RU2477543C1 - Multielement thermionic emission electrogenerating channel - Google Patents
Multielement thermionic emission electrogenerating channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2477543C1 RU2477543C1 RU2011140215/07A RU2011140215A RU2477543C1 RU 2477543 C1 RU2477543 C1 RU 2477543C1 RU 2011140215/07 A RU2011140215/07 A RU 2011140215/07A RU 2011140215 A RU2011140215 A RU 2011140215A RU 2477543 C1 RU2477543 C1 RU 2477543C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- emission
- cesium
- thermionic
- channel
- Prior art date
Links
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании ядерных энергетических установок с многоэлементными термоэмиссионными электрогенерирующими каналами, предназначенными, например, для энергопитания космических аппаратов.The invention relates to a thermionic method of converting thermal energy into electrical energy and can be used to create nuclear power plants with multi-element thermionic emission electric generating channels intended, for example, for power supply of spacecraft.
Наиболее распространена конструкция электрогенерирующих сборок (ЭГС) с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ). В общем случае они представляют собой корпус в виде металлической несущей трубки, общей коллекторной изолирующей трубки из керамики и установленных внутри корпуса последовательно соединенных коммутационными перемычками электрогенерирующих элементов - диодов, включающих эмиттер и коллектор. В межэлектродный зазор диодов подают рабочее тело, например цезий. Основной проблемой создания таких ЭГС является обеспечение длительного ресурса работы (см. патенты РФ №2195741, 2223571, 2160481).The most common design of power generating assemblies (EHS) with series-connected power generating elements (EGE). In the general case, they are a casing in the form of a metal carrier tube, a common ceramic collector insulating tube, and electric-generating elements, diodes, including an emitter and a collector, connected in series by jumper wires installed inside the casing. In the interelectrode gap of the diodes serves a working fluid, for example cesium. The main problem of creating such an EHS is to ensure a long service life (see RF patents No. 2195741, 2223571, 2160481).
Известны термоэмиссионные преобразователи, содержащие в вакуумном объеме эмиттер, выполненный из тугоплавкого металла (например, вольфрама), и металлический коллектор, установленные друг против друга на расстоянии 0,1-0,5 мм, металлокерамический переходник и источник пара рабочего тела, например цезия. В работах (И.П.Стаханов, А.С.Степанов, В.П.Пащенко, Ю.К.Гуськов. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии. М.: Атомиздат, 1968. Ф.Г.Бакшт, Г.А.Дюжев, А.М.Марциновский и др. / Под редакцией Б.Я.Мойжеса и Г.Е.Пикуса. М.: Наука, 1973) подробно изложены физические основы работы термоэмиссионных преобразователей, режимы и особенности низковольтной цезиевой дуги, возникающей в межэлектродном зазоре преобразователя.Known thermionic converters containing in an vacuum volume an emitter made of refractory metal (for example, tungsten), and a metal collector mounted against each other at a distance of 0.1-0.5 mm, a ceramic-metal adapter and a source of steam of the working fluid, for example cesium. In the works (I.P. Stakhanov, A.S. Stepanov, V.P. Pashchenko, Yu.K. Guskov. Plasma thermionic energy conversion. Moscow: Atomizdat, 1968. F.G. Baksht, G.A. Dyuzhev , A.M. Martsinovsky et al. / Edited by B.Ya. Moizhes and G.E.Pikus. M .: Nauka, 1973) the physical principles of the operation of thermionic converters, the modes and features of the low-voltage cesium arc arising in the interelectrode gap are described in detail. transducer.
В таких устройствах преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности эмиттера, нагретого до высоких (1500-2000 К) температур.In such devices, the conversion of thermal energy into electrical energy is carried out due to thermionic emission from the surface of the emitter, heated to high (1500-2000 K) temperatures.
