Рекуператор энергии ионов плазмы

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения и накопления электростатического электричества, а также рекомбинации зарядов положительно и отрицательно заряженных частиц потока плазмы.

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). Недостатки данного рекуператора является низкий КПД, большие габарито-массовые характеристики, невозможность накапливать электростатическое электричество, малая плотность тока 0,01-0,1 А/м². Известен рекуператор энергии положительно заряженных ионов (Патент RU 2617689 / Трифанов В.И., Казьмин Б.Н, Оборина Л.И., Трифанов И.В.).

Его недостатком является то, что он может рекуперировать положительно заряженные ионы, а отрицательно заряженных только после перезарядки и переключения полярности на электродах, что снижает его КПД, технические возможности и энергетические характеристики (разрядную мощность). В потоке плазмы часто встречаются положительно и отрицательно заряженные ионы, а также электроны, энергию которых требуется рекуперировать одновременно и накапливать энергетическую мощность, а заряд нейтрализовать. Актуальной проблемой также является возможность рекуперации энергии слабоэнергетических частиц от солнечного ветра, которые могут представлять радиационную опасность для космических аппаратов.

Патент РФ №2617689 принят за прототип.

Задачей изобретения является увеличение разрядной мощности, КПД обеспечение технической возможности рекуперации одновременно энергии положительно и отрицательно заряженных частиц холодной плазмы в электростатическое электричество, а также нейтрализация их электрического заряда, накопление электрической мощности и повышение радиационной защиты объектов на потоке плазмы.

Поставленная задача достигается тем, что рекуператор энергии заряженных ионов, представляющий собой рекуператор положительно заряженных частиц, состоящий из торцевого конденсатора ионисторного типа с положительно и отрицательно заряженными электродами, по оси которого установлен изолированный управляющий электроотражатель, а также боковых конденсаторов ионисторного тока с многоколлекторными положительно заряженными и отрицательно заряженными электродами, образуют электрический блок, путем электрического соединения при помощи отрицательно заряженных электродов боковых ионисторных конденсаторов с отрицательно заряженными многоколлекторными электродами двух идентичных с ним по строению рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц, а положительно заряженные и отрицательно заряженные электроды его торцевого конденсатора электрически соединены, соответственно, с положительно заряженными и отрицательно заряженными электродами рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц при помощи электрических перемычек.

Такое электрическое соединение трех одинаковых по строению рекуператоров энергии заряженных частиц холодной плазмы позволяет обеспечить рекуперацию энергии положительно и отрицательно заряженных частиц холодной плазмы одновременно и преобразовать ее в электростатическое электричество, а также нейтрализовать заряд с повышением КПД и разрядной мощности. Кроме того увеличиваются зарядная и разрядная мощности, скорости зарядки и разрядки, а также надежность защиты объектов от воздействия заряженных частиц потока плазмы. Применяемые материалы влияют на работу рекуператоров.

Изготовление электродов конденсаторов, а также многоколлекторных электродов из наноуглеродных композиционных материалов позволяет повысить КПД за счет малого коэффициента отражения заряженных частиц не более 10% (см. Рау Э.И. Моделирование взаимодействия электронного пучка с веществом методом Монте-Карло / https://docvilwer.com).

Применение электролита из нанокомпозитных материалов на основе рубидия позволяет обеспечить высокую емкость заряда конденсаторами ионисторного типа 100 Ф/г, рассчитанного на массу активного углеродного материала, при температуре 180°С, а также высокий потенциал рабочего напряжения U_раб>3В и термическую стабильность в диапазоне 150-180°С (см. Патент РФ №2592863). Сепаратор конденсаторов ионисторного типа может быть выполнен из пористого, пленочного диэлектрического материала для разделения электродов.

Сепаратор служит для исключения электронного переноса между положительным и отрицательным электродами.

