CN104604338B - 用于加速和压缩等离子体的设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于加速和压缩等离子体的设备和系统。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。

Description

用于加速和压缩等离子体的设备和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年8月29日提交的题为“HIGH EFFICIENCY PLASMAACCELERATOR(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
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
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(plasma torus)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
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。
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(propagation channel)，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。
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。
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：
其中，z0是伸长部分在上游端处的纵向位置，c是伸长部分的每单位长度电感L’与伸长部分之前的电感L0的比率，以及a和b是由下式限定的常数：
a＝b+1/r0
其中，r0是内部电极或外部电极在上游端处的半径，以及
其中，r1和z1是内部电极或外部电极的各自的半径以及伸长部分在下游端处的纵向位置。
替选地，内部电极的半径和外部电极的半径相对彼此不是固定的比率。在这样的情况下，内部电极和外部电极中每个沿着伸长部分的纵向位置z的半径r(z)个别地由以下等式限定：
其中，z0是伸长部分在上游端处的纵向位置，c是伸长部分的每单位长度电感L’与伸长部分之前的电感L0的比率，以及a和b是由下式限定的常数：
a＝b+1/r0
其中，r0是内部电极或外部电极在上游端处的半径，以及
其中，r1和z1是内部电极或外部电极的各自的半径以及伸长部分在下游端处的纵向位置。
电源可以被配置成生成电加速脉冲，一旦等离子体环进入伸长部分则该电加速脉冲停止。电源还可以被配置成生成下述电加速脉冲：该电加速脉冲具有当等离子体环沿着伸长部分行进时产生恒定的推进通量的定时、持续时间以及电流幅值。
根据另一方面，提供了一种系统，该系统包括如上所限定的等离子体加速和压缩设备以及等离子体发生器，该等离子体发生器包括管状外部电极和在外部电极内部延伸的管状内部电极以在其之间限定环形等离子体形成通道。加速器的外部电极物理地连接至等离子体发生器的外部电极，以及环形等离子体形成通道与环形等离子体传输通道对准并且流体连通。该系统还可以包括由外部电极的内壁以及加速器内部电极的上游端与等离子体发生器内部电极的下游端之间的空间限定的等离子体环松弛区。松弛区与等离子体形成通道和等离子体传输通道流体连通。松弛区可以包括在加速器内部电极的上游端处形成的向内扩展区域。替选地，松弛区可以包括在外部电极处、在加速器的上游端处形成的向外扩展区域。
附图说明
不一定按比例绘出图中要素的大小和相对位置。例如，未按比例绘出各种要素的形状和角度，并且任意放大和定位这些要素中的一些以提高绘图易读性。
图1A(现有技术)是具有等离子体传输通道的用于等离子体加速和压缩的已知系统的模拟实施例的曲线图，该等离子体传输通道具有恒定的锥形几何结构。上部的曲线图示出了加速器的环形轴向延伸等离子体传输通道的几何结构(半径相对于轴向长度)，其中，上部的曲线示出了外部电极的几何结构，而下部的曲线示出了内部电极的几何结构。下部的曲线图示出了沿着加速器中的等离子体传输通道的长度的平衡电流Ibal(实曲线)和电流阈值Ilift(点划曲线)。
图1B(现有技术)是作为等离子体环沿着图1A的加速器的环形通道的长度的λ(最低能量状态)的函数的推进电流(兆安，MA)的曲线图，其中，实线是平衡电流，而虚线是阈值电流。
图2是包括电源、等离子体发生器、加速器的等离子体加速和压缩系统的一种非限制性实施例的示意性纵截面图，该加速器具有环形等离子体传输通道，该环形等离子体传输通道包括具有非线性减小的环形间隙的伸长部分和具有向内扩展区域的松弛区。
图3A是由电源施加到图2的等离子体发生器和加速器的示例性电压(kV)的曲线图，其中，作为时间(μs)的函数，实线示出了被施加到等离子体发生器中的形成区域的等离子体形成脉冲的电压，而虚线示出了被施加到加速器的加速脉冲的电压。
图3B是示出了被施加到图3A中示出的等离子体发生器的电流(MA)(实线)和被施加到图3A中示出的加速器的电流(MA)(虚线)的曲线图。
图4A是图2的加速器的等离子体传输通道的一个适当的几何结构的示意性纵截面图。
图4B是作为图4A中示出的加速器中的轴向纵向位置的函数的阈值电流、平衡电流和动态电流的曲线图，其中，实曲线表示平衡电流Ibal，点划曲线表示电流阈值Ilift，以及虚曲线表示动态电流。
图5是作为图4A中示出的加速器中的等离子体环的λ(最低能量状态)的函数的阈值电流、平衡电流和动态电流的图，其中，实曲线表示平衡电流，点划曲线表示阈值限流，以及虚曲线表示动态电流。
图6A是图4A中示出的加速器中的t＝62μs处的模拟极向通量的等高线(contour)的纵截面图。
图6B是图4A中示出的加速器中的t＝70μs处的模拟极向通量的等高线的纵截面图。
