techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2023-13-2-136-149techusgu-144Research ArticleФИЗИКАPHYSICSК разработке инжекционных катодных электродов для ЭГД-преобразователейOn the Development of Injection Cathode Electrodes for EHD Transducershttps://orcid.org/0000-0003-4202-277XКузькоА. Е.KuzkoA. E.

Кузько Андрей Евгеньевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики

Researcher ID: 7801324495

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Andrey E. Kuzko, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

Researcher ID: 7801324495

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

https://orcid.org/0000-0001-5635-8149ЖакинА. И.ZhakinA. I.

Жакин Анатолий Иванович, доктор физико- математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Anatoly I. Zhakin, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

https://orcid.org/0000-0001-9966-9625КузькоА. В.KuzkoA. V.

Кузько Анна Витальевна, кандидат физико- математических наук, доцент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики

Researcher ID: 55975380100

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Anna V. Kuzko, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

https://orcid.org/0000-0002-2807-9887ИгнатенкоН. М.IgnatenkoN. M.

Игнатенко Николай Михайлович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Ignatenko Nikolay M., Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

БарсукЕ. С.BarsukE. S.

Барсук Елизавета Сергеевна, студент

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Elizaveta S. Barsuk, Student

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

ЗубареваМ. О.ZubarevaM O.

Зубарева Мария Олеговна, студент

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Maria O. Zubareva, Student

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

БондаревМ. А.BondarevM. A.

Бондарев Михаил Алексеевич, студент

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Mikhail A. Bondarev, Student

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

Юго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationЮго-Западный государ- ственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202324072023132136149Copyright © Кузько А.Е., Жакин А.И., Кузько А.В., Игнатенко Н.М., Барсук Е.С., Зубарева М.О., Бондарев М.А., 20232023Кузько А.Е., Жакин А.И., Кузько А.В., Игнатенко Н.М., Барсук Е.С., Зубарева М.О., Бондарев М.А.Kuzko A.E., Zhakin A.I., Kuzko A.V., Ignatenko N.M., Barsuk E.S., Zubareva M.O., Bondarev M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/144

Цель. Изучить возможность изменения катодной инжекции в сеточном осесимметричном электрогидродинамическом преобразователе с плоскопараллельными модифицированными электродами.Методы. Методом численного моделирования получена оценка влияния краевого эффекта электродных сеток на поверхностную проводимость в периферии межэлектродного промежутка и определена оптимальная геометрия держателей электродов сеточного ЭГД-преобразователя. Методом численного расчёта в программной среде Agros 2D, а также с помощью анализа сканов растрового электронного микроскопа (РЭМ) и метода оценки форм-фактора структур получены параметры локальных электрических полей структур поверхностей проволок сеточных электродов, подвергнутых модификации при лазерном скрайбировании.Результаты. Приводятся результаты разработки сеточной системы электродов для электрогидродинамических преобразователей с усилением катодной инжекции зарядов. Анализируется влияние краевого эффекта на работу ЭГД-преобразователей. Описана возможность усовершенствования сеточной электродной системы модельного ЭГД-насоса. Исследован состав, форма микро- и наноструктур после скрайбирования на лазерном маркирующем комплексе FMark-20RL. Сделана качественная оценка значения напряжённости локального электрического поля на наноструктурах, полученных лазерным скрайбированием латунных сеток, с характерным радиусом 50 нм, которая свидетельствует об усилении катодной инжекции отрицательных зарядов в ЭГД-системе. При расстоянии между электродами 1,5 мм и разности потенциалов между электродами 1,5 кВ/см величина локальной напряженности на вершине наноструктуры радиусом кривизны порядка 50 нм может достигать 5,5⋅107 В/см.Заключение. Лазерное скрайбирование в виде концентрических окружностей латунных сеточных электродов позволяет интенсифицировать катодную инжекцию зарядов за счёт усиления локальных электрических полей с микро- и наноструктур. Использование диэлектрических держателей из плексигласа способно уменьшать поверхностные токи утечки на периферии сеточных электродов.

