РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения и накопления статического электричества, а также преобразования его в постоянный электрический ток питания аккумуляторов, систем и агрегатов космических аппаратов, транспортных средств и других альтернативных источников энергии.

Известно применение в качестве электростатической ловушки цилиндра Фарадея, в котором происходит поглощение заряженных частиц пучка при прохождении им через вещество поглотитель.

Цилиндр Фарадея содержит корпус с входным отверстием в осевую полость, в которой размещено вещество поглотитель. Ток проницаемости, возникающий при попадании пучка ускоренных частиц в полость корпуса, зависит от длины поглощающей части и длины свободного пробега частиц заданной энергии в веществе поглотителя. Величина тока отражения определяется углом вылета отраженных частиц, углом отражения частиц и коэффициентом отражения для материала поглотителя (Цилиндр Фарадея/http://stu.scask.ru/book.arl.php?id=26). Для снижения отражения дно цилиндра Фарадея изготавливают из материала с небольшим атомным весом (углерод, графит), имеющим малый коэффициент отражения и большой угол отражения. С целью уменьшения угла вылета геометрия передней части цилиндра должна быть проходной и значение отношения диаметра входного отверстия к разнице общей длины цилиндра Фарадея и длины поглощающей части должно быть меньше единицы.

К недостаткам цилиндра Фарадея можно отнести большие габариты и масса, вторичные явления и нагрев при преобразовании заряженных частиц в электростатический ток; небольшая емкость электростатического заряда при рекуперации энергии заряженных пучков плазмы, что снижает эффективность процесса получения электроэнергии.

Известен рекуператор энергии пучка заряженных частиц (SU 1564740, Н05Н 7/00), содержащий последовательно установленные на общей оси коллектор вторичных заряженных частиц в виде диафрагмы с центральным отверстием из материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии, устройство круговой развертки пучка, коллектор отраженных частиц в виде осесимметричной системы конусообразных электродов и электрод-отражатель, выполненный в форме иглы и последним расположенный на оси рекуператора внутри объема, ограниченного конусообразными электродами. Данный рекуператор принят за прототип.

Недостаток прототипа заключается в низкой энергоемкости, невозможности накопления электростатического заряда для последующего его преобразования в постоянный электрический ток, нагрев электродов, низкий КПД преобразования энергии заряженных частиц в электрический ток низкой прозрачности для прохождения заряженных частиц применяемых материалов, используемых для изготовления конусообразных электродов, и большой коэффициент отражения заряженных частиц под малым углом от отражающего электрода, а также неравномерное распределение частиц отраженного потока по конусообразным электродам из-за большого разброса их энергий.

Задачей изобретения является повышение КПД, надежности работы рекуператора, уменьшение нагрева электродов и потерь электроэнергии путем увеличения коэффициента преобразования энергии пучка заряженных частиц в электрический ток с накоплением электростатического напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что известный рекуператор, содержащий установленные на одной оси коллектор заряженных частиц, устройство круговой развертки, коллектор отраженных частиц в виде размещенной в корпусе осесимметричной системы конусообразных электродов с осевым отверстием, причем конусообразные электроды расположены в порядке увеличения диаметра осевого отверстия с образованием конической полости, и электрод-отражатель, рабочая часть которого расположена внутри конической полости, согласно изобретению дополнительно снабжен конденсатором ионисторного типа, на оси которого размещен изолированный электрод-отражатель с рабочей частью, имеющей коническую форму, при этом конденсатор ионисторного типа представляет собой собранные в охлаждаемый диэлектрический корпус заряжающий и электростатический электроды из углеродного нанопористого материала, покрытые слоем графеновых нанотрубок, разделительную мембрану, покрытую с двух сторон слоем графеновых нанотрубок, с полостями между электродами и разделительной мембраной, заполненными твердым наномодифицированным электролитом, при этом корпус коллектора отраженных частиц установлен на заряжающем электроде конденсатора ионисторного типа и выполнен, так же как и конусообразные электроды, из углеродного нанопористого материала, покрытого слоем графеновых нанотрубок.

Пористая структура поверхности электродов конденсатора ионисторного типа и поглощающих конусообразных электродов коллектора отраженных частиц, выполненных из нанопористого материала, покрытого слоем графена, позволяет увеличить электрические транспортные поры, подвижность заряда и плотность тока, что дает возможность снимать с 1 см² поверхности большую мощность при рекуперации энергии. Повышение энергоемкости, накопления электростатического заряда обеспечивается 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 зарядки и разрядки при передаче энергии потребителю. Режим съема тепловой мощности обеспечивается путем прокачки охлаждающей жидкости через каналы, выполненные в диэлектрическом корпусе.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен рекуператор энергии пучка заряженных частиц.

На фиг. 2 показана схема испытаний заявленного рекуператора.

Рекуператор состоит из коллектора заряженных частиц 1 с входным отверстием 2, устройства круговой развертки 3, коллектора отраженных заряженных частиц 4 с входным отверстием 5, конденсатора ионисторного типа 6. Коллектор отраженных заряженных частиц представляет собой осесимметричную систему конусообразных электродов 7 с осевым отверстием, размещенных в корпусе 8, выполненном также из углеродного наномодифицированного материала, причем электроды сходящейся конусностью расположены в направлении движения пучка заряженных частиц для обеспечения равномерного распределения заряженных частиц и взаимодействия их с заряжающим электродом ионисторного конденсатора, а также в порядке увеличения диаметра осевого отверстия с образованием прерывистой конической полости во внутреннем объеме коллектора для поглощения отраженных заряженных частиц. Коллектор отраженных заряженных частиц закрыт диэлектрическим кожухом 9. Конденсатор ионисторного типа состоит из диэлектрического корпуса 10 с каналом 11 для подачи охлаждающей жидкости, заряжающего электрода 12, диэлектрической мембраны 13, разделяющей заряжающий электрод 12 от второго электростатического электрода 14 (поляризующие электроды). Заряжающий электрод 12 и электрод 14 выполнены из углеродного нанопористого материала, покрытого слоем графеновых нанотрубок 15. Поляризующие электроды конденсатора ионисторного типа могут быть выполнены из пленки графена на пористом угле. Электроны в слое графена могут проходить сквозь препятствия и не отскакивать от них. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См (Графен в электронике сегодня и завтра. Материалы из Википедии) http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/. В. Кузнецов, О. Панкин и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем. Разработка и производство // Компоненты и технологии, №6, 2005.

Заряжающий электрод конденсатора ионисторного типа изготавливают многослойным из углеродных нанокомпозиционных материалов, способных работать в условиях вакуума при повышенной температуре, обладающих низкой газопроницаемостью, высокой электропроводностью и большой емкостью.

Композитные многослойные углеродные материалы с размерами пор в нанометровом диапазоне, покрытые графеновой пленкой, обладают высокой подвижностью электронов и могут быть также использованы для изготовления заряжающих нанопористых электродов в устройствах рекуперации энергии плазмы в электроэнергию (Изготовление углеродных наномембран. Томск, 2012).

Диэлектрическая мембрана 13 выполнена из материала с высокой диэлектрической проницаемостью и покрыта с двух сторон слоями графеновых нанотрубок 15. Диэлектрическая мембрана 13 может быть изготовлена на основе оксида алюминия. Нанопоры создают анодным окислением поверхности алюминиевой пластины, на которую наносят покрытие из графеновых нанотрубок, в том числе углерод-углеродные нанокомпозиты (Э.М. Мармед Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. Физматлит, 2007, 152 с.).

Рабочие полости 16 и 17 конденсатора ионисторного типа заполнены твердым наномодифицированным электролитом на литиевой основе, способным работать при температуре 200-300°С.

Корпус 8 коллектора отраженных частиц установлен на заряжающем электроде 12 конденсатора ионисторного типа. На оси конденсатора ионисторного типа расположен электрод-отражатель 18, изолированный при помощи втулки 19 и шайбы 20. Рабочая часть электрода-отражателя 18, расположенная в конической полости коллектора отраженных частиц, имеет коническую форму с углом при вершине, близким к 90°, и выполнена в виде конической гайки 21, что обеспечивает отражение заряженных частиц под большим углом на электроды 7 коллектора. Поверхности электрода-отражателя 18 и конической гайки 21, обращенные к потоку заряженных частиц, имеют медное покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения электронов (98,9) для образования больших углов отраженных электронных потоков 22, которые полностью попадают на электроды 7. К электроду-отражателю 18 подведен провод 23 для подачи управляющего напряжения. Провода 24 и 25 предназначены для снятия электростатического электричества.

