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/см² 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.