РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННЫХ ИОНОВ Российский патент 2017 года по МПК H04B13/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения и накопления электростатического электричества, а также рекомбинации положительно заряженных частиц за срезом сопла электрореактивного двигателя.

Известен рекуператор положительно заряженных ионов с поворотным магнитом. Работает устройство следующим образом: поступающий пучок частиц вводится в патрубок, где на них воздействуют однородным магнитным полем. Быстрые атомы проходят ионный тракт без взаимодействия с полями и поступают в ловушку. Ионы разной энергии отклоняются полем магнита и движутся по дугам окружностей. Происходит разделение ионов по энергиям и их фокусировка во входные отверстия диафрагмы. За диафрагмой ионы попадают в тормозящее электрическое поле Е, перпендикулярное магнитной индукции В. Ионы большей энергии входят под большим углом к вектору Е, совершают движение по более протяженному участку циклоиды, чем ионы меньшей энергии, и высаживаются на коллекторе. Пространственный заряд ионов компенсируется электронами, поступающими с дополнительных электродов (см. Димитров С.К., Обухов В.А. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (Ионные инжекторные и плазменные ускорители)./Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко. - М.: Энергоатомиздат, 1989, рис. 5, с. 204).

Недостатком рекуператора являются большие массогабаритные характеристики, невозможность накапливать электростатический заряд в больших объемах, низкий КПД, использование характерного размера из-за действий рассеянного магнитного поля.

Известен также рекуператор энергии ионного пучка (Патент RU 1741595), содержащий электрод экран и расположенные относительно друг друга с зазором, являющимся тормозным промежутком для ионов, супрессорный электрод и электрод-коллектор, отличающийся тем, что с целью увеличения плотности тока, пропускаемой рекуператором, и уменьшения при этом дополнительных затрат энергии на ускорение электронов, в тормозном промежутке рекуператора установлены источики электронов, выполненные в виде накапливаемого катода, размещенные от супрессорного электрода на расстоянии 1 м.

Недостатком данного рекуператора является невозможность накопления электростатической энергии и большие массогабаритные характеристики.

Известен рекуператор ионов (рекуператор Поста), содержащий экспандер, супрессор, многоколлекторную систему торможения - рекуперации, коллектор (см. Димитров С.К., Обухов В.А. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (Ионные инжекторные и плазменные ускорители)./Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко. - М.: Энергоатомиздат, 1989, рис. 1, с. 195, 205-206).

Неотъемлемой частью рекуператора является преобразователь потока (экспандер), в котором сильно расходящийся поток ионов приобретает преимущественно направленное движение. В рекуператоре для разделения ионов по энергиям и стабилизации первичного пучка применяются периодически фокусирующие линзы, образуемые электродами, например в виде стержней, находящихся под высоким потенциалом, и стержней, находящихся под низким потенциалом. Электрическое поле в такой системе обладает фокусирующими свойствами для быстрых частиц. Жесткость фокусировки определяется параметром С, являющимся функцией геометрии системы торможения. Траектории ионов, потерявших большую часть своей энергии, становятся неустойчивыми. Такие ионы поступают на один из ближайших коллекторов. В случае значительного разброса ионов по энергиям требуется большое число коллекторов с небольшим шагом по потенциалу, при этом рекуператор обладает широким энергетическим спектром. Недостатком данного рекуператора также является низкий КПД, большие габаритно-массовые характеристики, невозможность накапливать электростатическое электричество, малая плотность тока 0,01-0,1 А/м², нагрев электродов при рекуперации энергии положительно заряженных ионов, например за срезом сопла ЭРД в космосе.

Рассмотренный рекуператор принят за прототип.

Задачей изобретения является повышение КПД преобразования энергии положительных заряженных частиц в электростатическое электричество, регенерация положительно заряженных ионов за срезом сопла электрического ракетного двигателя, снижение габаритно-массовых характеристик рекуператора.

