DE1269218B

DE1269218B - Thermionic converter for converting heat into electrical energy

Info

Publication number: DE1269218B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: Harold Frank Webster
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-09-26
Filing date: 1962-09-25
Publication date: 1968-05-30
Also published as: FR1378817A; GB1013120A; CH413937A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL: Int. CL:

HOIvHOIv

Deutsche KL: 21 b - 29/00 German KL: 21 b - 29/00

Nummer: 1269 218Number: 1269 218

Aktenzeichen: P 12 69 218.1-33File number: P 12 69 218.1-33

Anmeldetag: 25. September 1962Filing date: September 25, 1962

Auslegetag: 30. Mai 1968Open date: May 30, 1968

Die Erfindung betrifft einen thermionischen Wandler zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit einem aus einem kristallinen Material bestehenden Emitter, dessen frei liegende Oberfläche in einem gewissen Abstand einem Kollektor gegenübergestellt ist, mit einer Heizvorrichtung für den Emitter und mit einem zwischen dem Emitter und dem Kollektor befindlichen, die Raumladung kompensierenden Gas.The invention relates to a thermionic converter for converting heat into electrical energy Energy with an emitter made of a crystalline material, its exposed surface is faced at a certain distance from a collector, with a heating device for the Emitter and with one located between the emitter and the collector, which compensates for the space charge Gas.

Bei den bekannten thermionischen Wandlern handelt es sich im allgemeinen um thermionische Dioden, deren Kathoden (Emitter) eine hohe Austrittsarbeit und deren Anoden (Kollektoren) eine geringe Austrittsarbeit aufweisen. Als Material für die Elektroden eignet sich z. B. Tantal oder Wolfram. Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften werden solche Dioden mit einem Dampf oder Gas, insbesondere mit Caesiumdampf, gefüllt. Hierdurch wird einerseits die Raumladung beseitigt, die in einer Vakuumdiode durch die Elektronenemission aufgebaut würde, und werden andererseits die Werte der Austrittsarbeit der Elektrodenoberfiächen in günstiger Weise beeinflußt.The known thermionic converters are generally thermionic diodes, their cathodes (emitters) have a high work function and their anodes (collectors) a low work function exhibit. The material used for the electrodes is, for. B. tantalum or tungsten. For improvement the operating properties are such diodes with a vapor or gas, in particular with Cesium vapor, filled. This on the one hand eliminates the space charge in a vacuum diode would be built up by the electron emission, and on the other hand the values of the work function of the Affected electrode surfaces in a favorable manner.

In mit Caesium gefüllten Dioden entstehen während des Betriebs Caesiumionen, die die Raumladung kompensieren. Die meisten Ionen werden durch Oberflächenionisation an der erhitzten Emitteroberfläche gebildet, und es stellt sich dort ein Gleichgewicht zwischen Ionen und Atomen ein. Je nach der Temperatur des Emitters und dem Caesiumdruck bleibt daher die Emitteroberfläche mit einer gewissen Menge an Caesiumatomen bedeckt, durch die die effektive Austrittsarbeit der Emitteroberfiäche erniedrigt wird.In diodes filled with cesium, cesium ions, which form the space charge, are generated during operation compensate. Most of the ions are created by surface ionization on the heated emitter surface formed, and there is an equilibrium between ions and atoms. Depending on the temperature of the emitter and the cesium pressure therefore remain the emitter surface with a certain Amount of cesium atoms covered, through which the effective work function of the emitter surface is humiliated.

Auf Grund dieser Zusammenhänge gibt es bisher im wesentlichen zwei Möglichkeiten, die elektrische Nutzleistung und den Wirkungsgrad einer solchen Diode zu verbessern. Die eine Möglichkeit besteht darin, den Caesiumdruck und damit die Zahl der Caesiumatome in der Diode zu erhöhen. Dieser Maßnahme sind jedoch praktische Grenzen gesetzt, da die emittierten Elektronen nur bei geringen Drücken den Kollektor ungehindert erreichen können. Bei höheren Drücken sind Stöße zwischen den Caesiumatomen und den Elektronen nicht mehr vernachlässigbar. Sie führen zu einem Plasma im Raum zwischen den Elektroden, dessen Widerstand mit steigendem Gasdruck zunimmt und eine Verringerung der Nutzleistung und des Wirkungsgrades zur Folge hat.Due to these relationships, there are essentially two options so far, the electrical To improve the useful power and the efficiency of such a diode. There is one possibility in increasing the cesium pressure and thus the number of cesium atoms in the diode. This However, there are practical limits to the measure, since the electrons emitted are only small Press can reach the collector unhindered. At higher pressures there are shocks between the Cesium atoms and electrons are no longer negligible. They lead to a plasma in the Space between the electrodes, the resistance of which increases with increasing gas pressure and a decrease the net power and the degree of efficiency.

Die andere bekannte Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Nutzleistung thermionischer Wandler besteht darin, die Emittertempe-Thermionischer Wandler zur Umwandlung
von Wärme in elektrische EnergieThe other known way to increase the efficiency and useful power of thermionic converters is to use the emitter temperature thermionic converters for conversion
from heat to electrical energy

Anmelder:Applicant:

General Electric Company,General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Harold Frank Webster, Scotia, N. Y. (V. St. A.)Harold Frank Webster, Scotia, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. September 1961
(140 815)Claimed priority:
V. St. v. America September 26, 1961
(140 815)

ratur zu erhöhen, weil hierdurch die Emissionsdichte bzw. die Stromdichte erhöht wird. Bei konstanter Stromdichte sind dabei um so höhere Temperaturen notwendig, je höher die Elektronenaustrittsarbeit des Emitters ist. Eine unbegrenzte Erhöhung der Emittertemperatur ist aber schon aus Gründen der Lebensdauer nicht möglich, weil mit zunehmender Temperatur auch die Verdampfungsgeschwindigkeit des Emitters ansteigt. Daneben hat jedoch eine Temperaturerhöhung auch zur Folge, daß das Material, das die Austrittsarbeit erniedrigen soll, vom Emitter weggedampft wird.rature, because this increases the emission density or the current density. At constant The higher the electron work function of the, the higher the temperatures required for the current density Emitter is. An unlimited increase in the emitter temperature is, however, for reasons of service life not possible because with increasing temperature the evaporation rate of the Emitter rises. In addition, however, an increase in temperature also has the consequence that the material that the work function is to lower, is evaporated away from the emitter.

Weder eine Erhöhung des Caesiumdrucks noch eine Temperaturerhöhung haben somit bisher eine zufriedenstellende Erhöhung der Nutzleistung und des Wirkungsgrades eines thermionischen Wandlers herbeiführen können. Der Erfindung liegt aus diesem Grund die Aufgabe zugrunde, dies über die Erhöhung der Elektronenemission auf einem gänzlich anderen, bisher noch nicht gegangenen Weg zu erreichen.So far, neither an increase in the cesium pressure nor an increase in temperature has had any effect satisfactory increase in the useful power and the efficiency of a thermionic converter can bring about. For this reason, the invention is based on the object of increasing this electron emission on a completely different, not yet followed path reach.

Für die Erfindung wird die Erscheinung ausgenützt, daß die Austrittsarbeit der Emitteroberfläche nicht nur von der Zahl der auftreffenden Caesiumatome, sondern auch von der Kristallstruktur derThe invention makes use of the phenomenon that the work function of the emitter surface not only on the number of hitting cesium atoms, but also on the crystal structure of the

So Emitteroberfläche abhängt. Außerdem wird von der Annahme ausgegangen, daß um so mehr Caesium an der Emitteroberfläche haftenbleibt und dadurch dieSo emitter surface depends. It is also assumed that all the more cesium adheres to the emitter surface and thereby the

809 557/176809 557/176

Austrittsarbeit um so mehr verringert werd, je größer die Bindungskräfte zwischen der Emitteroberfläche und dem Caesiumdampf sind.The greater the binding forces between the emitter surface, the more the work function is reduced and the cesium vapor.

