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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberCN101443853 B
Publication typeGrant
Application numberCN 200780007065
PCT numberPCT/US2007/005389
Publication date13 Feb 2013
Filing date28 Feb 2007
Priority date28 Feb 2006
Also published asCA2642749A1, CA2642749C, CN101443853A, EP1989714A2, EP1989714A4, US7482607, US20070201598, WO2008054463A2, WO2008054463A3
Publication number200780007065.7, CN 101443853 B, CN 101443853B, CN 200780007065, CN-B-101443853, CN101443853 B, CN101443853B, CN200780007065, CN200780007065.7, PCT/2007/5389, PCT/US/2007/005389, PCT/US/2007/05389, PCT/US/7/005389, PCT/US/7/05389, PCT/US2007/005389, PCT/US2007/05389, PCT/US2007005389, PCT/US200705389, PCT/US7/005389, PCT/US7/05389, PCT/US7005389, PCT/US705389
InventorsEJ勒纳, A布莱克
Applicant劳伦斯威尔等离子物理公司
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: SIPO, Espacenet
用于产生粒子束和核聚变能量的方法和设备
CN 101443853 B
Abstract
本发明包括用于产生X射线(38)和/或离子束和用于实现聚变能量生成和将能量转换为电能的设备和方法,包括同轴地且至少部分地在反应室内定位的阳极(14)和阴极(12),通过具有螺旋形扭曲的阴极(12)、以及围绕阴极(12)的螺旋形线圈(22)或其组合向等离子体团施加角动量。阳极(14)具有阳极半径且阴极(12)具有阴极半径,其施加了高磁场。反应室包含了气体和与阳极(14)和阴极(12)电连通的电子放电源。作为电子放电的结果,形成了围绕阳极(14)的密集的磁限制的等离子体团且发射了一个或多个粒子。
Claims(42)
1. 一种用于产生粒子束的装置,包括:阳极和阴极,其通过绝缘体分离且同轴地且至少部分地在反应室内定位,其中阴极具有施加了角动量的螺旋形扭曲;包含在反应室内的气体;和与阳极和阴极电连通的电子放电源,其中作为电子放电的结果围绕阳极生成了等离子体团且发射一个或多个离子束、一个或多个X射线或其组合。
2.根据权利要求I所述的装置,其中阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加闻磁场。
3.根据权利要求I所述的装置,其中阳极半径在大约O. 25至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5至大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。
4.根据权利要求I所述的装置,其中阳极半径小于大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流,且阴极半径小于大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流。
5.根据权利要求I所述的装置,其中阴极包括一个或多个围绕阳极定位的单独的电极。
6.根据权利要求I所述的装置,其中阳极或阴极包括铍、铜或其组合。
7.根据权利要求I所述的装置,进一步包括围绕阴极定位的螺旋形线圈以施加角动量。
8.根据权利要求I所述的装置,其中气体包括硼烷。
9.根据权利要求I所述的装置,其中气体包括氢、氦、氮、甲烷、氖,氩,氙或其组合。
10. 一种用于产生粒子束的装置,包括:阳极和阴极,其通过绝缘体分离且同轴地且至少部分地在反应室内定位,其中螺旋形线圈围绕阴极定位以施加角动量;包含在反应室内的气体;和与阳极和阴极电连通的电子放电源,其中作为电子放电的结果围绕阳极生成了等离子体团且发射一个或多个离子束、一个或多个X射线或其组合。
11.根据权利要求10所述的装置,其中阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加高磁场。
12.根据权利要求11所述的装置,其中阳极半径在大约O. 25至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5至大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。
13.根据权利要求11所述的装置,其中阳极半径小于大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流,且阴极半径小于大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流。
14.根据权利要求10所述的装置,其中阴极包括一个或多个围绕阳极定位的单独的电极。
15.根据权利要求10所述的装置,其中阳极或阴极包括铍、铜或其组合。
16. 一种用于释放聚变能量且将聚变能量转换为电能的聚变能量生成器,包括:阳极和阴极,其通过绝缘体分离且同轴地且至少部分地在反应室内定位,其中阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加高磁场;2包含在反应室内的硼烷燃料源;和与阳极和阴极电连通的电子放电源,其中围绕阳极形成等离子体团且导致生成聚变能量且从等离子体团发射一个或多个离子束,一个或多个X射线,或其组合。
17.根据权利要求16所述的装置,其中硼烷燃料源包括癸硼烷。
18.根据权利要求16所述的装置,其中阳极半径在大约O. 25至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5至大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。
19.根据权利要求16所述的装置,其中阳极半径小于大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流,且阴极半径小于大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流。
20.根据权利要求16所述的装置,其中阴极包括一个或多个围绕阳极定位的单独的电极。
21.根据权利要求16所述的装置,其中阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。
22.根据权利要求16所述的装置,还包括围绕阴极定位以施加角动量的螺旋形线圈。
23.根据权利要求16所述的装置,进一步包括用于直接将X射线发射转换为电能的X射线能量转换器,所述的X射线能量转换器包括:与一个或多个电子收集器层电连通的一个或多个电子发射器层,其中该一个或多个电子发射器层吸收一个或多个X射线并发射被所述一个或多个电子收集器层吸收的电子。
24.根据权利要求23所述的装置,其中该一个或多个电子收集器层同心地嵌套且一个或多个电子收集器层吸收一个或多个不同能量的电子。
25.根据权利要求23所述的装置,进一步包括一个或多个同心地嵌套的X射线能量转换器以收集不同能级的X射线。
26.根据权利要求23所述的装置,其中该一个或多个电子收集器层的每个相对于下一个电子收集器层的电压相差大约15%至大约25%。
27. 一种用于产生一个或多个粒子束的方法,包括如下步骤:将通过绝缘体分离的且同轴地定位的阳极和阴极与电子放电源相互连接,其中阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲;使用磁场通过越过阳极和阴极的电流脉冲的放电从气体形成等离子体鞘;作为磁场的结果形成围绕阳极的等离子体团;和从等离子体团发射一个或多个离子束,一个或多个X射线或其组合,其中发射是等离子体团磁场的衰变和电子与离子在等离子体团内碰撞的结果。
28.根据权利要求27所述的方法,其中阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加高磁场。
29.根据权利要求28所述的方法,其中阳极半径在大约O. 25至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5至大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。
30.根据权利要求28所述的方法,其中阳极半径小于大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流,且阴极半径小于大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流。
31.根据权利要求27所述的方法,其中阴极包括一个或多个围绕阳极定位的单独的电极。
32.根据权利要求27所述的方法,其中阳极或阴极包括铍、铜或其组合。
33.根据权利要求27所述的方法,其中阴极被螺旋形线圈围绕以施加角动量。
34.根据权利要求27所述的方法,其中气体包括硼烷。
35.根据权利要求27所述的方法,其中气体包括氢、氦、氮、甲烷、氖,氩,氙或其组合。
36. 一种用于释放聚变能量且用于将聚变能量转换为电能的方法,包括如下步骤:将通过绝缘体分离的且同轴地定位的阳极和阴极与电子放电源相互连接,其中阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加高磁场;使用磁场通过越过阳极和阴极的电流脉冲的放电从气体形成等离子体鞘;通过越过阳极和阴极的电流脉冲的放电形成围绕阳极的等离子体团;在等离子体团内通过对等离子体团的加热生成聚变能量;和作为等离子体团的磁场衰变和电子与离子在等离子体团内碰撞的结果从等离子体团发射聚变能量,其中聚变能量通过一个或多个离子束、一个或多个X射线或其组合被携带。
37.根据权利要求36所述的方法,其中气体包括癸硼烷。
38.根据权利要求36所述的方法,其中阳极半径在大约O. 25至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5至大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。
39.根据权利要求36所述的方法,其中阳极半径小于大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流,且阴极半径小于大约3乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流。
40.根据权利要求36所述的方法,其中阴极包括一个或多个围绕阳极定位的单独的电极。
41.根据权利要求36所述的方法,其中阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。
42.根据权利要求36所述的方法,其中阴极被螺旋形线圈围绕以施加角动量。
Description

用于产生粒子束和核聚变能量的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明总的涉及等离子体物理和等离子体聚焦装置的领域,且更具体地涉及用于使用强磁场限制等离子体且注入角动量以产生离子束和/或X射线且实现了核聚变且从聚变能量生成电力的方法和设备。

背景技术

[0002] 在不限制本发明的范围的情况下,本背景技术主要结合聚变能量来描述。能量消耗的增加和碳氢化合物燃料的缺点导致了对替代能源的寻找。一个这样的能源是来自热核聚变反应器的聚变能量,该聚变能量提供了几乎无限的能源。然而,存在许多科学和工程挑战。

[0003] 一般地,聚变反应器包括聚变燃料,该聚变燃料通常是氘和氚的混合物,其被加热到非常高的温度且将其限制在等离子体态若干时间。等离子体态使用电能生成。等离子体态包含了具有足以进行聚变的能量的离子。为进行聚变,离子必须保持在一起足够长的时间以发生聚变,例如磁约束。通常,聚变反应的产物可能包括例如氦的元素、中子和能量。在大多数核反应中释放的能量远大于化学反应释放的能量,因为将原子核保持在一起的结合能远大于将电子保持到原子核的能量。在大多数反应器设计中,来自反应的能量最终作为热能被收集,热能随后转换为电力。

[0004] 已存在许多聚变装置,包括tokamak(tokamak是俄文词,表示环面形的磁室)仿星器,z箍缩,球形箍缩,磁化目标聚变,激光,离子或电子束和球马克;然而,这些装置尚未成功。等离子体加热解决方法的一个困难是在加热阶段期间等离子体的不稳定性,这妨碍了磁场将已加热的离子化气体限制足够长的时间以甚至达到能量生产中的盈亏平衡点的能力。

[0005] 用于生成和利用复合等离子体位形的一种这样的方法和设备在授予Koloc的美国专利No4,023,065中教示,该专利教示了一种等离子体位形,其包括中心环形等离子体,其中电流由离子化粒子或导电物质的通常为椭球体的罩层包围。形成此复合等离子体位形的方法包括如下步骤:在气态介质中形成螺旋形离子化路径,且同时通过离子化路径对高电势放电以产生螺旋形或螺旋形式的电流,该电流自身崩塌以产生环形电流,或生成环形等离子体团,将磁能供给到等离子体团,且在外部将流体压力施加到等离子体团。

