Способ создания многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц и устройство для его реализации
Изобретение относится к средствам прямого преобразования (рекуперации) энергии заряженных частиц с многоступенчатой рекуперацией. Зона преобразования потока ионов в коническом преобразователе экспандера совмещена с областью торможения, рекуперации энергии заряженных частиц и емкостного накопления электростатического электричества в суперконденсаторе ионисторного типа. Предусмотрено преобразование энергии ионов с одновременной рекуперацией их энергии за счет сжатия, торможения и взаимодействия с нанопористым углеродным токопроводящим материалом стенки конического канала. Далее осуществляется ускорение нескомпенсированных ионов и направление их в канал супрессора при воздействии продольного ускоряющего электрического поля, где происходит отделение от них нейтральных и заряженных частиц противоположного знака при помощи сквозных каналов, выполненных в стенках корпуса супрессора. Поток ионов одинакового электрического заряда направляется в устройство круговой развертки и многоколлекторную систему торможения и рекуперации энергии, где на кольцевые многоколлекторные электроды с игольчатой поверхностью высаживают ионы и компенсируют их заряд за счет поступления электронов с наномодифицированных углеродных электродов. Технический результат способа заключается в повышении КПД рекуперации энергии, снижении габарито-массовых характеристик рекуператора энергии, возможности рекуперации энергии с одновременной нейтрализацией заряда ионов и накоплением электростатической энергии. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к энергетике, в частности к прямому преобразованию (рекуперации) энергии заряженных частиц при переносе заряда против сил тормозящего электрического поля, может быть использовано для создания устройств сильноточной электроники, ускорительной и плазменной техники, а также генераторов электрической энергии на потоке плазмы, рекуператоров электроэнергии.
Известен способ рекуперации энергии Тимофеева А.В., в котором предложено совместить зону экспандера с областью торможения заряженных частиц, создавая внешнее магнитное поле, которое спадает по радиусу пропорционально 1/r, а внутреннее однородное электрическое поле формировано с помощью системы электродов.
Направление магнитного поля выбирается таким образом, чтобы скорость дрейфа в неоднородном магнитном поле была направлена противоположно действию электрического поля. Недостатком способа является принципиальная невозможность преобразования энергии частиц, у которых практически вся кинетическая энергия сосредоточена в продольной составляющей (см. С.К. Дмитриев, 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. 209-210. Рис. 9).
Известен также способ рекуперации энергии заряженных частиц, основанный на системе рекуперации Поста, включающий в себя преобразование потока заряженных частиц в коническом преобразователе потока (экспандере), в котором расходящийся поток приобретает преимущественно направленное движение, затем поток поступает в супрессор, где происходит отделение электронов, а ионы одинакового заряда подаются в многоколлекторный дисковый рекуператор, в котором для разделения ионов по энергиям и стабилизации первичного пучка создается электрическое фокусирующее поле при помощи периодически фокусирующих линз, образующих электродами, находящимся под высоким и низким потенциалом, на которые ионы под действием объемного заряда выпадают на коллекторы, где происходит их преобразование в электростатическое электричество, а также взаимодействие ионов с коллектором. Недостатком такого способа является малая плотность тока, отсутствие системы отвода и накопления электростатической энергии и создания поперечного электрического поля тормозящего заряженные частицы в экспандере, а также отсутствие системы отвода нейтральных частиц, образующихся при компенсации заряда ионов, совмещенной зоны экспандера с областью торможения заряженных частиц и рекуперации их энергии, большая тепловая нагрузка и габарито-массовые характеристики экспандера Поста (см. С.К. Дмитриев, В.А. Обухов. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков.(Ионные инжекторы и плазменные ускорители) Под ред. А.И. Морозова, Н.Н. Семашко. - М. Энергоиздат, 1989, рис 1, с. 194-195, 205-206). Сокращение размеров тракта торможения совмещенной с областью рекуперации энергии ионов и эффективной системы пространственного разделения и посадки их на коллектор под соответствующим управляемым потенциалом чрезвычайно важная задача.
