特表 2024-512416 原子炉のための構造化プラズマセルエネルギーコンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-19

(54)【発明の名称】原子炉のための構造化プラズマセルエネルギーコンバータ

(51)【国際特許分類】

   G21D 7/04 20060101AFI20240312BHJP

【ＦＩ】

G21D7/04

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023555546

(86)(22)【出願日】2022-02-11

(85)【翻訳文提出日】2023-11-05

(86)【国際出願番号】 US2022016057

(87)【国際公開番号】W WO2022197391

(87)【国際公開日】2022-09-22

(31)【優先権主張番号】17/202,952

(32)【優先日】2021-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523050988

【氏名又は名称】ロウ，オースティン

(74)【代理人】

【識別番号】100147511

【弁理士】

【氏名又は名称】北来 亘

(72)【発明者】

【氏名】ロウ，オースティン

(57)【要約】

構造化プラズマセルが、第１の複数のマイクロキャビティを含む第１の電極と、第１の複数のマイクロキャビティの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマと、を含んでいる。構造化プラズマセルは、更に、第２の複数のマイクロキャビティを含む第２の電極と、第２の複数のマイクロキャビティの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第２のプラズマと、を含んでいる。構造化プラズマセルは、更に、第１の電極と第２の電極の間に配置された電極間ギャップを含んでいる。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造化プラズマセルにおいて、
第１の複数のマイクロキャビティを含む第１の電極と、
前記第１の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマと、
第２の複数のマイクロキャビティを含む第２の電極と、
前記第２の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第２のプラズマと、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された電極間ギャップと、
を備える構造化プラズマセル。

【請求項2】

請求項１に記載の構造化プラズマセルであって、
前記電極間ギャップ内に配置されたバルクプラズマ、を更に備える構造化プラズマセル。

【請求項3】

請求項１に記載の構造化プラズマセルであって、
前記電極間ギャップ内に配置された絶縁体、を更に備える構造化プラズマセル。

【請求項4】

請求項３に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記絶縁体は、前記第１の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上を前記第２の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上と電気的に接続するように構成された導電性経路を含んでいる、構造化プラズマセル。

【請求項5】

請求項４に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記絶縁体の前記導電性経路内にプラズマが配置されている、構造化プラズマセル。

【請求項6】

請求項１に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記第１の電極の前記第１の複数のマイクロキャビティは、前記第１の電極の表面及び本体に配置されている、構造化プラズマセル。

【請求項7】

請求項６に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記第１の電極の前記表面に配置された前記第１の複数のマイクロキャビティは前記電極間ギャップへ直接暴露されている、構造化プラズマセル。

【請求項8】

請求項１に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記第１の複数のマイクロキャビティの量は前記第２の複数のマイクロキャビティの量より少ない、構造化プラズマセル。

【請求項9】

請求項１に記載の構造化プラズマセルにおいて、
前記第１の電極は、前記第１の複数のマイクロキャビティのうちの第１のマイクロキャビティを前記第１の複数のマイクロキャビティのうちの第２のマイクロキャビティと電気的に接続するように構成された第１の複数のチャネルを備えている、構造化プラズマセル。

【請求項10】

請求項１に記載の構造化プラズマセルであって、
前記電極間ギャップの中へ電子を放出する前記第１の電極を加熱するように構成された熱源、を更に備える構造化プラズマセル。

【請求項11】

電気を発生させるように構造化プラズマセルを動作させる方法であって、前記構造化プラズマセルは、第１の表面を含む第１の電極及び第１のプラズマであって、前記第１の表面が第１のマイクロキャビティを画定し、前記第１のプラズマが前記第１のマイクロキャビティ内に配置されている、第１の電極及び第１のプラズマと、第２の表面を含む第２の電極及び第２のプラズマであって、前記第２の表面が第２のマイクロキャビティを画定し、前記第２のプラズマが前記第２のマイクロキャビティ内に配置されている、第２の電極及び第２のプラズマと、を備え、前記方法は、
電磁（ＥＭ）源によって、ＥＭ場を生成する工程と、
前記ＥＭ場を前記第２の表面に平行な方向に伝播させる工程と、
前記ＥＭ場によって、前記第２のプラズマ内に配置された電子の温度を上昇させる工程と、を備える、方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法において、
前記第１の表面は導電性材料を含んでいる、方法。

【請求項13】

請求項１１に記載の方法であって、
前記ＥＭ場を前記第２のプラズマの中へ吸収する工程、を更に備える方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の方法であって、
核反応からの荷電粒子を使用して前記第１のプラズマをイオン化する工程と、
前記第１の電極の前記第１の表面から前記第１のマイクロキャビティ内に配置された前記第１のプラズマの中へ電子を放出する工程と、
前記放出された電子を前記第１のマイクロキャビティから電極間ギャップを通って前記第２のマイクロキャビティへ伝導させる工程と、
前記放出された電子を前記第２の電極の前記第２の表面に捕集する工程と、を更に備える方法。

【請求項15】

請求項１１に記載の方法であって、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された電極間ギャップに絶縁体を設ける工程、を更に備える方法。

【請求項16】

請求項１１に記載の方法において、
前記ＥＭ場は、
高周波、又は、
マイクロ波、の一方を備えている、方法。

【請求項17】

請求項１１に記載の方法において、
前記第１の電極は誘電性材料を含んでいる、方法。

【請求項18】

請求項１１に記載の方法において、
前記第１の電極は、前記第１のプラズマから隠蔽された第１の本体を含んでいる、方法。

【請求項19】

請求項１１に記載の方法において、
前記第２のプラズマ中の前記電子の上昇した前記温度は、前記構造化プラズマセルによって発生する電気の量を増加させる、方法。

【請求項20】

請求項１１に記載の方法において、
前記第１の電極は複数の第１のマイクロキャビティを含み、前記第２の電極は複数の第２のマイクロキャビティを含んでいる、方法

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年３月１６日出願の米国特許出願第１７／２０２，９５２号のＰＣＴ国際出願であり、前記米国特許出願の開示全体を参照により本明細書に援用する。

【0002】

本開示は、概括的には、原子炉のための構造化プラズマセルエネルギーコンバータに関する。

【背景技術】

【0003】

この項目は、本開示に関連する背景情報を提供しており、必ずしも先行技術ではない。

【0004】

熱電子エネルギー変換（ＴＥＣ：Thermionic Energy Conversion）システムは、熱電子放出から電気を生成することによって直接的な熱電気エネルギー変換を提供する。ＴＥＣシスムは、動的な熱電気エネルギー変換方法を排除するので、従来のパワープラントに勝る恩恵をもたらす。具体的には、ＴＥＣシステムは、電気エネルギーを発生させるために電子放出材料から電子を放出させるのに熱を使用する。幾つかの事例では、電子放出材料へ印加される熱の量はＴＥＣシステムが生成する電気エネルギーの量に正比例する。また一方で、ＴＥＣシステムでの電気エネルギーを生成するのに必要とされる熱の量は潜在的制限要因である。システムへ印加される熱の量とは独立に電気エネルギー出力の量を増加させることが、電気エネルギー発生のためのＴＥＣシステムのより広範な適用を可能にするだろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許出願第１７／２０２，９５２号

【発明の概要】

【0006】

この項目は、開示の全体的な要約を提供しており、その全範囲の又はその特徴すべての包括的な開示ではない。

【0007】

本開示の１つの態様は、原子炉のための構造化プラズマセルエネルギーコンバータを提供している。構造化プラズマセルは、第１の複数のマイクロキャビティを含む第１の電極と、第１の複数のマイクロキャビティの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマと、を含んでいる。構造化プラズマセルは、更に、第２の複数のマイクロキャビティを含む第２の電極と、第２の複数のマイクロキャビティの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第２のプラズマと、を含んでいる。構造化プラズマセルは、更に、第１の電極と第２の電極の間に配置された電極間ギャップを含んでいる。

