高能光子向电力的转换制造技术

本发明专利技术提供了用于将高能光子的能量转换成电力的系统和方法，所述系统和方法采用带有不同原子电荷的一系列材料，以利用通过单个高能光子经一连串俄歇电子发射的大量电子发射。在一个实施例中，高能光子转换器优选地包括由夹在第二材料的层之间的第一材料的层构成的线性分层纳米级晶圆，其中所述第二材料的原子电荷数不同于所述第一材料的原子电荷数。在其他实施例中，纳米级的层以管状或壳状构型被构造和/或包括第三绝缘材料的层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文所描述的实施例一般地涉及光子能量转换，并且更具体地，涉及便于能量从高能光子向电カ的转换的系统和方法。
技术介绍
存在许多已知的将光学范围内的光子能量转换成电カ的装置，举例来说诸如光伏电池(“太阳能电池”)。这些装置通常由具有不同物理特性，诸如为不同电子亲和势(见P. WUerfel的“太阳能电池物理”，第一版，Wiley-VCH(2004))的至少两种材料(即硅基半导体)构成。当所述材料中的一种被阳光照射时，太阳光子将光电子从价带激发至导带，这提供了电迁移。价带与导带之间的能隙通常为电子伏的量级，这与入射太阳光子的能量类似。具有不同电子亲和势的两种材料的布置在材料边界两端引起电压，该电压可以被分接以得到电能。 然而，没有已知的用于将来自在诸如XUV、X和伽马射线的高能光子状态下操作的光子的能量转换成电カ的装置。这样的装置可被用在广泛的应用中-例如，这样的装置可被用作能量转换器，用于由举例来说诸如乏裂变燃料棒的放射性材料发射的、从举例来说诸如爆炸物的爆震源发射的以及从高温等离子体和加速粒子束发射的高能光子的转换，并且这样的装置可被用作空间应用中的装置，作为电源、屏蔽等。提供这样的装置的困难源自于高能光子对于物质的高穿透性，这是由于当与可见光相比较时，这样的光子与物质少得多的交互，并且源自于这样的事实即对于大多数材料，电子的平均自由程通常比高能光子的平均自由程短，两者相差多个数量级。由于平均自由程的这种差异，从用于捕获高能光子的材料中的原子发射的电子倾向于屈服于重新组合，而它们的能量在高能光子捕获材料内转换成热能。因此，理想的是提供便于能量从高能光子向电カ的转换的系统和方法。
技术实现思路
本文所描述的实施例针对能量从高能光子向电カ的转换。本文所提供的实施例的基本原理基于通过高能光子使电子从原子的射出(包括位于深处的内壳层电子从高原子数(高Z)材料的原子的射出)。射出的电子携载动能，该动能能够导致射出的电子向装置的不同区域迁移，在这些区域中，射出的电子的聚集能够产生电势，该电势进而能够驱动外部电路。所关注的光子谱包括处于不可见状态的光子，所述不可见状态包括但不限于XUV射线、X射线、伽马射线等。本文所提供的系统和方法采用带有不同原子电荷的一系列材料，以利用通过单个高能光子经ー连串俄歇电子发射的大量电子发射。在一个实施例中，高能光子转换器优选地包括由用于吸收高能光子并且发射电子的材料的第一多个层与用于吸收或收集电子的其他材料的第二多个层的组合制成的线性分层纳米级晶圆。所述第二多个层的材料的原子电荷数不同于所述第一多个层的材料的原子电荷数。所述第一和第二多个层优选地并排地(即面对面地)横向层叠，介于彼此之间并且与高能光子的传播方向成掠射角(浅角)定向。在另ー个实施例中，纳米级的层以管状或壳状构型被构造。在还有另一个实施例中，所述层包括绝缘材料的第三多个层。本文所描述的系统和方法可在广泛的应用中被采用-从能量检测和吸收到粒子加速器中的以及来自其他极热物质(诸如高温等离子体)和/或发射大量高能光子的爆震源(诸如爆炸物)的高能光子的能量转换、放射性核废料(诸如乏裂变燃料棒)的发射的能量捕获以及空间应用(诸如电源、屏蔽等)，以及本领域的技术人员可容易地想到的其他应用。在审阅了附图和详细说明之后，示例实施例的其他系统、方法、特征和优点对于本领域的技术人员将是或将变得显而易见。