СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТО-ЭДС Российский патент 1997 года по МПК H01J17/20 H01J7/00 

Предложенное изобретение относится к области источников тока, в частности, источников тока, использующих в качестве преобразующей энергии энергию оптического излучения.

Известен способ получения фотоЭДС в полупроводниках [1, глава 6] где свободные заряды (электроды и дырки) образуются под действием оптического излучения за счет внутреннего фотоэффекта. ФотоЭДС возникает при наличии любой неоднородности в объеме полупроводника (например, неодинаковое освещение поверхности, неоднородность состава и др.). При этом на границах кристалла, образуется разность потенциалов.

Недостатком такого способа являются невысокие значения фотоЭДС которые достигают у полупроводниковых фотоэлементов порядка десятых долей вольта.

Известен способ получения ЭДС при освещении газовой среды [2] где плазменная среда образуются под действием солнечного излучения в парах цезия. Так как данная среда обладает положительной проводимостью, то для получения постоянного напряжения используется магнитогидродинамический эффект: под действием возникающего перепада давления вследствие неоднородного нагревания ионизованная среда движется в магнитном поле между полюсами магнита, возникающее напряжение снимается в направлении, перпендикулярном магнитному полю, при помощи двух электродов.

Недостатком такого способа является необходимость разогрева паров цезия до высокой температуры (порядка 3000 K и выше) и необходимость массивного постоянного магнита. Не обсуждается вопрос о циркуляции цезия в системе. Величины ЭДС невысоки и могут составлять не более 1 В при поперечных размерах плазменного потока порядка 0,1 м.

Задачей данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. создание сравнительно простого способа получения фотоЭДС непосредственно в плазменной среде, при отсутствии внешних магнитных полей, причем величины фотоЭДС могут составить сотни вольт и более.

Поставленная задача достигается тем, что формируют плазменную среду с абсолютной отрицательной проводимостью непосредственно в ячейке.

Как следует из законов Кирхгофа, элемент с абсолютным отрицательным сопротивлением, включенный в замкнутую электрическую цепь, может быть источником тока в данной цепи.

Возможность получения стационарной абсолютной отрицательной проводимости (АОП) в фотоплазме подтверждается авторским свидетельством [3] Она зарегистрирована на высокой частоте колебаний электрического поля около 3 ГГц. Однако анализ частотной зависимости вещественной части проводимости G(w) (формула для G(w) приводится, например, в [4]) показывает, что модуль G(w) является убывающей функцией частоты, поэтому на низких частотах и, в частности, на нулевой частоте отрицательная проводимость будет наибольшей по модулю. Это означает, что плазма с АОП может стать эффективным источником постоянного электрического тока.

Для того, чтобы сформировать плазменную среду с АОП, необходимо удовлетворить нескольким требованиям [4, 6]
1) газовая смесь должна состоять в основном из тяжелого инертного газа (Ar, Kr, Xe);
2) степень ионизации смеси не должна превышать 0,000001%
3) функция распределения электронов по энергиям должна быть немаксвелловского характера и иметь локальные максимумы в области энергий, где лежит рамзауэровский минимум сечения упругого рассеяния электронов на атомах тяжелого инертного газа.

4) по нашей оценке, общее молярное содержание газообразных добавок к инертному не должно превышать одного процента.

Удовлетворить всем этим требованиям и тем самым получить плазменную среду с АОП при освещении можно несколькими способами. Один из них описан в нашей заявке [3] Он основан на процессе пеннинговской ионизации и осуществляется в смеси Xe-CO-Hg-Cs.

Другой предлагается здесь в способе по п.2. В качестве плазменной среды выбирается ионизованная смесь тяжелого инертного газа (Ar, Kr, Xe) с газообразными добавками, общее свойство которых состоит в протекании в них процесса хемоионизации при возбуждении их резонансного уровня. Процесс хемоионизации состоит в образовании свободного электрона при парных столкновениях возбужденных атомов или молекул [5] Он возможен в весьма широком классе веществ, находящихся в газообразном состоянии (см. [3]), например, он протекает в парах металлов (Hg, K, Na, Cs и др.) Пары металла поглощают излучение на длине волны, совпадающей с резонансной длиной волны, при этом происходит возбуждение атомов металлов. Благодаря большой энергии возбужденных состояний металла становится возможна ионизация паров металла при парных столкновениях возбужденных атомов. Возможен он также и в молекулярных газообразных средах.