Zur Lösung der oben gestellten Aufgabe bei dem eingangs beschriebenen thermionischen Wandler besteht die Erfindung darin, daß die dem Kollektor zugewandte Oberfläche des Emitters diejenige Schnittebene eines eine überwiegend gleichförmige kristallografische Orientierung besitzenden kristallinen Körpers ist, die die größte Flächenpackungsdichte der Atome im Kristallgitter aufweist.To solve the problem set above in the case of the thermionic converter described at the outset The invention consists in that the surface of the emitter facing the collector is the one Sectional plane of a crystalline having a predominantly uniform crystallographic orientation Body which has the greatest areal packing density of the atoms in the crystal lattice.

Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß keine hohen Gas- oder Dampfdrücke benötigt werden, so daß die nachteilige Wirkung der Elektronenstöße wegfällt. Da weiterhin die Bindungskräfte zwischen der Emitteroberfläche und dem Caesium vergrößert sind, kann der Emitter bei höheren Temperaturen als bisher betrieben werden, wodurch die Emissionsdichte erhöht wird. Betreibt man einen thermionischen Wandler nach der Erfindung bei ähnlichen Temperaturen und Drücken wie die bekannten Wandler, dann erhält man eine mindestens zehnmal so große Stromdichte und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades um mindestens etwa 15 bis 25%. a5The advantage of this measure is that no high gas or vapor pressures are required, so that the detrimental effect of the electron impact is eliminated. There continue to be the binding forces between the emitter surface and the cesium are enlarged, the emitter can be at higher Temperatures than before are operated, whereby the emission density is increased. Do you run one thermionic transducer according to the invention at similar temperatures and pressures as the known Converter, then you get a current density at least ten times as high and thus an increase the efficiency by at least about 15 to 25%. a5

Der Emitter besteht vorzugsweise aus einem metallischen Einkristall, doch lassen sich auch polykristalline Materialien verwenden, wenn dabei nur der überwiegende Teil der dem Kollektor zugewandten kristallinen Emitteroberfläche die oben angegebene Orientierung besitzt.The emitter preferably consists of a metallic single crystal, but polycrystalline ones can also be used Use materials if only the majority of them are facing the collector crystalline emitter surface has the orientation given above.

Der Kollektor des erfindungsgemäßen thermionischen Wandlers besteht vorzugsweise aus einem kristallinen Material, wobei die dem. Emitter zugewandte Oberfläche des Kollektors eine solche Schnittebene eines eine überwiegend gleichförmige kristallografische Orientierung besitzenden kristallinen Körpers ist, die eine geringere flächenmäßige Atompackungsdichte als die dem Kollektor zugewandte Emitteroberfläche aufweist. Hierdurch wird die Austrittsarbeit des Kollektors erniedrigt und damit die Differenz zwischen den Austrittsarbeiten des Emitters und Kollektors erhöht.The collector of the thermionic converter according to the invention preferably consists of one crystalline material, the dem. Such a surface of the collector facing the emitter Sectional plane of a crystalline having a predominantly uniform crystallographic orientation Body is that has a lower areal atomic packing density than that facing the collector Has emitter surface. This lowers the work function of the collector and thus the difference between the work functions of the emitter and collector increases.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.The invention is explained below with reference to a few exemplary embodiments in conjunction with the drawings described in more detail.

Die F i g. 1 und 2 sind Schnitte durch thermionische Wandler nach der Erfindung;The F i g. 1 and 2 are sections through thermionic Converter according to the invention;

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 2:Fig. 3 is a section along the line AA of Fig. 2:

Fig. 4A bis 4C zeigen die Atomabstände in den Elektrodenoberflächen eines thermionischen Wandlers;Figs. 4A to 4C show the atomic distances in the electrode surfaces of a thermionic transducer;

Fi g. 5 zeigt die Abhängigkeit der Emissionsstromdichte in A/cm² von dem Reziproken der Emitter- temperatur in Grad/Kelvin;Fi g. 5 shows the dependence of the emission ^{current density in A / cm 2} on the reciprocal of the emitter temperature in degrees / Kelvin;

Fig. 6 zeigt, teilweise im Schnitt, ein Gerät zum Herstellen der Elektroden eines erfindungsgemäß ausgebildeten thermionischen Wandlers.Fig. 6 shows, partly in section, an apparatus for producing the electrodes of a device according to the invention trained thermionic converter.

Bei einem thermionischen Wandler nach der F i g. 1 ist ein erwärmter Emitter 1 einem gekühlten Kollektor 2 in geringem Abstand (z.B. etwa 0,25 mm) gegenübergestellt. Der Emitter 1 besteht aus einem hitzebeständigen Metall mit geringem Dampfdruck und ist mechanisch und elektrisch mit einer aus einem ähnlichen Metall bestehenden Abschlußplatte 3 verbunden. Der ebenfalls aus einem hitzebeständigen Metall mit geringem Dampfdruck bestehende Kollektor 2 ist mechanisch und elektrisch mit einer Abschlußplatte 4 verbunden, die aus demselben oder einem ähnlichen Material hergestellt ist. Das gesamte Gerät kann zylindrisch ausgebildet sein, wobei ringförmige, isolierende Abstandsstücke 5 aus Keramik die Außenwand des Wandlers bilden.In a thermionic converter according to FIG. 1 is a heated emitter 1 is a cooled one Collector 2 opposite at a short distance (e.g. about 0.25 mm). The emitter 1 consists of one Heat-resistant metal with low vapor pressure and is mechanically and electrically made with one a similar metal end plate 3 connected. The also from a heat-resistant Metal collector 2 with low vapor pressure is mechanical and electrical connected to an end plate 4 made of the same or a similar material. The entire device can be cylindrical, with annular, insulating spacers 5 from Ceramic form the outer wall of the transducer.

Als feuerfestes Metall für den Emitter und den Kollektor können z. B. Metalle mit kubisch raumzentriertem Gitter, wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob oder Vanadium, mit kubisch flächenzentriertem Gitter, wie Nickel, Iridium oder Platin, oder mit hexagonalem Gitter, wie Rhenium, Hafnium oder Zirkon, verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird als Emitter vorzugsweise ein Einkristall dieser Metalle verwendet, dessen dem Kollektor zugewandte Oberfläche eine spezielle kristallografische Struktur aufweist.As a refractory metal for the emitter and the collector, for. B. Metals with body-centered cubic Grids, such as tungsten, tantalum, molybdenum, niobium or vanadium, with face-centered cubic Lattice, such as nickel, iridium or platinum, or with a hexagonal lattice, such as rhenium, hafnium or Zirconium, can be used. According to the invention, a single crystal is preferably used as the emitter Metals are used whose surface facing the collector has a special crystallographic Has structure.

Am Rand der Abschlußplatte 4 ist ein zylindrischer Hohlkörper 6 mit Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 7 bzw. 8 befestigt, durch die zwecks Wärmeaustausch mit der Abschlußplatte 4 des Kollektors 2 ein Kühlmedium geleitet wird.At the edge of the end plate 4 is a cylindrical hollow body 6 with inlet and outlet openings 7 or 8 attached, through which for the purpose of heat exchange with the end plate 4 of the collector 2 a cooling medium is passed.

In einer Röhre 9 ist eine kleine Menge eines bei Erwärmung leicht verdampfbaren Metalls 10, z. B. eines Alkalimetalls, gespeichert. Das Metall kann z.B. Rubidium, Kalium, Natrium oder bevorzugt Caesium sein. Die Röhre 9 steht an ihrem einen Ende mit dem Raum zwischen den Elektroden in Verbindung, so daß der Dampf des Alkalimetalls unter einem Druck zugeführt wird, der von der Temperatur der kältesten Oberfläche abhängt, der die Röhre ausgesetzt ist. Eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, die durch den Hohlkörper 6 strömt, hält den Kollektor 2 auf einer niedrigeren Temperatur im Vergleich zum erwärmten Emitter. Von einer ähnlichen Kühlanordnung (nicht gezeigt) kann das Metall 10 auf einer noch tieferen Temperatur zwischen 200⁰C und der Temperatur des Kollektors gehalten werden.In a tube 9 is a small amount of a readily vaporizable when heated metal 10, z. B. an alkali metal stored. The metal can be, for example, rubidium, potassium, sodium or, preferably, cesium. The tube 9 communicates at one end with the space between the electrodes, so that the vapor of the alkali metal is supplied under a pressure which depends on the temperature of the coldest surface to which the tube is exposed. A cooling liquid, e.g. B. water flowing through the hollow body 6 keeps the collector 2 at a lower temperature compared to the heated emitter. The metal 10 can be kept at an even lower temperature between 200 ^° C. and the temperature of the collector by a similar cooling arrangement (not shown).

