Казалось бы, на совершенно другом принципе основаны так называемые термоэлектронные преобразователи тепловой энергии. Любой вакуумный диод (т. е. двухэлектродная лампа), содержащий два электрода — нить накала (катод) и металлическую пластинку (анод), служит простейшим образцом такого преобразователя.
Идея использования вакуумного диода как генератора электроэнергии основана на следующем. При нагревании нити до высокой температуры током от какого-нибудь источника (от батареи или трансформатора) нить излучает в вакуум поток электронов.
Рис. 11. Термоэлектронный генератор (схема) батареи элементов.
Часть из них достигнет анода. Если между катодом и анодом включить какую-либо нагрузку, то ток потечет по этой нагрузке, и на ней будет выделяться какая-то мощность. Электрический ток. и электрическая мощность получаются в данном случае за счет кинетической энергии электронов, вылетающих из накаленной нити. Это простейший термоэлектронный генератор.
Однако такой пример сразу вызывает возражение: почему мы называем это преобразованием теплоты в электроэнергию, если катод накаливается электрическим током? Ведь прибор работает за счет расхода электроэнергии. Это верно. Но легко себе представить такое видоизменение конструкции преобразователя, чтобы катод подогревался на самом деле теплом от химического или ядерного источника, а не электрическим током.
Представим себе (рис. 11) катод К диода в виде полого цилиндра, а анод А в виде второго цилиндра, окружающего первый; между ними поддерживается вакуум. Внутренний цилиндр К нагревается каким-либо введенным внутрь него источником тепла: струей топочных или выхлопных газов двигателя или потоком теплоносители, нагреваемого в ядерном реакторе. Снаружи цилиндр К может быть покрыт веществом, облегчающим испускание электронов. Такой катод накаливается непосредственно от источника тепловой энергии. Если температура катода достаточно высока для электронной эмиссии, то мы получаем действительно преобразование тепла в электрическую энергию. В качестве примера такого преобразователя на рис. 12 показан один из зарубежных образцов термоэлектронного генератора, предназначенного для установки на выхлопной трубе ракетного двигателя. Его длина 300 мм, диаметр 44 мм. Катодом служит внутренний цилиндр из молибдена, покрытый танталом для увеличения эмиссии электронов; анод — медный, никелированный; зазор между ними 1 мм. Прибор развивает мощность около 270 вт при температуре катода 2200°С; его к. п. д. 8%; вес 1,5 кг.
Описанный здесь способ подогрева катода сходен с системой подогрева термоэлектронного генератора, изображенной на рис. 9. Однако сходство не ограничивается только одинаковыми способами подвода тепла. По существу термоэлектронный генератор — это тоже термоэлемент, только другого типа нежели термоэлементы металлические или полупроводниковые.
Термоэлектрическая цепь здесь состоит из катода, вакуумного промежутка с движущимися в нем свободными электронами, испущенными катодом, анода и внешней цепи. Наибольшее напряжение, которое может дать такой элемент, определяется разностью работ выхода электронов из катода и анода. Если эта разность равна нулю, то прибор не может дать никакого напряжения. Поэтому здесь также нужно иметь два проводника с разной работой выхода электронов.
Напряжение, которое может дать такой источник тока, очень невелико. Оно не превышает разности работ выхода электронов из катода и из анода, т. е. 2—3 в. Поэтому термоэлектронные генераторы целесообразно соединить между собой последовательно, как термобатареи. Пример такого соединения и показан на рис. И; цепь содержит столько вакуумных промежутков, сколько в нее включено диодов.
Введение вакуумного промежутка в цепь имеет свои преимущества и свои недостатки. К преимуществам относится то, что вакуумный промежуток переносит теплоту только посредством излучения. Поэтому уменьшается передача тепла от нагретого участка (катода) к холодному (аноду), т. е., в конечном итоге, от нагревателя к холодильнику. Это обстоятельство позволяет применять высокие температуры катода, необходимые для сильной эмиссии, без больших потерь тепла. Общая формула предельного к. п. д. тепловой машины показывает, что здесь можно за счет применения очень высоких температур нагревателя теоретически ожидать большого к. п. д.
