专利名称：热电转换器的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及将热能直接转换为电能的领域。更具体地说，涉及一种热电转换器。
背景技术：
迄今为止，人所共知的热转换器，如美国专利US3,519,854，US3,328,611，US4,303,845，US4,323,808，US5,459,367，US5,780,954和US5,942,834(所有的都授予了本发明的发明人，并都在此作参考引用)中所显示的，公开了各种将热能直接转换为电能的装置和方法。在美国专利US3,519,854中，描述了一种使用霍尔效应技术作为输出电流收集器的转换器。该’854专利教导了使用从发射阴极表面煮去(boiling off)的电子流作为电子源。电子经过加速射向位于霍尔效应换能器外的阳极。’854专利的阳极是一种简单的金属板，它具有环绕该板并与其绝缘的重静电充电件。
美国专利US3,328,611公开了一种球状构成的热电转换器，其中球状发射阴极被供给热量，以此在控制件的影响下将电子发射到同心定位的球状阳极上，该球状阳极在其上具有较高的正电位，并与控制件绝缘。与’854专利一样，’611专利的阳极也是简单的金属表面。
美国专利US4,303,845公开了一种热电转换器，其中阴极的电子流穿过位于横向磁场中的空气铁芯感应线圈，由此通过电子流与横向磁场的交互作用在感应线圈中产生EMF。该’845专利的阳极也包括金属板，它具有环绕该板并与其绝缘的重静电充电件。
美国专利US4,323,808公开了一种激光激励的热电转换器，它与’845专利中公开的热电转换器十分相似。主要差异在于’808专利公开了一种使用作用于栅极上的激光，电子被聚集在栅极上，同时栅极的电位被消除，由此产生通过位于横向磁场中的空气铁芯感应线圈而被加速射向阳极的电子团。’808专利的阳极与’845专利中公开的阳极相同，即，是一种简单的金属板，它具有环绕该板并与其绝缘的重静电充电件。
美国专利US5,459,367有利地使用了一种改进的集电极元件代替金属板，该元件具有铜羊毛纤维和硫酸铜凝胶。此外，集电极元件具有环绕阳极并与其绝缘的多荷电(即，静电)件。
美国专利US5,780,954和US5,942,834主要涉及一种构成为线栅的阴极，该阴极是非平面形状以能增加其发射表面积。这些专利还公开了一种使用激光来撞击到达阳极前的电子流的技术，作为一种通过量子干扰的测量以使电子能够更加容易地被阳极捕获。
另一种在先设计具有相对一起靠近，如在真空室中相隔两微米的阳极和阴极。这样的在先设计除了铯感应到容置阳极和阴极的腔室中外没有使用吸引力来吸引从阴极发射向阳极的电子。铯用正电荷涂覆阳极以能保持电子流动。由于阴极和阳极如此靠近在一起，因此很难使阴极和阳极的温度保持实质温度差。例如，使阴极具有1800度凯氏绝对温度，阳极具有800度凯氏绝对温度。提供热源用以加热阴极，在阳极提供冷却剂循环系统以能使它维持在所需的温度。即使腔室保持真空(除了铯源外)，阴极的热进入阳极，它消耗大量的能量以能维持紧密间隔的阴极和阳极之间的高温差。反过来说，这就实质上降低了系统效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种相对以前的设计或开发具有增强和/或改进特征的热离子转换器。
本发明的另一个目的是提供一种具有提高的转换效率的热离子转换器。
本发明的又一个目的是提供一种热离子转换器的改进阴极，该阴极具有提高的阴极输出。
本发明的还一个目的是提供一种热电转换器，其中阴极通过激光进行粒子辐射以能提高阴极的发射率。
本发明的再一个目的是提供一种阳极或靶，它被设计成能够捕获从阴极发射出的电子，同时还容置激光阴极增强器。
