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TWI463681B - 用於將高能量光子放射轉換成電能之能量轉換器、方法以及能量轉換系統 - Google Patents

用於將高能量光子放射轉換成電能之能量轉換器、方法以及能量轉換系統 Download PDF

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TWI463681B
TWI463681B TW100100596A TW100100596A TWI463681B TW I463681 B TWI463681 B TW I463681B TW 100100596 A TW100100596 A TW 100100596A TW 100100596 A TW100100596 A TW 100100596A TW I463681 B TWI463681 B TW I463681B
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Toshiki Tajima
Michl Binderbauer
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Tri Alpha Energy Inc
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Publication date
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Description

用於將高能量光子放射轉換成電能之能量轉換器、方法以及能量轉換系統
本發明之實施例一般有關於光子能量轉換，以及更尤其有關於一種系統與方法，其方便將高能量光子之能量轉換成電力。
目前存在許多熟知裝置，用於將在光學範圍中光子能量轉換成電力，此例如為光伏特電池(太陽能電池)。此等裝置通常是由至少兩種材料(即，以矽為主之半導體)製成，其具有不同物理性質例如不同電子親和力(參考P.Wurfel所著The Physics of Solar Cells,第1版,Wiley-VCH(2004))。
當陽光照射此等材料之一時，太陽光子將光電子從價帶激發至導電帶，以提供電性遷移。此價帶與導電帶間之能量間隙典型地為一電子伏特等級，其類似於入射太陽光子之能量。此具有不同電子親和力之兩種材料之配置跨材料邊界產生電壓，其可以被捕捉為電能。
然而，在高能量光子範圍中例如遠紫外線光(XUV)、X光以及伽瑪射線高能量光子範圍中並未有已知裝置可以將光子轉換成電能。此等裝置可以使用於廣泛應用範圍中-例如，此等裝置可以使用作為能量轉換器，用於轉換以下來源之高能量光子：由輻射材料例如使用過放射性燃料棒所發射光子、由引爆來源例如爆炸物所發射光子、以及由高溫電漿與加速粒子射束所發射光子，且可以作為在太空應用中之裝置以作為電源與屏蔽等。提供此種裝置之困難在於此等高能量光子經由物質之高度穿透力，其原因為：當與可見光比較時，此等光子與物質之較少交互作用，以及對於大部份材料而言，其電子平均自由路徑典型地短於高能量光子之平均自由路徑許多數量級。由於其平均自由路徑之不一致，在由此用於捕捉高能量光子之材料中原子所發射電子會重新組合，而其能量在此高能量光子捕捉材料中轉換成熱。
因此，令人想要提供系統與方法，以方便將高能量光子之能量轉換成電力。
本發明之實施例有關於將高能量光子之能量轉換成電力。此等實施例之原理是依據，由高能量光子激發從原子發射電子(包括由高原子序(高-Z)材料原子所發射位於深處內殼電子)。此等所發射電子載有動能，此可導致所發射電子移動至裝置之不同區域中，而此所發射電子之聚集會產生電位以驅動外部電路。在此所感興趣之光子頻譜包括在不可見光範圍中之光子，此不可見光範圍包括但並不受限於遠紫外線光(XUV)、X光以及伽瑪射線等。
本發明之系統與方法使用具有不同原子序之一系列材料，利用一系列Auger電子發射，以單一高能量光子激發發射多個電子。在一實施例中，高能量光子轉換器較佳包括線性層所製奈米尺寸晶圓，其由材料之第一複數層製成用於吸收高能量光子且發射電子，其與用於吸收或收集電子之其他材料之第二複數層組合，此第二複數層材料之原子序(atomic charge number)與第一複數層材料之原子序不同。此第一與第二複數層較佳為橫向堆疊在一起(即，面對面)而設置在彼此之間，且以掠射角(grazing angle)朝向高能量光子之傳送方向。在另一實施例中，將奈米尺寸層建構成管或似殼之構造。在還有另一實施例中，此等層包括絕緣材料之第三複數層。
本發明之系統與方法可以使用於廣大範圍之應用中-從能量偵測與吸收至：在粒子加速器中高能量光子之能量轉換；以及從其他極熱材料(例如：高溫電漿)及/或引爆源(其發射充足高能量光子)(例如爆炸物)之高能量光子之能量轉換，輻射核能廢料(例如使用過放射性燃料棒)所發射能量之擷取之高能量光子之能量轉換，以及太空應用(例如：電源、屏蔽等)；還有熟習此技術人士所容易辨識之其他應用。
本發明典範實施例之其他系統、方法、特徵以及優點對於熟習此技術人士而言，將由閱讀以下詳細說明與圖式而為明顯。
