CN111742621B - 用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生成磁化等离子体并维持等离子体磁场的系统，包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体；和通量保器，所生成的磁化等离子体注射到其中并约束在其中。中心导体包括上中心导体和下中心导体，它们电连接而形成单个集成导体。上中心导体和外电极形成环形等离子体传播通道。下中心导体延伸到等离子体生成器之外并进入通量保器，使得内电极的一端电连接到通量保器壁。功率系统将形成电流脉冲和维持电流脉冲提供到中心导体以形成磁化等离子体，将这种等离子体注射到通量保器中，并维持等离子体磁场。

Description

用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统和方法

技术领域

本公开内容整体上涉及用于生成磁化等离子体的系统和方法，特别是涉及一种具有中心导体的等离子体生成系统，用于等离子体形成和等离子体磁场的维持。

背景技术

除非本文中另行指出，否则本节中所述材料并非对于本申请中权利要求的现有技术，也不会由于包含此节而被认为是现有技术。

等离子体是一种物质状态，类似于气体，其中，至少部分粒子被离子化。具有强磁场足以影响带电粒子运动的等离子体称为磁化等离子体。如果磁场线被构造为以闭合轨道自身环回(可能长度无限)，则等离子体内的磁场可限制等离子体粒子更长时段。磁化等离子体中的大部分磁场通过在等离子体自身中和/或在包含等离子体的室的壁中流动的电流形成。存在各种方法和系统生成高能量等离子体。通常，等离子体可通过将气体经由一个或多个阀引入等离子体生成器中至一对电极之间而生成。高电压脉冲在电极之间放电以离子化气体和形成等离子体。为了发生气体击穿，需要注射足够气体以填充电极之间的间隙。击穿过程涉及自由电子加速、与中性原子撞击、和触发雪崩电离过程。为了在电极之间生成高电压脉冲，需要放电电路采用快速开关或多开关系统将高能量电流脉冲从电容器组(高电压脉冲功率源)快速传输到电极。

图1显示出用于生成磁化等离子体和维持等离子体磁场的现有技术系统。该系统包括等离子体生成器12和通量保持室14(有时也被称为通量保器)。生成器12被构造以生成磁化等离子体并可具有中心形成电极11和外电极13，外电极13共轴于且围绕形成电极11，从而在它们之间形成环形等离子体传播通道。一系列磁线圈15可用于在等离子体传播通道中形成初始(填充)磁场。气态等离子体燃料通过多个阀16被注射到传播通道中。通过功率源17将形成电流脉冲提供到形成电极11，使得任一极性的电流可流过被注射到传播通道中处于形成电极11与外电极13之间的气态等离子体燃料，以离子化气态等离子体燃料和形成等离子体。这种电流可形成等离子体环向磁场，其可使等离子体朝向通量保器14运动。随着等离子体向前运动，其与填充磁场相互作用，使得当前行等离子体挣脱时，磁场卷绕等离子体而形成磁化等离子体环面(torus)。该系统进一步包括：细长中心轴线轴18，其延伸到生成器12之外进入通量保器14中并通过间隙19电隔离于形成电极11。沿中心轴线轴18和通量保器14的壁驱动额外电流脉冲，以在等离子体生成器12和通量保器14中提供环向磁场以维持等离子体磁场。通量保器14中生成的环向磁场可扩散到等离子体中以维持等离子体磁场，因而改善等离子体局限且增加等离子体寿命。如图1中所示，轴18通过间隙19电隔离于形成电极11，使得功率源可将形成脉冲提供到形成电极11和将维持脉冲提供到中心轴18。在一些实施方案中，隔离体可设置在形成电极11与中心轴18之间，替代间隙19，从而使中心轴18电隔离于形成电极11。使形成电极11与中心轴18隔离(无论其为间隙19或为任何其他类型的电隔离结构)，由于电流越过间隙19或者在隔离体的表面上，因而可能使杂质喷射到等离子体中和/或损害(熔化)电极/轴。