图7是具有根据另一实施例的几何剖面(profile)的加速器中的模拟极向通量的等高线的纵截面图。
图8是具有电源、等离子体发生器、加速器的等离子体加速和压缩系统的另一非限制性实施例的示意性纵截面图，该加速器具有环形等离子体传输通道，该环形等离子体传输通道包括具有非线性减小的环形间隙的伸长部分并且不包括松弛区。
图9A是图8中示出的加速器的模拟操作中t＝35μs处的极向通量的等高线的纵截面图。
图9B是由电源施加到图8中的等离子体发生器和加速器的示例性电压(kV)和电流(MA)的曲线图，其中，作为时间(μs)的函数，实曲线示出了被施加到等离子体发生器的形成区域的等离子体形成脉冲的电压(上部的曲线图)和电流(下部的曲线图)，而虚曲线示出了被施加到加速器的加速脉冲的电压(上部的曲线图)和电流(下部的曲线图)。
具体实施方式
用于等离子体加速和压缩的已知系统的一个示例是两级磁化马歇尔枪(Marshallgun)。在第一级中，可以通过经过(across)一对同轴电极使电容器组放电来形成等离子体环，具有提供等离子体的初始磁化的径向磁场。在第二级中，在锥形同轴加速器中采用等离子体环作为电枢使电容器组放电，其中，加速器具有一对同轴对准的管状内部电极和管状外部电极，该一对同轴对准的管状内部电极和管状外部电极限定了具有恒定的锥形几何结构环形通道，即，该通道具有沿着该通道的长度线性减小的环形间隙(内部电极的半径与外部电极的半径之间的距离)。电流J与由电流生成的磁场B相互作用，并且磁(洛伦兹)力J×B沿加速环形通道向下加速和压缩等离子体环。
已知的加速和压缩系统的另一示例是使用枪几何结构的RACE系统(环形加速器实验，劳伦斯利物莫国家实验室)，其中，在具有恒定的环形间隙的长的同轴圆柱形加速区域(未压缩)之后是具有恒定的锥形几何结构的在其中压缩等离子体的收敛会聚部分。在该类设备的大部分应用中，当使得等离子体环停留在最终撞击区域中时，等离子体环的最终动能被快速转储(dump)为辐射脉冲。
已知的加速和压缩系统的另一示例是MARAUDER系统(实现超高定向能量和辐射的磁加速环，新墨西哥州阿尔伯克基市空军菲利普斯实验室)。MARAUDER设备包括具有恒定的锥形几何结构的预压缩圆锥体和之后的长的恒定的间隙加速器。
在其中使用具有具备恒定的锥形几何结构的环形通道的同轴加速器可以加速并且同时压缩等离子体的某些系统中，从电源被施加到加速器的加速脉冲必须被配置成在加速器中产生推进电流，该推进电流沿着通道的长度增大并且当等离子体环到达等离子体加速器的下游端时为最大，由于要推进并且压缩等离子体环通过通道的线性减小的环形间隙，所以推进电流必须克服环的增大的磁压力(反力)。当等离子体环离开加速器并且进入通量保存(conserving)室(例如，目标室)时，大量的电流可以在加速器中保持流转(circulate)。采用通用核聚变公司(General Fusion,Inc.)(伯纳比，加拿大)正在构造的等离子体加速器的某些原型机进行的实验指出该环状电流可以影响目标室中的等离子体环的寿命。该环状电流的某些部分可以在开场线(open field line)上流动，该开场线可以穿过等离子体环的中心。磁能从加速器到目标室的流入通常会伴随有相对冷的等离子体粒子的流入，这用于对相对热的等离子体环进行冷却。联合的电流与等离子体环之间的相互作用的动力学由以下描述：R.C.Duck等人，“Structure of the n＝1mode responsiblefor relaxation and current drive during sustainment of the SPHEX spheromak”，Plasma Phys.Control.Fusion，第39卷，第715页至第736页，1997年5月。
通用核聚变公司的实验进一步示出了：在一些情况下，一旦磁推进通量被注入等离子体加速器中，则会难以移除该磁推进通量。已知所施加的电压是加速器中的总磁通量的改变速率；然而，逆电压的施加不使通量的流动反向，并且已经观察到，负通量不会立即抵消正通量。替代地，在内部等离子体中可以形成电流片，从而导致分离的正通量区域和负通量区域。因此，净通量减小；然而，推进电流实际上增大。
因此，期望提供下述系统和/或用于操作下述系统的方法：该系统采用在加速器的出口端处的减小的推进电流的量，并且具体地采用在加速器的出口端处小于入口端处的推进电流来压缩和加速加速器之外的等离子体环。
在讨论这样改进的系统和/或方法的具体实施例之前，考虑支配等离子体环的压缩和加速的下面的原理是有用的。加速器中的压缩的简单模型基于下述近似：等离子体环的能量表现类似于泰勒(Taylor)状态的能量。泰勒状态是未受力等离子体位形，具有
其中，B是等离子体环的磁场，而λ是描述处于其最低能量状态的等离子体环的本征值。当在同轴轨道枪(gun)中加速等离子体环的情况下，λ是等离子体环在轨道枪的等离子体传输通道中的纵向位置z的函数。
泰勒状态的能量U是
其中，μ0是真空磁导率(4π×10-7N/A2)，而K是等离子体环的磁螺旋度，其中，K由(3)给出：
其中，A是为等离子体环的位置的函数的磁矢势，而V是等离子体环的体积。
根据泰勒状态，可以假定对于在位置z处的等离子体环，等离子体环的能量与λ成比例：
U∝λ(z) (4)
其中，以及等离子体环的螺旋度是保守量(conserved quantity)。
对于具有由一对同轴对准管状电极(即，具有外部半径router的外部电极和具有内部半径rinner的内部电极)限定的环形等离子体传输通道的同轴加速器，作为沿着等离子体传输通道的轴向位置z的函数的环形传输通道的环形间隙的变化Δr可以被限定为Δr(z)＝router-rinner。在通道中的给定的轴向纵向位置处使等离子体环平衡的力与dλ/dz成正比，其中，λ(z)是当等离子体环在通道中的轴向纵向位置z处时描述该等离子体环的本征值。
