CN103650094B - 用于产生自限式高密度空气等离子体的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在大气压下产生高电子密度空气等离子体的方法和装置。具体地说，本发明涉及自含式环形空气等离子体。已开发出用于产生大气环形空气等离子体的方法和设备。所述空气等离子体是自限的，可以投射并且形成时不要求另外的支持装备。

Description

用于产生自限式高密度空气等离子体的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月17日提交的，名为“Systems and Methods to Generate aHigh Density Air Plasma”的美国临时申请号61/498,281的优先权，所述申请以引用的方式整体并入。

联合发起的研究或开发

本发明是在政府支持下通过海军研究局(Office of Naval Research) (局)颁发的授权号N00014-08-1-0266下作出的。政府对本发明享有一定权利。

发明领域

本发明涉及一种用于在大气压下产生自持式空气等离子体的方法和设备。

发明背景

空气等离子体是由大气压下形成的以独立状态存在的离子、电子、自由基和其它中性物质构成的导电物质状态。空气等离子体可以在多种应用中使用，如非致命武器、聚变、等离子体加工、推进、消毒应用和冲击波消减。

然而，当前的等离子体源无法产生具有足以防御在大气压下由冲击波引起的过压的后果的电子密度的空气等离子体。此外，当前的等离子体源在不使用昂贵又笨重的支持装备或大磁体下无法产生具有长寿命的自含或自限式空气等离子体。因此，仍然需要产生空气等离子体的多用途、可扩大规模和可重复的方法和设备。

发明概述

本发明涉及一种用于在大气压下产生自限且自稳定的空气等离子体的方法和设备。具体地说，所述方法和设备在大气压下产生具有足以用于众多应用的电子密度的环形空气等离子体(TAP)。所述方法和设备可以被构造来在高重复率下产生TAP。

所述方法包括在大气压下产生自含式空气等离子体。空气等离子体在第一点火区域内产生并且其径向膨胀被限制。所述方法还包括将高压脉冲施加到二级点火区域内的空气等离子体上以加热空气等离子体并且使所述空气等离子体加速离开第二点火区域。加热空气等离子体使空气等离子体膨胀并变成自含的。

用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备包括一级点火区域，所述一级点火区域包括界定第一空腔以容纳等离子体源的第一屏蔽材料，所述第一空腔可以是细长的或另一种构造。所述设备还包括从等离子体源产生空气等离子体的点火装置和包括界定第二区域的第二屏蔽材料的二级点火区域，所述第二区域可以是细长的或另一种构造，其中第二空腔与第一空腔流体连通以接纳空气等离子体。在一个实施方案中，第二区域至少部分由丝网界定，所述丝网允许电流通过其内的空气放电并且形成等离子体放电。

所述设备包括高压电路，所述高压电路包括至少一个电容器并且与电压源连通以将高压脉冲施加到空气等离子体上。高压脉冲对空气等离子体加热并且使所述空气等离子体加速离开设备以在大气压下形成自含式空气等离子体。在多个其它实施方案中，等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、炸药、喷气等离子体、空心负极等离子体、超高速等离子体源、轨道炮、微波驱动的等离子体源或可以引入第二区域中的其它紧凑型等离子体源。等离子体源也可以通过一个或多个激光诱导的等离子体通道来提供。

在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法包括施加第一高压脉冲使其穿过丝线以使丝线闪爆并且在位于正极与负极之间的第一点火区域内产生空气等离子体。所述方法还包括限制空气等离子体的径向膨胀，以使空气等离子体平行于丝线的纵轴行进至负极与加速器电极之间的第二点火区域。施加第二高压脉冲使其穿过负极和加速器电极以对空气等离子体加热，其中加热空气等离子体使所述空气等离子体膨胀，加速并且形成环形结构。所述方法还包括在大气压下从第二点火区域排放自含式环形空气等离子体。

所述方法进一步包括在正极与负极之间以及在负极与加速器电极之间设置刚性电绝缘材料。绝缘材料界定空腔，所述空腔可以是细长的。在正极与负极之间的细长空腔接纳丝线并且限制空气等离子体的径向膨胀。在负极与加速器电极之间的空腔允许空气等离子体膨胀。两种空腔都可以具有大体圆柱形或螺旋形的构造。空腔可以具有相等或不同的直径并且可以被构造来增大或减小环形等离子体的直径。此外，空腔可以被构造来增大或减小环形等离子体的速度。

