RU2719503C1

RU2719503C1 - Recuperator of energy of plasma ions

Info

Publication number: RU2719503C1
Application number: RU2019125761A
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Трифанов
Original assignee: Иван Васильевич Трифанов
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-04-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to energy recuperators of positively and negatively charged ions. Ion energy recuperator comprises an energy recuperator for positively charged particles, which includes an ionistor-type end capacitor with positive and negatively charged electrodes, on the axis of which there is an insulating control reflecting electrode, side capacitors of ionistor type with multi-collector positively charged and negatively charged electrodes, differs by the fact that it forms an energy unit of recuperators by means of electric connection by means of negatively charged electrodes of side ionistor capacitors with negatively charged multi-collector electrodes identical to it by construction of recuperators of energy of negatively charged particles, and positively charged and negatively charged electrodes of its end supercapacitor are electrically connected to positively charged and negatively charged electrodes of end supercapacitors of negatively charged energy recuperators.

EFFECT: simultaneous energy recovery of positively and negatively charged plasma particles, their regeneration into neutral particles, increase of discharge capacity, efficiency and energy efficiency, as well as reliable protection of objects against action of charged particles.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения и накопления электростатического электричества, а также рекомбинации зарядов положительно и отрицательно заряженных частиц потока плазмы.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to obtain and accumulate electrostatic electricity, as well as recombine charges of positively and negatively charged particles of a plasma stream.

Известен рекуператор ионов (рекуператор Поста), содержащий экспандер, супрессор, многоколлекторную систему торможения рекуперации, коллектор (см. Димитров С.К., Обухов В.А. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (Ионные, инжекторные и плазменные ускорители) / Под ред. А.И. Морозова и Н.Н.. Семашко. - М.: Энергоатомиздат, 1989, рис. 1, с. 195; 205-206). Недостатки данного рекуператора является низкий КПД, большие габарито-массовые характеристики, невозможность накапливать электростатическое электричество, малая плотность тока 0,01-0,1 А/м². Известен рекуператор энергии положительно заряженных ионов (Патент RU 2617689 / Трифанов В.И., Казьмин Б.Н, Оборина Л.И., Трифанов И.В.).A known ion recuperator (Post recuperator) containing an expander, suppressor, multi-collector braking system for regeneration, a collector (see Dimitrov S.K., Obukhov V.A. Systems for braking and recovering the energy of plasma flows (Ionic, injection and plasma accelerators) / Under Edited by A.I. Morozov and N.N. Semashko. - M.: Energoatomizdat, 1989, Fig. 1, p. 195; 205-206). The disadvantages of this recuperator are low efficiency, large overall dimensions, inability to accumulate electrostatic electricity, low current density of 0.01-0.1 A / m ² . Known energy recuperator of positively charged ions (Patent RU 2617689 / Trifanov V.I., Kazmin B.N., Oborina L.I., Trifanov I.V.).

Его недостатком является то, что он может рекуперировать положительно заряженные ионы, а отрицательно заряженных только после перезарядки и переключения полярности на электродах, что снижает его КПД, технические возможности и энергетические характеристики (разрядную мощность). В потоке плазмы часто встречаются положительно и отрицательно заряженные ионы, а также электроны, энергию которых требуется рекуперировать одновременно и накапливать энергетическую мощность, а заряд нейтрализовать. Актуальной проблемой также является возможность рекуперации энергии слабоэнергетических частиц от солнечного ветра, которые могут представлять радиационную опасность для космических аппаратов.Its disadvantage is that it can recover positively charged ions, and negatively charged ones only after recharging and polarity switching on the electrodes, which reduces its efficiency, technical capabilities and energy characteristics (discharge power). Positive and negatively charged ions and electrons are often found in the plasma stream, as well as electrons, the energy of which must be recovered at the same time and accumulate energy power, and neutralize the charge. An urgent problem is the possibility of recovering the energy of low-energy particles from the solar wind, which can pose a radiation hazard to spacecraft.

Патент РФ №2617689 принят за прототип.RF patent No. 2617689 adopted as a prototype.

Задачей изобретения является увеличение разрядной мощности, КПД обеспечение технической возможности рекуперации одновременно энергии положительно и отрицательно заряженных частиц холодной плазмы в электростатическое электричество, а также нейтрализация их электрического заряда, накопление электрической мощности и повышение радиационной защиты объектов на потоке плазмы.The objective of the invention is to increase the discharge power, efficiency, providing the technical feasibility of simultaneously recovering the energy of positively and negatively charged cold plasma particles into electrostatic electricity, as well as neutralizing their electric charge, accumulating electrical power and increasing radiation protection of objects on the plasma stream.