Термоэлектронная эмиссия электронов с рабочей поверхности эмиттера в вакуумный межэлектродный зазор определяется формулой Ричардсона-Дэшмана:Thermoelectronic emission of electrons from the working surface of the emitter into the vacuum interelectrode gap is determined by the Richardson-Dashman formula:
J=AT2e-(φ/kT),J = AT 2 e - (φ / kT) ,
где J - плотность тока с эмиттера. А/см2, Т - температура, K, φ - работа выхода материала эмиттера, k - постоянная Больцмана. А - постоянная Ричардсона, равная 120 А·см-2 град-2.where J is the current density from the emitter. A / cm 2 , T - temperature, K, φ - work function of the emitter material, k - Boltzmann constant. And - Richardson's constant, equal to 120 A · cm -2 deg -2 .
В случае термоэлектронной эмиссии электроны попадают в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя, преодолевая потенциальный барьер на границе металл-вакуум.In the case of thermionic emission, electrons enter the interelectrode gap of the thermionic converter, overcoming the potential barrier at the metal-vacuum interface.
Термоэмиссионный преобразователь работает следующим образом. Первоначально устанавливаются рабочие температуры эмиттера в интервале 1500-2000 К, коллектора в интервале 700-1000 К, далее в межэлектродный зазор подаются пары рабочего тела (цезия) до давления 10-700 Па. Атомы цезия, адсорбируясь на поверхности электродов, снижают работу выхода электродов, а также, ионизируясь в межэлектродном промежутке за счет ударной или поверхностной ионизации, компенсируют возникающий в межэлектродном промежутке отрицательный электронный заряд, благодаря которому осуществляется эффективная электронная проводимость с эмиттера на коллектор.Thermionic Converter operates as follows. Initially, the working temperatures of the emitter are set in the range of 1500-2000 K, the collector in the range of 700-1000 K, then the working fluid (cesium) vapor is fed into the interelectrode gap to a pressure of 10-700 Pa. Cesium atoms, adsorbed on the surface of the electrodes, reduce the work function of the electrodes, and also, being ionized in the interelectrode gap due to impact or surface ionization, compensate for the negative electron charge arising in the interelectrode gap, due to which the effective electronic conductivity from the emitter to the collector is realized.
Недостатком термоэмиссионных преобразователей является недостаточная эффективность в области низких температур 1500 К и ниже вследствие недостаточной эмиссии с поверхности эмиттера электронного тока.The disadvantage of thermionic converters is the lack of efficiency at low temperatures of 1500 K and lower due to insufficient emission from the surface of the emitter of electronic current.
С целью повышения эффективности отдельные термоэмиссионные элементы (диоды) соединяются в многоэлементную последовательную цепочку, что позволяет в результате повышения выходного рабочего напряжения и соответственно снижения приборных потерь повысить выходную электрическую мощность термоэмиссионного электрогенерирующего канала.In order to increase the efficiency, individual thermionic elements (diodes) are connected in a multi-element series circuit, which allows increasing the output electric power of the thermionic electricity generating channel as a result of increasing the output operating voltage and, accordingly, decreasing instrument losses.
Наиболее близким прототипом является многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал (см. Ponomarev-Stepnoi N.N., Nikolaev Yu. V. et al. «COMPERATIVE ANALYSIS OF SINGLE-CELL AND MULTI-CELL OF THERMIONIC NPS», Proceedings of the 10th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, M. El-Genk ed., American Institute of Physics, NM, AIP Conference Proc., No. 271, Part Three, pp.1347-1353).The closest prototype is a multi-element thermionic electricity generating channel (see Ponomarev-Stepnoi NN, Nikolaev Yu. V. et al. "COMPERATIVE ANALYSIS OF SINGLE-CELL AND MULTI-CELL OF THERMIONIC NPS", Proceedings of the 10 th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, M. El-Genk ed., American Institute of Physics, NM, AIP Conference Proc., No. 271, Part Three, pp. 1347-1353).
В этой работе описан многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал, содержащий в вакуумном объеме последовательно соединенные элементарные термоэмиссионные элементы (диоды), содержащие эмиттер, выполненный из монокристалла вольфрама, коллектора из молибдена, установленных друг против друга на расстоянии 0,5 мм, металлокерамический переходник и резервуар с источником пара цезия.This work describes a multi-element thermionic emission channel containing in the vacuum volume series-connected elementary thermionic emission elements (diodes) containing an emitter made of tungsten single crystal, a molybdenum collector mounted against each other at a distance of 0.5 mm, a ceramic-metal adapter and a reservoir with source of cesium vapor.