在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法包括在第一点火区域内产生空气等离子体；将空气等离子体的膨胀速度引出第一区域；以及在二级点火区域中将能量赋予空气等离子体，其中赋予的能量使空气等离子体膨胀，加速离开第二点火区域，并且变成自含的。替代地，所述方法可以包括限制空气等离子体的径向膨胀。

在各个实施方案中，丝线具有范围在00 AWG与80 AWG之间的线规。在其它实施方案中，第一高压脉冲是在10 kV与50 kV之间并且具有介于0.1 µs与200 ms之间的持续时间，而第二高压脉冲是在100 V与300 V之间或多达数千伏特并且具有介于1 ns与1000 ms之间的持续时间。

在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备包括位于一级点火区域内正极与半渗透负极之间的第一屏蔽材料。第一屏蔽材料具有第一纵向空腔以容纳在正极与负极之间延伸且与正极和负极连通的导线。所述设备还包括具有至少一个电压源和至少一个电容器的一级高压电路。一级高压电路与正极和负极连通以施加第一高压脉冲使其穿过丝线，从而使所述丝线闪爆并且产生空气等离子体。第一纵向空腔限制空气等离子体的径向膨胀。

所述设备还包括由位于负极与半渗透电极之间的第二屏蔽材料界定的二级点火区域。第二屏蔽材料具有在负极与电极之间延伸的第二纵向空腔，其中第二纵向空腔与第一纵向空腔流体连通以接纳空气等离子体。所述设备还包括具有与电压源连通的至少另一个电容器的二级高压电路。二级高压电路进一步与负极和电极连通以施加第二高压脉冲使其穿过负极与电极之间的间隙，其中第二高压脉冲进一步加热并加速横越电极时之空气等离子体以在大气压下形成自含式空气等离子体。

在各个实施方案中，自含式空气等离子体可以通过激光诱导的等离子体来形成并且随后通过激光器、微波脉冲或用于赋予能量的任何手段来加热。空气中形成的等离子体通过静电场或电磁场和相互作用来自含。因此，空气等离子体固有地具有长寿命。自限式空气等离子体可以具有大约数毫秒至数秒或甚至数分钟的寿命。

等离子体的密度可以通过使用增压系统来增大，所述增压系统可以将设备中的压力增至1 ATM与2000 ATM之间的范围或更高。此外，可以使设备中和/或周围的空气改性以优化所产生的空气等离子体的大小和电子密度。例如，设备中和/或周围的空气可以包括一种或多种气体混合物或接种有纳米颗粒或多种化合物的气体。

在各个实施方案中，自含式空气等离子体具有至少10¹⁰/cm³的电子密度并且可以高达10¹⁹/cm³。此外，设备的几何形状引导空气等离子体形成环形结构。

附图描述

图1描绘了环形空气等离子体产生器的一个实施方案。

图2是空气等离子体产生设备的一个实施方案的照片。

图3是空气等离子体产生设备的一个实施方案的侧视照片。

图4是根据一个实施方案的一级高压电路的示意图。

图5是根据一个实施方案的环形空气等离子体的高速图像。

图6A和图6B是提供了根据一个实施方案形成环形空气等离子体的截面视图的照片。

图7是描绘了根据一个实施方案形成环形空气等离子体的一种方法的流程图。

发明详述

本发明涉及在大气压下产生高密度空气等离子体，所述高密度空气等离子体可持续足够的持续时间并且具有足以在多种应用中使用的电子密度。如本文所使用的大气压下的空气等离子体是指空气等离子体具有的压力大致上等于周围的大气。此外，大气压下的空气等离子体不要求专门化的高压或低压容器。一方面，空气等离子体产生设备的几何形状引起空气等离子体的形状和自含性质。一旦形成，空气等离子体就是自含的并且不要求另外的支持装备。例如，空气等离子体产生器可以被构造来产生环形空气等离子体(TAP)。TAP是具有大致上环形形状的空气等离子体。

例如，所产生的空气等离子体可以用于冲击波消减，用作氚-氚或氘-氚反应的聚变源或任何其它高级的聚变循环或等离子体电容器。此外，所产生的空气等离子体可以用于非致命应用中，包括但不限于电击武器，如Taser。空气等离子体还可以用于许多工业应用，包括但不限于：包括半导体加工的等离子体表面改性、聚合物改性、定向能量应用、微波产生、能量存储和产生、用于半导体制造的UV产生、等离子体箔条、表面消毒和远距离微波穿隧。空气等离子体还可以用作涡轮机、燃机和火箭发动机的点火源。所产生的等离子体还可以用于其它应用中，例如所产生的空气等离子体可以是球状闪电的前体。

