СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ РАБОТЫ ВЫХОДА КОЛЛЕКТОРА МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА Российский патент 1995 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях термоэмиссионных электрогенери- рующих каналов (ЭГК).

Вакуумные работы выхода эмиттера ϕ_e^o и коллектора ϕ_c^o являются важнейшими характеристиками материалов ЭГК. Значения ϕ_e^o и ϕ_c^o необходимо знать для организации режимов вакуумного обезгаживания ЭГК, от правильности которых зависит ресурс ЭГК.

Известен способ определения методом контактной разности потенциалов, одна из разновидностей которого называется методом смещения вольт-амперных характеристик (ВАХ) [1]; Метод заключается в следующем. Собирают вакуумный ТЭП с фиксированным материалом эмиттера с известной ϕ_e^o и эталонным материалом коллектора с известной ϕ_c^o* и коллектором из измеряемого материала. Снимают вакуумные ВАХ (ВВАХ) с одним и другим коллектором. По сдвигу ВВАХ в области задерживающего потенциала и известному значению ϕ_c^o* определяют работу выхода ϕ_c^o измеряемого материала. Этот метод широко распространен при лабораторных исследованиях ТЭП и лабораторных макетов ЭГЭ, однако не может быть использован непосредственно при реакторных испытаниях ЭГК.

В качестве прототипа принимают способ определения при реакторных испытаниях ЭГК [2] . Способ заключается в съеме ВВАХ, определении из наклона ВВАХ в области отрицательных токов сопротивления утечек R_ут, исключения токов утечек из измеренной ВВАХ, перестроении ВВАХ в полу-логарифмическом масштабе (lg I - V), нахождении значения контактной разности потенциалов V_крп и оценке ϕ_c^o из соотношения
ϕ_c^o≥ϕ_e^o - V_крп/n. (1)
Основной недостаток - низкая точность.

Техническим результатом является повышение точности определения ϕ_c^o во время петлевых испытаний ЭГК с одинаковыми ЭГЭ.

Предложен способ определения ϕ_c^o многоэлементного ЭГК, включающий нагрев эмиттера в вакуумном режиме при петлевых испытаниях ЭГК, измерение сопротивления утечек тока и оценку ϕ_c^o. Измеряют плотность теплового потока с эмиттера q, а также ток короткого замыкания I_кз и напряжение холостого хода U_хх, оценивают температуру коллектора Т_с, а оценку ϕ_c^o производят из соотношения
ϕoc

= ϕoэ- - ln , (2) где
ϕoэ = ln ; (3)
T_э= - T; (4)
T_c = Т_нт + R_кп ˙ q, (5) где К - постоянная Больцмана; Т_э - температура эмиттера; е - заряд электрона; А - постоянная Ричардсона; F - поверхность эмиттера одного ЭГЭ; n - число ЭГЭ в ЭГК; R_ут - сопротивление изоляции; ε - приведенная степень черноты, δ - постоянная Стефана-Больцмана; R_кп - термическое сопротивление коллекторного пакета.

Соотношение (2) получено следующим образом. При наличии потенциального барьера, задерживающего электроны, эмиттированные эмиттером, на коллектор проходят лишь электроны, способные преодолеть потенциальный барьер, а ток связан с током эмиссии соотношением
j = I/F = j_эм ˙ ехр (-е V_max/kT_e) , (6) где j_эм - плотность эмиссионного тока,
V_max = ϕ_c^o+v-ϕ_e^o - высота барьера, отсчитанная от потенциала эмиттера, причем V - рабочее напряжение. В реальном ТЭП, каким являются ЭГЭ и ЭГК, в вакуумном режиме неизбежно появление токов утечек I_ут через изоляцию с сопротивлением R_ут = =V/I_ут. Тогда формула (6)
I = j_эмF exp -- , (7)
где I - полный ток ЭГК. Вблизи точки холостого хода U = U_xx и
I = О, откуда получают
- = ln . (8) С учетом, что j_эм ≈ j_кз, вместо jэм ˙ F можно принять полный ток короткого замыкания I_кз и из (8) получают (2).

