CN1294742A - 带有闸阀脉动的惯性静电约束(iec)聚变装置 - Google Patents

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布赖恩·E·朱克齐克
顾亦斌
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Abstract

一种基于稳态球形惯性静电约束(IEC)结构的设计并利用脉动闸阀栅极(GVP)的脉冲中子/质子源。IEC－GVP装置包括接地导电容器(12);用作阳极;和中央阴极或主栅极(13),与高压电源相连接。另外,中间第二栅极(14)和外部第三栅极(15)与中央阴极(13)同心地安装在容器(12)内部。电子引出器/发射器装置(16)大体对称地分布在容器(12)的球面附近,并包括电子引出器偏转栅极(17)和电子发射器(18),它们有助于增强装置中的定时离子流。使用了两种脉动第二栅极的技术。第一种是低重复率GVP(LR－GVP)工作,第二种是调谐高频脉动,称为谐振离子驱动振荡(RIDO)GVP工作。

Description

带有闸阀脉动的惯性静电     约束(IEC)聚变装置
发明背景
本申请要求了1997年11月12日申请的美国临时申请SN 60／064801的国内优先权，其全部内容被包括在这里作为参考。
在诸如中子活化分析(NAA)的应用中，用作稳态2．5-MeV D-D中子源的惯性静电约束(IEC)装置是已知的，球形IEC结构以前公开在美国专利申请SN 08／730，578中，它是申请SN 08／232，764的继续申请，但现在已经放弃了，这两个专利申请包括在这里供参考。如图1所示，IEC装置1包括球形真空室2，用作接地阳极，并含有数个端口，包括一个气体输入端口3，它通过气体馈送线4和阀门5与气体源(未示出)相连接。输入到容器中的气体是可聚变气体，包括单一组分或多种组分的混合，比如氘、氚和He-3(氦)。第二端口6与真空泵(未示出)相连接，和第三端口7通过高压输电梯9与高压电源8相连接。处在球体2的中心的、可以是线状或叶状结构的栅极10具有最好为80-97％的几何透明度，并与高压电源8相连接，高压电源8提供用作激发并保持放电的负高压电位。实际上，这起到一个离子加速器、等离子体靶单元的作用。现在，市场上的成品可以提供具有106-107n／s量级稳态产额的便携式长寿命中子源。由于其价格低廉、安全和许可生产等优点，这些商用IEC单元打算取代诸如Cf-252(锎)源和小型加速器固体靶单元之类的现有NAA中子源。
在工作过程中，非中性的和非麦克斯韦分布的等离子体由高能离子束在IEC中产生出来，此高能离子束由位于图1所示的真空容器中央的球形栅极10加速并聚焦在中心点上。在用预定压力(≤10-5乇)下的所选气体充到真空室中之后，将负高压(通常为50-80kV)施加到栅极10上，形成等离子体放电，使得在栅极10与容器2的壁之间产生离子并且将离子从等离子体放电中引出。对于中子应用场合，通常使用氘或氘氚混合物，它们分别发射2．45MeV或14MeV中子。对于高能质子的产生，使用含有氘一氦-3混合物的气体。在适当的条件下，提供大于几何透明度的实际透明度和用于两个内栅极的栅极开口的径向排列的栅极设计可以使离子束出口(微通道)在栅极10的各开口之间形成，产生称之为“星形(star)”模式的结果，如图2所示。然后，在束流会聚的球体中央形成致密等离子体核心区，在这个核心区产生极强的聚变反应率。微通道具有辅助离子聚焦和使离子-栅极碰撞极小化的双重优点。
如果离子电流大到足以在中央等离子体区产生一个强虚阳极，那么，在IEC等离子体中形成独特的等离子体电势结构。这个电势加速并聚焦电子在中央核心区中，形成虚阴极，如图3所示。这种结构在装置的横向方向形成了一种电势分布称为“双”势阱，由于被俘获在“阱”中的高能离子产生高聚变率，因此，这种结构对IEC工作是非常有利的。实际上，展宽的分布函数导致了如图3所示的那种类型的“双阱”结构，图3显示了在带有单一高能离子和电子，并且角动量忽略不计的理想化IEC结构中的虚电极结构。由于在实际系统的实施中两个能量角分布的展宽，电势分布结构也将展宽。
