CN112840746B - 产生x射线和粒子射线的设备以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备，所述设备包括：阳极（14）和阴极（12），所述阳极和所述阴极通过绝缘体（16）彼此分开并且彼此同轴地布置，其中所述阳极（14）和所述阴极（12）至少部分地布置在反应室中，并且所述阴极（12）具有多个阴极电极（12）；用于产生预放电的预放电装置，所述预放电形成跨所述绝缘体（16）的低欧姆桥接；包含在所述反应室内的气体；电气预放电源，特别是具有高内阻的电气预放电源，所述电气预放电源与所述预放电装置连接；以及与所述阳极（14）和所述阴极（12）电气连接的电气放电源，其中作为所述电气放电源的电气放电的结果在所述阳极（14）的前面产生密集的磁约束的等离子粒团，并且所述等离子粒团发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备，一种具有用于产生X射线和粒子射线的设备的聚变反应堆，以及一种用于产生X射线和粒子射线的方法。特别地，本申请涉及一种借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备，具有用于产生定义的丝状预放电、特别是辉光放电的设备，涉及一种具有用于产生X射线和粒子射线的设备的聚变反应堆，所述设备具有用于产生定义的丝状预放电、特别是辉光放电的设备，以及涉及一种用于产生X射线和粒子射线以及定义的丝状预放电、特别是辉光放电的方法。
背景技术
在不希望限制本发明的范围的情况下，以聚变反应堆为背景描述本发明。能量消耗的增加和化石燃料的劣势导致人们寻找替代能源。这样的能源是热核聚变反应堆的聚变能，所述聚变能是几乎无限的能源。但是，仍然存在科学和技术上的挑战。
一般而言，聚变反应堆包括聚变燃料，所述聚变燃料通常由氘和氚的混合物组成或具有氘和氚的混合物，所述聚变燃料被加热至非常高的温度并保持等离子体状态一定的时间，所述等离子体状态是使用电能来产生的。所述等离子体状态包含具有足以聚变的能量的离子。为了聚变，所述离子必须保持在一起足够长的时间才能发生聚变。这可以例如通过磁约束来进行。一般而言，所述聚变反应堆的产物可以包括诸如氦的元素、中子和能量。在大多数核过程中释放的能量远大于在化学反应中释放的能量，因为将核保持在一起的结合能远大于将电子保持在核上的能量。在大多数反应堆设计中，从反应中释放出的能量被收集为热能，然后转化为电能。
已经开发了多种聚变设备，包括托卡马克反应堆、z-pinch、球形箍缩、激光、离子束或电子束和球马克。但是，这些反应堆尚未实现其目标。一个困难在于：当等离子体被加热时会出现不稳定，所述不稳定会阻止磁场将加热的离子化气体约束足够长的时间，以超过用于获得能量的营利性极限。
作为所述不稳定的可能解决方案，讨论了“密集等离子体聚焦”（dense plasmafocus，DPF）反应堆。与其他抑制不稳定的设备中的方案不同，在这些反应堆中使用自然的等离子体不稳定以在密集的等离子粒团中产生磁约束。
Lerner等人的US 7,482,607B2和EP 1 989 714 B1中描述了这样的方法和设备。在US 7,482,607B2和EP 1 989 714 B1中描述的设备具有一个阳极和多个阴极，阳极和阴极通过绝缘体彼此分开并且彼此同轴地布置。所述阳极和所述阴极至少部分地布置在反应室中。所述阳极和所述阴极被布置为使得它们可以将转矩施加到等离子粒团上。例如，所述阴极可以具有螺旋形扭曲以将转矩施加到所述等离子粒团上。替代地，可以将螺旋形线圈围绕所述阴极定位，以便将转矩施加到所述等离子粒团上并且向所述等离子粒团赋予精确定义的惯性矩。该转矩应当在充满气体的反应室中产生密集的、磁约束的等离子粒团，所述等离子粒团又产生X射线和粒子射线。
然而，在上述设备中没有精确地定义产生所述转矩的条件。因此也没有精确定义借助于核聚变产生X射线和粒子射线的过程的起始条件。
鉴于前述内容，需要用于产生X射线和粒子射线的设备和方法，该设备和方法至少在上面展示的问题领域的一些中带来了改进。
