성 재료, 흑단 나무, 천연 또는 합성 운모, 주기율표의 III-VII족에 속하는 금속들의 순수 산화물, 무기 유리, 시탈(sitall), 현무암-섬유 펠트(basalt-fiber felt) 및 세라믹 유전체로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상술된 바와 같이, 선대칭 애노드-증강기(6)는:

완전체이고(도 5), 대량의 바람직하게는 금속 재료 (순수 금속 및 합금 둘 다를 포함) 내에서 보통 전류-전도성인 임의 고체, 예를 들면, 구리, 탄탈, 납 등으로 구성되거나;

바람직하게는 전류-전도성 재료로 만들어진 적어도 하나의 단층의 바람직하게는 구형 쉘(6), 및 충격에 의해 압축될 임의 응축된 (고체 또는 액체) 물질로 만들어지고 상기 쉘 내에 단단히 고정된 선대칭 삽입 표적(7)을 포함한다(도 6).

선대칭 삽입 표적(7)의 최대 직경은 (0.05-0.2)· d _max 의 범위 내에서 바람직하게 선택되고, d _max 는 전체적으로 애노드-증강기(6)의 최대 단면적 치수이다. 표적(7) 본체의 기하학적 형태와는 무관하게, 표면 만곡의 중심이 애노드-증강기(6)의 작업 표면의 만곡 중심과 실질적으로 일치하도록 애노드-증강기(6)의 내부에 고정되어야 한다. 애노드-증강기(6)의 재료 내에서 및 표적(7)의 재료 내에서의 변위 밀도(dislocation density)가 가능한 작고, 음향 접촉이 이들 부분들 사이에 제공되는 것은 매우 중요하다.

애노드-증강기(6)의 꼬리 부분에 장착될 수 있는 상기 실드(8)는 보통, 바람직하게는 얇은 벽의 회전 본체로서 전류-전도성 재료로 만들어진다. 상기 실드(8)의 직경은 5 d _max 보다 작지 않아야 되고, 애노드-증강기(6)의 작업 단부로부터의 거리는 20 d _max 보다 크지 않아야 되는데, 여기서 d _max 는 애노드-증강기(6)의 최대 단면적 치수이다. 상기 실드(8)가 애노드-증강기(6)의 작업 단부의 측면에서 평평하거나 오목한 표면을 갖는 것이 바람직하다(도 5 및 도 6).

보통 상기 장치를 사용하여 물질의 충격 압축을 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다:

a) 상기 플라즈마 캐소드의 전류-전도성 로드(4)를 비소모성 전류-전도성 로드(3)에 접속하는 단계;

b) 다음의 변형체들 중 하나로 둥글게 된 작업 단부를 바람직하게 포함하는 한 세트의 대체가능한 선대칭 애노드-증강기(6)를 생성하는 단계, 상기 변형체들은:

(변성 또는 소정의 다른 원자핵 변성을 위한) 충격에 의해 압축될 재료로 된 완전한 조각의 형태로 되어 있거나 ,

또는, (변성 또는 소정의 다른 원자핵 변성을 위한) 충격에 의해 압축될 재료(필요에 따라, 예비로 캡슐화됨)로 만들어진 표적(7)이 타이트하게 삽입되는 바람직하게는 단층 쉘의 형태로 되어 있다;

c) (선택적으로) 구리, 납, 니오븀, 탄탈 등으로 만들어진 전류-전도성 실드(8)를 적어도 소정의 애노드-증강기(6)에 고정하는 단계;

d) 플라즈마 캐소드(4, 5)와 동일한 기하학적 축 상에서 실제로 RVD 하우징(1)의 진공 챔버 내에 각각의 다음 애노드-증강기(6)를 배치하는 단계;

e) 애노드-증강기(6)의 작업 표면의 만곡 중심이 RVD를 통한 전원의 펄스 방전 시에 집합적 자체-포커싱 전자 빔의 초점 공간 내부에 위치하는 방식으로, 애노드-증강기(6)와 플라즈마 캐소드의 유전체 단부 소자(5)의 작업 단부들 간의 갭을 조정하는 단계;

f) RVD의 강한 가스 기밀 전류-전도성 하우징(1)의 플랜지 상에 단부 유전체 커버(2)를 고정시키므로써 진공 챔버를 밀폐하는 단계;

g) RVD 하우징(1) 내의 챔버를 진공시키는 단계, 이 단계는:

표적에 대한 제1 "폭발" 이전에 적어도 2번 실행되고 (먼저 공기를 펌프 아웃시킨 다음, 적어도 한번은 클린 드라이 니트로겐으로 불어서 배출하고 01 Pa 이하로 가스의 잔류 압력으로 재-진공시킴),

잔류 압력이 상기 값을 초과하는 경우, 각각의 다음 "폭발" 이전에 적어도 한번 실행된다;

h) 입력 변압기(9)를 통해 전력 네트워크에 RVD의 외부 고전압 전원을 접속하고 LC-회로(10) 내에 실험에 필요한 전기 에너지를 저장하는 단계;

i) 전자 에너지가 적어도 0.2 MeV이고, 전류 밀도가 적어도 10 ⁶ A/cm ² 이며 (바람직하게는, 10 ⁸ A/cm ² 이하, 더욱 바람직하게는 10 ⁷ A/cm ² 이하), 지속 기간이 100 ns보다 길지 않은 (바람직하게는, 50 ns이하) 전자 빔의 생성으로, RVD 애노드-증강기(6) 상에 전류 펄스의 플라즈마 차단을 위한 유닛(11), 비소모성 선대칭 전류-전도성 로드(3), 대체가능한 전류-전도성 로드(4) 및 유전체 단부 소자(5)를 통해 LC-회로(10)를 방전하는 단계;

j) 표적 물질의 일부를 초응축 상태로 압축한 후에 수득된 생성물을 RVD 하우징(1)의 진공 챔버로부터 제거하고, 이들 생성물을 보통 사용하는 기술에 의해 연구하는 단계.

실험의 표적은 다음과 같은 목적으로 사용되었다:

초응축 상태로 물질을 충격 압축한 결과로서 변성 효과를 시현하고 (도 5에 따른 완전체의 애노드-증강기(6)),

방사성 재료의 비활성화의 가능성을 평가한다. (도 1 및 도 6에 따른 표적(7)이 삽입된 공동-본체(hollow-body) 애노드-증강기(6)). 상술한 바와 같이, 표적(7)은 애노드-증강기(6) 내에 삽입되어 접합 접촉부의 최대 음향 투명성을 제공하여야 하고, 상기 구성 요소들 둘다의 작업 표면의 만곡 중심들은 실제로 일치하여야 한다.

완전한 애노드-증강기(6)들은 일반적으로, 0.2 내지 0.5 mm의 범위에서 작업 단부의 평균 곡률 반경을 갖는다. 애노드-증강기(6)들은 특히, 구리, 탄탈 및 납과 같은 화학적으로 순수한 금속들로 만들어졌다. 그러한 애노드-증강기(6)는 외부에 저장될 수 있다. 표면 (특히 구리 및 납의) 상에 나타나는 산화막은 방해되지 않고, 몇몇 관측에 따라, 상기 목적에 따른 사용을 강화시키기도 한다.

삽입된 표적(7)은 우크라이나 공화국의 국가 과학 연구원의 핵 연구소에서 U-120 사이클로트론을 통한 천연 니켈의 조사(照射)에 의해 생성된 Co ⁵⁶ 및 Co ⁵⁸ 의 인공적인 혼합물 및 가용 Co ⁶⁰ 동위 원소로 만들어진 펠릿(pellet)의 형태를 갖는다.

그러한 표적의 사용은 RVD 진공 챔버 내부에 장착된 폴리카프로락탐(capron)으로 만들어진 추가 쉘(도시안됨)을 필요로 했다. 이들 쉘들은 RVD 전극들 둘다를 감싸고, 하우징(1) 및 RVD 커버(2)의 벽들 상에서의 방사성 코발트 침전의 위험성을 상당히 감소시켰다.

초기 방사성 값 및 사용된 코발트 동위 원소의 변성 후에 얻어진 값들은 보통의 게르마늄-리튬 감마선 검출기에 의해 제어되었다.

