ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 42-48
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 535.71
КОНДЕНСАТ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ АТОМОВ ЦЕЗИЯ (РИДБЕРГОВСКАЯ МАТЕРИЯ) В ПЛАЗМЕ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ © 2015 г. В. И. Ярыгин1, А. С. Мустафаев2*
1Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского, Обнинск, Калужская область 2Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", Санкт-Петербург *Е-таП: alexmustafaev@yandex.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
Приведен анализ экспериментальных работ по исследованию свойств конденсата возбужденных состояний цезия. Сравниваются теоретические и экспериментальные данные различных авторов. Обсуждается концепция практического использования ридберговской материи в рабочем процессе низкотемпературного термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) энергии при температуре эмиттера ниже 1600 К, температуре коллектора ниже 700 К, обобщенном показателе потерь энергии в ТЭП (барьерном индексе) Уь ~ 1.6 эВ.
Ключевые слова: конденсат возбужденных состояний атомов цезия, Ридберговская материя, низкотемпературная цезиевая плазма, кластеры, термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии, дуговой разряд.
Б01: 10.7868/80207401X15080233
1. ВВЕДЕНИЕ
Метастабильная форма существования материи в виде конденсата возбужденных состояний атомов или ридберговская материя (РМ) с конца 60-х годов прошлого столетия находится в центре внимания большой группы исследователей фундаментальных и прикладных аспектов этого явления — сначала в теоретических работах российских ученых Л.В. Келдыша, группы Э.А. Маныкина, а затем, с начала 90-х, в экспериментальных работах группы проф. Л. Холмлида (Ь. Но1тИё) из Гётеборг-ского университета (Швеция) и с конца 90-х — группы В.И. Ярыгина из ГНЦ РФ-ФЭИ (Обнинск, Россия) и других ученых. Авторам известны более ста публикаций о результатах исследований в области РМ, среди которых наиболее интересны работы [1—19], выполненные в межэлектродной среде низкотемпературной слабоионизированной це-зиевой плазмы термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП).
В настоящей работе рассматриваются основные результаты исследований конденсата возбужденных состояний (КВС) цезия электрофизическими и оптическими методами, опубликованные в трудах Калужского регионального научного центра [20—25] и других отечественных изданиях. Концепция использования ТЭП с РМ в установках прямого преобразования энергии обсуждает-
ся в работах [26—29]. Описанные ниже результаты могут дать "пищу" для теоретиков, поскольку главное отличие наших экспериментов от других — обширный статистический материал, воспроизводимость результатов, возможность в одних условиях межэлектродной среды ТЭП проводить сравнение традиционных (без РМ) и нетрадиционных (с РМ) режимов работы и анализ возможных приложений в современной наземной энергетике.
2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РИДБЕРГОВСКОЙ МАТЕРИИ
Согласно современным представлениям ридберговская материя — это конденсат кластеров какого-либо вещества (чаще всего паров щелочных металлов), состоящих из большого количества возбужденных атомов (до 1000 атомов [10]). Атомы щелочных металлов при энергии возбуждения, близкой к энергии ионизации, увеличивают свои размеры до значений порядка 10—6—10-5 см и при плотности 1017—1018 см-3 образуют метаста-бильный КВС со свободным газом валентных электронов.
Цезий (межэлектродная среда термоэмиссионных преобразователей) в состоянии КВС имеет газовую плотность (~1017 см-3), низкую работу
выхода электронов (0.2—0.7 эВ) и высокую электропроводность (~10-3 Ом • м). При определенных условиях КВС цезия может находиться в газообразной упорядоченной форме за счет образования так называемого плазменного кристалла (рис. 1). Конденсат возбужденных состояний цезия имеет и другие привлекательные свойства:
— температура плавления — 450—550 К;
— внутренняя энергия ~4 эВ/атом;
— время жизни — до 100 ч (огромная величина, намного превосходящая время жизни изолированных возбужденных атомов).
Существование ридберговской материи является не только фундаментальным результатом физики неидеальной плазмы, но и привлекает возможностью ряда технических приложений, например в термоэмиссионных преобразователях, лазерах в инфракрасном диапазоне волн и др. Приведенные здесь основные характеристики РМ, безусловно, не являются исчерпывающими для щелочных металлов. Среди последних особо интересен цезий, поскольку низкое значение работы выхода и высокая электропроводность КВС цезия должны существенно уменьшить потери энергии ТЭП, которые в традиционных режимах работы (без КВС) в первую очередь связаны с достаточно высокими значениями работы выхода коллектора фс ~ 1.5 эВ, затратами на ионизацию атомов цезия и переносом зарядов в межэлектродном пространстве — дуговые потери выходного напряжения Уф Значение Уф ~ 0.5 эВ характерно для слабоионизованной цезиевой плазмы ТЭП при протекании через нее электрического тока плотностью ] = 1—100 А/см2.