Beim Betrieb des thermionischen Wandlers nach der Fig. 1 wird der Emitter erhitzt, wie schematisch durch die Pfeile in der F i g. 1 angedeutet ist. Die Erwärmung kann durch konzentrierte Sonnenenergie oder durch Verwendung eines einfachen Brenners oder z. B. durch heiße Teile eines Kernreaktors als Wärmequelle bewirkt werden. Der Emitter sollte in allen Fällen auf eine Temperatur zwischen 1000 und 2500⁰K aufgeheizt werden. Wenn der Kollektor 2 auf einer niedrigeren Temperatur als der Emitter gehalten wird, findet ein Elektronenfluß vom Emitter zum Kollektor statt, so daß in einem äußeren Kreis mit einem Widerstand 11, der zwischen den Abschlußplatten 3 und 4 liegt, ein elektrischer Strom fließt und die Abschlußplatte 3 positiv gegenüber der Abschlußplatte 4 ist.When operating the thermionic converter according to FIG. 1, the emitter is heated, as shown schematically by the arrows in FIG. 1 is indicated. The heating can be done by concentrated solar energy or by using a simple burner or z. B. caused by hot parts of a nuclear reactor as a heat source. The emitter should be heated to a temperature between 1000 and 2500 ^{0 K in all cases.} If the collector 2 is kept at a lower temperature than the emitter, there is a flow of electrons from the emitter to the collector, so that an electric current flows in an outer circuit with a resistor 11, which lies between the end plates 3 and 4, and the end plate 3 is positive compared to the end plate 4.

Der Dampf des Alkalimetalls zwischen den Elektroden 1 und 2 wird mindestens teilweise am erhitzten Emitter 1 ionisiert, wobei sich ein Ionengleichgewicht zwischen der Emitteroberfläche und dem Alkalidampf einstellt. Von den auf diese Weise erzeugten Ionen wird die Elektronenraumladung kompensiert, die ohne den Alkalimetalldampf zwischen den Elektroden vorhanden sein und den Stromfluß behindern würde. Außerdem bedeckt der Alkalimetalldampf die sich gegenüberstehenden Oberflächen von Emitter und Kollektor mindestens teilweise mit einer einatomigen Schicht aus Atomen und Ionen. Der kältere Kollektor wird vollständiger als der war-The alkali metal vapor between electrodes 1 and 2 is at least partially heated Emitter 1 ionized, with an ion equilibrium between the emitter surface and the Alkali vapor adjusts. The electron space charge is compensated by the ions generated in this way, which without the alkali metal vapor being present between the electrodes and the current flow would hinder. In addition, the alkali metal vapor covers the opposing surfaces of the emitter and collector at least partially with a monatomic layer of atoms and ions. The colder collector becomes more complete than the war-

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mere Emitter mit dem Alkalimetall bedeckt, weil Oberfläche mit großer Packungsdichte der Atome dieses durch die Wärme des Emitters verdampft wird. kann eine gleichförmigere Schicht der submoleku-Die Austrittsarbeit des Emitters ist daher größer als laren Alkalimetallteilchen für eine längere Zeitspanne die Austrittsarbeit des Kollektors, so daß zwischen auch bei hohen Temperaturen festhalten. Somit wird diesen beiden Elektroden eine Potentialdifferenz be- 5 durch die verstärkte Adhäsion des Alkalimetallsteht. Bei der Adsorption eines Alkalimetalls, z. B. Überzugs an dieser Oberfläche die auf Grund der von Caesium, an den Elektroden bildet sich eine Austrittsarbeit bestehende Sperrschicht, die die Elek-Dipolschicht auf den Elektrodenoberflächen, durch tronen vor dem Verlassen der Oberfläche durchdie die Oberflächensperrschicht vermindert wird, die dringen müssen, in stärkerem Maße als bei den bevon den Elektronen vor der Emission durchschritten io kannten thermionischen Wandlern abgebaut. Außerwerden muß. Durch die positiven Caesiumionen an dem wird die Elektronenstromdichte stark vergrößert, der Emitteroberfläche wird daher der Elektronenfluß Die Oberfläche mit der größten Packungsdichte vom Emitter 1 zum Kollektor 2 erleichtert bzw. die der Atome ist von der Art des hitzebeständigen Austrittsarbeit des Emitters gesenkt. Metalls abhängig. Bei Verwendung eines Einkristalls Die maximale Nutzleistung eines thermionischen 15 von einem Metall mit kubisch raumzentriertem Gitter Wandlers berechnet sich, wenn der Widerstand 11 ist dem Kollektor vorzugsweise die (llO)-Schnittein angepaßter Verbraucher ist, nach der Formel ebene (Definition nach Miller) zugewandt. Ein _,_. _n kubisch raumzentriertes Gitter, z.B. des Wolframs, Jy max — is (« ε — Ψκ), (ί) besitzt bekanntlich die Kristallstruktur aneinanderwobei /_s den Strom bzw. das Produkt aus Sättigungs- 20 gelegter Würfel, wobei jeweils ein Atom an den acht emissionsdichte und Elektrodenoberfläche, Φ_Ε die Ecken des Würfels und eins in der Mitte des Würfels Austrittsarbeit des Emitters und Φ_κ die Austritts- liegt, das die anderen acht Atome berührt und wobei arbeit des Kollektors bedeutet. Die Differenz zwischen eine Seitenfläche eines Würfels gleichzeitig eine Seiden Austrittsarbeiten des Emitters und Kollektors tenfläche des nächsten Würfels im Gitter ist. Die wird in eV angegeben und als Kontaktspannung zwi- 25 Seitenflächen des Würfels stellen jedoch nicht unbesehen diesen beiden Elektroden bezeichnet, die die dingt eine günstigste Emissionsoberfläche im Sinn der Ausgangsspannung des Wandlers festlegt. Wie die Erfindung dar. Vielmehr ist diejenige Oberfläche für obige Formel zeigt, führt nicht nur eine große Kon- eine starke Emissionsdichte am günstigsten, die der taktspannung, sondern auch eine hohe Stromdichte (llO)-Schnittebene entspricht, also diejenige Schnittzu einer großen maximalen Nutzleistung. Oftmals ist 30 ebene, die man erhält, wenn ein Würfel von einer eine hohe Stromdichte von größerem Wert, so daß Kante zur diagonal gegenüberliegenden Kante und man in diesen Fällen die Vergrößerung der Strom- parallel zu diesen beiden Kanten geschnitten wird, dichte einer Vergrößerung der Kontaktspannung vor- wobei das mittlere Atom an seinem Platz bleibt, bzw. zieht. wenn man zwei Atome, die gemeinsam eine Kantemere emitter covered with the alkali metal, because surface with high packing density of the atoms this is evaporated by the heat of the emitter. The work function of the emitter is therefore larger than lar alkali metal particles for a longer period of time, the work function of the collector, so that between even at high temperatures can hold a more uniform layer of the submolecular. There is thus a potential difference between these two electrodes due to the increased adhesion of the alkali metal. When adsorbing an alkali metal, e.g. B. Coating on this surface that due to the cesium, on the electrodes forms a work function existing barrier layer, which is the elec-dipole layer on the electrode surfaces, by tronen before leaving the surface through which the surface barrier layer that must penetrate is reduced to a greater extent than with the thermionic transducers known by the electrons before the emission. Must be outside. The electron current density is greatly increased by the positive cesium ions on the emitter surface, therefore the flow of electrons is facilitated. Metal dependent. When using a single crystal, the maximum useful power of a thermionic 15 from a metal with a body-centered cubic lattice converter is calculated when the resistor 11 faces the collector, preferably the (110) section is a matched consumer, according to the formula plane (definition according to Miller). A _,_. _n body-centered cubic lattice, for example of tungsten, Jy max - is ( "ε - Ψκ) which (ί) known aneinanderwobei the crystal structure / _s the current or the product of saturation 20 defined cube, with one atom in the eight emission density and electrode surface, Φ _Ε the corners of the cube and one in the middle of the cube is the work function of the emitter and Φ _κ is the work function that touches the other eight atoms and where work means of the collector. The difference between one side surface of a cube is simultaneously a silk work function of the emitter and the collector surface of the next cube in the lattice. This is given in eV and is referred to as the contact voltage between the sides of the cube, but not without looking at these two electrodes, which determines the most favorable emission surface in terms of the output voltage of the transducer. As the invention shows. Rather, that surface for the above formula shows that not only a large concentration leads to a strong emission density which corresponds to the clock voltage, but also a high current density (110) intersection plane, i.e. that intersection leads to a large maximum useful power . Often 30 is the plane that is obtained when a cube of a high current density of greater value, so that the edge to the diagonally opposite edge and one in these cases the enlargement of the current is cut parallel to these two edges, an enlargement of the density Contact voltage forwards - the middle atom stays in place or pulls. when you have two atoms that share an edge

