KR20060105751A - 열전자 전기 변환기 - Google Patents

Abstract

열전자 전기 변환기는 음극 방출기(321)의 전자 출력을 증가시키기 위해, 음극 방출기(321)의 방출 표면을 때리는 레이저빔(376)을 향하게 하는 음극 출력 강화 레이저(374)를 포함한다. 음극 출력 강화 레이저(374)는 음극 방출기(321)의 방향에서 양극(306) 또는 타겟 구조물내의 개구부(370)를 통해 레이저빔이 향하도록 배치된다. 양극을 벗어나고 양극내의 개구부를 통과하는 전자의 개수를 줄이기 위해, 전자 반발 링(380)이 양극(306)내의 개구부(370)의 엣지에 제공된다.

열전자 변환기, 음극, 양극

Description

열전자 전기 변환기 {THERMIONIC ELECTRIC CONVERTER}

본 발명은 일반적으로 열에너지를 바로 전기에너지로 변환하는 기술에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 열전자 전기 변환기가 제공된다.

열에너지를 곧바로(directly) 전기에너지로 변환하는 다양한 장치 및 방법들을 개시하는 미국 특허 등록번호 3,519,854, 3,328,611, 4,303,845, 4,323,808, 5,459,367, 5,780,954 및 5,942,834(모두 본 발명의 발명자에게 속하며 그 전부가 본 명세서에 참조로서 포함된다)와 같은 열전자 변환기들은 공지되어 있다. 미국 특허 등록번호 3,519,854에서는, 출력 전류 수집 수단으로서 홀 효과(Hall effect) 기술을 이용하는 변환기가 설명되었다. 상기 '854 특허는 전자의 소스로서의 방출 음극 표면의 가열된 전자들의 스트림을 이용하는 것을 나타낸다. 전자들은 홀 효과 변환기를 지나서 위치한 양극으로 가속된다. 상기 '854 특허의 양극은 단순한 금속 플레이트이며, 상기 플레이트를 순환하며 그것으로부터 절연된 높게 정적 충전된 멤버를 가진다.

미국 특허 등록번호 3,328,611은 구 모양으로 구성된 열전자 변환기를 개시하며, 구 모양의 방출 음극에 열이 제공되며, 이것에 의해 방출된 전자가 집중적으로 위치하며, 구 모양의 양극은 제어 멤버의 영향하에 있으며, 구 모양의 양극은 그 위에 높은 양 전위를 가지며 상기 제어 멤버로부터 절연된다. '854 특허와 같이, '611 특허의 양극도 단순한 금속 표면이다.

미국 특허 등록번호 4,303,845는 열전자 변환기를 개시하며, 전자 스트림은 음극으로부터 가로방향의(transverse) 자기장내에 위치한 에어 코어 유도코일을 통해 통과하며, 전자 스트림과 가로축 자기장과의 상호작용에 의해 유도코일에 EMF가 생성된다. '845 특허의 양극 또한, 금속 플레이트를 포함하며 상기 플레이트를 돌며 그것으로부터 절연된 높은 정적 충전된 멤버를 갖는다.

미국 특허 등록번호 4,323,808은 레이저-여기된 열전자 변환기를 개시하며, 이것은 '845 특허에 개시된 열전자 변환기에 매우 유사하다. 가장 큰 차이점은 '808 특허는 그리드로의 전위가 제거되는 동시에 전자들이 수집되는 그리드상에 적용되는 레이저를 개시한다는 점이며, 가로축 자기장내에 위치한 에어 코어 유도코일을 통해 양극으로 가속되는 전자 볼러스들(boluses)을 생성한다. '808 특허의 양극은 '845 특허에 개시된 것과 동일, 즉, 단순한 금속 플레이트로 상기 플레이트를 돌며 그것으로부터 절연된 높은 정적 충전된 멤버를 갖는다.

미국 특허 등록번호 5,459,367은 금속 플레이트 대신에 구리 섬유와 구리 설페이트 겔을 갖는 양극이 있는 개선된 수집 요소를 이용한다. 또한, 상기 수집 요소는 양극을 둘러싸며 그것으로부터 절연된 높게 충전된(즉, 정전기) 멤버를 갖는다.

미국 특허 등록번호 5,780,954 및 5,942,834는 와이어 그리드로 구성된 음극을 제공하며, 상기 음극은 그것의 방출 표면 영역을 증가시키기 위해 비-평면 모양 이 된다. 이러한 특허들은 또한 양극에 의해 좀더 쉽게 포획되도록 양자 간섭을 제공하는 수단으로서 전자들이 양극에 도달하기 전에 전자 스트림을 히트(hit)하기 위해 레이저를 이용하는 기술들을 개시한다.

또다른 이전 설계는 진공 챔버내에서 2 마이크론 떨어진것 같이 근접한 양극과 음극을 갖는다. 이러한 이전 설계는 음극으로부터 양극으로 방출된 전자들을 끌기 위한 인력(attractive force)의 이용하는 것은 다름아닌 양극 및 음극을 수용하는 챔버로의 세슘의 도입이다. 세슘은 전자 흐름을 유지하기 위해 양극을 양전하로 덮는다. 양극과 음극이 너무 근접하여 있으면, 양극과 음극을 충분히 다른 온도로 유지하는 것이 어렵다. 예를 들면, 음극은 캘빈 1800도 이고 음극은 캘빈 800도이다. 열원이 음극을 가열하기 위해 제공되며 냉각 순환 시스템이 원하는 온도를 유지하기 위해 양극에서 제공된다. 챔버가 진공에서 유지된다고 할지라도(다름 아닌 세슘 소스), 음극으로부터의 열은 양극으로 가고 근접하여 위치한 음극과 양극사이의 높은 온도 차이를 유지하기 위해 상당한 양의 에너지가 소모된다. 이것은 시스템의 효율성을 상당히 떨어뜨린다.

따라서, 본 발명의 목적은 이전에 설계 또는 개발된 것들 보다 강화된 및/또는 개선된 특성들을 갖는 열전자 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 주 목적은 개선된 변환 효율성을 갖는 열전자 전기 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 증가된 음극 출력을 갖는 열전자 전기 변환기를 위한 개선된 음극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 음극의 방출도를 증가시키기 위해 레이저로 충격을 받는 음극이 있는 열전자 전기 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저 음극 강화기를 수용하며, 음극으로부터 방출된 전자들을 포획하기 위해 설계된 양극 또는 타겟을 제공하는 것이다.