发明内容

在一个方面，提供一种系统，用于生成磁化等离子体并维持等离子体磁场。该系统包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体。其包括外电极和上中心导体，上中心导体共轴地位于外电极内且与外电极分开以形成具有出口的环形等离子体传播通道。燃料注射器将等离子体燃料注射到环形等离子体传播通道的上游端中。一个或多个线圈被构造为：在环形等离子体传播通道中生成填充(stuffing)磁场并为磁化等离子体提供极向(poloidal)场。通量保器(flux conserver)与等离子体生成器流体连通。通量保器具有外壁和下中心导体，下中心导体共轴地位于外壁内且与外壁分开以限定清空的内腔，内腔具有入口与环形等离子体传播通道的出口流体连通，等离子体生成器中生成的磁化等离子体通过入口注射到内腔中。下中心导体的一端电联接到上中心导体的一端，下中心导体的另一端电联接到通量保器的外壁。功率供应源电联接到上、下中心导体，使电流沿上、下中心导体和通量保器外壁流动。功率供应源包括：形成(formation)功率电路，其被构造以生成形成功率脉冲而足以在等离子体生成器中从等离子体燃料生成磁化等离子体和将磁化等离子体注射到通量保器中；和维持功率电路，其被构造以生成沿上、下中心导体和通量保器的外壁的维持电流脉冲而足以在等离子体发生器和通量保器中生成环向(toroidal)磁场。

在一个方面，维持功率电路进一步包括：缓冲电感器，其使维持功率电路至少部分地电隔离于形成功率电路。该系统进一步包括：控制器，其被编程而触发维持功率电路先于形成功率电路以在等离子体生成器和通量保器中形成预先存在的环向场。

在一个方面，提供至少一个触发电极。至少一个触发电极被电联接到形成功率电路，使得形成功率电路能够操作将击穿电流脉冲提供到触发电极，足以击穿等离子体燃料以形成磁化等离子体。形成功率电路包括：主形成功率电路，其电联接到上中心导体且能够操作以提供形成电流脉冲；和预形成功率电路，其电联接到触发电极且能够操作以提供击穿电流脉冲。

在另一方面，等离子体燃料是预离子化气体，其注射到环形等离子体传播通道的上游端中。

除了上述各方面和实施例，进一步的方案和实施例通过参照附图而且学习以下详细描述而将变得显见。

附图说明

在附图中，附图标记可重复使用以指示被标记元件的对应关系。提供附图例示本文中所述的示例性实施例，并非意在限制本公开内容的范围。图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度并未按比例绘制，其中一些元件特意放大和定位以改善图的易读性。

图1是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的已知(现有技术)系统的示意性截面图。

图2是根据本发明的用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的一个示例的示意性截面图。

图2A是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的另一示例的示意性截面图，显示出通量保器中形成的液体衬里。

图3是功率供应器的布局的示例，显示出形成功率供应器和维持功率供应器。

图4是通过形成和维持功率电路生成的电流脉冲(以安培(A)为单位)随时间(以秒(s)为单位)的示例的图示。

图5是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的另一示例的局部截面图，其中显示出触发电极。

图6是用于将中性气体部分离子化和将这种预离子化气体注射到等离子体生成器中的预离子化器的示意性截面图。

具体实施方式

本发明的各实施例公开一种系统和方法，其用于从等离子体燃料生成磁化等离子体(例如等离子体环)和维持等离子体磁场，其中使用单个中心导体，而非现有技术系统10的通过绝缘间隙19分开的形成电极11和中心轴18。当电流提供到中心导体时，由于中心导体并未电隔离于系统通量保器，因而系统表现如同电感器，电流沿中心导体、通量保器的壁、和系统外电极流动。为了确保生成磁化等离子体和维持等离子体磁场，电流需沿径向流过等离子体燃料以提供击穿放电(breakdown discharge)和形成磁化等离子体。为了确保磁化等离子体形成有所希望的参数并注射到通量保器中，可提供形成功率供应电路，其包括一个或多个快速开关而可将高电压提供到系统等离子体传播通道上持续充分时段使等离子体燃料在电流沿通量保器环回(loop)之前击穿。另外地或可替代地，一个或多个触发电极可用于使等离子体燃料击穿。等离子体燃料可为中性气体或预离子化气体。