发明内容
本发明认识到需要一种用于为聚变反应堆，特别是为借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备和方法产生定义的、特别是丝状预放电或辅助放电的设备。用于产生定义的、特别是丝状预放电的设备可以特别适合于产生定义的起始条件，例如惯性矩的起始条件。
根据一个方面，提供了一种用于借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备。所述设备包括：阳极和一个阴极，或多个阴极，所述阳极和所述阴极通过绝缘体彼此分开并且彼此同轴地布置，其中所述阳极和一个或多个阴极至少部分地布置在反应室中；用于产生丝状预放电的预放电装置，所述丝状预放电形成跨所述绝缘体的低欧姆桥接；包含在所述反应室内的气体；电气预放电源，特别是具有高内阻的预放电源，所述电气预放电源与所述预放电装置连接；以及与所述阳极和所述阴极电气连接的电气放电源，其中作为所述电气放电源的电气放电的结果在所述阳极的前面产生密集的磁约束的等离子粒团，并且所述等离子粒团发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合。
根据一个方面，提供了一种具有用于产生X射线和粒子射线的设备的聚变反应堆。所述设备包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极通过绝缘体彼此分开并且彼此同轴地布置，其中所述阳极和所述阴极至少部分地布置在反应室中；用于产生丝状预放电的预放电装置，所述丝状预放电形成跨所述绝缘体的低欧姆桥接；包含在所述反应室内的气体；电气预放电源，特别是具有高内阻的电气预放电源，所述电气预放电源与所述预放电装置连接；以及与所述阳极和所述阴极电气连接的电气放电源，其中作为所述电气放电源的电气放电的结果在所述阳极的前面产生密集的磁约束的等离子粒团，并且所述等离子粒团发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合。
根据一个方面，提供了一种用于产生X射线和粒子射线的方法。所述方法包括：借助于电气预放电源产生丝状预放电，所述丝状预放电形成跨绝缘体的低欧姆桥接；借助于电气放电源连接阳极和阴极，所述阳极和所述阴极通过所述绝缘体彼此分开并彼此同轴地布置；通过经由所述阳极和所述阴极对电流脉冲的放电，利用磁场从气体中形成等离子体层；作为所述磁场的结果，在所述阳极的前面形成等离子粒团；以及从所述等离子粒团发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合，其中所述发射是所述等离子粒团的磁场分解以及所述等离子粒团中电子和离子碰撞的结果。
附图说明
下面应当基于附图中所示的实施例解释本发明，从这些实施例中得出其他有利部分和变型。为此：
图1A示出了根据实施方式的设备的示意性侧视图；
图1B示出了根据实施方式的设备的示意性侧视图；
图2示出了根据实施方式的设备的示意性侧视图；
图3A示出了根据实施方式的设备的示意性俯视图；
图3B示出了根据实施方式的设备的示意性俯视图；
图4示出了根据实施方式的设备的示意性侧视图；
图5示出了根据实施方式的设备的示意性侧视图；以及
图6示出了根据实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
尽管下面基于详细的实施方式描述本发明，但是应当认识到，本发明基于可以应用于特定上下文的宽泛选择的一般性发明构思。本文所使用的术语和本文所描述的实施方式仅以示例和解释的方式展示了本发明的具体实现，但是并不因此限制本发明。例如，作为一个实施方式的一部分描述或示出的特征也可以与另一实施方式结合使用以得到其他实施方式。本公开旨在包括这样的修改和扩展。
在附图的以下描述中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。一般而言，仅描述与一个实施方式的不同之处。除非另有明确说明，否则对一个实施方式的一部分或方面的描述也适用于另一实施方式的对应部分或方面。
