|
| Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные | Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения | Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела |   |
| Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) | |||
Навигация: => | На главную/ Каталог патентов/ В раздел каталога/ Назад / |
|
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2195742
ТЕРМОИОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Имя изобретателя: ДЭВИС Эдвин Д. (US)
Имя патентообладателя: ДЭВИС Эдвин Д. (US)
Патентный поверенный: Эпштейн Михаил Яковлевич
Адрес для переписки: 105023, Москва, ул. Электрозаводская 27, оф.504, фирма "РОУТЭК", Эпштейну М.Я.
Дата начала действия патента: 1997.11.14
Изобретение относится к устройствам преобразования тепловой энергии в электрическую. Техническим результатом является повышение преобразовательной способности термоионного преобразователя и снижение электронного рассеяния в термоионном электрическом преобразователе для получения большей поверхности, для испарения электронов используется катод из проволочной сетки. В качестве альтернативы или дополнения за счет использования искривленной поверхности электронной эмиссии можно получить гораздо большую площадь поверхности электронной эмиссии. Лазер обеспечивает квантовую интерференцию электронов непосредственно перед тем, как они достигают анода, за счет чего их энергетические уровни снижаются настолько, что они более легко захватываются анодом.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение, в общем, относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно, представляет собой улучшенный термоионный электрический преобразователь.
До сих пор были известны термоионные преобразователи, которые предложены в патентах США 3519854, 3328611, 4303845, 4323808 и 5459367 (все эти патенты выданы автору настоящего изобретения и используются в настоящем описании в качестве ссылок) и в которых описаны различные устройства и способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В патенте США 3519854 предложен преобразователь, использующий средства сбора выходного тока, основанные на эффекте Холла. Идея изобретения, представленного в патенте 3519854 заключается в том, чтобы использовать в качестве источника электронов поток электронов, испаряющихся эмиссионной поверхностью катода. Электроны ускоряются электрическим полем в направлении к аноду, находящемуся за преобразователем, работающим по принципу эффекта Холла. В патенте 3519854 анод представляет собой простую металлическую пластину, имеющую элемент, окружающий эту пластину и изолированный от нее, на котором создается большой электростатический заряд.
В патенте США 3328611 описан термоионный преобразователь сферической конфигурации, имеющий сферический эмиссионный катод, который при нагревании испускает электроны в направлении концентрического сферического анода под воздействием управляющего элемента, относительно которого катод имеет высокий положительный потенциал и от которого он изолирован. В патенте 3328611 и, как и в патенте 3519854, анод представляет собой простую металлическую поверхность.
В патенте США 4303845 описан термоионный преобразователь, в котором поток электронов от катода проходит через индукционную полую катушку, находящуюся в поперечном магнитном поле, генерируя при этом эдс в индукционной катушке при взаимодействии потока электронов с поперечным магнитным полем. В патенте 4303845 анод и состоит из металлической пластины, имеющей элемент, окружающий данную пластину и изолированный от нее, на котором создается большой электростатический заряд.
В патенте США 4323808 описан термоионный преобразователь с лазерным возбуждением, очень похожий по своей конструкции на термоионный преобразователь, описанный в патенте 4303845. Основное отличие состоит в том, что в патенте 4323808 предлагается использовать лазер, луч которого направляется на сетку, на которой собираются электроны, в тот момент, когда с нее снимается напряжение. При этом возникают электронные сгустки, которые ускоряются в направлении анода и проходят через полую индуктивную катушку, расположенную в поперечном магнитном поле. В патенте 4323808, и как и в патенте 3519854, анод представляет собой простую металлическую пластину, имеющую окружающий данную пластину и изолированный от нее элемент, на котором создается большой электростатический заряд.
В изобретении, описанном в патенте США 5459367, в качестве усовершенствования предложен улучшенный собирающий элемент, у которого вместо металлической пластины в качестве анода используются медные волокна и гель сульфата меди. Кроме того, анод имеет элемент, окружающий данную пластину и изолированный от нее, на котором создается большой заряд, например электростатический.