Поставленная задача достигается тем, что рекуператор энергии заряженных ионов, представляющий собой рекуператор положительно заряженных частиц, состоящий из торцевого конденсатора ионисторного типа с положительно и отрицательно заряженными электродами, по оси которого установлен изолированный управляющий электроотражатель, а также боковых конденсаторов ионисторного тока с многоколлекторными положительно заряженными и отрицательно заряженными электродами, образуют электрический блок, путем электрического соединения при помощи отрицательно заряженных электродов боковых ионисторных конденсаторов с отрицательно заряженными многоколлекторными электродами двух идентичных с ним по строению рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц, а положительно заряженные и отрицательно заряженные электроды его торцевого конденсатора электрически соединены, соответственно, с положительно заряженными и отрицательно заряженными электродами рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц при помощи электрических перемычек.This object is achieved in that a charged ion energy recuperator, which is a positively charged particle recuperator, consists of an end-face ionistor type capacitor with positive and negatively charged electrodes, along the axis of which an isolated control electric reflector is installed, as well as side-mounted ionistor current capacitors with positively charged and multi-collector negatively charged electrodes form an electrical unit by electrical connection with of negatively charged electrodes of side ionistor capacitors with negatively charged multi-collector electrodes of two negatively charged particles energy identical to it in structure of energy recuperators, and positively charged and negatively charged electrodes of its end capacitor are electrically connected, respectively, with positively charged and negatively charged electrodes of energy recuperators of negatively charged particles using electric jumpers.

Такое электрическое соединение трех одинаковых по строению рекуператоров энергии заряженных частиц холодной плазмы позволяет обеспечить рекуперацию энергии положительно и отрицательно заряженных частиц холодной плазмы одновременно и преобразовать ее в электростатическое электричество, а также нейтрализовать заряд с повышением КПД и разрядной мощности. Кроме того увеличиваются зарядная и разрядная мощности, скорости зарядки и разрядки, а также надежность защиты объектов от воздействия заряженных частиц потока плазмы. Применяемые материалы влияют на работу рекуператоров.Such an electrical connection of the three identical in structure energy recuperators of charged particles of cold plasma allows the recovery of energy of positively and negatively charged particles of cold plasma at the same time and converts it into electrostatic electricity, as well as neutralizing the charge with an increase in efficiency and discharge power. In addition, charging and discharging capacities, charging and discharging speeds, as well as the reliability of protecting objects from exposure to charged particles of a plasma stream, are increasing. The materials used affect the operation of recuperators.

Изготовление электродов конденсаторов, а также многоколлекторных электродов из наноуглеродных композиционных материалов позволяет повысить КПД за счет малого коэффициента отражения заряженных частиц не более 10% (см. Рау Э.И. Моделирование взаимодействия электронного пучка с веществом методом Монте-Карло / https://docvilwer.com).The manufacture of capacitor electrodes, as well as multi-collector electrodes from nanocarbon composite materials, can increase the efficiency due to the low reflection coefficient of charged particles by no more than 10% (see Rau E.I. Monte Carlo simulation of the interaction of an electron beam with matter / https: // docvilwer .com).

Применение электролита из нанокомпозитных материалов на основе рубидия позволяет обеспечить высокую емкость заряда конденсаторами ионисторного типа 100 Ф/г, рассчитанного на массу активного углеродного материала, при температуре 180°С, а также высокий потенциал рабочего напряжения U_раб>3В и термическую стабильность в диапазоне 150-180°С (см. Патент РФ №2592863). Сепаратор конденсаторов ионисторного типа может быть выполнен из пористого, пленочного диэлектрического материала для разделения электродов.The use of an electrolyte from rubidium-based nanocomposite materials makes it possible to provide a high charge capacity of 100 F / g ionistor type capacitors, calculated on the mass of active carbon material, at a temperature of 180 ° C, as well as a high working voltage potential U _work > 3V and thermal stability in the range of 150 -180 ° C (see RF Patent No. 2592863). The separator of capacitors of the ionistor type can be made of a porous, film-like dielectric material for separating the electrodes.

Сепаратор служит для исключения электронного переноса между положительным и отрицательным электродами.The separator serves to exclude electronic transfer between the positive and negative electrodes.