【0008】

開示のこの態様の諸実施形は、以下の随意的な特徴のうちの１つ又はそれ以上を含み得る。幾つかの実施例では、構造化プラズマセルは、電極間ギャップ内に配置されたバルクプラズマを更に含んでいる。他の実施例では、構造化プラズマセルは、電極間ギャップ内に配置された絶縁体を更に含んでいる。本明細書では、絶縁体は、第１の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上を第２の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上と電気的に接続するように構成された導電性経路を含むものとすることができる。随意的には、絶縁体の導電性経路内にプラズマが配置されていてもよい。

【0009】

幾つかの実施形では、第１の電極の第１の複数のマイクロキャビティは、第１の電極の表面及び本体に配置されている。これらの実施形では、第１の電極の表面に配置された第１の複数のマイクロキャビティは、電極間ギャップへ直接暴露されている。第１の複数のマイクロキャビティの量は、第２の複数のマイクロキャビティの量より少なくてもよい。幾つかの実施例では、第１の電極は、第１の複数のマイクロキャビティの第１のマイクロキャビティを第２の複数のマイクロキャビティの第２のマイクロキャビティと電気的に接続するように構成された複数のチャネルを含んでいる。第１のプラズマは、第１のプラズマを取り囲むシースを含んでいてもよい。

【0010】

開示の別の態様は、電気を発生させるように構造化プラズマセルを動作させる方法を提供している。構造化プラズマセルは、第１の表面を含む第１の電極と、第１のプラズマと、を含み、第１の表面は第１のマイクロキャビティを画定し、第１のプラズマは第１のマイクロキャビティ内に配置されている。構造化プラズマセルは、更に、第２の表面を含む第２の電極と、第２のプラズマと、を含み、第２の表面は第２のマイクロキャビティを画定し、第２のプラズマは第２のマイクロキャビティ内に配置されている。方法は、電磁（ＥＭ）源によって、ＥＭ場を生成する工程と、ＥＭ場を第２の表面に平行な方向に伝播させる工程と、を含む。方法は、更に、ＥＭ場によって、第２のプラズマ内に配置された電子の温度を上昇させる工程を含む。

【0011】

この態様は、以下の随意的な特徴のうちの１つ又はそれ以上を含み得る。幾つかの実施形では、第１の表面は導電性材料を含んでいる。幾つかの実施例では、方法は、ＥＭ場を第２のプラズマの中へ吸収する工程を更に含む。これらの実施例では、方法は、更に、核反応からの荷電粒子を使用して第１のプラズマをイオン化する工程と、第１の電極の第１の表面から第１の複数のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマの中へ電子を放出する工程と、放出された電子を第１の複数のマイクロキャビティから電極間ギャップを通って第２の複数のマイクロキャビティへ伝導させる工程と、放出された電子を第２の電極の第２の表面に捕集する工程と、を含む。

【0012】

方法は、第１の電極と第２の電極の間に配置された電極間ギャップに絶縁体を設ける工程を更に含んでもよい。随意的には、ＥＭ場は、高周波又はマイクロ波の一方を含んでいてもよい。幾つかの実施例では、第１の電極は誘電性材料を含んでいる。幾つかの実施形では、第１の電極は、第１のプラズマから隠蔽された第１の本体を含んでいる。第２のプラズマ中の電子の上昇した温度は、構造化プラズマセルによって発生する電気の量を増加させ得る。幾つかの実施例では、第１の複数のマイクロキャビティは、第２の複数のマイクロキャビティより少ない。

【0013】

本明細書に提供されている記述から適用可能性の更なる領域が明らかになるであろう。この要約中の記述及び特定の実施例は、例示のみを目的とし、本開示の範囲を限定することを意図していない。

【0014】

本明細書に記載されている図面は、選択された構成を例示することのみを目的とし、全ての考えられ得る実施形を例示することを目的とせず、本開示の範囲を限定することを意図していない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】本開示の原理による、原子炉のための或る例示としての構造化プラズマセルエネルギーコンバータの機能ブロック図である。

【図1B】本開示の原理による、図１Ａの構造化プラズマセルエネルギーコンバータからの電極の分解図である。

【図2】本開示の原理による、絶縁体を備えた或る例示としての構造化プラズマセルエネルギーコンバータの機能ブロック図である。

【図3A】本開示の原理による、或る例示としての構造化プラズマセルエネルギーコンバータ配置の概略上面図である。

【図3B】本開示の原理による、電磁場イオン化を使用して動作する図３Ａの構造化プラズマセルエネルギーコンバータの概略側面図である。

【図4】本開示の原理による、図３Ｂの構造化プラズマセルエネルギーコンバータを用いて電気を生成する方法のフロー線図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図面全体を通して、対応する参照符号は対応する部分を指す。

【0017】

これより添付図面を参照しながら構成例をより十分に説明してゆく。構成例は、この開示が徹底され開示の範囲を当業者に十分に伝えることができるように提供されている。本開示の諸構成の十分な理解をもたらすために、特定の構成要素、デバイス、及び方法の実施例の様な特定の詳細事項が示されている。当業者には自明である様に、特定の詳細事項は採用される必要があるとは限らず、当該構成例は多くの異なる形態に具現化される余地があり、特定の詳細事項及び構成例は開示の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

【0018】

熱電子エネルギー変換（ＴＥＣ）は、熱電子放出から電気を生成する直接的な熱電気エネルギー変換プロセスである。具体的には、ＴＥＣシステムは、第１の電極（即ち、エミッタ又はカソード）から電子を放出し、それらを第２の電極（即ち、コレクタ又はアノード）に捕集することによって電気を発生させる。エミッタとコレクタの間に配置された空間又はギャップは、電極間ギャップと呼ばれる。電子がエミッタから放出されると、電子は電極間ギャップ中に集まり、空間電荷効果を生じさせる。空間電荷効果とは、電極の表面近くの電子から負電荷を捕集することである。即ち、電子が電極間ギャップ中に及び／又は電極表面近くに集まってゆくと、電子の負電荷が電子の更なる放出を跳ね返すのである。空間電荷効果は、エミッタから放出される追加の電子を跳ね返し、こうして追加の電子がエミッタからコレクタへ進むのを妨げる。

【0019】

ＴＥＣシステムの現在の諸実施形では、空間電荷効果を軽減するのに電極間ギャップ中に導電性媒体を利用している。一部の実施例では、ＴＥＣデバイスは、電極間ギャップ中に導電性ガス（即ち、バルクプラズマ）を含んでいる。電極間ギャップ中のバルクプラズマは、電子を、電極間ギャップを横切って伝導させることによって空間電荷効果を軽減する。即ち、バルクプラズマ（例えば、セシウム）は、エミッタから放出される電子を、導電性バルクプラズマを通ってコレクタへ伝導させる導電性ガスである。バルクプラズマは、電子が電極間ギャップ中に集まって空間電荷効果を生じさせないように、電子がエミッタから電極間ギャップを通ってコレクタへ進むのを促す。即ち、電極間ギャップ中に導電性媒体（例えば、バルクプラズマ）がなければ、電子は電極間ギャップを横切って伝導することができず、代わりにエミッタの表面又はその近くに集ってしまう。ゆえに、バルクプラズマは、電子を、電極間ギャップを通って伝導させることによって、空間電荷効果を軽減する。

