Твердотельный суперионный электролит для серебро-ионного эмиттера Российский патент 2023 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к области получения направленных пучков ионов серебра и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для обработки материалов и в аэрокосмической технике для создания миниатюрных двигательных систем.

Разработки простых и компактных ионных эмиттеров с различными сортами испускаемых ионов сейчас активно ведутся в мире. Такие источники могут быть применены как для модификации материалов, так и в качестве элемента двигательной ионной установки для появившихся относительно недавно аппаратов формата кубсат. Одним из наиболее перспективных типов ионных эмиттеров являются полностью твердотельные ионные эмиттеры, где в качестве источника ионов используют суперионный твердотельный электролит. Твердотельный серебро-ионный эмиттер состоит из серебряного стержня с заостренным концом, на поверхность которого нанесена пленка суперионного электролита с мобильными ионами серебра, и электрода-экстрактора. При подаче определенного потенциала на эмиттерный узел осуществляется полевая эмиссия ионов серебра с поверхности твердого электролита.

Известен электроспрейный ионный эмиттер (EP №3604805 A1 «Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft»), в котором в качестве источника ионов используют жидкий металл - цезий, помещенный в игольчатый эмиттер. Изобретение относится к области получения ионных двигателей для управления вектором тяги космического аппарата. Под действием электрического поля происходит ионная эмиссия, что приводит к испусканию ионов цезия. Недостатком такого технического решения является окисление цезия при взаимодействии с кислородом воздуха.

Известен еще один ионный источник (Escher, C. Vacuum ion emission from solid electrolytes: An alternative source for focused ion beams // Applied physics letters. - 2006. - Vol. 89, No. 5, P. 3), состоящий из серебряного стержня с заостренным концом, на поверхность которого нанесен аморфный электролит AgI-AgPO₃ с подвижными ионами серебра. Для контакта электролита со стержнем использовали серебряную пасту. Недостатком данного аналога является разложение в атмосферной влаге и наличие серебряной пасты, служащей источником загрязнений электролита посторонними примесями.

Прототипом настоящего изобретения является твердотельный ионный эмиттер (RU № 1 656 83 U1 «Точечный твердотельный источник ионов серебра»). Полезная модель относится к области получения направленных потоков положительно заряженных ионов серебра и может быть использована в аэрокосмической технике для создания миниатюрных электростатических ракетных двигателей, в ускорительной технике и в ионно-лучевых приборах для технологической обработки материалов и микрозондовых исследований. Ионный эмиттер состоит из серебряного резервуара, представляющего собой цилиндр с остроконечным основанием, на поверхность которого нанесена пленка кристаллического суперионного электролита RbAg4I5, при этом подвижными ионами такой системы являются катионы серебра, бесконтактного омического нагревателя, выполненного в виде керамического полого цилиндра с нагревательными элементами, расположенными на внешней поверхности цилиндра, внутри которого размещен точечный твердотельный источник ионов серебра, нагреваемый до температуры ниже температуры плавления используемого электролита. Ионная эмиссия подвижных ионов происходит при температуре 195°С. Недостатки данного технического решения: разложение кристаллического электролита в атмосферной влаге, разложение при низких температурах [1] и деградация материала при температурах ниже 27°C с образованием Rb2AgI3 и AgI [2].

Технической проблемой, на которую направлено данное изобретение, является получение электролита для ионной эмиссии, который устойчив к низким температурам, химически стабилен в атмосферной влаге и не разлагается в воде и в ее парах любой насыщенности, плохо растворим в воде, источник ионов не окисляется при взаимодействии с кислородом воздуха, при его использовании не применяется серебряная паста, необходимая для контакта серебряного резервуара и суперионного электролита и служащая источником загрязнений электролита посторонними примесями.

Техническим решением указанной задачи является применение твердотельного суперионного электролита GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI, с мобильными ионами серебра для ионной эмиссии, который наносится в виде пленки на металлическое остроконечное основание из серебра, при этом сульфид германия стабилизирует стеклообразную систему и открывает дополнительные транспортные каналы для движения подвижных ионов, устойчивого к низким температурам и к атмосферной влаге.

Краткое описание фигур.

Фигура 1: Рентгенограмма стеклообразного электролита GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI.

В качестве электролита в изобретении применен стеклообразный суперионный электролит GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI с мобильными ионами серебра для ионной эмиссии, который наносится в виде пленки на металлическое остроконечное основание из серебра, при этом сульфид германия стабилизирует стеклообразную систему и открывает дополнительные транспортные каналы для движения подвижных ионов, сульфид сурьмы является стеклообразователем, сульфид серебра дополнительно стабилизирует электролит, а за счет йодида серебра стеклообразная система является суперионной.

Стеклообразный электролит синтезировали методом плавления в высокотемпературной трубчатой печи, закалку осуществляли в охлажденной воде. Получение ионного эмиттера осуществляли в аргоновой атмосфере путем обмакивания заостренного серебряного стержня в расплав стекла с последующим вытягиванием.

Применительно к настоящему изобретению был проведен эксперимент с целью доказательства устойчивости суперионного электролита к низким температурам и к атмосферной влаге. По результатам рентгенофазового анализа доказана устойчивость электролита к низким температурам. Таким образом, при использовании стекла GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI срок службы ионного источника существенно увеличивается.

Пример 1:

Для определения устойчивости электролита к низким температурам стекло GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI поместили в холодильную камеру при температуре -25°С, далее была получена рентгенограмма данного стекла (фиг. 1). Отсутствие острых пиков и кристаллических фаз на дифракционной картине подтверждает устойчивость вещества к низким температурам.

Пример 2:

Устойчивость к атмосферной влаге определили по значению растворимости стекла в воде. Для этого электролит помещали в дистиллированную воду 100 мл, предварительно измерив массу стекла. Спустя 3 дня образец сушили и определяли массу повторно. Повторные процедуры осуществляли 5 раз в течение 15 дней, в результате которых масса стекла не изменялась. Таким образом, стекло устойчиво к атмосферной влаге.

Литература

[1] - Valverde, N. Thermodynamic Stabilization of the Solid Electrolyte RbAg₄I₅ // Journal of The Electrochemical Society. 1980. - Vol. 127, No. 11. P. 2425-2429.

[2] - Chandra, S. Stability and optical absorption of the super-ionic conductor RbAg4I5 // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1975. - Vol. 8, No. 5. P. 576-580.

Изобретение относится к области получения направленных пучков ионов серебра и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для обработки материалов и в аэрокосмической технике для создания миниатюрных двигательных систем. Техническим результатом является получение электролита для ионной эмиссии, который устойчив к низким температурам, химически стабилен в атмосферной влаге и не разлагается в воде и в её парах любой насыщенности, плохо растворим в воде, источник ионов не окисляется при взаимодействии с кислородом воздуха, при его использовании не применяется серебряная паста, необходимая для контакта серебряного резервуара и суперионного электролита. Технический результат достигается за счет применения твердотельного суперионного электролита GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI с мобильными ионами серебра для ионной эмиссии, который наносится в виде пленки на металлическое остроконечное основание из серебра, при этом сульфид германия стабилизирует стеклообразную систему и открывает дополнительные транспортные каналы для движения подвижных ионов, устойчивого к низким температурам и к атмосферной влаге. 1 ил., 1 пр.

Твердотельный суперионный электролит, отличающийся тем, что в качестве электролита применен стеклообразный электролит системы GeS₂-Sb₂S₃-Ag₂S-AgI.