ПЛАЗМЕННЫЙ ДИОД

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).
8
36
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 CCs до ССs, 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 900…1100 К, когда на электроды диода приложено напряжение до 10 вольт.
7
7
2
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 10 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 10 в/см, что приводит к высокой плотности электронного тока около (80…100) а/см, 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)
8
36
согласно которой плазменный диод с эмиттером из ориентированного пиролитического графита С - ось которого перпендикулярна графитовым слоям, интеркалирован цезием от состава CCs до ССs, 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 1200…1700 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 1200…1700 К за счет снижения работы выхода электродов.
6
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 СВа.
8
Кроме того, коллектор выполнен из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения CCs.
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 1200…1700 К;
5. Металлокерамический переходник;
6. Сильфон для компенсации расширения графита вдоль оси - С;
7. Металлокерамический переходник;
8. Резервуар с жидким конденсатом цезия.
6
8
Предлагаемое изобретение существенно уменьшает процесс деградации эмиссионного тока при температурах эмиттера 1200-1700 К за счет интеркаляции в графит атомов бария до соединения СВа. 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 1300…1700 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 CCs. Это позволяет повысить разность потенциалов между электродами плазменного диода.
Предлагаемый плазменный диод работает следующим образом:
2
первоначально устанавливаются и поддерживаются за счет внешних источников тепла (на фигурах не показаны) требуемые рабочие температуры эмиттера 4 (1200…1700 К) и коллектора 2 (700…1000 К). Далее поднимается температура резервуара с цезием 8 от 500 до 600 К, что соответствует величине давления насыщенного пара цезия 30…550 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/см.
2
Таким образом, предложенное решение позволит повысить электронную эмиссию плазменного диода при температурах 1200…1700 К. Такие плазменные диоды позволяют при умеренных температурах получить эмиссионный электронный ток около 100 а/см, они могут найти применение в различных устройствах, где требуется высокая удельная плотность тока при низком значении подаваемого на диод напряжения (не более 10 вольт).