1 引言
熱離子空間核電源是將核反應爐裂變產生的熱能通過熱離子能量轉換器直接轉變為電能的裝置，與傳統的航天器電源，例如，化學電源、太陽電池陣-蓄電池組聯合電源、同位素電源相比，以其尺寸小、重量輕、比功率大、無轉動部件、受外界環境影響小、散熱系統簡單、壽命長等特點而成為深空探測、空間武器等領域的新一代空間電源，受到美國、前蘇聯等空間技術較為已開發國家的推崇，具有廣闊的應用前景。
熱離子能量轉換器是熱離子核電源中的核心部分之一。在熱離子能量轉換器中，由於逸出發射極表面的電子能量很小，只有當發射極與接收極之間的距離很小時，大部分電子才能被接收。否則，電子將在發射極表面附近聚集，形成空間電荷，這些空間電荷會阻止發射極發射的電子到達接收極。因此，為了消除空間電荷效應，一般在發射極與接收極之間充銫蒸氣。熱離子能量轉換器在高溫執行狀態下，氧氣和其他汙染物（水蒸氣和氧化銫）很容易在除氣期間和轉換器執行期間進入電極間隙間，增加電極間隙間氧的分壓力，所以，熱離子能量轉換器的電極空間一般都會有微量氧存在。銫、氧及銫的氧化物對熱離子能量轉換器的效能會產生影響，本文將分析這些影響規律。
2 銫對熱離子核電源效能影響
銫的電離電位為3.88eV，是所有材料中最小的，所以銫原子很容易電離形成銫離子，當電極間有足夠的銫離子時，就會形成一個電中性的電漿體，從而使熱離子能量轉換器的熱電轉換效率大大提高。
電極空間的銫離子是由表面熱電離和體積熱電離產生的。當中性銫離子轟擊高溫金屬表面時，原子失去電子成為離子，稱為表面熱電離。
則金屬的表面熱電離能力越強，產生的銫正離子數目愈多。但表面熱電離產生的銫離子很少，不足以中和空間電荷而形成電漿體，銫離子主要靠體積電離產生，體積電離又分為電子碰撞電離和累積電離。其中，電子碰撞電離產生的銫離子數量很少，約佔銫離子總量的1%；累積電離是熱離子能量轉換器電極空間銫離子的主要來源。
金屬表面吸附銫或氧後的功函稱為有效功函，電極間隙間充銫蒸氣不但能夠能在電極之間形成電漿體，而且還能降低電極的有效功函式，提高電子的發射能力。對一般金屬，晶面原子排列越密，電子越難逸出，功函式越大，吸附銫蒸氣後，有效功函式越小，金屬發無線電子的能力越強。Rasor 和Warner 籠統的將發射極的有效功函表述為發射極溫度與銫池溫度比值（ E T / R T ）的單一函式。Wilson 進行了包括鉬、鎢、鈮等在內的各種發射極材料有效功函比較詳細的試驗測量和分析，結果表明，鎢和鈮發射極的有效功函是E T / R T 的單一函式，而對於鉬發射極熱離子能量轉換器，其發射極的有效功函不僅是E T / R T 的函式，也是發射極溫度的函式。
發射極與接收極有效功函式的差值越大，熱離子能量轉換器的輸出電壓越大。而金屬材料的功函式越大，吸附銫蒸氣後有效功函式越小，所以只從提高熱離子能量轉換器輸出電壓的角度考慮，應該選取功函式較小的材料作為發射極，功函式較大的材料作為接收極，同時要求發射極的工作溫度高、接收極的工作溫度低。但由於空間核反應爐的廢熱靠熱輻射向空間排放，如果接收極溫度過低，熱輻射器的面積和質量必然增大，這是空間核動力裝置所不希望的。
儘管電極空間充銫蒸氣能帶來如上諸多好處，但是電極間的銫蒸氣壓力過高卻是有害的。對一定的發射極和接收極材料、一定的溫度、一定的電極間距，存在最佳的銫蒸氣壓。
Tskhakaya 在相同工況下（相同的電極材料、相同的執行溫度、相同的銫蒸氣壓力等）進行的光滑氧化鋯接收極和帶有方形溝槽的鉬發射極轉換器與光滑鉬發射極和光滑氧化鋯接收極轉換器的效能對比試驗中，證明了電流密度隨著銫池溫度的升高而升高，升到某一值後，便隨著銫池溫度的升高而降低，即存在最佳的銫蒸氣壓。如果銫壓低於最優銫壓，那麼電極間的銫離子將不足以中和空間電荷，發射極有效功函和電子的發射能力也將隨之降低，因而偏離最優銫壓越多，電流密度越小；相反，如果銫壓高於最優銫壓，那麼，發射極發射的電子將會與銫蒸氣原子相碰撞，導致一部分電子返回到發射極表面，使得這部分電子不能作功，因而隨著銫壓偏離最優銫壓越多，電流密度也就越小。碩士畢業論文