本发明的上述和其它目的，如后面继续描述的那样将会变得清楚，通过热电转换器而实现，该转换器具有外壳件，位于外壳件中、并在被加热时可操作地用作电子源的阴极，和位于外壳件中可操作地接收从阴极发射出电子的阳极。该阴极可以是线栅，它使电线至少在两个相互横向相交的方向上延伸。充电的第一聚焦环位于阴极和阳极之间的外壳件中，可操作地将阴极发射的电子通过第一聚焦环引导至它们到达阳极的途中。充电的第二聚焦环位于第一聚焦环和阴极之间的外壳件中，并可操作地将阴极发射的电子通过第二聚焦环引导至它们到达阳极的途中。也可以需要附加的聚焦环。阴极最好与阳极隔离一段大约为4微粒至5厘米的距离。较佳的是，阴极与阳极隔离一段1至3厘米的距离。可操作地撞击电子的激光(即，将激光束作用于电子上)位于阴极和阳极之间。激光仅在电子到达阳极前撞击电子。激光可操作地向电子提供量子干扰以使电子更加方便地被阳极捕获。
阴极可以是固体材料，或由线栅形成的。在使用线栅结构时，线栅最好包括至少四层电线。而且，每个电线层具有在不同于其它每个电线层的方向上延伸的电线，阴极的线栅因此包括在至少四个不同方向上延伸的电线。这种设计能够极大地增加阴极的发射表面。
另一种可选方案是，本发明可被描述为热电转换器，它具有外壳件，该外壳件位于外壳件中、并在被加热时可操作地用作电子源的阴极，位于外壳件中可操作地接收阴极发射出电子的阳极；和用于撞击阴极和阳极之间电子的激光。该激光因此能够向电子提供量子干扰以使电子更加方便地被阳极捕获。该激光可操作地仅在电子到达阳极前撞击电子。该激光可操作地在电子到达阳极时撞击2微米内的电子。该阴极是线栅，它使电线至少在两个相互横向相交的方向上延伸。阴极与阳极隔离一段大约为4微粒至5厘米的距离。
又一种可选方案是，本发明可被描述为热电转换器，它具有外壳件，该外壳件位于外壳件中、并在被加热时可操作地用作电子源的阴极，和位于外壳件中可操作地接收阴极发射出、并通常沿着用于限定从阴极到阳极方向的运动方向继续移动的电子的阳极。该阴极具有正交于该移动方向的平面截面积，该阴极具有电子发射向阳极的电子发射表面积，该电子发射表面积至少大于平面截面积的30％。该阴极是线栅，它使电线至少在两个相互横向相交的方向上延伸。另一种可选方案或附加方案是，阴极在至少一个垂直于移动方向的方向上是弯曲的。激光位置的设置要能够使电子到达阳极前撞击阴极和阳极之间的电子。最好是，电子发射表面积至少是平面截面积的两倍。更佳的是，电子发射表面积至少是平面截面积的两倍。电线的直径越小，发射面积就越大。这是一个指数关系。
本发明还涉及激光器的使用，激光器设置成能够在沿着阴极发射表面被扫描或步进的同时撞击阴极，其目的是提高阴极发射出的电子输出。激光器可位于阳极或靶后面，瞄向阴极，激光束可通过靶上的开口撞击阴极。靶或阳极特别设计成在其中，最好通过其中心具有开口，它设置成能够容设的激光器的操作。
本发明将参考下面的附图进行详细的描述，其中相同的参考标号表示相同的部件，图中图1表示现有热电转换器的大致视图；图2表示现有激光激励的热电转换器的大致视图；图3表示根据本发明的热电转换器的局部剖视侧面图和大致视图；图4表示用于阴极的线栅结构的仰视图；图5表示一部分线栅结构的侧视图；图6表示一部分另一种线栅结构的仰视图；图7表示线栅结构中多层的大致侧视图；和图8表示另一种可选阴极结构的简化侧视图。
图9表示根据本发明另一个实施例的热电转换器的局部剖视侧面图和大致视图。
图10表示用于图9实施例中靶组件的大致正视图。
图11表示图10的靶组件的大致侧视图。
具体实施例方式
图1和2表示现有热电转换器，正如分别在本发明的发明人EdwinD.Davis的美国专利US4,303,845和US4,323,808中显示和描述的，其全部技术方案在此作参考引用。虽然在所引用的专利中详细地描述了两种热电转换器的操作，但是这里参考图1和2显示了一般的操作概述。这样可以为理解本发明提供有用的背景技术。
图1表示基本的热电转换器。图2表示激光激励的热电转换器。两种热电转换器的操作十分相似。
参考附图，显示的基本的热电转换器10。该转换器10具有细长的圆柱形状的外壳12，安装有一对端壁14和16，由此形成封闭的腔室18。外壳12是由任何数量的公知的加固的非导电性的材料，如高温塑料或陶瓷制成，而端壁14和16是可以形成电连接的金属板。这些部件机械地粘接在一起，并被密封以使腔室18可以支撑真空，端壁14和16可适度地施加高电位并进行维持。
