RU181882U1 - Планарный ионный источник на основе твердых электролитов - Google Patents
Планарный ионный источник на основе твердых электролитов Download PDFInfo
- Publication number
- RU181882U1 RU181882U1 RU2018106174U RU2018106174U RU181882U1 RU 181882 U1 RU181882 U1 RU 181882U1 RU 2018106174 U RU2018106174 U RU 2018106174U RU 2018106174 U RU2018106174 U RU 2018106174U RU 181882 U1 RU181882 U1 RU 181882U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- copper
- solid
- solid electrolyte
- silver
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Предлагаемая полезная модель относится к области получения пучков (потоков) положительно заряженных ионов переходных металлов подгруппы меди и может быть использована в аэрокосмической технике при создании компактных электростатических ракетных двигателей, в ускорительной технике и в ионно-лучевых приборах для технологической обработки материалов. Ионные источники на основе твердых электролитов - суперионных проводников, являются принципиально новым классом приборов, отличающимся компактностью, продолжительным сроком службы и малым энергопотреблением, что особенно важно при их использовании в космических аппаратах с ограниченными бортовыми ресурсами, например, в спутниках формата CubeSat. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание планарного твердотельного источника положительно заряженных ионов переходных металлов подгруппы меди, конструкция которого позволяет повысить эффективность работы за счет увеличения области ионной эмиссии и возможности независимого управления интенсивностью и кинетической энергией (импульсом) эмитированных ионов. Решение указанной задачи достигается тем, что такой источник содержит металлический резервуар, выполняющий роль катодного электрода и изготовленный из меди или серебра высокой степени чистоты в виде цилиндра с плоскими торцами, на один из которых нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами меди или серебра, которая сверху покрыта тонким слоем пористого проводящего материала, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара; изменение интенсивности и кинетической энергии (импульса) эмитированных ионов осуществляется независимо друг от друга с использованием двух регулируемых источников электрического напряжения.
Description
Настоящая полезная модель относится к области получения пучков (потоков) положительно заряженных ионов переходных металлов подгруппы меди и может быть использована в аэрокосмической технике при создания компактных электростатических ракетных двигателей, в ускорительной технике и в ионно-лучевых приборах для технологической обработки материалов.
Из существующего уровня техники известны полевые термоионные эмиттеры на основе твердых электролитов с анионной проводимостью [1, 2], предназначенные для получения отрицательных ионов кислорода. Эти эмиттеры изготавливаются из тонких керамических пластин, например, диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2-Y2O3), на поверхность которых с двух сторон наносятся электроды в виде тонких слоев пористого металла, например, серебра. Между электродами прикладывается ускоряющий (для отрицательных ионов) потенциал порядка 100-200 В, и со стороны катодного электрода к эмиттеру подсоединяется баллон с рабочим газом (кислородом). Молекулы кислорода диффундируют через катодный электрод, и в результате электрохимических реакций на поверхности этого электрода образуются отрицательные ионы кислорода, которые под действием внешнего электрического поля мигрируют внутри твердого электролита к анодному электроду, причем это движение стимулируется подогревом электролита. С поверхности анодного электрода происходит эмиссия ионов в вакуум. Недостатками такого технического решения являются высокая рабочая температура, достигающая 500-700°С, низкая масса эмитированных ионов и необходимость в системах подачи и хранения газообразного кислорода, что ограничивает возможность использования такие эмиттеров в электростатических ракетных двигателях для космических аппаратов с ограниченными бортовыми ресурсами, например, в спутниках формата CubeSat с размерами ячеек 10×10×10 см3.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является точечный источник положительных ионов серебра на основе твердого кристаллического электролита с мобильными ионами серебра [3, 4]. Источник содержит эмиттерный узел, состоящий из заостренного серебряного цилиндра (резервуара рабочего вещества), на вершину которого нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита RbAg4J5. Эмиттерный узел подогревается внешним омическим нагревателем до температуры 150-200°С, и на него подается положительный относительно входной диафрагмы потенциал порядка 10-15 кВ. Под действием электрического поля атомы серебра в результате окислительно-восстановительных реакций на границе «резервуар-твердый электролит» превращаются в положительные ионы. Эти ионы мигрируют по туннелям быстрого ионного транспорта внутри твердого электролита к границе «электролит-вакуум», испаряются в вакуум и ускоряются электрическим полем в пространстве между острием эмиттера и входной диафрагмой. Ионная эмиссия обеспечиваться в основном за счет полевого испарения ионов, а нагрев эмиттерного узла стимулирует ионный транспорт через электролит. Убыль подвижных ионов в твердом электролите из-за их эмиссии в вакуум компенсируется доставкой этих ионов из резервуара. Недостатками прототипа является незначительная по площади область ионной эмиссии, ограниченная острием эмиттера и зоной вокруг него, а также невозможность независимого управления интенсивностью и кинетической энергией (импульсом) эмитированных ионов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание планарного твердотельного источника положительно заряженных ионов переходных металлов подгруппы меди, конструкция которого позволяет повысить эффективность работы за счет увеличения области ионной эмиссии и возможности независимого управления интенсивностью и кинетической энергией (импульсом) эмитированных ионов.