Purpose To study the possibility of changing cathode injection in a grid axisymmetric EHD transducer with planeparallel modified electrodes.Methods. An estimate of the influence of the edge effect of electrode grids on the surface conductivity in the periphery of the interelectrode gap was obtained by numerical simulation, and the optimal geometry of the electrode holders of the grid EHD transducer was determined. Using the method of numerical calculation in the software environment Agros 2D, as well as using the analysis of SEM scans and the method of estimating the form factor of structures, the parameters of local electric fields of the structures of the surfaces of wires of grid electrodes modified during laser scribing were obtained.Results. The results of the development of a grid system of electrodes for electrohydrodynamic converters with enhanced cathodic charge injection are presented. The influence of the edge effect on the operation of EHD transducers is analyzed. The possibility of improving the grid electrode system of a model EHD pump is described. The composition and shape of microand nanostructures after scribing on the FMark-20RL laser marking complex have been studied. A qualitative estimate of the local electric field strength on nanostructures obtained by laser scribing of brass grids with a characteristic radius of 50 nm is made, which indicates an increase in the cathode injection of negative charges in the EHD system. With a distance between the electrodes of 1.5 mm and a potential difference between the electrodes of 1.5 kV/cm, the magnitude of the local tension at the top of the nanostructure with a curvature radius of about 50 nm can reach 5.5⋅107 V/cm.Conclusion. Laser scribing in the form of concentric circles of brass grid electrodes makes it possible to intensify cathodic charge injection by amplifying local electric fields from microand nanostructures. The use of plexiglass dielectric holders can reduce surface leakage currents at the periphery of grid electrodes.

