Источники ионов на основе современных ионно-проводящих материалов для модификации поверхности и аэрокосмического применения

Аннотация

Предметом рассмотрения данной статьи являются тенденции развития, конструктивные особенности, режимы работы и технология изготовления ионных источников на основе современных ионно-проводящих материалов.

В статье рассматриваютсятенденции развития, конструктивные особенности, режимы работы и технология изготовления ионных источников на основе современных ионно-проводящих материалов - низкотемпературных ионных жидкостей и твердых электролитов с быстрым ионным транспортом. Основными областями применения таких источников являются модификация поверхности, включая технологическую обработку материалов и структур в микро- и нанометровом диапазонах, ионно-зондовый анализ методом масс- спектрометрии вторичных ионов и аэрокосмические технологии, где они используются в качестве эмиттеров в электростатических ионных двигателях, предназначенных для ускорения и управления спутниками и малоразмерными космическими аппаратами после их отделения от ракеты-носителя.

К ионным жидкостям, в широком смысле этого понятия, могут быть отнесены любые расплавы солей, например, хлорид натрия при температуре выше 800 С. Наибольший интерес представляют расплавы органических солей с температурой плавления ниже IOOoC- низкотемпературные ионные жидкости[1], которые в нашей статье будут именоваться просто ионными жидкостями (ИЖ). Как правило, в состав ионных жидкостей входит сложный объёмный органический катион, а анион может быть, как неорганическим, так и органическим. Сейчас известно более 5000 различных ионных жидкостей, синтез

новых соединений успешно продолжается.ИЖ широко используются в качестве растворителей в «зеленой» химии, в топливных элементах, аккумуляторах и т.д.

Названия, сокращённые обозначения, химические формулы и молекулярные массы ионных жидкостей, используемых в ионных источниках, приведены в таблице №1.

Ионная жидкость

Сокращенное обозначение

Хим. формула и мол. масса (Да)

1 -этил-3 -метил имидазол ий тетрафторборат

[emim]+[BF4]’

C6H11N2BF197.98

1 -этил-3 -метил имидазол ий бис(трифторметилсульфонил)имид

[emim]+[Tf2N]'

C8H11N3O4S2F391.31

1 -бутил-3 -метил имидазол ий бис(трифторметилсульфонил)имид

[bmim]+[Tf2N]'

C10H15N3O4S2F419.36

1-бутил-3-

метилимидазолийгексафторфосфат

[bmim][PF6]'

C8H15N2PF6

284.18

Таблица №1. Ионные жидкости, которые используются в ионных источниках

C точки зрения конструкции и принципов работы, наиболее близкими к ионным источникам с ионными жидкостями (ИИИЖ) являются жидкометаллические ионные источники (ЖМИИ). Схематическое изображение точечного (игольчатого) источника ионов с ионной жидкостью приведено на рис.1. Помимо точечных ИИИЖ также используются капиллярные, линейные щелевые и матричные источники. Детальное описание различных конструкций

ИИИЖ, особенностей их работы обзоре [2].

Отметим, что ИИИЖ могут работать в режимах чисто ионной эмиссии, создавая пучки однократно и многократно заряженных атомарных и кластерных ионов, и эмиссии заряженных капель. Возможен и смешанный режим, при котором источник эмитирует как ионы, так и заряженные капли.

Перечислим основные преимущества источников на ионных жидкостях по сравнению с жидкими металлами. ИИИЖ способны генерировать пучки как положительно, так и отрицательно заряженных ионов с различной массой, в том числе в диапазоне выше 5000 Да. ЖМИИ принципиально не могут производить отрицательные ионные пучки, а масса даже очень технологии изготовления можно найти в

тяжёлых металлических кластерных ионов, например, В17 , не превышает 1500 Да. Рабочее напряжение у ИИИЖ ниже, чем у ЖМИИ из-за более низкого поверхностного натяжения ионных жидкостей. Также отпадает необходимость в нагреве ионных жидкостей, без которого нельзя обойтись в случае жидких металлов и сплавов. Эти преимущества особенно важны для космических аппаратов с ограниченными бортовыми ресурсами.

Применение ИИИЖ для модификации поверхности позволяет проводить локальное химическое травление материалов без напуска активных газов, т.к. пучки первичных ионов ИЖ уже содержат соединения хлора, фтора и кислорода. Использование тяжёлых кластерных ионов с отрицательным зарядом минимизирует эффект зарядки поверхности, поэтому отпадает необходимость в дополнительном источнике электронов для нейтрализации этого заряда.

ИИИЖ могут использоваться в электростатических ионных двигателях для

миниатюрных спутников в формате представляет собой каркас с размерами превышает 1.33 кг.