Поставленная задача достигается тем, что в известном рекуператоре энергии положительно заряженных ионов, содержащем преобразователь потока заряженных частиц, выполненный в виде экспандера с коническим каналом, соединенным с многоколлекторной системой торможения - рекуперации, а также коллектор на входе большого отверстия диффузора, который соединен с коническим каналом преобразователя потока, установлен изолированный отрицательно заряженный кольцевой электрод, на входе в конический канал установлен изолированный ускоряющий электрод, в средней части конического канала установлен ускоряюще-тормозящий электрод для выравнивания энергии потока, а многоколлекторная система торможения выполнена в виде заряжающих кольцевых электродов боковых конденсаторов ионисторного типа, изолированных друг от друга, коллектор выполнен в виде заряжающего цилиндрического электрода торцевого ионисторного конденсатора, на оси которого установлен изолированный управляющий электрод-отражатель с рабочей частью, имеющей коническую форму, выполненную из графита, при этом конденсаторы ионисторного типа собраны в охлаждаемом диэлектрическом корпусе, заряжающие и электростатические электроды которых изготовлены многослойными из углеродного наномодифицированного материала, покрытого с двух сторон несколькими слоями графеновых нанотрубок большого диаметра, с полостями между электродами, разделенными диэлектрическими мембранами, покрытыми слоями графеновых нанотрубок, заполненными твердым наномодифицированным электролитом с электрическими параметрами, обеспечивающими быструю зарядку и разрядку, требуемую емкость, электрическое сопротивление и распределение заряда в двойном электрическом слое, на кольцевых электродах, а также на торцевом заряжающем электроде-коллекторе, по периметру в корпусе рекуператора выполнены цилиндрические каналы с установленными в них тормозящими электродами для положительно заряженных ионов и выхода нейтральных атомов, образующихся после рекуперации энергии заряженных частиц в полости рекуператора. Многоколлекторная система выполнена в виде нескольких осесимметричных конусообразных заряжающих гребенчатых электродов с наклоном в сторону потока отраженных частиц от управляющего электрода-отражателя, с распределением электрического потенциала на них с учетом неоднородного выноса энергии вторичными положительно заряженными ионами и образованием конической полости с увеличением диаметра. Внутренние поверхности диффузора и соединенного с ним конического канала преобразователя потока заряженных частиц покрыты алмазной пленкой на кремневой решетке с образованием компенсатора пространственного заряда потока ионов электронами, выходящими из алмазной пленки. Электроды ионисторных конденсаторов и многоколлекторной системы рекуператора покрыты многослойными последовательными структурами графеновых нанотрубок с параметрами ориентации связей, снижающими их деформацию при взаимодействии с положительно заряженными ионами, а сами графеновые трубки содержат вкрапленные в них атомы, создающие дополнительные энергетические уровни, способствующие эффективной рекуперации энергии положительно заряженных ионов с неоднородной энергетикой, а также их регенерации в нейтральные атомы. Многоколлекторная система выполнена в виде кольцевых гребенчатых электродов, являющихся заряжающими электродами последовательно установленных боковых конденсаторов ионисторного типа, емкостных накопителей энергии, с возможностью разделения по энергиям положительно заряженных частиц, а также заряжающего электрода-коллектора торцевого ионисторного конденсатора с формированием широкой зоны торможения, при заполнении кольцевых рабочих полостей конденсаторов наномодифицированным электролитом на литиевой основе различного химического состава для создания требуемой удельной емкости, высокого выходного напряжения, токовой нагрузки, электрохимического потенциала на электродах, обеспечивающих высокую плотность энергии, а также температурный режим работы. Конденсаторы ионисторного типа соединены с контроллером через датчики контроля объемного заряда, установленные внутри рекуператора, тока и напряжения, и коммутатором для управления режимом зарядки, разрядки, напряжения на электродах, температурными параметрами, сбалансированными с процессом рекуперации энергии положительно заряженных ионов путем управления потенциалами на ускоряющих, ускоряюще-тормозящем и управляющем изолированном электродах рекуператора (контроллер на фиг. 1 не показан, использован при проведении эксперимента).

Пористая структура поверхности электродов конденсаторов ионисторного типа, тормозящих и поглощающих конусообразных электродов коллектора отраженных частиц позволяет увеличить электрические транспортные поры, подвижность заряда и плотность тока, что дает возможность снимать с 1 см² поверхности большую мощность при рекуперации энергии. Многослойные электродные структуры из графеновых трубок обладают большой подвижностью электронов и малой энергией их выхода при взаимодействии с положительно заряженными частицами в потоке и при высаживании их на электродах-коллекторах. При этом возможны работа в широком энергетическом спектре от 60 эВ и выше, декомпозиция потока ионов по пространственному заряду, высадка положительно заряженных ионов на коллекторы и заряжающие электроды конденсаторов ионисторного типа, отсутствие перегрева электродов, что повышает КПД преобразования энергии положительно заряженных частиц в электростатическое электричество и регенерацию их.

Повышение энергоемкости, накопление электростатического заряда обеспечиваются также тем, что полости между нанопористыми электродами конденсатора ионисторного типа, разделенные диэлектрической мембраной, поверхности которых покрыты слоем графена, заполнены наномодифицированным твердым (литиевым) электролитом, способным работать при температуре до 300°С с высокой подвижностью ионов и образовывать двойные электрические слои на границе с электродами конденсатора, что обеспечивает высокую скорость его зарядки и разрядки при передаче энергии и регулирование распределением потенциала на электродах. Режим съема тепловой мощности обеспечивается путем прокачки охлаждающей жидкости через каналы, выполненные в диэлектрическом корпусе.

В рекуператоре в общем случае система рекуперации энергии включает в себя преобразователь потока и собственно рекуператор. В рекуператоре выделяют систему торможения и коллектор. В преобразователе сильно расходящийся поток приобретает направленное движение. Для торможения пучков с большими угловыми расхождениями или широким энергетическим спектром необходимо использовать многоколлекторные схемы, а в некоторых случаях производят предварительное разделение пучка заряженных частиц на компоненты с разной энергией. В униполярных рекуператорах на входе необходимо проводить декомпозицию потока по пространственному заряду. Для того, например, применяют отсеченные электроды под отрицательным потенциалом электрического поля Е. Особое внимание следует обратить на поток вторичных частиц. Коллектор должен обеспечивать хорошее запирание вторичных частиц, желательно, без применения дополнительных запирающих электродов. Необходимо избегать образования большого объемного заряда, что может вызвать отражение частиц пучка и срыв тока. Для управления величиной объемного заряда и энергией отраженных заряженных частиц может быть применен управляющий электрод-отражатель, выполненный из графита, на который может быть подано управляющее напряжение с требуемой частотой и потенциалом.

