ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области энергетики, электроники.

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепла в электроэнергию [2] имеют преимущества перед другими преобразователями в отсутствии движущихся частей и в высокой температуре теплосброса. Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе ТЭП в космосе на спутниках Космос-1818 и Космос-1867 в конце 80-х гг. В наземных условиях допустимо использование низкой температуры охлаждения анода и требуется более высокий КПД. Основными путями повышения КПД ТЭП при заданном интервале температур является снижение потерь энергии эмитированных электронов на пути между эмиттером и коллектором и снижение работы выхода на коллекторе [2] Сумма этих потерь превышает обычно 2В при рабочем напряжении ТЭП 0,5В. Пока разработчики ТЭП используют только 1/5 энергии эмитированного электрона. НИР по снижению потерь энергии эмитированного электрона ведутся непрерывно, но снизить работу выхода коллектора ниже 1,7 эВ для ТЭП энергоустановок не удалось. Базовым решением является применение в ТЭП цезия, который образует в межэлектродном зазоре ТЭП плазму, чем компенсирует запирающий объемный заряд эмитированных электронов, сорбируется на эмиттере и коллекторе, что позволяет поддерживать работу выхода эмиттера и коллектора в пределах получения энергии с КПД около 10%
В качестве аналога укажем решения по регулированию переходов металл -полупроводник методом легирования тонких слоев [1] Таким методами удается снизить до нуля энергетический барьер между слоями полупроводника и металлом основы эмиттера и коллектора.

В качестве прототипа предлагаемому решению укажем на ТЭП с коллектором на основе ниобия, насыщенным в поверхностном слое кислородом до 1% Сорбция цезия на таком коллекторе проходит в значимой мере через кислород, что понижает работу выхода коллектора до 1,4 эВ и соответственно повышает КПД [2,с. 54] Недостатком прототипа является неустойчивость состава коллектора из-за перехода кислорода в другие фазы. Поэтому промышленного применения это решение не нашло.

Предлагаемое решение позволяет снизить работу выхода коллектора введением тонкого полупроводникового слоя, устойчивого в условиях работы ТЭП. Применение полупроводниковых слоев [1] позволяет регулировать работу выхода в широких пределах и обеспечит малые электрические потери при протекании тока по направлению нормали к слою полупроводника. Тонкий слой полупроводника должен обладать стабильностью в условиях работы и иметь химическое сродство к электронам.

На чертеже изображена схема предлагаемого ТЭП. К эмиттеру 1 подводят поток тепла Q, который частично преобразуют в электроэнергию. Непреобразованное тепло с коллектора 4 сбрасывают на холодильник. На эмиттере 1 размещен тонкий слой 2 дырочного полупроводника для оптимизации работы выхода электронов для принятых условий работы ТЭП. На коллекторе 4 размещен тонкий слой дырочного полупроводника 3 для оптимизации работы выхода электронов для принятых условий работы ТЭП. Возможны условия, когда дырочный полупроводник размещают только на одной из эмиссионных поверхностей. ТЭП работает в парах цезия или в вакууме (при условии поддержания микрозазора между эмиттером и коллектором). Полупроводник выбирается с дырочной проводимостью, что исключает короткое замыкание током электронов эмиттера с коллектором при их случайном касании. На слоях дырочного полупроводника коллектора сорбируются монослои цезия и перенесенной массы с эмиттера, которые не должны превышать толщину слоя Дебая (толщина экранирования полупроводника проводником) [4] Предлагаемая конструкция коллектора снижает работу выхода до полуразности работ выхода полупроводника и работы выхода слоя металла, сорбированного на поверхности полупроводника. Из-за обедненности электронами поверхности коллектора снижается паразитная вторичная эмиссия электронов с коллектора, что повышает КПД. Для космических ТЭП с ядерным нагревом эмиттер выполняют для температуры 2000 K из вольфрама, у которого работа выхода 4,5-5 эВ обеспечивает хорошую сорбцию цезия. Для наземных ТЭП вольфрам дефицитен, дорог. Поэтому могут быть применены покрытия эмиттера дырочным полупроводником, обеспечивающим достаточную сорбцию цезия.