当电耦接至加速器的电源向加速器施加电脉冲时，推进电流流动经过速器中的电极，即，流动经过电极之一，经由等离子体环而流动经过环形间隙，流动经过另一电极，以及流动回到电源。沿加速器向下驱动等离子体所需要的所施加的推进力(Fpush)可以通过在等离子体环的后面(上游)侧上对归因于推进电流的磁压力进行积分而确定，并且可以由以下等式表达：
其中，I是(在环的后面的)推进电流，而L(z)是当等离子体环在沿着通道的纵向位置z处时推进电流环路(沿着电极并且经过间隙的电流路径)的电感。因此，对于具有外部半径router和内部半径rinner(对于锥形几何结构，外部半径router和内部半径rinner为等离子体环的位置z的函数)的同轴加速器，通道的每单位长度电感L’≡dL(z)/dz由(6)给出：
“锥形几何结构”指的是具有下述环形等离子体传输通道的同轴加速器：该环形等离子体传输通道具有在沿着通道的长度的下游方向上减小的环形间隙。对于具有外部半径router与内部半径rinner的恒定比率的环形等离子体传输通道，每单位长度电感L’是恒定的。
为了向前移动等离子体环，推进力必须克服由加速器等离子体传输通道的锥形壁施加到等离子体环上的反力。根据被限定为等式(7)的虚功的原理可以得到反力的值：
由于假定等离子体环的能量是具有常量K的所以反力Fwall(z)与dλ/dz成正比。
平衡电流Ibal被限定为加速器中的电流，平衡电流Ibal产生等于反力Fwall的推进力Fpush，使得净力为0(Fwall+Fpush＝0)，并且平衡电流Ibal由等式(8)给出：
因此，对于沿加速器的等离子体加速通道向下而要被向前加速的等离子体环，来自加速脉冲的所施加的电流必须大于平衡电流(I＞Ibal)。
另外，电源可以被配置有参数以产生下述加速脉冲：该加速脉冲降低等离子体传输通道中的“漏气”(blow-by)效应的可能性或避免等离子体传输通道中的“漏气”效应。当推进电流的磁压力将等离子体环从内部电极升起(lift)时会发生漏气，使得通量延伸到环的前面。该效应被称作“静态漏气”，并且与当试图对等离子体环给予过高的加速时会出现的雷利-泰勒漏气不同。如果则当等离子体环未加速时，将被从内部电极升起，其中，Bpush是推进电流在内部导体(加速器的内部电极)处的磁场，而Bmax是等离子体环在内部导体处的最大磁场。
Bpush是内部电极的半径和所施加的电流的函数，内部电极的半径是等离子体环在通道中的纵向位置z函数。
等离子体环在内部电极处的最大磁场由等式(10)给出：
其中，ψ是等离子体环的极向通量，而
推进场在内部导体处最大，并且由2πrinnerBpush＝μ0I给出，因此漏气的阈值电流是Ilift＝2πrinnerBpush/μ0。漏气的阈值电流Ilift被限定为Bpush＝Bmax时的电流，并且被限定为：
因此，在静态情况下，为了降低漏气的可能性或避免漏气，推进电流应当低于阈值电流(I<Ilift)。
图1A(现有技术)中示出的上部的绘图示出了具有等离子体传输通道的已知的等离子体加速和压缩系统的示例，该等离子体传输通道具有恒定的锥形几何结构(即，通道具有在沿着该通道的长度的下游方向上线性减小的环形间隙)；该绘图中的上部的曲线示出了外部电极的几何结构，而下部的曲线示出了内部电极的几何结构。图1A中示出的下部的绘图示出了在图1A的系统中流动的电流的示例，更具体地，示出了作为等离子体传输通道中的环的轴向纵向位置的函数的加速器中的平衡电流Ibal(实线)，以及作为在等离子体传输通道中的等离子体环的轴向纵向位置的函数的加速器的静态漏气的电流阈值Ilift。如可以在具有恒定的锥形几何结构的已知系统中看到地，当等离子体环在系统的下游端处时，向前驱动等离子体环所需要的电流最大。
图1B示出了作为图1A中示出的加速器的等离子体环的λ(其中，λ＝2π/Δr(z))的函数的平衡电流(实曲线)和阈值电流(点划曲线)的示例。如可以在具有恒定的锥形几何结构的加速器中看到地，当沿加速器的等离子体传输通道向下加速等离子体环时，推进等离子体环所需要的最小电流(Ibal)沿着该通道的长度增大，使得当等离子体环处于最大压缩(具有其最大λ)时在加速器的下游端处推进电流最高。
等离子体压缩和加速系统的本实施例被设计为可以使得等离子体环到达加速器的出口，而具有其后面的相对小的推进电流以及最大压缩的等离子体环。在加速器的出口处的推进电流应当小于加速器的入口处的推进电流，但仍然提供贯穿该加速器的等离子体环的加速和压缩。
现将参照图2至图9来描述改进的等离子体压缩系统的实施例。这些实施例包括加速器，该加速器具有限定环形等离子体传输通道的同轴对准的管状内部电极和管状外部电极，该环形等离子体传输通道包括高压缩部分以及在高压缩部分下游的轻度压缩伸长部分，并且环形等离子传输通道具有减小完成通过加速器的等离子体环的加速和压缩所需要的推进电流的量的几何结构。更具体地，伸长部分中的环形传输通道具有在沿着该通道的长度的下游方向上非线性减小的横截面环形间隙(被限定为内部电极与外部电极之间的径向距离)。该系统还包括等离子体发生器以及电耦接至等离子体发生器和加速器的电源，该电源向等离子体发生器提供电等离子体形成脉冲并且向加速器提供电加速脉冲。电源被配置成产生加速脉冲，该加速脉冲将等离子体环推进到轻度压缩伸长部分的末端，使得在伸长部分的下游端处的推进电流小于在伸长部分的上游端处的推进电流。例如，在一些实现中，电源被配置成使得当等离子体环进入伸长部分时，一旦等离子体环通过伸长部分中的某个点就不对系统添加另外的推进通量。在其他实现中，电源被配置成产生加速脉冲，该加速脉冲提供另外的推进通量以完成等离子体环的加速和压缩，并且该推进通量可以是例如小于在各种实现中用于最初加速和压缩等离子体环的推进通量的5％、10％、15％或25％。在一些这样的实现中，如果施加另外的推进通量，则该另外的推进通量可以用于克服阻力(drag)。