空气等离子体产生器设备

图1至图3中示出了产生环形空气等离子体(TAP)的空气等离子体产生设备100的一个实施方案。设备100包括与一级高压电路104和二级电路106电连通的TAP产生器102。

TAP产生器102能够产生由130大体指示的，具有有限持续时间的TAP放电。根据一个实施方案，TAP产生器102使用爆丝108来形成TAP放电130。

如所示，爆丝108可以由位于TAP产生器102内的单股丝线来形成。替代地，爆丝108可以由交织的或在TAP产生器102内回环往复的单股丝线组成，以使多个长度的丝线可以同时闪爆。在其它各个实施方案中，爆丝108可以由多股相异丝线或环形丝线组成。

举例来说且不加限制，爆丝108可以是40线规的铜线；然而，在空气中受热并蒸发的任何适合的丝线都可以使用。在其它实例中，爆丝108可以是00 AWG至80 AWG范围的任何线规的丝线。此外，爆丝108可以是实心线、镀线、掺杂有其它材料的丝线或包在另一种材料中的丝线。爆丝108悬挂在正极110与负极112之间。为了点燃爆丝108，施加高压电流使其穿过正极110和负极112并且通过丝线108。在各个实施方案中，高压电流使爆丝108的至少一部分过热，从而使其爆发性膨胀。

正极110和负极112界定一级点火区域114，在所述一级点火区域中，点燃了爆丝108。一级点火区域114还包括不导电的一级屏蔽材料116，所述一级屏蔽材料填充正极110与负极112之间的空间的一部分。一级屏蔽材料116具有与正极110与负极112之间的间隔相等的厚度。在一个实例中，一级屏蔽材料116可以具有在5 cm与20 cm之间的厚度；然而，也可以使用其它厚度和间隔距离。在一个实施方案中，一级屏蔽材料116界定接纳爆丝108的一级细长空腔118。细长空腔的直径大于爆丝的直径，以使爆丝108不接触一级屏蔽材料116，从而允许爆丝108在大气压下在空气中点燃。一级细长空腔118限制从爆丝108的闪爆之后细长空腔内的空气的径向膨胀，如由120所指示。限制空气的径向膨胀120连同来自闪爆的冲力将膨胀空气的速度引出一级点火区域114。

爆丝108的组成还可能有助于空气等离子体的形成。举例来说且不加限制，丝线108的闪爆产生电子、离子、等离子体、UV波和/或金属颗粒的冲击波，以及许多可以加强TAP放电130的形成的其它条件。爆丝108还产生将冲力赋予TAP产生器102的二级点火区域122内的气体分子的压力脉冲。类似地，爆丝108将能量和冲力赋予二级点火区域122内的TAP放电130。

在一个实施方案中，一级细长空腔118是大体圆柱形的。在另一个实施方案中，一级细长空腔118具有螺旋形构造。类似地，可以使用一级细长空腔118的其它构造；然而，在所有实施方案中，从爆丝108的TAP放电130大致上受限于沿细长空腔的中心轴的轴的轴向加速度以产生有助于形成二级点火区域122内的TAP放电130且使其成型的边界条件。

二级点火区域122部分由负极112和加速器电极124界定。在一个实施方案中，负极112和加速器电极124是半渗透材料，诸如但不限于网格或筛网，以使TAP放电130可以横越负极和加速器电极。举例来说且不加限制，加速器电极124可以由不锈钢或任何其它半渗透导电材料构成。

二级点火区域122包括二级屏蔽材料126。二级屏蔽材料126是不导电的并且可以具有与一级屏蔽材料116相同的组成。替代地，二级屏蔽材料126可以具有与一级屏蔽材料116不同的组成。

在一个实施方案中，二级屏蔽材料126具有与负极112与加速器电极124之间的间隔相等的厚度。在一个实例中，二级屏蔽材料126根据负极112和加速器电极124之间的距离具有范围在约2 mm与2 cm之间的厚度；然而，也可以使用其它厚度和间隔距离。二级屏蔽材料126还界定了与一级屏蔽材料116的一级细长空腔118轴向对齐的二级空腔128。