Недостатком термоэмиссионных преобразователей является недостаточная эффективность в области низких температур 1500 К и ниже вследствие недостаточной эмиссии с поверхности эмиттера электронного тока.The disadvantage of thermionic converters is the lack of efficiency at low temperatures of 1500 K and lower due to insufficient emission from the surface of the emitter of electronic current.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение эффективности устройства, в том числе в области низких рабочих температур, что приведет к увеличению ресурса работы устройства за счет конструктивного выполнения эмиттера, которое позволит дополнительно к термолектронной эмиссии использовать термотуннельную эмиссию.The technical result, which the invention is directed to, is to increase the efficiency of the device, including in the field of low operating temperatures, which will lead to an increase in the resource of the device due to the constructive design of the emitter, which, in addition to thermoelectronic emission, allows the use of thermal tunnel emission.
Для этого предложен многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал, содержащий последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек электрогенерирующие элементы, каждый из которых состоит из расположенных напротив друг друга цилиндрических эмиттера и коллектора, общие для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию и корпус, соединенный с резервуаром для подачи паров рабочего тела в межэлектродный зазор, при этом эмиттеры выполнены из коаксиально расположенных слоев из двух материалов - тугоплавкого металла и ориентированного пиролитического графита, интеркалированного атомами бария или цезия, С-ось которого перпендикулярна к рабочей поверхности эмиттера, а число электрогенерирующих элементов выбирают таким, чтобы обеспечить выходное рабочее напряжение канала 3-10 вольт.For this purpose, a multi-element thermionic electric power generating channel is proposed, which contains power-generating elements connected in series by means of switching jumpers, each of which consists of cylindrical emitters and collectors located opposite each other, common to all electric-generating elements, collector insulation and a housing connected to the reservoir for supplying the working fluid vapor into the interelectrode gap, while the emitters are made of coaxially arranged layers of two materials - refractory vkogo metal and oriented pyrolytic graphite intercalated atoms barium or cesium, the C-axis which is perpendicular to the working surface of the emitter, and the number of electricity generating elements is selected such as to provide the channel output operating voltage of 3-10 volts.
При этом число электрогенерирующих элементов составляет 3-10.The number of power generating elements is 3-10.
При этом в качестве тугоплавкого металла эмиттера используют вольфрам.In this case, tungsten is used as a refractory metal emitter.
Принцип работы канала заключается в следующем. Рабочая эмиссионная поверхность эмиттера формируется из двух частей в разных пропорциях, которые работают на разных физических принципах. Одна часть эмиттера состоит из тугоплавкого металла (например, вольфрама), а вторая часть выполнена из ориентированного пиролитического графита, интеркалированного барием или щелочным металлом (например, цезием) и расположенного перпендикулярно к эмиссионной поверхности эмиттера. Расположение этих частей может быть различным. Эмиттер может быть составлен из чередующихся коаксиальных слоев, графит может заполнять центральную часть эмиттера и т.д. Электрогенерирующие элементы (диоды) соединяются в последовательную многоэлементную цепочку до набора выходного напряжения на электродах канала в 3-10 вольт, при котором термотуннельный эмиссионный механизм начинает эффективно испускать электроны сквозь потенциальный барьер.The principle of the channel is as follows. The working emission surface of the emitter is formed of two parts in different proportions, which operate on different physical principles. One part of the emitter consists of a refractory metal (for example, tungsten), and the second part is made of oriented pyrolytic graphite intercalated with barium or an alkali metal (for example, cesium) and located perpendicular to the emitter surface. The location of these parts may be different. The emitter can be composed of alternating coaxial layers, graphite can fill the central part of the emitter, etc. The power generating elements (diodes) are connected in series to a multi-element circuit until the output voltage on the channel electrodes is 3-10 volts, at which the thermal tunneling emission mechanism begins to efficiently emit electrons through the potential barrier.