инжекция зарядовэлектрогидродинамический преобразовательмодифицирование электродовлазерное скрайбированиестатический напорнаноструктурыcharge injectionelectrohydrodynamic converterelectrode modificationlaser scribingstatic headnanostructures.Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (г/з 2020 № 0851-2020-0035), в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашение № 075-15-2021-1213)The study was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (g/z 2020 No. 0851-2020-0035), as part of the strategic academic leadership program "Priority-2030" (Agreement No. 075-15-2021-1213).ReferencesЖакин А. И. О некоторых расчетных схемах ЭГД-насосов на основе редокс-систем // Электронная обработка материалов. 1988. № 3. C. 35–37.Zhakin A. I. O nekotorykh raschetnykh skhemakh EGD nasosov na osnove redoks-sistem [On some design schemes for EHD pumps based on redox systems]. Elektronnaya obrabotka materialov = Electronic processing of materials, 1988, nо. 3, рр. 35–37.Стишков Ю. К. Электрофизические процессы в жидкостях при воздействии сильных электрических полей. СПб.: Юстицинформ, 2019. 259 с.Stishkov Yu. K. Elektrofizicheskie protsessy v zhidkostyakh pri vozdeistvii sil'ykh elektricheskikh polei [Electrophysical processes in liquids under the influence of strong electric fields]. Moscow, Yustitsinform Publ., 2019. 262 p.Кожевников И. В. Теплообмен в замкнутых циркуляционных контурах под воздействием электрического поля: дис. … канд. техн. наук. Кишинев, 1993. 207 p.Kozhevnikov I. V. Teploobmen v zamknutykh tsirkulyatsionnykh konturakh pod vozdeistviem elektricheskogo polya. Diss. kand. techn. nauk [Heat transfer in closed circulation circuits under the influence of an electric field]. Cand. end. sci. dis. Kishinev, 1993. 207 p.Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований [пер. с англ.] / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс [и др.]; под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса:. М.: Мир, 2002. 292 с.Whitesides J., Eigler D., Anders R., eds. Nanotekhnologiya v blizhaishem desyatiletii. Prognoz napravleniya issledovanii [Nanotechnology in the next decade. Forecast of the direction of research]; ed. M. K. Roco, R. S. Williams, P. Alivisatos. Moscow, Mir Publ., 2002. 292 p.Структура и свойства твёрдых и сверхтвёрдых нанокомпозитных покрытий / А. Д. Погребняк, А. П. Шпак, Н. А. Азаренков, В. М. Береснев // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 1. С. 35–64.Pogrebnyak A. D., Shpak A. P., Azarenkov N. A., Beresnev V. M. Struktura i svoistva tverdykh i sverkhtverdykh nanokompozitnykh pokrytii [Structure and properties of hard and superhard nano-composite coatings]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Advances in Physical Sciences, 2009, vol. 179, no. 1, рр. 35–64.Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Книжный дом «Либроком», 2009. 592 с.Suzdalev I. P. Nanotekhnologiya: fiziko-khimiya nanoklasterov, nanostruktur i nanomaterialov [Nanotechnology: physical chemistry of nanoclusters, nanostructures and nanomaterials]. Moscow, Book house "Libro-com", 2009. 592 p.Ролдугин В. И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. Т. 73, № 2. С. 123–156.Roldugin V. I. Samoorganizatsiya nanochastits na mezhfaznykh poverkhnostyakh [Selforganization of nanoparticles on interfacial surfaces]. Uspekhi khimii = Advances in chemistry, 2004, vol. 73, no. 2 рр. 123–156.Liu M., Yang Q., Wu S. Space charge injection behaviors and dielectric characteristics of nano‐modified transformer oil using different surface condition electrodes // AIP Adv. 2019. Vol. 9 (3). P. 035319.Liu M., Yang Q., Wu S. Space charge injection behaviors and dielectric characteristics of nano-modified transformer oil using different surface condition electrodes. AIP Adv., 2019, no. 9 (3), рр. 035319.Effect of surface modification of electrodes on charge injection and dielectric characteristics of propylene carbonate / S. Wu, Q. Yang, T. Shao, Z. Zhang, L. Huang // High Voltage, 2020. Vol. 5 (1). P. 15–23.Wu S., Yang Q., Shao T., Zhang Z., Huang L. Effect of surface modification of electrodes on charge injection and dielectric characteristics of propylene carbonate. High Voltage, 2020, vol. 5 (1), pp. 15–23.Russel M., Selvaganapathy P., Ching C. Effect of electrode surface topology on charge injection characteristics in dielectric liquids: an experimental study // J. Electrostat. 2014. Vol. 72 (6). P. 487–492.Russel M., Selvaganapathy P., Ching C. Effect of electrode surface topology on charge injection characteristics in dielectric liquids: an experimental study. J. Electrostat., 2014, vol. 72, (6), pp. 487–492.Кузько А. Е. Особенности изменения микрорельефа поверхностей электродов при электроконвекции в ПМС-50 // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2014. № 1. С. 24–30.Kuzko A. E. Osobennosti izmeneniya mikrorel'efa poverkhnostei elektrodov pri elektrokonvektsii v PMS-50 [Peculiarities of changes in the microrelief of electrode surfaces during electroconvection in PMS-50]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika i khimiya = Proceedings of the Southwest State University. Series: Physics and Chemistry, 2014, no. 1, рр. 24–30.