【0020】

しかしながら、幾つかの実施形では、電極間ギャップ中のバルクプラズマは、自然なイオン化前状態では、電子を伝導させない可能性がある。プラズマがイオン化されたら、プラズマはエミッタからコレクタへ電子を伝導させることができる。一部の実施例では、バルクプラズマは、エミッタと接触することによってイオン化され、エミッタは電子をプラズマを横切って伝達させられるようになる。プラズマはエミッタから放出された電子によってイオン化され、したがって、放出された電子はプラズマをイオン化し尚且つ電極間ギャップを横断することができる。

【0021】

他の実施例では、プラズマは、荷電粒子がプラズマの中性原子に当たって中性原子を追加の電子とイオンへイオン化する拡散支配プラズマ（diffusion-dominated plasma）であり、このイオン化は荷電粒子イオン化と呼ばれることもある。本明細書では、荷電粒子は、核分裂片、アルファ崩壊粒子、及び／又はベータ崩壊粒子を含み得る。具体的には、ＴＥＣシステムは、正味中性子発生材料によって吸収される中性子を発生させる中性子源を含んでいてもよい。正味中性子発生材料は、核分裂性（例えば、Ｕ－２３５）即ち、中性子吸収後に核分裂反応を起こせるか又は燃料親（例えば、Ｕ－２３８）即ち、中性子吸収後に核分裂反応を起こせないかのどちらかであり得る。正味中性子発生材料は、中性子吸収後に不安定になり、核分裂片へと割れる。一部の実施形では、核分裂片はベータ崩壊を来し、その結果、核分裂片は、本明細書で「ベータ崩壊粒子」と呼ばれる追加の電子を放出することによってその中性子の１つを陽子に変換する。核反応（例えば、核分裂及び／又はベータ崩壊）によって生成される核分裂片及び／又はベータ崩壊粒子（総称して荷電粒子と呼ぶ）は、ＴＥＣシステムのプラズマをイオン化することができる。こうして、荷電粒子（例えば、核分裂片及び／又はベータ崩壊粒子）はプラズマをイオン化し、エミッタから放出された電子は電極間ギャップを横断してコレクタに至り、電気を発生させる。

【0022】

エミッタからコレクタへ放出される電子の量は、ＴＥＣシステムの電流密度を表す。即ち、ＴＥＣシステムの電流密度が高いほど、ＴＥＣシステムが生成する電気の量が多い。ＴＥＣシステムの電流密度出力は、電極（例えば、エミッタ及びコレクタ）とプラズマの間の表面積比に依存する。具体的には、エミッタとプラズマの間の増加された表面積が、エミッタからプラズマの中へ放出される電子の量を増加させる。コレクタとプラズマの間の増加された表面積が、電流を発生させるためにコレクタに集まる電子の量を増加させる。

【0023】

本明細書の諸実施形は、原子炉のための構造化プラズマセルエネルギーコンバータに向けられている。構造化プラズマセルは、複数のマイクロキャビティを含む電極（例えば、エミッタ及びコレクタ）を含んでいる。マイクロキャビティは、電極の表面積を増加させるように構成されている。ゆえに、マイクロキャビティは、電極の表面積を増加させることによって、プラズマと電極の間の表面積比を増加させる。幾つかの実施例では、プラズマと電極の間の増加された表面積比は、ＴＥＣシステムによって発生する電気の量を増加させる。他の実施例では、プラズマと電極の間の増加された表面積比は、ＴＥＣシステムの電流出力を同じに保ったままＴＥＣシステムがより低い温度で動作するのを可能にする。

【0024】

これより図１Ａを参照して、幾つかの実施例では、構造化プラズマエネルギーセルシステム１００（入れ替え可能にＴＥＣシステム１００と呼ばれる）が、電極１１０、電極間ギャップ１２０、熱源１０６、及び負荷１０８を含んでいる。電極１１０は、エミッタ１１０ａとコレクタ１１０ｂを含んでいてもよい。エミッタ１１０ａは、電子１０２を、電極間ギャップ１２０を通ってコレクタ１１０ｂへ放出するように構成されている。即ち、エミッタ１１０ａが熱源１０６によって加熱されると、電子１０２がエミッタ１１０ａから電極間ギャップ１２０の中へ吹きこぼれる。エミッタ１１０ａを加熱するのに使用される熱源１０６は任意の外部熱源１０６であってもよい。幾つかの実施例では、熱源１０６は、核反応（例えば、核分裂及び／又は核融合）から熱を生成する。コレクタ１３０は、エミッタ１１０ａから電極間ギャップ１２０を横断してきた電子１０２を捕集するように構成されている。コレクタ１１０ｂによって捕集された電子１０２は、負荷１０８を駆動する電流を生じさせる。電極間ギャップ１２０を横断し、負荷１０８を駆動する電子１０２の量は、構造化プラズマエネルギーセルシステム１００によって発生する電気の量を表す。

【0025】

幾つかの実施形では、電極間ギャップ１２０は、本明細書ではプラズマ１２２と呼ばれるバルクプラズマ１２２を含んでいる。電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２は、空間電荷を軽減するように構成されている。具体的には、プラズマ１２２は、エミッタ１１０ａから電極間ギャップ１２０を通ってコレクタ１１０ｂへ放出される電子１０２を伝導させる導電性ガス（即ち、セシウム）を含んでいてもよい。プラズマ１２２は、電極間ギャップ１２０を横切って電子１０２を伝導させることによって、エミッタ１１０ａに及び／又はエミッタ１１０ａ近くに集まる電子１０２の量を減らし、それによって空間電荷効果を低減する。プラズマ１２２は、更に、プラズマ１２２の導電性材料を取り囲むシース（図示せず）を含んでいてもよい。シースは、シース中に電子密度より大きい正帯電イオン密度を含み得る。シース中のより大きい正帯電イオン密度は、電子の重量がイオンの重量より小さいことが理由で起こる。電子のより低い重量は、電子をイオンよりも動き易くするので、電子は、イオンがＴＥＣシステム１００を脱出する速度より高い速度でＴＥＣシステム１００を脱出する（例えば、電流出力を発生させる）。

【0026】

電極１１０は、電極表面１１２と電極本体１１４を含んでいてもよい。具体的には、エミッタ１１０ａはエミッタ表面１１２ａとエミッタ本体１１４ａを含んでいる。エミッタ表面１１２ａはプラズマ１２２へ直接暴露されており、その結果、電子１０２はエミッタ表面１１２ａからプラズマ１２２の中へ放出される。幾つかの実施例では、エミッタ表面１１２ａは、電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ直接暴露されている。他の実施例では、エミッタ表面１１２ａは、電極間ギャップ１２０の外に配置されたプラズマ１２２へ直接暴露されている。エミッタ本体１１４ａはエミッタ表面１１２ａによって取り囲まれており、したがって、エミッタ本体１１４ａは電極間ギャップ１２０の内又は外に配置されたプラズマ１２２の直接暴露から隠蔽されている。

【0027】

コレクタ１１０ｂは、コレクタ表面１１２ｂとコレクタ本体１１４ｂを含んでいてもよい。コレクタ表面１１２ｂは、電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ直接暴露されており、その結果、電子１０２は電極間ギャップ１２０を通ってプラズマ１２２を横断し、コレクタ表面１１２ｂに集まる。幾つかの実施例では、コレクタ表面１１２ｂは、電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ直接暴露されている。他の実施例では、コレクタ表面１１２ｂは、電極間ギャップ１２０の外に配置されたプラズマ１２２へ直接暴露されている。コレクタ本体１１４ｂはコレクタ表面１１２ｂによって取り囲まれており、したがって、コレクタ本体１１４ｂは電極間ギャップ１２０の内又は外に配置されたプラズマ１２２への直接暴露から隠蔽されている。