Еще одна конструкция известного уровня техники имеет катод и анод, расположенные в вакуумной камере на относительно близком (порядка двух микрон) расстоянии друг от друга. В этой конструкции для притяжения электронов, испускаемых с поверхности катода к аноду, не используется никаких других сил притяжения, кроме сил притяжения атомов цезия, вводимых в камеру, окружающую катод и анод. Цезий создает на аноде положительный заряд, поддерживающий поток электронов. Поскольку катод и анод расположены так близко друг к другу, то трудно поддерживать значительную разность температур между ними. Например, в обычных условиях температура катода составляет 1800 К, а температура анода - 800 К. Для поддержания требуемой разности температур катод снабжен источником тепла, а анод имеет специальную систему циркуляционного охлаждения. Несмотря на то что в камере поддерживается вакуум (с давлением, отличающимся от давления в источнике паров цезия), тепло передается от катода к аноду, а для поддержания требуемой разности температур между близко расположенными поверхностями катода и анода требуется значительное количество энергии. Это, в свою очередь, значительно снижает эффективность данной системы.
В соответствии с вышеизложенным цель настоящего изобретения заключается в создании нового и улучшенного термоионного электрического преобразователя.
Более конкретно, целью настоящего изобретения является создание термоионного электрического преобразователя с улучшенной преобразовательной способностью. Еще одной целью настоящего изобретения является создание улучшенного катода для термоионного электрического преобразователя.
Следующей целью настоящего изобретения является создание термоионного электрического преобразователя, имеющего катод и анод, которые разделены в пространстве столь значительно, что оказываются термически изолированы друг от друга.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание термоионного электрического преобразователя, в котором энергия могла бы отниматься у электронов непосредственно перед их соударением с анодом.
Вышеуказанные и другие цели настоящего изобретения, которые будут более понятны из приведенного ниже подробного описания, могут быть реализованы с помощью термоионного электрического преобразователя, имеющего корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий, будучи нагрет, так что служит в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий так, что принимает электроны, испускаемые катодом. Катод представляет собой проволочную сетку, имеющую проволочки, проходящие по меньшей мере в двух поперечных друг другу направлениях. Первое заряженное фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между катодом и анодом и действует так, что направляет электроны, испускаемые катодом, через первое фокусирующее кольцо на их пути к аноду.
Второе заряженное фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между первым фокусирующим кольцом и анодом и действует так, что направляет электроны, испускаемые катодом, на их пути к аноду через второе фокусирующее кольцо. Кроме того, могут потребоваться дополнительные фокусирующие кольца. Предпочтительно, чтобы катод был отделен от анода промежутком, составляющим от четырех микрон до пяти сантиметров. Более предпочтительно, чтобы катод был отделен от анода промежутком, составляющим от одного до трех сантиметров. Лазер предназначен для возбуждения электронов (то есть воздействия на них лазерным лучом) в пространстве между катодом и анодом. Лазер возбуждает электроны непосредственно перед тем, как они попадают на анод. Лазер служит для обеспечения квантовой интерференции с электронами, чтобы электроны легче захватывались анодом.
Предпочтительно, чтобы проволочная сетка катода содержала не менее четырех проволочных слоев. Более того, каждый из проволочных слоев имеет проволочки, простирающиеся в другом направлении от (проволочек) каждого другого из проволочных слоев, таким образом, проволочная сетка катода содержит проволочки, проходящие по крайней мере в четырех разных направлениях. Это сделано для того, чтобы сильно увеличить эмиссионную поверхность катода.
В качестве альтернативы настоящее изобретение можно представить как термоионный электрический преобразователь, имеющий корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий, будучи нагрет, так, что служит в качестве источника электронов, анод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий так, что принимает электроны, испускаемые катодом, а и лазер, предназначенный для возбуждения электронов между катодом и анодом. Таким образом, лазер обеспечивает квантовую интерференцию с электронами так, что они более легко захватываются анодом. Лазер действует так, что возбуждает электроны непосредственно перед тем, как они достигают анода. Лазер действует так, что возбуждает электроны, когда они находятся на расстоянии двух микрон от анода. Катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух поперечных друг другу направлениях. Катод отделен от анода промежутком, составляющим от четырех микрон до пяти сантиметров.