[0006] 另一个解决方案是在授予Fischer的美国专利No4,182,650中教示的脉冲核聚变反应器,该专利涉及通过氘和锂生成氦的核燃烧而产生有效电能的核聚变发电站。大的同心平板电容器通过位于其中心的熔融的LiD团迅速放电。在此放电之前,在电极之间通过交流脉冲的加热预先形成了传导路径,且高温高压等离子体通过LiD液体限制在窄的通道内。中子部分地通过热核聚变生成,部分地通过由于已知的腊肠形不稳定性导致的超热碰撞生成。逃逸的中子被周围的液体吸收,并在其中产生热。热、辐射和机械冲击在液体内被吸收,该液体流动通过换热器以为相关的涡轮发电机发电厂提供能量。

[0007] 再另一个解决方案是在授予Paul M Koloc的美国专利申请公开20010046273中教示的复合等离子体位形和用于生成复合等离子体位形的方法和设备,该专利申请涉及由具有引脚和围绕引脚的环形电极的装置形成的复合等离子体位形。圆柱形导体电连接到环形电极且与之共轴,且螺旋形导体与圆柱形导体共轴。螺旋形导体由导线组成,每个导线电连接到每个引脚。环形电极和引脚布置在远离导电圆柱体内部的相同方向上。

[0008] 已经研究了密集等离子体聚焦(DPF)作为对于不稳定问题的可能的解决方法。在此装置中,自然的等离子体不稳定性被用于制造在密集等离子体团内产生限制,而非如在其他聚变装置中那样被最小化。用于密集等离子体聚焦辐射源以生成EUV辐射的一个这样的方法和设备包括同轴布置的阳极和阴极,其在授予Jacob等人的美国专利No7,002, 168中教示。该方法和设备用于提高EUV辐射产生的效率,用于保护、冷却和延长阳极和阴极的寿命,用于保护和屏蔽收集光学器件不受放电室内的碎屑和压力扰动影响,且用于将锂供给到放电室内。

[0009] 另一个用于在选择的波长下生成辐射的等离子体聚焦辐射源在授予Birx的美国专利No6,172,324中教示,该专利教示了产生高能等离子体鞘,该等离子体鞘沿电极柱以高速向下移动且在柱的端部箍缩以形成非常高温的点。在箍缩处引入的可离子化的气体可在希望的波长处产生辐射。为防止等离子体鞘与箍缩分离并因此延长箍缩且防止潜在的损坏性重燃,高温非传导材料的屏蔽被定位在距中心电极选定的距离处且成形为再引导等离子体鞘到中心电极,从而防止了其分离。在屏蔽中提供开口,以允许希望的辐射大体上不受阻碍地通过。

[0010] 然而,该DPF也尚未实现盈亏平衡条件,且尚未同时实现高效率地传递能量到等离子体团、高离子能量和高密度。另外,即使对于相同的初始条件,DPF也受到不同发射间的输出的高度变化。

[0011] 除其作为聚变反应器的应用外,DPF具有作为X射线、离子束和中子源的其他重要的潜在应用。这样的应用包括X射线光刻、X射线和中子检查和医疗同位素生产。然而,在这些领域内其应用也受到其高度可变性的阻碍。

[0012] 克服此可变性的尝试尚未完全成功。在授予Nardi的美国专利No5,075,522和No4,912, 731中教示了等离子体聚焦设备,其教示了带有场畸变元件的等离子体聚焦设备,场畸变元件在底部末端的离开电极之间的绝缘材料套筒的电极间隙内。其结果是加速器的中子产量至少是不存在场畸变元件时(例如在刀片形状中)中子产量的五倍。

[0013] 对于聚变的大多数解决方案的进一步的困难是它们依赖于氘-氚燃料,该燃料产生了高能中子。中子在反应器结构内生成了感生放射性。中子能量也必须作为热被捕获且通过标准蒸汽循环转化为电力,这是非常昂贵的且妨碍了电力成本的任何明显降低。

[0014] 仅产生带电粒子的替代性的先进燃料克服了此问题。已长期认识到产生3个He4离子和8. 7MeV能量的pBll反应具有作为聚变燃料的很大的优点。它仅产生带电粒子且因此反应的能量可以直接转化为电力,从而避免了将热能通过涡轮机和机械发电机转化为电力的非常昂贵的步骤。这可能导致电力成本的急剧降低。另外,反应避免了可能感生放射性的中子的产生。次级反应Bll+He4->n+N14的确产生了占总能量的大致O. 2%的具有低能形式的中子,但它们具有太少的能量以致于不能激活反应器材料。已尝试在聚变反应器设计中使用PBll反应。

[0015] 用于在反场位形中的受控聚变以及直接能量转换的一种这样的方法和设备在授予Monkhorst等人的美国专利No7, 002,148、No6, 894,446和No6850011中教示,其教示了磁限制在FRC内的等离子体离子,而等离子体电子被静电限制在深的能阱中,该能阱通过调整外部施加的磁场而形成。离子和电子可以具有足够的密度和温度,使得它们在碰撞时通过核力聚合到一起,因此形成了具有环形束的形式的聚变产物。当聚变产物离子螺旋地通过逆回旋加速器转换器的电极时,从聚变产物离子移除能量。

[0016] 用于形成用于等离子体的磁限制和静电限制的反场位形的另一种方法和设备在授予Rostoker等人的美国专利No6, 891,911中教示,该专利教示了反场位形(FRC)磁拓扑,其中等离子体离子被磁限制在FRC内的稳定的非绝热轨道内。此外,电子被静电限制在深的能阱内,该能阱通过调整外部施加的磁场而形成。同时的电子静电限制和离子磁限制避免了反常的输运且便于对电子和离子的经典限制。在此位形中,离子和电子可以具有足够的密度和温度,使得在碰撞时它们通过核力聚合在一起,因此释放了聚变能量。此外,可以与本限制系统和方法一起使用的聚变燃料等离子体不限制于中子燃料,而且有利地包括先进的燃料。

[0017] 然而,这些尝试尚未成功,因为存在对于使用pBll的重大的技术挑战。为使用PBl I燃料,离子能量必须超过IOOKeV,同时带有超过3 X IO15粒子-秒/cc的密度与限制时间的积。Bll的较高的原子改变Z明显地增加了 X射线发射率,该发射率与Z2成比例,从而使得难于实现点燃,例如热核功率超过X射线发射的点。最后,将能量从离子束和X射线转换为电力必须以高效率进行。对于高能X射线,此问题尚未以实用的方式解决。前述的问题已在许多年以来被认识到且同时建议了多种解决方案,但它们都不能充分地在单一的装置内解决所有这些问题。

发明内容

[0018] 本发明人认识到需要产生X射线和离子束且同时不生成放射性且不生成或几乎不生成中子的紧凑且不昂贵的装置。认识到需要消除对于通常的氘-氚混合物的需求。本发明人认识到例如使用氢-硼反应的等离子体聚焦装置可以供给对环境安全、廉价且有效的无尽的能源。在此所披露的装置也产生了 X射线、离子束而不产生或几乎不产生放射性,且不具有中子或几乎不具有中子。在此披露的装置也可以实现核聚变且将聚变能量转换为电力。

[0019] 例如,本发明提供了用于产生X射线和粒子束的装置,装置具有同轴地定位的且至少部分地定位在反应室内的阳极和阴极,以在等离子体团上施加角动量。在一些实施例中,阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。在其他实施例中,螺旋形线圈围绕阴极定位以施加角动量。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕阴极定位的螺旋形线圈的阴极来施加角动量。在一些实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。在这些实施例中,阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。气体包含在反应室内以接触阳极和阴极,且气体源连接到反应室。电子放电源与阳极和阴极电连通以提供电子放电。电子放电导致在阳极周围形成了密集的磁限制的等离子体团,其能够发射一个或多个离子。

[0020] 本发明也提供了等离子体发生器以实现核聚变,其包括同轴地定位的且至少部分地定位在反应室内的阳极和阴极。阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。一般地,阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。硼烷燃料包含在反应室内。在一些实施例中,阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。在其他实施例中,螺旋形线圈围绕阴极定位以施加角动量。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕阴极定位的螺旋形线圈的阴极可以用于施加角动量。电子放电源与阳极和阴极电连通以形成围绕阳极的等离子体团。等离子体团导致从硼烷燃料发射一个或多个X射线和离子束。

[0021] 此外,通过本发明提供了用于产生X射线和粒子束的方法。方法包括将气体与和电子放电电连通的阳极和阴极相互连接。在一些实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。一般地,阳极半径在大约O. 25cm至大约1.5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。在一些实施例中,阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。在其他实施例中,螺旋形线圈围绕阴极定位以施加角动量。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕阴极定位的螺旋形线圈的阴极来施加角动量。电流用于通过越过阳极和阴极的电流脉冲放电形成等离子体鞘,且由电流鞘所生成的磁场使得等离子体团围绕阳极形成。作为等离子体团的磁场衰变的结果,一个或多个带电粒子和一个或多个X射线从等离子体团发射。

[0022] 本发明提供了产生X射线和粒子束的发生器,该发生器包括反应室和电子放电系统。反应室包括气体、围绕阳极同轴地定位且至少部分地定位在反应室内的阴极。电子放电系统包括与阳极和阴极电连通的电源。在一些实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。一般地,阳极半径在大约O. 25cm至大约1.5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。在一些实施例中,阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲。在其他实施例中,螺旋形线圈围绕阴极定位以施加角动量。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕阴极定位的螺旋形线圈的阴极来施加角动量。电源提供了围绕阳极的电子放电以从气体产生等离子体团,该等离子体团发射了一个或多个离子和一个或多个X射线。

[0023] 另外,一些实施例包括X射线能量转换器以用于直接将X射线发射转换为电能。用于直接将一个或多个X射线脉冲的发射转换为电能的X射线能量转换器与X射线脉冲源和能量存储单元连通。X射线能量转换器用于直接将X射线发射转换为电能。收集器包括与一个或多个电子收集器层电连通的一个或多个电子发射器层。一个或多个电子发射器层吸收一个或多个X射线,然后发射被一个或多个电子收集器层所吸收的电子。

[0024] 此外,通过本发明提供了将聚变能量转换为电能的方法。该方法包括使用X射线能量转换器和离子束转换器以捕获X射线和离子束能量,将捕获到的能量转换为电能且将电能存储在存储装置内。

附图说明

[0025] 为更完整地理解本发明的特征和优点,现在参考本发明的详细描述以及附图,其中:

[0026] 图I是本发明的等离子体聚焦装置的侧视图;

