中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 电极间气体对热离子能量转换器性能的影响1 1 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨(150001) 2 北京科技大学机械工程学院，北京(10083) 赵广播 1，侴爱辉 2 E-mail:zhaogb@hit.edu.cn 摘 要：本文对热离子能量转换器电极间铯蒸气、氧气和铯的氧化物对核电源性能影响的研 究现状进行了评述，分析了向电极空间充入铯蒸气的必要性以及铯蒸气压力过高的危害；指 出了热离子能量转换器电极间的氧可降低电极的有效功函，提高转换器的性能。但电极间氧 的压力过大时会加快发射极材料的损失，还将影响转换器的性能。应根据铯池温度选取最佳 的铯蒸气压力并精确控制氧的分压力。 关键词：核电源；热离子能量转换器；铯蒸汽；氧气 中图分类号：TM915 1 引 言 热离子空间核电源是将核反应堆裂变产生的热能通过热离子能量转换器直接转变为电 能的装置[1]，与传统的航天器电源，例如，化学电源、太阳电池阵-蓄电池组联合电源、同 位素电源相比，以其尺寸小、重量轻、比功率大、无转动部件、受外界环境影响小、散热系 统简单、寿命长等特点而成为深空探测、空间武器等领域的新一代空间电源[2-4]，受到美国、 前苏联等空间技术较为发达国家的推崇[5-7]，具有广阔的应用前景。 热离子能量转换器是热离子核电源中的核心部分之一。在热离子能量转换器中，由于逸 出发射极表面的电子能量很小，只有当发射极与接收极之间的距离很小时，大部分电子才能 被接收。否则，电子将在发射极表面附近聚集，形成空间电荷，这些空间电荷会阻止发射极 发射的电子到达接收极。因此，为了消除空间电荷效应，一般在发射极与接收极之间充铯蒸 气[1]。热离子能量转换器在高温运行状态下，氧气和其他污染物（水蒸气和氧化铯）很容易 在除气期间和转换器运行期间进入电极间隙间，增加电极间隙间氧的分压力[8]，所以，热离 子能量转换器的电极空间一般都会有微量氧存在。铯、氧及铯的氧化物对热离子能量转换器 的性能会产生影响，本文将分析这些影响规律。 2 铯对热离子核电源性能影响 铯的电离电位为 3.88eV，是所有材料中最小的，所以铯原子很容易电离形成铯离子，当 电极间有足够的铯离子时，就会形成一个电中性的等离子体，从而使热离子能量转换器的热 电转换效率大大提高。 电极空间的铯离子是由表面热电离和体积热电离产生的。当中性铯离子轰击高温金属表 面时，原子失去电子成为离子，称为表面热电离。金属表面热电离的能力可用电离系数β表 示[1]： β = ⎡ 1 2exp +⎢ ⎣ ⎛ ⎜ ⎝ ⎞− ϕ ϕ i ⎟ EkT ⎠ ⎤ ⎥ ⎦ − 1 （1） 式中， iϕ为铯的一次电离电位能(eV)，ϕ为金属逸出功函数（eV），k 为波尔兹曼常数 1 本文得到高等学校博士学科点专项科研基金资助（项目名称：热离子核电源能量转换性能的理论研究， 批准号：20060213006）。 -1- 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （8.62X10-5eV/K）， ET 为发射极温度（K）。由式 2-16 (1)可见， ιϕ愈小，ϕ愈大，则金属 的表面热电离能力越强，产生的铯正离子数目愈多。但表面热电离产生的铯离子很少，不足 以中和空间电荷而形成等离子体，铯离子主要靠体积电离产生，体积电离又分为电子碰撞电 离和累积电离。其中，电子碰撞电离产生的铯离子数量很少，约占铯离子总量的 1%；累积 电离是热离子能量转换器电极空间铯离子的主要来源[9]。 金属表面吸附铯或氧后的功函称为有效功函，电极间隙间充铯蒸气不但能够能在电极之 间形成等离子体，而且还能降低电极的有效功函数，提高电子的发射能力。对一般金属，晶 面原子排列越密，电子越难逸出，功函数越大，吸附铯蒸气后，有效功函数越小，金属发射 电子的能力越强。Rasor 和 Warner 笼统的将发射极的有效功函表述为发射极温度与铯池温度 比值（ ET / RT ）的单一函数[10]。Wilson 进行了包括钼、钨、铌等在内的各种发射极材料有 效功函比较详细的试验测量和分析，结果表明，钨和铌发射极的有效功函是 ET / RT 的单一函 数[11]，而对于钼发射极热离子能量转换器，其发射极的有效功函不仅是 ET / RT 的函数，也 是发射极温度的函数[12]。 对于热离子能量转换器，如假定发射极与接收极间的连接件电压损失为零，则其输出电 压可表示为[1]： 1 V = ( out e ϕ E,eff - E - d ϕ (2) C,eff ) 式中， outV 为输出电压(V)； ,E effϕ 、 ,C effϕ 分别为发射极和接收极有效功函(eV)； dE 为 电子在电极空间碰撞的能量损失(eV)，约 0.5eV。 