CN108604882A - 振动能的转换 - Google Patents

Abstract

本申请公开用于量子化振动能的转换的方法和设备。本申请公开通过用一个或多个选择的驱动频率来驱动包括排列核的介质，所述介质中的所述排列核被引发在一个或多个振荡频率下一致地振荡。振荡核的机械振动能与振荡介质相互作用。所述振动能与所述振荡介质之间的相互作用实现量子化振动能的上转换或下转换。

Description

振动能的转换

相关申请

本申请要求2014年3月20日提交的第61/955,908号美国临时申请的优先权，该临时申请的内容全部并入本文中。

技术领域

本申请总体涉及振动能的转换，且更确切地说，涉及振动引发的发射源。

背景技术

根据众所周知的波粒二象性理论，物质或能量可呈现波和粒子两者的特性。例如，光束可以生成类似于波的干涉图样，并且同时，可以表现得像携带能量量子的粒子。在著名的光电实验中，当超出一定阈值的频率的光照射在一块金属上时，观察到电子从金属块的表面逸出。光束被当作波的经典电磁理论无法解释只有一定频率的光可导致光电效应的原因。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出的解释将光电效应归于光的粒子特性，他为此获得诺贝尔奖。不同频率的光是不同能量的粒子。只有具有足够能量的粒子可以在电子吸收光粒子时将充足的能量转移给金属中的自由电子，以允许电子克服金属的表面能量位垒并且挣脱。

当一块金属中的电子(或其他传导电荷)吸收来自其他源的能量量子时，预期发生与光电效应类似的效应。被电子吸收的能量量子可使得电子能够上升到高于真空能级(其中出现发射)或刚好低于真空能级(其中电荷转移与空气分子碰撞)。其他能量源可包括振动能。

十多年前，在现在称为Karabut实验的实验中，Karabut在他的大电流密度辉光放电实验中观察到接近1.5keV的准直X射线发射。在随后的研究中，观察到在放电已关闭之后，准直X射线发射突然发生达到一毫秒。这个结果出乎意料并且难以理解。Karabut实验难以理解的一个原因在于，为了获得准直X射线，需要X射线激光源或者在多个偶极子辐射体之中必须存在某一类型的相位相干。

然而，观察到的X射线的能级和观察到准直X射线发射的持续时间段表明，在Karabut实验中观察到的准直X射线的来源并不是因为从低能级到高能级的粒子数反转。也就是说，在Karabut实验中观察到的准直X射线发射不能归因于X射线激光源。

因此，准直X射线辐射的唯一可能性便归因于偶极子辐射体之中的相位相干。然而，关于如何能在Karabut实验中所用的阴极表面的宏观区域上实现相位相干，仍存在问题。逻辑上，发生这种情况的唯一可能方式就是可能存在振动量子的大规模上转换。振动量子是量子化的振动能。然而，Karabut实验中存在的振动量子可能处于或低于微电子伏特，它比准直x射线的较大1.5keV量子小得多。由此得到的结论就是：肯定存在一种机制允许Karabut实验中的振动量子的大规模上转换。在高次谐波产生实验中观察到高达约10,000个量子的上转换，这是通过已知机制(Corkum机制)进行的并且已知在Karabut实验中没有效。因此，某一其他机制必须负责Karabut实验中的振动量子的上转换。这种新机制也许能够进行振动量子的上转换和下转换，从而允许振动模式与核和电子自由度之间进行相干能量交换。

在一个理论模型中，提出Karabut实验中的准直X射线发射归因于基态与激发态之间的核激发。稳定核之中的所有已知激发态的系统搜索导致下列结论：唯一可能的候选核跃迁是在²⁰¹Hg核中，所述核在1.565keV下具有激发态。不同模型表明准直X射线发射可由少量的杂质Hg在阴极表面上产生，水平与地区背景污染水平一致。

在寻找可重现如Karabut实验中观察到的振动量子的上转换效应的不同装置中，调查并且开发出新颖且发明性设备和方法。

发明内容

本申请公开用于通过振动能与振荡介质之间的相互作用将量子化振动能转换成另一形式的能量(量子的上转换)或将另一形式的能量转换成量子化振动能(量子的下转换)的装置和方法。