В качестве альтернативы настоящее изобретение можно представить как термоионный электрический преобразователь, имеющий корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий, будучи нагрет, так, что служит в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента и действующий так, что принимает электроны, испускаемые катодом и проходящие в основном вдоль направления движения, определяя направление от катода к аноду. Катод имеет площадь плоского поперечного сечения, перпендикулярную направлению движения электронов, катод имеет площадь поверхности электронной эмиссии для испускания электронов к аноду, а площадь поверхности электронной эмиссии по крайней мере на 30% больше площади плоского поперечного сечения. Катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух поперечных друг другу направлениях. В качестве альтернативы или дополнительно катод изогнут в направлении, перпендикулярном направлению движения. Имеется и лазер, который действует так, что возбуждает электроны непосредственно перед тем, как они попадают на анод. Предпочтительно, чтобы площадь поверхности электронной эмиссии была по крайней мере вдвое больше площади плоского поперечного сечения. А еще более предпочтительно, чтобы площадь поверхности электронной эмиссии была вдвое больше площади плоского поперечного сечения. Чем меньше диаметр проволочек, тем больше площадь поверхности электронной эмиссии. Эта зависимость носит экспоненциальный характер.
Краткое описание чертежей
Ниже следует подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на
которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами.
Фиг. 1 представляет собой схему термоионного электрического преобразователя известного уровня техники.
Фиг. 2 представляет собой схему термоионного электрического преобразователя
известного
уровня техники с лазерным возбуждением.
Фиг. 3 дает вид сбоку с поперечным разрезом деталей и схему термоионного электрического
преобразователя, соответствующего настоящему изобретению.
 |  |  |  |
 |
Фиг. 4 дает вид сверху конструкции из проволочной сетки, использованной для изготовления катода. Фиг.5 является видом сбоку части конструкции из проволочной сетки. Фиг. 6 является видом сбоку части альтернативной конструкции из проволочной сетки. Фиг. 7 представляет собой боковую схему множества слоев конструкции из проволочной сетки. Фиг.8 представляет собой вид сбоку альтернативной упрощенной конструкции из проволочной сетки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 и 2 показаны термоионные электрические преобразователи известного уровня техники, раскрытые соответственно в патентах США 4303845 и 4323808, выданных автору настоящего изобретения Эдвину Д. Дэвису; описание их приведено и здесь с соответствующими ссылками. Поскольку подробно принцип действия обоих этих термоионных электрических преобразователей рассмотрен в соответствующих патентах, то в данном описании обзор принципа действия дан со ссылками на фиг.1 и 2. Это представляет собой предпосылки, полезные для понимания существа настоящего изобретения.
На фиг.1 показан базовый термоионный электрический преобразователь, а на фиг. 2 - термоионный электрический преобразователь с лазерным возбуждением. Принципы действия обоих преобразователей очень похожи между собой.
На прилагаемых фигурах показан базовый термоионный электрический преобразователь 10. Преобразователь 10 имеет удлиненный цилиндрический внешний корпус 12, снабженный парой торцевых стенок 14 и 16, образующих закрытую камеру 18. Корпус 12 изготовлен из одного из множества известных прочных, неэлектропроводных материалов, таких как, например, высокотемпературные пластмасса или керамика, а торцевые стенки 14, 16 представляют собой металлические пластины, к которым могут быть подведены электрические соединения. Элементы механически связаны друг с другом и загерметизированы, так что в камере 18 может создаваться вакуум, а на торцевых стенках 14 и 16 может создаваться и поддерживаться умеренно высокий электрический потенциал.
Первая торцевая стенка 14 имеет сформированную катодную область 20 с обеспечивающим электронную эмиссию покрытием, (не показано), расположенную на ее внутренней поверхности, а вторая торцевая стенка 116 сформирована в виде круговой, слегка выпуклой поверхности, которая сначала устанавливается на изолирующее кольцо 21 для получения сборки, все детали которой затем помещаются в корпус 12. В процессе работы торцевые стенки 14 и 16 действуют соответственно как катодная клемма и собирающая пластина преобразователя 10. Между этими двумя стенками электронный поток 22 будет протекать по существу вдоль оси симметрии цилиндрической камеры 18, начинаясь от катодной области 20 и заканчиваясь на собирающей пластине 16.
Кольцевой фокусирующий элемент 24 концентрически расположен в камере 18 в месте, находящемся вблизи от катода 20. Отражающий элемент 26 концентрически расположен в камере 18 в месте, находящемся вблизи от собирающей пластины 16.
