场致发射发电装置的制作方法

专利名称：场致发射发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用了场致发射(辐射)的发电装置。
背景技术：
在作为取得电能的方法的发电中，除了自古以来进行的水利发 电、风力发电以外，还公知太阳能发电、潮汐发电等利用自然能量的 发电。另外还公知使用了化石燃料的火力发电、使用了原子能的原子 能发电。
在上述使用了化石燃料的发电中，作为原料的化石燃料有限，所 以存在早晚枯竭而无法应对社会的需要这样的问题。
另外在上述利用了太阳能或风能等自然能量的发电中，作为所利 用的自然能量的太阳能和风能的供给依赖于自然条件，所以存在当人 们需要电力时无法保障一定能够发电这样的缺点。
另外在原子能发电的情况下，存在安全性的问题和设备等问题。
另一方面，本发明者提出了如下的发电方法将太阳光照射到物 质上而变换成热能，由此从所加热的物质发射热电子，利用该热电子 发射将热能变换成电能(专利文献1 4)。
另外在接下来的专利文献5中也提出了将热能变换成电能的装置。
另一方面在接下来的专利文献6中提出了使用了施加电场而发 射电子的场致电子发射的装置。
专利文献1:日本特许第3449623号7>才艮 专利文献2:日本特开2003 - 189646号^>才艮 专利文献3:日本特开2003 - 250285号7>才艮 专利文献4:日本特开2004 - 140288号7>才艮专利文献5:日本特开2003 - 258326号公报 专利文献6:日本特表平11 - 510307号公报

发明内容
但是在上述专利文献1 ~ 4中的任一发明中，都采用了如下方法， 向物体施加热能，由此从加热的物体中发射热电子，并回收所发射的 电子而进行发电的方法。即，是从外部提供热能，并将其变换成电能 的方式的发电装置，为了得到大的电能，需要投入与其相当的大的热 能。
另外在上述专利文献5的发明中，公开出利用了场致发射的元件 和装置。但是，其只不过是电能与热能的变换装置。另外关于发电， 停留在利用由加热引起的热电子发射的发电。
另外在专利文献6的发明中，公开出场致电子发射材料、场致电 子发射装置。但是在场致电子发射装置中，示出针对电子的场致发射 利用了发射电子本身的装置、例如放电装置、电子枪、显示器等，而 完全不存在用于发电这样的技术思想。
本发明的课题在于提供一种新的发电装置，可以根据与以往的发 电方法完全不同的新概念进行投入能量少且效率充分高的发电，并可 以进行清洁且无需担心枯竭的稳定的发电。
为了达成上述课题，本发明者重复进行了各种实验和研究，其结 果得知如下的技术而完成了本发明通过巧妙地利用电场对物质作用 而从物质的表面发射出物质中的电子的场致发射现象，可以实现与通 过热电子发射而进行的发电不同的效率高的新的发电。
如果电场例如集中于自由电子多的物质的狭窄区域，则电子从物 质表面被发射到真空中等。该现象被公知为场致发射。在该情况下即 使不从外部施加热能，也可以通过电场而发射电子。通过巧妙地收集 所发射的电子，可以向外部取出基于电子的电能。
关于向物质施加的电场，通过提高上述电场的集中度，可以较低 地抑制所施加的正电荷的强度。另外被施加电场的材料通过增加自由电子并降低发射电子的发 射区域的能量垒，可以易于进行场致发射。
另一方面，对于产生电场的电场发生源，只要仅向材料施加电场 而不流过电流，则理论上不会产生电荷的消耗即能量消耗。换言之， 只要从材料场致发射的电子不到达电场发生源而被吸收，则不会在电 场发生源中产生能量消耗。
如上所述在本发明中，通过高效地场致发射材料中的自由电子， 并且将该场致发射的电子恰当地收集并积蓄到电场发生源以外的受 电子材料，从而完成可以实用的发电。此时向电子发射材料施加电场 的电场发生源中的能量消耗被抑制成最小限度。
本发明的场致发射发电装置的第l特征在于，具备由保持有自 由电子的材料构成的电子供给体；相对该电子供给体被设置成电气导 通状态的电子发射端口；与该电子发射端口隔着电气绝缘场相向配 置，并用于施加电场而吸引发射电子的电子吸引发射电极；用于接收 由于该电子吸引发射电极而被发射的电子的电子接受体；以及用于防 止从上述电子发射端口发射的电子被吸收到上述电子吸引发射电极 的电子吸收防止单元，通过向上述电子吸引发射电极施加正电压而从 上述电子发射端口场致发射电子，并不使该场致发射的电子被吸收到 上述电子吸引发射电极，而使用另外配置的上述电子接受体接收该场 致发射的电子而进行收集。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第l特征以外，其第2 特征在于，电子发射端口由相对于电子发射的能量垒小的材料和/或形 状构成。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第l特征以外，其第3 特征在于，电子发射端口被构成为在电子供给体的表面竖立设置准一 维物质以使其长度方向成为电子发射方向。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第3特征以外，其第4 特征在于，准一维物质是碳纳米管。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第l特征以外，其第5特征在于，上述电气绝缘场由绝缘空间或绝缘物质构成。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第l特征以外，其第6 特征在于，上述电子吸收防止单元被构成为，将电子吸引发射电极的 材料设为准二维物质，使从电子发射端口发射的电子根据量子隧道现 象贯穿上述电子吸引发射电极而不被上述电子吸引发射电极吸收。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第7 特征在于，电子吸收防止单元是变更从电子发射端口发射而朝向电子 吸引发射电极的电子的轨道的电子轨道变更电极。
另外本发明的场致发射发电装置除了上迷第l特征以外，其第8 特征在于，电子吸收防止单元被构成为，通过在电子吸引发射电极之 前配置电子接受体，在电子吸引发射电极的跟前接收从电子发射端口 发射而朝向电子吸引发射电极的电子。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第9 特征在于，设置有对朝向电子接受体的电子进行加速的加速电极。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第 10特征在于，设置有分散朝向电子接受体的电子的轨道而防止电子接 受体中的受电子位置集中的受电子位置分散单元。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第 ll特征在于，相互绝缘状态地设置多个电子接受体，并设置有向上述 多个电子接受体分配从电子发射端口发射的电子的电子分配单元。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第 12特征在于，设置有用于防止到达电子接受体的电子被二次发射的二 次发射防止单元。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第 13特征在于，构成为电气连接电子接受体与电子供给体并在途中配置 有电气负载。
另外本发明的场致发射发电装置除了上述第1特征以外，其第 14特征在于，构成为通过向电子吸引发射电极施加交流电压，改变从 电子发射端口发射的电子的量，而进行交流发电。根据第1方面记载的场致发射发电装置，由于向电子吸引发射电
口之间产生电场，对被约束到电子发射端口的自由电子施加的库伦力 增大，电子的运动能量增加。由此如果电子所具有的能量超过电子发 射端口的表面的能量垒，则该电子从电子发射端口被发射到电气绝缘 场。作为此时的条件，考虑材料或端口的形状以尽可能降低电子发射 端口处的能量垒变得重要。另外为了将由电子吸引发射电极的电场产 生的库伦力增大至电子发射所需的强度，并且为了将所附加的正电压 抑制得较低，尽可能将上述电子吸引发射电极靠近电子发射端口变得 重要。
