MXPA99006659A - Convertidores eléctricos termionicos mejorados - Google Patents

Abstract

Se describe un convertidor (200) eléctrico, termiónico mejorado que utiliza un cátodo (220) de rejilla de alambres para proporcionar unárea superficial mayor para que los electrones se desprendan. Alternativa o adicionalmente, elárea superficial de emisión de electrones más grandes se puede obtener al utilizar una superficie de emisión de electrones curva. Un láser (242) proporciona interferencia cuántica a los electrones justo antes de que lleguen alánodo para disminuir mediante esto sus niveles de energía de tal manera que sean capturados más fácilmente por elánodo (206). El arreglo proporciona una eficiencia de conversión mejorada y dispersión de electrones reducida.

Description

CONVERTIDORES ELÉCTRICOS TERMIONICOS MEJORADOS Campo de la invención La presente invención es concerniente en general con el campo de la conversión de energia térmica directamente a energia eléctrica. Más en particular, se proporciona un convertidor eléctrico ter iónico mejorado.

Antecedentes de la invención Hasta ahora, se han conocido convertidores termiónicos tales como aquellos mostrados en las patentes norteamericanas Nos. 3,519,854, 3,328,611, 4,303,845, 4,323,808 y 5,459,367 (todas expedidas al inventor de la presente invención y todas incorporadas mediante la presente por referencia) que describen varios aparatos y métodos para la conversión directa de energia térmica a energia eléctrica. En la patente norteamericana No. 3,519,854, se describe un convertidor que utiliza técnicas de efecto de Hall como los medios de recolección de corriente de salida. La patente 854 enseña el uso de una corriente de electrones emitidos de una superficie catódica emisora como la fuente de electrones. Los electrones son acelerados hacia un ánodo positivo más allá del transductor de efecto Hall. El ánodo de la patente ?854 consiste de una placa metálica simple que tiene un elemento altamente cargado estáticamente que circunda la placa y lo aisla del mismo.

REF.-. 30625 La patente norteamericana No. 3,328,611 describe un convertidor termiónico configurado esféricamente en donde un cátodo emisor esférico es alimentado con calor para mediante esto emitir electrones a un ánodo esférico posicionado concéntricamente bajo la influencia de un elemento de control y que tiene un alto potencial positivo sobre el mismo y aislado del mismo. De manera semejante a la patente ?854, el ánodo de la patente ?611 es simplemente una superficie metálica. La patente norteamericana No. 4,303,845 describe un convertidor termiónico en donde la corriente de electrones del cátodo pasa a través de una bobina de inducción de núcleo de aire, ubicada dentro de un campo magnético transversal, para generar mediante esto una fuerza electromotriz (EMF) en la bobina de inducción mediante la interacción de la corriente de electrones con el campo magnético transversal. El ánodo de la patente ?845 también comprende una placa metálica que tiene un elemento altamente cargado estáticamente que circunda la placa y lo aisla del mismo. La patente norteamericana No. 4,323,808 describe un convertidor termiónico excitado por láser que es muy similar al convertidor termiónico descrito en la patente 845. La diferencia principal es que la patente 808 describe el uso de un láser que es aplicado a una rejilla sobre la cual los electrones son recolectados al mismo tiempo en que se retira el potencial a la rejilla, para crear mediante esto bolos de electrones que son acelerados hacia el ánodo a través de una bobina de inducción de núcleo de aire, localizada dentro de un campo magnético transversal. El ánodo de la patente ?808 es el mismo como aquel descrito en la patente ?845, esto es, simplemente una placa metálica que tiene un elemento altamente cargado estáticamente que circunda la placa y lo aisla de la misma. La patente norteamericana 5,459,367 utiliza ventajosamente un elemento colector mejorado con un ánodo que tiene fibras de lana de cobre y gel de sulfato de cobre en lugar de una placa metálica. Adicionalmente, el elemento colector tiene un elemento altamente cargado (esto es, electricidad estática) que circunda el ánodo y lo aisla del mismo. Otro diseño de la técnica previa tiene un ánodo y cátodo que están relativamente cercanos entre si, tal como separados por una distancia de dos mieras dentro de una cámara de vacio. Tal diseño de la técnica previa no utiliza una fuerza de atracción para atraer los electrones emitidos del cátodo al ánodo más que la inducción del cesio a la envoltura de la cámara que aloja el ánodo y el cátodo. El cesio recubre el ánodo con una carga positiva para mantener fluyendo a los electrones. Con el cátodo y el ánodo tan cercanos estrechamente es difícil mantener las temperaturas del cátodo y ánodo a temperaturas sustancialmente diferentes. Por ejemplo, se esperarla tener normalmente el cátodo a una temperatura de 1800 grados Kelvin y el ánodo a 800 grados Kelvin. Se proporciona una fuente de calor para calentar el cátodo y se proporciona un sistema de circulación de enfriamiento en el ánodo con el fin de mantenerlo a la temperatura deseada. Aunque la cámara es mantenida a un vacio (diferente a la fuente de cesio) el calor del cátodo avanza al ánodo y toma una cantidad significativa de energia para mantener la alta diferencial de temperatura entre el cátodo y el ánodo separados estrechamente. Esto a su vez disminuye sustancialmente la eficiencia del sistema.