如上所述，基本的IEC概念使用了利用其离子微通道产生“星形”模式放电的栅极设计。这种方法具有简单、好的离子聚焦和延长的栅极寿命的优点。由于栅极电势结构和相应离子“光学”(“optics”)形成的微通道改进了离子的聚焦和导致了栅极寿命的延长。在高离子电流情况下，这种改进了的聚焦还帮助在中央核心区中强双势阱的建立，如前所述，从而导致聚变反应率的显著提高。
对于高产额工作来说最需要的对称结构应用在用于便携式NAA用途的、正在商品化的本IEC装置中。非对称设计也是可能的，并且也很有用。例如，在“喷射(jet)”模式工作中，非对称束流被俘获在电势结构之中，并改变方向穿过用一个加宽的栅极开口在其中形成的“孔”，如PCT国际申请第PCT／US 97／19306号所述，该专利包括在这里供参考。这种结构有可能应用于材料处理中和作为用于空间卫星轨道调整的低功率推进器。另一个非聚变的例子涉及从甲烷高效生产巴基球(fullerene)，如PCT国际申请第PCT／US97／00147号所述，此专利包括在这里供参考。在这种情况下，IEC势阱结构用来将碳离子集中在较深的中央阱区中，允许氢离子向外移动，加快了C-60链的形成。IEC装置也用作X-射线源，如PCT国际申请第PCT／US 97／19307号所述，该专利包括在这里供参考。
发展IEC的目的是提高中子产生效率，最终朝着未来动力反应堆和空间推进器所需要的高产额装置方向发展。
因此，本发明的目的是提高传统IEC装置的性能以取得更高的中子产额，从而将应用扩展到需要更高中子通量的领域，例如，中子断层成像、同位素生产、爆炸物／地雷探测和油井测井。事实上，从原理上来讲，更高反应率的获得最终将导致基于IEC的聚变动力装置。
本发明的另一个目的是在稳定IEC工作过程中保持传统IEC束流特征，但将离子电流增大到远大于现在的10-100毫安的量级。
本发明还有一个目的是提供一种容易并且高效率地产生具有高品质中子和／或质子的最后产物的重复高能离子脉冲的方法。
发明概述
获得更高中子产额的关键是保持传统IEC束流的特征和将离子电流强度增大到远大于现在的10-100毫安的量级上。由于聚变反应率以离子电流强度的平方或更高次方而增大，因此，如果离子电流强度能够增大到几个安培的范围，则聚变反应率将超过现有装置的反应率达几个量级的幅度。此外，在这些量级上，可以期望双势阱在中央核心区形成，俘获高能离子、从而增强了离子约束，并由此提高了反应率和功率效率。
为取得这个结果，本发明利用了闸阀脉动(gate-valve pulsing GVP)技术，这种技术为取得这些高反应率所需要的高离子电流提供了实用方法，给出了在1011-1014／秒范围内的时间平均的中子和／或质子源产生率。
本发明的脉冲GVP-IEC根据两种不同的技术来考虑脉动。第一种是低重复率GVP(LR-GVP)操作，第二种是调谐高频脉动，称为谐振离子驱动振荡(RIDO)GVP操作。
从结构上，两种GVP-IEC设计都使用了以前美国专利申请第S．N．08／232，764号公开的稳态球形IEC结构的改进型。具体地说，IEC的LR-GVP和RIDO-GVP版本都使用了“闸(gate)”栅极系统，包括电子发射器、电子导向栅极和闸阈栅极，并与脉冲电压源组合在一起，该脉冲电压源提供了离子电流强度的所需增加。
在工作过程中，首先对本发明的闸阀栅极加上偏压，将由电子-中性粒子碰撞产生的离子保持或“存储”在IEC装置的源区。然后，突然降低加在闸阀栅极上的电压，以便能够由中央高压阴极栅极引出、加速和聚焦“存储的”离子。在获得聚变产物(中子和／或质子)的预期脉冲之后，闸阀栅极返回到它原来的偏压状态并以一定的脉冲重复率重复这个过程，对于“低”重复率操作，通常为100-1000Hz，这个值对取得预期的时间平均中子／质子通量足够了。
