СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕПЛООТВОДА ОТ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК H01J35/12 

Изобретение относится к методам интенсификации теплообмена поверхности конструктивного элемента, нагреваемой концентрированным потоком энергии, с внешней средой, служит для обеспечения работоспособности тугоплавких электропроводящих материалов при воздействии на их поверхность лазерного излучения или высокоэнергетичных потоков заряженных частиц с плотностью мощности, большей 5˙ 10³ Вт ˙ см^-2, и может быть использовано в исследовательских, технологических и других приборах и установках, например плазменных и лазерных устройствах, генераторах рентгеновского излучения при взаимодействии электронного пучка с неподвижной мишенью-анодом и т.д.

Известные методы отвода тепла от теплонапряженных участков конструкции основаны на традиционных физических механизмах передачи энергии: теплопроводности, конвекции, излучении и их комбинациях. Возможности данных механизмов по величине отводимой плотности мощности весьма ограничены. Так, например, отвод тепла излучением при температуре плавления наиболее тугоплавкого металла (вольфрам) не превышает 3,6 ˙ 10² Вт ˙ см^-2, максимальная плотность мощности, которую можно отвести в стационарном режиме через интенсивно охлаждаемую тонкую медную стенку без ее плавления, составляет 5˙ 10³ Вт˙ см^-2. Для интенсификации традиционных методов отвода тепла используют вибрацию поверхностей теплообмена, специальную физико-химическую обработку поверхности, распределение выделяющегося тепла по большей площади, электростатические поля и т.д. Но эти методы не в состоянии обеспечить качественный скачок в увеличении плотности отводимой мощности. Этот недостаток присущ известным способам осуществления теплоотвода от поверхностей, облучаемых концентрированными потоками энергии, путем излучения с помощью радиатора либо передачи энергии от теплонапряженного элемента конструкции к движущейся охлаждающей среде.

Наиболее близким к изобретению является способ осуществления теплоотвода от поверхности, который заключается в охлаждении поверхности анода рентгеновской трубки, облучаемой пучком электронов, путем прокачки внутри анода охлаждающей среды. Для интенсификации теплопередачи используется электростатическое поле, создаваемое между анодом трубки и дополнительным электродом, помещенным в потоке охладителя. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатки известного способа следующие: не обеспечивается теплоотвод без разрушения анода при воздействии концентрированных потоков энергии с плотностью мощности, большей 5˙ 10³ Вт˙ см^-2; имеет место инерционность теплоотвода, так как передача тепла от облучаемой поверхности к охладителю осуществляется теплопроводностью.

Изобретение направлено на увеличение плотности теплового потока, отводимого от облучаемой поверхности, и устранение инерционности теплоотвода. Техническим результатом, достигаемым при реализации способа, является обеспечение безынерционного теплоотвода от поверхности элемента конструкции без его разрушения при воздействии на поверхность концентрированных потоков энергии с величиной плотности мощности, большей 5 ˙ 10³ Вт˙ см^-2.

Сущность изобретения заключается в том, что в области нагрева поверхности перед воздействием на нее концентрированного потока энергии создают электрическое поле напряженностью, достаточной для инициирования и поддержания электрического разряда при термоавтоэлектронной эмиссии с поверхности нерасходуемого катода, которым служит элемент конструкции с облучаемой поверхностью, поверхностный слой которого выполнен из тугоплавкого электропроводящего материала. Анодом разрядного промежутка служит по меньшей мере один дополнительный электрод, размещенный вблизи облучаемой поверхности. После инициирования разряда определяют плотность мощности эмиссионного охлаждения катода и изменяют параметры разряда таким образом, чтобы плотность мощности эмиссионного охлаждения была не менее чем плотность мощности воздействующего потока энергии, а зона воздействия потока энергии находилась в пределах зоны эмиссии облучаемой поверхности.

Для обеспечения теплоотвода в случае химически активной пары поверхность-окружающая среда в зону разряда подают поток газа, инертного по отношению к материалу, из которого выполнен поверхностный слой элемента конструкции, при рабочей температуре катода.