在一个实施方案中，二级空腔128的直径大于一级细长空腔118的直径以允许在TAP放电130在行进穿过二级点火区域122或替代地在所述二级点火区域内形成和通过所述二级点火区域形成时发生膨胀。在另一个实施方案中，二级空腔128的直径可以等于或小于一级细长空腔118的直径。类似地，二级空腔的长度可以大于、等于或小于第一细长空腔的长度。在其它各个实施方案中，二级点火区域122具有多个空腔，所述多个空腔任选地可以相互平行对齐以及和一级细长空腔118平行对齐。

虽然图1至图3中示出了单个一级点火区域114和单个二级点火区域122，但在其它实施方案中，可以使用多个点火区域来进一步放大TAP放电130的作用。例如，多个等离子体源可以在多个一级点火区域内点燃和/或可以使用多个二级点火区域来放大、加速、加强TAP放电130和/或使其成型。

在各个实施方案中，一级空腔和二级空腔的直径可以形成或以其它方式构造来增大或减小空气等离子体的直径并且增大或减小空气等离子体的速度。自含式空气等离子体的几何形状也可以通过优化空气等离子体产生设备100和周围的环境来增强。例如，TAP产生器可以被构造来产生稳定的等离子体粒团或与球状闪电相似的等离子体球体。

TAP产生器102电连接至一级高压电路104，所述一级高压电路被构造来将高压脉冲递送至正极110和负极112。TAP产生器102还电连接至二级高压电路106，所述二级高压电路被构造来通过二级点火区域122内的等离子体排放能量。

一级高压电路104包括一个或多个电容器组、一个或多个高压电源和一个或多个高压开关以及适合的脉冲产生电路以递送高压脉冲使其穿过正极110和负极112。在一个实施方案中，一级高压电路104包括电容器组，所述电容器组被供能至约2 kV与约100 kV之间以将具有在约10 ns与200 ms之间的持续时间的高压脉冲穿过正极110和负极112递送至爆丝108。在该实施方案中，正极110是实心的或半渗透的导体，而负极112是半渗透的导体。

如图4中所示，一级高压电路104的具体实施方案是RLC电路，所述RLC电路包括许多电阻器402A-C、一个或多个感应器404和一个或多个电容器或电容器组406。一级高压电路104还包括电源408、三片加压气隙开关410、连接至正极110的导线412、连接至负极112的另一条导线414和另外的保护和安全电路，所述另外的保护和安全电路包括但不限于通常由416指示的开关和二极管。

在一个实施方案中，电源408是将约30 kV供应到一级高压电路104的直流(DC)电源。电容器组406具有约11 µF的电容以存储并释放约4.4 kJ以产生6 kA、46 µs的电流脉冲(半最大值全宽)使其穿过爆丝108，从而使所述丝线闪爆。感应器404典型地是11.77 µH空心感应器。使用感应器404和5.5 Ω水性电解质成型电阻器402A来使电流脉冲成型。

电路电感和电阻都是影响递送至和存放到丝线108上的电流和能量数量的可变参数。为了确定电路电感对递送至丝线108的电流脉冲的影响，在各个实施方案中用具有0.6µH和27.5 µH电感值的其它感应器替换空心感应器404。类似地，在其它实施方案中，用具有约20 Ω至约300 mΩ的电阻的电阻器替换水性电解质电阻器。也可以使用非水性电解质电阻器。

在改变一级高压电路104的电感时，使用具有约5.2 Ω的电阻的成型电阻器402A。同样地，在改变电阻器402A的电阻时，感应器404具有约11.77 µH的电阻。

由具有典型的11.77 µH感应器404和典型的5.2 Ω成型电阻器402A的一级高压电路104产生的电流脉冲递送约6 kA，其中脉冲宽度是约46.08 µs。观察到电流脉冲的峰值和宽度随着电感的变化而变化。例如，在感应器404具有约27.5 µH的电感时，递送至爆丝108的电流脉冲具有约5.48 kA的峰值电流和约53.55 µs的脉冲宽度。而在感应器404具有0.6µH的电感时所产生的电流脉冲产生以较小脉冲宽度(约35.9 µs)递送的较高电流(约6.88kA)。如鉴于传统电路理论所预期的，观察到了随着电感增大，电流脉冲的幅度减小，但脉冲宽度会扩大。此外，观察到了改变一级高压电路104的电感不会导致TAP放电130的高度或持续时间的显著改变。类似地，在由TAP放电130的行进距离数据中未观察到显著的效果。因此，一级高压电路104的电感可以在不减少所产生的TAP的情况下根据空气等离子体产生设备100的所需应用来改变。