在RIDO-GVP技术中，脉动是以调谐到系统的离子再循环时间的频率(通常在MHz范围)进行的。这种调谐使得有可能通过将离子约束在一起和叠加再循环离子束来获得更高离子电流。在这种情况中，调谐是通过在扫描处在某一频率范围，例如，1-10MHz内的采集(picked)电源的同时监视中子产生率来在特定GVP-IEC装置中设置。与装置离子再循环频率发生谐振是由中子产额的显著增加来表征的。一旦选择出来，这个特定装置的后续操作可以保持这个谐振频率。由于离子再循环频率依赖于装置参数，因此，如果使用了不同的GVP-IEC，则必须重复这个过程。
在这两种模式的任一种中使用的GVP-IEC设计的优点是，在与脉动IEC的其它可能方式相比，在仍然使用相对简单的脉动系统的同时，能够取得较高聚变反应率和提高功率效率。
以前的IEC脉动设计通常已经使用了中央-阴极的直接脉动或电子-发射器脉动。与阴极的直接脉动相比，需要低得多的脉动电压，例如，闸阀栅极：100-500V对直接方法：50-100kV。虽然脉动电子发射器也允许相对低的脉动电压，但它与闸阀栅极方法不同，它在脉动之前并不进行离子的累积(存储)。
在LR-GVP工作过程中，闸阀离子“注入”系统利用设置在IEC室圆周附近的电子发射器提供可持续的边缘电离源，以生成离子。选择发射器的位置和数量以保持在电离空间中合理均匀的电子密度，通常要求发射器间隔等于在电离空间中电子平均自由程。因此，在这个空间内通过电子-中性粒子之间的电离碰撞产生相当均匀的离子密度。然而，与随机进入中央势阱不同，按照这种方式生成的离子保持在室壁与闸阀之间的空间内直到施加到闸阀上的电压突然降低～100V(“打开”闸阀)为止。这使离子在高压(～50-100kV)阴极栅极产生的电场的影响下流入到核心中。因此，在该脉冲相位期间，中央阴极电势起离子引出机构的作用。
通过将离子束聚在一起和将离子束组合在一起，RIDO-GVP操作甚至比低频GVP操作提供了更高的离子电流。因此，RIDO-GVP涉及增加高频电路，并具有对依次的电离波形定时的高精度，以放大在等离子体核心中的电流强度。碰撞放电力学将对离子分布起重要作用，因此需要精确调节。
附图简述
图1是示意性地图示了用于产生中子的传统惯性电子约束(IEC)装置。
图2示意性地图示了以“星形模式”工作的传统IEC装置。在这种模式中，形成多个离子微通道，这些离子通道穿过栅极的开口，使得有效透明度大于几何透明度。
图3图示了存在于IEC装置横向方向的、与阳极壳和阴极有关的电势变化。在这个图示中，假设离子电流强度大到足以生成强虚阳极，强虚阳极又加速和聚焦中央区中的电子，建立如核心区所示的双势阱。
图4a和4b图示了在本发明中使用的“闸”栅极系统(电子发射器、电子导向栅极和闸阀栅极)，以及图示了用于这种结构的电势分布和图示了IEC装置内的离子轨道和电离区域。注意在备用模式(闸阀栅极关闭)期间该装置的电势分布、在第二栅极与第三栅极之间的电离区和在闸阀栅极与阴极之间的、出现分段电势梯度的内阴极“下降”区。
图5a和5b分别图示了电压随着离包含在本发明中的IEC装置的中心线的半径的变化，其中一种装置的闸电势上升了，而另一种装置的闸电势下降了。请注意，在后一种条件中，下降电势穿过(扩展到)电离区。
图6图形说明了本发明的基本设计，显示离子在外栅极与内栅极之间往复运动(再循环)的“波包”的存在。如图所示，调谐在闸阀栅极上的、与离子波包的重复循环频率相匹配的电势频率使各个波包叠加，以增加它们的离子密度。
图7图示了根据施加到包含在本发明中的、包括在稳态和脉动模式下工作的三栅极IEC装置上的可用电压和电流的功率。
图8是关于GVP-IEC的、包括在本发明中使用的脉动形式网络的供电系统的电路图。
优选实施例说明
IEC-GVP装置11图示在图4A中，它具有类似于图1所示的IEC装置的结构，包括接地的导电容器12，用作阳极；和中央阴极或主栅极13，与高压电源(未示出)相连接。另外，中间第二栅极14和外侧第三栅极15与中央阴极13同心地排列在容器12内。电子引出器／发射器装置16相对于容器的球面基本对称地设置，它包括电子引出器偏转栅极17和电子发射器18，它们有助于装置中定时离子流的增强。