附图说明 包括结构和操作在内的示例实施例的细节可通过对附图的研究部分地得到，其中相似的參考标号指示相似的部分。附图中的组成部分并不一定按比例绘制，而是将重点放在示出本专利技术的原理上。另外，所有的示意都g在传达概念，其中相対的尺寸、形状及其他具体属性可被示意性地示出，而不是实际上地或精确地示出。图IA是线性分层纳米级高能光子转换器元件的示意图。图IB是备选的线性分层纳米级高能光子转换器元件的示意图。图IC是包括图IA所示的线性分层纳米级转换器元件的阵列的高能光子转换器的示意图。图ID是包括图IB所示的线性分层纳米级转换器元件的阵列的高能光子转换器的示意图。图IE是高能光子转换器电路的示意图。图IF是与包括负载的外部电路耦合的备选的高能光子转换器电路的示意图。图2A是圆柱形分层纳米级高能光子转换器元件的透视图。图2B是备选的圆柱形分层纳米级高能光子转换器元件的透视图。图2C是包括图2A所示的圆柱形分层纳米级转换器元件的阵列的高能光子转换器的透视图。图2D是包括图2B所示的圆柱形分层纳米级转换器元件的阵列的高能光子转换器的端视图。图2E、图2F和图2G是具有备选的几何构型的高能光子转换器的端视图。图3是示出入射高能光子V的传播特性以及通过入射高能光子V使其从材料层中的它们的原子射出的电子的迁移特性的图。图4A是包括多个线性层叠的层的转换器片的示意图。图4B是包括多个线性层叠的层的转换器片的透视图。图5是示出沿相容表面布置的在图4A和图4B中所描绘的片的组件的示意图，所述相容表面拦截从光子通量源发射的光子通量并且与其大体上垂直。图6A、图6B和图6C是示出沿相容表面布置的在图4A和图4B中所描绘的片的组件的示意图，所述相容表面拦截从光子通量源发射的光子通量并且与其大体上垂直。应注意的是，具有类似结构或功能的元件通常为了示意的目的而贯穿所有附图用相似的參考标号来表示。还应注意的是，附图仅g在便于对优选实施例的说明。具体实施例方式下面所公开的附加特征和示教中的每ー个都可以单独地或者与其他特征和示教相结合地被采用，以产生便于能量从高能光子向电カ的转换的系统和方法。现在将參照附图更详细地描述本专利技术的代表性的示例，这些示例既单独地也组合地采用这些附加特征和示教中的多个。这种详细的说明仅g在向本领域的技术人员示教用于实践本示教的优选方面的进ー步的细节，而不是g在限制本专利技术的范围。因此，在下面的详细说明中公开的特征和步骤的组合对于在最广泛的意义上实践本专利技术可能不是必需的，而是仅被示教以具体地描述本示教的代表性的示例。另外，代表性的示例和从属权利要求的各种特征可以不被具体和明确地列举的方 式来组合，以便提供本示教的附加的有用实施例。此外，要明确指出的是，在说明书和/或权利要求中公开的所有特征g在被単独地并且彼此独立地公开，用于原始公开的目的以及用于独立于实施例和/或权利要求中的特征的构成来限制要求保护的主题的目的。还要明确指出的是，所有值范围或对实体集合的指示公开了每个可能的中间值或中间实体，用于原始公开的目的以及用于限制要求保护的主题的目的。本文所描述的实施例针对能量从高能光子(举例来说诸如能量优选地在大约100eV或更大的范围内的光子)向电カ的转换。实施例的基本原理基于通过高能光子使电子从原子的射出(包括位于深处的内壳层电子从高原子数(高の材料的原子的射出)。射出的电子携载动能，该动能能够导致射出的电子向装置的不同区域迁移，在这些区域中，射出的电子的聚集能够产生电势，该电势能够被分接以驱动外部电路。所关注的光子谱包括优选地处于不可见状态的光子，所述不可见状态包括但不限于XUV射线、X射线、伽马射线等。这样的光子的能量比处于可见状态的光子的能量大若干数量级，并且因此，用于热化的裕度也大得多(热卡诺系数接近一)。由于高入射光子能量，一般为100 eV或更高，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T塔吉马，M宾德鲍尔，
申请(专利权)人：TRI阿尔法能源公司，
类型：
国别省市：