Для обеспечения теплоотвода в вакууме в качестве эмиссионной поверхности катода используют поверхность, образованную по меньшей мере одним микровыступом.

С целью достижения предельно высоких плотностей отводимой мощности в качестве материала поверхностного слоя элемента конструкции выбирают материал, содержащий эмиссионно-активные компоненты.

В изобретении для осуществления интенсивного теплоотвода от облучаемой поверхности предлагается использовать в качестве его основного физического механизма процесс термоавтоэмиссии электронов с последней, являющейся при этом поверхностью катода в электрическом разряде (т.е. эмиссию при совместном воздействии температуры и электрического поля).

Плотность мощности, отводимой от поверхности эмиттируемыми электронами, определяется зависимостью
q_e= j_e, где W_e' - средняя энергия, отводимая электроном;
j_e - плотность электронного тока;
е - элементарный заряд.

Максимальное значение отношения W_e'/e может быть оценено по выражению
= ϕ + , где ϕ - потенциал выхода электрона;
Т - температура электронного газа (в данном случае температура поверхности);
k - постоянная Больцмана.

Это значение не превышает величины, примерно равной 5 В для всех исследованных и представляющих интерес материалов. Поэтому эмиссионное охлаждение может превалировать над традиционными механизмами теплоотвода в общем случае только при значениях j_e >10³ А˙ см^-2. Такие высокие плотности электронного тока наиболее приемлемым образом может обеспечивать только термоавтоэмиссия и автоэмиссия. Однако при автоэмиссии (низкотемпературная полевая эмиссия) электроны вследствие туннельного прохождения через потенциальный барьер не охлаждают катод. При термоэмиссии (напряженность электрического поля Е=0) значения j_e≈10³ А ˙ см^-2 и соответственно q_e 5 ˙ 10³ Вт ˙ см^-2 являются практически уже труднодостижимыми для существующих материалов (ограничения по температуре плавления, минимальной работе выхода электрона и т.д.).

Плотности электронного тока и мощности эмиссионного охлаждения, большие соответственно 10³ А ˙ см^-2 и 5 ˙ 10³ Вт ˙ см^-2, могут быть получены путем создания у высокотемпературной поверхности катода, выполненного из тугоплавкого материала, электрического поля напряженностью, достаточной для перехода от термоэмиссии к термоавтоэмиссии. Плотность мощности, отводимой от поверхности электронами при термоавтоэмиссии в случае сравнительно невысоких значений Е < 3˙ 10⁶ В˙ см^-1, определяется зависимостью
q_e= + - AT²exp - , где А - постоянная Ричардсона;
ε_o - электрическая постоянная.

Эта формула, где сомножитель в квадратных скобках является плотностью электронного тока, показывает, что q_e практически экспоненциально растет с увеличением Т. Для значений Е > 3 ˙ 10⁶ В˙ см^-1 величина q_e определяется существенно более сложным выражением, но экспоненциальный характер зависимости q_e= f(T) сохраняется. Для сравнения отметим, что плотности мощности, отводимые излучением (q_s ≈T⁴) и теплопроводностью (q_L ≈ ΔT), в существенно меньшей степени зависят от температуры поверхности. Таким образом, в условиях электрического разряда при термоавтоэлектронной эмиссии с поверхности нерасходуемого катода можно осуществлять отвод плотности мощности, большей 5˙ 10³ Вт˙ см^-2 при температуре ниже температуры плавления тугоплавкого катодного материала, причем температура поверхности изменяется незначительно при сильных изменениях q_e. При воздействии на поверхность катода электрического разряда концентрированного потока энергии с плотностью мощности, соизмеримой с плотностью мощности эмиссионного охлаждения катода, температура охлаждаемой поверхности увеличивается незначительно, что обеспечивает работоспособность материала, из которого выполнен облучаемый элемент конструкции.