第一端壁14包含成形的阴极区20，使电子发射涂层设置在其内表面上，而第二端壁16形成为圆形的、稍微凸起的表面，该表面首先安装在绝缘环21中以能形成组件，然后所有这些组件与外壳12紧密配合。在使用时，端壁14和16分别用作阴极端子和转换器10的集电板。在这两个壁之间，电子束22将大致沿着圆柱形腔室18的对称轴流动，起始于阴极区20，终止于集电板16。
环形聚焦元件24在邻接阴极20的位置同心地位于腔室18中。挡板26在邻接于集电板16的位置同心地位于腔室18中。
设置在这两个元件之间的是感应组件28，它包括螺旋感应线圈30和细长的环形磁铁32。线圈30和磁铁32同心地设置并占据腔室18的中心区域。简单地参考图2的大致视图，可以看到不同元件和组件的相对径向定位。为了显示清楚，这些内部定位元件的机械锁紧器没有在每个附图中介绍。聚焦元件24通过引线34和密封的馈通(feed though)36有选择地连接静电位的外部电源(未图示)。感应线圈30同样通过一对引线38和40和一对馈通42和44连接外部负荷元件，简单地图示为电阻46。
作用于不同元件上的电位没有进行清楚地显示或详细的讨论，因为它们组成实现相关电子束设备的公知和常用的器件。简而言之，考虑把(习惯上)阴极区20作为电压参考电位，高的正静电荷作用于集电板16上，包含该电压源的外部电路通过将其负极侧与阴极20相连接而完成。所作用的高的正静电荷使产生于阴极区20的电子束22以一个直接取决于所施加的高静电荷幅值的值高加速射向集电板16。电子以足以产生一定量的回弹的速度撞击集电板16。阻挡板26的构成和定位要能防止形成回弹的电子到达转换器的主要部分，如果需要可以使用电连接(未图示)。一个低至适中电位的负电压作用于聚焦元件24上，用于将电子束22聚焦为窄的电子束。在操作中，热源48(可能从不同的源，如矿物燃料的燃烧，太阳能设备，原子能设备，原子能废物或来自现有的原子能操作的热交换器获得)用于加热阴极20上的电子发射涂层，以此煮去(boiling off)一定数量的电子。所释放的电子通过聚焦元件24聚焦为窄的电子束，并经过加速射向集电板16。在通过感应组件28时，电子在磁铁32引起的磁场影响下产生，并执行交互移动，这样能够在感应线圈30的线匝中产生感应的EFM。实际上，所感应的EFM是大量单个电子执行较小环形电流回路以此在每个线圈30的绕组中产生大量相对应的微小EMFs的总和。总体上来说，转换器的输出电压正比于迁移中的电子速度，输出电流取决于电子源的尺寸和温度。所感应的EMF的机构可根据作用在具有起始线速度的电子上的洛仑兹(Lorentz)力进行解释，因为电子进入了正交于电子速度的实质上均匀的磁场。在适当构成的设备中，螺旋电子路径(未图示)产生了，该螺旋路径通过法拉第定律，如果需要产生所需的净磁通量变化率，从而产生所感应的EMF。
螺旋电子路径产生于由于集电板16的加速作用的线性移动路径(纵向)和由于起始电子速度和磁铁32的横向磁场的交互作用的环形路径(横向)的结合。根据作用于集电板16上的高电压的相对幅值和磁铁32产生的磁场的强度和方位，也可以使用直接在感应线圈30中产生电压的其它机构。上述的机构仅仅是说明性作用，不能认为是唯一可用的操作模式。但是，所有机构将产生于所用的洛仑兹和法拉第(Faraday)因素的不同组合。
在美国专利US4,303,845中所示的基本转换器和在美国专利US4,323,808中所示的激光激励的转换器之间的基本差别在于激光激励的转换器将阴极表面煮去的电子通过经过引线180的负电位源178收集在栅极176上，该栅极176具有作用于其上面的较小负电位，它捕获电子流和电子团。去除作用在栅极上的电位，而栅极同时暴露于激光组件170、173、174、20的激光脉冲放电，以使电子团块22被释放。然后电子团块22进行电聚焦，通过位于横向磁场中的空气铁芯感应线圈的内部，以此在感应线圈中产生EMF，该感应线圈应用于外部电路以执行上述有关基本热离子转换器的工作。
