JP6141267B2

JP6141267B2 - 自己閉じ込め型高密度空気プラズマを発生させるためのシステムおよび方法

Info

Publication number: JP6141267B2
Application number: JP2014515880A
Authority: JP
Inventors: ランディ・ディ・カリー
Original assignee: University of Missouri System
Current assignee: University of Missouri System
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: EP2721628A4; CA2839379A1; KR20140037221A; US9338874B2; US20170064803A1; US20130057151A1; WO2012173864A1; CN103650094B; EP2721628A1; EP2721628B1; JP2014523611A; CN103650094A; US9924586B2

Description

本発明は、大気圧で自己維持型空気プラズマ（self-sustaining air plasma）を発生させるための方法および装置に関する。

空気プラズマは、イオン、電子、ラジカルや独立した状態で存在する大気圧で形成される他の中性種から構成される物質の電気的伝導性状態となっている。空気プラズマは、非致命的武器、融合、プラズマ処理、推進、消毒用途、および衝撃波軽減といった様々な用途において使用され得る。

しかしながら、現在のプラズマ源では、大気圧での衝撃波によって生じる過圧の結果に対して保護するのに十分な電子密度を有する空気プラズマを発生させることができない。さらに、現在のプラズマ源は、高価かつ不便な支援機器、または大きい磁石を使用することなく、長い寿命を有する、自己含有型または自己閉じ込め型空気プラズマを発生させることができない。したがって、空気プラズマを発生させるための多用途で、拡張性があり、かつ反復可能な方法および装置に対する必要性が存在する。

本発明は、大気圧で自己閉じ込め型および自己安定化空気プラズマ（self-confined and self-stabilized air plasma）を発生させるための方法および装置に関する。特に、本発明の方法および装置は、大気圧で、いくつかの用途に対して十分な電子密度を有するトロイダル空気プラズマ（ＴＡＰ）を発生させる。本発明の方法および装置は、高い反復率でＴＡＰを発生するように構成され得るものである。

本発明の方法は、大気圧で自己含有型空気プラズマ（self-contained air plasma）を発生させることを含む。空気プラズマは、第１着火領域において発生され、半径方向の膨張が制限される。また、本発明の方法は、空気プラズマを加熱し、第２着火領域から離れるようにそれを加速させるために、第２着火領域で空気プラズマに高電圧パルスを印加することを含む。空気プラズマの加熱は、空気プラズマを膨張させ、自己含有型の状態にする。

大気圧で自己含有型空気プラズマを発生させるための装置は、プラズマ源を含有するように、細長い構成（elongated configuration）または別の構成であってもよい第１空洞を画定する第１遮蔽材を含んだ第１着火領域を含む。また、本発明の装置は、プラズマ源から空気プラズマを発生させるための着火デバイスと、細長いまたは別の構成であってもよい第２領域を画定する第２遮蔽材を含んだ第２着火領域とを含み、第２空洞が、空気プラズマを受容するように、第１空洞と流体連通している。本発明の一実施形態において、第２領域は、電流がその中の空気を通って放電され、プラズマ放電を形成することを可能にするワイヤメッシュによって少なくとも部分的に画定される。

本発明の装置は、少なくとも１つのコンデンサを含み、空気プラズマに高電圧パルスを印加するために電圧源とつながった高電圧回路を含む。高電圧パルスは、空気プラズマを加熱し、装置から離れるように加速させて、大気圧で自己含有型空気プラズマを形成する。種々の他の実施形態において、プラズマ源は、爆発ワイヤ（exploding wire）、爆薬（explosive）、膨化ガスプラズマ（puffed gas plasma）、中空カソード・プラズマ（hollow cathode plasma）、超高速度プラズマ源（hypervelocity plasma）、レールガン（railgun）、マイクロ波駆動プラズマ源（microwave-driven plasma）、または第２の領域に方向付けることができる他のコンパクトプラズマ源から成る群のうちの少なくとも１つの要素である。プラズマ源はまた、１つ以上のレーザ誘起プラズマチャネルによって供されてもよい。

本発明の別の実施形態において、大気圧で自己含有型空気プラズマを発生させるための方法は、ワイヤを爆発させ、アノードとカソードとの間に位置する第１着火領域において空気プラズマを発生させるように、ワイヤに第１高電圧パルスを印加することを含む。また、本発明の方法は、空気プラズマがワイヤの長手方向軸に平行となってカソードと加速器電極との間の第２着火領域まで移動するように、空気プラズマの半径方向の膨張を制限することを含む。第２高電圧パルスは、空気プラズマを加熱するようにカソードおよび加速器電極に印加され、空気プラズマの加熱は、空気プラズマを膨張させ、加速させ、トロイダル構造を形成させる。また、本発明の方法は、大気圧で第２着火領域から自己含有型トロイダル空気プラズマを放電することを含んでいる。

本発明の方法は、アノードとカソードとの間、ならびにカソードと加速器電極との間に剛性電気絶縁材を供することを更に含む。かかる剛性電気絶縁材は、細長くてもよい空洞を画定する。アノードとカソードとの間の細長空洞は、ワイヤを受容し、空気プラズマの半径方向の膨張を制限する。カソードと加速器電極との間の空洞は、空気プラズマが膨張することを可能にする。両方の空洞は、略円筒状または螺旋状構成を有しいてもよい。空洞は、等しいまたは異なる直径を有してもよく、トロイダルプラズマの直径を増加若しくは減少させるように構成されてもよい。加えて、空洞は、トロイダルプラズマの速度を増加若しくは減少させるように構成されてもよい。

