本文所描述的實(shí)施例一般地涉及光子能量轉(zhuǎn)換，并且更具體地，涉及便于能量從高能光子向電力的轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

存在許多已知的將光學(xué)范圍內(nèi)的光子能量轉(zhuǎn)換成電力的裝置，舉例來(lái)說(shuō)諸如光伏電池(“太陽(yáng)能電池”)。這些裝置通常由具有不同物理特性，諸如為不同電子親和勢(shì)(見(jiàn)p.wüerfel的“太陽(yáng)能電池物理”，第一版，wiley-vch(2004))的至少兩種材料(即硅基半導(dǎo)體)構(gòu)成。當(dāng)所述材料中的一種被陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)光子將光電子從價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶，這提供了電遷移。價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙通常為電子伏的量級(jí)，這與入射太陽(yáng)光子的能量類似。具有不同電子親和勢(shì)的兩種材料的布置在材料邊界兩端引起電壓，該電壓可以被分接以得到電能。

然而，沒(méi)有已知的用于將來(lái)自在諸如xuv、x和伽馬射線的高能光子狀態(tài)下操作的光子的能量轉(zhuǎn)換成電力的裝置。這樣的裝置可被用在廣泛的應(yīng)用中-例如，這樣的裝置可被用作能量轉(zhuǎn)換器，用于由舉例來(lái)說(shuō)諸如乏裂變?nèi)剂习舻姆派湫圆牧习l(fā)射的、從舉例來(lái)說(shuō)諸如爆炸物的爆震源發(fā)射的以及從高溫等離子體和加速粒子束發(fā)射的高能光子的轉(zhuǎn)換，并且這樣的裝置可被用作空間應(yīng)用中的裝置，作為電源、屏蔽等。提供這樣的裝置的困難源自于高能光子對(duì)于物質(zhì)的高穿透性，這是由于當(dāng)與可見(jiàn)光相比較時(shí)，這樣的光子與物質(zhì)少得多的交互，并且源自于這樣的事實(shí)：即對(duì)于大多數(shù)材料，電子的平均自由程通常比高能光子的平均自由程短，兩者相差多個(gè)數(shù)量級(jí)。由于平均自由程的這種差異，從用于捕獲高能光子的材料中的原子發(fā)射的電子傾向于屈服于重新組合，而它們的能量在高能光子捕獲材料內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能。

因此，理想的是提供便于能量從高能光子向電力的轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文所描述的實(shí)施例針對(duì)能量從高能光子向電力的轉(zhuǎn)換。本文所提供的實(shí)施例的基本原理基于通過(guò)高能光子使電子從原子的射出(包括位于深處的內(nèi)殼層電子從高原子數(shù)(高z)材料的原子的射出)。射出的電子攜載動(dòng)能，該動(dòng)能能夠?qū)е律涑龅碾娮酉蜓b置的不同區(qū)域遷移，在這些區(qū)域中，射出的電子的聚集能夠產(chǎn)生電勢(shì)，該電勢(shì)進(jìn)而能夠驅(qū)動(dòng)外部電路。所關(guān)注的光子譜包括處于不可見(jiàn)狀態(tài)的光子，所述不可見(jiàn)狀態(tài)包括但不限于xuv射線、x射線、伽馬射線等。

本文所提供的系統(tǒng)和方法采用帶有不同原子電荷的一系列材料，以利用通過(guò)單個(gè)高能光子經(jīng)一連串俄歇電子發(fā)射的大量電子發(fā)射。在一個(gè)實(shí)施例中，高能光子轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地包括由用于吸收高能光子并且發(fā)射電子的材料的第一多個(gè)層與用于吸收或收集電子的其他材料的第二多個(gè)層的組合制成的線性分層納米級(jí)晶圓。所述第二多個(gè)層的材料的原子電荷數(shù)不同于所述第一多個(gè)層的材料的原子電荷數(shù)。所述第一和第二多個(gè)層優(yōu)選地并排地(即面對(duì)面地)橫向?qū)盈B，介于彼此之間并且與高能光子的傳播方向成掠射角(淺角)定向。在另一個(gè)實(shí)施例中，納米級(jí)的層以管狀或殼狀構(gòu)型被構(gòu)造。在還有另一個(gè)實(shí)施例中，所述層包括絕緣材料的第三多個(gè)層。