[0027] 图2是本发明的另一个实施例的侧视图,图中图示了包括螺旋形线圈的等离子体

8聚焦装置的多个电极;

[0028] 图3是本发明的一个实施例的顶视图,图中图示了等离子体聚焦装置的多个电极;

[0029] 图4是在磁场的影响下形成到等离子体丝的薄鞘内的电流的图像;

[0030] 图5是形成到等离子体团内的电流的图示;

[0031] 图6本发明的另一个实施例的透视图,图中图示了多个螺旋形的阴极;

[0032] 图7是本发明的另一个实施例的透视图,图中图示了包括螺旋形线圈的等离子体聚焦装置的多个螺旋形电极;

[0033] 图8是能量回收系统的示意图;

[0034] 图9是X射线的能量转换的示意图;

[0035] 图10是整个X射线收集器的示意图;

[0036] 图11是离子束收集器的示意图;

[0037] 图12是等离子体聚焦装置的总体电路的示意图;和

[0038] 图13是X射线收集器的冷却剂系统的图。

具体实施方式

[0039] 虽然本发明的多个实施例的形成和使用在下文中详细论述,但应认识到的是本发明提供了许多可应用的发明构思,这些构思可以在特定上下文的大范围内实施。所使用的术语和在此论述的特定的实施例仅图示说明制作和使用本发明的特定的方式,且不限制本发明的范围。

[0040] 为便于理解本发明,在下文中限定了多个术语。在此限定的术语具有与本发明相关的领域内的一般技术人员通常所理解的含义。例如“一”、“一个”和“该”的术语不意图于仅指单数的实体,而是包括总的类别,该总的类别的特定的例子可用于图示说明。在此的术语用于描述本发明的特定的实施例,但它们的使用不限制本发明,除非如在权利要求书中概述的那样。

[0041] 本发明的等离子体聚焦装置包括嵌套的电极设计,该电极设计具有中心定位在一个或多个为施加角动量而定位的阴极间的空心的圆柱形阳极。在一个实施例中,一个或多个阴极以螺旋角定位,该角取决于特定的应用,但总的在大约O. 3度的范围内,但可以在大约O. 05度到大约10度之间。另一个实施例使用了围绕阴极定位的螺旋形线圈以施加角动量。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕其定位的螺旋形线圈的阴极来施加角动量。

[0042] 一般地,本发明提供了用于产生X射线和离子束的且实现了核聚变和从聚变能量生成电力的装置,该装置包括施加角动量的机构,以在填充了气体的反应室内生成密集的磁限制的等离子体团,该反应室生成了一个或多个粒子和X射线。在一些实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。在这些实施例中,阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。在本发明的一些实施例中,阴极具有施加角动量的螺旋形扭曲或围绕阴极定位以施加角动量的螺旋形线圈。替代地,可以用带有螺旋形扭曲和围绕其定位的螺旋形线圈的阴极来施加角动量。

[0043] 例如,本发明也提供了用于产生X射线和粒子束的装置,该装置具有同轴地定位的阳极和阴极,且成形为在等离子体团和包含在反应室内的气体上施加角动量。该装置包括与阳极和阴极电连通的电子放电源,且作为电子放电的结果,密集的磁限制的等离子体团围绕阳极形成且发射一个或多个粒子和X射线。

[0044] 反应室容纳了阳极、阴极和气体。一般地,反应室是真空室,具有用于阳极和阴极和电子放电源的其他部件的连接件。另外,反应室可以具有一个或多个连接件,以允许引入一个或多个气体到反应室内和/或去除反应室内的一个或多个气体。本领域一般技术人员将认识到特定的反应室的形状和尺寸将取决于电极的尺寸、电极的位置、室的体积等。

[0045] 阳极和阴极通过绝缘体分开且同轴地并至少部分地在反应室内定位。本发明提供了定位为在等离子体团上施加角动量的阴极。阴极可以相对于底部或阳极成角度定位以引入角动量。阴极的相对角度取决于特定的实施例的特定的设计,并考虑到待增加或去除的角动量的大小。例如,本发明的阴极提供了向等离子体团施加角动量的围绕阳极的螺旋形构造。本发明的一个实施例提供的电极具有大约4cm的长度,大约O. 3度的螺旋形倾斜或大约200G的初始轴向磁场。对于其他电极,倾斜可以从O. 05度变化到10度,且磁场从5G变化到IOOOG0

[0046] 在用于聚变能量生成的实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。在这些实施例中,阳极半径在大约O. 25cm至大约1. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。在用于非聚变应用的实施例中可以使用或可以不使用这些高场电极。

[0047] 阳极和阴极可以单独地由多种材料构造。例如,一个材料是铍,这允许高X射线发射大部分通过铍。另一个可以用于构造阳极和/或阴极的材料是铜;然而,高X射线发射将迅速地腐蚀铜阳极。另外,阴极和/或阳极可以部分地由金属(例如,招,铜,招,铍,铬,铜,金,镍,钥,钯,钼,银,钽,钛,钨和锌)和合金(例如,铜合金,铍合金,铜铍合金,铝合金和其他金属合金)制造。阴极和/或阳极也可以包括多种搀杂,例如铍,鹤,钥,铼等。

[0048] 本发明的另一个实施例使用磁场施加角动量,该磁场由围绕阴极定位的螺旋形线圈感应出。也施加了角动量的螺旋形线圈生成了初始轴向磁场。另外,螺旋形线圈可以连接到相对于主电源独立地加电的分开的电源。本发明的等离子体聚焦装置的再另一个实施例使用嵌套的电极设计将角动量引入,该嵌套的电极设计具有空心的圆柱形阳极,其中心定位在一个或多个定位为施加角动量的螺旋形的阴极和生成了磁场以施加角动量的围绕一个或多个螺旋形电极定位的螺旋形线圈中。

[0049] 将阳极和阴极分开的绝缘体可取决于特定的应用由多种材料制成。例如,绝缘体材料可以至少部分地由石英,派热克斯(pyrex)玻璃,熔岩石,陶瓷,陶瓷氧化物和铝,铍,硼,钙,硅,钠和锆的氮化物,碳化硼和其组合制成。另外,绝缘体可以通过常规过程加工、形成或成形到所期望的尺寸、形状、厚度和外形。也可以使用其他的绝缘材料,例如陶瓷,陶瓷氧化物和由铝,铍,硼,钙,硅和锆制成的氮化物,例如,氧化铝(Al2O3),氮化硅(Si3N4),氮化铝,氧化铍(BeO),碳化硼(B4C),氧化锆(ZrO2)和其组合。绝缘体材料的选择将取决于装置的尺寸和电流范围。

[0050] 一般地,可以从用作离子源的多种气相分子生成等离子体。例如,在本发明中用于生成聚变能量的气体包括癸硼烷(BltlH14)和戊硼烷。癸硼烷是是化合物,其是优秀的源材料,因为每个癸硼烷分子在汽化和离子化时可以提供十个硼原子的分子离子。然而,例如氢硼化物和硼烷的其他含硼的化合物也可以使用,例如硼烷,乙硼烷,己硼烷,庚硼烷,壬硼烷,辛硼烷,丙硼烷和丁硼烷。当装置用于非聚变应用时,可以使用许多其他的气体,包括氢,氦,甲烷,氮,氩,氖和氙。

[0051] 本发明生成了一个或多个粒子,包括一个或多个离子束、一个或多个X射线或其组合。对于聚变生成应用,能量转换装置可以用于将离子束能和X射线能转换为电能。能量转换装置包括离子束转换器和X射线转换器。离子束转换器和X射线转换器可以合并到一个装置内或在分开的装置内,这取决于特定的应用的需要。在用于聚变应用的一些实施例中,仅使用转换器之一或不使用转换器。对于非聚变应用,不需要使用能量转换装置。

[0052] X射线能转换器可以与反应室通过例如铍的合适材料的薄壁分开;然而,本领域一般技术人员将认识到可以使用其他材料。X射线能转换器包括与一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层电连通的一个或多个电容器。一个或多个电子发射器层吸收X射线且发射电子,电子然后被一个或多个电子收集器层吸收。X射线能转换器可以是一系列定位为收集不同能级的X射线的一个或多个X射线能转换器。例如,一个或多个X射线能转换器可以同心地嵌套,其中每个X射线能转换器具有一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层。另外,X射线能转换器可以具有一个或多个电子发射器层或一个或多个电子收集器层,其中一些层可以同心地嵌套以收集不同能级的X射线。一个或多个电子发射器层吸收X射线且发射电子,电子然后被一个或多个电子收集器层吸收。类似地,一个或多个电子收集器层可以定位为吸收不同能量的发射。一般地,一个或多个电子收集器层的每个通过相对于下一个电子收集器层大约15%至大约25%之间的电压分开;然而,电子收集器层可以通过相对于下一个电子收集器层大约10%至大约30%之间的电压分开,这取决于特定的应用。

[0053] 本发明的另一个实施例包括用于从聚变能量生成电力的等离子体发生器。发生器包括同轴地且至少部分地在反应室内定位的阳极和阴极,其中阴极施加角动量。阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加高磁场,阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。具有气态形式的硼烷燃料源包含在反应室内。电子放电源与阳极和螺旋地扭曲的阴极电连通以形成围绕阳极的等离子体团以用于从硼烷燃料源发射一个或多个X射线和离子束。

[0054] 本发明包括用于以与电子放电源电连通的阳极和至少部分地螺旋形的阴极从气体产生X射线和粒子束的方法。带有磁场的等离子体鞘通过越过阳极和至少部分地螺旋形的阴极的电流脉冲的放电而形成,以形成围绕阳极的等离子体团。作为等离子体团的磁场衰变和等离子体团、电子和离子的碰撞的结果,从等离子体团发射出一个或多个带电粒子和X射线。

[0055] 容纳了阳极、阴极和气体的反应室是具有用于阳极和阴极和电子放电源的其他部件的连接件的真空室。气体可以是硼烷或其他气体,包括氢,氦,氮,甲烷,氖,氩或氙。另外,反应室可以具有一个或多个连接件以允许引入一个或多个气体到反应室内和/或反应室内去除一个或多个气体。在一些实施例中,反应室定位为使得在反应室和粒子捕获装置之间具有连通。一般技术人员将认识到特别的反应室的形状和尺寸将取决于电极的尺寸、电极的位置、室的体积等。[0056] 阳极和阴极同轴地至少部分地在反应室内定位且通过绝缘体分开。本发明提供了带有特定形状的阴极,其通过将阴极以角度定位以诱发角动量,从而在等离子体团上施加角动量。考虑到增加或去除的角动量的大小,相对角度取决于特定实施例的特定的设计。