然而相反地，已确定改变一级高压电路104中的电阻确实会影响所产生的TAP。例如，在成型电阻器402A的电阻是约5.2 Ω的情况下，源自一级高压电路的典型构造的电流脉冲是约6 kA，其中脉冲宽度是约46.08 µs。然而，在电阻器402A具有约20 Ω的电阻时，电流脉冲达到仅约2.02 kA的峰值，其中脉冲宽度是约130.85 µs。

此外，通过从电路移除典型的水性电解质电阻器402A并且通过导线412将感应器404直接连接至正极110产生约300 mΩ的杂散电阻。在这种构造中，一级高压电路104是欠阻尼的，而非典型的过阻尼的构造。因此，所得的电流以约288 µs振荡约四次，同时达到约23.6 kA的峰值。

改变电阻器402A的电阻引起TAP放电130的大小和持续时间的可观的差异。例如，在电阻器402A具有约20 Ω的电阻时，在与约5.2 Ω的成型电阻相比时，TAP放电130具有更短的持续时间和更小的直径。此外，在移除电阻器402A或以其它方式使电阻器402A减小以产生约300 mΩ的电阻时，在与5.2 Ω电阻器情况下的TAP放电相比时，TAP放电130的直径约是其两倍大并且具有更长的持续时间。此外，将300 mΩ电阻器用于成型电阻器402A产生的TAP放电130行进了将20 Ω电阻器或5.2 Ω电阻器用于成型电阻器所产生的TAP放电的约两倍。在这种构造中，另外的能量已被存放在由爆丝108形成的TAP放电130上。这使得TAP放电130的容积和持续时间增大并且可能至少部分是由一级高压电路104的阻尼的减小所引起。

优选地，二级高压电路106包括充电至适于对TAP放电130加热的电压的电容器组。例如，在二级高压电路106充电至100 V与300 V之间时，进入二级点火区域122的TAP放电130完成了负极112与加速器电极124之间的电路。由二级高压电路106赋予的能量增强了TAP放电130的持续时间和速度。在一个实施方案中，二级高压电路106连接至与一级高压电路104相同的高压电源。在另一个实施方案中，二级高压电路106由另一个高压源供电。在又一个实施方案中，一级高压电路104和二级高压电路106可以并入单个高压系统中。

举例来说且不加限制，二级高压电路106可以包括充电至约250 V以加热二级点火区域122内的等离子体的8.8 mF二级电解电容器组132。已示出闪爆后加热会增强TAP放电130的大小和持续时间。

由二级电路106提供的另外的加热还在形成TAP放电130的环形形状中发挥了作用。例如，由二级屏蔽材料126界定的细长空腔128允许丝线104的闪爆所产生的等离子体发生膨胀。在膨胀期间，在负极112与加速器正极124之间的区域充满等离子体时，二级电容器组132通过等离子体排出存储的能量。在一个实施方案中，由来自二级电容器组132的等离子体汲取的400 A电流具有约4 ms的脉冲宽度。在二级电容器组132放电之后，大部分TAP放电130与留在二级点火区域122内的放电的一部分134分离并且离开TAP产生器102，如图5中所示。在大部分TAP放电130与剩余部分分离之后，电容器组132可以继续放电并且为TAP产生器102中的剩余等离子体供能。

图5中示出TAP放电130的环形结构500的演变的截面视图。对于点火之后的约第一毫秒，放电130仍然从二级点火区域122膨胀并且具有十分均匀的轮廓。在点火之后的约1.5ms，环形形状开始形成。这两张图像图解了点火之后6 ms和7 ms时的放电的环形形状。图5还示出了二级点火区域122内的剩余放电134。

在一个实施方案中，TAP放电130可以持续多达15 ms，同时从TAP产生器102行进约30 cm。在其它实施方案中，TAP放电130的寿命可以在数毫秒至多秒以及多分钟的范围内。TAP放电103的环形结构400可以膨胀至约12 cm的直径。在其它实施方案中，环形结构400可以膨胀至包括小于或大于12 cm的直径的其它直径。TAP的电子密度优选是至少10¹⁰/cm³并且可以高达10¹⁹/cm³。在各个实施方案中，在等离子体处在二级点火区域122内时，基于测量的通过等离子体的电流，电子密度测定是约10¹⁴/cm³至10¹⁵/cm³。