由于上述电子吸引发射电极施加正电压而从电子发射端口场致 发射的电子在电气绝缘场中朝向上述电子吸引发射电极被吸引而飞 翔，但通过电子吸收防止单元，到达电子吸引发射电极而吸收的现象 被阻止，作为代替被电子接受体接收。由此电子发射的电子被收集到 电子接受体，电子接受体中的电子数增加。即，成为发电状态。
当电子接受体的状态成为电气中性乃至负状态时，防止电子与原 子核的结合，而适合于进行高效的发电。但是另一方面，随着电子接 受体的负电荷增加，排斥力增加，而难以收容电子。为了消除该现象， 增大电子的飞翔速度而增加运动能量、或将电子接受体的负电荷从电 子接受体的表面移动到其他位置而将表面的负电荷保持成较小变得 重要。
向上述电子吸引发射电极施加的正电荷只要场致发射的电子不 到达电子吸引发射电极，则理论上不会被消耗，所以可以充分抑制所 需的能量(附加电压)的消耗。
如上所述根据第1方面记载的发明的场致发射装置，可以利用电 子的场致发射现象，将场致发射中所需的能量的消耗抑制得较小，同 时可以将场致发射的电子收集到电子接受体，而高效地进行发电。
另外根据第1方面记载的发明的场致发射发电装置，与附加热能 而通过该热能发射热电子并供给到发电的以往的方式、即将热能变换成电能的方式的以往的发电相比，可以充分节能地进行发电。
而且根据第1方面记载的发明的场致发射发电装置，可以得到运 转控制容易且能够取得稳定的电力的发电，而并非使用了太阳能等自 然能量时的不稳定的发电。
根据笫2方面记栽的场致发射发电装置，除了上述第l方面记载 的结构的作用效果以外，通过将电子发射端口设为相对于电子发射的 能量垒小的材料和/或形状，可以容易地进行场致发射。
固体中的电子与原子中的电子同样地被束缚，在通常状态下电子 不会从固体中分离。将为了通过电场等使电子从固体中向真空中发射 而所需的最少能量称为功函数Ew (work function)。该功函数Ew是 相对于上述固体具有的电子发射的能量垒。
作为能量垒小的材料、即功函数Ew小的材料，例如有铯(Ew =1.81ev)、钓(Ew = 3.2ev )、钍(Ew - 3.4ev )、钼(Ew - 4.3ev )、 鵠(Ew = 4.52ev)。进而，作为功函数Ew小的化合物的例子，有氧 化钡(Ew - 1.6ev )、氧化钙(Ew = 1.61ev )、氧化钍(Ew = 1.66ev )。
另外作为能量垒小的形状、即功函数Ew小的形状(包括晶体结 构)，例如有后述的碳纳米管、碳壁、碳纳米突、金刚石、BN纳米 管(晶须)。
另外电子发射端口的表面层成为可以期待量子隧道现象的层叠 结构的部分也设为包含于能量垒小的物质和/或形状。
另外根据第3方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方面 记载的结构的作用效果以外，电子发射端口构成为通过准一维物质竖 立设置以使该准一维物质的长度方向成为电子发射方向。
作为准一维物质，意味着关于电子的发射起到与作为一维物质的
作用实质上同样的作用的物质。作为该准一维物质，例如可以使用碳 纳米管，但也可以使用被充分细致地(纳米等级至微米等级)微细加 工的导电物质。
在准一维物质的情况下，电子仅沿着一维方向移动，从其前端被 场致发射。通过使准一维物质的长度方向与电子发射方向一致，电子的场致发射变得容易。另外相对于电子的场致发射的准一维物质的能 量垒变低。
可以将多个准一维物质竖立设置而构成电子发射端口 。通过竖立 设置多个而构成，分别进行电子的场致发射，作为整体可以高效地场 致发射多个电子。
另外根据第4方面记载的场致发射发电装置，除了上述第3方面 记载的结构的作用效果以外，准一维物质是碳纳米管，所以可以使得 电子的(自由)移动性充分良好。另外通过将碳纳米管竖立设置成电 子发射端口以使其长度方向与电子发射方向一致，可以高效地发射电 子。
另外根据第5方面记载的场致发射发电装置，除了上述第l方面 记载的结构的作用效果以外，电气绝缘场由绝缘空间或绝缘物质构 成，所以在绝缘空间的情况下电子被场致发射到绝缘空间，而在绝缘 空间中飞翔。通过将该绝缘空间设为真空空间或以此为基准的空间， 可以构成真空管形成的发电装置或发电模块。
另外通过将绝缘物质设为电气绝缘场，可以容易地构成由固体基 片组成的发电模块。
通过集合多个上述的发电模块，可以增大发电输出。
另外根据第6方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方面 记载的结构的作用效果以外，电子吸收防止单元构成为，将电子吸引 发射电极的物质设为准二维物质，使从电子发射端口发射的电子根据 量子隧道现象贯穿上述电子吸引发射电极而不被上述电子吸引发射 电极吸收，所以从电子发射端口发射的电子即使到达电子吸引发射电 极，也不会在该电子吸引发射电极中被原子核等约束(电子被吸收)， 而向背后贯穿，可以被电子接受体接收。因此通过在电子吸引发射电 极的背后配置电子接受体，无需另外施加某种特别的电子接收的单 元，而可以通过电子接受体可靠地接收场致发射的电子。由于无需向 电子接受体施加正电压，所以可以抑制所接收到的电子无法用作自由 电子的现象，可以提高发电效率。上迷准二维物质意味着关于电子的贯穿起到与作为二维物质的 作用实质上同样的作用的物质，更具体而言意味着厚度非常薄而可以 期待电子的量子隧道现象的材料。为了提高量子隧道现象的效果，增 大飞翔的电子的速度(运动能量)、以及减小准二维物质的厚度而降 低约束电子的概率变得重要。
另外根据第7方面记载的场致发射发电装置，除了上述第l方面 记载的结构的作用效果以外，电子吸收防止单元是变更从电子发射端 口发射而朝向电子吸引发射电极的电子的轨道的电子轨道变更电极， 所以从电子发射端口发射的电子不会到达电子吸引发射电极，而在途 中其飞翔轨道被变更，可以被电子接受体接收。在该装置的情况下需
要另外设置电子轨道变更电极，但具有无需使用特别的材料、例如准 二维物质来构成电子吸引发射电极的优点。另外对于电子轨道变更电 极，具有只要可以保持正电压或负电压，则无需使用特别的材料来构 成这样的优点。
另外根据第8方面记载的场致发射发电装置，除了上述第l方面 记载的结构的作用效果以外，电子吸收防止单元构成为，通过在电子 吸引发射电极之前配置电子接受体，在电子吸引发射电极的跟前接收 从电子发射端口发射而朝向电子吸引发射电极的电子，所以从电子发 射端口发射的电子不会到达电子吸引发射电极，而可以在其跟前被电 子接受体接收。在该装置的情况下虽然需要确保配置电子接受体的空 间，但只要可以确保这样的空间，则无需另外实施其他某种特别的电 子接收的单元，而可以可靠地使用电子接受体接收场致发射的电子。
由于无需向电子接受体施加正电压，所以可以将所接收到的电子被原 子核等吸收而无法用作自由电子的比率抑制得较小，可以提高发电效 率。
另外根据第9方面记载的场致发射发电装置，除了上迷第1方面 记载的结构的作用效果以外，设置有对朝向电子接受体的电子进行加 速的加速电极，所以可以通过增大朝向电子接受体的电子速度而增大 运动能量，即使在电子接受体带电成负电压状态的情况下，电子也可以克服由该负电压发生的库伦法则的排斥作用，而提高电子到达电子 接受体的概率。即，可以提高发电效率。
另外根据第10方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方
面记载的结构的作用效果以外，设置有分散朝向电子接受体的电子的 轨道而防止电子接受体中的受电子位置集中的受电子位置分散单元， 所以通过该受电子位置分散单元，可以防止由于电子向电子接受体的 一部分集中碰撞而导致电子接受体破损的不合适情况，而增加装置的 耐久性。