Преимуществами предлагаемого ТЭП перед известными являются:
снижение работы выхода электронов на коллекторе,
возможность выбора дырочного полупроводника, стабильного в условиях ТЭП, для разного уровня температур с оптимизацией в зоне до 1300 K на эмиттере,
снижение обратной эмиссии с поверхности коллектора,
отсутствие короткого замыкания при касании эмиттера и коллектора.

Пример реализации устройства (см. чертеж). На поверхность металлического коллектора из молибдена 4 со стороны межэлектродного зазора нанесен слой алмаза 3, легированного акцепторной примесью бора до 10(20) ат/см³, что обеспечивает вхождение уровня Ферми в валентную зону полупроводника. Эмиттер 1 выполнен из вольфрама, тонкий слой 2 выполнен из дырочного полупроводника. Межэлектродный зазор выполнен цезием при давлении около 1 тор. Температура эмиттера до 2000 K температура коллектора до 1000 K. Применение дырочного полупроводника на основе алмаза оправдано относительно других возможных решений его высокой стабильностью при высоких температурах [1, 2] При случайном касании электродов замыкание отсутствует из-за отсутствия электронной проводимости в дырочном полупроводнике. Перенос металла с эмиттера (или нанесение слоя при изготовлении) ограничивают радиусом Дебая [4]
Пример реализации устройства с натриевым (или цезиевым) бета -глиноземом. Устройство по фигуре имеет покрытие электродов из бета-глинозема. В условиях избытка кислорода и недостатка щелочного металла бета-глинозем [3, с. 72] приобретает свойства дырочного полупроводника. Рабочие температуры для глинозема проектно принимают до 1600 K. Пленка бета-глинозема 3 нанесена на коллектор 4. В межэлектродном зазоре имеется свободный кислород и малое количество щелочного металла, но достаточное для образования монослоя (пленочный электрод) на электродах. Кислород не соединяется с натрием (цезием) при температурах выше 800 K, что обеспечит покрытие эмиттера 1 пленкой щелочного металла. Отсутствие значимого давления паров щелочного металла в объеме ТЭП (очень низкое давление щелочного металла, область слева от минимума кривой Пашена) чрезвычайно важно для работы мощных батарей ТЭП, так как позволит поднять рабочее напряжение на батарее за счет высокого пробивного напряжения при низком давлении паров щелочного металла. Батареи с мощностью более 50 кВт требуют напряжение более 100 В, что невозможно достичь в парах цезия при давлении 1-3 тора, необходима "сухая электроизоляция". Применение глинозема и избыточного кислорода в ТЭП делает сухим слой изоляции ТЭП относительно корпуса батареи. Наличие щелочного пара с давлением около тора в ТЭП требует введения второго слоя сухой изоляции и радикально усложняет батарею ТЭП.

Источники информации
1. Физика и техника полупроводников, т. 28, вып. 10, 1994, с. 1681. Ю.А. Гольдберг "Омический контакт металл-полупроводник A B: методы создания и свойства". Обзор.

2. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. Под ред. Б.Я.Мойжеса и Г.Е.Пикуса. М. Наука, 1973.

3. П.В.Ковтуненко Физическая химия твердого тела. Кристаллы с дефектами. М. Высшая школа, 1993, с. 72.

4. Термины и символы по термоэмиссионному преобразованию энергии (перевод с англ.) МАГАТЭ, Вена, 1973, с. 39.

Назначение: термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: в термоэмиссионном преобразователе, содержащем многослойные электроды, как минимум один слой выполнен из дырочного полупроводника, который расположен на поверхности эмиттера, обращенного к коллектору, или на поверхности коллектора, обращенного к эмиттеру. Технический результат: снижение работы выхода электронов на коллекторе, снижение эмиссии электронов с поверхности коллектора, возможность выбора дырочного полупроводника для разного уровня, стабильного в условиях работы преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионный преобразователь, содержащий многослойные электроды, отличающийся тем, что минимум один слой выполнен из дырочного полупроводника. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что слой дырочного полупроводника расположен на поверхности эмиттера, обращенной к коллектору. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что слой дырочного полупроводника расположен на поверхности коллектора, обращенной к эмиттеру. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на слой полупроводника нанесен слой проводника с работой выхода электронов менее работы выхода дырочного проводника толщиной менее радиуса Дебая проводника.