Плазменный диод
Полезная модель предназначена для повышения эффективности и срока службы плазменного диода при температурах 1200
1700 К. Такие плазменные диоды позволяют при умеренных температурах получить эмиссионный электронный ток более 100 а/см 2. Технический результат достигается за счет того, что эмиттер плазменного диода выполнен полым, объем которого вакуумирован и содержит резервуар с источником атомов бария или щелочного металла (например, цезия), а коллектор также снабжен дополнительным вакуумным объемом и резервуаром с жидким цезиеем. С целью повышения разности потенциалов, подаваемых на электроды, рабочая поверхность эмиттера плазменного диода выполнена из тугоплавкого металла (например, вольфрама) и ориентированного пиролитического графита интеркалированного атомами бария до соединения С6Ва.1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 ил.
Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в тех условиях, когда требуются высокие удельные плотности электронного тока при небольших до 10 вольт подаваемого напряжения на плазменный диод. 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,. 1993г. - 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.
А.Г. Каландаришвили патент на полезную модель «Плазменный диод» 
107398 от 19 мая 2011 г.
В вышеприведенных работах описан плазменный диод, помещенный в вакуумный объем. Диод содержит: эмиттер, изготовленный в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита. Графит интеркалирован атомами цезия до соединения от состава C8Cs до С36Сs. Коллектор выполнен из металла. Резервуар с источником пара цезия в виде жидкого конденсата цезия соединен с межэлектродным зазором. 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.
Недостатком таких 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.
Наиболее близким прототипом является (см. А.Г.Каландаришвили Патент на полезную модель 107398 от 19 мая 2011г.), плазменный диод, выполненный в виде расположенных в вакуумированном корпусе коллектора из ориентированного пиролитического графита С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалированного атомами цезия до соединения C8Cs, эмиттера в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита и интеркалирована атомами бария до соединения С6Ва, резервуара с источником пара цезия соединенного с межэлектродным зазором.
В прототипе существенно уменьшен процесс деградации эмиссионного тока за счет интеркаляции в графит атомов бария до соединения С6Ва. Благодаря тому, что энергия связи бария с графитом существенно выше чем цезия с графитом, то с повышением температуры атомы бария сохраняются на поверхности графита, что позволяет повысить эмиссионную способность при температурах эмиттера выше 1200 К.
Недостатком прототипа является уменьшение выходных электрических характеристик при достаточно длительной работе, либо при перегреве температуры электродов выше рабочих температур. В этих условиях в результате испарения с электродов вблизи рабочей эмиссионной поверхности атомов бария и цезия приводит к росту работы выхода и соответственно к уменьшению электронного тока.
Техническим результатом, на который направлена полезная модель является повышение выходных параметров устройства - электронного тока при длительной работе диода и оптимальной рабочей температуре электродов.
Для достижения указанного результата предложен плазменный диод, выполненный в виде расположенных в вакуумированном корпусе коллектора из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалированного атомами цезия до соединения C8Cs эмиттера в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита и интеркалирована атомами бария до соединения С6Ва, резервуара с источником пара цезия соединенного с межэлектродным зазором, при этом коллектор соединен с дополнительным резервуаром источника пара цезия, эмиттер выполнен полым, объем которого вакуумирован и соединен с резервуаром с источником атомов бария.
Кроме того, рабочая поверхность эмиттера выполнена из тугоплавкого металла, например, вольфрама.
Наличие резервуаров с металлическим барием и жидким конденсатом цезия позволяет нагреть их за счет внешних источников тепла до таких температур, при котором изостера сорбции (зависимость давления насыщенных паров от температуры) цезия или бария становится выше, чем изостера сорбции, задаваемая электродами (изостера сорбции системы барий-графит) и коллектора (изостера сорбции системы цезий-графит). Это позволяет в процессе работы непрерывно подпитывать электроды через парогазовую фазу атомами цезия или бария и тем самым компенсировать убыль испарившихся из электродов атомов цезия или бария.
Это позволяет повысить срок стабильной работы плазменного диода в условиях длительной работы. Кроме того, наличие трех автономных резервуаров позволяет с максимальной эффективностью оптимизировать также и режим работы плазменного диода.
