JP7122760B2 - プラズマ閉じ込めシステムおよび使用方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／４６２，７７９号の利益を主張するものであり、その内容全体を参照によって本願明細書に引用したものとする。
連邦支援の研究または開発に関する言明
本発明は、エネルギー省［ＤＯＥ］によって与えられた認可番号ＤＥ－ＡＲ００００５７１、ＤＥ－ＦＧ０２－０４ＥＲ５４７５６、およびＤＥ－ＮＡ０００１８６０の下で政府の支援サポートにより行われた。政府は本発明において一定の権利を有する。
本願明細書に示されない限り、このセクションに記載されている材料は、本願の請求項に対する従来技術でなくて、このセクションへの包含によって従来技術であると認められない。
核融合は、２つの核を結合するプロセスである。鉄のそれより小さい原子番号を有する元素の２つの核が融合するときに、エネルギーは放出される。エネルギーの放出は、反応物と核融合反応の生成物の間の質量のわずかな違いによるものであって、ΔＥ＝Δｍｃ２により決定される。エネルギーの放出は、反応核の間の反発静電力に打ち勝つ反応核の間の引力のある強い核力にも依存する。
最も低いプラズマ温度を必要とする核融合反応は、ジュウテリウム（１つの陽子と１つの中性子を有する水素核）とトリチウム（１つの陽子と２つの中性子を有する水素核）の間で発生する。この反応は、ヘリウム４核と中性子を生じる。
核融合を達成する１つの方法は、リアクタチャンバ内で融合反応物を含むガスにエネルギーを与えることである。エネルギーを与えられたガスは、イオン化を経てプラズマになる。融合のための充分な温度および密度を有する状態を達成するために、プラズマを閉じ込めることが必要である。
本開示の第１の態様は、内部電極、内部電極を実質的に囲む外部電極、ガスを内部電極内から内部電極と外部電極の間の加速領域に導くように構成される一つ以上の第１の弁、ガスを外部電極の外側から加速領域に導くように構成される二つ以上の第２の弁、および内部電極と外部電極の間に電圧を印加するように構成される電源を含むプラズマ閉じ込めシステムである。
本開示の第２の態様は、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法である。方法は、内部電極内から内部電極と内部電極を実質的に囲む外部電極の間の加速領域に、一つ以上の第１の弁を介して、ガスを導くステップと、外部電極の外側から加速領域に、二つ以上の第２の弁を介して、ガスを導くステップと、内部電極と外部電極の間に、電源によって、電圧を印加し、それによって導かれたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップと、を含み、プラズマは、加速領域の中を内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ軸方向に流れて、その後に、外部電極の第１の端部と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立する。
本開示の第３の態様は、内部電極、内部電極を実質的に囲む中間電極、中間電極を実質的に囲む外部電極、内部電極内から内部電極と中間電極の間の加速領域にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁、中間電極の外側から加速領域にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁、内部電極と中間電極の間に電圧を印加するように構成される第１の電源、および内部電極と外部電極の間に電圧を印加するように構成される第２の電源を含むプラズマ閉じ込めシステムである。
本開示の第４の態様は、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法である。方法は、内部電極内から、一つ以上の第１の弁を介して、内部電極と内部電極を実質的に囲む中間電極の間の加速領域にガスを導くステップと、中間電極の外側から、二つ以上の第２の弁を介して、加速領域にガスを導くステップと、第１の電源によって、内部電極と中間電極の間に電圧を印加し、それによって導かれたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップとを含み、プラズマは、加速領域の中を内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ軸方向に流れて、第２の電源によって、内部電極と外部電極の間に電圧を印加して、外部電極の第１の端部と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立する。
本開示の第５の態様は、内部電極、内部電極を実質的に囲む外部電極、内部電極に面する中間電極、内部電極内から内部電極と外部電極の間の加速領域にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁、外部電極の外側から加速領域にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁、内部電極と外部電極の間に電圧を印加するように構成される第１の電源、および内部電極と中間電極の間に電圧を印加するように構成される第２の電源を含むプラズマ閉じ込めシステムである。
本開示の第６の態様は、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法である。方法は、内部電極内から、一つ以上の第１の弁を介して、内部電極と内部電極を実質的に囲む外部電極の間の加速領域にガスを導くステップと、外部電極の外側から、二つ以上の第２の弁を介して、加速領域にガスを導くステップと、第１の電源によって、内部電極と外部電極の間に電圧を印加し、それによって導かれたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップとを含み、プラズマは、加速領域の中を内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ軸方向に流れて、第２の電源によって、内部電極と中間電極の間に電圧を印加して、中間電極と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立し、そこにおいて中間電極は外部電極の第１の端部に配置される。
用語「実質的に」または「だいたい」が本願明細書に使われるとき、詳述される特徴、パラメータ、または値が、厳密に達成される必要がないが、例えば、許容度、測定誤差、測定精度限界、および当業者に知られている他の要因を含む、偏差または変動が、特徴が提供することを目的とした効果を排除しない量で起こる場合があることを意味する。本願明細書に開示されるいくつかの実施例において、「実質的に」または「だいたい」は、詳述された値の＋／－５％内を意味する。