Расчеты показывают, что функция распределения электронов по энергиям в среде тяжелого инертного газа с такими атомарными или молекулярными газообразными добавками будет обладать особенностями немаксвелловского характера, аналогично тому, как это происходит в фазе обрыва разряда в чистом тяжелом инертном газе [4] Вследствие этого плазменная среда будет обладать АОП, то есть может стать источником электрического тока.

Очевидно, что конкретный состав газовой смеси будет определяться выбранной схемой ионизации при освещении смеси, а также добавками, которые могут вноситься в смесь специально в целях увеличения величины АОП.

Очевидно также, что параметры такого источника тока определяются давлениями компонент смеси, составом смеси, геометрическими размерами газовой ячейки.

Возьмем для оценки параметров газовую ячейку цилиндрической формы длиной L 0,1 1 м и сечением s 0,0001.0,01 м² с электродами, расположенными в торцах ячейки. Концентрация атомов тяжелого инертного газа N выбирается в диапазоне от тысяч Па до ста тысяч Па. Этот диапазон давлений обеспечивает, с одной стороны, рекомбинационный режим гибели электронов в объеме газовой ячейки, необходимый для поддержания отрицательной проводимости, и снижает требования к прочности газовой ячейки, с другой стороны.

Концентрация молекул газообразной добавки может составлять от 0,01 до 1% от концентрации атомов тяжелого инертного газа. Данный диапазон концентраций обусловлен двумя причинами: электроны должны сталкиваться в основном с атомами тяжелого инертного газа, а не с иными молекулами; слишком низкие концентрации молекул добавок не обеспечивают сильного поглощения оптического излучения и смесь не будет достаточно возбуждена.

Степень ионизации смеси Z не должна превышать 0,000001% Это обусловлено требованием малости числа электрон- электронных столкновений относительно числа электрон-атомных столкновений. По этой причине число электронов в плазме Ne может составлять (1.100) 10¹⁵ м^-3 для разных концентраций инертного газа N.

Оценки показывают, что по модулю отрицательная проводимость плазмы G не может превышать величины (Z 10⁶ (Ом•м)^-1. Расчеты [6] указывают предельно значение напряженности электрического поля E в плазме, при котором еще существует абсолютная отрицательная проводимость: E/N<10^-22 В•м².

Отсюда получаются предельные характеристики источника тока, использующего предлагаемый способ получения фотоЭДС:
плотность тока j EG 10^-16•Ne м^-3 0,1.10 А/м²;
ток, снимаемый с источника J jS 0,000001.0,1 А;
приведенная электродвижущая сила э/L E 10.10000 В/м;
электродвижущая сила э 1.1000 B;
мощность, снимаемая с единицы объема w jE 10^-38 Ne•N Вт/м³ 1.10000 Вт/м³;
мощность источника W wLS 0,00001.1000 Вт;
коэффициент полезного действия до 50% (взятой относительно поглощенной объемом энергии излучения).

Таким образом, описываемый источник фотоЭДС сравнительно слаботочный, и в то же время может быть высоковольтным и достаточно мощным.

Область спектральной чувствительности источника фотоЭДС целиком определяется конкретными добавками, присутствующими в составе смеси, и совпадает с их резонансными линиями (в случае атомарного газа) и резонансными полосами (в случае молекулярного газа).

Например, в условиях работы 3 возникал источник фотоЭДС со следующими характеристиками: плотность тока j 0,001 А/м², ток J 10^-6 А, электродвижущая сила (фотоЭДС) до 100 В (при длине газовой ячейки порядка 10 см), мощность источника до 10^-6 Вт (при объеме V= 100 см³), КПД источника порядка 0,0001% Низкий КПД объясняется невысокой величиной достигнутой в работе АОП порядка 10^-6 (Ом•м)^-1".

В описанном примере в качестве добавки к инертному газу взята ртуть. Требуемые концентрации паров ртути получаются при температурах от 20 100 С. Для щелочных металлов этот температурный диапазон составляет от 100 до 300^oС. Для других металлов (Zn, Cd) 200 400^oС. В случае использования добавок, газообразных при нормальных условиях, температура рабочей смеси может быть отрицательной по шкале Цельсия.