图2例示出根据本发明的一个实施例的用于生成磁化等离子体的系统20的示例，其包括等离子体生成器22和通量保器24。系统20包括中心导体21和外电极23。中心导体21包括位于等离子体生成器22内的上中心导体21a、和位于通量保器24内的下中心导体21b；下中心导体21b的远端21c连接到通量保器24的端板29。上中心导体21a可具有柱形、锥形或类似的形状或它们的组合，而下中心导体21b可具有更细长(轴状)的形状，沿中心穿过通量保器24的长度延伸。这意在例示性的，而非限制性的，中心导体21和/或外电极23可具有任何其他适合形状，而不背离本发明的范围。外电极23共轴于且围绕上中心导体21a，以在它们之间限定环形等离子体传播通道25。还提供具有一个或多个阀26的燃料注射器，将等离子体燃料注射到等离子体生成器的等离子体传播通道25的上游端中。一个或多个气体阀26可流体连通于等离子体燃料源(未示出)并可布置为环，围绕等离子体生成器22的周边将精确量的等离子体燃料经由端口(未示出)对称地注射到通道25中。系统20进一步包括功率源30(见图3)以将形成电流脉冲和环向场维持电流脉冲提供到中心导体21以在等离子体生成器22中形成磁化等离子体、将这种等离子体注射到通量保器24中、和将通量保器24中的等离子体磁场维持更长时段。

中心导体21通过导电且真空相容性高的材料制成，被构造形成磁化等离子体和将等离子体磁场维持更长时间。如本文中在下文所述，这可通过使用一个或多个快速形成开关(例如轨道(rail)间隙开关)实现，其可将高电压提供到等离子体传播通道25上持续充分时段而使得等离子体燃料在电流沿通量保器25环回之前击穿和离子化，和/或通过采用用于气体击穿的一个或多个触发电极实现，和/或通过将预离子化气体用作等离子体燃料实现。

在一个实施方案中，中心导体21的下中心导体21b可为液态金属引导体，其包含流动液态金属。例如，中心导体21的上中心导体21a可包括：装容液态金属的液态金属储器，液态金属通过在液态金属储器中形成的出口流出。液态金属可流动通过通量保器24并可被收集在收获器(未示出)中，收获器可例如位于端板29内。来自收获器的液态金属可使用一个或多个泵而再循环回到液态金属储器中。液态金属引导体可连续流动，或者该流可使用与储器出口连通的阀进行调整。液态金属可在重力下流动或者利用压力机构流动。

通量保器24可包括：入口开口28，其对准等离子体生成器22的出口，使等离子体生成器22中生成的等离子体可注射到通量保器24的清空内腔中。在一个实施方案中，通量保器24可被部分填充液态金属(见图2A)。通量保器24中的液态金属可循环、旋转、或被构造以流动而使其形成液体衬里2而限定清空内腔4的壁。例如，衬里2可通过将液体介质注射到通量保器24中形成。可提供液体循环系统6以导引通量保器24中的液体介质的流动。循环系统6可包括多个阀、喷嘴、管道网络和一个或多个泵以得到所希望的通量保器24中的液体介质的流动。通量保器中的液态金属的流动可被设计和构造以形成所希望的液体衬里2的预定形状，使得内腔4(其中注射有等离子体)为球形、柱形、锥形、或任意其他所希望形状。液体衬里和用于使清空腔形成液体衬里的方法的示例在美国专利8,891,719、8,537,958和美国专利申请公开20100163130中描述。这仅为例示目的，任何其他用于形成其中限定内腔的液体衬里的方法和系统在不背离本发明范围的情况下可以使用。在一个实施方案中，衬里可为实体衬里，例如通量保器24的壁或者附接到/涂覆到通量保器24的壁的内侧上的实体衬里。

一个或多个线圈27(图2)电联接到功率源(未示出)，可用于在等离子体燃料注射到环形等离子体传播通道25中之前且在电流放电之前设置初始填充磁场。在一些实施例中，等离子体燃料可为中性气体，例如氢或氦的同位素，或者任何其他气体或它们的组合。在其他实施例中，等离子体燃料可为部分或完全离子化的气体(等离子体)。在一些实施例中，等离子体燃料是中性气体或部分离子化气体，等离子体燃料注射和扩散以至少部分地填充通道25，功率源30(图3)被触发而使形成电流脉冲在中心导体21与外电极23之间流动一时段而足以离子化气体和形成磁化等离子体。

在不背离本发明的范围的情况下，线圈27可联接到分立于且独立于功率源30的功率源，或者功率源30可被构造将功率提供到线圈27。

在等离子体传导路径在等离子体生成器22中建立之前，由于中心导体21未电隔离于通量保器24的事实，因而系统20表现如同电感器，且电流沿中心导体21、通量保器24的壁24a、和外电极23流动，而非流动通过气体。这样的电流流动可在等离子体生成器22和通量保器24中生成预先存在的环向磁场。为了在上中心导体21a与外电极23之间提供击穿放电，需要在充分短的时间内在其中施加电压，使电流沿大致径向方向经过气体并离子化气体，而非沿通量保器24的壁流回。这可通过使用快速开关或多个开关在数微秒内(所需时间可基于中心导体21和通量保器24的尺寸(电感)根据公式V＝LdI/dt确定)施加高电压而实现。例如，快速开关可为轨道间隙开关，可在数纳秒内关闭。

图3例示出功率供应源30的示例，其包括：形成功率电路31，提供形成脉冲用于等离子体燃料击穿和磁化等离子体形成；维持功率电路35，提供维持电流脉冲以将等离子体磁场维持更长时段。形成功率电路31包括：主形成电路34，其包括一个或多个电容器组和快速高电压开关或者多开关系统，其被设计以将高电压快速施加于中心导体21与外电极23之间持续足够时段(例如50μs)以引起击穿放电和等离子体燃料离子化。流动通过等离子体(离子化气体)的电流可形成等离子体环向磁场，其可引起等离子体朝向通量保器24运动。随着等离子体向前运动，等离子体与由线圈27生成的填充磁场相互作用而使得：当前行等离子体挣脱时，所述磁场卷绕等离子体而形成等离子体的极向磁场。

图3进一步显示出维持功率电路35，可包括电流高峰电路36和电流保持电路38。电流高峰电路36和电流保持电路38将电流脉冲提供到中心导体21，使得电流沿中心导体21、通量保器24的壁24a、和外电极23流动，由此在等离子体生成器22和通量保器24中生成环向磁场(磁力线沿中心导体21延伸)。此环向场可扩散到等离子体中并可增大等离子体环向场，通过控制维持电流的脉冲形态，可控制等离子体的环向场。电流高峰电路36提供快速升高电流脉冲，其在目标时段内到达预定电流峰值。例如，预定电流峰值可为1MA，可在100至300μs时段内到达。电流保持电路38可然后将这样的1MA电流维持更长时间(例如约10ms)。本领域技术人员应理解，维持功率电路(即，电流高峰电路36和电流保持电路38)可被设计以提供大于或小于1MA的电流脉冲，其可被维持大于或小于10ms。在一个实施方案中，单个维持功率电路35可提供大于或小于1MA的快速升高维持电流脉冲，维持大于或小于10ms。

当预定等离子体燃料通过端口注射到环形等离子体通道25中时，形成电路31被触发以形成磁化等离子体。当磁化等离子体形成之后，维持电路35可被触发以提供环向场扩散到等离子体中而控制/维持等离子体磁场。

在一个实施方案中，维持电路35的触发可先于形成电路31的触发时间。因此，等离子体的形成可在等离子体生成器22和通量保器24中通过预先存在的环向场发生。缓冲电感器37可用于提供维持功率电路35与形成功率电路31的电隔离。缓冲电感器的电感值需要足以使维持功率供应器35电隔离于大多数形成电流脉冲。例如，缓冲电感器37的电感可为500nH。这仅为示例值，在不背离本发明范围的情况下，缓冲器37的电感可大于或小于500nH，取决于等离子体设计参数。当形成脉冲放电时，缓冲器37阻挡大多数快速形成脉冲，使得电流流过等离子体燃料并形成等离子体。流动通过等离子体的电流形成了等离子体环向磁场，其由于洛仑兹力而沿等离子体生成器22加速等离子体。随等离子体朝向通量保器24运动，其将推挤这种预先存在的环向场而偏转其场线。例如，形成电流脉冲可在维持电路35的触发时间之后约200至400μs放电。图4显示出系统20中的电流形态的一个示例的图示。电流高峰电路36首先触发以提供1MA的峰电流(由脉冲曲线46表示)，然后，约100至300μs之后，电流保持电路38可在峰电流处触发将这种1MA电流脉冲维持更长时间，大于10ms(见曲线48)。如从图4的电流图线可见，形成功率电路31在维持功率电路35之后触发，如形成电流曲线41所示。