これらの態様、ならびに他の態様、利点、および変形例は、必要に応じて添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによって当業者にとって明らかになる。更に、本願明細書に提供されているこの概要および他の説明および図が、実施例だけで本発明を例示することを目的とすること、従って多数のバリエーションが可能であることを理解すべきである。
例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムの略断面図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムの略断面図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムの略断面図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法のブロック図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法に関連した電圧波形を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法に関連したガス圧力プロフィールを示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法のブロック図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操動する方法に関連した電圧波形を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操動する方法に関連したガス圧力プロフィールを示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操動する方法のブロック図である。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムおよび操作方法のいくつかの態様を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法に関連した電圧波形を示す。 例示の実施形態による、プラズマ閉じ込めシステムを操作する方法に関連したガス圧力プロフィールを示す。
プラズマ閉じ込めシステムおよびそれらの使用方法のさまざまな実施形態が、本願明細書に開示される。開示される実施形態は、既存のシステムおよび方法と比較するときに、向上したプラズマ安定性、より強いせん断されたプラズマ流、より小さいＺピンチプラズマ半径、より高い磁場、および／またはより高いプラズマ温度を容易にすることができる。開示される実施形態のいくつかは、プラズマ加速およびプラズマ圧縮の独立制御を同様に呈する。
図１は、プラズマ閉じ込めシステム１００の略断面図である。プラズマ閉じ込めシステム１００は、内部電極１０２および内部電極１０２を実質的に囲む外部電極１０４を含む。プラズマ閉じ込めシステム１００はまた、内部電極１０２内から内部電極１０２と外部電極１０４の間の加速領域１１０にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁１０６および外部電極１０４の外側から加速領域１１０にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁１１２を含む。プラズマ閉じ込めシステム１００はまた、内部電極１０２と外部電極１０４の間に電圧を印加するように構成される電源１１４を含む。
内部電極１０２は、実質的に円筒状の本体１１６を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。内部電極１０２は、第１の端部１１８（例えば、丸い端部）および対向する第２の端部１２０（例えば、実質的に円形の端部）を含む。より詳しくは、第１の端部１１８は、丸い先端を有する円錐形状を有することができる。内部電極１０２は、一つ以上の第１の弁１０６から加速領域１１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（図示せず）を含むことができる。
外部電極１０４はまた、実質的に円筒状の本体１２８を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。外部電極１０４は、第１の端部１２２（例えば、実質的にディスク形の端部）および対向する第２の端部１２４（例えば、実質的に円形の端部）を含む。図１に示すように、内部電極１０２の第１の端部１１８は、外部電極１０４の第１の端部１２２と外部電極１０４の第２の端部１２４の間にある。外部電極１０４は、内部電極１０２の大部分を囲む。内部電極１０２および外部電極１０４は、同心円であり、そして同じ軸に関して放射相称を有することができる。外部電極１０４は、二つ以上の第２の弁１１２から加速領域１１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（図示せず）を含むことができる。
一つ以上の第１の弁１０６は、「パフ弁」という形をとることができるが、内部電極１０２内から内部電極１０２と外部電極１０４の間の加速領域１１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図１に示すように、一つ以上の第１の弁１０６は、内部電極１０２の第１の端部１１８と内部電極１０２の第２の端部１２０の間に軸方向に配置される。あるいは、一つ以上の第１の弁は、内部電極１０２の第１の端部１１８または第２の端部１２０に配置されるかもしれない。図１において、一つ以上の第１の弁１０６は、内部電極１０２内に配置されるが、他の実施例も可能である。後述するように、一つ以上の第１の弁１０６は、一つ以上の第１の弁１０６に制御電圧を提供することによって操作できる。
加速領域１１０は、内部電極１０２と外部電極１０４の形状により画成される実質的に環状の断面を有する。
二つ以上の第２の弁１１２は、「パフ弁」という形をとることができるが、外部電極１０４の外側から加速領域１１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図１に示すように、二つ以上の第２の弁１１２は、外部電極１０４の第１の端部１２２と外部電極１０４の第２の端部１２４の間に軸方向に配置される。あるいは、二つ以上の第２の弁は、第２の端部１２４に、または第１の端部１２２に設置できる。二つ以上の第２の弁１１２は、通常、外部電極１０４のまわりに配置される。図１に示すように、一つ以上の第１の弁１０６は、二つ以上の第２の弁１１２に軸方向に合わせられるが、他の実施例も可能である。後述するように、二つ以上の第１の弁１１２は、二つ以上の第２の弁１１２に制御電圧を提供することによって作動できる。
電源１１４は、例えば、最高５００ｋＪまたは最高３～４ＭＪを格納できるコンデンサバンクという形を通常とる。電源１１４の陽極端子は、内部電極１０２に、あるいは外部電極１０４に連結できる。