이하에서의 설명에 의해 명확해질, 본 발명의 전술한 목적들은 케이싱 멤버(casing member)와, 상기 케이싱 멤버내에서 전자의 소스로서 공급하기 위해 가열될때 동작할 수 있는 음극과, 상기 케이싱 멤버내에서 상기 음극으로부터 방출된 전자들을 수신할 수 있는 양극을 구비하는 열전자 전기 변환기에 의해 이루어진다. 음극은 각각이 서로에 대해 가로인 적어도 2개의 방향으로 진행하는 와이어를 갖는 와이어 그리드일 수 있다. 충전된 제1 집속 링(focusing ring)은 케이싱 멤버내 음극과 양극 사이에 있으며, 제1 집속 링을 통해 양극으로 가는 음극에 의해 방출된 전자들을 지배(direct)할 수 있다. 케이싱 멤버내 제1 집속 링과 양극 사이에 있는 충전된 제2 집속 링은 제2 집속 링을 통해 양극으로 가는 음극에 의해 방출된 전자들을 지배할 수 있다. 추가적인 집속 링들이 필요할 수도 있다. 음극은 약 4마이크론에서 5센치미터 사이의 거리로 양극으로부터 분리되어 있다. 바람직하게는, 음극은 1에서 3 센치미터의 거리로 양극으로부터 분리되어 있다. 레이저는 음극과 양극 사이에 위치한 전자들을 히트(hit)할 수 있다(즉, 레이저 빔을 전자에 가함). 레이저는 양극에 도달하기 바로전에 전자들을 히트한다. 양극에 의해 전자들이 좀더 쉽게 포획될 수 있도록 레이저는 전자들 사이의 양자 간섭을 제공할 수 있다.

음극은 고체 물질 또는 와이어 그리드로 형성될 수 있다. 와이어 그리드 구조가 이용될때, 와이어 그리드는 적어도 4개의 와이어층을 포함한다. 또한, 각각의 와이어층은 다른 와이어층들의 와이어들과는 다른 방향으로 확장하는 와이어들을 가지며, 따라서 음극의 와이어 그리드는 적어도 4개의 다른 방향으로 확장하는 와이어들을 포함한다. 이것은 음극의 방출 표면을 상당히 증가시키도록 설계되었다.

본 발명은 케이싱 멤버(casing member)와, 상기 케이싱 멤버내에서 전자의 소스로서 공급하기 위해 가열될때 동작할 수 있는 음극과, 상기 케이싱 멤버내에서 상기 음극으로부터 방출된 전자들을 수신할 수 있는 양극과 상기 음극과 양극사이의 전자들을 히트할 수 있는 레이저를 구비하는 열전자 전기 변환기로 설명될 수 있다. 레이저는 양극에 의해 전자들이 좀더 쉽게 포획될 수 있도록 레이저는 전자들 사이의 양자 간섭을 제공한다. 레이저는 전자들이 양극에 도달하기 바로 전에 전자들을 히트할 수 있다. 레이저는 전자들이 양극에 도달하기전 2 마이크론내에서 전자들을 히트할 수 있다. 음극은 각각에 대해 가로인 적어도 2개의 방향으로 진행하는 와이어들을 갖는 와이어 그리드이다. 음극은 적어도 약 4 마이크론에서 약 5 센치미터의 거리로 양극과 분리되어 있다.

본 발명은 케이싱 멤버(casing member)와, 상기 케이싱 멤버내에서 전자의 소스로서 공급하기 위해 가열될때 동작할 수 있는 음극과, 상기 케이싱 멤버내에서 상기 음극으로부터 방출되고 일반적으로 음극으로부터 양극으로의 방향을 정의하는 이동 방향을 따라 진행하는 전자들을 수신할 수 있는 양극을 구비하는 열전자 전기 변환기로 설명될 수 있다. 음극은 이동 방향에 수직인 평면의 단면 영역을 가지며, 음극은 양극으로의 전자 방출을 위한 전자 방출 표면 영역을 가지며, 전자 방출 표면 영역은 평면의 단면 영역보다 적어도 30 퍼센트는 크다. 음극은 서로에 대해 가로방향인 적어도 2개의 다른 방향으로 진행하는 와이어들을 갖는 와이어 그리드이다. 선택적으로, 또는 추가적으로, 음극은 이동 방향에 수직인 적어도 하나의 방향으로 휘어진다. 레이저는 전자들이 양극에 도달하기 바로전에 음극과 양극사이에서 전자들을 히트할 수 있도록 배치된다. 바람직하게는, 전자 방출 표면 영역은 평면의 단면 영역보다 적어도 두배이다. 와이어의 지름은 작지만 방출 영역은 크다. 이것은 기하급수적(exponential) 관계이다.

본 발명은 또한 음극으로부터 방출되는 전자의 출력을 강화시키기 위한 목적을 위해, 음극 방출 표면을 따라 래스터되는(rastered) 또는 스텝화되는(stepped) 음극에 충격을 가하기 위해 배치되는 레이저의 사용을 포함한다. 레이저는 양극 또는 타겟의 뒤에 배치되고 음극을 향하고, 레이저 빔은 음극에 충격을 가하기 위해 타겟내의 개구부를 통해 방출될 수 있다. 타겟 또는 양극은 특히 그 내부에 레이저 동작을 수용하기 위해 제공되는, 바람직하게는 그 중심을 통해, 개구부를 갖도록 설계된다.

도 1은 종래기술에 따른 열전자 전기 변환기의 개략도이다.

도 2는 종래기술에 따른 레이저-여기된 열전자 전기 변환기의 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 열전자 전기 변환기의 개략도이며 그 단면 부분에 대한 측면도이다.

도 4는 음극에 대해 이용되는 와이어 그리드 구조물의 상면도이다.

도 5는 상기 와이어 그리드 구조물의 일부에 대한 측면도이다.

도 6은 대안적인 와이어 그리드 구조물의 일부에 대한 측면도이다.

도 7은 와이어 그리드내의 다수의 층을 나타내는 측면 개략도이다.

도 8은 대안적인 음극 구조물의 단순화된 측면도이다.

도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전자 변환기의 개략도이며 그 단면 부분에 대한 측면도이다.

도 10은 도 9의 실시예에서 채택되는 타겟 부품의 개략적 입면도이다.

도 11은 도 10의 타겟 부품의 개략적 측면도이다.

도 1 및 2는 미국 특허 등록번호 4,303,845 및 4,323,808에 나타난 종래 열전자 전기 변환기를 각각 도시하고 있으며, 둘 모두 본 발명의 발명자인 에드윈 디. 데이비스에 속한 것으로, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다. 이들 열전자 변환기의 동작은 당해 특허에 상세히 나와있지만, 본 명세서에서는 도 1및 2를 참조하여 일반적인 동작의 개관을 표시한다. 이것은 본 발명을 이해하는데 유용한 배경을 제공한다.