本文所描述的系統(tǒng)和方法可在廣泛的應(yīng)用中被采用-從能量檢測(cè)和吸收到粒子加速器中的以及來(lái)自其他極熱物質(zhì)(諸如高溫等離子體)和/或發(fā)射大量高能光子的爆震源(諸如爆炸物)的高能光子的能量轉(zhuǎn)換、放射性核廢料(諸如乏裂變?nèi)剂习?的發(fā)射的能量捕獲以及空間應(yīng)用(諸如電源、屏蔽等)，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地想到的其他應(yīng)用。

在審閱了附圖和詳細(xì)說(shuō)明之后，示例實(shí)施例的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是或?qū)⒆兊蔑@而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

包括結(jié)構(gòu)和操作在內(nèi)的示例實(shí)施例的細(xì)節(jié)可通過(guò)對(duì)附圖的研究部分地得到，其中相似的參考標(biāo)號(hào)指示相似的部分。附圖中的組成部分并不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在示出本發(fā)明的原理上。另外，所有的示意都旨在傳達(dá)概念，其中相對(duì)的尺寸、形狀及其他具體屬性可被示意性地示出，而不是實(shí)際上地或精確地示出。

圖1a是線性分層納米級(jí)高能光子轉(zhuǎn)換器元件的示意圖。

圖1b是備選的線性分層納米級(jí)高能光子轉(zhuǎn)換器元件的示意圖。

圖1c是包括圖1a所示的線性分層納米級(jí)轉(zhuǎn)換器元件的陣列的高能光子轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖1d是包括圖1b所示的線性分層納米級(jí)轉(zhuǎn)換器元件的陣列的高能光子轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖1e是高能光子轉(zhuǎn)換器電路的示意圖。

圖1f是與包括負(fù)載的外部電路耦合的備選的高能光子轉(zhuǎn)換器電路的示意圖。

圖2a是圓柱形分層納米級(jí)高能光子轉(zhuǎn)換器元件的透視圖。

圖2b是備選的圓柱形分層納米級(jí)高能光子轉(zhuǎn)換器元件的透視圖。

圖2c是包括圖2a所示的圓柱形分層納米級(jí)轉(zhuǎn)換器元件的陣列的高能光子轉(zhuǎn)換器的透視圖。

圖2d是包括圖2b所示的圓柱形分層納米級(jí)轉(zhuǎn)換器元件的陣列的高能光子轉(zhuǎn)換器的端視圖。

圖2e、圖2f和圖2g是具有備選的幾何構(gòu)型的高能光子轉(zhuǎn)換器的端視圖。

圖3是示出入射高能光子ν的傳播特性以及通過(guò)入射高能光子ν使其從材料層中的它們的原子射出的電子的遷移特性的圖。

圖4a是包括多個(gè)線性層疊的層的轉(zhuǎn)換器片的示意圖。

圖4b是包括多個(gè)線性層疊的層的轉(zhuǎn)換器片的透視圖。

圖5是示出沿相容表面布置的在圖4a和圖4b中所描繪的片的組件的示意圖，所述相容表面攔截從光子通量源發(fā)射的光子通量并且與其大體上垂直。

圖6a、圖6b和圖6c是示出沿相容表面布置的在圖4a和圖4b中所描繪的片的組件的示意圖，所述相容表面攔截從光子通量源發(fā)射的光子通量并且與其大體上垂直。

應(yīng)注意的是，具有類似結(jié)構(gòu)或功能的元件通常為了示意的目的而貫穿所有附圖用相似的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示。還應(yīng)注意的是，附圖僅旨在便于對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

下面所公開(kāi)的附加特征和示教中的每一個(gè)都可以單獨(dú)地或者與其他特征和示教相結(jié)合地被采用，以產(chǎn)生便于能量從高能光子向電力的轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法?，F(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的代表性的示例，這些示例既單獨(dú)地也組合地采用這些附加特征和示教中的多個(gè)。這種詳細(xì)的說(shuō)明僅旨在向本領(lǐng)域的技術(shù)人員示教用于實(shí)踐本示教的優(yōu)選方面的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，而不是旨在限制本發(fā)明的范圍。因此，在下面的詳細(xì)說(shuō)明中公開(kāi)的特征和步驟的組合對(duì)于在最廣泛的意義上實(shí)踐本發(fā)明可能不是必需的，而是僅被示教以具體地描述本示教的代表性的示例。