別の実施形態において、大気圧で自己含有型空気プラズマを発生させるための方法は、第１着火領域において、空気プラズマを発生させることと、第１領域から、ある速度の空気プラズマの膨張を方向付けることと、第２着火領域において空気プラズマにエネルギーを付与することと、を含み、付与されたエネルギーは、空気プラズマを膨張させ、第２着火領域から加速させ、自己含有させる。別法にて、本発明の方法は、空気プラズマの半径方向の膨張を制限することを含んでもよい。

種々の実施形態において、ワイヤは、００ＡＷＧ〜８０ＡＷＧの範囲内のゲージを有する。本発明の他の実施形態において、第１高電圧パルスは、１０ｋＶ〜５０ｋＶであって、０．１μｓ〜２００ｍｓの持続時間を有する一方、第２高電圧パルスは、１００Ｖ〜３００Ｖまたは最大何千ボルトであって、１ｎｓ〜１０００ｍｓの持続時間を有する。

別の実施形態において、大気圧で自己含有型空気プラズマを発生させるための装置は、第１着火領域において、アノードと半透過性カソードとの間に位置付けられる第１遮蔽材を含む。第１遮蔽材は、アノードとカソードとの間に延在し、それらと連通する、伝導性ワイヤを含有するように、第１長手方向空洞を有する。また、本発明の装置は、少なくとも１つの電圧源および少なくとも１つのコンデンサを有する１次高電圧回路を含む。１次高電圧回路は、ワイヤに第１高電圧パルスを印加するように、アノードおよびカソードと連通し、それを爆発させ、空気プラズマを発生させる。第１長手方向空洞は、空気プラズマの半径方向の膨張を制限する。

また、本発明の装置は、カソードと半透過性電極との間に位置付けられる第２遮蔽材によって画定される第２着火領域を含む。第２遮蔽材は、カソードと電極との間に延在する第２長手方向空洞を有し、その第２長手方向空洞は、空気プラズマを受容するように、第１長手方向空洞と流体連通する。また、本発明の装置は、電圧源と連通する少なくとも１つの他のコンデンサを有する２次高電圧回路を含む。２次高電圧回路は、カソードと電極との間の間隙に第２高電圧パルスを印加するようにカソードおよび電極と更に連通しており、大気圧で自己含有型空気プラズマが形成されるべく空気プラズマが電極を横断するに際して、第２高電圧パルスによって更に空気プラズマが加熱され、加速する。

種々の実施形態において、自己含有型空気プラズマは、レーザ誘起プラズマによって形成され、その後、レーザ、マイクロ波パルス、またはエネルギーを付与するための任意の手段によって加熱されてもよい。空気中に形成されるプラズマは、静電場または電磁場、および相互作用によって、自己閉じ込めされる。そのようにして、空気プラズマは、本質的に、長い寿命を有する。自己閉じ込め型空気プラズマは、約ミリ秒から複数秒またはさらには分の寿命を有し得る。

プラズマの密度は、１ＡＴＭ〜２０００ＡＴＭ以上の範囲まで、装置内の圧力を増加させることができる加圧システムを使用して、増加させてもよい。付加的にいえば、装置内／周囲の空気は、発生した空気プラズマのサイズおよび電子密度を最適化するように変更されてもよい。例えば、装置内／周囲の空気は、１つ以上のガス混合物、またはナノ粒子もしくは種々の化学化合物で播種されたガスを含んでもよい。

種々の実施形態において、自己含有型空気プラズマは、少なくとも１０^１０／ｃｍ^３の電子密度を有しており、１０^１９／ｃｍ^３ほどの高いものであってもよい。付加的には、装置の幾何学的形状（geometry）は空気プラズマのトロイダル構造形成に資する。

図１は、トロイダル空気プラズマ発生器の実施形態を示している。図２は、空気プラズマ発生装置の一実施形態の写真である。図３は、空気プラズマ発生装置の一実施形態の側面写真である。図４は、本発明の一実施形態に従った１次高電圧回路の概略設計である。図５は、本発明の一実施形態に従ったトロイダル空気プラズマの高速画像である。図６Ａは、本発明の一実施形態に従ったトロイダル空気プラズマの形成の断面図を提供する写真である。図６Ｂは、本発明の一実施形態に従ったトロイダル空気プラズマの形成の断面図を提供する写真である。図７は、本発明の一実施形態に従ったトロイダル空気プラズマを形成するための方法を描写するフローチャートである。

本発明は、十分な持続時間のために維持可能であって、様々な用途で使用するのに十分な電子密度を有する高密度空気プラズマの大気圧での発生に関する。本明細書において、「大気圧での空気プラズマ」とは、周辺大気に実質的に等しい圧力を有する空気プラズマを指す。加えて、大気圧での空気プラズマは、特殊化された高圧力または低圧力容器を必要としない。本発明の一態様において、空気プラズマ発生装置の幾何学的形状は、空気プラズマの形状および自己含有性質を生じさせる。一旦形成されると、空気プラズマは、自己含有し、追加の支援機器を必要としない。例えば、空気プラズマ発生器は、トロイダル空気プラズマ（ＴＡＰ）を発生するように構成されてもよい。ＴＡＰは、実質的にトロイダル形状を有する空気プラズマである。