Сепаратор должен обеспечивать максимальную ионную проводимость, обладать высокой пористостью и поглотительной способностью по отношению к электролиту, а также химической и электрохимической стабильностью в растворах исходного электролита. Толщина сепарационного материала должна обеспечить минимальное внутреннее сопротивление суперконденсатора и увеличение удельной мощности. Среди сепарационных материалов основными являются полипропиленовые, полиэтиленовые, целлюлозобумажные и фторопластиковые материалы. Ионная проницаемость сепарационного материала, прежде всего, определяется толщиной и пористостью, которые зависят от природы сепаратора, способа его производства и модифицирования. Минимальным эквивалентным последовательным сопротивлением обладает суперконденсатор с сепаратором толщиной 35 мкм, с размером пор 0,1 мкм, выполненным на основе пористого полиэтилена, что обусловлено максимальной пористостью материала (74%). Кроме того, полиэтилен устойчив против радиационного воздействия заряженных частиц, что повышает надежность работы конденсаторов ионисторного типа при воздействии заряженных частиц. Установлено, что удельная емкость суперконденсатора слабо зависит от природы сепарационного материала (см. М.Ю. Чайка, B.C. Горшков, Д.Е. Силютин, В.А. Небольсин, А.Н. Ермаков. Основные типы сепарационных материалов в суперконденсаторах с неводным электролитом / cyberleninka.ru).The separator should provide maximum ionic conductivity, have high porosity and absorption capacity with respect to the electrolyte, as well as chemical and electrochemical stability in solutions of the initial electrolyte. The thickness of the separation material should provide a minimum internal resistance of the supercapacitor and an increase in specific power. Among the separation materials, the main ones are polypropylene, polyethylene, pulp and paper and fluoroplastic materials. The ionic permeability of the separation material is primarily determined by the thickness and porosity, which depend on the nature of the separator, the method of its production and modification. A supercapacitor with a separator with a thickness of 35 μm, with a pore size of 0.1 μm, made on the basis of porous polyethylene, has the minimum equivalent series resistance, which is due to the maximum porosity of the material (74%). In addition, polyethylene is resistant to radiation from charged particles, which increases the reliability of ion-type capacitors when exposed to charged particles. It was found that the specific capacitance of a supercapacitor weakly depends on the nature of the separation material (see M.Yu. Chaika, BC Gorshkov, DE Silyutin, VA Nebolsin, AN Ermakov. The main types of separation materials in non-aqueous supercapacitors electrolyte / cyberleninka.ru).

Известно, что электрическая емкость энергии конденсатора ионисторного типа, применяемого для накопления электростатической энергии, пропорциональна площади электрода. Удельная поверхность графена может достигать 2630 м²/г. Дискретные высокопористые накопительные слои подложек электродов конденсаторов могут быть выполнены из графена (см. Патент РФ 2597224 Суперконденсатор).It is known that the electric energy capacity of an ionistor type capacitor used to store electrostatic energy is proportional to the area of the electrode. The specific surface of graphene can reach 2630 m ² / g. Discrete highly porous storage layers of capacitor electrode substrates can be made of graphene (see RF Patent 2597224 Supercapacitor).

При этом удельная емкость наностенки может достигать 600 Ф/г путем включения атомов азота в углеродную решетку тонкопленочных суперконденсаторов на основе углеродных нанопленок (см. Н.В. Стешин, И.К. Акфатов, Е.В. Зенова, А.А. Павлов, С.В. Вавилов. N - Doped carbon nano walls for power sources // scientific reports 2019-04-30, Vol. 9, iss1 - p. 6716).In this case, the specific capacity of the nanowall can reach 600 F / g by incorporating nitrogen atoms into the carbon lattice of thin-film supercapacitors based on carbon nanofilms (see N.V. Steshin, I.K. Akfatov, E.V. Zenova, A.A. Pavlov S.V. Vavilov. N - Doped carbon nano walls for power sources // scientific reports 2019-04-30, Vol. 9, iss1 - p. 6716).

На основе электродов с высокими электрохимическими и структурными характеристиками, сепаратора, выполненного из пористого полиэтилена, и рубидий содержащего электролита, разработан ионисторный конденсатор, обладающей удельной энергоемкостью 32 Вт.ч/кг, который может применяться в рекуператоре энергии заряженных частиц.Based on electrodes with high electrochemical and structural characteristics, a separator made of porous polyethylene, and rubidium containing electrolyte, an ionistor capacitor has been developed with a specific energy consumption of 32 Wh / kg, which can be used in a charged particle energy recuperator.

