CN102782767B - 在真空中提供冲击的方法 - Google Patents

Abstract

在太空中，发射带电颗粒的线性加速器可以坐落在离发射目标很远的距离。加速器可以在几秒钟或更长的时间内顺序发射出具有逐渐递增速度的颗粒序列，使颗粒同时到达发射目标，以产生大量脉冲能量。因此，一个较小功率的加速器可以提供兆焦耳范围的脉冲能量，其足以引发核聚变。为使所有颗粒在接近目标时以极高精度集合一起，必须对颗粒的运动路线进行修正。一个理想的选址是将加速器放置在地球-月球的L1点或L2拉格朗日(Lagrange)点(1)，而核聚变目标(2)是在月球表面(3)。颗粒以掠角切向月球表面(3)，也就是说，目标(2)是在一个大圆周上，其圆周与月球两极相交。粒子的运动轨迹(4)长度超过60000公里。首先，将颗粒的运动路线的第一个修正站选址在月球山顶，其定位可以在目标前的150公里内。选址也可以在地球表面，但是需要真空管来连接加速器和目标，并且所需的加速器的功率与加速器和目标间的距离成反比。

Description

在真空中提供冲击的方法

在1960年代和1970年代，人们研究了冲击产生核聚变能量的可能性，就是将子弹以～1000公里/秒的极端快速度射击到目标。然而，以这样的速度发射一颗具有～10毫克质量的子弹是极端困难。那时及现在，最合理的方法是将带电荷的子弹在改造后的粒子加速器中加速。不幸的是，一个宏观物体所能带的电荷量受自我排斥的限制，容易造成突然爆裂和因场效应原子从物体表面蒸发。宏观物体所能承受的加速度和振动也是一个限制因素。即使用最乐观的估计，用一个理想的钻石作为“子弹”，加速器的必要长度是＞100公里。另一种方法是使用微粒集群(此处也称为粒子或颗粒)或重离子来取代单一子弹，这将减少加速器的长度。不幸的是，这一战略存在多个问题，包括需要非常高功率的加速器。

然而，核聚变反应堆在太空中所能用的设计参数不实用于地球上。如果可以有一个非常长的真空空间，中微型的线性加速器对其间顺序发射出一组具有递增速度的微粒流，使第一批粒子运动最慢，而最后的粒子运动最快，导至微粒流在空间形成一簇。为此用途的加速器的功率与真空间距成反比。

举一个具体例子，如图1所示，设想加速器位处于地球-月球系统的拉格朗日(Lagrange)点(1)，距月球表面(3)有62000公里距离。加速器发射出一束微粒。微粒所沿的运动轨迹(4)以掠角射向月球表面(2)，并其掠入点在与月球的两极相交的一个大圆周上。粒子的通行时间约一分钟。如果在超过5秒的时间内将微粒束以不同的速度陆续发出，使第一批粒子的速度在～960公里/秒之间，最后一批粒子的速度在～1040公里/秒之间，所有粒子将同时到达目标。加速器只需要几个兆瓦(MW)的输入功率。

在途中，必须对这些粒子的运动路线进行小的修正。离开加速器后的第一个修正相对比较简单。然而，当粒子即将抵达月球表面时必须进行更准确的修正。这是为什么选择掠入角：利用月球地形的优势，将第一个修正站和核反应堆选址在2千米高的月球山顶上，第一个修正站和反应堆之间的距离可以达到约100英里。

加速器的设计非常相似于基本粒子的线性加速器，但其运行在更低的频率因为粒子的速度只是光速度的1/300。为此内电极间的间距不会成为RF谐振腔，且可以选择电介质(不导电)的壁板设计。电击穿更容易发生在绝缘体的表面而不在绝缘体内。因此，如图2所示的加速器内部截面是最佳的设计。按照此设计，每个导电电极(5)被安装在绝缘管内(6)。其绝缘管的内直径比电极的直径大很多。导线(7)和(8)用于连结处于交替位置并具相同极向的电极。导线(7)和(8)之间的表面路径长度比内部正负电极的间距大几倍(2-相设计)。合适的绝缘体材料是聚四氟乙烯或Rexolite，合适的电极材料是铜，钼或钨。将电极材料抛光为以最大限度地提高电极对表面电场的抗击穿强度。加速器的长度将是几公里左右。

通常情况下，如果是2-相加速器，有2n个电极间隔按先后位置排列。粒子将依次通行过这些间隔。如果是3-相加速器，有3n个电极间隔按先后位置排列，等等，其中n是一个整数，通常为1。(然而，加速器可能操作一组粒子，而不是单一粒子，这里一组粒子取代上述一个粒子的位置)。通常情况下，粒子的相对速度和粒子间的纵向间隔距离成正比，这样所有的粒子最终同时聚会。