图1A示出了用于借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备10。设备10可以是例如等离子体聚焦设备10。
设备10可以具有第一主电极14和/或第二主电极12。第一主电极14可以是阳极14和/或第二主电极12可以是阴极12。替代地，第一主电极14可以是阴极14和/或第二主电极12可以是阳极12。对第一主电极14和第二主电极12之间的电压符号的选择可以带来特殊的优点。例如，第二主电极12可以提供更大的表面，从而更好地散热。下文中将第一主电极14称为阳极，将第二主电极12称为阴极12。但是，这仅是示例性的，不应限制性地阅读。从而本申请还包括与本文描述的实施方式存在以下不同的实施方式，即，第一主电极14是阴极，而第二主电极12是阳极12。
第一主电极14和第二主电极12可以通过绝缘体16彼此分开。第一主电极14和第二主电极12可以彼此同轴地布置。第一主电极14和第二主电极12可以至少部分地布置在反应室（未示出）中。
替代地，阴极12可以实施为空心柱体（参见图3B），因为特别是放电的细丝化可以通过辅助电极进行。
第一主电极14可以是阳极14和/或第二主电极12可以是阴极12。替代地，第一主电极14可以是阴极14和/或第二主电极12可以是阳极12。
根据本文描述的实施方式，第二主电极12可以被构造为空心柱体。特别地，第二主电极12可以具有非磁性或仅弱磁性的材料。替代地或附加地，第二主电极12可以具有多个第二主电极-电极12。
设备10可以具有用于产生丝状预放电或辅助放电的预放电装置或辅助放电装置。所述丝状预放电可以形成跨绝缘体16的低欧姆、特别是丝状的桥接。特别地，所述预放电可以产生跨所述绝缘体的受控导电连接，所述绝缘体导致细丝的形成。因此，在所述预放电的持续时间内，电流可以平行于所述绝缘体流动，特别是在以下定义点处，在这些定义点之间可以形成细丝。所述细丝可以特别是形成在每两个成对的点之间。设备10还可以具有预放电源200或辅助放电源200，特别是具有高的内阻。预放电源200可以与所述预放电装置连接。
可以以不同的方式产生所述预放电。例如，所述预放电可以是辉光放电、介电势垒放电、微波等离子体和/或HF（高频）等离子体。可以例如使用如本文所述的辉光放电装置来产生辉光放电。特别是可以在较不费事的情况下并且以简单的方式产生辉光放电。例如，可以产生小于100W和2kV的辉光放电。
可以使用例如在至少两个电极之间施加交流电压的介电势垒放电装置来产生介电势垒放电。在介电势垒放电的情况下，可以在绝缘体16中布置辅助电极，使得辅助电极16被绝缘体16封闭。在介电势垒放电的情况下，介电势垒放电源向以这种方式绝缘的辅助电极施加交流电压，而在辉光放电源的情况下施加直流电压。通过以这种方式产生的位移电流，可以产生穿过绝缘体16的介电势垒放电和/或可以将电功率传输到等离子体中。
微波等离子体可以例如通过与微波等离子体源连接的微波等离子体装置产生。为此，例如可以使用波导和/或λ/4谐振器。
HF等离子体可以例如通过与HF等离子体源连接的HF等离子体装置产生。HF等离子体典型地可以以13.56MHz的频率产生。在此情况下，功率的电容输入耦合和电感输入耦合都是可能的。
所提到的示例可以产生具有低能量和/或高电导率的等离子体。这样的等离子体可能特别有利于本文所描述的预放电。
尽管下文中结合辉光放电来示例性地讲述本公开，但是一般的基本原理也适用于其他类型的预放电，并且尽管利用辉光放电带来了特别的优点，但是本公开不应限于辉光放电的示例。从而在下文中，“预放电”也称为“辉光放电”，因此“预放电装置”也称为“辉光放电装置”，并且“预放电源”也称为“辉光放电源”。但是，只要这些术语对辉光放电没有特别的限制，就可以认为它们是类似的。