Сепаратор должен обеспечивать максимальную ионную проводимость, обладать высокой пористостью и поглотительной способностью по отношению к электролиту, а также химической и электрохимической стабильностью в растворах исходного электролита. Толщина сепарационного материала должна обеспечить минимальное внутреннее сопротивление суперконденсатора и увеличение удельной мощности. Среди сепарационных материалов основными являются полипропиленовые, полиэтиленовые, целлюлозобумажные и фторопластиковые материалы. Ионная проницаемость сепарационного материала, прежде всего, определяется толщиной и пористостью, которые зависят от природы сепаратора, способа его производства и модифицирования. Минимальным эквивалентным последовательным сопротивлением обладает суперконденсатор с сепаратором толщиной 35 мкм, с размером пор 0,1 мкм, выполненным на основе пористого полиэтилена, что обусловлено максимальной пористостью материала (74%). Кроме того, полиэтилен устойчив против радиационного воздействия заряженных частиц, что повышает надежность работы конденсаторов ионисторного типа при воздействии заряженных частиц. Установлено, что удельная емкость суперконденсатора слабо зависит от природы сепарационного материала (см. М.Ю. Чайка, B.C. Горшков, Д.Е. Силютин, В.А. Небольсин, А.Н. Ермаков. Основные типы сепарационных материалов в суперконденсаторах с неводным электролитом / cyberleninka.ru).

Известно, что электрическая емкость энергии конденсатора ионисторного типа, применяемого для накопления электростатической энергии, пропорциональна площади электрода. Удельная поверхность графена может достигать 2630 м²/г. Дискретные высокопористые накопительные слои подложек электродов конденсаторов могут быть выполнены из графена (см. Патент РФ 2597224 Суперконденсатор).

При этом удельная емкость наностенки может достигать 600 Ф/г путем включения атомов азота в углеродную решетку тонкопленочных суперконденсаторов на основе углеродных нанопленок (см. Н.В. Стешин, И.К. Акфатов, Е.В. Зенова, А.А. Павлов, С.В. Вавилов. N - Doped carbon nano walls for power sources // scientific reports 2019-04-30, Vol. 9, iss1 - p. 6716).

На основе электродов с высокими электрохимическими и структурными характеристиками, сепаратора, выполненного из пористого полиэтилена, и рубидий содержащего электролита, разработан ионисторный конденсатор, обладающей удельной энергоемкостью 32 Вт.ч/кг, который может применяться в рекуператоре энергии заряженных частиц.

На фиг. 1 показана схема блока рекуператоров энергии ионов плазмы.

При защите от проникновения на защищаемый космический объект слабо энергетических заряженных частиц, излучаемых, например, солнцем путем их рекуперации, целесообразно создание силового магнитного поля в виде магнитной ловушки. Магнитная ловушка, представляющая собой пространственную конфигурацию магнитного поля, способна удерживать заряженные частицы, такие как электроны, протоны, альфа-частицы, путем взаимодействия с ними и концентрации их заряда. При этом может происходить вращение заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля, движение по спиральной траектории, с отражением в области полюсов, у которых может быть установлен энергетический блок рекуператоров энергии. Такое построение системы позволит повысить эффективность рекуперации энергии слабоэнергетических заряженных частиц и обеспечить более надежную радиационную защиту, например, космических аппаратов (КА) в космосе. Если заряженная частица влетает в магнитное поле, перпендикулярно индукции В, то начинает двигаться по круговой траектории, охватывающей силовые линии магнитного поля. Радиус вращения может быть определен по формуле:

где V - скорость движения заряженной частицы, m, g - масса и заряд заряженной частицы, В - магнитная индукция.

Период вращения заряженной частицы будет равен

Шаг винтовой линии h, когда заряженная частица двигается по спирали, можно оценить по формуле: h=V⋅T.

Если индукция магнитного поля В возрастает в направлении движения частицы, то радиус R и шаг винтовой линии h уменьшаются с ростом В. На этом основана фокусировка заряженных частиц в магнитном поле (см. Википедия / https://ru.wikipedia.org).

Магнитное поле внутри соленоида можно оценить по формуле:

где N - число витков, L - длина соленоида, I - ток, μ₀ - магнитная постоянная.

Уравнение движения протона в магнитном поле можно представить выражением:

где е - заряд протона.

На заряженные частицы со стороны магнитного поля действует сила Лоренца F=eVB.

Полную энергию протона можно оценить по формуле:

m⋅c²=ecBR, т.к. V≈С,

Представленные зависимости легли в основу построения системы рекуперации энергии слабоэнергетически заряженных частиц и повышения радиационной защиты объекта на основе применения энергетического блока рекуператоров энергии положительно и отрицательно заряженных частиц.