С целью повышения разности потенциалов, подаваемых на электроды, рабочая поверхность эмиттера выполнена из тугоплавкого металла (например, вольфрама) и ориентированного пиролитического графита интеркалированного атомами бария до соединения С6Ва, что позволяет снизить величину подаваемого на электроды плазменного диода ускоряющего электрического поля.
Предлагаемый плазменный диод (см. фигура 1) содержит следующие основные узлы:
1. Рабочий объем плазменного диода;
2. Металлокерамический переходник;
3. Сильфон для компенсации расширения графита вдоль оси С;
4. Коллектор, нагреваемый от 700 до 1000 К;
5. Металлическая пластина;
6. Эмиттер плазменного диода из ориентированного пиролитического графита интеркалированного барием, нагреваемый до рабочих температур от внешнего источника тепла до температур 12001700 К;
7. Резервуар с жидким конденсатом цезия для оптимизации режима работы в межэлектродном зазоре;
8. Металлическая пластина;
9. Металлокерамический переходник;
10. Вакуумный объем внутри эмиттера;
11. Резервуар с металлическим барием для подпитки эмиттера;
12. Дополнительный резервуар с жидким конденсатом цезия для подпитки коллектора;
13. Внутренний объем коллектора;
14. Межэлектродный зазор;
15. Внешний источник напряжения.
Предлагаемый плазменный диод работает следующим образом: первоначально устанавливаются и поддерживаются за счет внешних источников тепла (на фигуре не показаны) требуемые рабочие температуры эмиттера 6 (12001700 К) и коллектора 4 (7001000 К). Далее поднимается температура резервуара с цезием 7 от 500 до 600 К, что соответствует величине давления насыщенного пара цезия 30550 Па. Далее устанавливается температура дополнительного резервуара 12 с жидким конденсатом цезия для подпитки коллектора 4 в интервале (600700 К), что соответствует давлению пара цезия 5504000 Па, а температура резервуара с металлическим барием 11 устанавливается не более 900 К с целью исключения взаимодействия бария с графитом с образованием карбида. Электроды диода изолированы друг от друга с помощью металл окерамических переходников 2 и 9. Металлические пластины по обеим сторонам электродов 5, 8 и сильфон 3 служат для стабильного поддержания электродов при их расширении вдоль оси С-графита.
После достижения устойчивого равновесия на электроды диода от внешнего источника напряжения 15, представляющего собой, например, контур, состоящий из резистора и конденсатора, подается напряжение до 10 вольт, которое генерирует в межэлектродном зазоре диода 14 низкотемпературную плазму через которую протекает электронный ток удельной плотностью около 100 а/см2.
С целью повышения разности потенциалов, подаваемых на электроды (см. фигура 2), рабочая поверхность эмиттера 6 выполнена из тугоплавкого металла (например, вольфрама) 16 и 17, нанесенного на поверхность ориентированного пиролитического графита интеркалированного атомами бария до соединения C6Ba, что позволяет снизить величину подаваемого на электроды плазменного диода ускоряющего электрического поля, за счет того, что работа выхода металлической части поверхности при адсорбции атомов цезия на поверхности вольфрама значительно выше, чем работа выхода с интеркалированного барием графита существенно сниженной высоким напряжением электрического поля.
Таким образом, предложение позволит повысить эффективность и срок службы сильноточных плазменных диодов при температурах 12001700 К. Такие плазменные диоды позволяют при умеренных температурах получить эмиссионный электронный ток более 100 а/см 2, что важно для питания, например, электромагнитных насосов жидкометаллических контуров.
Плазменные диоды 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.
1. Плазменный диод, выполненный в виде расположенных в вакуумированном корпусе коллектора из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям, и интеркалированного атомами цезия до соединения C8Cs эмиттера в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита и интеркалирована атомами бария до соединения С6Ва, резервуара с источником пара цезия, соединенного с межэлектродным зазором, отличающийся тем, что коллектор соединен с дополнительным резервуаром источника пара цезия, эмиттер выполнен полым, объем которого вакуумирован и соединен с резервуаром с источником атомов бария.
2. Диод по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность эмиттера выполнена из тугоплавкого металла, например вольфрама.