此等典範實施例之細節包括結構與操作，其一部份可以藉由閱讀所附圖式而瞭解，其中類似參考數字指類似元件。在此等圖式中組件無須依比例繪製，其重點反而是在說明本發明之原理。此外，所有說明之用意在於傳達觀念，可以概要說明其相對尺寸、形狀、以及其他詳細屬性，而並非以字面地或準確地說明。
應瞭解，在所有圖式中，類似結構或功能之元件通常以類似數字代表而用於說明目的。亦應瞭解，此等圖式之用意僅在於方便說明較佳實施例。
在以下所揭示本發明各額外特徵與內容可以各別地使用、或與本發明其他特徵與內容一起使用以產生系統與方法，而方便將高能量光子之能量轉換成電力。現在參考所附圖式更詳細說明本發明之代表例，其示範各別地或組合地使用許多此等額外特徵與內容。此等詳細說明之用意僅為教示熟習此技術人士進一步細節，以實施本發明內容之較佳觀點，且其用意並非在於限制本發明之範圍。因此，可以不須要在以下詳細說明中所揭示特性與步驟之組合，以最廣義地實施本發明，而是應僅被教示本發明特別說明之代表例。
此外，在此代表例與所依附申請專利範圍之各種特徵可以非特定且非明確列舉方式組合，以提供本發明額外有用之實施例。此外，應特別注意，在此詳細說明及/或申請專利範圍中所揭示所有特徵，其用意在於彼此各別且獨立地揭示，其目的在於揭示原始內容，且其目的在於限制所主張之標的，而與實施例及/或申請專利範圍特徵之組成無關。亦應特別注意，所有值之範圍或實體組群之表示，揭示每一種可能中間值或中間實體，其目的在於揭示原始內容，且其目的在於限制所主張之標的。
在此所說明之實施例是有關於將高能量光子之能量(例如：光子所具有能量之範圍較佳在大約100eV或更大)轉換成電力。此等實施例之原理是依據，由高能量光子激發原子而發射電子(包括由高原子序(高-Z)材料原子所發射位於深處內殼電子)。此等所發射電子載有動能，此可導致所發射電子遷移至裝置之不同區域中。此所發射電子之聚集會產生電位，其可被使用以驅動外部電路。在此所感興趣之光子頻譜較佳包括在不可見光範圍中之光子，其包括但並不受限於遠紫外線光(XUV)、X光以及伽瑪射線等。此等光子能量為較大等級，以及因此其熱化邊際大於在可見光範圍中光子能量許多(其理論Carnot係數接近1)。因為此高入射光子能量通常為100eV或更高，在此說明之系統與方法相較於其他標準光子能量轉換器具有非常高的能量轉換效率，此等光子能量轉換器例如為：光電裝置(例如，太陽能電池)，或根據熱電效應(例如：Seebeck效應)之裝置。
如同以下更詳細說明，使用此系統與方法控制潛在高的增益之管道以將此高能量光子之能量轉有效地轉換成適當形式電能，其然後可以被取用以驅動外部電路，以及因此涵蓋廣大應用範圍，此包括存在強磁場之應用(以致於電子動力學之特徵為跨此磁場之旋轉移動)。因此，在此說明本發明之系統與方法可以使用於廣大之應用範圍中，-從能量偵測與吸收至：在粒子加速器中高能量光子之能量轉換，從其他極熱物質(例如：高溫電漿)及/或引爆源(其發射充足高能量光子)(例如爆炸物)之高能量光子之直接能量轉換，輻射核能廢料(例如使用過放射性燃料棒)所發射能量之擷取，以及太空應用(例如：電源、屏蔽等)；還有熟習此技術人士所容易辨識之其他應用。
在此所提供本發明之系統與方法使用一系列具有不同原子序之材料層，利用一系列Auger電子發射由單一高能量光子所激發發射之多個電子。在一實施例中，高能量光子轉換器較佳包括線性層所製奈米尺寸晶圓，其由材料之第一複數材料層製成，用於吸收高能量光子，且其所發射電子與用於吸收或收集由第一複數材料層所發射電子之其他材料之第二複數層組合，此第二複數層材料之原子序與第一複數層材料之原子序不同。在另一實施例中，將奈米尺寸層建構成管或似殼之構造。此等奈米層方便將光電子與施者原子分開。使用此等結構，此所產生之轉換器可以減少入射於材料上之功率通量，否則其會直接曝露於高能量光子，因而減少此等材料之加熱量，且亦可以減輕材料之劣化，否則其會受到嚴重高能量光子照射損害。
現在詳細參考圖式，其說明此種方法與系統，用於以高效率將高能量光子之能量轉換成電力。為了以上討論之目的，假設此一或多個轉換裝置埋設於強磁場中，其可以決定性地影響電子軌道。然而，如同由於以下為明顯，以此裝置之特徵長度尺寸，此電子軌道性質受到磁場最小影響(具有可實際達成強度)，以致於此實施例可以同樣地應用至存在很小磁場或並無磁場存在之應用、例如已使用過放射性燃料棒之應用。
參考圖1A至1F，其顯示具有線性結構之光子能量轉換器之實施例。如同在圖1A中說明，此具有線性結構之光子能量轉換器之最基本建構區塊或轉換元件10是由具有第一原子序Z1 之A型材料之第一層12所構成，且較佳包括一高原子序成份，例如一種耐火金屬或金屬氧化物。此第一層12較佳夾在B型材料兩層14之間，其所具有第二原子序Z2 與A型材料第一層12之原子序不同，且較佳包括一金屬，其特徵典型較佳為其原子序目低於A型材料第一層12之原子序(即，Z2 ＜Z1 )。如同於圖1B中說明，此基本建構區塊10可以藉由增加C型材料之絕緣層16而選擇性地加強。此A型、B型、以及C型材料之典範集合可以包括但並不受限於：A=鎢(W)、B=鋁(Al)、以及C=絕緣體例如SiO2 。以替代方式，此絕緣層可以僅為自由流動氦，其亦可作為冷卻劑。然而，熟習此技術人士容易瞭解，可以其他材料替代而符合本發明之精神。