等离子体的密度可以通过使用增压系统(未示出)来增加，所述增压系统可以将设备中的压力增至1 ATM至2000 ATM或更高的范围。此外，可以使设备中和/或周围的空气改性以优化所产生的空气等离子体的大小和电子密度。例如，设备中和/或周围的空气可以包括一种或多种气体混合物或接种有纳米颗粒或多种化合物的气体。

在各个实施方案中，由爆丝108的闪爆所产生的冲击波和热的径向膨胀120分别限定在一级空腔118和二级空腔128内。爆丝108的放电因此被消散，所述消散主要是通过沿着一级细长空腔118和二级空腔128的轴的轴向消散来进行。这将流体动力效应赋予TAP放电130，因此TAP产生器102的几何形状有助于TAP放电130的自含特征。

来自爆丝108的初始轴向膨胀和二级点火区域122内的二级激发的组合效应引起环形结构400的形成。在其它各个实施方案中，二级点火区域122可以具有可以将能量传送至TAP放电130的任何几何形状。在这些实施方案中，TAP放电130的温度和随后的光的吸收和发射可以基于二级点火区域122的几何形状针对具体要求来定制。递送至二级点火区域122中的等离子体的能量的持续时间和数量可以进行优化以产生所需应用要求的TAP放电130的特征。例如，通过增加赋予二级点火区域122中的TAP放电的能量，TAP放电的寿命可以从数毫秒延长到数分钟，从而允许等离子体的长程投射。

虽然已使用爆丝108作为初始等离子体源对TAP产生器102进行了描述，但也可以使用其它等离子体源。举例来说且不加限制，其它等离子体源包括炸药、喷气等离子体、空心阴极等离子体、微波驱动源、高功率激光阵列、轨道炮、超高速等离子体加速器和具有高重复率来产生电离颗粒的任何其它等离子体源。在这些实施方案中，等离子体源通过与等离子体源对应的适合的激活装置来激活。例如，用于炸药的激活装置是雷管，而用于微波驱动源的激活装置是微波产生器。

在另一个实例中，一个或多个激光器用于形成或进一步加热TAP放电130。例如，激光器可以用于在一级点火区域114中形成激光诱导的空气等离子体。替代地，激光器可以用于对二级点火区域122中的等离子体放电加热。

在各个实施方案中，空气等离子体产生设备100被构造来用于单击或多击操作。因此，空气等离子体产生设备100可以在高重复率下产生单个或多个自含式空气等离子体。

环形空气等离子体

在刚点燃爆丝108之后，在所述爆丝从第一一级细长空腔118膨胀时，TAP放电130具有十分均匀的轮廓。在一个实施方案中，在点燃之后约1.5 ms，TAP放电130开始呈现环形结构400。在图5A和图5B中，分别在点燃之后约6 ms和约7 ms时示出TAP放电200的环形结构400。图6A和图6B还示出了二级点火区域122内TAP放电130的二级点火600。在TAP放电130离开TAP产生器102时，所述放电具有循环电流或磁场倒转，所述循环电流或磁场倒转产生自生磁场以及在环形结构400的较小半径上产生旋转等离子体区域。自生磁场限定TAP放电130并且显著增加TAP放电的寿命以通过减少相互作用来有效产生自持的TAP放电，所述相互作用可以将空气等离子体的分子与大气气体分子重组。

在各个实施方案中，TAP放电可以持续约2 ms至30 ms并且离开TAP产生器102后可以高达200 m/s行进约10 cm至40 cm。环形形状500可以膨胀至多达约12 cm的直径。TAP放电130的电子密度是约10¹⁴/cm³至10¹⁵/cm³，所述电子密度是对在二级点火区域122中的放电进行二级加热期间由所测量的通过TAP放电130的电流测定的。在其它各个实施方案中，TAP放电130可规模扩大至更高的能量、密度并且可以用于许多高级应用。

例如，可以将一千焦耳至十亿焦耳或更高的能量赋予二级点火区域122中的TAP放电130。增加能量会将TAP放电130的寿命从约数毫秒增至数分钟，从而允许TAP放电的长程投射。

图7是图解用于产生TAP放电130的方法700的一个实施方案的流程图。在步骤702，施加第一高压脉冲使其穿过正极110、负极112和一级点火区域114中的爆丝108。第一高压使丝线闪爆，从而产生TAP放电130。在步骤704，限制AP放电的径向膨胀以使TAP放电沿着丝线的纵轴行进至由负极112和加速器电极124界定的第二点火区域。