现在参照图2并且根据一种非限制的实施例，等离子体加速和压缩系统10包括加速器100，加速器100具有入口112和在入口112的下游的出口140；以及环形等离子体传输通道118，环形等离子体传输通道118在入口112与出口140之间延伸。等离子体传输通道118包括高压缩漏斗状部分110，高压缩漏斗状部分110具有与入口112流体连通的上游端；以及轻度压缩伸长部分120，轻度压缩伸长部分120具有与漏斗状部分110的下游端114流体连通的上游端114a和与出口140流体连通的下游端。漏斗状部分110具有圆锥形的相对陡峭的锥形几何结构，该圆锥形的相对陡峭的锥形几何结构从入口112起在下游方向延伸并且向贯穿其中的磁化等离子体环13提供相对高的压缩比。在该实施例中，漏斗状部分110具有恒定的锥形几何结构，即，具有沿着漏斗状部分的长度在下游线性减小的环形间隙；然而，替选地，漏斗状部分可以具有变化的锥形几何结构。伸长部分120被定形成具有与漏斗状部分110相比相对较缓和的锥形。在伸长部分120中，锥形相对平缓，使得与漏斗状部分110相比在加速器100的相对较长的部分上实现等离子体环的相对较小的压缩。伸长部分120被定形成提供从漏斗状部分110的陡峭的锥形的平缓转变。伸长部分120的上游端114a可以具有平缓的拐角几何结构以降低随更尖锐的转变会发生的等离子体环的非绝热的加热。此外，伸长部分120具有变化的锥形几何结构，即，伸长部分120中的通道的横截面环形间隙在沿着伸长部分120的长度的下游方向上非线性减小。对于给定的伸长部分的电感以及伸长部分之前的电感(“预电感”)，该几何结构使来自加速脉冲的推进电流在伸长部分120的出口140处小于入口114a处。
系统10还包括等离子体发生器12和通量转换系统200(例如，目标室)。发生器12被配置成生成磁化环形等离子体13，以及包括管状内部形成电极14、与内部形成电极14同轴并且包围内部形成电极14的管状外部电极16a以在其之间限定环形等离子体形成通道17。
发生器12还包括一系列的磁线圈18，磁线圈围绕外部电极16a的外部延伸。气体注入器与环形等离子体形成通道17气态连通，并且能够操作用于通过围绕室延伸的注入器的一系列快速膨胀阀20(图2中仅示出了一系列快速膨胀阀20中的两个)将精确量的气体注入通道17中。每个快速膨胀阀20与气体贮藏器22流体连通并且能够操作用于提供气体到等离子体发生器12中的基本上对称的引入。系统10还包括电源24，电源24包括至少一个电容器组以及优选地包括两个或更多个电容器组，并且电源24能够操作用于向等离子体发生器12和加速器100提供电流。线圈18被配置成提供径向填充磁场以用于形成等离子体的极向场。系统10还可以通过使用泵浦系统(未示出)至少部分地被排空。
环形等离子体传输通道118以及其漏斗状部分110和伸长部分120的形状由通常管状内部电极115和与内部电极115同轴并且包围内部电极115的通常管状外部电极16b限定。发生器12的下游端流体耦接至加速器的入口112，即，与漏斗状部分110的上游端流体耦接。发生器和加速器外部电极16a、16b的界面、等离子体发生器内部电极14的下游端以及加速器内部电极115的上游端一起限定用作等离子体环的松弛区50的开放空间。在图2中示出的示例中，在入口112处，发生器的内部电极的直径大于加速器的内部电极的直径，从而创建松弛区50的向内扩展区域。当在发生器12中形成的等离子体环13离开形成通道17而进入松弛区50时，环轻微扩展并且磁场线重新连接，使得可以在电源24的电容器组向加速器100提供脉冲以沿加速器100向下并且朝向加速器出口140加速和压缩来自加速器入口112的等离子体环13之前使等离子体环稳定。替选地，并且如图7所示，松弛区可以被配置有向外扩展区域，如下文将更详细地描述地。
如上面所指出地并且如下文将更详细地描述地，加速器100被配置成提供等离子体环13的同时的加速和压缩，使得等离子体环以最大能量(最大压缩)和其后面的最小推进电流到达出口140。
在一种实现中，当电源24被触发以向加速器提供电加速脉冲时，推进电流经由等离子体环13经过电极115与电极16b之间的环形间隙从电源24流动到加速器的内部电极115(“加速电极”)，并且经由外部电极16b、16a返回电源24。该推进电流在电极115与电极16b之间的区域中生成角向磁场。磁场对电流发生作用以产生电磁J×B(洛伦兹)推进力，从而沿圆锥形漏斗状部分110向下加速等离子体环13。
选择推进电流以产生推进力，该推进力大于由等离子体传输通道118的几何结构限定的反力(背压(back-pressure))，使得等离子体环13将沿加速器100向下加速，并且到达出口140。由于等离子体传输通道的最陡峭的锥形在漏斗状部分110处，所以最高背压存在于加速器100的该部分中；因此，电源24被配置成产生具有下述推进电流的加速脉冲，该推进电流在漏斗状部分110中生成推进力，该推进力足够高以克服该处的背压以及通过伸长部分120。由于等离子体传输通道118的锥形程度在伸长部分120处显著降低，所以电源24被配置成当等离子体环13进入伸长部分120时产生最大推进电流Icritical。在伸长部分120的上游端114a处，所生成的推进通量Φ由Icritical和系统10在伸长部分120之前(在上游端114a处)的电感L0限定。因此，峰值推进电流在圆锥形的漏斗状部分110的下游端114处和伸长部分120的上游端114a处。一旦等离子体环13进入伸长部分120并且开始沿着其行进，则需要将较少的或不需要将另外的推进通量注入到加速器。一旦电源24放电，则可以与系统10去耦接(通过内部电弧短路或绝缘体变得导通)，并且电流可以在系统10中循环流动。
可以基于下面的原理数学上限定伸长部分120的环形通道几何结构。在加速器100的伸长部分120中，等离子体环13通过推进通量的扩展而被压缩。作为伸长部分120中的电感增加的结果，在加速器100中流动的推进电流随着等离子体环接近加速器100的出口端140而减小。然而，由于等离子体传输通道118的减小的环形横截面中的等离子体环压缩，等离子体环13后面的推进电流仍然应当足够大以克服增大的背压(反力)。
对于当等离子体环13处于独立于等离子体传输通道118中的其纵向位置z的力平衡中时采用推进通量Φ加速等离子体环13，函数λ(z)可以被限定为1/L(z)的线性函数：