도 1은 기본적 열전자 전기 변환기를 나타낸다. 도 2는 레이저-여기된 열전자 변환기를 나타낸다. 이들 변환기의 동작은 매우 유사하다.

도면들을 참조하여, 기본적 열전자 전기 변환기(10)가 도시된다. 변환기(10)는 한쌍의 말단 벽(14, 16)에 맞는 긴 원통 모양의 외부틀(12)을 구비하며, 이것에 의해 폐쇄된 챔버(18)를 형성한다. 틀(12)은 예를 들면, 고온 플라스틱 또는 세라믹과 같이 강하고, 전기적으로 비-전도성인 물질로 구성되는 반면, 말단 벽(14, 16)은 전기적 접속이 만들어질 수 있는 금속 플레이트이다. 상기 구성요소들은 함께 기계적으로 결합되고 챔버(18)가 진공을 제공할 수 있도록 용접 밀폐되며, 말단 벽(14, 16)에 걸쳐 적절히 높은 전기적 전위(potential)가 적용되고 유지될 수 있다.

제1 말단 벽(14)은 전자 방출 코팅을 구비하며 그 내부표면상에 배치된 음극 영역(20)을 포함하는 반면, 제2 말단 벽(16)은 원형으로, 약간 볼록한 표면이며 조립품을 형성하기 위해 절연 링(21)에 먼저 붙여지며, 그 다음 이들은 모두 상기 틀(120)에 일치된다. 용도에 있어서, 말단 벽(14 및 16)은 각각 변환기(10)의 음극 터미널과 수집 플레이트로서 각각 기능한다. 이들 두 벽사이에, 음극 영역(20)에서 기원하여 수집 플레이트(16)에서 제거되는 전자 스트림(22)이 원통 챔버(18)의 대칭축을 따라 흐를것이다.

고리모양의 집속(focusing) 요소(24)는 음극(20)에 근접한 위치에서 중심이 같게 챔버(18)내에 배치된다. 차폐(baffle) 요소(26)는 수집 플레이트(16)에 근접한 위치에서 중심이 같게 챔버(18)내에 배치된다.

이들 두 요소사이에 배치된 유도 조립물(induction assembly)(28)은 나선형 유도 코일(30)과 긴 고리형 자석(32)으로 구성된다. 코일(30)과 자석(32)은 챔버(18)의 중심 영역을 차지하며 중심이 같게 배치된다. 도 2의 개략도를 참조하여, 다양한 요소 및 조립물의 상대적인 배치가 도시된다. 표현의 명확성을 위해, 내부 에 위치된 이러한 요소들을 위한 기계적 유지 수단들은 두 도면에 포함되지 않았다. 집속 요소(24)는 용접 밀폐된 피드 쓰루(feed through)(36)를 통해 정전위의 외부 소스(미도시)로 납과 같은 수단에 의해 전기적으로 접속된다. 유도 코일(30)도 이와 유사하게 한쌍의 납(38 및 40)으로 한쌍의 피드-쓰루(42 및 44)를 통해 단순히 저항(46)으로 나타난 외부 부하 요소에 연결된다.

다양한 요소들에 적용되는 전위는 관련되 전자 스트림 디바이스를 구현하기 위한 공지된 종래 수단으로서 명확하게 도시되어 있지 않으며 상세히 설명되지 않는다. 간단히, 음극 영역(20)을 전압 기준 레벨로 고려하면, 높은 포지티브 정전하(static charge)가 수집 플레이트(16)에 적용되고 이 전압 소스를 포함하는 외부 회로는 음극(20)에 네가티브 측을 연결하는 것에 의해 완성된다. 이렇게 적용된 높은 포지티브 정전하는 음극에서 발생하여 수집 플레이트를 향해 가속되는 전자 스트림(22)을 야기시키며 그 크기(magnitude)는 적용된 높은 정전하의 크기에 따른다. 전자는 임의의 양의 도탄(ricochet)을 야기시키기에 충분한 속도로 수집 플레이트(16)에 충돌한다. 차폐 요소(26)는 이러한 도탄 전자가 변환기의 메인 섹션에 도달하는 것을 방지하기 위해 구성되어 배치되고, 전기적 연결이 그곳에 적용된다.

적절한 레벨의 낮은 네가티브 전압이 전자 스트림(22)을 협빔(narrow beam)으로 집속하기 위해 상기 집속 요소(24)에 적용된다. 동작에 있어서, 열원(heat source)(48)(화석 연료의 연소, 태양열 디바이스, 방사성 디바이스, 방사성 폐기물 또는 현존 방사성 동작으로부터 열 교환등과 같은 다양한 소스로부터 유래될 수 있음)이 음극(20)상의 전자 방출 코팅을 가열하기 위해 이용되며, 이것에 의해 전자 를 증발(boiling off)시킨다. 방출된 전자는 집속 요소(24)에 의해 협빔으로 집속되고 수집 플레이트(16)로 가속된다. 유도 조립물(28)을 통과하는 동안, 전자는 자석(32)에 의해 생성되는 자기장의 영향하에 있게되고 유도 코일(30)의 회전내에 유도되는 EMF를 야기시키는 상호작용 운동을 행한다. 실제로, 이렇게 유도된 EMF는 작은 회전 전류 루프를 행하는 개별적인 수많은 전자들의 총합이며 이것에 의해 코일(30)의 각각의 와인딩(winding)내에 대응적으로 수많은 미세한 EMF를 생성한다. 전체적으로 볼 때, 변환기의 출력 전압은 통과하는 전자의 속도에 비례하며, 출력 전류는 전자 소스의 크기와 온도에 의존한다. EMF의 유도 메카니즘은 초기에 선형 속도를 갖는 전자가 전자 속도에 직교로 놓여진 충분히 단일한 자기장에 들어가면서 가해지는 로렌츠 힘으로 설명될 수 있다. 적절히 구성된 디바이스내에서, 나선형의 전자 경로(미도시)는, 유도되는 EMF를 생성하기 위해 페러데이 법칙에 의해 요구되는 플럭스 변화의 바람직한 네트(net) 비율을 생성한다.

이러한 나선형의 전자 경로는 수집 플레이트(16)의 가속 작용으로 인한 선형의 이전 경로(translational path)(세로)와 초기 전자 속도와 자석(32)의 가로방향 자기장의 상호작용으로 인한 원형 경로(circular path)(가로)의 조합으로부터 유래한다. 수집 플레이트(16)에 적용되는 높은 전압의 크기와 자석(32)에 의해 생성되는 자기장의 강도(strength)와 방위(orientation)에 따라, 유도 코일(30)에 바로 전압을 생성하기 위한 다른 메카니즘이 가능할 수도 있다. 상기에서 약술한 메카니즘은 오직 설명의 목적으로 제시되었으며, 유일하게 가능한 동작 모드로서 고려된 것이 아니다. 그러나, 모든 메카니즘은 로렌츠 및 페러데이 법칙들이 적용될 수 있 는 다양한 조합들로부터 유래될 수 있다.