GVP-型IEC的基本工作原理是从传统设计的、有意设置在该装置球面附近的多个电子发射器18“蒸发”的电子涌入该装置的外部区域23(即，图4b所示的外栅极15与中间栅极14之间的电离空间)。发射器的设置取决于碰撞损失之前电子漂移的平均距离。发射器组件内的加速栅极将电子拖入真空器，在那里它们接下来将遇到正偏压的导向栅极15。这个栅极15用于将电子轨道改变方向到环绕地分布在容器壁的内表面附近的窄壳状空间，它界定电子与背景(background)气体相互作用和通过碰撞电离生成离子的电离区23。这些电子19环绕地漂移着并在电离区23的横向方向往复振荡，与背景中性气体进行电离碰撞逐渐减慢下来直到最后与栅极或容器壁重新组合或碰撞而消失。由于没有在这个区域施加电场，在这个区域中由电子碰撞形成的离子几乎没有受到什么力的作用或者没有受到净力的作用。然后，在这种状态下，阴极上的高电势由闸阀栅极14上的电势“屏蔽”起来，而对电离区没有影响。因此，离子只是缓慢地从电离区扩散开，使得在那个区域堆积成高密度离子。这种状态可以看作离子的“存储”，为随后生成离子脉冲作好准备。
为了脉动IEC，用作“闸”的中间阳极栅极14上面所加上的电势快速(≤100μs)降低100V到1kV。这样，使10-100kV的中央阴极13电势透入到外电离区23并引出“存储”在那里的离子。然后，在存储的离子群已经在某一时间段内，即，在500ns或更短的时间间隔内离开电离区之后，将闸阀栅极14电势切换回其原来的值。这些引出的离子被加速进入中央阴极区21，达到中央阴极13的全施加的电势。加速的离子将会聚在该装置的核心区域中的、在那里形成高密中央核心等离子体21的点上，在该处发生聚变反应，从而从D-D(或其它可聚变气体)聚变反应中生成高能质子和中子。由于离子的惯性作用使它们穿过内下降区22并回升到原来所加的电势处，在栅极附近的离子的球形壳23发生变形，直到它们停留在其电势等于它们通过碰撞电离产生的点上的电势的位置上。在这个过程中，一些离子通过各种反应、电荷交换和栅极碰撞损失掉。但是，许多离子被重新加速回到中央等离子体核心区21并继续进行再循环。离子的这种循环一直继续下去直到它们的总数显著消耗掉(＜原来数量的25％)为止。由于离子再循环时间很短(ms时间量级)，闸阀栅极电势保持在其较低的值达数毫秒，以便充分利用由再循环离子生成的增加的聚变反应。当将阴极栅极上的栅极开口设计成用于如美国专利申请第SN 08／232，764号所公开的星形模式工作，并将这些开口定向为使它们与闸阀栅极14中的开口沿径向对准时，对再循环离子流来说，将形成离子微通道(星形模式的特性)，从而使核心区的聚焦得到改善和反应率得到提高。在开通闸阀栅极之前在GVP-IEC横向方向的电势分布显示在图4A中，如图所示，工作电势在+100V至-100kV的范围内，但在电离区中则是平坦的电势(电场可以忽略不计)。
从结构上来看，最好的做法是，在三个栅极中有足够数量的小孔彼此之间都沿着径向方向排列，使它们具有高的几何透明度和对离子来说能够保持高的有效透明度，以便对所期望的星形模式或光晕(halo)模式来说，必要数量的离子辐条可以在容器内形成。栅极本身可以是叶状或线状结构的，如现有技术中已知的，并且至少，正如美国专利申请第S．N．08／232，764号所公开的，阴极应该具有必要的h／R参数，其中h是栅极的球形表面与栅极平面之间的高度差，和R是栅极半径。容器内的压力可以通过吸气剂(getter)或泵、或这种传统技术的组合来保持。
图5a和5b示意性地图示了在图4a和4b所示的三栅极实施例中降低了闸电压之后从中央阴极电势穿透其中的电离区的离子引出。正如已经公开的那样，在该系统中外部的两个栅极14和15用于两个目的：a)外部栅极15引导从电子发射器引出的电子，以便与闸阀栅极14结合在一起，使电子约束在沿着电离区和环绕着电离区流动。因此，两个栅极的组合为电子的迁移(transit)提供了一个极小值，而使电离保持在无场区中的局部区域内，和b)中间的“闸”栅极14用作阀门，有选择地允许成组的离子进入核心区。如图5a和5b所示，闸阀栅极电势既可以升高，也可以降低，使中央阴极电势穿透进电离区并引出离子。图中显示了“存储”在电离区中的离子(用圆点示意性地表示)，在这个电离区中离子不断产生出来直到闸阀电势突然降低为止，并且它们在由中央阴极栅极的电势产生的电势梯度(“下降区”)作用下朝向中心加速。