另外根据第11方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方 面记载的结构的作用效果以外，相互绝缘状态地设置多个电子接受 体，并设置有向上述多个电子接受体分配从电子发射端口发射的电子 的电子分配单元，所以通过该电子分配单元，从电子发射端口发射的 电子分配到多个电子接受体而被接收，所以可以减少由积蓄到电子接 受体中的电子对飞翔电子的排斥作用，可以更容易且高效地进行各个 电子接受体中的电子接收。
在仅使用 一个电子接受体来接收全部发射电子的情况下，由于急 剧地接收多个电子，所以电子接受体的负电荷的积蓄易于激增，因此 排斥飞来电子等，而有可能产生电子的接收率恶化的事态。另一方面， 在使用多个电子接受体来分配电子而接收的情况下，在各个电子接受 体中，不会出现电子的急剧增加，所以通过使所接收到的电子向其他 位置转移或供给到使用，可以恰当地防止负电荷的增加。因此可以使 用电子接受体高效地接收连续飞来的电子，而不会被负电荷排斥。
另外根据第12方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方 面记载的结构的作用效果以外，设置有用于防止到达电子接受体的电 子被二次发射的二次发射防止单元，所以可以可靠地约束并接收场致 发射而向电子接受体飞来的电子。因此可以提高发电效率。
另外根据第13方面记载的场致发射发电装置，除了上述第1方 面记载的结构的作用效果以外，构成为电气连接电子接受体与电子供 给体并在途中配置电气负载，所以可以将通过电子接受体接收到的电子供给到电气负载而进行工作。经由电气负载的电子返回到电子供给 体。即，可以进行电子的循环。
另外根据第14方面记栽的场致发射发电装置，除了上述第1方 面记载的结构的作用效果以外，构成为通过向电子吸引发射电极施加 交流电压，改变从电子发射端口发射的电子的量，而进行交流发电， 所以通过对向电子吸引发射电极施加的交流电压的周期和振幅进行 调整，可以实现期望的交流发电。


图l是示出本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的概略截 面结构图。
图2是示出向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结构 附加了加速电极的例子的概略截面结构图。
图3是说明在通过碳纳米管的组合构成电子吸引发射电极的情 况下电子贯穿电子吸引发射电极的状态的图。
图4是示出电子发射端口以及电子吸引发射电极的具体结构的 一个例子的图。
图5是说明使用碳纳米管的交联现象来构成电子吸引发射电极 的途中的状态的图。
图6是示出通过碳纳米管的交联构成了电子吸引发射电极的一 个具体例子的图。
图7是说明电子接受体的具体结构的一个例子的图。
图8是说明向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结构 附加了受电子位置分散单元的例子的图。
图9是说明向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结构 附加了电子分配单元的例子的图。
图IO是说明与向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的 结构附加了电子分配单元的情况对应地构成的电力取出电路的具体 结构的一个例子的图。图11是说明向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结 构附加了 二次发射防止单元的 一个例子的图。
图12是说明向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结 构附加了 二次发射防止单元的另 一个例子的图。
图13是说明向本发明的第1实施方式的场致发射发电装置的结 构附加了 二次发射防止单元的又一个例子的图。
图14是示出应用了图12所示的二次发射防止单元的本发明的第 2实施方式的场致发射发电装置的一个例子的概略截面结构图。
图15是示出应用了图13所示的二次发射防止单元的本发明的第 2实施方式的场致发射发电装置的另一个例子的概略截面结构图。
图16是示出可以使用交流电源将场致发射的电子的方向交替变 更成相反方向的本发明的第2实施方式的场致发射发电装置的又一个 例子的概略截面结构图。
图17是说明在图16所示的装置中交流电源处于正半周期的状态 下的场致发射电子的移动的图。
图18是说明在图16所示的装置中交流电源处于负半周期的状态 下的场致发射电子的移动的图。
图19是说明本发明的第3实施方式的场致发射发电装置的概略 结构图。
图20是说明本发明的第3实施方式的场致发射发电装置的一个 具体例子的截面结构图。
图21是图20的部分放大图。
图22是说明本发明的第4实施方式的场致发射发电装置的概略 结构图。
图23是说明场致发射电子的电压的阈值的图。
标号说明 10真空容器 20电子供给体30电子发射端口
31准一维物质
40电子吸引发射电极
41电子吸引发射电源
42准一维物质
50电子接受体
60电力取出电路
61电气负载
70绝缘隔离部件
80力口速电极
卯受电子位置分散单元
100电子分配单元
110 二次发射防止单元
130电子收集端口
140电子收集电极
151、 152第1电子轨道变更电极
154、 155第2电子轨道变更电极
157电子轨道变更电极
160框架
F电气绝缘场
e电子
n原子核
s引入空间
具体实施例方式
参照图1，对本发明的第1实施方式的场致发射发电装置进行说明。
在第1实施方式中，被场致发射的电子e由于隧道现象贯穿电子 吸引发射电极40，而到达电子接受体50。图l是场致发射发电装置的概略截面结构图。
在真空容器10内设置有电子供给体20、电子发射端口30、电子 吸引发射电极40、电子接受体50。
另外，在真空容器IO外设置有电子吸引发射电源41、电力取出 电路60。
上述真空容器10是其内部成为真空或被充分减压的状态的容 器，材料的种类没有特别限定。
上述电子供给体20由成为供给电子的源的物质构成，由金属材 料、其他丰富地保持有自由电子的材料构成。
上述电子发射端口 30发挥从此场致发射电子的功能，被设置成 与上述电子供给体20电气导通的状态。
电子发射端口 30优选由对电子的场致发射的能量垒小的材料构 成。另外优选由能量垒小的形状构成。
上述电子吸引发射电极40是用于对上述电子发射端口 30施加电 场，而从电子发射端口 30场致发射电子e的电极。该电子吸引发射 电极40通过绝缘隔离部件70，隔着电气绝缘场F，与电子发射端口 30相向配置。
上述绝缘隔离部件70可以由绝缘物质构成。
在本实施方式的情况下，作为用于防止被场致发射的电子e到达 电子吸引发射电极40而被吸收的电子吸收防止单元，由准二维物质 构成电子吸引发射电极40。
上述电子接受体50用于接收被场致发射的电子，隔着电气绝缘 场F配置在上述电子吸引发射电极40的后方。该电子接受体50可以
由金属材料等自由电子的保持能力大的材料构成。
上述电子吸引发射电源41发挥向上述电子吸引发射电极40施加 正电压的功能，在本实施方式中负电极与上述电子供给体20连接， 正电极与上述电子吸引发射电极40连接。
上述电力取出电路60是用于向外部取出收集到上述电子接受体 50中的电子e的电路。构成为电气连接在上述电子接受体50与上述电子供给体20之间，并在其途中配置有电气负载61。
在本实施方式中，上述电气绝缘场F由绝缘空间构成，该绝缘 空间由真空或被充分减压的空间构成。
在上述第1实施方式的场致发射发电装置中，通过施加基于电子 吸引发射电极40的正的电压，从电子发射端口 30向电气绝缘场F场 致发射在真空容器10中配置的电子供给体20中存在的电子e。
向电气绝缘场F场致发射的电子e根据量子隧道现象贯穿由厚度 非常薄的准二维物质构成的电子吸引发射电极40。即，防止被场致发 射的电子e被电子吸引发射电极40吸收。
贯穿电子吸引发射电极40的电子e到达电子接受体50而被碰 撞、吸收。
在吸收了电子e的电子接受体50与上迷电子供给体20之间，连 接有电力取出电路60，电子e从吸收了电子e的电子接受体50被反 馈到电子供给体20。此时，电子e在电气负载61中移动，从而流过 电流i。即，所发电的电作为电能而被供给到电气负载61，利用能量 而进行工作。
