ДИОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Трудности, возникающие в диодах низкого давления, св. с двумя противоречивыми требованиями: с одной стороны, эмиттер должен и низкую работу выхода, чтобы получить достаточно высокую плотность с другой стороны, высокую работу выхода, для того чтобы обеспечить д~ точную ионизацию и тем самым нейтрализовать отрицательный пространст ный заряд, который мешает достижению требуемых значений тока. Решение дилеммы состоит в использовании механизма ионизации, который не зависит работы выхода эмиттера. Таким механизмом является ударная ионизация, к сами электроны, чей заряд должен быть нейтрализован, сталкиваются с цезие ми атомами с энергией, достаточной для ионизации последних. Несмотря і что одновременно с образованием иона появляется дополнительный элект обеспечивается нейтрализация пространственного заряда, поскольку ион б> находиться в межэлектродном пространстве в 500 раз дольше, чем электрон.
Итак, при определенных условиях неупругие столкновения между электро и атомами цезия в межэлектродном пространстве могут приводить к иониза цезия. Этот процесс чрезвычайно важен с точки зрения работы плазменных дов высокого давления. Ясно, что вероятность столкновения электрона с ато пропорциональна как концентрации атомов (и, следовательно, давлению ие pCf), так и длине пути, который должен преодолеть электрон, т. е. зазору d ме электродами. Можно показать, что если произведение pCsd меньше 0,0033 Н
го столкновениями электрона с атомами можно пренебречь. Здесь давление це — ■ІЯ выражено в паскалях, а межэлектродное расстояние в метрах.
В диодах высокого давления столкновения между электронами и атомами газа межэлектродном пространстве весьма многочисленны, что вызывает сущест — іное рассеяние электронов. Это в свою очередь приводит к потере мощности г. азменные потери), выражающейся в уменьшении выходного тока и выход- о напряжения. Тем не менее в результате столкновений может происходить чительная ионизация паров цезия, которая приводит к существенному росту пентрации носителей и большим значениям тока нагрузки. Могут быть ре — зованы плотности тока свыше 500 000 А/м2.
Если взвесить недостатки и преимущества работы диода в режиме высоко — давления, то последние перевесят. Действительно, диоды высокого давле — могут реализовать сравнительно высокие плотности выходной мощности, ественно превосходящие значения аналогичного параметра, достижимые с шью диодов низкого давления. Несмотря на то, что значения выходного чяжения у диодов высокого давления обычно ниже, чем у диодов низкого тения, плотность выходной мощности для диодов высокого давления может “нгать 30 Вт/см2.
Анализ работы диодов высокого давления весьма сложен из-за взаимного ния многих факторов. Здесь мы ограничимся упрощенным рассмотрением фнкционирования.
На рис. 6.25, а представлен случай, когда (3 « 1, что соответствует значи — .ому отрицательному пространственному заряду и, следовательно, малому нагрузки. При высоких выходных напряжениях имеет место ситуация, ког — рактеристика диода схожа с присущей режиму ограничения тока пространным зарядом: снижение напряжения приводит к незначительному росту и его насыщению на низком уровне. Этот момент соответствует полочке пактеристике, представленной на рис. 6.25, а.
|ри дальнейшем уменьшении напряжения диод переводится в режим, в ко — в результате большого числа столкновений образуется количество ионов, ючное для того, чтобы резко вырос ток нагрузки. В этом режиме работы, ;юм режимом зажигания, ионы появляются в результате неупругих стояний (количество ионов, вылетевших с эмиттера, незначительно), в отличие ального режима, называемого режимом гашения, в котором превалируют эмитированные эмиттером.
и (З» 1, как следует из рис. 6.25, б, режим гашения не проявляется: режим іния стартует при больших напряжениях нагрузки.
енно большое количество ионов, возникших в результате неупругих стояний, приводит к большим значениям тока в диодах высокого давления и земым значениям выходной мошности. Но платой за это является то об — зьство, что реальная характеристика отклоняется от идеальной в сторону
уменьшения как тока, так и напряжения (Jd и Vd, см. рис. 6.25, б). Величина называемая плазменными потерями, включает в себя три компоненты:
1) Vj — падение напряжения (порядка 0,4 В), связанное с ионизацией ато цезия электронным ударом;
2) — падение напряжения, обусловленное рассеянием электронов на з мах цезия;
3) Vs — потенциальный барьер, который формируется около электродов
б
Рис. 6.25. Характеристики диода высокого давления: а соответствует очень ма значениям Р; б — очень большим
Относительно большое давление паров цезия способствует передаче заме го количества тепла от эмиттера к коллектору и тем самым отводу части вв мой тепловой энергии. С другой стороны, плотное цезиевое покрытие, кот. имеет место в диодах высокого давления, уменьшает работу выхода эмиттс снижает количество подводимого тепла, необходимого для эмиссии электр’ с поверхности эмиттера.