三栅极的、发射器辅助的GVP-IEC系统的一个显著优点是离子总是从靠近容器壁的电离空间处出发，从而加速到在中央核心等离子体区上的全外加势能，使离子能扩散得以降低、效率得以提高和聚焦得以改善。另外，由于等离子体放电是由电子发生器发射(对来自栅极的次级电子发射)来维持的，因此，背景气压可以大大降低，显著地减小了来自散射碰撞的离子同位素化效应和来自电荷交换碰撞的能量损失。并且，正如较早所指出的，与直接脉动中央阳极需要数十个kV的脉动电压相比，闸阀栅极所需要的脉动电压通常要低(＜1kV)。这极大地简化了脉动供电技术和减轻了电绝缘问题。
基本的GVP-型IEC工作的扩充包括将使向内部核心区的离子注入与系统的固有离子循环频率之间同步，亦即，将用于降低GVP电势的频率设置成与电离循环频率(大约为0．5-50MHz)保持一致。这种形式的工作已经被命名为谐振离子驱动振荡(RIDO)。按照这种方式，新生成的离子在再循环离子到达它们的转折点的同时会聚于内部核心区。因此，所有再循环离子电流都朝向该装置的内部核心有效地叠加在一起，使它们从装置的球面处开始加速并会聚于中央。最后，可以以离子传输频率(大约0．5-50MHz)形成非常大的峰密度，为超高的时间平均聚变产生率创造条件。
图6图形说明了利用有助于图4所示类型的三栅极IEC的电子发射器的RIDO-GVP处理，其中显示了离子波前的叠加和球对称性。在RIDO工作过程中，离子从外部区域的引出是精确定时的，使得当以前的离子波前返回到其原来的起始位置时，新的依次的离子波包被引入并叠加在前一个离子群上。然后，当闸阀电势降低时，即闸“打开”时，组合的离子全体被引出并再次聚焦在中央核心区。在传输过程中离子损失最终限制了在此过程中的离子堆积，使得对于随后的脉冲，其穿过中央核心的离子密度达到“饱和”(不变)值。这个过程有效地放大了穿过中央核心区的峰值离子电流。因此，由于在球形壳内的离子都同时到达装置的核心区，中央核心区离子密度升高达几个数量级。这种过程导致聚变功率比率(Pfusion～nion 2)的增益超过传统IEC等离子体放电的增益，甚至大于LR-GVP工作可得的增益。
借助于利用LR-GVP工作或RIDO-GVP工作取得的高离子电流，可以获得形成双势阱(图3)所需要的离子电流强度之上的离子电流。这样使离子被俘获在中央核心区和使中央核心区具有超高的离子密度，从而进一步提高了反应率。双势阱形成的效应已知通过实验在稳态IEC进行了研究，并已经证明，利用外加电流可以导致高计数的聚变反应率。利用在LR-GVP装置中取得的高电流比利用在稳态IEC装置中取得的高电流更易于产生这种效应。
对GVP-IEC的优选实施例的供电要求图示在图7中。具有100V电压值的、电压在0与1kV之间、电流在0-100mA范围内的振荡的脉动电源35用来打开和关闭闸(中间)电极36的电势。具有0-100kV电压范围的稳态电源37A与阴极栅极38相连接，用来生成高中央阴极电压(即，高至100kV)和小电流(在0-100mA范围内)。传输线脉动系统37B也可以与阴极栅极38相连接，用于在类似高压上的非常高电流工作(几个安培和更高)(由于＞＞1amp的电流电平可以在瞬时工作中最好地达到，因此使用脉动工作)。最后，几个在0-50A范围内的大电流发射器电源31也被连接起来，以驱动分段的放电单元32。对于闸阀栅极的标准工作来说，闸电源以相对低的频率(＜103Hz)脉动。
GVP型工作也可以扩展到IEC装置的其它工作模式，例如，如先前的IEC专利所述的工作的光晕模式和喷射模式。这里所述的基本原理可以直接套用。
对于RIDO工作，使用了高频脉动(0．5-50MHz)。RIDO类工作需要考虑栅极透明度问题、释放(discharge)核素时间常数、能量扩散和碰撞损失、和空间电荷效应。