Решение указанной задачи достигается тем, что планарный твердотельный источник положительных ионов переходных металлов подгруппы меди содержит металлический резервуар, выполняющий роль катодного электрода и изготовленный из меди или серебра высокой степени чистоты в виде цилиндра с плоскими торцами, на один из которых нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами меди или серебра, которая сверху покрыта тонким слоем пористого проводящего материала, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара; изменение интенсивности и кинетической энергии (импульса) эмитированных ионов осуществляется независимо друг от друга с использованием двух регулируемых источников электрического напряжения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение эффективности работы твердотельного источника ионов за счет увеличения площади эмиссионной поверхности и независимой регулировки интенсивности и кинетической энергии (импульса) эмитированных ионов.
Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема полезной модели - планарного твердотельного источника ионов переходных металлов подгруппы меди.
Полезная модель содержит цилиндр 1, который является резервуаром рабочего вещества (меди или серебра высокой степени чистоты, не менее 99.99%) и одновременно выполняет роль катодного электрода. Диаметр и высота цилиндра не оказывают принципиального влияния на работу источника, но определяют запас рабочего вещества и величину отбираемого ионного тока. На внешний торец цилиндра методом импульсного лазерного напыления наносится тонкая пленка (0.5-1 мкм) кристаллического твердого электролита 2 с мобильными ионами того же металла, из которого изготовлен резервуар. В качестве твердого электролита используются суперионные проводники, например, Rb4Cu16I7Cl13 (для ионов Cu+) или RbAg4J5 (для ионов Ag+), обладающие наиболее высокой проводимостью среди катионных твердых электролитов, порядка 0.2-0.3 С/см при комнатной температуре [5]. Эти электролиты приготовляются методом механохимического синтеза из мелкодисперсных порошков галоидных солей меди и серебра в планетарной мельнице при комнатной температуре. На поверхность твердого электролита наносится тонкий слой (< 500 нм) пористого проводящего материала 3, например, углерода, который выполняет роль анодного электрода и одновременно предохраняет твердый электролит от воздействия влаги и атмосферного воздуха. Металлический цилиндр с пленкой твердого электролита и анодным электродом образуют эмиттерный узел, который с внутреннего торца подогревается омическим нагревателем 4 до температуры ниже температуры плавления твердого электролита. Источник тока 5 используется для питания омического нагревателя, а источник напряжения 6 создает разность потенциалов между катодным и анодным электродами эмиттерного узла, которая определяет интенсивность ионного тока. Поток эмитированных ионов 7 ускоряется разностью потенциалов между эмиттерным узлом и входной диафрагмой 8, находящейся под потенциалом земли, и попадает на коллектор 9, где ионный ток измеряется электрометром 10. Источником ускоряющего напряжения для эмитированных ионов служит высоковольтный блок питания 11, который задает кинетическую энергию (импульс) этих ионов. Эмиттерный узел вместе с нагревателем, входной диафрагмой и коллектором ионов помещается в вакуумную камеру и откачивается до давления остаточных газов не хуже 10-4 Па.
Полезная модель работает следующим образом. Между катодным и анодным электродами эмиттерного узла создается ускоряющее напряжение порядка 100-500 В, что соответствует напряженности электрического поля внутри пленки твердого электролита порядка (1-5)× 106 В/см при толщине этой пленки ~1 мкм. Под действием приложенного электрического поля атомы металла, из которого изготовлен резервуар, в результате окислительно-восстановительных реакций на границе «катодный электрод-твердый электролит» превращаются в положительные ионы, концентрация которых в электролите может достигать 1022 ион/см3. Эти ионы перемещаются по туннелям быстрого ионного транспорта внутри твердого электролита к границе «твердый электролит - анодный электрод», испаряются в вакуум и ускоряются внешним электрическим полем в пространстве между анодным электродом и входной диафрагмой. Наличие двух источников напряжения позволяет осуществлять независимую регулировку интенсивности и кинетической энергии (импульса) эмитированных ионов, что особенно важно при работе такого источника в составе электростатического ракетного двигателя. Нагрев источника до температуры 150-200°С стимулирует миграцию ионов через электролит, что улучшает эффективность работы источника. Уменьшение концентрации мобильных ионов в пленке твердого электролита из-за их эмиссии в вакуум компенсируется доставкой этих ионов из резервуара, и в идеальном случае источник может работать до тех пор, пока не израсходуется весь объем резервуара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Torimoto Y., Harano A., Suda Т., Sadakata M. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 36. P. L238.
