СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ЭЛЕКТРОНОВ В ТРИОДЕ Российский патент 2025 года по МПК H01J17/54 

Изобретение относится к плазменной энергетике к области усиления тока, напряжения и электрической мощности и может быть использовано при создании высокоэффективных низковольтных сильноточных цепей, эксплуатируемых в условиях высокого уровня радиации и температуры окружающей среды - на космических и наземных ядерных энергетических установках, в системах противорадиационной защиты, на предприятиях по переработке радиоактивных полезных ископаемых и АЭС.

Известен способ усиления электронных токов (авторское свидетельство СССР SU 70172 A1, опубл. 31.01.1948), в котором электронные токи в виде пучка быстрых электронов в вакууме направляют на поверхность диэлектрика, испускающего электроны вторичной эмиссии под действием вспомогательного пучка медленных электронов, и используют ток проводимости в диэлектрике, возникающий под действием усиливаемого тока. Этот ток проводимости растет линейно в широких пределах вместе с ростом тока быстрых электронов и может в десятки раз его превышать при соответствующем подборе энергии быстрых электронов.

Недостатком способа является использование твердотельных элементов, теряющих эффективность в условиях высокого уровня радиациии температуры окружающей среды.

Известен способ управления током в импульсных газоразрядных коммутаторах (патент РФ №2152115, опубл. 27.06.2000), при котором управляющий электрод и электрод, коммутирующий ток расположены в изолированных друг от друга объемах, а управляющее воздействие осуществляется волной ионизации. При данном способе управления образование плазмы в межэлектродном пространстве (между катодом и анодом) происходит со скоростью, значительно превышающей скорость образования плазмы при ионизации электронным ударом.

Недостатками являются сложность получения и контроля оптимальных условий формирования волны ионизации, а именно реализация контроля давлений в каждом из изолированных объемов, а также повышенные требования к питающей аппаратуре.

Известен способ управления током в полупроводниковых приборах - полевых транзисторах или биполярных транзисторах с изолированными затворами (патент РФ № 2523598, опубл. 20.07.2014), в котором между источником и приемником управляющей информации и энергии создается беспроводной энерготранспортирующий канал в электроизолирующей среде светопроводящего стержня путем размещения на одном из торцов стержня мощного светодиода, а на другом торце - матричного солнечного элемента. Далее при помощи светодиода в стержне возбуждают световой поток, его энергию преобразуют в матричном солнечном элементе в энергию электрического тока, с помощью которой питают затвор транзистора, при этом управляющую информацию кодируют путем изменения времен включенного и выключенного состояний светодиода.

Недостатком способа является нестабильность параметров управления затворами транзисторов вследствие помех, возникающих в энерготранспортирующем канале, при реализации способа в условиях высоких температур, в агрессивных средах, а также в условиях высокого уровня радиации.

Известен способ стабилизации высоковольтного напряжения на базе разряда с сужением плазменного канала (патент РФ №2584691, опубл. 20.05.2016 г.), принятый за прототип, и заключающийся в создании основного разряда непосредственно между катодом и управляющим электродом плазменного триода через отверстие в основном аноде, подаче на основной анод отрицательного потенциала, и регулировке стабилизируемого напряжения в диапазоне от 10 до 100 B путем изменения давления гелия либо отрицательного потенциала на основном аноде. Способ реализован в трехэлектродной конструкции, где анод выполняют с отверстием, а управляющий электрод устанавливают вне разрядного промежутка за анодом, соосно с ним.

Недостатками прототипа являются техническая сложность поджига разряда непосредственно на управляющий электрод через анодное отверстие и ухудшение качества стабилизации напряжения при значительных потенциалах основного анода.

Техническим результатом является увеличение силы тока, напряжения и электрической мощности в силовых цепях.

Технический результат достигается тем, в триоде заполненном гелием, при котором создают разряд непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в аноде, между катодом и анодом зажигают низковольтный пучковый разряд при нулевом токе на управляющий электрод, при этом создают между ними разность потенциалов не менее потенциала ионизации гелия в 24,7 В стабилизированным источником напряжения, за счет этого формируется распределение потенциала с резкими скачками вблизи катода и анода и областью квазинейтральности в основной части зазора катод-анод, далее варьируют потенциал анода U_a от 5 до 20 В и потенциал управляющего электрода U_уэ от 35 до 40 В внешними источниками напряжения, а концентрацию электронов регулируют, изменяя давление гелия от 1 до 5 Торр системой редукторов и игольчатого натекателя, при этом ток возрастает от 1,3 до 4 раз, напряжение от 2 до 5 раз, а электрическая мощность от 1,3 до 20 раз, значения их приращений в основной цепи регистрируют цифровыми мультиметрами.