При подаче на электроды термоэмиссионного канала внешнего небольшого перепада электрического потенциала до 10 вольт на той части рабочей поверхности эмиттера, которая представляет собой боковую поверхность графена, в связи с ультрамалым размером острия на боковой поверхности графена, покрытого, например, барием 4·10-7 см (40 ангстрем), возникает электрическое поле высокой напряженности (106 В/см и выше). Под действием поля высокой напряженности в межэлектродном зазоре преобразователя происходит испускание электронов из графита (боковой поверхности графенов), интеркалированных барием или щелочным металлом (цезием), так называемая автоэлектронная эмиссия, механизмом которой является квантомеханическое туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер на границе графен - низковольтная цезиевая плазма.When an external small difference in electrical potential of up to 10 volts is applied to the electrodes of the thermionic channel, on that part of the emitter's working surface, which is the lateral surface of graphene, due to the ultra-small size of the tip on the lateral surface of graphene, covered, for example, with barium 4 · 10 -7 cm (40 angstroms), an electric field of high tension arises (10 6 V / cm and above). Under the action of a field of high tension in the interelectrode gap of the converter, electrons are emitted from graphite (graphene lateral surface) intercalated by barium or alkali metal (cesium), the so-called field emission, the mechanism of which is quantum-mechanical electron tunneling through a potential barrier at the graphene - low-voltage cesium plasma interface .
Известны работы, которые подтверждают такой механизм работы и возможность получения высоких плотностей электронного тока в аналогичных условиях работы (см. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993 г., - стр.230; Макаров А.Н., Лям А.Л., Баранов Г.Д. Эмиттер на основе цезированного графита, Журн. техн. физики, 1977, Т.47, Вып.12, с.2522-2525; Каландаришвили А.Г., Кашия В.Г. Исследование плазменного диода с эмиттером из барированного графита. Журн. техн. физики, 1991, Т.61, Вып.4, с.190-193).There are works that confirm such a mechanism of operation and the possibility of obtaining high electron current densities under similar operating conditions (see Kalandarishvili A.G. Sources of a working fluid for thermionic energy converters. - 2nd edition, add. - M .: Energoatomizdat, 1993 g., - p. 230; Makarov A.N., Lyam A.L., Baranov G.D. Emitter based on cesium graphite, Journal of Technical Physics, 1977, V.47, Issue 12, p. 2522 -2525; Kalandarishvili A.G., Kashia V.G. Investigation of a plasma diode with a bar graphite emitter.Journal of Technical Physics, 1991, V. 61, Issue. 4, p. 190-193).
В этих работах было показано, что поверхность эмиттера из ориентированного пиролитического графита, интеркалированного барием или цезием вдоль оси А, обладает высокой эмиссионной способностью (около 30…75 А/см2) при температуре 900…1500 К, когда на электроды диода приложено напряжение до 10 вольт.In these works, it was shown that the surface of an emitter of oriented pyrolytic graphite intercalated with barium or cesium along axis A has a high emissivity (about 30 ... 75 A / cm 2 ) at a temperature of 900 ... 1500 K, when a voltage of up to 10 volts.
Механизм электронной эмиссии из эмиттера, выполненного из ориентированного пиролитического графита перпендикулярно оси С и интеркалированного атомами бария или цезия, связан с тем, что каждая углеродная сетка графита оказывается полностью покрытой монослоем ионов бария или цезия. Эти элементы выбраны нами, т.к. атомы цезия обладают наименьшим потенциалом ионизации - 3,89 вольт, а барий имеет высокую энергию десорбции из графита. В связи с малым радиусом изгиба острия графитовой сетки вокруг острия образуется высокое электрическое поле с напряженностью около 107 В/см. Когда межэлектродный зазор заполняется парами цезия и на электроды от внешнего источника подается напряжение около 10 вольт, в межэлектродном зазоре образуется низковольтная цезиевая дуга, и у эмиттера образуется двойной электрический слой, к которому приложена напряженность около 107 В/см, что приводит к высокой плотности электронного тока (около 30…75 А/см2) за счет автоэлектронной эмиссии с поверхности графита, интеркалированного добавками бария или цезия.The mechanism of electron emission from an emitter made of oriented pyrolytic graphite perpendicular to the C axis and intercalated by barium or cesium atoms is due to the fact that each carbon network of graphite is completely covered by a monolayer of barium or cesium ions. These items are selected by us, as cesium atoms have the lowest ionization potential - 3.89 volts, and barium has a high desorption energy from graphite. Due to the small bending radius of the tip of the graphite network, a high electric field with an intensity of about 10 7 V / cm is formed around the tip. When the interelectrode gap is filled with cesium vapor and a voltage of about 10 volts is applied to the electrodes from an external source, a low-voltage cesium arc forms in the interelectrode gap, and a double electric layer is formed at the emitter, to which a voltage of about 10 7 V / cm is applied, which leads to a high density electron current (about 30 ... 75 A / cm 2 ) due to field emission from the surface of graphite intercalated by barium or cesium additives.
