- Лабораторные установки и методы исследования теплофизических свойств электродов ТЭП
Определение КПД преобразования энергии в реальной конструкции термоэмиссионного преобразователя являлось одной из основных задач прикладных исследований как собственно ТЭП, так и теплофизических свойств материалов электродов. Поэтому работам по определению составляющих теплового баланса ТЭП уделялось особое внимание во всех организациях, занимающихся практической реализацией термоэмиссионного преобразования энергии. Такие исследования выполнялись как на обычных или специально приспособленных для этих целей лабораторных ТЭП (63, 71—76), так и на специально сконструированных моделях ЭГЭ (77—82). Как правило, при исследованиях теплофизических характеристик, регистрировались и эмиссионно-адсорбционные свойства электродов. Кроме того, большой объем как расчетно-теоретических, так и экспериментальных исследований был выполнен по моделированию и исследованию теплопроводящих свойств МЭЗ, в том числе при наличии в МЭЗ газа с малым давлением (81), а также по изучению процессов массопереноса в МЭЗ, в том числе при наличии окислительных и восстановительных газов (82) и т. п.
Рис .2.8. Экспериментальный прибор для определения составляющих теплового баланса в энергонапряженном ТЭП:
1 — калориметрическое тело из молибдена; 2 — охранный цилиндр; 3 — трубчатый нагреватель из вольфрамовой фольги; 4 — нижняя крепежная деталь; 5 — верхняя крепежная деталь; 6 — шпилька; 7 — слюдяная прокладка; 8 — термопара; 9 — слюдяной экран; 10, 11 — токоподводы
Однако наиболее характерными специфическими применительно к ЭГЭ и ЭГС исследованиями следует считать изучение электронного охлаждения эмиттера.
Экспериментальные ТЭП и методики определения составляющих теплового баланса. Наиболее полные систематические исследования основных составляющих теплового баланса ТЭП были выполнены А.С. Титковым с сотрудниками в РКК «Энергия» (71 — 74] и И.П. Свириденко с сотрудниками в ФЭИ [77]. Основным достоинством выполненных исследований следует считать определение составляющих баланса непосредственно в работающем в дуговом режиме ТЭП при высоких плотностях мощности.
Экспериментальные приборы и методики определения электронной составляющей теплового баланса.
В [72] для измерения электронной составляющей теплового баланса использовались экспериментальные ТЭП с цилиндрической геометрией электродов (рис. 2.8). Прибор состоит из трех основных частей: эмиттерного узла, коллекторной сборки и узла подачи пара цезия в МЭЗ ТЭП. Кроме того, имелась специальная сборка для нагрева эмиттера электронной бомбардировкой. Часть прибора, представляющего собой собственно ТЭП, жестко крепилась в вакуумной камере. Коллекторная сборка состояла из трех молибденовых цилиндров высотой 10 мм и внутренним диаметром 8 мм, разделенных между собой изоляционными прокладками из слюды. Средний цилиндр являлся измерительным, а два крайних — охранными. В каждом из трех цилиндров имелись отверстия для измерения температуры эмиттера оптическим пирометром, которые уплотнялись окошечками из прозрачной синтетической слюды. Перед сборкой все молибденовые детали, имеющие поверхности соприкосновения с цезием, подвергались тепловой обработке при 1900 К в глубоком вакууме. Исследования проводились с эмиттерами из вольфрама, рения и молибдена. При использовании молибденового эмиттера узел изготавливался целиком из обычного молибдена, если эмиттер был рениевый, узел также изготавливался из молибдена, а затем после обезгаживания при температуре примерно 2200 К на эмиттерную часть узла точечной сваркой наваривалась рениевая фольга толщиной 0,1 мм. При вольфрамовом эмиттере узел состоял из двух частей: сам эмиттер изготавливался из вольфрама, а втулка, в которую он впаивался, из молибдена. Все эмиттеры имели наружный диаметр 7,4 мм, следовательно МЭЗ, во всех ТЭП был равен 0,3 мм.