[0057] 阳极和阴极可以单独地由多种材料构建,例如铍、铜等,这允许高的X射线发射主要地通过铍。另一个可以用于构建阳极和/或阴极的材料是铜;然而,高X射线发射将迅速地腐蚀铜阳极。另外,阴极和/或阳极可以部分地由金属(例如,招,铜,招,铍,铬,铜,金,镍,钥,钯,钼,银,钽,钛,钨和锌)和合金(例如,铜合金,铍合金,铜铍合金,铝合金和其他金属合金)制造。阴极和/或阳极也可以包括多种掺杂,例如铍,鹤,钥,铼等。

[0058] 用于产生X射线、离子束和/或粒子束的方法包括嵌套的电极设计,该嵌套的电极设计具有空心的圆柱形阳极,其中心定位在一个或多个定位为施加角动量的阴极中。一个或多个螺旋形的阴极以螺旋形角度定位,角度取决于特定的应用,但一般地大约O. 3度,但可以在大约O. 05度到大约10度之间的范围内。

[0059] 用于产生一个或多个粒子的本发明的另一个实施例包括由绕阳极和阴极定位的螺旋形线圈生成的磁场。初始轴向磁场通过螺旋形线圈生成,该螺旋形线圈随后又施加了角动量。另外,螺旋形线圈可以连接到分开的电源,该分开的电源与主电源分开地加电。

[0060] 在另一个实施例中,阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。在这些实施例中,阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。

[0061] 将阳极和阴极分开的绝缘体可以取决于特定的应用由多种材料制成。例如,绝缘体材料可以至少部分地由石英,派热克斯玻璃,熔岩石,陶瓷,陶瓷氧化物和铝,铍,硼,钙,硅,钠和锆的氮化物,碳化硼和其组合制成。另外,绝缘体可以通过常规工艺的机械加工、形成或成形到希望的尺寸、形状、厚度和外形。也可以使用其他的绝缘材料,例如陶瓷,陶瓷氧化物和由铝,铍,硼,钙,硅和锆制成的氮化物,例如,氧化铝(Al2O3),氮化硅(Si3N4),氮化铝,氧化铍(BeO),碳化硼(B4C),氧化锆(ZrO2)和其组合。绝缘体材料的选择将取决于装置的尺寸和电流范围。

[0062] 本发明包括用于以与电子放电源电连通的阳极和至少部分地螺旋形的阴极从燃料产生聚变能量且将聚变能量转换为电能的方法。带有磁场的等离子体鞘通过越过阳极和至少部分地螺旋形的阴极的电流脉冲的放电而形成,以形成围绕阳极的等离子体团。作为等离子体团的磁场衰变的结果,一个或多个带电粒子和X射线从等离子体团发射。带电粒子加热了等离子体团,从而导致聚变反应发生且聚变能量以X射线和带电粒子束的形式被释放。

[0063] 气体可以是癸硼烷(B10H14)或戊硼烷。癸硼烷是是化合物,其是优秀的源材料,因为每个癸硼烷分子在汽化和离子化时可以以正确的比例提供硼和氢离子。然而,例如氢硼化物和硼烷的其他含硼的化合物也可以使用,例如硼烷,乙硼烷,己硼烷,庚硼烷,壬硼烷,辛硼烷,丙硼烷和丁硼烷。

[0064] 容纳了阳极、阴极和气体的反应室是具有用于阳极和阴极和电子放电源的其他部件的连接件的真空室。另外,反应室可以具有一个或多个连接件以允许引入一个或多个气体到反应室内和/或反应室内去除一个或多个气体。在一些实施例中,反应室定位为使得在反应室和粒子捕获装置之间具有连通。一般技术人员将认识到特别的反应室的形状和尺

12寸将取决于电极的尺寸、电极的位置、室的体积等。

[0065] 阳极和阴极通过绝缘体分开且同轴地至少部分地在反应室内定位。本发明提供了带有在等离子体团上施加了角动量的形状的阴极,这通过将阴极以角度定位以引入角动量来实现。相对角度取决于特定实施例的特定的设计,考虑到添加或去除的角动量的量。

[0066] 阳极和阴极可以单独地由多种材料构建,例如铍、铜等,其允许高的X射线发射主要地通过铍。另一个可以用于构建阳极和/或阴极的材料是铜;然而,高X射线发射将迅速地腐蚀铜阳极。另外,阴极和/或阳极可以部分地由金属(例如,招,铜,招,铍,铬,铜,金,镍,钥,钯,钼,银,钽,钛,钨和锌)和合金(例如,铜合金,铍合金,铜铍合金,铝合金和其他金属合金)制造。阴极和/或阳极也可以包括多种搀杂,例如铍,鹤,钥,铼等。

[0067] 用于将聚变能量转换为电能的方法包括生成由一个或多个离子束、一个或多个X射线或其组合形成的一个或多个粒子。粒子捕获装置用于回收一个或多个粒子且包括离子束能量回收电路和X射线能量转换器,它们可以合并到一个装置内或在分开的装置内,这取决于特定的应用的需要。

[0068] X射线能量转换器包括与一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层电连通的一个或多个电容器。一个或多个电子发射器层吸收X射线并发射电子,电子然后被一个或多个电子收集器层吸收。X射线能转换器可以是一系列定位为收集不同能级的X射线的一个或多个X射线能转换器。例如,一个或多个X射线能转换器可以是同心地嵌套的一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层,以收集不同能级的X射线。类似地,一个或多个电子收集器层可以是一系列定位为吸收不同能量的发射的一个或多个电子收集器层,且一个或多个电子发射器层可以是一系列一个或多个电子发射器层。一般地,一个或多个电子收集器层的每个相对于下一个电子收集器层的电压相差大约15%至大约25%;然而,电子收集器层可以相对于下一个电子收集器层的电压相差大约10%至大约30%,这取决于特定的应用。

[0069] 将聚变能量转换为电能的方法包括嵌套的电极设计,该嵌套的电极设计具有空心的圆柱形阳极,其中心定位在一个或多个为施加角动量而定位的阴极中。一个或多个螺旋形的阴极以螺旋形角度定位,角度取决于特定的应用,但一般地大约O. 3度,但可以在大约O. 05度到大约10度之间的范围内。

[0070] 用于产生一个或多个粒子的本发明的另一个实施例包括由绕阳极和阴极定位的螺旋形线圈生成的磁场。初始轴向磁场通过螺旋形线圈生成,该螺旋形线圈随后又施加了角动量。另外,螺旋形线圈可以连接到分开的电源,该分开的电源与主电源分开加电。

[0071] 阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径,其施加了高磁场。阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。

[0072] 将阳极和阴极分开的绝缘体可以取决于特定的应用由多种材料制成。例如,绝缘体材料可以至少部分地由石英,派热克斯玻璃,熔岩石,陶瓷,陶瓷氧化物和铝,铍,硼,钙,硅,钠和锆的氮化物,碳化硼和其组合制成。另外,绝缘体可以通过常规工艺的机械加工、形成或成形到希望的尺寸、形状、厚度和外形。也可以使用其他的绝缘材料,例如陶瓷,陶瓷氧化物和由铝,铍,硼,钙,硅和锆制成的氮化物,例如,氧化铝(Al2O3),氮化硅(Si3N4),氮化铝,氧化铍(BeO),碳化硼(B4C),氧化锆(ZrO2)和其组合。绝缘体材料的选择将取决于装置的尺寸和电流范围。

[0073] 本发明也包括用于产生聚变能量且将能量转换为电能的生成器,生成器包括反应室,电子放电系统,能量转换装置,开关和能量存储装置以及冷却系统。反应室包括气体,阳极,围绕阳极同轴定位的螺旋形的阴极,且可以包括围绕阴极定位的螺旋形线圈。阳极半径在大约O. 25cm至大约I. 5cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间,且阴极半径在大约O. 5cm至大约3cm乘以装置内的以兆安为单位的峰值电流之间。电子放电系统与螺旋形线圈、阳极和阴极以及电源电连通。通过螺旋形线圈生成初始轴向磁场以施加角动量,且作为电子放电的结果围绕阳极形成了等离子体团,以从气体发射一个或多个粒子。燃料在等离子体团内生成了聚变能量且以X射线和离子束的形式释放该聚变能量。能量通过离子束转换器和X射线转换器转换为电力且存储在电存储装置内。

[0074] 本发明也包括用于直接将X射线发射转换为电能的X射线能量转换器,该X射线能量转换器具有与一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层电连通的一个或多个电容器。一个或多个电子发射器层吸收了 X射线且发射了电子,电子然后被一个或多个电子收集器层吸收。X射线能转换器可以是一系列定位为收集不同能级的X射线的一个或多个X射线能转换器。例如,一个或多个X射线能转换器可以是同心地嵌套的一个或多个电子发射器层和一个或多个电子收集器层以收集不同能级的X射线。类似地,一个或多个电子收集器层可以是一系列定位为吸收不同能量的发射的一个或者多个电子收集器层,且一个或多个电子发射器层可以是一系列一个或多个电子发射器层。一般地,一个或多个电子收集器层的每个通过相对于下一个电子收集器层大约15%至大约25%之间的电压分开;然而,电子收集器层可以通过相对于下一个电子收集器层大约10%至大约30%之间的电压分开,这取决于特定的应用。

[0075] 图I是本发明的等离子体聚焦装置10的侧视图。等离子体聚焦装置10包括嵌套的电极设计,具有两个嵌套在彼此内的电极。外部电极,即阴极12包括多个均匀地间隔开的棒,而内部电极,即阳极14是空心的圆柱体。绝缘体16包围了阳极14的底部。阴极12和阳极14封闭在真空室(未示出)内,低压气体填充在阴极12和阳极14之间的空间。阳极14通过一个或多个电容器组18和一个或多个开关20连接到阴极12。例如,本发明的等离子体聚焦装置10的一个实施例包括嵌套在彼此内的两个圆柱形铍电极。阴极12和阳极14封闭在真空室(未示出)内,低压气体(例如癸硼烷)填充在它们之间的空间内以供给用于反应的燃料。