功率供应源30的形成电路31和维持电路35的设计将取决于生成等离子体的所希望的参数。例如，为了在磁化等离子体中生成约300mWb，可能需要约5MJ的形成电容器组。电流高峰电路36可具有1.3MJ电容器组作为功率供应器，而保持电路38可具有约10MJ的电容器组作为功率供应器。这仅用于例示目的，在不背离本发明范围的情况下，电路36、38可被设计以提供和维持强于1MA的电流，持续大于或小于10ms。形成电路31的参数也可受到等离子体生成器中的填充磁场和预先存在的环向场(其在起泡阶段中需要偏转)的量的影响。

控制器(未示出)可被设置和预先编程以控制每个功率供应电路的触发时间、以及燃料注射器(例如燃料注射器的阀26)的操作和线圈27(填充磁场)功率供应以控制气体量、等离子体生成器22中的环向场(在等离子体之后和之前)的量、以及所形成等离子体的尺寸。电路34、36、38的触发时间可根据功率源30的性能、所希望的等离子体参数、和等离子体系统20的尺寸和几何形状而确定。每个电路可具有一个或多个适合的开关、二极管、和阻尼电阻器(以在电容器或开关故障的情况下保护系统和减小功率供应部件中的电蜂鸣)。控制器可包括输入单元、输出单元、处理单元、和存储单元，并可被编程以基于存储单元中存储的预编程时间表而触发电路34、36、38、等离子体燃料注射器的阀26、和线圈27的功率供应，或者，这样的输出触发信号可基于来自多个探测器(例如光学探头、磁探头、电流/电压探头)的特定输入信号而被发送到适合的电路/部件。在一个实施方案中，击穿放电以离子化等离子体燃料可通过一个或多个额外电极(在此被称为触发电极)实现。图5例示出一个实施例，包括触发电极51以生成击穿放电。触发电极51可位于等离子体传播通道25中并可电连通于功率源30。例如，形成功率电路31可被设计为包括：预形成电路32(见图3)，其电联接到一个或多个触发电极51；和主形成电路34，其电联接到中心导体21。预形成电路32可具有预定电感和电阻并可包括一个或多个电容器组作为功率供应源。例如，预形成电路32可用于将10至25kV击穿放电提供到触发电极51与中心导体21之间。预形成电路32可独立于主形成组34。在主形成脉冲处，触发电极51的极性可相反于中心导体21的极性以减小实现电击穿放电所需注射气体量。例如，触发电极51的极性可为正，由于填充场的磁场线而使得电子被滞留在中心导体21近处(电子在中心导体21近处沿磁场行进)，使得当电压施加于触发电极51时，击穿的发生快得多(约50μs)。本领域技术人员应理解，在不背离本发明范围的情况下，触发电极51的极性可具有任意极性并仍实现击穿放电和等离子体燃料离子化，或者击穿放电可施加于触发电极51与外电极23之间。

在一个实施方案中，等离子体燃料可为预离子化气体，其注射到等离子体传播通道25中可先于将击穿放电施加于触发电极51，使得击穿时间可进一步缩短，从而增大离子化气体的量(更少的中性气体进入等离子体中)。在一个实施方案中，预形成电路32可省略，主形成电路34可用于将电流脉冲提供到二者：对于击穿放电脉冲的触发电极51，对于形成脉冲的中心导体21。本领域技术人员应理解，施加于触发电极51以提供气体击穿放电的电压可高于或低于10至25kV，取决于系统尺度和参数以及所希望的等离子体参数。