正如本发明人的在先美国专利US5,459,367中所述，存在许多伴随的缺点，通常与集电元件是由简单的导电金属板构成的情况相关。因此，该设计的集电元件包括填充有铜羊绒纤维的硫酸铜凝胶的导电层。本发明可以使用这样的阳极。但是，本发明也可以使用导电金属板阳极，作为本发明的其它方案，将避免这样的金属板阳极产生的一些不利因素或使其最小化。从根本上来说，阳极的特殊细节不会集中于本发明的较佳设计。
现在参考图3，根据本发明的热电转换器200包括外盖202，其中真空以公知的方式通过真空装置(未图示)进行维持。外盖202最好是关于中心轴202A是圆柱形的，该中心轴202A用作外盖202和除了其它所提及外部件的对称轴。
集电极204可包括扁平的阳极圆形板206(例如是由铜制成的)，它被一个经过静电充电的环208(例如，充电至1000库仑)所包围，该充电环208具有同心的绝缘环210。环208和环210可以如美国专利US5,459,367中所述的那样进行构成和操作。冷却件212热接于板206上以使冷却剂源214的冷却剂通过冷却回路216进行循环利用。冷却件212使阳极板保持在所需的温度。另一种可选方案是冷却件212可以与阳极板206相同(换句话说，冷却剂将循环通过板206)。使用一个或多个传感器(未图示)的反馈装置(未图示)能够用于稳定阳极206的温度。
本发明的阴极组件218包括阴极220，它通过热源加热以使它发射通常沿着到阳极206的移动方向202A移动的电子(正如美国专利US5,459,367所述的，充电环208有助于将电子吸引向阳极)。虽然热源图示为通过加热回路226加热流向加热件224(与阴极220热接)的流体(液体或气体)的源222，但是也可以使用另一种能源，如作用于阴极224上的激光。输入给源222的能量可以是矿物燃料、太阳能、微波或放射性材料。而且，其它的以较大花费且没有利益地简单存储的所用原子能燃料可用于给源22提供热。
在阴极220激发至费米(Fermi)能级的电子从其表面逃逸，并被静充电环208吸引，通过第一和第二聚焦环或圆柱228和230沿着移动方向202A前行，第一和第二聚焦环或圆柱228和230可以与上述现有装置中相同样式的聚焦元件24来构成和操作。为了帮助这些电子在正确的方向上移动，屏蔽板232可包绕阴极224。如图所示，屏蔽板232可以是圆柱形或圆锥形，包括最接近于阴极224的圆柱形部和远离阴极224的锥形部。在任何情况下，屏蔽板有助于保持电子在方向220A上移动。电子易于从屏蔽板232被排斥，因为该屏蔽板处于相对较高的温度下(其邻近于相对于高温的阴极220)另一种可选方案或附加方案是，为了被高温的屏蔽板排斥，可以给屏蔽板232施加负电荷。在后种情况下，可以在屏蔽板232和阴极220之间使用绝缘(未图示)。
对应于从阴极220到阳极206的电子流产生的电能通过阴极导线234和阳极导线236提供给外部电路238。
从转换器200的总体操作到其具体的有利方案来看，如电子240的这些电子在接近阳极206时往往具有较高的能级。因此，对一些电子来说正常的趋势是冲出表面，在此不会被捕获。这样通常会导致电子扩散，减小了转换器的转换效率。为了避免或极大地减小这种趋势，本发明使用激光器242，它仅在电子撞击阳极206之前能够撞击电子(例如，用激光束244撞击电子)。激光束244的光子和电子240之间的量子干扰降低了电子的能态以使它们更加地易于被阳极206的表面所捕获。
正如从物理学的双波粒子理论中将会明白的，经过激光束撞击的电子可以呈现波和/或粒子的性能。当然，本发明的权利要求保护范围不局限于任何特定的操作远离，除非和除了权利要求明确地提及这样的操作原理，如量子干扰。