Objetos y breve descripción de la invención Asi, un objeto de la presente invención es proveer un nuevo y mejorado convertidor eléctrico termiónico. Un objeto más especifico de la presente invención es proveer un convertidor eléctrico termiónico con eficiencia de conversión mejorada. Todavía otro objeto de la presente invención es proveer un cátodo mejorado para un convertidor eléctrico termiónico .

Un objeto adicional de la presente invención es proveer un convertidor eléctrico termiónico que tiene el cátodo y ánodo separados significativamente de tal manera que estén aislados térmicamente entre si. Todavía otro objeto de la presente invención es proveer un convertidor eléctrico termiónico en donde la energia puede ser retirada o separada de los electrones justo antes de que choquen con el ánodo. Los anteriores y otros objetos de la presente invención que se harán evidentes a medida que avance la descripción son realizados mediante un convertidor eléctrico termiónico que tiene un elemento envolvente o de envoltura, un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo. El cátodo consiste de una rejilla de alambres, que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si. Un primer anillo de enfoque cargado se encuentra en el elemento envolvente entre el cátodo y el ánodo y es operable para dirigir los electrones emitidos mediante el cátodo a través del primer anillo de enfoque en su camino al ánodo. Un segundo anillo de enfoque cargado se encuentra en el elemento envolvente, entre el primer anillo de enfoque y el ánodo y es operable para dirigir los electrones emitidos mediante el cátodo a través del segundo anillo de enfoque en su camino al ánodo. Anillos de enfoque adicionales pueden ser necesarios. El cátodo está de preferencia separado del ánodo por una distancia de 4 mieras a cinco centímetros. Más de preferencia, el cátodo está separado del ánodo por una distancia de uno a tres centímetros. Un láser es operable para golpear electrones (esto es, aplicar un haz de láser a los electrones) entre el cátodo y el ánodo. El láser choca con los electrones justo antes de que lleguen al ánodo. El láser es operable para proporcionar interferencia cuántica con los electrones, de tal manera que los electrones son capturados más fácilmente por el ánodo. La rejilla de alambres del cátodo incluye de preferencia por lo menos cuatro capas de alambres. Además, cada una de las capas de alambre tienen alambres que se extienden en una dirección diferente entre si de las capas de alambres. La rejilla de alambres del cátodo incluye asi alambres que se extienden en por lo menos cuatro direcciones diferentes. Esta está diseñada para incrementar extensamente la superficie emisora del cátodo. La presente invención puede ser descrita alternativamente como un convertidor eléctrico termiónico que tiene un elemento envolvente, un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones, un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo y un láser operable para golpear electrones entre el cátodo y el ánodo. Asi, el láser proporciona interferencia cuántica con los electrones, de tal manera que los electrones son capturados más fácilmente por el ánodo. El láser es operable para golpear electrones justo antes de que lleguen al ánodo. El láser es operable para golpear electrones en una distancia de 2 mieras antes de que lleguen al ánodo. El cátodo consiste de una rejilla de alambres que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si. El cátodo está separado del ánodo por una distancia de 4 mieras a cinco centímetros. La presente invención se puede describir alternativamente como un convertidor eléctrico termiónico que tiene un elemento envolvente, un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo y que avanzan en general a lo largo de una dirección de movimiento que define la dirección del cátodo al ánodo. El cátodo tiene un área de sección transversal plana normal o perpendicular a la dirección de movimiento, el cátodo tiene un área superficial de emisión de electrones para la emisión de electrones hacia el ánodo y el área superficial de emisión de electrones es por lo menos 30 por ciento mayor que el área de sección transversal plana. El cátodo consiste de una rejilla de alambres que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si. Alternativa o adicionalmente, el cátodo es curvo en por lo menos un a dirección perpendicular a la dirección del movimiento. Un láser es operable para golpear electrones entre el cátodo y el ánodo justo antes de que lleguen al ánodo. De preferencia, el área superficial de emisión de electrones es por lo menos el doble del área de sección transversal plana. Más de preferencia, el área superficial de emisión de electrones es por lo menos el doble del área de sección transversal plana. Mientras más pequeño es el diámetro del alambre mayor es el área emisora. Esta es una relación exponencial .