На фиг. 1 показана схема блока рекуператоров энергии ионов плазмы.In FIG. 1 shows a block diagram of a plasma ion energy recuperator.

При защите от проникновения на защищаемый космический объект слабо энергетических заряженных частиц, излучаемых, например, солнцем путем их рекуперации, целесообразно создание силового магнитного поля в виде магнитной ловушки. Магнитная ловушка, представляющая собой пространственную конфигурацию магнитного поля, способна удерживать заряженные частицы, такие как электроны, протоны, альфа-частицы, путем взаимодействия с ними и концентрации их заряда. При этом может происходить вращение заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля, движение по спиральной траектории, с отражением в области полюсов, у которых может быть установлен энергетический блок рекуператоров энергии. Такое построение системы позволит повысить эффективность рекуперации энергии слабоэнергетических заряженных частиц и обеспечить более надежную радиационную защиту, например, космических аппаратов (КА) в космосе. Если заряженная частица влетает в магнитное поле, перпендикулярно индукции В, то начинает двигаться по круговой траектории, охватывающей силовые линии магнитного поля. Радиус вращения может быть определен по формуле:When protecting against the penetration of weakly charged charged particles emitted, for example, by the sun through their recovery, onto a protected space object, it is advisable to create a force magnetic field in the form of a magnetic trap. A magnetic trap, which is a spatial configuration of a magnetic field, is able to hold charged particles, such as electrons, protons, alpha particles, by interacting with them and concentrating their charge. In this case, the rotation of charged particles around the magnetic field lines, a movement along a spiral path, with reflection in the pole region, at which the energy block of energy recuperators can be installed, can occur. Such a construction of the system will increase the energy recovery efficiency of low-energy charged particles and provide more reliable radiation protection, for example, of spacecraft (SC) in space. If a charged particle flies into a magnetic field perpendicular to induction B, then it begins to move along a circular path that encompasses the lines of force of the magnetic field. The radius of rotation can be determined by the formula:

где V - скорость движения заряженной частицы, m, g - масса и заряд заряженной частицы, В - магнитная индукция.where V is the velocity of a charged particle, m, g is the mass and charge of a charged particle, B is magnetic induction.

Период вращения заряженной частицы будет равен

The period of rotation of a charged particle will be equal to

Шаг винтовой линии h, когда заряженная частица двигается по спирали, можно оценить по формуле: h=V⋅T.The helix pitch h, when the charged particle moves in a spiral, can be estimated by the formula: h = V⋅T.

Если индукция магнитного поля В возрастает в направлении движения частицы, то радиус R и шаг винтовой линии h уменьшаются с ростом В. На этом основана фокусировка заряженных частиц в магнитном поле (см. Википедия / https://ru.wikipedia.org).If the magnetic field induction B increases in the direction of particle motion, then the radius R and the helix pitch h decrease with increasing B. This is the basis for the focusing of charged particles in a magnetic field (see Wikipedia / https://ru.wikipedia.org).

Магнитное поле внутри соленоида можно оценить по формуле:The magnetic field inside the solenoid can be estimated by the formula:

где N - число витков, L - длина соленоида, I - ток, μ₀ - магнитная постоянная.where N is the number of turns, L is the length of the solenoid, I is the current, μ ₀ is the magnetic constant.

Уравнение движения протона в магнитном поле можно представить выражением:The equation of proton motion in a magnetic field can be represented by the expression:

где е - заряд протона.where e is the proton charge.

На заряженные частицы со стороны магнитного поля действует сила Лоренца F=eVB.The charged particles from the side of the magnetic field are affected by the Lorentz force F = eVB.

Полную энергию протона можно оценить по формуле:The total energy of the proton can be estimated by the formula:

m⋅c²=ecBR, т.к. V≈С,m⋅c ² = ecBR, because V≈С,

Представленные зависимости легли в основу построения системы рекуперации энергии слабоэнергетически заряженных частиц и повышения радиационной защиты объекта на основе применения энергетического блока рекуператоров энергии положительно и отрицательно заряженных частиц.The presented dependences formed the basis for constructing a system of energy recovery of weakly charged particles and increasing the radiation protection of an object based on the use of the energy block of energy recuperators of positively and negatively charged particles.