该线性条件使得对于螺旋度K＝K0的某一值，总能量Kλ(z)/2μ0+Φ2/2L(z)独立于等离子体环的位置(z)。K0是螺旋度的临界值，并且可以在如果K＜K0则向前加速的静止的等离子体环与如果K＞K0则将向后加速的等离子体环之间进行区分。
通过将在纵向通道位置z处所施加的电流I(z)限定为I(z)＝Φ/L(z)，其中，Φ是等离子体后面的推进通量而L是通道118的伸长部分120中的电感，可以推导出限定伸长部分120的形状(曲线)的数学表达式，其使得等离子体环13能够一直被加速和压缩到伸长部分的下游端(出口140处)而不向加速器100中添加任何的另外的通量，或向加速器100中添加很少的另外的通量。
当部分120中的加速电极的每单位长度电感L’恒定(即，独立于纵向通道位置z)时，加速器100的电感由(13)给出：
L(z)＝L0+(z-z0)L’ (13)
其中，L0是伸长部分120之前的推进电流环路的电感(预电感)(当等离子体环在伸长部分120的第一端114a处时)。L0可以包括在前的圆锥形漏斗状部分110的电感以及应当被包括为伸长部分120之前的推进电流环路的一部分的任意的另外的电感。
在加速器100的内部电极半径rinner与外部电极半径router的比率恒定的情况下，伸长部分120中的每单位长度电感L’也是恒定的，并且进入部分120的等离子体环可以采用恒定的推进通量Φ＝I(z)L(z)移动到加速器100的出口140。伸长部分120的形状可以由以下确定：内部电极115或外部电极16b在伸长部分120的上游端114a处的半径(r0,z0)、内部电极115和外部电极16b在出口140处的半径(r1,z1)、伸长部分120的每单位长度电感L’、以及伸长部分120之前的电感L0，并且由下面的数学等式限定：
其中，c＝L’/L0，r(z)是内部电极或外部电极在沿着伸长部分120的轴向纵向位置z处的半径，z0是伸长部分120在伸长部分120的上游端114a处的轴向位置，以及a和b是通过在z＝z0的上游端处和z＝z1下游端处对等式14进行求解所确定的常数(其中，下面的等式中的r0和r1分别表示内部电极或外部电极在上游端处和下游端处的半径)：
可以使用等式14至等式17以及多功能平流代码磁流体动力学模拟软件(VAC；从密歇根大学可获得)计算加速器的伸长部分120的不同的可能的几何位形。例如，系统10可以被选择成具有伸长部分几何结构，该伸长部分几何结构具有外部电极半径与内部电极半径的恒定比率，其具有下面的参数：外部电极16在入口112处的半径为约1m、在接合点114/114a处(即，在漏斗状部分110的下游端与伸长部分120的上游端之间的接合点处)的半径为约0.3m；以及在出口140处的半径为约0.2m；加速(内部)电极115在入口112处的半径为约0.5m、在接合点114/114a处的半径为约0.15m、以及在出口140处的半径为约0.1m；圆锥形漏斗状部分110的长度为约1.5m；以及伸长部分120的长度为约2.5m。所计算出的部分120中的每单位长度电感L’(对于给定参数)为约L’≌128nH/m，而所计算出的预电感L0为约200nH。在具有前述参数的系统10的模拟中，寄生预电感为约50nH，而其预电感(在伸长部分之前的电感)为151nH，这意味着在模拟系统10中的总预电感为约201nH并且稍微大于所计算出的预电感。基于上述参数，发现可以根据等式(14)关于a＝11.1045m-1、b＝4.2174m-1和c＝0.64m-1来限定伸长部分120的变化的锥形曲线，以便加速和压缩等离子体环一直到出口140，并且在出口140处的推进电流小于在伸长部分120的第一端114a处的推进电流。例如，具有上述参数的系统可以加速和压缩具有下面的参数等离子体环：约10-6kg的等离子体环的质量(例如，具有每立方米3×1020个离子的氘核等离子体)；约0.18Wb的等离子体环的极向通量；约0.324Wb的环向通量以及0.0117Wb2的螺旋度。上述加速器和等离子体环的尺寸和参数仅出于说明目的，而具有不同的尺寸/参数的系统可以被设计成有效地加速和压缩等离子体环的各种位形，使得在加速器的末端处的推进电流最小而等离子体能量最大(等离子体环的最大压缩)。
在另一实施例中，伸长部分120中的电感沿着其长度变化，在该情况中，分别使用等式14至等式17通过对沿着伸长部分120的每个纵向位置的内部电极的半径r(z)inner和外部电极的半径r(z)outer进行求解来确定外部电极16和加速电极115两者(沿着伸长部分120)的几何结构。
电源24被配置成向其中生成等离子体环的等离子体发生器生成等离子体形成脉冲，并且向其中生成推进电流和推进通量的加速器100生成电加速脉冲，推进通量将等离子体环从入口112推进到出口140通过加速器100。图3A和图3B示出了适当的形成脉冲(实线)和加速脉冲(虚线)的电压和电流型线(profile)。具体地，图3A示出了作为时间的函数的由电源24施加到等离子体发生器12的电压(实线曲线)和施加到加速器100的电压(虚线曲线)的示例。如可以在这些图中看到地，加速脉冲具有约16kV的电压、约20μs的持续时间，并且被定时为当等离子体环在入口112处的松弛区50中时(约50μs)施加脉冲，而当等离子体环13进入伸长部分时(约70μs)结束。图3B示出了作为时间的函数的由电源24施加到等离子体发生器12的电流(实线曲线)和施加到加速器100的电流(虚线曲线)的示例。在加速脉冲期间(在为50μs<t<70μs的定时处)，当电流朝向其最大电平Icritical斜升时，等离子体环13开始沿圆锥形漏斗状部分110向下移动，其中，等离子体环13被压缩。所以，等离子体环13被压缩到某种程度，从而增大等离子体的磁场压力，因此防止推进磁场将等离子体环13从内部电极115升起(防止漏气发生)。加速脉冲被配置成提供足够高以抵御反力同时继续推进等离子体环13一直到伸长部分120的起始的推进电流。电流峰值在漏斗状部分110与伸长部分120的接合点114/114a处，而不像具有恒定的锥形几何结构的现有技术等离子体加速器中(参见图1A)在加速器的末端(出口端140)处。在该实施例中，一旦等离子体环13到达伸长部分120并且开始沿着其行进，则不需要将另外的通量注入到加速器100中。伸长部分120可以这样被定形以在较长的伸长部分120上提供等离子体环13的较轻度的压缩。当等离子体环13向下游移动通过伸长部分120时，伸长部分中的电感(L)增大，所以推进电流(I)将减小。图3B中示出的峰值电流可以是约1.44MA，而由于伸长部分120中的增大的电感，在伸长部分120的末端处(在出口140处)等离子体环后面流动的推进电流减小到约0.5MA。因此，在该实施例中，当等离子体环13在加速器100的圆锥形漏斗压缩部分110的下游114处时，推进电流为其最高值。