总而言之，通过在一个脉冲时间间隔内获得中央等离子体核心的高离子密度，GVP工作在取得更高聚变反应率方面比传统IEC设计更胜一筹。通过RIDO-GVP甚至可以取得更高的密度，在RIDO-GVP中，通过成束或成群地加速离子，离子波前的叠加同时提高了功率。
应用于GVP-IEC的脉动电源35可以使用传统技术，例如，为阴极的直接脉动开发的脉动电源单元，Y．Gu等人的论文“球形惯性静电约束装置的脉动工作”公开了这种装置(Y．Gu．M．Wlliams．R．Stubbers．G．H．Miley，“Pulsed Operation of Spherical Inertial-Eledrostatic Confinement Device”，12th Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy，(Reno，NV，June，1996)ANS．LaGrange Park．IL，128(1996))。阴极脉动存在着将主阴极脉动成高压的缺点，这与本文披露的闸栅极设计相反，这里，主阴极保持在高压的稳定状态，而闸栅极在低压状态脉动。结果是，利用与主阴极相连接的标准脉动电源，每个脉冲的所希望电流和电压可以达到或超过108n／s的量级(脉冲电流为3．2A和脉冲占空比为1％，例如，0．1ms脉冲长度×100个脉冲／秒，的50-kV脉冲)。
自从Gu等人发表的论文“在球形惯性-静电约束和它的脉动实验结果中，通过微通道的离子聚焦”所作的原始说明以来(Gu et al，“Ion Focus ViaMicrochannels；in Spherical Inertial-Electrostatic Confinement and Its PulsedExperimental Results，发表在1995 IEEE International Conference on PlasmaScience，1995，PP．266-267)，脉动电源单元的基本工作原理还没有什么变化。但是，那么含有与扼流圈42、二极管43、脉冲形成网络48、脉动变压器49和IEC等效电阻Rplasma50串联的输入41的电源单元40已经升级为能取得如上所希望的脉冲电流、电压和重复率。尤其是，正如图8所示的，主开关45已经通过使用点火管(ignitron)，而不是闸流管(thyratron)而得到升级，它响应于触发脉冲44，使脉冲器可以发送更大的电流。二极管46和线圈47与开关45并联。此外，脉冲变压器49的升压比已经从1∶7增加到1∶10，使得与更高的电压脉冲一起更好地与IEC等离子体相匹配。对这些器件参数进行调整使其既可以用于标准低频(10-1000Hz)LR-GVP工作，也可以用于高频(1-50MHz)RIDO工作。
虽然脉动中子源在现有技术中是已知的，但GVP-型IEC的基本原理明显不同于这些装置。Fentrop中子产生器基本上是一种可以在稳态下或在脉动模式中工作的束流固体靶系统(美国专利第3，546，512号)。事实上，它是一种大型离子加速器-靶装置。根据束流-等离子体释放的GVP-IEC控制、分段电离和引出区域的工作以于用于电离的磁场的不存在，在GVP-IEC与此系统之间存在显著差异。Croitoru(美国专利第3，609，369号)利用了几种定域在和位于固体靶附近的离子源。仍然没有涉及到等离子体释放控制。以连续的或脉动的模式的工作完全是为了离子枪工作的目的。因此，与GVP-IEC的工作不同，它的工作没有对离子存储、注入定时或谐振振荡采取什么措施。Culver(美国专利第3，996，473号)发展了打算用于脉动工作的装置，这种装置用来分析涉及诸如瞬时伽马谱仪那样的诊断技术的材料。他的脉动方法并不直接涉及中子产生器的工作物理(例如，在GVP-IEC的核心区中的微通道束流形成和多阱形成)。并且，在他的装置中，脉动以及它的控制不象在GVP-IEC的情况下所发生的那样，并不直接与脉冲定时控制(例如，离子存储、注入定时、等)相互配合。Bussard关于用来改善IEC工作(美国专利5，160，695)的ICC效应的发明提及在他们的系统中谐振耦合的使用。Bussard声称离子可以在离子声势垒与IEC核心区中的俘获离子之间反射。这种类型的离子控制依赖于获得大离子电流，但并不讨论关于获得它们的方法，例如，本文公开的GVP方法。虽然GVP-IEC工作涉及到谐振调谐，但RIDO谐振涉及到离子再循环频率，它是由闸阀栅极通过离子电流的存储和注入的定时来控制的。这表示明显偏离Bussard的声势垒谐振概念，尽管两种方法可以结合在一起应用于单独一种装置中。
