Композиционные наноструктуры для плазменной энергетики и нанодиагностики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00139

НазваниеКомпозиционные наноструктуры для плазменной энергетики и нанодиагностики

Руководитель Мустафаев Александр Сеит-Умерович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II" , г Санкт-Петербург

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии

Ключевые слова термоэмиссионный преобразователь, атомные слои, диффузия в твердой фазе, композиционные наноструктуры, плазменные нанотехнологии, массоперенос на границе плазма - поверхность, работа выхода, диагностика плазмы, функция распределения заряженных частиц, цезиевая плазма, низковольтный пучковый разряд, низкопороговая эмиссия, пространственное разрешение, разрешающая способность по энергии

Код ГРНТИ44.41.31, 47.29.00, 29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема создания композитных нано-размерных углеродных структур с низкой работой выхода представляет сегодня значительный интерес с точки зрения многочисленных приложений. Известно, что внедрение на поверхность таких углеродных структур атомов водорода или щелочных металлов может заметно снижать работу выхода с поверхности. Эти поверхностные эффекты могут сыграть важную роль в новых технологиях термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую для солнечной энергетики, а также для создания систем бортового питания космических аппаратов и др. При этом можно ожидать радикального увеличения к.п.д. (в разы) и ресурса (примерно на один порядок) по сравнению с ранее достигнутым уровнем (~10% и ~1 год соответственно). В настоящее время в лабораторных условиях с помощью термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) с цезиевым наполнением нами в режиме генерирования электрической энергии получено значение к.п.д. ~25% при температуре эмиттера ТE ~1600 К (верхняя температура термодинамического цикла преобразования энергии) и температуре коллектора ТС ~700 К (нижняя температура термодинамического цикла), не нашедшее до сих пор убедительной интерпретации. Хорошо известно, что плотность тока и э.д.с., развиваемая преобразователем, в основном определяется работой выхода электронов (РВЭ) материала эмиттера, а потери выходного напряжения - работой выхода электронов материала коллектора. Т.к. значительно повышать РВЭ эмиттера за счет выбора подходящего материала нельзя из-за снижения плотности генерируемого электрического тока при технологически заданной температуре эмиттера (при которой скорость испарения материала остается приемлемой), то для повышения энергетической эффективности ТЭП необходимо уменьшать РВЭ коллектора. До сих пор никому в мире не удалось получить в парах цезия работу выхода материалов при температурах 1500-2000 К ниже 1,4-1,5 эВ. С другой стороны - важнейшими кинетическими характеристиками плазмы, определяющими протекание почти всех элементарных процессов, являются функции распределения (ФР) заряженных частиц по скоростям. Управление функциями распределения ионов и электронов позволяет непрерывно контролировать свойства плазмы и тем самым влиять на энергетические характеристики плазменных термоэмиссионных преобразователей. Очевидно, что решение таких задач невозможно без корректной регистрации функций распределения непосредственно в рабочих режимах преобразователей, плазма которых отличается малыми пространственными размерами, высокими концентрациями заряженных частиц, анизотропными функциями распределения, сильными электрическими полями и многообразием процессов. Все это делает практически невозможным использование традиционных методов для одновременной диагностики свойств электродов и приэлектродной плазмы. Все выше сказанное и определяет научную проблему, на решение которой направлен данный проект - разработка и создание нового поколения управляемых термоэмиссионных приборов, обладающих набором уникальных энергетических параметров: преобразователя энергии с цезиевым наполнением, приборов плазменной энергетики со стабилизированными параметрами на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах а также солнечных концентраторов на основе явления фотонно-усиленной термоэлектронной эмиссии (PETE). Сформулированная проблема является