Перетворення високоенергетичних фотонів в електрику

Реферат: Системи і способи для перетворення енергії високоенергетичних фотонів в електрику, які використовують послідовності матеріалів з різними зарядами атомного ядра, щоб отримувати перевагу з висилання великої множини електронів одним високоенергетичним фотоном за допомогою каскадної електронної емісії Оже. У одному варіанті виконання перетворювач високоенергетичних фотонів, переважно, включає в себе лінійну багатошарову пластину нанометричного масштабу, складену з шарів першого матеріалу, прокладених між шарами другого матеріалу, який має зарядове число атомного ядра, відмінне від зарядового числа атомного ядра першого матеріалу. У інших варіантах виконання шару нанометричного масштабу сконфігуровані в трубчастій або оболонкоподібній конфігурації і/або включають в себе шари третього матеріалу-ізолятора. UA 111585 C2 (12) UA 111585 C2 UA 111585 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки, до якої належить винахід Описані тут варіанти виконання, загалом, стосуються перетворення енергії фотонів і, зокрема, систем і способів, які сприяють перетворенню енергії з високоенергетичних фотонів в електрику. Рівень техніки Існує багато добре відомих пристроїв, які перетворюють енергію фотонів в оптичному діапазоні в електрику, таких як, наприклад, фотогальванічних елементів ("сонячних елементів"). Ці пристрої звичайно складені з двох матеріалів (тобто напівпровідників на основі кремнію) з різними фізичними властивостями, такими як різна електронна спорідненість (див. P. Wiirfel, The st Physics of Solar Cells, 1 Ed, Wiley-VCH (2004)). Коли один з матеріалів освітлений сонячним світлом, сонячні фотони збуджують фотоелектрони з валентної зони в зону провідності, що забезпечує електричну рухливість. Енергетична заборонена зона між валентною зоною і зоною провідності звичайно складає величину порядку електрон-вольта, що подібно до енергії падаючих сонячних фотонів. Розміщення поряд двох матеріалів з різною електронною спорідненістю породжує електричну напругу вздовж межі між матеріалами, яка може відбиратися у вигляді електричної енергії. Існують, однак, і невідомі пристрої для перетворення в електрику енергії з фотонів, які працюють в режимі високоенергетичних фотонів, такому як, наприклад, далекого ультрафіолетового діапазону, рентгенівські і гамма-промені. Такі пристрої можна було б використовувати для рішення широкого діапазону додатків, наприклад, такі пристрої можна було б використовувати як перетворювачі енергії для перетворення високоенергетичних фотонів, випущених радіоактивними матеріалами, такими як, наприклад, відпрацьовані паливні стрижні ядерних реакцій розщеплення, фотонів, випущених з детонаційних джерел, таких як, наприклад, вибухові речовини, і фотонів, випущених з високотемпературної плазми, з пучків прискорених частинок, а також як пристрої для космічного застосування як джерел живлення, для екранування і т. п. Складності, пов'язані зі створенням таких пристроїв, виникають з високої здатності проникнення високоенергетичних фотонів в речовину, яка є наслідком багато меншої взаємодії таких фотонів з речовиною в порівнянні з фотонами видимого світла, а також внаслідок того факту, що для більшості матеріалів середній вільний пробіг електронів звичайно на багато порядків коротший по величині, ніж середній вільний пробіг високоенергетичних фотонів. Внаслідок такої невідповідності в середніх вільних пробігах електрони, випущені з атомів в матеріалі, який використовується для уловлювання високоенергетичних фотонів, прагнуть вступити в рекомбінацію, при цьому їх енергія перетворюється в тепло всередині захоплюючого ці високоенергетичні фотони матеріалу. Таким чином, бажано надати системи і способи, які сприяли б перетворенню енергії з високоенергетичних фотонів в електрику. Суть винаходу Описані тут варіанти виконання направлені на перетворення енергії з високоенергетичних фотонів в електрику. Принцип, який лежить в основі наданих тут варіантів виконання, оснований на вибиванні електронів високоенергетичними протонами з атома (включаючи вибивання електронів з глибоко розташованої внутрішньої оболонки з атомів матеріалів з великими атомними числами (з великим Z)). Вибиті електрони несуть кінетичну енергію, яка може привести до міграції цих вибитих електронів в різні ділянки пристрою, де накопичення вибитих електронів може утворити електричний потенціал, який може потім приводити в дію зовнішній електричний ланцюг. Спектр фотонів, які представляють