Важным также является разбиение пучка ионов на меньшие, отвечающие условию малости 
с последующим смещением этих пучков в области, где производится компенсация пространственного заряда ионов электронами, например на электроды-коллекторы, в том числе развитой игольчатой или гребенчатой поверхностью многоколлекторных электродов с соответствующим компенсационным потенциалом (где d - характерный размер пучка, rD - энергетический параметр).
где Wo - средняя энергия иона, Uкэ - потенциал коллектора, Jio - плотность тока, εо - диэлектрическая постоянная, mp - масса протона, U0=W0/e - средний потенциал заряда ионов, e - заряд электрона, А - атомная масса иона.
Для торможения пучков с большим условным расхождением или широким энергетическим спектром требуется использовать многоколлекторные схемы, а в некоторых случаях - предварительное разделение пучка на компоненты с разной энергией. Необходимо также снизить долю низкоэнергетических компонентов при рекуперации энергии плазменных потоков, которые характерны для энергетических процессов в технологических установках, например, при создании ионоприемников плазменных ускорителей и ионных инжекторов.
Вакуум при этом может быть в пределах 6,65*10-3 Па. Требуется добиться разбиение пучка ионов на подпотоки при помощи круговой развертки и подавления вторичных частиц с помощью электрода в виде набора игл или лезвий, а также электрода-отражателя.
Способ рекуперации энергии заряженных частиц, предложенный Постом выбран за прототип (см. С.К. Дмитриев, В.А. Обухов. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (Ионные инжекторы и плазменные ускорители) Под ред. А.И. Морозова, Н.Н. Семашко. - М. Энергоиздат, 1989, с. 194-195, рис 1).
Задача, которая решается в предлагаемом способе рекуперации энергии заряженных частиц заключается в повышении энергетической эффективности и устойчивости рекуперации энергии заряженных частиц с одновременной нейтрализацией их заряда, обеспечивающих увеличение КПД, а также накопления электростатического электричества, снижение тепловой нагрузки и габарито-массовых характеристик рекуператора.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц, при котором реализуется процесс многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц, путем преобразования скорости потока в коническом преобразователе экспандера за счет придания ему преимущественно направленного движения в супрессор, где происходит в супрессоре разделение заряженных частиц противоположенного заряда между собой, а затем подача ионов одинакового заряда в многоколлекторный дисковый рекуператор, в котором для разделения ионов по энергиям и стабилизации первичного пучка создается фокусирующее электрическое поле при помощи фокусирующих линз, образуемых многоколлекторными электродами, находящимися под высоким и низким потенциалом, на которые ионы под действием объемного заряда выпадают с преобразованием их энергией в электростатическое электричество, торможение нескомпенсированных ионов осуществляется при помощи коллектора путем направления их на низко-потенциальные электроды, на которых происходит компенсация электрического заряда, предлагается: в коническом преобразователе экспандера преобразование скорости потока ионов совместить с рекуперацией энергии заряженных частиц и емкостным накоплением электростатического электричества, при котором реализуются одновременно направленное движение потока, рекуперация его энергии за счет сжатия, торможения и взаимодействия с нанопористым углеродным токопроводящим материалом стенки конического канала заряжающего электрода ионисторного суперконденсатора при воздействии поперечного электрического поля и эмиссии электронов со стороны его двойного электрического слоя, с последующим направлением потока нескомпенсированных ионов в супрессор, в котором происходит отделение от него нейтральных и заряженных частиц противоположного знака при помощи торможения электрическим полем и удаления их при воздействии ускоряющего электрического потенциала со стороны изолированных электродов, установленных на сквозных отводящих каналах, выполненных в стенках конической полости супрессора, направлении потока ионов одинакового электрического заряда при помощи ускоряюще-тормозящего электрода в полости устройства круговой развертки и многоколлекторной системы торможения и рекуперации, интегрированной с ионисторными суперконденсаторами, на кольцевые многоколлекторные электроды которой высаживают ионы и компенсируют их заряд за счет эмиссии электронов с наномодифицированных углеродных электродов боковых и торцевого ионисторных суперконденсаторов, при помощи которых накапливают электростатическое электричество, создают тормозящее электрическое поле и соответствующий спектр компенсационного потенциала, оставшиеся нескомпенсированные ионы тормозят электрическим полем, действующим со стороны изолированного управляющего электрода-отражателя, компенсируют их заряд при помощи цилиндрического заряжающего электрода торцевого суперконденсатора с гребенчатой поверхностью, при этом выход нейтральных частиц, образующихся в процессе рекуперации ионов производится через каналы, на которые подается высокий электрический потенциал со знаком соответствующем заряду ионов.