プラズマ閉じ込めシステム１００は、内部電極１０２の第１の端部１１８と外部電極１０４の第１の端部１２２の間の外部電極１０４内に集合領域１２６を含む。プラズマ閉じ込めシステム１００は、後述するように、集合領域１２６内にＺピンチプラズマを維持するように構成される。
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プラズマ閉じ込めシステム１００はまた、ガス供給源１３０（例えば、加圧ガスタンク）およびガス供給源１３０からそれぞれの一つ以上の第１の弁１０６を通してのガス流を制御するように構成される一つ以上の第１の調整器１３２を含む。一つ以上の第１の調整器１３２と一つ以上の第１の弁１０６の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図１において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム１００はまた、ガス供給源１３０からそれぞれの２つ以上の第２の弁１１２を通してのガス流を制御するように構成される２つ以上の第２の調整器１３４を含む。一つ以上の第２の調整器１３４と二つ以上の第２の弁１１２の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図１において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム１００はまた、内部電極１０２と外部電極１０４の間に電気的絶縁を維持するために、外部電極１０４の第２の端部１２４と内部電極１０２の間に絶縁体１３６を含む。絶縁体１３６（例えば、セラミック材料）は、一般に環状断面を有する。
図１に示すように、プラズマ閉じ込めシステムはまた、内部電極１０２および外部電極１０４を少なくとも部分的に囲む真空チャンバ１３８（例えば、ステンレス鋼容器）を含む。
図２は、プラズマ閉じ込めシステム２００の略断面図である。プラズマ閉じ込めシステム２００は、内部電極２０２、内部電極２０２を実質的に囲む中間電極２０３、および中間電極２０３を実質的に囲む外部電極２０４を含む。プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、内部電極２０２内から内部電極２０２と中間電極２０３の間の加速領域２１０にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁２０６を含む。プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、中間電極２０３の外側から加速領域２１０にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁２１２を含む。プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、内部電極２０２と中間電極２０３の間に電圧を印加するように構成される第１の電源２１４および内部電極２０２と外部電極２０４の間に電圧を印加するように構成される第２の電源２１５を含む。
内部電極２０２は、実質的に円筒状の本体２１６を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。内部電極２０２は、第１の端部２１８（例えば、丸い端部）および対向する第２の端部２２０（例えば、実質的に円形の端部）を含む。より詳しくは、第１端部２１８は、丸い先端を有する円錐形状を有することができる。内部電極２０２は、通常、上記の内部電極１０２と類似している。内部電極２０２は、一つ以上の第１の弁２０６から加速領域２１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（図示せず）を含むことができる。
外部電極２０４はまた、実質的に円筒状の本体２２８を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。外部電極２０４の第１の端部２２２は、実質的にディスク形であり、そして外部電極の第２の端部２２４は、実質的に円形である。外部電極２０４は、内部電極２０２の大部分および中間電極２０３の大部分を囲む。内部電極２０２、中間電極２０３、および外部電極２０４は、同心であり、そして同じ軸に関して放射相称を有することができる。
中間電極２０３は、実質的に円筒状の本体２２９を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）という形を一般にとる。中間電極２０３は、実質的に円形である第１の端部２１９および実質的に円形である第２の対向端部２２１を含む。中間電極２０３は、二つ以上の第２の弁２１２から加速領域２１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（図示せず）を含むことができる。
内部電極２０２の第１の端部２１８は、外部電極２０４の第１の端部２２２と外部電極２０４の第２の端部２２４の間にある。中間電極２０３の第１の端部２１９は、外部電極２０４の第１の端部２２２と外部電極２０４の第２の端部２２４の間にある。
一つ以上の第１の弁２０６は、「パフ弁」という形をとることができるが、内部電極２０２内から内部電極２０２と中間電極２０３の間の加速領域２１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図２に示すように、一つ以上の第１の弁２０６は、内部電極２０２の第１の端部２１８と内部電極２０２の第２の端部２２０の間に軸方向に配置される。あるいは、一つ以上の第１の弁は、内部電極２０２の第１の端部２１８または第２の端部２２０に設置してもよい。図２において、一つ以上の第１の弁２０６は、内部電極２０２内に配置されるが、他の実施例も可能である。後述するように、一つ以上の第１の弁２０６は、一つ以上の第１の弁２０６に制御電圧を提供することによって操作できる。
加速領域２１０は、内部電極２０２と中間電極２０３の形状により画成される実質的に環状の断面を有する。
二つ以上の第２の弁２１２は、「パフ弁」という形をとることができるが、中間電極２０３の外側から加速領域２１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図２に示すように、二つ以上の第２の弁２１２は、中間電極２０３の第２の端部２２１に配置されるが、他の実施例も可能である。二つ以上の第２の弁２１２は、例えば、外部電極２０４外に、且つ中間電極２０３外に配置される。他の実施例において、二つ以上の第２の弁は、外部電極内部に、且つ中間電極の外側に設置できる。二つ以上の第２の弁２１２は、第１の絶縁体２３６と第２の絶縁体２３７の間にガスを導くように構成される。後述するように、二つ以上の第１の弁２１２は、二つ以上の第２の弁２１２に制御電圧を提供することによって作動できる。
第１の電源２１４および第２の電源２１５は、例えば、最高１００～２００ｋＪまたは３～４ＭＪを格納できるそれぞれのコンデンサバンクという形を通常とる。
プラズマ閉じ込めシステム２００は、内部電極２０２の第１の端部２１８と外部電極２０４の第１の端部２２２の間の外部電極２０４内に集合領域２２６を含む。プラズマ閉じ込めシステム２００は、後述するように、集合領域２２６の中にＺピンチプラズマを維持するように構成される。
プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、ガス供給源２３０（例えば、加圧ガスタンク）およびガス供給源２３０からそれぞれの一つ以上の第１の弁２０６を通してのガス流を制御するように構成される一つ以上の第１の調整器２３２を含む。一つ以上の第１の調整器２３２と一つ以上の第１の弁２０６の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図２において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、ガス供給源２３０からそれぞれの二つ以上の第２の弁２１２を通してのガス流を制御するように構成される二つ以上の第２の調整器２３４を含む。二つ以上の第２の調整器２３４と二つ以上の第２の弁２１２の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図２において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、外部電極２０４の第２の端部２２４と中間電極２０３の間に第１の絶縁体２３６を含む。第１の絶縁体２３６は、一般に環状断面を有する。
プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、中間電極２０３の第２の端部２２１と内部電極２０２の間に第２の絶縁体２３７を含む。第２の絶縁体２３７は、一般に環状断面を有する。
図２に示すように、プラズマ閉じ込めシステム２００はまた、内部電極２０２、中間電極２０３、および外部電極２０４を少なくとも部分的に囲む真空チャンバ２３８（例えば、鋼鉄容器）を含む。
図３は、プラズマ閉じ込めシステム３００の略断面図である。プラズマ閉じ込めシステム３００は、内部電極３０２、内部電極３０２を実質的に囲む外部電極３０４、および内部電極３０２に面する中間電極３０３を含む。プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、内部電極３０２内から内部電極３０２と外部電極３０４の間の加速領域３１０にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁３０６および外部電極３０４の外側から加速領域３１０にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁３１２を含む。プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、内部電極３０２と外部電極３０４の間に電圧を印加するように構成される第１の電源３１４および内部電極３０２と中間電極３０３の間に電圧を印加するように構成される第２の電源３１５を含む。
内部電極３０２は、実質的に円筒状の本体３１６を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。内部電極３０２は、第１の端部３１８（例えば、丸い端部）および対向する第２の端部３２０（例えば、実質的に円形の端部）を含む。より詳しくは、第１の端部３１８は、丸い先端を有する円錐形状を有することができる。内部電極３０２は、上記の内部電極１０２および内部電極２０２と大体類似している。内部電極３０２は、一つ以上の第１の弁３０６から加速領域３１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（ラベルをつけず）を含むことができる。
外部電極３０４はまた、実質的に円筒状の本体３２８を有する導電性（例えば、ステンレス鋼）シェルという形を一般にとる。外部電極３０４の第１の端部３２２は、実質的に円形であり、そして外部電極の第２の端部３２４は、実質的に円形である。外部電極３０４は、内部電極３０２の大部分を囲む。内部電極３０２および外部電極３０４は、同心であり、そして同じ軸に関して放射相称を有することができる。内部電極３０２の第１の端部３１８は、外部電極３０４の第１の端部３２２と外部電極３０４の第２の端部３２４の間にある。外部電極３０４は、二つ以上の第２の弁３１２から加速領域３１０にガスを送るための一つ以上の導管またはチャネル（図示せず）を含むことができる。
中間電極３０３はまた、通常、導電性材料（例えば、ステンレス鋼）という形をとって、実質的にディスク形である。
一つ以上の第１の弁３０６は、「パフ弁」という形をとることができるが、内部電極３０２内から内部電極３０２と外部電極３０４の間の加速領域３１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図３に示すように、一つ以上の第１の弁３０６は、内部電極３０２の第１の端部３１８と内部電極３０２の第２の端部３２０の軸方向中間に配置される。あるいは、一つ以上の第１の弁は、内部電極３０２の第１の端部３１８または第２の端部３２０に設置してもよい。図３において、一つ以上の第１の弁３０６は、内部電極３０２内に配置されるが、他の実施例も可能である。後述するように、一つ以上の第１の弁３０６は、一つ以上の第１の弁３０６に制御電圧を提供することによって操作できる。
加速領域３１０は、内部電極３０２と外部電極３０４の形状により画成される実質的に環状の断面を有する。
二つ以上の第２の弁３１２は、「パフ弁」という形をとることができるが、外部電極３０４の外側から加速領域３１０にガス（例えば、水素またはジュウテリウム）を導くように構成されるいかなるタイプの弁も含むことができる。図３に示すように、二つ以上の第２の弁３１２は、外部電極３０４の第１の端部３２２と外部電極３０４の第２の端部３２４の間に軸方向に配置される。あるいは、二つ以上の第２の弁は、第２の端部３２４に、または第１の端部３２２に設置できる。二つ以上の第２の弁３１２は、通常、外部電極３０４のまわりに（例えば、外側に）配置される。図３に示すように、一つ以上の第１の弁３０６は、二つ以上の第２の弁３１２に軸方向に合わせられるが、他の実施例も可能である。後述するように、二つ以上の第１の弁３１２は、二つ以上の第２の弁３１２に制御電圧を提供することによって操作できる。
第１の電源３１４および第２の電源３１５は、例えば、最高１００～２００ｋＪまたは３～４ＭＪを格納できるそれぞれのコンデンサバンクという形を通常とる。
プラズマ閉じ込めシステム３００は、内部電極３０２の第１の端部３１８と中間電極３０３の間の外部電極３０４内に集合領域３２６を含む。プラズマ閉じ込めシステム３００は、後述するように、集合領域３２６の中にＺピンチプラズマを維持するように構成される。
プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、ガス供給源３３０（例えば、加圧ガスタンク）およびガス供給源３３０からそれぞれの一つ以上の第１の弁３０６を通してガス流を制御するように構成される一つ以上の第１の調整器３３２を含む。一つ以上の第１の調整器３３２と一つ以上の第１の弁３０６の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図３において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、ガス供給源３３０からそれぞれの二つ以上の第２の弁３１２を通してガス流を制御するように構成される二つ以上の第２の調整器３３４を含む。一つ以上の第２の調整器３３４と二つ以上の第２の弁３１２の間の連結部（例えば、パイピング）は、明確にするため図３において省略される。
プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、内部電極３０２と外部電極３０４の間に電気的絶縁を維持するために、外部電極３０４と内部電極３０２の間に（例えば、環状断面を有する）第１の絶縁体３３６を含む。
プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、内部電極３０３と外部電極３０４の間に電気的絶縁を維持するために、外部電極３０４の第２の端部３２２と内部電極３０３の間に（例えば、環状断面を有する）第２の絶縁体３３７を含む。
プラズマ閉じ込めシステム３００はまた、内部電極３０２、中間電極３０３、および／または外部電極３０４を少なくとも部分的に囲む真空チャンバ３３８を含む。
図４は、プラズマ閉じ込めシステム（例えば、プラズマ閉じ込めシステム１００）を作動する方法４００のブロック図である。一緒に見られる図１、５Ａ～Ｆ、６、および７は、後述するように方法４００の態様のいくつかを例示する。図５Ａ～Ｆは、プラズマ閉じ込めシステム１００の機能を表すだけでなく、プラズマ閉じ込めシステム１００の部分の簡略図を含む。
ブロック４０２で、方法４００は、内部電極内から内部電極と内部電極を実質的に囲む外部電極の間の加速領域に、一つ以上の第１の弁を介して、ガスを導くステップを含む。
例えば、一つ以上の第１の弁１０６は、内部電極１０２内から内部電極１０２と内部電極１０２を実質的に囲む外部電極１０４の間の加速領域１１０にガス４１２（図５Ａ～Ｂ参照）を導くことができる。図５Ａは、加速領域１１０に入るガス４１２の初期量を示し、そして図５Ｂは、加速領域１１０に入るガス４１２の追加量を示す。
図６は、方法４００のいくつかの他の可能性がある特徴を表す。図６に表される電圧、波形、および時間は、必ずしも一定の比率で示されるというわけではない。いくつかの実施形態では、一つ以上の第１の弁１０６を介してガス４１２を導くことは、第２の弁電圧４２２を（例えば、直流電源によって）一つ以上の第１の弁１０６に供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第１の弁電圧４２０を一つ以上の第１の弁１０６に（例えば、一つ以上の第１の弁１０６の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第１の弁電圧４２０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。本願明細書に詳述される電圧は、通常、特に明記しない限り直流電圧である。第１の弁電圧４２０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間４２４の間に提供されることができる。第１の弁電圧４２０および第２の弁電圧４２２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第１の弁電圧４２０と第２の弁電圧４２２の間で推移する点に留意する必要がある。
第２の弁電圧４２２は、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトであるかもしれない。例えば、第２の弁電圧４２２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間４２６の間に提供されるかもしれない。通常は、第１の弁電圧４２０は、第２の弁電圧４２２より大きく、そして第２の弁電圧４２２は、第１の弁電圧４２０を供給すると直ちに供給される。
一つ以上の第１の弁１０６の動作の後に、一つ以上の第１の弁１０６に隣接したガス圧力４２８（図７参照）は、内部電極１０２と外部電極１０４の間の電圧４１４（図６参照）が電源１１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
一つ以上の第１の弁１０６を介してガス４１２を導くことは、１．１～２ミリ秒（ｍｓ）または１．３～１．５ｍｓの期間の間に一つ以上の第１の弁１０６を開くことを含むかもしれない。加えて、一つ以上の第１の弁１０６を介してガス４１２を導くことは、電源１１４によって内部電極１０２と外部電極１０４の間に電圧４１４を印加する前に、一つ以上の第１の弁１０６を１．０～１．６ｍｓまたは１．３～１．５ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
ブロック４０４で、方法４００は、二つ以上の第２の弁を介して、外部電極の外側から加速領域にガスを導くステップを含む。例えば、二つ以上の第２の弁１１２は、図５Ａ～Ｂに示すように、ガス４１２の一部を加速領域１１０に導くことができる。
いくつかの実施形態では、二つ以上の第２の弁１１２を介してガス４１２を導くことは、第４の弁電圧４３２を（例えば、直流電源によって）二つ以上の第２の弁１１２へ供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第３の弁電圧４３０（図６参照）を二つ以上の第２の弁１１２に（例えば、二つ以上の第２の弁１１２の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第３の弁電圧４３０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。第３の弁電圧４３０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間４３４の間に提供されるかもしれない。第３の弁電圧４３０および第４の弁電圧４３２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第３の弁電圧４３０と第４の弁電圧４３２の間で推移する点に留意する必要がある。
第４の弁電圧４３２は、通常、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトである。第４の弁電圧４３２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間４３６の間に提供されるかもしれない。第３の弁電圧４３０は、通常は、第４の弁電圧４３２より大きい。第４の弁電圧４３２は、通常は、第３の弁電圧４３０を提供すると直ちに供給される。
二つ以上の第２の弁１１２の動作の後に、二つ以上の第２の弁１１２に隣接したガス圧力４３８（図７参照）は、内部電極１０２と外部電極１０４の間の電圧４１４が電源１１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
