Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ТЭП) - устройство для прямого преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую. ТЭП обычно представляет собой диод, тепловая энергия подводится к катоду, а электрическая выделяется на нагрузочном сопротивлении R₀. Принцип действия ТЭП поясняется рис. 1, где приведена потенц. диаграмма для электронов. Тепловая энергия Q _к, подводимая к катоду, отчасти расходуется в зазоре ТЭП, отчасти выделяется в виде тепла Q_a на аноде и в виде полезной электрич. мощности в нагрузочном сопротивлении: P₀= U₀I=[(c _к -c _а)/e- U]I. Здесь c _к и c _а- работы выхода катода и анода (c _к>c _а), U- падение напряжения в зазоре, I -ток в цепи. Кпд ТЭП h = P₀/Q _к. Для компенсации пространственного заряда электронов в зазор ТЭП вводится легко ионизующийся газ, как правило, пары Cs. Контактная разность потенциалов Dc/e = (c _к - c _а)/е создаётся за счёт разной степени покрытия цезием горячего катода и холодного анода. По способу ионизации Cs различают ТЭП с поверхностной и с объёмной ионизацией. В первом случае ионы Cs⁺ создаются, как правило, за счёт поверхностной ионизации на горячем катоде. Во втором случае ионы Cs⁺ образуются в объёме, где поджигается низковольтная дуга (HД). Режимы с поверхностной ионизацией, в свою очередь, подразделяются на кнудсеновские, когда длина свободного пробега электрона l _е>>L - длины зазора, и диффузионные, когда l_e<<L.

Рис. 1. Потенциальная диаграмма электронов в ТЭП в режиме низковольтной дуги: F _к и F_a - уровни Ферми катода и анода; еj _к и еj _а -падения напряжения в при-электродных ленгмюровских слоях.

При рассмотрении режимов с поверхностной ионизацией существенно, каково распределение потенциала на контакте катод - плазма в условиях термодинамич. равновесия плазмы с поверхностью катода (рис. 2). Здесь m _к = kT _кln[Z_e/n(T _к)] - абс. величина хим. потенциала плазмы при темп-ре Т _к катода; Ф _к -равновесный потенц. барьер в ленгмюровском слое; - равновесная концентрация плазмы при темп-ре Т _к; Z_e =2(2pm_ekT/h²)^3/2; g_i = l и g_a = 2 - статис-тич. суммы свободных электронов, ионов и атомов; N_a - концентрация атомов Cs в плазме. Оптим. режим ТЭП реализуется при . В режимах с поверхностной ионизацией ток прибора зависит от величины равновесной концентрации п(Т _к )электронов в прикатодной плазме. При сравнительно малом давлении Cs (p_Cs~10^-2 Top) в кнуд-сеновском режиме, когда рассеяние электронов в зазоре отсутствует, макс. плотность тока порядка хаотической: . Однако, т. к. с уменьшением давления m _к увеличивается, для реализации больших значений n(T _к) и соответственно большой мощности Р₀~(1-10) Вт/см ² нужны высокие темп-ры катода T _к>2000 К, что уменьшает ресурс работы катода. Увеличение давления до величины p _Сs ~ 1 Тор позволяет понизить Т _к и увеличить срок его работы. При этом реализуется диффузионный режим, когда плазма в приэлектродном слое находится примерно в термодинамич. равновесии с катодом, а ток в зазоре переносится за счёт диффузии электронов от горячего при-катодного конца плазмы к прианодному. В диффузионном режиме, однако, ток и полезная мощность P₀ существенно уменьшаются за счёт рассеяния электронов в плазме. Поэтому при p_Cs >=1 Тор предпочтительно работать в режиме с объёмной ионизацией Cs, когда за счёт нек-рого увеличения напряжения U реализуется режим НД.

Рис. 2. Распределение потенциала в прикатодном слое при термодинамическом равновесии плазмы с катодом (диффузионный режим): а - для c _к<m _к; б -для c _н>m _к.

В режиме НД за счёт образования достаточно большого прикатодного падения напряжения f _к (рис. 3), препятствующего возврату плазменных электронов на катод, снимаемый ток близок к эфф. току эмиссии: I_{s эфф}= I_s ехр( -ej_m/kT _к); где j_m - потенциал виртуального катода, к-рый возникает в условиях, когда c _к < m _к. Для этих условий типичная вольт-амперная характеристика (BAX) ТЭП приведена на рис. 4; здесь AB- диффузионная ветвь; ВС - неустойчивый участок BAX, соответствующий поджигу НД; CD - участок шнурования тока; DE- участок виртуального катода (режим с объёмной ионизацией, рис. 3). Участок EF соответствует монотонному распределению потенциала в прикатодном ленгмюровском слое (рис. 1). Точка E, соответствующая исчезновению виртуального катода, является рабочей точкой ТЭП. Ионизация Cs в режиме НД обеспечивается обычно разогретыми электронами плазмы (T _е0,2 - 0,3 эВ), имеющими максвеллов-ское распределение. В режиме НД осн. потери энергии в зазоре связаны с разогревом электронов плазмы.

Рис. 3. Распределение потенциала в низковольтной дуге в режиме с виртуальным катодом.

Классифицировать ТЭП можно по величине барьерного индекса U_BU+c_a/e. K т. н. 1-му поколению ТЭП отнесены созданные в 1970-х гг. преобразователи с U_B2 B. К ТЭП 2-го и 3-го поколений, возможность создания к-рых исследуется в 1990-х гг., относят преобразователи с U _в1,5 В и U_B1 B. При U1,5 В ТЭП становится экономически выгодным в качестве высокотемпературной надставки в промышл. энергетич. установках. Исследуются пути уменьшения U_B за счёт уменьшения U и c_a. Основные предлагаемые способы уменьшения U связаны с переходом к механизмам ионизации, не использующим разогрев тепловых электронов. Это - ТЭП со вспомогат. разрядом, в частности трёхэлектродный ТЭП с инертным газом-наполнителем; ТЭП с импульсной внеш. ионизацией и с разделением во времени процесса генерации ионов и рабочей стадии ТЭП, в частности азотно-цезиевые ТЭП с накоплением энергии импульса в колебаниях молекул азота; триод с эмиттером ионов; ТЭП с ионизацией УФ-излучением или продуктами распада радиоизотопов и др. Рассматривается увеличение эфф. эмиссии катода за счёт развития его поверхности. Исследуются способы уменьшения c_a путём применения электродов со сложными поверхностными покрытиями. Большое внимание уделяется цезиевым триодам с сеточным управлением тока, используемым для непосредств. преобразования пост. напряжения, генерируемого ТЭП, в перем. напряжение.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ТЭП в диффузионном (AB )и дуговом (CDEF )режимах.

Лит.: Добредов Л. H., Термоэлектронные преобразователи тепловой энергии в электрическую, "ЖТФ", 1960, т. 30, с. 365; Моргулис Н. Д., Преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термоэлектронной эмиссии, "УФН", 1960, г. 70, с. 679; Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма, M., 1973; Стаханов И. П., Черковец В. E., Физика термоэмиссионного преобразователя, M., 1985; Математическое моделирование процессов в низковольтном плазменно-пучковом разряде, M., 1990. Ф. Г. Бакшт.