Способ усиления поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - режим горения разряда в триодном приборе;

фиг. 2 - распределение потенциала в межэлектродных зазорах триода (Р_Не=3 Торр, U_уэ=35 В).

фиг. 3 - зависимость K_i=Δi_а/Δi_уэ от анодного потенциала в диапазоне давлений гелия от 1 до 5 Торр (i_уэ=0,1 А, U_уэ=35 В);

фиг. 4 - зависимость ΔU_a от ΔU_уэ в диапазоне давлений гелия от 1 до 5 Торр, где:

1 - катод;

2 - диффузное свечение плазмы;

3 - анод;

4 - управляющий электрод.

Способ осуществляется следующим образом. Вначале, межэлектродный промежуток триода заполняют спектрально-чистым гелием, при этом во избежание неустойчивых режимов работы электрической цепи давление устанавливают равным 1 Торр и контролируют это значение при помощи манометрического преобразователя. Далее между катодом 1 (фиг. 1) и анодом 2 зажигают низковольтный пучковый разряд 3 при нулевом токе на управляющий электрод 4, путем создания между ними разности потенциалов не менее потенциала ионизации гелия в 24,7 В при помощи стабилизированного источника напряжения. За счет этого формируют распределение потенциала с резкими скачками вблизи катода и анода и областью квазинейтральности в основной части зазора катод-анод. Эмитированные катодом электроны ускоряют на прикатодном скачке потенциала до энергий не менее 25 эВ и формируют плотный пучок, ионизирующий атомы гелия для рождения медленных электронов с энергией не менее 2 эВ. После этого от индивидуального стабилизированного источника питания на управляющий электрод подают потенциал U_уэ не менее 35 В, зажигают разряд между катодом и управляющим электродом через отверстие в основном аноде и формируют скачок потенциала вблизи отверстия анода, ускоряющий медленные электроны, и обеспечивающий их ток на управляющий электрод. Начальное значение силы тока медленных электронов на управляющий электрод устанавливают не менее 0,1 А. Далее осуществляют усиление тока, напряжения и электрической мощности в цепи. Для этого регулируют потоки пучковых и медленных электронов на анод и управляющий электрод за счет варьирования потенциала анода U_a от 5 до 20 В и потенциала управляющего электрода U_уэ от 35 до 40 В при помощи внешних источников напряжения, а концентрацию электронов регулируют изменяя давление гелия от 1 до 5 Торр при помощи системы редукторов и игольчатого натекателя. При этом ток возрастает от 1,3 до 4 раз, напряжение от 2 до 5 раз, а электрическая мощность от 1,3 до 20 раз. Значения приращений тока, напряжения и мощности в основной цепи регистрируют при помощи цифровых мультиметров, и обеспечивают повышение эффективности питания силовых цепей, эксплуатируемых в условиях высокого уровня радиации и температуры окружающей среды.

Способ поясняется следующими примерами.

На первом этапе между катодом и анодом зажигают низковольтный пучковый разряд. При этом формируется распределение потенциала, представленное на фиг. 2. Видно, что основные изменения потенциала происходят в приэлектродных областях, тогда как в основной части зазора катод-анод сформирована область квазинейтральности. Если ток на управляющий электрод равен нулю, то распределение потенциала иллюстрируется пунктирной линией. В этом режиме электроны, эмиттированные катодом, ускоряются на прикатодном скачке потенциала до энергий не менее 25 В и образуют плотный пучок, беспрепятственно достигающий анода, и осуществляющий ионизацию атомов гелия. В результате рождаются медленные электроны с энергией не менее 2 эВ. Электроны этой группы не участвуют в токопереносе, поскольку оказываются запертыми в потенциальной яме между катодом и анодом. При подаче на управляющий электрод тока 0,1 А распределение потенциала изменяется-формируется скачок потенциала Δϕ вблизи отверстия анода, показанный сплошной линией на фиг. 2. Этот скачок ускоряет медленные электроны, и обеспечивает их ток на управляющий электрод через отверстие в основном аноде. В этом режиме управление потоками пучковых и медленных электронов путем изменения потенциалов анода U_а и управляющего электрода U_уэ совместно с регулировкой давления гелия Р_Не позволяет получать различные значения коэффициентов усиления тока K_i, напряжения K_u и мощности K_p.

