电极间气体对热离子能量转换器性能的影响
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，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，受到美国、前苏联等空间技术较为发达国家的推崇，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蒸气。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）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，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。、氧及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 对热离子核电源性能影响
的电离电位为3.88eV，是所有材料中最小的，所以原子很容易电离形成离子，当电极间有足够的离子时，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。
电极空间的离子是由表面热电离和体积热电离产生的。当中性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。
则金属的表面热电离能力越强，产生的正离子数目愈多。但表面热电离产生的离子很少，不足以中和空间电荷而形成等离子体，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离子数量很少，约占离子总量的1%；累积电离是热离子能量转换器电极空间离子的主要来源。
金属表面吸附或氧后的功函称为有效功函，电极间隙间充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池温度比值（ E T / R T ）的单一函数。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E T / R T 的单一函数，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E T / R T 的函数，也是发射极温度的函数。
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。
尽管电极空间充蒸气能带来如上诸多好处，但是电极间的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，证明了电流密度随着池温度的升高而升高，升到某一值后，便随着池温度的升高而降低，即存在最佳的蒸气压。如果压低于最优压，那么电极间的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，因而偏离最优压越多，电流密度越小；相反，如果压高于最优压，那么，发射极发射的电子将会与蒸气原子相碰撞，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，因而随着压偏离最优压越多，电流密度也就越小。硕士毕业论文
3 氧对热离子核电源性能影响
Desplat 等人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。
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，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，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，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，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的性能。
另外，电极间隙间的蒸气通过和氧形成氧化，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，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。但电极间的蒸气压力过高是有害的，应根据池温度选取最佳的蒸气压力。
（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。
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