Материал: Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.2 2015

Ускорительная техника, физика пучков…

З.Р. ШИХКЕРИМОВА, А.С. МАГУРОВ, К.Р. АЙВАЗОВ, О.А. ПЫЛЕВА

Научный руководитель – В.Ф. КАТАЕВ, к.т.н., доцент

Волгодонский инженерно-технический институт НИЯУ МИФИ

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрены особенности режимов работы униполярного преобразователя на основе термоэлектрического конденсатора со структурой МДПМ.

В ВИТИ НИЯУ МИФИ разработан униполярный полупроводниковый управляемый термоэлектрический преобразователь с повышенным за счет униполярности и управляемости КПД.

Эффект униполярного термоэлектрического преобразования достигается благодаря тонкому нанорегулированию сдвига зон насыщенности электронов с помощью электрического поля до полного вытеснения «горячих» электронов из «холодной» зоны [1].

Это позволяет увеличить эффект преобразования энергии непосредственно в холод или непосредственно в электричество за счёт организации полупроводниковой структуры в виде многослойного сэндвича ме- талл-диэлектрик-полупроводник-металл (МДПМ-структура) рисунок 1.

Рис. 1. Структура униполярного термоэлектрического преобразователя

При заряде конденсатора электроны донного электрода переходят из металла в полупроводник, для чего им приходится преодолевать потенциальный барьер. Это могут сделать только самые "горячие" электроны. Приходя в термодинамическое равновесие с кристаллической решёткой

_______________________________________________________________________

86 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

металла, они отбирают у нее энергию (эффект Пельтье). В зоне контакта остаются более "холодные" электроны. При этом поглощённая тепловая кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию заряженного конденсатора.

При разряде конденсатора через МДП-транзистор выделяется значительно меньше тепла, чем поглощается из донного электрода. При этом потенциальная энергия заряженного конденсатора содержит не только энергию, полученную от батареи, но и поглощённую в контакте металлполупроводник в процессе заряда тепловую энергию. Часть запасенной потенциальной энергии, преобразованной из тепловой, выделяется на резисторе, таким образом, поглощенная тепловая энергия частично преобразуется в дополнительную электрическую [2].

Униполярное термоэлектрическое устройство имеет ряд значительных преимуществ перед элементом Пельтье. Во-первых, это отсутствие горячей стороны – отсутствует необходимость в системе охлаждения. Вовторых, при использовании униполярного преобразователя в качестве охлаждающего элемента существенно повышается холодильный коэффициент, что позволяет получать минусовые температуры без учета внешних факторов. Это достигается за счет возможности самообеспечения элемента электрической энергией, часть которой может быть направлена на расширение функционала оборудования. В-третьих, в процессе охлаждения образуется дополнительно электрическая энергия, которая может быть направлен на обеспечение работы других систем, таких как система вентиляции.

Проведенные эксперименты [1] подтвердили работоспособность устройства.

Список литературы

1.Карапетьян Г.Я., Лунин Л.С., Днепровский В.Г, Катаев В.Ф. Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию в системе металл-диэлектрик-полупроводник- металл. //Журнал технической физики, т.83, №11, 2013, с.72-77. http://journals.ioffe.ru/jtf/2013/11/page-72.html.ru

2. Карапетьян Г.Я., Катаев В.Ф., Заремба О.И. PCT заявка (международная) на изобретение №РСТ/RU2012/000240 «Термоэлектрический преобразователь» Опубликована 10.10.2013, № WO 2013/151452 A1

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

Ю.Ю. ЛОЗЕЕВ Научный руководитель – Ю.А. БАШМАКОВ, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРА МИКРОТРОНА

Проведено исследование основных электродинамических характеристик резонатора микротрона с целью использования этих результатов для дальнейшей оптимизации его конструкции.

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН находится электронный синхротрон «Пахра». Его первоначальное назначение состояло в проведении исследований в области ядерной физики, работ по физике и технике ускорителей, работ по созданию и применению источников излучения (ондуляторы, лазеры на свободных электронах, синхротронное излучение). Инжектором синхротрона является микротрон. Г.Г. Субботиным был предоставлен в наше распоряжение резонатор этого микротрона. На рисунке 1 приведена схема сечения резонатора микротрона, исследуемого в работе. Все размеры на рисунке приведены в миллиметрах.

Рис. 1. Центральное сечение рабочего резонатора

В работе были выполнены качественные оценки резонатора микротрона. Были исследованы два способа инжекции в микротроне, предложенные в 1959 г. В.Н. Мелехиным (рисунок 2). В первом типе ускорения

_______________________________________________________________________

88 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

эмиттер располагается приблизительно посередине радиуса резонатора. Во втором типе электроны начинают свой путь вблизи оси резонатора и, следуя по более сложной траектории, выходят из резонатора через добавочное отверстие [1, стр. 21].

Рис. 2. Резонатор микротрона при первом и втором типе ускорения [2, стр. 9]

Было проведено моделирование упрощенной модели резонатора, когда резонатор представляет собой цилиндрический объем, и модели учитывающей тонкие эффекты, соответствующие реальному резонатору, такие как: отверстия для пролета электронов и окно для ввода мощности.

Также было проведено экспериментальное определение резонансной частоты резонатора. В диапазоне частот от 0 до 3000МГц было обнаружено два максимума, один близок к значению, полученному в результате моделирования (f0=2890МГц), а второй (f0=2460МГц) оказался непонятным. Частота 2460МГц – паразитный резонанс в системе кабель – не идеально настроенный волноводно-коаксиальный переход, отношение к резонатору не имеет.

Результаты полученные в процессе моделирования и экспериментальные данные могут помочь в дальнейшем изучении вопроса оптимизации конструкции резонатора микротрона.

Список литературы

1.Капица С.П., Мелехин В.П. Микротрон. Издательство наука, 1969.

2.Г.Г.Субботин, А.В.Серов. “Квазинакопительный режим работы синхротрона «Пахра»”. Препринт, ФИАН, №19, 2007.

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

И.Д. СОКОЛОВ, Е.А. САВИН Научный руководитель – Н.П. СОБЕНИН, д.т.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ГЕНЕРАТОРНО-УСКОРИТЕЛЬНый МОДУЛЬ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА СО СВЯЗЬЮ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ И УСКОРЯЮЩЕЙ СЕКЦИЙ ЧЕРЕЗ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

Рассмотрены вопросы выбора размеров узла связи между областью коаксиального резонатора с пролетными каналами и бипериодической ускоряющей структурой (БУС). Исследуется влияние ширины продольной стенки соединительного волновода и щелей связи резонатора генератора и БУС на отношение напряженностей полей в канале ускорения к напряженности поля между дрейфовыми трубками.

Для макета генераторно-ускорительного модуля (ГУМ) проведены исследования зависимости от величины щели связи параметра k, равного отношению напряженности электрического поля на оси ускоряющей структуры (Еуск) к напряженности электрического поля в пролетном канале между трубками дрейфа (Едр). Коаксиальный резонатор [1] возбуждает-

ся на волне типа Е010 на частоте 2856 МГц, БУС на той же частоте работает на виде колебания π/2. Из соображений удобства размещения отрезка

прямоугольного волновода, соединяющего генераторную и ускорительную части, широкая стенка волновода выбрана a = 55мм. При таком размере a отражение S11 = -23 дБ.

На рис. 1.представлено изображение резонатора генератора и обозначение его основных размеров, а на рис. 2 – аналогичные данные для резонатора БУС.

Рис. 1. Геометрия резонатора генератора

_______________________________________________________________________

90 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»