На фиг.1 показан пример схемы устройства, с помощью которого можно реализовать способ в случае облучения массивных элементов конструкций; на фиг. 2 - в случае облучения потоками частиц тонких (фольговых) конструктивных элементов; на фиг.3 представлена расчетная зависимость температуры охлаждаемой поверхности от плотности на ней разрядного тока для различных величин воздействующей концентрированной плотности мощности.

Устройства для реализации способа (фиг.1 и 2) содержат конструктивный элемент с облучаемой поверхностью 1, анод 2, расположенный вблизи этой поверхности, источник 3 электропитания, подключенный к облучаемому конструктивному элементу, служащему катодом, и аноду. Рабочий объем 4 может быть заполнен газом либо вакуумирован. Анод может быть расположен как перед облучаемой поверхностью (фиг.1), так и с ее обратной стороны (фиг.2, например, при воздействии электронных пучков на фольговые прострельные мишени).

Способ теплоотвода от облучаемой поверхности осуществляется следующим образом.

Перед воздействием концентрированного потока 5 энергии, например лазерного импульса (фиг.1), между облучаемым элементом конструкции и анодом создают разность потенциалов от источника электропитания, который поддерживает инициированный каким-либо образом, например высоковольтным пробоем в газе, электрический разряд 6 при термоавтоэлектронной эмиссии с поверхности нерасходуемого катода. При работе в газовой атмосфере разряд является дуговым и для химически пассивной пары облучаемая поверхность-газ характеризуется стационарной в пространстве привязкой к катоду и малой эрозией последнего (до 10^-10 г ˙ Кл^-1). В случае работы элемента конструкции в атмосфере химически активного газа в зону разряда необходимо подавать поток газа, инертного по отношению к материалу поверхностного слоя элемента, при рабочей температуре катода (например, аргон или гелий для облучаемого вольфрама). Необходимые для интенсивного термоавтоэмиссионного охлаждения поверхности высокие уровни ее температуры (> 2000 К) и напряженности электрического поля в приэлектродном слое (> 10⁵ B˙ см^-1) обеспечиваются ионной компонентой разрядного тока на катоде, т.е. положительно заряженными ионами газа, в котором горит разряд.

При работе элемента конструкции в вакууме, т.е. при отсутствии ионов и соответственно ионной компоненты тока, необходимые уровни температуры поверхности и напряженности электрического поля у последней должны обеспечиваться другими методами. В изобретении это достигается в результате выполнения на охлаждаемом элементе конструкции в зоне воздействия потока энергии микровыступов (поверностей с высокой кривизной), необходимых для получения высокого уровня напряженности электрического поля при допустимых, т. е. не приводящих к пробою межэлектродного промежутка, напряжениях источника электропитания. Высокий уровень температуры поверхности в зависимости от конкретных условий реализации способа может поддерживаться разогревом микровыступов собственно разрядным током либо внешним нагревателем, в качестве которого может служить и воздействие концентрированного потока энергии. В этом случае электрический разряд по существующей классификации не является дуговым (в отличие от предыдущего варианта работы элемаента конструкции в газовой атмосфере), а имеет характер термоавтоэлектронного тока в вакууме.

Существенным параметром, определяющим рабочие характеристики процесса термоавтоэмиссионного охлаждения катодной поверхности и разряда в целом, является температура последней. Для обеспечения работоспособности облучаемого элемента конструкции необходимо выполнять его (по меньшей мере, поверхностный слой) из тугоплавкого электропроводящего материала (например, вольфрам, тантал, цирконий, гофний, графит и т.д.). Для достижения предельно высоких плотностей отводимой мощности материал поверхностного слоя должен содержать эмиссионно-активные компоненты (например, окислы тория, лантана, иттрия, алюминат бария и т.д.).