图2示出向图1所示的结构附加了加速电极80的场致发射发电装置。
加速电极80是用于使朝向电子接受体50的场致发射电子加速的 电极。加速电极80通过绝缘隔离部件71隔着电气绝缘场F设置在上 述电子吸引发射电极40的后方。
对加速电极80设置有施加正电压的加速电源81。该加速电源81 在该例子中与上述电子吸引发射电源41串联结合，对加速电极80施 加比电子吸引发射电极40还高的正电压。
加速电源81由准二维物质构成。
图2的其他结构、功能与图1所述的结构、功能相同，所以对具 有相同结构、功能的部件、要素附加相同标号，而省略说明。
在本第2实施方式的装置中，从电子供给体20的电子发射端口 30被场致发射且贯穿由准二维物质构成的电子吸引发射电极40的电子e通过被施加了正电压的加速电极80所具有的电荷的库仑力被进 一步加速。然后可以根据量子隧道现象贯穿作为准二维物质的电子吸 引发射电极40，具有更高的运动能量而到达电子接受体50。在该情 况下，如果电子e所具有的运动能量高，则可以克服由积蓄在电子接 受体50中的负电荷引起的依据库仑法则的排斥力而到达电子接受体 50的可能性变高，电子接受体50中的电子e的收集效率变高。即， 发电效率变高。
图3示出当将作为准一维物质的碳纳米管大致平行地排列而构 成电子吸引发射电极40中使用的准二维物质时，被场致发射的电子e 靠近电子吸引发射电极40的情况。
碳纳米管是碳的6员环等结合而构成的。在电子e沿着电子轨道 orb靠近由准二维物质构成的电子吸引发射电极40的情况下，电子e 由于具有运动能量，所以根据隧道现象穿透非常薄的物质。即，即使 电子e靠近准二维物质中的原子核n，由于飞翔电子e具有速度，所 以被原子核n捕获的概率低，大部分的电子穿透的可能性高，所以根 据隧道现象电子e几乎不被准二维物质吸收而继续飞翔的概率高。
图4是示出电子发射端口 30以及电子吸引发射电极40的结构例 子的图。
在该例子中，由准一维物质31构成电子发射端口 30，并竖立设 置成准一维物质31的长度方向相对电子供给体20的表面垂直(成为 电子发射方向)。准一维物质31可以竖立设置多个。通过设置多个， 可以迅速地发射多个场致发射电子e 。
另外在该例子中，通过隔着一定间隔大致平行地配置多个准一维 物质42，并将端部通过基板43—体化而构成准二维物质，设为电子 吸引发射电极40。在基板43与电子供给体20之间连接有电子吸引发 射电源41,向电子吸引发射电极40施加正电压。
从由准一维物质31构成的电子发射端口 30向电气绝缘场F场 致发射的电子e朝向电子吸引发射电极40飞翔，但根据隧道现象挤 过电子吸引发射电极40的准一维物质42的间隙。由此可以几乎完全防止场致发射电子e被电子吸引发射电极40吸收的现象。
另外也可以网眼状地配置准一维物质，而代替大致平行地配置上 述第1准一维物质42，从而构成准二维物质。
作为准一维物质31、 42，可以使用碳纳米管。
参照图5、图6，对通过碳纳米管的交联而构成电子吸引发射电 极40的例子进行说明。
作为与电子供给体20隔着绝缘隔离部件70配置的电子吸引发射 电极40,将其一对基体44相互相向配置。该基体44具体而言设为铁、 钴、镍等催化物质，通过在绝缘隔离部件70的上面层叠而成为与电 子供给体20电气非导通状态。
通过将气氛设定成650'C附近，同时作为气体适当地供给甲烷、 乙炔等碳类气体，并适当地维持条件，从而在上述基体44上生长碳 纳米管或与其类似的准一维物质，在基体44、 44之间生长交联体45。 各个碳纳米管是准一维物质，但通过多个碳纳米管在一对基体44之 间构成交联体45，而构成由准二维物质组成的电子吸引发射电极40。
在电子供给体20与上述基体44之间连接有电子吸引发射电源 41，并通过电子吸引发射电源41向基体44施加正电压，从而通过交 联体45内的正电荷从电子发射端口 30 (对多个准一维物质进行竖立 设置而构成)内的电子e在库仑力的作用下被吸引、而被场致发射。
场致发射的电子e朝向电子吸引发射电极40飞翔，但根据隧道 现象而挤过准二维物质的交联体45,朝向电子接受体50。
参照图7，对电子接受体50的具体结构的一个例子进行说明。
在该例子中，电子接受体50由正电荷部件51、绝缘部件52、导 电部件53和受电部件54构成。
在通过未图示的电源被施加正电荷的正电荷部件51的前面隔着 绝缘部件52的层而层叠有导电部件53的层，在该导电部件53上以 排列多个的状态配设有受电部件54。上述导电部件53可以设为导电 性透明膜(ITO)。
从电子供给体20的电子发射端口 30场致发射、而根据隧道现象贯穿由准二维物质构成的电子吸引发射电极40的电子e被电子接受 体50的正电荷部件51吸引，而靠近受电部件54,被其吸收。未吸收 的电子e被导电部件53吸收。此时，由绝缘部件52阻止电子向正电 荷部件51与导电部件53之间移动。由此，最终向受电部件54移动。 其结果，电子e作为负电荷而被积蓄到受电部件54。使该积蓄的电子 e通过电力取出电路60 (参照图1、图2)的电气负载61，而可用作 电能。
参照图8，对向第1实施方式的场致发射发电装置的结构附加了 受电子位置分散单元卯的例子进行说明。
受电位置分散单元卯通过对收集场致发射的电子e的电子接受 体50,分散朝向电子接受体50的电子e的轨道orb，而在电子接受 体50中防止受电子位置集中的现象。
受电子位置分散单元90被配置于电子接受体50的跟前，而周期 或随机地变更朝向电子接受体50的电子e的轨道。
在图8中，将电子接受体50从图1和图2所示的状态旋转90 度而示出。但是，这仅为了易于说明其结构而旋转示出。
受电子位置分散单元90由水平方向的2个偏转板92、 92、垂直 方向的2个偏转板94、 94、水平方向的扫描电子电路91和垂直方向 的扫描电子电路93构成，水平方向的2个偏转板92、 92通过水平方 向的扫描电子电路91而被施加沿着水平方向扫描的电信号，垂直方 向的2个偏转板94、 94通过垂直方向的扫描电子电路93被施加沿着 垂直方向扫描的电信号。根据通过水平方向的扫描信号而发生的水平 方向的电场变化，电子e的轨道orb在水平方向上弯曲。另外根据通 过垂直方向的扫描信号而发生的垂直方向的电场变化，电子e的轨道 orb在垂直方向上弯曲。通过水平方向扫描和垂直方向扫描的组合， 电子e的轨道orb被周期或随机地变更，其结果电子e在电子接受体 50的宽范围内分散而被受电。由此，由于可以防止电子e在电子接受 体50的窄范围内集中受电而产生的电子接受体50的破损、破坏，可 以增加耐久性。参照图9，对向第1实施方式的场致发射发电装置的结构附加了 电子分配单元100的例子进行说明。
考察在真空中飞翔的电子e的电荷是-q库仑、其速度是v、电 子e靠近电子接受体50的情况。如果积蓄到电子接受体50的电荷是 -Q库仑，则引起与两个电荷之积qxQ成比例的库仑排斥力。在电 子e的速度v大的情况下，电子e有可能克服库仑排斥力而向电子接 受体50碰撞。但是在速度v小的情况下，由于库仑力排斥力的作用， 电子e无法到达电子接受体50。因此向电子接受体50积蓄的负电荷 的量被限定，由于库仑排斥力未碰撞的电子被所施加的电源的正极吸 收等，从而电能的发生效率降低。因此使电子接受体50吸收在真空 中飞翔的所有电子e变得重要。
电子分配单元100配置在电子接受体50的跟前，对贯穿电子吸 引发射电极40而朝向电子接受体50的电子e进行分配。即，构成为 在电子吸引发射电极40与电子接受体50之间的电气绝缘场F (参照 图1、图2)，相向配置一对分配电极101、 102， 4吏电子e通过该电 极IOI、 102之间。对上述一对分配电极IOI、 102连接交流电源103， 在向一个分配电极，101 (102)施加正电压的情况下，向另一个分配 电极102 (101)施加负电压。