正如这里所使用的，“仅在”电子到达阳极206之前提及的用激光244撞击电子的激光器242是指已经过撞击的电子在继续到达阳极206时不会穿过任何其它部件(如聚焦元件)。更具体地说，电子在到达阳极206时最好在2微米内被撞击。即使更加优选的是，电子在到达阳极206时在1微米内被激光撞击。事实上，从第二聚焦元件230到阳极206的距离可以为1微米，而且激光可撞击更接近于阳极206的电子。在此情况下(即，在电子到达阳极前撞击电子)，电子的能量在某一点的位置会减小，在此位置减小的能量是最合适和有用的。
虽然外盖202可以是不透明的，如金属件，但是激光窗口246是由透明的材料制成的以使激光束244能够从激光器242射到外盖202的腔室中。
另一种可选方案是，激光器242可设置在腔室中。
除了通过使用激光器242提高转换效率以能减小仅在电子到达阳极206之前的电子的能级外，本发明的阴极220还特别设计成通过增大阴极220的电子发射面积而提高效率。
参考图4，阴极220被显示为导线248的圆形栅格。平行导线的顶层或第一层导线250在方向252上延伸，而平行导线的第二层导线254在横交于方向252，最好是垂直于方向252的方向256上延伸。平行导线的第三层(为了便于说明仅显示一个导线258)在方向260(与方向252和256相差45度)上延伸。平行导线的第四层(为了便于说明仅显示一个导线262)在方向264(与方向260相差90度)上延伸。
应该注意图4表示它们之间仅具有相对较大间距的导线，但这也是为了便于说明。最好是，导线是经过精致挤压的导线，而且在相同层中的平行导线之间的间距可与导线的直径相同。优选地，导线的直径为2mm或更小以能达到细丝尺寸。导线可以是钨或者阴极中使用的其它材料。
参考图5，导线250和254可相互偏移，其中所有导线250(图5中仅显示一个)处于一个共平面中，该共平面偏移一个所有导线254所处的不同共平面中。图6中另一种结构具有以织品的方式进行交织的导线250’(仅能看见一个)和254’。
参考图7，另一种阴极220’可具有三个部分266、268和270。每个部分266、268和270可具有两个垂直的导线层(图7中未显示)如250、254(或250’和254’)。部分266应具有进入图7平面图中的导线和平行于图7平面的导线。部分268具有双层导线，每层具有在偏离部分226的其中一个导线方向相距30度的方向上延伸的导线。部分270具有双层导线，每层具有在偏离部分226的其中一个导线方向相距60度的方向上延伸的导线。
将会认识到图7表示可使用在不同方向上延伸的多层导线的点。
阴极的不同线栅结构通过导线形状和它们的多层来提高有效的电子发射表面积。提高表面积的另一种方式显示在图8中。图8表示用于发射通常沿着移动方向220A’移动的电子的抛物线阴极280的侧截面视图。阴极280具有正交于移动方向202A’的平面截面积A。更重要的是，阴极280具有发射向阳极的电子发射表面积EA(远离阴极的弯曲部分)，它至少大于平面截面积A的30％。因此，对给定尺寸的阴极产生较大密度的电子。虽然阴极280显示为抛物线型，但是可以使用其它弯曲的表面。阴极280可由固件形成，或也包括与图4-7所描述的相似多层线栅结构，除了每层可以是弯曲的而不是平面外。
虽然图8的弯曲的阴极结构提供了至少大于侧截面积A的电子发射表面积EA，但是如图4所示的不同线栅结构提供了至少是侧截面积(即，如图8所示所定义的)两倍的电子发射表面积。事实上，在栅结构中的电子发射表面积应该至少是侧截面积的10倍。
有益的是，本发明允许阴极220和阳极206相互偏离4微米至5厘米。更具体地说，该偏离或间隔距离为1厘米至3厘米。因此，阴极和阳极间隔足够的远以使阴极的热与在阴极和阳极必须十分接近的结构中相比不可能传输给阳极。因此，冷却源214可以是相对较低的冷却剂需求结构，因为与许多在先设计相比不需要进行冷却。
现在参考图9-11，解释本发明的热电转换器的另一个实施例。该实施例设计成进一步提高阴极的电子输出，由此进一步提高转换器的转换效率和电流形成。