[0076] 图2是本发明的另一个实施例的侧视图,图中图示了包括螺旋形线圈的等离子体聚焦装置10的多个电极。等离子体聚焦装置10包括具有两个嵌套在彼此内的电极的嵌套的电极设计。外部电极,即阴极12包括多个均匀地间隔开的棒,而内部电极,即阳极14是空心的圆柱体。阴极的个数将取决于特定的应用,例如从大约2个到大约50个。绝缘体16围绕了阳极14的底部。阴极12和阳极14封闭在真空室(未示出)内,低压气体填充了它们之间的空间。阳极14通过一个或多个电容器组18和一个或多个开关20连接到阴极12。螺旋形线圈12围绕阴极12和阳极14定位,因此电能产生了磁场,而磁场又施加了角动量。螺旋形线圈22连接到开关26和电源24。电源24可以与供给到等离子体聚焦装置10的功率分开,从而允许螺旋形线圈22与主电源分开加电,可替代地,可以将同一个电源用于二者。螺旋形线圈22的位置和围绕阴极12和阳极14的圈数将取决于特定的应用而变化。

[0077] 图3是本发明的一个实施例顶视图,图中图示了等离子体聚焦装置10的多个电极。等离子体聚焦装置10包括具有两个嵌套在彼此内的电极的嵌套的电极设计。外部电极,即阴极12包括多个均匀地间隔开的棒,而内部电极,即阳极14是空心的圆柱体。阴极的个数将取决于特定的应用,例如从大约2个到大约50个。绝缘体16围绕了阳极14的底部。阴极12和阳极14封闭在真空室(未示出)内,低压气体填充了它们之间的空间。阳极14通过一个或多个电容器组(未示出)和一个或多个开关(未示出)连接到阴极12。

[0078] 图4是在磁场的影响下形成到等离子体丝的薄鞘内的电流的图像。当电流移动时,形成了等离子体丝的薄鞘,且在图I中可见。在运行中,来自电容器组的电力脉冲越过电极放电。对于大约数个微秒,强电流从外部电极通过气体流动到内部电极,且电流开始加热气体且形成了强磁场。电流在其自身磁场的引导下使得自身形成到等离子体丝的薄鞘内。

[0079] 图5是使用本发明形成等离子体团的图示。等离子体丝的薄鞘行进到阳极的端部,在此处由电流产生的磁场将等离子体箍缩且扭曲为仅数微米跨度的微小的密集球,它称为等离子体团。当在等离子体团内的磁场能开始降低时,改变的磁场感生了电场,该电场导致电子束在一个方向上流动且离子束在另一个方向上流动。电子束加热了等离子体团内的电子且电子又加热了例如氢和硼的反应器燃料的离子,这就产生了聚变反应。从等离子体团发射了具有强的聚焦离子束和X射线脉冲的形式的能量。等离子体团存在了数个纳秒到数十个纳秒的时间。

[0080] 图6是本发明的另一个实施例的透视图,图中图示了等离子体聚焦装置110的多个电极,其中螺旋形的阴极被倾斜。等离子体聚焦装置110包括具有两个嵌套在彼此内的电极的嵌套电极设计。外部螺旋形的电极,即螺旋形的阴极112,包括多个均匀地间隔开的棒,而内部电极,即阳极114,是空心的圆柱体。绝缘体116围绕了阳极114的底部。螺旋形的阴极112被倾斜以施加角动量。倾斜角取决于特定的应用。例如,一个实施例具有O. 3度的倾斜角;然而,倾斜的范围可以从大约O. 05度到大约10度。螺旋形的阴极112和阳极114被封闭在真空室(未示出)内,低压气体填充了它们之间的空间。阳极114通过一个或多个电容器组118和一个或多个开关120连接到螺旋形的阴极112。例如,本发明的等离子体聚焦装置110的一个实施例包括嵌套在彼此内的两个圆柱形铍电极。螺旋形的阴极112和阳极114被封闭在真空室(未示出)内,其中低压气体(例如癸硼烷)填充在它们之间的空间内以供给用于反应的燃料。

[0081] 图7是本发明的另一个实施例的透视图,图中图示了包括螺旋形线圈的等离子体聚焦装置110的多个电极。等离子体聚焦装置Iio包括具有两个嵌套在彼此内的电极的嵌套的电极设计。外部电极,即一个或多个螺旋形的阴极112,包括多个均匀地间隔开的棒,而内部电极,即阳极114,是空心的圆柱体。一个或多个螺旋形的阴极112以螺旋角度定位或倾斜以施加角动量。倾斜角取决于特定的应用。例如,一个实施例具有O. 3度的倾斜角•’然而,倾斜的范围可以从大约O. 05度到大约10度。一个或多个螺旋形的阴极112的个数将取决于特定的应用,例如从大约2个到大约50个。绝缘体116围绕了阳极114的底部。一个或多个螺旋形的阴极112和阳极114被封闭在真空室(未示出)内,低压气体填充了它们之间的空间。阳极114通过一个或多个电容器组118和一个或多个开关120连接到一个或多个螺旋形的阴极112。螺旋形线圈122围绕电极定位,因此电能产生了磁场,而磁场又施加了角动量。螺旋形线圈122连接到开关126和电源124。电源124可以与供给到等离子体聚焦装置110的功率分开,从而允许螺旋形线圈122能与主电源分开加电,可替代地,可以将同一个电源用于二者。

[0082] 图8是能量回收系统的示意图。本发明的等离子体聚焦装置10连接到第一开关30和第二开关32。第一开关30和第二开关32都连接到主电容器组34。主电容器组34可以包含一个或多个成组布置的电容器,或可以包含一个或多个布置为多组的电容器,其又布置在电容器组内。第一开关30也连接到次级电容器组36。

[0083] 图9是X射线的能量转换的示意图。X射线脉冲38可以通过光电效应而以高效率转换为电力。转换器基本上是带有多个薄金属膜层的电容器。一个类型的膜,即类型A的膜40用作一个或多个电子42的发射器,从而将X射线38的能量转换为数千电子伏的电子42的能量。类型A的膜40也用作电容器的地电极。第二类型的膜,即类型B的膜44用于收集发射出的电子42且用作电容器的阴极电极46。在单个的层中,X射线38冲击在金属的类型A的膜40上,从而导致一定范围能量的电子42的发射。这些电子42行进通过一系列非常薄的类型B的膜44,这些膜44通过外部电路最初被充电到电压的上升序列。当电子42接近充电至高于其能量(以电子伏为单位)的更高的电压V的电极46时,它们返回且被下一个较低的电极46吸收。

[0084] 为了在X射线38的能量到电子42的能量的转换中具有高的效率,转换器设计必须保证几乎所有X射线38都吸收在类型A的膜40内,且非常少的电子能量在离开类型A的膜40前被吸收。另外,在薄的类型B的膜44内的X射线吸收率必须通过合适地选择材料而被最小化。

[0085] 图10是总体X射线收集器的示意图。X射线收集器46包括一个或多个金属层48a-48i,它们通过间隙层50a-50h分开。一个或多个金属层48a至48i的成分可以取决于特定的实施例而变化。例如,金属层48a、48b和48c含有铝,金属层48d和48e含有铜,而金属层48e,48f和48g含有钨。类似地,间隙层50a至50h的成分可以取决于特定的实施例而变化。例如,间隙层50a、50b和50c可以是铝或铍,而50g是钨。但本领域一般技术人员将认识到以上的例子意图于图示目的且其他金属可以以不同的次序和成分被使用。

[0086] 图11是离子束收集器的示意图。离子束收集器52与回旋管54连通,以将离子束有效地耦合到RF脉冲。在另一个实施例中,离子束收集器52与超高频放大管转换器(未示出)连通。可以使用一系列通过紫外光激活的快速开关56,从而将RF脉冲耦合到快速存储电容器,使得当电容器58被充电时开关56断开,从而防止能量流回到谐振器内。离子束在飞行中扩散,但在其达到回旋管54时仍具有短的脉冲长度,从而造成了迅速变化的磁场;这使得更容易优化有效的设计以将能量耦合到电路。离子束收集器52的高功率要求仔细地设计电路以在合理的电势下将电力链接转移到电容器58内。基本考虑对于本领域一般技术人员是清楚的。

[0087] 图12是等离子体聚焦装置的总体电路图。总体电路60包括与X射线收集器46和离子束收集器52连通的等离子体聚焦装置10。等离子体聚焦装置10连接到第一开关62和第二开关64。第一开关62连接到主电容器组66且连接到电网68。第二开关64连接到主电容器组66和次电容器组70。主电容器组66和次电容器组70通过电容器开关72连接。X射线收集器46连接到X射线收集器开关74,X射线收集器开关74连接到次X射线收集器电容器76。次X射线收集器电容器76连接到X射线收集器46和X射线收集器开关78,其又连接到主电容器组66。离子束收集器52连接到离子束收集器开关80和离子束电容器组82。离子束收集器开关80也连接到离子束电容器组82。离子束电容器组82连接到第二离子束收集器开关84,第二离子束电容器开关84然后连接到主电容器组66。本领域一般技术人员将认识到存在本发明的许多不同的构造,且本图仅是本发明人的许多构思中的一个。

[0088]图13是X射线收集器的冷却剂系统的图。因为离子束能量转换系统具有大的表面积且残余热在其内分布,所以对其的冷却相对地简单。然而,在X射线转换系统86的情况中,必须小心,以避免因使得不导电的冷却剂(例如硅树脂)通过许多非常窄的都径向向着等离子体团定向的成对导管86而导致由冷却剂自身阻挡X射线或电子。X射线收集器46由通过导管86分开的一个或多个金属层(未示出)和间隙层(未示出)制成。如果冷却剂板典型地分开数十微米,则它们吸收了少于大约I %的辐射,但仍能携带充足的冷却剂流以从X射线转换装置去除大约2MW的废热。每隔数度地径向走向通过装置的冷却剂板也可以用于为薄膜电极给予机械支承。

[0089] 反应器燃料可以是氢-硼源。氢-硼燃料(pBll)的一些例子是硼烷化合物,例如癸硼烷。氢-硼聚变(P+B11)是希望的聚变燃料,因为它释放了 8. 7MeV作为α粒子(4He)的动能。氢-硼聚变仅使用稳定同位素且仅产生带电粒子。聚变反应器可以容易地以大约80 %的效率将带电粒子的能量最终产物转换为电力。

[0090] 高磁场效应的描述。Bll的更高的原子变化Z显著地增加了 X射线的发射率,该发射率与Z2成比例,从而使得难于实现点燃,例如在热核功率超过X射线发射的点。本发明使用了如下将描述的详细定量的等离子体聚焦理论和高磁场效应(HMFE)克服了这些困难。首先由McNally指出的此效应涉及在存在强磁场时降低从离子向电子的能量传递。这又降低了电子温度且因此降低了韧致辐射发射。