在设置上述电子分配单元100的情况下，作为上述电子接受体 50的结构，设置多个用于接收所分配的电子的电子接受体50。即在 图9中，电子接受体50被设为通过绝缘部件55相互绝缘的状态，而 配置第1电子接受体56和第2电子接受体57。
在以上那样的结构中，如果接通上述交流电源103，则以一定的 周期向一对分配电极101、 102施加正电位和负电位。
当前，在图中，在向左侧的分配电极101施加正电位，并向右侧 的分配电极102施加负电位的期间，飞翔电子e的轨道向正电位的方 向(向左)弯曲，向左侧的第1电子接受体56碰撞、吸收。另外， 在向右侧的分配电极102施加正电位，并向左侧的分配电极101施加 负电位的期间，飞翔电子e的轨道向右弯曲，向右侧的第2电子接受体57碰撞、吸收。这样，电子以一定的周期向左右侧的第1电子接 受体56和第2电子接受体57分配而被收集。
通过由一对电子接受体56、 57交替地收集电子e,在第1电子 接受体56和第2电子接受体57中，分别在不收容电子e的期间，所 滞留的电子e向外部流出而供给电力，并减少电子接受体56、 57内 的电子e量而可以准备接下来的周期中的电子接收。
参照图10，对取出通过分配单元100向上述第1电子接受体56 以及第2电子接受体57分配而积蓄电子e，从而供给电力的电力取出 电路60的一个具体例进行说明。
在电力取出电路60中，设置变压器62，将其一次绕组63的一 端63a连接到第1电子接受体56,将一次绕组63的另一端63b连接 到第2电子接受体57。另外，构成为在一次绕组63的中央部设置中 间端子63c，将该中间端子63c连接到电子供给体20。变压器62的二 次绕组64的两端64a、 64b之间输出电压。由此通过在该两端64a、 64b之间连接电气负载65，可以对电气负载供给电力而工作。
在通过上述电子分配单元100向左侧的分配电极101施加正电位 的期间，电子被第1电子接受体56收容而被积蓄。积蓄到第1电子 接受体56的电子e从其一端63a流向电力取出电路60的一次绕组63， 通过中间端子63c向电子供给体20移动(循环)。此时，在变压器 62的二次绕组64中发生磁通，而发生电压。通常在二次绕组64侧连 接有电气负载65，所以电流流向电气负载65而发生反电动势，由于 该反电动势，从第1电子接受体56通过一次绕组63向电子供给体20 移动的电子的量被限制。因此直到积蓄到第1电子接受体56的电子e 被充分放电为止需要时间。
另一方面，如果由于上述交流电源103的电压以规定的周期变 化，而上述电子分配单元100的左侧的分配电极101成为负电位，且 右侧的分配电极102成为正电位，则飞翔电子e被第2电子接受体57 收容而被积蓄。积蓄到第2电子接受体57的电子e从其另一端63b 流向电力取出电路60的一次绕组63，通过中间端子63c向电子供给体20移动(循环)。此时，在变压器62的二次绕组64中发生与上 次相反的磁通，而发生正负相逆的电压。即，流过电气负栽65的电 流的方向与上次相反。电流流向二次线圏64的电气负载65而发生反 电动势，由于该反电动势，从第2电子接受体57通过一次绕组63而 向电子供给体20移动的电子的量被限制。因此直到积蓄到第2电子 接受体57的电子e被充分放电为止需要时间。
另一方面，在该期间，由于不存在到达上述第1电子接受体56 的电子e，所以积蓄到第1电子接受体56的几乎全部电子e经由变压 器62的一次绕组63而反馈到电子供给体20。即，在该期间积蓄到第 1电子接受体56的电子e几乎全部被放电。由此第1电子接受体56 在该期间调整下一个周期中的电子e的收容状态。
在第2电子接受体57的情况下也经由同样的经过，通过电子的 收容和放电调整收容状态。
另外在上述电力取出电路60的二次绕组64侧发生交流电压。
如上所述，通过电子分配单元100，向二个电子接受体、即第1 电子接受体56和第2电子接受体57交替分配而接受场致发射电子e， 从而可以防止大量的电子e积蓄到电子接受体，由此可以避免妨碍进 一步接受电子e这样的不合理情况，可以良好且高效地收容场致发射 电子e，并且将电子e反馈到电子供给体20。
因此可以防止由于作为本发明的发电装置中的最大问题点的电 荷积蓄现象而引起的电能发生效率降低，可以提供高效率的发电装 置。
参照图11，对向第1实施方式的场致发射发电装置的结构附加 了用于防止到达电子接受体的电子被二次发射的二次发射防止单元 110的一个例子进行说明。
在该例子中，包围电子接受体50的前面50a、即接收飞翔来的 电子e的面50a的周围而设置由绝缘部件构成的绝缘周壁111，在绝 缘周壁111的开口部配置门部件112。在门部件112的中央附近设置 有电子输入口 113。另外电子接受体50的前面50a成为中央部高且周围低的倾斜面。
而且设置电源114，向被绝缘周壁111隔离的上述门部件112施 加负电压，向上述电子接受体50施加正电压。
通过了门部件112的电子输入口 113的电子e向电子接受体50 的表面50a碰撞。所碰撞的电子e或二次飞出的电子e进入弯曲的电 子轨道ord，最终被电子接受体50吸收。在门部件112与电子接受体 50之间发生的电场成为使飞翔电子e向电子接受体50靠近的力而动 作，所以通过门部件112的电子输入口 113的所有电子e;故吸收到电 子接受体50。
被吸收到电子接受体50的电子e经由电力取出电路60反馈到电 子供给体20，并被途中的电气负载61利用。
另外在使对上述电子接受体50施加的正电压变低或接近零时， 所收集到的电子的利用效率变高。
参照图12，对向第1实施方式的场致发射发电装置的结构附加 了用于防止到达电子接受体50的电子被二次发射的二次发射防止单 元110的另一个例子进行说明。
在该例子中，在电子接受体50的前面隔着准二维绝缘物质115 层叠准二维导电物质116。而且，构成为设置电源117a，向由准二维 绝缘物质115隔离的上述准二维导电物质116施加负电压，向上述电 子接受体50施加正电压。
朝向电子接受体50的飞翔电子e如果向准二维导电物质116碰 撞，则根据隧道现象穿透准二维导电物质116，进而根据隧道现象还 穿透准二维绝缘物质115，向电子接受体50碰撞而被吸收。
向电子接受体50碰撞的电子e的速度降低，并且受到由于积蓄 到准二维导电物质116中的负电荷而引起的库仑力，所以可以防止从 电子接受体50再次通过准二维绝缘物质115或准二维导电物质116 向外部飞出的现象。即，防止到达电子接受体50的电子e被二次发 射的现象。
参照图13，对向第1实施方式的场致发射发电装置的结构附加了用于防止到达电子接受体50的电子被二次发射的二次发射防止单 元110的又一个例子进行说明。
在该例子中，构成为在电子接受体50的背面隔着绝缘部件118 配置导电物质119，向该导电物质119施加来自电源117b的正电压。
由于积蓄到导电物质119的正电荷，在电子接受体50的上述导 电物质119侧的表面(背面)感应出负电荷，在电子接受体50的前 面(接收电子e的面)感应出正电荷。
由于在上述电子接受体50的前面感应出的正电荷，飞翔电子e 被吸引，而可靠地到达电子接受体50的前面。到达电子接受体50而 被收集的电子e经由电力取出电路60,而可以用作电能。
参照图14,对应用了图12所示的二次发射防止单元的本发明的 第2实施方式的场致发射发电装置进行说明。
在本第2实施方式的场致发射发电装置中，作为防止所场致发射 的电子e被吸收到电子吸引发射电极40的电子吸收防止单元，将电 子吸引发射电极40设为准二维物质，由此在电子根据隧道现象通过 电子吸引发射电极40的点上，与上述第l实施方式相同。
另一方面，在第l实施方式中，将电子供给体20与电子吸引发 射电极40之间的电气绝缘场F设为绝缘空间，相对于此，在本第2 实施方式中，在由绝缘物质的层构成电子供给体20与电子吸引发射 电极40之间的电气绝缘场F的点上不同。实际上由准二维绝缘物层 构成电气绝缘场F，从电子供给体20场致发射的电子e根据隧道现象 贯穿由准二维的绝缘物质构成的电气绝缘场F。
通过由绝缘物质而不是空间构成电气绝缘场F，可以容易地构成 由固体基片组成的发电装置或其模块。通过集合多个发电模块，可以 增大发电输出。