Mit dem Erfindungsgegenstand wird im Vergleich 35 des Würfels bilden, entfernt.With the subject matter of the invention, in comparison, 35 of the cube is formed, removed.

zu den bekannten thermionischen Wandlern eine In der Fig.4A ist die (llO)-Schnittebene eines Vergrößerung der Stromdichte um mindestens etwa solchen Kristallgitters, die die günstige Packungsdas Zehnfache bei annähernd gleicher Kontaktspan- dichte im Vergleich zu der Packungsdichte in den nung erreicht, so daß auch die Nutzleistung um das Seitenflächen vollständiger Würfel (Fig. 4B) oder Zehnfache vergrößert ist. Dies erreicht man dadurch, 40 zu der Packungsdichte in einer (lll)-Schnittebene daß man einen beträchtlichen Teil der der Kollektor- des Gitters (Fig. 4C) aufweist, gezeigt. Wenn der oberfläche zugewandten Oberfläche des Emitters, der Abstand von Atom zu Atom entlang einer Kante des vorzugsweise aus einem Einkristall besteht, eine kri- vollständigen Würfels »1« ist (Fig. 4B), dann entstallografisch günstige Orientierung gibt, wobei unter sprechen die in den Fig. 4A und 4C angegebenen einer »kristallografisch günstig orientierten Ober- 45 Zahlen den relativen Abständen zwischen den Mitfläche« diejenige Oberfläche eines kristallinen Kör- telpunkten der Atome im Vergleich zu »1«. Die pers verstanden wird, die in Abwesenheit von Alkali- (HO)-Ebene kann bei einem kubisch raumzentrierten metalldämpfen und im Vergleich zu anderen Ober- Einkristall auch als (lOl)-Ebene bezeichnet werden, flächen dieses kristallinen Körpers die größte Aus- Beide Bezeichnungen beziehen sich auf die dieselbe trittsarbeit aufweist. In Gegenwart von Alkalimetall- 50 Packung und Orientierung hinsichtlich eines symdämpfen weist eine solche Oberfläche dann eine ge- metrischen Kristallgitters nach der Fig. 4A.
ringere Austrittsarbeit als alle anderen Oberflächen Der Erfindungsgegenstand ist nicht auf Schnittdes kristallinen Körpers auf und liefert als Emitter- ebenen mit äußerst dichter Packung beschränkt. Eine oberfläche eine vergrößerte Emissionsdichte. Oberfläche mit einer etwas weniger dichten Packung Es wird angenommen, daß diese vergrößerte 55 liefert häufig auch noch eine Verbesserung hinsicht-Stromdichte auf eine bessere Adhäsion des Alkali- Hch der bekannten Wandler. Für das kubisch raummetallüberzugs an der günstig orientierten Oberfläche zentrierte Gitter erweist sich die (112)-Schnittebene zurückzuführen ist. Oberflächen, die bei Abwesen- mit der nächst dichtesten Packung ebenfalls als sehr heit des Alkalimetalldampfes eine große Austritts- günstig.To the known thermionic transducers a In FIG. 4A the (110) -section plane of an enlargement of the current density by at least about such a crystal lattice that achieves the favorable packing ten times with approximately the same contact chip density compared to the packing density in the voltage, so that the useful power is increased by the side surfaces of complete cubes (Fig. 4B) or ten times. This is achieved by showing 40 to the packing density in a (III) sectional plane that a considerable part of that of the collector of the grid (FIG. 4C) is shown. If the surface of the emitter facing the surface, the distance from atom to atom along an edge of which preferably consists of a single crystal, is a critical cube "1" (Fig In FIGS. 4A and 4C, a "crystallographically favorably oriented upper surface" is the surface of a crystalline dot of the atoms in comparison to "1". The pers understood, which in the absence of alkali (HO) -plane can be referred to as (lOl) -plane in the case of a body-centered cubic metal vapors and in comparison to other upper single crystals, this crystalline body has the largest area. Both names refer to the same step work. In the presence of alkali metal packing and orientation with regard to a sym-damping, such a surface then has a geometric crystal lattice according to FIG. 4A.
lower work function than all other surfaces. The subject matter of the invention is not limited to cutting the crystalline body and provides emitter planes with extremely close packing. A surface an increased emission density. Surface with a somewhat less dense packing It is assumed that this enlarged 55 often also provides an improvement in terms of current density and better adhesion of the alkali of the known transducers. The (112) cutting plane turns out to be traced back to the cubic spatial metal coating centered on the favorably oriented surface. Surfaces which, in the absence of the next closest packing, also have a large outlet favorable for the alkali metal vapor.

arbeit besitzen, zeichnen sich durch kleine Atom- 60 Bei Kristallen mit kubisch flächenzentriertem abstände zwischen den Atomen des Metallkristalls Gitter ist die (lll)-Schnittebene die Oberfläche mit an der Kristalloberfläche aus. Die dadurch bedingte der dichtesten Packung und daher zum Erzielen einer große Packungsdichte erlaubt nur das Entweichen hohen Stromdichte erfindungsgemäß am besten geweniger Elektronen von der unbedeckten Oberfläche. eignet. Diese Oberfläche besitzt bei Abwesenheit von Bei Anwesenheit von Atomen und/oder Ionen des 65 Alkalimetalldampf die größte Austrittsarbeit. Die Alkalimetalls dagegen wird eine Dipolschicht auf- (lOO)-Ebene ist die nächst günstigste Schnittebene,
gebaut, die die Oberflächensperrschicht abbaut. Eine Bei Kristallen mit hexagonalem Gitter ist die begroße Zahl von Ladungen je Flächeneinheit auf einer vorzugte Oberfläche die (lOOO)-Schnittebene. Eben-60 In crystals with face-centered cubic distances between the atoms of the metal crystal lattice, the (III) plane of intersection is the surface on the crystal surface. The resulting tightest packing and therefore to achieve a high packing density only allows a high current density to escape from the uncovered surface, according to the invention, best of a few electrons. suitable. In the absence of atoms and / or ions of the alkali metal vapor, this surface has the greatest work function. The alkali metal, on the other hand, becomes a dipole layer on- (lOO) -plane is the next most favorable cutting plane,
built to break down the surface barrier. In the case of crystals with a hexagonal lattice, the large number of charges per unit area on a preferred surface is the (100O) plane of intersection. Just-

falls günstig sind die (110O)- und (1110)-Ebenen. Die Emitteroberfläche wird bevorzugt an einem einzigen Einkristall hergestellt, da Einkristalle für ein Material wie Wolfram leicht herzustellen sind. Der Erfindungsgegenstand ist jedoch nicht auf Emitter aus einem Einkristall beschränkt. Häufig läßt sich ein einwandfreier Betrieb auch mit kristallinen Körpern erhalten, in deren dem Kollektor zugewandten Oberflächen zu einem überwiegenden Anteil Teilflächen der verschiedenen Kristalle mit der richtigen Orientierung liegen.if favorable, the (110O) and (1110) planes are. The emitter surface is preferably on a single one Single crystal made because single crystals are easy to make for a material like tungsten. Of the However, the subject matter of the invention is not restricted to emitters made from a single crystal. Often can Proper operation can also be obtained with crystalline bodies in those facing the collector Surfaces to a predominant part partial surfaces of the different crystals with the correct one Orientation lie.