Способ реализуют следующим образом.

ЭГЭ или ЭГК в составе петлевого канала загружают в ячейку исследовательского реактора, который выводят на уровень нейтронной мощности, необходимой для горячего обезгаживания ЭГК. На каждом промежуточном уровне мощности реактора измеряют плотность теплового потока с эмиттера, например, с помощью калориметров, установленных вне ЭГК. Возможно определение q по результатам испытаний специального макета петлевого канала с моделью ЭГК. По измеренной температуре наружного чехла ЭГК определяют температуру коллектора Т_с. Из уравнения теплового баланса находят температуру эмиттера Т_e. Значения приведенной степени черноты ε электродной пары и термическое сопротивление коллекторного пакета R_кп определяют до начала испытаний экспериментальным путем и во время испытаний считают известными. Снимают ВВАХ, из ее наклона в области отрицательных или положительных токов определяют сопротивление изоляции
R_ут= (9) где U, U₂ и I₁, I₂ - напряжение и ток в двух точках линейного участка ВВАХ. Полученные значения позволяют по (2) определить ϕ_c^o.

П р и м е р. Реализуемость и эффективность способа проверены экспериментально во время реакторных испытаний пятиэлементного ЭГК. Измерения q с помощью специального макета дают значение q = (5,31+ 0,3) ˙ N Вт/кв ˙ см, где N - мощность реактора. В режиме горячего обезгаживания на разных уровнях мощности снят набор ВВАХ, приведенный на чертеже. Эти ВВАХ совершенно не похожи на идеальные ВВАХ. Из-за сильного искажения токами утечек выделение характерных областей ВВАХ оказывается невозможным и традиционные методы неэффективны.

Предлагаемый способ позволяет определить ϕ_c^o для всех режимов. Результаты определения ϕ_c^o в зависимости от мощности реактора N приведены в таблице. Там же приведены измеренные и определенные из измерений необходимые для определения параметры.

Предлагаемый способ позволяет обнаружить аномально низкие значения ϕ_c^o при высоких мощностях, что требует принятия специальных мер по организации дальнейших этапов испытаний.

Таким образом, способ позволяет определить ϕ_c^o при сильном искажении исходной ВВАХ и при ограниченной исходной информации, в результате чего точность определения ϕ_c^o повышается.

Использование: в петлевых реакторных испытаниях многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. Сущность изобретения: в режиме вакуумного обезгаживания при нагреве эмиттера работу выхода коллектора оценивают из измеренных значений теплового потока с эмиттера, сопротивления изоляции, тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и оцененной температуры коллектора. 1 ил., 1 табл.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ РАБОТЫ ВЫХОДА КОЛЛЕКТОРА МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА, включающий нагрев эмиттера в вакуумном режиме в процессе испытаний канала, измерение сопротивления изоляции и оценку вакуумной работы выхода коллектора, отличающийся тем, что измеряют плотность теплового потока с эмиттера, ток короткого замыкания и напряжение холостого хода и оценивают температуру коллектора, а оценку вакуумной работы выхода коллектора проводят из соотношения


где ϕoc

- вакуумная работа выхода коллектора, эВ;
K = 1,38 · 10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана;
T_e - температура эмиттера, К;
e = 1,6 · 10^-19 Кл - заряд электрона;
A = 120 А/см² · град² - постоянная Ричардсона;
F - поверхность эмиттера одного элемента, см²;
I_кз - ток короткого замыкания, А;
V_хх - напряжение холостого хода, В;
n - число элементов в канале, штук;
R_ут - сопротивление изоляции канала, Ом;
q - плотность теплового потока с эмиттера, Вт/см²;
ε - приведенная степень черноты электродов;
s = 5,67 · 10^-12 Вт/см² · град⁴ - постоянная Стефана-Больцмана;
T_c - температура коллектора, К.