천번 이상의 조정 실험들이 초응축 상태로 물질을 충격 압축할 시의 동작 실험의 개시 이전에 실행되었다. 조정 실험의 결과는 표적 만곡 중심을 RVD 전자 빔의 초점 공간 내로 타격하기 위해서 RVD 전극들 간의 갭의 폭을 선택하고, 좀 더 정확하게 (플라즈마 캐소드 부분(4, 5) 및 애노드-증강기(6)의 치수, 및 차지(charge)의 특정 파라미터를 고려하여) 정의하는 것을 도왔다.

동작 실험들은 연속적으로 실행되었다. 그들 실험 회수는 상이한 시리즈마다 변하고, 그 범위는 (방사성 코발트의 변성시에는) 50부터 수백까지였다. 모든 실험들은 전체적으로 번호가 매겨졌다.

사용된 표적의 초기 데이터, 방전 파라미터 및 얻어진 결과는 순차적 번호 순서로 로그북(logbooks)에 기록되었다.

RVD 전극들 간의 갭 내에서의 전압 및 전류 펄스의 형태, 및 전자 빔의 실제 지속 기간은 전류 및 전압 오실로그램으로 체크되었고, 전형적인 예는 도 7에 도시되었다. 이들 및 많은 다른 오실로그램은 전자 빔의 지속 기간이 100 ns를 초과하지 않음을 보여준다.

전자 빔 전류는 (RVD 플라즈마 캐소드 상의 급격한 전압 강하에도 불구하고) 피크값에 비해 단지 약간 감소됨을 안다는 것은 중요하다. 이는 플라즈마 캐소드(4, 5)들의 사용의 효율성을 증명한다.

전자 빔 생성 공정의 제어된 파라미터와 관련하여 조정 실험 결과의 통계적 처리 후에, 전극 갭의 근접 치수 및 초점 공간 볼륨의 근사치가 결정된다. (표 1 참조).

표 1

전자 빔 생성 공정의 나머지 파라미터에 대한

전극들 간의 갭 및 초점 공간 볼륨의 종속성

동작 실험에서 RVD 전극들 간의 갭의 이들 한계치는 다음을 보장한다:

첫째, 완전한 애노드-증강기(6)의 작업 표면의 만곡 중심을 집합적 자체-포커싱 전자 빔의 초점 공간 내로의 타격 (그리고, 표적(7)들을 사용하는 경우에는, 그들 표면의 만곡 중심의 타격), 및

둘째, RVD 전원의 각각의 펄스형 방전 후의 변성 효과의 공개.

더우기, 표 1에 리스트된 파라미터에 따르면, 애노드-증강기(6)의 작업 단부의 표면 상의 전류 밀도는 10 ⁶ A/cm ² 내지 10 ⁸ A/cm ² 의 범위 내에서 설정이 가능하다. 충격 압축 실험의 주요 부분에 있어서, 이러한 파라미터는 10 ⁶ A/cm ² 내지 10 ⁷ A/cm ² 의 범위 내에서 유지된다.

모든 동작 실험의 결과는 보다 균일하게 나타났는데, 즉:

다양한 (경량 및 중량, 심지어는 슈퍼-중량의 초우라늄) 화학 원소의 실제로 안정된 동위 원소의 넓은 스펙트럼 형태의 변성 생성물은 초기 재료의 일부 (평균 30% 중량 정도)로부터 나타나고;

이들 생성물 및 완전한 애노드-증강기(6) (및 삽입 표적(7))의 화학적 불변의 잔류물은 주로 플라즈마 캐소드와 반대 방향으로의 충격 압축의 볼륨으로부터 산산히 흩어졌고, 가능하면 RVD의 진공 챔버의 벽 상에서 및/또는 실드(8) 상에서 다양한 형태 및 치수의 물방울형(drop-shaped) 집합체로서 응결되었다.

상기 생성물들은 연구를 위해 수집되었다.