Совмещение зоны конического преобразователя экспандера с областью торможения, в которой тормозящее электрическое поле создается заряжающим электродом с коническим каналом суперконденсатора и рекуперации энергии заряженных частиц со съемом и накоплением энергии при помощи суперконденсатора, может позволить уменьшить габарито-массовые характеристики экспандера, повысить КПД преобразования энергии заряженных частиц в электростатическое электричество с накоплением электростатической электроэнергии и одновременной нейтрализацией ионов на первой ступени. Эффективность можно обеспечить за счет уменьшения нагрева и вторичных явлений в каналах малого сечения конической формы, а также повышения плотности тока.
Подобные способ и устройство известны (см. Патент РФ №2597205 Генератор электрического тока на потоке плазмы / Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Трифанов В.И., Оборина Л.И. Опубл. 10.09.2016, Бюл. №25). Генератор применяется для рекуперации пучков электронов. Недостатком генератора электрического тока на потоке плазмы содержащей ионы, является то, что он содержит электрод-мишень, от которой могут отражаться нескомпенсированные ионы, что снижает КПД рекуперации, а также в генераторе отсутствуют каналы для выхода нейтральных частиц газа, образующихся после рекуперации энергии ионов. Многоступенчатая рекуперация ионов может осуществляться эффективно с возможностью вывода нейтральных частиц и частиц противоположного знака после каждой ступени рекуперации энергии ионов. Для этого целесообразно применять супрессор с каналами для отвода молекул, атомов и частиц противоположного знака, установив на стенки каналов электростатические электроды с зарядом, тормозящим выход ионов, поток которых подвергается рекуперации.
Нескомпенсированные ионы одинакового электрического заряда, после отделения от них нейтральных частиц и частиц противоположного знака, на первой ступени направляют при помощи ускоряющего электрического поля в устройство круговой развертки, в котором происходит разворачивание потока и разбиение его на подпотоки, и придание ему конической формы для взаимодействия ионов с многоколлекторными электродами, установленными под углом 110°-:130° по направлению потока. Известно, что ионы с различным отношением массы к заряду получают при ускорении не одинаковые скорости. Воздействие импульсного электрического поля со стороны управляющего электрода способствует выравниванию скоростей ионов. Многоколлекторная система электрически соединена с боковыми и торцевым суперконденсаторами, которые позволяют производить съем энергии и накапливать электростатический заряд, создавать тормозящее электрическое поле и поперечную эмиссию электронов для компенсации объемного заряда ионов, как на поверхности электродов коллекторов, на которые высаживаются ионы, так и в объеме рекуператора. При этом структура поверхности многоколлекторных электродов может иметь игольчатую или гребенчатую форму, что обеспечивает более эффективную их работу при торможении и компенсации заряда ионов за счет неодинакового распределения электрического потенциала. Известен рекуператор энергии положительно заряженных ионов (см. Патент РФ №2617689 опубл. 26.04.2017 г. Бюл. №12 / Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Трифанов В.И., Оборина Л.И.). Его недостатком является то, что многоколлекторые электроды не имеют гребенчатой или игольчатой формы, что может снижать эффективность рекуперации энергии и повышать их износ при воздействии пучков ионов, также он содержит конический преобразователь энергии заряженных частиц, выполненный в виде экспандера без съема электростатической энергии, что снижает КПД рекуперации энергии, вызывает его нагрев и температурную неустойчивость материалов рекуператора энергии, а также увеличение габаритов. При работе рекуператора на электродах-коллекторах необходимо создать требуемый электронный спектр и электрический компенсационный потенциал.
При этом электрический компенсационный потенциал нанопористых многоколлекторных электродов, являющихся заряжающими электродами суперконденсаторов может задаваться и регулироваться путем использования электроэнергии нескольких суперконденсаторов, последовательно электрически соединенных между собой с учетом спектра электрического потенциала потока ионов, что позволяет увеличить степень компенсации заряда ионов и хорошее запирание вторичных частиц.