从式(2)可见，发射极与接收极有效功函数的差值越大，热离子能量转换器的输出电压越 大。而金属材料的功函数越大，吸附铯蒸气后有效功函数越小，所以只从提高热离子能量转 换器输出电压的角度考虑，应该选取功函数较小的材料作为发射极，功函数较大的材料作为 接收极，同时要求发射极的工作温度高、接收极的工作温度低。但由于空间核反应堆的废热 靠热辐射向空间排放，如果接收极温度过低，热辐射器的面积和质量必然增大，这是空间核 动力装置所不希望的。 尽管电极空间充铯蒸气能带来如上诸多好处，但是电极间的铯蒸气压力过高却是有害 的。对一定的发射极和接收极材料、一定的温度、一定的电极间距，存在最佳的铯蒸气压。 Tskhakaya 在相同工况下（相同的电极材料、相同的运行温度、相同的铯蒸气压力等）进行 的光滑氧化锆接收极和带有方形沟槽的钼发射极转换器与光滑钼发射极和光滑氧化锆接收 极转换器的性能对比试验中[13]，证明了电流密度随着铯池温度的升高而升高，升到某一值 后，便随着铯池温度的升高而降低，即存在最佳的铯蒸气压。如果铯压低于最优铯压，那么 电极间的铯离子将不足以中和空间电荷，发射极有效功函和电子的发射能力也将随之降低， 因而偏离最优铯压越多，电流密度越小；相反，如果铯压高于最优铯压，那么，发射极发射 的电子将会与铯蒸气原子相碰撞，导致一部分电子返回到发射极表面，使得这部分电子不能 作功，因而随着铯压偏离最优铯压越多，电流密度也就越小。铯压可用下式计算[14]。 P = Cs 3.26 10 10 × T R exp( - 8910 T R ) （3） 式中， CsP 为铯蒸气压力(Pa)； RT 为铯池温度(K)。可通过控制铯池温度 RT 来实现电极 -2- 

中国科技论文在线 空间中铯蒸气压力的控制。 3 氧对热离子核电源性能影响 http://www.paper.edu.cn Desplat 等人[15]以比较典型的电极材料钨为例，对氧对热离子核电源性能的影响进行了 详细的试验研究，得到了氧对发射极和接收极有效功函的影响，见表 1。 表 1 氧对接收极化学成分及发射极和接收极有效功函的影响[15] 有效氧压(torr) 发射极表面解吸附率（at/cm2.S） 发射极有效功函(eV) 接收极有效功函(eV) 0 4.6×107 2.94 1.77 5×10－10 1.9×108 2.94 1.77 5×10－9 5.4×108 2.91 1.32 5×10－8 5.6×109 2.77 1.31 5×10－7 9.5×109 2.62 1.31 在假定热离子能量转换器导线绝缘和支撑结构没有热损失，忽略导线和电极的焦耳损 失，仅考虑电极间的热辐射、电子冷却和导热时，转换器的功率密度 P 可表示为[1]： (4) 式中, P 为转换器的功率密度(W/m2)；J 为转换器的电流密度(A/m2)，可按下式计算[1]。 out P JV= J AT 2 exp E = ϕ⎛ −⎜ kT ⎝ E ⎞ ⎟ ⎠ (5) 将表 1 中数据带入式(2)和式(5)，可算出试验条件下转换器输出电压和电流密度，将其带 入式(4)中，可算出在上面假设基础上的转换器的功率密度，计算结果见表 2。 表 2 试验条件下输出电压、电流密度和功率密度计算结果 有效氧压(torr) 输出电压(V) 0 0.67 电流密度（A/m2） 功率密度（W/m2） 2.294×104 1.537×104 5×10－10 0.67 2.294×104 1.537×104 5×10－9 1.12 2.784×104 3.118×104 5×10－8 1.09 6.862×104 7.480×104 5×10－7 0.81 1.804×105 1.561×105 图 1 为功率密度与有效氧压的关系曲线，图 2 为发射极表面解吸附率与有效氧压的关系 曲线。由图 1 可见，电极间隙间有氧后，随着有效氧压的增大，热离子能量转换器的功率密 度也在不断增大。这是因为：随着电极空间有效氧压力的增大，发射极有效功函和接收极有 效功函都减小（见表 2），但发射极和接收极有效功函的差值呈先增大后减小的趋势，由式 (2)可知，热离子能量转换器输出电压也是先增大后减小；另外，发射极有效功函的降低， 提高了发射极发射电子的能力，由式(5)可知，热离子能量转换器的电流密度将增加，而且 增加的幅度要大于输出电压减小的幅度，最终导致转换器的功率密度不断增加。这与文献[16] 中的试验结果是一致的。所以，随着热离子能量转换器的电极间有效氧压的增大，转换器的 性能得到了提高。 但是，由图 2 又可以发现，随着有效氧压的增大，发射极表面解吸附率也随着增大，而 且增大的幅度远远大于转换器功率密度增大的幅度。综合考虑这两方面，认为有效氧压不宜 过高。这是因为：如果电极间的有效氧压过高，那么电极空间的氧会与发射极金属发生化学 反应，导致发射极表面生成挥发性的发射极氧化物。这些氧化物穿过电极间隙并沉积在温度 相对较低的接收极，由于热离子能量转换器的接收极温度一般明显低于发射极温度，因此在 发射极温度下可以稳定存在的发射极氧化物在接收极表面将会凝结和凝固。这些发射极氧化 物不仅会加快发射极材料的损失，还将通过改变接收极的有效功函和热辐射力来影响转换器 -3- 

