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/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / physics / fusion / 3176 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1993-01-06  |  7.9 KB

  1. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!ut-emx!johncobb
  2. From: johncobb@ut-emx.cc.utexas.edu (John W. Cobb)
  3. Newsgroups: sci.physics.fusion
  4. Subject: Re: electrostatic fusion
  5. Message-ID: <86257@ut-emx.uucp>
  6. Date: 6 Jan 93 22:19:40 GMT
  7. References: <1992Dec29.112835.62319@cc.usu.edu> <1992Dec31.055118.11523@asl.dl.nec.com> <C0CIoo.Iun@efi.com>
  8. Sender: news@ut-emx.uucp
  9. Reply-To: johncobb@ut-emx.cc.utexas.edu (John W. Cobb)
  10. Organization: The University of Texas at Austin
  11. Lines: 149
  12.  
  13. In article <C0CIoo.Iun@efi.com>, chrisp@efi.com (Chris Phoenix) writes:
  14. |>In article <1992Dec31.055118.11523@asl.dl.nec.com>
  15. terry@asl.dl.nec.com writes:
  16. ...
  17. |>>The thing to remember about these field emission effects is that while they
  18. |>>do permit electrons to stream off in a decidedly non-classical fashion from
  19. |>>a cold needle, the total acceleration provided by the effect is no higher
  20. |>>than it would be for the same voltage differential without the sharp points.
  21. |>>
  22. |>>Why?  Because the region of extremely high field gradient is also very, very
  23. |>>short.  It has to be -- a voltage difference is a voltage difference is a
  24. |>>voltage difference, and if you "use up" most of the gradient in a very short
  25. |>>distance, the rest of the gradient will just be very shallow.  E.g.:
  26. |>
  27. |>OK, I'll stick my neck out again.  According to this analysis, if you
  28. |>put the same number of electrons on a big sphere or a small sphere, a
  29. |>proton at the surface of either sphere has the same potential energy
  30. |>relative to a distance of infinity from the sphere.  This seems
  31. |>correct to me.
  32. |>
  33.  
  34. chop, thump, bump, roll, roll. Sorry Chris, welcome to Decaps anonymous
  35. (Ann Bolelyn Pres. Ichabod Crane Secy.). The last statement is incorrect.
  36. Given a fixed charge (number of electrons) on the surface of a sphere, the
  37. electric potential at the surface of the sphere does depend on the radius.
  38. If you halve the radius, the potential will be 4 times as large.
  39.  
  40. |>The point about the points (sorry) is that they allow you to cram a
  41. |>lot of electrons into a small space.  Imagine a sphere with a cone
  42. |>stuck onto it.  (Call it a "construct".)  Put some number of electrons
  43. |>onto the sphere.  Now the "voltage" at the surface of the sphere
  44. |>opposite the cone is X.  But the "voltage" at the tip of the cone may
  45. |>be 20X.  (I put voltage in quotes because I'm not sure if I should say
  46. |>"potential" or "apparent gradient" or...)  I agree that if you put the
  47. |>same number of electrons on this construct as on the above spheres,
  48. |>the potential energy of a proton at any point on its surface is the
  49. |>same as it was above.
  50. |>
  51.  
  52. I think the wording of your message is confusing. The electric field is what
  53. provides the force (i.e. how hard the field pulls the particles).
  54. Mathematically,
  55. the electric field is the gradient of the potential. The physics comes
  56. into play
  57. when you ask whether the problem at hand depends of the field or on the
  58. potential.
  59.  
  60. There are really two distinct problems here (actually many more). First
  61. consider
  62. a sphere inside a box. Assume the box is attached to a grounded wire and that
  63. the ball inside the box is attached to another wire that is held at a given
  64. potential V. This is the case that Terry is referring to. Here you can magnify
  65. the electric field if the ball is replaced by a needle. Near the point of the 
  66. needle the field can be very strong. In fact for a small arrangement, moderate
  67. voltages can cause "mini-lightning bolts" from electric fields that exceed the
  68. breakdown voltage. However, each of the electrons that leave the needle whether
  69. by breakdown at the needle's point of thermal excitation off of the midshaft
  70. will strike wall with an energy per unit charge of V volts. No matter its path,
  71. the electron will have gone through a voltage drop of V volts going from
  72. needle to wall. This is what Terry means by "a voltage drop is a voltage
  73. drop is a
  74. voltage drop".
