Об оптимизации энергомассовых энергофизических характеристик высоковольтного диода систем преобразования тока для космических ядерных энергодвигательных установок

В данной работе проведены оценки оптимизации массовой и энергетической эффективности высоковольтного термоэмиссионного диода с рабочей температурой «холодного» электрода 600...1000 K, используемого в системах преобразования тока (СПТ) космических ядерных энергодвигательных установок (КЯЭДУ) для согласования электрических параметров ТРП и энергодвигательных установок (ЭРДУ).

Электроэнергетические характеристики высоковольтных плазменных термоэмиссионных диодов (ВПТД) характеризуются рабочим (либо обратным пробойным U_проб) напряжением U_p и плотностью разрядного тока j_p) в проводящем состоянии, эти параметры определяют его удельную электрическую мощность (N_ВПТД = j_p U_p). Оптимум мощности соответствует минимальной удельной массе и оптимальным рабочей температуре электродов и давлению пара в межэлектродном зазоре (МЭЗ) ВПТД, функционирующего в составе СПТ КЯЭДУ. Задача исследования — определить оптимальные параметры ВПТД (Т_А, Т_К, p_Cs) и его электрическую мощность N_ВПТД. 

Исследование обратных зажиганий в цезиевых диодах [1] с применением спектральной диагностики показало, что этот процесс связан со ступенчатой ионизацией возбужденных атомов («Астоново свечение») в ионном слое. При этом температура возбужденных атомов в ионном слое у поверхности отрицательного электрода (анода – в режиме обратного тока) достигает некоторого критического значения, при которой происходит нарушение их энергетического баланса. В результате получена зависимость между критической температурой возбужденных атомов ионного слоя и напряжением зажигания обратного дугового разряда [2]

                                                                                                  (1)

связанного с нагревом возбужденных атомов до температуры Т^*_ak, где Т_a0 — температура атомов на границе ионный слой — столб плазмы, m_a, n_a — масса атома и их концентрация соответственно, е – заряд электрона, k — постоянная Больцмана, ε₀ — диэлектрическая постоянная, χ_areac — «реактивная» теплопроводность пара с учетом ионизации и диссоциации атомов [3, 4]:

                                                                                                                                               (2)

где D_am  — коэффициент амбиполярной диффузии. Т_а0≈Т_А, где Т_А температура анода ВПТД.

Таким образом, определив критическую температуру пара в ионном слое (температуру анода), можно получить значение пробойного напряжения слоя при переходе из тлеющего разряда в самостоятельный дуговой разряд (напряжение обратного дугового пробоя ВПТД).

Так как напряжение обратного дугового пробоя является функцией давления пара в МЭЗ согласно (1), то для обеспечения оптимальной удельной  электрической мощности ВПТД реализовать максимальное значение плотности термоэмиссионного тока с катода ВПТД в проводящем состоянии.

Для достижения указанной цели можно воспользоваться S-образными зависимостями Рейзора для определения точки максимальной плотности тока либо результатами обработки экспериментального материала по работам выхода в парах цезия и бария [5, 6]. Это реализуется оптимизацией температуры катода («перемещением» температуры катода Т_К в точку максимальной плотности термоэмиссионного тока на кривой постоянного давления пара в МЭЗ — S-образной кривой). Таким образом, максимальная величина плотности тока катода в проводящем состоянии определяет оптимальное значение температуры катода ВПТД.

В результате предложенного подхода ВПТД с цезиевым наполнением МЭЗ оптимизируется по температуре катода и удельной электрической мощности (на единицу поверхности электрода). Параметром оптимизации являются давление пара в МЭЗ — p_Cs и температура анода ВПТД — T_A (задаются по условиям функционирования).

Недостатком ВПТД с цезиевым наполнением является невысокая плотность термоэмиссионного тока вследствие малых значений давления пара цезия в МЭЗ — 10^–3...10^–2 торр [1, 2], поэтому удельная электрическая мощность не превышает 1...3 кВт/см².

Для увеличения N_ВПТД целесообразно использовать бинарное наполнение МЭЗ ВПТД (цезий и барий), что позволяет разделить оптимизацию на две независимые части: давление цезия p_Cs и температура анода T_A определяют пробойное (а следовательно, рабочее) напряжение ВПТД, а давление бария p_Ba и температура катодаT_К определяют плотность тока в проводящем состоянии. Отметим, что плотность термоэмиссионного тока в парах бария на один-два порядка превышает аналогичную в парах цезия [5, 6]. В этом случае при неизменных значениях p_Cs и T_A можно увеличить электрическую мощность ВПТД до 25...30 кВт/см².

    Экспериментальные исследования цезиевых ВПТД выявили особенность, заключающуюся в том, что температура анода не должна превышать 700...720 K [1, 2], иначе резко снижается пробойное напряжение ВПТД (менее 500...300 В). В этой связи для увеличения рабочей температуры анода (и собственно ВПТД) целесообразно перейти на бариевое наполнение МЭЗ [7]. Температура анода может составлять 900...1000 K при давлении бария 10^–4...10^–3 торр. Экспериментальные исследования [7] показали, что удельная электрическая мощность ВПТД с бариевым наполнением может достигать 30-50 кВт/см² при рабочей температуре анода до 940 K (напряжение обратного дугового пробоя 2200...2500 В).

Оптимизация температуры катода производится, как и в случае ВПТД с цезиевым наполнением.