Плазменный диод

Полезная модель предназначена для повышения электронной эмиссии плазменного диода при температурах 12001700 К, что позволит при умеренных температурах получить высокую плотность эмиссионного электронного тока - около 100 а/см² при низком значении напряжения (около 10 вольт). Такие диоды могут использоваться для питания электромагнитных насосов жидкометаллических контуров. Технический результат достигается за счет выполнения эмиттера плазменного диода из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита, и интеркалированного атомами бария до соединения С₆Ва, и коллектора из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения C₈Cs. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 ил.

Полезная модель относится к электровакуумным приборам, которые могут найти применение в различных устройствах, где требуется высокая плотность тока при низком значении напряжения (около 10 вольт). В частности такие диоды могут успешно использоваться для питания электромагнитных насосов жидкометаллических контуров.

Известны работы (см. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., - .М.: Энергоатомиздат,. 1993 г. - стр.230, Макаров А.Н., Лям А.Л., Баранов Г.Д. Эмиттер на основе цезированного графита, Журн. техн. физики, 1977, Т.47, Вып.12, с.2522-2525).

В вышеприведенных работах, плазменный диод, помещен в вакуумный объем, который содержит: эмиттер, изготовленный из ориентированного пиролитического графита С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита, интеркалированный атомами цезия до соединения от состава C₈Cs до С₃₆Сs, коллектор из металла, и резервуар с источником пара цезия в виде жидкого конденсата цезия. В этих работах было показано, что поверхность эмиттера из ориентированного пиролитического графита, интеркалированного цезием вдоль оси-А обладает высокой эмиссионной способностью при температуре 9001100 К, когда на электроды диода приложено напряжение до 10 вольт.

Механизм электронной эмиссии из эмиттера, выполненного из ориентированного пиролитического графита перпендикулярно оси-С и интеркалированного атомами цезия, связан с тем, что каждая углеродная сетка графита оказывается полностью покрытой монослоем ионов цезия. В связи с малым радиусом изгиба острия графитовой сетки вокруг острия образуется высокое электрическое поле с напряженностью около 10⁷ в/см. Когда межэлектродный зазор заполняется парами цезия и на электроды от внешнего источника подается напряжение около 10 вольт в межэлектродном зазоре образуется низковольтная цезиевая дуга, и у эмиттера образуется двойной электрический слой, к которому приложена напряженность около 10⁷ в/см, что приводит к высокой плотности электронного тока около (80100) а/см², за счет автоэлектронной эмиссии с поверхности цезированного графита.

Наиболее близким прототипом является работа (см. Макаров А.Н., Лям А.Л., Баранов Г.Д. Эмиттер на основе цезированного графита, Журн. техн. физики, 1977, Т.47, Вып.12, с.2522-2525)

согласно которой плазменный диод с эмиттером из ориентированного пиролитического графита С - ось которого перпендикулярна графитовым слоям, интеркалирован цезием от состава C₈Cs до С₃₆Сs, и помещен между двумя электродами. Также известно авторское свидетельство тех же авторов 544012, оп. 1977 г., МПК H01J 1/14, «Катод для электровакуумных приборов».

Недостатком этого плазменного диода является низкая эмиссионная способность при температурах эмиттера более 12001700 К, связанная с десорбцией атомов цезия, что приводит к практически к полному испарению цезия из графита. Это повышает работу выхода поверхности эмиттера вплоть до 5,5 eV, что приводит к существенному уменьшению тока, проходящего через диод.

Техническим результатом, на которое направлена полезная модель, является повышение электронной эмиссии плазменного диода при температурах 12001700 К за счет снижения работы выхода электродов.

Для достижения указанного результата предложен плазменный диод, содержащий эмиттер из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита, коллектор, резервуар с источником пара цезия, при этом эмиттер выполнен из графита, интеркалированного атомами бария до соединения С ₆Ва.

Кроме того, коллектор выполнен из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения C₈ Cs.

Предлагаемый плазменный диод (см. фигуры 1 и 2) содержит следующие основные узлы:

1.Рабочий объем плазменного диода;

2. Коллектор, нагреваемый от 700 до 1000 К;

3. Межэлектродный зазор;

4. Эмиттер плазменного диода из ориентированного пиролитического графита интеркалированного барием, нагреваемый до рабочих температур от внешнего источника тепла до температур 12001700 К;

5. Металлокерамический переходник;

6. Сильфон для компенсации расширения графита вдоль оси - С;

7. Металлокерамический переходник;

8. Резервуар с жидким конденсатом цезия.

Предлагаемое изобретение существенно уменьшает процесс деградации эмиссионного тока при температурах эмиттера 1200-1700 К за счет интеркаляции в графит атомов бария до соединения С₆ Ва. Благодаря тому, что теплота испарения бария из графита существенно выше чем цезия из графита - (2,8-3,1) eV - для системы цезий-графит и (4,5-5,0) eV для системы барий-графит, то с повышением температуры атомы бария сохраняются на поверхности графита, что позволяет повысить эмиссионную способность при температурах эмиттера выше 1200 К. При этом кроме автоэлектронной эмиссии при температурах 13001700 К дополнительно имеет место и термоэлектронная эмиссия, что повышает интегральную плотность тока, проходящего через плазменный диод. Также, с целью снижения работы выхода коллектор 2 плазменного диода (фигура 2) выполнен из ориентированного пиролитического графита, С - ось которого перпендикулярна графитовым слоям, и интеркалирован атомами цезия до соединения C₈Cs. Это позволяет повысить разность потенциалов между электродами плазменного диода.

Предлагаемый плазменный диод работает следующим образом:

первоначально устанавливаются и поддерживаются за счет внешних источников тепла (на фигурах не показаны) требуемые рабочие температуры эмиттера 4 (12001700 К) и коллектора 2 (7001000 К). Далее поднимается температура резервуара с цезием 8 от 500 до 600 К, что соответствует величине давления насыщенного пара цезия 30550 Па. После достижения устойчивого равновесия на электроды диода от потребителя подается напряжение до 10 вольт, которое генерирует в межэлектродном зазоре 3 диода низкотемпературную плазму, через которую протекает электронный ток удельной плотностью около 100 а/см².

Таким образом, предложенное решение позволит повысить электронную эмиссию плазменного диода при температурах 12001700 К. Такие плазменные диоды позволяют при умеренных температурах получить эмиссионный электронный ток около 100 а/см ², они могут найти применение в различных устройствах, где требуется высокая удельная плотность тока при низком значении подаваемого на диод напряжения (не более 10 вольт).

1. Плазменный диод, содержащий эмиттер из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита, коллектор, резервуар с источником пара цезия, отличающийся тем, что эмиттер выполнен из графита, интеркалированного атомами бария до соединения С₆Ва.

2. Диод по п.1, отличающийся тем, что коллектор выполнен из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения C₈ Cs.