Могут применяться открытые магнитные ловушки, достоинством которых является простота, а также зеркальные магнитные ловушки, в которых при продвижении в область сильного магнитного поля радиус траектории заряженных частиц уменьшается (см. Традиционное достоинство открытых ловушек - простота / cyberleninka.ru; Магнитные ловушки / booksitc.ru).

Блок рекуператоров энергии ионов плазмы представлен на фиг. 1. В состав блока рекуператоров энергии ионов плазмы входит: рекуператор энергии положительно заряженных частиц 1 с диффузором 2, соединенным с коническим каналом 3, в которых установлены ускоряюще-тормозящие электроды 4; торцевой конденсатор ионисторного типа 5; положительно заряженный электрод 6, отрицательно заряженный электрод 7; изолированный управляющий электрод-отражатель 8; боковые конденсаторы ионисторного типа 9; многоколлекторные положительно заряженные электроды 10; отрицательно заряженные электроды 11 рекуператора энергии положительно заряженных частиц, отрицательно заряженные многоколлекторные электроды 12 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; отрицательно заряженные электроды 13 торцевых конденсаторов рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; положительно заряженные электроды 14 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; электрические перемычки 15; твердый рубидий, проводящий электролит 16; сепаратор диэлектрический 17; диэлектрический корпус рекуператоров 18; канал для прокачки охлаждающей жидкости 19; канал для выхода молекул газа после рекуперации ионов 20, рекуператоры отрицательно заряженных частиц 21; диффузоры отрицательно заряженных частиц 22; конические каналы 23; электроды для контроля объемного заряда в рекуператоре 24.

На фиг. 2 показан блок рекуператоров энергии с устройством, позволяющим производить отбор заряженных частиц из магнитной ловушки 23 путем формирования пучков заряженных частиц с декомпозицией их пространственного заряда и направления в полости рекуператоров энергии, а также схема установки блока рекуператоров положительно и отрицательно заряженных частиц у полюса N магнитной ловушки в системе радиационной защиты объектов на потоке плазмы. Схема включает в себя энергетический блок рекуператоров энергии положительно заряженных 1 и отрицательно заряженных ионов и электронов 22, магнитную ловушку 23, силовые линии магнитного поля ловушки 24, магнитную систему рекуператора энергии 25, магнитную линзу 26 для фокусировки пучков заряженных частиц, отсечные электроды 27, для декомпозиции пространственного заряда потока заряженных частиц, траекторий движения заряженных частиц 28.

Аналогичная система рекуператоров может содержать устройство для отбора заряженных частиц из магнитной ловушки и быть установлена у полюса S магнитной ловушки (на фиг. 2 не показана).

Рекуператор (фиг. 1) работает следующим образом. Подается поток положительно и отрицательно заряженных частиц. Поток положительно заряженных частиц холодной плазмы под действием отрицательного электрического потенциала 1-2,5 кВ, подаваемого на кольцевые изолированные электроды, установленные на входе в диффузор 2, направляется в конический канал 3. При движении по коническому каналу поток положительно заряженных частиц уплотняется, а затем поступает в рекуператор 1. Положительно заряженные частицы взаимодействуют с заряжающим электродом 6 торцевого конденсатора ионисторного типа 5, а также с многоколлекторными электродами 10 боковых конденсаторов ионисторного типа заряжая их положительно. Для ускорения, замедления или колебания объемного заряда внутри рекуператора энергии положительно заряженных частиц применяется изолированный управляющий электрод-отражатель 8, на который подается требуемое напряжение с определенной частотой, обеспечивающей высокий КПД рекуперации положительно заряженных частиц, за счет углов отражения заряженных частиц и мягкой посадки на электроды-коллекторы. Одновременно отрицательно заряженные частицы холодной плазмы под действием положительного потенциала напряжением 1-2,5 кВ, подаваемого на кольцевые изолированные электроды, установленные на входе в диффузоры 22, подаются в конические каналы 23, а затем в рекуператоры энергии отрицательно заряженных частиц 21, идентичных по построению с рекуператором энергии положительно заряженных ионов 1.