При автоэлектронной эмиссии, механизмом которой является термотуннельная эмиссия, отсутствуют энергетические затраты на возбуждение электронов, свойственные другим видам эмиссии. Электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем. Электронная волна (волны де Бройля), встречая на пути потенциальный барьер, частично отражается и частично проходит сквозь него. По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенциального барьера над уровнем Ферми и одновременно уменьшается ширина барьера. В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т.н. прозрачность барьера (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соответственно плотность тока термотуннельной эмиссии.During field emission, the mechanism of which is thermotunnel emission, there are no energy costs for the excitation of electrons characteristic of other types of emission. Electrons overcome a potential barrier at the emitter’s boundary, not passing above it due to the kinetic energy of thermal motion, as in thermionic emission, but by tunneling through a barrier that is reduced and narrowed by an electric field. An electron wave (de Broglie waves), encountering a potential barrier on the path, partially reflects and partially passes through it. As the external accelerating field increases, the height of the potential barrier decreases above the Fermi level and, at the same time, the width of the barrier decreases. As a result, the number of electrons seeping per unit time through the barrier increases, so-called the transparency of the barrier (the ratio of the number of electrons passing through the barrier to the total number of electrons incident on the barrier) and, accordingly, the current density of thermotunnel emission.
Характерные свойства автоэлектронной эмиссии - высокие плотности тока j (до 1010 А/см2) и экспоненциальная зависимость j от напряженности электрического поля и величины работы выхода. Автоэлектронная эмиссия слабо зависит от температуры, с ростом температуры Т эмиссия пропорциональна Т2. С дальнейшим ростом Т и понижением Е-напряженности электрического поля у поверхности эмиттера т.н. термоавтоэлектронная эмиссия переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем за счет Шоттки-эффекта.The characteristic properties of field emission are high current densities j (up to 10 10 A / cm 2 ) and the exponential dependence of j on the electric field strength and the magnitude of the work function. Autoelectronic emission is weakly dependent on temperature, with increasing temperature T emission is proportional to T 2 . With a further increase in T and a decrease in the E-electric field strength at the emitter surface, the so-called thermoelectronic emission goes into thermionic emission enhanced by the field due to the Schottky effect.
Автоэлектронная эмиссия из металлов в вакуум следует т.н. закону Фаулера-Нордхейма:Field emission from metals to vacuum follows the so-called Fowler-Nordheim law:
J=C1E2exp(-C2/E),J = C 1 E 2 exp (-C 2 / E),
где C1 и С2 - коэффициенты, зависящие от величины потенциала работы выхода электронов.where C 1 and C 2 are coefficients depending on the magnitude of the electron work function.
По экспериментальным данным по термотуннельной эмиссии критическое напряжение при токах около 30…100 А/см2 находится в интервале около 3…10 вольт. Поэтому для получения таких величин выходного напряжения достаточно последовательной многоэлементной сборки из 3-10 таких термоэмиссионных элементов (диодов).According to experimental data on thermotunnel emission, the critical voltage at currents of about 30 ... 100 A / cm 2 is in the range of about 3 ... 10 volts. Therefore, to obtain such values of the output voltage, a sequential multi-element assembly of 3-10 such thermionic elements (diodes) is sufficient.