После инициирования электрического разряда необходимо установить уровень плотности мощности эмиссионного охлаждения катода (охлаждаемой поверхности 1) и размеры зоны эмиссии путем изменения параметров разряда, например, регулированием тока в электрической цепи, напряжения источника электропитания и т.д. Для исключения нарушения устойчивого состояния разрядной системы при внешнем энергетическом воздействии и, следовательно, обеспечения работоспособности охлаждаемой поверхности плотность мощности эмиссионного охлаждения должна быть не менее чем воздействующая плотность мощности, а зона воздействия потока энергии должна находиться в пределах зоны эмисси облучаемой поверхности. Плотность мощности эмиссионного охлаждения и размеры зоны эмиссии можно определить с помощью известных методов измерения работы выхода электрона и плотности тока на катоде. Плотность тока, определяющая плотность мощности эмиссионного охлаждения, может регулироваться в широком диапазоне (10³-10⁸ А ˙ см^-2) выбором материала и геометрии катода, изменением вида и давления среды в рабочем объеме, напряжением источника электропитания. Размеры зоны эмиссии регулируются, как правило, изменением разрядного тока (площадь эмиттирующей поверхности прямо пропорциональна току). Взаимное совмещение продольной оси воздействующего потока энергии с геометрическим центром зоны эмиссии может осуществляться наложением на электрический разряд или высокоэнергетичный поток заряженных частиц поперечного магнитного поля. После установки катодных параметров разряда (разность тока, температура, плотность мощности эмиссионного охлаждения, размеры зоны эмиссии), которые могут быть заранее определены с использованием вышеприведенных зависимостей (см. пример расчета на фиг.3), и взаимного совмещения оси потока энергии с центром зоны эмиссии подготовка системы охлаждения поверхности к работе заканчивается.

Следует отметить, что величина воздействующей плотности мощности в заявленном способе осуществления теплоотвода от поверхности выбирается, как правило, большей 5˙ 10³ Вт ˙ см^-2, так как для отвода меньших плотностей мощности можно использовать традиционные механизмы: теплопроводность, конвекцию, излучение и их комбинации. Температуру катода необходимо устанавливать ниже температуры плавления материала поверхностного слоя элементта конструкции. В результате воздействия концентрированного потока энергии с плотностью мощности, большей 5 ˙ 10³Вт ˙ см^-2, происходит увеличение температуры облучаемой поверхности, однако более интенсивно (практически экспоненциально) растет плотность теплового потока, отводимого от поверхности электронным током. Поэтому температура поверхности элемента конструкции, например, выполненного из вольфрама с добавкой эмиссионно-активных компонентов, остается существенно ниже температуры плавления даже при воздействующей плотности мощности 10⁵ Вт ˙ см^-2.

В качестве примера проведены расчеты температуры Т охлаждаемой поверхности в зависимости от плотности на ней разрядного тока j для различных величин воздействующей концентрированной плотности мощности q. В качестве материала катода (охлаждаемого элемента конструкции) выбран вольфрам с присадкой алюмината бария (eϕ =2 эВ), а газовой среды - гелий при атмосферном давлении. Результаты расчетов представлены на графике Т=f(j, q) (см. фиг. 3), где кривые I, II, III, IV соответствуют значениям q=0, 10³, 10⁴, 10⁵ Вт˙ см^-2. Из графика видно, что в диапазоне q=0-10⁵Вт˙ см^-2 температура поверхности изменяется весьма слабо по сравнению с изменением плотности разрядного тока и соответственно плотности мощности эмиссионного охлаждения (q_e ≈ϕ j). Например, при плотности разрядного тока 10³ А см^-2 (q_e ≈ 2 ˙ 10³ Вт ˙ см^-2) и начальной температуре поверхности 1990 К (кривая I) после воздействия на нее концентрированного потока энергии с плотностью мощности 10³ Вт ˙ см^-2получают увеличение температуры на 20 К (кривая II). При j=9˙ 10⁴ A˙ см^-2 (q_e ≈1,8˙ 10⁵ Вт ˙ см^-2) и начальном значении Т=2665 К (кривая I) после воздействия плотности мощности 10⁵ Вт˙ см^-2 температура поверхности увеличивается на 85 К (кривая IV). Температура охлаждаемой поверхности при энергетическом воздействии остается существенно ниже температуры плавления материала (3650 К). Приведенный пример показывает, что поверхность сохраняет работоспособность (не разрушается) при воздействии на нее концентрированных потоков энергии с плотностью мощности до 10⁵ Вт ˙ см^-2. Экспериментальная проверка, осуществленная путем воздействия лазерного излучения на зону эмиссии вольфрамовых катодов дуговых разрядов в инертных газах (гелий, аргон) также подтвердила реализацию заявленного способа теплоотвода от поверхности.