За счет воздействия отрицательно заряженных частиц электроды 13 торцевых конденсаторов ионисторного типа и многоколлекторные электроды 12 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21 заряжаются отрицательно, при этом отрицательный потенциал электродов 12 распределяется также на отрицательно заряженные электроды 11 боковых конденсаторов рекуператора энергии положительно заряженных частиц 1, так как они непосредственно электрически соединены с электродами 11. Аналогичное распределение потенциала (-) происходит на электроде 7 торцевого суперконденсатора 5 рекуператора энергии положительно заряженных ионов 1 и электродов 13 торцевых суперконденсаторов рекуператоров энергии отрицательно заряженных ионов 22, а также распределение потенциала (+) на электроде 6 торцевого суперконденсатора рекуператора энергии положительно заряженных ионов и электродах 14 торцевых суперконденсаторов рекуператоров энергии 22 отрицательно заряженных частиц, так как они соединены электрически при помощи перемычек 15.

Создание энергетического блока (фиг. 1) рекуператоров энергии положительно заряженных ионов 1 с идентичным с ним по построению рекуператорами энергии отрицательно заряженных ионов 22, путем их электрического соединения при помощи, отрицательно заряженных электродов 11 и 12 боковых ионисторных конденсаторов, а также положительно заряженного 6 и отрицательно заряженного 7 электродов его суперконденсатора с положительно заряженными 14 и отрицательно заряженными 13 электродами рекуператоров энергии заряженных частиц, позволяет обеспечить одновременно рекуперацию энергии положительно заряженных и отрицательно заряженных ионов, а также электронов потока плазмы. При рекуперации ионов, например, водорода или гелия, образуется газ за счет нейтрализации заряда в рекуператоре энергии, который отводится через каналы 20, находящиеся под напряжением (+), а отрицательно заряженных ионов под напряжением (-). Для контроля объемного заряда в рекуператорах энергии используются электроды 24, что позволяет регулировать процесс рекуперации. Для обеспечения радиационной защиты объектов от воздействия на них энергии заряженных частиц плазмы, несколько рекуператоров энергии заряженных частиц могут располагаться в шахматном порядке с потенциалами (+) и (-) на ускоряющих электродах диффузоров, образуя ячеистую поверхность при помощи диффузоров, изолированных друг от друга (на фиг. 1 не показано).

Блок рекуператоров энергии с устройством, позволяющим концентрировать и направлять слабоэнергетические пучки заряженных частиц в полость рекуператоров, совмещенных, с магнитной ловушкой системы радиационной защиты показан на фиг. 2. Работает следующим образом: слабоэнергетические заряженные частицы, например, электроны, протоны, альфа-частицы взаимодействуют с магнитным полем ловушки 23, влетая в него под некоторым углом, двигаются по спирали к полюсам N и S по его магнитным силовым линиям 24. У полюса N заряженные частицы взаимодействуют с полюсом S более мощной магнитной системы 25 и направляются вдоль его силовых линий по траектории 28, в полость магнитной линзы 26 за счет которой происходит фокусировка пучков заряженных частиц путем увеличения магнитной индукции В.

Затем заряженные частицы двигаются к полюсу N за счет магнитной индукции магнитного поля 25 рекуператоров энергии.

Декомпозиция потока заряженных частиц по пространственному заряду осуществляется электрическим полем при помощи отсеченных электродов 27. После декомпозиции заряженные частицы поступают в униполярные рекуператоры 1 и 22, электрически соединенные между собой, где происходит рекуперация энергии положительно и отрицательно заряженных частиц одновременно. Аналогично может осуществляться установка и работа рекуператоров энергии слабозаряженных частиц плазмы у полюса S магнитной ловушки. Питание магнитной ловушки может осуществляться постоянным электрическим током, для этого не потребуется источник высокой мощности для работы электромагнитов. Магнитная ловушка может быть также создана на основе использования постоянных магнитов (см. С.К. Димитров, В.А. Обухов / Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (ионные инжекторы и плазменные ускорители под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко. М.: Энергоиздат,1989, с. 197-198.).

При этом возрастает скорость зарядки рекуператоров энергии в 1,5-2 раза, КПД энергетического блока до 65-75%. Технический результат: повышение разрядной мощности, эффективности рекуперации энергии заряженных частиц потока плазмы, возможности создания системы защиты космических объектов от радиации с одновременным получением электроэнергии при расположении в шахматном порядке электрически соединенных между собой рекуператоров энергии положительно и отрицательно заряженных ионов, а также размещение их у полюсов магнитного поля, удерживающего заряженные частицы и концентрирующего их заряд, что повышает стабильность источника плазмы с требуемыми параметрами для зарядки суперконденсаторов рекуператоров.