Управление суперконденсаторами, а также распределением потенциала на электродах-коллекторах с учетом энергии объемного заряда, создаваемого ионами, может осуществляться при помощи контроллера ПЛК-150.
Для повышения КПД и устойчивой рекуперации энергии ионов, необходимо его поток разбивать на подпотоки, тормозить и регулировать при помощи тормозяще-ускоряющих и управляющих электродов.
Разбиение пучка на подпотоки, торможение ионов в коллекторе и регулирование их энергии может осуществляться постоянным, переменным или импульсным электрическим полем формируемым со стороны управляющего изолированного электрода-отражателя.
Для рекуперации энергии нескомпенсированных ионов требуется поддерживать их минимальную энергию, которая способна вызвать выход электронов из электродов-коллекторов и обеспечить компенсацию их заряда. С другой стороны их необходимо направлять на низкопотенциальные нанопористые электроды с развитой поверхностью торцевого суперконденсатора.
Нескомпенсированные ионы при помощи электродов-коллекторов, могут быть направлены на низкопотенциальный, с развитой нанопористой гребенчатой или игольчатой поверхностью, заряжающий электрод торцевого суперконденсатора для компенсации и стока их электрического заряда в двойной слой суперконденсатора, а предварительное разделение пучка на компоненты с разной энергией и снижение доли низкоэнергетических компонентов производиться при помощи электрода-отражателя.
Для многоступенчатой рекуперации может быть использовано устройство фиг. 1. Устройство содержит: 1 - ускоряющий электрод положительно заряженных ионов, 2 - диффузор, 3 - конический преобразователь потока ионов экспандера(представляет многослойный заряжающий электрод суперконденсатора), 4 - поток положительно заряженных ионов, 5 - ионисторный суперконденсатор с коническим многослойным заряжающим электродом (экспандера), 6 - кольцевой ускоряющий электрод, 7 - супрессор, 8 - сквозные отводящие каналы нейтральных и заряженных частиц противоположного знака из полости супрессора, 9 - кольцевые электроды, на которые подается потенциал (+), 10 - ускоряюще-тормозящий электрод потока ионов одинакового заряда, 11 - устройство круговой развертки потока ионов, 12 - полость многоколлекторной системы торможения и рекуперации энергии ионов, 13 - электроды-коллекторы (заряжающие многоколлекторные электроды первого бокового ионисторного суперконденсатора), 14 - первый кольцевой боковой ионисторный суперконденсатор, 15 - электроды-коллекторы (заряжающие многоколлекторные электроды второго бокового суперконденсатора), 16 - второй кольцевой боковой ионисторный суперконденсатор, 17 - заряжающий электрод с гребенчатой поверхностью торцевого ионисторного суперконденсатора, 18 - торцевой ионисторный суперконденсатор, 19 - изолированный управляющий электрод-отражатель, 20 - каналы с кольцевыми электродами для выхода нейтральных частиц, образующихся в процессе рекуперации энергии ионов, 21 - конический наконечник управляющего электрода-отражателя, 22 - электроды для контроля параметров объемного заряда ионов, 23 - змеевик для охлаждения корпуса ионисторного суперконденсатора, установленного совместно с экспандером, 24 - патрубок с каналами для подачи охлаждающей жидкости рекуператора энергии заряженных частиц, 25 - диэлектрический корпус ионисторных суперконденсаторов, 26 - многослойные отрицательно заряженные электроды ионисторных суперконденсаторов, 27 - сепораторы ионисторных суперконденсаторов, 28 - электролит суперконденсаторов, выполненный из высоко проводящего полимерного твердого материала, 29 - клеммы отрицательно заряженных электродов суперконденсаторов, 30 - клеммы положительно заряженных электродов суперконденсатора, 31 - игольчатая поверхность многоллекторных заряжающих электродов, 32 - гребенчатая поверхность многоллекторных заряжающих электрода торцевого суперконденсатора, 33 - изолятор электродов, 34 - слои наномодифицированных углеродных нанотрубок (УНТ) на поверхности электродов, 35 - батарея внешних ионисторных суперконденсаторов, применяемая для управления электрическими потенциалами на электродах суперконденсаторов, которые могут использоваться для накопления и передачи энергии для зарядки аккумуляторной батареи, 36 - аккумуляторная батарея, управляющие устройства 37.