在圖1C與圖1D中所說明之較佳實施例中，轉換器11與13包括橫向側-靠-側(即，面對面)堆疊之基本建構區塊之系列或陣列，一直至在所有A型層12中光子理論上之最大累積光子路徑長度大於或等於由A型材料所吸收高能量光子υ之平均自由路徑長度為止。如同在圖1C與圖1D中說明，將一或更多個B型材料層14設置在相鄰A型材料層12之間，且選擇性地將C型絕緣材料層16設置在相鄰B型材料層14之間。
此建構區塊或轉換元件10側-靠-側之堆疊提供一種用於整個結構之幾何形狀，其良好地適於有效地容納由在A型材料中所吸收高能量光子υ所造成之發射電子。如同在圖3中說明，因為光子之偏極化是垂直於光子υ之傳播方向，且發射電子e- 之方向主要是在垂直於光子υ之傳播方向(但此平面包括光子υ之偏極化)之平面Pe (具有離開此平面之適當衰變角度分佈，但在該平面上形成尖峰)中。如同在圖1A與1B中說明，此轉換元件10之層12與14是在一方向中側-靠-側地堆疊，以致於垂直於層間邊界表面之向量通常垂直於光子υ之傳播方向。在以下說明之一較佳建構中，此等層間邊界表面對入射高能量光子υ傳播方向以(淺)掠射角度配向。因此，此藉由入射高能量光子υ而由A型材料層12中原子所發射電子e-通常能夠垂直遷入於相鄰B型材料層14中。
各實施例原理之核心與其任何變化之要求為，此所發射之光電子e-不會在A型材料層12中被捕捉及/或吸收，而是在B型材料層14中被吸收。為確保所發射電子e-在A型材料層12中不被捕捉，且增加此可能性，此所發射電子e-會從A型材料層12逃逸或遷移至B型材料層14中，此各A型材料層12之厚度l1 較佳小於或大約為此種A型材料中電子平均自由路徑之長度。此各B型材料層14之厚度l2 較佳大於或大約為此種B型材料中電子平均自由路徑之長度。此等實施例之層之奈米配置反映本質物理原理，於此種A型材料中電子之平均自由路徑le (Z1 )與在B型材料中電子之平均自由路徑le (Z2 )相差不太多，同時在A型材料中光子之平均自由路徑小於在B型材料中光子之平均自由路徑許多，即lp (Z1 )＜＜lp (Z2 )。
例如，對於100keV之入射光子，此用於此等系統典型層厚度尺寸包括：用於A型材料之l1 大約等於1nm，用於B型材料之l2 大約等於100nm，而具有可以調整用於選擇性C型材料之l3 ，以防止在所須相鄰層間形成弧形。對於一直至10T之磁場，此等尺寸小於電子之旋轉半徑ρe 。因此，在此種長度尺寸上電子並不會被磁化，但其動力學主要是在碰撞範圍中。因此，以上所討論之轉換元件10或轉換器11與13亦可應用至磁場不存在或可忽略地小之應用中。
此由入射高能量光子υ造成在A型材料層12中原子所發射電子e-遷移進入相鄰B型材料層14中，會造成電荷累積，且最終在A型材料層12與B型材料層14之間產生電位差。參考圖1E與1F，所有A型材料層12與B型材料層14連接至電路，以致於各A型材料層12與B型材料層14作為個別電極。如同對於熟習此技術人士為明顯，存在幾乎無限數目之選擇與替代，以並聯或串聯方式連接層或層之組群。因此，此電路之最適配置為有利地可決定之應用。例如，可以此種方式連接個別層12與14，因此，各A型材料層12連接至最接近B型材料層14之一，如同圖1E中所說明，或各A型材料層12連接至由C型材料絕緣層16所分開之最接近B型材料層14之一，如同圖1F中所說明。在此等建構中，此等電性耦接層有效地形成奈米(nano)電池，且此自發性地形成電位差是在遷移電子動能等級。此可供驅動負載之總電壓等於個別奈米電池單元15之電壓或奈米電池單元17與19串聯電壓之和。如同圖1F中所說明，外部電路20包括負載22，其耦接至奈米電池單元17與19，其說明為串聯但亦可以為並聯。負載22包括一電性可驅動系統或組件、能量儲存系統電柵等。
以替代方式，藉由調整在電極層12與14間電路之負載電阻，可以由外部控制穩定狀態電壓，以及因此設定絕緣層16之厚度。
在另一實施例中，此基本建構區塊包括圓柱形管或殼體建構。如同於圖2A中說明，此圓柱形轉換元件110包括A型材料圓柱核心112，其由B型材料之圓柱形管或殼體114圍繞。如同於圖2B中說明，再度可以C型材料之絕緣殼體116選擇性地圍繞各B型材料殼體114。在圓柱體建構中，可以將相同尺寸規則應用至各種厚度，即A型材料圓柱核心112之半徑小於或大約為A型材料中電子平均自由路徑之大約一半，而大約為le (Z1 )/2，B型材料殼體114之厚度大約為B型材料之電子平均自由路徑，而大約為le (Z2 )。
此轉換元件110之圓柱管或殼體配置之優點為，其可以提供較高效率以捕捉以整個360°方位相同或然率所發射之電子。如同於圖3中描述且如同以上說明，發射電子e- 之方向主要是在垂直於光子υ之傳播方向且平行於光子偏極化()之平面Pe (具有離開此平面之適當衰變角度分佈，但在該平面上形成尖峰)。取決於光子之角度，此發射電子e- 可以朝向大約360方位之任何方向，以及在此種情形中，此單元之圓柱形配置導致相較於圖1A至圖1F中所說明線性建構在B型材料中更高之電子捕捉，且有效地實施更高電子捕捉效率。