3. ЭКСПЕРИМЕНТ
Основные экспериментальные исследования, подтвердившие образование РМ в межэлектродной среде ТЭП, были выполнены двумя группами исследователей:
— под руководством Л. Холмлида в Гётеборг-ском университете (Швеция) в 90-х годах прошлого столетия;
— под руководством В.И. Ярыгина в ГНЦ РФ-ФЭИ (Обнинск, Россия) в начале 2000-х годов.
Результаты в Гётеборге и Обнинске были получены в низкотемпературном лабораторном ТЭП (плазменном диоде с плоской геометрией электродов). Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществлялось путем динамической подачи паров цезия в межэлектродное пространство через перфорированный коллектор, покрытый углеродом. В ТЭП создавался дуговой разряд с низкотемпературной цезиевой плазмой между эмиттером (в Гётеборге — молибденовым, в Обнинске — платиновым) и никелевым коллекто-
Плотность , электронного газа
Свободные электроны
Ионный
Рис. 1. Принципиальная схема образования плазменного кристалла КВС цезия (ридберговского вещества); Я„ — радиус ридберговского атома, п — главное квантовое число.
ром. Конденсат возбужденных состояний атомов цезия в таком преобразователе возникал только после электроразрядной активации коллектора при температурах 650—750 К, что привело к существенному увеличению (в 2—3 раза) его эффективности (КПД).
Обнаружено, что повышение КПД ТЭП прямо связано с уменьшением работы выхода электронов коллектора, со снижением сопротивления межэлектродной среды и связанных с этим затрат энергии на поддержание между эмиттером и коллектором дугового режима в квадранте вольт-амперной характеристики, в котором происходит генерация постоянных тока и напряжения. Для количественной характеристики таких затрат используют обобщенный показатель эффективности — барьерный индекс (У,), который равен сумме потерь потенциальной энергии вышедшего из эмиттера вследствие термоэмиссии электрона при его перемещении через межэлектродную среду и через поверхность коллектора во внешнюю электрическую цепь (сопротивление полезной электрической нагрузки):
Уь ~ фс + Уф.
Чем ниже значение барьерного индекса, тем выше электродный КПД (без учета потерь на "внешнем" электрическом сопротивлении). Современные достижения по барьерному индексу для ТЭП в традиционных (неридберговских) режимах работы составляют примерно 2.2—2.1 эВ (электродный КПД равен 8 и 12% при соответствующей температуре эмиттера 1600 К и выше).
Это следует из результатов многолетних исследований эффективности ТЭП с различными электродными парами материалов и схемами организации рабочего процесса термоэмиссионного преобразования энергии.
Коэффициент полезного действия, равный 20-26%, был получен в Гётеборгском университете и ГНЦ РФ-ФЭИ в ТЭП только с КВС цезия. Рассмотрим эти результаты подробнее.
3.1. Экспериментальный термоэмиссионный преобразователь
Группа проф. Л. Холмлида провела комплексные исследования, в которых впервые экспериментально обнаружила РМ, в "открытом" ТЭП. В нем через сетчатый коллектор из никеля, покрытый тонким слоем углерода путем нанесения на него коллоидного раствора графита ("аквадага"), непрерывно подавался пар цезия на молибденовый эмиттер. После прохождения кластеров цези-евого пара через межэлектродную среду с образованием РМ цезий конденсировался на холодных стенках вакуумной камеры, в которую помещался "открытый" ТЭП. В этих экспериментах впервые была зарегистрирована самая высокая к тому времени эффективность ТЭП, соответствующая Уь = = 1.64 эВ при работе выхода электронов коллектора фс = 0.64 эВ в межэлектродной среде с РМ. Образование РМ подтверждалось результатами масс-спектрометрии межэлектродной среды и соответствующей формой вольт-амперной характеристики (ВАХ).
Удивительно, но эти результаты группы Холм-лида были восприняты сообществом ученых в области термоэмиссии настороженно. Последнее обстоятельство было обусловлено использованием группой Холмлида упрощенной схемы организации термоэмиссионного рабочего процесса в диоде с ленточным прямонакальным эмиттером (из молибденовой фольги размером 2 х 1 х 0.02 см) и сеточным плохо охлаждаемым коллектором с неконтролируемой температурой. В таком диоде было невозможно сравнить характеристики ТЭП с традиционной равновесной подачей цезиевого насыщенного пара в межэлектродное пространство и с нетрадиционной подачей цезиевого пара через коллектор (далее будем называть такую подачу динамической). Последняя предложена и запатентована Л. Холмлидом с коллегами [12]. Действительно, неизотермичность, неэквипотенциальность электродов, возможное влияние примесей из остаточных газов в вакуумной камере, наличие плохо контролируемых краевых эффектов на электродах, отсутствие возможности сравнивать характеристики "открытого" и традиционного ТЭП, безусловно, увеличивают систематическую экспериментальную погрешность измерений и их
интерпретацию. Все это сделало выводы группы Холмлида неоднозначными и обоснованно критикуемыми специалистами в области термоэмиссии.
К сожалению, эти обстоятельства надолго затормозили практическое применение РМ в ТЭП. Потребовалось десятилетие, чтобы осознать важность результатов группы Холмлида
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.