如图1B所示，所述预放电装置或辉光放电装置可以具有第一辅助电极214和/或第二辅助电极212。第一辅助电极214和第二辅助电极212可以通过绝缘体16彼此分开。第一辅助电极214和第二辅助电极212可以围绕阳极14同心且彼此轴向平行地布置。第一辅助电极214和第二辅助电极212可以至少部分地布置在反应室中。第一辅助电极214可以具有多个第一辅助电极214。第二辅助电极212可以具有多个第二辅助电极212。多个第二辅助电极-电极和多个第一辅助电极-电极可以同轴地布置。此外，多个第二辅助电极-电极中的一个第二辅助电极-电极可以与多个第一辅助电极-电极中的对应的第一辅助电极-电极轴向平行地布置。第一辅助电极-电极和第二辅助电极-电极可以被配置为在第一辅助电极-电极和第二辅助电极-电极之间形成辉光放电。
根据本文所描述的实施方式，多个阴极电极的数量可以对应于多个第一辅助电极214的数量和/或对应于多个第二辅助电极212的数量。
根据本文所描述的实施方式，第一辅助电极214可以是辅助阳极和/或第二辅助电极212可以是辅助阴极（如图1B所示）。替代地，第一辅助电极214可以是辅助阴极和/或第二辅助电极212可以是辅助阳极。
设备10可以在反应室中包含气体。
设备10可以具有电气预放电源200或辉光放电源200。电气辉光放电源可以具有高的内阻。电气辉光放电源可以与辅助阳极和辅助阴极电气连接。作为所述电气辉光放电源的电气预放电的结果，可以在辅助阳极和辅助阴极之间产生辉光放电。
设备10可以具有电气放电源15。电气放电源15可以与阳极14和阴极12电气连接。作为电气放电源15的电气放电的结果，可以在阳极14的前面产生密集的、磁约束的等离子粒团，并且可以发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合。
特别地，设备10可以包含等离子体聚焦设备10，如在Lerner等人的US 7,482,607B2和EP 1 989 714 B1中所描述的，通过引用将其全部内容结合到本申请中，然而，所述等离子体聚焦设备增加了用于产生定义的辉光放电的设备。用于产生定义的辉光放电的设备可以具有第一辅助电极214、第二辅助电极212和/或电气预放电源200。
辉光放电可以作为静态辉光放电产生。在本公开的上下文中，“静态辉光放电”可以理解为其惯性矩（精确地）等于零的辉光放电。此外，由此在由所述电气放电源开始大电流主放电时，可以已经存在强电离的预放电。由此可以防止在没有辉光放电的情况下产生的高能逃逸电子腐蚀阳极并由此在随后的强辐射冷却中将杂质引入等离子体中。在实践中，实施方式可以稳定等离子粒团。
辉光放电可以被实施为，使得辉光放电具有多个个体放电和/或由多个个体放电组成。多个个体放电可以彼此并联连接。多个个体放电的数量可以与多个辅助阴极电极的数量相同。几皮秒至几毫秒后可以形成主放电。并联的各个辉光放电可以减小与辉光放电的数量成反比的总电感，因此可以使主放电电流更快地上升。
如图1B所示，设备10可以具有彼此嵌套的电极设计。特别地，阴极12可以围绕阳极14布置。此外，第一辅助电极214可以围绕阳极14布置。第二辅助电极212可以围绕第一辅助电极214布置。阴极14可以围绕第二辅助电极212布置。特别地，阳极14、阴极12、第一辅助电极214和/或第二辅助电极212可以同轴地和/或同心且彼此轴向平行地布置。
阴极12可以例如具有多个阴极电极或者被构造为空心柱体。阴极电极可以是均匀分布的棒。阳极14可以被构造为空心柱体。绝缘体16可以围绕阳极14，特别是阳极14的底部。例如，设备10可以具有彼此嵌套的铍电极。阴极12、阳极14、第二辅助电极212和/或第一辅助电极214可以被约束在所述反应室中，以便特别是为反应提供燃料，所述反应室可以是真空室，具有低压下的气体（例如乙硼烷），所述气体填充阴极12、阳极14、第二辅助电极212和/或第一辅助电极214之间的空间。
阳极14可以通过一个或多个电容器组18和一个或多个开关20与阴极12连接。一个或多个电容器组18和一个或多个开关20可以形成电气放电源15和/或作为电气放电源15的一部分。第一辅助电极214可以通过一个或多个辅助电容器组218或直流电源218和一个或多个辅助开关220与第二辅助电极212连接。辅助开关220可以是低功率开关。一个或多个辅助电容器组218和一个或多个辅助开关220可以形成电气预放电源200或辉光放电源200和/或作为电气预放电源200或辉光放电源200的一部分。电气预放电源200或辉光放电源200也可以借助于点火变压器感应地实现。