類似於以上說明線性幾何形狀轉換器，可以將圓柱形建構區塊110集合以形成集合結構，而符合與線性幾何形狀轉換器相同物理尺寸限制。舉例來說，於圖2C中說明特定堆疊配置111。以替代方式，如同於圖2D中說明，在另一個堆疊配置113中，可以將絕緣材料116填入於相鄰轉換元件或單元110之間之空的空間。此種空的空間亦可以作為導管，將例如加壓氦之氣體冷卻劑循環。此形成有效冷卻裝置，因為對於所感興趣之光子能量，氦對光子之吸收是可忽略的。電性連接再度類似於線性幾何建構，且同樣地提供許多不同選擇以連接建構區塊110之層或殼112與114。
在圖2E、2F、以及2G中顯示替代幾何構造115、117、119。圖2E顯示棋盤式線性堆疊層配置115，其中，A型材料層112之位置相對於相鄰B型材料層114之位置偏移。圖2F顯示複數個A型材料核心112，而由填滿核心112之間之空的空間114之B型材料圍繞。雖然其顯示為正方形，核心112可以為圓形、橢圓形等。圖2G類似於圖2D中建構117，其所不同者為核心112與殼層114為正方形。在此等情形中，元件112、114、以及116之尺寸符合圖1A至1C以及圖2A至2D中所討論相同限制。此在正方形邊緣之電子動力學不同，但除了此等邊緣效應外，其他物理性質通常類似於圓柱體之情形。
在以上說明幾何形狀之基本建構區塊是由一直至三種材料所製成，此適用於自發性地產生電子，而與施者原子之原來位置分開，此原子以高能量光子離子化，此再於層之間及/或跨選擇性絕緣體產生電位差。如同以上討論，可以將此種配置電性地連接至電路以執行電性操作，或由轉換器傳輸電力。作為進一步變化例，應注意，亦可以在此等層之間施加外部電壓(偏壓)，以提供對電氣性質之進一步控制，且將會最小化用於橫跨任何層所產生的電弧之電位。
回頭參考圖4A與4B，為了將輻射曝露表面面積最大化，以確保入射高能量光子υ會由A型材料層212捕捉，且不會僅通過B型材料層214。轉換器磚塊或單元200之A型材料層212、B型材料層214、以及C型絕緣材料擇性層216之堆疊，較佳對於入射高能量光子υ之傳播方向傾斜一(淺)掠射角θ，其例如可以大約為1/100徑(radian)。亦將轉換器磚塊200傾斜，以確保此被轟擊A型材料之適當冷卻，且可以將各個別A型材料層212之厚度(相對於電子之平均自由路徑)、以及整個轉換器組裝中所有A型材料層212之集合有效厚度最小化。將轉換器磚塊200傾斜一掠射角亦可以造成此等所發射電子主要垂直於A型材料之表面。此亦可以減少每個磚塊200所須重複層之數目大約1/θ倍，這是因為A型材料中傳輸距離相對於以下情形被增強相同倍數：將磚塊200表面之方向角Φ組織成垂直於入射高能量光子υ之傳播方向。此亦可將逸逃至相鄰B型材料層之電子數目最大化。
在一替代實施例中，此在圖4A與4B中所說明轉換器磚塊200包括複數個圓柱體轉換元件110(於圖2A與2B中顯示)，其側靠側堆疊且以掠射角θ傾斜。
參考圖4B，為了有效地吸收具有能量大約100keV之大部份高能量光子，此裝置之高度H須要在光子主要傳播一般方向中延長大約1cm長度。這是由於想要以具有足夠累積厚度之A型材料在光子傳播方向中攔截整個光子通量。由於各B型材料層之厚度典型地大於各A型材料層之厚度許多(l1 ＜＜l2 )，此投射在光子通量方向上之整個建構區塊堆疊之總高度H必須大於A型材料中特定光子之平均自由路徑許多，以確保此等高能量光子會在此種材料中大於其平均自由路徑之累積距離上遭遇到A型材料。因此，整個建構區塊堆疊之高度應大於A型材料中光子之平均自由路徑至少l2 /l1 倍，或在包括絕緣層之情形中，大於其至少(l3 +l2 )/l1 倍。
如同以上提及，此整個配置亦提供轉換材料之有效冷卻，這是由於其會由於光子吸收與隨後之電子加熱而加熱。此種方式可以方便冷卻，因為如同於圖4A中說明，在本實施例中此整個表面面積相較於以下配置被放大1/θ倍：以方向角Φ垂直於入射光子通量方向之層堆疊之簡單配置。亦可以經由建構於此結構中之管，或將此堆疊簡單地連接至散熱器，以流動此經加壓氣體冷卻劑。熟習此技術人士容易瞭解，可以有許多其他方式以加強冷卻，且特定應用可以決定特別實施方式。
在圖5中所說明轉換磚塊200之組裝220可以沿著一均勻表面230配置，以攔截且實質上垂直於由給定光子通量源240所發射光子通量242。此建構對於廣泛之應用範圍提供彈性與調整，其需要(或受益於)由所發射光子通量所產生能量。
圖6A、6B、以及6C中說明典型應用之整個幾何形狀之其他例子。圖6A顯示電漿容納系統300，其包括一圓柱形室330，此室具有一表面334，以攔截且實質上垂直於此顯示為熱電漿之光子通量源340所發射光子通量342。此容納系統300更包括：一磁場()產生器332，其沿著圓柱形室330設置；以及轉換磚塊200之陣列320，其沿著室330之表面334而固定。各此等磚塊對光子通量342之入射高能量光子υ之傳播方向成一掠射角。圖6B顯示一容納系統400，其包括一圓柱形容器430，其具有一表面434，以攔截且實質上垂直於此顯示為熱電漿或經使用放射性燃料棒之光子通量源440所發射光子通量442。此容納系統400更包括轉換磚塊200之陣列420，其沿著容器430之表面434而固定。各此等磚塊對光子通量442之入射高能量光子υ之傳播方向成一掠射角。圖6C顯示一粒子加速系統500，其包括一圓柱形管530，此管具有一表面534，以攔截且實質上垂直於此顯示為加速粒子射束之光子通量源540所發射光子通量542。此加速系統500更包括：一磁場()產生器532，其沿著圓柱形管530設置；以及轉換磚塊200之陣列520，其沿著管530之表面534而固定。各此等磚塊對光子通量542之入射高能量光子υ之傳播方向成一掠射角。