На высоте 600-700 км от поверхности Земли сила сопротивления воздуха составляет примерно 0.15 микроньютонов, поэтому для автономного маневрирования натакой орбите спутник должен иметь двигатель с силой тяги в несколько десятков мкН .Для обеспечения такой силы тяги было предложено создавать из точечных ИИИЖ упорядоченные структуры (матрицы или чипы). На рис. 2 представлен ячейка матричного источника ионов, изготовленного из пористого никеля. Плотность конических эмиттеров составляла 480 см'2, а в качестве рабочего вещества использовались ионные жидкости [emim][BF4] и [emim][Tf2N], Было

CubeSat, базовая ячейка которых 10x10x10 см3Общий вес спутника не показано[3], что при ускоряющем напряжении 1-2 кВ отдельная матрица размерами 1.22x1.22 см2 способна вырабатывать ток до 400 мкА. Сила тяги при этом составляла 10-20 мкН, а удельный импульс достигал 3000 с.

Разработка источников ионов с ионными жидкостями, получившими образное название «жидкой плазмы или плазмы в бутылке», началась около 10 лет назад. Однако, несмотря на столь короткую историю, они уже сейчас способны конкурировать с газовыми и жидкометаллическими источниками, особенно при создании электростатических ракетных двигателей.

Разработка источников ионов с суперионными твердыми электролитами (ИИСТЭ) находится на начальной стадии. Число ионов, которое можно получить в таком ионном источнике с единицы объема рабочего вещества больше, чем в ИИИЖ из-за более высокой концентрации мобильных ионов в твердом электролите[4] по сравнению с ионной жидкостью. ИИСТЭ лишены основных

недостатков, присущих матричным ионным источникам с низкотемпературной

ионной жидкостью, а именно, недостаточной механической прочности капиллярной системы, обеспечивающей подачу ионной жидкости из резервуара в сопла, и нестабильностью работы источника вследствие химического разложения (деградации) ионной жидкости в процессе испарения из эмитирующего слоя ионов разной полярности.

Нами был разработан и испытан опытный образец точечного источника ионов AgHa основе твердого электролита с быстрым ионным транспортом RbAgHs. Конструкция этого источника запатентована, технология его изготовления и результаты испытаний опубликованы в [5]. Принцип действия источника иллюстрирует рис. 3. Источник состоит из иглы (Agreservoir) диаметром 1.5 мм, на острие которой методом импульсного лазерного осаждения нанесена пленка кристаллического электролита (SolEl) толщиной около 1 мкм. Показано, что при ускоряющем напряжении 10 кВ (Uac) и рабочей температуре 195 °C, которая обеспечивается внешним нагревателем (Heater), источник способен генерировать ионный ток величиной несколько сотен пА в течение нескольких дней. Максимальное значение тока составляло 25-50 нА, и этот ток более, чем на 99% состоял из положительных ионов серебра. Основным механизмом эмиссии ионов в ИИСТЭ является полевое испарение (десорбция) ионов с поверхности пленки твердого электролита при температурах ниже порога термоионной эмиссии и напряженности электрического поля меньше, чем у обычных полевых эмиттеров. При этом пленка твердого электролита выполняет роль транспортной системы, в которой эмитированные ионы серебра постоянно замещаются ионами серебра, поступающими из резервуара. Отдельные источники могут быть собраны в матрицу.

Работа была выполнена при частичной финансовой поддержке Европейского космического агентства (ESAcontractNo. 4000113559/15/NL/CBi) и грантаСЕҒІТЕСиШ/ҒІ8/00068/2013 (Portugal).

 

Литература:

  1. Welton Т. Room-temperature ionic liquids. Solvents for synthesis and catalysis // Chem. Rev. 1999. V.99. P.2071.
  2. Толстогузов А.Б.. Белых С.Ф.. Гуров B.C.. Лозован А.А. и др. Источники ионов на основе низкотемпературных ионных жидкостей для аэрокосмического применения, нанотехнологии и микрозондового анализа // Приборы и техника эксперимента. 2015. №1. С. 5.
  3. Courtney D.G.. Li H.Q.. Losano P. Emission measurements from planar arrays of porous ionic liquid ion sources // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45. P. 485203.
  4. Agrawal R.C.. Gupta R.K. Superionic solids: composite electrolyte phase - an overview // J. Mat. Sci. 1999. V. 34. P.1131.
  5. Tolstogouzov A.AguasH.. AyouchiR., BelykhS.F.et al. Vacuum solid-state ion-conducting silver source for application in field emission electric propulsion systems// Vacuum. 2016. V.131. P.252.
Год: 2016