【0028】

ＴＥＣシステム１００の出力パワー又は電気は、次式、即ち、
Ｐ_ｏｕｔ＝ＩＶ_ｏｕｔ （１）
によって表すことができる。方程式（１）では、Ｐ_ｏｕｔはＴＥＣシステム１００によって発生する出力パワー又は電気を表し、ＩはＴＥＣシステム１００の電流を表し、Ｖ_ｏｕｔはＴＥＣシステム１００の出力電圧を表す。ＴＥＣシステム１００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、次式、即ち、
Ｖ_ｏｕｔ＝（φ_Ｅ－φ_Ｃ）＋Ｖ_{ｐ，ｂｉａｓ} （２）
によって表すことができる。方程式（２）では、Ｖ_ｏｕｔはＴＥＣシステム１００の出力電圧を表し、φ_Ｅはエミッタ１１０ａの仕事関数を表し、φ_Ｃはコレクタ１１０ｂの仕事関数を表し、Ｖ_{ｐ，ｂｉａｓ}は電極間ギャップ１２０内のプラズマ１２２へ印加されるバイアス電圧を表す。Ｖ_{ｐ，ｂｉａｓ}は、次式、即ち、

【数1】

によって表すことができる。方程式（３）では、Ａはエミッタ１１０ａの表面積に対するコレクタ１１０ｂの表面積の比を表し、Ｒは熱電子電流に対するプラズマ電子電流の比を表し、μはイオン電流に対するプラズマ電子電流の比を表し、Ｔ_Ｅはエミッタ１１０ａの温度を表し、Ｔ_ｅは電子の温度を表し、Ｉ_ｔｈは熱電子放出電流を表し、Ｖ_Ｅはエミッタ１１０ａでの電圧電位を表し、Ｖ_ｐはプラズマ１２２の電圧電位を表す。したがって、方程式３は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、熱電子放出電流Ｉ_ｔｈとエミッタ１１０ａ及びコレクタ１１０ｂの表面積Ａに関する電流Ｉの関数として表している。ＴＥＣシステム１００の電流Ｉと熱電子放出電流Ｉ_ｔｈは、次式、即ち、

【数2】

【数3】

によってそれぞれ表すことができる。

【0029】

方程式（４）及び（５）では、Ａ_Ｅはエミッタ１１０ａの表面積を表し、φ_Ｅはエミッタ１１０ａの仕事関数を表し、Ｔ_Ｅはエミッタ１１０ａの温度を表し、ｅは単位クーロンによる電子１０２の電荷を表し、ｍ_ｅは単位キログラムによる電子１０２の質量を表し、ｋは単位ジュール／ケルビンによるボルツマン定数を表し、ｈは単位ジュール秒によるプランク定数を表し、Ｉ_ｅ，Ｅはエミッタ１１０ａでの電子電流を表す。

【0030】

幾つかの実施形では、電極１１０の表面積を増加させることがＴＥＣシステム１００の出力パワーＰ_ｏｕｔを増加させる。具体的には、以上の方程式（１）、（４）、及び（５）によって示されている様に、エミッタ１１０ａの表面積Ａ_Ｅを増加させることが、熱電子放出電流Ｉ_ｔｈも増加させ、それによってＴＥＣシステム１００のパワー出力が増加する。エミッタ１１０ａの表面積Ａ_Ｅを増加させることは、更に、熱電子放出電流Ｉ_ｔｈを同じに保ったままエミッタＴ_Ｅの温度が降下するのを許容し得る。即ち、エミッタ１１０ａの増加された表面積Ａ_Ｅは、出力パワーＰ_ｏｕｔを同じに保ったままＴＥＣシステム１００がより低い温度Ｔ_Ｅで動作することを可能にする。ＴＥＣシステム１００をより低い温度Ｔ_Ｅで動作させることは、ＴＥＣシステム１００の推定耐用年数を増加させる。

【0031】

幾つかの実施形では、電極１１０の表面積は電極１１０の大きさを増加させることによって増加されており、これはＴＥＣシステム１００の体積Ｖを増加させることになる。しかしながら、ＴＥＣシステム１００は体積Ｖの制約を含んでいることもあり、これが表面積Ａ_Ｅを増加させるために電極１１０の大きさを増加させることを阻む。他の実施形では、表面積Ａ_Ｅは、電極１１０に複数のマイクロキャビティ１１６を設けることによって増加される。具体的には、エミッタ１１０ａは第１の複数のマイクロキャビティ１１６ａを含み、コレクタ１１０ｂは第２の複数のマイクロキャビティ１１６ｂを含んでいてもよい。マイクロキャビティ１１６は、電極表面１１２及び／又は電極本体１１４に含まれるボイド、ディンプル、ポア、マイクロ構造、又は他の適切な構築部であるとしてもよい。マイクロキャビティ１１６は、特定のＴＥＣシステム１００の用途に応じた任意の適切な幾何学的形状、大きさ、量、及び／又は構成、又はそれらの組合せを含んでいてもよい。例えば、電極１１０は、電極１１０の体積１ｍｍ^３当たり１０ｍｍ^２の表面積を有する球状マイクロキャビティ１１６を含んでいてもよい。幾つかの実施例では、第１の複数のマイクロキャビティ１１６ａの量は、コレクタ１１０ｂの第２の複数のマイクロキャビティ１１６ｂの量より少ない。マイクロキャビティ１１６は、ＴＥＣシステム１００の体積Ｖを同じに保ったまま電極１１０の表面１１２の表面積（例えば、エミッタの表面積Ａ_Ｅ）を増加させる。

【0032】

幾つかの実施例では、電極１１０のマイクロキャビティ１１６は電極本体１１４内に配置されており、その結果、電極表面１１２の増加された表面積は、電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２への直接暴露から隠蔽される。他の実施例では、電極１１０のマイクロキャビティ１１６は、電極間ギャップ１２０へ直接暴露される電極表面１１２に配置されている。ここでは、電極表面１１２に配置されたマイクロキャビティ１１６は、電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へも直接暴露される。電極１１０は、電極表面１１２及び／又は電極本体１１４に配置されたマイクロキャビティ１１６の何れかの組合せを含んでいてもよい。

【0033】

マイクロキャビティ１１６によって作り出される電極表面１１２の増加された表面積は、電子１０２を放出する又は捕集するように構成され得る。例えば、熱源１０６がエミッタ１１０ａを加熱してゆくと、マイクロキャビティ１１６によって作り出された追加のエミッタ表面１１２ａは、マイクロキャビティ１１６によって作り出されたボイドの中へ電子１０２を放出する。エミッタ表面１１２ａからマイクロキャビティ１１６の中へ放出された電子１０２は、エミッタ表面１１２ａに又はエミッタ表面１１２ａの近くに集まり、マイクロキャビティ１１６に空間電荷効果を生じさせる可能性がある。幾つかの実施例では、電極１１０のマイクロキャビティ１１６は、空間電荷効果を軽減するように構成されたプラズマ１２２を含んでいる。具体的には、第１のプラズマ１２２ａが、エミッタ１１０ａ側に配置された各マイクロキャビティ１１６内に配置され、第２のプラズマ１２２ｂが、コレクタ１１０ｂ側に配置された各マイクロキャビティ１１６内に配置されていてもよい。幾つかの実施例では、エミッタ１１０ａ表面とコレクタ１１０ｂ表面の間の減少された表面積暴露は、放射損失減少をもたらし、ＴＥＣシステム１００の全体的な効率を改善する。減少された表面積は、放射損失を相殺するのに必要な放射電流ＩとＴ_Ｅも有意に低下させる。

【0034】

次に図１Ｂを参照して、幾つかの実施形では、電極１１０（例えば、エミッタ１１０ａ及びコレクタ１１０ｂ）は、１つ又はそれ以上のチャネル１１８を含んでいる。１つ又はそれ以上のチャネル１１８は、１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６を１つ又はそれ以上の他のマイクロキャビティ１１６及び／又は電極間ギャップ１２０と接続し、それらの間の流体連通を可能にするように構成されている。１つ又はそれ以上のチャネル１１８は、電子１０２を伝導させるための導電性媒体（例えば、セシウム）を提供するプラズマ１２２を含んでいる。チャネル１１８内に配置されたプラズマ１２２は、電子１０２が電極１１０のマイクロキャビティ１１６間で伝導するのを可能にする。幾つかの実施例では、第１のプラズマ１２２ａは、エミッタ１１０ａのチャネル１１８内に配置されている。他の実施例では、第２のプラズマ１２２ｂは、コレクタ１１０ｂのチャネル内に配置されている。例えば、図１Ｂは、複数のチャネル１１８がマイクロキャビティ１１６ａを他のマイクロキャビティ１１６ａ及び／又は電極間ギャップ１２０へ電気的に接続しているＴＥＣシステム１００からのエミッタ１１０ａの分解図を描いている。明確さを期して、図１Ｂにはエミッタ１１０ａしか描かれていないが、コレクタ１１０ｂの分解図は、図１Ｂのエミッタ１１０ａの分解図と実質的に同様であるものと理解される。エミッタ１１０ａは、エミッタ本体１１４ａ内に配置された第１のマイクロキャビティ１１６ａ１をエミッタ本体１１４ａ内に配置された第２のマイクロキャビティ１１６ａ２へ接続する第１のチャネル１１８ａを含んでいる。第１のチャネル１１８ａは、第１のマイクロキャビティ１１６ａ１と第２のマイクロキャビティ１１６ａ２の間で電子１０２を伝導させる第１のプラズマ１２２ａを含んでいる。第１のチャネル１１８ａは、電子１０２をエミッタ表面１１２ａから第１のチャネル１１８ａ内に配置された第１のプラズマ１２２ａの中へ直接放出するように構成されていてもよい。

【0035】

幾つかの実施例では、１つ又はそれ以上のチャネル１１８は、１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６ａから電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ電気的に接続し及び／又は電気連通を可能にさせる。例えば、図１Ｂに示されている様に、第２のチャネル１１８ｂは、第２のマイクロキャビティ１１６ａ２を電極間ギャップ１２０へ接続している。第２のチャネル１１８ｂは、第２のマイクロキャビティ１１６ａ２を電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ接続している。第２のチャネル１１８ｂは、第１のマイクロキャビティ１１６ａ１と第２のマイクロキャビティ１１６ａの間を伝導する電子１０２が電極間ギャップ１２０の中へ伝導するのを可能にする。こうして、第２のチャネル１１８ｂは、第１のマイクロキャビティ１１６ａ１及び第２のマイクロキャビティ１１６ａ２からの電子１０２が電極間ギャップ１２０の中へ伝導し、ＴＥＣシステム１００のための電流を発生させるのを可能にする。１つ又はそれ以上のチャネル１１８は、任意の数のマイクロキャビティ１１６ａを任意の数の他のマイクロキャビティ１１６ａ（例えば、エミッタ表面１１２ａ及び／又はエミッタ本体１１４ａに配置されたマイクロキャビティ１１６）へ電気的に接続することができる。１つ又はそれ以上のチャネル１１８は、電極表面１１２からの電子１０２をチャネル１１８内に配置されたプラズマ１１２から直接に放出する（例えば、エミッタ１１０ａから）又は捕集する（例えば、コレクタ１１０ｂにて）ことによってマイクロキャビティ１１６の役目も果たし得る。ここでは、電子１０２は、１つ又はそれ以上のチャネル１１８の中へ直接放出され、１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６へ又は電極間ギャップ１２０へ伝導する。

【0036】

幾つかの実施形では、熱源１０６がエミッタ１１０ａを加熱し、エミッタ表面１１２ａから電子１０２が放出されると、電子１０２はエミッタ１１０ａのマイクロキャビティ１１６ａ内に配置されたプラズマ１２２に進入する。ここでは、電子１０２は、１つ又はそれ以上のチャネル１１８を経由してエミッタ１１０ａの別のマイクロキャビティ１１６ａへ及び／又は電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２へ伝導することができる。電子１０２が電極間ギャップ１２０内に配置されたプラズマ１２２に到達したら、電子１０２は、コレクタ１１０ｂの１つ又はそれ以上のチャネル１１８を経由してコレクタ１１０ｂ側に配置されたマイクロキャビティ１１６ｂへ伝導する。幾つかの実施例では、電子１０２はコレクタ表面１１２ｂに集まり、負荷１０８を駆動するための電流を発生させる。

【0037】

これより図２を参照して、構造化プラズマエネルギーセルシステム２００（入れ替え可能にＴＥＣシステム２００と呼ばれる）は、ここでの記述を除いては、ＴＥＣシステム１００と実質的に同様であるとしてもよい。ＴＥＣシステム２００は、電極１１０、電極間ギャップ１２０、熱源１０６、及び負荷１０８を含んでいる。幾つかの実施形では、ＴＥＣシステム２００は、電極間ギャップ１２０中に絶縁体１２４を含んでいる。絶縁体１２４は、エミッタ１１０ａとコレクタ１１０ｂの間に電気的絶縁を提供するように構成されている。即ち、絶縁体１２４は、電子１０２がエミッタ１１０ａからコレクタ１１０ｂへ横断するのを阻止する非導電性材料を含んでいる。絶縁体１２４は、エミッタ１１０ａとコレクタ１１０ｂの間に電気的短絡が起こるのも防止することができる。幾つかの実施例では、固体絶縁体１２４材料（例えば、セラミック）は、電極間ギャップ１２０中にＴＥＣシステム２００のための構造的支持を提供する。

【0038】

幾つかの実施形では、電極間ギャップ内に配置された絶縁体１２４は、導電性経路１２６を含んでいる。導電性経路１２６は、電子１０２を、エミッタ１１０ａからコレクタ１１０ｂへ電極間ギャップ１２０を通って伝導させるように構成されている。絶縁体は電子１０２がエミッタ１１０ａからコレクタ１１０ｂへ伝導するのを阻止するので、導電性経路１２６が電子をエミッタ１１０ａからコレクタ１１０ｂへ伝導させて、電流出力を発生させ、負荷１０８を駆動する。導電性経路１２６は、電子１０２をエミッタ１１０ａからコレクタ１１０ｂへ伝導させる導電性媒体（例えば、プラズマ１２２）を含んでいてもよい。