Для нормальной работы рекуператора требуется обеспечить сток заряда ионов на установленные в коллекторной системе низкопотенциальные электроды-коллекторы, которые являются заряжающими многослойными электродами, изготовленными из наномодифицированных углеродных материалов, покрытых слоями графеновых трубок, конденсаторов ионисторного типа. Подавление вторичных заряженных частиц с помощью многоэлектродных систем возможно за счет управления их энергией при помощи управляющего электрода, а также повышения или понижения степени компенсации их объемного заряда электронами, выходящими из слоев графеновых трубок этих же электродов. При этом может быть обеспечено разделение заряженных частиц по энергиям при помощи последовательно установленных боковых конденсаторов ионисторного типа и связанных с ними заряжающих электродов, на которые нанесено многослойное покрытие графеновых трубок с привнесенными атомами, являющихся одновременно электродами тормозящей многоколлекторной системы. Положительно заряженные ионы с большей энергией будут совершать движение по более протяженному участку рекуператора, чем ионы с меньшей энергией, и разряжаться на электроде-коллекторе торцевого конденсатора.

На основе многоколлекторной системы, интегрированной в качестве заряжающих многослойных электродов конденсаторов ионисторного типа, могут быть созданы рекуператоры с широкой зоной торможения за счет изменения тормозящего потенциала электрического поля, со стороны конденсаторов, и электронного тока в электропроводящих слоях электродов-коллекторов, соединенных с конденсаторами ионисторного типа. Для нормальной работы рекуператора положительно заряженных частиц необходим выбор его параметров, соответствующих ионно-вакуумному режиму торможения, энергетическому спектру потока заряженных частиц и эффективной рекуперации заряженных частиц за счет высокой подвижности электронов в электропроводящих слоях, образованных графеновыми трубками. Для выхода нейтральных молекул, полученных после регенерации заряженных частиц, необходимо выполнить в рекуператоре каналы с установленными в них тормозящими электродами для положительно заряженных ионов.

При взаимодействии положительно заряженных частиц с алмазной поверхностью в преобразователе и с электродами-коллекторами рекуператора их энергия должна быть в 2 раза больше энергии выхода электрона из вещества графеновых нанотрубок электродов-коллекторов и алмазоподобного покрытия преобразователя потока для того, чтобы происходила компенсация пространственного заряда в потоке

где W₀ - работа выхода, U_i - потенциал ионизации (см. Аксенов А.И., Носков Д.А. Процессы лазерной и электронно-лучевой технологии / Учебное пособие, Томск, 2007, с. 35-37, Томский государственный университет управления и радиоэлектроники).

Следует отметить, что электроды-коллекторы рекуператора соединены с боковыми и торцевыми конденсаторами ионисторного типа, в которых может накапливаться электростатическое напряжение до 3-5 В. Последовательно соединенные конденсаторы рекуператора могут позволить получить напряжение 12 В, 27 В, 110 В и т.д. (см. Рыжов Д.Р., Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Оборина Л.И. Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД. Международная научная конференция «Решетневские чтения», СибГАУ, 2015, ч. 1, с. 171-172). Ионисторные конденсаторы способны быстро заряжаться и разряжаться, так как содержат электроды с развитой поверхностью, образованной покрытием из графеновых нанотрубок, и наномодифицированный электролит, выполненный на основе лития, работающий при температуре до 300°С (см. valex67@mail.com. Суперконденсаторы: Применение). Использование наномодифицированных графеновых трубок большого диаметра (d=l-l,5 нм), модифицированных, например железом или другими атомами, может позволить создавать электроды-коллекторы с разным электрическим потенциалом, что очень важно для рекуперации частиц с разной энергией. Процесс взаимодействия ионов с многоколлекторными электродами начинается при подлете иона к их поверхности, когда под действием электронного поля иона «вырывается» электрон и возникает потенциальная ионно-электронная эмиссия. Ионная бомбардировка поверхности приводит к распылению атомов с поверхности (катодное распыление). В процессе торможения ионы, как и электроны, генерируют рентгеновское излучение. Потерявшие свою энергию в результате столкновения с атомами, ионы «застревают» в поверхностном слое, являясь атомами примеси (ионное легирование). Взаимодействие ион-атом носит электромагнитный характер и определяется выбором потенциала взаимодействия. Передача энергии от иона к атому происходит в результате упругих и неупругих столкновений. Неупругие столкновения в основном связаны с электронами вещества (электронный механизм торможения). Электронная тормозная способность связана с неупругим рассеянием ионов на электронах вещества как свободных, так и связанных, составляющих оболочку атомов. При этом ион теряет свою энергию как при столкновении с электронами, так и при возбуждении атома в объеме, а также при плазменных колебаниях электронного газа (см. Аксенов А.И., Носков Д.А. Процессы лазерной и электронно-лучевой технологии / Учебное пособие, Томск, 2007, с. 35-37, Томский государственный университет управления и радиоэлектроники). Величина электронного торможения пропорциональна скорости иона или корню квадратному его энергии. Полный пробег иона, когда в результате ядерного и электронного торможения ион полностью теряет свою энергию, зависит от энергии иона, его массы и массы атомов вещества, а также кристаллической структуры последнего. Механизм распыления атомов вещества при бомбардировке ионами носит импульсный (нетермический) характер, основанный на обмене импульсами. Для отрыва атома с поверхности ему должна быть сообщена энергия, превышающая энергию связи атома с поверхностью Е₀.