在一些实施方案中，公开一种用于对量子进行上转换或下转换的设备。所述设备包括驱动器和介质。所述驱动器被配置成产生一个或多个驱动频率的振荡。所述介质包括被配置成在一个或多个振荡频率下振荡的排列核。归因于振荡核的机械振动能与振荡核之间的相互作用，振荡核中的振动量子被上转换或下转换。

在一些实施方案中，振动量子被上转换以使核中产生激发，所述核随后放热衰变，从而导致热生成。在一些实施方案中，振动量子被上转换以使核中产生激发，所述核随后衰变，以产生可以用于不同应用的准直x射线。

在一些实施方案中，振动量子被上转换成电子能。在这些实施方案中，振荡核的机械振动能被转换成传导电荷(例如，电子或空穴)的能量。在一些实施方案中，通电传导电荷中的一个或多个可克服介质的表面能量位垒。在一些实施方案中，通电传导电荷中的一个或多个可用于将电荷转移到与介质的表面接触的原子或分子。

在一些实施方案中，振动量子被下转换。在这些实施方案中，参与振荡的核的核能或电子能被转换成振荡的机械振动能。

在一些实施方案中，驱动器连接到产生选择频率的信号的信号发生器。介质是金属板。信号发生器在驱动器与金属板之间施加驱动电压，从而在驱动器与金属板之间形成静电耦合。当选择频率被设置成金属板的谐振频率的一半时，金属板被引发以谐振频率振动。金属板的量子化振动能可被上转换成金属板中的传导电荷的能量。传导电荷可包括电子和/或空穴。当传导电荷的能量足够高以使得传导电荷能够克服金属板的表面能量位垒时，金属板变成电荷的发射源。

在一些实施方案中，发射的电荷被收集器收集。在一些实施方案中，发射的电荷包括高能电子。高能电子可用作加速化学反应的催化剂。发射的电荷也可用来在荧光材料中产生激发，从而可以应用于显示装置。

附图说明

图1示出被配置成振动引发的发射源的示例性设备。

图2示出被配置成在介质中产生振荡的示例性驱动器。

图3示出被配置成在被驱动器驱动时振动的示例性谐振器组件。

图4示出被配置成用于产生和测量振动引发的发射电荷的示例性设备。

图5A到图5D示出从振动引发的发射源中发射的电荷的测量结果。

图6示出被配置成用于转换振动能的示例性设备。

图7是示出转换振动能的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1示出示例性设备100，该设备被配置成将量子化振动能上转换或下转换成金属板102中的电子的能量。设备100包括驱动器104、金属板102、信号发生器106以及放大器108。信号发生器106经由放大器108连接到驱动器104。金属板102接地。驱动器104和金属板102形成空气电容器。

信号发生器106被配置成产生用于驱动驱动器104的信号。由信号发生器106产生的驱动信号可包括一个或多个频率的信号。在一些实施方案中，Agilent 8648A RF函数发生器用来产生从1到61MHz的无线电信号，并且ENI 603L 3-W线性放大器用作放大器108，以对驱动信号进行放大。在一个实施方案中，由放大器108实现40dB的功率增益。驱动信号在驱动器104与接地金属板102之间施加驱动电压，从而在驱动器与金属板102之间形成静电耦合。由于静电耦合，响应于驱动信号而引发金属板102振动。

在一些实施方案中，当驱动频率被设置到一个或多个选择值时，显示金属板的振动能的量子效应。设备100被配置成将量子化振动能转换成金属板中的电子的能量。在这些实施方案中，使用连接到杆204的厚圆筒202来构建设备100中的驱动器104，如图2所示。在一个实施方案中，圆筒202有0.250英寸厚并且直径为0.750英寸。杆204由实心铜制成，并且直径为0.250英寸而且有4.00英寸长。杆204由四个支腿206支撑，每个支腿有0.125英寸长。