Рис. 12. Термоэлектронный генератор с подогревом выхлопными газами двигателя (опытный образец).
1 Так, вольфрамовый катод работает при температуре порядка 2500°.
Введение вакуумного промежутка в цепь имеет тот недостаток, что такой промежуток обладает очень большим сопротивлением электрическому току. Если катод испускает большое количество электронов, то эти электроны своим электрическим полем отталкивают следующие за ними электроны. Возникает то, что называется объемным зарядом, препятствующим протеканию тока через прибор. Если плотность тока эмиссии составляет десятые доли ампера с квадратного сантиметра, то в промежутке шириной в 1 см будет единовременно находиться 101 электронов против каждого сантиметра катода.
Чтобы они не мешали полету к аноду следующих за ними электронов, можно применить различные методы. Можно, например, придвинуть анод близко к катоду, оставив между ними зазор порядка одной-двух сотых миллиметра. В таком узком зазоре будет одновременно находиться сравнительно немного электронов, их общий отрицательный заряд невелик, и они не будут сильно тормозить движение последующих электронов. Однако трудно точно поддерживать такой узкий зазор при накале катода до высокой температуры. Можно иначе устранить действие объемного заряда электронов в промежутке катод—анод, нейтрализовав их отрицательный заряд введением сюда же положительных ионов. Для этого достаточно впустить в этот промежуток пары легко ионизируемого щелочного металла, лучше всего наиболее тяжелого из них — цезия.
При попадании атома этого вещества на поверхность накаленного металла с достаточно сильным электрическим полем у поверхности (мерой чего служит величина работы выхода электрона из металла — не менее 3—4 эв) от атома цезия отделится электрон и войдет внутрь металла. Сам же атом цезия, ставший положительным ионом, на поверхности накаленного металла не удержится и вновь улетит уже в виде положительного иона. Такое явление называется «термической ионизацией». Именно эти условия имеют место на катоде, который должен поддерживаться горячим, чтобы испускать электроны .
В образце термоэлектронного генератора, показанном на рис. 12, применен именно этот прием: прибор наполнен парами цезия. При этом удается довести плотность тока в таких генераторах до 60 а/см2 и вырабатываемую мощность до 30 вт/см2. На таком же принципе спроектированы генераторы, использующие для нагрева катода солнечное тепло и ядерную энергию.
Сравнение практически осуществленных термоэлектрических и термоэлектронных генераторов показывает, что первые из них работают при температурах до 800—1000°С, вторые — при 2000°С и выше. Согласно теории тепловых машин, вторые должны поэтому обладать более высоким к. п. д. Однако потери тепла происходят и в термоэлектронных генераторах. Катод хоть и отделен от анода вакуумным промежутком, но из-за своей высокой температуры теряет много тепла излучением, которое достигает анода и нагревает его (в некоторых конструкциях до 600°С). Следует позаботиться об использовании и этой части подводимого тепла. Существуют конструкции комбинированных термоэлектронно-термоэлектрических генераторов, имеющих целью решить эту задачу. Источник тепла нагревает катод термоэлектронного генератора; часть тепла путем излучения, а также вместе с электронным током достигает анода; на аноде укреплены горячие спаи термоэлектрической батареи, которая использует эту часть тепла, также преобразуя ее в электроэнергию. Образцы таких комбинированных генераторов построены пока на малые мощности.
1работа выхода электронов из него должна быть мала; для того чтобы он ионизовал пары цезия, эта работа должна быть велика. Как одно из решений этого противоречия, в литературе упоминаются так называемые «пятнистые катоды» с чередующимися участками малой и большой работы выхода электронов.