In den F i g. 2 und 3 ist eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung zu sehen, wobei die F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie A-A in F i g. 2 darstellt; der Einkristall aus dem hitzebeständigen Metall mit einem quadratischen Querschnitt bildet einen Emitter 12, der von einem Kollektor 13 umgeben, von diesem durch einen Abstand getrennt und in einer Öffnung von rechteckigem Querschnitt im Kollektor 13 angeordnet ist; diese Öffnung nimmt den Emitter in einem Abstand von etwa 0,25 mm zu allen Seitenflächen auf. Das für den Emitter verwendete Material kann ein Wolframeinkristall sein, dessen (OOl)-Kristallrichtung axial zu dem Emitter verläuft. Der Kristall ist so geschnitten, daß seine (110)-Ebene an beiden Seiten der Innenfläche der Wände der Kollektoröffnung gegenübergestellt ist. Die Masse des Kollektors ist aus Gründen der Wärmeabführung größer als die des Emitters und kann aus Wolfram oder Molybdän bestehen. Der Kollektor 13 ist von einem hohlen Wassermantel 14 umgeben, durch den zur Kühlung des Kollektors Wasser oder eine andere Flüssigkeit strömt. Ein Behälter zur Aufbewahrung eines Vorrats eines leicht verdampfbaren Materials ist von einer Röhre 15 gebildet, die mit dem Raum zwischen dem Emitter 12 und dem Kollektor 13 in Verbindung steht und ein herabhängendes Ende aufweist, in dem das leicht verdampfbare Material 17 festgehalten wird. Ein derartiges Material ist ein Alkalimetall, das teilweise verdampfbar ist, wenn es auf einer etwas erhöhten Temperatur gehalten wird. Das Metall kann z. B. Caesium, Rubidium, Kalium oder Natrium sein, aber Caesium ist bevorzugt. Der herabhängende Teil ist von einem zweiten hohlen Mantel 16 umgeben, in dem das Kühlwasser einströmt, um das Metall 17 auf einer Temperatur unterhalb der des Kollektors 13 zu halten.In the F i g. 2 and 3 a further embodiment according to the invention can be seen, FIG. 3 shows a cross section along the line AA in FIG. 2 represents; the single crystal of the refractory metal having a square cross section forms an emitter 12 surrounded by a collector 13, separated therefrom by a distance and arranged in an opening of rectangular cross section in the collector 13; this opening receives the emitter at a distance of about 0.25 mm to all side surfaces. The material used for the emitter can be a tungsten single crystal, the (OOl) crystal direction of which runs axially to the emitter. The crystal is cut so that its (110) plane faces on either side of the inner surface of the walls of the collector opening. The mass of the collector is greater than that of the emitter for reasons of heat dissipation and can consist of tungsten or molybdenum. The collector 13 is surrounded by a hollow water jacket 14 through which water or another liquid flows to cool the collector. A container for holding a supply of an easily vaporizable material is formed by a tube 15 which communicates with the space between the emitter 12 and the collector 13 and has a depending end in which the easily vaporizable material 17 is retained. One such material is an alkali metal which is partially vaporizable when maintained at a somewhat elevated temperature. The metal can e.g. Be cesium, rubidium, potassium, or sodium, but cesium is preferred. The depending part is surrounded by a second hollow jacket 16 in which the cooling water flows in in order to keep the metal 17 at a temperature below that of the collector 13.

Der Emitter 12 ist innerhalb des Kollektors mit einem ringförmigen keramischen Abstandsteil 18 am unteren Ende des Emitters und Kollektors gehaltert. Der Kollektor ist an diesem Punkt eingesenkt, so daß ein größerer Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor besteht, um den keramischen Körper 18 in einer größeren radialen Breite als den normalen Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor aufzunehmen. Der keramische Körper 18 besteht aus demselben Material und ist an die Elektroden in derselben Weise, wie bereits in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben, gebunden. Eine Belastung in Form eines Widerstandes 19 ist elektrisch zwischen dem Emitter 12 und dem Kollektor 13 angeschlossen.The emitter 12 is within the collector with an annular ceramic spacer 18 on lower end of the emitter and collector supported. The collector is sunk at this point so that there is a greater spacing between the emitter and the collector, around the ceramic body 18 in a greater radial width than the normal distance between the emitter and the collector. The ceramic body 18 is made of the same material and is attached to the electrodes in the same Way, as already in connection with F i g. 1 described, bound. A burden in the form of a Resistor 19 is electrically connected between emitter 12 and collector 13.

Die Mitte des Emitters 12 ist ausgehöhlt, damit eine zylindrische Hülse 20 aus Tantal aufgenommen werden kann, die je nach Wunsch an beiden Enden verschlossen sein und einen Heizer 21 enthalten kann. Der Heizer 21 kann z. B. ein nuklear spaltbares Material sein oder enthalten. Statt dessen kann auch eine beliebige andere Wärmequelle eingesetzt werden, die den Elektronenemitter 12 auf eine Temperatur zwischen 1000 und 2500° K erhitzt. Der Kollektor 13 wird mit Hilfe des in dem Mantel 14 befindlichen Kühlmittels auf einer geringeren Temperatur gehalten, während der Behälter mit dem Alkalimetall auf einer Zwischentemperatur zwischen annähernd 200° C und der Temperatur des Kollektors gehalten wird.The center of the emitter 12 is hollowed out to accommodate a cylindrical sleeve 20 made of tantalum which can be closed at both ends and include a heater 21 as desired. The heater 21 can, for. B. be or contain a nuclear fissile material. Instead, a any other heat source can be used, which the electron emitter 12 to a temperature between 1000 and 2500 ° K heated. The collector 13 is located in the jacket 14 with the help of Coolant is kept at a lower temperature while the container with the alkali metal is on an intermediate temperature between approximately 200 ° C and the temperature of the collector is maintained.

Die Ausführungsform der F i g. 2 und 3 hat den Vorteil, daß die bevorzugten Kristallflächen des alsThe embodiment of FIG. 2 and 3 has the advantage that the preferred crystal faces of the as

ίο Emitter dienenden Einkristalls stärker ausgenutzt werden und außerdem ein Kollektor vorgesehen ist, der leichter gekühlt werden kann. Diese Anordnung dient außerdem dazu, mehrere derartige glühelektrische Wandler in Reihe anzuschließen. Bei einer derartigen Anordnung wird der Kollektor 13 des einen Wandlers an den Emitter eines zweiten, darüber angebrachten Wandlers angeschlossen. Außerdem verwendet man einen gemeinsamen Kreislauf für den Alkalimetalldampf zwischen mehreren Wandlern, wobei der Metalldampf aus einem einzigen Behälter aufgenommen wird, der auf der niedrigsten Temperatur im Kreislauf des Dampfes gehalten wird, um den Druck des Alkalimetalldampfes auf einen gewünschten Wert einzuregulieren.ίο Emitter serving single crystal more used and also a collector is provided that can be cooled more easily. This arrangement also serves to connect several such glowing electrical converters in series. At a In such an arrangement, the collector 13 of one transducer is connected to the emitter of a second, above it attached converter connected. In addition, one uses a common circuit for the alkali metal vapor between multiple transducers, the metal vapor from a single container kept at the lowest temperature in the steam cycle regulate the pressure of the alkali metal vapor to a desired value.

Der Emitter 12 ist in einem raumzentrierten Einkristall so geschnitten, daß die (OOl)-Richtung in eine Längsrichtung der Elektrode fällt, wobei seine vier Seitenflächen in der (HO)-Richtung orientiert sind. Dann neigt das Caesium dazu, bei erhöhten Temperaturen oberhalb 1000° K gut an den so geschnittenen Emitterflächen zu haften, so daß die Leistung des Emitters im Hinblick auf die bekannten glühelektrischen Wandler etwa auf den zehnfachen Betrag vergrößert wird.The emitter 12 is cut in a body-centered single crystal so that the (OOl) direction in a Longitudinal direction of the electrode falls, with its four side faces being oriented in the (HO) direction. Then, at elevated temperatures above 1000 ° K, the cesium tends to work well on the cut Emitter surfaces to adhere, so that the performance of the emitter in terms of the well-known glowing electrical Converter is increased to about ten times the amount.

