автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и исследование сильно неравновесных режимов термоэмиссионного преобразователя энергии

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ — ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

¿¿^ 01-и/пяа\

Для служебного пользования

Экз. №.3.7.....

На правах рукописи

УДК 519.876.5 + 621.362 : 533.9

ЖЕРЕБЦОВ ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

Моделирование и исследование сильно неравновесных режимов термоэмиссионного преобразователя энергии ¿/Щ^

05.13.18 — теоретические основы математического моделирования, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Обнинск 1995

Работа выполнена н Государственном научном центре Российской Федерации — Фпзико-энергетическом институте.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Ф. Г. БАКШТ

доктор физико-математических наук Г. Г. ГЛАДУШ

доктор физико-математических наук,

профессор

Р. Я. КУЧЕРОВ

Ведущая ор ганизация:

Российский научный центр «Курчатовский институт», г. Москва.

Защита состоится «--»--------1995 г. в---часов на

заседании диссертационного совета Д 034.10.01 в Физико-энергетическом институте (г. Обнинск, пл. Бондаренко, 1).

Отзывы в одном экземпляре, заверенные печатью учреждения, просим направлять но адресу: 249020, Калужская обл., г. Обнинск, пл. Бондаренко, 1, ГНЦ—ФЭИ, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-энергетического института.

Автореферат разослан «--»---------1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного сонета В. М. КУПРИЯНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации обобщены работы автора, выполненные в 19701994 г.г. и посвященные разработке математических моделей термоэмиссионных преобразователей энергии с сильно неравновесной плазмой, исследованию на основе вычислительных экспериментов на этих моделях физических явлений и процессов в преобразователях, расчету и оптимизации их энергетических характеристик..

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Интенсивные исследования

термоэмиссионного способа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в последние десятилетия обусловлены его перспективностью для обеспечения электрической энергией космических кораблей и станций. Это подтверждено результатами наземных и ' летных испытаний космической термоэмиссионной ядерной энергетической установки ."ТОПАЗ". Перспективны также термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭП) в наземных условиях в качестве высокотемпературных надстроек над более низкотемпературными преобразователями ( термоэлектрическими, паровыми и др.).

Проведенные . исследования выявили основные факторы, опреде- ляющие эффективность и удельные характеристики термоэмнсстганных преобразователей энергии. В результате для использования в разрабатываемых установках был выбран дуговой режим, который при приемлемых в настоящее время температурах эмиттера (1600 - 2000 К) имеет существенно более высокие характеристики, чем режимы с поверхностной ионизацией. В дуговом режиме значительная доля (около 0.5 В) контактной разности потенциалов затрачивается в межэлектродном зазоре (МЭЗ) на поддержание высокой температуры плазменных электронов (2800 - 3000 К). Именно это позволяет поднять плотность плазмы и повысить удельные характеристики • преобразователя. Однако эти же затраты приводят к потерям

генерируемого напряжения к снижению эффективности преобразования энергии. Режимы с поверхностной ионизацией свободны от этого недостатка. Однако плотность плазмы в этих 4 режимах не превышает равновесную при температуре эмиттера, что не позволяет получать достаточно высокие удельные характеристики при температурах кике 2000 К.

В связи с требованиями повышения конкурентоспособности термоэмиссионного способа преобразования энергии и расширения области иго применения, в частности в сторону более низких температур эмиттера, в 70-х - 80-х годах специалистами по ТЭП были предприняты углубленные исследования предложенных в начале шестидесятых . годов режимов с . сильно неравновесной плазмой, создаваемой "внешними" источниками ионов. В этих режимах процессы создания плазма и переноса генерируемого тока разделены во времени (импульсные режимы) или в пространстве (триодные, гибридные и др. ■схемы). * Такое разделение расширяет возможности оптимизации преобразователя и, в принципе, позволяет получить в этих режимах удельные характеристики. значительно превосходящие характеристики преобразователя в режимах с. поверхностной ионизацией при меньших потерях напряжения в МЭЗ.ш сравнению с потерями в дуговом режиме. Однако нахондениз условий, когда это может быть реализовано, предс^ авляет нетривиальную задачу, требующую учета многих факторов как положительных, так и отрицательных.

В неравновесной плазме дугового режима ТЭП температуры кцк свободных, так и связанных электронов значительно превышают поступательную температуру тяжелых частиц - атомов и ионов цезия. Причем в чисто цззиевом разряде обмен энергией между электронной под лютемой и поступательными степенями свободы тяжелых частиц практически отсутствует. Попадание в межэлектродный зазор примесей молекулярных газов, наиболее важными из которых являются водород и азот, 'приводит к усилению обмена энергией между этими подсистемами вследствие девозбужцения атомов цезия молекулами примеси, а это, в свою очередь, приводит к потерям генерируемой мощности. Именно

этот механизм оказался ' одним из основных факторов, определявших деградацию характеристик термоэмиссионной ядерной энергетической установки "ТОПАЗ". Актуальность исследований термоэмиссиоиних преобразователей энергии с •примесью водорода в настоящее время повышается .в связи с изучаемой возможностью объединения в одной ядерной энергетической установке реактивного двигателя, использующего в качестве рабочего тела водород. и термоэмиссионного преобразователя энерпш.

Режимы с сильно неравновесной плазмой реализуются и при поверхностной ионизации атомов цезия в условиях сильной перекомпенсацчн. Однако в этих условиях плотность плазм« оказывается ниже равновесной.

Важной особенностью режимов ТЭП с сильно неравновесной плазмой является предрасположенность их к неустойчивостяк. развитие которых может приводить к колебаниям параметров преобразователя или - -к формированию пространственно-неоднородных структур в межэлектродном •зазоре. Изучение этих неустойчивостей, колебаний и структур наряду а с прикладным интересом, поскольку они влияют на энергетические характеристики преобразователя, представляет и общефизический интерес, так как в этих явлениях в специфических условиях ограниченной электродами плазмы проявляются фундаментальные свойства неравновесных систем.

Теоретическое исследование сильно неравновесных режимов термозмиссионного преобразователя энергии представляет собой сложную задачу, аналитическое решение которой возмоаю лишь в некоторых предельных случаях. Это обусловлено необходимость» учета большого количества процессов, нестационарностьв и нелинейностью уравнений и граничных условий. описывающих рассматриваемую физическую систему. В этой ситуации решение задачи может быть получено методами математического моделирования. .

ЦЕЛЫО РАБОТЫ является 1) разработка математических моделей термоэмиссиоиних преобразователей с ' сильно неравновесной плазмой;

'¿) исследование на основе аналитических расчетов и вычислительных экспериментов на разработанных моделях физических явлений и процессов, определяющих характеристики преобразователей; определение направлений оптимизации изучаемых режимов ТЭЦ; поиск и обоснование новых методик для диагностики преобразователей; » 3) расчет и оптимизация энергетических характеристик .ТЭП с сильно неравновесной плазмой, создаваемой импульсным разрядом. нахождение областей их конкурентоспособности с ТЭП, работающим в дуговом режиме.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА определяется тем, что

впервые разработаны математические модели трех разновидностей перспективных импульсных режимов

термоэмиссионного преобразователя энергии: диффузионного и квазивакуумного с непосредственной генерацией ионов и режима с аккумулированием энергии ( с N1+ Сз плазмой),-

- показано, что наиболее рациональным процессом генерации ионов в диффузионном ' импульсном режиме, обеспечивающим умеренные энергозатраты и достаточно однородное распределение ионов в межэлектродном зазоре, позволяющее эффективно их использовать на стадии распада, является ионизация малой добавки щелочного металла в инертном газе электронами, эмиттированными коллектором и ускоренными на' приколекторном скачке потенциала;

- выявлены факторы, определяющие длительность стадии распада, генерируемы;" ток и эффективность использования ионов в различных модификациях импульсного режима ТЭП; показано, что одним из основных факторов, ограничивающих энергетические характеристики преобразователя, является кулоновское сопротивление плазмы; определены направления оптимизации преобразователя;

рассчитаны и оптимизированы энергетические характеристики исследуемых импульсных режимов ТЭП, найдены области их конкурентоспособности с дуговым режимом преобразователя; показано, что импульсные режимы имеют более

высокие характеристики чем дуговой при невысоких температурах эмиттера, причем квазивакуумный импульсный режим я режим с аккумулированием энергии конкурируют с дуговым до более высоких температур эмиттера, чем диффузионный импульсный режим;

- показано, что энгармонизм колебаний молекул азота и колебательно-поступательная неравновесность в условиях стадии распада импульсного режима с аккумулированием энергии приводят к значительному увеличению скорости ионизации атомов цезия колебательно-возбужденными молекулами азота;

- с учетом полученного вывода об определяющей роли девозбуждения атомов цезия молекулами среди процессов с участием примесных молекул, обуславливающих потери . энергии электронного газа и генерацию ионов цезия в неравновесной плазме дугового режима ТЭП, разработана модель термоэмиссионцого преобразователя энергии с примесью молекулярного газа;

- показано что имеется три области различного влияния примеси молекулярного газа на вольт-амперную характеристику (ВАХ) ТЭП; наибольшее влияние примесь оказывает на участок ВЛХ, соответствующий развитию • разряда; заселенность колебательных уровней молекул примеси имеет неравновесную осциллирующую структуру,- а эффективная колебательная температура молекул в '-развитом дуговом режиме может значительно превышать электронную;

-. показано, -что неустойчивость, ответственная за колебания тока_ в перекомпенсированном квазивакуумном режиме, аналогична неустойчивости Пирса;

- обнаружена и исследована неустойчивость диффузионных и ионно-звуковых волн в термоэмиссионных диодах с плотной плазмой; показано, что в диодах цилиндрической и сферической геометрий волны могут развиваться при значительно меныгей перекомпенсации, .чем в плоском диоде; кинетическое отражение

- электронов в приэмиттерной области стимулирует развитие волн;

- показано, что колебания тока, обусловленные развитыми (нелинейными) диффузионными волнами, могут в зависимости от

. ■ 8. степени надкрнтичности иметь как близкую к синусоидальной, • так и резко несинусоидальную форму; вычислены амплитуда и чacтofa слабо нелинейной ионно-звуковой волны в диоде с сильно ионизованной плазмой; показано, что . развитие ионно-звуковой волны приводит к уменьшению среднего тока через диод, которое при надкрнтичности порядка единицы может составлять значительную величину;

- развита аналитическая модель нестационарного слабо неоднородного вдоль электродов низковольтного дугового разряда, на основе которой исследована его устойчивость; показано, что в области отрицательного дифференциального сопротивления вольт-амперной характеристики может развиваться ионизационно-перегревная неустойчивость, приводящая в зависимости от величины нагрузочного сопротивления к ■ переходу разряда в развитую форму, гашению его. поперечному расслоению разряда или локальному понижению тока;

- сформулирована модель колебаний напряжения при развитии разряда.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате выполнения работы математическое - моделирование термоэмиссио.нных преобразователей энергии получило развитие в перспективном направлении сильно неравновесные режимы, получили развитие представления о физических процессах, протекающих в этих режимах ТЭП и определяющих его энергетические характеристики.

Разработанные модели трех разновидностей импульсных режимов ТЭП и найденные на их основе оптимальные условия преобразования энергии образуют научную основу для разработки и технической реализации термоэмиссионного преобразователя энергии с сильно неравновесной плазмой, создаваемой импульсным разрядом, определения потенциальных областей его использования.

Результаты расчетов потерь генерируемой электрической энергии, обусловленных попаданием примеси в межэлектродный зазор преобразователя, проведенные на основе разработанной модели ТЭП с примесью молекулярного газа в диапазоне

параметров, характерном для существующих и перспективных преобразователей, а также расчетов потерь тепловой энергии, образуют основу для определения допустимых концентраций примесей в межэлектродном зазоре разрабатываемых термозмиссиошшх установок и анализа результатов их испытаний. В . частности, результаты расчетов использовались для анализа" . процесса деградации характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя "ТОПАЗ" во время стендовых и летных ««„питаний на спутниках "Космос-1818" и "Космос-1867".

Обнаружен новый тип неустойчивости. развивающейся в термоэмиссионных диодах и приводящей к возбуждению в них диффузионных или ионно-звуковых волн. Исследованы характеристики развитых (нелинейных) волн и оценено их влияние на ток через диод. •

На основе результатов исследования физических явлений в термоэмиссионных плазменных диодах предложены и •обоснованы способы определения важнейших параметров диодов - работы -выхода коллектора, контактной разности потенциалов, тока эмиссии, электронов с эмиттера, давления газа-наполнителя.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Работы, ■ представленные в диссертации, выполнены лично автором либо под его научным руководством и при непосредственном участии.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения.

1. Математические модели диффузионного и квазивакуумного импульсных режимов Т5П и импульсного _ режима с аккумулированием энергии.

2. Результаты расчетно-теоретических исследований стадий -ионизации (возбуждения) и распада плазмы в импульсных режимах ТЭП, расчетов и оптимизации энергетических характеристик преобразователя.

3. Способы определения работы выхода коллектора, контактной разности потенциалов, плотности тока эмиссии электронов с эмиттера термоэмиссионного прибора по характеристикам стадии распада плазмы после импульсного разряда.

4.. Математическая модель дугового режима ТЭП с примесью молекулярного газа.

Выявленные в результате исследований на основе разработанной модели общие закономерности влияния примесей молекулярных газов на вольт-амперные характеристики и параметры плазмы преобразователя. Результаты расчетов потерь энергии, обусловленных попаданием примесей водорода и азота в межэлектродный зазор преобразователя, в диапазоне условий, характерном для существующих и перспективных ТЭП.

'б. Выявленные в результате проведенных исследовании закономерности развития и нелинейной -стабилизации неустойчива возмущений в плотной неравновесной плазме диодов с поверхностной и объемной ионизацией.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по

термоэмиссионному преобразованию энергии, по космической ядерной энергетике, по явлениям в ионизованных газах, на Межведомственных конференциях по инженерным проблемам преобразования энергии (1ЕСЕС, США), на Всесоюзных конференциях по термоамиссионному преобразованию энергии, по 'Физике низкотемпературной плазмы, по физике газового разряда, на отраслевых совещаниях и семинарах в Физико-энергетическом институте, Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, Физико-техническом институте и,1. А.Ф. Иоффе, Подольском научно-исследовательском те:- «логическом институте. Сухумском физико-техническом институте им. 1:.П. Векуа, Горном институте им. Г. В. Плеханова.

По содержанию диссертации опубликовано более 50 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех разделов, включающих 9 глав, списка литературы из 260 наименований. Работа содержит 257 страниц основного текста. 101 рисунок и 6 таблиц.

.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования. Формулируется цель работы, отмечаются новизна.

научная и практическая значимость полученных результатов. Для выявления места работ автора и результатов, представляемых на защиту, среди других работ приведен обзор литературы, посвященной разработке математических моделей термоэмиссионных преобразователей энергии и исследованию физических процессов, протекающих в преобразователях. .3 заключение введения формулируются положения. выносимые автором на защиту.

Первый раздел ' диссертации посвящен исследованиям импульсных режимов термоэмиссионного преобразователя энергии. В этих ренинах на стадии ионизации в межэлектродном зазоре преобразователя с помощью импульсного разряда создается плазма с плотностью, значительно превышающей равновесную плотность при температуре эмиттера, а на стадии распада плазмы происходит преобразование тепловой энергии - в электрическую, используя накопленные на стадии ионизации ионы.

В первой главе исследован диффузионный импульсный режим, в котором распад плазмы затормаживается рассеянием ионов на. атомах. Описаны разработанные модели стадий распада плазмы и ионизации газа-наполнителя. Исследованы физические процессы, происходящие на этих стадиях и выявлены факторы, определяющие . энергетические характеристики преобразователя. Сформулированы направления его оптимизации. Рассчитаны и оптимизированы энергетические характеристики преобразователя и найдена область конкурентоспособности диффузионного импульсного режима ТЭГ1 с дуговым режимом.