另外，代表性的示例和從屬權(quán)利要求的各種特征可以不被具體和明確地列舉的方式來(lái)組合，以便提供本示教的附加的有用實(shí)施例。此外，要明確指出的是，在說(shuō)明書(shū)和/或權(quán)利要求中公開(kāi)的所有特征旨在被單獨(dú)地并且彼此獨(dú)立地公開(kāi)，用于原始公開(kāi)的目的以及用于獨(dú)立于實(shí)施例和/或權(quán)利要求中的特征的構(gòu)成來(lái)限制要求保護(hù)的主題的目的。還要明確指出的是，所有值范圍或?qū)?shí)體集合的指示公開(kāi)了每個(gè)可能的中間值或中間實(shí)體，用于原始公開(kāi)的目的以及用于限制要求保護(hù)的主題的目的。

本文所描述的實(shí)施例針對(duì)能量從高能光子(舉例來(lái)說(shuō)諸如能量?jī)?yōu)選地在大約100ev或更大的范圍內(nèi)的光子)向電力的轉(zhuǎn)換。實(shí)施例的基本原理基于通過(guò)高能光子使電子從原子的射出(包括位于深處的內(nèi)殼層電子從高原子數(shù)(高z)材料的原子的射出)。射出的電子攜載動(dòng)能，該動(dòng)能能夠?qū)е律涑龅碾娮酉蜓b置的不同區(qū)域遷移，在這些區(qū)域中，射出的電子的聚集能夠產(chǎn)生電勢(shì)，該電勢(shì)能夠被分接以驅(qū)動(dòng)外部電路。所關(guān)注的光子譜包括優(yōu)選地處于不可見(jiàn)狀態(tài)的光子，所述不可見(jiàn)狀態(tài)包括但不限于xuv射線、x射線、伽馬射線等。這樣的光子的能量比處于可見(jiàn)狀態(tài)的光子的能量大若干數(shù)量級(jí)，并且因此，用于熱化的裕度也大得多(熱卡諾系數(shù)接近一)。由于高入射光子能量，一般為100ev或更高，所以與諸如光電裝置(例如太陽(yáng)能電池)的其他標(biāo)準(zhǔn)光子能量轉(zhuǎn)換器或基于熱電效應(yīng)(例如塞貝克效應(yīng))的裝置相比，本文所描述的系統(tǒng)和方法能夠?qū)崿F(xiàn)異常高效率的能量轉(zhuǎn)換。

如下面更詳細(xì)地討論的那樣，用于控制這種可能很高的增益的系統(tǒng)和方法將高能光子的能量有效地引導(dǎo)成適當(dāng)形式的電能，該電能進(jìn)而能夠被分接以驅(qū)動(dòng)外部電路，并且因此覆蓋廣泛的應(yīng)用，包括其中存在強(qiáng)磁場(chǎng)(使得電子動(dòng)態(tài)由跨磁場(chǎng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表征)的那些應(yīng)用。結(jié)果，本文所描述的系統(tǒng)和方法可在廣泛的應(yīng)用中被采用-從能量檢測(cè)和吸收到粒子加速器中的高能光子的能量轉(zhuǎn)換、來(lái)自其他極熱物質(zhì)(諸如高溫等離子體)和/或發(fā)射大量高能光子的爆震源(諸如爆炸物)的高能光子的直接能量轉(zhuǎn)換、放射性核廢料(諸如乏裂變?nèi)剂习?的發(fā)射的能量捕獲以及空間應(yīng)用(諸如電源、屏蔽等)，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地想到的其他應(yīng)用。

本文所描述的系統(tǒng)和方法利用帶有不同原子電荷的材料的一系列層，以利用通過(guò)單個(gè)高能光子經(jīng)一連串俄歇電子發(fā)射的大量電子發(fā)射。在一個(gè)實(shí)施例中，高能光子轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地包括由用于吸收高能光子并且發(fā)射電子的材料的第一多個(gè)層與用于吸收或收集從第一多個(gè)層發(fā)射的電子的其他材料的第二多個(gè)層的組合制成的線性分層納米級(jí)晶圓。第二多個(gè)層的材料的原子電荷數(shù)不同于第一多個(gè)層的材料的原子電荷數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，納米級(jí)的層以管狀或殼狀構(gòu)型被構(gòu)造。納米級(jí)的層便于光電子與供電子原子的分離。采用這些結(jié)構(gòu)，結(jié)果得到的轉(zhuǎn)換器可以減少入射在材料上的功率通量，否則材料將直接暴露于高能光子，由此減少這些材料的受熱量并且還可以改善材料的劣化，否則材料要經(jīng)受嚴(yán)重的高能光子輻照損害。