Die F i g. 5 zeigt die Abhängigkeit der Stromdichte in A/cm² bei der Emission eines Wolframkristalls vonThe F i g. 5 shows the dependence of the current density in A / cm ² when a tungsten crystal is emitted from

1000
der Größe —=—, wobei T die Emittertemperatur1000
of size - = -, where T is the emitter temperature

in Grad Kelvin ist, d. h., die Temperatur nimmt von rechts nach links längs der Abszisse zu. Die verschiedenen Kurven gelten für verschiedene Temperaturen des Caesiums in der Röhre 9 des oben an Hand der F i g. 1 beschriebenen Wandlers, die den Caesiumdruck zwischen Emitter und Kollektor bestimmen. Die Temperatur der unteren Kurve von 200° C ist einem Caesiumdampfdruck von etwa 0,07 mm Hg äquivalent. Der Wandler kann bei irgendeinem Caesiumdruck entsprechend Temperaturen des Caesiumbehälters zwischen etwa 200 und 350° C betrieben werden. Für andere Temperaturen als die in F i g. 5 angegebenen können entsprechende Kurven durch Interpolation erhalten werden.is in degrees Kelvin, d. that is, the temperature increases from right to left along the abscissa. The different Curves apply to different temperatures of the cesium in the tube 9 of the above with reference to the F i g. 1 described converter, which determine the cesium pressure between emitter and collector. the The temperature of the lower curve of 200 ° C is equivalent to a cesium vapor pressure of about 0.07 mm Hg. The transducer can operate at any cesium pressure corresponding to temperatures of the cesium container operated between about 200 and 350 ° C. For temperatures other than those in FIG. 5 corresponding curves can be obtained by interpolation.

Die Werte auf der Abszisse zwischen 0,4 und 1,0 entsprechen Emittertemperaturen zwischen 2500 und 1000°K. Die Kurven sind den bekannten Taylor-Langmuir-S-Kurven ähnlich, die z. B. an bekannten Caesiumdioden aufgenommen werden können. Bei einer vorgegebenen Temperatur des Caesiumbehälters bzw. bei einem vorgegebenen Druck des Caesiums und bei einer vorgegebenen Emittertemperatur wird eine etwa zehnfache Zunahme der Stromdichte über die durch die Taylor-Langmuir-Kurven gegebenen Werte hinaus beobachtet.The values on the abscissa between 0.4 and 1.0 correspond to emitter temperatures between 2500 and 1000 ° K. The curves are similar to the well-known Taylor-Langmuir S-curves, which z. B. on known Cesium diodes can be included. At a given temperature of the cesium container or at a given pressure of the cesium and a given emitter temperature an approximately ten-fold increase in current density over that given by the Taylor-Langmuir curves Values observed beyond.

Man könnte bei Betrachtung der Kurven vermuten, daß der bevorzugte Arbeitspunkt näher an der unteren Temperaturgrenze am rechten Ende der Kurven liegt. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil bei niedrigeren Temperaturen im Bereich der KurvenmaximaLooking at the curves, one might suspect that the preferred operating point is closer to the lower one Temperature limit is at the right end of the curves. However, this is not the case because at lower Temperatures in the area of the curve maxima

die Emissionsdichte zwar größer ist, die Elektronen von der wirksamen Emitteroberfläche abhängen. InAlthough the emission density is greater, the electrons depend on the effective emitter surface. In

jedoch nicht ungehindert zum Kollektor gelangen. einem solchen Fall errechnet man die optimale Nutz-but cannot reach the collector unhindered. in such a case, one calculates the optimal useful

Bei den tieferen Temperaturen sinkt nämlich die leistung für das spezielle Gerät aus der Formel (1).At lower temperatures, the performance for the special device from formula (1) decreases.

Elektronenaustrittsarbeit des Emitters auf einen Wert Gewöhnlich liegen die günstigsten Ergebnisse in derElectron work function of the emitter to a value Usually the most favorable results are in the

weit unterhalb der Ionisationsspannung des Caesium- 5 Nähe der Linie für ein Stromdichteverhältnis vonfar below the ionization voltage of cesium - 5 near the line for a current density ratio of

dampfes. Dies hat zur Folge, daß nicht genügend 0,002, doch eignen sich auch andere Arbeitspunktesteam. As a result, 0.002 is not sufficient, but other working points are also suitable

Ionen zur Kompensation der Raumladung zur Ver- auf den gezeichneten Kurven oder zwischen diesen,Ions to compensate for the space charge on the drawn curves or between them,

fügung stehen und somit der Spannungsabfall am Obgleich beispielsweise die auf die Flächenionisationand thus the voltage drop on the although, for example, on the surface ionization

Wandler vergrößert wird. Ein weiterer Nachteil ist am Emitter zurückzuführende IonenkonzentrationConverter is enlarged. Another disadvantage is the ion concentration that can be traced back to the emitter

der, daß bei den tieferen Temperaturen die Differenz io manchmal rechts von dieser Linie ganz plötzlich ab-that at the lower temperatures the difference io sometimes suddenly deviates to the right of this line.

zwischen den Austrittsarbeiten des Emitters und KoI- nimmt, ist in manchen Fällen trotzdem ein einwand-between the work of the emitter and KoI- takes, in some cases there is still an impeccable

lektors und somit die Ausgangsspannung kleiner wird. freier Betrieb in der Nähe der Maxima der Kurvenlector and thus the output voltage becomes smaller. free operation near the maxima of the curves

Obgleich die Austrittsarbeit des Emitters mit zu- möglich. Dies läßt sich auf Ionisationseffekte imAlthough the emitter's work function is also possible. This can be attributed to ionization effects in the

nehmender Temperatur zum linken Ende der Kurve Raum zwischen den Elektroden zurückführen undAs the temperature increases, return space between the electrodes to the left end of the curve and

hin anwächst, nimmt die Stromdichte ab. Ferner lie- 15 gilt insbesondere dann, wenn Hilfsvorrichtungen zumincreases, the current density decreases. Furthermore, 15 applies in particular when auxiliary devices for

gen am linken Ende der Kurven die Temperaturen Erzeugen von Ionen im ZwischenelektrodenbereichAt the left end of the curves, the temperatures generating ions in the area between the electrodes

für praktische Zwecke zu hoch. Andererseits ist es verwendet werden.too high for practical purposes. On the other hand it is used.

nicht ratsam, den Arbeitspunkt dadurch zu hoch zu Damit die Nutzleistung des Wandlers möglichstIt is not advisable to set the operating point too high as a result

legen, daß man die Temperatur des Caesiumbehäl- groß wird, sollte die Kollektoroberfläche ebenfalls inset that the temperature of the cesium container is high, the collector surface should also be in

ters über die angegebenen Werte hinaus erhöht, selbst 20 bestimmter Weise orientiert sein. Da die NutzleistungIf it increases beyond the stated values, it is necessary to orientate itself in a certain way. Since the useful power

wenn die Stromdichte mit der Temperatur des Cae- ^kÄ- der Differenz zwischen den Austrittsarbeiten desif the current density with the temperature of the Cae ^kÄ - the difference between the work functions of the

siumbehälters zunimmt, weil durch den zunehmenden Emitters und des Kollektors proportional ist, solltesium container increases because by the increasing emitter and collector is proportional, should

Caesiumdruck der zum Kollektor gelangende Teil der die Austrittsarbeit des Kollektors möglichst kleinCesium pressure the part that reaches the collector and the work function of the collector is as small as possible

emittierten Elektronen immer kleiner wird. sein. Man könnte daher vermuten, es sei günstig, dieemitted electrons becomes smaller and smaller. be. One could therefore assume that it would be favorable to the