【0039】

各導電性経路１２６は、エミッタ１１０ａの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６ａをコレクタ１１０ｂの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６ｂへ接続することができる。幾つかの実施例では、導電性経路１２６は、エミッタ１１０ａ側に配置された単一のマイクロキャビティ１１６ａをコレクタ１１０ｂ側に配置された１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６ｂへ接続している。幾つかの実施形では、熱源１０６がエミッタ１１０ａを加熱し、エミッタ表面１１２ａから電子１０２が放出されると、電子１０２は、エミッタ１１０ａのマイクロキャビティ１１６ａ内に配置された第１のプラズマ１２２ａに進入する。ここでは、電子１０２は、１つ又はそれ以上のチャネル１１８を経由して、エミッタ１１０ａの別のマイクロキャビティ１１６ａへ及び／又は絶縁体１２４の導電性経路１２６へ伝導することができる。電子１０２が導電性経路１２６に到達したら、導電性経路１２６内に配置されたプラズマ１２２は、電子をコレクタ１１０ｂ側に配置された１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６ｂへ伝導させる。幾つかの実施例では、電子１０２はコレクタ表面１１２ｂに集まり、負荷１０８を駆動するための電流を発生させる。

【0040】

幾つかの実施形では、ＴＥＣデバイスは、プラズマをイオン化するために電磁（ＥＭ）場を利用している。しかしながら、現在のＴＥＣデバイス（例えば、マイクロキャビティ無しの電極を含んでいるＴＥＣデバイス）は、導電性表面を有する電極を使用している。電極の導電性表面がＥＭ場エネルギーを吸収することによってプラズマを遮蔽し、その結果、プラズマはＥＭ場エネルギーを一切吸収しない。電極の導電性表面は、電子をエミッタから放出させ、コレクタによって吸収させる。幾つかの技法は、電極の導電性表面がＥＭ場エネルギー全てを吸収せず、ＥＭ場エネルギーの一部がプラズマによって吸収されるように、電極材料の厚さを削減することを試みている。しかしながら、これらの技術はＴＥＣデバイスの全体としての推定耐用年数を低下させる、というのも薄い電極材料はＴＥＣデバイスの高い動作温度に耐えることができないからである。

【0041】

本明細書での諸実施形は、マイクロキャビティを含む電極を備えたＴＥＣシステムを用いて電気を発生させる方法に向けられている。これらの実施形は、電極の導電性表面に平行に伝播するＥＭ場を生成する工程を含んでいる。電極の導電性表面に対するＥＭ場の平行伝播方向は、ＥＭ場が電極のマイクロキャビティの中へ伝播し、電極のマイクロキャビティ及びチャネル内に配置されたプラズマの中へ吸収されるのを可能にする。プラズマの中へのＥＭ場の吸収は、プラズマ中の電子をイオン化し及び／又は電子の温度を上昇させ、それによってＴＥＣシステム及びプラズマのイオン化工程の効率を高める。

【0042】

図３Ａは、構造化プラズマエネルギーセルシステム３００（入れ替え可能にＴＥＣシステム３００と呼ばれる）の上面図を描いている。ＴＥＣシステム３００は、エミッタ表面１１２ａ又はエミッタ本体１１４ａに配置され得る第１の複数のマイクロキャビティ１１６ａを含むエミッタ１１０ａを含んでいる。ＴＥＣシステム３００は、コレクタ表面１１２ｂ又はコレクタ本体１１４ｂに配置され得る第２の複数のマイクロキャビティ１１６ｂを含むコレクタ１１０ｂも含んでいる。幾つかの実施例では、電極１１０（例えば、エミッタ１１０ａ及びコレクタ１１０ｂ）は、電極１１０の１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６を１つ又はそれ以上の異なるマイクロキャビティ１１６へ電気的に接続する第１又は第２のプラズマ１２２ａ、１２２ｂを含んだ１つ又はそれ以上のチャネル１１８を含んでいる。他の実施例では、電極のチャネル１１８は、１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ１１６を絶縁体１２４の導電性経路１２６へ電気的に接続している。絶縁体１２４は、エミッタ１１０ａとコレクタ１１０ｂの間の電極間ギャップ中に配置されている。絶縁体１２４は１つ又はそれ以上の導電性経路１２６を含み、導電性経路１２６は、第１の複数のマイクロキャビティ１１６ａを第２の複数のマイクロキャビティ１１６ｂへ電気的に接続する導電性経路１２６内に配置されたプラズマ１２６を含んでいる。図３Ａに描かれている様に、第２の複数のマイクロキャビティ１１６ｂの量は、第１の複数のマイクロキャビティ１１６ａの量より多い。

【0043】

図３Ｂは、ＥＭ場イオン化を使用する図３Ａの構造化エネルギーセルシステム３００の側面図を描いている。幾つかの実施形では、ＴＥＣシステム３００は、ＥＭ場イオン化のためのＥＭ場３０４を発生させる１つ又はそれ以上のＥＭ源３０２を使用して電気を生成する。ここでは、ＥＭ源３０２は、例えば、高周波又はマイクロ波の様な任意のタイプのＥＭ場を発生させる。ＥＭ源３０２がＥＭ場３０４を生成すると、ＥＭ場３０４は伝播方向３０６に進む。ＥＭ場の伝播方向３０６は、電極１１０の導電性表面に平行に進む。電極１１０の表面１１２は、電極１１０の伝導帯から電子１０２を放出し及び捕集するように構成された導電性材料を含んでいる。即ち、電極１１０の表面１１２の導電性材料は、電子１０２が脱出し、電極１１０の表面１１２に集まることを可能にする。ゆえに、表面１１２は、本明細書では入れ替え可能に導電性表面１１２と呼ばれることもある。導電性表面１１２は、エミッタ表面１１２ａ、コレクタ表面１１２ｂ、１つ又はそれ以上のチャネル１１８、及び／又は１つ又はそれ以上の導電性経路１２６に配置され得る。電極１１０の本体１１４は、電極１１０内に電子１０２を閉じ込めるのに役立つ誘電性材料を含んでいてもよい。

【0044】

幾つかの実施例では、導電性表面１１２は、ＥＭ場３０４を吸収し、ＥＭ場３０４の何れかがプラズマ１２２の中へ吸収されるのを遮蔽する。しかしながら、ＥＭ場３０４を導電性表面１１２に平行な伝播方向３０６に生成することは、ＥＭ場３０４がプラズマ１２２の中へ吸収されるのを可能にする。具体的には、マイクロキャビティ１１６は、ＥＭ場３０４が浸透できる孔を提供する。マイクロキャビティ１１６へ接続されているチャネル１１８及び導電性経路１２６は、ＥＭ場３０４が通って伝播することのできる追加の平行な導電性表面１１２を提供する。ゆえに、マイクロキャビティ１１６、チャネル１１８、及び導電性経路１２６は、それぞれ、ＥＭ場３０４が通って伝播するための平行な導電性表面１１２を提供し得る。ＥＭ場３０４が平行な導電性表面１１２を通って伝播してゆくと、ＥＭ場３０４は導電性表面１１２内に配置されたプラズマ１２２の中へ吸収される。ＥＭ場３０４のエネルギーは、プラズマ１２２の中へ吸収されることによって、プラズマ１２２をイオン化し、このイオン化はＥＭ場イオン化と呼ばれる。ＥＭ場イオン化は、プラズマ１２２をイオン化するための荷電粒子イオン化に追加して及び／又は代えて使用されてもよい。幾つかの実施例では、ＥＭ場３０４がプラズマ１２２の中へ吸収されることでプラズマはイオン化される。他の実施例では、ＥＭ場３０４は、プラズマ１２２内に配置された電子１０２の温度を上昇させることができる。即ち、ＥＭ場３０４がプラズマ１２２の中へ吸収されると、電子１０２が励起され（即ち、運動し）、電子１０２が温まる。電子１０２の上昇した温度は、プラズマ電圧バイアス（例えば、方程式２からのＶ_{ｐ，ｂｉａｓ}）に正比例する。ゆえに、ＥＭ場３０４がプラズマ１２２の中へ吸収されることによる電子１０２の上昇した温度は、プラズマ電圧バイアスＶ_{ｐ，ｂｉａｓ}を増加させ、それによって出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び出力パワーＰ_ｏｕｔを増加させることになる。