Breve descripción de los dibujos La invención será descrita en detalle en la presente con referencia a las siguientes figuras, en las cuales los números de referencia semejantes denotan elementos semejantes, y en donde: La figura 1 es un diagrama esquemático de un convertidor eléctrico termiónico de la técnica previa; La figura 2 es un diagrama esquemático de un convertidor eléctrico termiónico excitado por láser de la técnica previa; La figura 3 es una vista lateral con partes en sección transversal y diagrama esquemático de un convertidor eléctrico termiónico de acuerdo con la presente invención; La figura 4 es una vista superior de una estructura de rejilla de alambre utilizada para un cátodo; La figura 5 es una vista lateral de una parte de la estructura de rejilla de alambre- La figura 6 es una vista lateral de una parte de una estructura de rejilla de alambre alternativa; La figura 7 es un diagrama esquemático lateral de múltiples capas en una estructura de rejilla de alambre; y La figura 8 es una vista lateral simplificada de una estructura de cátodo alternativa.

Descripción detallada de la modalidad preferida Las figuras 1 y 2 muestran convertidores eléctricos termiónicos de la técnica previa tal como se muestran y describen en las patentes norteamericanas Nos. 4,303,845, y 4,323,808, respectivamente, ambas expedidas a Edwin D. Davis, el inventor de la presente invención, las descripciones de las cuales son incorporadas por referencia en la presente en su totalidad. En tanto que la operación de ambos convertidores termiónicos es descrita en detalle en las patentes incorporadas se presenta un resumen de operación general en la presente con referencia a las figuras 1 y 2. Esto puede proporcionar antecedentes útiles en el entendimiento de la presente invención. La figura 1 muestra un convertidor eléctrico termiónico básico. La figura 2 muestra un convertidor termiónico excitado por láser. La operación de ambos convertidores es muy similar. Con referencia a las figuras se muestra un convertidor 10 eléctrico termiónico básico. El convertidor 10 tiene una caja o envolvente 12 externa formada cilindricamente, alargada, equipada con un par de paredes extremas 14 y 16, para formar mediante esto una cámara cerrada 18. La envolvente 12 es fabricada de cualquiera de una diversidad de materiales eléctricamente no conductores, fuertes, conocidos tales como por ejemplo, plásticos o cerámicas resistentes a las altas temperaturas, en tanto que las paredes extremas 14, 16 son placas metálicas a las cuales se pueden realizar conexiones eléctricas. Los elementos están unidos mecánicamente de manera conjunta y están sellados herméticamente de tal manera que la cámara 18 puede soportar un vacio y se puede aplicar un potencial eléctrico moderadamente alto y mantenerse a través de las paredes extremas 14 y 16. La primera pared extrema 14 contiene una región de cátodo formada que tiene un recubrimiento emisor de electrones (no mostrado) , dispuesto sobre su superficie interior, en tanto que la segunda pared extrema 16 es formada como una superficie ligeramente convexa circular, la cual es montada primero en un anillo aislante 21 para formar un montaje, todos los cuales se acoplan luego a la caja 12. En servicio, las paredes extremas 14 y 16 funcionan respectivamente como la terminal del cátodo y la placa recolectora del convertidor 10. Entre estas dos paredes, una corriente de electrones 22 fluirá substancialmente a lo largo del eje de simetría de la cámara cilindrica 18, para originarse en la región del cátodo 20 y terminar en la placa de recolección 16. Un elemento de enfoque anular 24 es posicionado concéntricamente dentro de la cámara 18 en un sitio adyacente al cátodo 20. Un elemento deflector 26 es posicionado concéntricamente dentro de la cámara 18 en un sitio adyacente a la placa recolectora 16. Dispuesto entre estos dos elementos se encuentra un montaje 28 de inducción que consiste de una bobina 30 de inducción helicoidal y un imán anular alargado 32. La bobina 30 y el imán 32 son dispuestos concéntricamente dentro y ocupan la región central de la cámara 18. Con referencia brevemente a la vista esquemática del extremo de la figura 2 se puede ver el posicionamiento