在触发电极51用于启动气态等离子体燃料击穿的实施方案中，预形成电路32的触发先于主形成组34的触发时间。例如，预形成电路32可在阀26(其将气态等离子体燃料注射到通道25中)的开启时间之后约200至300μs触发。气态等离子体燃料通过气阀26的歧管被注射到等离子体传播通道25中。击穿电流脉冲传输到触发电极51，使得电流从触发电极51流动通过气体而至中心导体21(或可替代地至外电极23)并至少部分地离子化气体而形成等离子体。气体击穿可通过一个或多个探测器(未示出)探测，探测器被设计以探测例如击穿光。例如，探测器可为光学传感器，被构造以探测由于击穿事件生成的光。在探测到气体击穿之后，主形成脉冲34放电到中心导体21，以进一步离子化气体并提供等离子体环向场以通过填充磁场加速等离子体，直到其挣脱(发泡阶段)并注射到通量保器24中。控制器的输入单元可设置以从一个或多个探测器接收信号，基于这种信号，控制器的输出单元可将信号发送到功率源30以触发主形成组34的切换。

通过控制器执行触发步骤。控制器首先触发线圈27的功率供应器，使得初始填充场沉浸在环形等离子体传播通道25中(步骤702)。在不需要预环向场的实施例中，右步骤流程由控制器执行。因此，一旦填充场沉浸到等离子体传播通道25中，则阀26开启(步骤712)将等离子体燃料注射到等离子体传播通道25中。在采用触发电极51联接到预形成电路32的实施例中，在步骤714中，预形成电路在阀26的开启时间之后(例如200至300μs)触发。在步骤716，控制器的处理单元处理从光学光传感器接收到的信号以确定等离子体燃料击穿何时发生，基于所述发生，在步骤718，控制器触发主形成电路34以形成磁化等离子体并将这种等离子体注射到通量保器24中。在步骤720，控制器可在主形成电路34的触发时间之后的某个预定时间(例如200至300μs)触发高峰电流维持电路36，或者，高峰电流维持电路36可当安装在通量保器壁24a中的磁探头指示出等离子体注射到通量保器24中时触发。在步骤722，控制器在高峰电流维持电路36的触发时间之后以例如100至300μs的延迟而触发电流保持电路38(或者当通过电流探头获知到达预定电流峰值时触发)。在不采用触发电极51的实施例中，省略步骤714和716，形成电路34在阀26的开启时间之后预定时间(例如200至500μs)触发。步骤720和722然后触发，如前所述。

在需要预环向场的实施例中，左步骤流程由控制器执行。因此，在步骤732，控制器可触发高峰电流维持电路36。高峰电流维持电路36可以在与线圈27的触发时间相同的时间触发或者以一定时间延迟(例如200μs延迟)触发。在步骤734，在延迟(例如100至300μs)之后或者一旦到达如电流探头所示预定电流峰值，控制器触发电流保持电路38。然后，阀26开启(步骤736)，然后，根据是否采用触发电极51，以与如前所述类似的方式执行步骤714－718。

可替代地，一些或所有气态等离子体燃料可按预离子化状态注射。将大量带电粒子注射到环形等离子体通道25中(替代中性气体)可增大离子化概率，并可缩短击穿时间。例如，预离子化器可安装到燃料管(未示出)中，燃料管连接等离子体燃料源和等离子体生成器22。预离子化器可为微型共轴等离子体枪60，例如图6中所示。预离子化器60的例示性示例包括：中心电极62，其位于管状主体64内。其在一端通过隔离体65封闭，相反端开放形成出口端口66与端口26流体连通，使得在预离子化器60中形成的预离子化气体可注射到等离子体生成器22中。在不背离本发明范围的情况下，预离子化器60或任何其他被构造以在气体注射到等离子体生成器22中之前使其部分离子化的预离子化机构中所用的电极可使用任何其他构造。预定量气体可通过一个或多个阀67注射到主体64中。中心电极62和主体64电联接到预离子化电路68。当功率源将电脉冲施加于预离子化器60时，电流流过电极62、穿过被注射气体、至主体64，从而离子化气体。预离子化器60中形成的等离子体以及任何未离子化的气体然后通过由于电流流过等离子体而产生的磁场进行加速，并通过出口66和阀26被排放到等离子体生成器22中。当部分离子化的气体进入等离子体生成器22时，控制器可触发形成电路34，以在等离子体生成器22的中心导体21和外电极23之间提供电流放电。

