熱離子轉換器包括有熱電極的熱離子發射的電子通過勢能壘到冷卻器電極，產生了有用的電功率輸出。銫蒸氣用于優化電極功函數并提供離子源（通過等離子體中的表面電離或電子碰撞電離）以中和電子空間電荷。

從物理電子的角度來看，熱離子能量轉換是通過熱離子電子發射從熱量中直接產生電能。從熱力學的角度來看，它是在發電循環中使用電子蒸汽作為工作流體。熱離子轉換器由熱發射電極和較冷的集電極組成，電子通過熱離子發射從熱發射電極蒸發，電子通過電極間等離子體傳導后冷凝到較冷的集電極。產生的電流，通常為幾安培每平方厘米發射器表面，根據發射器溫度(1500-2000K)和操作模式，以0.5-1伏的典型電位差和5-20%的熱效率向負載提供電力。

1957年V.Wilson首次演示了實用的電弧模式銫蒸汽熱離子轉換器后，在接下來的十年中演示了它的多種應用，包括它在太陽能、燃燒、放射性同位素和核反應堆熱源中的使用。然而，最認真追求的應用是將熱離子核燃料元件直接集成到核反應堆的堆芯中，以在太空中生產電力。異常高的工作溫度熱離子轉換器的特性使得它們在其他應用中的實際使用變得困難，這使得熱離子轉換器在需要輻射散熱的空間電力應用中相對于競爭的能量轉換技術具有決定性的優勢。1963年至1973年期間，美國、法國和德國進行了大量的熱離子空間反應堆開發計劃，美國在1983年至1993年期間恢復了重要的熱離子核燃料元件開發計劃。

1967年至1988年間，熱離子動力系統與各種核反應堆（BES-5、TOPAZ）結合用作許多蘇聯軍事xxx衛星的電源。有關更多詳細信息，請參閱Kosmos954。

盡管隨著美國和俄羅斯太空計劃的縮減，熱離子反應堆使用的優先級降低，但熱離子能量轉換的研究和技術開發仍在繼續。近年來，開展了太陽能加熱熱離子空間動力系統的技術開發計劃。已經開發出用于家用熱電聯產和整流的原型燃燒加熱熱離子系統。

熱離子能量轉換的科學方面主要涉及表面物理和等離子體物理領域。電極表面特性決定了電極表面的電子發射電流和電勢的大小，而等離子體特性決定了電子電流從發射極到集電極的傳輸。迄今為止，所有實用的熱離子轉換器都在電極之間使用銫蒸氣，這決定了表面和等離子體特性。使用銫是因為它是所有穩定元素中最容易電離的。

熱離子發生器就像一個循環熱機，它的xxx效率受到卡諾定律的限制。它是一種低壓大電流設備，在1-2V的電壓下已實現25-50(A/平方厘米)的電流密度。如果在鍋爐的上升管中提供熱離子發生器的陰極和陽極，并且中間充滿電離的銫蒸氣，則高溫氣體的能量可以部分轉化為電能。

主要關注的表面性質是功函數，它是限制電子從表面發射電流的勢壘，本質上是電子從表面蒸發的熱量。功函數主要由吸附在電極表面上的銫原子層決定。電極間等離子體的特性由熱離子轉換器的操作模式決定。在點燃（或“電弧”）模式下，等離子體通過熱等離子體電子（~3300K）內部電離保持；在未點燃模式下，通過將外部產生的正離子注入冷等離子體來維持等離子體；在混合模式中，等離子體由從熱等離子體電極間區域轉移到冷等離子體電極間區域的離子維持。

上述所有應用都采用了熱離子轉換器的基本物理認識和性能與1970年之前實現的基本相同的技術。然而，在1973年至1983年期間，對先進的低溫熱離子轉換器技術的重大研究化石燃料工業和商業電力生產在美國進行，并一直持續到1995年，用于可能的空間反應堆和海軍反應堆應用。該研究表明，通過向銫蒸氣中添加氧氣，現在可以在較低的工作溫度下顯著提高轉換器性能，通過抑制電極表面的電子反射，和混合模式操作。同樣，通過使用含氧電極的改進以及采用先進熱離子轉換器性能的系統的設計研究已在俄羅斯得到證實。最近的研究表明，在熱離子轉換器中激發的Cs原子形成Cs-里德堡物質簇，從而使集電極發射功函數從1.5eV降低到1.0–0.7eV。由于里德堡物質的長壽命特性，這種低功函數在很長一段時間內保持低水平，這從根本上提高了低溫轉換器的效率。