Термоэмиссионные преобразователи

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883г. Работая над созданием электрической лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и включал другую. Во время испытаний ламп обнаружилось, что некоторое количество электричества переходит к холодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити – катода и движутся к холодной нити – аноду и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней электрической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет тепла, приносимого электронами. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то тепло «испарения» электронов с катода в точности было бы равно теплу «конденсации» электронов на анод и не было бы преобразования тепла в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем бóльшая часть тепловой энергии превращается в электрическую.

Существуют два наиболее общих вида термоэмиссионных преобразователей (ТЭП): вакуумные и плазменные диоды. Источником тепловой энергии в изотопных ТЭП служат изотопы с большим удельным энерговыделением (Cm424, Po210 и т. п.), необходимым для достижения высоких температур. Схема генератора представлена на рис. 5.10, а эскиз его конструктивного исполнения – на рис. 5.11.

Нагретый катод испускает электроны, которые пересекают узкий межэлектродный промежуток и попадают на относительно холодный анод. Если катод и анод, имеющие различную работу выхода, соединить через нагрузку, то вследствие возникающей разности потенциалов по ней пойдет электрический ток. По отношению внешней цепи катод будет положительным выводом термоэмиссионного генератора, а анод – отрицательным.

Поступающая на катод тепловая энергия расходуется на преодоление работы выхода электронов из металла. Кроме того, имеются потери энергии вследствие лучеиспускания, конвекции и теплопроводности. Теряемая катодом энергия в основном поступает на анод. Для предо хранения анода от перегрева его необходимо охлаждать.

Наиболее серьезная принципиальная трудность при создании ТЭП – возникновение пространственного заряда в промежутке анод–катод, что приводит к ограничению электронного тока. Для уменьшения объемного пространственного заряда стремятся сделать возможно меньшим зазор между катодом и анодом ( d ~2∙10^–4см в вакуумном диоде) или вводят пары веществ с низким потенциалом ионизации (например цезий) в плазменном диоде. Запирающее действие объемного заряда может быть уменьшено за счет увеличения скорости эмитированных электронов с помощью дополнительного ускоряющего электрода, на который подается высокий положительный потенциал, рис. 5.12. Траектория движения электронов при этом корректируется ускоряющим электродом и магнитным полем.

Рис. 5.12. Ускорение электрона в термоэмиссионном генераторе:

1 – ускоряющий электрод; 2 – траектории электронов;

А – анод; К – катод

Основными параметрами термоэмиссионного генератора являются КПД (эффективность) и удельная мощность, снимаемая с преобразователя (Вт/см²). В случае газонаполненных диодов эти величины являются функцией температуры катода (эммитера) Т_к, температуры анода (коллектора) Т_а, давления паров р, величины межэлектродного промежутка d и работы выхода анода и катода.

Эксперименты показывают, что удельная мощность для термоэмиссионных генераторов равна 5–10 Вт/см², причем для мощностей ~10 Вт КПД равен примерно 10 % (расчетный КПД ~30 %). Надо отметить, что создание термоэмиссионных генераторов сопряжено с серьезными техническими трудностями, связанными с подбором материалов, стойких по отношению к высоким температурам ( Тк ~2000 °K, Та ~1500 °K).