可替代地，注射到等离子体生成器22环形等离子体传播通道25中的中性气体可使用任意适合的预离子化机构或技术直接预离子化。例如，预离子化可通过一种或多种紫外(UV)光源(例如UV灯)进行。UV灯(未示出)可围绕等离子体生成器22的壳体布置。UV灯可联接到适合功率源以生成UV光束，UV光束可朝向接近于气体注射端口(例如阀的排离端口)的气体注射区域导引。等离子体生成器22的壳体可包括一个或多个透明窗，透明窗被构造使得UV光可穿过窗并撞击到被注射气体上而引起这些气体的至少部分离子化。所述窗对于所选能量源(例如UV灯)所生成类型的能量可以是透明的。在一个实施方案中，透明窗可被构造为透镜以将由灯生成的能量聚焦到气体注射点或区域(端口)。在其他实施方案中，其他类型的能量源(例如激光、电晕放电、射频(RF)系统，等等)可用于直接在等离子体生成器22中或在外部预离子化器中激励和预离子化被注射气体。任意所述系统和方法可用于直接在等离子体生成器22中预离子化气体，或者气体可首先在预离子化器(例如预离子化器60)中预离子化并然后以部分或完全离子化的状态注射到等离子体生成器22中。

公开了等离子体生成系统的各实施例。任意这种实施例可用于生成高能量密度的等离子体，适于中子生成器、核聚变、核废料补救、医用核苷酸生成中的应用、适于材料研究、适于通过中子照相和层析成像、X光生成器等实现对象内部结构的远程成像。

虽然已显示和描述了本公开内容的特定元件、实施例和应用，不过应理解，本公开内容的范围不限于此，这是因为，在不背离本公开内容范围的情况下、特别是依照前述教示，可进行修改。因此，例如，在本文中公开的任意方法或过程中，构成所述方法/过程的动作或操作可按照任意适合次序执行，不必局限于任何所公开的特定次序。在各种实施例中，元件和部件可按不同方式构造或布置、组合、和/或消除。前述的各种特征和过程可相互独立地使用，或者可按各种方式组合。所有可行的组合和子组合将处于本公开内容的范围内。本公开内容中提及的“一些实施例”、“一个实施例”、或类似表述是指：结合所述实施例描述的特定的特征、结构、步骤、过程、或特性被包括在至少一个实施例中。这样，在本公开内容中出现表述“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或类似表述，不必均指向相同实施例，而可指向一个或多个相同或不同的实施例。实际上，本文中所述的新颖方法和系统可被实现为各种其他形式；另外，对本文中所述实施例的形式可进行各种省略、添加、替代、等同替换、重新布置、和改变。

实施例的各种方面和优点已适当描述。应理解，根据任何特定实施例，可不必实现所有这些方面或优点。这样，例如，应认识到，各种实施例可如本文中教示以实现或优化一个优点或一组优点的方式执行，而不必实现可能如本文中教示或建议的其他方面或优点。

本文中使用的条件用语，例如“能够”、“可”、“可能”、“可以”、“例如”，等等，除非另行具体指出或在所用应用环境内另行理解，通常意在表达：特定实施例包括、而其他实施例不包括特定特征、元素和/或步骤。这样，这种条件用语通常并非意在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式需要用于一个或多个实施例或者一个或多个实施例必需包括逻辑以决定(无论是否有操作者输入或提示)是否这些特征、元素和/或步骤在任何特定实施例中被包括或执行。对于任意特定实施例而言，没有哪一个特征或特征组是必需的或必不可少的。用词“包括”、“包含”、“具有”、和类似用词是同义词，以开放方式包容性使用，不排除额外的元件、特征、动作、操作，等等。而且，用词“或”以其包容性含义(而非其排斥性含义)使用，因此，当用于例如连接一系列元件时，用词“或”是指系列中的一个、一些、或所有元件。

连结用语(例如表述“X、Y、Z中的至少一个”)，除非另行明确指出，否则应按通常使用的应用环境理解，以表达：一件、项等可为X、Y或Z。这样，这种连结用语通常并非意在暗示特定的实施例需要至少一个X、至少一个Y、和至少一个Z，以每种均存在。

本文中所述实施例的示例性的计算、模拟、结果、图线、值、和参数意在例示性的，而非限制所公开实施例。其他实施例可按照不同于本文中所述例示性示例的方式构造和/或操作。实际上，本文中所述的新颖方法和设备可被实现为各种其他形式；另外，对本文中所述方法和系统的形式，可进行各种省略、替代和修改。