В предложенном рекуператоре коническая головка управляющего изолированного электрода торцевого конденсатора изготовлена из графита, так как образование свободного углерода при бомбардировке его положительно заряженными ионами может способствовать замещению отсутствующих атомов в графене многоколлекторных электродов, быстро закрывать отверстия и вакансии, которые образуются при облучении ионами (см. Самолечение графена: исчезающий разрыв. http://www.popmech.ru/technologies/12872-samolechenie-grafena-ischezavushchiy-razryv/).

Для нанесения многослойного покрытия на электроды коллектора были использованы нанотрубки с большим диаметром d=1-1,5 нм и выше, так как проявляется их большая устойчивость к воздействию ионов О, Н, Не с энергией 1-200 эВ и более. Некоторые слои заряжающих электродов коллектора изготовлены из нанотрубок с вкраплением атомов азота, бора или железа, создающие в графене дополнительные уровни энергии и позволяющие варьировать электронными свойствами графеновых слоев, что использовано при создании многослойной структуры электродов рекуператора (см. Новости науки и техники. Графен сделает солнечную энергию доступной. http://www.nkj.ru/news/25693/, а также Физики научились создавать пригодные для наноэлектроники ленты из графена https://lenta.ru/news/2010/07/22/ribbon/).

Параметры, характеризующие деформацию нанотрубок при адсорбции ионов, зависят от ориентации связи по отношению к его оси. При адсорбции на продольных связях, которые ориентированы под углом 30° и 0є к оси кресельных и зигзагообразных нанотрубок соответственно, формируются эпоксидные структуры, как и в случае с графеном (см. Воронина С.Н. Автореферат кандидатской диссертации. Воздействие быстрых атомов на наноструктуры и полимерные композиты. МГУ, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына, 2012).

Последовательное расположение слоев нанотрубок оказывает существенное влияние на величину переданной энергии электродами и количество образующихся структурных дефектов в каждом слое при взаимодействии с ионами, что связано с особенностями обратного рассеяния в таких структурах. Рассеяние атомов на электродах, покрытых графеновыми трубками, наблюдается при угле падения более 60°. Все эти особенности были учтены при изготовлении многоколлекторных электродов рекуператора.

Энергия выхода графена с числом слоев более 10 совпадает с соответствующей величиной кристаллического графита (4,6 эВ), что было использовано при создании электродов-коллекторов, соединенных с ионисторными конденсаторами (см. Новости физики. Фуллерены и нанотрубки http://physics.com.ua/news).

Процесс зарядки электродов и регенерации ионов проходил в основном на основе механизма ионно-электронной эмиссии на электродах рекуператора. Взаимодействие медленных ионов с атомами электродов происходит в результате неупругих столкновений в основном за счет электронного механизма торможения. Неупругие столкновения в основном связаны с электронами вещества и электронным механизмом торможения. Электронная тормозная способность связана с неупругим рассеянием ионов на электродах вещества как свободных, так и связанных, составляющих оболочку атомов. При этом ион теряет свою энергию. Ион теряет энергию также при столкновении с атомами газа, который образуется в рекуператоре при регенерации ионов. В связи с отмеченным в рекуператоре были предусмотрены каналы, на которых установлены тормозящие электроды, не препятствующие выходу газа.

Как при столкновении с электронами, так и при возбуждении атома в объеме электрода коллектора, а также при плазменных колебаниях ионного газа, например при воздействии управляющего электрода, когда создается импульсно-пульсирующий режим движения объемного заряда, в коллекторе необходимо использовать пучки медленных ионов для мягкого взаимодействия с материалами (см. Аксенов А.И., Носков Д.А. Процессы лазерной и электронно-лучевой технологии / Учебное пособие, Томск, 2007, с. 35-37, Томский государственный университет управления и радиоэлектроники). Пучки медленных ионов, извлеченные при высоком ускоряющем потенциале, например U=5 кВ, могут быть получены при помощи торможения на выходе из канала преобразователя потока и перед мишенью (см. Курнаев В.А., Цветков И.В., Протасов Ю.С. Введение в пучковую электронику. М.: МИФИ, Учебное пособие, 2008 г.). Если посадить ион на коллектор с меньшей кинетической энергией, то такая рекуперация повышает КПД мощных пучковых систем. Существует пороговая энергия отрыва атома с поверхности E₀>E_пор⋅Е_пор графита 37,5-47 эВ, а при Т=200°С Е_пор=23 эВ, что требует учета при выборе режимов рекуперации энергии медленных положительных ионов и их регенерации.

Воздействие переменного электрического поля со стороны управляющего электрода вызывает модуляцию энергии активации взаимодействия ионов и электронов на поверхности электродов рекуператора и в его объеме за счет энергии пульсирующего положительно заряженного объемного заряда ионов с частотой f=10-20 Гц в рекуператоре. При этом в заряжающих электродах протекает электрический ток, так как они связаны с емкостными накопителями энергии: конденсаторами ионисторного типа, то на их электродах накапливается электростатическое электричество. В поле заряженных электродов происходит смещение ионов в электролите с образованием двойного электрического слоя, в котором накапливается электрический заряд.

Максимальная плотность тока, при которой не разрушаются графеновые нанотрубки, составляет 106-109 А/см², что необходимо учитывать при выборе параметров процесса. В связи с тем, что травление подложки ионами обычно проводится при Е=100-1000 эВ, что не вызывает существенного выбивания атомов, то для работы рекуператора может быть использована энергия ионов от 60 эВ до 1000 эВ. Известно, что при энергии потока положительно заряженных ионов 20-100 эВ коэффициент распыления материала электродов мал, то при выборе технологии изготовления элементов в рекуператоре и режимов целесообразно это учитывать.

Прикладной интерес для изготовления рекуператора энергии представляют эмиссионные характеристики нанотрубок. Известно, что с площади 1 мм² при напряжении U=500 В может быть получен ток эмиссии 0,5 мА. Эти данные находятся в хорошем соответствии с известным выражением Фаурела-Нордгейма:

где С и k - постоянные; ϕ - работа выхода электрона; Е* - напряженность электрического поля в точке, из которой происходит эмиссия электронов (см. Елецкий А.В. Успехи физических наук. Том 177 №3 (2007 г.)).

Нанотрубки также могут проявлять себя как источники интенсивной термоэлектронной эмиссии при относительно низких температурах. Например, вклад термоэлектронной эмиссии становится заметным при температуре поверхности электрода 473°К и преобладает при 723°К (см. Елецкий А.В. Успехи физических наук, Том 179 №3 (2009 г.)).

Электронная эмиссия массива нанотрубок зависит также от среднего расстояния между ними t₀. Максимум наблюдается при t=0,5 мкм (см. Бочаров Г.С. Эмиссионные свойства катодов на основе углеродных нанотрубок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., М., 2007 г.). Этот фактор также был учтен при изготовлении электродов коллекторов. Фактором, ограничивающим электронную эмиссию, является температурная неустойчивость углеродных нанотрубок (УНТ). В связи с изложенным температура должна быть Т≤850°С на многоколлекторных электродах, а с учетом работоспособности литиевого наномодифицированного электролита в ионисторном конденсаторе Т≤250°С - 300°С. Температурный режим в рекуператоре обеспечивается путем прокачки охлаждающей жидкости через специальные каналы, выполненные в диэлектрическом корпусе. При работе рекуператора на электродах-коллекторах необходимо создать требуемый электронный спектр с минимальными потерями их энергии при движении электронов от двойного электрического слоя ионисторного конденсатора к наружному слою, взаимодействующему с пульсирующим зарядом положительно заряженных ионов в полости коллектора. Для этого должна быть подогнана энергия пульсирующего объемного заряда коллектора к энергии проводящего уровня нанотрубок и всего электрода-коллектора. Включение внешнего электрического поля при подаче на управляющий электрод (-) и (+) смещает электронный уровень нанотрубок и повышает энергию взаимодействия положительно заряженных ионов и электронов на электродах коллектора и в его объеме.

Изобретение поясняется фиг. 1, где представлен рекуператор энергии пучка положительно заряженных ионов.

Рекуператор состоит из диффузора 1, соединенного с коническим каналом 2 (экспандера). На входе диффузора установлен отрицательно заряженный кольцевой электрод 3 на изоляторе 4, на входе в конический канал установлены ускоряющий электрод 5 (-) на изоляторе 6, а также ускоряюще-тормозящий управляющий электрод 7 (+) на изоляторе 8. Внутренняя поверхность диффузора и канала покрыты алмазоподобной пленкой 9 на кремневой решетке 10. Кроме того, рекуператор содержит входной канал отражателя 11 в рекуператор, устройство круговой развертки 12, диэлектрический корпус рекуператора 13, первый многоколлекторный заряжающий электрод 14, второй многоколлекторный заряжающий электрод 15, кольцевой электростатический электрод 16 первого ионисторного конденсатора, диэлектрические мембраны 17 ионисторных конденсаторов, кольцевой изолятор конденсаторов 18, кольцевой электростатический электрод 19 второго бокового ионисторного конденсатора, твердый наномодифицированный электролит ионисторных конденсаторов 20, цилиндрический заряжающий электрод-коллектор торцевого ионисторного конденсатора 21, цилиндрический электростатический электрод 22 торцевого ионисторного конденсатора, изолированный управляющий электрод-отражатель 23, изолятор 24, конический графитовый наконечник 25 с углом при вершине 90°, изолятор 26, канал для прокачки рабочей охлаждающей жидкости 27, каналы для выхода молекул газа из рекуператора 28, отрицательно заряженные изолированные электроды 29, тормозящие выход положительно заряженных частиц из рекуператора, многослойные покрытия из графеновых трубок 30, нанесенные на заряжающие электроды-коллекторы, электрический вывод (-) 31 с кольцевого электростатического электрода первого бокового ионисторного конденсатора, электрический вывод (-) 32 с кольцевого электростатического электрода второго бокового ионисторного конденсатора, электрический вывод (-) 33 с электростатического электрода торцевого конденсатора, электрический вывод (+) 34 с заряжающего кольцевого электрода первого бокового ионисторного конденсатора, электрический вывод (+) 35 с заряжающего кольцевого электрода второго бокового ионисторного конденсатора, электрический вывод (+) 36 с заряжающего электрода торцевого ионисторного конденсатора, датчик контроля 37 объемного заряда.