GVP-型IEC比传统IEC技术或基于固体靶的中子源具有明显的优势。中子产额的增加将在医学研究、中子断层成像术和同位素生产等领域中开辟新的商业化区域。GVP-IEC模式提供了聚变电能生产或聚变空间推进器所特别希望的非常高的反应率。
目前稳态的基本IEC工作产生106-107个D-D聚变中子／秒数量级的聚变中子产额。带有直接脉动阴极栅极的基本IEC的脉动型已经产生107-108个D-D聚变中子／秒数量级(时间平均值)的中子产额。采用GVP-IEC概念使得能将这些产额增加几个数量级，直接目标是1012-1014个D-D聚变中子／秒(时间平均值)。RIDO型工作可以取得甚至更高的产额，其极限是由由于强束流一等离子体型释放(discharge)的非麦克斯韦分布特性所引起的可能不稳定性来确定的。
GVP-IEC概念也比有竞争力的非IEC概念具有几个关键性优点。主要优点是效率。由于离子被同时加速进入核心区，并且聚变反应率与密度的平方成正比，因此，这导致了每单位能量输入聚变产物输出的增加。另一个优点是简单性。此外，RIDO驱动的IEC保持了束流-束流反应的能力，与通过麦克斯韦分布的离子的相互作用工作的装置不同，这种能力将装置的效率提高到可以利用诸如D-He3之类的高级燃料。
利用GVP-IEC原理的25MWe发电站设计总结在表Ⅰ中。尺寸表示球形真空室壁的半径，不包括冷却系统。重量是对于单独的IEC单元的和对于整个反应堆系统的。大部分重量集中在大真空室壁上。重量相对轻的单元，包括直接转换器(direct converter)，是GVP-IEC发电站的最吸引人的特征之一，暗示着关于材料和结构的富有竞争力的成本。实际上，GVP-型IEC反应堆比传统的磁或惯性约束聚变系统具有更高的质量功率密度，这意味着用轻水反应堆的成本与其它聚变反应堆设计所计划的成本要具有大得多竞争力。
表Ⅰ．利用GVP脉动功率工作和Iion 3标度(scaling)的25-MWe发电站的指标
输入功率     4．80
尺寸／半径(m)     6．49
IEC总重量(吨)     2．84
反应堆总重量估计值(吨)     210
虽然通过一些优选实施例已经对本发明进行了说明，但本发明并不仅限于此，而是由所附权利要求书所规定的范围来限定。

Claims (26)

1．一种在惯性静电约束装置中产生大离子电流的脉冲的装置，包括：
导电容器，由容器壁来形成并被施加上偏压用作阳极，所述容器含有分布在其中的可聚变气体；
多个电子产生器，位于所述容器壁的内表面附近，用于将电子发射到所述容器中；
第一栅极，包括位于所述容器中央的高度透明的和基本球形的结构，并界定一中央空间；
第一电势源，用于将电势施加到所述第一栅极上，使它用作中央阴极，从而阴极与阳极之间的电势使离子朝向阴极加速，随着离子会聚在中央空间中形成高离子密度，能量升高了的离子彼此之间相互作用并与中性气体原子相互作用；
第二栅极，包括位于所述容器壁附近的、高度透明的正偏压的结构，通常将发射器电子导向到根据所述容器壁界定的环绕的电离空间内；
第二电势源，用于将电势施加到所述第二栅极，使得电子轨迹处于所述环绕电离空间内；
闸阀栅极装置，包括：第三栅极，为一设置在第二栅极内部但在第一栅极外部的高度透明球形结构；和第三电势源，用于将时间相关的电压施加到所述第二栅极上，以便重复地释放离子群，这些离子群由于所述阳极和用作中央阴极的第一栅极的作用而受到加速，所述装置是可控制的，使得从第三电势源施加到第三栅极的电势可以发生变化，以将所述电离空间中的离子交替地屏蔽于或暴露在由第一栅极产生的电势中；
从而形成强聚变反应的时间段。