[0091] 对于离子与回旋频率的电子碰撞,对于冲击参数 能量传递迅速下降,

b>%

其中vi是离子速度,因为在此情况中电子在碰撞期间有时被加速且其余时间被减速,使得平均能量传递低。这意味着bmax比Debye长度λΒ小了一个因子ν ω其中ωρ是等离子

mvf

体频率,且Vrt是电子热速度。因此,在标准能量损失公式中的库仑对数降低到

Ln ( )。

[0092] 此公式对于其中离子与较慢地移动的电子碰撞的碰撞是近似有效的,这仅是其中离子失去能量的碰撞。但对于其中电子失去能量给离子的较快移动的电子与离

mv]t

子的碰撞,同理,库仑对数为 [如果1>>νρ则对于足够大的值hcog,换言

Ln ( h(S )。

mv] mvf

之,对于足够大的B, T-可以远高于 忽略平行于场的动量传递,当

Ln ( hcg ) Ln ( )。

[2]时出现稳态。

[0093] 此效应已在数个情况中对于带有相对地弱场的聚变等离子体进行了研究,其中其显示为具有较小的效应,例如见J. Galambos和G. H. Miley0已在中子星的情况中进行了更广泛地研究,例如G. S. Miller、E. E. Salpeter和I. Wasserman0然而,直至本研究,尚未应用于密集等离子体聚焦(DPF)等离子体团,其无需力的位形和非常强的磁场使得该效应远更重要,例如Lerner的“具有密集等离子体聚焦的PllB聚变前景:新结果”。

[0094] 密集等离子体聚焦装置产生了热点或等离子体团,微米尺寸的磁性自持的位形带有数纳秒至数十纳秒的寿命时间。在这些等离子体团内,等离子体加热到高能量且发生了聚变反应。这样的等离子体团已经被观察到具有高达400MG的磁场,且密度超过1021/cc。

[0095] 为向无需力的位形的DPF等离子体团施加磁场效应,可以在这些等离子体团内忽

略平行于场的小角度动量传递,因为离子速度非常接近于局部磁场方向和

其中Θ是离子速度和B场方向之间的角度。

[0096] 在无需力的位形中,例如形成了等离子体团的环形涡旋,由于碰撞而被扰动的离

子在

量级的时间内返回到局部场线,因此

其中COcd是离子碰撞频率。对于癸硼

烷等离子体

对于Ti = 60keV,等离子体团条件的例子在Iii = 3xl021, B = 400MG,Θ^.ΟΙ中获得。对于示例性的接近盈亏平衡条件,对于Ti = 600keV,ni = I. 4xl024,B = 16GG,θ 二0~.004。小角度的平行动量传递仅对于非常高的叫和TiWOkeV的组合才是显著的,这一般不发生,除非在密集等离子体团的加热和压缩的非常短的早期阶段期间。在等离

mvf

子体团内的高的B生成了

的状态。在此情况中,磁效应非常大,以上的公式不适用

cuS < j

且必须考虑量子效应。这样的情况以前对于聚变应用尚未被研究过,但已经在落到中子星上的质子的情况中被详尽地分析过。

[0097] 在强磁场中,因为角动量被以h为单位量子化,所以电子仅可能具有离散的能级,术语称为朗道(Landau)能级(例如,忽略平行于磁场的运动):

[0098]

[0099] 从另一个方式考虑,电子不能具有小于其德布罗意(DeBroglie)波长的回旋半径。

[0100] 因为最大动量传递是mv,其中V是相对速度,所以对于

几乎没有激发

电子到下一个朗道能级发生,因此非常小的能量可以在这样的碰撞中传递给电子。再次忽略电子自身的沿场线的运动,因此条件在如下情况时发生:

[0102] 对于Ei = 300keV,这意味着在对于P,B>14GG,对于α,B>3. 5GG,且对于11B,B〉I. 3GG。如将在下文中示出,这样的场强可由DPF获得。

[0103] 如果TethEb,则必须考虑电子沿场线的运动,这可能增加碰撞的相对速度V。在经典情况中,离子将仅从VepaKvi的电子失去能量。因为对于这些碰撞v〈2vi,如果EZ1/2 (M/m) Eb,则能量损失仍将非常小,这可能对于硼原子核发生。

[0104] 然而存在这样的现象,其阻止了到电子的能量损失落入可忽略的水平。在经典情况中,仅考虑沿力线的运动,如果电子速度与离子速度相反,与较快地移动的电子碰撞的离子将失去能量,但如果它们的方向相同(例如电子追上离子),则将获得能量。在后者情况中,相对速度低于前者情况,且因为能量传递随相对速度的降低而增加,所以存在到离子的净能量收益。对于移动快于电子的离子,离子超过电子且因此失去能量,而与电子移动方向无关。因此,离子仅向比离子移动更缓慢的电子失去能量。

[0105] 然而,在一些情况中,离子可能失去能量到移动比离子快的电子。考虑沿场线移动的离子与在基态朗道能级中的电子碰撞的情况。如果Vepm使得m (Vi+Vepar) 2>2Eb而m(Vi-Ve_)2〈2Eb,则由于离子与相反方向上的电子的碰撞导致的能量损失将远超过在相同方向上碰撞所获得的能量,因为在第一情况中电子可以激发到较高的Landau级,但在第二情况中不能如此。在任一情况中,电子都不可以像处于基态那样由于垂直的运动而给予离子能量。因此,此考虑不适用于高于基态的电子,这些电子将失去能量到移动更慢的离子。

[0106] 如果TethEb,且假定麦克斯韦分布(Maxwellian distribution),则在基态的电

子个数将与速度空间中的体积成比例。这样的处于基态的电子的个数将为〜JiviEb,而在

非磁性麦克斯韦分布中比Vi移动更慢的电子的个数将为〜(8/3) ViEiOVM),因此对于

Ei〈Eb,将磁性与非磁性情况相比,将存在因数为的有效碰撞率的增加。同

獅髓,城棚ί生傲财Vi麗白勺獅髓雛,至IJ針

电子的能量损失率将远远更低。这将对于磁性情况的能量损失降低了一个因子Ei(iyEh

将这两个因子组合,显见的是在磁性情况中,对于Ei〈Eb,库仑对数项趋向于常数值,而与Ei无关。

[0107] 对于带有无量纲的温度T = Ti/Eb (M/m)的给定离子的麦克斯韦分布,In A的确切值的计算开始于对于沿场线移动的离子与假定为静止的电子碰撞的InA,的量子力学计算。此结果由Nelson,Saltpeter和Wasserman计算出:

[0108] 1ηΛ’(ν)=(去)v(士)_ exp(2 ν2)Γ(0,2ν2)

[0109] 其中V是无量纲的离子速度ViAv且ν〈1。对于ν>1,相同的来源作为良好的近似给出了 :

[0110] InA' (V) = ln(2v2)

[0111] 为确定对于速度V的离子与温度为TrthEb的基态电子碰撞的有效InA " (V),可以使用这些公式,将V,作为相对速度替代。首先考虑其中v〈l且V,〈I的情况。存在相等个数的带有相对于V的正向或负向速度移动的电子,因此在V' =V-Ve^PV' =V-Ve^A假设下进行积分,其中\是vyvb。对于v>\,两个情况都对于离子能量损失有贡献,而对于v<ve, v+ve的情况增加了离子能量损失,而的情况减少了离子能量损失。考虑到1/V与能量损失率有关,由V〈I的碰撞对于InA " (V)的贡献为:

[0113] 数值积分显示,对于所有V'〈1,此积分为O。虽然单独的碰撞可能增加或减少能量,但当相对速度过低以致于无法将电子激发出基态时,将总的不存在净能量传递,正如所预期的那样。这剩下了其中V >1的情况。如果v+ve>l+2v,则也有ve-v>l,且在这些情况中因为(仍考虑v〈l),所以离子获得净能量。因此,可能仅当l〈V+Ve〈l+2v时发生附加的能量损失。因此,附加的项(对于全部的InA " (V)的整体贡献)为:

[0115] 此表达式对于0. 2〈v〈0. 5接近3/8,且当v接近0时降低到3/81n2,且对于V = I为〜(3/8)X0.83。对于ν>1,对于其中的情况,另一项需要考虑,其中能量又损失给电子。另外,对于ν>(3/2)1/2,能量也可以损失到非基态电子,且InA " (V)迅速地收敛于((v-1)/v) In (2v2)。对于ν>1. 35可以使用此值。

[0116] 最后,对于V的麦克斯韦分布的积分得到了作为无量纲离子温度T的函数的有效库仑对数。作为第一近似,麦克斯韦分布的使用通过离子-离子和电子-电子能量传递率明显超过离子-电子传递率的事实而证实。然而,离子速度分布将通过α粒子加热被扭曲:

[0120] 结果在表I中给出:

[0121] T In Λ⑴[0122] 0. 05 O. 346[0123] 0. I O. 353[0124] 0. 2 O. 354[0125] 0. 3 O. 350[0126] 0.4 O. 349[0127] 0. 5 O. 350[0128] 0. 6 O. 353[0129] 0. 8 O. 368[0130] I. 0 O. 392[0131] 2. 0 O. 567[0132] 3. 0 O. 755[0133] 4.0 O. 926

20[0134] 6. O I. 218

[0135] 对于通过更快速的Tel的热电子对离子的加热,可以忽略量子效应且库仑对数简单地为Ln(2Te)。

[0136] 具有强磁场效应(HMFE)的密集等离子体聚焦(DPF)的运行参数。为将HMFE的科学现象应用于DPF成为有用的发明,必须确定等离子体团的正确的等离子体参数,以保证产生足够的热核功率用于实际能量生成。这可以通过正确地描述了在其寿命时间内的物理演变的等离子体团的模型完成。

[0137] 如在 Lerner, EJ. Laser and Particle Beams, Lerner, EJ. , Peratt, A. L.中描述的那样,DPF过程可以仅使用一些基本假设而定量地描述。首先,场的磁能在等离子体团形成期间守恒,且在良好地形成的箍缩中,所有在箍缩时在场内存在的能量被捕获在等离子体团内。根据实验假定确定了等离子体团内的中心通道的长度接近其半径的8倍:

[0138] I2crc = I2r/8

[0139] 其中I。是等离子体团内的电流(A),r。是中心等离子体团通道的半径(cm),I是在箍缩时的电流且r是阴极半径。

[0140] 其次,等离子体不稳定性理论显示对于最优的丝的形成,在等离子体室内:

[0141] ω Ce = ωρί

[0142] 其中ω。^是电子回旋频率且ωρί是离子等离子体频率。这立即允许预测对于给定的r和I的最优压力,等离子体速度,且因此预测对于给定脉冲长度的电极长度。

[0143] Iii = ( μ M/m) I2/100 π mc2r2

[0144] V = c (m/ μ M) (r/R),

[0145] 其中ni是初始离子密度,μ是原子质量,V是在阳极处的鞘的峰值速度,R是阳极半径,m是电子质量,且M是质子质量。

[0146] 第三,不稳定性理论也可以用于显示在丝内

[0147] wcef= ωρβρ

[0148] 其中ωΜί是在丝内的电子回旋频率且ωρερ是在背景等离子体内的电子等离子体频率。引入的丝系统,且因此DPF作为整体具有如下的有效电阻:

[0149] 15/ ( μ M/m) 3/4ohms

[0150] 因此,对于给定的V可以确定峰值I。应注意的是该峰值I是最大值,且它仅如果脉冲电源加上DPF的电感充分地低时才可能获得。

[0151] 第四,已知在等离子体开始衰变时:

[0152] Coce = 2 ωρε

[0153] 这是由于当同步加速器频率超过等离子体频率两倍时的情况,能量可能辐射。在此点处,电流开始下降,且在磁场中的改变建立了大的加速电势以维持电流。这又生成了离子束和电子束,它们释放了捕获在等离子体团内的能量且开始其衰变,以及开始了核反应。

[0154] 最后,假定在压缩期间,比值B/n是常数。从这些基本物理关系,不仅对于氢而且对于任何气体或气体混合物,可以导出等离子体团内的等离子体参数。结果在此总结为:

[0155] rc = 2_7/3 μ _2/3z_2/3M/m_2/3r = I. 32χ1(Γ3 μ _2/3z_2/3r

[0156] Bc = 4ζ ( μ M/m) B

[0157] nc = 3. 7χ1010 μ 2zl2/r2[0158] 其中B。是阴极处的峰值场。模型也允许描述电子束和离子束的产生和等离子体团的持续时间。可能通过简单地使通过束的能量损失与等离子体团B场的衰变相等,从而可以计算加速电势、束流和衰变时间。

[0159] τ = 6. 2xlCT6rc/RB = 8. 2χ1(Γ9μ _2/3z_2/3r/RB

[0160] η τ = 304 μ 4/3z1/3I2/rRB

[0161] Eb = IcRBe/4 π 2 = . 24 μ 1/3z1/3IRB

[0162] Ib = . 24 μ 1/3ζ1/3Ι

[0163] 在此,T是等离子体团衰变时间,RB是束的有效电阻,η。是等离子体团密度,Eb是每电子电荷的平均束能,且Ib是束流。然而,必须在此进行修正。对于低的I且因此对于低的加速电势,在等离子体团内的所有粒子通过束被排空而不携带走所有能量。在此情况中,简单的模型将在等离子体团衰变结束附近不适用。然而,对于本目的,合适的近似简单地将等离子体寿命降低了加速电势与携带全部等离子体团能量所需的电势的比值。为了良好的近似,此因子为Ι/ι. 4ΜΑ,对于Ι>1. 4ΜΑ,此因子为一。

[0164] 粒子密度随着μ和ζ以及随着I增加,且随着r的增加而下降。物理上这是较重的气体发生的更大的压缩比的直接结果,从以上的关系这是清楚的。因此可见,关键的等离子体参数nT随着更重的气体而改进。的确,由于可以示出RB也随μ_3/4降低,这是比最初所显示的更快的改进。假定ζ和μ成比例,则η τ因此随μ 2 4增加。

[0165] 理论预测与根据实验获得的结果符合的很好。当这些方程用于预测时获得了O. 43GG的值,这与观测到的O. 4GG的值符合。类似地,与最好地观察到的值9 X IO13和平均的 O. 9 X IO13 相比,该公式得到了 4. 6 X IO13S ec/cm3。

[0166] 使用这些公式和HMFE方程,可以产生给出了热核产出的等离子体团的模拟,对于等离子体团的任何给定半径和磁场在X射线中释放的能量和在束中释放的能量。本发明披露了基于这些模拟的对于等离子体团的最优条件。对于给定的氢和硼的混合物,公式也确定了等离子体团的电子和离子密度。例子在表2中示出,该表2适用于癸硼烷BltlH14,且表中指示了优选条件为r = 8. 6微米,B = 13GG。对于这些条件,电子密度将大致为3. 7 X IO24/

CCo

[0167]表 2

[0168] 半径(微米) 8. 6 8. 6 8. 6 8. 6 8. 6 8. 6[0169] B(GG) 9. O 10. O 11. O 12. O 13. O 14. O[0170] 总输入(kj) 7. O 8. 7 10. 5 12. 5 14. 6 17. O[0171] X射线/输入 O. 39 O. 45 O. 52 O. 60 O. 75 O. 78[0172] 束/输入 O. 84 O. 91 O. 94 O. 94 O. 92 O. 87[0173] 束+X射线/输入I. 23 I. 36 1.46 I. ,54 I. 67 I. 65

[0174] 对于其他条件,总输出能量可能略微更高,但束能量略微更低。最佳条件将取决于能量转换系统的确切设计和X射线和离子束转换装置的相对效率。对于以上的示例条件,公式可以用于确定阴极半径将为大约3. 7cm,峰值电流大约为2. 8MA,且填充压力为大约31torr。

[0175] 癸硼烷在室温下是固体且这样的蒸气压要求107C的温度,这意味着在运行中反应器的冷却系统在此例子中将必须对于电极、真空室和燃料室维持此温度。对于更高或更低的压力,此温度也更高或更低,这基于已公开的蒸气压表。对于使用癸硼烷的优化的系统的参数范围为:阴极半径大约2至7cm,电流大约2至3. 5MA,且填充压力(例如与I2/r2成比例,其中I是峰值电流且r是阴极半径)大约为15至60torr。也可以使用其他硼化合物,例如戊硼烷。在室温下为气体的戊硼烷的情况中,对于电极温度的控制不再是关键的,且可以调节以优化冷却系统的效率。

[0176] 角动量传递和等离子体团形成。合适地选择阴极半径、峰值电流和填充压力不足以保证含有输入到装置的全部磁能量的等离子体团的有效形成。等离子体团的形成过程涉及在电流内在箍缩时的扭曲型扭结不稳定性的形成,且因此要求一定量的角动量。在压缩阶段期间,每单位质量的角动量守恒,因此此角动量可以从在压缩开始时丝阵列中存在的角动量导出。对于以上引用的例子,每单位质量要求的角动量的大致测量值可以通过公式O. 5VAr获得,其中VA是阿尔文(Alfven)速度(在此情况中为1.05X 109cm/s ec),且r是半径(例如,大约8. 6微米)。这得到了大约4. 5 X 105cm2/s的值。

[0177] 角动量可以在衰退(rundown)期间通过向内流动的电子流和任何小的初始轴向磁场(例如地磁场的小的轴向分量)的相互作用而施加到等离子体鞘。JXB力将电子在方位角方向上略微加速,从而形成了电流的方位角分量。这又增加了轴向磁场且因此增加了电子的方位角加速度。以此方式,非常小的初始磁场(或在由电极的不规则性所造成的电流中的小的随机初始方位角分量)可以迅速地被放大。例如,给定轴向磁场与总磁场的比值Be/Bt = sin0,则任何初始轴向场将被放大,使得在衰退结束时Θ = θ#νΑτ'其中τ为衰退时间。因此,每单位质量的最终角动量为VAr θ ίθνΑτ/Γ0

[0178] 因为Va τ/r与L/R成比例,所以角动量敏感地取决于此比值。如果存在不足的角动量,则等离子体团半径将与角动量成比例降低,且总等离子体团能量和质量将与角动量立方成比例降低。这种对于最初非常小的角动量的敏感性可以部分地解释已熟知的等离子体聚焦装置的不同发射之间的可变性。计算显示,如果依赖于自然放大机制以提供角动量且初始磁场是环境场,则对于能量到等离子体团的高效传递,L/R必须大于7。的确,在最优化的DPF装置中,此比值超过7且可以高达17,这意味着高的1和更长的τ是希望的。

[0179] 因为Va在阴极处被固定以在大约3.2厘米/微秒处用于最优功能且Va在阳极处为

3. 2Ra/R。厘米/微秒。阳极半径又通过由于电流通过阳极导致的热应力限制。热力学研究显示,对于铜存在大约lcm/MA的峰值电流的最小比值,而对于更坚固的铍,限制为lcm/2MA。此对比导致了本发明的铍电极的使用。铍电极允许了高X射线发射大部分穿过铍。相比之下,铜电极也可以使用;然而,强的X射线发射将迅速腐蚀铜阳极。

[0180] 对于2. 8MA的例子,大约为I. 4cm阳极半径可能是最小的,从而导致大约8. 35厘米/微秒的峰值处的VA。当L/r的比值为7时,可能要求大致I. 8微秒的脉冲长度。具有O. 7cm的半径结束的渐缩的阳极末端将涉及略微较短的大约I. 35微秒的脉冲长度。本领域一般技术人员将认识到不同的阳极半径可以取决于特定的应用而使用,例如O. 5cm至

4. Ocm的电极。另外,电极的形状、轮廓和外形可以为特定的应用而定制。例如,电极可以在其长度上具有恒定的直径,然而其他电极可以具有区域与区域之间不同的直径,例如在一端或两端渐缩的直径等。

[0181] 这样的长电极的缺点是其大约20nH的高电感。因为外部电感必须超过负荷电感,所以系统内的总电感必须大约45nH,从而导致至少大约176kJ的总能量,这远高于供给到等离子体团内的大约15kJ的值,这意味着能量回收必须极为有效。即使大约I %的总能量回收损失也将代表大约16%的聚变能量收益。在此情况中,电容将大约为29微法,且充电电压大约为100kV。

[0182] 更短的电极将具有要求更少的总能量的优点,因此使得在回收感性地存储在电路内的能量过程中具有较低的损失。例如,大约4cm的长度将实现大约18nH的总电路电感和仅62kJ的总能量。已回收能量的1%的损失将意味着仅4%的总聚变能量收益的损失。在此例子中,存在大约O. 54微秒的脉冲长度,大约6. 6微法的电容和大约137kV的充电电压。然而,这样的短电极将无法从环境磁场开始产生所需的角动量大小。