Метод позволяет измерить как полный тепловой поток на коллектор, так и его составляющие. Полный поток тепла, переносимый на коллектор
отсюда эффективная теплота конденсации электронов на коллекторе
где I — полный ток ТЭП.
Определяя одновременно выходное напряжение (точнее, разность потенциалов между электродами) υ, можно определить при данном токе полный поток тепла с эмиттера
соответственно величину электронного охлаждения эмиттера
и эффективную теплоту испарения электронов с эмиттера 
Рис. 2.9. Экспериментальная зависимость теплоты конденсации электронов на коллекторе от давления пара цезия при Тэ= 2100 К:
1 — Мо-Мо, Тк = 1030 К; 2 — Re-Mo, Т = 1030 К; 3 — W-Мо, Т = 970 К
Отметим, что измерения 
должны проводиться до снятия ВАХ и после него. Это необходимо для контроля состояния поверхности коллектора, которая может изменяться со временем, что приведет к ошибкам в определении
в частности из-за изменения Qизл. Со временем может измениться также прозрачность окна и тогда измерения могут быть выполнены при разных Тэ, хотя абсолютные погрешности в измерении Тэ в широких пределах не влияют на определяемое значение Qк.
На рис. 2.9 в качестве примера приведены результаты измерений qи для ТЭП с вольфрамовым и рениевым эмиттерами. Показано, что qк не зависит от материала эмиттера, наблюдается слабая зависимость
и существеннее от Тк.
Исследования влияния величины МЭЗ на значения qк проводились на приборе с ТЭП, имеющим плоскую геометрию электродов и изменяющийся МЭЗ (рис. 2.10). Прибор отличался от обычных ТЭП тем, что позволял непосредственно измерять Qк. Прибор состоял из трех основных частей: эмиттерного узла, представляющего собой чашеобразную мембрану 7, изготовленную из тантала, в середину которой с помощью ниобия впаивался вольфрамовый эмиттер 2. Коллекторная сборка состояла из коллектора калориметра 3 со штоком 14, охранного коллектора 4 и крепежного фланца 5, к которому припаивалась никелевая мембрана 6. Коллектор, охранный электрод и крепежный фланец изготавливались из молибдена и в приборе были изолированы друг от друга синтетической слюдой. Коллекторная сборка стягивалась в одно герметичное целое с помощью фланца 7, изолированного от коллектора также с помощью синтетической слюды. Благодаря никелевой мембране 6 коллекторная сборка служила подвижной частью прибора и с помощью винтового механизма могла вертикально перемещаться, изменяя МЭЗ. Ниобиевое кольцо 8 служило корпусом прибора, на котором фланцами 9 и 10 из нержавеющей стали крепились через медные прокладки эмиттерный узел и коллекторная сборка. Кроме того, в нем монтировались два сапфировых окна 11 (одно для измерения Т3, другое для определения МЭЗ) и впаивалась ниобиевая трубка 12 для откачки внутренней полости прибора и подачи пара цезия.
Эмиттер нагревался электронной бомбардировкой с помощью электронной пушки, которая крепилась на верхнем фланце 9. Имелся специальный подогреватель коллектора, с помощью которого при необходимости можно было выравнивать температуры поверхностей основного и охранного коллекторов.
Измерение Тэ проводилось оптическим пирометром, а МЭЗ — оптической системой типа катетометра с погрешностью 0,03 мм. Тк оценивалась по показаниям хромель-алюмелевой термопары 13, установленной в коллекторе. Электрические цепи коллектора и охранного коллектора позволяли независимо варьировать их потенциалы.
где Qo— убывание внутренней энергии калориметра. Если равенства (2.1) и (2.2) записаны для одного и того же значения Тк, то значение Qp в них должна быть одним и тем же, так как оно зависит только от условий, в которых находится калориметрическое тело и не зависит от теплового потока, приходящего на поверхность коллектора.
