Введение к работе
ДТУАЩЮСТЬ_ТЖЫ ЩССЕРТАЦИИ. Термоэмиссионный способ преобразования тепловой энергии в электрическую актуален для космических приложений, где необходимы мощные автономные энергоустановки минимального веса и габаритов (например, для обеспечения маневрирования космических аг-аратов, для энергоснабжения космических лабораторий и т.д.). В качестве источника тепла в них используется ядэрный реактор, с которым термоэмиссионный преобразователь согласуется исключительно хорошо, образуя единую систему - термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП).
О реальности дальних космических перелетов с эвергообеспэченибы на основе ТРП свидетельствует- факт приобретения агенством nasa термоэмиссионного комплекса ТОПАБ-2.
Так как ТРП - низковольтный сильноточный источник энергии постоянного тока с рабочими напряжениями в десятки вольт с И, при разработке ядерной термоэмиссиончый станции необходимо решать проблемы как преобразования энергии постоянного тока в переменный, так я передаст энергии к узлам и системам потребления на расстояние в несколько метров (десятков метров) от ТРП. Обе проблемы оптимально решаются при сочетании ТРП с инверторной системой, если она размещается рядом с реактором, где рабочие температуры достигают 10ООК при высоком уровне радиации. Эффективными в таких условиях являются полностью управляемые ключевые элементы (ПКЭ или просто ключи) на основе низковольтной дуги в цезии. Управление достигается введением в разрядный промежуток сетки, на которую подаются положительные (поджигающие разряд) и отрицательные гасящие) импульсы напряжения (рис.1).
Разрабатываемые до недавнего времени ТРП обеспечивали выходные напряжения до (10-30)В, и основное внимание уделялось исследованию ПКЭ с так называемой тонкой, или мелкоструктурной сеткой (размер ячейки 100-200 мкм, толщина перемычек - 10-30 мкм) - с2,2з, обеспечивающей минимальное прямое падение на приборе в проводящем состоянии (около І.5В) и необходимый уровень к.п.д.
Процесс гашения носит при этом "динамический" характер -гашение происходит за малое (1-3 икс) время за счет резкого
нарастэния отбора ковов из межкиткового пространства сетки, которое плазма не успевает компенсировать из-за того, что время стугончатсЗ ионизации б цезии достаточно велико и концентрация при возмущении плазмы и росте олєк'і'рснной температури г растет сравнительно медлепко. Как показали исследования, такой механизм гашения особенно эффективен при малом даплеьии цезия (до ~ і. 5-1 о~2 Тор ',. Однако в этих й« у слешах трудно обеспечить высокую плотность эмиссии катода - более 2~з а/ол2. При повышении давления эффективность гашения резко снижается и появляется эффект аномально быстрого восстановления тока - так называемое аномальное негашешо" н,\
.Сложность решения проблемы эффективного катодного материала для цезиевых ПКЭ с мелкоструктурной сеткой обусловила появление иных вариантов ключей - на смеси паров сь-и ва /sv-.и цезиевых с иными типами сетки.- об-емной (толщина сетки порядка 1мм ,0ячэйки 0.2мм-рис. г) и диафрагмированной (площадь отверстия, где закрепляется сетка, значительно меньше площади катода). В первом случае адсорбция бария обеспечивает эмиссию в десятки Л/см2,/ во втором в 1ШЭ реализуется механизм прерывания тока, бззирувдийся на явлении самопроизвольного обрыва тока в разряде, что позволило в несколько раз увеличить рабочие давления сз и токи. Однако оба эти варианта обладают серьезными недостатками: Св-ва ПКЭ требует шеоких "емператур катода т^ isooK (что не позволяет использовать для его нагрева отработанное тепло ГРП с температурой ~юоо-12ооК), a IK3 с об -емной и диафрагмированной сетками имеют заметно большее прямое падение напряжения v0 - (г-4)В.
Успехи в разработке ТРП, результатом которых стало увеличение уровня выходного напряжения реактора до ~юоЪл поставили проблему создания ПКЭ на высокие модулируемые напряжения. Соответственно возникла задача изучения работы обычных ПКЭ с ' мелкоструктурной сеткой при высокк модулируемых напряжениях е і ШОВ , а также исследования цезиевых ПКЭ с обрывным механизмом гашения. При больших е повышение прямого падения не так существенно и на первый план выступают преимущества этих вариантов ключей.