用于粒子的适用材料应具有高拉伸强度和低密度以达到最大的电荷/质量比。因为电场所导致的加速和加速器的驱动频率导致的加速周期，粒子应该是刚性的，这样不会因为被弯曲而产生过热。粒子或者是具有高屈服强度的绝缘体，或者是一个较好的良导体，这样粒子不会被其表面的感应电荷流动所损坏。适用材料的选择包括金刚石，硼-α，铝锂合金，甚至微球体的工程塑料，如涂有一层薄金属表面膜的celazole。其金属可以是铝。后者则需要一个更长的加速器，但后者拥有优势，如果目标是固体甲烷(取代传统的DT冰目标)，并且甲烷中的氢被氘和氚所取代。粒子和目标的平均原子量可以被做的非常相近，有利于抑制瑞利(Rayleigh)-泰勒(Taylor)不稳定性。

粒子最好带正电荷而不是负电荷，因为与场效应所引起的蒸发相比，在非常低的电压梯度下，由场效应引起的电子释放成为更显著。无论选择什么材料，更小的粒子可以承受更高的电荷/质量比。然而，更小的粒子显然需要更多的粒数来达到同样的总动能。总之，合适的粒度应该是～10微米半径左右，使用的粒子数目在10000和1百万之间。

加速器的最佳频率比一个基本粒子加速器低很多，其频率是～MHz而不是GHz。市售能够提供给此加速器的电源包括diacrodes、tetrodes、或以MOSFET为基的组件。其组件与空芯变压器结合以提高其输出电压。

当粒子接近冲击目标，应尽量对粒子实行精确的导向以形成密集排列，例如类似于晶格排列。理想的精度要求是粒子尺度的一小部分，最好～1微米或更小。虽然这要求是苛刻的，通过一系列随次数增加趋于更细致的修正，类似于宇宙飞船的中途修正，可以达到其精度要求。限制因素是粒子位置的精确测定。其测定可以通过CCD相机并采用显微镜式的镜头。相机位处于颗粒束的旁边。曝光是用激光脉冲控制：可采用实验室式的桌面激光器。其脉冲＜1皮秒，对应于1微米的颗粒的移动。CCD芯片可以做既时数据处理，但读出速率被限制在几十个兆字节/秒，因此通常每个测量站需要许多相机。所需的激光器数目小得多：激光器供入与颗粒束运行平行的漏光光纤。一个激光器可以服务于许多相机。

粒子的导向是通过当粒子接近或经过电极之间时电极的迅速转换来完成。这可以将它们转向到横向的任何方向并可以稍微改变其速度。现已市售的固态电源开关可以以数十次的GHz频率操作。因此，数量相对较少的电极可以修正从其中通过的几千甚至上百万计的粒子。(与此方法相比，另一种方法是通过短天线般的电线并迅速转换其电流所产生的电磁场。)

粒子需要最大限度地携带电荷以加速。随后，当粒子彼此接近时要将他们的相互排斥最小化。对于一系列随次数增加趋于更短的运动路线的修正，粒子只需要带少量的电荷来完成转向。因此粒子所带电荷可以逐步被解除，例如在经过每一个修正站后将粒子通过一个电子束或者将其接近热或冷的阴极，使粒子的带电量最终达到零。

最容易实现的核聚变反应是氘-氚。由于氚不会自然产生，希望尽可能用锂核捕获所有生成的中子以滋生出更多的氚。也希望最大限度地减少反应室内壁的磨损。一个合适的安排示于图3(所绘制的不是实际规模：实际颗粒的数量通常是成千上万，每个颗粒直径～20μm)。一个牺牲射弹(9)被发射进反应室(10)，其反应室壁被锂或锂化合物的“瀑布”(11)所保护。冲击发生的时刻，目标(12)已经在牺牲射弹的体内。牺牲射弹进入反应室的方向大致平行于粒子(13)。射弹有一个洞(14)，其洞允许颗粒通过以撞击目标。射弹本身可以全部或部分由锂制成。还显示在图3的是真空管(16)，颗粒从其管中出来，装射弹的枪筒(17)，和其枪筒装有下一个射弹(18)。为了连续发电，每秒发射几个射弹。

反应室的熔融物被送进一个热交换器(如电磁泵)循环以提取热能：射弹材料被提取回收，因为必须不断做出新的射弹。氚也被提取回收。

将射弹后面的真空保持良好很重要。当射弹进入反应室(10)，气体和等离子体倾向于通过射弹边缘和射弹管之间的任何空隙逃出从而污染射弹后面的真空。其污染可以被减小或消除如果射弹的外壁被刻压有一个或多个凹形的环形腔(19)。其凹形的环形腔成为逃避气体的俘获阱。也可以很容易将射弹足够地冷却以使环形腔(19)更增加成为逃避气体的冷阱。