Между этими двумя элементами находится индукционная сборка 28, состоящая из спиральной индукционной катушки 30 и удлиненного кольцевого магнита 32. Катушка 30 и магнит 32 концентрично расположены в камере 18, занимая ее центральную часть. Кратко рассмотрим схематичный торцевой вид фиг.2, на котором можно видеть относительное радиальное расположение различных элементов и сборок. Для простоты представления механическое средство крепления этих расположенных внутри элементов ни на одной из фигур не показано. Фокусирующий элемент 24 электрически соединен посредством провода 34 и герметически закрытого сквозного отверстия 36 с внешним источником статического потенциала (не показан). Индукционная катушка 30 аналогично соединена посредством пары проводов 38 и 40 и пары сквозных отверстий 42 и 44 с внешним нагрузочным элементом, показанным просто в виде резистора 46.
Потенциалы, прикладываемые к различным элементам, не показаны полностью и не рассматриваются подробно, поскольку представляют собой хорошо известное средство реализации соответствующих устройств создания электронного потока. Короче говоря, если принять (традиционно) катодную область 20 за уровень отсчета напряжения, то оказывается, что большой статический заряд приложен к собирающей пластине 16, а внешняя схема, содержащая этот источник напряжения, завершается соединением ее отрицательной стороны с катодом 20. Этот приложенный большой положительный статический заряд вызывает поток электронов 22, начинающийся от катодной области 20 и ускоряющийся вдоль собирающей пластины 16 так, что его величина непосредственно зависит от величины приложенного большого статического заряда. Соударение электронов с собирающей пластиной 16 происходит со скоростью, достаточной для создания определенной степени рикошета. Отражающий элемент 26 сконструирован и размещен так, чтобы не давать этим отскакивающим рикошетом электронам попадать в основную часть преобразователя, кроме того, к нему подведены необходимые электрические соединения (не показаны). Для фокусировки электронного потока 22 в узкий луч на фокусирующий элемент 24 подается отрицательное напряжение низкого или среднего уровня. Во время работы для нагрева создающего электронную эмиссию покрытия катода 20 и испарения за счет этого порций электронов используется источник тепла 48 (который может быть получен из различных источников, таких как источники, вырабатывающие тепло в результате сгорания ископаемых видов топлива, применения ядерных устройств, продуктов ядерного распада или теплообменников из существующих ядерных реакторов). Испускаемые электроны фокусируются фокусирующим элементом 24 в узкий луч и ускоряются в направлении собирающей пластины 16. При прохождении индукционной сборки 28 электроны попадают под влияние магнитного поля, вырабатываемого магнитом 32, и совершают взаимное движение, вызывающее в витках индукционной катушки 30 наведенную электродвижущую силу (эдс). На самом деле эта наведенная эдс является суммой большого числа отдельных электронов, образующих маленькие круговые контуры протекания тока, за счет которых в каждой обмотке катушки 30 создается соответствующее большое число мгновенных эдс. В целом выходное напряжение преобразователя пропорционально скорости движущихся электронов, а выходной ток зависит от размера и температуры источника электронов. Механизм создания наведенной эдс можно объяснить в терминах силы Лоренца, которая действует на электрон, обладающий первоначальной линейной скоростью, когда он входит в по существу однородное магнитное поле, перпендикулярное скорости электрона. В правильно сконструированном устройстве это вызывает спиральную траекторию движения электрона (не показана), которая обеспечивает требуемую результирующую скорость изменения потока, необходимую для создания в соответствии с законом Фарадея наведенной эдс.
Эта спиральная траектория движения электрона получается в результате сочетания линейной поступательной траектории (продольной), вызываемой ускоряющим действием собирающей пластины 16, и круговой траектории (поперечной), вызываемой взаимодействием первоначальной скорости электрона с поперечным магнитным полем магнита 32. В зависимости от относительной величины высокого напряжения, приложенного к собирающей пластине 16, и напряженности и ориентации магнитного поля, создаваемого магнитом 32, возможны другие механизмы создания напряжения непосредственно в индукционной обмотке 30. Рассмотренный выше механизм носит чисто иллюстративный характер и не может рассматриваться как единственно возможный рабочий режим. Тем не менее, все остальные механизмы должны вытекать из различных сочетаний соответствующих законов Лоренца и Фарадея.