전자 마이크로프로브-분석기 REMMA-102, Tesla 및 Cameca는 원소와 동위 원소의 합성물의 후속 연구를 목적으로(및 특정의 경우에는, 그러한 집합체의 형상의 등록을 위해) 변성 생성물의 분리형 집합체의 검출, 및 표면(특히 실드(8)) 상의 위치 결정을 위해 사용되었다. JEOL에 의한 오거(Auger) 스펙트로미터의 Jamp 10S 모델, 키예브(Kiev)의 국립 TG 셰브첸코(Shevchenko) 대학교 (우크라이나 공화국)에 의해 설계된 타임-오브-플라이트(time-of-flight) 펄스형 레이저 질량-스펙트로미터, 이온 마이크로프로브-분석기 CAMECA의 IMS-4f 및 FINNIGAN의 고감도 질량-스펙트로미터 VG9000이 상기 생성물의 원소 및 동위 원소 합성물의 연구를 위해 사용되었다.

완전한 애노드-증강기(6)의 초응축 상태로의 충격 압축시에 모든 동작 실험의 결과로서, 본질적인 불일치는 초기 합성물 (각각의 시리즈에서 모든 표적에 대한 실질적으로 하나의 화학 원소)과 변성 생성물의 원소 및 동위 원소 합성물 간에 관측된다.

그러한 것을 확실히 알기 위해서, 도 8 내지 도 13을 살펴 보는데, 여기서 수직 파선은 초기 화학 원소의 원자핵의 차지를 나타낸다.

표적의 초기 재료에서는 제시되지는 않았지만 변성의 생성물에서 나타난 화학 원소의 동위 원소는 도 8, 도 10 및 도 12에서 도시된다:

밝은 원은 핵 융합 공정의 상기 생성물에서의 농도를 나타내고,

검은 사각형은 지각 내의 농도를 나타낸다.

원자핵 충전 및 이들 동위 원소의 중량비는 각각 X 및 Y 축 상의 수치 데이터를 사용하여 쉽게 결정된다.

밝은 삼각형 및 인접한 화학 심볼에 의해, 도 9, 도 11 및 도 13은 다음 공식으로 계산된 자연 존재비로부터 특정 화학 원소의 농도(중량비%)의 상대적 편차 Y를 나타낸다:

A는 변성 물질 내의 특정 화학 원소의 특정 동위 원소의 비율이고,

B는 지각 내의 동일 화학 원소의 동일 동위 원소의 비율이다.

도 8, 도 10 및 도 12에서 명확히 도시된 바와 같이, 초기의 구리, 탄탈 및 납의 변성 공정에서, 모 원소(parent element)의 원자핵 차지(nuclear charge)에 비해 더 작거나 더 큰 Z 원자핵 차지를 갖는 다양한 화학 원소의 동위 원소의 넓은 스펙트럼이 나타난다.

그러나, 표적 재료의 원자핵 차지가 클수록, 250 원자 질량 단위보다 큰 (체크될 몇몇 경우에서, 600 amu 이상)의 원자 질량을 갖는 안정된 초우라늄 (아직 식별되지 않은 것도 포함) 제조의 가능성이 높아진다.

그러한 질량을 갖는 원자의 존재는 이온 질량 분광 방법에 의해 먼저 검출된 다음, 러더포드 알파 및 프로톤 백-스캐터링의 공지된 방법에 의해 입증된다.

더우기, 도 9, 도 11 및 도 13은 변성 생성물 내의 화학 원소의 실질적인 부분의 농도가 지각 내의 정상 농도를 통계적으로 신뢰성 있게 (3배 이상으로, 및 몇몇은 5-10 그 이상의 배수로) 초과함을 명확하게 보여준다. (0.5부터 1.0까지 Y 값의 범위 내에서 검은 색으로 표시된 면적 참조). 이는 분명하게 핵융합 공정의 그러한 생성물의 인공적인 발생을 입증한다.

원소 및 동위 원소 합성물에서의 변화에 있어서, 유사한 결과가 방사성 코발트로의 실험에서도 얻어진다. 그러나, 이들 경우에서, 주 관심사는 초점 공간 내에 있는 표적의 일부에서, 다른 화학 원소의 비방사성 동위 원소 내로 코발트의 방사성 원자핵의 변성으로 인해 확산된 표적의 생성물 내에서의 방사성을 감소시키는데 있다.

