Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Высокотемпературные сверхпроводники были открыты 18 лет назад, но по сей день остаются загадкой. Керамические материалы на основе оксида меди проводят электрический ток без потерь при намного более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники, которая, впрочем, гораздо ниже комнатной. Далее...

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 Qк, подводимая к катоду, отчасти расходуется в зазоре ТЭП, отчасти выделяется в виде тепла Qa на аноде и в виде полезной электрич. мощности в нагрузочном сопротивлении: P0= U0I=[(cк - cа)/e- U]I. Здесь cк и cа- работы выхода катода и анода (cк>cа), U-падение напряжения в зазоре, I-ток в цепи. Кпд ТЭП h = P0/Qк. Для компенсации пространственного заряда электронов в зазор ТЭП вводится легко ионизующийся газ, как правило, пары Cs. Контактная разность потенциалов Dc/e = (cк - cа)/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 lе>>L - длины зазора, и диффузионные, когда le<<L.

5019-7.jpg

Рис. 1. Потенциальная диаграмма электронов в ТЭП в режиме низковольтной дуги: Fк и Fa - уровни Ферми катода и анода; еjк и еjа -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 mк = kTкln[Ze/n(Tк)] - абс. величина хим. потенциала плазмы при темп-ре Тк катода; Фк -равновесный потенц. барьер в ленгмюровском слое;5019-9.jpg5019-10.jpg - равновесная концентрация плазмы при темп-ре Тк; Ze = 2(2pmekT/h2)3/2; gi = l и ga = 2 - статис-тич. суммы свободных электронов, ионов и атомов; Na - концентрация атомов Cs в плазме. Оптим. режим ТЭП реализуется при 5019-11.jpg . В режимах с поверхностной ионизацией ток прибора зависит от величины равновесной концентрации п(Тк)электронов в прикатодной плазме. При сравнительно малом давлении Cs (pCs~10-2 Top) в кнуд-сеновском режиме, когда рассеяние электронов в зазоре отсутствует, макс. плотность тока порядка хаотической: 5019-12.jpg . Однако, т. к. с уменьшением давления mк увеличивается, для реализации больших значений n(Tк) и соответственно большой мощности Р0~(1-10) Вт/см2 нужны высокие темп-ры катода Tк>2000 К, что уменьшает ресурс работы катода. Увеличение давления до величины pСs ~ 1 Тор позволяет понизить Тк 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 pCs >= 1 Тор предпочтительно работать в режиме с объёмной ионизацией Cs, когда за счёт нек-рого увеличения напряжения U реализуется режим НД.

5019-8.jpg

Рис. 2. Распределение потенциала в прикатодном слое при термодинамическом равновесии плазмы с катодом (диффузионный режим): а - для cк<mк; б-для cн>mк.


В режиме НД за счёт образования достаточно большого прикатодного падения напряжения fк (рис. 3), препятствующего возврату плазменных электронов на катод, снимаемый ток близок к эфф. току эмиссии: Isэфф= Isехр( -ejm/kTк); где jm - потенциал виртуального катода, к-рый возникает в условиях, когда cк < mк. 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 (Tе5019-14.jpg0,2 - 0,3 эВ), имеющими максвеллов-ское распределение. В режиме НД осн. потери энергии в зазоре связаны с разогревом электронов плазмы.

5019-13.jpg

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

Классифицировать ТЭП можно по величине барьерного индекса UB5019-15.jpgU+ca/e. K т. н. 1-му поколению ТЭП отнесены созданные в 1970-х гг. преобразователи с UB5019-16.jpg2 B. К ТЭП 2-го и 3-го поколений, возможность создания к-рых исследуется в 1990-х гг., относят преобразователи с Uв5019-17.jpg1,5 В и UB5019-18.jpg1 B. При U5019-19.jpg1,5 В ТЭП становится экономически выгодным в качестве высокотемпературной надставки в промышл. энергетич. установках. Исследуются пути уменьшения UB за счёт уменьшения U и ca. 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 ca 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.

5019-20.jpg

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.

  Предметный указатель