Усилитель-концентратор пучка электронов с электронной мембраной Российский патент 2017 года по МПК B01D69/00 B82B1/00 H01J25/00 H01J9/02 H01L21/268 

Изобретение относится к области электротехники и электронной техники, а именно, к устройствам, разделяющим поток плазмы, и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов.

Для выделения потока электронов из потока плазмы рабочей среды применяют электронные мембраны. Известны мембраны из оксида алюминия толщиной 5-10 нм с размером пор менее 0,1 нм, которые под действием ускоряющего электрического поля свободно пропускают через нанопоры электроны и задерживают тяжелые крупные частицы (анионы, катионы, радикалы, нейтральные частицы - атомы и молекулы рабочей среды) (см. журнал США Advanced Materials (Highly Sensitive, Mechanically Stabe Nnopor Sensors for DNa) / - 2011). Тонкие мембраны из оксида алюминия обладают большим КПД при прохождении через них электронов под действием электрического поля.

Мембраны могут быть изготовлены селективным травлением и окислением алюминиевой фольги до оксида алюминия (патент РФ №2350380, МПК B01D 67/00 // Способ получения пористых мембран на основе алюминия / Клименко Г.Л., Старков В.Д., Фирсов А.А.).

К недостаткам мембран из оксида алюминия можно отнести невысокую температуру плавления - 2044°С, что делает невозможным их применение для получения пучков электронов из плазмы более высокой температуры. Кроме того, тонкие мембраны из оксида алюминия имеют малую прочность и не способны выдерживать динамические нагрузки, связанные с движущимся потоком плазмы. Эти недостатки существенно сужают область применения мембран из оксида алюминия.

Известна микропористая мембрана, выполненная из микропористого вольфрама с пористостью до 85%, диаметром пор порядка 10^-3-10^-4 мкм (патент РФ №2444418, опубл. 10.03.2012, МПК B22F 3/12, C22C 1/08, C22C 27/04 // Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама / Белов В.Ю., Баранов Г.В., Качалин Н.И. и др). Мембрана изготовлена из композиционного вольфрамового псевдосплава W-Ni-Fe и обладает высокой термостойкостью и прочностью, но имеет большой диаметр микропор, через которые проходят не только электроны, но и крупные частицы плазмы рабочей среды.

Известна многослойная композитная графеновая нанопленка толщиной 5-20 мкм, выполненная, например, путем нанесения слоя графена на слой нитрида бора с образованием наногексагональной кристаллической решетки (http:www.russiandectronics.ru. Графен в электронике сегодня и завтра), обеспечивающей свободное прохождение через мембрану электронов, под воздействием электрического поля при разделении потока плазмы на поток электронов и поток катионов. Такая графеновая пленка может работать в условиях высоких температур (до 3700°С), воздействия ускоряющего электрического поля, больших динамических нагрузок.

Низкотемпературная плазма продуктов сгорания топлива имеет малую степень ионизации рабочей среды, что не позволяет получать электронные пучки с высокой концентрацией электронов и большой энергией электронов в пучках.

Увеличение концентрации электронов и усиление тока электронного пучка можно получать за счет вторичной эмиссии электронов алмазной мембраной под воздействием первичных электронов электронного пучка (см. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны / Гаврилов С.А., Дзибановский Н.Н., Ильичев Э.А. и др. // Письма ЖТФ, 2004, Т.74, вып.1, с. 108-114).

Известен усилитель-концентратор электронного потока (УКЭ), усиливающий и концентрирующий пучок электронов. Усилитель-концентратор имеет корпус с внутренней осевой суживающейся полостью в виде усеченной пирамиды, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка с верхним алмазным слоем. Усилитель-концентратор большим основанием осевой полости направлен в сторону потока плазмы. Поток первичных электронов, воздействуя на алмазный слой, вызывает вторичную эмиссию электронов. При помощи УКЭ возможно увеличение плотности тока в 30-40 раз (см. Усилитель электронного потока на кремниевых решетках, покрытых алмазной пленкой // Белоусов М.Э., Ильичев Э.А., Кулешов А.Е. и др. // НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, М. 2011 // Письма ЖТФ, 2012, т.38, вып.6, с. 45-51). Данный УКЭ принят за прототип.