例えば、発生した空気プラズマは、衝撃波軽減のために使用され、トリチウム−トリチウムもしくはジュウテリウム−トリチウム反応、または任意の他の高度な融合サイクルのための融合源、あるいはプラズマ・コンデンサとして使用されてもよい。更に、発生した空気プラズマは、非致命的用途（例えば、限定されるわけではないが、テザーといった電気衝撃武器）において使用されてもよい。また、空気プラズマは、限定されるわけではないが、半導体処理、ポリマー修飾を含む、プラズマ表面修飾、指向性エネルギー用途、マイクロ波生成、エネルギー貯蔵および生成、半導体製造のためのＵＶ生成、プラズマチャフ、表面消毒、ならびに遠隔マイクロ波チャネリングなどのいくつかの産業的用途のために使用されてもよい。また、空気プラズマは、タービン、燃焼エンジン、およびロケットエンジンのための着火源として使用されてもよい。また、発生したプラズマは、他の用途において使用されてもよく、例えば、発生した空気プラズマは、球電光への前駆体であってもよい。

空気プラズマ発生器装置
トロイダル空気プラズマ（ＴＡＰ）を発生させるための空気プラズマ発生装置１００の実施形態が、図１〜３に示されている。空気プラズマ発生装置１００は、１次高電圧回路１０４および２次回路１０６と電気連通するＴＡＰ発生器１０２を含んでいる。

ＴＡＰ発生器１０２は、有限持続時間を有するＴＡＰ放電（概して１３０として示される）を発生させることが可能である。本発明の一実施形態によると、ＴＡＰ発生器１０２は、爆発ワイヤ１０８を使用して、ＴＡＰ放電１３０を形成する。

図示されるように、爆発ワイヤ１０８は、ＴＡＰ発生器１０２内に位置付けられる単一のワイヤストランドから形成されてもよい。別法にて、爆発ワイヤ１０８は、複数の長さのワイヤが同時に爆発され得るように、ＴＡＰ発生器１０２内で編織されるか、または前後にループされる単一のワイヤストランドから成ってもよい。種々の他の実施形態において、爆発ワイヤ１０８は、複数の別個の、またはループされたワイヤストランドから成ってもよい。

あくまでも例示であって限定するものではないが、爆発ワイヤ１０６は、４０ゲージ銅ワイヤであってもよい。しかしながら、加熱し、空気中で気化する、任意の好適なワイヤが使用されてもよい。他の例として、爆発ワイヤ１０８は００ＡＷＧ〜８０ＡＷＧの範囲の任意のゲージのワイヤであってもよい。更に、爆発ワイヤ１０８は、中実ワイヤ、めっきワイヤ、他の材料でドープしたワイヤ、または別の材料で被覆されたワイヤであってもよい。爆発ワイヤ１０８は、アノード１１０とカソード１１２との間に吊設される。爆発ワイヤ１０８に着火するために、高電圧電流がアノード１１０およびカソード１１２にわたって、かつワイヤ１０８を通って印加される。種々の実施形態において、高電圧電流は、爆発ワイヤ１０８の少なくとも一部分を過熱し、それによって、それを爆発的に膨張させる。

アノード１１０およびカソード１１２は、爆発ワイヤ１０８が着火される第１着火領域１１４を画定する。また、第１着火領域１１４は、アノード１１０とカソード１１２との間の空間の一部分を充填する非伝導性第１遮蔽材１１６を含む。第１遮蔽材１１６は、アノード１１０とカソード１１２との間の空間に等しい厚さを有する。本発明の一実施例において、第１遮蔽材１１６は、５ｃｍ〜２０ｃｍの厚さを有してもよいものの、他の厚さおよび空間距離が使用されてもよい。本発明の一実施形態において、第１遮蔽材１１６は、爆発ワイヤ１０８を受容する第１細長空洞１１８を画定する。かかる細長空洞の直径は、爆発ワイヤ１０８が第１遮蔽材１１６に接触せず、それにより、爆発ワイヤ１１４が大気圧の空気中で着火するのを可能にするように、爆発ワイヤの直径よりも大きい。第１細長空洞１１８は、爆発ワイヤ１０８からの爆発後、細長空洞内にて、１２０で示されるように、空気の半径方向の膨張を制限する。空気の半径方向の膨張１２０の制限は、爆発からの運動量とともに、第１着火領域１１４からの膨張する空気の速度を方向付ける。

爆発ワイヤ１０８の組成もまた、空気プラズマの形成に寄与し得る。あくまでも例示であって限定するものではないが、ワイヤ１０８の爆発は、電子、イオン、プラズマ、ＵＶ波、および／または金属粒子の衝撃波、ならびにＴＡＰ放電１３０の形成を増強し得るいくつかの他の条件を生成する。爆発ワイヤ１０８はまた、ＴＡＰ発生器１０２の第２着火領域１２２において、ガス分子に運動量を付与する圧力パルスを生成する。同様に、爆発ワイヤ１０８は、第２着火領域１２２内で、ＴＡＰ放電１３０にエネルギーおよび運動量を付与する。

本発明の一実施形態において、第１細長空洞１１８は略円筒状である。別の実施形態において、第１細長空洞１１８は螺旋状構成を有する。同様に、第１細長空洞１１８の他の構成が使用されてもよいが、しかしながら、本発明の全ての実施形態において、爆発ワイヤ１０８からのＴＡＰ放電１３０は、第２着火領域１２２において、ＴＡＰ放電１３０を形成および形状化するのに役立つ境界条件を生成するために、細長空洞の中心軸の軸に沿った軸方向の加速に実質的に制限される。