Следует отметить, что наряду с эмиссионным охлаждением поверхности имеет место дополнительный теплоотвод излучениеми q_s ≈T⁴ и теплопроводностью q_L ≈ ΔT. Эти процессы происходят независимо от эмиссионного охлаждения и безусловно увеличивают отводимый от поверхности тепловой поток.

Энергия, переносимая электронами с поверхности катода на вспомогательный электрод-анод 2, может отводиться от последнего любыми известными методами теплоотвода, в том числе и за счет его испарения (разрушения), так как он не является защищаемым элементом конструкции. Теплоотвод от анода может быть существенно облегчен, и его разрушение устранено путем распределения теплового потока по анодной поверхности, т.е. в результате увеличения площади контакта разряда с анодом по сравнению с облучаемой площадью поверхности катода, которая определяется, например, размером сфокусированного пятна лазерного излучения.

Таким образом, главным преимуществом заявленного способа теплоотвода от поверхности по сравнению с другими известными способами, основанными на традиционных физических механизмах передачи энергии, является обеспечение заданных свойств поверхности элемента конструкции прибора или установки (обеспечение работоспособности) при воздействии на нее концентрированных потоков энергии с плотностью мощности, большей 5 ˙ 10³ Вт ˙ см^-2. Кроме того, заявленный способ обеспечивает безынерционность теплоотвода от поверхности.

Назначение: охлаждение поверхности элементов в плазменных и лазерных устройствах, генераторах рентгеновского излучения и т.д. Сущность изобретения: для обеспечения теплоотвода от поверхности при воздействии на нее концентрированных потоков энергии с плотностью мощности, большей 5·10³ Вт·см^-2, на облучаемой поверхности зажигают электрический разряд при термоавтоэлектронной эмиссии с нерасходуемого катода, которым служит облучаемый элемент конструкции. Безинерционный отвод тепла от облучаемой поверхности осуществляется в результате эмиссионного охлаждения катода. Энергия переносится электронами на вспомогательный электрод-анод, размещенный вблизи облучаемой поверхности. При работе в случае химически активной пары поверхность - окружающая среда в зону разряда подают газ, инертный по отношению к материалу поверхностного слоя облучаемого элемента конструкции, при рабочей температуре катода. При работе в вакууме на облучаемой поверхности выполняют микровыступы. Для достижения предельно высоких плотностей отводимой мощности облучаемый материал содержит эмиссионно-активные компоненты. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕПЛООТВОДА ОТ ПОВЕРХНОСТИ, включающий создание в области нагрева поверхности перед воздействием на нее концентрированного потока энергии электрического поля с помощью по меньшей мере двух электродов, одним из которых служит элемент конструкции с облучаемой поверхностью, поверхностный слой которого выполнен из тугоплавкого материала, и обеспечение теплоотвода, отличающийся тем, что осуществляют дополнительный теплоотвод разрядом, величину напряженности электрического поля выбирают достаточной для инициирования и поддержания разряда при термоавтоэлектронной эмиссии с поверхности облучаемого элемента конструкции, служащего катодом, определяют плотность мощности эмиссионного охлаждения катода и изменяют параметры разряда так, чтобы плотность мощности эмиссионного охлаждения была не меньше, чем плотность мощности воздействующего потока энергии, а зона эмиссии включала в себя зону воздействия потока энергии. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зону разряда подают поток газа, инертного по отношению к материалу поверхностного слоя элемента конструкции при его рабочей температуре. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эмиссионной зоны используют поверхность, образованную по меньшей мере одним микровыступом. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала поверхностного слоя элемента конструкции выбирают материал, содержащий эмиссионно-активные компоненты.