інтерес, включає в себе фотони в невидимому режимі, включаючи, але не обмежуючись цим, далекого ультрафіолетового діапазону, рентгенівські, гамма-промені і т. п. Запропоновані тут системи і способи використовують групи матеріалів з різними зарядами атомного ядра, щоб отримувати перевагу з висилання великої множини електронів одним високоенергетичним фотоном за допомогою каскадної електронної емісії Оже. У одному варіанті виконання перетворювач високоенергетичних фотонів, переважно, включає в себе лінійну багатошарову пластину нанометричного масштабу, складену з першої множини шарів матеріалу для поглинання високоенергетичних фотонів і висилання електронів, в комбінації з другою множиною шарів іншого матеріалу для поглинання або накопичення електронів. Матеріал другої множини шарів має зарядове число атомного ядра, відмінне від зарядового числа атомного ядра матеріалу першої множини шарів. Перша і друга множина шарів, переважно, розташовані бік у бік (тобто, поверхня до поверхні), розташовуючись один між одним, і орієнтовані під дотичним (малим) кутом до напрямку поширення високоенергетичних фотонів. У іншому варіанті виконання шари нанометричного масштабу сконфігуровані в 1 UA 111585 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 трубчастій або оболонкоподібній конфігурації. У ще одному варіанті виконання ці шари включають в себе третю множину шарів ізолюючого матеріалу. Описані тут системи і способи можуть бути використані в широкому діапазоні задач - від детектування і поглинання енергії до перетворення енергії високоенергетичних фотонів в прискорювачах частинок і фотонів від надзвичайно розігрітої речовини (такої як високотемпературна плазма) і/або детонуючих джерел, які рясно висилають високоенергетичні фотони (таких, як вибухові речовини), захоплення енергії випромінювання радіоактивних ядерних відходів (таких, як відпрацьовані паливні стрижні ядерних реакцій розщеплення) і космічного застосування (такого, як джерела живлення, екранування і т. п.), а також в інших галузях, які легко можуть бути названі фахівцями в даній галузі техніки. Фахівцям в даній галузі техніки по ознайомленні з нижченаведеними ілюстраціями і докладним описом будуть або стануть очевидні інші системи, способи, ознаки і переваги зразкових варіантів виконання. Короткий опис креслень Деталі зразкових варіантів виконання, включаючи їх конструкцію і роботу, частково можуть бути почерпнуті з розгляду супроводжуючих ілюстрацій, в яких одні і ті ж позиційні позначення стосуються однакових конструктивних частин. Компоненти на кресленнях не обов'язково виконані в масштабі, - замість цього акцент робиться на ілюстрації принципів винаходу. Більше того, всі ілюстрації призначені для передачі загальної ідеї, і при цьому відносні розміри, форми і інші супутні подробиці можуть бути показані схематично, а не буквально або точно. Фіг. 1A являє собою схематичне зображення лінійного багатошарового елемента перетворювача високоенергетичних фотонів нанометричного масштабу. Фіг. 1B являє собою схематичне зображення альтернативного лінійного багатошарового елемента перетворювача високоенергетичних фотонів нанометричного масштабу. Фіг. 1С являє собою схематичне зображення перетворювача високоенергетичних фотонів, який містить масив лінійних багатошарових елементів перетворювача нанометричного масштабу, показаних на Фіг. 1A. Фіг. 1D являє собою схематичне зображення перетворювача високоенергетичних фотонів, який містить масив лінійних багатошарових елементів перетворювача нанометричного масштабу, показаних на Фіг. 1B. Фіг. 1E являє собою схематичне зображення ланцюга перетворювача високоенергетичних фотонів. Фіг. 1F являє собою схематичне зображення ланцюга альтернативного перетворювача високоенергетичних фотонів, з'єднаного із зовнішнім ланцюгом, який містить навантаження. Фіг. 2А являє собою вигляд в перспективі циліндричного лінійного багатошарового елемента перетворювача високоенергетичних фотонів нанометричного масштабу. Фіг. 2В являє собою вигляд в перспективі альтернативного циліндричного лінійного багатошарового елемента перетворювача високоенергетичних фотонів нанометричного масштабу. Фіг. 2С являє собою вигляд в перспективі перетворювача високоенергетичних фотонів, який містить масив циліндричних багатошарових елементів перетворювача нанометричного масштабу, показаних на Фіг. 2А. Фіг. 2D являє собою вигляд з торця перетворювача високоенергетичних фотонів, який містить масив циліндричних багатошарових елементів перетворювача нанометричного масштабу, показаних