Могут применяться открытые магнитные ловушки, достоинством которых является простота, а также зеркальные магнитные ловушки, в которых при продвижении в область сильного магнитного поля радиус траектории заряженных частиц уменьшается (см. Традиционное достоинство открытых ловушек - простота / cyberleninka.ru; Магнитные ловушки / booksitc.ru).Open magnetic traps, the advantage of which is simplicity, as well as mirror magnetic traps, in which, when moving into a region of a strong magnetic field, the radius of the trajectory of charged particles can be used, can be used (see Traditional advantage of open traps is simplicity / cyberleninka.ru; Magnetic traps / booksitc. ru).

Блок рекуператоров энергии ионов плазмы представлен на фиг. 1. В состав блока рекуператоров энергии ионов плазмы входит: рекуператор энергии положительно заряженных частиц 1 с диффузором 2, соединенным с коническим каналом 3, в которых установлены ускоряюще-тормозящие электроды 4; торцевой конденсатор ионисторного типа 5; положительно заряженный электрод 6, отрицательно заряженный электрод 7; изолированный управляющий электрод-отражатель 8; боковые конденсаторы ионисторного типа 9; многоколлекторные положительно заряженные электроды 10; отрицательно заряженные электроды 11 рекуператора энергии положительно заряженных частиц, отрицательно заряженные многоколлекторные электроды 12 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; отрицательно заряженные электроды 13 торцевых конденсаторов рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; положительно заряженные электроды 14 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21; электрические перемычки 15; твердый рубидий, проводящий электролит 16; сепаратор диэлектрический 17; диэлектрический корпус рекуператоров 18; канал для прокачки охлаждающей жидкости 19; канал для выхода молекул газа после рекуперации ионов 20, рекуператоры отрицательно заряженных частиц 21; диффузоры отрицательно заряженных частиц 22; конические каналы 23; электроды для контроля объемного заряда в рекуператоре 24.The plasma ion energy recuperator unit is shown in FIG. 1. The structure of the plasma ion energy recuperator unit includes: a positively charged particle energy recuperator 1 with a diffuser 2 connected to a conical channel 3, in which accelerating-braking electrodes 4 are installed; end capacitor of ionistor type 5; positively charged electrode 6, negatively charged electrode 7; insulated control electrode-reflector 8; side capacitors of ionistor type 9; multi-collector positively charged electrodes 10; negatively charged electrodes 11 of an energy recuperator of positively charged particles, negatively charged multi-collector electrodes 12 of an energy recuperator of negatively charged particles 21; negatively charged electrodes 13 of the end capacitors of the energy recuperators of negatively charged particles 21; positively charged electrodes 14 of energy recuperators of negatively charged particles 21; electrical jumpers 15; solid rubidium, conductive electrolyte 16; dielectric separator 17; dielectric housing of recuperators 18; channel for pumping coolant 19; a channel for the exit of gas molecules after the recovery of ions 20, recuperators of negatively charged particles 21; negatively charged particle diffusers 22; conical channels 23; electrodes for monitoring the space charge in the recuperator 24.

На фиг. 2 показан блок рекуператоров энергии с устройством, позволяющим производить отбор заряженных частиц из магнитной ловушки 23 путем формирования пучков заряженных частиц с декомпозицией их пространственного заряда и направления в полости рекуператоров энергии, а также схема установки блока рекуператоров положительно и отрицательно заряженных частиц у полюса N магнитной ловушки в системе радиационной защиты объектов на потоке плазмы. Схема включает в себя энергетический блок рекуператоров энергии положительно заряженных 1 и отрицательно заряженных ионов и электронов 22, магнитную ловушку 23, силовые линии магнитного поля ловушки 24, магнитную систему рекуператора энергии 25, магнитную линзу 26 для фокусировки пучков заряженных частиц, отсечные электроды 27, для декомпозиции пространственного заряда потока заряженных частиц, траекторий движения заряженных частиц 28.In FIG. 2 shows a block of energy recuperators with a device that allows the selection of charged particles from a magnetic trap 23 by forming bundles of charged particles with decomposition of their space charge and direction in the cavity of energy recuperators, as well as the installation diagram of a block of recuperators of positively and negatively charged particles at the pole N of the magnetic trap in the radiation protection system of objects on the plasma stream. The circuit includes an energy block of energy recuperators of positively charged 1 and negatively charged ions and electrons 22, a magnetic trap 23, magnetic field lines of the trap 24, magnetic energy recuperator system 25, a magnetic lens 26 for focusing charged particle beams, cut-off electrodes 27, for decomposition of the space charge of the flow of charged particles, trajectories of motion of charged particles 28.