Способ осуществляется следующим образом, на первой ступени поток положительно заряженных ионов под действием ускоряющего электрода 1 напряжением со знаком (-) U=l,5-5 кВ проходит через диффузор 2 и поступает в конический преобразователь потока положительно заряженных ионов 4, при этом реализуется преобразование скорости, он сжимается, тормозится и заряжает суперконденсатор 5. Конический преобразователь 4 является заряжающим электродом ионисторного суперконденсатора 5 и одновременно экспандером. Под действием ускоряющего электрического поля со стороны электрода 6 поток ионов выравнивается, движется по коническому каналу преобразователя 4, при этом он сжимается тормозится и заряжает суперконденсатор 5, электроды которого выполнены многослойными, состоят из слоев графеновых нанотрубок, токопроводящего полимера и нанопористого углеродного материала. Многослойная структура конического заряжающего электрода обеспечивает его высокую электропроводность, термическую и структурную устойчивость при взаимодействии с ионами (см. Воронина Е.Н. Автореферат кандидатской диссертации. Воздействие быстрых атомов на наноструктуры и полимерные композиции. МГУ, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, 2012), а также (см. В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Компоненты и технологии. №6, 2005). Процесс зарядки электродов суперконденсаторов проходит в основном на основе механизма ионно-электронной эмиссии на электродах рекуператора и электронного объемного механизма торможения. Электронная тормозная способность связанна с неупругим рассеянием ионов на заряжающих электродах суперконденсаторов, при этом ион теряет свою энергию разряжается с образованием атомов (см. Патент РФ №2617689. Рекуператор положительно заряженных ионов. Опубл. 6.04.2017, Бюл. №12 / Трифанов И.В., Казьмин Б.Н. и др.).
При этом существенное воздействие на поток ионов, оказывают поперечная эмиссия электронов, выходящих из заряжающего электрода суперконденсатора. Таким образом создается совмещенная зона торможения и рекуперации энергии заряженных частиц, где происходит преобразование скорости потока ионов в коническом канале экспандера, который в свою очередь является заряжающим электродом суперконденсатора ионисторного типа. Это позволяет уменьшить длину экспандера и повысить КПД рекуперации и плотность тока.
На второй ступени нескомпенсированные ионы из конического канала экспандера поступают в канал супрессора 7, в котором происходит отделения из потока ионов атомов, образовавшихся в процессе рекуперации энергии на первой ступени, а также частиц противоположного знака, путем их вывода через каналы 8 с кольцевыми электродами 9, на которые подается напряжение (+) 1,5 ÷ 3 кВ. Затем поток ионов одинакового заряда под действием электрического поля тормозяще-ускоряющего электрода 10 подается в устройство круговой развертки 11, при помощи которого происходит развертка потока ионов, разбиение на подпотоки и направление его в полость многоколлекторной системы торможения и рекуперации энергии ионов 12, где осуществляется торможение ионов и мягкое высаживание их на заряжающие многоллекторные электроды 13 первого бокового кольцевого суперконденсатора ионисторного типа 14, а также на заряжающие электроды-коллекторы 15 второго бокового кольцевого суперконденсатора ионисторного типа 16. Электроды-коллекторы выполнены многослойными из нанопористых углеродных модифицированных материалов с игольчатой поверхностью 31. Игольчатая поверхность создает неравномерный компенсационный потенциал (высокий и низкий), что способствует лучшей компенсации заряда ионов с различной энергией и защите поверхности многоколлекторных электродов от структурных дефектов при воздействии ионов. Уменьшению дефектов также способствует угол падения ионов менее 60° на поверхность многоколлекторных электродов под воздействием фокусирующего электрического поля. Взаимодействие медленных ионов с атомами электронов-коллекторов должно происходить в результате неупругих столкновений под действием объемного заряда и за счет электронной тормозной способности, создаваемой со стороны электрического поля суперконденсаторов ионисторного типа, а также управления скоростью потока со стороны тормозяще-ускоряющего электрода 10. При этом ион теряется свою энергию, мягко взаимодействует с поверхностью многоколлекторного заряжающего электрода с меньшей кинетической энергией. Такая рекуперация повышает КПД мощных пучковых систем и способствует регенерации ионов (см. Курнаев В.А., Цветков Ю.С., Протасов Ю.С. Введение в пучковую электронику. М: МИФИ. Учебное пособие. 