第２着火領域１２２は、カソード１１２および加速器電極１２４によって、部分的に画定される。本発明の一実施形態において、カソード１１２および加速器電極１２４は、ＴＡＰ放電１３０がカソードおよび加速器電極を横断し得るように半透過性材料（限定されないが、メッシュまたはスクリーンなど）である。あくまでも例示であって限定するものではないが、加速器電極１２４は、ステンレス鋼または任意の他の半透過性伝導性材料から構成されてもよい。

第２着火領域１２２は、第２遮蔽材１２６を含んでいる。第２遮蔽材１２６は、非伝導性であり、第１遮蔽材１１６と同じ組成を有してもよい。しかしながら別法にて、第２遮蔽材１２６は、第１遮蔽材１１６とは異なる組成を有してもよい。

本発明の一実施形態において、第２遮蔽材１２６は、カソード１１２と加速器電極１２４との間の空間に等しい厚さを有する。本発明の一実施例において、第２遮蔽材１２６は、カソード１１２と加速器電極１２４との間の距離に依存して、約２ｍｍ〜２ｃｍの範囲の厚さを有するものの、他の厚さおよび空間距離が使用されてもよい。また、第２遮蔽材１２６は、第１遮蔽材１１６の第１細長空洞１１８と軸方向に整合する第２空洞１２８を画定する。

本発明の一実施形態において、第２空洞１２８の直径は、ＴＡＰ放電１３０が、それが第２着火領域１２２を通って移動するか、または別法にて、その中および傍に形成される際、膨張することを可能にするように、第１細長空洞１１８の直径よりも大きい。本発明の別の実施形態において、第２空洞１２８の直径は、第１細長空洞１１８の直径に等しいか、それ未満であってもよい。同様に、第２空洞の長さは、第１細長空洞の長さよりも大きいか、それに等しいか、それ未満であってもよい。種々の他の実施形態において、第２着火領域１２２は、任意に、互いに、および第１細長空洞１１８に平行に整合されてもよい、複数の空洞を有する。

単一の第１着火領域１１４および単一の第２着火領域１２２が、図１〜３に示されているが、他の実施形態において、ＴＡＰ放電１３０の効果をさらに増幅させるように、複数の着火領域が使用されてもよい。例えば、複数のプラズマ源が、複数の第１着火領域において着火されてもよく、ならびに／または複数の第２着火領域を使用して、ＴＡＰ放電１３０を増幅、加速、増強、および／もしくは形状化してもよい。

種々の実施形態において、第１空洞および第２空洞の直径は、空気プラズマの直径を増加もしくは減少させるように、ならびに空気プラズマの速度を増加もしくは減少させるように、形成、またはそうでなければ構成することができる。自己含有型空気プラズマの形状もまた、空気プラズマ発生装置１００および周辺環境の最適化を通じて強化されてもよい。例えば、ＴＡＰ発生器は、安定したプラズモイド、または球電光と同様のプラズマの球体を発生するように構成されてもよい。

ＴＡＰ発生器１０２は、高電圧パルスをアノード１１０およびカソード１１２に送達するように構成される、１次高電圧回路１０６に電気的に接続される。ＴＡＰ発生器１０２はまた、第２着火領域１２２において、プラズマを通じてエネルギーを放電するように構成される、２次回路１０６に電気的に接続される。

１次高電圧回路１０６は、１つ以上のコンデンサ・バンクと、１つ以上の高電圧電源と、１つ以上の高電圧スイッチと、アノード１１０およびカソード１１２にわたって高電圧パルスを送達するための好適なパルス生成回路とを含む。本発明の一実施形態において、１次高電圧回路１０６は、約１０ｎｓ〜２００ｍｓのパルスの持続時間を有する高電圧パルスを、アノード１１０およびカソード１１２を通って、爆発ワイヤ１０８に送達するように、約２ｋＶ〜約１００ｋＶまでエネルギー供給されるコンデンサ・バンクを含む。本実施形態において、アノード１１０は、中実または半透過性導体である一方、カソード１１２は、半透過性導体である。

図４に示されるように、１次高電圧回路１０６の特定の実施形態は、いくつかの抵抗器４０２Ａ〜Ｃと、１つ以上のインダクタ４０４と、１つ以上のコンデンサまたはコンデンサ・バンク４０６とを含んだＲＬＣ回路４００である。また、１次高電圧回路１０６は、電源４０８と、３プレート加圧空気間隙スイッチ４１０と、アノード１１０に接続されるリード４１２と、カソード１１２に接続される別のリード４１４と、追加の保護および安全回路（限定されるわけではないが、概して４１６として示されるスイッチおよびダイオードなど）とを含む。

本発明の一実施形態において、電源４０８は、１次高電圧回路１０６に約３０ｋＶを供給する直流電流（ＤＣ）電源である。コンデンサ・バンク４０６は、約４．４ｋＪを貯蔵および放出し、ワイヤ１０８を通じて６ｋＡ、４６μｓの電流パルス（半値全幅）を生成して、ワイヤを爆発させるように、約１１μＦのキャパシタンスを有する。インダクタ４０４は、典型的には１１．７７μＨ空芯インダクタである。インダクタ４０４および５．５Ω水性電解質成形抵抗器４０２Ａは、電流パルスを形状化するために使用される。