미국 특허 등록번호 4,303,845에 나타난 기본 변환기와 미국 특허 등록번호 4,323,808에 나타난 레이저-여기된 변환기의 기본적 차이점은 레이저-여기된 변환기는 납(180)을 통해 네가티브 전위 소스(178)에 의해 적용된 작은 네가티브 전위를 갖는 그리드(176)상에서 음극의 표면에서 증발된 전자들을 수집한다는 것이며, 이것은 전자 흐름과 다수의 전자들을 트랩한다. 방출되는 전자 볼러스(bolus)(22)를 야기시키는 레이저 조립물(170, 173, 174, 20)로부터의 레이저 펄스 방출에 그리드가 노출되는 동시에 그리드상에 가해진 전기적 전위는 제거된다. 전자 볼러스(22)는 그 다음 전기적으로 집속되고 가로의 자기장내에 위치한 유도 코일의 에어 코어 내부를 직통하며, 기본 열전자 변환기에 대해 상기한, 작업을 수행하기 위해 외부 회로에 적용되는 유도 코일내의 EMF를 생성시킨다.

본 발명자의 이전 미국 특허 등록번호 5,459,367에서 상술하 바와 같이, 전도성 금속 플레이트로 단순히 구성된 수집 요소를 구비하는 것과 관련된 많은 부수적인 불리함이 존재한다. 따라서, 수집 요소의 디자인은 구리 울 파이버(copper wool fiber)가 주입된 구리 설페이트 겔(copper sulfate gel) 전도성층을 포함한다. 본 발명은 이러한 양극을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 플레이트 양극이 야기시킬 수 있는 다른 불리함들을 최소화 또는 피할 수 있는 본 발명의 다른 측면에 따라서는 전도성 금속 플레이트를 사용할 수도 있다. 기본적으로, 양극의 특성은 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 중요하지 않다.

도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 열전자 전기 변환기(200)는 공지된 방식으 로 진공 장치(미도시)에 의해 진공이 유지되는 케이싱 멤버(202)를 포함한다. 바람직하게 케이싱 멤버(202)는 멤버(202) 및 현저히 다른 것들을 제외한 그 내부의 요소들의 대칭축으로서 중심축(central axis)(202A)을 갖는 원통형이다.

수집기(204)는 중심이 같은 절연링(210)을 구비한 정적으로 충전된 링(208)(예를 들면 1000쿨롱(Coulombs)으로 충전됨)에 의해 둘러싸인 평평한 양극 원형 플레이트(206)(예를 들면 구리로 구성됨)를 포함할 수 있다. 링(208)과 링(210)은 미국 특허 등록번호 5,459,367에 상술된 것과 같이 구성되고 동작할 수 있다. 냉각 멤버(212)는 냉각제(coolant) 소스(214)로부터의 냉각제가 냉각제 회로(216)에서 재순환되도록 상기 플레이트(206)에 열적으로 결합된다. 냉각 멤버(212)는 원하는 온도로 상기 양극 플레이트를 유지시킨다. 냉각 멤버(212)는 양극 플레이트(206)와 동일할 수 있다(달리 말하면 냉각제는 플레이트(206)를 통해 순환할 수 있다). 하나 이상의 센서(미도시)를 이용하는 피드백 장치(미도시)가 양극(206)의 온도를 안정화시키는데 이용될 수 있다.

본 발명의 음극 조립물(218)은 양극(206)으로의 이동 방향(202A)을 따라 이동하는 전자를 방출하도록 열원에 의해 가열되는 음극(220)을 포함한다(미국 특허 등록번호 5,459,367에서와 같이, 충전된 링(208)은 전자가 양극으로 부착되는 것을 돕는다). 열원은 가열 회로(226)를 통해 가열 멤버(224)(음극(220)에 열적으로 결합됨)로의 유체(액체 또는 가스) 흐름의 소스(222)로서 도시되었지만, 음극(224)에 적용되는 레이저와 같은 대안적인 에너지 소스가 이용될 수도 있다. 소스(222)로의 에너지 입력은 화석 연료, 태양열, 레이저, 마이크로파, 또는 방사성 물질일 수 있 다. 또한, 고비용으로 저장되고 이점이 없는 것이 아니라면 사용된 핵연료도 소스(222)에 열을 제공하기 위해 사용될 수도 있다.

전자는 음극(220)의 표면으로부터 벗어나는 퍼미(Fermi)레벨까지 에너자이즈(energize)되며, 전술한 종래 장치의 집속 요소(24)와 유사한 방식으로 구성될 수 있으며 동작할 수 있는, 제1 및 2 집속 링 또는 실린더(228 및 230)를 통해 이동 방향(202A)을 따라 이동하여, 정전하 링(208)에 의해 부착된다. 적절한 방향으로 전자가 이동하는 것을 돕기 위해 실드(shield)(232)가 음극(224)을 둘러쌀 수 있다. 실드(232)는 원통 또는 원뿔(conical)일 수 있으며 또는 , 도시된 바와 같이, 음극(224)에 근접한 원통 부분과 음극(224)에서 떨어진 원뿔 부분을 포함할 수 있다. 어떠한 경우라도, 실드는 202A 방향으로 전자 이동이 유지되도록 한다. 실드는 상대적으로 높은 온도일 것이므로(상대적으로 높은 온도의 음극(220)에 근접) 전자는 실드(232)로부터 반발(repel)될 것이다. 높은 온도의 실드에 의해 반발되는 것에, 선택적으로 또는 추가적으로, 실드(232)에 네가티브 전하가 적용될 수 있다. 이러한 경우, 실드(232)와 음극(220) 사이에 절연체(미도시)가 사용될 수 있다.

음극으로부터 양극으로의 전자 흐름에 대응하여 생성된 전기적 에너지는 음극 와이어(234) 및 양극 와이어(236)를 통해 외부 회로(238)에 제공된다.

변환기(200)의 전체적인 동작에서 그 특정 이점들의 측면을 중심으로 살펴보면, 전자(240)와 같은 전자들은 양극(206)에 도달함에 따라 높은 에너지 레벨을 갖는다. 따라서, 일부는 표면을 튀어 오르고 그 내부에 캡쳐되지 않는 경향이 있다. 이것은 보통 전자 산란(scatter)을 초래하고 변환기의 변환 효율을 감소시킨다. 이 러한 경향을 방지 또는 크게 줄이기 위해서, 본 발명은 전자가 양극(206)을 히트하기 바로 전에 전자들을 히트(예를 들면, 레이저빔(244)으로 전자들을 히트)하는 레이저(242)를 이용한다. 레이저빔(244)의 광자와 전자(240)간의 양자 간섭(quantum interference)은 양극(206)의 표면에 보다 쉽게 캡쳐되도록 전자들의 에너지 상태를 떨어뜨린다.

