热离子转换器

热离子转换器包括有热电极的热离子发射的电子通过势能垒到冷却器电极，产生了有用的电功率输出。铯蒸气用于优化电极功函数并提供离子源（通过等离子体中的表面电离或电子碰撞电离）以中和电子空间电荷。

从物理电子的角度来看，热离子能量转换是通过热离子电子发射从热量中直接产生电能。从热力学的角度来看，它是在发电循环中使用电子蒸汽作为工作流体。热离子转换器由热发射电极和较冷的集电极组成，电子通过热离子发射从热发射电极蒸发，电子通过电极间等离子体传导后冷凝到较冷的集电极。产生的电流，通常为几安培每平方厘米发射器表面，根据发射器温度(1500-2000K)和操作模式，以0.5-1伏的典型电位差和5-20%的热效率向负载提供电力。

1957年V.Wilson首次演示了实用的电弧模式铯蒸汽热离子转换器后，在接下来的十年中演示了它的多种应用，包括它在太阳能、燃烧、放射性同位素和核反应堆热源中的使用。然而，最认真追求的应用是将热离子核燃料元件直接集成到核反应堆的堆芯中，以在太空中生产电力。异常高的工作温度热离子转换器的特性使得它们在其他应用中的实际使用变得困难，这使得热离子转换器在需要辐射散热的空间电力应用中相对于竞争的能量转换技术具有决定性的优势。1963年至1973年期间，美国、法国和德国进行了大量的热离子空间反应堆开发计划，美国在1983年至1993年期间恢复了重要的热离子核燃料元件开发计划。

1967年至1988年间，热离子动力系统与各种核反应堆（BES-5、TOPAZ）结合用作许多苏联军事xxx卫星的电源。有关更多详细信息，请参阅Kosmos954。

尽管随着美国和俄罗斯太空计划的缩减，热离子反应堆使用的优先级降低，但热离子能量转换的研究和技术开发仍在继续。近年来，开展了太阳能加热热离子空间动力系统的技术开发计划。已经开发出用于家用热电联产和整流的原型燃烧加热热离子系统。

热离子能量转换的科学方面主要涉及表面物理和等离子体物理领域。电极表面特性决定了电极表面的电子发射电流和电势的大小，而等离子体特性决定了电子电流从发射极到集电极的传输。迄今为止，所有实用的热离子转换器都在电极之间使用铯蒸气，这决定了表面和等离子体特性。使用铯是因为它是所有稳定元素中最容易电离的。

热离子发生器就像一个循环热机，它的xxx效率受到卡诺定律的限制。它是一种低压大电流设备，在1-2V的电压下已实现25-50(A/平方厘米)的电流密度。如果在锅炉的上升管中提供热离子发生器的阴极和阳极，并且中间充满电离的铯蒸气，则高温气体的能量可以部分转化为电能。

主要关注的表面性质是功函数，它是限制电子从表面发射电流的势垒，本质上是电子从表面蒸发的热量。功函数主要由吸附在电极表面上的铯原子层决定。电极间等离子体的特性由热离子转换器的操作模式决定。在点燃（或“电弧”）模式下，等离子体通过热等离子体电子（~3300K）内部电离保持；在未点燃模式下，通过将外部产生的正离子注入冷等离子体来维持等离子体；在混合模式中，等离子体由从热等离子体电极间区域转移到冷等离子体电极间区域的离子维持。

上述所有应用都采用了热离子转换器的基本物理认识和性能与1970年之前实现的基本相同的技术。然而，在1973年至1983年期间，对先进的低温热离子转换器技术的重大研究化石燃料工业和商业电力生产在美国进行，并一直持续到1995年，用于可能的空间反应堆和海军反应堆应用。该研究表明，通过向铯蒸气中添加氧气，现在可以在较低的工作温度下显着提高转换器性能，通过抑制电极表面的电子反射，和混合模式操作。同样，通过使用含氧电极的改进以及采用先进热离子转换器性能的系统的设计研究已在俄罗斯得到证实。最近的研究表明，在热离子转换器中激发的Cs原子形成Cs-里德堡物质簇，从而使集电极发射功函数从1.5eV降低到1.0–0.7eV。由于里德堡物质的长寿命特性，这种低功函数在很长一段时间内保持低水平，这从根本上提高了低温转换器的效率。