В перлом параграфе рассмотрена рабочая стадия импульсного режима ТЗП - стадия распада, поскольку оптимальные условия работы преобразователя на этой стадии в существенной мере определяют условия на стадии ионизации и эффективность преобразования энергии в целом.

На стадии распада стоят три основных задачи:

1) увеличить время распада плазмы до уровня порядка десятков микросекунд:

2) увеличить генерируемый ток до уровня, представляющего

практический интерес, (~1А/см ) при малых потерях напряжения • в межэлектродком зазоре ( ^0,1В );

3) повысить эффективность использования ионов до уровня порядка 10 .

Для решения этих задач сформулирована в приближении двух-жидкостной гидродинамики система нестационарных, нелинейных уравнений и граничных условий, описывающая термоэмиссионный преобразователь энергии при произвольных знаках приэлектродных скачков потенциала, которые изменялись в процессе распада плазмы. Разработана программа, решающая эту систему на ЭВМ.

Па начальном этапе стадии распада, когда плотность плазмы велика и скачки потенциала у электродов задерживают плазменные■ электроны, задача о распаде плазмы допускает аналитическое решение. Полученная в этом случае зависимость тока через диод от времени _ и генерируемого • напряжения позволяет оценить потенциальные преимущества импульсного режима ТЭП1 перед дуговым. В частности показано, ' что импульсный режим может конкурировать по удельной мощности с дуговым при невысоких температурах эмиттера, когда генерируемые токи невелики. Причем его конкурентоспособность растет с увеличением работы выхода коллектора. При высоких температурах эмиттера, когда гелерируемые токи велики и велики потери напряжен».1 вследствие кулоновского сопротивления плазмы, импульсный режим теряет' свои преимущества по сравнению с дуговым. Этот вывод получен без использования специфических особенностей имиулн'ного режима и справедлив также и для других диффузионных режимов с внешним» источниками ионов.

В импульсном режиме с большими приэлектродными скачками потенциала, задерживаю:!; ;ми плазменные электром, низка эффективность использования ионов и соответственно велики эффективные потери напряжения в межэлектродном зазоре, обусловленные затратами электрической энергии па создание плазмы. Поэтому для преобразования энергии более предпочтительны режимы с небольшими приэлектродными скачками

потенциала, задерживают;.ми электроны или образующими ловушку для ионов. Эти режимы исследовались с помощью вычислительных экспериментов. Были исследованы зависимости скорости распада плазмы, тока и эффективности использования ионов от параметров диода и напряжения, приложенного к меюпектродному зазору. В .результате на поставленные ' выше задачи сформулированы следующие ответы. указывающие направления оптимизации диффузионного импульсного режима ТЭЦ.

1) Увеличить вре'.-я распада можно, увеличивая давление газа или межэлектродное расстояние. Однако, и то л другое ведет к снижению тока на начальной стадии распада.

2) Для увеличения генерируемого тока при неизменном времени диффузии иона из межэлектродного' зазора следует использовать газы-наполнители с большим отношением сечения рассеяния ионов на атомах к сечению рассеяния электронов, например аргон, или, идя на снижение времени распада, уменьшать межэлектродное расстояние и •давление газа, причем изменение межэлектродного расстояния влияет на величину юка при большой плотности плазмы на начальной стадии распада, а изменение давления - при меньшей плотности плазмы.

Для"увеличения генерируемого тока следует использовать эмиттеры с большой эмиссионной способностью. Однако, следует отметить, что генерируемый ток растет медленнее тока эмиссии.

Увеличить ток можно также, повитая начальную плотность плазмы. Однако, чрезмэрное увеличение плотности, не увеличивая существенно генерируемого тока. снижает эффективность использования ионов вследствие увеличения скорости объемной рекомбинации.

3) Увеличению эффективности использования ионов способствуют' те ке факторы, что и увеличении генерируемого тока, кроме увеличения плотности.

Во втором параграфе рассматривается стадия аонизаиин. на которой с помощью импульсного разряда в межэлектроднен зазоре преобразователя создается плазма с плотностью, значительна! превышающей равновесную при температуре эмиттера.

На стадии ионизации стоят две основные за чачи:

1)•организовать процесс ионизации таким 'образом, чтобы затраты электрической энергии на один иол были не слишком велики (-£ 15 эВ);

2) обеспечить достаточно однородное распределение генерируемых ионов в межэлектродном пространстве (с характерным размером неоднородности более четверти межэлектродного расстояния).

Возможны различные режимы ионизации газа- наполнителя. Проведенный в диссертации анализ показывает, что наиболее эффективны?.! из них является режим ионизации электронами, эмиттировашшми коллектором и ускоренными на приколлекторпом скачке потенциала при подаче на коллектор импульса отрицательного напряжения. В этом случае задача о генерации ион'оз в диоде с однокомпонентным наполнением решена аналитически. Найдены распределение генерируемых ионов в ыежэлектродном зазоре и затраты электрической энергии на их образование. Показано, что режим импульсной ионизации в' диоде с однокомпонентным наполнением имеет два недостатка: во-первых, ионы образуются в тонком слое у коллектора толщиной порядка 103 см. что приводит к низкой, эффективности их использования на стадии распада, и, во-вторых, при заполнении ' диода тяжелыми инертными газами, . которые целесообразно использовать для увеличения проводимости плазмы и генерируемого тока, велики затраты электрической энергии на образование иона « 60-70 эВ.

Эти недостатки могут быть уменошены при заполнении . диода газом, который слабо рассеивает тепловые электроны, но хорошо рассеивает ионы, и имеет высокий порог возбуждения, с малой добавкой легкоионизуемого газа. При этом основной газ, в качес'твё которого может быть взят один из тяжелых инертных газов, увеличивает время распада плазмы и упруго рассеивает быстрые электроны на стадии ионизации. Ионы образуются в результате ионизации добавки.

Для исследования процесса генерации ионов в таком диоде получена система нелинейных уравнений для плотности быстрых электронов, плотности ионов и температуры , тепловых

электронов. Разработана программа для ее решения на ЭВМ. На рисунке 1 показаны распределения ионов в межэлектродном зазоре в различные моменты времени, полученные при одном из расчетов. Ширина распределения ионов пр;. t=l мкс составляет около половины кежэлектродногс зазора, а ¿¿9Ф --11 зВ. Таким образом, использование двухкошюнентного наполнения позволяет организовать процесс ионизации, удовлетворяющий сформулированным выше требованиям.

Важной особенностью импульсной ионизации является нагрев тепловых электронов до высокой температуры, позволяющий эффективно ионизовать атомы, возбужденные бистры;.!!; электронами. Это является существенным преимуществом импульсной ионизатгл по сравнению с ' неравновесной стационарной ионизацией, например, в триоде, где повкиенпе температуры тепловых электронов связано со снижением эффективности ТЗП.

В _ третьем параграфе рассмотрено состояние экспериментальных исследований диффузионного импульсного режима и на основе представлений, развитых в предыдущих параграфах, проанализированы результаты имевшихся, а также поставленных по инициативе автора экспериментов. С целью апробации разработанной модели проведено количественное сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными.-На рисунках 2 и 3 показано сравнение рассчитанных и экспериментальных зависимостей от времени плотности плазмы и тока через диод на стадии распада. Экспериментальное зависимости получены А.А.Боглзновым и А. И.Кзрциновсиии з ФТИ им.'Л.Ф. ИоФФе.

Исследование стадий ионизации и распада в услош.-!,;, близких к оптимтлын'м, проведено в $ЭИ пол наупя-ч руководством автор"». Бшго показано, в частности, что в э-1 <лл условиях затраты энергии по образование нонп составляют около 10 эВ, а распределение ионов в Г-'ЗЗ достаточно одгорсчшо.

В цолси анализ экспериментальных лагоч»?. и сравнение с ними результатов расчетов показал правильность рэ?работа<шиЛ теоретической модели и возможность иснольгогепия ее для

расчетной оценки эффективности импульсного режима и его • оптимизации. Кроме того, были уточнены некоторые параметры модели. ■

В четвертом параграфе рассчитываются и оптимизируются характеристики диффузионного импульсного режима ТЗП,-сравниваются с характеристиками дугового режима.