Таким образом, у предлагаемого способа получения фотоЭДС имеются следующие отличия от прототипа:
1. Предлагаемый способ не требует присутствия внешнего магнитного поля.

2. Плазменная среда однородна и неподвижна, а в прототипе необходимо получить неоднородную среду, движущуюся с возможностью большой скорости.

3. Рабочие режимы достигаются при меньших оптических плотностях (за счет резонансного поглощения), что позволяет уменьшить концентрацию поглощающих свет компонент или уменьшать геометрические размеры устройств.

4. Рабочие температуры плазменной среды могут быть значительно ниже, вплоть до отрицательных температур по шкале Цельсия.

5. Описываемый способ позволяет получать переменное напряжение (при использовании реактивной нагрузки).

6. Область спектральной чувствительности может быть подобрана путем подбора добавки к инертному газу, или даже искусственно "сконструирована" при использовании комплекса добавок.

Для практического использования может также оказаться важным:
1) простота создания однородных, протяженных сред в газовой фазе, по сравнению с твердотельной электроникой, что позволяет получать на нагрузке большие рабочие напряжения
2) автоматическое восстановление рабочих характеристик плазменной среды после нештатных пробоев, замыканий.

Описываемый источник фотоЭДС может, в частности, найти применение в качестве селективного фотоприемника, рассчитанного на прием оптического сигнала на частотах, совпадающих с резонансными линиями соответствующих атомов или молекул добавок.

Таким образом, поставленная задача реализована. Предложенный способ дает возможность получения фотоЭДС более просто, при отсутствии магнитного поля и высоких температур газовой смеси, причем значения фотоЭДСмогут быть выше по сравнению с прототипом в сотни раз (при сравнимых размерах плазменных сред).

Источники информации
1. Соболева Н.А. и др. Фотоэлектронные приборы. М. Наука, 1964, 592 с.

2. A Jay Palmer. Radiatively sustained cesium plasmas for solar elektric conversion. Hudges Researsh Laboratories, Research Report 513, 1977 (прототип).

3. Блашков В.И. Золотарев О.А. Скребов В.Н. Способ получения отрицательной проводимости в газонаполненной ячейке. А.С. N 1802687, А 21 D 8/02, 1993
4. Рохленко А.В. Абсолютная отрицательная проводимость в релаксирующем слабоионизованном газе. ЖЭТФ, 1978, т. 75, с. 1315.

5. Ключарев А.Н. Процессы хемоионизации. УФН, 1993, т. 163, N 6, с. 39.

6. Швейгерт В.А Об отрицательной проводимости слабоионизованного газа. - Физика плазмы, 1988, т. 14, вып. 6. с. 745.

Использование: предложенное изобретение относится к области источников напряжения, в частности источников напряжения, действующих за счет энергии оптического излучения. Сущность изобретения: предложенный способ характеризуется тем, что позволяет получить напряжение на электродах, помещенных в газовую среду, состоящую из тяжелого инертного газа и газообразных добавок, при ее освещении оптическим излучением на частотах, совпадающих с резонансными для молекул добавками. Данный эффект основан на явлении абсолютной отрицательной проводимости, которое имеет место в среде тяжелых инертных газов. Газообразные добавки служат в качестве источников электронов, появляющихся в результате процесса хемоионизации при освещении смеси. Предложенный способ позволит изготовлять достаточно простые устройства с высокой селективной чувствительностью к оптическому излучению и способные создавать значительные фото- э.д.с. - сотни вольт и более, в зависимости от выбранных рабочих условий в газовой смеси.

Способ получения фотоЭДС, заключающийся в формировании плазменной среды при освещении газовой ячейки и снятии электрического напряжения при помощи электродов, отличающийся тем, что формируют плазменную среду с абсолютной отрицательной проводимостью непосредственно в газовой ячейке, заполненной газовой смесью из тяжелого инертного газа с одной или несколькими атомарными или молекулярными добавками A_i, где i порядковый номер добавки, для которых удвоенная энергия резонансного возбуждения молекулы A_i превышает энергию ионизации молекулы , причем общее молярное содержание добавок в смеси не превышает 1% а освещение смеси производят излучением на длинах волн, совпадающих с резонансными переходами одной или нескольких добавок A_i.