Недостаток рассмотренного УКЭ заключается в том, что он может усиливать и концентрировать уже сформированный электронный пучок и не может эффективно отделять электроны от потока плазмы рабочей среды, например, от плазмы продуктов сгорания топлива, и образовывать из них электронные пучки, для преобразования их в электроэнергию.

Задачей изобретения является расширение области применения за счет увеличения диапазона температур и давлений в потоке плазмы рабочей среды, а также повышение КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность.

Поставленная задача решена тем, что в известном усилителе-концентраторе пучка электронов, содержащем корпус с внутренней осевой полостью, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка, покрытая алмазной пленкой, согласно изобретению, внутренняя полость имеет форму усеченного конуса, в большем входном отверстии которого установлена многослойная электронная мембрана, представляющая собой микропористую высокотемпературную и динамически устойчивую пластину, с диаметром пор 10^-3-10^-4 мкм, на наружную высокотемпературную поверхность которой, обращенную к потоку плазмы, нанесен слой нанопористого нанокомпозитного графена, а на внутреннюю низкотемпературную поверхность, имеющую полусферическую форму, обращенную к меньшему выходному отверстию корпуса, нанесен слой оксида алюминия с нанопорами 0,03-0,06 нм, причем корпус снабжен аксиальными анодами, установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющего потенциала.

Усилитель-концентратор пучка электронов с электронной мембраной представлен на схеме, приведенной на чертеже.

Усилитель-концентратор пучка электронов, содержит корпус 1, изготовленный из материала с низким температурным коэффициентом расширения, например сплава 32НКД. Внутри корпуса выполнена осевая суживающаяся полость, имеющая форму усеченного конуса, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка 2 с верхним алмазным слоем 3 толщиной 2-10 мкм. Кремниевая решетка 2 выполнена из высоколегированного кремния p-типа.

В большем отверстии осевой полости установлена многослойная электронная мембрана, основой которой является динамически устойчивая высокотемпературная пластина 4, толщиной 3-4 мм, выполненная из микропористого материала, например, вольфрамового сплава пористостью до 85% и диаметром пор 6 до 10^-3-10^-4 мкм. Вольфрамовая пластина 4 имеет сложную форму: внешняя высокотемпературная поверхность выполнена плоской, а внутренняя низкотемпературная поверхность имеет вогнутую полусферическую форму для фокусирования электронов в пучок. Микропористая пластина из вольфрама хорошо пропускает поток электронов и обеспечивает прочность и жесткость многослойной мембране, она может быть выполнена методом спекания из псевдосплава вольфрама (патент РФ №2444418).

На внешнюю высокотемпературную поверхность вольфрамовой пластины 4 нанесен слой из нанокомпозитного графена 5 с нанопорами 11, а на внутреннюю низкотемпературную - слой из оксида алюминия 7 с нанопорами 8.

Слой из композитного графена 5 выполнен в виде нанотрубок длиной 10-20 нм и диаметром канала 0,1…0,2 нм с числом графеновых слоев 4-5, между которыми расположены слои, например, нитрида бора (mailto: см. Yalex67@mail.com - Технические переводы с английского и французского. Суперконденсаторы. Применение с. 4), или может быть выполнен с созданием наногексагонального рисунка кристаллической решетки и требуемой структуры наномембраны, позволяющих улучшить прохождение электронов (http://www.russiandectronics.ru, Графен в электронике сегодня и завтра). Коэффициент пропускания электронов и задержания крупных частиц (анионов, катионов, радикалов, нейтральных атомов и молекул) зависит от размера гексагонального рисунка.

Слой 7 из оксида алюминия выполнен толщиной 5-20 мкм, с нанопорами 8 размером 0,03-0,06 нм. Слой оксида алюминия имеет более мелкие поры, и при нанесении его на микропористую вольфрамовую пластину 4 происходит частичное закупоривание пор 6 вольфрамовой пластины до размера менее 0,1 нм,

Известно, чем тоньше слой 7 из оксида алюминия, тем лучше обеспечивается прохождение через него электронов под воздействием электрического поля.

