Измерительный стенд для исследования и технологической оптимизации полевых и термополевых источников электронов для применения в космических аппаратах
Автор: Попов Евгений Олегович, Колосько Анатолий Григорьевич, Филиппов Сергей Владимирович
Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia
Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Статья в выпуске: 1 (40), 2023 года.
Бесплатный доступ
ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработал вакуумный высоковольтный измерительный стенд, на котором проводятся фундаментальные исследования источников электронов из наноструктурированных материалов. Создана методика определения основных эмиссионных параметров полевых и термополевых эмиттеров в режиме реального времени, одновременно с обработкой масс-спектрометрических данных и эмиссионных картин свечения. Разработан и внедрён алгоритм исследования вакуумных источников электронов. Результатом ресурсных испытаний эмиттеров и катодов на их основе является Паспорт эмиссионных образцов. Предполагается, что широкие возможности созданного программно-управляемого измерительного комплекса, междисциплинарный характер проводимых исследований, а также разработанные и внедрённые передовые методики исследования вакуумных источников электронов позволят внести весомый вклад в развитие космической техники и технологий, которое невозможно без изучения эмиссионных и термоэмиссионных свойств новых материалов, а также технологической оптимизации конструкций на их основе.
Вакуумные источники электронов, полевая эмиссия, проводящие наноструктурированные материалы, нейтрализаторы ионов, термоэмиссионные преобразователи, методика исследования полевых эмиттеров, измерительный стенд
Короткий адрес: https://sciup.org/143179910
IDR: 143179910 | УДК: 537.58:629.78
Measuring setup for study and technological optimization of field and thermal field electron sources to be applied in spacecraft
A.F. Ioffe Physical-Technical Institute has developed a high-voltage vacuum measuring setup being used for fundamental research of electron sources from nanostructured materials. A technique has been developed for determining basic emission parameters of field and thermal field emitters in real-time, simultaneously with processing of mass spectrometer data and emission glow patterns. An algorithm for studying vacuum electron emitters has been developed and implemented. The result of life testing of emitters and cathodes on their basis is a Passport of Emission Samples. It is expected that wide capabilities of the developed software-controlled measuring complex, multi-disciplinary nature of the ongoing research, as well as the developed and implemented advanced methods for studying vacuum electron sources will enable to make a strong contribution to the development of space engineering and technologies, which is impossible without studying emission and thermionic properties of new materials, as well as technological structural optimization derived from them.
Список литературы Измерительный стенд для исследования и технологической оптимизации полевых и термополевых источников электронов для применения в космических аппаратах
- Su L.L., Jorns B.A. Performance comparison of a 9-kW magnetically shielded Hall thruster operating on xenon and krypton // J. of Applied Phys. 2021. V. 130. № 16. P. 163306-1-17. URL: https://doi.org/10.1063/5.0066849 (accessed 11.12.2022).
- Levchenko 1.1., Xu S., Teel G., Mariotti D., Walker M.L.R., Keidar M. Recent progress and perspectives of space electric propulsion systems based on smart nanomaterials // Nature communications. 2018. V. 9. № 879. P. 1-19. URL: https://doi.org/10.1038/s4146 7-01702269-7 (accessed 11.12.2022).
- Yamamoto N., Morita T., Ohkawa Y., Nakano M, Funaki I. Ion thruster operation with carbon nanotube field emission cathode // J. of Propulsion and Power. 2018. V. 35(2). P. 1-4. URL: https://doi.org/10.2514/1B37214 (accessed 11.12.2022).
- Aplin K.L., Kent B.J., Castelli C., Song W. Field emission performance of macro scopically gated multiwalled carbon nanotubes for a spacecraft neutralizer // 30th Int. Electric Prop. Conf. 2007. P. 123-1-6.
- Laufer P., Tajmar M. CNT-based cold electron source for space applications on nanosatellites // 36th Int. Electric Prop. Conf. 2019. P. 1-7.
- Yang C, Velasquez-Garcia L.F. Low-cost, additively manufactured electron impact gas ionizer with carbon nanotube field emission cathode for compact mass spectrometry // J. of Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 52. P. 075301-1-9. URL: https:// doi.org/10.1088/1361-6463/aaf198 (accessed 11.12.2022).
- Ohkawa Y., Okumura T., Iki K., Okamoto H., Kawamoto S. Operation of a carbon nanotube field-emission cathode in low Earth orbit // JVST B. 2019. V. 37(2). P. 022203-1-4. URL: https://doi.org/10.1116/1.5067299 (accessed 11.12.2022).
