ВВЕДЕНИЕ

Открытая Эдисоном в 1885 г. термоэлектронная эмиссия наш. і широкое практическое применение лишь в XX столетии, и первый термоэмиссн ный преобразователь тепловой энергии в электрическую был продемонстрирс 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, позволит решить проблему, связанную с отрицательным пространственным зарядом в свою очередь создало дополнительные трудности. Возникла необходимость и. 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 закл 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 обсужлс их в этой книге. Для тех читателей, которые хотят более подробно ознакомит! с работой плазменных диодов, особенно в практически наиболее важном дугой*, режиме, можно рекомендовать обратиться к специальной литературе.

Поясним некоторую используемую в дальнейшем терминологию. Обыч 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 условн

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 з 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 чи мают в ней значительное место. Термоэмиссионная электроника является X новой радиоламп, используемых в большинстве мощных радио - и телепере - лтчиков, электронно-лучевых трубок, применяемых в осциллографах, в теле - ! знойных и компьютерных мониторах. На смену электронно-лучевым трубкам степенно приходят другие устройства, обладающие более высоким разрешени-

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

Большинство классических термоэмиссионных устройств относилось к ка­лории вакуумных приборов, в которых электроны распространяются в ваку - . Тем не менее порой использовались плазменные устройства, например, улярный когда-то ртутный вентиль (выпрямитель). Вакуумные устройства 'еживают 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 атением автоэлектронной эмиссии.

Говоря упрощенно, термоэмиссионный преобразователь — это тепловая ма­ла, 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 хода электрона с поверхности металла или полупроводника, называется рабо - выхода. Отношение работы выхода к заряду электрона определяет потенциал іпряжение), 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 мол включать в себя нагрузочное сопротивление RL (рис. 6.1), через которое прош ток I. Падение напряжения во внешней непи приводит к появлению электриче 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.

Колле КТ ' (поглотитель

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 промсжу может быть введен положительный ионный газ. К сожалению, это вызывает полнительные потери из-за электрон-ионных соударений.

Хотя термоэмиссионные преобразователи являются тепловыми машинам и их коэффициент полезного действия ограничен КПД никла 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);

3) 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.

Для лучшего понимания принципов работы термоэмиссионных устройств по - v іно отдельно рассмотреть два основных пропесса, а именно: тепловую эмиссию

..тронов с поверхности твердого тела и перенос эмитированных электронов