УКЭ снабжен аксиальными анодами 12 и 13, установленными на корпусе, со стороны, соответственно, входного и выходного отверстий (по ходу перемещения электронного пучка в осевой полости УКЭ). Аксиальный анод 12 предназначен для создания ускоряющего потенциала, обеспечивающего электрический вывод (электрическое отсасывание) электронов из потока плазмы. Регулированием напряжения на аксиальном аноде 12 можно управлять энергией электронов и их концентрацией в пучке, входящем в УКЭ. Анод-электрод 13 создает ускоряющий потенциал на выходе УКЭ. Путем регулирования ускоряющего напряжения на электроде 13, можно управлять концентрацией, силой тока и энергией электронов пучка, выходящего из УКЭ.

УКЭ работает следующим образом. Корпус 1 УКЭ через изолятор 9 герметично крепится к стенке 10 камеры сгорания топлива (или канала плазмы рабочей среды) для устранения затекания в УКЭ внешней среды, рассеивающей электронные пучки, а также для обеспечения жесткости конструкции.

Под действием положительного потенциала аксиального анода 12, электроны выводятся из потока продуктов сгорания топлива (потока плазмы рабочей среды) и направляются в многослойную мембрану. Вначале электроны попадают в нанокомпозитный графеновый слой 5, свободно проходят его, при этом катионы потока плазмы рабочей среды отталкиваются от графенового слоя 5 электрическим полем аксиального анода 12. Далее электроны, имеющие размер 2-3⋅10^-15 м, на 4-5 порядков меньший размера пор 6 (менее 0,1 нм), свободно проходят через вольфрамовую пластину 4 и слой 7 оксида алюминия, при этом тяжелые частицы: анионы, катионы и нейтральные частицы, обладающие размером 2…3⋅10^-10 м, пройти не могут. Регулированием напряжения анода 12 можно управлять электроэнергетическими параметрами входящих в УКЭ электронных пучков. Полусферический профиль внутреннего слоя из оксида алюминия 7 фокусирует электроны в пучок. В результате этого происходит разделение потока плазмы на поток электронов и поток положительно заряженных массивных частиц.

Затем, за счет алмазного слоя 3, нанесенного на кремниевую решетку 2, обладающего отрицательным сродством к электронам, под действием первичных электронов электронного пучка происходит вторичная эмиссия электронов и увеличение плотности электронного потока в 30-40 раз при энергии первичных электронов 1,5…2 кеВ (см. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны / Гаврилов С.А., Дзибановский Н.Н., Ильичев Э.А.и др. // Письма ЖТФ, 2004, т.74, вып.1, с. 108-114). Этому также способствуют суживающаяся по ходу электронного пучка осевая полость в форме усеченного конуса, полусферическая форма выходной поверхности многослойной мембраны и действие ускоряющего напряжения, создаваемого анодом-электродом 13, увеличивающим скорость потока электронов. В УКЭ происходит усиление электронного тока и концентрация электронов в пучке. Регулированием напряжения аксиального анода 13 можно управлять электроэнергетическими параметрами электронных пучков, выходящих из УКЭ. Далее электроны проходят в канал ловушки 14, где происходит преобразование энергии электронного пучка в электрическую энергию, например, по технологии (см. патент РФ №2117398 опубл. 10.08.1998. // Способ передачи энергии в вакууме / Аликаев В.В., Егоров А.Н., Латышев Л.А. и др.).

Электроны под действием ускоряющего напряжения 2-3 кВ аксиальных анодов 12 и 13 обретают скорость порядка 10⁷ м/с, входят в УКЭ практически ортогонально сечению нанопор слоя графена 5 и свободно их проходят. Тяжелые частицы, имеющие массу, в тысячи раз большую, чем электроны, движущиеся по траектории радиусом в 10³-10⁴ раз большей, чем электроны, пролетают со скоростью газового потока продуктов сгорания, порядка 10⁴ м/с, над порами многослойной мембраны по касательной, поэтому не забивают ее поры, не снижают пропускную способность для электронов.