达到100％的捕获效率是不可能的，因此DT反应不能产生足够的中子以补充氚。为了完成一个周期，有些DD反应是可取的，其反应直接产生两个氚和额外的中子。DD反应可以通过提高冲击速度，从而有效的提高碰撞的温度来进行。或如图4所示，将含有丰富的氘的材料(20)堆积在中央DT目标(21)的周围，作为选择，还可用致密材料做为外壳包围(22)以增加隔离时间：外壳有一个孔(23)以允许颗粒进入。

虽然上述设计适用于太空条件，当然也可能将其设计实行在地球上，如果能够提供一个真空管并使颗粒从加速器前往目标时通过其真空管。如果选择合适的地形，采用隧道，在海岸线和岛之间挖一个深水沟并铺设管道，等，便有可能在地球上提供一个达几百公里长的笔直通线。也有可能通过电或磁场将粒子的运动路线偏转，这样可以将真空管弯曲以符合当地的地形和地球的曲率。也有可能将加速器和目标之间的距离缩短到更方便的数值，但是将增加加速器的功率及成本。

技术说明及其他

有可能会认为凝聚粒子所形成的‘虚拟子弹’比相同的正常固体材料的密度低。例如，假设粒子是完整均匀的球，那么至少由球形填料系数～0.74可以得此结论。并且粒子的形状，位置和大小有其不准确性，填料系数必然低于球形填料系数。然而，因为后面层次的子弹的行驶速度比前面层次的子弹的行驶速度快，当子弹击中目标时(击中之前或之后)，子弹已经被压缩到比正常原材料的密度大许多倍。

图5-9中的(a)、(b)、(c)、和(d)展示粒子在去撞击目标(阴影)的行程途中随着时间顺序变化的一系列的粒子位置(黑圈)。为清晰起见，与可能的实施相比，示图不可能显示实际尺寸，粒子的大小被大大夸大，粒子数目被大大减少。图5显示了一个基本的构形：在撞击到目标之前，粒子聚到一起形成预压子弹。图6显示了一个群丛变型，首先将其它额外的粒子以较低的速度发射，在子弹撞击目标之前额外粒子预压了目标。图7显示了另一个群丛变型，其中没有预先定位的目标，而是早期被以较低的速度发射的额外粒子成为了实际的目标。图8显示了另一个群丛变型，其中预先放置的目标不平坦，呈圆锥形，因此在子弹撞击前，目标在侧向以及垂直方向被预压。图9显示一个子弹，其中心部分行驶速度最快，因此首次点火发生在中心。

可以想象这样的一个主题几乎有无限的变化可能。例如，这些粒子可以有不同的大小，形状和不同的材料，并且(如果提供预先放置的目标)，目标可以由不同的材料层次组成。例如，目标总体的前面和背后部分由高密度材料组成，构成“锤子”和“铁砧”，而将用于聚变的材料夹在之间。

钻石灰尘；切碎的石墨晶须，短切的碳纤维；陶瓷微球；冰冻的氘；冰冻的氘和氚化合物；冰冻的甲烷，其中的氢原子被氘和/或氚取代；工程塑料，其中的氢原子被氘和/或氚，钨，铀取代：所有这些材料都是可用于粒子和/或目标的例子。粒子的组成可以由一种材料作外壳而其中间含有第二种材料，例如这第二种材料可以是氦-3。

在粒子的通行期间，可能有必要将其所带的电荷中和(如向它们喷洒电子)，这样使它们在聚到一起时不互相排斥。电子喷射可以同时结合几个操作功能：电荷中和，电子显微镜测量粒子的精确位置，和用动量交换来调整粒子的运动轨迹。在地面系统，同样可以方便地测量和调整粒子在飞行中的任何一点，而不只是在加速器附近或目标端附近。

需要注意的是要确定粒子的相对(而非绝对)位置。这很容易获得，因为所有的粒子可以通过相同的传感器。如果提供了预先放置的目标，当粒子群接近时目标可以被调整到正确的位置以承受冲击，反之亦然。

需要注意的是制导系统被用来以避免粒子之间发生任何破坏性的过早碰撞。

明显的应用包括发电，宇宙飞船的推动，小行星的推动。

Tetris的方法可能适用于将压缩和点火分离开。无论是激光或用单一的实体子弹都很难完成此任务。其中有两个原因：一个Tetris加速器，无需额外费用，可以先发射很多慢速度的颗粒，紧接着更高的能量脉冲到达以点火，虽然两者几乎同时进行。额外的颗粒可以为目标预压缩提供能源和/或动量。点火的子弹是由不同速度的颗粒序列撞在一起而组成，它可以很容易地被预压缩到高密度，并使子弹的前表面密度非常高，像穿甲子弹。因此，它可以穿透，并将其大部分能量存入甚至致密等离子体的目标的最里面。