Основное отличие между базовым преобразователем, описанным в патенте США 4303845, и преобразователем с лазерным возбуждением, описанным в патенте США 4323808, заключается в том, что в преобразователе с лазерным возбуждением электроны, испаряющиеся с поверхности катода, собираются на сетке 176, имеющей небольшой отрицательный потенциал, подаваемый на нее от источника отрицательного потенциала 178 по проводу 180, которая захватывает электронный поток, создаваемый множеством электронов. Приложенный к сетке электрический потенциал снимается, когда сетка одновременно подвергается лазерному импульсному разряду лазерной сборки 170, 173, 174, 20, вызывающему высвобождение электронного сгустка 22. Затем электронный сгусток 22 электрически фокусируется и направляется через внутреннюю часть витков полой индукционной катушки, находящихся в поперечном магнитном поле, за счет чего в индукционной катушке вырабатывается эдс, прикладываемая для выполнения работы к внешней цепи, как описано выше для базового термоэлектронного преобразователя.
Как описано в принадлежащем этому же автору патенте США 5459367, базовая конструкция имеет множество серьезных недостатков, связанных обычно с тем, что собирающий элемент сделан просто из проводящей металлической пластины. Поэтому собирающий элемент такой конструкции включает в себя проводящий слой геля сульфата меди, которым пропитаны медные волокна. Такой анод может использоваться и в настоящем изобретении. Однако в настоящем изобретении может использоваться и анод из проводящей металлической пластины, поскольку другие его признаки, позволяют свести к минимуму, а то и вовсе исключить некоторые недостатки, которые в противном случае могли бы быть вызваны таким пластинчатым анодом. В таком случае характеристики анода не столь существенны для предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.
Рассмотрим фиг. 3, здесь показан соответствующий настоящему изобретению термоионный преобразователь 200, включающий в себя корпусной элемент 202, в котором известным образом с помощью вакуумного оборудования должно поддерживаться пониженное давление. Корпусной элемент 202 является предпочтительно цилиндрическим относительно центральной оси 202А, служащей осью симметрии элемента 202 и, если отдельно не указано иного, то и его компонентов.
Коллектор 204 может включать в себя плоскую анодную круглую пластину 206 (сделанную, например, из меди), окруженную статически заряженным кольцом 208 (с зарядом, например, до 1000 кулонов), имеющим концентричные ему изолирующие кольца 210. Кольцо 208 и кольца 210 могут иметь конструкцию и принцип действия, описанные в патенте 5459367. Охлаждающий элемент 212 имеет тепловую связь с пластиной 206 такую, что хладагент из источника хладагента 214 рециркулирует в них по цепи хладагента 216. Охлаждающий элемент 212 поддерживает анодную пластину при требуемой температуре. В качестве альтернативы охлаждающий элемент 212 может представлять собой то же самое, что и анодная пластина 206 (другими словами, хладагент может циркулировать по пластине 206). Для стабилизации температуры анода 206 может использоваться устройство обратной связи (не показано) с одним или несколькими датчиками (не показаны).
Соответствующая настоящему изобретению катодная сборка 218 включает в себя катод 220, нагреваемый источником тепла так, что он испускает электроны, которые обычно движутся вдоль направления движения 202А к аноду 206. Как и в патенте 5459367, заряженное кольцо 208 помогает притягивать электроны к аноду. Несмотря на то что источник тепла показан как источник 222 нагревающей среды (жидкости или газа), протекающей к нагревающему элементу 224 (который имеет тепловую связь с катодом 220) через нагревательную цепь 226, могут использоваться и альтернативные источники энергии, такие как лазер, приложенный к катоду 224. Для ввода энергии в источник 222 могут использоваться источники солнечной, лазерной, микроволновой и радиоактивной энергии. Более того, для создания тепла в источнике 222 может использоваться отработанное ядерное топливо, которое в противном случае просто подлежит захоронению, что требует больших затрат и не приносит никакой пользы.
Электроны, возбужденные в катоде 220 до уровня Ферми, исчезают с поверхности катода, притягиваясь кольцом статического заряда 208, проходят вдоль направления движения 202А через первое и второе фокусирующие кольца или цилиндры 228 и 230, которые могут быть сделаны и действовать аналогично фокусирующему элементу 24 описанного выше известного устройства. Чтобы помочь электронам двигаться в нужном направлении, катод 224 может окружать экран 232. Экран 232 может быть цилиндрическим или коническим или, как показано, включать в себя цилиндрическую часть, находящуюся ближе к катоду 224, и коническую часть, находящуюся дальше от катода 224. В любом случае экран стремится поддерживать движение электронов в направлении 202А. Электроны будут стремиться отталкиваться от экрана 232, поскольку он должен иметь относительно высокую температуру (из-за близости к имеющему относительно высокую температуру катоду 220). В качестве альтернативы или дополнения к отталкиванию электронов за счет своей высокой температуры экран 232 может иметь прикладываемый к нему отрицательный заряд. В последнем случае между экраном 232 и катодом 220 должна иметься изоляция (не показана).