Claims (12)

1.一种用于生成磁化等离子体并且维持所述磁化等离子体的磁场的系统，所述系统包括：

等离子体生成器，用于生成所述磁化等离子体并包括外电极和上中心导体，所述上中心导体共轴地位于所述外电极内且与所述外电极分开以形成具有出口的环形等离子体传播通道；

燃料注射器，用于将等离子体燃料注射到所述环形等离子体传播通道的上游端中；

一个或多个线圈，其能够操作以在所述环形等离子体传播通道中生成填充磁场并为所述磁化等离子体提供极向场；

通量保器，其具有外壁和下中心导体，所述下中心导体共轴地位于所述外壁内且与所述外壁分开以限定清空内腔，所述内腔具有与所述环形等离子体传播通道的所述出口流体连通的入口，所述磁化等离子体通过所述入口注射到所述内腔中，其中所述下中心导体的一端电连接到所述上中心导体的一端且所述下中心导体的另一端电连接到所述通量保器的所述外壁；和

功率供应源，其电联接到所述上中心导体和所述下中心导体，使电流沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁流动，所述功率供应源包括：形成功率电路，其被配置以生成形成功率脉冲而足以使电流沿径向流过所述上中心导体与所述外电极之间的所述等离子体燃料从而在所述等离子体生成器中从所述等离子体燃料生成所述磁化等离子体并且将所述磁化等离子体注射到所述通量保器中；和维持功率电路，其被配置以生成沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁的维持电流脉冲而足以在所述等离子体发生器和所述通量保器中生成环向磁场。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述维持功率电路进一步包括缓冲电感器，其使所述维持功率电路至少部分地电隔离于所述形成功率电路；并且所述系统进一步包括控制器和存储器，所述控制器具有处理单元与所述形成功率电路和维持功率电路通讯，所述存储器上编码有程序代码，当执行所述程序代码时，所述处理单元触发所述维持功率电路先于所述形成功率电路，以在所述等离子体生成器和所述通量保器中形成预先存在的环向场。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述等离子体燃料是中性气体，并且所述形成功率电路包括至少一个快速高电压开关，其能够操作以将电压施加于所述上中心导体与所述外电极之间，所述电压的值和速率足以击穿所述中性气体以在电流沿所述通量保器环回之前形成所述磁化等离子体。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括触发电极，其位于所述环形等离子体传播通道中并电联接到所述形成功率电路，并且其中所述形成功率电路能够操作以将击穿电流脉冲提供到所述触发电极而足以击穿所述等离子体燃料以形成所述磁化等离子体。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述形成功率电路包括主形成功率电路和预形成功率电路，所述主形成功率电路电联接到所述上中心导体且能够操作以提供形成电流脉冲，所述预形成功率电路电联接到所述触发电极且能够操作以提供所述击穿电流脉冲。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述等离子体燃料是预离子化气体，其注射到所述环形等离子体传播通道的所述上游端中。

7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括触发电极，其位于所述环形等离子体传播通道中，接近于所述燃料注射器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述等离子体燃料是中性气体，并且所述系统进一步包括预离子化装置，其在所述环形等离子体传播通道中提供激励能量，以至少部分地离子化其中的所述中性气体。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述维持功率电路包括电流高峰电路和电流保持功率电路，所述电流高峰电路能够操作以提供快速升高电流脉冲而在目标时段内达到预定电流峰值，所述电流保持功率电路被配置为使所述系统中的电流在所述电流峰值维持预定时段。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述下中心导体是液态金属引导体，包含流动液态金属，并且所述上中心导体包括液态金属储器和供所述液态金属流动通过且形成所述液态金属引导体的喷嘴。

11.根据权利要求10所述的系统，进一步包括液态金属收获器，其位于所述通量保器的端板处，在所述喷嘴下方；和再循环系统，其具有导管网络而流体联接所述液态金属收获器和所述液态金属储器，使得在所述液态金属收获器中收获的液态金属返回到所述液态金属储器。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述通量保器被部分地填充液态金属，并且所述系统进一步包括液态金属循环系统，其被配置以导引所述通量保器内的所述液态金属流动，使得液态金属衬里形成在所述清空内腔内。

Images