radial relativo de los varios elementos y montajes. Por claridad de presentación, los elementos de retención mecánicos para estos elementos localizados interiormente no se han incluido en ninguna de las figuras. El elemento de enfoque 24 es conectado eléctricamente por medio de un conductor 34 y un conducto de alimentación sellado herméticamente 36 a una fuente externa de potencial estático (no mostrada) . La bobina de inducción 30 es conectada similarmente mediante un par de conductores 38 y 40 y un par de conductos de alimentación 42 y 44 a un elemento de carga externo mostrado simplemente como un resistor 46. Los potenciales aplicados a los varios elementos no son mostrados ni discutidos explícitamente en detalle ya que constituyen medios o elementos convencionales y bien conocidos para implementar dispositivos de corriente de electrones relacionados. Brevemente, al considerar (convencionalmente) la región del cátodo 20 como un nivel de voltaje de referencia se aplica una carga estática alta positiva a la placa recolectora 16 y el circuito externo que contiene esta fuente de voltaje es completado mediante conexión de su lado negativo al cátodo 20. Esta alta carga estática positiva aplicada provoca que la corriente de electrones 22 que se origina en la región del cátodo 20 sea acelerada hacia la placa recolectora 16 con una magnitud directamente dependiente de la magnitud de la alta carga estática aplicada. Los electrones chocan sobre la placa recolectora 16 a una velocidad suficiente para provocar una cierta cantidad de rebote. El elemento deflector 26 es configurado y posicionado para impedir que estos electrones de rebote lleguen a la sección principal del convertidor y conexiones eléctricas (no mostradas) son aplicadas al mismo como se requiera. Un voltaje negativo de un nivel bajo a moderado es aplicado al elemento de enfoque 24 para enfocar la corriente de electrones 22 en un haz estrecho. En operación, una fuente de calor 48 (que podria ser derivada de diversas fuentes, tales como combustión de combustibles fósiles, dispositivos solares, dispositivos atómicos, desperdicio atómico o intercambiadores de calor de operaciones atómicas existentes) se utiliza para calentar el recubrimiento emisor de electrones sobre el cátodo 20 para desprender mediante esto cantidades de electrones. Los electrones liberados son enfocados en un haz estrecho mediante el elemento 24 y son acelerados hacia la placa recolectora 16. En tanto que transitan por el montaje 28 de inducción, los electrones vienen bajo la influencia del campo magnético producido por el imán 32 y ejecutan un movimiento interactivo que provoca que una fuerza electromotriz (EMF) sea inducida en las vueltas o devanados de la bobina de inducción 30. Realmente, esta fuerza electromotriz inducida es la suma de un número mayor de electrones individuales que ejecutan circuitos de corriente circular pequeños para desarrollar mediante esto un número correspondientemente grande de pequeñas fuerzas electromotrices en cada devanado de la bobina 30. Tomado como un todo, el voltaje de salida del convertidor es proporcional a la velocidad de los electrones en tránsito y la corriente de salida es dependiente del tamaño y temperatura de la fuente de electrones. El mecanismo de la fuerza electromotriz inducida puede ser explicado en términos de las fuerzas de Lorentz que actúan sobre un electrón que tiene una velocidad lineal inicial a medida que entra a un campo magnético substancialmente uniforme dispuesto ortogonalmente a la velocidad del electrón. En un dispositivo configurado apropiadamente, se tiene como resultado, una trayectoria en espiral del electrón (no mostrada) que produce la velocidad de cambio neto deseada de flujo tal como se requiere por la ley de Faraday para producir una fuerza electromotriz (EMF) inducida. Esta trayectoria en espiral de electrón resulta de una combinación de la trayectoria traslacional lineal (longitudinal) debida a la acción de aceleración de la placa recolectora 16 y una trayectoria circular (transversal) debida a la interacción de la velocidad inicial del electrón y el campo magnético transversal del imán 32. Dependiendo de la magnitud relativa del alto voltaje aplicado