在步骤706，在第二点火区域122中，施加第二高压脉冲使其穿过负极112和加速器电极124以进一步加热TAP放电130并使其膨胀。在二级点火区域122中，TAP放电变得自持并且呈现环形结构200。在步骤708，自含式TAP放电从第二点火区域122放电，其中所述放电可以用于削减冲击波或另一种扩散波的作用。

用于产生环形空气等离子体的示例方法

举例来说且不加限制，提供了用于产生TAP放电，如放电130的一种示例方法。空气等离子体产生设备100的一级高压电路104包括11 µF电容器组，所述电容器组被供能至约30 kV以递送4 kA，持续时间为约200 µs的脉冲使其穿过TAP产生器102内的两股40 AWG镀银铜丝108。连接至丝线108的正极110是铜网，而负极112是不锈钢网。一级屏蔽材料116是厚度为约10 cm的聚碳酸酯材料并且细长空腔118的直径为约1.25 cm。

二级电路106使用充电至250 V的8.8 mF电解电容器组132以对TAP放电130加热。二级一级屏蔽材料126是塑料的，约7 mm厚并且界定直径为约3 cm的另一个细长空腔128。二级电路106在约4 ms内将约400 A放电到TAP放电130中。离开TAP产生器102的TAP放电130具有约10¹⁶/cm³至10¹⁷/cm³的电子密度，所述电子密度由二级加热期间所测量的通过放电的电流测定。

将认识到本发明的装置和方法能够以多种实施方案的形式并入，上文仅说明和描述了所述多种实施方案中的一些。在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以体现在其它具体形式中。描述的实施方案在所有方面都应被视为仅是说明性的和非限制性的，并且本发明的范围因此由所附权利要求而非前文描述指示。属于权利要求的等价要求的含义和范围内的所有改变都应包涵于它们的范围中。

Claims (29)

1.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法，所述方法包括：

在第一点火区域中产生空气等离子体；

限制所述空气等离子体的径向膨胀；以及

将高压脉冲施加到二级点火区域中的所述空气等离子体上，其中所述高压脉冲使所述空气等离子体膨胀，加速离开所述二级点火区域，并且变成自含的，

其中将所述高压脉冲施加到所述空气等离子体进一步包括：

施加所述高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述空气等离子体是从等离子体源产生并且所述等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、炸药、喷气等离子体、空心阴极等离子体、激光器、轨道炮、超高速等离子体源和微波驱动的等离子体源。

3.如权利要求1所述的方法，其中限制所述空气等离子体的径向膨胀进一步包括：

将屏蔽材料设置在所述空气等离子体源的周围，以将所述空气等离子体的膨胀集中在与所述第一点火区域和所述二级点火区域的纵轴平行的方向上。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述空气等离子体加速离开所述负极和所述电极并且形成自限式结构。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述自限式结构是环形结构或球体结构。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述自含式空气等离子体具有至少10¹⁰/cm³的电子密度。

7.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备，所述设备包括：

第一点火区域，所述第一点火区域包含界定第一纵向空腔以容纳等离子体源的第一屏蔽材料；

点火装置，所述点火装置与所述第一点火区域连通以从所述等离子体源产生空气等离子体；

二级点火区域，所述二级点火区域与所述第一点火区域相邻，所述二级点火区域包含界定第二纵向空腔的第二屏蔽材料，其中所述第二纵向空腔与所述第一纵向空腔流体连通以接纳所述空气等离子体；以及

高压电路，所述高压电路包括至少一个电容器，所述高压电路与电压源连通以将高压脉冲施加到所述空气等离子体上，其中所述高压脉冲对所述空气等离子体加热并使其加速离开所述设备以在所述大气压下形成所述自含式空气等离子体，

其中将所述高压脉冲施加到所述空气等离子体进一步包括：

施加所述高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、激光器、炸药、喷气等离子体、空心阴极等离子体、轨道炮、超高速等离子体源和微波驱动的等离子体源。

9.如权利要求7所述的设备，其中所述第二纵向空腔是圆柱形的并且所述自含式空气等离子体形成自限式结构。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述自限式结构是环形结构或球体结构。