在电子供给体20的与上述电气绝缘场F对置的表面上，虽然未 图示，构成由准一维物质组成的电子发射端口 30，使电子e易于被场 致发射。在该情况下，可以构成为在电子供给体20的上面的中央区 域通过物力上或化学方法竖立设置准一维物质而构成电子发射端口30，在电子供给体20的上面的外围电气绝缘场F直接层叠在电子供 给体20上而被一体化。
向上述电子吸引发射电极40与电子供给体20之间附加由电子吸 引发射电源41引起的电压。
在电子吸引发射电极40的背后，通过二氧化硅等绝缘隔离部件 72的层叠而构成电气绝缘场F以作为真空空间(减压空间)，隔着该 电气绝缘场F以及绝缘隔离部件72，设置有二次发射防止单元110 (115、 116、 117a)，进而在其背后配置有电子接受体50。
上述二维发射防止单元110如已经在图12中说明的那样构成为， 准二维绝缘物质115层叠在电子接受体50上，进而在其上层叠准二 维导电物质116。而且通过电源117a，准二维导电物质116成为负电 压，电子接受体50成为正电压。
由上述绝缘隔离部件72、电子吸引发射电极40和准二维导电物 质116围成的真空的电气绝缘场F成为从外部完全隔离的空间。即该 图14所示的装置可以构成为无需由真空容器10包围周围的固体装 置。
通过由电子吸引发射电极41形成的电场，电子e从电子供给体 20经由电子发射端口 30被场致发射。被场致发射的电子e根据隧道 现象而通过由准二维物质构成的电气绝缘场F，根据隧道现象还通过 由准二维物质构成的电子吸引发射电极40，进入到由绝缘隔离部件 72围成的真空的电气绝缘场F。进而在电气绝缘场F中飞翔而到达准 二维导电物质116，但由于准二维导电物质116的厚度极其薄，所以 根据隧道现象而通过该准二维导电物质。进而根据隧道现象还通过准 二维绝缘物质11S，到达电子接受体50而被吸收。临时到达电子接受 体50的电子e通过准二维导电物质116的负电位，防止再次二次发 射的现象。
在被吸收到电子接受体50的电子e中依然存在电荷，所以可以 使用电力取出电路60向外部取出电子e，经由电气负载61而用作电 能。参照图15，对应用了图13所示的二维发射防止单元的本发明的 第2实施方式的场致发射发电装置的另一个例子进行说明。
该图15所示的装置是用图13所示的相应部分代替图14所示的 二维发射单元110 (115、 116、 117a)而得到的装置。
在本装置中，与图14所示的装置的情况同样地，由绝缘物质的 层构成电子供给体20与电子吸引发射电极40之间的电气绝缘场F。 即设置电子供给体20、电子发射端口 30 (未图示)、由准二维绝缘 物质的层构成的电气绝缘场F、电子吸引发射电极40、电子吸引发射 电源41的结构与图14所示的结构相同。
在电子吸引发射电极40的背后，通过二氧化硅等绝缘隔离部件 73的层叠而构成电气绝缘场F以作为真空空间(减压空间)，隔着该 电气绝缘场F以及绝缘隔离部件73设置有电子接受体50。进而在电 子接受体50的背后设置有二次发射防止单元110 (118、 119、 117b )。
上述二维发射防止单元110如已经在图13中说明的那样构成为， 在电子接受体50的背面隔着绝缘物质118以及由该绝缘物质118围 成的真空的电气绝缘场F配置有导电物质119，并向该导电物质119 施加由电源117b引起的正电压。电源117b的负电极与电子吸引发射 电源41的正电极连接，在中间位置与电子吸引发射电极40连接。
通过积蓄在导电物质119中的正电荷，在电子接受体50的上述 导电物质119侧的表面(背面)感应出负电荷，在电子接受体50的 前面(接收电子e的面)感应出正电荷。由于在该电子接受体50的 前面感应出的正电荷，在电气绝缘场F飞翔的电子e被吸引，而可靠 地到达电子接受体50的前面。到达电子接受体50而被收集的电子e 经由电力取出电路60,而可以用作电能。
由上述绝缘隔离部件73、电子吸引发射电极40和电子接受体50 围成的真空的电气绝缘场F、由上述绝缘物质118、电子接受体50、 导电物质119围成的真空的电气绝缘场F成为从外部完全隔离的空 间。即在该图15所示的装置的情况下，也与上述图14所示的装置同 样地，可以构成为无需由真空容器10包围周围的固体装置。参照图16,对可以使用交流电源将场致发射的电子e的方向交 替地变更成相反反向的本发明的第2实施方式的场致发射发电装置的 又一个例子进行说明。
具备电子供给体20和由准二维物质构成的电气吸引发射电极 40，在该电子供给体20与电气吸引发射电极40之间层叠有由准二维 绝缘物质构成的电气绝缘场F。在上述电子供给体20的与上述电气绝 缘场F对置的表面上，虽然未图示，构成将多个准一维物质沿着电子 发射方向竖立设置而成的电子发射端口 30，使电子e易于场致发射。 电子供给体20、电子发射端口30、电气吸引发射电极40的结构与图 14、图15所示的装置相同。
在电子接受体50的前面隔着由准二维绝缘物质构成的电气绝缘 场F而层叠有由准二维物质构成的电子收集电极140。在上述电子接 受体50的与上述电气绝缘场F对置的表面上，虽然未图示，构成由 准一维物质组成的电子收集端口 130，使电子e易于接收。
可以使该电子收集端口 130的生成或结构与已叙述的电子发射 端口 30的生成或结构相同。
上述电子吸引发射电极40与电子收集电极140隔着绝缘隔离部 件74相互结合，在其之间存在由绝缘隔离部件74所围成的真空或减 压空间构成的电气绝缘场F。
在上述电子供给体20与电子吸引发射电极40之间连接有用于电 子吸引发射以及电子收集的交流电源121，在上述电子接受体50与电 子收集电极140之间也连接有用于电子吸引发射以及收集的交流电源 122。
交流电源121和交流电源122构成为周期同步，在电子吸引发射 电极40是正电位的期间，电子收集电极140成为负电位，在电子吸 引发射电极40是负电位的期间，电子收集电极140成为正电位。
在以上的结构的装置中，电子供给体20与电子吸引发射电极40 之间的电气绝缘场F以及电子接受体50与电子收集电极140之间的 电气绝缘场F都由绝缘物质构成，并且由绝缘隔离部件74所围成的真空或减压空间构成的电气绝缘场F也可以在固体内构成，其结果， 无需设置真空容器10等箱体，而可以构成固体的发电装置、固体的 发电模块、发电元件。
下面，参照图17、图18对作为交流电源121、 122交替地施加 了具有脉沖状波形的正负电压时的状况进行说明。
首先在交流电源121、 122在正的半期，向电子吸引发射电极40 以及电子接受体50施加正电压并向电子供给体20以及电子收集电极 140施加负电压的情况下，成为图17所示的状态。
即在该情况下，由于电子吸引发射电极40的正电荷，电子e从 电子供给体20经由电子发射端口 30向电气绝缘场F被场致发射。电 气绝缘场F由准二维物质构成，所以电子e根据隧道现象而通过电气 绝缘场F。进而还根据隧道现象通过由准二维物质构成的电子吸引发 射电极40,进入到由二氧化硅构成的绝缘隔离部件74所围成的真空 或减压空间构成的电气绝缘场F。此时，向电子接受体50施加正电位， 向电子收集电极140施加负电位。进入到上述电气绝缘场F而飞翔的 电子e到达电子收集电极140,但由于电子收集电极140由准二维物 质构成，所以根据隧道现象而通过。进而还根据隧道现象通过由准二 维物质构成的电气绝缘场F，经由电子收集端口 130到达电子接受体 50。想要从电子接受体50 二次发射的电子e被处于负电位的电子收 集电极140抑制。
被收集到电子接受体150的电子e通过向电力取出电路60移动， 由电气负载61用作电能。
接下来在交流电源121、 122在负的半期，向电子收集电极140 以及电子供给体20施加正电压并向电子接受体50和电子吸引发射电 极40施加负电压的情况下，成为图18所示的状态。
即在该半期中，上述电子接受体50成为电子供给体，上述电子 收集电极140成为电子吸引发射电极。另外在上述电子接受体50的 表面构成的电子收集端口 130成为电子发射端口。而且上迷电子供给 体20成为电子接受体，上述电子吸引发射电极40成为电子收集电极。另外在上述电子供给体20的表面构成的电子发射端口 30成为电子收