물리의 파동-입자 이중성 이론으로부터 이해될 수 있는 것처럼, 레이저빔에 의해 히트된 전자는 파동 및/또는 입자의 특성들을 나타낼 수 있다. 물론, 본 발명의 청구항들의 범위는 청구항이 양자 간섭과 같은 동작 이론을 명백히 인용하는 것을 제외하고는 임의의 특정 동작 이론에 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서, 레이저(242)가 양극(206)에 전자가 도달하기 "바로 전(just before)"에 전자를 빔(244)으로 히트한다는 것을 언급할때, 그 의미는 히트된 전자는 임의의 다른 요소들(집속 멤버와 같은)을 통과하지 않고 양극(206)으로 계속된다는 것이다. 구체적으로, 전자는 양극(206)에 도달전 2 마이크론내에서 히트된다. 좀더 바람직하게는, 전자는 양극(206)에 도달전 1 마이크론내에서 레이저에 의해 히트된다. 실제로, 제2 집속 요소(230)로부터 양극(206)으로까지의 거리는 1 마이크론일 수 있으며 레이저는 양극(206)에 더욱 근접하여 전자를 히트할 수 있다. 이러한 방식(즉, 전자가 양극에 도달하기 바로 전에 히트하는 것)에서, 전자의 에너지는 감소된 에너지가 가장 적절하고 유용한 지점에까지 감소된다.

케이싱 멤버(202)는 금속 멤버와 같이 불투명할 수 있으나, 레이저빔(244)이 레이저(242)로부터 멤버(202)내의 챔버로 이동하도록 레이저 윈도우(246)는 투명한 물질로 구성된다. 선택적으로, 레이저(242)는 챔버내에 배치될 수도 있다.

양극(206)에 도달하기 바로 전에 전자의 에너지 레벨을 줄이기 위한 레이저(242)를 사용하여 변환 효율을 개선시키는 것 외에, 본 발명의 음극(220)은 음극(220)의 전자 방출 영역을 증가시켜 효율을 개선시키도록 디자인되었다.

도 4를 참조하여, 음극(220)은 와이어의 원형 그리드(248)로 도시되었다. 평행 와이어들의 제2 층의 와이어들(254)은 256 방향으로 확장하는 반면, 평행 와이어들의 상단 또는 제1 층의 와이어들(250)은 252 방향으로 확장한다(252 방향에 가로방향으로 그리고 252 방향에 수직으로). 평행 와이어들의 제3 층(설명의 명료함을 위해 오직 하나의 와이어(258)를 도시)은 260 방향(252 및 256 방향으로부터 45도)으로 확장한다. 평행 와이어들의 제4 층(설명의 명료함을 위해 오직 하나의 와이어(262)를 도시)은 264 방향 (260 방향으로부터 90도)으로 확장한다.

도 4에서는 와이어들간의 분리 거리가 상대적으로 크게 도시되어있지만 이것 또한 설명의 명료함을 위함이다. 바람직하게, 와이어들은 미세하게 압축성형된 와이어들이며 동일 층내의 평행 와이어들간의 분리 거리는 와이어들의 지름과 비슷할 수 있다. 바람직하게, 와이어들은 2 mm 지름 또는 미세 필라멘트 크기를 갖는다. 와이어들은 텅스텐이거나 또는 음극에 이용되는 다른 금속일 수 있다.

도 5를 참조하여, 모든 와이어들(254)이 배치된 공통 평면으로부터 오프셋(offset)된 다른 공통 평면내에 배치된 모든 와이어들(250)(도 5에는 오직 하나만 도시)과 같이 와이어 250과 와이어 254는 서로가 오프셋될 수 있다. 도 6에 도시된 대안적인 배열은 직물(fabric) 방식으로 짜여진 와이어 250' 및 254'를 구비 한다.

도 7을 참조하여, 선택적인 음극(220')은 세개의 부분(266, 268, 270)을 구비할 수 있다. 각각의 부분(266, 268, 270)은 250 및 254(또는 250' 및 254')와 같은 2개의 수직 와이어 층(도 7에는 미도시)을 구비한다. 266 부분은 도 7의 평면으로 들어가는 와이어들과 도 7의 평면에 평행한 와이어들을 갖는다. 268 부분은 2개의 와이어 층을 가지며, 그 각각은 266 부분에 대한 와이어들의 방향들중 하나로붜 30도 방향으로 확장하는 와이어들을 갖는다. 270 부분은 2개의 와이어 층을 가지며, 그 각각의 층은 266 부분에 대한 와이어들의 방향들중 하나로부터 60도 방향으로 확장하는 와이어들을 갖는다.

도 7은 다른 방향으로 확장하는 다수의 와이어 층들이 이용될 수 있다는 것을 설명하려는 것임을 이해하여야 한다.

음극에 대한 다양한 와이어 그리드 구조물은 와이어들의 모양과 그들의 다수의 층으로 효과적인 전자 방출 표면을 증가시킨다. 표면 영역을 증가시키는 대안적인 방식이 도 8에 나타나있다. 도 8은 220A' 이동 방향을 따라 이동하는 전자를 방출할 수 있는 포물선 모양의 음극(280)의 측면도이다. 음극(280)은 202A 이동방향에 수직인 평면 단면 영역 A를 갖는다. 음극(280)은 양극을 향한 전자 방출을 위한 전자 방출 표면 영역 EA(음극의 굴곡으로부터)를 가지며, 이것은 평면 단면 영역 A보다 적어도 30퍼센트는 더 크다. 따라서, 주어진 음극 크기에 대해 높은 밀도의 전자들이 생성된다. 음극(280)이 포물선 모양으로 도시되었지만, 다른 곡선 표면들이 이용될 수도 있다. 음극(280)은 고체 멤버로 구성되거나 또는 각각의 층이 평면 이 아니라 곡선 모양이라는 점을 제외하고는 도 4 내지 7에서 설명된 것과 유사한 다중층 와이어 그리드 구조물과 결합할 수 있다.

도 8의 곡선 모양의 음극 장치는 측면 단면 영역 A보다 적어도 30퍼센트 큰 전자 방출 표면 영역 EA를 제공하지만, 도 4와 같은 다양한 와이어 그리드 장치는 측면 단면 영역(즉, 도 8에 의해 정의된)보다 적어도 2배인 전자 방출 표면 영역을 제공한다. 실제로, 상기 그리드 장치내의 전자 방출 표면 영역은 측면 단면 영역의 적어도 10배일 수 있다.