Аналогичная система рекуператоров может содержать устройство для отбора заряженных частиц из магнитной ловушки и быть установлена у полюса S магнитной ловушки (на фиг. 2 не показана).A similar recuperator system may include a device for collecting charged particles from a magnetic trap and be installed at the pole S of the magnetic trap (not shown in Fig. 2).

Рекуператор (фиг. 1) работает следующим образом. Подается поток положительно и отрицательно заряженных частиц. Поток положительно заряженных частиц холодной плазмы под действием отрицательного электрического потенциала 1-2,5 кВ, подаваемого на кольцевые изолированные электроды, установленные на входе в диффузор 2, направляется в конический канал 3. При движении по коническому каналу поток положительно заряженных частиц уплотняется, а затем поступает в рекуператор 1. Положительно заряженные частицы взаимодействуют с заряжающим электродом 6 торцевого конденсатора ионисторного типа 5, а также с многоколлекторными электродами 10 боковых конденсаторов ионисторного типа заряжая их положительно. Для ускорения, замедления или колебания объемного заряда внутри рекуператора энергии положительно заряженных частиц применяется изолированный управляющий электрод-отражатель 8, на который подается требуемое напряжение с определенной частотой, обеспечивающей высокий КПД рекуперации положительно заряженных частиц, за счет углов отражения заряженных частиц и мягкой посадки на электроды-коллекторы. Одновременно отрицательно заряженные частицы холодной плазмы под действием положительного потенциала напряжением 1-2,5 кВ, подаваемого на кольцевые изолированные электроды, установленные на входе в диффузоры 22, подаются в конические каналы 23, а затем в рекуператоры энергии отрицательно заряженных частиц 21, идентичных по построению с рекуператором энергии положительно заряженных ионов 1.The recuperator (Fig. 1) works as follows. A stream of positively and negatively charged particles is supplied. The flow of positively charged particles of cold plasma under the influence of a negative electric potential of 1-2.5 kV supplied to the ring insulated electrodes installed at the inlet of the diffuser 2 is directed to the conical channel 3. When moving along the conical channel, the flow of positively charged particles is compressed, and then enters the recuperator 1. The positively charged particles interact with the charging electrode 6 of the end-face capacitor of the ionistor type 5, as well as with multi-collector electrodes 10 of the side capacitors in the ionistor type, charging them positively. To accelerate, decelerate or oscillate the space charge inside the energy recuperator of positively charged particles, an insulated control electrode-reflector 8 is applied to which the required voltage is applied at a certain frequency, which ensures high efficiency of recovery of positively charged particles due to the reflection angles of the charged particles and soft fit on the electrodes collectors. At the same time, negatively charged particles of cold plasma under the action of a positive potential with a voltage of 1-2.5 kV supplied to ring insulated electrodes installed at the entrance to the diffusers 22 are fed into conical channels 23, and then to the energy recuperators of negatively charged particles 21, identical in construction with energy recuperator of positively charged ions 1.

За счет воздействия отрицательно заряженных частиц электроды 13 торцевых конденсаторов ионисторного типа и многоколлекторные электроды 12 рекуператоров энергии отрицательно заряженных частиц 21 заряжаются отрицательно, при этом отрицательный потенциал электродов 12 распределяется также на отрицательно заряженные электроды 11 боковых конденсаторов рекуператора энергии положительно заряженных частиц 1, так как они непосредственно электрически соединены с электродами 11. Аналогичное распределение потенциала (-) происходит на электроде 7 торцевого суперконденсатора 5 рекуператора энергии положительно заряженных ионов 1 и электродов 13 торцевых суперконденсаторов рекуператоров энергии отрицательно заряженных ионов 22, а также распределение потенциала (+) на электроде 6 торцевого суперконденсатора рекуператора энергии положительно заряженных ионов и электродах 14 торцевых суперконденсаторов рекуператоров энергии 22 отрицательно заряженных частиц, так как они соединены электрически при помощи перемычек 15.Due to the influence of negatively charged particles, the electrodes 13 of the end-face capacitors of the ionistor type and the multi-collector electrodes 12 of the energy recuperators of the negatively charged particles 21 are negatively charged, while the negative potential of the electrodes 12 is also distributed to the negatively charged electrodes 11 of the side capacitors of the energy recuperator of the positively charged particles 1, since they directly electrically connected to the electrodes 11. A similar potential distribution (-) occurs on the electrode 7 t of the front supercapacitor 5 of the energy recuperator of positively charged ions 1 and the electrodes 13 of the end supercapacitor of the energy recuperator of negatively charged ions 22, as well as the potential distribution (+) on the electrode 6 of the end of the supercapacitor of the energy recuperator of positively charged ions and the electrodes 14 of the endcapacitor of the energy recuperator 22, negatively charged particles since they are electrically connected using jumpers 15.