[0183] 角动量的注入。与依赖于对由电流与环境磁场的相互作用所生成的角动量的放大不同,本发明注入了更大的初始角动量。本发明通过为阴极电极赋予轻微的围绕装置轴线的螺旋形扭曲或通过由与主电源分开地加电的螺旋形线圈生成小的初始轴向磁场完成了此目的。

[0184] 电极的倾斜或初始磁场的强度可以从以上的公式或从对衰退的模拟来计算。在以上的带有长度大约为4cm的电极的2. 8MA的癸硼烷装置的例子中,大约O. 3度的螺旋形倾斜或大约200G的初始轴向磁场是最优的。对于其他电极,倾斜可以从O. 05度至10度变化,且场从5至1000G变化。在每个情况中,初始角动量使得一旦在衰退期间放大,则每单位质量的角动量等于等离子体团的角动量。

[0185] 通过注入初始角动量,本发明允许形成具有优化尺寸的等离子体团,该等离子体团包括几乎在装置的磁场内存在的所有能量,甚至对于较短的电极也是如此。如以上所述,这些较短的电极又降低了装置的总电感和必须输入到电容器内的能量总量,且因此降低了必须回收的总量。

[0186] 以另外的方式考虑,对于给定的电极半径和长度,角动量的注入将明显地增加角动量且因此增加等离子体团的尺寸,且因此增加在等离子体团内从聚变反应产生的能量。大致上,聚变产量将随着注入的角动量的大小的四次方而增加。

[0187] 此角动量注入将有益于等离子体聚焦的所有应用而不仅是聚变能量生成的当前应用。特别地,通过可靠地为每个发射注入相同的量的角动量,本发明将降低不同发射之间的可变性或中子或X射线产出,这部分地由于小的随机注入环境角动量所导致。

[0188] 即使使用注入的角动量,也存在对阳极的最优长度的下限,因为阳极必须大体上长于绝缘体。来自许多DPF实验中的经验显示,最优绝缘体长度不小于大约阳极半径的O. 7倍,且该比值对于多个小半径趋向于比单个半径更大。因此,绝缘体长度将趋向于超过大约2cm且阳极长度不能远低于大约4cm。

[0189] 能量回收。在等离子体团终止发射其能量且消失时,大量的能量仍停留在电路的感性元件内,但电流已显著地从其峰值下降。例如,对于以上所述的ISnH的电路,大约47kJ将仍以此方式停留。可以高效率使用标准电路设计回收在电路内的能量。在一个优选实施例中,快速开关可以放置在DPF和主电容器的接地侧之间的电路内。在等离子体团过程结束后,开关可以将电流转移到次级电容器组,当从电感器电流放电时,该次级电容器组充电。当电流达到零时,开关再次断开,从而将能量捕获在次级电容器内。本领域一般技术人员可以设计其他的能量回收电路。

[0190] X射线的能量转换。X射线脉冲可以通过光电效应以高效率转换为电力。转换器基本上是带有多层薄金属膜的电容器。一个类型的膜,即类型A的膜用作电子发射器,从而将X射线能转换为数千电子伏电子的能量。这些层也用作电容器的地电极。第二类型的膜,即类型B的膜用于收集所发射的电子,且用作电容器的阴极。在单一的层中,X射线冲击在金属膜A上,从而导致一定能量范围内的电子发射。这些电子行进通过一系列非常薄的膜B,这些膜最初通过外部电路被充电,使其电压呈上升序列。当电子接近被充电为高于它们的以电子伏为单位的能量的更高电压V的电极时,它们返回且被下一个较低的电极吸收。

[0191] 为在将X射线的能量转换为电子能量中具有高效率,转换器设计必须保证几乎所有X射线都吸收在膜A内,且非常少的电子能量在离开膜A前被吸收。这意味着对于给定能量E的电子(且因此对X射线),每个膜A的厚度必须是在此能量的电子在材料A中的停止距离上的小部分(例如,从大约1%到大约10%,且理想地小于大约5%)。同时,所有层A的总厚度必须至少是能量为E的X射线在材料A中的衰减距离的三倍。另外,在膜B内的X射线吸收必须通过合适地选择材料B而最小化。

[0192] 在实践中,转换效率仅可以对于X射线能内的范围优化,该范围比实际从等离子体团发射的范围明显更窄,因此必须设计一系列同心地嵌套的收集器,用于较低能量X射线的收集器最接近等离子体焦点,以及用于较高能量的X射线的收集器远离该焦点。另外,对于每个X射线能量范围,所有层的总电容必须足以捕获在该范围内发射的全部能量。

[0193] 电子能到存储的电能的转换效率通过每层类型B的膜的个数确定。如果类型B的膜的电压设定为使得每个膜高于其下一个较低的邻近膜20%,使得对于给定的范围最小电压略微高于最小X射线能且最大电压略微高于最大X射线能量,则平均转换效率将达到大约90%。另一方面,B膜不能设定为太靠近在一起而使得在它们之间的场超过将每个膜分开且物理上支承了每个膜的绝缘体的介电击穿。一般地,对于较低的能量优化的收集器将具有较轻的类型A的材料,例如铝,使得不要求过分薄的膜,而铜将用于中等能量,且例如钨的较重的金属用于最高的能量。在大多数情况中,类型B的材料将是例如铝和铍的轻金属以最小化X射线吸收。

[0194] 例如,对于10kJ,3ns长的X射线脉冲优化的收集器,带有从大约10 keV至80keV的能量分布,而大约一半的能量在20keV以下。对于每个类型A的膜存在7个类型B的膜,其中X射线转换器具有三个优化的转换器,其参数在表2中描述。在此例子中,对于总共大约81%的X射线能到存储的电能的转换效率,大约95%的X射线能转换为电子能,大约95%的电子能从类型A的膜中逸出且大约90%的逸出的电子能作为电能存储。

[0195]表 3

[0196]

[0197] 在给定的电势下的类型B的电极通过合适地间隔且绝缘的导体相互连接,导体如下所述平行于冷却系统,而类型A的电极类似地一起连接到地。

[0198] 离子束的能量转换。可以用现有技术来有效地从离子束收集能量。超高频放大管转换器(例如Yoshikawa等人)或回旋管可以用于将离子束有效地耦合到RF脉冲。可以用一系列通过紫外光激活的快速开关(例如金刚石开关)来将RF脉冲耦合到快速存储电容器,其中在电容器被充电后,将开关断开,从而防止能量流回到谐振器。离子束在飞行中扩展,但在其到达转换器时仍具有大约30ns的短的脉冲长度,从而造成了迅速地变化的磁场,使得更易于优化有效的设计以将能量耦合到电路。然而,高功率(例如大约500GW)要求仔细设计电路以在合理的电势下将传递功率链接到电容器内。该基本考虑对于本领域一般技术人员是清楚的。

[0199] 反应器的总体运行和电路。反应器对于每个脉冲在三个阶段内运行。在第一阶段中,能量从主存储电容器传递到DPF内且然后传递到等离子体团内。在第二阶段中,在等离子体团内生成了热核能且等离子体团的例如具有X射线和离子束的形式的能量转换为电力且存储在次级电容器内。随后,存储在功率电路内的剩余的能量传递到另一个次级电容器内。因此,在第二阶段结束时,脉冲的初始能加上净聚变能量收益存储在三个电容器组内。在第三阶段中,三个次级电容器组用于为主电容器组充电,而净能量收益可以作为稳定的DC电流输出到电网,或转换为AC电流。电路在此示意性地指示,且开关系统的细节对于本领域一般技术人员是清楚的。

[0200] 一般地,脉冲率高于由再组合填充气体所确定的最小值。很希望的是将填充气体维持在等离子体态使得硼将不沉积在电极上。另外,气体的再离子化在能量方面是昂贵的。因为典型的再组合辐射时间在数十毫秒的量级上,对于光学厚度的等离子体团,要求至少IkHz的脉冲率。最大脉冲率受到冷却系统限制,如下文中描述。

[0201] 冷却系统。一般地,冷却系统从阳极、X射线转换系统和离子束转换系统去除热量。阳极是最需要冷却的,因为它最小。例如,半径大约为I. 4cm且长度大约为4cm的阳极具有大约35cm2的表面积。对于每个大约2. 8MA且大约O. 5微秒的脉冲,铍阳极将通过内部电阻吸收大约100J的能量。因为最大热去除率一般地考虑为大约2. 5kW/cm2,所以大约IkHz的脉冲率大约是可用于单一电极的最大值。因为这远小于主电容器的500kHz的循环时间,所以数个电极组可以从单一的电容器组运行。例如,期望对于每个电极组有大约5MW的净输出。

[0202] 因为离子束能量转换系统具有大的表面积且残余热在其内分布,所以对其冷却对于本领域一般技术人员而言是较常规的。然而,在X射线转换系统的情况中,必须小心避免因为使不导电的冷却剂(例如硅树脂)通过许多非常窄的都径向向着等离子体团定向的成对的板而导致冷却剂自身阻挡X射线或电子。如果冷却剂板具有典型的数十微米的分离,则它们吸收了少于大约1%的辐射,但仍能携带足够多的冷却剂流以从X射线转换装置去除大约2MW的废热。每隔数度地径向走向通过装置的冷却剂板也可以用于为薄膜电极提供机械支承。

[0203] 将理解的是在此描述的特定的实施例仅通过图示示出且不限制本发明。本发明的主要特征可以使用在多种实施例中而不偏离本发明的范围。本领域中一般技术人员将使用不超过常规的实验而认识到或可以确认对于在此描述的特定过程的多种等价物。认为这样的等价物在本发明的范围内且被权利要求所覆盖。

[0204] 在此披露且要求的所有组成和/或方法可以根据本披露而使用和执行,无需过度的实验。虽然本发明的组成、装置和方法已根据优选实施例描述,但对于本领域一般技术人员将显见的是变化可以应用于组成、装置和/或方法,且在此处所描述的方法的步骤或步骤次序内而不偏离本发明的构思、精神和范围。对于本领域一般技术人员是显见的所有这些类似的替代物和修改被认为在通过附带的权利要求所限定的本发明的精神、范围和构思内。

[0205] 参考文献

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Classifications
International ClassificationH01J35/00, G21B1/00
Cooperative ClassificationY02E30/18, H05G2/003, G21B3/00
Legal Events
DateCodeEventDescription
27 May 2009C06Publication
22 Jul 2009C10Request of examination as to substance
13 Feb 2013C14Granted