必须为低效率留有余地。激光压缩而产生的流体动力学的低效率-将颗粒材料的外层蒸发，所产生火箭般的反作用力以压缩作为燃料的中央部分-使有用的动能量减少到所提供的辐射能量的10％。颗粒的冲击可能是更有效。然而为了点火，可用的能源必须从子弹的质量和对等的目标的质量的质心坐标系来计算，因此可用的能源被减少至一半。此外，如果子弹的原子质量与目标的原子质量相等，一半的能量会被浪费于子弹本身的内部加热；另一方面，如果子弹的原子质量高于目标的原子质量，能量损失于瑞利(Rayleigh)-泰勒(Taylor)的不稳定性。更多的能源浪费于子弹穿过低密度的等离子体的途中：不是所有的子弹的动能全部在理想点释放。进行压缩，在原则上冲击方法可能是极其高效。然而，以接近产生点火的速度移动颗粒，因其速度过猛，不能将动量直接传递给目标，也不太可能将其充分均匀的分散给目标。一个解决的办法是让它们与一个作为环空器(hohlraum)的箔片撞击。从环空器发出的辐射蒸发出一种衬料材料，其材料加速DT燃料，或许使其材料进入一个锥形坑，其坑内铺垫着致密的金属，这大致相同于一个球形颗粒被激光压缩。只要环空器(hohlraum)和DT的衬料材料之间的间距比任何颗粒的波前的不均匀性或箔片的不均匀性至少大几倍，就可以达到非常均匀的压缩。

加速器的运行原则和基本粒子加速器相同。然而，由于颗粒以小于1％光速的速度移动，驱动频率可以低很多。微小并廉价的MOSFET晶体管可以取代速调管以被用来调节功率，并结合使用小空芯(或真空核心)变压器，以提高它们的输出电压。电极不构成RF谐振腔，因此电极可以是简单的金属盘并安装在聚四氟乙烯管内。可采用三相电极(或更多相)，因此，可以使单一颗粒骑近恒定的电场的“波”。这样最大限度地减小了振动及表面感应电流。所以颗粒的组成可以采用任何强度较好的材料，如塑料微球。

当加速器刚启动，颗粒可从一对电极板之间以“瀑布”式注入。一个可操纵的阴极射线管向单独颗粒射电子(或离子枪射出正离子)以调整其颗粒进入到加速器的时间和速度。

当颗粒接近目标时将颗粒混洗可能是必要的，因为每一个颗粒的方向可以被调整，而其纵向位置却不能。因此，有必要动态地重新分配颗粒的位置，以形成所需的紧密堆积排列。任何盈余颗粒可以被丢弃到一边。正是这种动态分配使得“Tetris”成为一个适当的系统名称。

理想的核聚变反应堆要求没有稀有或放射性同位素作为反应物，并且不产生放射性的同位素作为产物。上述的基本DT核聚变并没有实现这一目标。虽然在原则上爆炸室只用纯元素，其在中子轰击下可以不产生不必要的同位素，但是连续运作的过程必须从锂来生产氚。DT反应本身不能产生足够的中子，因此通常认为裂变同位素必须用在爆炸室里，这样可以将与锂反应的中子的数目增加几倍以上。然而，一个Tetris反应堆可以很容易地扩展到生产更高的能量。在比DT烧伤还高10倍以上温度，有效截面变得很大，足以支持DD的直接燃烧。其反应DD-＞氦-3+n和DD-＞氚+P约以同等的速度进行。因此，通过提高反应温度，和采用更高的D/T比例，Tetris的反应堆可以生产足够的氚，以供其使用(氦-3没有放射性)。更进一步的是，硼-11+P-＞氦4反应可能可以实现。这是一个理想的aneutronic反应，但具有非常高的挑战性。首先，因为其反应需要巨大的密度，第二，因为能量产率相对较低：的确，除非可以生产初始并被压缩的简并等离子体，否则电子将消耗太多的能量以至不能使自我蔓延的核聚变燃烧发生。一个Tetris系统的前景要好得多。将有效截面最大化的550keV温度是可以实现的，由此大大降低了对密度的要求。Tetris将电能转化为动能的效率很高，因此可以达到净能量输出，尽管核聚变的输出/输入能量比相当低。因为Tetris机器可以产生所需的任何的颗粒速度分布，对颗粒的轻度活塞般的脉冲预压使最低度的加热成为可行(需要用于生产简并等离子体)。(如果很慢的颗粒被用来进行压缩而不用做点火，为此目的可以使用几个不同的加速器，例如其操作不采用环空器(hohlraum)式的膜，而或者通过撞击目标以达到直接动量转换，或者通过颗粒间互相碰撞来加热并产生辐射能量以进行压缩。由于这些辅助加速器可以和主加速器共用建筑物，真空管和轨迹调整系统等设备，成本将不高。)一对互向的Tetris加速器将硼颗粒射向位于中央的氢目标，这可能是最佳的选择。硼-α颗粒强度高，并可以携带很高的电荷/质量比。实际上所有被使用的物质质量都参与核聚变反应，物质材料的质心坐标相对于加速器的框架是静止的，因此流体动力效率接近100％。互向的加速器不一定要完全的面对对方，所以几乎没有地球表面曲率的问题。