金属板102由铜箔制成，并且采用圆的形状。在一个实施方案中，铜箔的厚度在72与73微米之间，并且铜箔的直径为约1.5英寸。然而，铜箔可制成不同厚度，例如，在10到200微米之间。金属板102可由轧制或退火铜制成。

作为增强，谐振器304可附接到金属板102，如图3所示。在图3中，谐振器组件302包括金属板102和由四个支腿312支撑的谐振器304。谐振器304包括管子306和垫圈308。管子306有两英寸长，其中外径为1.50英寸并且内径为0.85英寸。垫圈308有0.125英寸厚，其中外径和内径匹配管子306的外径和内径。四个等间隔的螺钉310将金属板102固定到垫圈308。

当信号发生器106开启时，通过驱动器104与谐振器组件302之间的静电耦合，响应于驱动信号而引发谐振器组件302振动。谐振器组件302中的机械振动由施加在金属板102上的力驱动。所述力归因于驱动器104与金属板102之间的电场。作为近似，驱动器104和谐振器组件302可被当作具有两个平行板的空气电容器。板之间的电场可被视作垂直于板的表面并且具有统一大小。在板的边缘附近，电场的大小迅速下降。假设驱动器104和谐振器组件302形成均匀的平面电容器，那么施加在谐振器组件302上的力可表示为：

其中A是平面电容器的面积，d是平面电容器的平行板之间的距离，ε是介电常数，并且V是由信号发生器106产生的信号施加到电容器的驱动电压。如可在等式(1)中看出，施加在谐振器组件302上的力与V²成比例。因此，力的频率(或者力的分量的频率)是驱动电压的频率的两倍。应注意，在驱动电压包括DC偏移的实施方案中，力的分量与V乘以DC偏移成比例。在这种情况下，该力分量的频率与驱动电压的频率相同。由于力驱动谐振器板的振动，因此在本文中，力的频率被称为驱动频率。应注意，驱动频率可以是由信号发生器106产生的信号的频率的两倍。谐振器组件302振动的频率被称为谐振器组件302的振荡频率。

当驱动频率匹配谐振器组件302的谐振频率中的一个时，谐振器组件302在谐振模式中的一个下振动。谐振器组件302的谐振模式包括基本压缩模式，其中谐振器组件302沿着谐振器304的纵轴振动。谐振器组件302的谐振模式也包括基本横向模式，其中振动沿着径向方向。谐振模式还包括基本压缩模式和横向模式的组合。

金属板102的振动移动可使用弹性模型近似：

其中u是金属板102上的点(任何点)的位移，ρ是该点处的金属板的密度，λ和μ是弹性常量，并且f是力密度。在等式(2)中，项代表压缩移动，并且项代表金属板102的横向移动。

基本压缩模式的频率可表示为其中n是谐振模式的阶数，并且c是穿过金属板102的机械波的速度。横向模式的频率可表示为其中k_x和k_y分别代表沿着x和y方向(即，两个垂直的径向方向)的波矢量的分量。

当谐振器组件302在谐振模式下振动时，谐振器板的不同部分一致地移动，并且振动能在谐振模式的附近被最大化(即，局部最大)。在一些实施方案中，当信号发生器106被配置成产生频率v的信号(其中v是金属板102的谐振频率的一半)时，金属板102被引发以在具有谐振频率2v的谐振模式下振动。当处于谐振模式时，可显示金属板102的振动能的量子效应，并且振动量子可被转换成金属板102中的传导电荷的电子能。传导电荷的实例包括电子。在一些情况下，当金属板102的振动能被转换成电子的能量时，通电电子中的一个或多个可以克服金属板102的表面能量位垒并且从金属板102中挣脱。应注意，在板102由半导体而非金属制成的一些实施方案中，传导电荷可以是空穴。在这些实施方案中，促进或激发空穴中的一个或多个可将电荷转移到与介质的表面接触的原子或分子。