回路インダクタンスおよび抵抗は、双方とも、ワイヤ１０８に送達および堆積される電流およびエネルギーの量に影響する可変パラメータである。ワイヤ１０８に送達される電流パルスにおける回路インダクタンスの効果を判定するために、空芯インダクタ４０４は、種々の実施形態において、０．６μＨおよび２７．５μＨのインダクタンス値を有する他のインダクタと置き換えられた。同様に、他の実施形態において、水性電解質抵抗器は、約２０Ω〜約３００ｍΩの抵抗を有する抵抗器と置き換えられた。非水性電解質抵抗器もまた、使用されてもよい。

１次高電圧回路１０４のインダクタンスを変更する時、約５．２Ωの抵抗を有する成形抵抗器４０２Ａを使用した。同様に、インダクタ４０４は、抵抗器４０２Ａの抵抗を変更させた時、約１１．７７μＨの抵抗を有した。

典型的な１１．７７μＨインダクタ４０４および典型的な５．２Ω成形抵抗器４０２Ａを有する、１次高電圧回路１０４によって生成される電流パルスは、約４６．０８μｓのパルス幅で約６ｋＡを送達する。電流パルスのピークおよび幅は、インダクタンスにおける変化とともに変化したことが観察された。例えば、インダクタ４０４が、約２７．５μＨのインダクタンスを有する時、ワイヤ１０４に送達される電流パルスは、約５．４８ｋＡのピーク電流および約５３．５５μｓのパルス幅を有した。インダクタ４０４が０．６μＨのインダクタンスを有する時に生成される電流パルスは、より小さいパルス幅（約３５．９μｓ）において送達されるより高い電流（約６．８８ｋＡ）をもたらす。従来の回路理論を考慮して予想されるように、インダクタンスが増加するにつれて、電流パルスは振幅において減少するが、パルス幅において広がることが観察された。さらに、１次高電圧回路１０４のインダクタンスの変更は、ＴＡＰ放電１３０の高さまたは持続時間における有意な変化をもたらさなかったことが観察された。同様に、ＴＡＰ放電１３０による移動距離データにおいて、有意な効果は観察されなかった。そのようなものとして、１次高電圧回路１０４のインダクタンスは、発生したＴＡＰを減退させることなく、空気プラズマ発生装置１００の所望の用途に従って変更されてもよい。

しかしながら反対に、１次高電圧回路１０４における抵抗の変更は、発生したＴＡＰに影響したことが判定された。例えば、１次高電圧回路の典型的な構成からの電流パルスは、成形抵抗器４０２Ａの抵抗が約５．２Ωである場合、約４６．０８μｓのパルス幅で約６ｋＡである。しかしながら、電流パルスは、抵抗器４０２Ａが約２０Ωの抵抗を有する時、約１３０．８５μｓのパルス幅で約２．０２ｋＡのみのピークに到達する。

さらに、典型的な水性電解質抵抗器４０２Ａを回路から除去すること、およびインダクタ４０４をアノード１１０に、リード４１２を通じて直接接続することによって、約３００ｍΩの漂遊抵抗をもたらした。この構成において、１次高電圧回路１０４は、典型的な過減衰構成よりもむしろ、不足減衰される。そのようなものとして、得られた電流は、約２３．６ｋＡのピークに到達しつつ、約２８８μｓにおいて約４倍振動する。

抵抗器４０２Ａの抵抗を変化させることは、ＴＡＰ放電１３０のサイズおよび持続時間における相当な相違をもたらす。例えば、抵抗器４０２Ａが約２０Ωの抵抗を有する時、ＴＡＰ放電１３０は、約５．２Ωの成形抵抗と比較した時、より短い持続時間およびより小さい直径を有する。さらに、抵抗器４０２Ａが、約３００ｍΩの抵抗をもたらすように、除去またはそうでなければ低減される時、ＴＡＰ放電１３０は、５．２Ω抵抗器でのＴＡＰ放電と比較した時、直径において約２倍大きく、より長い持続時間を有する。加えて、成形抵抗器４０２Ａに対して３００ｍΩ抵抗器で発生されるＴＡＰ放電１３０は、成形抵抗器に対して２０Ω抵抗器または５．２Ω抵抗器を使用して発生されるＴＡＰ放電の約２倍多くに移動する。この構成において、追加のエネルギーが、爆発ワイヤ１０８によって形成されるＴＡＰ放電１３０に堆積されている。これは、ＴＡＰ放電１３０の容量および持続時間における増加をもたらし、少なくとも部分的に、１次高電圧回路１０４の減衰における低減によって引き起こされ得る。

好ましくは、２次回路１０６は、ＴＡＰ放電１３０を加熱するのに好適な電圧に帯電されるコンデンサ・バンクを含む。例えば、２次高電圧回路１０６が１００Ｖ〜３００Ｖに帯電される時、第２着火領域１２２に進入するＴＡＰ放電１３０は、カソード１１２と加速器電極１２４との間の回路を完成する。２次高電圧回路１０６によって付与されたエネルギーは、ＴＡＰ放電１３０の持続時間および速度を強化する。本発明の一実施形態において、２次高電圧回路１０６は、１次高電圧回路１０６と同じ高電圧電源に接続される。本発明の別の実施形態において、２次高電圧回路１０６は、別の高電圧源によって給電される。なお別の実施形態において、１次高電圧回路１０６および２次高電圧回路１０６は、単一の高電圧システムに組み込まれてもよい。