Подробно рассмотрены качественные соображения по оптимизации диффузионного импульсного режима, следующие из проведенных исследований физических процессов, поскольку они полезны для оптимизации и „ других модификаций импульсного режима. Далее рассчитаны зависимости характеристик преобразователя (коэффициента полезного действия, генерируемой мощности, барьерного индекса) от межэлектродного расстояния, давления аргона, начальной для стадии распада плотности ионов, работы выхода эмиттера, . генерируемого напряжения. В результате анализа этих зависимостей найдены параметры преобразователя и его энергетические характеристики, близкие к оптимальным. На рисунках 4-6. кривыми 1 показаны характеристики оптимизированного импульсного режима при максимальном КПД. кривыми 2 характеристики оптимизированного Дугового режима в точке ВАХ, соответствующей максимальному КПД, а кривыми 3 - в точке, соответствующей максимальной ' генерируемой мощности. Характеристики рассчитаны при работе выхода коллектора, равной 1,2 эВ. При низких температурах эмиттера импульсный режим существенно превосходит дуговой, особенно по КПД и генерируемому напряжению. С увеличением температуры эмиттера вследствие потерь напряжения в межэлектродном зазоре, обусловленных, в основном, кулоновским сопротивлением плазмы, характеристики импульсного режима становятся ниже характеристик дугового. Отметим, что с увеличением работы выхода коллектора область конкурентоспособности импульсного режима с дуговым сдвигается в. сторону более высоких температур. Термоэмиссионнйй преобразователь энергии, работающий в импульсном режиме и имеющий характеристики, показанные на рисунках 4-6, удовлетворяет, в частности.

требованиям, предъявляемым к ТЭП с радиоизотопными источниками тепла.

Во второй главе исследуется квазивакуумный импульсный режим ТЭП, в котором на стадии распада ионы, созданные на стадии ионизации, удерживаются в потенциальной яме, образованной в меяэлектродном зазоре пространственным зарядом электронов, эмиттпрованных электродами с низкой работой выхода. В этом случае использование диодов с малыми межэлектродными расстояниями и давлениям:! газа позволяет практически исключить рассеяние электронов' в плазме преобразователя и снять ограничения на генерируемые токи, обусловленные кудояовским сопротивлением плазмы.

Из'баланса электронных потоков, напряжений-и условия квазинейтральности плазмы получена вольт-амперная характеристика преобразователя, которая не зависит- от работы выхода электродов и определяется, в основном, плотностью плазмы и температурами эмиттера и коллектора. • , ,

При больших и средних плотностях плазмы на начальном •этапе стадии распада уход ионов из межэлектродного зазора определяется кулсновскими.столкновениями, причем при средних плотностях плазмы существенной оказывается неравновесность функции распределения ионов з области энергий, близких глубине потенциальной ямы. При малых плотностях плазмы уход ионов определяется резонансной перезарядкой ионов на атомах. Учитывая это, сформулировано уравнение, определяющее динамику распада плазмы, и разработана программа для решения этого уравнения и расчета характеристик преобразователя на ЭВМ. Рассчитанные характеристики квазивакуумного импульсного -режима ТЭП в'области низких и средних температур эмиттера существенно, в полтора-ДЕа раза, превосходят характеристики оптимизированного дугового' режима, так что область конкурентоспособности квазивакуумного , импульсного ре:;:;:;.м расширяется в сторону бо'льиих температур по сравнений с диффузионным импульсным режимом.

Существенной особенностью ■ квазивакуумного импульсного режима является высокая эффективность использования исяов на

стадии.распада. Это позволяет затрачивать на образованно иона анергии порядка нескольких десятков электроновольт без существенного снижения характеристик преобразователя.

Для технической реализации ТЭП,' эффективно работающего в квазивакуумном импульсном режиме, требуется решение проблем технологии получения малих межолектродних зазоров ( 10 - 10 см ) и создания ¡электродов с низкими работами выхода (1,6-2 эВ для эмиттера н 1-1,2 'эВ для коллектора) при давлениях цезия порядка ю"г Topp.

В третьей глава рассматривается импульсный р&ым .ТЭП с аккумулированием энергии (с Нг+Са плазмой). В этом режиме на стадии возбуждения, аналогичной стадии ионизации в импульсных режимах с непосредственной генерацией ионов, с помощью импульсного разряда молекулы возбуждаются на колебательные уровни. После окончания возбуждающего импульса на рабочей стадии - стадии.распада энергия, запасенная в колебательных степенях свободы молекул, используется для ионизации атомов цезия и поддержания плотности плазии. В этом случае, поскольку длительность стадии распада определяется относительно медленным и слабо зависящим от межэлектродного расстояния процессом колебательной релаксации, может быть увеличена длительность цикла работы преобразователя . снижено мэжэлектродное расстояние, уменьшено кулоновское

сопротивление плазмы и расширена область

конкурентоспособности в сторону более высоких температур эмиттера по сравнению с дг. ¿Фуlлонным импульсным режимом. Однако, в распадающейся сильно неравновесной азотно-цезиевой плазме наряду с полезным процессом - ионизацией атомов цезия колебательно-возбужденными молекулами, - протекает ряд процессов, приводящих к непроизводительным потерям колебательной энергии и снижающих эффективность преобразователя.

Для детального исслед шанпя распада азотно-цезиевой плазмы в термоэмиссионном диоде, оптимизации режима преобразователя и расчета его характеристик разработана теоретическая модель и программа расчета стадии распада импульсного режима ТЭП с IJ.tüs наполнением.

Особенностью динамики заряженных частиц на стадии распада плазмы в импульсном режиме с аккумулированием энергии является ее квазистационарность. Временное поведение • преобразователя^ определяется релаксацией колебательной энергии.

Из анализа результатов расчетов зависимостей от времени характеристик преобразователя и параметров плазмы показано, что в условиях, близких к оптимальным, основная доля запасенной на стадии возбуждения колебательной энергии расходуется на стадии распада на генерацию ионоз цезия. При этом в течение времени порядка 1 мс, превыааювдго на • лорядок длительность стадии распада в диффузионном импульсном режиме, обеспечивается плотность плазмы,-достаточная для пропускания практически интересных токов. Высокая эффективность использования колебательной энергии' обусловлен^ в значительной степени низкой температурой тепловых электронов на стадии распада, быстро устанавливающейся после окончания стадии возбуждения.

Для проверки основных положений развитой теории по инициативе и при участии автора в Институте проблем энергосбережения АН Украины под руководством Ю. П. Корневого было проведено экспериментальное исследование распада Г!г 4 Сз плазмы, образующейся в.. результате импульсного разряда в диоде, моделирующем термоэмиссионный преобразователь энергии. Экспериментальные результаты продемонстрировали два важнейших для работы ТЭП в импульсном режиме с аккумулированием энергии 1 факта. Во-первых, быстрое охлаждение электронного газа после снятия разрядного импульса и, во-вторых, поддержание плотности плазмы колебательно- возбужденными молекулами, азота на стадии распада.

Для расчета характеристик преобразователя проанализирована эффективность колебательного возбуждения молекул азота в низковольтном дуговом разряде и показано, что более половины энергии, вкладываемой в разряд на стадии возбуждения, может быть запасено в колебательных степенях свободы молекул. Далее были найдены оптимальные условия преобразования энергии в

области низких и средних температур эмиттера и рассчитаны . характеристики преобразователя в этих условиях. Показано, что при низких температурах эмиттера они близки характеристикам диффузионного импульсного • режима при бо'льшей " на „ порядок длительности стадии распада. С увеличением температуры эмиттера они превосходят характеристики диффузионного режима и конкурируют с характеристиками дугового 'режима до существенно больших температур.

Вследствие имеющейся в ' литературе значительной неопределенности в константах элементарных процессов в азотно-цезиевой -плазме была исследована чувствительность характеристик преобразователя к наиболее важным константам-сечешно ионизации атомов цезия колебательно-возбужденными молекулами и коэффициенту гетерогенной ' колебательной релаксации. Показано, что изменение этих констант на порядок приводит к изменению КПД преобразователя на величину около '10% от оптимальной, так что чувствительность характеристик преобразователя к неопределенности этих констант невелика.