2008). Электроды-коллекторы устанавливаются под углом 110°÷120° по направлению ионов. Нескомпенсированные ионы с низкой энергией поступает в коллектор, где происходит их торможение. Коллектор представляет собой низкопотенциальный заряжающий электрод 17 с гребенчатой поверхностью торцевого суперконденсатора 18. На заряжающем электроде торцевого суперконденсатора происходит торможение и компенсация заряда ионов и стекание электрического тока в двойной слой суперконденсатора 18. Воздействие переменного электрического поля со стороны управляющего изолированного электрода-отражателя 19 вызывает модуляцию энергии активации взаимодействия ионов и электронов, как на поверхности многоколлекторных электродов, так и в объеме рекуператора, за счет энергии пульсирующего объемного заряда с требуемой частотой в зависимости от параметров процесса. При этом образовавшиеся атомы и молекулы в процессе рекуперации энергии ионов удаляют по каналам 20 с кольцевым изолированными тормозящими электродами, на которые подается потенциал (+) 1,5÷2,5 кВ. Сами каналы электрически соединены с заряжающим электродом 15. Для разбиения потока ионов на подпотоки под требуемыми углами отражения производится при помощи конического наконечника электрода-отражателя 21, выполненного из графита с углом при вершине 80°-90°. Для контроля объемного заряда и управления процессом рекуперации энергии ионов при помощи контроллера ПЛК 150 в полости рекуператора установлены изолированные электроды 22. Для охлаждения рекуператоров и поддержание температурного режима работы (не более 120÷150°С) предусмотрены змеевик 23 и патрубок 24 с каналами для прокачки рабочей охлаждающей жидкости. Рекуператор с конденсаторами ионисторного типа выполнены в диэлектрическом корпусе 25. Суперконденсаторы ионисторного типа, которые аккумулируют электростатическое электричество содержат многослойные заряжающие электроды, и многослойные отрицательно заряженные электроды 26 (изготовлены из углеродных нанопористых материалов). Сепараторы 27, разделяющие электроды суперконденсаторов, изготовлены из ионопроводящего материала. Электролит 28 суперконденсаторов выполнен из высокопроводящего полимерного материала на основе лития или рубидия, которые отличаются высокой электропроводностью и могут работать при Т=-60÷140°С (см. Кузнецов В.П. и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Компоненты и технологии. №6, 2005 г.). Для отвода электростатической энергии, накопленной суперконденсаторами ионисторного типа в результате рекуперации энергии ионов используют клеммы отрицательно заряженных электродов 29 и положительно заряженных электродов 30, которые могут последовательно соединяться с батареей ионисторных суперконденсаторов 35. Ионисторный суперконденсатор может заряжаться до напряжения 5 В на электродах. Последовательное соединение суперконденсаторов 35 может позволить получать напряжение 15 В, 30 В, 110 В и т.д., которое возможно использовать для питания электрических приборов (см. Исследование свойств ионисторов и эффективности их применения в системах электропитания космических аппаратов / А.И. Галушко, Ю.И. Гром, А.И. Лазарев, Р.С. Салехов // Вопросы электромеханики Т. 133. 2013, с. 15-18).
Накопленная электростатическая энергия суперконденсаторами может также использоваться для зарядки аккумулятора 36 и накопления электроэнергии. Внешнее подключение батареи суперконденсаторов 35 к электродам суперконденсаторов рекуператоров электроэнергии заряженных частиц позволит задавать многоколлекторным электродам низкий и высокий потенциалы компенсации заряда иона при помощи управляющих устройств 37. Потенциал компенсации заряда иона на заряжающих многоколлекторных электродах может формироваться игольчатой 31 или гребенчатой 32 поверхностями, а также нанесенными слоями наномодифицированых (например MnO2) углеродных нанотрубок 34. При этом существенно возрастает электрическая удельная электроемкость заряда многослойных электродов до 1200 фарад на грамм вещества, в то время как удельная электроемкость нанопористого углеродного материала составляет 400 фарад на грамм. Также увеличивается электронная эмиссия из массива покрытия многоколлекторных игольчатых электродов модифицированного нанотрубками за счет воздействия электрического и температурных полей. Для изготовления многослойных электродов суперконденсаторов рекуператоров энергии заряженных частиц может также применяться графен, при этом плотность энергии возрастает до 85,8 Вт⋅ч/кг при t=20°С (см. LiG-R, Feng Z.P., О u Y.N and etc / Mesoporous MnO2 / carbon aerogel composites as promising electrode materials for high-perfomance supercapacitors // Longmuir. 2010. Vol 26, №4. P. 2209-2213).