詳細(xì)地參照附圖，用于以高效率進(jìn)行從高能光子向電力的能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法被示出。為了前述討論的目的，假設(shè)一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器裝置被嵌入在能夠決定性地影響電子軌道的強(qiáng)磁場(chǎng)中。然而，如將從下文顯而易見(jiàn)的是，根據(jù)裝置的特征長(zhǎng)度尺度，電子軌道特性最少地受磁場(chǎng)(其具有實(shí)際可獲得的強(qiáng)度)影響，使得所述實(shí)施例可等同地適用于其中存在很小的磁場(chǎng)或者不存在磁場(chǎng)的應(yīng)用，諸如乏裂變?nèi)剂习魬?yīng)用。

參照?qǐng)D1a至圖1f，具有線性結(jié)構(gòu)的光子能量轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例被示出。如在圖1a中所描繪的那樣，具有線性結(jié)構(gòu)的光子能量轉(zhuǎn)換器的最基本的構(gòu)件或轉(zhuǎn)換器元件10由a型材料的第一層12構(gòu)成，a型材料的第一層12具有第一原子數(shù)z1并且優(yōu)選地包括高原子數(shù)成分，舉例來(lái)說(shuō)諸如耐火的金屬或金屬氧化物。第一層12優(yōu)選地夾在兩個(gè)b型材料的層14之間，b型材料的層14具有不同于a型材料的第一層12的原子數(shù)的第二原子數(shù)z2并且優(yōu)選地包括這樣的金屬：即典型地，該金屬優(yōu)選地由比a型材料的第一層12的原子數(shù)低的原子數(shù)表征(即z2<z1)。如在1b中所描繪的那樣，基本構(gòu)件10可選地能夠通過(guò)c型材料的絕緣層16的添加來(lái)加強(qiáng)。a型、b型和c型材料的示例性集合可包括但不限于：a=鎢(w)，b=鋁(al)，c=諸如sio2的絕緣材料。備選地，絕緣層可以僅是自由流動(dòng)的氦氣，其還能充當(dāng)冷卻劑。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地想到，可用與本發(fā)明的精神相一致的其他材料來(lái)代替。

在圖1c和圖1d所描繪的優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器11和13包括一連串的基本構(gòu)件或基本構(gòu)件的陣列，這些基本構(gòu)件并排地(即面對(duì)面地)橫向?qū)盈B，直至光子在所有a型層12中花費(fèi)的理論最大總光程長(zhǎng)度與要被a型材料吸收的高能光子ν的平均自由程相當(dāng)或大于其。如在圖1c和圖1d中所描繪的那樣，一個(gè)或多個(gè)b型材料的層14介于相鄰的a型材料的層12之間，并且可選地，c型絕緣材料的層16介于相鄰的b型材料的層14之間。

并排地層疊構(gòu)件或轉(zhuǎn)換器元件10為總體結(jié)構(gòu)提供了良好地適于有效適應(yīng)由在a型材料中被吸收的高能光子ν所引起的電子發(fā)射的幾何形狀。如在圖3中所描繪的那樣，由于光子的極化垂直于光子ν的傳播方向，所以射出的電子的方向主要在平面pe內(nèi)(其中適當(dāng)衰變的角分布離開(kāi)該平面，但峰值在該平面上)，平面pe垂直于光子ν的傳播方向(但是這樣的平面包含光子ν的極化)。如在圖1a和圖1b中所描繪的那樣，轉(zhuǎn)換器元件10的層12和14沿這樣的方向并排地層疊：即該方向使得層之間的邊界表面的法向矢量大體上與光子ν的傳播方向正交。在下文所描述的一個(gè)優(yōu)選構(gòu)型中，層之間的邊界表面能夠被對(duì)準(zhǔn)為與入射高能光子ν的傳播方向成掠射角(淺角)。結(jié)果，通過(guò)入射高能光子ν在a型材料的層12內(nèi)從它們的原子射出的電子能夠大體上正交地遷移到相鄰的b型材料的層14中。