Ш!й_да5ШАЩ заключалась в: а) исследовании возможности к особенностей работы ШЗ щх: высоких
(ioo-зооВ) модулируемых напряжениях;
б) детальном исследовании характеристик управления, особенностей
и механизма работа ПКЗ с об'змной сеткой;
в) разработке расчетной модели ПКЭ с диафрагмированной сеткой;
г) изучении работы ПКЗ в реальной двухтактной схеме
инвертирования.
ЛШШШУЩ!Ш4 работы заключается з том. что і) работа ГОЭ в области напряжений свше ~юсВ ранее не исследовалась, возможность сзточного управления и его характеристики для этих условий получены впервые;
-
для ЛКЭ с об'емной сеткой имелись .лишь результаты предварительных, очень фрагментарных исследований и отсутствовали данные' по зависимости характеристик * управления от внешних параметров прибора, не говоря уже с параметрах разрядной плазмы;
-
возможность значительного (»т ) аксиального перепада потенциала за счет разлета исков на стенки отверстия в электроде, контактирующем с плазыой, и, как результат,- затекание плазмы в узкое отверстие на глубину,заметно большую его диаметра, так же как и возможность обеспечения токолрохожцения в узком и длинном канале ячейки об-емной сетки без генерации там ионов - только за счет потоков ионов из катодной и анодной областей разряда при немонотонном ходе потенциала в ячейке сетки - ранее не рассматривались в известной автору литературе;
-
йодель проводящего состояния плазмы в канале сетки (недоступного экспериментальной диагностике), об тенящая главную особенность кинетики тока в процессе гашения - практически постоянное значение тока до момента обрыва, предложена впервые.
-
впервые предложена расчетная модель "конусного" кнудсеновского разряда с неограниченной площадью анода (для описания анодной области диафрагмированного разряда);
6) попарно лабораторные макеты ПКЭ в двухтактной схеме ранее
не испытнвались, необходаость сдвига меяду импульсами гашения и
годнига, одновременно подаваемыми на ключи, ранее не отмечалась.
_Ш?ШИНШШШШОСТЬ работы состоит в том. что - показана возможность и эффективность использования ПКЭ при высоких модулируемых напряжениях - до зо&>\
- результаты исследования характеристик успревления ПКЭ- с об1 емной
сеткой подтвердили перспективность их использования для модуляции
высоких ^япрякений;
- выяснение механизма регулирования тока об'емпой сеткой
позволяет прогнозировать возможности таких 1ЕЭ и кокет быть з
определенной степени яоренесено на друтиэ крупносгруктурЕыэ
сетки;
- схема расчета, рзьработшнай ,цля анодной области рааряда с
диафрагмированной сеткой, мохот быть без существенных изменений
использована пршенителъвс. к иным разря-ам с сильно
различакщимися площадями электродов и свободной радиальной
границей;
- результаты исследования работы ПКЗ в двухтактной схеме
инвертирования необходимы' для ігроєктирования полномасдтабных
ключей и инверторов.
1. Результаты экспериментального исследования работы ПКЭ с.
мелкоструктурной сеткой при высоких модулируемых напряжениях.
-
Результат исследования в ЖЭ с об'емкой соткой (теоретические и экспериментальные).
-
Алгоритм и результаты расчета анодной области разряда с диафрагмированной сеткой как плазменного диода со свободной радиальной границей. .
-
Результаты экспериментального исследования ПКЭ с различными механизмами управления током (динамическим и обрывным) в реальной схеме статического инвертирования. Требования к взаимному расположению управляющих импульсов для приборов обоих типов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И.ПУБЛИКАЦИИ.. Основные результаты диссертационной работы догладывались на / и л отраслевых юбилейных конференциях " Ядерная энзргетика в космосе (Обнинск. 1990), (Сухуми, Ї99І), 8-ой Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991). 27-ой и 29-ой Международных конференциях по термегмиссионному преобразованию
{San-Diogo, VSA .1992), (.»or-.t exi-c-y, USA, 1994), ИЭ НЗУЧНЫХ
.7-
семинарах лаборатории низкотемпературной плазма ФГ/, на семинаре по теории плазмы в Техническом Университете. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (еще 4 работы находятся в печати).
СТРУНГУРА_2ИССЕРТА11ИИЛ Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2-х приложений, изложена на /98 страницах текста, включая 56 рисунка, а также библиографический список литературы из57 наименований.