a la placa recolectora 16 y la intensidad y orientación del campo magnético producido por el imán 32, otros mecanismos para producir un voltaje directamente en la bobina de inducción 30 pueden ser posibles. El mecanismo resumido anteriormente se sugiere como un ilustrativo y no se considera como el único modo de operación disponible. Sin embargo, todos los mecanismos resultarían de varias combinaciones de las consideraciones de Lorentz y Faraday aplicables. La diferencia básica entre el convertidor básico mostrado en la patente norteamericana No. 4,303,845 y el convertidor excitado por láser mostrado en la patente norteamericana No. 4,323,808, es que el convertidor excitado por láser recolecta electrones que se desprenden de la superficie del cátodo sobre una rejilla 176 que tiene un potencial negativo pequeño aplicado sobre la misma, mediante una fuente de potencial negativo 178 por medio del conductor 180 que atrapa el flujo de electrones y masa de electrones. El potencial eléctrico impuesto sobre la rejilla es retirado en tanto que la rejilla es expuesta simultáneamente a una descarga de impulso de láser del montaje de láser 170, 173, 174, 20 para provocar que bolas de electrones 22 sean liberadas. Luego, las bolas de electrones 22 son enfocadas eléctricamente y dirigidas a través del interior de las bobinas de inducción de núcleo de aire localizadas dentro de un campo magnético transversal, para generar mediante esto una fuerza electromotriz en la bobina de inducción que es aplicada a un circuito externo para llevar a cabo trabajo, como se resume anteriormente con respecto al convertidor termiónico básico. Como se resume por el presente inventor en la patente norteamericana No. 5,459,367, hay numerosas desventajas concurrentes asociadas usualmente con tener un elemento de recolección simplemente elaborado de una placa de metal conductor. Por consiguiente, el elemento de recolección de aquel diseño incluye una capa conductora de gel de sulfato de cobre impregnada con fibras de lana de cobre. La presente invención puede utilizar tal ánodo. Sin embargo, la presente invención también puede utilizar un ánodo de placa de metal conductor ya que otros aspectos de la presente invención minimizarían o evitarían algunas de las ventajas que tal ánodo de placa podria provocar de otra manera. Básicamente entonces, los detalles específicos del ánodo no son esenciales para el diseño preferido de la presente invención. Con referencia ahora a la figura 3, un convertidor 200 eléctrico termiónico de acuerdo con la presente invención incluye un elemento envolvente 202 en el cual un vacio seria mantenido mediante un aparato de vacio (no mostrado) de una manera conocida. El elemento envolvente 202 es de preferencia cilindrico alrededor de un eje central 202A que sirve como un eje de simetría del elemento 202 y los componentes en el mismo excepto en donde se indica de otra manera. El recolector 204 puede incluir una placa 206 circular de ánodo plana (elaborada de cobre por ejemplo) rodeada de un anillo cargado estáticamente 208 (cargado a 100 Coulombs por ejemplo) que tiene anillos aislantes 210 concéntricos con el mismo. El anillo 208 y los anillos 210 pueden ser construidos y operables como se discute en la patente 5,459,367. Un elemento de enfriamiento 212 es acoplado térmicamente a la placa 206 de tal manera que el refrigerante de la fuente 214 se hace circular a través del mismo mediante el circuito de enfriamiento 216. El elemento de enfriamiento 212 mantiene a la placa del ánodo a una temperatura deseada. El elemento de enfriamiento 212 puede ser alternativamente el mismo como la placa 206 del ánodo (en otras palabras, el refrigerante circularla a través de la placa 206) . Un arreglo de retroalimentación (no mostrado) que utiliza uno o más detectores (no mostrados) podria ser usado para estabilizar la temperatura del ánodo 206. El montaje 218 de cátodo de la presente invención incluye un cátodo 220 calentado mediante una fuente de calor, de tal manera que emite electrones que se mueven en general a lo largo de la dirección de movimiento 202A hacia el ánodo 206. (Como en la patente 5,459,367, el anillo cargado 208 ayuda a atraer a los electrones hacia el ánodo) .

