Термоэмиссионный преобразователь. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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. Длякомпенсации 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 температуре Т_к катода; Ф_к -равновесный потенц. барьер в ленгмюровском слое;

- равновесная концентрация плазмы при температуре 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/см² нужны высокие температуры 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_sэфф= I_sехр( -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.

Литература по термоэмиссионным преобразователям

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

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира