EA011967B1 - Термоэлектронный электрический преобразователь - Google Patents

Abstract

Термоэлектронный электрический преобразователь включает в себя лазер (374) увеличения выхода катода, работающий с возможностью направления лазерного луча (376) для соударения с поверхностью эмиссии катодного эмиттера (321), для повышения выхода электронов катодного эмиттера (321). Лазер (374) увеличения выхода катода размещен, чтобы направлять лазерный луч (375) через отверстие (370) в аноде (306) или структуре мишени в направлении катодного эмиттера (321). Кольцо (380) отталкивания электронов предусмотрено на краю отверстия (370) в аноде (306) для уменьшения числа электронов, не попадающих на анод (306) и проходящих через отверстие (370) в аноде (306).

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к области преобразования тепловой энергии непосредственно в электроэнергию. Более конкретно, предусмотрен термоэлектронный электрический преобразователь.

Уровень техники

Ранее были известны термоэлектронные преобразователи, такие как показанные в патентах США №№ 3519854, 3328611, 4303845, 4323808, 5459367, 5780954 и 5942834 (все принадлежат автору настоящего изобретения и включены в данное описание в качестве ссылки), которые раскрывают различные устройства и способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. В патенте США № 3519854 описан преобразователь, использующий методики эффекта Холла в качестве средства съема выходного тока. Патент '854 описывает использование потока электронов, истекающих с поверхности эмиссионного катода как с источника электронов. Электроны ускоряются в направлении анода, размещенного за измерительным преобразователем эффекта Холла. Анодом согласно патенту '854 является простая металлическая пластина, которая имеет элемент с большим статическим зарядом, вращающий пластину и изолированный от нее.

Патент США № 3328611 раскрывает сферически сконфигурированный термоэлектронный преобразователь, в котором сферический эмиссионный катод снабжается теплом, тем самым, испуская электроны на концентрически размещенный сферический анод под воздействием управляющего элемента, при этом сферический анод имеет высокий положительный потенциал и изолирован от управляющего элемента. Как и в патенте '854, анод согласно патенту '611 - это просто металлическая поверхность.

Патент США № 4303845 раскрывает термоэлектронный преобразователь, в котором поток электронов от катода проходит через индукционную катушку с воздушным сердечником, размещенную в поперечном магнитном поле, тем самым, генерируя электромагнитное поле в индукционной катушке посредством взаимодействия потока электронов с поперечным магнитным полем. Анод согласно патенту '845 также содержит металлическую пластину, которая имеет элемент с большим статическим зарядом, вращающий пластину и изолированный от нее.

Патент США № 4323808 раскрывает возбуждаемый лазером термоэлектронный преобразователь, который очень похож на термоэлектронный преобразователь согласно патенту '845. Основное отличие заключается в том, что патент '808 раскрывает использование лазера, который применяется к решетке, на которой собираются электроны в то же время, когда удаляется потенциал решетки, тем самым, создавая шарики электронов, которые ускоряются в направлении анода посредством индукционной катушки с воздушным сердечником, размещенной в поперечном магнитном поле. Анод согласно патенту '808 такой же, что и раскрытый в патенте '845, т.е. простая металлическая пластина, которая имеет элемент с большим статическим зарядом, вращающий пластину и изолированный от нее.

Патент США № 5459367 преимущественно использует усовершенствованный коллекторный элемент с анодом, имеющим оптоволоконную медную вату и гель пентагидрата сульфата меди вместо металлической пластины. Дополнительно, коллекторный элемент имеет сильно заряженный (т.е. статическим электричеством) элемент, окружающий анод и изолированный от него.

Патентные документы США №№ 5780954 и 5942834 направлены на предоставление катода, который сконструирован как проводная решетка, катод которой имеет неплоскую форму, чтобы увеличить площадь поверхности эмиссии. Эти патенты также раскрывают методику использования лазера, чтобы соударять поток электронов до того, как они достигают анода, в качестве меры по предоставлению квантовой интерференции таким образом, чтобы электронные схемы могли легче захватываться анодом.

Еще одно известное из уровня техники устройство имеет анод и катод, которые расположены относительно близко друг к другу, например в 2 мкм друг от друга, в вакуумной камере. Это известное устройство не использует силу притяжения, чтобы притягивать электроны, испускаемые с катода, к аноду, в отличие от индукции цезия в камеру, где содержится анод и катод. Цезий покрывает анод положительным зарядом, чтобы поддерживать поток электронов. При расположении катода и анода так близко трудно поддерживать температуры с большой разностью. Например, обычно используются катод при 1800 К, а анод при 800 К. Источник тепла предусмотрен, чтобы нагревать катод, а система циркуляции охлаждающей жидкости предусмотрена в аноде, чтобы поддерживать его требуемую температуру. Даже несмотря на то, что камера хранится в вакууме (в отличие от источника цезия), тепло от катода приходит в анод, и требуется значительное количество энергии, чтобы поддерживать высокую температуру разностной между близко расположенными катодом и анодом. Это, в свою очередь, существенно снижает эффективность системы.

Еще одно известное из уровня техники устройство (ОВ патентная заявка 2074369А) имеет разнесенные на расстояние друг от друга анод и тонкий металлический катод, которые расположены в вакуумной камере, содержащей пары цезия, а также лазер для формирования интенсивного лазерного луча с обеспечением попадания на первую сторону тонкого металлического катода с возможностью нагревания второй стороны указанного катода через промежуток времени, при этом обеспечивается токопроводящая дорожка электронов между анодом и катодом.

Цели и сущность изобретения

Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного пре

- 1 011967 образователя, имеющего улучшенные и/или усовершенствованные признаки по сравнению с ранее созданными или разработанными.

Дополнительная главная цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного электрического преобразователя с повышенной эффективностью преобразования.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении улучшенного катода для термоэлектронного электрического преобразователя, имеющего увеличенный выход катода.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного электрического преобразователя, в котором катод бомбардируется лазером, для повышения эмиссионной способности катода.

Дополнительная цель изобретения заключается в обеспечении анода или мишени, предназначенных, чтобы захватывать электроны, испускаемые из катода, при этом также содержащих лазерный катодный усилитель.

Вышеуказанные и другие цели настоящего изобретения, которые станут очевидными по мере описания, реализованы посредством термоэлектронного электрического преобразователя, имеющего корпусный элемент, катод внутри корпусного элемента, работающий при нагревании, чтобы функционировать в качестве источника электронов, и анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, испускаемые из катода. Катодом может быть проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены перпендикулярно друг к другу. Заряженное первое фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между катодом и анодом и работает, чтобы направлять электроны, испускаемые катодом, через первое фокусирующее кольцо по пути к аноду. Заряженное второе фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между первым фокусирующим кольцом и анодом и работает, чтобы направлять электроны, испускаемые катодом, через второе фокусирующее кольцо по пути к аноду. Могут быть необходимы дополнительные фокусирующие кольца. Катод предпочтительно отстоит от анода на расстояние от примерно 4 мкм до примерно 5 см. Более предпочтительно катод отстоит от анода на расстояние от 1 до 3 см. Лазер, работающий, чтобы соударять электроны (т.е. применять лазерный луч к электронам), размещен между катодом и анодом. Лазер соударяет электроны сразу перед тем, как они достигают анода. Лазер работает с возможностью обеспечения квантовой интерференции с электронами, так чтобы электроны легче захватывались анодом.

Катод может быть либо выполнен из твердого материала, либо сформирован из проводной решетки. При использовании конструкции проводной решетки проводная решетка предпочтительно включает в себя по меньшей мере четыре слоя проводов. Дополнительно, каждый из слоев проводов имеет провода, идущие в различных направлениях относительно каждого из остальных слоев проводов, таким образом, проводная решетка катода включает в себя провода, идущие по меньшей мере в четырех различных направлениях. Эта конфигурация служит для того, чтобы значительно увеличить поверхность эмиссии катода.

Настоящее изобретение может быть альтернативно описано как термоэлектронный электрический преобразователь, имеющий корпусный элемент, катод внутри корпусного элемента, работающий, когда нагревается, чтобы функционировать в качестве источника электронов, анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, излучаемые из катода; и лазер, работающий, чтобы соударять электроны между катодом и анодом. Лазер, таким образом, обеспечивает квантовую интерференцию с электронами, так чтобы электроны легче захватывались анодом. Лазер работает, чтобы соударять электроны сразу перед тем, как они достигают анода. Лазер работает, чтобы соударять электроны не более чем в 2 мкм до того, как они достигают анода. Катод - это проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены перпендикулярно друг к другу. Катод отстоит от анода на расстояние от примерно 4 мкм до примерно 5 см.

Настоящее изобретение может быть альтернативно описано как термоэлектронный электрический преобразователь, имеющий корпусный элемент, катод внутри корпусного элемента, работающий, когда нагревается, чтобы функционировать в качестве источника электронов, и анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, испускаемые из катода, который продолжается, как правило, вдоль направления движения, задающего направление от катода к аноду. Катод имеет плоскую область поперечного сечения, перпендикулярную по отношению к направлению движения, катод имеет область поверхности эмиссии электронов для эмиссии электронов в направлении анода, и область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере на 30% больше, чем плоская область поперечного сечения. Катод - это проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены поперечно друг к другу. Альтернативно или помимо этого, катод изгибается по меньшей мере в одном направлении, перпендикулярном направлению движения. Лазер размещен таким образом, чтобы функционировать для соударения электронов между катодом и анодом сразу перед тем, как они достигают анода. Предпочтительно область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере вдвое больше плоской области поперечного сечения. Более предпочтительно область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере вдвое больше плоской области поперечного сечения. Чем меньше диметр провода, тем больше поверхность эмиссии. Это является экспоненциальным отношением.

Настоящее изобретение также включает в себя использование лазера, размещенного, чтобы излучение попадало на катод при растеризации или пошаговом проходе вдоль поверхности эмиссии катода, с

- 2 011967 целью увеличения выхода электронов, испускаемых из катода. Лазер может быть расположен за анодом или мишенью и направлен на катод, и лазерный луч может испускаться через отверстие в мишени, чтобы падать на катод. Мишень или анод специально сконфигурированы чтобы иметь отверстие, проходящее предпочтительно через свой центр, и предусмотрены чтобы обеспечивать работу лазера.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описывается подробно со ссылкой на следующие чертежи, на которых одинаковые позиции означают одинаковые элементы, из которых фиг. 1 - это схематичное представление термоэлектронного электрического преобразователя из предшествующего уровня техники;

фиг. 2 - это схематичное представление возбуждаемого лазером термоэлектронного электрического преобразователя из предшествующего уровня техники;

фиг. 3 - это вид сбоку с деталями в поперечном сечении и схематичное представление термоэлектронного электрического преобразователя согласно настоящему изобретению;

фиг. 4 - это вид сверху структуры проводной решетки, используемой для катода;

фиг. 5 - это вид сбоку части структуры проводной решетки;

фиг. 6 - это вид сбоку части альтернативной структуры проводной решетки;

фиг. 7 - это схематичное представление сбоку, иллюстрирующее совокупность слоев в структуре проводной решетки;

фиг. 8 - это упрощенный вид сбоку альтернативной структуры катода;

фиг. 9 - это вид сбоку с деталями в поперечном сечении и схематичное представление термоэлектронного преобразователя согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 10 - это практически схематичный вид спереди подсистемы мишени, используемой в варианте осуществления согласно фиг. 9;

фиг. 11 - это практически схематичный вид сбоку подсистемы мишени согласно фиг. 10.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Фиг. 1 и 2 показывают термоэлектронные электрические преобразователи из предшествующего уровня техники, показанные и описанные в патентах США №№ 4303845 и 4323808, соответственно, оба принадлежащих Эдвину Д. Дэвису (ΈΦνίπ Ό. Ωανίδ). автору настоящего изобретения, описания которых полностью включены в настоящую заявку в качестве ссылки. Хотя работа обоих термоэлектронных преобразователей описана подробно в прилагаемых патентах, общий обзор принципов работы представлен в данном документе со ссылкой на фиг. 1 и 2. Это может обеспечить предпосылки, полезные для понимания настоящего изобретения.

Фиг. 1 показывает базовый термоэлектронный электрический преобразователь. Фиг. 2 показывает возбуждаемый лазером термоэлектронный преобразователь. Работа обоих преобразователей очень похожа.

Со ссылкой на чертежи показан базовый термоэлектронный электрический преобразователь 10. Преобразователь 10 имеет протяженный внешний корпус 12 цилиндрической формы, оснащенный парой торцевых стенок 14 и 16, тем самым, формируя закрытую камеру 18. Корпус 12 составлен из совокупности известных прочных непроводящих материалов, таких как, например, высокотемпературный пластик или керамика, тогда как торцевые стенки 14, 16 - это металлические пластины, к которым могут быть применимы электрические подключения. Элементы механически соединены друг с другом и герметично закрыты таким образом, чтобы камера 18 могла поддерживать вакуум и умеренно высокий электрический потенциал мог быть применен и поддерживался вдоль торцевых стенок 14 и 16.

Первая торцевая стенка 14 содержит фасонную катодную область 20, имеющую эмиссионное покрытие для эмиссии электронов, нанесенное на его внутреннюю поверхность, тогда как вторая торцевая стенка 16 сформирована как круглая, немного выпуклая поверхность, которая сначала монтируется в изолирующее кольцо 21, чтобы сформировать сборку, и все из них затем сопрягаются с корпусом 12. При использовании торцевые стенки 14 и 16 функционируют, соответственно, как катодный вывод и собирающая пластина преобразователя 10. Между этими двумя стенами поток 22 электронов будет протекать, практически, вдоль оси симметрии цилиндрической камеры 18, начинающейся в катодной области 20 и заканчивающейся в собирающей пластине 16.

Кольцевидный фокусировочный элемент 24 концентрически размещен внутри камеры 18 в положении, соседнем с катодом 20. Дефлекторный элемент 26 концентрически размещен внутри камеры 18 в положении, соседнем с собирающей пластиной 16.

Между этими двумя элементами размещен индукционный блок 28, состоящий из винтовой индукционной катушки 30 и протяженного кольцевого магнита 32. Катушка 30 и магнит 32 концентрически размещены и занимают центральную область камеры 18. Ссылаясь кратко на схематичное представление фиг. 2, можно видеть относительное радиальное размещение различных элементов и блоков. Для ясности представления средство механического удержания указанных элементов и блоков, размещенных внутри, не включено ни в один из чертежей. Фокусировочный элемент 24 электрически подсоединен посредством соединительного провода 34 и герметично закрытого средства 36 подачи к внешнему источнику статического потенциала (не показан). Индукционная катушка 30 аналогично подсоединена посредством

- 3 011967 пары соединительных проводов 38 и 40 и пары средств 42 и 44 подачи к элементу внешней нагрузки, показанному просто как резистор 46.

Потенциалы, применяемые к различным элементам, не показаны в явном виде и не описываются подробно, поскольку они составляют хорошо известное и традиционное средство реализации связанных устройств потока электронов. Вкратце, рассматривая (традиционно) катодную область 20 в качестве уровня опорного напряжения, высокий положительный статический заряд применяется к собирающей пластине 16, и внешняя схема, содержащая этот источник напряжения, завершается посредством подключения ее отрицательной стороны к катоду 20. Этот примененный высокий положительный статический заряд вызывает ускорение потока 22 электронов, который исходит из катодной области 20, в направлении собирающей пластины 16 с амплитудой, непосредственно зависящей от амплитуды примененного высокого статического заряда. Электроны падают на собирающую пластину 16 со скоростью, достаточной, чтобы вызвать определенную величину эффекта рикошета. Дефлекторный элемент 26 сконфигурирован и размещен, чтобы не допустить достижения этими рикошетными электронами основной секции преобразователя, и электрические подключения (не показаны) применяются к ним при необходимости. Отрицательное напряжение от низкого до среднего уровня применяется к фокусировочному элементу 24 для фокусировки потока 22 электронов в узком пучке. При работе источник 48 тепла (который может быть получен из различных источников, таких как горение ископаемого топлива, устройств на солнечной энергии, атомных устройств, обменников атомных отходов и теплообменников от существующих атомных операций) используется для нагревания эмиссионного покрытия для эмиссии электронов на катоде 20, тем самым, выпаривая множество электронов. Высвобождаемые электроны фокусируются в узком пучке посредством фокусировочного элемента 24 и ускоряются в направлении собирающей пластины 16. При проходе через индукционный блок 28 электроны попадают под действие магнитного поля, генерируемого магнитом 32, и выполняют интерактивное движение, которое вызывает ЭДС, индуцированную в витках индукционной катушки 30. Фактически, эта индуцированная ЭДС является суммой большого числа отдельных электронов, осуществляющих небольшие кольцевые токовые контуры, тем самым, создавая, соответственно, большое число малых ЭДС в каждой намотке катушки 30. Рассматриваемое в целом, выходное напряжение преобразователя является пропорциональным скорости перемещаемых электронов, а выходной ток зависит от размера и температуры источника электронов. Механизм индуцированной ЭДС может быть объяснен в терминах силы Лоренца, действующей на электрон, имеющий начальную линейную скорость, когда он входит в практически однородное магнитное поле, размещенное ортогонально скорости электронов. В соответствующим образом сконфигурированном устройстве получается траектория электронов по спирали (не показана), что вырабатывает требуемую чистую скорость изменения магнитного потока, как требуется по закону Фарадея, чтобы сгенерировать индуцированную ЭДС.

Траектория электронов по спирали получается из комбинации траектории линейного перемещения (продольного) вследствие силы ускорения собирающей пластины 16 и круговой траектории (поперечной) вследствие взаимодействия начальной скорости электронов и поперечного магнитного поля магнита 32. В зависимости от относительной амплитуды высокого напряжения, применяемого к собирающей пластине 16, и интенсивности и направления магнитного поля, генерируемого магнитом 32, могут быть возможны другие механизмы генерирования напряжения непосредственно в индукционной катушке 30. Вышеуказанный механизм предлагается только как иллюстративный и не рассматривается в качестве единственного доступного режима работы. Тем не менее, все механизмы должны получаться из различных комбинаций применимых принципов Лоренца и Фарадея.

Основное различие между базовым преобразователем, показанным в патенте США № 4303845, и возбуждаемым лазером преобразователем, показанным в патенте США № 4323808, заключается в том, что возбуждаемый лазером преобразователь собирает электроны, испускаемые с поверхности катода на решетке 176, имеющей небольшой отрицательный потенциал, прикладываемый к ней источником 178 отрицательного потенциала посредством соединительного провода 180, который улавливает поток электронов и множество электронов. Электрический потенциал, накладываемый на решетку, удаляется, при этом решетка одновременно подвергается разряду лазерных импульсов из лазерного блока 170, 173, 174, 20, вызывая высвобождение шарика электронов 22. Шарик 22 электронов затем электрически фокусируется и направляется через внутреннюю часть индукционных катушек с воздушным сердечником, размещенных в поперечном магнитном поле, тем самым, генерируя ЭДС в катушке индуктивности, которая применяется к внешней схеме, чтобы выполнять работу, как описано выше относительно базового термоэлектронного преобразователя.

Как описано в предыдущем патенте США № 5459367 настоящего изобретателя, существует множество сопутствующих недостатков, обычно ассоциативно связанных с наличием собирающего элемента, состоящего просто из проводящей металлической пластины. Поэтому собирающий элемент этой структуры включает в себя проводящий слой геля пентагидрата сульфата меди, пропитанного оптоволоконной медной ватой. Настоящее изобретение может использовать такой анод. Тем не менее, настоящее изобретение также может использовать анод из проводящей металлической пластины, поскольку другие аспекты настоящего изобретения минимизируют или устраняют некоторые из недостатков, которые, в про

- 4 011967 тивном случае, может вызывать такая пластина анода. В основном, поэтому особенности анода не являются центральными для предпочтительной структуры настоящего изобретения.

Ссылаясь теперь на фиг. 3, термоэлектронный электрический преобразователь 200 согласно настоящему изобретению включает в себя корпусный элемент 202, в котором известным способом должен поддерживаться вакуум посредством вакуумного устройства (не показано). Корпусный элемент 202 является предпочтительно цилиндрическим вокруг центральной оси 202А, которая служит в качестве оси симметрии корпусного элемента 202 и его компонентов, если не указано иное.

Коллектор 204 может включать в себя плоскую анодную круговую пластину 206 (например, выполненную из меди), окруженную статически заряженным кольцом 208 (например, заряженным до 1000 Кл), имеющим концентрические изолирующие кольца 210. Кольцо 208 и кольца 210 могут быть сконструированы и работать так, как описано в патенте США № 5459367. Охлаждающий элемент 212 термически подсоединен к пластине 206, так чтобы охлаждающий агент из источника 214 охлаждающего агента рециркулировал через нее посредством контура 216 охлаждающего агента. Охлаждающий элемент 212 поддерживает требуемую температуру анодной пластины.

Охлаждающий элемент 212 альтернативно может быть таким же, как анодная пластина 206 (другими словами, охлаждающий агент должен циркулировать через пластину 206). Контур обратной связи (не показан), использующий один или более датчиков (не показаны), может быть использован для стабилизирования температуры анода 206.

Катодный блок 218 настоящего изобретения включает в себя катод 220, нагреваемый источником тепла, так чтобы он испускал электроны, которые, как правило, перемещаются вдоль направления 202А к аноду 206. (Как описано в патенте США № 5459367, заряженное кольцо 208 способствует притягиванию электронов в направлении анода.) Хотя источник тепла показан как источник 222 нагревания текучей среды (жидкости или газа), текущей в нагревательный элемент 224 (который термически подсоединен к катоду 220) посредством нагревательного контура 226, могут быть использованы альтернативные источники энергии, такие как лазер, применяемый к катоду 224. Энергия, подаваемая в источник 222, может быть на ископаемом топливе, солнечным, лазерным, микроволновым источником или из радиоактивных материалов. Дополнительно, используемое ядерное топливо, в противном случае, просто хранится за большие расходы и без прибыли может быть использовано, чтобы предоставлять тепло источнику 222.

Электроны, возбужденные до энергетического уровня Ферми в катоде 220, утекают с его поверхности и, притягиваемые статически заряженным кольцом 208, перемещаются вдоль направления 202А через первое и второе фокусировочные кольца или цилиндры 228 и 230, которые могут быть сконструированы и работать аналогично фокусировочному элементу 24 вышеописанной архитектуры предшествующего уровня техники. Для содействия движению электронов в требуемом направлении экран 232 может окружать катод 224. Экран 232 может быть цилиндрическим или коническим либо, как показано, включает в себя цилиндрическую часть, ближайшую к катоду 224, и коническую часть, удаленную от катода 224. В любом случае, экран поддерживает движение электронов в направлении 202А. Электроны стремятся отталкиваться от экрана 232, поскольку экран имеет относительно высокую температуру (из-за близости к катоду 220 с относительно высокой температурой). Альтернативно или помимо этого, чтобы быть отталкиваемыми высокой температурой экрана, экран 232 может иметь отрицательный заряд, прикладываемый к нему. В последнем случае, изоляция (не показана) может быть использована между экраном 232 и катодом 220.

Генерируемая электрическая энергия, соответствующая потоку электронов из катода 220 в анод 206, подается посредством катодного провода 234 и анодного провода 236 во внешний контур 238.

Возвращаясь от общей работы преобразователя 200 к его конкретным преимущественным аспектам, электроны, такие как электрон 240, имеют тенденцию обладать высоким уровнем энергии, когда они достигают анода 206. Поэтому обычной тенденцией для некоторых из них является отскакивание рикошетом от поверхности без захвата на ней. Это, как правило, приводит к рассеянию электронов и уменьшает эффективность преобразования в преобразователе. Для устранения или значительного снижения этой тенденции настоящее изобретение использует лазер 242, который с помощью лазерного луча 244 соударяет электроны сразу перед тем, как они соударяются с анодом 206. Квантовая интерференция между фотонами лазерного луча 244 и электронами 240 снижает энергетический уровень электронов, с тем чтобы они могли более легко захватываться поверхностью анода 206.

Из теории двойственности волновых частиц понятно, что электроны, соударяемые лазерным лучом, могут обнаруживать свойства волн и/или частиц. Разумеется, область применения формулы настоящего изобретения не ограничена какой-либо практической теорией работы, за исключением тех случаев, когда формула изобретения явно ссылается на такую теорию работы, например квантовую интерференцию.

При использовании в данном документе, когда делается ссылка на лазер 242, с помощью лазерного луча 244 соударяющий электроны сразу перед тем, как электроны достигают анода 206, это означает, что электроны, которые соударялись, не проходят через какие-либо другие компоненты (такие, как фокусировочный элемент) по мере того, как они продвигаются к аноду 206. Более конкретно, электроны предпочтительно соударяются в пределах 2 мкм до того, как они достигают анода 206. Еще более предпочтительно электроны соударяются лазером не более чем в 1 мкм перед достижением анода 206. Фак

- 5 011967 тически, расстояние от второго фокусировочного элемента 230 до анода 206 может составлять 1 мкм, и лазер с помощью лазерного луча может соударять электроны ближе к аноду 206. Таким способом (т.е. соударение электронов сразу перед тем, как они достигают анода) энергия электронов уменьшается до точки, в которой уменьшенная энергия наиболее подходящая и полезная.

Хотя корпусный элемент 202 может быть непрозрачным, например металлическим, элементом, окно 246 лазера выполнено из прозрачного материала, так что лазерный луч 244 может испускаться из лазера 242 в камеру внутри элемента 202.

Альтернативно, лазер 242 может быть размещен в камере.

Помимо повышения эффективности преобразования посредством использования лазера 242, чтобы уменьшить энергетический уровень электронов сразу перед тем, как они достигают анода 206, катод 220 настоящего изобретения специально предназначен, чтобы повышать эффективность за счет увеличения площади эмиссии электронов катода 220.

Ссылаясь на фиг. 4, на ней показан катод 220 как круглая решетка проводов 248. Провода 250 вверху первого слоя параллельных проводов идут в направлении 252, тогда как провода 254 второго слоя параллельных проводов идут в направлении 256, поперечном направлению 252 и предпочтительно перпендикулярном направлению 252. Третий слой параллельных проводов (показан только один провод 258 для упрощения иллюстрации) идет в направлении 260 (под углом 45° от направлений 252 и 256). Четвертый слой проводов (показан только один провод 262 для упрощения иллюстрации) идет в направлении 264 (под углом 90° от направления 260).

Следует также отметить, что фиг. 4 показывает провода с относительно большими зазорами между ними, но это также для упрощения иллюстрации. Предпочтительно провода являются точно прессованными проводами, а зазоры между параллельными проводами в одном слое должны быть аналогичными диаметру проводов. Предпочтительно провода имеют диаметр в 2 мм или меньше под размер тонкого катода прямого канала. Провода могут быть вольфрамовыми либо из других металлов, используемых в катодах.

Со ссылкой на фиг. 5, провода 250 и 254 могут быть смещены относительно друг друга, при этом все провода 250 (только один показан на фиг. 5) размещены в сдвиге общей плоскости от другой общей плоскости, в которой размещены все провода 254. Альтернативная структура, показанная на фиг. 6, имеет провода 250' (показан только один) и 254', которые переплетены промышленным способом.

Ссылаясь на фиг. 7, альтернативный катод 220' может иметь три части 266, 268 и 270. Каждая из частей 266, 268 и 270 может иметь два перпендикулярных слоя проводов (не показаны на фиг. 7), например 250 и 254 (или 250' и 254'). Часть 266 должна иметь провода, идущие в плоскости изображения фиг. 7, и провода, параллельные плоскости фиг. 7. Часть 268 имеет два слоя проводов, причем каждый из них имеет провода, идущие в направлении 30° от одного из направлений проводов для части 266. Часть 270 имеет два слоя проводов, причем каждый из них имеет провода, идущие в направлении 60° от одного из направлений проводов для части 266.

Следует принимать во внимание, что фиг. 7 является иллюстративной с точки зрения того, что возможно использование нескольких слоев проводов, идущих в различных направлениях.

Различные структуры проводной решетки катода повышают эффективную площадь поверхности эмиссии электронов за счет формы проводов и их нескольких слоев. Альтернативный способ повышения площади поверхности проиллюстрирован на фиг. 8. Фиг. 8 показывает вид сбоку поперечного сечения параболического катода 280, работающего, чтобы испускать электроны для перемещения, как правило, вдоль направления 220А'. Катод 280 имеет плоскую область А поперечного сечения, перпендикулярную направлению 202А перемещения. Как правило, катод 280 имеет площадь ЕА поверхности эмиссии электронов (от кривизны катода) для эмиссии электронов в направлении анода, которая по меньшей мере на 30% больше, чем плоская площадь поперечного сечения А. Таким образом, большая плотность электронов генерируется для катода данного размера. Хотя катод 280 показан как парабола, другие кривые поверхности могут быть использованы. Катод 280 может быть скомпонован из твердого материала или может содержать структуры проводных решеток с несколькими слоями, аналогичные описанным для фиг. 4-7, за исключением того, что каждый слой должен быть искривленным и неплоским.

Хотя структура искривленного катода фиг. 8 обеспечивает площадь ЕА поверхности эмиссии электронов, которая по меньшей мере на 30% больше, чем боковая площадь А поперечного сечения, различные структуры проводных решеток, такие как на фиг. 4, обеспечивают площадь поверхности эмиссии электронов, которая по меньшей мере вдвое больше площади бокового поперечного сечения (т. е. заданной, как показано для фиг. 8). На самом деле, площадь поверхности эмиссии электронов в структурах решетки должна быть по меньшей мере в 19 раз больше площади бокового поперечного сечения.

Преимущественно, настоящее изобретение дает возможность катоду 220 и аноду 206 быть смещенными друг от друга на расстояние от 4 мкм до 5 см. Более конкретно, сдвиг или зазор должен быть от 1 до 3 см. Таким образом, катод и анод достаточно далеко отстоят друг от друга, так что гораздо менее вероятно, что тепло от катода будет передано в анод, чем в структурах, где катод и анод должны быть расположены очень близко друг от друга. Поэтому источник 214 охлаждающего агента может быть от

- 6 011967 носительно низкой по предъявляемым требованиям структурой по охлаждению, поскольку требуется меньшее охлаждение, чем во многих структурах из предшествующего уровня техники.

Ссылаясь теперь на фиг. 9-11, на них проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления термоэлектронного электрического преобразователя настоящего изобретения. Этот вариант осуществления выполнен с возможностью дополнительного увеличения выхода электронов из катода, тем самым, обеспечивая дополнительное повышение эффективности преобразования и генерирования электротока в преобразователе.

Термоэлектронный электрический преобразователь 300 согласно варианту осуществления, показанный на фиг. 9-11, предпочтительно может использовать многие из таких же или аналогичных компонентов в преобразователе 200, проиллюстрированных и описанных относительно фиг. 3-8. В частности, преобразователь 300 предпочтительно включает в себя корпусный элемент 302, который предпочтительно может быть цилиндрическим вдоль по меньшей мере части своей продольной длины. Преобразователь 300 дополнительно включает в себя подсистему электронной мишени или коллектор 304 электронов, конструкционные подробности которого описаны далее. Охлаждающий элемент 312 предусмотрен, чтобы поддерживать требуемую температуру подсистемы 304 антикатода или ее конкретных компонентов, как правило, ниже рабочей температуры подсистемы 318 катода. Подсистема 318 катода предпочтительно включает в себя катод 320, имеющий катодный эмиттер 321, при этом катод нагревается посредством источника 322 тепла, термически подсоединенного к катоду таким образом, чтобы нагревание катода вызывало возбуждение и утечку электронов с поверхности катодного эмиттера 321.

Источник 322 тепла, как проиллюстрировано, включает в себя нагревательный элемент 324, подсоединенный к катоду, и нагревательный контур 326, который доставляет нагревательную текучую среду (жидкость или газ) в катод 320. Как и в вариантах осуществления, раскрытых на фиг. 3-8, специалисты в данной области техники должны понимать, что источник тепловой энергии для нагревания катода из внешнего источника может представлять собой источник солнечной энергии, ископаемого топлива, лазерной энергии, микроволновой энергии или тепловой энергии, получаемой из радиоактивных материалов, таких как радиоактивные отходы или израсходованные радиоактивные материалы. Использованное ядерное топливо, которое, в противном случае, было бы необходимо хранить за большие расходы, может быть использовано, чтобы предоставлять тепловую энергию источнику 322 тепла. Структура базовых систем или подсистем для предоставления различных типов тепловой энергии должна быть очевидна специалистам в данной области техники.

Преобразователь 300 также может предпочтительно использовать первое и второе фокусирующие кольца 328, 330 способом, аналогичным показанному на фиг. 3. Экран 332 также может быть предусмотрен, чтобы окружать катод 320, чтобы выполнять, по существу, ту же функцию, что выполняет экран 232 в варианте осуществления фиг. 3.

Генерируемая электрическая энергия, соответствующая потоку электронов из катодного эмиттера 321 в анод 306 подсистемы 304 мишени, поставляется посредством катодного провода 334 и анодного провода 336 во внешний контур 338. Контур 338, таким образом, принимает энергию в электрической форме, которая сгенерирована или выработана из тепловой энергии преобразователем 300. Контур 338 предпочтительно может включать в себя транзистор 337, подключенный к обратной линии контура (показан как катодный провод 334 на фиг. 9), с тем чтобы ток в контуре был ограничен течением только в одном направлении, т.е. в направлении, обратном катодному эмиттеру 321, посредством средства 339 подачи в корпусном элементе 302.

Преобразователь 300 дополнительно предпочтительно включает в себя лазер 342 интерференции электронов, который функционирует для понижения энергетического уровня электронов по мере того, как они достигают анода 306, посредством квантовой интерференции или другого явления взаимодействия частиц. Лазерный пучок 344 проходит через окно 346 лазера и пересекает траекторию (или ударяет) поступающие электроны, чтобы снизить энергию, сохраненную в электронах. Ссылка на обсуждение этого аспекта изобретения может быть сделана в связи с лазером 242, и лазерным пучком 244, и представлением на фиг. 3 в данном описании в качестве теории функционирования. Снижение энергетического уровня электронов сразу перед контактированием с анодом 306 уменьшает тенденцию электронов соударяться с анодом 306 и отскакивать рикошетом и рассеиваться вследствие соударения. Таким образом, анод 306 захватывает большую часть поступающих электронов.

Подсистема мишени или коллектор 304 предпочтительно сконструированы, чтобы иметь центральное отверстие 370, масштабированное и адаптированное, чтобы давать возможность устройству повышения выхода с катода или дополнительному катодному усилителю 372 в форме лазера 374 испускать лазерный луч 376 в направлении 376а поверхности 321 эмиссии катода 320. Альтернативно, подсистема мишени может иметь такое отверстие в смещенном относительно оси месте либо, альтернативно, может быть масштабирована и размещена в корпусном элементе 302, так чтобы лазер 374 мог направлять лазерный луч 376 из положения вне периферии подсистемы мишени.

Ссылаясь на все фиг. 9-11, подсистема 304 мишени предпочтительно может содержать анод 306, имеющий отверстие 370, для удобства показанное по центру на иллюстрационных чертежах. Изолирующее (электрически изолирующее) кольцо 378 размещено по краю отверстия 370 и предпочтительно при

- 7 011967 креплено к аноду 306 на этом краю. Кольцо 380 отталкивания электронов размещено по внутреннему периметру изолирующего кольца 378. Кольцо 380 отталкивания электронов предусмотрено, чтобы в большей степени предотвратить попадание и проход через отверстие, заданное кольцом 380 отталкивания, электронов, истекающих из катода 320 и перемещающихся по траектории 302а, либо минимизировать число электронов, проходящих через вышеуказанное отверстие. Кольцо 380 отталкивания электронов предпочтительно снабжено отрицательным зарядом, налагаемым внешним источником (не показан), подсоединенным к кольцу отталкивания электронов в средстве 379 подачи, или может работать другим образом, чтобы отбрасывать электроны. Предпочтительно кольцо 380 работает, чтобы отклонять по меньшей мере часть электронов на траекторию, которая приведет к тому, что электроны будут соударяться с анодом 306 подсистемы 304 мишени.

Анод 306 может быть сформирован как плоская круглая пластина, как проиллюстрировано, или альтернативно может быть изогнут в направлении либо к, либо от катода 324, или иметь иную форму, предназначенную, чтобы эффективно захватывать электроны, перемещающиеся по траекториям от катода 320 в контакте с анодом. Анод 306 предпочтительно имеет по своему внутреннему периметру кольцо 308 с большим статическим зарядом (Фарадея), скрепленное внутренним и внешним изолирующими кольцами 310. Эта часть подсистемы мишени, по существу, такая же, что и раскрытая относительно варианта осуществления фиг. 3, и она работает, как правило, таким же образом, чтобы содействовать притягиванию электронов к аноду 306, где электроны могут быть собраны, чтобы генерировать электрический ток. Двухсторонний разъем, показанный схематично на фиг. 11 как 382, используется, чтобы подсоединять кольцо 308 Фарадея к средству передачи требуемого высокого статического заряда. Изолирующие кольца 310 работают, чтобы электрически изолировать анод 306 и схему 338 электропитания от статического заряда, налагаемого на кольцо 308.

Пластина анода 306 может быть сконструирована из таких же материалов, что и анод 206 на фиг. 3, или может быть любого другого типа, известного в данной области техники, чтобы подходить для этого варианта осуществления. Катод 320 также может быть сконструирован из таких же материалов и таким же способом, что и катод 220, описанный и проиллюстрированный относительно фиг. 3-8, либо в форме любой другой катодной структуры, раскрытой в предыдущих патентах, описанных в разделе Уровень техники данного описания.

В варианте осуществления согласно фиг. 9-11 выход катода значительно увеличен по сравнению с выходом, полученным в варианте осуществления, показанном на фиг. 3-8. Как указано выше, дополнительный катодный усилитель 372 в форме лазера 374 предусмотрен, чтобы направлять лазерный луч 376 на поверхность 321 эмиссии катода, который дополнительно возбуждает электроны на этой поверхности помимо возбуждения, получаемого посредством тепловой энергии, применяемой источником 322 тепла.

В проиллюстрированном предпочтительном варианте осуществления лазер 374 размещен в корпусном элементе 302 и на стороне анода 306, противоположной стороне, на которой размещен катод 320. Лазер 374 направляет лазерный пучок 376 таким образом, чтобы фотоны перемещались по траектории 376а, практически, в противоположном траектории 302а направлении электронов, перемещающихся от катода 320 к аноду 306. Лазерный пучок 376 ударяется о поверхность 321 эмиссии катода либо ортогонально к этой поверхности, либо под небольшим углом падения к ней для максимизирования передачи энергии в электроны.

Контроллер 400 осуществляет управление лазером 374, чтобы испускать заряды или импульсы, имеющие продолжительность, нарпимер, порядка 1 или нескольких пс, на частоте около 10-100 МГц. Другие режимы работы также могут быть применены, и следует понимать, что эти параметры предоставляются, главным образом, для иллюстративных целей.

Дополнительный катодный усилитель 372 также предпочтительно включает в себя устройство растеризации, схематично показанное как 382 на фиг. 11. Устройство 382 растеризации управляется предпочтительно также контроллером 400, чтобы обуславливать развертку лазерного луча 376 в поперечном (бок-в-бок) и вертикальном (сверху-вниз или наоборот) направлениях способом, который должен стать очевидным специалистам в данной области техники после излучения этого описания. Устройство 382 растеризации используется, чтобы предотвратить эрозию поверхности эмиссии катода 320 в областях, где лазерный пучок, в противном случае, может постоянно или часто воздействовать, тем самым, продлевая срок использования катода. Устройство растеризации предпочтительно выполняет качание бок-в-бок и сверху-вниз катода на частоте порядка 1 или нескольких нс. Кроме того, этот период может отличаться от заявленного предпочтительного диапазона и может быть скоординирован с частотой и длительностью лазерных импульсов для обеспечения других требуемых степеней дополнительного возбуждения электронов на поверхности катода.

Ожидается, что применение дополнительного катодного усилителя описанного типа увеличит выход с катода примерно в 20-25 раз по сравнению с выходом с катода согласно фиг. 3-8, например, когда с этим преобразователем осуществляются действия без дополнительного усилителя. Кроме того, рабочие параметры усилителя могут варьироваться, в зависимости от требований, чтобы повысить либо понизить уровень повышения выхода с катода.

На фиг. 10 возможные альтернативные положения лазера 374 дополнительного катодного усилите

- 8 011967 ля 372 показаны как А, В и С. Эти обозначения представлены для иллюстрации того, что лазер 374 может быть установлен со смещением от центра относительно подсистемы 304 мишени, посредством чего отверстие в аноде 306 будет смещено от центра, или может быть установлен за пределами внешнего периметра подсистемы 304 мишени. В последнем случае нет необходимости выполнять отверстие ни в аноде, ни в установке кольца отталкивания электронов. Как указывалось выше, желательно сохранять относительно небольшой угол падения лазерного пучка относительно поверхности 321 эмиссии катода для сохранения эффективной передачи энергии. Положение со смещением от центра может приводить к менее эффективному повышению выхода с катода, тем не менее, другие решения, связанные со структурой, могут быть упрощены с помощью этих положений, что может компенсировать немного меньшую эффективность.

Кроме того, в вышеуказанных разделах описания размещение лазера ориентировалось на размещение лазера на обратной стороне подсистемы 304 мишени, противоположной стороне, на которой размещен катод. Хотя такое размещение сохраняет небольшой угол падения лазерного пучка относительно поверхности катода, также возможно размещение лазера 374 перед анодом (т.е. в продольном направлении между анодом и катодом), при условии, что он размещается радиально за пределами траектории электронов, перемещающихся от катода к аноду.

Дополнительный признак изобретения, проиллюстрированный на фиг. 11, - это предоставление множества электронов 398 вокруг внутреннего периметра корпусного элемента 302, чтобы содействовать захватыванию всех паразитных электронов, которые могут отскакивать рикошетом от анода 306 или иным образом не попадать в число захваченных анодом. Эти паразитные электроны могут создавать пространственный заряд в вакуумной камере. Электроны 398 подключаются к земле, с тем чтобы в значительной степени предотвращать накопление этого заряда.

Хотя изобретение описано в связи с его конкретными вариантами осуществления, разумеется, множество альтернатив, модификаций и вариаций должны быть очевидны специалистам в данной области техники. Следовательно, предпочтительные варианты осуществления изобретения, изложенные в данном документе, предназначены, чтобы быть иллюстративными, а не ограничивающими. Различные изменения могут быть выполнены без отступления от духа и области применения изобретения, задаваемой данным описанием и последующей формулой изобретения.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Термоэлектронный электрический преобразователь, содержащий корпусный элемент;

   катод в упомянутом корпусном элементе, имеющий эмиттер, испускающий электроны при нагреве; анод в корпусном элементе, имеющий мишень и принимающий электроны, испускаемые эмиттером; и устройство повышения эмиссии катода, отличающийся тем, что указанное устройство повышения эмиссии катода содержит первый лазер, размещенный с возможностью направления лазерного луча на поверхность эмиссии катода; и второй лазер, установленный с возможностью пересечения лазерного пучка с испускаемыми электронами непосредственно до их столкновения с анодом для увеличения эффективности захвата испущенных электронов.
2. 2. Преобразователь по п.1, в котором упомянутое устройство повышения эмиссии катода размещено внутри упомянутого корпусного элемента.
3. 3. Преобразователь по пп.1 и 2, в котором указанное устройство повышения эмиссии катода содержит устройство растеризации, управляющее разверткой лазерного луча от первого лазера поперек, по существу, всей упомянутой поверхности эмиссии упомянутого катода.
4. 4. Преобразователь по пп.1-3, в котором упомянутый катод размещен на одной стороне упомянутого анода, а упомянутый первый лазер размещен с другой стороны упомянутого анода, противоположной упомянутой первой стороне.
5. 5. Преобразователь по пп.1-4, в котором упомянутый анод имеет отверстие, по существу, в центре указанного анода, через которое лазерный луч, выходящий из упомянутого первого лазера, проходит в сторону катода.
6. 6. Преобразователь по пп.1-5, в котором упомянутая мишень дополнительно содержит кольцо отталкивания электронов, размещенное в отверстии в упомянутом аноде, при этом упомянутое кольцо отталкивания электронов имеет отверстие.
7. 7. Преобразователь по п.6, в котором упомянутое кольцо отталкивания электронов присоединено к упомянутому аноду посредством электрического изолирующего кольца, размещенного на краю упомянутого отверстия в упомянутом аноде, и упомянутое кольцо отталкивания электронов подсоединено при работе к источнику отрицательного заряда.
8. 8. Преобразователь по пп.1-7, дополнительно содержащий по меньшей мере один электрет, размещенный в упомянутом корпусном элементе для захвата паразитных электронов, присутствующих в упомянутом корпусном элементе.
9. 9. Преобразователь по пп.6 и 8, в котором упомянутая мишень дополнительно содержит кольцо с

   - 9 011967 большим статическим зарядом, размещенное по внешнему периметру упомянутого анода.
10. 10. Преобразователь по п.9, в котором упомянутый анод и упомянутое кольцо с большим статическим зарядом соединены посредством внутреннего изолирующего кольца, и в котором кольцо с большим статическим зарядом имеет внешнее изолирующее кольцо, приспособленное для установки упомянутой мишени в упомянутом корпусном элементе.
11. 11. Преобразователь по пп.1-10, в котором второй лазер выполнен с возможностью инициирования понижения энергетического уровня испускаемых электронов посредством квантовой интерференции.
12. 12. Преобразователь по пп.1-11, в котором испущенные электроды с низким уровнем энергии далее соударяются с анодом без прохождения через любые другие компоненты термоэлектронного преобразователя.
13. 13. Преобразователь по пп.1-12, в котором первый лазер выполнен с возможностью испускания лазерного луча с продолжительностью от 1 до нескольких пс.
14. 14. Преобразователь по пп.1-13, в котором первый лазер выполнен с возможностью испускания лазерных импульсов с частотой в диапазоне от 10 до 100 МГц.