комплексной, и требует решения ряда актуальных научных задач: - создание и экспериментальная апробация контактных и дистанционных методов исследования неравновесной плазмы в рабочих условиях экспериментальных макетов; - применение разработанных методов для исследования и оптимизации электрокинетических характеристик плазмы диодных и триодных преобразователей на базе низковольтного пучкового разряда (НПР) в инертных газах; - проведение микроанализа элементного состава поверхности коллектора после экспозиции в лабораторном макете преобразователя с цезиевым наполнением; - разработка физической модели управляемого снижения работы выхода анода термоэмиссионных преобразователей за счет плазменной модификации поверхности нано-структурами; - создание образцов электродных материалов с уникально низкой работой выхода (порядка 1 эВ), способных надежно работать при температурах выше 1500 К.; - проведение ресурсных испытаний образцов усовершенствованных электродных материалов; - оптимизация энергетических характеристик и конструкций термоэмиссионного преобразователя энергии с цезиевым наполнением; - создание композиционных наноструктур и реализация прототипов электродов PETE-преобразователей на их основе. - разработка и реализация прототипов высокоэффективных низкопороговых автоэмиссионных катодов для методов электронной микроскопии (EELS). В результате решения указанных задач будет получен ряд новых научных результатов: 1. Разработаны методики создания электродных материалов с уникальными термоэмиссионными свойствами. 2. Разработаны и экспериментально апробированы новые методы контактной и дистанционной диагностики анизотропных функций распределения заряженных частиц. 3. Будет предложена аналитическая теория для описания анизотропных функций распределения ионов в собственном газе с учетом зависимости сечения резонансной перезарядки от относительной скорости для амбиполярного поля произвольной величины. Разработанные новые методы диагностики, вместе со средствами находящимися в распоряжении исследовательской группы, будут использованы для исследования плазмы и поверхностных эффектов на электродах макетов термоэмиссионных преобразователей с цезиевым наполнением и на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах, при этом впервые будут: -предложены новые электродные материалы с аномально низкой работой выхода; - получены результаты ресурсных испытаний электродных материалов, которые позволят оптимизировать режимы работы и конструкцию цезиевого преобразователя; - обнаружены и исследованы новые режимы горения низковольтного пучкового разряда; - разработаны физические принципы работы и конструкция уникального преобразователя, позволяющие одновременно работать в качестве регулируемого стабилизатора тока и напряжения; - создан универсальный метод подавления плазменных неустойчивостей, обеспечивающий высокий уровень стабильности рабочих параметров термоэмиссионных преобразователей; - получены вольтамперные характеристики (ВАХ) и принципиально новые данные об электрокинетических характеристиках термоэмиссионных преобразователей; - измерены эмиссионные характеристики и получены новые данные о структуре и свойствах наноструктурированных электродов; - разработана новая модель низкопороговой эмиссии из аморфных материалов и кристаллических структур с дефектами; - получены рентгеновские спектры распределения химических элементов в приповерхностном слое коллектора преобразователя после длительной (порядка 1000 часов) работы в цезиевой атмосфере; - разработана физическая модель процессов и плазменных технологий, приводящих к формированию структуры поверхности коллектора с аномально низкой работой выхода электронов, которая позволит объяснить уже обнаруженную нами высокую эффективность термоэмиссионного преобразователя энергии с цезиевым наполнением.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тимофеев Н.А., Сухомлинов В.С., Циссис Г., Мухараева И.Ю., Михайлов Д.В., Мустафаев А.С., Дупиус П., Солихов Д.К., Бородина В.С. Modeling of High Pressure Short-Arc Xenon Discharge with a Thoriated Cathode IEEE Transactions on Plasma Science, Том 49, Выпуск 8, Страницы 2387 - 2396, Номер статьи 9487019 (год публикации - 2021)
10.1109/TPS.2021.3093816