Электрическая энергия, получаемая за счет потока электронов от катода 220 к аноду 206, подается через катодный провод 234 и анодный провод 236 во внешнюю цепь 238.
Переходя от общего принципа действия преобразователя 200 к его конкретным преимуществам, следует отметить, что электроны, такие как электрон 240, по мере приближения к аноду 206 стремятся иметь более высокое энергетическое состояние. Поэтому нормальным явлением для некоторых из них будет испарение с поверхности без захвата обратно. Это обычно приводит к электронному рассеянию и снижает эффективность преобразования преобразователя. Для того чтобы исключить или значительно снизить эту тенденцию, в настоящем изобретении использован лазер 242, который возбуждает электроны (то есть бьет по ним лазерным лучом 244) непосредственно перед тем, как они попадут на анод 206. Квантовая интерференция между фотонами лазерного луча 224 и электронами 240 снижает энергетическое состояние электронов, так что они более легко захватываются поверхностью анода 206.
Следует понимать, что из-за известной в физике двойственности волновой корпускулярной природы света, электроны, возбуждаемые лазерным лучом, могут иметь как волновые, так и корпускулярные свойства. Безусловно, объем формулы настоящего изобретения не ограничен никакой конкретной теорией работы того или иного устройства, если только в самом пункте формулы нет точной ссылки на конкретную теорию, такую как теория квантовой интерференции. Использованная фраза о том, что лазер 242 возбуждает электроны лучом 244 "непосредственно перед тем", как электроны достигают анода 206, означает, что электроны, которые были возбуждены, не проходят через какие-либо другие компоненты (такие как фокусирующий элемент), а продолжают двигаться к аноду 206. Точнее, предпочтительно, чтобы электроны возбуждались не далее двух микрон от места падения на анод 206, а еще более предпочтительно, чтобы электроны возбуждались не далее одного микрона от места падения на анод 206. В самом деле, расстояние от второго фокусирующего элемента 230 до анода 206 может составлять один микрон, а лазер может возбуждать электроны еще ближе к аноду 206. Таким образом (то есть при возбуждении электронов непосредственно перед тем, как они достигнут анода), энергия электронов уменьшается именно в той точке, где это наиболее необходимо и полезно.
Несмотря на то что корпусной элемент 202 может быть непрозрачным, например металлическим, лазерное окошко 246 сделано из прозрачного материала, так что лазерный луч 244 может проходить от лазера 242 в камеру, находящуюся в элементе 202. В качестве альтернативы лазер 242 может находиться в самой камере.
В добавление к повышению эффективности преобразования за счет использования лазера 242 для снижения энергетического уровня электронов непосредственно перед тем, как они достигают анода 206, соответствующий настоящему изобретению катод 220 специально сконструирован так, чтобы повышать эффективность преобразования за счет увеличения площади электронной эмиссии катода 220.
Рассмотрим фиг.4, здесь катод 220 показан в виде круглой сетки, состоящей из проволочек 248. Проволочки 250 верхнего или первого слоя параллельных проволочек проходят в направлении 252, в то время как проволочки 254 второго слоя параллельных проволочек проходят в направлении 256, поперечном направлению 252 и предпочтительно перпендикулярном направлению 252. Третий слой параллельных проволочек (для простоты иллюстрации показана только одна проволочка 258) проходит в направлении 260 (составляющем с направлениями 252 и 256 угол, равный 45o). Четвертый слой параллельных проволочек (для простоты иллюстрации показана только одна проволочка 262) проходит в направлении 264 (составляющем с направлением 260 угол, равный 90o).
Еще необходимо отметить, что на фиг.4 показаны проволочки с относительно большими разделительными расстояниями между ними, что и сделано для простоты иллюстрации. Предпочтительно, чтобы проволочки были тонко волоченными, а разделительные расстояния между параллельными проволочками в одном слое были близки к их диаметру. Предпочтительно, чтобы диаметр проволочек составлял два миллиметра и менее, вплоть до размера тончайшей нити. Проволочки могут быть сделаны из вольфрама или другого металла, используемого для изготовления катодов.