Хотя, как указывалось, диоды высокого давления безоговорочно являются иболее практичными термоэмиссионными преобразователями, они все же ве дороги из-за того, что для их изготовления требуются специальные матери
ЗАДАЧИ
6.1. Рассмотрим две металлические пластины с линейными размерами, мШ большими, чем расстояние между ними (их можно считать бесконечными п. костями). Докажите, что эффективная излучательная способность на сто обращенной к другой пластине, дается выражением
1
1/е, + 1 є, -1 ’
•де є, и е2 — интегральные излучательные способности каждой из пластин.
6.2. Две металлические пластины расположены параллельно и разделены небольшим зазором. Между ними нет ни тепло-, ни электропроводности. Такой : дшвич» установлен в космическом пространстве на расстоянии 1 а. е. от С однца. Одна из пластин, сделанная из чистого вольфрама, освещается кон- чтрированным солнечным излучением, в то время как другая, сделанная из тор. іроваїтого вольфрама, находится в тени.
і нешняя поверхность (поверхность, освещаемая солнечным излучением) обрабо — на так, что ее лучеиспускательная способность и ее альбедо равны 10 %. Внут — чняя поверхность (поверхность, обращенная к торированной пластине) имеет ізлучательную способность 25 %. Это абсолютная излучательная способность, она не учитывает излучение, отраженное от холодной пластины. Излучательная особность последней составляет 100 % для каждой из ее сторон, пространстве отсутствует какое-либо излучение, кроме концентрированного лнечного излучения и излучения двух рассматриваемых пластин. Неконцент — пованное солнечное излучение на расстоянии, равном 1 а. е., имеет плотность — щности 1350 Вт/м2.
ющадь каждой пластины равна 1 м2. Между пластинами нет никакого простран-
нного заряда. Излучательная способность не зависит от частоты излучения.
Какова должна быть относительная концентрация солнечного излучения, для того чтобы в стационарных условиях температура горячей пластины была на 1000 К больше, чем температура холодной пластины? Какова при этом температура пластин?
Пластины закорочены на внешнюю нагрузку, и относительная концентрация солнечного излучения такова, что вольфрамовая пластина нагрелась до ‘100 К. На нагрузке выделяется максимально возможная мощность. Какова температура более холодной пластины? Какова при этом относительная концентрация солнечного излучения? Какая электрическая мощность генерируется? Предполагается, что имеет место стационарное состояние, а пространственный заряд отсутствует. Систему можно рассматривать как идеальный плазменный диод, но при этом можно пренебречь ионным током. [26]
обращенной к коллектору, и равна нулю для противоположной стороны. Me низмы, определяющие потери, связаны только с эмиссией электронов, с избыт энергии этих электронов и с излучением эмиттера в сторону коллектора.
При какой работе выхода эмиттера реализуется максимальный КПД? К этот КПД?
6.4. Сошлемся на диод в задаче 6.3. Предположим, что нам надо получить ра’ выхода эмиттера 3 эВ.
1. Оцените долю 0 площади эмиттера, которая должна быть покрыта плен цезия.
2. При больших межэлектродных зазорах существенны столкновения. Ка наибольшее межэлектродное расстояние d, при котором диод работает в столкновительном режиме (т. е. как устройство низкого давления)?
6.5. В плазменном цезиевом диоде низкого давления реальный ток эми электронов равен току насыщения эмиттера только в случае, если в межэг. — родном зазоре нет отрицательного пространственного заряда. Есть ли о цательный пространственный заряд в диоде, у которого работа выхода эм тера равна 3,3 эВ, постоянная эмиссии 600000 А ■ м~2 ■ К 2, а темпера; эмиттера 2350 К?
6.6. Если диод в задаче 6.5 работает как диод низкого давления, каков максим но допустимый межэлектродный зазор? Давление паров цезия равно 2000 П
6.7. Какова (приблизительно) максимальная выходная плотность мощности ода в задаче 6.5 в предположении, что он работает в режиме низкого давлен отрицательный пространстченный заряд отсутствует, а обратным током эмисе можно пренебречь?
6.8. Рассмотрим термоэмиссионный генератор на парах цезия, эмиттер кото имеет площадь 10 см2, постоянную эмиссии равную 5 • 105 А ■ м-2 • К-2, и ра’ выхода 3 эВ. Коллектор имеет температуру 1000 К. а благодаря конденсации це его работа выхода равна 1,8 эВ. Излучательная способность эмиттера (работаю при 2000 К) составляет 0,3 для стороны, обращенной к коллектору. С другой роны излучения не происходит. Потери в устройстве связаны только с излучен и избытком кинетической энергии эмитированных электронов. Потери теп проводностью и плазменные потери отсутствуют. Нет отрицательного прос ственного заряда. Можно пренебречь ионным током.
При каком сопротивлении нагрузки прибор обеспечит наибольшее возмож значение выходной мощности?
