ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Открытая Эдисоном в 1885 г. термоэлектронная эмиссия наш. і широкое практическое применение лишь в XX столетии, и первый термоэмисси ный преобразователь тепловой энергии в электрическую был продемонстриро только в 1956 г. Принцип работы вакуумного термоэмиссионного преобразова' энергии достаточно прост, однако его реализация затруднена из-за пространс ного заряда, создаваемого электронами в межэлектродном пространстве. Введе в вакуумный промежуток плазмы, содержашей положительные ионы, позвсл решить проблему, связанную с отрицательным пространственным зарядом в свою очередь создало дополнительные трудности. Возникла необходимость К пользовать плазму не только для компенсации отрицательного пространственн заряда, но и в качестве источника дополнительных электронов.

В данной главе описаны основы эмиссионных процессов, переноса эле нов в вакууме, работы вакуумного диода, методов генерации цезиевой плазмы ее свойства при условии, что ионизацией в объеме можно пренебречь. В зак чительном параграфе кратко изложена работа преобразователя в случае, ког ионизация в результате соударений является принципиально важной. Свойс столкновительной плазмы слишком сложны для того, чтобы детально Обсужу - их в этой книге. Для тех читателей, которые хотят более подробно ознакомит! с работой плазменных диодов, особенно в практически наиболее важном дугог режиме, можно рекомендовать обратиться к специальной литературе.

Поясним некоторую используемую в дальнейшем терминологию. Обы1 в инженерной электронике под термином «анод» подразумевают положите ный электрод, а под термином «катод» — отрицательный. Это не очень точ В переводе с греческого «anodos» и «katodos» означают «дорогу вверх» и «до гу вниз» соответственно. Применительно к электротехнике эти слова означ" просто направление «в» и направление «из» прибора (подразумевая услови

направление электрического тока). Таким образом, в диоде анодом является электрод, через который ток втекает в устройство, а катодом — электрод, через который ток вытекает. Может показаться, что в этом случае анодом действи­тельно является электрод, который подсоединен к положительному зажиму ис­точника напряжения. В батарее, однако, электрический ток (условно) вытекает г і положительного электрода, который поэтому называется катодом. Для того, тобы упростить терминологию, мы будем, где это возможно, использовать такие термины, как эмиттер (электронов) для катода термоэмиссионного устройства и коллектор для анода.

Термоэмиссионные приборы, став однажды «душой» электроники, все еще ни мают в ней значительное место. Термоэмиссионная электроника является •.новой радиоламп, используемых в большинстве мощных радио - и телепере - • гчиков, электронно-лучевых трубок, применяемых в осциллографах, в теле­визионных и компьютерных мониторах. На смену электронно-лучевым трубкам „тепенно приходят другие устройства, обладающие более высоким разрешени-

ч. такие как более компактные жидкокристаллические и плазменные панели, ермоэмиссионные процессы играют существенную роль в работе большинства іектронньїх ламп микроволнового диапазона, таких как клистроны, магнетро - и лампы бегущей волны.

Большинство классических термоэмиссионных устройств относилось к ка - гории вакуумных приборов, в которых электроны распространяются в ваку - . Тем не менее порой использовались плазменные устройства, например, улярный когда-то ртутный вентиль (выпрямитель). Вакуумные устройства геживают период возрождения благодаря развитию микроэлектроники. Од - •.о в них используется не термоэлектронная, а автоэлектронная эмиссия, настоящей главе рассматриваются лишь термоэмиссионные преобразовате - тепловой энергии в электрическую и не затрагиваются вопросы, связанные яатением автоэлектронной эмиссии.

Говоря упрощенно, термоэмиссионный преобразователь — это тепловая ма­на, в которой электроны испаряются с горячей поверхности (эмиттер) и со - іются на холодной поверхности (коллектор). Энергия, необходимая для ис - ния электронов с твердой поверхности, является неким аналогом теплоты парения с поверхности жидкости. Минимальная энергия, необходимая для <ода электрона с поверхности металла или полупроводника, называется рабо - выхода. Отношение работы выхода к заряду электрона определяет потенциал пряжение), который имеет то же числовое значение, что и работа выхода, вы - енная в электрон-вольтах. Далее потенциал будет обозначаться символом ф, следовательно, работа выхода равна дб. Хотя это и не совсем точно, под ра - ой выхода в дальнейшем будет подразумеваться и энергия, и потенциал, как

это принято в большинстве областей электроники. Надеемся, что читатель с жет различить два эти понятия из контекста.

Работа выхода зависит от природы эмитирующей поверхности. Если ра выхода с поверхности горячего эмиттера больше, чем с поверхности холоди коллектора, то их разность может быть выделена в качестве электрической эн гии на нагрузке. Так, если работа выхода эмиттера равна 3 эВ, а коллектора 2 эВ, то напряжение на нагрузке может составлять 1 В.

Электроны, улетающие с эмиттера, аккумулируются коллектором до тех п пока обеспечивается их сток. Последнее может быть осуществлено за счет ). тановления внешней цепи между коллектором и эмиттером. Такая цепь мо включать в себя нагрузочное сопротивление RL (рис. 6.1), через которое проі<_ ток I. Падение напряжения во внешней цепи приводит к появлению электрлч. кого поля между электродами, препятствующего потоку электронов. Отмет что коллектор или анод является отрицательной клеммой термоэмиссионн преобразователя. На рис. 6.1 диод изображен с помощью условных символа принятых в электронике.

Эмиттер (источник тепла)

Рис. 6.1. Термоэмиссионный преобразователь

Энергия, диссипируемая в нагрузке, в конечном итоге связана с нагрев эмиттера. Необходимость поддержания высокой температуры приводит к. щественным радиационным тепловым потерям. Сложной проблемой являє также обеспечение большого тока через вакуумный зазор между эмиттером коллектором. Для того чтобы решить эту проблему, в вакуумный промеж}! может быть введен положительный ионный газ. К сожалению, это вызывает полнительные потери из-за электрон-ионных соударений.

Хотя термоэмиссионные преобразователи являются тепловыми машинаїч и их коэффициент полезного действия ограничен КПД цикла Карно, они имен ряд важных достоинств, а именно:

1) вырабатывают непосредственно электрическую энергию, а не механиче­скую, как это делают другие тепловые машины;

2) работают при высоких температурах с соответствующим высоким КПД цикла Карно;

3) срабатывают высокотемпературное тепло, что способствует упрощению конструкции поглотителей тепла и дает возможность использовать их как машины верхнего уровня (надстройки к обычным тепловым машинам);

4) работают при высоких плотностях энерговыделения, что обеспечивает компактность устройства и позволяет ограничить расход дорогих кон­струкционных материалов;

5) работают при низких давлениях и не имеют движущихся частей.

Хтя лучшего понимания принципов работы термоэмиссионных устройств по - v зно отдельно рассмотреть два основных процесса, а именно: тепловую эмиссию лектронов с поверхности твердого тела и перенос эмитированных электронов •гррз межэлектродное пространство.