Согласно фиг.5 проволочки 250 и 254 могут быть смещены относительно друг друга так, чтобы все проволочки 250 (на фиг.5 показана только одна) лежали в общей плоскости, смещенной относительно другой общей плоскости, в которой лежат проволочки 254. Альтернативная конструкция, показанная на фиг.6, имеет проволочки 250' (видна только одна), которые переплетены как в ткани.
Согласно фиг.7 альтернативный катод 220' может иметь три части 266, 268 и 270. Каждая из частей 266, 268 и 270 может иметь два перпендикулярных проволочных слоя (на фиг.7 не показаны), таких как 250 и 254 (или 250' и 254'). Часть 266 должна иметь проволочки, проходящие в плоскости фиг.7, и проволочки, параллельные плоскости фиг. 7. Часть 268 имеет два проволочных слоя, каждый из которых имеет проволочки, проходящие в направлении, составляющем угол, равный 30o, с одним из направлений проволочек для части 266. Часть 270 имеет два проволочных слоя, каждый из которых имеет проволочки, проходящие в направлении, составляющем угол, равный 60o, с одним из направлений проволочек для части 266.
Следует понимать, что фиг.7 является чисто иллюстративной с точки зрения того, что может использоваться множество слоев из проволочек, проходящих в различных направлениях.
Различные конструкции из проволочной сетки для катода позволяют увеличить эффективную площадь поверхности электронной эмиссии за счет изменения формы проволочек и использования множества слоев. Альтернативный способ увеличения площади поверхности представлен на фиг.8, на которой представлено боковое поперечное сечение параболического катода 280, используемого для испускания электронов, движущихся в основном вдоль направления движения 220А'. Катод 280 имеет площадь плоского поперечного сечения А, перпендикулярную направлению движения 202А. Важно, что катод 280 имеет площадь поверхности электронной эмиссии ЕА (из-за кривизны катода) для испускания электронов в направлении анода, которая по крайней мере на 30% больше площади плоского поперечного сечения А. Таким образом, для данного размера катода создается большая плотность электронов. Несмотря на то что катод 280 показан в виде параболы, могут использоваться и другие кривые поверхности. Катод 280 может быть сделан из сплошного элемента или может состоять из множества конструкций из проволочной сетки, как описано на фиг.4-7, за исключением того, что каждый слой должен быть не плоским, а кривым.
Несмотря на то что кривая конструкция катода, показанная на фиг.8, обеспечивает площадь электронной эмиссии ЕА, которая по крайней мере на 30% больше площади бокового поперечного сечения А, различные конструкции из проволочной сетки, такие как показанные на фиг.4, обеспечивают площадь поверхности электронной эмиссии, которая по крайней мере вдвое больше площади бокового поперечного сечения (то есть определена, как показано на фиг.8). На самом деле, площадь поверхности электронной эмиссии в сеточных конструкциях должна быть по крайней мере в десять раз больше площади бокового поперечного сечения.
Преимущество заключается в том, что настоящее изобретение позволяет катоду 220 и аноду 206 быть смещенными относительно друг друга на расстояние от четырех микрон до пяти сантиметров. Более конкретно, это расстояние смещения или разделения должно составлять от одного до трех сантиметров. Таким образом, катод и анод достаточно отделены друг от друга, чтобы тепло от катода в гораздо меньшей степени передавалось на анод, чем в таких конструкциях, где катод и анод должны находиться в непосредственной близости друг от друга. Поэтому источник хладагента 214 может иметь конструкцию, требующую гораздо меньшее количество хладагента, чем необходимо в большинстве известных конструкций.
Хотя описание настоящего изобретение приведено на конкретных примерах его осуществления, вполне очевидно, что любому специалисту в данной области техники будут понятны любые его альтернативные варианты, модификации и вариации. Следовательно, представленные в настоящем описании предпочтительные варианты осуществления изобретения являются не ограничивающими, а чисто иллюстративными. В пределах объема и существа настоящего изобретения возможны различные изменения, определенные как в настоящем описании, так и в прилагаемой формуле изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Термоионный электрический преобразователь, который содержит корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий при нагревании в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий для приема электронов, испускаемых катодом, причем катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух направлениях, поперечных друг другу.