申请人利用了使用VAC代码的MHD(磁流体动力学)建模，以对等离子体加速和压缩系统10的不同设计的性能进行评估，并且具体地对圆锥形漏斗状部分110和伸长部分120的不同的几何结构进行评估，来预测加速器100将等离子体环13加速和压缩到高能量条件的效率。图4A示出了示出加速器100的压缩漏斗状部分110和伸长部分120的图2的等离子体加速和压缩系统10的模拟操作的示例。纵向通道位置z≈2.5m处的虚垂直线500表示漏斗状部分110与伸长部分120的接合点114/114a。漏斗状部分110的长度被设置为1.5m，而伸长部分的长度被设置为2.5m。
图4B示出了图4A的模拟系统10的阈值电流、平衡电流和动态电流，其中，将平衡电流Ibal示为实曲线，将要发生的静态漏气的电流阈值Ilift示为点划曲线，而将等离子体环后面的动态电流示为虚曲线。所有电流被示为等离子体环沿着等离子体传输通道的长度的位置的函数。动态电流曲线表示由电源产生用于推进等离子体环贯穿加速器的目标推进电流。为了清楚起见，图4B仅示出了存在于伸长部分中的动态曲线，而省略了存在于伸长部分之前(在漏斗状部分中)的动态电流。动态电流被设计成小于阈值电流以避免漏气，而大于平衡电流以负责各种损失诸如通量损失、摩擦力等。通过将图4B中示出的动态(推进)电流与图1A中示出的动态(推进)电流(下部的绘图)进行比较，可以注意到，在系统10的出口处的动态电流比在具有恒定的锥形几何结构的加速器的末端处的推进电流低很多。
图5示出了作为λ的函数的具有图4A中示出的参数的系统中的阈值电流、平衡电流和动态电流的示例。如可以看到地，在漏斗状部分与伸长部分的接合点114/114a处的λ为约24m-1，而该点处的平衡电流为约1.2MA的最大值，同时在伸长部分的末端处，λ显著增大到为约33m-1的最大值，而平衡电流为约0.4MA，其显著低于在漏斗状部分110的末端处的平衡电流。该图示出了采用其后面的最小推进电流将最大压缩等离子体环推进到加速器100的出口140。
图6A和图6B示出了具有图4A中示出的参数的系统10的模拟操作，具体地，示出了在t＝62μs(图6A)和t＝70μs(图6B)处等离子体传输通道118中的极向通量的等高线。图6A示出了当等离子体环13前端到达漏斗状部分114的下游端时在漏斗状部分110中被压缩的等离子体环13。图6B示出了当等离子体环13进入伸长部分120时的等离子体环13。可以以近似130km/s沿压缩漏斗状部分110向下推进等离子体环13到在z＝2.5m处的其末端，然后当等离子体环13以30km/s在z≈2.5m处的其开始处进入伸长部分时，电源24的加速电路被设置成零电压。模拟示出了等离子体环13可以在t≈90μs处以约118km/s的速度到达系统10的末端(出口端140)。
根据另一实施例并且参照图7，系统10设置有松弛区，该松弛区具有扩展区域。图7示出了该系统10的模拟操作，该系统10具备具有2.5m长的漏斗状部分和具有4.5m长的伸长部分。向外扩展之后向内压缩可以在压缩漏斗状部分110中应用很陡峭的锥形，所以该位形会更易于发生漏气。
根据又一实施例并且参照图8，等离子体压缩和加速系统1000不设置有松弛区。该系统1000包括加速器1100和电源1024两个部分。该系统还包括等离子体发生器1012和通量转换区域1200(例如，目标室)。发生器1012包括插入到管状外部电极1016内的管状内部(形成)电极1014以在其之间形成环形等离子体形成通道，其中，可以被注入有精确量的气体。一旦气体填充了电极1014与电极1016之间的等离子体形成通道，则电源1024向等离子体发生器提供等离子体形成脉冲，等离子体形成脉冲包括在电极之间放电的电流，其对气体进行电离并且可以形成磁化等离子体环1013。
加速器1100包括内部电极1014插入其中的外部(加速)电极1015，从而在其之间创建环形等离子体传输通道1118，等离子体环1013通过该等离子体传输通道1118朝向目标室1200传输。加速器1100包括压缩漏斗状部分1110以及在漏斗状部分1110的下游并且与漏斗状部分1110流体连通的伸长部分1120。该压缩漏斗状部分1110是圆锥形锥形部分，并且具有与加速器的入口1112流体连通的上游端以及与伸长部分1120的上游端1114a流体连通的下游端1114。
在漏斗状部分1110中，锥形可以相对陡峭，并且可以以为约3至10的因子提供等离子体环的径向压缩。伸长部分1120长于漏斗状部分1110，其具有比圆锥形的漏斗状部分1110相对缓和很多的锥形，因此在较长的纵向部分上提供较小的压缩比。例如，等离子体环沿着部分1120的长度的径向压缩可以为约为1至2的因子。
伸长部分1120具有连接至漏斗状部分1110的下游端1114并且与漏斗状部分1110的下游端1114流体连通的上游端1114a，以及与加速器1100的出口1140流体连通的下游端。类似图2中示出的实施例，伸长部分具有变化的锥形几何结构，即，伸长部分1120中的环形传输通道1118的环形间隙在沿着伸长部分1120的长度的下游方向上非线性减小。伸长部分1120可以被配置成提供从漏斗状部分1110的较陡峭的锥形到沿着部分1120的长度所设置的较缓和的锥形的相对平缓的转变。例如，部分1120可以被配置成使得其上游端包括较大曲率半径，该较大曲率半径提供从陡峭的漏斗状部分1110的平滑改变。