на Фіг. 2В. Фіг. 2Е, 2F і 2G являють собою вигляди з торця перетворювачів високоенергетичних фотонів з альтернативними геометричними конфігураціями. Фіг. 3 являє собою схему, яка ілюструє характеристики поширення падаючих високоенергетичних фотонів , а також характеристики переміщення електронів e , які вибиті зі своїх атомів в шарі матеріалу під впливом падаючих високоенергетичних фотонів . Фіг. 4А являє собою схематичне зображення складового елемента перетворювача, яка включає в себе множину лінійно накладених шарів. Фіг. 4В являє собою вигляд в перспективі складового елемента перетворювача, яка включає в себе множину лінійно накладених шарів. Фіг. 5 являє собою схематичне зображення, яке показує зборку складових елементів, зображених на Фіг. 4А і 4В, скомпонованих вздовж узгодженої поверхні, яка перетинає потік фотонів, випущений з джерела потоку фотонів, і по суті перпендикулярна йому. Фіг. 6А, 6В і 6С являють собою умовні зображення, які показують зборку складових елементів, зображених на Фіг. 4А і 4В, скомпонованих вздовж узгоджених поверхонь, які перетинають потоки фотонів, випущені з джерел потоку фотонів, і по суті перпендикулярні їм. 2 UA 111585 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Потрібно помітити, що за всіма ілюстраціями елементи однакових конструкцій або виконуючі однакові функції, як правило, представлені подібними позиційними позначеннями. Крім того, потрібно помітити, що ці ілюстрації призначені лише для сприяння опису переважних варіантів виконання. Докладний опис винаходу Кожні з розкритих нижче додаткових ознак і ідей можуть бути використані окремо або в поєднанні з іншими ознаками або ідеями для отримання систем і способів, призначених для сприяння перетворенню енергії з високоенергетичних фотонів в електрику. Тепер з більш докладними деталями і з посиланнями на прикладені креслення будуть описані характерні приклади даного винаходу, які використовують багато які з цих додаткових ознак і ідей як окремо так і в комбінації. Цей детальний опис призначений лише для того, щоб довести до відома фахівців в даній галузі техніки додаткові деталі для реалізації на практиці переважних аспектів даних ідей, і не призначений обмежувати об'єм винаходу. Тому розкриті в нижченаведеному докладному описі комбінації ознак і етапів можуть не бути необхідними для реалізації винаходу на практиці в більш широкому значенні, а замість цього приведені лише для конкретного опису характерних прикладів даних ідей. Більше того, різні ознаки цих характерних прикладів, а також залежні пункти формули винаходу можуть бути скомбіновані таким чином, який не є спеціально і явно пронумерованим, щоб надати додаткові корисні варіанти виконання даних ідей. Крім того, спеціально звертається увага на те, що всі ознаки, розкриті в описі і/або в формулі винаходу, призначені бути розкритими окремо і незалежно одна від одної як з метою первинного розкриття, так і з метою обмеження заявленого предмета винаходу незалежно від побудов ознак у варіантах виконання і/або в формулі винаходу. Також спеціально зазначається, що всі діапазони величин або вказівки груп об'єктів розкривають будь-яку можливу проміжну величину або проміжний об'єкт, як з метою первинного розкриття, так і з метою обмеження заявленого предмета винаходу. Описані тут варіанти виконання направлені на перетворення енергії з високоенергетичних фотонів (таких як фотони з енергією, переважно, в діапазоні близько 100 еВ або вище) в електрику. Принцип, покладений в основі варіантів виконання, оснований на вибиванні електронів високоенергетичними протонами з атома (включаючи вибиття електронів з глибоко розташованої внутрішньої оболонки з атомів матеріалів з великими атомними числами (з великим Z)). Вибиті електрони несуть кінетичну енергію, яка може привести до міграції цих вибитих електронів в різні ділянки пристрою, де накопичення вибитих електронів може утворити електричний потенціал, який потім може відводитися для приведення в дію зовнішнього електричного ланцюга. Спектр фотонів, які представляють інтерес, включає в себе фотони, переважно, в невидимому режимі, включаючи, але не обмежуючись цим, промені далекого ультрафіолетового діапазону, рентгенівські промені, гамма-промені і т. п. Порядки величин енергії таких фотонів більше, а, значить, і межа теплової швидкості (теоретичний коефіцієнт Карно дорівнює майже одиниці) набагато більше, ніж енергія фотонів у видимому режимі. Внаслідок високої енергії падаючих фотонів, звичайно в 100 еВ або більшої, описані