あくまでも例示であって限定するものではないが、２次回路１０６は、第２着火領域１２２にてプラズマを加熱するように、約２５０Ｖに帯電される２次８．８ｍＦ電解コンデンサ・バンク１３２を含んでもよい。爆発後の加熱は、ＴＡＰ放電１３０のサイズおよび持続時間の両方を強化することが示されている。

２次回路１０６によって提供される追加の加熱もまた、ＴＡＰ放電１３０のトロイダル形状を形成する役割を果たす。例えば、第２遮蔽材１２６によって画定される細長空洞１２８は、ワイヤ１０４の爆発によって発生するプラズマが膨張することを可能にする。膨張の間、カソード１１２と加速器アノード１２４との間の領域がプラズマで充填される時、第２コンデンサ・バンク１３２は、貯蔵されたエネルギーを、プラズマを通して放電する。本発明の一実施形態において、第２コンデンサ・バンク１３２からプラズマによって引き込まれる４００Ａ電流は、約４ｍｓのパルス幅を有する。第２コンデンサ・バンク１３２からの放電後、ＴＡＰ放電１３０の大半は、図５に示されるように、第２着火領域１２２に留まる放電の一部分１３４から離脱し、ＴＡＰ発生器１０２から出る。ＴＡＰ放電１３０の大半が、残りの部分から分離した後、コンデンサ・バンク１３２は、放電し続け、ＴＡＰ発生器１０２内の残りのプラズマにエネルギー供給してもよい。

ＴＡＰ放電１３０のトロイダル構造５００の発生の断面図が、図５に示される。着火後の最初の約１ミリ秒間、放電１３０は、第２着火領域１２２から依然として膨張しており、非常に均質なプロファイルを有する。着火の約１．５ｍｓ後、トロイダル形状が形成され始める。これらの２つの画像は、着火の６ｍｓおよび７ｍｓ後の放電のトロイダル形状を例解する。図５はまた、第２着火領域１２２内の残りの放電１３４を示す。

本発明の一実施形態において、ＴＡＰ放電１３０は、ＴＡＰ発生器１０２から約３０ｃｍ移動しつつ、最大１５ｍｓ続くことができる。本発明の他の実施形態において、ＴＡＰ放電１３０は、ミリ秒から複数秒および複数分の範囲内の寿命を有してもよい。ＴＡＰ放電１０３のトロイダル構造４００は、直径が約１２ｃｍまで膨張してもよい。他の実施形態において、トロイダル構造４００は、１２ｃｍ未満またはそれも大きい他の直径まで膨張してもよい。ＴＡＰの電子密度は、好ましくは、少なくとも１０^１０／ｃｍ^３であって、１０^１９／ｃｍ^３ほどの高いものであってもよい。種々の実施形態において、電子密度は、それが第２着火領域１２２にある間、プラズマを通過する測定された電流に基づいて、約１０^１４〜１０^１５／ｃｍ^３であると判定される。

プラズマの密度は、１ＡＴＭ〜２０００ＡＴＭ以上の範囲まで装置内の圧力を増加させ得る加圧システム（図示せず）を使用することによって、増加させてもよい。加えて、装置内および／または周囲の空気は、発生した空気プラズマのサイズおよび電子密度を最適化するように変更してもよい。例えば、装置内および／または周囲の空気は、１つ以上のガス混合物、またはナノ粒子もしくは種々の化学化合物で播種されたガスを含んでもよい。

種々の実施形態において、ワイヤ１０８の爆発によって生成される衝撃波および熱の半径方向の膨張１２０は、それぞれ、第１空洞１１８および第２空洞１２８内に閉じ込められる。このため、爆発ワイヤ１０８からの放電は、主に、第１細長空洞１１８および第２空洞１２８の軸に沿った軸方向の膨張を通じて、消散される。これは、ＴＡＰ放電１３０に流体力学的効果を付与し、したがって、ＴＡＰ発生器１０２の幾何学的形状は、それ自身にＴＡＰ放電１３０の自己含有特性をもたらすことになる。

爆発ワイヤ１０８からの最初の軸方向の膨張、および第２着火領域１２２における２次励起の組み合わせ効果は、トロイダル構造４００の形成をもたらす。種々の他の実施形態において、第２着火領域１２２は、エネルギーをＴＡＰ放電１３０に伝達することができる任意の形状を有してもよい。これらの実施形態において、温度、ならびにＴＡＰ放電１３０による光のその後の吸収および放出は、第２着火領域１２２の形状に基づいて、特定の要件に調整することができる。第２着火領域１２２において、プラズマに送達されるエネルギーの持続時間および量は、所望の用途に必要とされるＴＡＰ放電１３０の特性を生成するように最適化することができる。例えば、第２着火領域１２２において、ＴＡＰ放電に付与されるエネルギーを増加させることにより、ＴＡＰ放電の寿命は、数ミリ秒から数分に延長され得、それにより、プラズマの長期投射を可能にする。