中国科技论文在线 的性能。 http://www.paper.edu.cn 图 1 功率密度与有效氧压的关系 图 2 发射极表面解吸附率与有效氧压的关系 另外，电极间隙间的铯蒸气通过和氧形成氧化铯，不但可以缓解发射极氧化物凝结、凝 固在接收极表面，还可以减少发射极材料的损失。氧的存在可以改变热离子转换器电极表面 的化学成分，从而影响接收极的发射特性，而接收极发射特性的不同对热离子能量转换器的 性能有很大的影响。Kaibyshev 和 Lysikov 也提到[17]，接收极的发射特性除了和接收极的原 材料有关外，还受接收极表面成分的影响。所以，向电极间隙引入氧时需要精确控制氧的分 压力。至于最优有效氧压力值的确定问题还有待于深入研究，以便更好的提高转换器的性能 和寿命。 4 结论 本文对热离子核电源电极间铯蒸气和氧气对电源性能影响的研究现状进行了分析评述， 得出如下结论： （1）向电极空间充入铯蒸气可中和空间电荷，形成等离子体；降低有效功函数，提高 发射电子的发射能力；缓解发射极氧化物凝结、凝固在接收极表面，减少发射极材料的损失。 但电极间的铯蒸气压力过高是有害的，应根据铯池温度选取最佳的铯蒸气压力。 （2）热离子能量转换器电极间的氧可降低电极的有效功函，提高转换器的性能。但如 果电极间氧的压力过大，发射极表面将生成挥发性的发射极氧化物，这些氧化物沉积在接收 极表面，不仅会加快发射极材料的损失，还将影响转换器的性能；因此，向电极间隙引入氧 时需要精确的控制氧的分压力，最优有效氧压力值有待深入研究。 参考文献 [1] 马世俊. 卫星电源技术[M]. 北京：宇航出版社，2001 [2] 哈琳. 空间核反应堆[J]. 国外核新闻，2003，(2)：12-15 [3] 马宗诚. 新型空间电源—热离子核电源[J]. 航天器工程，2003，12（1）：74-82 [4] 朱毅麟.与时俱进 开发太空核电源[J]，2004，(9)：22-26 [5] 马宗诚. 热离子辐射型空间核电源的在轨试验飞行[J]. 国际太空，2000， (8)：20-24 [6] 卜灵. 美国下一代核反应堆. 国外核新闻[J]，2002，(4)：13-15 [7] 朱毅麟. 美国太空核动力计划重开张——“普罗米修斯”计划一瞥. 国际太空,2004,(9):26-30 [8] Dmitry V. Paramonov, Mohamed S. El-Genk. Effect of Oxygen on the Operation of A Planar Thermionic Converter for Isothermal and Isoflux Heating Conditions[J]. Energy Conversion Management. 1998,39(5): 375~390 [9] D.V.Paramonov, M.S.El-Geuk. Test Results of Ya-21u Thermionic Space Power System[J]. Nuclear Technology, 1997,117: 1~14 [10] N.S. Rasor, C.Warner. Correlation of Emission Processes of Adsorbent Alkali Films on Metal Surfaces[J]. Journal of Application Physics. 1984, 35: 2589~2600 [11] R.G. Wilson. Electron and Ion Emission from Polycrystalline Surfaces of Nb, Mo, Ta, W, Re, Os and Ir in -4- 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Cesium Vapor[J]. Journal of Application Physics. 1986, 37: 4125~4131 [12] S.El.Mohamed, M.Yoichi. An Experimental Investigation of the Performance of A Thermionic Converter with Planar Molybdenum Electrodes for Low Temperature Applications[J]. Energy Conversion and Management. 