为了收集由金属板102发射的电子，收集器402可放在谐振器组件302附近，如图4所示。收集器402连接到静电计406，所述静电计测量由金属板102发射的电子流的强度。偏压404施加在谐振器组件302与收集器402之间，以测量所发射的电子的能量。在一些实施方案中，由金属板102发射的传导电荷不必是负电荷。例如，当板102由p型半导体而非金属制成时，板102可激发空穴，从而可以导致正电荷转移到空气中与板102接触的分子。偏压404可用来测量所发射的电荷的极性。图5A到图5D示出在不同条件下由静电计406测量到的结果。

图5A示出随驱动频率f(MHz)变化的由静电计406登记的负电流-I(amps)。驱动电压是3Vrms。在图5A中，最强的发射出现在15.1MHz，对应于谐振器组件302的二阶横向模式。三个其他较弱或适度发射线也记录在17.4MHz、22.5MHz和24MHz处。17.4MHz的驱动频率对应于一阶压缩模式。22.5MHz和24MHz的驱动频率对应于三阶横向模式，其中后一频率因空间调制或定位而移位。

图5B示出15.1MHz附近的发射线的高分辨率示意图。三个不同的曲线A、B和C代表在三个不同驱动电压下获得的结果。曲线A代表当驱动电压被设置为1V rms时由静电计406测量到的电流。曲线B代表当驱动电压被设置为2V rms时的测量电流，并且曲线C代表当驱动电压被设置为3V rms时的测量电流。可以从图5B中看出，由静电计406测量的电流是驱动电压的强函数。当驱动电压从1V rms增加到3V rms时，测量的电流增加3500倍。此外，在图5B中，只在曲线C上当驱动电压最高时出现17.4MHz附近的发射线。

图5C示出由静电计406测量到的电流与驱动电压之间的关系。如图5C所示，当驱动电压增加时，电流上升。图5C的曲线中的三段代表对应于静电计406中的不同范围设置的三个数据集。在0.05V与1.5V的驱动电压之间，电流与驱动电压的平方成比例。当驱动电压高于1.5V时，电流更迅速地增加。在曲线的最后一段，由于电荷在静电计406处累积，因此电流增加的速率减小。在图5C中，处于高驱动电压(>1.5V rms)时，电流可高达10^-3A。在一些实施方案中，电流可达到30mA。

图5D示出两组数据，表明随驱动电压的频率变化的由静电计406测量到的电流。图5D中描绘的两组数据代表金属板102与收集器402之间的不同偏压。一组数据代表偏压404设置在+5V，并且一组代表偏压404设置在-5V。两组数据之间只有很小的差异，从而表明在金属板102与收集器402之间的空气中出现大量的电荷密度。应注意，在图5D中设置的驱动器104与谐振器组件302之间的距离与图5A到图5C中不同。因此，图5D中的峰值频率和电流大小不可直接与图5A到图5C中示出的那些比较。在图5D中，最强的发射出现在靠近36MHz处，对应于谐振器组件302的二阶压缩模式。

在上述实施方案中，金属板102的振动能被转换成金属板102中的传导电荷的电子能。在一些实施方案中，金属板102的振动能可被转换成核能。在一个实施方案中，谐振器组件302中的金属板102被涂覆汞(Hg)，以促进振动能转换成核能。已知²⁰¹Hg核具有高于稳定基态(即，最低能量核跃迁)1.5648keV的激发核态。通过振动能与振荡汞核之间的相互作用，振动量子被转换成²⁰¹Hg核的核能。²⁰¹Hg核被送到激发核态。被激发的²⁰¹Hg核通过离开激发态而经历核衰变，它具有81ns的半衰期(如果只发生辐射衰变，则有4ms的半衰期)。