二つ以上の第２の弁１１２を介してガス４１２を導くことは、０．７５～１ミリ秒（ｍｓ）または０．８～０．９５ｍｓの期間の間に二つ以上の第２の弁１１２を開くことを含むかもしれない。
加えて、二つ以上の第２の弁１１２を介してガス４１２を導くことは、電源１１４によって内部電極１０２と外部電極１０４の間に電圧４１４を印加する前に、二つ以上の第２の弁１１２を０．６～１．２ｍｓまたは０．７～０．９ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
一つ以上の第１の弁１０６および二つ以上の第２の弁１１２の動作の後に、加速領域１１０内のガス圧力４４０（図７参照）は、内部電極１０２と外部電極１０４の間の電圧４１４が電源１１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。加速領域内のガス圧力は、通常、ガスが加速領域にもはや導入されなくなると、ガス挿入の位置からの距離が増加するとともに、且つ時間がたつとともに減少する。
ブロック４０６で、方法４００は、電源によって、内部電極と外部電極の間に電圧を印加し、それにより誘導されたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップであって、プラズマは、内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ加速領域内を軸方向に流れるステップと、その後で、外部電極の第１の端部と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立するステップとを含む。
例えば、電源１１４は、内部電極１０２と外部電極１０４の間に電圧４１４を印加し、それにより誘導されたガス４１２の少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマ４１６（図５Ｃ～Ｄ参照）に変換するかもしれない。それ自体の電流によって発生する磁場のため、プラズマ４１６は、図５Ｃ～Ｄに示すように、内部電極１０２の第１の端部１１８および外部電極１０４の第１の端部１２２の方へ加速領域１１０内を軸方向に流れることができる。プラズマ４１６が、加速領域１１０を越えて移動するとき、Ｚピンチプラズマ４１８（図５Ｅ～Ｆ参照）が確立されて、外部電極１０４の第１の端部１２２と内部電極１０２の第１の端部１１８の間に流れる。
Ｚピンチプラズマ４１８は、通常、内部電極１０２の第１の端部１１８と外部電極１０４の第１の端部１２２の間の外部電極１０４内で集合領域１２６に流れる。
内部電極１０２と外部電極１０４の間に電源１１４により印加される電圧４１４は、２ｋＶ～３０ｋＶであるかもしれない。電圧４１４は、５０～４００μｓの期間４４２（図６参照）の間に印加されるかもしれない。
内部電極１０２と外部電極１０４の間に印加される電圧４１４は、３０ｋＶ／ｍ～５００ｋＶ／ｍの範囲で加速領域１１０内に放射電界を生じるかもしれない。
Ｚピンチプラズマ４１８は、せん断された軸流を呈して、０．１ｍｍ～５ｍｍの半径、９００～２０００ｅＶのイオン温度、５００ｅＶより大きい電子温度、１×１０２３イオン／ｍ３より大きいイオン数密度または１×１０２３電子／ｍ３を超える電子数密度、８Ｔ以上の磁場を有することができて、そして／または少なくとも１０μｓの間は安定でありえる。
図８は、プラズマ閉じ込めシステム（例えば、プラズマ閉じ込めシステム２００）を操作する方法８００のブロック図である。一緒に見られる図２、９Ａ～Ｆ、１０、および１１は、後述するように方法８００の態様のいくつかを例示する。図９Ａ～Ｆは、プラズマ閉じ込めシステム２００の機能を表すだけでなく、プラズマ閉じ込めシステム２００の部分の簡略図を含む。
ブロック８０２で、方法８００は、内部電極内から内部電極と内部電極を実質的に囲む中間電極の間の加速領域に、一つ以上の第１の弁を介して、ガスを導くステップを含む。
例えば、一つ以上の第１の弁２０６は、内部電極２０２内から内部電極２０２と内部電極２０２を実質的に囲む中間電極２０３の間の加速領域２１０にガス８１２を導くことができる。図９Ａは、加速領域２１０に入るガス８１２の最初の量を示し、そして図９Ｂは、加速領域２１０に入るガス８１２の追加量を示す。
図１０は、方法８００のいくつかの他の可能性がある特徴を表す。図１０に表される電圧、波形、および時間は、必ずしも一定の比率で示されるというわけではない。いくつかの実施形態では、一つ以上の第１の弁２０６を介してガス８１２を導くことは、第２の弁電圧８２２を（例えば、直流電源によって）一つ以上の第１の弁２０６に供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第１の弁電圧８２０を一つ以上の第１の弁２０６に（例えば、一つ以上の第１の弁２０６の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第１の弁電圧８２０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。本願明細書に詳述される電圧は、特に明記しない限り直流電圧である。第１の弁電圧８２０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間４２４の間に提供されることができる。第１の弁電圧８２０および第２の弁電圧８２２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第１の弁電圧８２０と第２の弁電圧８２２の間で推移する点に留意する必要がある。
第２の弁電圧８２２は、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトであるかもしれない。例えば、第２の弁電圧８２２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間８２６の間に提供されるかもしれない。通常は、第１の弁電圧８２０は、第２の弁電圧８２２より大きく、そして第２の弁電圧８２２は、第１の弁電圧８２０を供給すると直ちに供給される。
一つ以上の第１の弁２０６の動作の後に、一つ以上の第１の弁２０６に隣接したガス圧力８２８（図１１参照）は、内部電極２０２と中間電極２０３の間の電圧８１４（図１０参照）が電源２１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
一つ以上の第１の弁２０６を介してガス８１２を導くことは、１．１～２ミリ秒（ｍｓ）または１．３～１．５ｍｓの期間の間に一つ以上の第１の弁２０６を開くことを含むかもしれない。加えて、一つ以上の第１の弁２０６を介してガス８１２を導くことは、電源２１４によって内部電極２０２と中間電極２０３の間に電圧８１４を印加する前に、一つ以上の第１の弁２０６を１．０～１．６ｍｓまたは１．３～１．５ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