Man muß daher einen Kompromiß zwischen hohen 25 Oberfläche des Kollektors in gleicher Weise zu orien- und niedrigen Emittertemperaturen bzw. niedrigeren tieren wie die des Emitters. Häufig ist die Austritts-Emissionsdichten und niedrigeren Austrittsarbeiten arbeit des Kollektors jedoch niedriger, wenn die Pakfinden. Die gestrichelte Linie im Diagramm gibt die kungsdichte der Atome in der der Emitteroberfläche günstigste Arbeitskennlinie für die erfindungsgemäß zugewandten Kollektoroberfläche kleiner ist. Bei ausgebildeten Wandler an. Diese Linie entspricht ₃₀ kubisch raumzentrierten Metallen, wie Wolfram oder einer Austrittsarbeit von etwa 2,8 eV, die unterhalb Tantal, eignet sich als Kollektoroberfläche eine (100)-des lonisationspotentials für Caesium liegt. In diesem Schnittebene und bei Metallen mit hexagonalem Bereich und sogar etwas rechts von ihm findet noch Gitter eine (HOO)- oder (H10)-Schnittebene. Natüreine ausreichende Ionisation statt, so daß die Raum- Hch hängt die Wahl der bevorzugten Flächen für den ladung ausreichend kompensiert wird. Die Linie gilt ₃₅ Emitter und den Kollektor auch von der Temperaturfür ein Stromdichteverhältnis von 0,002 Ionen pro differenz zwischen diesen beiden ab. Im allgemeinen Elektron bzw. 500 Elektronen pro Ion. Auch bei befindet sich der Kollektor auf einer Temperatur von einer beträchtlich geringeren Zahl an Ionen wird die etwa 1000° K oder weniger. Bei diesen Tempera-Raumladung mit Hinblick auf einen einwandfreien türen weist eine dichtgepackte Fläche die geringste Betrieb des Wandlers noch einwandfrei kompensiert. ₄₀ Austrittsarbeit in Anwesenheit von Alkalimetall-In der Formel dampf auf. Es wird angenommen, daß die Bindung /₊ der Atome und Ionen des Alkalimetalldampfes an y_ ⁼ "'002, de). Oberfläche in einem Abstand erfolgt, der vomA compromise must therefore be made between a high surface area of the collector in the same way as to orien- and low emitter temperatures or lower animals like that of the emitter. Often, however, the collector's exit emission densities and lower work function are lower as the Paks find. The dashed line in the diagram gives the effect density of the atoms in which the most favorable operating characteristic curve for the emitter surface is smaller for the collector surface facing according to the invention. When the converter is trained. This line corresponds to ₃₀ cubic body-centered metals such as tungsten or a work function of about 2.8 eV, which is below tantalum, is suitable as a collector surface with a (100) -des ionization potential for cesium. In this cutting plane and for metals with a hexagonal area and even slightly to the right of it, the grid still has a (HOO) or (H10) cutting plane. Of course, sufficient ionization takes place so that the space depends on the choice of the preferred areas for the charge is sufficiently compensated. The line applies ₃₅ emitter and collector also on temperature for a current density ratio of 0.002 ions per difference between these two. Generally electron or 500 electrons per ion. Even when the collector is at a temperature of a considerably lower number of ions, which is about 1000 ° K or less. With this temperature space charge with a view to a perfect door, a tightly packed area has the slightest operation of the converter still perfectly compensated. ₄₀ Work function in the presence of alkali metal in the formula vaporises. It is assumed that the bonding / _{+ of} the atoms and ions of the alkali metal vapor to y_ ⁼ "'002, de). Surface occurs at a distance which is from the

Abstand zwischen den Atomen des feuerfesten Grundfür die die gestrichelte Linie in Fig. 5 gilt, ist J₊ die ₄₅ metalls abhängt. Der Überzug des Alkalimetalls Ionenstromdichte am Emitter, die nach der Lang- bildet, wie erwähnt, auf der Oberfläche des hitzemuir-Saha-Gleichung beständigen Metalls eine Dipolschicht. Bei höheren r / (τ — φ\ \l -¹ 1 Temperaturen, z. B. den Betriebstemperaturen des /+ = 488 P 1 + 2 exp [-—^-j-——) T~^ Emitters, muß nun die Bindung an der Oberfläche L \ kT i\ 50 des feuerfesten Metalls fester im Vergleich zur Binberechnet wird, worin /₊ die in A/cm² gemessene dung an anderen Oberflächen sein, damit der Alkali-Ionenstromdichte, e die Ladung eines Elektrons metallüberzug auch bei hohen Temperaturen am (1,6-ΙΟ-¹⁹ Coul), / das Ionisationspotential des feuerfesten Metall haften oder gebunden bleibt. Bei Gases (3,89 eV bei Caesium), Φ die Austrittsarbeit der niedrigeren Temperaturen, z. B, den Betriebstempeüberzogenen Fläche, k die Boltzmann-Konstante, ₅₅ raturen des Kollektors, kann jedoch schon eine Ober- T die Temperatur in Grad Kelvin und P den Druck fläche mit etwas geringerer Packungsdichte die Alkaliin mm Hg bedeuten. metallatome und -ionen binden. Daher weist dieDistance between atoms of the refractory Grundfür the dashed line 5 is true in Fig., J ₊ ₄₅ depends metal. The coating of the alkali metal ion current density at the emitter, which according to the long-term, as mentioned, forms a dipole layer on the surface of the hitzemuir-Saha equation, which is resistant to metal. At higher r / (τ - φ \ \ l - ¹ 1 temperatures, e.g. the operating temperatures of the / + = 488 P 1 + 2 exp [-— ^ - j- ——) T ~ ^ emitter, the Binding on the surface L \ kT i \ 50 of the refractory metal is calculated to be stronger in comparison to Bin, where / _{+ is} the voltage measured in A / cm ² on other surfaces, so that the alkali ion current density, e the charge of an electron, also has a metal coating high temperatures at (1.6-ΙΟ- ¹⁹ Coul), / the ionization potential of the refractory metal adheres or remains bound. For gas (3.89 eV for cesium), Φ the work function of the lower temperatures, e.g. B, the operating temperature-covered area, k the Boltzmann constant, ₅₅ temperatures of the collector, however, an upper T the temperature in degrees Kelvin and P the pressure area with a slightly lower packing density can mean the alkali in mm Hg. bind metal atoms and ions. Therefore, the

In der Gleichung für die gestrichelte Linie der Dipolschicht ein größeres Dipolmoment auf, als esIn the equation for the dashed line the dipole layer has a larger dipole moment than it

F i g. 5 ist /_ die Elektronenstromdichte in A/cm², sich bei Verwendung einer Oberfläche mit größererF i g. 5 is / _ the electron current density in A / cm ² , when using a surface with a larger

die durch die Richardson-Dushman-Gleichung gege- 60 Packungsdichte bei diesen niedrigen Temperaturenthe packing density given by the Richardson-Dushman equation at these low temperatures

ben ist: ergeben würde, so daß eine geringere Austrittsarbeitben is: would result, so that a lower work function

I βΦ\ bei niedrigeren Temperaturen die Folge ist. Natürlich I βΦ \ at lower temperatures is the result. Naturally

/ = 120 T^% exp — I , J, braucht man für den Kollektor nicht unbedingt eine/ = 120 T ^% exp - I, J, you don't necessarily need one for the collector

' kristallografisch orientierte Oberfläche oder die Ober-'' crystallographically oriented surface or the upper

worin die Faktoren dieselbe Bedeutung wie oben 65 fläche eines Einkristalls zu verwenden.wherein the factors use the same meaning as above 65 area of a single crystal.

haben. Die erwünschte kristallografisch orientierte Ober-to have. The desired crystallographically oriented upper

Die optimale Leistung eines Wandlers kann von fläche des hitzebeständigen Metalls, insbesondere fürThe optimal performance of a transducer can be from the area of the refractory metal, especially for

der Dimensionierung des Wandlers und insbesondere den Emitter, kann man auch an polykristallinenthe dimensioning of the transducer and in particular the emitter, one can also use polycrystalline

Materialien herstellen, indem man die größtmögliche Zahl der Körner mit der gewünschten Kristallebene an diese Oberfläche treten läßt. Das bevorzugte Kristallwachstum kann durch Walzen, Ziehen oder Wärmebehandlungen hervorgerufen werden. Einige solcher Verfahren, z. B. zum Erzeugen von Kristalloberflächenebenen in der (110)-Schnittebene kubisch raumzentrierter Gitter, sind bekannt.Manufacture materials by having the largest possible number of grains with the desired crystal plane lets step onto this surface. The preferred crystal growth can be by rolling, pulling or Heat treatments are caused. Some such methods, e.g. B. to generate crystal surface planes in the (110) cutting plane cubic body-centered grids are known.