口 o
通过对电子收集电极140施加的正电压，电子e从电子接受体 50经由电子收集端口 130向电气绝缘场F被场致发射。电气绝缘场F 由准二维物质构成，所以电子e根据隧道现象而通过电气绝缘场F。 进而还根据隧道现象而通过由准二维物质构成的电子收集电极140， 进入到由二氧化硅构成的绝缘隔离部件74所围成的真空或减压空间 构成的电气绝缘场F。此时，向电子供给体20施加正电位，向电子吸 引发射电极40施加负电位。进入到上述电气绝缘场F而飞翔的电子e 到达电子吸引发射电极40，但由于电子吸引发射电极40由准二维物 质构成，所以根据隧道现象而通过。进而还根据隧道现象通过由准二 维物质构成的电气绝缘场F,经由电子发射端口 30到达电子供给体 20。想要从电子供给体20 二次发射的电子e被处于负电位的电子吸 引发射电极40抑制。
被收集到电子供给体20的电子e通过向电力取出电路60移动， 而由电气负载61用作电能。
如上所述，在交流电源121、 122的正的半周期中，电子供给体 20内的电子e被场致发射，而到达电子接受体50,在电力取出电路 60中电流i从下向上(从电子供给体20侧向电子接受体50侧)流过。 另外在交流电源121、 122的负的半周期中，电子接受体50内的电子 e被场致发射，而到达电子供给体20，在电力取出电路60中电流i 从上向下(从电子接受体50侧向电子供给体20侧)流过。即，交流 电流i流入电力取出电路60的电气负载61。
作为上述电气负载61使用变压器等，调整电压和电流，而可以 用作家庭用电源或工场用电源。
在上述的本发明中，与利用太阳能等的情况不同，即使在雨天、 夜间、不论在何时都可以进行发电来利用。另外由于还无需热源等， 所以也不会由于热循环而引起劣化。当然，是静止装置。因此本发明 的装置在耐久性、实用性、便利性上也具有以往的发电装置没有的良好的一面。
使用图19,对本发明的第3实施方式的场致发射发电装置进行说明。
本第3实施方式的特征在于，作为防止从电子供给体20的电子 发射端口 30通过电子吸引发射电极40被场致发射的电子e被吸收到 电子吸引发射电极40的电子吸收防止单元，其特征在于，设置变更 朝向电子吸引发射电极40飞翔的电子e的轨道的电子轨道变更电极。
即，在上述的第1、第2实施方式中，为了防止场致发射的电子 e被吸收到电子吸引发射电极40，由准二维物质构成电子吸引发射电 极40，由此使电子e根据隧道现象通过电子吸引发射电极40。但是 在本3实施方式中，作为电子吸收防止单元使用电子轨道变更电极。
在本第3实施方式中，由于无需使飞翔电子e贯穿，所以无需将 电子吸引发射电极40设为准二维物质。
在由真空或被减压的空间构成的电气绝缘场F中，配置有电子 供给体20。相对该电子供给体20相向配置有电子吸引发射电极40。 电子吸引发射电源41向电子引出电极40和电子供给体20施加电压， 使电子吸引发射电极40成为正电压，电子供给体20成为负电压。
在相对上述电子供给体20和电子吸引发射电极40的间隙成直角 的侧面位置，与电源153 —起配置有第1电子轨道变更电极151、152。 另外与电源156—起配置有第2电子轨道变更电极154、 155，使得向 电子接受体50引导飞翔电子e。
场致发射电子e经由图示的电子轨道orb到达电子接受体50。
如在已叙述的实施方式中说明的那样，上述电子供给体20由金 属材料或其他丰富地保持有自由电子的材料构成。
在上述电子供给体20的与电气吸引发射电极40对置的面上，虽 然在图19中未图示，设置有电子发射端口 30。另外电子发射端口 30 发挥将电子从此处场致发射的功能，被设置成与上述电子供给体20
电气导通的状态。电子发射端口 30优选由针对电子的场致发射的能 量垒小的材料构成。另外优选由能量垒小的形状构成。可以在电子供给体20的表面竖立设置多个碳纳米管等准一维物质而构成电子发射 端口 30。
上述电子吸引发射电极40是用于对上述电子发射端口 30施加电 场，而从电子发射端口 30场致发射电子e的电极。
在本实施方式的情况下，无需由准二维物质构成电子吸引发射电 极40。因此可以容易地提供电子吸引发射电极40的设备。
上述电子接受体50用于接收场致发射的电子，可以由金属材料 等自由电子的保持能力大的材料构成。作为电子接受体50的结构， 可以设为由在上迷图7中说明的标号51~54构成的结构。另外在电 子接受体50中，也可以附设有在图8中说明的受电子位置分散单元 90、在图9中说明的电子分配单元100、在图11 ~图13中说明的二 次发射防止单元110。
通过对电子吸引发射电极40施加正电压，从电子供给体20经由 电子发射端口 30场致发射电子e，而朝向电子吸引发射电极40。此 时，当电子e在电子供给体20与电子吸引发射电极40的间隙飞翔时， 受到来自第1电子轨道变更电极151、 152的库仑力，电子e的轨道 朝向施加了正电压的第1电子轨道变更电极151变更。由此防止场致 发射电子e被吸收到电子吸引发射电极40的现象。
在朝向上述施加了正电压的第1电子轨道变更电极151的轨道的 两侧配置有第2电子轨道变更电极154、 155。通过该第2电子轨道变 更电极154、 155,飞翔电子e的轨道被进一步变更，向电子接受体 50石並撞而纟皮吸收，而不向电子轨道变更电极151碰撞。
另外对于上述第1电子轨道变更电极151、 152和第2电子轨道 变更电极154、 155，不一定设置两对。根据需要，作为将朝向电子吸 引发射电极40的电子e的轨道从电子吸引发射电极40变更到电子接 受体50的单元，设置一个至多个电子轨道变更电极即可。
由于收集到电子e的电子接受体50带负电荷，所以通过电力取 出电路60向外部取出，而可以用作电能。
参照该图20、图21，对第3实施方式的场致发射发电装置的具体的一个例子进行说明。
在真空容器10中配置有由电气绝缘物质构成的框架160，在该 框架160上安装有电子供给体20。另外与该电子供给体20对置地在 框架160上安装有电子吸引发射电极40。由电子吸引发射电源41对 电子吸引发射电极40施加正电压，对电子供给体20施加负电压。虽 未图示，在上述电子供给体20上构成有由准一维物质组成的电子发 射端口 30。
通过电子吸引发射电极40，从电子供给体20经由电子发射端口 30场致发射电子e。
与上述电子供给体20与电子吸引发射电极40的间隙的侧面对置 地在框架160上安装有电子轨道变更电极157。由电源158对电子轨 道变更电极157和电子供给体20施加电压，以对电子轨道变更电极 157施加正电压，对电子供给体20施加负电压。
从电子供给体20向真空中场致发射的电子e的轨道通过电子轨 道变更电极157而被变更，沿着箭头的方向飞行，从由一对门部件171、 172构成的开口 173进入到引入空间S。在引入空间S的内部，在框 架160上安装有电子接受体50。
上述门部件171、 172 #皮安装到框架160上，而通过电源174、 175施加负电压。另外由电源174、 175向上述电子接受体50施加正 电压。
进入到上述引入空间S中的电子e被吸引而到达具有正电荷的电 子接受体50，另一方面被门部件171、 172排斥，而无法从开口 173 出去。
收集到电子接受体50中的电子e被电力取出电路60(参照第1、 第2实施方式)取出，而流过电气负载61，从而被用作电能。
参照图22、图23，对本发明的第4实施方式的场致发射发电装 置进行说明。
本第4实施方式的特征在于，作为防止从电子供给体20的电子 发射端口 30通过电子吸引发射电极40场致发射的电子e被电子吸引发射电极40吸收的电子吸收防止单元，在电子吸引发射电极40的跟 前配置电子接受体50，从而在电子吸引发射电极40的跟前接收朝向 电子吸引发射电极40飞翔的电子e。
即，在上述的第1、笫2实施方式中，为了防止场致发射的电子 e被电子吸引发射电极40吸收，由准二维物质构成电子吸引发射电极 40，并且在第3实施方式中使用了电子轨道变更电极。但是在本第4 实施方式中，作为电子吸收防止单元在电子吸引发射电极40之前配 置电子接受体50。