Соотношение рабочих поверхностей эмиттера, выполненных из тугоплавкого металла и графита, выбирается таким образом, чтобы комбинация электрических и тепловых свойств межэлектродного зазора, в котором возникает низковольтная цезиевая дуга, обеспечивала бы оптимальные характеристики устройства.The ratio of the working surfaces of the emitter made of refractory metal and graphite is chosen in such a way that the combination of electrical and thermal properties of the interelectrode gap, in which a low-voltage cesium arc arises, ensures optimal characteristics of the device.
На фиг.1 показана схема выполнения многоэлементного термоэмиссионного электрогенерирующего канала, гдеIn Fig.1 shows a diagram of a multi-element thermionic power generating channel, where
1. Вакуумный рабочий объем.1. Vacuum displacement.
2. Металлическая часть эмиттера, выполненная, например, из вольфрама.2. The metal part of the emitter, made, for example, of tungsten.
3. Органическая часть эмиттера, выполненная из ориентированного пиролитического графита, интеркалированного атомами бария или щелочного металла (например, цезия), С-ось которого перпендикулярна к эмиссионной рабочей поверхности электрогенерирующего элемента (диода).3. The organic part of the emitter made of oriented pyrolytic graphite intercalated by barium or alkali metal atoms (for example, cesium), the C-axis of which is perpendicular to the emission working surface of the generating element (diode).
4. Металлический коллектор.4. Metal collector.
5. Коммутационная перемычка между отдельными электрогенерирующими элементами (диодами).5. Switching jumper between separate power generating elements (diodes).
6. Резистивная нагрузка.6. Resistive load.
7. Металлокерамический переходник.7. Ceramic-metal adapter.
8. Коллекторная изоляция.8. Collector insulation.
9. Металлический корпус.9. The metal case.
10. Резервуар рабочего тела, например цезия.10. The reservoir of the working fluid, for example cesium.
11. Электрический нагреватель.11. Electric heater.
12. Межэлектродный зазор.12. Interelectrode gap.
13. Металлокерамический переходник. 13. Metal-ceramic adapter.
Многоэлементный термоэмиссионный преобразователь представляет собой металлический корпус 9, внутри которого расположена керамическая коллекторная изоляция 8 и установленные напротив друг друга на расстоянии 0,1-0,5 мм эмиттеры и коллекторы 4, составляющие электрогенерирующие элементы - диоды, последовательно соединенные между собой коммутирующими перемычками 5. Эмиттер выполнен составным из тугоплавкого металла, например вольфрама 2, и из ориентированного пиролитического графита, интеркалированного атомами бария или щелочного металла (например, цезия), С-ось которого перпендикулярна к эмиссионной рабочей поверхности электрогенерирующего элемента 3. На фигуре показан вариант выполнения центральной части эмиттера из графита. Расположение частей 2 и 3 может быть различным, эмиттер может представлять собой чередующиеся слои 2 и 3, слой 3 может быть внешним. Соотношение рабочих поверхностей эмиттера из разных материалов определяется исходя из получения оптимальных выходных параметров устройства. Вакуумный объем канала 1 соединен с резервуаром рабочего тела, например цезия 10.A multi-element thermionic converter is a metal case 9, inside of which there is a ceramic collector insulation 8 and emitters and collectors 4, which are installed opposite to each other at a distance of 0.1-0.5 mm, that make up the power generating elements - diodes, connected in series by switching jumpers 5. The emitter is made of composite of refractory metal, for example tungsten 2, and of oriented pyrolytic graphite intercalated by barium or alkali metal atoms (for example, cesium), the C-axis of which is perpendicular to the emission working surface of the electricity generating element 3. The figure shows an embodiment of the central part of the emitter of graphite. The arrangement of parts 2 and 3 may be different, the emitter may be alternating layers 2 and 3, layer 3 may be external. The ratio of the working surfaces of the emitter from different materials is determined on the basis of obtaining the optimal output parameters of the device. The vacuum volume of the channel 1 is connected to the reservoir of the working fluid, for example cesium 10.