Die besten Elektrodenflächen erhält man demnach durch Verwendung von Einkristallen oder Oberflächen, die vorherrschend aus Körnern mit einer vorgewählten, dem Kollektor zugewandten Ebene bestehen. Wenn man von einem Wolframeinkristall wie beim fertigen Emitter 12 der F i g. 2 und 3 ausgeht, kann die Lage einer vorgeschlagenen (HO)-Ebene in bekannter Weise durch Röntgenbeugung unter Verwendung eines Laueschen Reflexionsbildes mit Rückstreuung bestimmt werden. Dann wird der Einkristall maschinell bearbeitet und in der richtigen Richtung geschliffen, damit die gesamten Flächen in der (110)-Richtung frei liegen.The best electrode areas are obtained by using single crystals or surfaces, the predominantly grains with a preselected plane facing the collector exist. If you think of a tungsten single crystal as in the finished emitter 12 of FIG. 2 and 3 go out, can determine the position of a proposed (HO) plane in a known manner by means of X-ray diffraction can be determined using a Laue reflection image with backscattering. Then the Single crystal machined and ground in the right direction to keep the entire faces in the (110) -direction are exposed.

Wenn der Einkristall so gezogen wird, daß seine Achse in der (OOl)-Richtung liegt, kann er so geschnitten werden, daß er vier (110)-Seitenflächen erhält. Dies ist die Art, in der die Emitterelektrode 12 der Fig. 2 und 3 maschinell gefertigt wird.If the single crystal is pulled so that its axis is in the (OOl) direction, it can thus be cut be that it has four (110) -sides. This is the way in which the emitter electrode 12 2 and 3 is machined.

Durch das Schleifen und die maschinelle Bearbeitung wird häufig eine Schnittebene freigelegt, die einen kleinen Winkel mit der gewünschten Ebene bildet. Die Abstände zwischen den Atomen im Kristallgitter sind jedoch so klein im Vergleich zur Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung, daß ein genaues Freilegen der gewünschten Reihe von Atomen schwierig ist. Außerdem wird bei der maschinellen Bearbeitung die freigelegte Fläche beschädigt, so daß die Oberflächenatome etwas von der erwünschten Anordnung abweichen. Im folgenden wird daher ein Verfahren angegeben, mit dem die erwünschten Schnittebenen mit äußerster Genauigkeit freigelegt werden können, indem eine Elektrodenoberfläche unter geringer elektrischer Spannung geätzt wird. Obwohl auch ein Körper aus einem polykristallinen Material oder ein Körper mit einer Vielzahl von Körnern in dieser Weise geätzt werden kann, wird bevorzugt von einem Einkristall als Elektrodenmaterial ausgegangen.Often times, grinding and machining reveal a cutting plane that makes a small angle with the desired plane. The distances between the atoms in the crystal lattice however, are so small compared to the machining accuracy that an accurate Exposing the desired set of atoms is difficult. In addition, the machine Machining damaged the exposed area so that the surface atoms were somewhat of the desired Arrangement differ. In the following, therefore, a method is given with which the desired Cutting planes can be uncovered with extreme accuracy by using an electrode surface is etched under low electrical voltage. Although also a body made from a polycrystalline Material or a body having a plurality of grains that can be etched in this manner is preferred assumed a single crystal as the electrode material.

Bei dem Verfahren zum Ätzen der Elektrodenoberfläche (Fig. 6) wird zuerst ein Elektrodenkörper 22 derart maschinell bearbeitet, daß die gewünschte Oberfläche mit größtmöglicher Genauigkeit freigelegt wird. Anschließend wird der Elektrodenkörper mit der maschinell bearbeiteten Ebene nach oben auf eine Platte 23 in einem Behälter 24 gelegt, der mit einer alkalischen Lösung 25 gefüllt ist. In dieser ist gegenüber der gewünschten Ebene des Elektrodenkörpers eine Elektrode 26 aus rostfreiem Stahl angeordnet. Eine Spannungsquelle 27 wird zwischen die Elektrode 26 und den Elektrodenkörper 22 geschaltet, wobei die positive Klemme an den Elektrodenkörper 22 gelegt wird. Die Spannungsquelle 27 liefert bei einer geringen Spannung von etwa 1 bis 10 V einen starken Strom, der von der Oberflächengröße der Elektrode abhängt.In the method of etching the electrode surface (Fig. 6), an electrode body is first made 22 machined to expose the desired surface with the greatest possible accuracy will. Then the electrode body is machined with the plane facing up a plate 23 is placed in a container 24 which is filled with an alkaline solution 25. In this is an electrode 26 made of stainless steel is arranged opposite the desired plane of the electrode body. A voltage source 27 is connected between the electrode 26 and the electrode body 22, the positive terminal being placed on the electrode body 22. The voltage source 27 supplies a strong current at a low voltage of about 1 to 10 V, depending on the surface area depends on the electrode.

Die Spannungsquelle 27 wird auf eine Spannung zwischen 2 und 3,5 V eingestellt und bleibt einige Minuten lang eingeschaltet, wodurch der Elektrodenkörper geätzt wird. Eine Ätzdauer von 2 oder 3 Minuten bei einer Spannung von 3 V ist gewöhnlich ausreichend. Die alkalische Lösung besteht z.B. aus Natriumhydroxid mit einer Konzentration von 100 g in 11 Wasser.
Durch den Stromfluß zwischen den Elektroden werden z. B. auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers abgestufte Kristall-Teilflächen in der (HO)-Ebene freigelegt. Diese Teilflächen bedecken fast die gesamte Oberfläche der Wolframelektrode, die der Lösung ausgesetzt ist, und nur sehr kleine Bereiche oder Erhebungen zwischen den aufeinanderfolgenden (HO)-Ebenen weisen eine andere kristallografische Orientierung auf. Die besten Ergebnisse werden mit Spannungen innerhalb von 3,5 V und oberhalb von V erzielt, da bei niedrigeren Spannungen beträchtlich mehr Zeit zur Herstellung der gewünschten Fläche benötigt wird, während bei höheren Spannungen keine Vorteile im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung auftreten.The voltage source 27 is set to a voltage between 2 and 3.5 V and remains switched on for a few minutes, whereby the electrode body is etched. An etching time of 2 or 3 minutes at a voltage of 3 V is usually sufficient. The alkaline solution consists, for example, of sodium hydroxide with a concentration of 100 g in 1 liter of water.
The flow of current between the electrodes z. B. on the surface of the electrode body stepped crystal sub-areas exposed in the (HO) plane. These partial areas cover almost the entire surface of the tungsten electrode that is exposed to the solution, and only very small areas or elevations between the successive (HO) planes have a different crystallographic orientation. The best results are obtained with voltages within 3.5 V and above V, as the lower voltages take considerably more time to create the desired surface, while the higher voltages have no advantages over machining.

Claims

Patent claims:

1. Thermionic converter for converting heat into electrical energy with one off an emitter consisting of a crystalline material whose exposed surface is in some degree Distance a collector is faced, with a heater for the emitter and with one located between the emitter and the collector, which compensates for the space charge Gas, characterized in that the surface of the emitter facing the collector is predominantly that cutting plane crystalline body possessing uniform crystallographic orientation has the greatest areal packing density of the atoms in the crystal lattice.

2. Thermionic converter according to claim 1, characterized in that the emitter consists of a metallic single crystal.

3. Thermionic converter according to claim 1 or 2, characterized in that the collector consists of a crystalline material and that the surface facing the emitter of the collector such a cutting plane of a predominantly uniform crystallographic one Orientation possessing crystalline body, which has a lower areal atomic packing density than the emitter surface facing the collector.

Considered publications:

Book by de B ο er: "Electron emission adsorption phenomena", 1937, pp. 43 to 45;

"Journal for Applied Physics", Vol. 13, 1961, pp. 501 to 508;

"RCA Review", 1958, pp. 244 to 258; "Journal of Applied Physics", 1961, pp. 352 to 358.

1 sheet of drawings