系统1000包括外部驱动器，即，电源电耦接至加速器1100，使得电流从电源1024流动经过外部电极1015、经由等离子体环流动经过环形间隙、流动经过内部电极1014，然后流动回到电源。一旦电源1024被放电，则其可以与系统1000去耦接(短路)并且电流可以在系统1000中循环流动。
不同于图2中示出的系统10，系统1000不包括松弛区或任何其他类型的延伸区域。电源被配置成当等离子体仍然从发生器1012冒出时生成加速脉冲，使得推进通量的场线张力驱动磁场线的重新连接，剪掉膨胀的场线，以形成等离子体环，并且同时沿加速器1100向下推进等离子体环。
在另一实施例中，系统1000包括与图2的系统中示出的类型相同的内部驱动器。
现在参照图9A，图8中示出的系统1000的模拟操作示出了在t＝35μs处极向通量的等高线。如可以注意地，推进通量沿加速器1100的压缩漏斗状部分1110向下朝向其下游端1114加速并且压缩等离子体环。当来自电源的加速脉冲被放电时，等离子体环进入伸长部分1120，在伸长部分1120中等离子体环朝向目标室1200进一步被加速和压缩，而未将另外的通量注入到加速器1100中。
在图9B中示出了由电源产生的等离子体形成脉冲和加速脉冲的电压型线和电流型线。在上部的绘图中示出了电压型线，而在下部的绘图中示出了电流轮廓，以及以实线示出了等离子体形成脉冲，而以虚线示出了加速脉冲，两者都是时间的函数。如在该图中可以看到地，加速脉冲被触发，而来自等离子体形成脉冲的电压/电流尚未被放电。加速器1100中的加速脉冲的所施加的电压为约11kV。当在发生器1012中形成的等离子体从发生器冒出以形成等离子体环时，加速脉冲被触发，使得加速(推进)电流可以驱动磁场线的重新连接以形成等离子体环，并且立即沿加速器向下加速将等离子体环。当推进电流增强时，沿漏斗状部分1110向下朝向漏斗状部分1110与伸长部分1120的接合点1114/1114a压缩等离子体环，所以当等离子体环进入伸长部分1120并且开始沿着其行进时，不需要注入另外的通量。在模拟操作中，由于伸长部分1120中的电感增大，当等离子体环到达目标室1200时，加速器中流动的推进电流减小到约0.25MA。
虽然已将将加速器的某些实现描述为包括两个部分，但是这是出于说明的目的，而非限制或要求；具体地，系统10、1000的加速器可以仅设置有具有变化的锥形几何结构(诸如等式14中限定的几何结构)的单个伸长部分，其中，加速器设置有足够的电感和预电感以使得加速脉冲能够生成推进通量，该推进通量采用推进电流将等离子体环推进到出口，该推进电流在伸长部分的出口处比在入口处较低。替选地，其他实施例可以包括三个、四个、五个或更多个伸长部分，其中，这些部分中的至少一个具有变化的锥形几何结构。例如，在一些实施例中，锥形可以是“喇叭状的”。使用本文中所描述的MHD建模技术可以确定在每种这样的实现中的相关的设计参数(例如，锥形、内部/外部半径、部分长度、推进电流等)。
在所公开的实施例中的任一个中所获得的等离子体环可以是高能等离子体，并且可以适于诸如例如医用同位素的产生、中子源、x射线辐射源、核聚变装置等的应用。上述系统和方法的实施例可以用于对包括热核材料的等离子体进行压缩。例如，热核材料可以包括轻元素诸如例如氘、氚、氦-3、锂-6、锂-7等的一种或更多种同位素。因此，系统的某些实施例可以被配置和操作成用作中子发生器和中子源。这样产生的中子在研究和工业领域具有广泛的实际用途。例如，中子源可以用于中子激活分析(NAA)，中子激活分析可以提供各种物质(例如，爆炸物、药物、核裂变材料、有毒物品等)中的常量元素、微量元素、痕量元素和稀有元素的多元素分析，并且可以用于各种应用中(例如，爆炸物检测和识别、环境或核废物的生态监视等)。被配置为中子源的系统的实施例还可以用于材料研究(例如，分析材料的结构、动力学、构成以及化学均匀性)、工业对象的非破坏性测试(例如，经由中子辐射和/或中子断层)、以及很多其他工业和技术应用。用于等离子体压缩的上述系统和方法的实施例还适于高能量密度等离子体的学习中的应用，包括例如天体物理学和核物理中的应用。
虽然已经示出和描述了本公开内容的具体元素、实施例和应用，但是要理解的是，由于在不背离本公开内容的范围的情况下，尤其鉴于上述教示，本领域中的技术人员可以作出修改，所以本公开内容的范围不限于此。因此，例如，在本文中所公开的任何方法或处理中，组成方法/处理的动作或操作可以以任何适当的顺序被执行，而不一定限于任何特定公开的顺序。在各种实施例中，元件和部件可以不同地被配置或布置、组合和/或消除。上述各种特征和处理可以相互独立地被使用，或可以以各种方式被组合。所有可能的组合和子组合意在落入本公开内容的范围内。贯穿本公开内容，提及“一些实施例”、“实施例”等意味着结合该实施例所描述的具体特征、结构、步骤、处理或特性被包括在至少一种实施例中。从而，贯穿本公开内容，短语“在一些实施例中”、“在实施例中”等的出现不一定都指代同一实施例，而可以指代相同或不同的实施例中的一种或更多种实施例。实际上，本文中所描述的新颖的方法和系统可以以各种其他形式来实现；此外，可以在不背离本文中所描述的本发明的精神的情况下作出本文中所描述的实施例的形式下的各种省略、添加、替代、等同、重新布置和变化。
适当地描述了实施例的各个方面和优点。要理解的是，根据任何特定的实施例并不一定可以实现所有这样的方面或优点。因此，例如，应当认识到，可以以如本文中所教示的实现或优化一个优点或一组优点的方式来执行各种实施例，而不一定如本文中所教示的或本文中所建议的实现其他方面或优势。