根据本文所描述的实施方式，所述电气辉光放电源可以被配置为产生等于或大于0.5kV，特别是等于或大于1kV，优选地等于或大于2kV的电气预放电。电气预放电的电压特别是可以取决于所述反应室中的压力。如果所述反应室中的压力较高，则所述电气预放电可以较大，和/或反过来。所述电气辉光放电源可以具有一个或多个内阻或串联电阻。特别地，所述电气辉光放电源可以具有多个串联电阻。所述多个串联电阻的数量可以对应于多个第一辅助电极-电极的数量。这些串联电阻可以连接到公共电压源。所述电压源可以向每个串联电阻和/或每个第一辅助电极-电极提供几个mA的电流，特别是大于或等于0.8mA和/或小于或等于3mA的电流。这些串联电阻例如可以分别具有500kOhm或更大的电阻。所述辉光放电可以在主放电之前几毫秒至几秒的时候被点燃。
所述电气辉光放电源可以进一步包括二极管222。二极管222可以布置在一个或多个开关220与一个或多个辅助电容器组218或直流电源之间。特别地，可以仅提供一个开关220，以便切换一个或多个辅助电容器组218。此外，也可以不提供开关220，并且二极管222可以承担开关功能。根据一种实施方式，诸如一个或多个辅助电容器组218的电容器组可以是直流电源。二极管222可以是低功率的高压二极管。取决于将哪个辅助电极配置为辅助阳极或辅助阴极，可以对应地布置二极管222。从而可以在实践中以小的、紧凑的和成本有利的方式来实现实施方式。
根据本文所描述的实施方式，所述电气辉光放电源可以被配置为在第一辅助电极214和第二辅助电极212之间产生辉光放电。特别地，电气辉光放电源可以被配置为仅在第一辅助电极214和第二辅助电极212之间产生辉光放电。
根据本文所描述的实施方式，阴极12可以具有导电片材。多个阴极电极可以固定在所述片材上。特别地，所述导电片材可以朝着阳极14延伸。例如，所述导电片材可以具有凹部，阳极14和/或绝缘体16布置在所述凹部中。特别地，绝缘体16可以布置在阴极12的导电片材和阳极14之间。
根据本文所描述的实施方式，阴极12和辅助阴极（也就是被配置为辅助阴极的辅助电极）可以彼此电气连接。例如，可以将辅助阴极电极（也就是被配置为辅助阴极电极的辅助电极-电极）固定在阴极12上和/或固定在阴极12中。特别地，多个辅助阴极电极可以是均匀分布的棒，这些棒固定在阴极12中。如果阴极12和所述辅助阴极彼此电气连接，则电气辉光放电源可以与阴极12连接。
第二辅助电极-电极可以各自具有第一端部212a和第二端部212b。第一端部212a可以与所述电气预放电源、地电势和/或阴极12连接。第二端部212b可以背对第一端部212a。第一辅助电极-电极可以各自具有第一端部214a和第二端部214b。第一端部214a可以与所述电气预放电源连接。第二端部2l4b可以背对第一端部2l4a。
根据本文描述的实施方式，第一辅助电极-电极的第二端部2l4b和第二辅助电极-电极的第二端部2l2b之间的距离可以小于第一辅助电极-电极的第二端部2l4b和阴极12、特别是阴极12的下一个点之间的距离。由此可以保证在第一辅助电极214和第二辅助电极212之间形成辉光放电，并且特别是不在第一辅助电极214和阴极12之间形成辉光放电。
第一辅助电极-电极的第二端部214和第二辅助电极-电极的第二端部2l2b沿着阳极14的轴线平行且同心地可以具有不同的高度。例如，第一辅助电极-电极的第二端部214可以比第二辅助电极-电极的第二端部2112b更远离阴极12的导电片材。通过这种悬挂布置可以产生热的、更容易电离的气体柱。
如图2所示，设备10可以具有线圈22。线圈22可以是螺旋形线圈22。线圈22可以围绕阳极14、阴极12、第一辅助电极214和/或第二辅助电极212布置。线圈22可以产生磁场，该磁场可以向等离子粒团施加转矩以及因此赋予惯性矩。线圈22可以与开关26连接。此外，可以提供电压源24。电压源24可以与所述电气辉光放电源和/或所述电气放电源的电压源分开。由此所述线圈可以独立于所述电气辉光放电源和/或所述电气放电源地运行。替代地，也可以使用公共电压源。线圈22的位置及其匝数可以取决于具体的应用。