Aunque la fuente de calor se muestre como una fuente de calor 222 de fluido de calentamiento (liquido o gas) que fluye al elemento de calentamiento 224 (que está acoplado térmicamente al cátodo 220) via el circuito de calentamiento 226 se podrían utilizar fuentes de energia alternativas tales como un láser aplicado al cátodo 224. La energia introducida a la fuente 222 podria ser solar, de láser, de microondas o de materiales radioactivos. Además, combustible nuclear usado que de otra manera simplemente seria almacenado a un costo mayor y sin beneficio podria ser utilizado para proporcionar el calor a la fuente 222. Los electrones energizados al nivel de Fermi en el cátodo 220 escapan de la superficie del mismo y atraídos por el anillo de carga estática 208 viajan a lo largo de la dirección de movimiento 202A a través de primeros y segundos anillos de enfoque o cilindros 228 y 230 que pueden ser construidos y operables de una manera similar al elemento de enfoque 24 del arreglo de la técnica previa discutido anteriormente. Con el fin de ayudar a que los electrones se muevan en la dirección apropiada, un blindaje 232 puede rodear el cátodo 224. El blindaje 232 puede ser cilindrico o cónico o como se muestra incluir una porción cilindrica más cercana al cátodo 224 y una porción cónica además del cátodo 224. En cualquier caso, el blindaje tiende a mantener el movimiento de electrones en la dirección 202A. Los electrones tenderán a ser repelidos del blindaje 232, puesto que el blindaje estará a una temperatura relativamente alta (de su proximidad al cátodo 220 de temperatura relativamente alta) . Alternativa o adicionalmente a ser repelidos por la alta temperatura del blindaje, el blindaje 232 podria tener una carga negativa aplicada al mismo. En el último caso, se podria utilizar aislamiento (no mostrado) entre el blindaje 232 y el cátodo 220. La energia eléctrica producida correspondiente al flujo de electrones del cátodo 220 al ánodo 206 es alimentada via el alambre 234 del cátodo y el alambre 236 del ánodo a un circuito externo 238. Volviendo de la operación global del convertidor 200 a los aspectos ventajosos específicos del mismo, los electrones tales como el electrón 240 tienden a tener un nivel de energia alto a medida que se acercan al ánodo 206. Por consiguiente, la tendencia normal seria que algunos rebotaran de la superficie y no fueran capturados en el mismo. Esto da como resultado normalmente una dispersión de electrones y disminuye la eficiencia de conversión de un convertidor. Con el fin de evitar o reducir extensamente esta tendencia, la presente invención utiliza un láser 242 que golpea los electrones (por ejemplo, los golpea con un haz 244 de láser) antes de que choquen con el ánodo 206. La interferencia cuántica entre los fotones 244 del haz de láser y los electrones 240 cae al estado de energia de los electrones, de tal manera que son capturados más fácilmente por la superficie del ánodo 206. Como se entenderá de la teoria fisica de onda- particula dual, los electrones que chocan por el haz de láser pueden exhibir propiedades de ondas y/o partículas.

(Por supuesto, el alcance de las reivindicaciones de la presente invención no están limitadas a alguna teoria particular de operación a no ser y excepto en donde una reivindicación haga referencia expresamente a tal teoria de operación, tal como interferencia cuántica.) Como se usa en la presente, el decir que el láser 242 golpea los electrones con el haz 244 "justo antes" de que los electrones lleguen al ánodo 206 significa que los electrones que habrían sido golpeados no pasan a través de cualquier otro componente (tales como un elemento de enfoque) ya que prosiguen al ánodo 206. Más específicamente, los electrones son de preferencia golpeados en una distancia de 2 mieras, antes de que lleguen al ánodo 206. Aún más de preferencia, los electrones son golpeados por el láser en una distancia de 1 miera antes de llegar al ánodo 206. Ciertamente, la distancia del segundo elemento de enfoque 230 al ánodo 206 puede ser de 1 miera y el láser puede golpear los electrones más cercanos al ánodo 206. De esta manera (esto es, golpear a los electrones justo antes de que lleguen al ánodo) la energia de los electrones es reducida a un punto en donde la energia reducida es más apropiada y útil. Aunque el elemento envolvente 202 puede ser opaco tal como un elemento de metal, una ventana 246 de láser es fabricada de material transparente de tal manera que el haz 244 de láser puede viajar desde el láser 242 a la cámara dentro del elemento 202. Alternativamente, el láser 242 podria ser dispuesto en la cámara. Además de mejorar la eficiencia de conversión al utilizar el láser 242 para reducir el nivel de energia de los electrones justo antes de que lleguen al ánodo 206, el cátodo 220 de la presente invención está diseñado específicamente para mejorar la eficiencia al incrementar el área de emisión de electrones del cátodo 220. Con referencia a la figura 4, el cátodo 220 es mostrado como una rejilla circular de alambres 248. Los alambres 250 de una primera capa o capa superior de alambres paralelos se extienden en la dirección 252, mientras que los alambres 254 de una segunda capa de alambres paralelos se extienden en la dirección 256, transversal a la dirección 252 y de preferencia perpendicular a la dirección 252. Una tercera capa de alambres paralelos (solamente un alambre 258 es mostrado por facilidad de ilustración) se extienden en la dirección 260 (a 45 grados de las direcciones 252 y 256. Una cuarta capa de alambres paralelos (solamente un alambre 262 es mostrado por facilidad de ilustración) se extienden en la dirección 264 (a 90 grados de la dirección 260) . También se debe notar que la figura 4 muestra los alambres con distancias de separación relativamente grandes entre ellos, pero esto es también por facilidad de ilustración. De preferencia, los alambres son alambres finamente extruidos y las distancias de separación entre los alambres paralelos en la misma capa serian similares al diámetro de los alambres. De preferencia, los alambres tienen diámetros de 2 mm o menor al tamaño de filamento fino. Los alambres pueden ser de tungsteno u otros metales utilizados en los cátodos. Con referencia a la figura 5, los alambres 250 y 254 pueden estar desplazados entre si con todos los alambres 250 (solamente uno mostrado en la figura 5) , dispuestos en un plano común desplazado de un plano común diferente en el cual todos los alambres 254 son dispuestos. Un arreglo alternativo mostrado en la figura 6 tiene alambres 250' (solamente uno visible) y 254' que son entrelazados de manera semejante a tela. Con referencia a la figura 7, un cátodo alternativo 220' puede tener tres porciones 266, 268 y 270. Cada una de las porciones 266, 268 y 270 pueden tener dos capas perpendiculares de alambres (no mostrado en la figura 7), tales como 250 y 254 (o 250' y 254 *) - La porción 266 tendría alambres que avanzan al plano de visualización de la figura 7 y alambres paralelos al plano de la figura 7. La porción 268 tiene dos capas de alambres, cada una tiene alambres que se extienden en una dirección a 30 grados de una de las direcciones de los alambres para la porción 266. La porción 270 tiene dos capas de alambres, cada capa tiene alambres que se extienden en una dirección a 60 grados de una de las direcciones de los alambres para la porción 266. Se apreciará que la figura 7 es ilustrativa del punto de que se podrían utilizar múltiples capas de alambres que se extienden en direcciones diferentes. Las varias estructuras de rejillas de alambres para el cátodo incrementan el área superficial de emisión de electrones efectiva por medio de la forma de los alambres y sus múltiples capas. Una manera alternativa para incrementar el área superficial se ilustra en la figura 8. La figura 8 muestra una vista en sección transversal lateral de un cátodo parabólico 280 operable para emitir electrones para su movimiento en general a lo largo de la dirección de movimiento 220A' . El cátodo 280 tiene un área de sección transversal plana A normal a la dirección de movimiento 202A. Significativamente, el cátodo 280 tiene un área superficial de emisión de electrones EA (de la curvatura del cátodo) para la emisión de electrones hacia el ánodo que es por lo menos 30 por ciento mayor que el área de sección transversal plana A. Asi, se genera una mayor densidad de electrones para un cátodo de un tamaño dado. Aunque el cátodo 280 es mostrado como una parábola, se pueden usar otras superficies curvas. El cátodo 280 puede ser elaborado de un elemento sólido o puede también incorporar múltiples estructuras de rejillas de alambres en capas descritas por las figuras 4-7, excepto que cada capa seria curva y no plana. Aunque el arreglo de cátodo curvo de la figura 8 proporciona un área superficial de emisión de electrones EA que es por lo menos 30 por ciento mayor que el área de sección transversal lateral A, los varios arreglos de rejilla de alambres tales como el de la figura 4 proporcionan un área superficial de emisión de electrones que es por lo menos el doble del área de sección transversal lateral (esto es, definida como se muestra para la figura 8) . Ciertamente, el área superficial de emisión de electrones en los arreglos de rejilla seria por lo menos diez veces el área de sección transversal lateral. Ventajosamente, la presente invención permite que el cátodo 220 y el ánodo 206 estén desplazados entre si por una distancia de 4 mieras a 5 cm. Más específicamente, aquella distancia de desplazamiento o separación seria de 1 a 3 cm. Asi, el cátodo y el ánodo están alejados lo suficientemente que es menos probable que el calor del cátodo sea transportado al ánodo que en los arreglos en donde el cátodo y el ánodo deben estar en proximidad estrecha. Por consiguiente, la fuente de enfriamiento 214 puede ser un arreglo de baja demanda de enfriamiento puesto que se requiere menos enfriamiento que en muchos diseños de la técnica previa. En tanto que la invención se ha descrito en conjunción con modalidades especificas de la misma, es evidente que muchas alternativas, modificaciones y variaciones serán evidentes para aquellos experimentados en la técnica. Asi, las modalidades preferidas de la invención como se resumen en la presente se proponen ser ilustrativas y no limitantes. Varios cambios se pueden hacer sin desviarse del espíritu y alcance de la invención tal como se define en la presente y en las reivindicaciones siguientes. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims (20)

1. Reivindicaciones Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un convertidor eléctrico termiónico caracterizado porque comprende: un elemento de envolvente o de envoltura; un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones; y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo; y en donde el cátodo es una rejilla de alambre que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si.
