RU2096859C1

RU2096859C1 - Thermal emission converter

Info

Publication number: RU2096859C1
Application number: RU96118571A
Authority: RU
Inventors: И.Н. Прилежаева; П.М. Бологов
Original assignee: Государственный научный центр - Физико-Энергетический институт
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: conversion of thermal energy. SUBSTANCE: converter has multi-layer electrodes. At least one layer is made of hole semiconductor positioned on surface of emitter the collector or on surface of collector facing emitter. EFFECT: reduced emission of electrons; provision for selection of hole semiconductor for different level, stable under operating conditions of converter. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, электроники. The invention relates to the field of energy, electronics.

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепла в электроэнергию [2] имеют преимущества перед другими преобразователями в отсутствии движущихся частей и в высокой температуре теплосброса. Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе ТЭП в космосе на спутниках Космос-1818 и Космос-1867 в конце 80-х гг. В наземных условиях допустимо использование низкой температуры охлаждения анода и требуется более высокий КПД. Основными путями повышения КПД ТЭП при заданном интервале температур является снижение потерь энергии эмитированных электронов на пути между эмиттером и коллектором и снижение работы выхода на коллекторе [2] Сумма этих потерь превышает обычно 2В при рабочем напряжении ТЭП 0,5В. Пока разработчики ТЭП используют только 1/5 энергии эмитированного электрона. НИР по снижению потерь энергии эмитированного электрона ведутся непрерывно, но снизить работу выхода коллектора ниже 1,7 эВ для ТЭП энергоустановок не удалось. Базовым решением является применение в ТЭП цезия, который образует в межэлектродном зазоре ТЭП плазму, чем компенсирует запирающий объемный заряд эмитированных электронов, сорбируется на эмиттере и коллекторе, что позволяет поддерживать работу выхода эмиттера и коллектора в пределах получения энергии с КПД около 10%
В качестве аналога укажем решения по регулированию переходов металл -полупроводник методом легирования тонких слоев [1] Таким методами удается снизить до нуля энергетический барьер между слоями полупроводника и металлом основы эмиттера и коллектора.Thermionic converters (TECs) of heat into electric energy [2] have advantages over other converters in the absence of moving parts and in a high heat-discharge temperature. These advantages led to the use of nuclear power plants with a TEC-based converter in space on the Cosmos-1818 and Cosmos-1867 satellites in the late 80s. Under ground conditions, the use of a low cooling temperature of the anode is permissible and a higher efficiency is required. The main ways to increase the efficiency of the TEC for a given temperature range is to reduce the energy loss of emitted electrons between the emitter and the collector and to reduce the work function of the collector [2] The sum of these losses usually exceeds 2V at an operating voltage of TEC of 0.5V. So far, TEC developers use only 1/5 of the energy of the emitted electron. Research to reduce the energy loss of the emitted electron is carried out continuously, but failed to reduce the collector output work below 1.7 eV for TEC power plants. The basic solution is the use of cesium in the TEC, which forms plasma in the TEC gap, which compensates for the blocking space charge of the emitted electrons, is sorbed on the emitter and collector, which allows the emitter and collector output to work within the range of energy production with an efficiency of about 10%
As an analogue, we indicate solutions for regulating metal – semiconductor transitions by doping thin layers [1] Using these methods, it is possible to reduce the energy barrier between the semiconductor layers and the base metal of the emitter and collector to zero.

В качестве прототипа предлагаемому решению укажем на ТЭП с коллектором на основе ниобия, насыщенным в поверхностном слое кислородом до 1% Сорбция цезия на таком коллекторе проходит в значимой мере через кислород, что понижает работу выхода коллектора до 1,4 эВ и соответственно повышает КПД [2,с. 54] Недостатком прототипа является неустойчивость состава коллектора из-за перехода кислорода в другие фазы. Поэтому промышленного применения это решение не нашло. As a prototype of the proposed solution, we point to a TEC with a niobium-based collector saturated with oxygen up to 1% in the surface layer. Cesium sorption on such a collector passes to a significant extent through oxygen, which reduces the work function of the collector to 1.4 eV and, accordingly, increases the efficiency [2 ,from. 54] The disadvantage of the prototype is the instability of the composition of the reservoir due to the transition of oxygen into other phases. Therefore, this solution did not find industrial application.

Предлагаемое решение позволяет снизить работу выхода коллектора введением тонкого полупроводникового слоя, устойчивого в условиях работы ТЭП. Применение полупроводниковых слоев [1] позволяет регулировать работу выхода в широких пределах и обеспечит малые электрические потери при протекании тока по направлению нормали к слою полупроводника. Тонкий слой полупроводника должен обладать стабильностью в условиях работы и иметь химическое сродство к электронам. The proposed solution allows to reduce the work of the collector output by introducing a thin semiconductor layer that is stable under the conditions of TEC. The use of semiconductor layers [1] allows you to control the work function over a wide range and will provide small electrical losses during the flow of current in the direction normal to the semiconductor layer. A thin layer of semiconductor must have stability under operating conditions and have a chemical affinity for electrons.