Рекуператор работает следующим образом. Одновременно с подачей квазиуниполярного пучка на электрод-отражатель 18 от дополнительного электрического источника подают положительный потенциал в импульсном или постоянном режиме. Поток заряженных частиц, например электронов, из коллектора 1 заряженных частиц через проходное отверстие 2, пройдя устройство круговой развертки 3 через входное отверстие 5, попадает в коническую полость коллектора отраженных заряженных частиц, где рассеивается в приэлектродном пространстве и взаимодействует с заряжающим электродом 12 конденсатора ионисторного типа, при этом значительная часть электронов поглощается заряжающим электродом 12, так как он прокрыт пленкой графена с коэффициентом прохождения электронов 0,6-1,25 и обладает возможностью поглощать электроны с энергией от 60 эВ и выше, заряжая его отрицательно, второй электрод 14 ионисторного конденсатора заряжается положительно за счет создания электростатического поля. Электроны с энергией 60 эВ могут легко проходить через графен. При увеличении энергии электронов графен становится более прозрачным и поглощает все меньше энергии электрона. При энергии электрона 1 кэВ энергия, поглощаемая графеном, составляет всего 0,5% от первоначальной энергии электрона. Разогрева и деформации графена не происходит. При энергии электрона 0,44-0,6 кэВ коэффициент прохождения электрона через графен толщиной 6 слоев составляет от 1,25 до 0,8 и отношение падающей энергии к выходной Е_пад/Е_{выходящей} равно 0,6 при энергии электрона 440 эВ и равно 0,8 при энергии электрона 600 эВ, т.е. падающий пучок электронов на слой графена способен увеличивать энергию заряженных частиц за счет электронов, содержащихся в графене.

У границ электродов 12, 14 с электролитом образуются двойные электрические слои, на которых накапливается электрический заряд большой емкости. Электрод-отражатель 18 служит для управления скоростью пучка электронов при подаче на него положительного потенциала. Некоторая часть электронов от управляющего электрода-отражателя 18, конической гайки 21 и заряжающего электрода 12 отражается, а затем поглощается конусообразными электродами 7 коллектора отраженных заряженных частиц и его корпусом 8, электрически соединенным с заряжающим электродом 12 конденсатора ионисторного типа. При энергии 250-500 эВ коэффициент вторичной эмиссии электронов из меди, например, на управляющем электроде-отражателе может достигать 1,5-2. Поскольку энергия вторичных электронов не превышает 10 эВ, то вторичные электроны слабо проходят через графен (Кулешов А.Г. Исследование физических явлений в структурах приборов вакуумной электроники на основе автоэмиссии и вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2014 г.) При наложении соответствующего потенциала на управляющий электрод-отражатель 18 можно управлять энергией пучков электронов.

На заряжающий электрод 12 с корпуса 8 коллектора стекает электрический заряд, повышая тем самым интенсивность накопления заряда на электродах конденсатора до U=3-5 В, накопленная электростатическая энергия передается в виде постоянного тока на зарядку аккумулятора через провода 24 и 25. При рекуперации энергии режим съема тепловой мощности для поддержания температуры ионисторного конденсатора ≤300°С С обеспечивается путем прокачки охлаждающей жидкости через канал 11 диэлектрического корпуса 10 рекуператора.

Графеновое покрытие электродов 12, 14 и диэлектрической мембраны 13 ионисторного конденсатора обеспечивает плотное взаимодействие их с электролитом и способствует поглощению потока электронов, повышению емкости и скорости накопления заряда при зарядке, а также при снятии заряда при разрядке. Развертка пучка на входе в рекуператор осуществляется устройством круговой развертки 3, которое позволяет уменьшить выход вторичных заряженных частиц из рекуператора. Коллектор заряженных частиц 1 выполнен из материалов с высоким поглощением электронов, например наномодифицированного графита.

Управление скоростью и энергией потока заряженных частиц осуществляется электродом-отражателем 18, электрически изолированным от конденсатора ионисторного типа рекуператора втулкой 19 и шайбой 20, на него может подаваться постоянный или импульсный потенциал от дополнительного источника тока 33 и генератора низкой частоты (ГНЧ) 34 со знаком, противоположным знаку заряда квазиуниполярного потока плазмы.