Пример 1. Усиление тока в электрической цепи производилось путем варьирования потенциала анода U_a от 5 до 20 В в диапазоне давлений гелия от 1 до 5 Торр. Для проверки эффективности усиления регистрировались приращения электронных токов на анод Δi_а, управляющий электрод Δi_уэ и их отношение, представляющее собой коэффициент усиления тока K_i =Δi_а/Δi_уэ. Результаты представлены в таблице 1. Видно, что при фиксированном значении давления коэффициент усиления непрерывно возрастает в зависимости от U_a, что объясняется ростом тока медленных электронов на анод при их слабо меняющейся концентрации.

Таблица 1 - Значения коэффициентов усиления тока K_i при различных давлениях гелия и потенциалах анода

P_He, Торр 0,5 1 3 5 6 U_a, В K_i1 K_i2 K_i3 K_i4 K_i5 5,0 0,10 0,15 0,20 0,3 0,01 7,5 0,12 0,20 0,20 0,5 0,01 10,0 0,15 0,25 0,50 1,0 0,02 12,5 0,25 0,50 0,80 1,3 0,03 15,0 0,40 0,80 1,30 2,0 0,04 17,5 0,60 1,30 1,85 2,7 0,06 20,0 0,95 2,15 3,10 4,0 0,09

Обращает на себя внимание резкое снижение эффективности способа при давлении менее 1 Торр и более 5 Торр. Это объясняется тем, что в первом случае падает концентрация атомов и метастабилей гелия, а значит и концентрация заряженных частиц в плазме. При давлениях выше 5 Торр частота упругих столкновений возрастает настолько, что пучок электронов релаксирует не только по импульсу, но и по энергии, и теряет свою ионизирующую способность.

На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента усиления тока K_i от анодного потенциала U_a для различных давлений гелия Р_He. Видно, что с ростом давления от 1 до 5 Торр коэффициент усиления тока растет за счет увеличения концентрации заряженных частиц. Максимально эффективное усиление тока осуществляется при давлении гелия 5 Торр, когда K_i достигает 4 при U_a=20 В.

Пример 2. Усиление напряжения осуществлялось за счет варьирования потенциала управляющего электрода U_уэ от 35 до 40 В в диапазоне давлений гелия от 1 до 5 Торр. Для проверки эффективности способа регистрировались приращения напряжений на аноде ΔU_а, управляющем электроде ΔU_уэ и их отношение, представляющее собой коэффициент усиления напряжения K_u =ΔU_а/ΔU_уэ. Данные по приращениям напряжения ΔU_a, ΔU_a и коэффициентам усиления при давлениях гелия 1, 3 и 5 Торр, а также 0,5 и 6 Торр представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения коэффициентов усиления напряжения K_u при различных давлениях гелия и потенциалах управляющего электрода

P_He=0,5 Торр P_He=1 Торр P_He=3 Торр P_He=5 Торр P_He=6 Торр ΔU_уэ, В ΔU_а, В ΔU_уэ, В ΔU_а, В ΔU_уэ, В ΔU_а, В ΔU_уэ, В ΔU_а, В ΔU_уэ, В ΔU_а, В 35-40 35-37 35-40 35-40 35-37 35-39 35-36 35-40 35-36 5-35,1 К_u1=0,4 К_u2=1,0 К_u3=2,0 К_u4=5,0 К_u5=0,1

Из таблицы 2 видно, что эффективность усиления напряжения растет с увеличением давления до момнта достижения P_He=5 Торр. Если при давлении 1 Торр приращение потенциала управляющего электрода от 35 до 40 В не приводит к приращению потенциала на аноде, т.е. К_u1=1, то при давлении 3 Торр напряжение возрастает в 2 раза (К_u2=2), а при давлении гелия 5 Торр достигается пятикратное увеличение напряжения, когда К_u3=ΔU_а/ΔU_уэ=5. В случае превышении давления 5 Торр, равно как и при его падении ниже 1 Торр, усиление напряжения становится неэффективным соответственно по причине энергетической релаксации электронов пучка и снижения концентрации заряженных частиц.