В расчетах характеристик преобразователя полагалось, что на стадии распада молекулы имеют больцмановское распределение по колебательным уровням. Для оценки воздействия этого допущения на результаты расчетов было ' исследовано совместное' влияние энгармонизма' ' колебаний молекул и

колебательно-поступательной * неравновесности на заселенность колебательных уровней и скорость генерации ионов цезия молекулами. Показано, что в условиях импульсного режима ТЭП эти факторы приводят к повышению заселенности колебательных уровней в области энергии ионизации цезия и значительному увеличению скорости генерации ионов, что позволяет работать при более низких колебательных температурах, чем в случае больцмановской функции распределения молекул по колебательным уровням.

В четвертой главе на основе анализа результатов вычислительных экспериментов по распаду плазмы в диффузионном диоде предложены и обоснованы способы определения важнейших параметров электродов ТЭП и других термоэмиссионных, приборов

■• ~ . 21. - работа выхода коллектора, контактной разности потенциалов, плотности тока эмиссии электронов с эмиттера. Эти способы применимы в условиях близких к рабочим условиям ТЭП, когда существенно рассеяние электронов в меиэлектродном зазоре. Они осыпаны на использовании зависимостей от определяемых параметров тока через прибор или температуры электронов на стадии распада плазмы, созданной в приборе импульсным разрядом.

Работа выхода ко:лектора Фс определяется по зависимости тока от времени при больших отрицательных напряжениях на диоде. Этот способ можно рассматривать как обобщение способа определения Фспо известному методу тормозящего поля на случай высоких давлений газа-наполнителя. Использование импульсной ионизации для увеличения плотности плазменных электронов и работа при небольших токах через диод позволяет снизить влияние рассеяния электронов, а также уменьшить отличие температуры электронов от температуры эмиттера, и учесть их в качестве поправок. Способ определения Фс прошел •экспериментальную отработку и был использован в исследованиях диффузионного импульсного.режима в ФЗИ и ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Контактная разность потенциалов определяется по зависимости от времени и напряжения на диоде температуры плазменных электронов в распадающейся плазме, а ток эмиссии электронов с эмиттера - по зависимости от времени тока через диод при напряжении на коллекторе, равном контактной разности потенциалов.

Второй раздел диссертации посвящен разработке модели дугового режима термоэмвдсионного преобразователя энергии с

- примесью молекулярного газа и исследованию на основе этой модели деградации характеристик ТЭП и териоэмисснонного

'•-реактора-преобразователя при натекашш в меаэлектродниЯ зазор молекулярного газа.

В первой главе проанализированы интенсивности процессов с

- участием примесных молекул, определяющих потерн энергии электронного газа и скорость ионизации атомов цезия а неравновесной плазме дугового режима ТЭП в условиях.

характерных для реакторов-преобразователей типа "ТОПАЗ", "3-Р1ШЕ";

Показано, что в этих условиях потери энергии электронного газа вследствие девозбувдения молекулами возбужденных электронами атомов цезия (УВ-процесс) значительно превышают потери вследствие других процессов с участием молекул (УЕ-, .]}Е-процесоы).

На основе аналитической модели низковольтного разряда качественно исследовано влияние молекулярной примеси на вольт-амперную характеристику разряда. Показано, что это влияние наиболее велико на участке ВАХ, соответствующем развитию разряда. Причем потерн энергии, обусловленные УВ-процессом слабо зависят от давления цезия и межэлектродного расстояния в условиях, когда объемная • рекомбинация мала.

Во второй главе для детального исследования процессов в цезиевой плазме ТОП с примесью молекулярного газа и влияния примеси на ВАХ преобразоватьчя разработаны с учетом полученного вывода о преобладающей роли УВ-процесса в потерях энергии электронною газа теоретическая модель такого ТЭП и реализующая ее на ЭВМ программа ТОИ-И. Решение этой задачи было облегчено наличием разработанной в ФЭИ В. II. Сидельниковым программы для расчета ВАХ дугового режима ТЭП с чисто цезиевым наполнением, в которую были внесены следующие изменения. Виду отсутствия аппроксимационных формул для скорости генерации ионов в цезиевой плазме с примесью молекулярного газа скорость генерации ионов рассчитывалась методом модифицированного диффузионного приближения по модели, разработанной А.X.Мнацаканяном и Г.В.Наидисом.

плотность атомов цезия плотность электронов плотность тока температура электронов температура атомов межзлектродное расстояние

ь-ю см'; 3 А/смл ; 2800 К ; 1500 К ; 0,04 см.

Колебательная температура молекул 'находилась из баланса колебательной энергии, в котором основную роль играли VB-процесс и VT-процесс при столкновении молекул с атомами 1СЗИЯ. в уравнение баланса энергии электронного газа включены потери, обусловленные VB-пропессом.

На рис. • 7 показаны ВАХ преобразователя с примесью водорода, расчитанные при различных давлениях примеси Р^ (1- -0; 2- 0.1; 3- 0,3; 4-1,5 Горра): На ВАХ можно выделить три области, отличающихся различным характером влияния примеси. Во- первых, область диффузионного режима, на величину тока в которой примесь до давлений порядка нескольких Topp практически не оказывает влияния. Во- вторых, область развитого дугового режима, где примесь приводит к уменьшению генерируемого напряжения на величину, слабо зависящую от тока. В-третьих, область перехода от диффузионного режима к дуговому, на которую влияние' примеси максимально. В этой области примесь приводит к затруднению развития разряда и затягиванию диффузионного режима в область меньших напряжений, формированию неустойчивых участков ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, расширению области развития разряда в сторону больших токов.

В развитом дуговом режиме примесь не оказывает заметного влияния на температуру электронов. С уменьшением тока и плотности плазмы добавление примеси приводит к росту температуры электронов для компенсации отрицательного влияния примеси на скорость генерации ионов.

С уменьшением тока примесь усиливает нерасновесность заселенности резонансного уровня атомов цезия, определяющего, в основном, ■ потери энергии электронного 'газа вследствие VB-процесса, а это, в свою очередь, отражается на виде вольт-амперных характеристик.

Колебательная температура молекул в развитом дугоьом режиме превышает температуру электронов. С уменьшение!; тока она уменьшается и приближается к поступательной темперах/ре атомов и молекул.

Заселенность колебательных уровней вследствие малой

интенсивности VV-обмена имеет неравновесную структуру, которая, однако, при расчете ВАХ может быть апроксимирована больцмановским распределением.

Результаты расчетов по разработанной модели сопоставлены с результатами экспериментальных исследований ТЭП с примесями азота и водорода,выполненных с участием автора' в НИИ „НПО "Луч" и ФЭИ. Сравнение экспериментальных результатов ■ с рассчитанными показало их хорошее согласие ( см. рис. 8). , Это дает основание для использования развитой модели и программы TQR-N для" оценки- влияния примеси на характеристики разрабатываемых ТЭП, электрогенерирующих каналов и термоэмиссионных энергетических установок, а также для анализа результатов их испытаний.

В третьей главе исследуется деградация характеристик ТЭП, электрогенерирующего канала ОГК) и реактора -преобразователя при натекании в межэлектродный зазор молекулярного газа.

Используя программу TOR-И, рассчитаны в условиях, характерных для действующих и перспективных преобразователей, зависимости от параметров ТЭП ( давления цезия, межэлектродного расстояния, вакуумной работы выхода и 'температуры эмиттера) потерь генерируемой электрической мощности, обусловленных попаданием примеси в межэлектродный зазор. В целом расчеты показали, что, до давления, порядка нескольких Topp потери электрической мощности примерно пропорциональны давлению примеси. Конкретные величины потерь определяются условиями работы преобразователя, и в рассмотренном диапазоне параметров для данного давления примеси могут отличаться в 2-3 раза. Для примеси водорода при давлении 1 Topp потери электрической энергии оказываются порядка 1 Вт/см*. Потери для примеси азота в три раза больше. „ Отсюда непосредственно следует оценка допустимой по отношению к потерям электрической мощности концентрации примеси в межэлектродном зазоре преобразователя.