Многоэлементный термоэмиссионный преобразователь, который в вакуумном рабочем объеме 1 содержит последовательно соединенные 3-10 термоэмиссионные электрогенерирующие элементы (диоды), работает следующим образом. Первоначально устанавливаются рабочие температуры эмиттеров в интервале 1500-2000 К и коллекторов 4 - 700-1000 К. Далее в межэлектродный зазор 12 подаются пары рабочего тела - цезия из резервуара 10 до давления 10-700 Па путем нагрева с помощью электрического нагревателя 11. Атомы цезия, адсорбируясь на поверхности электродов, снижают работу выхода электронов, а также, ионизируясь в межэлектродном зазоре 12 за счет ударной или поверхностной ионизации, компенсируют возникающий в межэлектродном зазоре отрицательный электронный заряд, благодаря которому осуществляется эффективная электронная проводимость с эмиттера на коллектор. Электронный ток через металлокерамические переходники 7 и 13, соединенные соответственно с коллектором и эмиттером, подается на полезную нагрузку 6.A multi-element thermionic converter, which in the vacuum working volume 1 contains 3-10 series-connected thermionic electric generating elements (diodes), works as follows. Initially, the operating temperatures of the emitters are set in the range of 1500-2000 K and collectors 4 - 700-1000 K. Next, pairs of the working fluid — cesium from tank 10 to a pressure of 10–700 Pa are supplied to the interelectrode gap 12 by heating with an electric heater 11. Cesium atoms being adsorbed on the surface of the electrodes, they reduce the electron work function, as well as being ionized in the interelectrode gap 12 due to impact or surface ionization, they compensate for the negative electron charge arising in the interelectrode gap, due to which suschestvlyaetsya effective electron conduction from the emitter to the collector. Electronic current through ceramic-metal adapters 7 and 13, respectively connected to the collector and emitter, is supplied to the payload 6.
В этих условиях в межэлектродном зазоре поджигается низковольтная цезиевая дуга, а эмиссионный ток через преобразователь будет состоять из двух составляющих:Under these conditions, a low-voltage cesium arc is ignited in the interelectrode gap, and the emission current through the converter will consist of two components:
I=IТЭ+ITT,I = I TE + I TT ,
где IТЭ - электронный ток, связанный с эмиссией электронов из металлической части эмиттера, которая покрыта атомами цезия, ITT - электронный ток, связанный с термотуннельной эмиссией с поверхности интеркалированного барием или цезием графита в результате туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер.where I TE is the electron current associated with the emission of electrons from the metal part of the emitter, which is coated with cesium atoms, I TT is the electron current associated with thermotunnel emission from the surface of graphite intercalated by barium or cesium as a result of electron tunneling through the potential barrier.
При подаче на электроды разности потенциала до 10 вольт и при наличии в межэлектродном зазоре низкотемпературной цезиевой плазмы в приэмиттерном двойном электрическом слое вблизи поверхности графеновых слоев генерируется напряженность поля 105-107 В/см, что позволяет реализовать автоэлектронную эмиссию, механизмом которой является квантомеханическое туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер.When a potential difference of up to 10 volts is applied to the electrodes and if there is a low-temperature cesium plasma in the interelectrode gap in the emitter double electric layer near the surface of graphene layers, a field strength of 10 5 -10 7 V / cm is generated, which allows for field emission, the mechanism of which is quantum-mechanical tunneling electrons through a potential barrier.