тут системи і способи здатні мати надзвичайно високу ефективність перетворення енергії в порівнянні з іншими стандартними перетворювачами енергії фотонів, такими як фотогальванічні пристрої (наприклад, сонячні елементи), або з пристроями, основаними на термоелектричному ефекті (ефект Зеебека). Як більш детально обговорюється нижче, системи і способи, які застосовуються для використання цього потенційно великого виграшу, ефективно каналізують енергії високоенергетичних фотонів в прийнятні види електричної енергії, яка потім може відбиратися для живлення зовнішнього ланцюга, і, таким чином, охоплюють широкий діапазон додатків, включаючи ті з них, в яких присутні сильні магнітні поля (такі, що динаміка електронів визначається їх обертальними переміщеннями в цих магнітних полях). У результаті, описані тут системи і способи можуть бути використані в широкому діапазоні додатків - від детектування і поглинання енергії до перетворення енергії високоенергетичних фотонів в прискорювачах частинок, прямого перетворення енергії високоенергетичних фотонів з іншої надзвичайно розігрітої речовини (такого як високотемпературна плазма) і/або детонуючих джерел (таких, як вибухові речовини), які рясно висилають високоенергетичні фотони, захоплення енергії випромінювання радіоактивних ядерних відходів (таких, як відпрацьовані паливні стрижні ядерних реакцій розщеплення), і в космічних додатках (таких як джерела живлення, екранування і т. п.), а також в інших додатках, які легко можуть бути виявлені фахівцями в даній галузі техніки. Надані тут системи і способи використовують послідовності шарів матеріалів з різними зарядами атомного ядра, щоб витягувати перевагу з висилання великої множини електронів 3 UA 111585 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 одним високоенергетичним фотоном, зумовленого каскадною електронною емісією Оже. У одному варіанті виконання перетворювач високоенергетичних фотонів, переважно, включає в себе лінійну багатошарову пластину нанометричного масштабу, складену першою множиною шарів матеріалів для поглинання високоенергетичних фотонів і висилання електронів, скомбінованою з другою множиною інших матеріалів для поглинання або накопичення електронів, випущеного з першої множини шарів. Матеріали другої множини шарів мають зарядові числа атомного ядра, відмінні від зарядових чисел атомного ядра матеріалів першої множини шарів. У іншому варіанті виконання шари нанометричного масштабу сконфігуровані в трубчастій або оболонкоподібній конфігурації. Ці нанометричні шари сприяють відділенню фотоелектронів від донорських атомів. Використовуючи ці структури, перетворювач, який вийшов, може зменшити падаючий на матеріали потік енергії, які в іншому випадку були б відкриті для високоенергетичних фотонів, тим самим зменшуючи ступінь нагрівання цих матеріалів і, крім того, може поліпшити ситуацію з руйнуванням цих матеріалів, які в іншому випадку були б схильні до серйозних пошкоджень від високоенергетичного фотонного опромінення. Розглянемо більш детально креслення, на яких показані системи і способи перетворення енергії високоенергетичних фотонів в електрику з високою ефективністю. З причин вищенаведеного обговорення передбачається, що пристрій або пристрої перетворювача вміщені в сильні магнітні поля, які можуть визначено впливати на орбіти електронів. Однак, як далі стане очевидно з розгляду характерних масштабів довжини пристрою, параметри орбіт електронів піддаються мінімальному впливу цих магнітних полів (при практично досяжних зусиллях), так що варіанти виконання однаково застосовані і до додатків, в яких магнітне поле мале або відсутнє, таким як, наприклад, додатки, пов'язані з паливними стрижнями ядерних реакцій розщеплення. Звернемося до Фіг. 1A - 1F, на яких показані варіанти виконання перетворювача енергії фотонів, який має лінійну конструкцію. Як показано на Фіг. 1A, найбільш основний утворювальний блок або елемент 10 перетворювача енергії фотонів, який має лінійну конструкцію, складається з першого шару 12 з матеріалу типу А, який має перше атомне число Z1, і, переважно, який містить компонент з високим атомним числом, таким як, наприклад, тугоплавкий метал або оксид металу. Цей перший шар 12, переважно, розташований між двома шарами 14 матеріалу типу В, який має друге атомне число Z2, відмінне від атомного числа першого шару 12 матеріалу типу А, і, переважно, який містить метал, який, переважно, характеризується меншим атомним числом, ніж атомне число першого шару 12 матеріали типу А (тобто Ζ2