본 발명은 4 마이크론에서 5 센치미터로 서로 오프셋되는 음극(220)과 양극(206)을 허용한다. 좀더 구체적으로, 오프셋 또는 분리 거리는 1에서 3센치미터가 될 것이다. 따라서, 음극과 양극이 매우 근접해야만 하는 장치들에 있어서보다, 상기 음극과 양극은 음극으로부터의 열이 양극으로 거의 전달되지 않을 정도로 충분히 떨어져 있다. 그러므로, 종래의 많은 디자인들보다 냉각을 적게 요하기 때문에, 냉각제 소스(214)는 상대적으로 낮은 냉각을 필요로하는 장치가 될 수 있다.

도 9내지 11을 참조하여, 본 발명의 열전자 전기 변환기의 또 다른 실시예가 설명된다. 이 실시예는 음극으로부터의 전자 출력을 보다 증가시키도록 디자인되었으며, 이것에 의해 변환기의 변환 효율과 전기적 전류 생성을 증가시킨다.

도 9 내지 11에 도시된 실시예에 따른 열전자 전기 변환기(300)는 도 3 내지 8을 참조하여 설명된 변환기(200)와 동일하거나 유사한 요소들을 채택한다. 특히, 변환기(300)는 그 세로 범위의 적어도 일부를 따라 원통형일 수 있는 케이싱 멤버(302)를 포함한다. 변환기(300)는 또한 전자 타겟 부품(electron target subassembly) 또는 수집기(304)를 포함하며, 이에 대한 구조적 세부사항은 이하에서 설명될 것이다. 냉각 멤버(312)는 타겟 부품(304), 또는 특정 요소들이 음극 부품(318)의 동작 온도보다 일반적으로 낮은 바람직한 온도에서 유지되도록 제공된다. 음극 부품(318)은 음극 방출기(321)를 구비한 음극(320)을 포함하며, 음극 방출기(321)의 표면으로부터 전자가 에너자이즈되고 탈출되도록 만들기 위해 상기 음극에 열적으로 결합된 열원(322)에 의해 상기 음극이 가열된다.

열원(322)은 음극에 결합된 가열 멤버(324)와 음극(320)에 가열 유체(액체 또는 가스)를 전달하는 가열 회로(326)를 포함한다. 도 3 내지 8에 개시된 실시예와 같이, 외부 소스로부터 음극을 가열시키기 위한 열에너지의 소스는 태양열 에너지, 화석 연료, 레이저 에너지, 마이크로파 에너지, 또는 핵연료와 같은 방사성 물질로부터 파생된 열 에너지와 같은 형태를 취할 수 있다. 고비용으로 저장되고 이점이 없는 것이 아니라면 사용된 핵연료도 열원(322)에 열을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 다양한 타입의 열에너지를 제공하기 위한 기본적 시스템 또는 부품들의 구성은 당업자에게는 자명할 것이다.

변환기(300)는 또한 도 3에 도시된 것과 유사한 방식으로 제1 및 2 집속 링(328, 330)을 채택할 수 있다. 실드(332) 또한 음극(320)을 둘러싸기 위해 제공될 수 있으며, 도 3의 실시예에서의 실드(232)와 동일한 기능을 수행한다.

음극 방출기(321)로부터 타겟 부품(304)의 양극(306)으로의 전자 흐름에 대응하여 생성된 전기적 에너지는 음극 와이어(334) 및 양극 와이어(336)를 통해 외부 회로(338)에 제공된다. 따라서, 회로(338)는 변환기(300)에 의해 열 에너지로부 터 생성된 또는 발생된 전기적 형태의 에너지를 수신한다. 케이싱 멤버(302)내의 피드쓰루(339)를 통해, 회로내의 전류가 오직 한 방향, 즉 음극 방출기(321) 뒤로의 방향, 으로 흐르는 것이 제한되도록 회로(338)는 회로 리턴 라인(도 9에서 음극 와이어 334로 도시된)에 연결된 트랜지스터(337)를 포함한다.

변환기(300)는 또한 양자 간섭 또는 다른 입자 상호작용 현상에 의해, 전자가 양극(306)에 도달하면서 그 에너지 상태를 낮추게 하는 전자 간섭 레이저(342)를 포함한다. 레이저빔(344)은 레이저 윈도우(346)를 통과해서 전자들내에 저장된 에너지를 줄이기 위해 입력 전자들의 경로와 교차(intersect) 또는 "히트(hit)"한다. 동작 이론이 고려되는한에 있어서는, 레이저(242)와 레이저빔(244) 및 도 3과 연관되어 본 발명의 이러한 측면에 대해 참조가 이루어져야 한다. 양극(306)에의 접촉 바로 이전의 전자의 에너지 레벨 감소는 충돌로 인해 전자가 양극(306)을 히트하고 튀어올라 산란하는 경향을 줄인다. 따라서 양극(306)은 입력 전자들을 높은 퍼센티지로 캡쳐한다.

타겟 부품 또는 수집기(304)는 음극(320)의 방출 표면(321)으로의 방향(376a)으로 레이저빔(376)을 방출하기 위한, 레이저(374) 형태의, 음극 출력 강화 디바이스 또는 보조 음극 강화기(372)를 허용하도록 크기가 적응된 중심 개구부(370)을 구비하도록 구성된다. 선택적으로, 타겟 부품은 중심밖의 위치에 이와 같은 개구부를 가질 수 있으며, 또는, 선택적으로, 타겟 부품의 주변 바깥쪽 위치로부터 레이저(374)가 레이저빔(376)을 송출할 수 있도록 케이싱 멤버내에 크기가 조정되어 위치될 수 있다.

도 9 내지 11을 모두 참조하여, 타겟 부품(304)은 편의상 도면들 중심에 도시된, 개구부(370)를 갖는 양극(306)을 포함할 수 있다. 절연(전기적으로 절연) 링(378)은 개구부(370)의 엣지에 위치하며, 그 엣지에서 양극(306)을 보호한다. 전자 반발 링(electron repulsion ring)(380)은 절연 링(378)의 내부 주변에 배치된다. 이 반발 링(380)은 음극(320)으로부터 발산(emanating)하고 경로(302a)를 따라 이동하는 전자가 반발 링에 의해 제한되는 상기 개구부내로 지나는 것을 방지하기 위해 또는 그것을 통과하는 전자의 수를 최소화시키기 위해 제공된다. 전자 반발 링(380)은 피드쓰루(379)에서 반발링에 결합된 외부 소스(미도시)에 의해 부여되는 네가티브 전하가 가해지며, 또는 전자를 반발시키기 위해 다른 방식으로 동작할 수도 있다. 바람직하게, 상기 링(380)은 타겟 부품(304)의 양극(306)과 충돌하는 전자들을 초래하는 경로로의 전자들의 적어도 일부를 빗나가게 하기 위하여 동작할 것이다.