После накопления электростатического заряда на электродах конденсатора электростатической ловушки электрический заряд по проводам 24 и 25 поступает на зарядку аккумулятора а затем к потребителю.

Испытания предложенного рекуператора энергии пучка заряженных частиц были проведены в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2. В испытываемый рекуператор (позиции 1-25) через диффузор 26 поступает пучок электронов от электронной пушки 28 с ускоряющими электродами 27, подключенными к блоку питания 29 электронной пушки. Электронная пушка 28 и испытываемый рекуператор помещены в вакуумную камеру 30. Управление энергией и скоростью потока заряженных частиц в рекуператоре осуществляется управляющим электродом-отражателем 18, напряжение на который подается от дополнительного источника тока 33 с генератором низкой частоты 34. Электростатический вольтметр 38 служит для замера напряжения на электродах конденсатора ионисторного типа рекуператора с использованием включателей 36 и 37. При торможении пучка электронов в рекуператоре происходит поглощение энергии заряженных частиц с накоплением заряда на электродах 12, 14, часть электронов отражается, а затем поглощается на электродах 7 коллектора отраженных заряженных частиц, которые электрически связаны с электродами конденсатора ионисторного типа и тоже заряжает двойной электрический слой конденсатора. После накопления электростатического заряда на электродах конденсатора рекуператора он может использоваться для зарядки аккумулятора 39.

Испытания проводились с применением вакуумной установки 30 (УВН-71П-3). Для измерения вакуума р=1⋅10^-5 мм рт.ст. использовались вакуумметры: ионизационно-термопарный ВИТ-2 и электромагнитный В7МБ-1. Для создания электронного луча применялся блок осциллографа ЛО-247 и электронная пушка 28, состыкованная с аксиально-коническим каналом через диффузор 26. Ток катода электронной пушки измерялся миллиамперметром М104/1 ГОСТ 8711-60, кл. точн 0,2, ток заряда рекуператора замерялся миллиамперметром М254, кл. точн 0,5 ГОСТ 8711-60.

Дополнительный источник постоянного тока 33 (В5-300Т), генератор низкой частоты 34 (ГЗ112, частота от 10 Гц до 10 МГц), переключатели 35, 36 и 37 применяются для управления параметрами процесса рекуперации энергии квазиуниполярных пучков плазмы и проведения необходимых электрических измерений параметров. Напряжение на управляющем электроде-отражателе 18 равно 480 В при частоте 10 Гц.

В качестве образцовых использовались сопротивление 32 (Р331) и вольтметр 31, блок питания 29 электронной пушки для подачи напряжения - блок питания Б5-50. Для измерения напряжения на электродах конденсатора ионисторного типа применялся вольтметр 38 (электростатический С5021 кл. точн. 0,5), который подключается к электродам 12 и 14 через включатели 36 и 37.

Емкость конденсатора ионисторного типа заявляемого рекуператора определили, используя известные формулы:

где U - напряжение на электродах конденсатора ионисторного типа (В), С - емкость (Ф), Q - емкость конденсатора ионисторного типа.

где i - ток заряда, t - время заряда

Результаты испытаний представлены в таблице.

Управление скоростью и энергией потока осуществляют напряжением на управляющем электроде, при этом напряжение и частота на каждом режиме остаются постоянными.

Предложенный рекуператор энергии пучка заряженных частиц позволяет достичь напряжения на электродах конденсатора до 3-5 В, обеспечить высокую емкость электрического заряда, повысить эффективность рекуперации энергии, в том числе за счет уменьшения нагрева электродов, и расширить применение рекуператоров в энергетике. При последовательном соединении нескольких рекуператоров можно получить напряжение 6 В или 12 В для зарядки аккумуляторов.

Подтверждена возможность рекуперации энергии электронного пучка в электростатическое электричество и постоянный ток для потребителя с высоким КПД за счет использования углеродных материалов, прозрачных и поглощающих меньше энергии при прохождении электронов, уменьшающих при этом разогрев и деформацию заряжающих элементов рекуператора и электродов конденсатора ионисторного типа, содержащего твердый наномодифицированный электролит и представляющего собой неотъемлемую часть поглощающих элементов рекуператора энергии пучка заряженных частиц. Эффективность рекуперирования энергии пучка заряженных частиц достигается также высокой скоростью переноса заряда, зарядки и разрядки энергии конденсатора на потребителя.