为了制备汞涂覆的金属板102，第一布置是将汞电镀在金属板102的表面上，例如，铜箔。汞离子容易扩散到铜箔中，从而形成汞齐。所述箔随后使用饱和Hg₂SO₄/H₂O溶液通过氧化-还原过程进行处理。通过将过量的Hg₂SO₄混合在H₂O中并且搅拌一夜来制备所述Hg₂SO₄/H₂O溶液。使用丙酮和去离子水来清洗镀汞铜箔，且随后将它浸入稀释的H₂SO₄溶液中(pH值小于1)约一分钟，以去除氧化物。随后再次用去离子水冲洗铜箔。当铜箔的两面都涂覆汞时，将铜箔浸入饱和H₂SO₄溶液中约一分钟，并且然后用去离子水冲洗。如果铜箔只有一面涂覆汞，那么将铜箔放在玻璃表面上放平，并且使用浸泡了饱和H₂SO₄溶液的棉签将铜箔的顶部表面弄湿。在约两分钟之后，铜箔的表面将呈现淡白或银色。随后用去离子水冲洗铜箔并且干燥。上述氧化-还原反应可表示为：

Hg²⁺+Cu＝Hg+Cu²⁺。

在一些实施方案中，汞涂覆的铜箔用作谐振器组件302中的金属板102。当谐振器组件302连接到类似于图4所示那样设置的系统中的驱动器102时，X射线发射被X射线检测器记录。信号发生器106被配置成产生具有驱动频率14.7MHz的信号。驱动电压被设置在90与100V rms之间。X射线光谱仪用作检测器，以检测振动的汞涂覆的金属板进行的X射线发射。

归因于高驱动频率，机械振动的水平可超出空气的击穿强度。为了防止空气击穿，驱动器104被涂覆一层聚偏二氟乙烯(PVDF)。当驱动器104被涂覆PVDF时，驱动器104可被设置成与金属板102接触，在这种情况下，谐振器组件302的横向模式的谐振频率可更低。例如，在图5A所示的上述电子发射结果中，如果替代地使用PVDF涂覆的驱动器，那么15.1MHz附近的发射可移位到14.7MHz。

在一些实施方案中，具有1.34keV与1.6keV之间的能量的X射线发射被X射线检测器记录。在一个实施方案中，驱动器104被配置有圆边，并且驱动频率被设置到14.7MHz，其中驱动电压为90V rms。X射线发射在1.34keV附近被记录。在一个实施方案中，驱动器104被成形为具有锐边，并且驱动频率被设置到14.7MHz，其中驱动电压为100V rms。X射线发射在1.6keV附近被记录。在这些实施方案中，当PFDV涂覆的驱动102与谐振器组件302接触时，驱动器104与谐振器组件302之间的距离从40微米变化到0微米。

观察到的X射线发射是因为被激发的²⁰¹Hg核的核衰变。当被送到激发状态时由²⁰¹Hg核获得的核能得自振动的谐振器板320的量子化振动能。通过金属板的振动能与²⁰¹Hg核之间的相互作用，振动量子被上转换成核能。

在上述实施方案中，振动量子被上转换成核能或电子能。振动量子也可以被下转换。图6示出被配置成上转换或下转换振动量子的示例性设备600。设备600包括驱动器602和介质604。驱动器602被配置成产生一个或多个驱动频率的振荡。介质604包括排列核。排列核被配置成当介质被驱动器通过耦合机制驱动时在一个或多个振荡频率下振荡。驱动器与介质之间的耦合机制包括，但不限于：机械力、电磁场、光频声子、声波等。振荡核的机械振动能被量子化，并且归因于振荡核的机械振动能与振荡核之间的相互作用，振荡核中的振动量子被下转换或上转换。

图7示出将振动量子下转换或上转换的示例性方法。示例性方法包括使用驱动器产生振荡(步骤702)，以及驱动包括排列核的介质在一个或多个振荡频率下振荡(步骤704)。通过振荡核的机械振动能与振荡核之间的相互作用，将振动量子上转换或下转换(步骤706)。

当然，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可采用除了本文中明确列出的那些之外的其他方式实施。本实施方案的所有方面都应被视作说明性的而非限制，并且意图涵盖所附权利要求书的意义和等效范围内的所有改变。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：

驱动器，所述驱动器用于产生振荡；以及

介质，所述介质包括排列核，所述排列核被配置成当所述介质被所述驱动器驱动时在一个或多个振荡频率下振荡，其中归因于振荡核的振动能与所述振荡核之间的相互作用，振动量子被下转换或上转换。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述振荡核包括可以被激发到一个或多个非稳态上的稳定核，并且其中当所述振动量子被上转换时，所述振动能将所述稳定核激发到所述一个或多个非稳态，由此被激发的核经历核衰变。