양극(306)은 도시된 바와 같이 평면 원형 플레이트로 구성될 수 있으며, 또는 선택적으로 음극(324)으로부터 멀어지는 또는 음극을 향한 방향으로 구부러질 수 있으며, 또는 음극(320)으로부터 양극으로 접촉하는 경로들을 따라 이동하는 전자들을 효과적으로 캡쳐하도록 디자인된 방식의 다른 모양일 수 있다. 양극(306)은 바람직하게는, 그 외부 주변에서, 정적으로 높게 충전된, 또는 페러데이(Faraday), 링(308)을 가지며, 상기 링은 절연 링(310)에 의해 안쪽 및 바깥쪽이 경계지어진다. 타겟 부품의 이 부분은 도 3의 실시예에 개시된 것과 본질적으로 동일하며, 전자를 양극(306)에 유인하기 위해 일반적으로 동일한 방식으로 동작하며, 전자들은 전기적 전류를 생성하기 위해 수집될 수 있다. 도 11에서 382로 개략적으로 도시된피드쓰루 컨넥터는 페러데이 링(308)을 원하는 높은 정전하를 나누기 위한 수단에 결합시키기 위해 채택된다. 절연 링(310)은 링(308)에 부가되는 정전하로부터 양극(306)과 메인 전기회로(338)를 전기적으로 절연시키기 위해 동작한다.

플레이트 양극(306)은 도 3의 양극(206)과 동일한 물질로 구성될 수 있거나, 또는 이 용도에 적당한 공지된 임의의 다른 타입일 수도 있다. 또한 음극(320)은 도 3 내지 8에서 상술된 음극(220)과 같은 방식으로 동일한 물질로 구성될 수 있거나, 또는 본 명세서에 참조되는 배경기술에서 전술된 선행 특허내에 개시된 임의의 다른 음극 구조물일 수 있다.

도 9내지 11의 실시예에서, 음극의 출력은 도 3내지 8에 나타난 실시예에서 얻어지는 것보다 크게 증가한다. 전술한 바와 같이, 레이저(374) 형식, 보조 음극 강화기(372)가 레이저빔(376)을 향하게 하기 위해 음극의 방출 표면(321)에서 제공되며, 열원(322)에 의해 제공되는 열 에너지로 얻어지는 여기 이상으로 그 표면상에서 전자들을 더욱 여기시킨다.

바람직한 실시예에서, 레이저(374)는 케이싱 멤버(302)의 안쪽으로 음극(320)이 위치한쪽에서 반대인 양극(306)측상에 위치한다. 음극(320)으로부터 양극(306)으로 이동하는 전자의 경로(302a)의 반대 방향인 경로(376a)를 따라 광자들이 이동하도록 레이저빔(376)을 향하게 레이저(374)가 조준된다. 전자로 전달되는 에너지를 최대화하기 위해, 레이저빔(376)은 음극의 방출 표면(321)을 그 표면에 직각으로 또는 작은 입사각으로 때린다.

레이저(374)는 예를 들면, 약 10-1000 MHz의 주파수에서 1에서 수 피코초(picosecond)의 기간동안 "샷(shots)" 또는 펄스를 방출하기 위해 제어기(400)에 의해 제어된다. 다른 동작 방식 또한 적용될 수 있으며, 상기 파라메터들은 설명의 목적을 위해 제시된 것임을 유의하여야 한다.

보조 음극 강화기(372)는 또한 도 11의 382로 개략적으로 도시된, 래스터링(rastering) 디바이스를 포함한다. 당업자에게는 명백할 수 있는 방식으로, 레이저빔이 옆(측면에서 측면으로) 및 수직(위에서 아래로, 또는 그 반대로) 방향으로 스윕(sweep)하도록 야기시키기 위해 래스터링 디바이스(382) 또한 제어기(400)에 의해 제어된다. 래스터링 디바이스(382)는 레이저빔이 계속적으로 또는 주기적으로 충돌할 수 있는 영역에서 음극(320)의 방출 표면의 부식을 방지하도록 사용되며, 따라서 음극의 수명을 연장시킨다. 래스터링 디바이스는 1에서 몇 나노초(nanoseconds)의 오더의 주파수에서 음극의 상단으로부터 하단 및 측면에서 측면으로 스윕을 완성시킨다. 또, 이 주기는 정해진 범위와 다를 수 있으며, 음극 표면에서 다르게 원하는 정도의 전자들의 보조적 여기를 제공하기 위해 레이저의 지속기간 및 주파수와 함께 조정될 수 있다.

개시된 상기 타입의 보조 음극 강화기의 사용은 음극의 출력을 도 3내지 8에서 보조 강화기 없이 동작되는 변환기에서의 음극의 출력보다 약 20에서 25배 증가된다. 다시, 강화기의 동작 파라미터는 음극 출력의 강화 레벨을 증가 또는 감소 시키기 위해 변경될 수 있다.

도 10에서, 보조 음극 강화기(372)의 레이저에 대해 가능한 선택적 위치가 A, B, C로 도시되어 있다. 이들 표시들은 레이저가 타겟 부품(304)에 상대적으로 중심에서 벗어나서 마운트될 수도 있다는 것을 보여주려는 의도이며, 이것에 의해 양극(306)내의 개구부는 중심에서 벗어나게 되며, 또는 타겟 부품(304)의 바깥 주변의 바깥쪽에 마운트될 수도 있다. 이 경우, 양극내에 개구부를 제공할 필요가 없을뿐만 아니라, 전자 반발 링도 필요치 않다. 이전에 설명한 바와 같이, 효과적인 에너지 전달을 유지하기 위해, 음극의 방출 표면(321)에 대해 상대적으로 작은 입사각을 유지하는 것이 바람직하다. 중심에서 벗어난 배치는 음극 출력의 덜-효과적인 강화를 초래할 수도 있으나, 이러한 배치를 사용하여 다른 디자인 고려점이 단순화될 수 있으며 이것으로 약간은 낮은 효율을 보상할 수 있다.

또한, 이 점에서, 레이저의 배치에 대한 논의는 음극 위치의 반대로, 타겟 부품(304)의 뒷쪽에 레이저를 배치하는 것에 집중된다. 이러한 배치는 음극 표면에 대해 레이저빔의 작은 입사각을 유지하려는 의도이며, 레이저를(374)를 양극(306)의 앞쪽(즉, 양극과 음극사이에 수직으로)에 배치하는 것도 가능하며, 음극으로부터 양극으로 이동하는 전자들의 경로 반지름 방향의 바깥쪽에 배치된다.

