用于加速和压缩等离子体的设备的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年8月29日提交的题为"HIGHEFFICIENCYPLASMA ACCELERATOR高效等离子体加速器）"的第61/694, 550号美国临时专利申请根据35U. S.C. § 119(e)的权益，该美国临时专利申请在此通过引用以其全部内容合并到本文中。
技术领域
[0003] 本公开内容一般地涉及一种用于等离子体加速和压缩的方法和系统，更具体地， 涉及一种用于加速等离子体的高效等离子体加速器和方法。
【背景技术】
[0004] 等离子体是类似于气体的物质状态，在该物质状态中至少部分粒子被电离。带电 粒子（例如，正离子和负电子）的存在使等离子体导电。等离子体环（plasmatorus)是被 定形成环形位形（configuration)的自给（self-sustained)磁化等离子体，具有联合的极 向以及环向（在一些情况下）闭合磁通量。极向以及环向磁通联合的程度限定等离子体环 的螺旋度。包含在单连通空间（volume)中的等离子体环被称作紧凑环（CT)。CT位形可 以包括例如：（i)具有具备环向分量和极向分量两者的内部磁场、接近稳定的磁流体动力 平衡而存在的球马克位形；或（ii)场反位形（FRC)，其也具有环向磁场拓扑结构但可以在 轴向方向上被延长更多，从而具有类似于长椭球体的外表面，以及其主要具有极向磁场分 量而不具有环向磁场分量。CT等离子体可以被形成为一系列磁位形，包括以球马克状态与 FRC状态之间的状态而存在的位形。初始等离子体环还可以随时间而演化以及改变其磁位 形。
【发明内容】
[0005] 根据一个方面，提供了一种等离子体加速和压缩设备。该设备包括用于加速和压 缩等离子体环的等离子体加速器，以及用于向加速器提供电加速脉冲的电源，该电加速脉 冲产生在加速器中流动的电流并且在等离子体环后面生成足以加速和压缩等离子体环贯 穿加速器的磁推进通量。
[0006] 加速器具有管状外部电极和在外部电极内部延伸的管状内部电极，其中，外部电 极和内部电极限定环形等离子体传输通道（propagationchannel)，该环形等离子体传输 通道用于加速和压缩通过其的等离子体环。等离子体传输通道具有用于从等离子体发生器 接收等离子体环的入口端和用于释放在环形通道内部已经被加速和压缩的等离子体环的 出口端。等离子体传输通道具有纵向伸长部分，该纵向伸长部分具有与入口流体连通的上 游端和与出口流体连通的下游端。被限定为内部电极与外部电极之间的径向距离的横截面 环形间隙在沿着伸长部分的长度的下游方向上非线性地减小。该设备被配置成在伸长部分 之前具有足以使得通过磁推进通量的扩展来加速和压缩等离子体环贯穿伸长部分的电感。 选择等离子体传输通道的尺寸，使得对于所选择的伸长部分的电感以及所选择的伸长部分 之前的电感，在伸长部分中流动的电流在伸长部分的下游端处小于上游端处，并且等离子 体环压力在伸长部分的下游端处大于伸长部分的上游端处。伸长部分可以被配置成具有为 1与2之间的等离子体环径向压缩比。
[0007] 等离子体传输通道还可以包括在入口与伸长部分的上游端之间的高压缩漏斗状 部分。漏斗状部分包括与入口流体连通的上游端和与伸长部分的上游端流体连通的下游 端。被限定为内部电极与外部电极之间的径向距离的漏斗状部分中的横截面环形间隙在沿 着漏斗状部分的长度的下游方向上减小。此外，漏斗状部分可以被配置成具有为3与10之 间的径向压缩比。
[0008] 伸长部分可以具有固定的内部电极半径与外部电极半径的比率。内部电极或外部 电极中之一沿着伸长部分的纵向位置z的半径r(z)可以由以下等式限定：
【主权项】
1. 一种用于加速和压缩等离子体的设备，包括： 等离子体加速器，所述等离子体加速器包括管状外部电极和管状内部电极，所述内部 电极在所述外部电极内部延伸，使得在所述管状内部电极与所述管状外部电极之间限定环 形等离子体传输通道，W用于加速和压缩通过所述环形等离子体传输通道的等离子体环， 所述加速器具有用于从等离子体发生器接收所述等离子体环的入口、用于释放所加速和压 缩的等离子体环的出口，所述等离子体传输通道具有纵向伸长部分，所述纵向伸长部分具 有与所述入口流体连通的上游端和与所述出口流体连通的下游端，其中，被限定为所述内 部电极与所述外部电极之间的径向距离的横截面环形间隙在沿着所述伸长部分的长度的 下游方向上非线性地减小；W及 电源，所述电源电禪接至所述加速器并且被配置成提供电加速脉冲，所述电加速脉冲 产生在所述加速器中流动的电流并且在所述等离子体环后面生成磁推进通量，所述磁推进 通量足W将所述等离子体环从所述上游端通过所述伸长部分推进到所述下游端和所述加 速器的出口； 其中，所述设备被配置成在所述伸长部分之前具有足W使得通过所述磁推进通量的扩 展贯穿所述伸长部分加速和压缩所述等离子体环的电感，W及其中，选择所述等离子体传 输通道的尺寸，使得对于所述伸长部分的所选择的电感W及在所述伸长部分之前的所选择 的电感，在所述伸长部分中流动的电流在所述伸长部分的所述下游端处比在所述上游端处 小，并且等离子体环压力在所述伸长部分的所述下游端处比在所述伸长部分的所述上游端 处大。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述伸长部分具有在1与2之间的等离子体环径 向压缩比。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述电源被配置成产生加速脉冲，所述加速脉冲 对从所述加速器的入口到所述加速器的出口经过其中的所述等离子体环提供同时的加速 和压缩。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述等离子体传输通道还包括在所述入口与所 述伸长部分的上游端之间的高压缩漏斗状部分，所述漏斗状部分包括与所述入口流体连通 的上游端和与所述伸长部分的上游端流体连通的下游端，其中，被限定为所述内部电极与 所述外部电极之间的径向距离的所述漏斗状部分中的横截面环形间隙在沿着所述漏斗状 部分的长度的下游方向上减小。
5. 根据权利要求4所述的设备，其中，所述漏斗状部分具有在3与10之间的径向压缩 比。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述伸长部分具有内部电极半径与外部电极半 径的固定比率，W及所述内部电极或所述外部电极中之一沿着所述伸长部分的纵向位置Z 的半径 r(z)& 占=留-iIIIIIIII；IIIIIIIi'imilIiiiiiiiiiii則定， 其中，z。是所述伸长部分在所述上游端处的纵向位置，c是所述伸长部分的每单位长度 电感L'与在所述伸长部分之前的电感L。的比率， a = b+l/r〇 其中，r。是所述内部电极或外部电极在所述上游端处的半径，W及
其中，ri和z 1是所述内部电极或所述外部电极各自的半径和所述伸长部分在所述下游 端处的纵向位置。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述内部电极和所述外部电极中的每个沿着所 述伸长部分的纵向位置Z的半径r (Z)由^ ^ J,,,,,,,,^,,,,,,,去,,,,,,,,,,,限定， 其中，Z。是所述伸长部分在所述上游端处的纵向位置，C是所述伸长部分的每单位长度 电感L'与在所述伸长部分之前的电感L。的比率， a = b+l/r〇 其中，r。是所述内部电极或外部电极在所述上游端处的半径，W及
其中，ri和Z 1是所述内部电极或所述外部电极各自的半径和所述伸长部分在所述下游 端处的纵向位置。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述电源被配置成生成电加速脉冲，一旦所述等 离子体环进入所述伸长部分则所述电加速脉冲停止。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述电源被配置成生成电加速脉冲，所述电加速 脉冲具有当所述等离子体环沿着所述伸长部分行进时产生恒定的推进通量的定时、持续时 间和电流幅值。
10. -种系统，包括： 根据权利要求1至9中任一项所述的等离子体加速和压缩设备，W及 等离子体发生器，所述等离子体发生器包括管状外部电极和管状内部电极，所述内部 电极在所述外部电极内部延伸W在所述管状内部电极与所述管状外部电极之间限定环形 等离子体形成通道， 其中，所述加速器的外部电极物理地连接至所述等离子体发生器的外部电极，W及其 中，所述环形等离子体形成通道与所述环形等离子体传输通道对准并且流体连通。
11. 根据权利要求10所述的系统，还包括等离子体环松弛区，所述等离子体环松弛区 由所述外部电极的内壁W及所述加速器的内部电极的上游端与所述等离子体发生器的内 部电极的下游端之间的空间限定，其中，所述松弛区与所述等离子体形成通道和所述等离 子体传输通道流体连通。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述松弛区包括在所述加速器的内部电极的 上游端处形成的向内扩展区域。
13. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述松弛区包括在所述外部电极处、在所述加
速器的上游端处形成的向外扩展区域。
【专利摘要】描述了等离子体加速和压缩设备的示例。该设备包括等离子体加速器，等离子体加速器具有从加速器的入口延伸的高压缩漏斗状部分和连接至高压缩漏斗状部分、可以从漏斗状部分的一端延伸到加速器的出口的伸长部分。漏斗状部分可以是具有陡峭的锥形的圆锥体，而伸长部分可以沿着长度其朝向出口具有轻度平缓的锥形。该设备还包括用于给加速器提供电流脉冲以生成贯穿加速器对等离子体环进行加速和压缩的推进通量的电源。电流脉冲可以这样被定形，其使得在伸长部分的出口处等离子体环后面的电流脉冲显著小于在伸长部分的第一端处的电流脉冲，而在伸长部分的出口处的等离子体环压力大于伸长部分的开始处的等离子体环压。
【IPC分类】H05H1-54
【公开号】CN104604338
【申请号】CN201380045548
【发明人】迈克尔·G·拉伯齐, 梅里特·雷诺兹
【申请人】全面熔合有限公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2013年8月29日
【公告号】CA2883710A1, EP2891389A1, US20150216028, WO2014032186A1