Зависимости ΔU_a от ΔU_уэ при разных давлениях гелия представлены на фиг. 4, убедительно подтверждая возможность усиления напряжения от 2 до 5 раз в диапазоне давлений 1-5 Торр.

Пример 3. Для проверки эффективности усиления электрической мощности регистрировались ее приращения в зазорах катод-анод ΔP_к-а и катод-управляющий электрод ΔP_к-уэ при Р_He=5 Торр, а также отношение приращений, представляющее собой коэффициент усиления электрической мощности К_p=ΔP_к-а/ΔP_к-уэ. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения коэффициентов усиления электрической мощности K_p при различных давлениях гелия и потенциалах анода

Р_He=6 Торр; К_u5=0,1 (отсутствие усиления) U_a, В 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 К_p5 0,001 0,001 0,002 0,003 0,004 0,006 0,009 Р_He=5 Торр; К_u4=5 (максимальная эффективность усиления) U_a, В 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 К_p4 1,5 2,5 5,0 6,5 10,0 13,5 20,0 Р_He=3 Торр; К_u3=2 U_a, В 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 К_p3 0,4 0,5 1,0 1,7 2,6 3,7 6,2 Р_He=1 Торр; К_u2=1 (минимальная эффективность усиления) U_a, В 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 К_p2 0,15 0,20 0,25 0,50 0,80 1,30 2,15 Р_He=0,5 Торр; К_u1=0,4 (отсутствие усиления) U_a, В 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 К_p1 0,04 0,048 0,06 0,1 0,16 0,24 0,38

Максимальное приращение электрической мощности достигается при давлении гелия 5 Торр, когда коэффициент усиления возрастает от 1,5 до 20 при варьировании потенциала анода от 5 до 20 В. В областях давлений P_He<1 Торр и P_He>5 Торр способ теряет эффективность с точки зрения усиления мощности.

Способ обеспечивает увеличение силы тока, напряжения и электрической мощности в силовых цепях путем управления потоками электронов разных энергий на анод и управляющий электрод за счет варьирования их потенциалов и управления концентрацией заряженных частиц путем регулировки давления гелия.

Изобретение относится к области плазменной энергетики. Технический результат - увеличение силы тока, напряжения и электрической мощности в силовых цепях. В способе управления потоками электронов в триоде, заполненном гелием, создают разряд непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в аноде. Между катодом и анодом зажигают низковольтный пучковый разряд при нулевом токе на управляющий электрод, при этом создают между ними разность потенциалов не менее потенциала ионизации гелия в 24,7 В стабилизированным источником напряжения, за счет этого формируется распределение потенциала с резкими скачками вблизи катода и анода и областью квазинейтральности в основной части зазора катод-анод. Далее варьируют потенциал анода U_a от 5 до 20 В и потенциал управляющего электрода U_уэ от 35 до 40 В внешними источниками напряжения, а концентрацию электронов регулируют, изменяя давление гелия от 1 до 5 Торр системой редукторов и игольчатого натекателя. При этом ток возрастает от 1,3 до 4 раз, напряжение от 2 до 5 раз, а электрическая мощность от 1,3 до 20 раз. 4 ил., 3 табл.

Способ управления потоками электронов в триоде, заполненном гелием, при котором создают разряд непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в аноде, между катодом и анодом зажигают низковольтный пучковый разряд при нулевом токе на управляющий электрод, при этом создают между ними разность потенциалов не менее потенциала ионизации гелия в 24,7 В стабилизированным источником напряжения, за счет этого формируется распределение потенциала с резкими скачками вблизи катода и анода и областью квазинейтральности в основной части зазора катод-анод, далее варьируют потенциал анода U_a от 5 до 20 В и потенциал управляющего электрода U_уэ от 35 до 40 В внешними источниками напряжения, а концентрацию электронов регулируют, изменяя давление гелия от 1 до 5 Торр системой редукторов и игольчатого натекателя, при этом ток возрастает от 1,3 до 4 раз, напряжение от 2 до 5 раз, а электрическая мощность от 1,3 до 20 раз, значения их приращений в основной цепи регистрируют цифровыми мультиметрами.