每個(gè)實(shí)施例及其任何變型的原理的核心是要求發(fā)射的光電子不在a型材料的層12中被捕獲和/或吸收，而是在b型材料的層14中被吸收。為了確保射出的電子不在a型材料的層12內(nèi)被捕獲并且增加射出的電子從a型材料的層12逃逸或遷移到b型材料的層14中的可能性，每個(gè)a型材料的層12的厚度優(yōu)選地小于電子在這樣的a型材料中的平均自由程的長(zhǎng)度或者與其相當(dāng)。每個(gè)b型材料的層14的厚度優(yōu)選地大于電子在b型材料中的平均自由程的長(zhǎng)度或者與其相當(dāng)。優(yōu)選地，這些實(shí)施例的層的納米級(jí)布置反映了下列內(nèi)在物理原理：即a型材料中的電子平均自由程與b型材料中的電子平均自由程差別不是非常大，而同時(shí)a型材料中的光子平均自由程比b型材料中的光子平均自由程小得多，即<<。

例如，對(duì)于100kev的入射光子，用于這些系統(tǒng)的典型層厚度尺寸包括：a型材料的等于大約1nm，而b型材料的等于大約100nm，其中可選的c型材料的被調(diào)節(jié)為在必要的情況下防止在相鄰的層之間形成電弧。對(duì)于高達(dá)10t的磁場(chǎng)b，這些尺寸小于電子的回轉(zhuǎn)半徑。因此，根據(jù)這些長(zhǎng)度尺度，電子不被磁化，但它們的動(dòng)態(tài)主要處于碰撞狀態(tài)。結(jié)果，上述轉(zhuǎn)換器元件10或轉(zhuǎn)換器11和13也適用于不存在磁場(chǎng)或磁場(chǎng)小得可忽略的應(yīng)用。

通過(guò)入射高能光子ν而從a型材料的層12內(nèi)的原子射出的電子向相鄰的b型材料的層14的遷移導(dǎo)致電荷的聚集并且最終在a型材料的層12與b型材料的層14之間產(chǎn)生電勢(shì)。參照?qǐng)D1e和圖1f，所有a型層12和b型層14都與電路連接，使得每個(gè)a型層12和每個(gè)b型層14均充當(dāng)單獨(dú)的電極。如對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的那樣，存在幾乎無(wú)限數(shù)量的選擇和備選方案用于以并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接層或?qū)蛹?。這樣的電路的最佳布置有利地為結(jié)果是應(yīng)用可決定的。例如，單獨(dú)的層12和層14能夠以這樣的方式連接，即由此每個(gè)a型材料的層12如在圖1e中所描繪的那樣連接于最近的b型材料的層14中的一個(gè)；或者，每個(gè)a型材料的層12能夠如在圖1f中所描繪的那樣連接于由c型材料的絕緣層16將其與該a型材料的層12分開(kāi)的最近的b型材料的層14中的一個(gè)。在這些構(gòu)型中，電耦合的層有效地形成納米電池，并且自發(fā)形成的電勢(shì)差與遷移電子的動(dòng)能相當(dāng)?？捎糜隍?qū)動(dòng)負(fù)載的總電壓等于單獨(dú)的納米電池單元15的電壓或納米電池單元17和19的串聯(lián)的總和。如在圖1f中所描繪的那樣，包括負(fù)載22的外部電路20與納米電池單元17和19耦合，所述納米電池單元17和19被描繪為串聯(lián)耦合，但也可并聯(lián)耦合。負(fù)載22可包括電可驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)或部件、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、電網(wǎng)等。

備選地，通過(guò)調(diào)節(jié)電極層12與14之間的電路的負(fù)載電阻，能夠從外部控制穩(wěn)態(tài)電壓，并且能夠相應(yīng)地調(diào)節(jié)絕緣層16的厚度尺寸。