多个平行的加速器管可能可以被放置在同一建筑物内。加速器管间的间距只需要比电极间的间距大几倍，以最大限度的减少相互干扰。可以提供备用管。即使在最坏情况下，颗粒解体也只是损害一个管，当其管被取代时系统可以继续运作。多个加速器可以取向以使多个颗粒束逐渐汇合，最初颗粒束进入每一个小的真空管，当接近目标时，多个小的真空管收敛成为单一真空管。

采用一个倾斜的镜子，这样单一一台摄像机可以摄到立体图像。该装置可以测量粒子位置的全方位，其尺寸到～0.1微米。在实践中，采用较长脉冲的便宜的激光，并结合条纹分析，可能可以测量沿着运动轨迹的长轴的位置。

该相机还可以评估每个粒子的大小(如果需要的话，也可以独立测量形状，旋转，质量和质量/电荷比，例如，通过测量电荷量和由一个已知磁场所引起的偏转幅度)。粒子的相对位置和计时可以被修正，如果有必要，最后一颗子弹中的粒子的目的站可以互换，以确保最后一颗子弹的密度几乎是完全均匀，尽管其中个别粒径不同等，这是类似于Tetris电脑游戏。

一种可能的先进核聚变目标是氢-硼，其不产生中子，因此没有radionucleides。这种反应有共振峰。鉴于可以对虚拟子弹微调，虚拟子弹可以被预压缩，形状可以量身定做，并可得到任何所需的粒子内部速度分布，共振峰可能是有用的。硼用作为粒料，是一个理想的材料。即使粒料是硼的纯粹元素，其强度大并且非常刚硬，其化合物如碳化硼是更加坚韧。

目标可以是低温稳定的硼烷，硼氢化合物。一个有效的核聚变燃烧波可以被产生在质子-硼等离子体中，如果其等离子体处于间并态，即其不太热相对于它的密度。一个Tetris加速器可以提供第一波速度较慢的颗粒，具有高动量虽然相对能量不高，并与用于点火的快速颗粒同时到达目标，其加速器的内在能力非常适合提供这样的活塞式的压缩。请注意，比点火脉冲大几倍的能量可以自动用来预压目标，方法是在高速点火突发前发射速度较低的颗粒。

将目标压缩，最佳的方法是采用比点火颗粒行驶速度慢很多的颗粒(速度减慢10倍以上)。点火颗粒加速器能够提供以非常缓慢速度行驶的粒子，其适当速度也许是每秒几十公里，方法是只保留前几个电极而关闭其它所有电极，但其动量会较小。一个小的辅助加速器可以廉价地提供更大的动量，并与主加速器共用昂贵的组件-建筑，真空管，绝缘和行程修正系统。可以说，直到100毫秒价值的机器的输出功率可以以脉冲形式来到达目标：仅20兆瓦输出功率可提供2MJ压缩脉冲。为了保持在调整系统的有效范围内，颗粒的到达速度不应该大于主脉冲。因此，压缩粒子的质量可以是点火粒子的一百万倍左右：例如100×50微米直径。

辅助加速器的长度将是主加速器的十分之一左右，但其转换器成本与主加速器的相比小到可以忽略不计。虽然每个压缩颗粒携带的动量是点火颗粒的数千倍，它们还携带100倍以上的电荷量，并在有效的修正领域的附近停留的时间长几百倍以上，所以现有的行程调整器(tweakers)行程可以很容易地处理它们。它们的速度比是如此之高，在第一个点火颗粒到达前，所有的压缩颗粒已经经过了最后的行程调整器(tweaker)。将磁场安排在连结加速器和目标的真空管的几处，其目的是将压缩颗粒的运动轨迹稍向上弯曲以防止它们因重力而下垂。

作为目标压缩的一个替代方法，高速的颗粒可以撞击目标材料的前层，使其加热而导致蒸发，蒸发加压和压缩目标的更深的层。这种“火箭推力式”的方法采用高速颗粒的能量来加热材料导致低速的推进，其类似于激光驱动惯性约束的核聚变。在那里高速粒子是光子。

颗粒进行压缩，使用其他方法来加热于一点和点火，如激光(s)或基本粒子束(s)，原子。或者反之亦然。

快速和/或慢速的颗粒可以从相反的方向接近目标区，或者从更多个方向。它们可以从不同的加速器中发射出，和/或者通过电场或磁场导至沿着弯曲的运动轨迹。在这种情况下可能有或无单独的目标：颗粒本身可以包括所有用以核聚变的材料。