Такой многоэлементный термоэмиссионный преобразователь позволяет существенно повысить эффективность преобразования.Such a multi-element thermionic converter can significantly increase the conversion efficiency.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011140215/07A RU2477543C1 (en) | 2011-10-04 | 2011-10-04 | Multielement thermionic emission electrogenerating channel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011140215/07A RU2477543C1 (en) | 2011-10-04 | 2011-10-04 | Multielement thermionic emission electrogenerating channel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2477543C1 true RU2477543C1 (en) | 2013-03-10 |
Family
ID=49124292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011140215/07A RU2477543C1 (en) | 2011-10-04 | 2011-10-04 | Multielement thermionic emission electrogenerating channel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2477543C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652241C1 (en) * | 2017-07-31 | 2018-04-25 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Power generating system |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5994638A (en) * | 1996-12-19 | 1999-11-30 | Borealis Technical Limited | Method and apparatus for thermionic generator |
| RU2149478C1 (en) * | 1999-04-13 | 2000-05-20 | Аристова Ирина Яковлевна | Thermionic cathode |
| RU2195741C2 (en) * | 2000-10-30 | 2002-12-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Thermionic power-generating assembly with electrodes of flat cylindrical configuration |
| JP2007037318A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Daikin Ind Ltd | Thermoelectronic power generating element |
| WO2008016344A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Vanderbilt University | Thermionic emitting metal intercalated graphitic nanofibers |
| RU107398U1 (en) * | 2011-05-19 | 2011-08-10 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | PLASMA DIODE |
-
2011
- 2011-10-04 RU RU2011140215/07A patent/RU2477543C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5994638A (en) * | 1996-12-19 | 1999-11-30 | Borealis Technical Limited | Method and apparatus for thermionic generator |
| RU2149478C1 (en) * | 1999-04-13 | 2000-05-20 | Аристова Ирина Яковлевна | Thermionic cathode |
| RU2195741C2 (en) * | 2000-10-30 | 2002-12-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Thermionic power-generating assembly with electrodes of flat cylindrical configuration |
| JP2007037318A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Daikin Ind Ltd | Thermoelectronic power generating element |
| WO2008016344A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Vanderbilt University | Thermionic emitting metal intercalated graphitic nanofibers |
| RU107398U1 (en) * | 2011-05-19 | 2011-08-10 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | PLASMA DIODE |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ponomarev-Stepnoi N.N., et al. «COMPERATIVE ANALYSIS OF SINGLE-CELL AND MULTI-CELL OF THERMIONIC NPS», Proceedings of the 10 th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, M. El-Genk ed., American Institute of Physics, NM, AIP Conference Proc., No. 271, Part Three, pp.1347-1353). * |
| Ponomarev-Stepnoi N.N., et al. «COMPERATIVE ANALYSIS OF SINGLE-CELL AND MULTI-CELL OF THERMIONIC NPS», Proceedings of the 10Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, M. El-Genk ed., American Institute of Physics, NM, AIP Conference Proc., No. 271, Part Three, pp.1347-1353). * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652241C1 (en) * | 2017-07-31 | 2018-04-25 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Power generating system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Go et al. | Thermionic energy conversion in the twenty-first century: advances and opportunities for space and terrestrial applications | |
| US9865789B2 (en) | Device and method for thermoelectronic energy conversion | |
| Jeong et al. | A digital miniature x-ray tube with a high-density triode carbon nanotube field emitter | |
| KR100789592B1 (en) | Soft x-ray tube with field emission cold cathode by using carbon nano tube | |
| US20200312601A1 (en) | Mbfex tube | |
| Svensson et al. | Semiconducting low‐pressure, low‐temperature cesium plasma with unidirectional conduction | |
| CN102420088A (en) | Back-grid-type grid-controlled cold-cathode X-ray tube | |
| RU2477543C1 (en) | Multielement thermionic emission electrogenerating channel | |
| US20240062921A1 (en) | Structured Plasma Cell Energy Converter For A Nuclear Reactor | |
| EP3007199A1 (en) | Electron tube device | |
| US3155849A (en) | Thermionic converter | |
| US20090174282A1 (en) | Linear Acceleration Electricity Generating Apparatus | |
| EP2023477A1 (en) | Field emission power generator | |
| Ben-Zvi et al. | Secondary emission enhanced photoinjector | |
| RU2479886C1 (en) | Heat treatment tube converter | |
| RU2680823C1 (en) | Electronic sealed-off gun for electrons flow output into the atmosphere or other gas medium | |
| JP2017143011A (en) | Electron emitting element | |
| Xun et al. | Characteristics of a velvet cathode under high repetition rate pulse operation | |
| US3157802A (en) | Thermionic energy converter | |
| US3278768A (en) | Thermionic energy converter | |
| RU117710U1 (en) | PLASMA DIODE | |
| US3274404A (en) | Electron tubes and methods of operation thereof for energy conversion | |
| Alkasim et al. | Maximum conversion efficiency of thermionic heat to electricity converters using pure tungsten as the emitter: A theoretical review | |
| Abubakar | Department of Physics, Modibbo Adama University of Technology, Yola Nigeria | |
| Rahman et al. | Designing Micro-gap Thermionic Energy Harvesters |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201005 |