На чертеже изображена схема предлагаемого ТЭП. К эмиттеру 1 подводят поток тепла Q, который частично преобразуют в электроэнергию. Непреобразованное тепло с коллектора 4 сбрасывают на холодильник. На эмиттере 1 размещен тонкий слой 2 дырочного полупроводника для оптимизации работы выхода электронов для принятых условий работы ТЭП. На коллекторе 4 размещен тонкий слой дырочного полупроводника 3 для оптимизации работы выхода электронов для принятых условий работы ТЭП. Возможны условия, когда дырочный полупроводник размещают только на одной из эмиссионных поверхностей. ТЭП работает в парах цезия или в вакууме (при условии поддержания микрозазора между эмиттером и коллектором). Полупроводник выбирается с дырочной проводимостью, что исключает короткое замыкание током электронов эмиттера с коллектором при их случайном касании. На слоях дырочного полупроводника коллектора сорбируются монослои цезия и перенесенной массы с эмиттера, которые не должны превышать толщину слоя Дебая (толщина экранирования полупроводника проводником) [4] Предлагаемая конструкция коллектора снижает работу выхода до полуразности работ выхода полупроводника и работы выхода слоя металла, сорбированного на поверхности полупроводника. Из-за обедненности электронами поверхности коллектора снижается паразитная вторичная эмиссия электронов с коллектора, что повышает КПД. Для космических ТЭП с ядерным нагревом эмиттер выполняют для температуры 2000 K из вольфрама, у которого работа выхода 4,5-5 эВ обеспечивает хорошую сорбцию цезия. Для наземных ТЭП вольфрам дефицитен, дорог. Поэтому могут быть применены покрытия эмиттера дырочным полупроводником, обеспечивающим достаточную сорбцию цезия. The drawing shows a diagram of the proposed TEP. Heat emitter Q is supplied to the emitter 1, which is partially converted into electricity. Unconverted heat from collector 4 is discharged to the refrigerator. A thin layer 2 of a hole semiconductor is placed on the emitter 1 to optimize the electron work function for the accepted TEC operating conditions. A thin layer of hole semiconductor 3 is placed on collector 4 to optimize the electron work function for the accepted TEC operating conditions. Conditions are possible when a hole semiconductor is placed only on one of the emission surfaces. TEC works in cesium vapors or in a vacuum (provided that a micro-gap is maintained between the emitter and the collector). The semiconductor is selected with hole conductivity, which eliminates the short-circuit of electrons by the current of the emitter with the collector when they are accidentally touched. Cesium monolayers and transferred mass from the emitter are adsorbed on the layers of the hole semiconductor of the collector, which should not exceed the thickness of the Debye layer (thickness of the semiconductor screening by the conductor) [4] The proposed collector design reduces the work function to half the difference in the work function of the semiconductor and the work function of the metal layer adsorbed on the surface semiconductor. Due to the electron depletion of the collector surface, spurious secondary electron emission from the collector is reduced, which increases the efficiency. For space TECs with nuclear heating, the emitter is performed for a temperature of 2000 K from tungsten, in which the work function of 4.5-5 eV provides good sorption of cesium. For terrestrial TEC, tungsten is scarce, expensive. Therefore, emitter coatings with a hole semiconductor can be applied, providing sufficient sorption of cesium.

Преимуществами предлагаемого ТЭП перед известными являются:
снижение работы выхода электронов на коллекторе,
возможность выбора дырочного полупроводника, стабильного в условиях ТЭП, для разного уровня температур с оптимизацией в зоне до 1300 K на эмиттере,
снижение обратной эмиссии с поверхности коллектора,
отсутствие короткого замыкания при касании эмиттера и коллектора.The advantages of the proposed TEC over the well-known are:
decrease in the work function of the electrons in the collector,
the possibility of choosing a hole semiconductor that is stable under TEC conditions for different temperature levels with optimization in the zone up to 1300 K on the emitter,
reduction of reverse emission from the surface of the collector,
lack of a short circuit when touching the emitter and the collector.