Предложенный способ и устройство многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц может применяться также для рекуперации энергии потока отрицательно заряженных ионов и пучков электронов при изменении полярности на электродах рекуператора энергии.
Технический результат способа заключается в повышении КПД, плотности тока и скорости рекуперации энергии заряженных частиц с накоплением электростатической мощности, снижении габарито-массовых характеристик рекуператора энергии, проведении процесса рекуперации энергии с одновременной нейтрализацией заряда ионов и накоплением электростатической электроэнергии, которая может быть использована для питания энергетических устройств и приборов. КПД рекуперации может быть оценен по формуле:
, где
α - угол скоса электрода коллектора, Wo - работа выхода электрона, Wx - энергия иона при взаимодействия с многоколлекторным электродом.
1. Способ многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц, при котором реализуется преобразование скорости потока в коническом преобразователе экспандера путем придания ему преимущественно направленного движения в супрессор, где происходит разделение заряженных частиц противоположного заряда между собой, а затем подача ионов одного электрического заряда в многоколлекторный дисковый рекуператор, в котором для разделения ионов по энергиям и стабилизации первичного пучка создается фокусирующее электрическое поле при помощи фокусирующих линз, образуемых многоколлекторными электродами, находящимися под высоким и низким потенциалом, на которые ионы под действием объемного заряда выпадают с преобразованием их энергией в электростатическое электричество, торможение нескомпенсированных ионов осуществляется при помощи коллектора путем направления их на низкопотенциальные электроды, на которых происходит компенсация электрического заряда, отличающийся тем, что в коническом преобразователе экспандера преобразование скорости потока ионов совмещено с рекуперацией энергии заряженных частиц и емкостным накоплением электростатического электричества, при котором осуществляется одновременно направленное движение потока, рекуперация его энергии за счет сжатия, торможения и взаимодействия с нанопористым углеродным токопроводящим материалом стенки конического канала заряжающего электрода ионисторного суперконденсатора при воздействии поперечного электрического поля и эмиссии электронов со стороны его двойного электрического слоя, с последующим направлением потока нескомпенсированных ионов в супрессор, в котором происходит отделение от него нейтральных и заряженных частиц противоположного знака при помощи торможения электрическим полем и удаления их при воздействии ускоряющего электрического потенциала со стороны изолированных электродов, установленных на сквозных отводящих каналах, выполненных в стенках конической полости супрессора, направлении потока ионов одинакового электрического заряда при помощи ускоряюще-тормозящего электрода в полости устройства круговой развертки и многоколлекторной системы торможения и рекуперации, интегрированной с ионисторными суперконденсаторами, на кольцевые многоколлекторные электроды которой высаживают ионы и компенсируют их заряд за счет эмиссии электронов с наномодифицированных углеродных электродов боковых и торцевого ионисторных суперконденсаторов, при помощи которых накапливают электростатическое электричество, создают тормозящее электрическое поле и соответствующий спектр компенсационного потенциала, оставшиеся некомпенсированные ионы тормозят электрическим полем, действующим со стороны изолированного управляющего электрода-отражателя, компенсируют их заряд при помощи цилиндрического заряжающего электрода торцевого суперконденсатора с гребенчатой поверхностью, при этом выход нейтральных частиц, образующихся в процессе рекуперации ионов, производится через каналы, на которые подается высокий электрический потенциал со знаком, соответствующим заряду ионов.