在各此等情形中，此所發射高能量光子在大於此種A型材料之平均自由路徑之累積距離上遭遇到A型材料，此確保由在A型材料層中原子適當吸收光子且最終將光子流轉換放大成電子流。圍繞此通量發射體積，此A型材料密集地覆蓋曝露表面面積之所有高能量光子通量，且同時允許冷卻以及電性連接。
應注意，根據在此所提供實施例，由於吸收高能量光子可以由A型材料中特定原子發射多個電子。這是因為由特定深處電子內殼狀態所排出電子會產生一空位，其藉由Auger過程快速地填補，此再觸發第二與第三Auger過程、或一系列Auger過程。此外，重新發射之次級光子可以進一步觸發相鄰原子中此種過程。因此，在原則上一個光子可以觸發100個電子(有時會更多)之累積發射。因此，此種多重離子化提供雙重效益。首先，此用於將每個原始入射光子所產生電子之數量放大100至1000倍，此導致高電流放大。其次，此用於將電子能量由十幾keV減少至數十eV。因此，此所產生電壓相對於崩潰顧慮而言為可以管理。此提供加強之光子能量至電力(其電荷與電流)之轉換，同時亦將目標之加熱最小化。事實上此系統藉由從在光子源旁之材料去除所儲存光子能量(經由電能)之大部份，而可以作為有效之冷卻劑裝置，且可以容易地將所轉換能量傳送至不在輻射附近之遠端位置。
然而，在此所提供典範實施例其用意僅為說明舉例，且並非以任何方式作為限制。此外，熟習此技術人士容易瞭解，以適當參數修正，類似系統可以同樣地適用於不同能量之光子。
在以上說明書中，參考其特定實施例以說明本發明。然而，此為明顯可以對其作各種修正與改變而不會偏離本發明更廣泛之精神與範圍。例如，讀者可以瞭解，在此所說明流程圖中所示過程動作之特定順序與組合僅用於說明，除非另外聲明，本發明可以使用不同或額外過程動作、或過程動作之不同組合或順序而實施。作為另一例，可以將一實施例之各特徵與在其他實施例中所示其他特徵混合與匹配。可以將對熟習此技術人士所熟知之特徵與過程如同所欲地以類似方式合併。此外且明顯地，可以如同所欲地增加或刪減特徵。因此，本發明僅受限於所附申請專利範圍與其等同物。
10．．．轉換元件
11．．．轉換器
12．．．第一層
13．．．轉換器
14．．．層
15．．．奈米電池單元
16．．．絕緣層
17．．．奈米電池單元
19．．．奈米電池單元
20．．．外部電路
22．．．負載
110．．．圓柱形轉換元件
111．．．堆疊配置
112．．．圓柱形核心
113．．．堆疊配置
114．．．圓柱形管或殼
115．．．幾何建構
116．．．絕緣殼
117．．．幾何建構
119．．．幾何建構
200．．．轉換單元
212．．．層
214．．．層
216．．．選擇層
220．．．組裝
230．．．均勻表面
240．．．給定光子通量源
242．．．光子通量
300．．．電漿容納系統
320．．．陣列
330．．．圓柱形室
332．．．磁場產生器
334．．．表面
342．．．光子通量
400．．．容納系統
420．．．陣列
430．．．圓柱形容器
434．．．表面
440．．．來源
442．．．光子通量
500．．．粒子加速系統
520．．．陣列
530．．．圓柱形管
532‧‧‧磁場產生器
534‧‧‧表面
540‧‧‧來源
542‧‧‧光子通量
θ‧‧‧(淺)掠射角
Φ‧‧‧方向角
‧‧‧光子偏極化
‧‧‧磁場
υ‧‧‧光子
e-‧‧‧電子
Pe ‧‧‧平面
11、12、13‧‧‧厚度
A‧‧‧材料
B‧‧‧材料
C‧‧‧材料
H‧‧‧總高度
圖1A為線性層奈米尺寸高能量光子轉換元件之概要圖；
圖1B為另一線性層奈米尺寸高能量光子轉換元件之概要圖；
圖1C為高能量光子轉換器之概要圖，其包括圖1A中所示線性層奈米尺寸轉換元件之陣列；
圖1D為高能量光子轉換器之概要圖，其包括圖1B中所示線性層奈米尺寸轉換元件之陣列；
圖1E為高能量光子轉換電路之概要圖；
圖1F為耦接至包含負載之外部電路之另一高能量光子轉換電路之概要圖；
圖2A為圓柱形層奈米尺寸高能量光子轉換元件之透視圖；
圖2B為另一圓柱形層奈米尺寸高能量光子轉換元件之透視圖；
圖2C為高能量光子轉換器之透視圖，其包括圖2A中所示圓柱形層奈米尺寸轉換元件之陣列；
圖2D為高能量光子轉換器之底視圖，其包括圖2B中所示圓柱形層奈米尺寸轉換元件之陣列；
圖2E、2F、以及2G為具有替代幾何建構之高能量光子轉換器之底視圖；
圖3為入射高能量光子v之傳送特徵曲線，以及由此入射高能量光子v所激發材料層中原子所發射電子e-之遷移特徵曲線；
圖4A為一轉換磚塊之概要圖，其包括複數個線性堆疊層；
圖4B為一轉換磚塊之透視圖，其包括複數個線性堆疊層；
圖5為在圖4A與圖4B中所說明磚塊組裝之概要圖，此磚塊組裝沿著一均勻表面配置，其攔截且實質上垂直於此光子適量源所發射光子通量；以及
圖6A、6B以及6C為在圖4A與圖4B中所說明磚塊組裝之概要圖，此磚塊組裝沿著一均勻表面配置，其攔截且實質上垂直於此光子通量源所發射光子通量。
212．．．層
214．．．層
216．．．選擇層

Claims (76)