在另一個(gè)實(shí)施例中，基本構(gòu)件包括圓柱形管體或殼體構(gòu)型。如圖2a所示，圓柱形轉(zhuǎn)換器元件110包括a型材料的圓柱形芯體112，該圓柱形芯體112被b型材料的圓柱形管體或殼體114包圍。如在圖2b中所描繪的那樣，可選地用c型材料的絕緣殼體116包圍每個(gè)b型材料的殼體114同樣是有可能的。在這個(gè)圓柱形構(gòu)型中，相同的尺寸規(guī)則適用于各種厚度，即a型材料的圓柱形芯體112的半徑小于a型材料中的電子平均自由程的大約一半或者與其相當(dāng)，即大約，而b型材料的殼體114的厚度與b型材料中的電子平均自由程相當(dāng)，即大約。

轉(zhuǎn)換器元件110的圓柱形管體或殼體布置的優(yōu)點(diǎn)是其在捕獲發(fā)射的電子時(shí)所提供的更高的效率，這是因?yàn)殡娮釉谡麄€(gè)360°的方位角范圍內(nèi)以相等的概率被發(fā)射。如在圖3中所描繪的并且如上文所描述的那樣，電子主要在平面pe(其中適當(dāng)衰變的角度分布離開(kāi)該平面，但是峰值出現(xiàn)在該平面上)內(nèi)沿垂直于光子ν的傳播方向并且平行于光子的極化()的方向被射出。取決于光子的極化角度，射出的電子能夠在圍繞360°方位角的任何地方被定向，并且在這樣的情況下，與在圖1a至圖1f中所描繪的線性構(gòu)型相比，單元的圓柱形布置在b型材料中引起更高的電子捕獲并且有效地導(dǎo)致更高的電子捕獲效率。

與上述線性幾何形狀轉(zhuǎn)換器類似，圓柱形構(gòu)件110被集束以形成符合與線性幾何形狀轉(zhuǎn)換器相同的物理尺寸約束的總結(jié)構(gòu)。作為示例，在圖2c中描繪了一種具體的層疊布置111。備選地，如在圖2d中所描繪的那樣，在另一種層疊布置113中，絕緣材料116能夠填充相鄰的轉(zhuǎn)換器元件或單元110之間的空隙空間。這樣的空隙空間還能夠被用作使諸如加壓氦氣的氣體冷卻劑循環(huán)的導(dǎo)管。由于he對(duì)光子的吸收對(duì)于所關(guān)注的光子能量是可忽略不計(jì)的，這形成了有效的冷卻手段。電連接同樣與線性幾何形狀構(gòu)型類似，并且同樣地在連接構(gòu)件110的層或殼體112和114方面提供了許多不同的選擇。

在圖2e、圖2f和圖2g中示出了備選的幾何形狀構(gòu)型。圖2e示出了交錯(cuò)的線性層疊分層布置，其中a型材料的層112被偏移以定位成與b型材料的層114相鄰。圖2f示出了多個(gè)a型材料的芯體112，所述芯體112被b型材料包圍，所述b型材料填充了芯體112之間的空隙空間114。盡管示出為正方形，但芯體112可以是圓形、橢圓形等等。除了芯體112和殼體層114為正方形之外，圖2g與圖2d中的構(gòu)型類似。在這些情況下，元件112、114和116的尺寸設(shè)定符合在圖1a至圖1c以及圖2a至圖2d中所討論的相同約束。各正方形邊緣處的電子動(dòng)態(tài)不同，但除了這些邊緣效應(yīng)之外，其他物理特性與圓柱形的情況大體上類似。

任一種幾何形狀中的基本構(gòu)件如上所述為由多達(dá)三種類型的材料構(gòu)成，其均適于自發(fā)產(chǎn)生電子與已被高能光子離子化的供電子原子的原始位置的分離。這又導(dǎo)致電壓在層之間和/或在可選的絕緣體兩端產(chǎn)生。如上所述，這樣的布置能夠與電路電連接以進(jìn)行電氣作業(yè)或從轉(zhuǎn)換器傳送電力。作為進(jìn)一步的變型，應(yīng)注意的是，還可在這些層之間施加外部電壓(偏置電壓)，這提供了對(duì)電氣特性的進(jìn)一步控制并且使跨所述層中的任何一個(gè)形成電弧的可能性最小。