ＴＡＰ発生器１０２は、最初のプラズマ源として、爆発ワイヤ１０８を使用して説明されているが、他のプラズマ源が使用されてもよい。あくまでも例示であって限定するものではないが、他のプラズマ源としては、爆薬、膨化ガスプラズマ、中空カソード・プラズマ、マイクロ波駆動源、高電力レーザアレイ、レールガン、超高速度プラズマ加速器およびイオン化粒子を生成するように高い反復率を有する任意の他のプラズマ源が挙げられる。これらの実施形態において、プラズマ源は、そのプラズマ源に対応する好適な活性化デバイスによって活性化される。例えば、爆薬に対する活性化デバイスは起爆剤である一方、マイクロ波駆動源に対する活性化デバイスはマイクロ波生成器である。

別の例において、ＴＡＰ放電１３０を形成する、またはさらに加熱するために、１つ以上のレーザが使用される。例えば、第１着火領域１１４において、レーザ誘起空気プラズマを形成するために、レーザが使用されてもよい。別法にて、第２着火領域１２２内で、プラズマ放電を加熱するために、レーザが使用されてもよい。

種々の実施形態において、空気プラズマ発生装置１００は、単一または複数射出動作のために構成される。そのようなものとして、空気プラズマ発生装置１００は、高い反復率で、単一のまたは複数の自己含有型空気プラズマを発生し得る。

トロイダル空気プラズマ
ＴＡＰ放電１３０は、それが主たる第１細長空洞１１８から膨張する際、爆発ワイヤ１０８の着火直後、非常に均質なプロファイルを有する。本発明の一実施形態において、ＴＡＰ放電１３０は、着火の約１．５ｍｓ後にトロイダル構造４００を採り始める。ＴＡＰ放電２００のトロイダル構造４００は、それぞれ、図５Ａおよび５Ｂにおいて、着火の約６ｍｓおよび約７ｍｓ後の状態が示されている。図６Ａおよび６Ｂもまた、第２着火領域１２２内のＴＡＰ放電１３０の２次着火６００を示す。ＴＡＰ放電１３０がＴＡＰ発生器１０２を出る時、放電は、トロイド構造４００の短半径に自己磁場ならびに回転プラズマ領域を生成する、循環電流または磁場反転を有する。自己磁場は、空気プラズマの分子を大気ガス分子と再結合させ得る相互作用を低減することによって、効果的に自己維持型ＴＡＰ放電を発生するように、ＴＡＰ放電１３０を閉じ込め、ＴＡＰ放電の寿命を有意に増加させる。

種々の実施形態において、ＴＡＰ放電は、約２〜３０ｍｓ間維持することができ、最大２００ｍ／ｓでＴＡＰ発生器１０２から離れて約１０〜４０ｃｍ移動してもよい。トロイダル形状５００は、直径が最大約１２ｃｍ膨張してもよい。ＴＡＰ放電１３０の電子密度は、第２着火領域１２２における放電の２次加熱の間にてＴＡＰ放電１３０を通過する測定された電流によって判定されるが、約１０^１４〜１０^１５／ｃｍ^３である。本発明の種々の他の実施形態において、ＴＡＰ放電１３０は、より高いエネルギー、密度に拡張可能であり、いくつかの高度な用途のために使用することができる。

例えば、１キロジュールから１ギガジュール以上のエネルギーが、第２着火領域１２２において、ＴＡＰ放電１３０に付与されてもよい。エネルギーの増加は、ＴＡＰ放電１３０の寿命をミリ秒から分のオーダーに増加させ、ＴＡＰ放電の長期投射を可能にする。

図７は、ＴＡＰ放電１３０を発生させるための方法７００の一実施形態を例示するフローチャートである。ステップ７０２において、第１高電圧パルスは、第１着火領域１１４において、アノード１１０、カソード１１２、および爆発ワイヤ１０８にわたって印加される。第１高電圧は、ワイヤを爆発させ、それによって、ＴＡＰ放電１３０を発生される。ステップ７０４において、ＴＡＰ放電が、ワイヤの長手方向の軸に沿って、カソード１１２および加速器電極１２４によって画定される第２着火領域まで移動するように、ＴＡＰ放電の半径方向の膨張は制限される。

第２着火領域１２２において、第２高電圧パルスは、ステップ７０６において、ＴＡＰ放電１３０をさらに加熱および膨張させるように、カソード１１２および加速器電極１２４にわたって印加される。第２着火領域１２２内で、ＴＡＰ放電は、自己維持型となり、トロイド構造２００を採る。ステップ７０８において、自己含有型ＴＡＰ放電は、第２着火領域１２２から放電され、それは、衝撃波または別の伝搬波の効果を軽減するために使用されてもよい。

トロイダル空気プラズマを発生するための例示的な方法
あくまでも例示であって限定するものではないが、放電１３０といったＴＡＰ放電を発生させるための例示的な方法が提供される。空気プラズマ発生装置１００の１次高電圧回路１０４は、ＴＡＰ発生器１０２内の２つの４０ＡＷＧ銀めっき銅ワイヤストランド１０８を通じて、約２００μｓパルスの持続時間に４ｋＡパルスを送達するように、約３０ｋＶまでエネルギー供給される１１μＦコンデンサ・バンクを含んでいた。ワイヤ１０８に接続されるアノード１１０は、銅スクリーンであった一方、カソード１１２は、ステンレス鋼スクリーンであった。第１遮蔽材１１６は、約１０ｃｍの厚さを有するポリカーボネート材であり、細長空洞１１８は約１．２５ｃｍの直径を有していた。