2. Сухомлинов В.С., Зайцев А., Тимофеев Н.А., Мустафаев А.С. Influence of Plasma and Electron Beam Noise on System Instability at Knudsen Numbers of the Order of 1 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) 2021, 2021 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) (год публикации - 2021)
10.1109/ICOPS36761.2021.9588469

3. Сухомлинов В.С., Матвеев Р.Ю., Мустафаев А.С., Тимофеев Н.А. Kinetic theory of monochromatic waves bunching in a low-voltage beam discharge in rare gases Chinese Journal of Physics, Volume 74, December 2021, Pages 195-208 (год публикации - 2021)
10.1016/j.cjph.2021.06.019

4. Попова А.Н., Сухомлинов В.С., Мустафаев А.С. Accounting for interelement interferences in atomic emission spectroscopy: A nonlinear theory Applied Scienses, Appl. Sci. 2021, 11(23), 11237 (год публикации - 2021)
10.3390/app112311237

5. Сухомлинов В.С., Мустафаев А.С., Кубаджи Х., Тимофеев Н.А., Мурильо О., Instability In The Interaction Of An Electron Beam And Plasma With An Arbitrary Anisotropic Electron Velocity Distribution Function. Kinetic Theory New Journal of Physics (год публикации - 2021)
10.1088/1367-2630/ac4125

6. Сухомлинов В.С., Мустафаев А.С., Зайцев А., Тимофеев Н.А. Influence of Beam and Plasma Noise on the Instability of the “Fast Electron Beam – Confined Collisional Plasma” System. Kinetic Consideration Journal of the Physical Society of Japan (год публикации - 2022)

7. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю., Сухомлинов В.С. Подавление плазменных неустойчивостей в плазме трехэлектродного стабилизатора тока и напряжения Теплофизика высоких температур, ТВТ, 59:3 (2021), 323–329 (год публикации - 2021)
10.31857/S004036442103008X

8. Грабовский А.Ю., Мустафаев А.С., Крижанович А., Кузнецов В.И., Сухомлинов В.С. High-temperature Knudsen thermionic converter with multicavity emitter Journal of Applied Physics, V. 132, № 1. P. 013302-1-013302-10 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0088220

9. Сухомлинов В.С., Мустафаев А.С., Кубаджи Х., Тимофеев Н.А., Хиллер О.Г.М, Циссис Г. Kinetic theory of nonrelativistic electron beam–inhomogeneous plasma system instability Physics of Plasmas, V. 29, № 9. P. 093103 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0097263

10. Сухомлинов А.С., Матвеев Р., Мустафаев А.С., Тимофеев Н.А. Dispersion effect on phase focusing of monochromatic waves in a low voltage beam discharge in rare gases. Kinetic theory Chinese Journal of Physics, V. 77, P. 1291-1304 (год публикации - 2022)
10.1016/j.cjph.2022.03.038

11. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю., Сухомлинов В.С. Suppression of Instabilities in a Plasma Voltage Stabilizer Applied Sciences, V. 12, № 8. P. 3915-1-3915-12 (год публикации - 2022)
10.3390/app12083915

12. Мустафаев А.С, Грабовский А.Ю., Сухомлинов В.С. Suppression of plasma instabilities in the plasma of a three-electrode current and voltage stabilizer High Temperature, V. 59, № 3, P. 323–329 (год публикации - 2022)
10.1134/S0018151X21030081

13. Попова А.Н., Сухомлинов А.С., Мустафаев А.С. A new intensity adjustment technique of emission spectral analysis when measured at the upper limit of the dynamic range of charge-coupled devices Applied Sciences, V. 12, № 13. P. 6575-1-6575-18 (год публикации - 2022)
10.3390/app12136575

14. Мустафаев А.С., Попова А.Н., Сухомлинов В.С. A new technique of eliminating the actual plasma background when calibrating emission spectrometers with a CCD recording system Applied Sciences, V. 12, № 6. P. 2896-1-2896-16 (год публикации - 2022)
10.3390/app12062896

15. Смердов Р.С., Мустафаев А.С. Novel low-macroscopic-field emission cathodes for electron probe spectroscopy systems Journal of Applied Physics, № 11 (134)., C. 114903 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0169129

16. Сухомлинов В.С., Мустафаев А.С., Кубаджи Х., Тимофеев Н.А., Зайцев А. Kinetic Theory of Instability of the Electron Beam-Plasma System Taking into Account the Elastic Electron-Atomic Collisions for an Arbitrary Scattering Indicatrix Journal of the Physical Society of Japan, Т. 92. № 4. С. 044501 (год публикации - 2023)
10.7566/JPSJ.92.044501

17. Сухомлинов В.С., Зарипова Р.С., Попова А.Н. Development and Application of New Data Processing Algorithms for the Software of Modern Atomic Emission Spectrometers when Examining Steels and Alloys International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon) 2023, 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). Magnitogorsk, Russian Federation: IEEE, С. 737–741. (год публикации - 2023)
10.1109/UralCon59258.2023.10291092

18. Тимофеев Н.А., Сухомлинов В.С., Зиссис Ж., Мухараева И.Ю., Бородина В.С., Скобло Ю.Э. Оптическое излучение плазмы ксенонового разряда высокого давления: спектральные, интегральные и энергетические характеристики Оптика и спектроскопия (год публикации - 2023)

Публикации