Рекуператор работает следующим образом. Положительно заряженные частицы, вылетающие из сопла электрореактивного двигателя (ЭРД) под действием отрицательного электрического потенциала 1-1,5 кВ, подаваемого на кольцевой изолированный электрод 3, установленный на входе диффузора 1, направляются в конический канал 2 экспандера, где разгоняются дополнительно при помощи ускоряющего потенциала - 1 кВ, поданного на кольцевой изолированный электрод 5 для формирования униполярного пучка положительно заряженных ионов. При движении пучка по коническому каналу 2 он уплотняется, некоторые ионы с большой энергией при этом могут взаимодействовать с электронами, выходящими с поверхности алмазоподобной пленки 9, нанесенной толщиной 0,2-0,4 мкм на внутреннюю поверхность канала. При движении пучка ионов по каналу на него может осуществляться воздействие со стороны изолированного ускоряюще-тормозящего электрода 7 для выравнивания управления энергией потока. Диффузор 1, конический канал 2, установленные на них кольцевые электроды 3, 5, 7 в совокупности образуют преобразователь потока заряженных частиц, который обеспечивает подачу в рекуператор положительно заряженных ионов с соответствующей их массой, составом и энергией. Затем униполярный пучок положительно заряженных ионов через входной канал отражателя 11, выполненный из графита, поступает в рекуператор, проходит через устройство круговой развертки 12, при этом поток рассеивается, энергия их может быть от 60 эВ до 1000 эВ, которая подбирается для каждого вида ионов или совокупности ионов. Положительно заряженные ионы взаимодействуют с первым многоколлекторным заряжающим электродом 14 первого бокового ионисторного конденсатора, образованного двумя полостями, разделенных диэлектрической мембраной 17, заполненными твердым наномодифицированным электролитом 20. Взаимодействие рассеянных положительно заряженных ионов, обладающих меньшей энергией, с заряжающим многоколлекторным электродом 14 происходит в результате неупругого столкновения в основном за счет электростатического и электронного механизма торможениях, который связан с электронами коллекторов 14, покрытых многослойным покрытием из углеродных нанотрубок 30, модифицированных железом. Ионы со средней энергией проходят в полость второго рекуператора энергии и взаимодействуют со вторым многоколлекторным заряжающим электродом 15 тоже на основе электростатического и электронного механизма торможения. Поверхности второго многоколлекторного электрода также покрыты многослойным покрытием из углеродных наномодифицированных трубок 30, а сам многоколлекторный электрод связан со вторым боковым конденсатором ионисторного типа, образованным кольцевым электростатическим электродом 19 с полостями, разделенными диэлектрической мембраной 17, заполненными твердым наномодифицированным электролитом на литиевой основе. Величина электронного торможения пропорциональна скорости иона или квадратному корню его энергии. Энергия иона в рекуператоре также может тратиться за счет его столкновения с атомами газа, образующегося за счет регенерации ионизированного вещества и его взаимодействия с электродами-коллекторами.

Для выхода молекул газа из полости рекуператора в его корпусе выполнены каналы 28 с установленными на них изолированными отрицательно заряженными кольцевыми электродами 29, на которые подается потенциал 1-1,5 кВ для торможения положительно заряженных ионов. Положительно заряженные ионы с высокой энергией поступают на заряжающий электрод-коллектор 21 торцевого ионисторного конденсатора, обладающего более высокой емкостью, чем боковые конденсаторы и меньшим внутренним сопротивлением, образованного электростатическим электродом 22 и полостями, разделенными диэлектрической мембраной 17 и заполненными твердым наномодифицированным электролитом 20. По центру торцевого конденсатора установлен управляющий изолированный электрод 23 на изоляторе 24 с коническим наконечником 25, выполненным из графита, установленным на изоляторе 26. На управляющий электрод 23 может подаваться потенциал от 100 до 850 В, с частотой 10-500 Гц в зависимости от энергии и вида положительно заряженных ионов. Воздействие положительно заряженных ионов на торцевой электрод-коллектор 21 может быть более сильным, поэтому по толщине он превосходит многоколлекторные электроды 14 и 15 в 4 и более раз.

Известно, что бомбардировка ионами носит импульсный нетермический характер и в связи с тем, что Е_пор=23 эВ при Т=200°С, торцевой электрод-коллектор 21 ионисторного конденсатора более интенсивно охлаждается, чем два боковых ионисторных конденсатора с многоколлекторными электродами 14 и 15 путем прокачки охлаждающей жидкости через канал 27, выполненные в диэлектрическом корпусе. Воздействие ионов на торцевой заряжающий электрод ограничено энергией положительно заряженных частиц 70-1000 эВ, так как при такой энергии существенного выбивания атомов электрода из графита не наблюдается. Все многоколлекторные электроды рекуператора устанавливались таким образом, чтобы угол падения положительно заряженных ионов на них был более 60°, для увеличения отражения от них ионов, которые в случае застревания их в поверхности электродов 14, 15 и 21 могут существенно изменить их электронный спектр. Для обеспечения электронного спектра электродов рекуператора их многослойные покрытия изготавливались из нанотрубок большого диаметра 1-1,5 нм и более, трубки использовались наномодифицированные, со средним расстоянием между ними 0,5 мкм, связями, обеспечивающими сопротивляемость УНТ бомбардировке заряженными частицами за счет параметров ориентации связей, снижающих их деформацию при взаимодействии с ионами.

Бомбардировка графитового наконечника 25 и выбивание из него электронов и ионов углерода могут способствовать зашиванию дефектов УНТ при выбивании из них атомов, кроме того, графит способен выдерживать высокие температуры при эксплуатации (до 3000°С). Часть положительно заряженных ионов при взаимодействии с электродами рекуператора заряжает их положительно, а сами ионы вещества при этом подвергались регенерации с образованием атомов вещества. Отраженная часть положительно заряженных частиц задерживается в рекуператоре за счет работы устройства круговой развертки 12.