3.根据权利要求1所述的设备，其中当所述振动量子被上转换时，所述振动能被转换以增加所述介质中的传导电荷的能量，并且其中所述传导电荷中的一个或多个克服所述介质的表面能量位垒或者可用于将电荷转移到与所述介质的表面接触的原子或分子。

4.根据权利要求1所述的设备，其中当所述振动量子被下转换时，核能或电子能被转换成所述振荡核的振动能。

5.根据权利要求1所述的设备，其中由所述驱动器产生的所述振荡具有100KHz与50THz之间的一个或多个驱动频率。

6.根据权利要求4所述的设备，其中所述介质包括金属板，并且所述驱动器经由放大器连接到信号发生器，所述信号发生器产生选择频率的信号；

其中所述信号发生器经由所述放大器在所述驱动器与所述金属板之间施加驱动电压，所述驱动电压在所述驱动器与所述金属板之间形成静电耦合；以及

其中所述金属板被所述静电耦合引发振动，并且其中振动的金属板被配置成发射克服所述金属板的所述表面能量位垒的所述传导电荷。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述选择频率被设置成所述金属板的谐振频率的一半，并且其中所述金属板的所述谐振频率与所述金属板的压缩或横向振动模式相关联。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述金属板进一步附接到谐振器，以便布置让大量的核一致地振荡。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所述金属板连接到收集器，所述收集器收集由所述振动的金属板发射的所述电荷。

10.根据权利要求6所述的设备，其中所述金属板由从铜、铝、镍、钛、钯、钽和钨的组中选择的金属制成。

11.根据权利要求6所述的设备，其中所述驱动器连接到铜电极用于支撑，其中所述驱动器的长度在0.20到0.30英寸之间，并且所述驱动器的直径在0.7到0.8英寸之间，所述金属板的厚度在70到80微米之间，而且所述驱动器与所述金属板之间的距离在10到100微米之间。

12.根据权利要求8所述的设备，其中所述驱动器被涂覆聚偏二氟乙烯(PVDF)以防止空气击穿，并且其中所述驱动器与所述金属板之间的所述距离为约20微米。

13.一种转换振动量子的方法，其包括：

使用驱动器产生振荡；

驱动包括排列核的介质在一个或多个振荡频率下振荡；以及

归因于振荡核的振动能与所述振荡核之间的相互作用，将振动量子下转换或上转换。

14.根据权利要求13所述的方法，其中由所述驱动器产生的所述振荡具有100KHz与50THz之间的一个或多个驱动频率。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述排列核包括可以被激发到一个或多个非稳态上的稳定核，并且其中所述振动量子的所述上转换包括将所述稳定核激发到所述一个或多个非稳态上，由此被激发的核经历核衰变。

16.根据权利要求13所述的方法，其中在将所述振动量子上转换时，所述振动能被转换以增加所述介质中的传导电荷的能量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述介质是金属板并且所述一个或多个振荡频率中的一个是所述金属板的谐振频率，而且其中振动的金属板中的所述振动量子被上转换成所述金属板中的传导电荷的能量，并且所述振动的金属板被配置成发射所述传导电荷中的一个或多个，所述传导电荷包括电子或分子离子。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括使用收集器收集传导电荷中的所述一个或多个，其中所述传导电荷包括电子或分子离子。

19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将收集的电荷引导到发生化学反应的约束区，以加速所述化学反应。

20.一种显示装置，其包括：

涂覆有荧光材料的显示屏；

介质；以及

驱动器，其中所述驱动器连接到信号发生器，所述信号发生器产生一个或多个频率的信号，并且其中所述信号发生器在所述驱动器与所述介质之间施加驱动电压，所述驱动电压在所述驱动器与所述介质之间形成静电耦合；

其中所述介质被所述静电耦合引发振动，并且振动的介质被配置成发射多个电荷，从而在所述荧光材料中产生激发。