  1. 一種高能量光子能量轉換器，用於將高能量光子放射轉換成電能，包括：一第一材料層，其吸收該等高能量光子，且藉由在該第一材料層中所吸收該等高能量光子，由該第一材料層中之一原子發射多個電子，該第一材料層之厚度小於在該第一材料層中所發射該等電子之平均自由路徑長度；以及一第二材料層，其收集由該第一材料層所發射之電子，且電性耦接至該第一材料層，該第二材料層之厚度大於由該第一材料層所發射電子在該第二材料層中之該平均自由路徑長度；其中，該第二材料層之材料原子序與該第一材料層之材料原子序不同。
  2. 如申請專利範圍第1項之高能量光子能量轉換器，更包括：一第三材料層，其耦接至該第二材料層，該第三材料層包含一絕緣材料。
  3. 如申請專利範圍第1項之高能量光子能量轉換器，其中該第一材料層與該第二材料層面對面堆疊。
  4. 如申請專利範圍第1項之高能量光子能量轉換器，其中將該第一材料層建構為圓柱形核心，且將該第二材料層建構為設置在該圓柱形核心周圍之圓柱形殼體，其中，該圓柱形核心之半徑小於該第一材料層中所發射電子之該平均自由路徑長度之二分之一。
  5. 如申請專利範圍第4項之高能量光子能量轉換器，更包括：一第三絕緣材料層，其被建構為圍繞該第二材料層之該圓柱形殼體周圍之該圓柱形殼體。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第一材料層包括高原子序成份。
  7. 如申請專利範圍第6項之高能量光子能量轉換器，其中該高原子序成份為耐火金屬或金屬氧化物。
  8. 如申請專利範圍第6項之高能量光子能量轉換器，其中該高原子序成份為鎢。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第二材料層之原子序與該第一材料層之原子序不同。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第二材料層之原子序小於該第一材料層之原子序。
  11. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第二材料層為金屬。
  12. 如申請專利範圍第11項之高能量光子能量轉換器，其中該金屬為鋁。
  13. 如申請專利範圍第2及5項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第三材料層為二氧化矽(SiO2 )。
  14. 如申請專利範圍第1項之高能量光子能量轉換器，其中該第一材料層夾在該第二材料層與該第三材料層之 間，該第三材料層包括與該第二材料層相同材料。
  15. 如申請專利範圍第1至5項及第14項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子之能量範圍大約為100eV或更大。
  16. 如申請專利範圍第1至5項及第14項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子包含X光、遠紫外線光(XUV)或伽瑪射線。
  17. 如申請專利範圍第1至5項及第14項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該等第一與第二材料層耦接至具有負載之電路。
  18. 如申請專利範圍第17項之高能量光子能量轉換器，其中該負載為一電性可驅動組件、一電儲存系統或一電柵。
  19. 如申請專利範圍第1至18項中任一項之高能量光子能量轉換器，其中該第一與第二材料層可耦接至一表面，其攔截且實質上垂直於由一光子通量源所發射光子通量之傳播方向，且其中該等第一與第二材料層之每一者對該光子通量之傳播方向成一掠射角。
  20. 一種將高能量光子轉換成電能之能量轉換器，包括：第一複數個第一材料層，其吸收該等高能量光子，且藉由在該第一材料層中所吸收該等高能量光子，由該第一材料層中之一原子發射電子，該等第一複數個第一材料層之每一者的厚度小於在該第一材料層中所發射電子之平均自由路徑長度；以及 第二複數個第二材料層，其收集由該等第一複數個第一材料層所發射電子，且電性耦接至該等第一複數個第一材料層，且該等第二複數個第二材料層之每一者的厚度大於由該等第一複數個第一材料層所發射電子在該等第二材料層中之該平均自由路徑長度，其中該等第二複數個第二材料層之一或更多層設置該等第一複數個第一材料層之相鄰層之間；其中，該第二材料層之材料原子序與該第一材料層之材料原子序不同。
  21. 如申請專利範圍第20項之能量轉換器，更包括第三複數個第三材料層，該等第三複數個第三材料層之每一者設置於該等第二複數個第二材料層之一或更多層之相鄰層之間。
  22. 如申請專利範圍第20項之能量轉換器，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層面對面堆疊。
  23. 如申請專利範圍第20項之能量轉換器，其中將該等第一複數個第一材料層之每一者建構為圓柱形核心，且將該等第二複數個第二材料層之每一者建構為設置在該第一材料層圓柱形核心周圍而同心之圓柱形殼體，其中，該圓柱形核心之半徑小於該第一材料層中所發射電子之該平均自由路徑長度之二分之一。
  24. 如申請專利範圍第23項之能量轉換器，更包括將該等第三複數個第三絕緣材料層建構為圍繞該等第二材料層 之該圓柱形殼體周圍而同心之圓柱形殼體。
  25. 如申請專利範圍第20至24項中任一項之能量轉換器，其中該第一材料層包括高原子序成份。