- Ярыгин В.И. Ядерная энергетика прямого преобразования в космических миссиях XXI в. // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2013. Вып. 2. С. 5-20.
- Go D.B., Haase J.R., George J., Mannhart J., Wanke R., Nojeh A., Nemanich R. Thermionic energy conversion in the twenty-first century: advances and opportunities for space and terrestrial applications // Frontiers in Mechanical Engineering. 2017. V. 3. P. 1-17. URL: h ttps ://doi. o rg/10.3389/fmech.2017.00013 (accessed 11.12.2022).
- Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000. 375 с.
- Кузнецов В.И., Бабанин В.И., Па-щина А. С. Экспериментальные исследования бессеточного сильноточного модулятора на основе термоэмиссионного диода для космических систем преобразования тока // Космическая техника и технологии. 2017. № 1(16). С. 103-113.
- Синявский В.В. Электроракетные транспортные аппараты в различных схемах пилотируемых полётов к Марсу // Космическая техника и технологии. 2022. № 4(39). С. 58-93.
- Popov E.O., Kolosko A.G., Filippov S.V., Terukov E.I., Ryazanov R.M., Kitsyuk E.P. Comparison of macroscopic and microscopic emission characteristics of large area field emitters based on carbon nanotubes and graphene // JVST B. 2020. V. 38. № 4. P. 043203-1-10. URL: https ://do i.org/10.1116/6.0000072 (accessed 11.12.2022).
- Kopelvski M.M., Galeazzo E., Peres H.E., Ramirez-Fernandez F.J., Dantas M.O. Potentialities of a new dedicated system for real time field emission devices characterization: a case study // 4th INSCIT. 2019. P. 1-5. URL: https:// doi.org/10.1109/INSCIT.2019.8868705 (accessed 11.12.2022).
- Posos T.Y., Fairchild S.B., Park J., Baryshev S.V. Field emission microscopy of carbon nanotube fibers: Evaluating and interpreting spatial emission // JVST B. 2020. V. 38. № 2. P. 024006-1-9. URL: https://doi.org/10.1116/1.5140602 (accessed 11.12.2022).
- Wu L, Pei X, Cheng Y, Sun W., Wang Y., Dong M., Xi Z., Sun J. A field emission performance test device for continuous adjustment of the electrode spacing in the vacuum system // Meas. Sci. and Tech. 2018. V. 30. № 1. P. 015015-1-9. URL: 10.1088/1361-6501/aaefel (accessed 11.12.2022).
- Serbun P., Porshyn V., Müller G., Lützenkirchen-Hecht D. Advanced field emission measurement techniques for research on modern cold cathode materials and their applications for transmission -type x-ray sources // Rev. of Sci. Instr. 2020. V. 91(8). P. 083906-1-19. URL: https://doi.org/10.1063/5.0018225 (accessed 11.12.2022).
- Попов Е.О., Колосько А.Г., Филиппов С.В., Романов П.А., Федичкин И.Л. Масс-спектрометрическая комплексная методика исследования полевых и термических свойств нанокомпозиционных материалов / / Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. 2016. Т. 7. № 1. С. 14-26.
- Kolosko A.G., Filippov S.V., Romanov P.A., Popov E.O., Forbes R.G. Real-time implementation of the "orthodoxy test" for conformity of current-voltage characteristics with classical field electron emission theory // JVST B. 2016. V. 34(4). P. 041802-1-7. URL: https://doi.org/10.1116/ 1.4946834 (accessed 11.12.2022).
- Forbes R.G., Popov E.O., Kolosko A.G., Filippov S.V. The pre-exponential voltage-exponent as a sensitive test parameter for field emission theories // Royal Society open science. 2021. V. 8(3). P. 201986-1-19. URL: https://doi.org/10.1098/rsos.201986 (accessed 11.12.2022).
- Filippov S.V., Kolosko, A.G., Popov E.O., Forbes R.G. Behavior of notional cap-area efficiency (gn) for hemisphere-on-plane and related field emitters // 34th IVNC. IEEE. 2021. P. 122-123. URL: https://doi.org/10.1109/ IVNC52431.2021.9600792 (accessed 11.12.2022). Статья поступила в редакцию 26.09.2022 г. Окончательный вариант — 12.12.2022 г.