Создание энергетического блока (фиг. 1) рекуператоров энергии положительно заряженных ионов 1 с идентичным с ним по построению рекуператорами энергии отрицательно заряженных ионов 22, путем их электрического соединения при помощи, отрицательно заряженных электродов 11 и 12 боковых ионисторных конденсаторов, а также положительно заряженного 6 и отрицательно заряженного 7 электродов его суперконденсатора с положительно заряженными 14 и отрицательно заряженными 13 электродами рекуператоров энергии заряженных частиц, позволяет обеспечить одновременно рекуперацию энергии положительно заряженных и отрицательно заряженных ионов, а также электронов потока плазмы. При рекуперации ионов, например, водорода или гелия, образуется газ за счет нейтрализации заряда в рекуператоре энергии, который отводится через каналы 20, находящиеся под напряжением (+), а отрицательно заряженных ионов под напряжением (-). Для контроля объемного заряда в рекуператорах энергии используются электроды 24, что позволяет регулировать процесс рекуперации. Для обеспечения радиационной защиты объектов от воздействия на них энергии заряженных частиц плазмы, несколько рекуператоров энергии заряженных частиц могут располагаться в шахматном порядке с потенциалами (+) и (-) на ускоряющих электродах диффузоров, образуя ячеистую поверхность при помощи диффузоров, изолированных друг от друга (на фиг. 1 не показано).The creation of the energy block (Fig. 1) of energy recuperators of positively charged ions 1 with the energy of negatively charged ions 22 identical to it in constructing energy recuperators by electrically connecting them using negatively charged electrodes 11 and 12 of the side ionistor capacitors, as well as positively charged 6 and negatively charged 7 electrodes of its supercapacitor with positively charged 14 and negatively charged 13 electrodes of charged particle energy recuperators, allows one At the same time, the energy recovery of positively charged and negatively charged ions, as well as electrons of the plasma flow. During the recovery of ions, for example, hydrogen or helium, gas is formed by neutralizing the charge in the energy recuperator, which is discharged through channels 20, which are energized (+), and negatively charged ions, energized (-). To control the space charge in energy recuperators, electrodes 24 are used, which makes it possible to regulate the recovery process. To ensure radiation protection of objects from exposure to the energy of charged plasma particles, several charged particle energy recuperators can be staggered with potentials (+) and (-) on the accelerating electrodes of the diffusers, forming a mesh surface using diffusers isolated from each other ( in Fig. 1 is not shown).

Блок рекуператоров энергии с устройством, позволяющим концентрировать и направлять слабоэнергетические пучки заряженных частиц в полость рекуператоров, совмещенных, с магнитной ловушкой системы радиационной защиты показан на фиг. 2. Работает следующим образом: слабоэнергетические заряженные частицы, например, электроны, протоны, альфа-частицы взаимодействуют с магнитным полем ловушки 23, влетая в него под некоторым углом, двигаются по спирали к полюсам N и S по его магнитным силовым линиям 24. У полюса N заряженные частицы взаимодействуют с полюсом S более мощной магнитной системы 25 и направляются вдоль его силовых линий по траектории 28, в полость магнитной линзы 26 за счет которой происходит фокусировка пучков заряженных частиц путем увеличения магнитной индукции В.A block of energy recuperators with a device that allows one to concentrate and direct low-energy beams of charged particles into the cavity of recuperators combined with a magnetic trap of the radiation protection system is shown in FIG. 2. It works as follows: low-energy charged particles, for example, electrons, protons, alpha particles interact with the magnetic field of trap 23, flying into it at a certain angle, move in a spiral to poles N and S along its magnetic lines of force 24. At the pole N charged particles interact with the pole S of a more powerful magnetic system 25 and are directed along its lines of force along trajectory 28, into the cavity of the magnetic lens 26, due to which the beam of charged particles is focused by increasing magnetic induction B.