  26. 如申請專利範圍第25項之能量轉換器，其中該高原子序成份為耐火金屬或金屬氧化物。
  27. 如申請專利範圍第25項之能量轉換器，其中該高原子序成份為鎢。
  28. 如申請專利範圍第20至24項中任一項之能量轉換器，其中該第二材料之原子序與該第一材料之原子序不同。
  29. 如申請專利範圍第20至24項中任一項之能量轉換器，其中該第二材料之原子序小於該第一材料之原子序。
  30. 如申請專利範圍第20至24項中任一項之能量轉換器，其中該第二材料為金屬。
  31. 如申請專利範圍第30項之能量轉換器，其中該金屬為鋁。
  32. 如申請專利範圍第21至24項中任一項之能量轉換器，其中該第三材料為二氧化矽(SiO2 )。
  33. 如申請專利範圍第20項之能量轉換器，其中該等第一複數個第一材料層之每一者夾在該等第二複數個第二材料層之兩層之間。
  34. 如申請專利範圍第20至24項及第33項中任一項之能量轉換器，其中可以由該第一材料吸收之該等高能量光子之能量範圍為大約100eV或更大。
  35. 如申請專利範圍第20至24項及第33項中任一項之 能量轉換器，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子包含X光、遠紫外線光(XUV)或伽瑪射線。
  36. 如申請專利範圍第20至24項及第33項中任一項之能量轉換器，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層耦接至具有負載之電路。
  37. 如申請專利範圍第36項之能量轉換器，其中該負載為一電性可驅動組件、一電儲存系統或一電柵。
  38. 如申請專利範圍第20至24項及第33項中任一項之能量轉換器，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層可耦接至一表面，其攔截且實質上垂直於由一光子通量源所發射光子通量之傳播方向，且其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層之每一者對該光子通量之傳播方向成一掠射角。
  39. 如申請專利範圍第38項之能量轉換器，其中將各該等第一複數個第一材料層建構為圓柱形核心，且將各該等第二複數個第二材料層建構為設置在該第一材料層圓柱形核心周圍而同心之圓柱形殼體，其中，該圓柱形核心之半徑小於該第一材料層中所發射電子之該平均自由路徑長度之二分之一。
  40. 如申請專利範圍第39項之能量轉換器，更包括該等第三複數個第三絕緣材料層，其被建構為圍繞該等第二材料層之該圓柱形殼體周圍而同心之圓柱形殼體。
  41. 如申請專利範圍第38項之能量轉換器，其中該等第一複數個第一材料層沿著該光子通量之傳播方向所測量累 積厚度大於在該第一材料層中該光子通量之光子之該平均自由路徑長度。
  42. 一種將高能量光子轉換成電能之能量轉換系統，包括：一圍繞光子通量源之壁，且具有一表面以攔截且實質上垂直於由該光子通量源所發射光子通量之傳播方向；以及複數個轉換磚塊，其覆蓋該壁之表面，該轉換磚塊之每一者包含：第一複數個第一材料層，其吸收該等高能量光子，且藉由在該第一材料層中所吸收該等高能量光子，由該第一材料層中之一原子發射電子，該等第一複數個第一材料層之每一者的厚度小於在該第一材料層中所發射電子之平均自由路徑長度；以及第二複數個第二材料層，其收集由該等第一複數個第一材料層所發射電子，且電性耦接至該等第一複數個第一材料層，且該等第二複數個第二材料層之每一者的厚度大於由該等第一複數個第一材料層所發射電子在該等第二材料層中之該平均自由路徑長度，其中該等第二複數個第二材料層之一或更多層設置該等第一複數個第一材料層之相鄰層之間；其中，該第二材料層之材料原子序與該第一材料層之材料原子序不同。
  43. 如申請專利範圍第42項之能量轉換系統，其中該等 第一複數個第一材料層與各該等第二複數個第二材料層之每一者，對該光子通量之傳播方向形成一掠射角。
  44. 如申請專利範圍第42項之能量轉換系統，其中該轉換磚塊之每一者更包括第三複數個第三材料層，該等第三複數個第三材料層之每一者設置於該等第二複數個第二材料層之一或更多層之相鄰層之間。
  45. 如申請專利範圍第42項之能量轉換系統，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層面對面堆疊。
  46. 如申請專利範圍第42項之能量轉換系統，其中將各該等第一複數個第一材料層建構為圓柱形核心，且將各該等第二複數個第二材料層建構為設置在該第一材料層該圓柱形核心周圍而同心之圓柱形殼體，其中，該圓柱形核心之半徑小於該第一材料層中所發射電子之該平均自由路徑長度之二分之一。
  47. 如申請專利範圍第46項之能量轉換系統，其中各該轉換磚塊更包括該等第三複數個第三絕緣材料層，其被建構為圍繞該等第二材料層之該圓柱形殼體周圍而同心之該圓柱形殼體。
  48. 如申請專利範圍第42至47項中任一項之能量轉換系統，其中該第一材料層包括高原子序成份。
  49. 如申請專利範圍第48項之能量轉換系統，其中該高原子序成份為耐火金屬或金屬氧化物。