2002, 43: 911~936 [13] V.K.Tskhakaya,L.P.Chechelashvili, V.I.Yarygin. Hybrid Operating Mode of A Thermionic Converter with A Grooved Collector. Sov. Phys. Tech. Phys.. 1983,28:869~870] [14] C.B.Alcock,V.P.Itkin, M.K.Horrigan, Vapor Pressure of the Metallic Elements. Canadian Metallurgical [15] J.L.Desplat, G. L.Hatch , N.S. Rasor, R. Lamoreaux. Proceedings of the 25th Intersociety Energy Conversion Quarterly. 1984, 23: 309~313 Engineering Confernece[A]. 1990,2: 316~321 [16] Dmitry V. Paramonov, Mohamed S. El-Genk. A Review of Cesium Thermionic Converters with Developed Emitter Surfaces[J]. Energy Convers. Mgmt. 1997,38(6): 533~549 [17] V. Z. Kaibyshev，A.V. Lysikov. Influence of Collector Emission Properties on the Efficiency of A Thermionic Energy Converter in the Arc Regime[J]. Atomic Energy. 2000,89(3): 709~715 Effect of Gases between the Electrodes on the Performances of Thermionic Energy Converters 1 School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin (150001) 2 School of Mechanical engineering, Beijing University of Science and Technology, Zhao Guangbo1, Chou Aihui2 Beijing (10083) Abstract In this paper, the research status of the effects of cesium vapor, oxygen and cesium oxides between the electrodes of thermionic energy converters on the performance of nuclear-electric power supply are reviewed. The necessity of charging cesium vapor into the electrode space and the hazard due to the excess pressure are analyzed. It is pointed out that oxygen can reduce the effective power of electrodes and improve the performance of converters. However, the excessive pressure will accelerate the loss of emitter material and reduce the performance of converters. The optimum pressure of cesium vapor should be selected according to the cesium pond temperature, and the partial pressure of oxygen should be controlled accurately. Keywords: nuclear-electric power supply;thermionic energy converter;cesium vapor;oxygen -5-