一系列的核聚变反应可以发生在管内不同的位置点，其管具有长并狭窄的内径。

如果颗粒体内的核聚变被点燃后，颗粒继续快速行驶(例如，由于相当不同速度的颗粒互撞而引起)其核聚变发生源的快速运动可以帮助释放的能量沿着管的长度来散发(不论是以光子，中子或其他粒子的形式)，这样没有一个部分的管壁或设备经受超出被损害程度的热和辐射等。

因为可以通过计算机软件来探讨压缩和点火的过程优化，主要是设计‘子弹’，例如利用遗传算法以得到有效的模式，其极大地促进了这个技术的发展。

Diacrode的主要限制是，一个频率固定的设备。在目前的应用中，启动速度必需有约20％的变化。使用MOSFET，其变化可以在第一个和最后一个颗粒离开加速器的期间内采用简单地稳步上升频率。使用diacrodes，解决方案是对加速器的快速后部进行一系列单位转换，导致形成颗粒次序列，每一个次序列有几米长，其中颗粒以均匀的速度行驶。从主加速器出来后，这些次序列通过短期的MOSFET所控制的电极，其电极的操作是按逐渐递增量来加快(或减慢)次序列中的颗粒，例如：从零增量给各个次序列中的第一颗粒，到以每秒几米的速度增量给最后的颗粒，使每一个颗粒有稍不同的速度，达到所需的完整的汇合。

在加速器管中低速颗粒的一端，由于颗粒间排斥，有一个可接受的最低限的颗粒分离。加速器的前几米被一个较长的低功耗领导段所取代，其领导段被提供予固定电极间距和高度可变的驱动频率。将颗粒连续送进这个领导段，并对颗粒以较低的电压充电和以5公里/秒的速度发射。当领导段接受了所有必需的一个颗粒线，变频电极给整线的颗粒加速到也许约50公里/秒速度，然后颗粒进入主加速器。在这个过程中颗粒的电压通过本处电极的电压补偿而升高到所需的水平：注意电子可以很容易地从颗粒传递到颗粒所通过的电极，虽然不是反之亦然，因为颗粒是一个电子排放点，而且电极表面光滑。为了将颗粒以5公里/秒速度送进领导段，颗粒通过Pelletron型范德格拉夫发电机被释放。这是一个众所周知的技术，只是通常以一个所选择的平均速率将颗粒从容器中送出，而不是颗粒以精确的时间间隔出现。这里必须修改：使用带有几个孔的容器。但是出现的任何颗粒被检测后，都可以立即被排斥。例如：用电子枪轰击它以消除其电荷，或用一个切换电极挪开它。因此，大多数颗粒被回收，每一周期只留一个颗粒降落进加速器管。(请注意，所需要的速度低于从现代bubblejet打印机弹出的并具相似直径的墨滴。)对降落进加速器的颗粒的精确定时可以通过踢开被拒绝颗粒的相同电极来调整。一对或较大组的颗粒同时出现于同一孔总是会被拒绝。偶尔总会有无颗粒出现的周期，因为任何泊松(Poission)分布偶尔会产生一个零值。但正如在别处所描述，通过在颗粒行驶途中混洗可以消除这些空隙。在加速过程中可以采用电场以保持颗粒居中，例如将电极成型为锥体，以产生一个向内的径向电场来用在每个周期的一部分。磁透镜，例如：用于基本粒子加速器的四极磁铁，和/或本文所述的主动转向，也都可用来以平息横向振荡。颗粒的强度测试可以通过将其充电至略高于它们被射出前所需的工作电压。因此颗粒的失败不太可能在管内发生，但任何确实发生的失败有可能成为传染性。然而，最坏情况是2兆焦耳的能量释放，和产生的破碎片云的动能，其在撞击每一个顺序的电极时以指数式减少：每个电极的质量超过整个颗粒云，所形成的中心孔＜1％的总面积，因此损失会是非常局部化。管可以被裹在Kevlar毯子里使外部设备不受其影响。可以在系统中多处纳用Chicane俘获阱：采用横向场以将具有完全正确的电荷/质量比的颗粒轻微弯曲，然后送到下一段，但允许其它材料飞入管口开放的“垃圾管”中，其中安全地储放着由冲击而生成的等离子体。通过成功地将每个颗粒精确地偏转以达到对其确切的电荷量进行监测，如果有必要，并用电子枪进行调整。

与粒子加速器的标准相比，连接加速器和目标的管可以具有相对较低的真空：它不需要置放在建筑物内，而由一个被安装在塔或阶梯上的简单管道组成。管道可以具有一个更大的内部半径，说～10厘米，其半径大于最大颗粒从颗粒束的偏差，以便管道可以容忍由于风所造成的达几个厘米的水平位移。而且，通过沿管的长度设置数量有限的几个抽真空点就可保持其真空度。