  50. 如申請專利範圍第48項之能量轉換系統，其中該高 原子序成份為鎢。
  51. 如申請專利範圍第42至47項中任一項之能量轉換系統，其中該第二材料之原子序與該第一材料之原子序不同。
  52. 如申請專利範圍第42至47項中任一項之能量轉換系統，其中該第二材料之原子序小於該第一材料之原子序。
  53. 如申請專利範圍第42至47項中任一項之能量轉換系統，其中該第二材料為金屬。
  54. 如申請專利範圍第53項之能量轉換系統，其中該金屬為鋁。
  55. 如申請專利範圍第43至47項中任一項之能量轉換系統，其中該第三材料為二氧化矽(SiO2 )。
  56. 如申請專利範圍第42項之能量轉換系統，其中該等第一複數個第一材料層之每一者夾在該等第二複數個第二材料層之兩層之間。
  57. 如申請專利範圍第42至47項及第56項中任一項之能量轉換系統，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子之能量範圍為大約100eV或更大。
  58. 如申請專利範圍第42至47項及第56項中任一項之能量轉換系統，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子包含X光、遠紫外線光(XUV)或伽瑪射線。
  59. 如申請專利範圍第42至47項及第56項中任一項之能量轉換系統，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層耦接至具有負載之電路。
  60. 如申請專利範圍第59項之能量轉換系統，其中該負載為一電性可驅動組件、一電儲存系統或一電柵。
  61. 如申請專利範圍第42至47項及第56項中任一項之能量轉換系統，其中用於各該轉換磚塊之該等第一複數個第一材料層沿著該光子通量之傳播方向所測量累積厚度大於在該第一材料層中該光子通量之光子之該平均自由路徑長度。
  62. 一種將高能量光子之能量轉換成電之方法，其包括以下步驟：吸收從第一複數個第一材料層中之光子通量源所發射光子通量之該高能量光子，該等第一複數個第一材料層耦接至圍繞該光子通量源之壁之表面，該表面實質上垂直於該光子通量之傳播方向；以及收集藉由該高能量光子而由該第一材料中原子所發射、而在第二複數個第二材料層中之一或更多電子，其中，該等第一複數個第一材料層之每一者的厚度小於在該第一材料層中所發射電子之平均自由路徑長度，其中該等第二複數個第二材料層電性耦接至該等第一複數個第一材料層，其中該等第一與第二複數個層之每一者對於該光通量之傳播方向成一掠射角；其中，該第二材料層之材料原子序與該第一材料層之材料原子序不同。
  63. 如申請專利範圍第62項之方法，其中該等第二複數個第二材料層之每一者的厚度大於由該第一材料層所發射 電子在該等第二材料層中之該平均自由路徑長度，其中該等第二複數個第二材料層之一或更多層設置該等第一複數個第一材料層之相鄰層之間。
  64. 如申請專利範圍第62項之方法，其中該等第一複數個第一材料層與該等第二複數個第二材料層面對面堆疊。
  65. 如申請專利範圍第62項之方法，其中將該等第一複數個第一材料層之每一者建構為圓柱形核心，且將該等第二複數個第二材料層之每一者建構為設置在該第一材料層圓柱形核心周圍而同心之圓柱形殼體，其中，該圓柱形核心之半徑小於該第一材料層中所發射電子之該平均自由路徑長度之二分之一。
  66. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中該第一材料包括高原子序成份。
  67. 如申請專利範圍第66項之方法，其中該高原子序成份為耐火金屬或金屬氧化物。
  68. 如申請專利範圍第66項之方法，其中該高原子序成份為鎢。
  69. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中該第二材料之原子序與該第一材料之原子序不同。
  70. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中該第二材料之原子序小於該第一材料之原子序。
  71. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中該第二材料為金屬。
  72. 如申請專利範圍第71項之方法，其中該金屬為鋁。
  73. 如申請專利範圍第62項之方法，其中該等第一複數個第一材料層之每一者夾在該等第二複數個第二材料層之兩層之間。
  74. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中可以由該第一材料吸收之該等高能量光子之能量範圍大約為100eV或更大。
  75. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中可以由該第一材料層吸收之該等高能量光子包含X光、遠紫外線光(XUV)或伽瑪射線。
  76. 如申請專利範圍第62至65項中任一項之方法，其中該等第一複數個第一材料層沿著該光子通量之傳播方向所測量累積厚度大於在該第一材料中該光子通量之光子之該平均自由路徑長度。
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