11.如权利要求7所述的设备，其中所述自含式空气等离子体具有至少10¹⁰/cm³或更高的电子密度。

12.一种用于在大气压下产生自含式环形空气等离子体的方法，所述方法包括：

施加第一高压脉冲使其穿过丝线以使所述丝线闪爆并且在正极与负极之间的第一点火区域中产生空气等离子体；

限制所述空气等离子体的径向膨胀，其中所述空气等离子体平行于所述丝线的纵轴行进至所述负极与加速器电极之间的第二点火区域；

施加第二高压脉冲使其穿过所述负极和所述加速器电极以对所述空气等离子体加热，其中受热的空气等离子体膨胀并且形成环形结构；以及

在所述大气压下从所述第二点火区域排放所述自含式环形空气等离子体。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

将刚性电绝缘材料设置在所述正极与所述负极之间，所述材料界定了围绕所述丝线的第一细长空腔并且所述细长空腔限制所述空气等离子体的所述径向膨胀。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一细长空腔具有大体圆柱形的构造。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一细长空腔具有大体螺旋形的构造。

16.如权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：

将第二刚性电绝缘材料设置在所述负极与所述加速器电极之间，第二材料界定了第二细长空腔以接纳所述空气等离子体。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述第二细长空腔具有比所述第一细长空腔更大的直径。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述第二细长空腔具有比所述第一细长空腔更小的直径。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述第二细长空腔具有大体圆柱形的构造。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述第二细长空腔具有大体螺旋形的构造。

21.如权利要求12所述的方法，其中所述丝线具有在00线规与80线规范围内的线规。

22.如权利要求12所述的方法，其中所述第一高压脉冲是在10 kV与50 kV之间并且具有在10 µs与200 ms之间的持续时间。

23.如权利要求12所述的方法，其中所述第二高压脉冲是在100 V与300 V之间并且具有在1 ms与200 ms之间的持续时间。

24.如权利要求12所述的方法，其中所述自含式环形空气等离子体具有至少10¹⁰/cm³的电子密度。

25.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备，所述设备包括：

第一点火区域，所述第一点火区域由位于正极与半渗透负极之间的第一屏蔽材料界定，所述第一屏蔽材料具有第一纵向空腔以容纳导线，所述导线在所述正极与所述负极之间延伸并且与所述正极和所述负极连通；

一级高压电路，所述一级高压电路具有至少一个电压源和至少一个电容器，所述一级高压电路与所述正极和所述负极连通以施加第一高压脉冲使其穿过所述正极和负极以使所述导线闪爆并且产生空气等离子体，其中所述第一纵向空腔限制所述空气等离子体的径向膨胀；

二级点火区域，所述二级点火区域由位于所述负极和半渗透电极之间的第二屏蔽材料界定，所述第二屏蔽材料具有在所述负极与所述电极之间延伸的第二纵向空腔，其中所述第二纵向空腔与所述第一纵向空腔流体连通以接纳所述空气等离子体；以及

二级高压电路，所述二级高压电路具有至少一个其它电容器并且与所述电压源连通，所述二级高压电路进一步与所述负极和所述电极连通以施加第二高压脉冲使其穿过所述负极与所述电极之间的间隙，其中在所述空气等离子体横越所述二级点火区域和所述电极时，所述第二高压脉冲加热并加速所述空气等离子体以在所述大气压下形成所述自含式空气等离子体。

26.如权利要求25所述的设备，其中所述第二纵向空腔是大体圆柱形的并且具有比所述第一纵向空腔更大的直径以使所述自含式空气等离子体在横越所述电极时形成环形结构。

27.如权利要求25所述的设备，其中所述自含式空气等离子体具有至少10¹⁰/cm³或更高的电子密度。

28.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法，所述方法包括：

在第一点火区域中产生空气等离子体；

将所述空气等离子体的膨胀速度引出所述第一点火区域；以及

将能量赋予二级点火区域中的所述空气等离子体，其中所述赋予的能量使所述空气等离子体膨胀，加速离开所述二级点火区域，并且变成自含的，

其中将能量赋予所述空气等离子体进一步包括：

施加高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。

29.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法，所述方法包括：

在第一点火区域中产生空气等离子体；

限制所述空气等离子体的径向膨胀；以及

将能量赋予二级点火区域中的所述空气等离子体，其中所述赋予的能量使所述空气等离子体膨胀，加速离开所述二级点火区域，并且变成自含的，

其中将能量赋予所述空气等离子体进一步包括：

施加高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。