根据图9-11所示实施例的热电转换器300最好使用许多与参考图3-8所述的转换器200相同或相似的部件。特别是，转换器300最好包括外盖302，外盖302最好是沿着至少一纵向部分长度延伸的是圆柱形。转换器300进一步包括电子靶组件或集电极304，其详细结构在下面将进行描述。冷却件3 12的设置要能够使靶组件304或其特定部件维持在所需的温度，通常低于阴极组件318的工作温度。阴极组件318最好包括具有阴极发射极321的阴极320，该阴极通过与阴极热偶接的热源322进行加热，以使阴极的加热将给电子增能，并从阴极发射极321的表面逃逸。
如图所示的热源322包括与阴极连接的加热件324，和发送加热流体(液体或气体)给阴极320的加热电路326。与图3-8中所公开的实施相同，本领域的普通技术人员将会认识到从外部源加热阴极的热能源可以采用太阳能、矿物燃料、微波能或放射性材料，如放射性废物或废弃放射性材料，产生的热能。其它需要以较大花费进行存储的所用原子能燃料可用于给热源322提供热能。提供各种类型热能的基本系统或组件的构成对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
转换器300也最好可以一种与图3中所示的方式使用第一和第二聚焦环328、330。也可以设置屏蔽板332包绕阴极320以能实质上执行与图3实施例中屏蔽板232所实行的相同功能。
对应于从阴极发射极321流向靶组件304的阳极306的电子流产生的电能通过阴极导线334和阳极导线336提供给外部电路338。因此电路338接收电能，该能量是由转换器300的热能产生或形成的。电路338最好可包括用电路返回线(图9中所示的阴极导线334)连接的晶体管337，以使电路中的电流被限制为仅在一个方向上，即，在与阴极发射极321相反的方向上通过外壳302中的馈通339而流动。
转换器300最好进一步包括电子干扰激光器342，用于通过量子干扰或其它粒子交互现象降低到它们到达阳极306的电子的能态。激光束344穿过激光器窗口346，并相交入射电子的路径或“撞击”入射电子以能减小存储在电子中的能量。在所涉及的工作原理范围内，参考激光器242和激光束244和这里的图3，的可讨论本发明的这一方面。立即在接触阳极306前电子能级的降低可减小电子撞击阳极306以及由于碰撞而产生电子逃出和扩散的趋势。阳极306因此能够捕获较大百分比的入射电子。
靶组件或集电极304的构成最好要能具有一个中心开口370，其尺寸要适于允许阴极输出增强设备或辅助阴极增强器372以激光器374的形式在阴极320的发射表面321的方向376a上发射激光束376。另一种可选方案是，靶组件可在其偏中心位置具有这样的开口，或者，另一种方案是，其在外壳302中的尺寸和位置要使激光器374能够从靶组件的周缘外的位置发射激光束376。
参考全部图9-11，靶组件304最好可包括在其中具有开口370的阳极306，为了方便起见，显示在附图中心。绝缘(电绝缘)环378位于开口370的边缘，最好在其边缘紧固于阳极306。电子排斥环380设置在绝缘环378的内周缘上。排斥环380的设置是为了实质上防止阴极320发散出去和沿路径302a流动的电子进入和穿过排斥环380所限定的开口，或者最小化穿过其中的电子数量。电子排斥环380最好供给有外电源(未图示)施加的负电荷，外电源在馈通379中接合排斥环，或者以不同的方式进行操作以能排斥电子。最好是，环380将用于使至少部分电子偏转到导致电子与靶组件304的阳极306相碰撞的路径上。
阳极306可形成为平圆形板，如图所示，或者可选为在任何一个朝向或远离阳极324的方向上弯曲，或者其成形的方式要设计成有效地捕获沿着从阴极320而与阳极接触的的径流动的电子。阳极306最好在其外周缘具有高静电荷或通过内外绝缘环310进行限制的法拉第环308。这部分的靶组件实质上与图3实施例公开的相同，并通常以相同的方式进行操作而有助于吸引射向阳极306的电子，为了产生电流而收集电子。在图11中大致所示的馈通连接器用于将法拉第环308与减小所需高静电的器件相连接。绝缘环310用于将阳极306和主电路338与施加在环308上的静电荷相绝缘。