Пример реализации устройства (см. чертеж). На поверхность металлического коллектора из молибдена 4 со стороны межэлектродного зазора нанесен слой алмаза 3, легированного акцепторной примесью бора до 10(20) ат/см³, что обеспечивает вхождение уровня Ферми в валентную зону полупроводника. Эмиттер 1 выполнен из вольфрама, тонкий слой 2 выполнен из дырочного полупроводника. Межэлектродный зазор выполнен цезием при давлении около 1 тор. Температура эмиттера до 2000 K температура коллектора до 1000 K. Применение дырочного полупроводника на основе алмаза оправдано относительно других возможных решений его высокой стабильностью при высоких температурах [1, 2] При случайном касании электродов замыкание отсутствует из-за отсутствия электронной проводимости в дырочном полупроводнике. Перенос металла с эмиттера (или нанесение слоя при изготовлении) ограничивают радиусом Дебая [4]
Пример реализации устройства с натриевым (или цезиевым) бета -глиноземом. Устройство по фигуре имеет покрытие электродов из бета-глинозема. В условиях избытка кислорода и недостатка щелочного металла бета-глинозем [3, с. 72] приобретает свойства дырочного полупроводника. Рабочие температуры для глинозема проектно принимают до 1600 K. Пленка бета-глинозема 3 нанесена на коллектор 4. В межэлектродном зазоре имеется свободный кислород и малое количество щелочного металла, но достаточное для образования монослоя (пленочный электрод) на электродах. Кислород не соединяется с натрием (цезием) при температурах выше 800 K, что обеспечит покрытие эмиттера 1 пленкой щелочного металла. Отсутствие значимого давления паров щелочного металла в объеме ТЭП (очень низкое давление щелочного металла, область слева от минимума кривой Пашена) чрезвычайно важно для работы мощных батарей ТЭП, так как позволит поднять рабочее напряжение на батарее за счет высокого пробивного напряжения при низком давлении паров щелочного металла. Батареи с мощностью более 50 кВт требуют напряжение более 100 В, что невозможно достичь в парах цезия при давлении 1-3 тора, необходима "сухая электроизоляция". Применение глинозема и избыточного кислорода в ТЭП делает сухим слой изоляции ТЭП относительно корпуса батареи. Наличие щелочного пара с давлением около тора в ТЭП требует введения второго слоя сухой изоляции и радикально усложняет батарею ТЭП.An example implementation of the device (see drawing). A layer of diamond 3, doped with an acceptor impurity of boron up to 10 (20) at / cm ³ , is deposited on the surface of the molybdenum 4 metal collector 4 from the interelectrode gap, which ensures that the Fermi level enters the valence band of the semiconductor. The emitter 1 is made of tungsten, a thin layer 2 is made of a hole semiconductor. The interelectrode gap is made with cesium at a pressure of about 1 torr. The emitter temperature is up to 2000 K and the collector temperature is up to 1000 K. The use of a hole semiconductor based on diamond is justified relative to other possible solutions by its high stability at high temperatures [1, 2] When the electrodes are accidentally touched, there is no short circuit due to the absence of electronic conductivity in the hole semiconductor. The metal transfer from the emitter (or the deposition of a layer during manufacture) is limited by the Debye radius [4]
An example implementation of a device with sodium (or cesium) beta alumina. The device according to the figure has a coating of electrodes of beta-alumina. Under conditions of excess oxygen and a lack of alkali metal beta-alumina [3, p. 72] acquires the properties of a hole semiconductor. The working temperatures for alumina are projectively taken up to 1600 K. A film of beta-alumina 3 is applied to the collector 4. In the interelectrode gap there is free oxygen and a small amount of alkali metal, but sufficient to form a monolayer (film electrode) on the electrodes. Oxygen does not combine with sodium (cesium) at temperatures above 800 K, which will ensure that emitter 1 is coated with an alkali metal film. The absence of significant alkaline metal vapor pressure in the TEC volume (very low alkali metal pressure, the area to the left of the minimum Paschen curve) is extremely important for the operation of high-power TEC batteries, since it will increase the operating voltage on the battery due to the high breakdown voltage at low alkali metal vapor pressure . Batteries with a power of more than 50 kW require a voltage of more than 100 V, which cannot be achieved in cesium vapors at a pressure of 1-3 torr; dry insulation is required. The use of alumina and excess oxygen in the TEC makes the TEC insulation layer dry relative to the battery case. The presence of alkaline steam with a pressure near the torus in the TEC requires the introduction of a second layer of dry insulation and radically complicates the TEC battery.

Источники информации
1. Физика и техника полупроводников, т. 28, вып. 10, 1994, с. 1681. Ю.А. Гольдберг "Омический контакт металл-полупроводник A B: методы создания и свойства". Обзор.Sources of information
1. Physics and technology of semiconductors, vol. 28, no. 10, 1994, p. 1681. Yu.A. Goldberg "Ohmic metal-semiconductor contact AB: methods of creation and properties." Overview.

2. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. Под ред. Б.Я.Мойжеса и Г.Е.Пикуса. М. Наука, 1973. 2. Thermionic converters and low temperature plasma. Ed. B.Ya. Moyges and G.E.Pikus. M. Science, 1973.

3. П.В.Ковтуненко Физическая химия твердого тела. Кристаллы с дефектами. М. Высшая школа, 1993, с. 72. 3. PV Kovtunenko Physical chemistry of a solid. Defective crystals. M. Higher School, 1993, p. 72.

4. Термины и символы по термоэмиссионному преобразованию энергии (перевод с англ.) МАГАТЭ, Вена, 1973, с. 39. 4. Terms and symbols for thermionic energy conversion (translation from English) IAEA, Vienna, 1973, p. 39.

Claims

1. Thermionic converter containing multilayer electrodes, characterized in that at least one layer is made of a hole semiconductor.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the layer of hole semiconductor is located on the surface of the emitter facing the collector.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the layer of hole semiconductor is located on the surface of the collector facing the emitter.

4. The Converter according to claim 1, characterized in that a layer of a conductor is deposited on the semiconductor layer with the electron work function less than the work function of the hole conductor with a thickness less than the Debye radius of the conductor.