2. Torimoto Y., Nishioka M., Sadakata M. // J. Catalysis. 2002. V. 209. P. 256.
3. Tolstogouzov A., Aguas H., Ayouchi R., Belykh S.F., Fernandes F., Gololobov G.P., Moutinho A.M.C., Schwarz R., Suvorov D.V., Teodoro O.M.N.D. //Vacuum. 2016. V. 131. P. 252.
4. Толстогузов А.Б., Дягилев А.А. Патент на полезную модель RU 165683 // Опубл. 27.10.2016. Бюл. №30.
5. Owens В.В. // J. Power Sources. 2000. V. 90. P. 2.
Claims (2)
1. Планарный твердотельный источник положительных ионов переходных металлов подгруппы меди, отличающийся тем, что содержит металлический резервуар, выполняющий роль катодного электрода и изготовленный из меди или серебра высокой степени чистоты в виде цилиндра с плоскими торцами, на один из которых нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами меди или серебра, которая сверху покрыта тонким слоем пористого проводящего материала, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара.
2. Планарный твердотельный источник положительных ионов переходных металлов подгруппы меди по п. 1, отличающийся тем, что изменение интенсивности и кинетической энергии (импульса) эмитированных ионов осуществляется независимо друг от друга с использованием двух регулируемых источников электрического напряжения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018106174U RU181882U1 (ru) | 2018-02-19 | 2018-02-19 | Планарный ионный источник на основе твердых электролитов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018106174U RU181882U1 (ru) | 2018-02-19 | 2018-02-19 | Планарный ионный источник на основе твердых электролитов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU181882U1 true RU181882U1 (ru) | 2018-07-26 |
Family
ID=62981989
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018106174U RU181882U1 (ru) | 2018-02-19 | 2018-02-19 | Планарный ионный источник на основе твердых электролитов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU181882U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109041402A (zh) * | 2018-07-31 | 2018-12-18 | 宜昌后皇真空科技有限公司 | 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19948229C1 (de) * | 1999-10-07 | 2001-05-03 | Daimler Chrysler Ag | Hochfrequenz-Ionenquelle |
RU165683U1 (ru) * | 2016-04-19 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Точечный твердотельный источник ионов серебра |
RU2620442C2 (ru) * | 2015-05-29 | 2017-05-25 | Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" ОАО "ОКБ-Планета" | Источник ионов |
-
2018
- 2018-02-19 RU RU2018106174U patent/RU181882U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19948229C1 (de) * | 1999-10-07 | 2001-05-03 | Daimler Chrysler Ag | Hochfrequenz-Ionenquelle |
RU2620442C2 (ru) * | 2015-05-29 | 2017-05-25 | Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" ОАО "ОКБ-Планета" | Источник ионов |
RU165683U1 (ru) * | 2016-04-19 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Точечный твердотельный источник ионов серебра |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109041402A (zh) * | 2018-07-31 | 2018-12-18 | 宜昌后皇真空科技有限公司 | 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4725346A (en) | Electrolyte assembly for oxygen generating device and electrodes therefor | |
KR101941830B1 (ko) | 입자를 사용한 기판 코팅 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 장치 | |
CN102339699B (zh) | 基于石墨烯的场发射三极结构 | |
Zhao et al. | Scandate dispenser cathode fabrication for a high-aspect-ratio high-current-density sheet beam electron gun | |
US3402230A (en) | Method of producing tubular fuel cell stack | |
US3861959A (en) | Batteries composed of fuel cells | |
CN102420088B (zh) | 一种背栅极式可栅控冷阴极x射线管 | |
KR20190037129A (ko) | 금속 피막의 성막 방법 및 금속 피막의 성막 장치 | |
RU181882U1 (ru) | Планарный ионный источник на основе твердых электролитов | |
JP2008010411A (ja) | 電気化学セル用電解質膜およびその製造方法 | |
RU165683U1 (ru) | Точечный твердотельный источник ионов серебра | |
JP4390530B2 (ja) | 電解質・電極接合体及びその製造方法 | |
CN203644725U (zh) | 一种栅控冷阴极x射线管 | |
EP3007199A1 (en) | Electron tube device | |
US20140193672A1 (en) | Thermal to eletric converting cell | |
JPH0160889B2 (ru) | ||
RU192377U1 (ru) | Металлический нанопринтер на основе ионного источника с твердым электролитом | |
RU2618761C1 (ru) | Ионный источник для электростатического ракетного двигателя | |
US20130171539A1 (en) | Tubular solid oxide fuel cell module and method of manufacturing the same | |
CN109413835A (zh) | 一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置 | |
RU2716825C1 (ru) | Устройство и способ формирования пучков многозарядных ионов | |
CN110444463B (zh) | 一种微电流铯离子源 | |
CN113643950A (zh) | 一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置和方法 | |
KR20180000120A (ko) | 분할 전극이 적용된 평관형 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템 및 이를 이용한 성능 측정 방법 | |
CN112599397A (zh) | 一种储存式离子源 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180718 |
|
NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20191122 |
|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20210220 |