ブロック８０４で、方法８００は、二つ以上の第２の弁を介して、中間電極の外側から加速領域にガスを導くステップを含む。例えば、二つ以上の第２の弁２１２は、図９Ａ～Ｂに示すように、ガス８１２の一部を加速領域２１０に導くことができる。
いくつかの実施形態では、二つ以上の第２の弁２１２を介してガス８１２を導くことは、第４の弁電圧８３２を（例えば、直流電源によって）二つ以上の第２の弁２１２へ供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第３の弁電圧８３０を二つ以上の第２の弁２１２に（例えば、二つ以上の第２の弁２１２の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第３の弁電圧８３０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。第３の弁電圧８３０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間４３４の間に提供されるかもしれない。第３の弁電圧８３０および第４の弁電圧８３２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第３の弁電圧８３０と第４の弁電圧８３２の間で推移する点に留意する必要がある。
第４の弁電圧８３２は、通常、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトである。第４の弁電圧８３２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間８３６の間に提供されるかもしれない。第３の弁電圧８３０は、通常は、第４の弁電圧８３２より大きい。第４の弁電圧８３２は、通常は、第３の弁電圧８３０を提供すると直ちに供給される。
二つ以上の第２の弁２１２の動作の後に、二つ以上の第２の弁２１２に隣接したガス圧力８３８（図１１参照）は、内部電極２０２と中間電極２０３の間の電圧８１４が電源２１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
二つ以上の第２の弁２１２を介してガス８１２を導くことは、０．７５～１ミリ秒（ｍｓ）または０．８～０．９５ｍｓの期間の間に二つ以上の第２の弁２１２を開くことを含むかもしれない。
加えて、二つ以上の第２の弁２１２を介してガス８１２を導くことは、電源２１４によって内部電極２０２と中間電極２０３の間に電圧８１４を印加する前に、二つ以上の第２の弁２１２を０．６～１．２ｍｓまたは０．７～０．９ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
一つ以上の第１の弁２０６および二つ以上の第２の弁２１２の動作の後に、加速領域２１０内のガス圧力８４０（図１１参照）は、内部電極１０２と中間電極２０３の間の電圧８１４が電源２１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。加速領域内のガス圧力は、通常、ガスが加速領域にもはや導入されなくなると、ガス挿入の位置からの距離が増加するとともに、且つ時間がたつとともに減少する。
ブロック８０６で、方法８００は、第１の電源によって、内部電極と中間電極の間に電圧を印加し、それにより誘導されたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップであって、プラズマは、内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ加速領域内を軸方向に流れるステップを含む。
例えば、第１の電源２１４は、内部電極２０２と中間電極２０３の間に電圧８１４（図１０参照）を印加し、それにより誘導されたガス８１２の少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマ８１６（図９Ｃ～Ｄ参照）に変換できる。それ自体の電流によって発生する磁場のため、プラズマ８１６は、図９Ｃ～Ｄに示すように、内部電極２０２の第１の端部２１８および外部電極２０４の第１の端部２２２の方へ加速領域２１０内を軸方向に流れることができる。
内部電極２０２と中間電極２０３の間に電源２１４により印加される電圧８１４は、２ｋＶ～３０ｋＶであるかもしれない。電圧８１４は、５０～４００μｓの期間８４２（図１０参照）の間に印加されるかもしれない。
内部電極２０２と中間電極２０３の間に印加される電圧８１４は、３０ｋＶ／ｍ～５００ｋＶ／ｍの加速領域２１０内の放射電界を生じるかもしれない。
ブロック８０８で、方法８００は、外部電極の第１の端部と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立するために、内部電極と外部電極の間に電圧を、第２の電源によって、印加するステップを含む。
例えば、第２の電源２１５は、外部電極２０４の第１の端部２２２と内部電極２０２の第１の端部２１８の間に流れるＺピンチプラズマ８１８（図９Ｅ～Ｆ参照）を確立するために、内部電極２０２と外部電極２０４の間に電圧８１５（図１０参照）を印加するかもしれない。プラズマ８１６が、加速領域２１０を越えて移動するときに、Ｚピンチプラズマ８１８は、内部電極２０２の第１の端部２１８と外部電極２０４の第１の端部２２２の間の外部電極２０４内の集合領域２２６に確立される。
ブロック８０６および８０８がまた、当業者が認めるように、（ａ）内部電極２０２と中間電極２０３の間の電圧および（ｂ）中間電極２０３と外部電極２０４の間の電圧を制御する他の手段により実施されるかもしれない点に留意する必要がある。例えば、電源は、内部電極と外部電極の間の代わりに、中間電極２０３と外部電極２０４の間に電圧を供給するかもしれない。
内部電極２０２と外部電極２０４の間に電圧を印加することは、内部電極２０２と中間電極２０３の間に電圧を印加するのを開始した後に１７～２７μｓまたは１９～２２μｓの間に内部電極２０２と外部電極２０４の間に電圧を印加するのを開始することを含むかもしれない。
内部電極２０２と外部電極２０４の間に電源２１５により印加される電圧８１５は、通常、２ｋＶ～３０ｋＶである。電圧８１５は、５０～４００μｓの期間８４４の間に印加されるかもしれない。
Ｚピンチプラズマ８１８は、せん断された軸流を呈して、０．１ｍｍ～５ｍｍの半径、９００～２０００ｅＶのイオン温度、５００ｅＶより大きい電子温度、１×１０２３イオン／ｍ３より大きいイオン数密度または１×１０２３電子／ｍ３を超える電子数密度、８Ｔ以上の磁場を有することができて、そして／または少なくとも１０μｓの間は安定でありえる。
図１２は、プラズマ閉じ込めシステム（例えば、プラズマ閉じ込めシステム３００）を作動する方法９００のブロック図である。一緒に見られる図３、１３Ａ～Ｆ、１４、および１５は、後述するように、方法９００の態様のいくつかを例示する。図１３Ａ～Ｆは、プラズマ閉じ込めシステム３００の機能を表すだけでなく、プラズマ閉じ込めシステム３００の部分の簡略図を含む。