2. Термоионный электрический преобразователь, который содержит корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий при нагревании в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий для приема электронов, испускаемых катодом, причем катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух направлениях, поперечных друг другу, а и лазер, действующий для возбуждения электронов между катодом и анодом.
3. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, который дополнительно содержит заряженное первое фокусирующее кольцо, находящееся внутри корпусного элемента между катодом и анодом, действующее для направления электронов, испускаемых катодом, через первое фокусирующее кольцо на их пути к аноду.
4. Термоионный электрический преобразователь по п. 3 содержит и заряженное второе фокусирующее кольцо, находящееся внутри корпусного элемента между первым фокусирующим кольцом и анодом, действующее для направления электронов, испускаемых катодом, через второе фокусирующее кольцо на их пути к аноду.
5. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, в котором катод отделен от анода расстоянием, составляющим от 4 мкм до 5 см.
6. Термоионный электрический преобразователь по п. 5, в котором катод отделен от анода расстоянием, составляющим от 1 до 3 см.
7. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, в котором лазер действует для возбуждения электронов непосредственно перед тем, как они достигают анода.
8. Термоионный электрический преобразователь по п. 7, в котором лазер действует для обеспечения квантовой интерференции с электронами так, что электроны более легко захватываются анодом.
9. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, в котором проволочная сетка катода включает в себя по крайней мере четыре слоя проволочек.
10. Термоионный электрический преобразователь по п. 9, в котором каждый из проволочных слоев имеет проволочки, проходящие в другом направлении от каждого другого из проволочных слоев, таким образом, проволочная сетка катода содержит проволочки, проходящие по крайней мере в четырех разных направлениях.
11. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, в котором катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух поперечных друг другу направлениях.
12. Термоионный электрический преобразователь по п. 2, в котором катод искривлен по крайней мере в одном направлении, перпендикулярном направлению движения.
13. Термоионный электрический преобразователь, который содержит корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий при нагревании в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий для приема электронов, испускаемых катодом, а и лазер, действующий для возбуждения электронов между катодом и анодом, создавая тем самым квантовую интерференцию с электронами, так, чтобы электроны более легко захватывались анодом.
14. Термоионный электрический преобразователь по п. 13, в котором лазер действует для возбуждения электронов непосредственно перед тем, как они достигают анода.
15. Термоионный электрический преобразователь по п. 14, в котором лазер действует для возбуждения электронов, находящихся на расстоянии 2 мкм от анода.
16. Термоионный электрический преобразователь по п. 15, в котором катод представляет собой проволочную сетку, проволочки которой проходят по крайней мере в двух поперечных друг другу направлениях.
17. Термоионный электрический преобразователь по п. 16, в котором разделительное расстояние между катодом и анодом составляет от 4 мкм до 5 см.
18. Термоионный электрический преобразователь по п. 15, в котором площадь поверхности электронной эмиссии по крайней мере в десять раз больше площади плоского поперечного сечения.
19. Термоионный электрический преобразователь, который содержит корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий при нагревании в качестве источника электронов, и анод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий для приема электронов, испускаемых катодом, и проходящих в основном вдоль направления движения, определяющего направление от катода к аноду, при этом катод имеет площадь плоского поперечного сечения, перпендикулярную к направлению движения, катод имеет площадь поверхности электронной эмиссии для испускания электронов в направлении к аноду, причем площадь поверхности электронной эмиссии по крайней мере на 30% больше площади плоского поперечного сечения.
20. Термоионный электрический преобразователь, который содержит корпусной элемент, катод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий при нагревании в качестве источника электронов, анод, находящийся внутри корпусного элемента, действующий для приема электронов, испускаемых катодом, и проходящих в основном вдоль направления движения, определяющего направление от катода к аноду, при этом катод имеет площадь плоского поперечного сечения, перпендикулярную к направлению движения, катод имеет площадь поверхности электронной эмиссии для испускания электронов в направлении к аноду, причем площадь поверхности электронной эмиссии по крайней мере на 30% больше площади плоского поперечного сечения, а и содержит лазер, действующий для возбуждения электронов между катодом и анодом непосредственно перед тем, как они достигают анода, причем площадь поверхности электронной эмиссии по крайней мере вдвое больше площади плоского поперечного сечения.
Версия для печати
Дата публикации 07.01.2007гг
Created/Updated: 25.05.2018