【0045】

他の実施形では、ＥＭ源３０２は、第１のプラズマ１２２ａ又は第２のプラズマ１２２ｂの一方のみをイオン化するＥＭ場３０４を生成する。例えば、ＥＭ場３０４は、コレクタ１１０ｂの導電性表面１１２ｂのみに平行な伝播方向３０６に進むようになっていてもよい。具体的には、導電性表面１１２ｂに平行な伝播方向３０６に伝播するＥＭ場３０４は、ＥＭ場３０４を第２のプラズマ１２２ｂの中へ吸収させ、それによって第２のプラズマ１２２ｂ内に配置された電子１０２の温度を上昇させる。ここでは、コレクタ１１０ｂのマイクロキャビティ１１６ｂ及びチャネル１１８は、ＥＭ場３０４を導電性表面１１２ｂ内に配置されたプラズマ１２２、１２２ｂの中へ浸透させ及び吸収させることのできる孔及び／又はボイドを提供している。

【0046】

これらの実施形では、ＥＭ源３０２は、コレクタ１１０ｂの導電性表面１１２ｂのみに平行な伝播方向３０６にＥＭ場３０４を生成し、したがって伝播方向３０６はエミッタ１１０ａの導電性表面１１２ａに対し横断方向である（例えば、平行でない）。エミッタ１１０ａの導電性表面１１２ａに対し横断方向である伝播方向３０６に進むＥＭ場３０４のエネルギーは、エミッタ１１０ａの導電性表面１１２ａによって吸収される。ゆえに、ＥＭ場３０４は、第１のプラズマ１２２ａの中へ吸収されて第１のプラズマ１２２ａをイオン化するために、エミッタ１１０ａのマイクロキャビティ１１６ａ及びチャネル１１８の孔に浸透することはできない。ここでは、導電性表面１２２ｂに平行で且つ導電性表面１１２ａに対し横断方向である伝播方向３０６に進むＥＭ場３０４は、第２のプラズマ１２２ｂのみをイオン化する一方、ＥＭ場３０４は第１のプラズマ１２２ａをイオン化することはできない。

【0047】

幾つかの実施例では、ＴＥＣシステム３００は、荷電粒子イオン化とＥＭ場イオン化の組合せを使用している。例えば、ＴＥＣシステム３００は、コレクタ１１０ｂ内に配置された第２のプラズマ１２２ｂをイオン化するのにＥＭ場イオン化を使用し、エミッタ１１０ａ内に配置された第１のプラズマ１２２ａをイオン化するのに荷電粒子イオン化を使用してもよい。この実施例では、ＥＭ源３０２は、コレクタ１１０ｂの導電性表面１１２ｂに平行な伝播方向にＥＭ場３０４を生成する。ＥＭ場３０４は、コレクタ１１０ｂのマイクロキャビティ１１６ｂ及びチャネル１１８に浸透して、第２のプラズマ１２２ｂの中へ吸収され（例えば、ＥＭ場イオン化）、こうして第２のプラズマ１２２ｂをイオン化し及び／又は第２のプラズマ１２２ｂの温度を上昇させる。引き続きこの実施例に関して、ＴＥＣシステム３００は、荷電粒子イオン化を使用して第１のプラズマ１２２ａをイオン化する。ＴＥＣシステム３００は、第１のプラズマ１２２ａに進入して第１のプラズマ１２２ａをイオン化する荷電粒子（例えば、核分裂片、アルファ崩壊粒子、及び／又はベータ崩壊粒子）を核反応（例えば、核分裂及び／又はベータ崩壊）から生成する。ここでは、荷電粒子は、空間電荷効果を軽減するために第１のプラズマ１２２ａをイオン化し、電子はエミッタ１１０ａから放出されて電極間ギャップ１２０を横断してコレクタ１１０ｂに至る。ここでは、第１のプラズマ１２２ａは荷電粒子イオン化を使用してイオン化され、第２のプラズマ１２２ｂはＥＭ場イオン化を使用してイオン化される。他の実施例では、ＴＥＣシステム３００は、第１のプラズマ１２２ａ及び第２のプラズマ１２２ｂをイオン化するのにＥＭ場イオン化と荷電粒子イオン化の両方を使用する。第１のプラズマ１２２ａ及び第２のプラズマ１２２ｂをイオン化するのにＥＭ場イオン化と荷電粒子イオン化の何れかの組合せが使用されてもよい。

【0048】

図４を参照すると、電気を発生させるように構造化プラズマセルを動作させる方法４００が示されている。構造化プラズマセルは、第１の表面１１２ａを含む第１の電極（例えば、エミッタ１１０ａ）と、第１のプラズマ１２２ａと、を含んでいる。第１の表面１１２ａは第１のマイクロキャビティ１１６ａを画定し、第１のプラズマ１２２ａは第１のマイクロキャビティ１１６ａ内に配置されている。構造化プラズマセルは、更に、第２の表面１１２ｂを含む第２の電極（例えば、コレクタ１１０ｂ）と、第２のプラズマ１２２ｂと、を含んでいる。第２の表面１１２ｂは第２のマイクロキャビティ１１６ｂを画定し、第２のプラズマ１２２ｂは第２のマイクロキャビティ１１６ｂ内に配置されている。工程４０２にて、方法４００は、ＥＭ源３０２によって、ＥＭ場３０４を生成する工程を含んでいてもよい。ＥＭ場３０４は、高周波又はマイクロ波の様な任意のタイプのＥＭ場を含み得る。工程４０４にて、方法４００は、ＥＭ場３０４を第２の表面（例えば、導電性表面１１２ｂ）に平行な方向に伝播させる工程を含んでいてもよい。工程４０６にて、方法４００は、ＥＭ場３０４によって、第２のプラズマ１２２ｂ内に配置された電子１０２の温度を上昇させる工程を含んでいる。

【0049】

上記詳細な説明中に記述されている構成のそれぞれは、他の独立した諸構成の下にあるものを含め、本開示に示されている特徴、オプション、及び実施可能性の何れかを含むことができ、更に、本開示及び諸図に示されている特徴、オプション、及び実施可能性の何れかから成る任意の組合せを含むことができる。本明細書に記載の本教示と一致する更なる実施例を以下の番号を付した条項に示す。

【0050】

条項１：第１の複数のマイクロキャビティを含む第１の電極と、第１の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマと、第２の複数のマイクロキャビティを含む第２の電極と、第２の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上のマイクロキャビティ内に配置された第２のプラズマと、第１の電極と第２の電極の間に配置された電極間ギャップと、を備える構造化プラズマセル。

【0051】

条項２：条項１に記載の構造化プラズマセルであって、電極間ギャップ内に配置されたバルクプラズマ、を更に備える構造化プラズマセル。

【0052】

条項３：条項１乃至２の何れか一項に記載の構造化プラズマセルであって、電極間ギャップ内に配置された絶縁体、を更に備える構造化プラズマセル。

【0053】

条項４：条項３に記載の構造化プラズマセルにおいて、絶縁体は、第１の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上を第２の複数のマイクロキャビティのうちの１つ又はそれ以上と電気的に接続するように構成された導電性経路を含んでいる、構造化プラズマセル。