图3A以俯视图示出了阳极14、阴极12、第一辅助电极214、第二辅助电极212和绝缘体16的布置。
图3B以俯视图示出了阳极14、阴极12、第一辅助电极214、第二辅助电极212和绝缘体16的布置。在此情况下，阴极12被实施为空心柱体。
根据本文所描述的实施方式，第一辅助电极-电极可以在绝缘体16中延伸。因此根据本文所描述的实施方式，绝缘体16可以至少部分地包围第一辅助电极-电极。特别地，第二辅助电极-电极可以被构造为在绝缘体16中延伸的细导体。此外，第二辅助电极-电极可以在绝缘体16中轴向平行且对称地延伸。第一辅助电极-电极的第二端部214b或阳极侧的端部可以从绝缘体16伸出。因此，第一辅助电极-电极的第二端部214b可以从绝缘体16伸出。
第二辅助电极212可以被构造为阴极12的导电片材的突出销。通过为第二辅助电极212选择合适的材料，可以优化辉光放电的稳定性。
如图3A和图3B所示，第一辅助电极-电极、第二辅助电极-电极和/或阴极电极可以分别布置在从阳极14的中心点出发的径向线上。特别地，沿着所述径向线，第一辅助电极-电极和第二辅助电极-电极之间的距离可以小于第一辅助电极-电极和阴极电极之间的距离。第一辅助电极-电极、第二辅助电极-电极和/或阴极电极的数量可以彼此对应。
如图4所示，阴极12，特别是多个阴极电极可以倾斜或翻转。倾斜程度可以取决于预期的应用。例如，阴极12，特别是多个阴极电极可以倾斜等于或大于0.05度和/或等于或小于10度，例如0.3度。该倾斜可以与阳极12的轴线相切。由于阴极12的倾斜，可以在等离子粒团上施加转矩，所述转矩然后产生定义的惯性矩。
此外，第二辅助电极212的第一端部2l2a，特别是多个第二辅助电极-电极的第一端部212a，可以与第一辅助电极214的第一端部2l4a，特别是与多个第一辅助电极-电极的第一端部2l4a对齐。当阴极12，特别是多个阴极电极倾斜或翻转时，这是特别有利的。
图5示例性地示出了具有线圈22和倾斜的阴极12的设备10。这种组合提供了允许将可变的转矩作用于等离子粒团的优点。因此，线圈22可以被配置为向等离子粒团赋予可变的转矩，特别是在加速结束时在等离子粒团中赋予可变的惯性矩。
本文所描述的实施方式提供了聚变反应堆。所述聚变反应堆可以具有用于产生X射线和粒子射线的至少一个设备10。所述聚变反应堆可以具有至少一个能量回收装置，该能量回收装置可以回收包含在X射线和/或粒子射线中的能量。所述能量回收装置特别是可以将包含在X射线和/或粒子射线中的能量转换成电能。X射线中包含的能量可以例如利用光电效应转换成电能。此外，可以使用变压器来转换包含在粒子束中的能量，例如参见Lerner等人的文献，图11。所述粒子束可以是脉动式电流，所述脉动式电流因此可以表示所述变压器的初级绕组。
图6示出了用于产生X射线辐射和粒子射线的方法300。该方法可以包括方框310至360中的一个或多个。根据方框310，可以借助于电气预放电源产生形成跨绝缘体16的低欧姆桥接的丝状预放电。例如，第一辅助电极214和第二辅助电极212可以借助于电气预放电源连接，第一辅助电极214和第二辅助电极212通过绝缘体16彼此分开并且彼此同轴地布置。根据可选的方框320，可以通过经由第一辅助电极214和第二辅助电极212对电气预放电电流的预放电来形成第一辅助电极214和第二辅助电极212之间的预放电。特别地，可以使用所述电气预放电源产生所述预放电。根据方框330，可以借助于电气放电源来连接阳极14和阴极12，阳极14和阴极12通过绝缘体16彼此分开并且彼此同轴地布置。根据方框340，通过经由阳极14和阴极12对电流脉冲的放电，可以利用磁场由气体形成等离子体层。特别地，可以使用所述电气放电源产生所述放电或主电流放电。例如，所述放电可以在预放电后的1μs或更长时间内进行。根据方框350，作为所述磁场的结果可以在阳极14的前面形成等离子粒团。根据方框360，可以从所述等离子粒团发射一个或多个粒子束、一个或多个X射线束或它们的组合。特别地，所述发射可以是所述等离子粒团的磁场分解以及所述等离子粒团中电子和离子碰撞的结果。
