Рекуператор энергии заряженных частиц Текст научной статьи по специальности «Физика»

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения

УДК 621.01

РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

В. И. Трифанов*, О. А. Суханова, Л. И. Оборина, И. В. Трифанов, С. И. Козлов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*E-mail: [email protected]

Показаны принципы построения и работы рекуператора энергии электронов.

Ключевые слова: рекуператор энергии, пучки электронов, электрическая мощность, электрод.

RECUPERATOR OF CHARGED PARTICLE ENERGY

V. I. Trifanov*, O. A. Sukhanova, L. I. Oborina, I. V. Trifanov, S. I. Kozlov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]

The article covers the principles to generate and operate a recuperator of the electron energy.

Keywords: recuperator of energy, electron beams, electric capacity of the electrode.

Актуальным является преобразование энергии пучков электронов, выделяемых, например, из плазменного ядра электрического ракетного двигателя (ЭРД) в электрическую мощность [1]. Для решения поставленной научно-технической проблемы предложен рекуператор энергии заряженных частиц [2]. Рекуператор содержит корпус, устройство круговой развертки, коллектор отраженных частиц в виде размещенной в корпусе осесимметричной системы конусообразных электродов, которые являются заряжающими электродами ионисторного конденсатора, содержащего наномодифицированный электролит, способный работать при t = 200 °С. По оси осесим-метричной системы рекуператора расположен изолированный управляющий отражающий электрод.

Преобразование энергии пучков электронов в электрическую мощность происходит путем электростатического торможения электронов при взаимодействии с многоколлекторными электродами, покрытыми высокоактивным наномодифицированным углеродным материалом с высоким коэффициентом. При этом оптимальный режим рекуперации энергии обеспечивается за счет передачи управляющего напряжения на электрод-отражатель с определенной частотой [2].

При рекуперации энергии пучков электронов электростатический заряд накапливается на электродах ионисторного конденсатора до 5 В. При соединении последовательно нескольких ионисторных конденсаторов можно получить источник напряжением 12, 24, 110 В и т. д.

Для разделения заряженных частиц и повышения энергии пучков электронов при подаче в полость рекуператора энергии может быть использован усилитель-концентратор пучка электронов с электронной

мембраной [3], который позволяет сконцентрировать энергии электронных пучков.

Преобразование рекуператором энергии электронов в электрическую мощность электронно-стимулированный ток возникает между положительно и отрицательно заряженными слоями электродов коллекторов. При этом сгенерированные электронные потоки в электродах-коллекторах под действием внутреннего поля пучков электронов Е движутся к положительному двойному слою конденсатора ионисторного топа (электролит-электрод), компенсируя определенную часть положительного заряда Q+. Величину тока при этом можно определить по формуле:

1К = Iо (к • Еп / Ег )цхеАП / *02, (1)

где д - подвижность электронов в электроде-коллекторе; те - время жизни электрона в электроде-коллекторе; ДП - разность потенциала между двойным слоем (электролит-электрод конденсатора) и поверхности электрода-коллектора; к-Еп - исходная энергия на поверхности электрода-коллектора; Я0 -слой, в котором концентрируется заряд между заряженными слоями; 10 - начальный ток при взаимодействии энергии пучка электронов с электродом-коллектором; Ег - энергия на границе двойного слоя (электрод-электролит) конденсатора ионисторного типа. Исходная энергия электронов в заряжающем электроде-коллекторе равна

Е0 = к • Еп, (2)

где к - коэффициент поглощения электронов, при взаимодействии с наномодифицированным слоем электрода-коллектора; Еп - энергия пучка электронов в полости рекуператора.

Решетневскуе чтения. 2017

Распределение потенциала на электродах-коллекторах и электродах конденсаторов ионисторного топа можно найти по распределению заряда.

Эффективность рекуперации энергии пучков электронов существенно зависит от продольных скоростей электронов в них. Профиль продольного тормозящего электрического поля на оси реверсной области рекуператора энергии обеспечивается путем подачи соответствующего напряжения на управляющий электрод [4] и зависит от параметров рекуператора энергии.

Библиографические ссылки

1. Преобразование энергии пучков электронов в электрическую мощность / В. И. Трифанов, Л. И. Оборина, О. А. Суханова и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, № 2, С. 423-432.

2. Пат. 2625325 Российская Федерация, МПК Н05Н 7/00 (2006.01). Рекуператор энергии пучка заряженных частиц / Трифанов И. В., Трифанов В. И., Оборина Л. И. № 2015151851, заявл. 02.12.2015, опубл. 13.07.2017, Бюл. № 20. 7 с.

3. Пат. 2619767 Российская Федерация, МПК Б01Б 69/00 (2006.01). Усилитель-концентратор пучка электронов с электронной мембраной / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Трифанов В. И., Оборина Л. И., Рыжов Д. Р., Савельева М. В. № 2015146935, заявл. 30.10.2015, опубл. 18.05.2017, Бюл. № 14. 6 с.

4. Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе / В. Л. Саввин, Г. М. Казарян, А. В. Коннов и др. // Радиоэлектроника. 2011, № 11. С. 1-23.

References

1. Trifanov V. I., Oborina L. I., Sukhanova O. A., Trifanov I. V., Ryzhov D. R. [The conversion of electron beams energy in electric power]. Sibirskiy zhurnal nauki i tekhnologiy. 2017. Vol. 18, No 2, P. 423-432. (In Russ.)

2. Trifanov I. V., Trifanov V. I., Oborina L. I. Rekuperator energii puchka zaryazhennykh chastits [The heat exchanger-energy beam of charged particles]. Patent RF, no 2625325, 2017.

3. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Trifanov V. I., Oborina L. I., Ryzhov D. R., Savelyeva M. V. Usilitel'-kontsentrator puchka elektronov s elektronnoy mem-branoy [Amplifier hub electron beam with electronic membrane]. Patent RF, no 2619767, 2017.

4. Savvin V. L., Kazaryan G. M., Konnov A. V. i dr. [The spatial charge and the recovery of energy in the cyclotron converter]. Radioelektronika, No 11, 2011, P. 1-23. (In Russ.)

© Трифанов В. И., Суханова О. А., Оборина Л. И., Трифанов И. В., Козлов С. И., 2017