板阳极306可由与图3中阳极206相同的材料构成，或者可以是任何其它适用于这种使用的本领域中公知的类型。阴极320也可由与参考图3-8讨论和显示的阴极220相同的材料和相同的方式构成，或者可以是任何其它在背景技术中讨论的在先专利所公开的阴极。
在图9-11的实施例中，阴极的输出在图3-8所示实施例中获得的基础上得到极大地提高。正如前面所示，以激光器374形式的辅助阴极增强器372设置成将激光束376射向阴极的发射表面321，它通过由热源322提供的热能获得的激励和在此基础上进一步激发该表面上的电子。
在图示的较佳实施例中，激光器374位于外盖302的内部和与阴极320所在侧相对的阳极306侧上。激光器374旨在发射激光束376以使光子实质上在电子从阴极320到阳极306传输的路径302a的相反方向上沿着路径376a传输。激光束376最好撞击阴极的发射表面321，或者以正交于该表面，或者以较小的入射角进行撞击以能使电子的能量传输最大化。
激光器374最好用控制器400进行控制以能发射“点射”或具有，例如在大约10-100MHz频率的一至几皮秒顺序的宽度的脉冲。其它工作状态也同样适用，应该认识到这些参数主要是为了说明目的而提供的。
辅助阴极增强器372最好也包括光栅设备，大致如图11中382所示。该光栅设备382最好也用控制器400进行控制以使激光束376以一种本领域技术人员在阅读说明书时显而易见的方式在侧向(侧边到侧边)和垂直(上到下，反之亦然)方向上扫描。光栅设备382的使用要能够在激光束可能经常或频繁撞击的区域防止阴极320的发射表面的侵蚀，因此能够延长阴极的使用寿命。光栅设备最好在一个一至几皮秒顺序的频率完成从阴极的侧边到侧边和从上到下的扫描。而且，该周期可与所述的优选范围不同，可与激光脉冲的频率和宽度相一致以能在阴极表面提供不同电子辅助激励所需的程度。
可以预期所公开的这种类型的辅助阴极增强器的使用将会提高阴极的输出，例如，大约为图3-8中在转换器没有辅助增强器工作时阴极输出的20-25倍。而且，增强器的工作参数随着提高或降低阴极输出的增强级而变化。
在图10中，辅助阴极增强器372的激光器374的其它可能位置如图A、B和C所示。这些指示标号用于显示激光器374可相对于靶组件304进行偏心安装，由此阳极306中的开口将会偏心，或者可安装在靶组件304外周缘的外部。在后种情况下，在阳极中不必提供开口，也不需要电子排斥环。正如前所述，为了保持能量的有效转换，就希望相对于阴极的发射表面321保持激光束的相对较小的入射角。偏心定位可能导致阴极输出的低效提高，但是，通过使用这样的位置可简化其它设计因素，这样可能会补偿略微降低的效率。
而且，就此点来说，激光器的定位讨论已经集中于将激光器定位在靶组件304的后侧，与阴极所在的侧相对。虽然这样的定位有助于保持激光束相对于阴极表面相对较小的入射角，但是它能够将激光器374定位在阳极306的前方(即，阳极和阴极之间的长度方向)，只要它径向地定位在电子从阴极射向阳极的路径外侧即可。
图11中所示的本发明进一步特征规定了环绕外盖部件302内周缘的许多电介体398，有助于清除任何弹出阳极306或其它没有被阳极捕获的离散电子。这些离散电子能够在真空室中产生空间电荷。驻极体398将接地以能实质上防止产生任何空间电荷。
虽然结合其具体的实施例对本发明作了描述，但是很显然许多替换、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，正如这里所提出的本发明的较佳实施例是起解释说明作用，没有限制作用。在不脱离这里和后面权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可对其作出各种变化。
权利要求
1.一种热电转换器，包括外壳件；阴极，所述阴极位于所述外壳件中，具有阴极发射极，当被加热时可操作地用作电子源；靶结构，所述靶结构位于外壳件中，包括阳极，可操作地接收从阴极发射极发射出的电子；和阴极输出增强设备，所述阴极输出增强设备可操作地提高位于所述阴极发射极处的电子的激励能量。