尽管前述内容涉及本公开的实施方式，但是在不脱离本公开的保护范围的情况下可以推导出本公开的其他和进一步的实施方式。本公开旨在涵盖这样的修改和扩展。所述保护范围由所附权利要求书确定。
Claims (18)
1.一种用于借助于核聚变产生X射线和粒子射线的设备(10)，所述设备包括：
-阳极(14)和阴极(12)，所述阳极和所述阴极通过绝缘体(16)彼此分开并且彼此同轴地布置，其中所述阳极(14)和所述阴极(12)至少部分地布置在反应室中；
-用于产生丝状预放电的预放电装置，所述丝状预放电形成跨所述绝缘体(16)的低欧姆桥接；
-包含在所述反应室内的气体；
-电气预放电源，所述电气预放电源与所述预放电装置连接；以及
-与所述阳极(14)和所述阴极(12)电气连接的电气放电源，其中作为所述电气放电源的电气放电的结果在所述阳极(14)的前面产生密集的磁约束的等离子粒团，并且所述等离子粒团发射一个或多个离子束、一个或多个X射线束或它们的组合，
其中，所述预放电装置包括第一辅助电极(214)和第二辅助电极(212)，所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)通过所述绝缘体(16)彼此分开并且彼此轴向平行地布置，其中所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)部分地布置在所述反应室中，所述第一辅助电极(214)具有多个第一辅助电极-电极，所述第二辅助电极(212)具有多个第二辅助电极-电极，并且其中所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)被配置为在所述第一辅助电极-电极和所述第二辅助电极-电极之间形成丝状预放电。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电气预放电源具有高内阻。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)被配置为在所述第一辅助电极-电极和所述第二辅助电极-电极之间形成丝状辉光放电，和/或其中，所述电气预放电源与所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)电气连接，其中作为所述电气预放电源的电气预放电的结果在所述第一辅助电极(214)和所述第二辅助电极(212)之间产生丝状预放电。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述丝状预放电是丝状辉光放电。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一辅助电极(214)是辅助阳极，所述第一辅助电极-电极是辅助阳极电极，所述第二辅助电极(212)是辅助阴极，所述第二辅助电极-电极是辅助阴极电极，或者其中所述第一辅助电极(214)是辅助阴极，所述第一辅助电极-电极是辅助阴极电极，所述第二辅助电极(212)是辅助阳极，以及所述第二辅助电极-电极是辅助阳极电极。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述阴极(12)具有多个阴极电极。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述阴极(12)具有导电片材，并且所述多个阴极电极固定在所述片材上。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述阴极(12)具有多个阴极电极，而且多个阴极电极的数量对应于多个第一辅助电极-电极的数量和/或对应于多个第二辅助电极-电极的数量。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述阴极(12)和所述辅助阴极彼此电气连接。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述阴极(12)和所述辅助阴极彼此短路。