參照?qǐng)D4a和圖4b，為了使暴露于輻射的表面面積最大化以確保入射高能光子ν被a型材料的層212捕獲并且不是僅穿過(guò)b型材料的層214，轉(zhuǎn)換器片或單元200的層疊的a型材料的層212和b型材料的層214以及可選的c型絕緣材料的層216優(yōu)選地與入射高能光子ν的傳播方向成掠射角(淺角)θ傾斜，該角度θ例如可以是大約1/100弧度的量級(jí)。使轉(zhuǎn)換器片200傾斜還確保了被轟擊的a型材料的充分冷卻并且使每個(gè)單獨(dú)的a型材料的層212的厚度最小化(相對(duì)于電子的平均自由程)以及使整個(gè)轉(zhuǎn)換器組件中的所有a型材料的層212的總有效厚度最小化。使轉(zhuǎn)換器片200以掠射角傾斜還使得電子主要地垂直于a型材料的表面被射出。這還使每個(gè)片200的重復(fù)層的必要數(shù)量減小為原來(lái)的大約1/θ，這是因?yàn)榕c其中片200的表面的定向角φ被組織成與入射高能光子ν的傳播方向正交的情況相比，a型材料中的傳輸距離被提高了相同倍數(shù)。這還使電子向相鄰的b型材料的層的逃逸最大化。

在備選實(shí)施例中，在圖4a和圖4b中所描繪的轉(zhuǎn)換器片200包括并排地層疊并且以掠射角θ傾斜的多個(gè)圓柱形轉(zhuǎn)換器元件110(在圖2a和圖2b中被示出)。

參照?qǐng)D4b，為了有效地吸收能量為大約100kev的量級(jí)的大多數(shù)高能光子，裝置的高度h需要沿占主導(dǎo)地位的光子傳播的基本方向延伸為大約1厘米(1cm)的長(zhǎng)度量級(jí)。這是由于希望通過(guò)具有足夠的總厚度的a型材料沿光子傳播方向攔截整個(gè)光子通量。由于每個(gè)b型材料的層的厚度通常比每個(gè)a型材料的層的厚度大得多(<<)，所以投影到光子通量方向上的構(gòu)件的完整層疊的總高度h需要比具體的光子在a型材料中的平均自由程大得多，以確保高能光子在大于它們?cè)谶@樣的材料中的平均自由程的總距離上與a型材料相遇。因此，構(gòu)件的完整層疊的高度應(yīng)超過(guò)光子在a型材料中的平均自由程并且至少是其倍，或者在包括絕緣層的情況下，至少是其倍。

如上所述，總體布置還在轉(zhuǎn)換器材料通過(guò)光子吸收以及隨后的電子加熱而受熱時(shí)提供了對(duì)轉(zhuǎn)換器材料的有效冷卻。如在圖4a中所描繪的那樣，由于與以垂直于入射光子通量的方向的定向角φ對(duì)層疊進(jìn)行分層的簡(jiǎn)單布置相比，本實(shí)施例中的總表面面積被增大1/θ，因此便于冷卻。使加壓氣體冷卻劑流過(guò)構(gòu)建在結(jié)構(gòu)中的管道或者僅將層疊連接于散熱裝置也是有可能的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地想到，可存在許多其他方式來(lái)加強(qiáng)冷卻并且具體的實(shí)現(xiàn)將由特定的應(yīng)用決定。

如在圖5中所描繪的那樣，轉(zhuǎn)換器片200的組件220能夠沿相容表面230布置，該相容表面230攔截從給定的光子通量源240發(fā)射的光子通量242并且與其大體上垂直。這種構(gòu)型為可能需要(或者獲益于)從發(fā)射的光子通量的能量產(chǎn)生的廣泛應(yīng)用提供了靈活性和適應(yīng)性。