Кроме увеличения потерь напряжения в МЭЗ и генерируемой мощности попадание примесного газа в межэлектродный зазор приводит к увеличению переноса тепла с эмиттера на коллектор.

которое необходимо учитывать при расчетах ЭГК. Особенно существенно это увеличение для примеси водорода. Перенос тепла водородом ТЭП имеет ряд особенностей, связанных с рассеянием молекул и атомов водорода атомами цезия, большой разностью масс молекул водорода и атомов ц-зия, низкими коэффициентами аккомодации энергии молекул водорода на электродах. При высоких температурах эмиттера (Т >2000 К) существенную роль в переносе тепла играют атомы водорода, пбрэлупшюся в результате диссоциации молекул на эмиттере.

В диссертации рассчитаны потери тепла с эмиттера, обусловленное примесью водорода. Они сопоставимы с потерями электрической энергии в межэлектродном зазоре, обусловленными примесью, и в сумме эти потери при давлении примеси порядка одного Торра сопоставимы с радиационными потерями тепла с

2

эмиттера, составляющими в рассматриваемых условиях 10-15 Вт/см.

Для количественной оценки степени деградации характеристик реактора-.преобразователя "ТОПАЗ" при наТекашш в межэлектродный зазор водорода были рассчитаны его характеристики при различных давлениях' примеси. Расчеты проводились но методике и ' программам, разработанным в ФЭИ В.А. Ружниковым и Л. Л. Шимаиским. исходными для которых являлись ВАХ, расчитанные по программе ТОР-Н.

Вольт-амперные характеристики ЭГК и реактора-преобразователя имеют более простую структуру, чем ВАХ отдельного ТЭП. Потери генерируемой мощности, обусловленные примесью, слабо зависят от тепловой мощности. Потери напряжения в межэлектродном зазоре и потерн тепла с эмиттера вносят сопоставимые вклады в суммарные потери генерируемой мощности, обусловленные примесью. Сопоставление рассчитанных потерь . генерируемой мощности с потерями, полученными при испытаниях реактора-преобразователя, показало их удовлетворительное согласие. Результаты описанных расчетов использовались при анализе деградации характеристик реактора-преобразователя "ТОПАЗ" при их летних испытаниях на спутниках "Космос-1810" и "КОСМОС-1867".

Третий раздел диссертации посвящен неустойчипостям и

колебаниям в сильно неравновесных термоэмиссионных диодах.

•В первой главе исследуются неустойчивости и колебания в режимах с поверхностной ионизацией. В первом параграфе, моделируя плазму системой заряженных листов, исследовано развитие электронной неустойчивости в перекомпексированном квазивакуумном режиме, приводящей к колебаниям тока через диод. Показано, что неустойчивость развивается за время порядка времени пролета электрона через межэлектродный зазор, характерный размер нарастающих возмущений уменьшается с увеличением тока электронной эмиссии с эмиттера и уменьшением потенциала плазмы. Неустойчивость развивается при токе, бо'льшем критического. Полученные результаты показывают, что исследуемая неустойчивость аналогична неустойчивости Пирса. Особенность ситуации в термоэмиссионном диоде ' в отличие от модельной задачи, рассмотренной Пирсом, состоит а том, что потенциал фиксируется не в квазинейтральной плазме, а на внешних границах приэлектродных скачков потенциала, , составляющих у границы устойчивости значительную долю межэлектродного зазора.

Во втором параграфе исследуется неустойчивость, развивающаяся, в диффузионном режима термоэмиссионного диода. Показано, что в условиях сильной 'перекомпенсации. когда плотность плазмы у эмиттера значительно ниже равновесной, в диоде развиваются сильно затухающие в направлении распространения диффузионные . волны с частотой обратно пропорциональной квадрату межэлектродного расстояния. Развитие этих волн обусловлено процессами в приэлектродных областях и сильной обратной связью по току между приколлекторной и приэмиттерной областями.

Исследовано влияни» геометрических факторов и кинетического отражения электронов в приэмиттерной области на . условия возбуждения волн. В цилиндрическом и сферическом диодах волны развиваются при значительно меньших перекомпенсациях, чем в плоском диоде. Степень же отклонения плотности плазмы у эмиттера от равновесной, при которой развиваются волны, в диодах всех трех геометрий примерно

одинакова.

Кинетическое отражение электронов в приэмиттерной области. связанное с неравновесностью их функции распределешн], усиливает развитие неустойчивости.

Учет геометрических факторов и кинетического отражен!;;! электронов позволяет значительно сблизить ' теоретические и экспериментальные результаты.

В третьем параграфе исследованы диффузионные волны конечной амплитуды и . процесс их установления. Для решения этой задач!! разработана программа, решающая нестационарное уравнение диффузии с нелинейными граничными условиями, описывающее поведение диффузионного термоэмиссионпого диода. При малых амплитудах характеристики волн, полученные в результате вычислительных экспериментов, близки

характеристикам линейных диффузионных волн, рассмотренных ь предыдущем параграфе. При переходе в область неустойчивости амплитуда, волн растет, а затем стабилизируется. При невысоких надкритичностях форма колебаний близка к синусоидальной, а .амплитуда их невелика (см. рис. 9). При (Уо.-ьткх надкритичностях форма колебании становится несинусоидальной, а в области максимумов тока (кривая 1) появляется плато (см. рис. 10). Поскольку условия большой надкритичности в эксперименте обычно не - реализуются, наблюдаемые колебания тока имеют близкую к синусоидальной форму и небольжуп амплитуду.

В четвертом параграфе рассмотрены слабо нелинейные ионно-звуковые волны в термоэмиссионном диоде с плотной сильно ионизованной плазмой. Механизм возбуждения этих волн аналогичен механизму возбуждения диффузионных волн. Поскольку при малой надкритичности в рассматриваемом диоде возбуаупется только одна первая ионно-звуковая мода, а высшие моды затухают- (четные - вследствие приэлектродных процессов, нечетные - вследствие ионной вязкости) для исследования слабо нелинейных волн были использованы методы Пуанкаре и Боголюбова, развитые применительно к нсследэь--.?:;:^ автоколебаний в ограниченной сплошной ср^де. 1; результате

решения задачи найдены в зависимости от параметра надкрнтичности амплитуда и частота волни, а также изменение усредненных по времени характеристик диода. В частности, показано, чю развитие колебаний приводят к уменьшению средней плотности плазмы. Применительно к термоэмиссионному преобразователю энергии это приводит к снижению среднего тока, которое при кадкриткчности порядка единицы может составлять десятки процентов.

Во .второй главе рассмотрены неустойчивости в режимах с объемной ионизацией. В первом параграфе исследуется неустойчивость, развивающаяся в низковольтном дуговом разряде. Для решения этой задачи получено нелинейное уравнение,описывающее нестационарный, ' слабо неоднородный вдоль электродов разряд. Из решения этого уравнения показано, что в низковольтном разряде в области вольт-амперной характеристики, соответствующей отрицательному

дифференциальному сопротивлению га , может развиваться ионизационно-перегревная неустойчивость. Однородные вдоль электродов возмущения • развиваются при нагрузочном сопротивлении во внешней цепи г< -га и приводят в зависимости от знака возмущения к переходу разряда в развитую форму или его гашению. Увеличение нагрузочного сопротивления предотвращает развитие однородных вдоль эпектродов возмущений. Однако в этом случае могут развиваться достаточно длинноволновые неоднородные вдоль электродов возмущения, не изменяющие ток во внешней цепи диода. Найдена критическая длина волны, при превышении которой возмущения нарастают. Стабилизация Солее коротковолновых возмущений обусловлена, в основном, появлением поперечных токов,' вызывающих перераспределение джоулева тепла. В результате нарастания возмущений развивается неоднородный вдоль электродов разряд. В диссертации найдены некоторые возможные стационарные состояния такого разряда, которые представляют собой пространственные осцилляции параметров разряда вдоль электродов или локальное понижение тока тина соллтона.

Во втором параграфе рассматриваются колебания напряжения.