2．如权利要求1所述的装置，其中，每个所述电子产生器进一步包括加热所述电子组件的电流源。
3．如权利要求1所述的装置，其中，所述电子产生器进一步包括第四电势源，用于施加电压以从所述电子产生器引出电子。
4．如权利要求1所述的装置，其中，所述第一栅极、所述第二栅极和所述第三栅极是刚性自支承结构，具有多个离子和电子可以流过其中的开口，和所述结构中的至少一个是由从容器壁伸出的电绝缘支座结构定位在所述真空容器内部。
5．如权利要求4所述的装置，其中，所述第一、第二和第三栅极之一包括线状结构和叶状结构的至少一种。
6．如权利要求1所述的装置，包括至少两个大体对称地设置在所述容器壁的内表面附近的电子产生器。
7．如权利要求6所述的装置，包括两个至八个电子产生器。
8．如权利要求6所述的装置，所述电子产生器包括电子发射器和电子引出器。
9．如权利要求2所述的装置，其中，所述导电容器保持在地电势上，而第一、第二和第三栅极包括具有连接在其上的各自的供电引线的导电电极，所述这些供电引线电绝缘地穿过球形真空容器并与用于每个栅极的各自的电势源相连接。
10．如权利要求2所述的装置，其中，所述闸阀栅极与一个电路相连接，所述电路用于保持50至300V的正偏置电势，再叠加上电压幅度为100V至1kV、持续时间为1μs至1ms和重复率为1至1000周／秒的脉冲负电势。
11．如权利要求10所述的装置，其中，在所述第三栅极上的脉冲负电势的重复率被调整成与0．1至50MHz范围内的平均离子再循环频率产生谐振。
12．如权利要求1所述的装置，其中，所述导体容器是密封式的金属壳。
13．如权利要求1所述的装置，其中，用于所述阴极栅极的电势源提供了在1kV至150kV之间的范围内的负电势。
14．如权利要求1所述的装置，其中，给阴极栅极的电势源提供了大于1A的驱动脉动离子电流。
15．如权利要求1所述的装置，其中，所述栅极具有大于或等于90％的几何透明度。
16．如权利要求1所述的装置，进一步包括用于将所述球形真空容器内的可聚变气体压力保持在10-5乇以下的装置。
17．如权利要求3所述的装置，其中，第四电势源使用了其峰值在5A至25kA之间的范围内变化的驱动电流。
18．如权利要求2所述的装置，其中，用来施加电流以加热所述电子发射器的电流源提供在1A至20A之间包括1A和20A的范围内变化的电流。
19．如权利要求3所述的装置，其中，加热所述电子发射器的电流源使用了提供5W至400W之间的功率的驱动电压和电流。
20．如权利要求1所述的装置，其中，所述第一、第二和第三栅极的每一个都包括线状结构和叶状结构的至少一种，所述各栅极含有沿着径向排列的开口，和至少第一栅极由h／Rc来确定，这里，h是栅极球表面与栅极平面之间的高度差，R是栅极半径。
21．如权利要求1所述的装置，其中，所述栅极具有设计成在所述脉动等离子体放电期间形成离子微通道的开口。
22．一种在包括导电容器的惯性静电约束装置中产生大离子电流的脉冲的方法，所述导电容器被施加上偏压用作阳极并包含多个嵌套的、高度几何透明的栅极、电子源、电源和可聚变气体，所述方法包括：
产生由施加到所述阳极和栅极的电势确定的电场；
在所述容器内部建立起电离区；
在所述容器内产生电子并使电子在电离区内流动；
在所述电离区内利用所述电子产生并保持离子；
从所述电离区周期性地释放离子；和
用所述电场加速并聚焦所述释放离子。
23．如权利要求22所述的方法，其中，释放步骤在与系统的特征离子再循环保持同步的频率上进行。
24．如权利要求22所述的方法，其中，释放进一步包括将向容器的内部核心的离子注入与系统中固有离子再循环频率保持同步，以便使新产生的离子在再循环离子到达它们的转折点的同一时间会聚在内部核心上。
25．如权利要求22所述的方法，其中，所述释放步骤进一步包括对用作闸的所述栅极之一打开和关闭电势，使中央阴极电势穿进电离区并引出存储的低能离子。
26．如权利要求22所述的方法，其中，所述释放步骤的时间与离子再循环时间相比是长时间。
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