当颗粒接近目标端时，因为经过一个给定点的每一时间的颗粒量很高，对其位置的测量更加困难，在撞击点，每一时间的颗粒量增加到理论上的极大值。测量站的组成有配对的相机和脉冲激光，其激光通过漏水的光纤提供光。曝光是由激光来控制而不是栅板：具有～50Hz快门速度的廉价的CCD与昂贵的高捕获率的相机有类似的读出率，约10百万像素/秒，并有能力进行二进制处理，包括移位，读取，和加法运算(通常用于pixel binning)。以避免重叠造成的混乱，颗粒的运动轨迹被分散开，选择时序，这样使每个颗粒的影像出现在摄像头视野中的不同部分：例如1000×1000领域可被细分为100平方体，每个体有100×100像素。每个颗粒的位置成为X，Y的数值。因为可以接受高达20微秒的读取延迟(对应于向下游飞行的20米距离)每个摄像头在每个脉冲可以跟踪～100个颗粒。可以用标准的实验室式的桌面激光，其激光提供10μJ的输出功率脉冲，其在高达2MHz的重复频率时，持续时间＜1皮秒。一个颗粒在1皮秒中仅移动1微米。

在最后修正中，可以给予颗粒轻微的径向速度，并进行动态位置分配，使圆柱形虚拟子弹的终端产品尽可能整齐地排列，允许任何“颗粒缺少”的空隙，因为使用不完善的单分散颗粒，例如钻石星尘，要考虑到所检测的颗粒的大小不同：Tetris的系统名称。经过最终修正站后，电子枪进一步将颗粒电荷量降低为零。

基本设计假设所有的颗粒遵循相同的颗粒束。可以故意将颗粒束分成几个平行的束线，使颗粒束之间的线性分离保持足够大，这样甚至在接近冲击点时仍然可以对单独颗粒进行微调。

基本设计采用小且快速切换的电极来微调颗粒的运动轨迹。另一种方法是使颗粒通过强度固定的场，使用电子枪来精确控制并降低每个颗粒所带的电荷量以产生所需的行程路线调整。

通过以下策略，可以大大减小颗粒在加速过程中所遇到的弯曲和加热的严重性。Tetris加速器，与大量的独立转换的MOSFET结合，可以很容易地提供多个相的驱动电压。考虑一个非常类似用于coilguns的战略，如果将顺序的电极以约120°的相位差环绕式装置，加速力变得近于恒定：颗粒骑上具有恒定梯度的波。如果颗粒大小与内电极间的距离相比很小，颗粒经历一个在空间和时间近似均匀的场，并几乎不承受振动或感应电流。

将颗粒以控制的速率送进加速器，可以把它们机械地预先放置在(例如)500×500阵列的盘子上。颗粒通过插针坐在电极上而被冲电。为了在选定的即时发射每个颗粒，电极上的电荷被由负转正。盘子可以被交替地重载以连续地供应颗粒。

如果颗粒是单分散性微球，它们能聚到一起被紧密地堆积排列(例如各种晶格排列)。即使是最大的堆积密度也会有空隙，然而，在目标的冲击下(或冲击之前)被粉碎的颗粒将迅速地填补空隙。为了尽量减少播种瑞利(Rayleigh)-泰勒(Taylor)的不稳定性，更小的颗粒可以被用来填充这些空隙，甚至采用不同大小的准分形模式的微球作为颗粒。

如果采用非单分散性的颗粒，例如，过筛的钻石灰尘，颗粒的终端位置通过飞行运动轨迹的调整被动态分配以形成类似于干石墙面的排列，将任意大小和形状的物体聚集成一个具有最小内部空隙的质体。如果对每个颗粒的取向和旋转速度进行了测试，甚至碰撞瞬间时的方向都可以被考虑到。

颗粒的电荷放电可以通过电子枪发射电子给颗粒，或用接近颗粒飞行路线的热或冷的阴极释放电子。电子枪可以发射大致与颗粒平行和相同速度的电子，以达到高捕获率的结果。以同样的方式可以发射正离子以使颗粒带有更多的正电。颗粒电荷的降低可以是一个连续的或者是一个多步骤的过程。在任何点通过将颗粒流通过一个已知的电场或磁场，并测量每个颗粒的偏转角可以测量实际颗粒所带的电荷量(电荷/质量比)。

基本设计假设采用单一的加速器管。可以用一组相互平行并被垂直地堆叠的管，其大小大致相同于一组很长的书架。一旦技术的信心有所增加，可以将10组或更多这样并行的管组栈置在建筑物的天花板下方，占据其建筑的最宽度，但留有地面以上～2m的空间。为了维修方便，任何加速器管组可以沿其全部或部分长度堆栈到这个空间。当需要重新堆栈加速器管组，与每个管连接的定位小电机进行微调对齐。