возникающие на начальном участке развития низковольтного разряда. Исходя из анализа экспериментальных данных, полученных группой сотрудников ФЭИ под руководством Н.Л.Лебедева, предложена качественная модель таких колебаний. В соответствии с этой моделью процесс колебанп" представляет собой переход между состоянием с высоким напряжением, г котором в приколлекторной области происходит генерация ионов, и состоянием с низким напряжением, в котором плотная плазма заполняет весь межэлектродчый- зазор и происходит ее распад вследствие диффузии ионов на электроды. В соответствии с этой моделью обработаны экспериментальные данные и предложен способ определения давления газов и паров металлов в межэлектродном зазоре диода но длительности стадии' распада в состоянии с низким напряжением.

В Заключении диссертации сформулированы основные результаты работы. -

1.Разработаны модели диффузионного и квазивакуумного импульсных режимов ТОН с непосредственной генерацией ионов и импульсного режима с аккумулированием энергии (с + Сэ наполнением).

Выявлены факторы, определяющие длительность рабочего цикла преобразователя, генерируемый ток. эффективность использования ионов на стадии распада, затраты энергии на создание плазмы, или колебательное возбуждение молекулы на стадиях ионизации, возбуждения. Сформулированы направления оптимизации преобразователя. Рссчитани и оптимизированы энергетические характеристики импульсных режимов ТЗП. определена облась их конкурентоспособности. Показано, что характеристики импульсных режимов существенно превосходят характеристики дугового режима при низких и средних температурах эмиттера, характерных. в частности, для радиоизотопных источников тепла.

2. На основе анализа результатов аналитических расчетов и вычислительных экспериментов по распаду плазмы 'в термоэмиссионных диодах предложены и обоснованы способы определения важнейших параметров электродов - работы выхода

коллектора, контактной разности потенциалов и тока эмиссии . электронов с эмиттера, применимые в условиях высокого давления газа-наполнителя и малой эмиссии электронов с коллектора.

3. Показано, что основным процессом с участием примесных молекул, определяющим потери энергии электродного газа и скорость генерации ионов в плазме низковольтного разряда в ТЭП, является девозбуждение атомов цезия молекулами примеси. С учетом этого вывода разработана модель термоэмиссионного преобразователя энергии с .примесью молекулярного газа. Сравнение рассчитанных вольт-амперных характеристик с полученными в лабораторных экспериментах показало их хорошее согласие.

В условиях, характерных для существующих и перспективных ТЭП, рассчитаны потери электрической и тепловой . энергии, обусловленные попаданием примеси . молекулярного газа в 'межэлектродный зазор.' Показано, что оба эти канала потерь сопоставимы по интенсивности. Получены оценки предельно допустимых концентраций наиболее важных примесей.

4. Исследовано влияние примесей водорода • и азота на энергетические характеристики эле;:трогенерирующего канала и

потерь энергии при натекании „ одорода в межэлектродный зазор, с полученными экспериментально при испытаниях реактора-преобразователя. показало их удовлетворительное согласно. Результаты проведенных расчетов использовались при анализе летных испытаний реакторов-преобразователей на спутниках "Космос-1618" и ''Космос -1867".

5. Обнаружен и наследован механизм неустойчивости диффузионных и ионно-звуювых волн в термоэмиссионных диодах с плотной плалиой. Показано, что в режимам с поверхностной ионизацией волны развиваются ■ при достаточно сильной перекоипенснции, когда плотность" илазми у эмиттера значительно ниже равновесной. В диодах цилиндрической и сферической геометрии вол:ш развиваются при суидасшинно меньшой шгрекомиенсации, чем в плоском диоде. Кинетическое

отражение электронов у эмиттера сильно влияет на развитие диффузионных волн, увеличивая инкремент и сдвигая область неустойчивости в сторону меньших перексмпенсаций.

Исследованы диффузионные и ионно-звуковие волны конечной амплитуды и процесс их нелинейной стабилизации. В зависимости от степени надкритичности колебания тока, обусловленные диффузионными волнами, .могут иметь как близкую к синусоидальной, таки резко несинусоидальную форму. Развитие колебаний приводит к . ленышнию среднего тока через диод.'

6. Исследована устойчивость низковольтного дугового разряда и показано, что в области отрицательного дифференциального сопротивления вольт-амперной характеристики мо;;.ет развиваться ионизационно-перегревная неустойчивость, приводящая к гашению разряда, переходу его в развитую форму, поперечному расслоению или локальному понижению плотности тока. Найдены слабо нелинейные решения, описывающие поперечно неоднородные состояния разряда.

7. Предложена модель колебаний напряжения при развитии разряда из недоксмпенсироЕанного режима. На основе этой модели и анализа экспериментальных данных разработан способ определения давления газов и паров металлов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Жеребцов В.А. Об ионно-звуковых колебаниях в плазменном диоде. ЖТФ. 1970. Т. 40. !! 3. С. 575-580.

2. Жеребцов В.А., Стаханов Я. П. О низкочастотних колебаниях в плазменном диоде высокого давления. ЙТФ. 1970. Т. 40. И 8.

- С. 1729-1734.

3. Жеребцов В.А., Стаханов' И. П. Об устойчивости низковольтного дугового разряда. ЖТФ. 1970. Т. 40. П 12. С. 2545-2552.

4. Жеребцов В.А., Стаханов И.П. Об ионизационнс-гсерегревной неустойчивости в низковольтном дуговом разряде. Г.МТФ. 1971. И 3. С. 35-44.

5. Жеребцов В.А., Стаханов И.П. Аналитическое выражение для вольт-амперных характеристик низковольтного дугового раз-л-

да. "ЖТФ. '1971. Т. 41.' М 9. С. 197-1-1978.

6. Жеребцов В.А., Шутько A.B. Об асимптотических решениях нелинейных уравнений автоколебаний, плазменного слоя. Препринт И 359. Обнинск: ФЭИ. 1972. .

7. Жеребцов В.А.. Шутько A.B. О нелинейных понно-звуковых колебаниях в плазменном диоде. 1.Установившиеся колебания.«

Ж ТФ. 1973. Т. 43. и 12. С. 2521-2528.

8. Жеребцов В.А., Шутько A.B. О нелинейных ионно-звуковых колебаниях _в плазменном диоде. 2. Переходные процессы. ЖТФ. 1973. Т. 43. Н 12. С. 2529-2534.

9. Жеребцов В.А. О термоэмиссионном преобразователе энергии с импульсной ионизацией. Препринт N 604. Обнинск: ФЭИ. 1975.

. 10 Жеребцов В.А. Об импульсном режиме термоэмиссионного преобразователя энергии. Письма в ЖТФ. 1976. Т. 2. N ,3. 1976. С. 124-129.

П.Андршшш A.M.. Жеребцов В.А., Кирющенко А.И., Лебедев H.A. Способ измерения давления газов и паров металлов. Авторское свидетельство N 538^60 СССР. Б.И. 1976. N 45.

12.Андрияхин A.M., Жеребцов В.А.. Кирющенко А.И., Лебедев М.А. К развитию низковольтного дугового разряда в нарах цезия. III Колебания при развитии разряда. ЖТФ. 1977. Т.47. Н 7. С. 1496-1500.

13. Жеребцов В. А.. Таланова, В. Д. О неустойчивости в плазменном диоде низкого давления. Препринт N 742. Обнинск:.ФЭИ. 1977.

14.Жеребцов В.А.. Таланова В.Д Об устойчивости квазивакуумного режима плазменного диода. ¿ГФ. 1978. Т.48. 11.2. С. 319351.

15.Жеребцов В.А., Таланова В.Д. К теории импульсного режима термоэмиссионного преобразователя энергии. .1.Распад плазмы. ЖТФ. 1978. Т. 48. N 3. С. 479-489.

16.Жеребцов В.А., Талановг В.Д. К теории импульсного режима термоэмиссионного преобразователя энергии. II Стадия ионизации. ЖТФ. 1978. Т.48. N 10. С. 2103-2112.

17.Жеребцов В.А.. Таланова В.Д. Импульсный режим термоэмиссионного преобразователя энергии. Термозмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую.,Обнинск: ФЭИ. 1980.

С. 23-46.

18.ЖереОцов В.А., Мусиенко Э.А. Способ определения работы выхода коллектора плазменного прибора. Авторское свидетельство M 900750 СССР. Б. 11. 1982. N 31.

19.Богданов A.A., Жеребцов В.Л.. Карциновский л.М.. Таланова

B. Д. О распаде плазмы в импульсном резпмо ТЭП. ЖТФ. 1931. Т. 51. N 4. С. 731-735.

20.Жеребцов В.А., Таланова В.Д. Импульсный регик термоэмпсси-ошюго преобразователя энергии при низких температурах эмиттера. Препринт U 1191. Обнинск: ФЭП. 1981.

2 t. Жеребцов В. Л. Об устойчивости термомисспонного .диода. Препринт N 1259. Обнинск: ФЭИ. 1982.

22.Жеребцов В. А., Касиков'И.И. Некоторые особенности плазменных диодов сферической и цилиндрической геометрий. 1ГГФ.1963 -Т. 53. П 9. С. 1727-1729.

23. Zlierebtsov У. Л., Lebedev И. А.. Sobolev А. Л.. Cnerkcveí.j

!i¿< Cs plasma desay In the conditions of pulse node of thermionic energy converter. Proc. XVI ICPIG. V.4. Draco!-dorf. 1983. P. 614-015.

24. Жеребцов В. А., Лебедев tl. А., Соболев A.A., Черковец В. П. Импульсный режим тпрмозмиссисинсгс преоОразсвзтсля энергии с кг«Сй наиолиейяен. ИТ. 1984. Т. 22. N1. С. 150-157.

25.Жеребцов В.А.. Таланова В.Д. Распад плазмы в кзазитадкуул-ном импульсном режиме ТЭП. ЖТ1>. 1985. Т. 55. К2. С.399-401.-

26. Жеребцов В. А., Семенов Е. А.. Шеот.акова Н. Г. Исслодоглшш -импульсного режима ТЭП с Ar+Cs наполнением. Непосредственное преобразование тепловой энергии в элоктрнч<??кугс. М. 19е;!

C. 132-134.

27. Жеребцов В. А., Семенов Е. А., Шеетаковз Н.Г. Определение работы выхода коллектора плазменного тпрмоэмиссиошшго

. диода. Непосредственное преобразование геп.лог-ой энергор в электрическую. М. .1984. С.157-159.

28.Жеребцов В.А., Соболев A.A. функция распределения колебательно иозбужлешшх молекул азота и ионязчцвя цезия в сильно неравновесной И2+ Сз плазме. Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую М. 1984. С. 62-01. •

29. Жеребцов В. А.. Таланова В. Д., Талалай С.М. Диффузионные, волны в плазменных диодах. Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. М. 1984. С. 65-68.

30. Жеребцов В. А. Импульсный режим ТЭП. Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. М. 1984. С.224-226.

31.Жеребцов В.А., Семенов Е.А.. Шестакова Н.Г. Определение работы выхода коллектора термоэмиссионного газонаполненного диода. Поверхность. 1985. N 10. С.91-97.

32. Жеребцов В.А., Соболев А.А. Скорость ионизации в условиях стадии распада импульсного .режима ТЭП с N2 -Сз наполнением. Препринт N 1675. Обнинск: ФЭИ. 1985.

33.Жеребцов В.А., Соболев A.A. Скорость ионизации в сильно неравновесной Hg + Cs плазме. ТВТ. 1986. т: 24. N2. С.411. Депонировано в ВИНИТИ 19.11.85. N7990-85.

34.Жеребцов В.А., Таланова В.Д., Талалай С.М. Диффузионные волны в плазменных диодах. Препринт N1717. Обнинск: ФЭИ.

• 1985.

35.Жеребцов В.А.. Лебедев М.А., Соболев A.A. Низковольтный дуговой разряд в молекулярно-щелочных смесях. 3-я Всесоюзная конференция по физике газового- разряда. Тезисы докладов. Киев. 1986. С. 41-43.

36.Жеребцов В.А.. Мусиенко Э.А. Способ определения контактной разности потенциалов термоэмиссионного плазменного прибора. Авторское свидетельство HI 355 049 СССР. 1987.

37.Zherebtsov V.A.. Lebedev М.A., SobolevA.A., Talanova V.D. Low-voltage dlsharge In alkall metals with admixture of molecular gases. Proc. XIX ICPIG . V.4. Belgrade. 1989. P. 982-983.

38. Антонов E.E.. Жеребцов" В. А. Корчевой Ю.П.. Лебедевы. A.. Подо'люх И.Я., Соболев A.A. Релаксация Cs-íJ2 плазмы в усло-

, виях короткого разряда. ТВТ. 1989. Т.27. N 2. С.209-213.

39.Zherebtsov V.A., Lebedev H.A.. Sobolev A.A. Antonov E.E.,

• Korchevoy Yu.P.. Podolukh I.Ya. Experimental-and theoretical study of the TEC pulse mode with Cs+K2 filling. Proc. 24IECEC. V.2. N. Y. 1989. P. 1137-1142.

lO.Androsov V.U.. Izlvvanov O.L., Modln V. A.. Nikolaev U. V.. Zherehtsov V.A.. LebedevM.A., Sobolev A.A. The effekt of the nitrogen mixture on the Charakter!sties of the thermionic converter. Proc. 24IECEC. V.6. H. Y. 1089. P.2735-¿741.

41. Жеребцов D.A.Лебедев M.A., Соболев A.A.. Таланова В.ü. Влияние примесей двухатомных газов на потери энергии в ТЭП. Ядерная энергетика в космосе. Тезисы докладов. 4.1. Обнинск. 1990. С.^5-96.

42. Жеребцов В.А.. Кирющенко А.И.. Кононова З.Н., Лебедев U.A.. Миронов В. С.. Сибир Е. Е., Соболев A.A.. Тулин С.М. Влияние примеси водорода в МЭЗ на работу ТЭП. Ядерная энергетика в космосе. Тезиси докладов.*Ч.1. Обнинск. 1ЭЭ0. С.97.

Рис. I. Распределение плотности ионов при 1=0 (I), 0,5 (2), 1,0 (3), 1,5 (4), 2 тс

Рис.2. Зависимость плотности плазмы от времени.

Рис. 3. Зависимость тока через диод от времени.

Рис. 4.Зависимость KCP'í-J-ициента полезного деПстпип от

Рис.5. Зависимость генерируемой мощности от температуры омиттера.

ур,в 1.0 -

°1200 1300 1400 ТК_К

Рис.6. Зависимость генерируемого напряжения от температуры эмиттера.

А/с«*"

0,6

1,0 V,B

Рио.7. ВАХ преобразователя с примесьа водорода. Tg=ÍQ70 1С;

¿E= 5 А/см2; Тс= 900 К; эВ; L=0,065 см; Ра=2 Торра;

Г- Рт-0; 2-0,1 Торра; 3-0,3 Торра; 4-1,5 Торра.

4 Р„,, Topp

Рис.б. Зависимость потерь напряжения от делания ьодорсда. Т^ =1775 К; Тс =900 К; ¡'а-2,3 Тиме; I- эксперимент; 2- ряс<;*т.

4

2

О

4'!' »41 •1> 3 I

1.5 Л" 4« /X

1.« / / ' 1.»

1Г 'V 1".

Ц5 2,11 ] \У \ ) 44/ \ 0.11

ЦМ 0,10

(1 1- , ,

1,625 1,7

2Д

Рис. 9. Установившиеся колебания в диоде при 1_/£е-Ь\ аС =400;II =8; Т0=ТЕ; Т(=0,79ГЕ; Т{2=0,5ТЕ; 1-1 ; 2-Л/р 3-лУр 4-дУ2; Ь-дУ-

Рис. 10 - Установившиеся колебания в диоде при I-5; и. »600; М =9,0; Те='%; 1'Г0.7Ь; Т£2=0,5 Тк; /-{ ; 2-^; 3-дУ'р '4-лУ^; 5-дУ'.