Рис. 2.10. Экспериментальный прибор для определения составляющих теплового баланса ТЭП в зависимости от межэлектродного зазора
Рис. 2.11. Экспериментальный прибор для измерения теплоты конденсации электронов для разных материалов коллектора:
1 — фланец, 2 — подставка, 3 — корпус; 4 — эмиттер; 5 — входные отверстия, 6 — коллектор; 7 — стойка; 8 — сильфон; 9 — гермоввод; 10 — коллекторный фланец корпуса
Поэтому для данного значения Тко из (2.1) и (2.2) можно записать следующее выражение:
(2.3)
где с — удельная теплоемкость материала калориметра; m — его масса; ΔΤκ — изменение температуры калориметра за время Δτ в момент включения и отключения нагрузки ТЭП.
Рис. 2.12. Экспериментальный стенд для исследований ТЭП с возможностью замены узлов прибора:
1 — экспериментальный ТЭП, 2 — цезиевый резервуар, 3 — геттер; 4 — двухпозиционный вентиль; 5 — дистиллятор цезия; 6 — контейнер для ампулы с цезием, 7 — азотная ловушка; 8 — высоковакуумный насос; 9 — диффузионный насос; 10 — баллон с аргоном
Данный способ обладает следующими преимуществами перед предыдущим: при его использовании нет необходимости измерять полные тепловые потоки через ТЭП при прохождении тока и в его отсутствие; разность двух величин заменяется суммой, что, как известно, повышает точность измерений; отпадает необходимость в многочисленных резких термических нагрузках эмиттера. Однако для использования этого метода необходима специальная подборка калориметрического тела. По данным [73] случайные погрешности не превышали 1%. Систематические погрешности определялись созданием контролируемых тепловых потоков на поверхность коллектора [74].
При использовании рассмотренных методик необходимо изготовить специальный коллектор из однородного материала с известной массой т и теплоемкостью с. В реальных ТЭП определение т и с не представляется возможным. В [75] были предложены методики определения qк, когда произведение тс определялось экспериментальным путем. Для этого использовалась конструкция экспериментального прибора, позволяющая в рабочем положении от эксперимента к эксперименту автономно заменять все узлы и детали (рис. 2.11). Для исключения попадания воздуха в прибор при этих операциях экспериментальный стенд (рис. 2.12) был оборудован отдельной вакуумной линией, через которую в прибор запускался инертный газ (аргон) высокой чистоты. Эта линия предварительно вакуумировалась до 10-4 Па.
Рис. 2.13. Схема электронной пушки:
1 — токоподводы; 2 — гермоввод; 3 — узел крепления; 4 — спираль электронной пушки
Аргон проходил в прибор через охлаждаемую жидким азотом ловушку. В процессе замены узлов обеспечивался непрерывный поток выходящего из прибора аргона, что предотвращало поступление атмосферного воздуха в рабочий объем преобразователя. Тем самым обеспечивалась возможность проведения всего цикла исследований в одном рабочем приборе, а именно серию эмиттерных исследований можно проводить с одним и тем же коллектором, а серию коллекторных исследований — с одним и тем же эмиттером. Все остальные элементы экспериментальной установки обычно были неизменны в течение всего цикла исследований.
Измерения qк осуществляются в два этапа. На первом этапе устанавливается режим работы со стабилизированными значениями Тэ, TCs и d. Температура коллектора устанавливается на 20—30 К ниже заранее выбранного значения. В этом режиме при резком включении и выключении электронной нагрузки, которая предварительно установлена в положении, соответствующем плотности тока на ВАХ 5—10 А/см2, регистрируется изменение ΔΤк во времени. На втором этапе, после завершения цикла исследований ТЭП, из экспериментального прибора извлекается эмиттерный узел и на его месте устанавливается специальная электронная пушка, конструкция которой приведена на рис. 2.13. От электронной пушки на коллектор направляется электронный поток, мощность которого измеряется с погрешностью примерно 3%. При включении и отключении электронной пушки также измеряется ΔТк во времени. По формуле (2.4) оценивается множитель ст для данной конструкции коллекторного узла, с помощью которого и определяется qк с использованием данных, полученных на первом этапе исследований. Результаты определения qк для различных материалов коллекторного узла приведены в [75, 76].