牺牲射弹的组成可以是过冷的冰，其冰在反应室中直接生成蒸汽(其蒸气的压力在深冷低温条件下可以变得完全忽略不计)。

附图说明

图1显示一个加速器在地球-月球系统的拉格朗日(Lagrange)点发射一束颗粒，其颗粒束所沿的运动轨迹以掠角射向月球表面。

图2显示一个加速器的横截面，其中导电电极安装在绝缘管内；绝缘管的内径比电极的外径大很多。

图3显示反应室，其反应室壁被锂‘瀑布’(阴影)所保护，牺牲射弹被射入反应室：颗粒的移动的方向由箭头指示去撞击一个目标；目标在所述的射弹里面。

图4显示一个中央DT目标，其周围是含有丰富的氘的材料，外围是致密的外壳材料；外壳材料具有一个孔以允许颗粒通过。

图5-9每一个图显示颗粒(实心圆)在撞击目标(阴影)的途中：a、b、c、d部分显示一系列顺续的时间步骤。

图中：

(1)地球-月球系统的拉格朗日L1 or L2(Lagrange)点

(2)核聚变目标

(3)月球

(4)颗粒运动轨迹

(5)电极

(6)绝缘管

(7)连接在交替位置上的电极

(8)连接在交替位置上的电极

(9)牺牲射弹

(10)反应室

(11)锂或锂化合物的‘瀑布’

(12)目标

(13)颗粒

(14)允许颗粒通过的洞

(16)真空管

(17)装射弹的枪筒

(18)下一个射弹

(19)环形腔俘获阱

(20)含有丰富的氘的材料

(21)中央DT目标

(22)致密材料的外壳

(23)允许颗粒进入的孔

Claims (13)

1.一种用于提供向目标冲击的设备，包括加速器，目标和将所述加速器与所述目标隔开的真空间隔，其中，所述加速器被配置为：发射大量带电荷的颗粒，以及在不同的时间以不同速度发射所述颗粒，使得至少一些颗粒在真空间隔中相互接近并聚集为一组以冲击目标，所述设备进一步包括：

用于在颗粒离开所述加速器后在一个或多个点处测量各个颗粒的位置的机构；以及

用于在所述位置测量后修正颗粒的轨迹的机构。

2.根据权利要求1中所述的设备，其中：

所述修正各个颗粒的轨迹的机构包括迅速转换的电极，当颗粒从所述迅速转换的电极附近经过时所述迅速转换的电极提供短暂的电场。

3.一种用于提供向目标冲击的方法，包括以下步骤：

(ⅰ)提供被配置为发射大量带电荷的颗粒的加速器、目标和将所述加速器与所述目标隔开的真空间隔；

(ⅱ)在不同的时间以不同速度从所述加速器发射颗粒，使得至少一些颗粒在所述真空间隔中相互接近并聚集为一组以冲击所述目标；并且

其中，从所述加速器中出来的粒子的相对速度和粒子间的纵向间隔距离成正比。

4.根据权利要求3中所述的方法，其中：

至少一些颗粒在达到所述目标前彼此碰撞以形成团块，所述团块的密度至少是未压缩的颗粒密度的两倍。

5.根据权利要求3中所述的方法，其中：

至少有一些颗粒从所述加速器中出来后，这些颗粒上的电荷量被降低。

6.根据权利要求3中所述的方法，其中：

至少有一些颗粒在所述加速器和所述目标之间的通行期间，在多个点处，这些颗粒上的电荷量被降低。

7.根据权利要求3中所述的方法，其中：

在颗粒通行所述真空间隔时，测量至少一些颗粒的位置；以及

在所述位置测量后，修正所述颗粒中至少一些颗粒的轨迹。

8.根据权利要求3中所述的方法，其中：

所述目标的至少一部分被强烈压缩。

9.根据权利要求8中所述的方法，其中：

所述目标的一部分被强烈压缩是由于：所述颗粒撞击所述目标的第一部分，使所述第一部分加热到辐射出能量的点，所述辐射能量使所述目标的第二部分的外层蒸发，所述蒸发产生压缩所述第二部分的其余部分的反作用力。

10.根据权利要求3中所述的方法，其中：

所述颗粒的材料的平均原子量与所述目标中将首先被颗粒撞击的一部分的平均原子量相近，从而最大限度的减少瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)不稳定性。

11.根据权利要求3中所述的方法，其中：

在加速过程中可以采用以下的结合来保持颗粒居中：(i)主动转向和(ii)电场或磁透镜。

12.根据权利要求3中所述的方法，其中：

在加速过程中可以采用结合主动转向和四极磁铁以保持颗粒居中。

13.根据权利要求3中所述的方法，其中，结果产生核聚变。