Каков будет КПД прибора при рассмотренных условиях?
Какова требуемая вводимая мощность?
6.9. Рассмотрим две твердые пластины: одна изготовлена из тантала, другая — из вольфрама. У какой из двух пластин плотность термоэмиссионного тока
вакуум больше?
6.10. Термоэмиссионный генератор имеет вольфрамовый эмиттер, нагретый до температуры 2500 К, и покрытый цезием коллектор, температура которого равна
/00 К. Размер электродов 10-10 см. При всех условиях диод ведет себя так, как ли бы его внутреннее сопротивление составляло 10 мОм. Пренебрегая эмиссией коллектора, термоэлектрическими эффектами и пространственным зарядом, числите мощность, выделяемую на нагрузке 80 и 100 мОм.
11. Предположим, что два материала имеют одинаковую температуру. Какой з них, независимо от температуры, обладает большей плотностью тока эмис — 1и — хром или тантал?
Л2. Изолированный куб со стороной d (м) из высоко радиоактивного мате — ала находится в межгалактическом пространстве. На него не падает никакое ешнее излучение. Благодаря своей радиоактивности он генерирует мощность 200 кВт/м3. Обозначим генерируемую мощность символом Г. Материал, из второго изготовлен куб, имеет следующие характеристики: постоянная эмиссии 200000, А — м~2 К-2; работа выхода 3 эВ;
излучательная способность (при интересующей нас температуре) 0,85.
■кова температура куба: если d = 1м, если d — 10 см?
13. Эмиттер и коллектор вакуумного диода изготовлены из вольфрама. Меж- чктродный зазор равен 1 мкм. Эмиттер имеет температуру 2200 К, коллектор — 30 К.
Оцените максимальную мощность, которую диод может обеспечить на нагрузке?
В межэлектродное пространство введены пары цезия. Объясните, что произойдет, если давление паров цезия будет увеличиваться. Постройте зависимость выходной мощности от давления паров цезия pCs. Ударной ионизацией и ионными токами можно пренебречь.
14. Электроды термоэмиссионного диода представляют собой параллельные :стины размером 2×2 см, разделенные зазором, равным I мм. Как эмиттер, так коллектор сделаны из тантала. Температура эмиттера равна 2300 К, коллектора —
К. В межэлектродном пространстве поддерживается вакуум.
Каково будет значение тока через диод, если к нему приложено напряже VCE — 100 В, причем потенциал коллектора положителен по отношению к эмиггер Повторить тоже самое для случая VCE = 50 В.
6.15. Куб со стороной 1 м движется вокруг Солнца по круговой орбите радиусом 0,15 е. Это означает, что он находится на расстоянии от Солнца, составляющем 15 % г стояния от Земли до Солнца, а его орбита лежит внутри орбиты Меркурия. Opt куба устойчива, причем одна из его сторон всегда обращена к Солнцу. Куб еде из материала, поглощательная способность которого равна 90 % (т. е. его альбе составляет 10 % и он является в достаточной степени черным). Излучательная с~ собность 30 %. Солнечная постоянная на орбите Земли равна 1360 Вт/м2. Матер, куба имеет низкую работу выхода для термоэмиссии: ф = 1,03 эВ. Эмиссионн константа равна 4000 А • м~2 • К-2. Какова равновесная температура куба?
6.16. Ранее было приведено эмпирическое уравнение, связывающее работу выхе вольфрама с отношением 7/ Т температуры электрода к температуре резерв) с с цезием. Это уравнение предполагает, что ф является функцией от Т/Тг, но от Т. Такое предположение не совсем верно, поскольку ф — слабая функлЖ от Т. Для интервала температур 1500 < Т < 2000 К величина, вычисленная упомянутой формуле, имеет неопределенность порядка ± 0,1 В.
Каков фактор неопределенности в вычисленном значении тока эмиссии п Т= 1500 К и при Т= 2000 К?
6.17. Какова плотность выходной мощности цезиевого плазменного диг
с вольфрамовыми электродами? Предположите, что отрицательный простракс твенный заряд отсутствует, а столкновениями между электронами и атома’1 цезия можно пренебречь.
Параметры диода: температура эмиттера ТЕ = 2100 К; температура коллектора Тс = 1000 К; температура резервуара с цезием Тг = 650 К; температура паров цезия 7Cs = 7;
постоянная эмиссии для электрода А = 600000 А • м~2 ■ К 2; межэлектродный зазор с! = 0,1 мм.
Предположите, что ионный ток не влияет на ток нагрузки, но влияет на пространственный заряд. Проверьте справедливы ли предположения.
Какова природа пространственного заряда? Каков он — положительный, равный нулю или отрицательный? Можно ли пренебрегать столкновениями электрон с атомами цезия? Правильно ли вычислена плотность выходной мощности? Если нет, не пересчитывайте.