【0054】

条項５：条項４に記載の構造化プラズマセルにおいて、絶縁体の導電性経路内にプラズマが配置されている、構造化プラズマセル。

【0055】

条項６：条項１乃至５の何れか一項に記載の構造化プラズマセルにおいて、第１の電極の第１の複数のマイクロキャビティは、第１の電極の表面及び本体に配置されている、構造化プラズマセル。

【0056】

条項７：条項６に記載の構造化プラズマセルにおいて、第１の電極の表面に配置された第１の複数のマイクロキャビティは電極間ギャップへ直接暴露されている、構造化プラズマセル。

【0057】

条項８：条項１乃至７の何れか一項に記載の構造化プラズマセルにおいて、第１の複数のマイクロキャビティの量は第２の複数のマイクロキャビティの量より少ない、構造化プラズマセル。

【0058】

条項９：条項１乃至８の何れか一項に記載の構造化プラズマセルにおいて、第１の電極は、第１の複数のマイクロキャビティのうちの第１のマイクロキャビティを第１の複数のマイクロキャビティのうちの第２のマイクロキャビティと電気的に接続するように構成された第１の複数のチャネルを備えている、構造化プラズマセル。

【0059】

条項１０：条項１乃至９の何れか一項に記載の構造化プラズマセルであって、電極間ギャップの中へ電子を放出する第１の電極を加熱するように構成された熱源、を更に備える構造化プラズマセル。

【0060】

条項１１：電気を発生させるように構造化プラズマセルを動作させる方法において、構造化プラズマセルは以下を備え、即ち、第１の表面を含む第１の電極及び第１のプラズマであって、第１の表面は第１のマイクロキャビティを画定し、第１のプラズマは第１のマイクロキャビティ内に配置されている、第１の電極及び第１のプラズマと、第２の表面を含む第２の電極及び第２のプラズマであって、第２の表面は第２のマイクロキャビティを画定し、第２のプラズマは第２のマイクロキャビティ内に配置されている、第２の電極及び第２のプラズマと、を備え、方法は、電磁（ＥＭ）源によって、ＥＭ場を生成する工程と、ＥＭ場を第２の表面に平行な方向に伝播させる工程と、ＥＭ場によって、第２のプラズマ内に配置された電子の温度を上昇させる工程と、を備える、方法。

【0061】

条項１２：条項１１に記載の方法において、第１の表面は導電性材料を含んでいる、方法。

【0062】

条項１３：条項１１乃至１２の何れか一項に記載の方法であって、ＥＭ場を第２のプラズマの中へ吸収する工程、を更に備える方法。

【0063】

条項１４：条項１３に記載の方法であって、核反応からの荷電粒子を使用して第１のプラズマをイオン化する工程と、第１の電極の第１の表面から第１のマイクロキャビティ内に配置された第１のプラズマの中へ電子を放出する工程と、放出された電子を第１のマイクロキャビティから電極間ギャップを通って第２のマイクロキャビティへ伝導させる工程と、放出された電子を第２の電極の第２の表面に捕集する工程と、を更に備える方法。

【0064】

条項１５：条項１１乃至１４の何れか一項に記載の方法であって、第１の電極と第２の電極の間に配置された電極間ギャップに絶縁体を設ける工程、を更に備える方法。

【0065】

条項１６：条項１１乃至１５の何れか一項に記載の方法において、ＥＭ場は、高周波又はマイクロ波の一方を備えている、方法。

【0066】

条項１７：条項１１乃至１６の何れか一項に記載の方法において、第１の電極は誘電性材料を含んでいる、方法。

【0067】

条項１８：条項１１乃至１７の何れか一項に記載の方法において、第１の電極は、第１のプラズマから隠蔽された第１の本体を含んでいる、方法。

【0068】

条項１９：条項１１乃至１８の何れか一項に記載の方法において、第２のプラズマ中の電子の上昇した温度は、構造化プラズマセルによって発生する電気の量を増加させる、方法。

【0069】

条項２０：条項１１乃至１９の何れか一項に記載の方法において、第１の電極は複数の第１のマイクロキャビティを含み、第２の電極は複数の第２のマイクロキャビティを含んでいる、方法。

【0070】

本明細書で使用されている用語遣いは、専ら特定の例示としての構成を説明することが目的であり、限定を課す意図はない。本明細書での使用に際し、原文の単数を表す冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の対訳である「或る」、「一」、及び「当該」は、別途文脈によって明白に指示されていない限り、複数形も含むものとする。「備えている」、「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は包含的であり、したがって特徴、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指示するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除しない。本明細書に説明されている方法の工程、プロセス、及び動作は、遂行の順序として特に識別されていない限り、論じられている又は例示されている特定の順序でそれらが遂行されることを必然的に要求するものであると解釈されてはならない。追加の又は代わりの工程も採用され得る。

【0071】

或る要素又は或る層が、別の要素「上」又は別の層「上」にある、別の要素又は別の層へ「係合されている」、「接続されている」、「付着されている」、又は「結合されている」という場合、それは、直接的に他方の要素上又は他方の層上にある、直接的に他方の要素又は他方の層へ係合されている、接続されている、付着されている、又は結合されていることもあれば、介在する要素又は介在する層が存在していることもある。対照的に、或る要素が別の要素上又は別の層上に「直接ある」、別の要素又は別の層へ「直接係合されている」、「直接接続されている」、「直接付着されている」、又は「直接結合されている」という場合、介在する要素又は介在する層は存在しないということになる。要素同士の関係を記述するのに使用されている他の語は同様の方式で解釈されるものとする（例えば、「○○の間に」対「○○の間に直接に」や「○○に隣接して」対「○○に直接隣接して」など）。本明細書での使用に際し「及び／又は」という用語は、関連の一覧品目のうちの１つ又はそれ以上から成るありとあらゆる組合せを含む。

【0072】

第１の、第２の、第３の、などの用語は、本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分を記述するのに使用されることがある。これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分は、これらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又は区分を、別の領域、層、又は区分と区別するために使用されるにすぎない。「第１の」、「第２の」、及び他の数的用語の様な用語は、文脈によって明白に指示されていない限り、或るシーケンス又は順序を含意するものではない。したがって、以下に論じられている第１の要素、第１の構成要素、第１の領域、第１の層、又は第１の区分が、例としての構成の教示から逸脱することなく、第２の要素、第２の構成要素、第２の領域、第２の層、又は第２の区分と呼称されることもあり得る。

【0073】

以上の記述は例示と説明を目的に提供されている。網羅的であろうとする意図も開示を制限する意図もない。特定の構成の個々の要素又は特徴は、概して当該の特性の構成に限定されるのではなく、適用可能である場合には入れ替え可能であり、明確に図示又は説明されていなくても選択された構成に使用され得る。前記特定の構成の個々の要素又は特徴は多くのやり方で変えられてもよい。その様な変化型は開示からの逸脱とは見なされず、全てのその様な修正型は開示の範囲内に含まれるものとする。

【符号の説明】

【0074】

１００ 構造化プラズマエネルギーセルシステム（ＴＥＣシステム）
１０２ 電子
１０６ 熱源
１０８ 負荷
１１０ 電極
１１２ 電極表面
１１４ 電極本体
１１６ マイクロキャビティ
１１８ チャネル
１２０ 電極間ギャップ
１２２ プラズマ
１２４ 絶縁体
１２６ 伝動経路
２００ 構造化プラズマエネルギーセルシステム（ＴＥＣシステム）
３００ 構造化プラズマエネルギーセルシステム（ＴＥＣシステム）
３０２ ＥＭ源
３０４ ＥＭ場
３０６ 伝播方向

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【国際調査報告】