本文中所使用的条件语言诸如其中“可以(can)”、“能够(could)”、“会(might)”、“可以(may)”、“例如(e.g.)”等，除非另外具体陈述或以其他方式在所使用的语境下被理解，通常意在传达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不意在暗示对于一个或更多个实施例以任何方式需要特征、元素和/或步骤，或暗示一个或更多个实施例必须包括用于使用或不使用操作者输入或提示决定这些特征、元素和/或步骤是否包括在任何特定实施例中或在任何特定实施例中被执行的逻辑。对于任何特定实施例，不存在必须或必不可少的单个特征或特征组。术语包括(comprising)”、“包含(including)”、“具有(having)”等是同义的，并且以开放式方式包括性地被使用，而不排除另外的元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包括性含义(而非以其排除性含义)被使用，使得当用于例如连接元素列表时，术语“或”表示列表中的元素中的一个、一些或全部。
本文中所描述的实施例的示例计算、模拟、结果、曲线图、值和参数意在说明而非限制所公开的实施例。可以与本文中所描述的说明性示例不同地配置和/或操作其他实施例。

Claims (13)

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，以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，所述伸长部分具有变化的锥形几何结构，所述变化的锥形几何结构包括横截面环形间隙，所述横截面环形间隙被限定为所述内部电极与所述外部电极之间的径向距离并且在沿着所述伸长部分的长度的下游方向上非线性地减小；以及
电源，所述电源电耦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，所述磁推进通量足以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以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，以及其中，选择所述等离子体传输通道的沿着所述伸长部分的长度的非线性减小的尺寸，使得对于所述伸长部分的所选择的电感以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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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，所述高压缩漏斗状部分向所述等离子体环提供高压缩比，所述高压缩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高压缩漏斗状部分中的横截面环形间隙在沿着所述高压缩漏斗状部分的长度的下游方向上减小。
5.根据权利要求4所述的用于加速和压缩等离子体的设备，其中，所述高压缩漏斗状部分具有在3与10之间的径向压缩比。
6.根据权利要求1所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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，以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)由限定，
其中，z0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L0的比率，
a＝b+1/r0
其中，r0是所述内部电极或外部电极在所述上游端处的半 径，以及
其中，r1和z1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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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)由限定，
其中，z0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L0的比率，
a＝b+1/r0
其中，r0是所述内部电极或外部电极在所述上游端处的半径，以及
其中，r1和z1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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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所述的用于加速和压缩等离子体的设备，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。
10.一种用于加速和压缩等离子体的系统，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，以及
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以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，以及其中，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所述的用于加速和压缩等离子体的系统，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以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所述的用于加速和压缩等离子体的系统，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所述的用于加速和压缩等离子体的系统，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。
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