在圖6a、圖6b和圖6c中描繪了典型應(yīng)用的總體幾何形狀的其他示例。圖6a示出了等離子體約束系統(tǒng)300，其包括具有表面334的圓柱形腔室330，表面334攔截從示出為熱等離子體的光子通量源340發(fā)射的光子通量342并且與其大體上垂直。約束系統(tǒng)300還包括沿圓柱形腔室330定位的磁場(chǎng)發(fā)生器332和沿腔室330的表面334固定的轉(zhuǎn)換器片200的陣列332。所述片中的每一個(gè)都與光子通量342的入射高能光子ν的傳播方向成掠射角定向。圖6b示出了約束系統(tǒng)400，其包括具有表面434的圓柱形容器430，表面434攔截從示出為熱等離子體或乏裂變?nèi)剂习舻墓庾油吭?40發(fā)射的光子通量442并且與其大體上垂直。約束系統(tǒng)400還包括圍繞容器430的表面434固定的轉(zhuǎn)換器片200的陣列432。所述片中的每一個(gè)都與光子通量442的入射高能光子ν的傳播方向成掠射角定向。圖6c示出了粒子加速系統(tǒng)500，其包括具有表面534的圓柱形管體530，表面534攔截從示出為加速粒子束的光子通量源540發(fā)射的光子通量542并且與其大體上垂直。加速系統(tǒng)500還包括沿圓柱形管體530定位的磁場(chǎng)發(fā)生器532和沿管體530的表面534固定的轉(zhuǎn)換器片200的陣列532。所述片中的每一個(gè)都與光子通量542的入射高能光子ν的傳播方向成掠射角定向。

在每種情況下，發(fā)射的高能光子都在大于它們?cè)赼型材料中的平均自由程的總距離上與這樣的材料a相遇。這確保了它們被a型層內(nèi)的原子適當(dāng)?shù)匚詹⑶掖_保了光子流向電子流的最終被放大的轉(zhuǎn)換。在通量發(fā)射塊周圍，a型材料密集地覆蓋所有暴露于高能光子通量的表面面積，而同時(shí)允許冷卻和電氣連接。

應(yīng)注意的是，根據(jù)本文所提供的實(shí)施例，多個(gè)電子由于高能光子的吸收而從a型材料中的特定原子被發(fā)射。這是因?yàn)閺奶囟ǖ纳顚与娮觾?nèi)殼層狀態(tài)擊出的電子產(chǎn)生了空缺，該空缺迅速地被俄歇過(guò)程填充，該俄歇過(guò)程又觸發(fā)了第二和第三俄歇過(guò)程，或者一連串過(guò)程。此外，第二光子再發(fā)射能夠在相鄰的原子中進(jìn)一步觸發(fā)這樣的過(guò)程。相應(yīng)地，一個(gè)光子原則上能夠觸發(fā)大約100個(gè)電子(有時(shí)候更多)的總發(fā)射。因此，這種多次電離提供了雙重益處。首先，其起到使每個(gè)原始入射光子的電子量倍增為原來(lái)的100至1,000倍的作用，這導(dǎo)致了高電流放大率。其次，其起到使電子能量從幾十kev減少到僅幾十ev的作用。因此，所產(chǎn)生的電壓相對(duì)于擊穿方面的擔(dān)憂是可管理的。這提供了光子能量向電力(其電荷和電流)的增強(qiáng)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)其還使目標(biāo)的受熱最小化。實(shí)際上，該系統(tǒng)通過(guò)從位于光子源旁邊的材料移除大部分的沉積光子能量(通過(guò)電能)而被用作有效的冷卻裝置，并且容易地將轉(zhuǎn)換的能量輸送到不在輻射附近的遠(yuǎn)處位置。

然而，本文所提供的示例實(shí)施例僅旨在作為示意性的示例而不是以任何方式進(jìn)行限制。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，類似系統(tǒng)能夠通過(guò)參數(shù)的適當(dāng)修正而等同地適用于不同能量的光子。

在前述說(shuō)明書(shū)中，已參照本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了描述。然而，將顯而易見(jiàn)的是，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修正和改變而不背離本發(fā)明的更廣義的精神和范圍。例如，讀者應(yīng)理解，除非另有說(shuō)明，否則在本文所描述的過(guò)程流圖中示出的過(guò)程動(dòng)作的特定順序和組合僅是示意性的，并且可使用不同的或附加的過(guò)程動(dòng)作或者過(guò)程動(dòng)作的不同組合或順序來(lái)執(zhí)行本發(fā)明。作為另一個(gè)示例，一個(gè)實(shí)施例的每個(gè)特征能夠與在其他實(shí)施例中示出的其他特征混合和匹配。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的特征和過(guò)程可類似地根據(jù)需要被結(jié)合。另外地并且明顯地，可根據(jù)需要添加或減去特征。相應(yīng)地，除了根據(jù)所附權(quán)利要求及其等同內(nèi)容之外，本發(fā)明不受限制。