Электронный поток со стороны электродов рекуператора образовывается за счет эмиссионных характеристик нанотрубок и переноса электронов из двойного слоя ионисторных конденсаторов. Напряженность электрического поля в точке, из которой происходит эмиссия электронов, может быть разная по поверхности многоколлекторного электрода, но она должна быть выше работы выхода электрона. При воздействии переменного электрического поля со стороны управляющего электрода 23 происходит активация энергии взаимодействия положительно заряженных ионов с электронами у поверхности электродов рекуператора за счет пульсации положительно заряженного объемного заряда в полости рекуператора с частотой f=10-20 Гц и напряжением 200-500 В. Это приводит к зарядке ионисторных конденсаторов при минимальном напряжении 0,16 В с возможностью транспортировки электронов в зоны, где происходит их взаимодействие с положительно заряженными ионами. При накоплении электростатического электричества на ионисторных конденсаторах до определенной емкости и напряжения на электродах не более 3-5 В заряд с них может сниматься с использованием отрицательно заряженных электродов 31, 32, 33 и положительно заряженных электродов 34, 35, 36, и электрическая энергия направляется на зарядку аккумуляторов и питания электрической системы ЭРД. Поскольку максимальная плотность тока для УНТ ограничена 106-109 А/см², то площадь заряжающих электродов ионисторных конденсаторов может быть определена расчетом, а энергия пульсирующего заряда в полости коллектора и энергия проводящего уровня нанотрубок согласованы на основе энергетического баланса работы рекуператора. Следует отметить, что рекуператоры для каждого вида положительно заряженных ионов могут иметь свои рабочие параметры и многообразные характеристики.

Отраженные заряженные частицы от графитового наконечника 25, управляющего электрода 23 и торцевого электрода коллектора 21 попадают на электроды многоколлекторной системы 14 и 15, где разряжаются и частично оседают на их поверхности. За счет пульсирующего переменного электрического поля со стороны управляющего изолированного электрода их энергия активируется и они тоже разряжаются, а частицы, находящиеся в объеме, получают дополнительную энергию, позволяющую им активно участвовать в процессах рекуперации энергии и регенерации заряженных частиц. Многоколлекторные системы с широким энергетическим спектром торможения 14 и 15 рекуператора, являющиеся заряжающими электродами последовательно установленных кольцевых боковых конденсаторов ионисторного типа, а также цилиндрического заряжающего электрода-коллектора 21 торцевого кольцевого ионисторного конденсатора обеспечивают широкую зону торможения за счет заполнения рабочих полостей конденсаторов наномодифицированным электролитом на литиевой основе 20, различного химического состава с требуемой удельной емкостью, высоким выходным напряжением, токовой нагрузкой, электрохимическим потенциалом на положительно заряженных электродах 14, 15, 21 а также отрицательно заряженных электродах 16, 19, 22, обеспечивающих высокую плотность энергии при температурном режиме Т≤200°С. Для управления процессом рекуперации энергии: потенциалами на электродах рекуператора 14, 15, 21, объемным зарядом в полости рекуператора, режимом зарядки и разрядки, напряжением на электродах, температурным режимом на ионисторных конденсаторах использовался контроллер ПЛК-100, соединенный с датчиками тока, напряжения, контроля объемного заряда 37 и коммутатором. Управление режимом рекуперации и работой ионисторных конденсаторов осуществляется в комплексе при помощи контроллера путем регулирования напряжения на ускоряющих 3 и 5, ускоряюще-тормозящем 7 и управляющем электродах 23, а также регулировалась величина тока, напряжение при зарядке и разрядке конденсаторов ионисторного типа на потребителя электроэнергии, в том числе за счет поддерживания остаточного потенциала на электродах и в том числе на электродах-коллекторах. Все параметры работы рекуператора и ионисторного конденсатора были сбалансированы за счет управления процессом рекуперации контроллером ПЛК-100. Ионисторные конденсаторы в системе рекуперации использовались как преобразующий элемент, накопитель энергии и источник напряжения. Их зарядка и разрядка в импульсном режиме способствует интенсификации рекуперации энергии положительно заряженных ионов.

Пример

При рекуперации энергии положительно заряженных частиц использовались пучки медленных положительно заряженных ионов аргона, извлекаемых из потока работающего генератора ионов в специальной вакуумной камеры высоким ускоряемым потенциалом 5 кВ на кольцевом электроде 3 и ускоряемых U=3 кB при помощи дополнительного ускоряющего электрода 5 с последующим торможением до 800 эВ при помощи ускоряюще-тормозящего электрода 7 и торможением перед торцевым заряжающим электродом-коллектором менее 200 эВ управляющим изолированным электродом-отражателем 23. При этом на электродах первого бокового конденсатора было получено напряжение U=2,2-2,4 В, на втором боковом конденсаторе - U=2,6-2,8 В, на торцевом конденсаторе - U=3,5-3,8 В, течение времени 15-20 минут (контроллер на фиг. 1 не показан, использовался при проведении эксперимента).

Положительный эффект: при работе рекуператора положительно заряженных ионов одновременно осуществляется рекуперация их электрической энергии с регенерацией положительно заряженных частиц, что обеспечило повышение КПД, снижение габаритно-массовых характеристик рекуператора и может способствовать эффективной работе ЭРД, улучшению его энергообеспечения, а также надежной работе космического аппарата.