Кузько А. Е., Кузьменко А. П., Лазарев А. Н. Использование АСМ в расчёте инжекции зарядов при электроконвекции // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2013. № 2. С. 32–37.Kuzko A. E., Kuzmenko A. P., Lazarev A. N. Ispol'zovanie ASM v raschete inzhektsii zaryadov pri elektrokonvektsii [The use of AFM in the calculation of charge injection during electroconvection]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika i khimiya = Proceedings of the Southwest State University. Series: Physics and Chemistry, 2013, no. 2, рр. 32–37.Opportunities of AFM in the description of charge formation from the nanostructured electrode at electroconvection / S. G. Emelyanov, A. E. Kuz'ko, A. V. Kuz'ko, A. P. Kuzmenko, D. I. Timakov // Журнал нанои электронной физики. 2013. Т. 5, № 4. С. 4040.Emelyanov S. G., Kuz'ko A. E., Kuz'ko A.V., Kuzmenko A. P., Timakov D. I. Opportunities of AFM in the description of charge formation from the nanostructured electrode at electroconvection [Opportunities of AFM in the description of charge formation from the nanostructured electrode at electroconvection]. Zhurnal nanoi elektronnoi fiziki = Journal of Nanoand Electronic Physics, 2013,vol. 5, is. 4, рр. 4040.Жакин А. И. Электрогидродинамика заряженных поверхностей // Успехи физических наук. 2013. Т. 183, № 2. С. 153–177.Zhakin A. I. Elektrogidrodinamika zaryazhennykh poverkhnostei [Electrohydrodynamics of charged surfaces]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Advances in Physical Sciences, 2013, vol. 183, no. 2, pp. 153–177.Stability, thermo-physical and electrical properties of naphthenic/POME blended transformer oil nanofluids / R. Walvekar, D. A. Zairin, M. Khalid, Р. Jagadish [et al.] / Therm. Sci. Eng. Prog. 2021. Vol. 23. Р. 100878.Walvekar R., Zairin, D. A., Khalid M., Jagadish Р., eds. Stability, thermo-physical and electrical properties of naphthenic/POME blended transformer oil nanofluids. Therm. Sci. Eng. Prog., 2021, vol. 23, рр. 100878.Transformer oil based multi-walled carbon nanotube–hexylamine coolant with optimized electrical, thermal and rheological enhancements / A. Amiri, S. N. Kazi, M. Shanbedi [et al.] // RSC Adv. 2015. No. 130. P. 107222.Amiri A., Kazi S. N., Shanbedi M., eds. Transformer oil based multi-walled carbon nanotube–hexylamine coolant with optimized electrical, thermal and rheological enhancements. RSC Adv., 2015, no. 130, p. 107222.Beheshti A., Shanbed M., Heris S. Z. Heat transfer and rheological properties of transformer oil-oxidized MWCNT nanofluid // J. Therm. Anal. Calorim. 2014. Vol. 118, no. 3. P. 1451.Beheshti A., Shanbedi M., Heris S. Z. Heat transfer and rheological properties of transformer oil-oxidized MWCNT nanofluid. J. Therm. Anal. Calorim., 2014, vol. 118, no. 3, p. 1451.Барсук Е. С., Пожидаева В. В., Кузько А. Е. К разработке сеточных электродов с управляемой катодной инжекцией // Молодежь и системная модернизация страны: сборник научных статей 6-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых: в 5 т. Т. 3 / отв. ред. М. С. Разумов. Курск: Университетская книга. С. 208–211.Barsuk E. S., Pozhidaeva V. V., Kuzko A. E. [Development of grid electrodes with controlled cathode injection]. Molodezh' i sistemnaya modernizatsiya strany. Sbornik nauchnykh statei 6-i Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii studentov i molodykh uchenykh [Youth and system modernization of the country. Collection of scientific articles of the 6th International Scientific Conference of Students and Young Scientists]; ed. by M. S. Razumov. Kurks, Universitetskaya kniga Publ., 2021, vol. 3, рр. 208–211. (In Russ.)Кучинский Г. С., Назаров Н. И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. Т. 3. С. 320.Kuchinsky G. S., Nazarov N. I. Silovye elektricheskie kondensatory [Power electric capacitors]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1992, vol. 3, рр. 320.Афанасьев С. Б., Стишков Ю. К. ЭГД-устройства // Электрофизические процессы в жидкостях и газах. СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т, 2007. 87 с.Afanasiev S. B., Stishkov Yu. K. EGD-ustroistva [EHD devices]. Elektrofizicheskie protsessy v zhidkostyakh i gazakh [Electrophysical processes in liquids and gases]. St.-Petersburg, St.-Petersburg St. Univ. Publ., 2007. 87 p.Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 827 с.Vargaftik N. B. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei [Reference book on thermophysical properties of gases and liquids]. Moscow, Nauka Publ., 1972. 827 p.Макарьянц Г. М., Прокофьев А. Б. Основы метода конечных элементов. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2013. 80 с.Makaryants G. M., Prokofiev A. B. Osnovy metoda konechnykh elementov [Fundamentals of the finite element method]. Samara, Samara St. Aerospace Univ., 2013. 80 p.Kuz'menko A. P., Kuz'ko A. E., Timakov D. I. Effect of electric fields on the surface of nanostructured electrodes on charge formation // Technical Physics. Vol. 58, is. 2, 2013. P. 239– 244.Kuz'menko A. P., Kuz'ko A. E., Timakov D. I. Effect of electric fields on the surface of nanostructured electrodes on charge formation. Technical Physics, vol. 58, is. 2, 2013, рр. 239– 244.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.