도 11에 나타난 본 발명의 또 다른 특징은 양극(306)에서 튀어오른 또는 양극에 의해 캡쳐되지 못한 빗나간 전자들을 처리하기 위하, 케이싱 멤버(302)의 내부 주변 주위의 다수의 일렉트릿(electrets)(398)의 제공이다. 이러한 빗나간 전자들은 진공 챔버내에 공간 전하를 생성할 수 있다. 상기 일렉트릿(398)은 임의의 공간 전하 발생을 충분히 방지하기 위해 그라운드에 연결된다.

본 발명은 특정 실시예들과 함께 설명되었지만, 이에 대한 많은 변경이나 변 화들이 가능하다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서에 설명된, 본 발명의 바람직한 실시예는 설명의 목적이며 제한하려는것이 아니다. 본 명세서에 설명되고 첨부되는 청구항들에 의한 본 발명의 의도 및 범위에서 벗어나지 않는 다양한 변경들이 이루어질 수 있다.

Claims (21)

1. 열전자 전기 변환기에 있어서,

   케이싱 멤버(casing member)와,

   가열될 때 전자들의 소스로서 동작할 수 있는 음극 방출기를 구비하는, 상기 케이싱 멤버내의 음극과,

   상기 음극 방출기로부터 방출된 전자들을 수신할 수 있는 양극을 포함하는, 상기 케이싱 멤버내의 타겟 구조물과,

   전자들의 여기 에너지를 증가시킬 수 있는, 상기 음극 방출기에 배치된 음극 출력 강화 디바이스

   를 포함하는 열전자 전기 변환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 음극 출력 강화 디바이스는 레이저빔이 상기 음극 방출기의 방출 표면을 치도록 배치된 음극 강화 레이저를 포함하는, 열전자 전기 변환기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 음극 강화 레이저는 상기 케이싱 멤버의 내부에 배치된, 열전자 전기 변환기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 음극 강화 레이저는 상기 레이저빔이 상기 음극의 상기 방출 표면을 가로질러 스윕(sweep)하도록 야기시킬 수 있는 래스터링(rastering) 디바이스에 의해 제어되는, 열전자 전기 변환기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 래스터링 디바이스는 상기 레이저빔이 상기 음극의 방출 표면 전체를 충분히 가로질러 스윕하도록 야기시킬 수 있는, 열전자 전기 변환기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 음극은 상기 양극의 제1 측에 배치되고, 상기 음극 강화 레이저는 상기 제1 측의 반대인 상기 양극의 제2 측에 배치되는, 열전자 전기 변환기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 양극은 상기 음극 강화 레이저로부터 발산하는 레이저빔이 통과하도록 그 내부에 개구부를 구비하는, 열전자 전기 변환기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 양극내의 상기 개구부는 실질상 상기 양극의 중심에 배치되는, 열전자 전기 변환기.
9. 제7항에 있어서,

   상기 타겟 구조물은 상기 양극내의 상기 개구부에 배치된 전자 반발링(electron repulsion ring)을 더 포함하며, 상기 전자 반발링은 그것을 통하는 개구부를 구비하는, 열전자 전기 변환기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 전자 반발링은 상기 양극내의 상기 개구부의 엣지에 배치된 전기적 절연링에 의해 상기 양극과 결합되는, 열전자 전기 변환기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 전자 반발링은 상기 전자 반발링상에 네가티브 전하를 부가할 수 있는 소스에 효과적으로 결합된, 열전자 전기 변환기.
12. 제7항에 있어서,

    상기 타겟 구조물은 상기 양극의 바깥쪽 주변에 배치된, 정적으로 높게 충전된 링을 더 포함하는, 열전자 전기 변환기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 양극 및 상기 정적으로 높게 충전된 링은 내부 절연링에 의해 서로 결 합되며, 상기 정적으로 높게 충전된 링은 상기 케이싱 멤버 안쪽의 상기 타겟 구조물에 마운트하기 위해 적응된 바깥쪽 절연링을 구비하는, 열전자 전기 변환기.
14. 제1항에 있어서,

    상기 음극 방출기는 각각이 서로 가로지르는(transverse) 적어도 2개의 방향으로 향하는 와이어들을 구비하는 와이어 그리드(grid)를 포함하는, 열전자 전기 변환기.
15. 제1항에 있어서,

    상기 양극은 실질적으로 평면 플레이트 양극인, 열전자 전기 변환기.
16. 제1항에 있어서,

    상기 음극과 양극사이의 전자들을 히트(hit)할 수 있는 전자 간섭 레이저를 더 포함하는, 열전자 전기 변환기.
17. 제2항에 있어서,

    상기 음극과 양극사이의 전자들을 히트할 수 있는 전자 간섭 레이저를 더 포함하는, 열전자 전기 변환기.
18. 제1항에 있어서,

    상기 케이싱 멤버내에 배치되며 상기 케이싱 멤버내에 존재하는 빗나간(stray) 전자들을 처리(scavenge)할 수 있는 적어도 하나의 일렉트릿(electret)을 더 포함하는, 열전자 전기 변환기.
19. 열전자 전기 변환기에 있어서,

    케이싱 멤버와,

    가열될 때 전자들의 소스로서 동작할 수 있는 음극 방출기를 구비하는, 상기 케이싱 멤버내의 음극과,

    상기 음극 방출기로부터 방출된 전자들을 수신할 수 있는 양극을 포함하는, 상기 케이싱 멤버내의 타겟 구조물과,

    레이저빔이 상기 음극 방출기의 방출 표면을 치도록 배치된 음극 강화 레이저와,

    상기 레이저빔이 상기 음극의 상기 방출 표면을 가로질러 래스터(raster)할 수 있도록 하는 제어기

    를 포함하는, 열전자 전기 변환기.
20. 제19항에 있어서,

    상기 음극 및 상기 음극 강화 레이저는 상기 타겟 구조물의 반대쪽에 배치되며, 상기 양극은 그 내부에 상기 음극 강화 레이저로부터 발산하는 레이저빔이 통과할 수 있도록 허용하는 개구부를 구비하며, 상기 타겟 구조물은 상기 양극내의 상기 개구부에 배치되는 전자 반발링 및 상기 케이싱 멤버내의 전자들을 상기 양극으로 끄는데 도움이 되는, 상기 양극의 바깥쪽 주변으로 확장한 정적으로 높게 충전된 링(highly statically charged ring)을 포함하는, 열전자 전기 변환기.
21. 제20항에 있어서,

    상기 음극과 양극 사이의 전자들을 히트할 수 있는 전자 간섭 레이저를 더 포함하는, 열전자 전기 변환기.

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