在本第4实施方式中，由于无需使飞翔电子e贯穿，所以无需由 准二维物质构成电子吸引发射电极40。
在图22中，相对电子供给体20电气导通状态地配置有电子发射 端口 30。相对电子发射端口 30,相向配置有电子接受体50,并在该 电子接受体50的背后配置有电子吸引发射电极40。上述电子供给体 20、电子发射端口 30、电子吸引发射电极40和电子接受体50被设置 在未图示的真空容器(参照图1的真空容器10)内，气氛成为由真空 或减压状态的空间构成的电气绝缘场F。
在上述电子吸引发射电极40与电子供给体20之间，通过电子吸 引发射电源41，对电子吸引发射电极40施加正电压。另外在上述电 子接受体50与电子供给体20之间配设有电力取出电路60，并在途中 设置有电气负载61。
如已经在图1所示的装置的说明中所述，上述电子供给体20由 成为供给电子的源的物质构成，由金属材料或其他丰富地保持有自由 电子的材料构成。另外，上述电子发射端口 30发挥将电子从此处场 致发射的功能，被设置成与上述电子供给体20电气导通的状态。电 子发射端口 30优选由针对电子的场致发射的能量垒小的材料构成。 另外优选由能量垒小的形状构成。通过在电子供给体20的表面生长 碳纳米管等准一维物质等，而在电子供给体20的表面竖立设置多个 准一维物质，从而构成该电子发射端口 30。
上述电子吸引发射电极40是用于对上述电子发射端口 30施加电场，而从电子发射端口 30场致发射电子e的电极。
上述电子接受体50设为圆锥形状，将该圆锥形状的前端侧配置 在电子发射端口 30侧，将圆锥形状的后端侧的背面配置在上述电子 吸引发射电极40侧。该电子接受体50可以由金属材料等自由电子的 保持能力大的材料构成。
通过被施加正电压的电子吸引发射电极40，从电子供给体20经 由电子发射端口30，场致发射电子e。该场致发射电子e向电子接受 体50碰撞而被吸收。在吸收到电子e的电子接受体50中电子e作为 负电荷被积蓄。所积蓄的电子e经由电力取出电路60、电气负栽61 而反馈到电子供给体20,从而可以用作电能。
在图23中示出电子被场致发射时的电压与电流的关系。在该图 中记载有2种场致发射特性。将电子开始放射(场致发射)的电压称 为阈值电压。在被施加高于阈值电压Va的电压时，开始流过基于场 致发射的电流I的情况下，将其称为低的阈值电压Va。在被施加高于 阈值电压Vb的电压时，开始流过基于场致发射的电流I的情况下， 将其称为高的阈值电压Vb。在图22中，圆锥形状的电子接受体50 位于电子吸引发射电极40与电子发射端口 30之间。由于电场被施加 到电子吸引发射电极40与电子供给体20，所以在电子吸引发射电极 40与电子接受体50之间存在电场。进而还存在于电子接受体50与电 子发射端口 30之间。
在本实施方式的情况下，电子吸引发射电极40与电子接受体50 相互对置的面几乎是平面，所以不会发生电场的集中现象，所以不易 引起电子e的场致发射。即，该区域中的电子的场致发射特性在图23 中成为高的阈值电压Vb，电子e几乎不会从电子接受体50向电子吸 引发射电极40移动。但是，电子接受体50与电子发射端口 30相互 以较细地突出的方式对置。由于两者的距离也较短，所以发生电场的 集中现象，在该情况下通过低的阈值电压Va，从电子发射端口30场 致发射电子e。因此，场致发射电子e被积蓄到电子接受体50。
产业上的可利用性利用了电子的场致发射的本发明的装置可以代替以往的火力发 电、水利发电、原子能发电、使用了太阳能等自然能量的发电，或者 作为应新附加的发电单元，可以低成本地提供投入能量少、清洁、稳 定的电能，产业上的可利用性非常大。
权利要求
1. 一种场致发射发电装置，其特征在于，具备由保持有自由电子的材料构成的电子供给体；相对该电子供给体被设置成电气导通状态的电子发射端口；与该电子发射端口隔着电气绝缘场相向配置，并用于施加电场而吸引发射电子的电子吸引发射电极；用于接收由于该电子吸引发射电极而被发射的电子的电子接受体；以及用于防止从上述电子发射端口发射的电子被吸收到上述电子吸引发射电极的电子吸收防止单元，通过向上述电子吸引发射电极施加正电压而从上述电子发射端口场致发射电子，并不使该场致发射的电子被吸收到上述电子吸引发射电极，而使用另外配置的上述电子接受体接收该场致发射的电子而进行收集。
2. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，电 子发射端口由相对于电子发射的能量垒小的材料和/或形状构成。
3. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，电 子发射端口被构成为在电子供给体的表面竖立设置准一维物质以使 其长度方向成为电子发射方向。
4. 根据权利要求3所述的场致发射发电装置，其特征在于，准 一维物质是碳纳米管。
5. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，上 述电气绝缘场由绝缘空间或绝缘物质构成。
6. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，电 子吸收防止单元被构成为，将电子吸引发射电极的材料设为准二维物 质，使从电子发射端口发射的电子根据量子隧道现象贯穿上述电子吸 引发射电极而不被上述电子吸引发射电极吸收。
7. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，电子吸收防止单元是变更从电子发射端口发射而朝向电子吸引发射电 极的电子的轨道的电子轨道变更电极。
8. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，电 子吸收防止单元被构成为，通过在电子吸引发射电极之前配置电子接 受体，在电子吸引发射电极的跟前接收从电子发射端口发射而朝向电 子吸引发射电极的电子。
9. 根据权利要求1所述的场致发射发电装置，其特征在于，设 置有对朝向电子接受体的电子进行加速的加速电极。
10. 根据权利要求l所述的场致发射发电装置，其特征在于，设 置有分散朝向电子接受体的电子的轨道而防止电子接受体中的受电 子位置集中的受电子位置分散单元。
11. 根据权利要求l所述的场致发射发电装置，其特征在于，相 互绝缘状态地设置多个电子接受体，并设置有向上述多个电子接受体 分配从电子发射端口发射的电子的电子分配单元。
12. 根据权利要求l所述的场致发射发电装置，其特征在于，设 置有用于防止到达电子接受体的电子被二次发射的二次发射防止单 元。
13. 根据权利要求l所述的场致发射发电装置，其特征在于，构 成为电气连接电子接受体与电子供给体并在途中配置有电气负载。
14. 根据权利要求l所述的场致泉射发电装置，其特征在于，构 成为通过向电子吸引发射电极施加交流电压，改变从电子发射端口发 射的电子的量，而进行交流发电。
全文摘要
本发明提供一种场致发射发电装置，可以根据与以往的发电方法不同的新概念，实现投入能量少、发电效率良好、清洁、且无需担心枯竭的稳定的发电。具备保持有自由电子的电子供给体(20)；相对电子供给体(20)被设置成电气导通状态的电子发射端口(30)；与电子发射端口(30)隔着电气绝缘场(F)相向配置，并施加电场而吸引发射电子的电子吸引发射电极(40)；接收由于电子吸引发射电极(40)而被发射的电子的电子接受体(50)；以及防止来自电子发射端口(30)的发射电子被吸收到电子吸引发射电极(40)的电子吸收防止单元，通过向电子吸引发射电极(40)施加正电压而从电子发射端口(30)场致发射电子，使用电子接受体(50)接收该发射电子而进行收集。
文档编号H02N11/00GK101416378SQ20068005419
公开日2009年4月22日 申请日期2006年4月11日 优先权日2006年4月11日
发明者赤松则男 申请人:赤松则男