  75.  
  76. Now consider another arrangement. Given the sample ball in the miidle of a 
  77. grounded box. Now instead of attaching it to a given reference voltage, give
  78. it a fixed charge and electrically insulate it. Now suppose that the ball is
  79. malleable and can change its size. For example, let's let the ball be a balloon
  80. attached to a air hose and pump. If, while the balloon is inflated to a radius
  81. d a single electron "sneaks" off the ball and is accelerated to the wall, it
  82. will acquire and energy of eV where V is the instantaneous voltage drop between
  83. the balloon and the wall (ground). Now deflate the balloon until its radius is
  84. d/2. Now when an electron "sneaks" off the smaller surface, it will fall
  85. through
  86. a larger electrostatic potential (about 4V if the box is large). The difference
  87. is that the ball is not held at a fixed potential but rather at a fixed charge.
  88. It's potential can fluctuate. Well this seems like something for nothing until
  89. you realize that you must do electrical work to deflate the balloon.
  90. Thus you are
  91. trading stored elastic energy in the balloon's surface tension for electrical
  92. potential energy. It is not a free lunch, it is more of an amplification scheme
  93. in the same sense that a simple lever (or pulley) allows one to lift
  94. heavy object
  95. with a small force. A similar mechanism may be responsible for the phenomena
  96. associated with sonoluminescence where a multitude of particles at low energy
  97. can act collectively to create a small number of particles at high energy. In
  98. fact there the amplification in energy can be about 10 orders of
  99. magnitude, truly
  100. enormous.
  101.  
  102. Now if you want to talk about fusion applications, you need to specify
  103. what your
  104. setup is etc. before you can intelligently answer whether it can have an
  105. effect and what that effect is.
  106.  
  107. |>If you disagree with the above two paragraphs, read this restatement:
  108. |>The voltage of the current source is a red herring--ignore it.  The
  109. |>only question is how many electrons will end up on the "construct".
  110.  
  111. That's one approach (equivalent to my econd example).
  112.  
  113. |>Terry's analysis implicitly assumes a fixed number of electrons:
  114. Nope: he assumes a fixed potential.
  115.  
  116. |>charge a sphere, then deform it into a cone.  This is not the setup
  117. |>the CF people are using.  After reading other discussion on this
  118. |>group, it sounds like it is unknown how to compute the integral
  119. |>mentioned in the previous paragraph, so there is no way to know how
  120. |>many electrons will end up on the construct.
  121.  
  122. Well not really. It is just that no one has done it yet, but it is quite
  123. doable, certainly numerically.
  124.  
  125. Let me suggest another scheme. Take a ball of charge and squeeze it
  126. into a cigar shape and then further into a needle. Now you get both
  127. advantages. 
  128. The potential goes way up just from solving poisson's equation since the charge
  129. now occupies a much smaller volume and the field gradient is even more
  130. accentuated at the two ends because of the "sharp corners" effect. Hmmm,
  131. something to think about. How you get it to cause fusions is not so clear to
  132. me.
  133.  
  134. However this looks remarkable similar to something which has recently grabbed
  135. my attention. It is a novel small-scale fusion idea with single component 
  136. plasmas. The citation is:
  137.  
  138.  "Non-neutral plasma compression to ultrahigh density"
  139. by Dan Barnes and Leaf Turner in Physics of Fluid B Vol. 4 p. 3890 December
  140. 1992.
  141. Briefly the idea is to take a single component plasma  in a penning trap and 
  142. cool it thermodynamically to cyrogenic temperautes. Pick your magnetic field
  143. such that the EXB drift causes a spin at just the right frequency. Then you
  144. can do the math and find that in the rotating frame the dynamics of the
  145. plasma is that of motion in a spherically symmetric potential with a weird
  146. shape. Because it is a potential, you can solve for the nonlinear langmuir
  147. oscillation. The pertrubation can be either spherical, cigar or pancake -like.
  148. Because of the nature of the "potential" you can get hugh density
  149. multpilications.
  150. The idea is that this might form a small (a few watts) fusion device if we are
  151. really lucky and if it can't achieve that goal, it might be a great compact 
  152. intense neutron source.
  153.  
  154. you gotta love the idea if for no other reason than the novelty of the
  155. approach.
  156.  
  157.  
  158. john w. cobb
  159.  
  160.  
  161.  
  162.