２次回路１０６は、ＴＡＰ放電１３０を加熱するように２５０Ｖまで帯電される８．８ｍＦ電解コンデンサ・バンク１３２を使用した。第２遮蔽材１２６は、約７ｍｍ厚のプラスチックであり、約３ｃｍの直径を伴う別の細長空洞１２８を画定するものであった。２次回路１０６は、約４ｍｓにわたって、約４００ＡをＴＡＰ放電１３０に放電した。ＴＡＰ発生器１０２を出るＴＡＰ放電１３０は、２次加熱の間に放電を通過した測定された電流によって判定されるが、約１０^１６〜１０^１７／ｃｍ^３の電子密度を有する。

本発明のデバイスおよび方法は、様々な実施形態の形態に組み込むことが可能であり、それらの幾つかが、上記で例示および説明されているということが理解されよう。本発明は、その精神または本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態において具現化され得る。説明される実施形態は、全ての点において、例示としてのみ、かつ制限ではないとして考慮されるものとし、したがって、本発明の範囲は、上述の説明によってではなくむしろ、特許請求の範囲によって示される。請求項の同等物の意味および範囲内にある全ての変更は、特許請求の範囲に包含される。

Claims

大気圧で自己含有型トロイダル空気プラズマを発生させるための方法であって、
ワイヤを爆発させ、第１着火領域のアノードとカソードとの間にて前記空気プラズマを発生させるために、該ワイヤに第１高電圧パルスを印加すること、
前記空気プラズマが前記ワイヤの長手方向軸に対して平行となって第２着火領域の前記カソードと加速器電極との間まで移動するように、前記空気プラズマの半径方向の膨張を制限すること、
前記空気プラズマを加熱するために前記カソードおよび前記加速器電極に第２高電圧パルスを印加すること、および
大気圧で前記第２着火領域から前記自己含有型トロイダル空気プラズマを放電すること
を含んで成り、
前記第２高電圧パルスの前記印加では、前記加熱された空気プラズマが、膨張し、トロイダル構造を形成する、方法。
前記アノードと前記カソードとの間に剛性電気絶縁材を供することを更に含み、該剛性電気絶縁材は前記ワイヤの周囲にて細長空洞を画定し、該細長空洞が前記空気プラズマの前記半径方向の膨張を制限する、請求項１に記載の方法。
前記細長空洞が略円筒状構成を有する、請求項２に記載の方法。
前記細長空洞が略螺旋状構成を有する、請求項２に記載の方法。
前記カソードと前記加速器電極との間に第２剛性電気絶縁材を供することを更に含み、該第２剛性電気絶縁材は前記空気プラズマを受容するために第２細長空洞を画定する、請求項２に記載の方法。
前記第２細長空洞は、前記第１細長空洞よりも大きい直径を有する、請求項５に記載の方法。
前記第２細長空洞は、前記第１細長空洞よりも小さい直径を有する、請求項５に記載の方法。
前記第２細長空洞は略円筒状構成を有する、請求項５に記載の方法。
前記第２細長空洞は略螺旋状構成を有する、請求項５に記載の方法。
前記ワイヤは００ゲージ〜８０ゲージの範囲のゲージを有する、請求項１に記載の方法。
前記第１高電圧パルスは、１０ｋＶ〜５０ｋＶであって、１０μｓ〜２００ｍｓの持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
前記第２高電圧パルスは、１００Ｖ〜３００Ｖであって、１ｍｓ〜２００ｍｓの持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
前記自己含有型トロイダル空気プラズマが、少なくとも１０^１０／ｃｍ^３の電子密度を有する、請求項１に記載の方法。
大気圧で自己含有型空気プラズマを発生させるための装置であって、
アノードと半透過性カソードとの間に位置付けられる第１遮蔽材によって画定される第１着火領域、
少なくとも１つの電圧源および少なくとも１つのコンデンサを有する１次高電圧回路、
前記カソードと半透過性電極との間に位置付けられる第２遮蔽材によって画定される第２着火領域、ならびに
少なくとも１つの他のコンデンサを有し、前記電圧源と連通する２次高電圧回路
を有して成り、
前記第１遮蔽材は、前記アノードと前記カソードとの間に延在し、それらと連通する伝導性ワイヤを含有するために、第１長手方向空洞を有し、
前記１次高電圧回路は、前記ワイヤを爆発させ、空気プラズマを発生させるべく前記アノードおよびカソードに第１高電圧パルスを印加するために、前記アノードおよび前記カソードと連通しており、前記第１長手方向空洞は前記空気プラズマの半径方向の膨張を制限し、
前記第２遮蔽材は、前記カソードと前記電極との間に延在する第２長手方向空洞を有し、該第２長手方向空洞が、前記空気プラズマを受容するために、前記第１長手方向空洞と流体連通し、また
前記２次高電圧回路は、前記カソードと前記電極との間の前記間隙に第２高電圧パルスを印加するために、前記カソードおよび前記電極と更に連通し、大気圧で前記自己含有型空気プラズマを形成するために、前記空気プラズマが前記第２着火領域および前記電極を横断する際、該第２高電圧パルスは該空気プラズマを加熱し、加速させる、装置。
前記自己含有型空気プラズマが前記電極を横断する際にトロイダル構造を形成するように前記第２長手方向空洞が略円筒状となっており前記第１長手方向空洞よりも大きい直径を有する、請求項１４に記載の装置。
前記自己含有型空気プラズマは、少なくとも１０^１０／ｃｍ^３以上の電子密度を有する、請求項１４に記載の装置。