2.如权利要求1所述的热电转换器，其中所述的阴极输出增强设备包括阴极增强激光器，所述阴极增强激光器设置成引导激光束以撞击所述阴极发射极的发射表面。
3.如权利要求2所述的热电转换器，其中所述的阴极输出增强激光器位于所述外壳件的内部。
4.如权利要求3所述的热电转换器，其中所述的阴极输出增强激光器通过光栅设备进行控制，该光栅设备可操作地使激光束在所述阴极的所述发射表面上扫描。
5.如权利要求4所述的热电转换器，其中所述的光栅设备可操作地使激光束实质上在所述阴极的全部发射表面上扫描。
6.如权利要求2所述的热电转换器，其中所述的阴极位于所述阳极的第一侧，所述阴极增强激光器位于与所述第一侧相对的所述阳极的第二侧。
7.如权利要求6所述的热电转换器，其中所述的阳极在其中具有开口，允许从所述阴极增强激光器发射出的激光束穿过开口。
8.如权利要求7所述的热电转换器，其中所述阳极中的所述开口实质上位于所述阳极的中心。
9.如权利要求7所述的热电转换器，其中所述的靶结构进一步包括位于所述阳极中开口内的电子排斥环，所述电子排斥环在其中具有开口。
10.如权利要求9所述的热电转换器，其中所述的电子排斥环通过电绝缘环连接所述的阳极，电绝缘环位于所述阳极的所述开口边缘上。
11.如权利要求10所述的热电转换器，其中所述的电子排斥环可操作地连接至源，该源用于将负电荷施加在所述电子排斥环上。
12.如权利要求7所述的热电转换器，其中所述的靶结构进一步包括位于所述阳极的外周缘上的高静电充电环。
13.如权利要求12所述的热电转换器，其中所述的阳极和所述的高静电充电环通过内绝缘环连接在一起，而且其中所述高静电充电环具有外绝缘环，所述外绝缘环适于将所述靶结构安装在所述外壳件中。
14.如权利要求1所述的热电转换器，其中所述的阴极发射极包括线栅，所述线栅使电线至少在两个相互横向相交的方向上延伸。
15.如权利要求1所述的热电转换器，其中所述的阳极实质上是平面板阳极。
16.如权利要求1所述的热电转换器，进一步包括电子干扰激光器，其可操作地撞击阴极和阳极之间的电子。
17.如权利要求2所述的热电转换器，进一步包括电子干扰激光器，其可操作地撞击阴极和阳极之间的电子。
18.如权利要求1所述的热电转换器，进一步包括至少一个位于所述外壳件中并且可操作地清除出现在所述外壳件中的离散电子的驻极体。
19.一种热电转换器，包括外壳件；阴极，所述阴极位于所述外壳件中，具有阴极发射极，当被加热时可操作地用作电子源；靶结构，所述靶结构位于外壳件中，包括阳极，可操作地接收从阴极发射极发射出的电子；阴极增强激光器，所述阴极增强激光器设置成引导激光束撞击所述阴极发射极的发射表面；和控制器，所述控制器可操作地扫描所述阴极发射极的所述发射表面上的所述激光束。
20.如权利要求19所述的热电转换器，其中所述阴极和所述阴极增强激光器位于所述靶结构的相对侧上，和其中所述阳极在其中具有开口，以允许从所述阴极增强激光器发射出的激光束穿过开口；和所述的靶结构进一步包括位于所述阳极的所述开口处的电子排斥环，和沿着所述阳极的外周缘延伸的高静电充电环，可操作地帮助将所述外壳件上的电子吸引向所述阳极。
21.如权利要求20所述的热电转换器，进一步包括电子干扰激光器，其可操作地撞击阴极和阳极之间的电子。
全文摘要
一种热电转换器，包括阴极输出增强激光器(374)，其可操作地引导激光束(376)撞击阴极发射极(321)的发射表面，以能提高阴极发射极(321)的电子输出。阴极输出增强激光器(374)设置成在阴极发射极(321)的方向上通过阳极(306)或靶结构中的开口(370)引导激光束(375)。电子排斥环(380)设置在阳极(306)开口(370)的边缘上，以能减少逃脱阳极(306)和穿过阳极(306)中开口(370)的电子数量。
文档编号H01J45/00GK1879190SQ200380110646
公开日2006年12月13日 申请日期2003年10月30日 优先权日2003年10月30日
发明者埃德温·D·大卫 申请人:热控公司