Силу электронного тока в канале ловушки 14 можно увеличить в 40…100 раз при ускоряющем напряжении аксиального анода 13 порядка 2-3 кВ (см. Усилитель электронного потока на кремниевых решетках, покрытых алмазной пленкой // Белоусов М.Э., Ильичев Э.А., Кулешов А.Е. и др. // НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, М. 2011 // Письма ЖТФ, 2012, т. 38, вып. 6, с. 45-51).

Таким образом, УКЭ с многослойной электронной мембраной, выполненной на микропористой вольфрамовой пластине, с высокотемпературной стороны покрытой нанокомпозитным слоем графена 5, с низкотемпературной, имеющей поверхность полусферической формы - нанослоем оксида алюминия, обеспечивает температурную и динамическую устойчивость, повышение эффективности и КПД за счет электрического отсасывания электронов, рационального выбора ее толщины, размеров пор, а также дает возможность управлять электроэнергетическими параметрами получаемых электронных пучков, что способствует повышению КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность.

Заявленный УКЭ работоспособен при высокой температуре: графеновая нанопленка способна работать в потоке плазмы до температуры 3700°C, пористая вольфрамовая пластина - до температуры 3400°C, алмазная пленка УКЭ - до температуры 3000°C. Кроме того, УКЭ выдерживает динамические нагрузки до 3⋅10⁷ Па и обеспечивает эффективный отбор электронов под действием электрического поля, из потока плазмы рабочей среды, например, в камере сгорания или магнитном сепараторе.

Регулированием напряжения на аксиальных анодах 12 и 13 можно управлять энергией электронов, их концентрацией, силой тока пучков и получать с помощью заявленного устройства электронные пучки с необходимыми электроэнергетическими параметрами и преобразовывать их в эквивалентное количество электроэнергии.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов. Усилитель-концентратор пучка электронов (УКЭ) содержит корпус (1) с внутренней осевой суживающейся полостью, имеющей форму усеченного конуса, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка (2) с верхним алмазным слоем (3). В большем отверстии осевой полости установлена многослойная электронная мембрана, основой которой является динамически устойчивая высокотемпературная вольфрамовая пластина (4), имеющая сложную форму: внешняя высокотемпературная поверхность выполнена плоской, а внутренняя низкотемпературная поверхность имеет вогнутую полусферическую форму для фокусирования электронов в пучок. Пластина (4) изготовлена из сплава с пористостью до 85% и диаметром пор 10^-3-10^-4 мкм. На внешнюю высокотемпературную поверхность вольфрамовой пластины (4) нанесен слой из нанокомпозитного графена (5) с нанопорами (11), а на внутреннюю низкотемпературную - слой из оксида алюминия (7) с нанопорами (8). Корпус снабжен аксиальными анодами (12), (13), установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющих потенциалов, обеспечивающих, соответственно, электрический вывод электронов из потока плазмы и управление энергией электронов и их концентрацией в пучке, входящем в УКЭ, и управление концентрацией, силой тока и энергией электронов пучка, выходящего из УКЭ. Технический результат - обеспечение температурной и динамической устойчивости, повышение эффективности и КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность. 1 ил.

Усилитель-концентратор пучка электронов с электронной мембраной, содержащий корпус с внутренней осевой полостью, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка, покрытая алмазной пленкой, отличающийся тем, что внутренняя полость имеет форму усеченного конуса, в большем входном отверстии которого установлена многослойная электронная мембрана, представляющая собой микропористую высокотемпературную и динамически устойчивую пластину с диаметром пор 10^-3-10^-4 мкм, на наружную высокотемпературную поверхность которой, обращенную к потоку плазмы, нанесен слой нанопористого нанокомпозитного графена, а на внутреннюю низкотемпературную поверхность, имеющую полусферическую форму, обращенную к меньшему выходному отверстию корпуса, нанесен слой оксида алюминия с нанопорами 0,03-0,06 нм, причем корпус снабжен аксиальными анодами, установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющего потенциала.