Затем заряженные частицы двигаются к полюсу N за счет магнитной индукции магнитного поля 25 рекуператоров энергии.Then the charged particles move to the pole N due to the magnetic induction of the magnetic field of 25 energy recuperators.

Декомпозиция потока заряженных частиц по пространственному заряду осуществляется электрическим полем при помощи отсеченных электродов 27. После декомпозиции заряженные частицы поступают в униполярные рекуператоры 1 и 22, электрически соединенные между собой, где происходит рекуперация энергии положительно и отрицательно заряженных частиц одновременно. Аналогично может осуществляться установка и работа рекуператоров энергии слабозаряженных частиц плазмы у полюса S магнитной ловушки. Питание магнитной ловушки может осуществляться постоянным электрическим током, для этого не потребуется источник высокой мощности для работы электромагнитов. Магнитная ловушка может быть также создана на основе использования постоянных магнитов (см. С.К. Димитров, В.А. Обухов / Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (ионные инжекторы и плазменные ускорители под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко. М.: Энергоиздат,1989, с. 197-198.).The decomposition of the flow of charged particles in space charge is carried out by an electric field using cut off electrodes 27. After decomposition, the charged particles enter unipolar recuperators 1 and 22, which are electrically connected to each other, where the energy recovery of positive and negatively charged particles occurs simultaneously. Similarly, the installation and operation of energy recuperators of weakly charged plasma particles at the pole S of a magnetic trap can be carried out. The magnetic trap can be powered by direct electric current; for this, a high power source is not required for the operation of electromagnets. A magnetic trap can also be created using permanent magnets (see S.K. Dimitrov, V.A. Obukhov / Braking and energy recovery systems for plasma flows (ion injectors and plasma accelerators, edited by A.I. Morozov and N. N. Semashko. M.: Energoizdat, 1989, p. 197-198.).

При этом возрастает скорость зарядки рекуператоров энергии в 1,5-2 раза, КПД энергетического блока до 65-75%. Технический результат: повышение разрядной мощности, эффективности рекуперации энергии заряженных частиц потока плазмы, возможности создания системы защиты космических объектов от радиации с одновременным получением электроэнергии при расположении в шахматном порядке электрически соединенных между собой рекуператоров энергии положительно и отрицательно заряженных ионов, а также размещение их у полюсов магнитного поля, удерживающего заряженные частицы и концентрирующего их заряд, что повышает стабильность источника плазмы с требуемыми параметрами для зарядки суперконденсаторов рекуператоров.At the same time, the charging speed of energy recuperators is increased by 1.5-2 times, the efficiency of the energy block is up to 65-75%. EFFECT: increased discharge power, energy recovery efficiency of charged particles of a plasma stream, the possibility of creating a system for protecting space objects from radiation with the simultaneous generation of electricity when staggered positively and negatively charged ion energy recuperators, and their placement at the poles a magnetic field that holds charged particles and concentrates their charge, which increases the stability of the plasma source with emymi parameters for charging the supercapacitor energy recovery.

Claims

1. An ion energy recuperator containing an energy recuperator of positively charged particles, which includes an end-face capacitor of an ionistor type with positive and negatively charged electrodes, the axis of which has an insulated control electrode-reflector, side capacitors of an ionistor type with multi-collector positively charged and negatively charged electrodes , characterized in that it forms the energy block of the recuperators by electrical connection using negative ionistornyh charged electrode side capacitors with negatively charged electrodes mnogokollektornymi identical with it by construction energy recuperators negatively charged particles and positively charged and negatively charged electrodes its mechanical supercapacitor electrically connected respectively with the positively charged and negatively charged electrodes of supercapacitors end recuperators energy negatively charged particles.

2. The ion energy recuperator, made in the form of an energy block according to claim 1, characterized in that the energy recuperators of positively and negatively charged ions included in a single energy block can contain several energy recuperators of positively and negatively charged ions and be located in a checkerboard order to create an effective recovery system, combined with a system of radiation protection of objects from exposure to charged plasma particles.

3. The ion energy recuperator according to claim 2, made in the form of an energy block and combined with a radiation protection system, characterized in that it is installed at the poles of a magnetic field that holds charged particles and increases the concentration of their charge, is connected to a device that allows you to concentrate and direct beams of charged particles into the magnetic focusing zone, and then through the shutoff electrodes to decompose the stream according to the sign of the charge in the cavity of the recuperators of positively and negatively charged particles.