이러한 감소는 본질적으로, 개별 샘플에 따라 변하는데, 이는 삽입된 표적(7)의 재료와 애노드-증강기의 캐비티 내의 내벽들 간의 음향 접촉 세기에서의 차이에 의해 설명되어질 수 있다. (표 2 내의 로그-북으로부터의 데이터 참조).

표 2

확산된 코발트 표적의 생성물에서의 방사성 감소

따라서, 샘플 번호 2479는 2.2% 만큼만 방사능 제거되는 반면, 샘플 번호 2397 및 2588은 변성 결과에 따라 그들 방사능을 45% 이상 잃는다.

또한, 명확히 설정하자면, 핵융합 공정의 생성물 내에서 검출된 각각의 화학 원소의 원자들의 집성체에서의 동위 원소 분포는 본질적으로 지각 내의 동일한 동위 원소의 분포와는 다르다.

그러한 상당한 불일치의 가장 명백한 예는 천연 샘플(도 14)에서의 니켈의 동위 원소의 정상 분포와 구리 표적의 변성에 의해 생성된 니켈 원자의 2개의 집합체(도 15 및 도 16) 내에서의 니켈의 동위 원소의 정상 분포 간의 차이이다. 따라서, Ni ⁵⁸ 동위 원소의 내용물이 천연 니켈의 중량에서 70%까지이고, 반면에 구리 변성의 생성물 (표적 내에서 우위적인 Cu ⁶³ 동위 원소를 갖는) 에서의 Ni ⁵⁸ 비율은 10%를 초과한다. 마찬가지로, Ni ⁶⁰ 동위 원소의 내용물은 본질적으로 (보통 2번) 감소되는 반면에 Ni ⁶² 의 내용물은 급격하게 감소한다.

마지막으로, 본 발명에 따른 방법에 의해 초응축 상태로 물질의 충격 압축의 명백한 증거는 큰 본체보다는 RVD 초점 공간으로부터의 분출물인데, 큰 본체의 형태는 최소한 전자-원자핵 및, 심지어는 상기 공간 내의 전자-원자핵 플라즈마의 짧은 주기의 외형에 필요한 조건의 존재를 가시적으로 입증한다.

따라서, 도 17에서, 본질적으로, 구리 실드의 배경 상에서 실리콘 및 구리 동위 원소들의 혼합물을 갖는 93% 중량비의 Fe를 포함하는 철 반구형이 제시된다.

명백하게, 이러한 반구형은 구리 애노드-증강기(6)의 실질적인 부분으로부터 형성된 구형 본체의 단편이다. (출원인의 로그-북에 따른 샘플번호 4908). 이는 외부 직경이 약 95 ㎛이고, 약 35 ㎛ 직경의 실질적인 동심 구형 캐비티를 포함한다. 반구형의 링 단부의 주요부의 거칠기는 초기 구형의 크랙(crack)에 의해 설명될 수 있다.

샘플 번호 4908의 실험에서, 전자 빔의 초점 공간의 중심이 실질적으로 표적 곡면 중심과 일치한다는 것은 쉽게 가정할 수 있다. 이 경우, 솔리톤형 밀도 펄스는 개시된 생성물 내에서 구형 캐비티로서 제시된 볼륨 내에서 자체 포커스된다.

충격에 의한 물질의 압축 장치는 상업적으로 이용가능한 부품들을 사용하여 제조될 수 있고, 본 발명에 따른 방법은 고효율의 개발과 구현, 및 다음의 환경적으로 안전한 기술에 기초할 수 있다:

첫째, 자연에 관한 지식을 넓히기 위해 매우 중요한 안정된 초우라늄의 합성;

둘째, 그리고 안정된 동위 원소의 실험적 제조를 위한 그리고 수명이 긴 방사성 동위 원소를 포함하는 방사성 재료 (원자력 산업 폐기물을 포함하는)의 중화를 위한 공지된 화학 원소의 원자핵의 변성; 및

셋째, 자연에 널리 분포된 화학 원소 및 연료로서의 그들의 합성물을 사용하는 ICF.