Изобретение относится к рекуператору энергии положительно заряженных ионов. Заявленное устройство содержит емкостные накопители энергии - конденсаторы ионисторного типа, преобразователь потока, включающий диффузор 1, соединенный с коническим каналом 2, на входе в диффузор установлен отрицательно заряженный кольцевой электрод 3 на изоляторе 4, ускоряющий электрод 5 на изоляторе 6, а также ускоряюще-тормозящий управляющий электрод 7 в средней части канала на изоляторе 8, алмазоподобную пленку на кремниевой решетке 10, покрывающую внутреннюю поверхность диффузора и канала, входной канал отражателя 11, устройство круговой развертки 12, диэлектрический корпус рекуператора 13, первый и второй многоколлекторные заряжающие электроды 14 и 15, кольцевые электростатические электроды 16 и 19 первого и второго ионисторных конденсаторов, диэлектрические мембраны 17, кольцевой изолятор конденсаторов 18, твердый наномодифицированный электролит 20, электрод-коллектор торцевого ионисторного конденсатора 21, цилиндрический электростатический электрод 22 торцевого ионисторного конденсатора, управляющий изолированный электрод-отражатель 23, изолятор 24, конический графитовый наконечник 25, изолятор 26, канал для прокачки рабочей охлаждающей жидкости 27, отрицательно заряженные изолированные электроды 29, многослойные покрытия из графеновых трубок 30, датчик контроля 37 объемного заряда. Техническим результатом является повышение КПД, надежности обеспечения возможности одновременной регенерации заряженных частиц в нейтральные частицы, снижение габаритно-массовых характеристик. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рекуператор энергии положительно заряженных ионов, содержащий преобразователь потока заряженных частиц, выполненный в виде экспандера с коническим каналом, соединенным с многоколлекторной системой торможения-рекуперации, а также коллектором, отличающийся тем, что на входе большого отверстия диффузора, соединенного с коническим каналом преобразователя потока, установлен изолированный отрицательно заряженный кольцевой электрод, на входе в конический канал установлен изолированный ускоряющий электрод, в средней части конического канала установлен ускоряюще-тормозящий управляющий электрод для выравнивания энергии потока, а многоколлекторная система торможения выполнена в виде заряжающих кольцевых электродов боковых конденсаторов ионисторного типа, изолированными друг от друга, коллектор выполнен в виде заряжающего цилиндрического электрода торцевого ионисторного конденсатора, на оси которого установлен изолированный управляющий электрод-отражатель с рабочей частью, имеющей коническую форму, выполненную из графита, при этом конденсаторы ионисторного типа собраны в охлаждаемом диэлектрическом корпусе, заряжающие и электростатические электроды которых изготовлены многослойными из углеродного наномодифицированного материала, покрытого с двух сторон несколькими слоями графеновых нанотрубок большого диаметра, с полостями между электродами, разделенными диэлектрическими мембранами, покрытыми слоями графеновых нанотрубок, заполненными твердым наномодифицированным электролитом с электрическими параметрами, обеспечивающими быструю зарядку и разрядку, и распределение заряда в двойном электрическом слое, на кольцевых электродах, а также на торцевом заряжающем электроде-коллекторе, по периметру которого в корпусе рекуператора выполнены цилиндрические каналы с установленными в них тормозящими электродами для положительно заряженных ионов и выхода нейтральных атомов, образующихся после рекуперации энергии заряженных частиц в полости рекуператора.

2. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что многоколлекторная система выполнена в виде более одного осесимметричного конусообразного заряжающего гребенчатого электрода с наклоном в сторону потока отраженных частиц от управляющего электрода-отражателя, с распределением электрического потенциала на них с учетом неоднородного выноса энергии вторичными положительно заряженными ионами и образованием конической полости с увеличением диаметра.

3. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что внутренние поверхности диффузора и соединенного с ним конического канала преобразователя потока заряженных частиц покрыты алмазной пленкой на кремневой решетке с образованием компенсатора пространственного заряда потока ионов электронами, выходящими из алмазной пленки.

4. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что электроды ионисторных конденсаторов и многоколлекторной системы рекуператора покрыты многослойными последовательными структурами графеновых нанотрубок с параметрами ориентации связей, снижающих их деформацию при взаимодействии с положительно заряженными ионами, а сами графеновые трубки содержат вкрапленные в них атомы, создающие дополнительные энергетические уровни, способствующие эффективной рекуперации энергии положительно заряженных ионов с неоднородной энергетикой, а также их регенерации в нейтральные атомы.

5. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что многоколлекторная система выполнена в виде кольцевых гребенчатых электродов, являющихся заряжающими электродами последовательно установленных боковых конденсаторов ионисторного типа, емкостных накопителей энергии, с возможностью разделения по энергиям положительно заряженных частиц, а также заряжающего электрода-коллектора торцевого ионисторного конденсатора с формированием широкой зоны торможения, при заполнении кольцевых рабочих полостей конденсаторов наномодифицированным электролитом на литиевой основе различного химического состава для создания требуемой удельной емкости, высокого выходного напряжения, токовой нагрузки, электрохимического потенциала на электродах, обеспечивающих высокую плотность энергии, а также температурный режим работы.

6. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что его конденсаторы ионисторного типа соединены с контроллером через датчики контроля объемного заряда, установленные внутри рекуператора, тока, напряжения и коммутатором для управления режимом зарядки, разрядки, напряжения на электродах, температурными параметрами, сбалансированными с процессом рекуперации энергии положительно заряженных ионов путем управления потенциалами на ускоряющих, ускоряюще-тормозящем и управляющем изолированном электродах рекуператора.