2. 2. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque comprende además un primer anillo de enfoque cargado en el elemento envolvente entre el cátodo y el ánodo y operable para dirigir electrones emitidos por el cátodo a través del primer anillo de enfoque en su camino al ánodo.
3. 3. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además un segundo anillo de enfoque cargado en el elemento envolvente entre el primer anillo de enfoque y el ánodo y operable para dirigir electrones emitidos por el cátodo a través del segundo anillo de enfoque en su camino al ánodo.
4. 4. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el cátodo está separado del ánodo por una distancia de 4 mieras a 5 centímetros.
5. 5. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el cátodo está separado del ánodo por una distancia de uno a tres centímetros.
6. 6. Un convertidor eléctrico termiónico, caracterizado porque comprende: un elemento de envolvente o de envoltura; un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones; y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo; y en donde el cátodo consiste de una rejilla de alambres que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si; y que comprende además un láser operable para golpear electrones entre el cátodo y el ánodo.
7. 7. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el láser es operable para golpear electrones justo antes de que lleguen al ánodo.
8. 8. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el láser es operable para proporcionar interferencia cuántica con los electrones de tal manera que los electrones son capturados más fácilmente por el ánodo.
9. 9. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la rejilla de alambres del cátodo incluye por lo menos cuatro capas de alambres .
10. 10. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque cada una de las capas de alambres tiene alambres que se extienden en una dirección diferente entre si de las capas de alambres, la rejilla de alambres del cátodo incluye asi alambres que se extienden en por lo menos cuatro direcciones diferentes .
11. 11. Un convertidor eléctrico termiónico, caracterizado porque comprende: un elemento envolvente; un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones; y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo; y un láser operable para golpear electrones entre el cátodo y el ánodo para proporcionar asi una interferencia cuántica con los electrones, de tal manera que los electrones son capturados más fácilmente por el ánodo.
12. 12. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el láser es operable para golpear electrones justo antes de que lleguen al ánodo.
13. 13. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el láser es operable para golpear electrones en una distancia de 2 mieras antes de que lleguen al ánodo.
14. 14. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el cátodo consiste de una rejilla de alambres que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si.
15. 15. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque comprende una distancia de separación entre el cátodo y el ánodo de 4 mieras a cinco centímetros.
16. 16. Un convertidor eléctrico termiónico, caracterizado porque comprende: un elemento de envolvente o de envoltura; un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones; y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo y que avanzan en general a lo largo de una dirección de movimiento que define la dirección del cátodo al ánodo; y en donde el cátodo tiene un área de sección transversal plana normal a la dirección de movimiento, el cátodo tiene una área superficial de emisión de electrones para la emisión de electrones hacia el ánodo y en donde el área superficial de emisión de electrones es por lo menos 30 por ciento mayor que el área de sección transversal plana.
17. 17. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el cátodo consiste de una rejilla de alambres que tiene alambres que avanzan en por lo menos dos direcciones que son transversales entre si.
18. 18. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el cátodo es curvo en por lo menos una dirección perpendicular a la dirección de movimiento.
19. 19. Un convertidor eléctrico termiónico caracterizado porque comprende: un elemento de envolvente o de envoltura; un cátodo dentro del elemento envolvente operable cuando es calentado para servir como fuente de electrones; y un ánodo dentro del elemento envolvente operable para recibir electrones emitidos del cátodo y que avanzan en general a lo largo de la dirección del movimiento que define la dirección del cátodo al ánodo; y en donde el cátodo tiene un área de sección transversal plana normal a la dirección de movimiento, el cátodo tiene un área superficial de emisión de electrones para la emisión de electrones hacia el ánodo y en donde el área superficial de emisión de electrones es por lo menos 30 por ciento mayor que el área de sección transversal plana; y que comprende además una operación de láser para golpear electrones entre el cátodo y el ánodo justo antes de que lleguen al ánodo y en donde el área superficial de emisión de electrones es por lo menos el doble del área de sección transversal plana.
20. 20. El convertidor eléctrico termiónico de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el área superficial de emisión de electrones es por lo menos diez veces el área de sección transversal plana.