11.根据权利要求3至8中任一项所述的设备，其中，所述绝缘体(16)至少部分地包围所述第一辅助电极-电极。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一辅助电极-电极在所述绝缘体(16)中延伸，彼此分开和/或与所述阳极(14)同轴地布置。
13.根据权利要求3至8中任一项所述的设备，其中，所述电气预放电源被配置为借助于多个串联电阻来产生等于或大于0.5kV的电气预放电。
14.根据权利要求3至8中任一项所述的设备，其中，所述电气预放电源被配置为借助于多个串联电阻来产生等于或大于1kV的电气预放电。
15.根据权利要求3至8中任一项所述的设备，其中，所述电气预放电源被配置为借助于多个串联电阻来产生等于或大于2kV的电气预放电。
16.一种聚变反应堆，具有根据权利要求1至15中任一项所述的用于产生X射线和粒子射线的设备(10)。
17.一种借助于根据权利要求1至15中任一项所述的用于产生X射线和粒子射线的设备(10)来产生X射线和粒子射线的方法，包括：
-借助于电气预放电源产生丝状预放电，所述丝状预放电形成跨绝缘体(16)的低欧姆桥接；
-借助于电气放电源连接阳极(14)和阴极(12)，所述阳极(14)和所述阴极(12)通过所述绝缘体(16)彼此分开并且彼此同轴地布置；
-通过经由所述阳极(14)和所述阴极(12)对电流脉冲的放电，利用磁场从气体中形成等离子体通道；
-作为所述磁场的结果，在所述阳极(14)的前面形成等离子粒团；以及
-从所述等离子粒团发射一个或多个粒子束、一个或多个X射线束或它们的组合，其中所述发射是所述等离子粒团的磁场分解以及所述等离子粒团中电子和离子碰撞的结果。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述预放电之后的1μs或更长的时间内进行所述放电。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL82429A0 (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-30 | Quantum Diagnostics | X-ray source |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5076223A (en) * | 1990-03-30 | 1991-12-31 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Miniature railgun engine ignitor |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL82429A0 (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-30 | Quantum Diagnostics | X-ray source |
| CN101443853A (zh) * | 2006-02-28 | 2009-05-27 | 劳伦斯威尔等离子物理公司 | 用于产生x射线、离子束和核聚变能量的方法和设备 |
| EP2879154A1 (en) * | 2012-07-27 | 2015-06-03 | University-Industry Cooperation Group of Kyung Hee University | Digital x-ray source |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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