2. Способ рекуперации энергии по п. 1, отличающийся тем, что электрический компенсационный потенциал нанопористых многоколлекторых электродов, являющихся заряжающими электродами ионисторных суперконденсаторов, может задаваться и регулироваться путем использования электроэнергии нескольких внешних ионисторных суперконденсаторов, последовательно электрически соединенных между собой, а также от аккумуляторной батареи, с учетом спектра электрического потенциала ионов.
3. Способ рекуперации энергии ионов по п. 1, отличающийся тем, что разбиение пучка на энергетические подпотоки, торможение ионов в коллекторе, отражение заряженных частиц под заданным углом и регулирование их энергии может осуществляться постоянным, переменным или импульсным электрическим полем, формируемым со стороны управляющего изолированного электрода-отражателя, а также путем круговой развертки.
4. Способ рекуперации энергии ионов по п. 1, отличающийся тем, что нескомпенсированные ионы при помощи электродов-коллекторов направляются на низкопотенциальный с развитой нанопористой гребенчатой поверхностью заряжающий электрод торцевого суперконденсатора для компенсации и стока их электрического заряда в двойной слой ионисторного суперконденсатора.
5. Устройство для реализации способа многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц, содержащее конический преобразователь скорости потока ионов - экспандер, тормозящие электроды для выхода заряженных частиц противоположного знака, установленные в супрессоре, многоколлекторные кольцевые электроды системы торможения-рекуперации и коллектор отраженных частиц, отличающееся тем, что конический преобразователь скорости - экспандер совмещен с устройством торможения и рекуперации, выполнен в виде многослойного заряжающего нанопористого электрода, ионисторного суперконденсатора с коническим каналом, при этом конический канал соединен с коническим каналом супрессора, в боковых стенках которого расположены каналы с изолированными кольцевыми электродами, обеспечивающими выход нейтральных и заряженных частиц противоположного знака заряду ионов, на выходе продольного канала супрессора установлен кольцевой ускоряюще-тормозящий электрод потока ионов одинакового заряда и устройство круговой развертки, соединенное с полостью многоколлекторного рекуператора энергии, кольцевые многоколлекторные электроды которого с игольчатой поверхностью являются заряжающими электродами боковых изолированных друг от друга суперконденсаторов, а также коллектором отраженных частиц, выполненным в виде заряжающего электрода с гребенчатой поверхностью торцевого суперконденсатора, на оси которого размещен изолированный электрод-отражатель, с рабочей частью, имеющий коническую форму с углом при вершине 80-90°, при этом устройство для многоступенчатой рекуперации энергии заряженных частиц выполнено в диэлектрическом охлаждаемом корпусе.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в корпусе рекуператора в плоскости у гребенчатого заряжающего электрода торцевого суперконденсатора по периметру выполнены электрически соединенные с заряжающими многоколлекторными электродами ионисторного суперконденсатора каналы с установленными в них кольцевыми изолированными электродами, обеспечивающими электрический потенциал для выхода нейтральных атомов и молекул, а также заряженных частиц противоположного знака, из полости рекуператора энергии.
7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в полость рекуператора энергии введены изолированные электроды для контроля параметров объемного заряда ионов и управления процессом рекуперации при помощи программируемого логического контроллера путем энергетического воздействия на потенциал ионов и многоколлекторных электродов.
8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что многоколлекторные электроды ионисторных суперконденсаторов изготовлены многослойными, состоящими из слоев графеновых наномодифицированных трубок, токопроводящего полимера, нанопористого модифицированного углеродного материала, электролит ионисторных суперконденсаторов выполнен из наномодифицированного высокопроводящего полимерного материала, электроды разделены сепараторами, выполненными из ионопроводящих материалов.
9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что конический преобразователь экспандера выполнен в виде многослойного заряжающего электрода ионисторного суперконденсатора с коническим каналом, изготовлен из нанокомпозиционных углеродных материалов, обеспечивающим совмещение зоны преобразования скорости потока ионов с зонами торможения, рекуперации энергии заряженных частиц и емкостного накопления электроэнергии.
10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что ионисторные суперконденсаторы рекуператора энергии соединены последовательно с внешними ионисторными суперконденсаторами и аккумуляторной батареей, которые используются для накопления электрического заряда и управления спектром компенсационного потенциала на электродах-коллекторах.