ブロック９０２で、方法９００は、一つ以上の第１の弁を介して、内部電極内から内部電極と内部電極を実質的に囲む外部電極の間の加速領域にガスを導くステップを含む。
例えば、一つ以上の第１の弁３０６は、内部電極３０２内から内部電極３０２と内部電極３０２を実質的に囲む外部電極３０４の間の加速領域３１０にガス９１２（図１３Ａ～Ｂ参照）を導くことができる。図１３Ａは、加速領域３１０に入るガス９１２の最初の量を示し、そして図１３Ｂは、加速領域３１０に入るガス９１２の追加量を示す。
図１４は、方法９００のいくつかの他の可能性がある特徴を表す。図１４に表される電圧、波形、および時間は、必ずしも一定の比率で示されるというわけではない。いくつかの実施形態では、一つ以上の第１の弁３０６を介してガス９１２を導くことは、第２の弁電圧９２２を（例えば、直流電源によって）一つ以上の第１の弁３０６に供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第１の弁電圧９２０を一つ以上の第１の弁３０６に（例えば、一つ以上の第１の弁３０６の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第１の弁電圧９２０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。本願明細書に詳述される電圧は、通常、特に明記しない限り直流電圧である。第１の弁電圧９２０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間９２４の間に提供されることができる。第１の弁電圧９２０および第２の弁電圧９２２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第１の弁電圧９２０と第２の弁電圧９２２の間で推移する点に留意する必要がある。
第２の弁電圧９２２は、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトであるかもしれない。例えば、第２の弁電圧９２２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間９２６の間に提供されるかもしれない。通常は、第１の弁電圧９２０は、第２の弁電圧９２２より大きく、そして第２の弁電圧９２２は、第１の弁電圧９２０を提供すると直ちに供給される。
一つ以上の第１の弁３０６の動作の後に、一つ以上の第１の弁３０６に隣接したガス圧力９２８（図１５参照）は、内部電極３０２と外部電極３０４の間の電圧９１４（図１４参照）が電源３１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
一つ以上の第１の弁３０６を介してガス９１２を導くことは、１．１～２ミリ秒（ｍｓ）または１．３～１．５ｍｓの期間の間に一つ以上の第１の弁３０６を開くことを含むかもしれない。加えて、一つ以上の第１の弁３０６を介してガス９１２を導くことは、電源３１４によって、内部電極３０２と外部電極３０４の間に電圧９１４を印加する前に、一つ以上の第１の弁３０６を１．０～１．６ｍｓまたは１．３～１．５ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
ブロック９０４で、方法９００は、二つ以上の第２の弁を介して、外部電極の外側から加速領域にガスを導くステップを含む。例えば、二つ以上の第２の弁３１２は、図１３Ａ～Ｂに示すように、ガス９１２の一部を加速領域３１０に導くことができる。
いくつかの実施形態では、二つ以上の第２の弁３１２を介してガス９１２を導くことは、第４の弁電圧９３２を（例えば、直流電源によって）二つ以上の第２の弁３１２へ供給することが続く、（示されないコンデンサバンクのような電源によって）第３の弁電圧９３０を二つ以上の第２の弁３１２に（例えば、二つ以上の第２の弁３１２の制御端子に）供給することを含む。
この文脈において、第３の弁電圧９３０は、通常、２７０～３３０ボルト、２９０～３１０ボルト、または２９５～３０５ボルトである。第３の弁電圧９３０は、９０～１１０μｓ、９５～１０５μｓ、または９８～１０２μｓの期間９３４の間に提供されることができる。第３の弁電圧９３０および第４の弁電圧９３２のそれぞれの波形が、実際には矩形波という形をとらなくて、通常、より滑らかな波形を有して、ＲＬＣ回路に特有の第３の弁電圧９３０と第４の弁電圧９３２の間で推移する点に留意する必要がある。
第４の弁電圧９３２は、通常、１３．５～１６．５ボルト、１４～１６ボルト、または１４．５～１５．５ボルトである。第４の弁電圧９３２は、０．５～５ｍｓ、０．６５～３．５ｍｓ、または０．７５～２ｍｓの期間９３６の間に提供されるかもしれない。第３の弁電圧９３０は、通常、第４の弁電圧９３２より大きい。第４の弁電圧９３２は、通常、第３の弁電圧９３０を提供すると直ちに提供される。
二つ以上の第２の弁３１２の動作の後に、二つ以上の第２の弁３１２に隣接したガス圧力９３８（図１５参照）は、内部電極３０２と外部電極３０４の間の電圧９１４が電源３１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。
二つ以上の第２の弁３１２を介してガス９１２を導くことは、０．７５～１ミリ秒（ｍｓ）または０．８～０．９５ｍｓの期間の間に二つ以上の第２の弁３１２を開くことを含むかもしれない。
加えて、二つ以上の第２の弁３１２を介してガス９１２を導くことは、電源３１４によって内部電極３０２と外部電極３０４の間に電圧９１４を印加する前に、二つ以上の第２の弁３１２を０．６～１．２ｍｓまたは０．７～０．９ｍｓの間に開けることを含むかもしれない。
一つ以上の第１の弁３０６および二つ以上の第２の弁３１２の動作の後に、加速領域３１０内のガス圧力９４０（図１５参照）は、内部電極３０２と外部電極３０４の間の電圧９１４が電源３１４により印加される前に、１０００～５８００トル（例えば、５４５０～５５５０トル）であるかもしれない。加速領域内のガス圧力は、通常、ガスが加速領域にもはや導入されなくなると、ガス挿入の位置からの距離が増加するとともに、且つ時間がたつとともに減少する。
ブロック９０６で、方法９００は、第１の電源によって、内部電極と外部電極の間に電圧を印加し、それにより誘導されたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換するステップであって、プラズマは、内部電極の第１の端部および外部電極の第１の端部の方へ加速領域内を軸方向に流れるステップを含む。
例えば、電源３１４は、内部電極３０２と外部電極３０４の間に電圧９１４を印加し、それにより誘導されたガス９１２の少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマ９１６（図１３Ｃ～Ｄ参照）に変換するかもしれない。それ自体の電流によって発生する磁場のため、プラズマ９１６は、図１３Ｃ～Ｄで示すように、内部電極１０２の第１の端部３１８および外部電極３０４の第１の端部３２２の方へ加速領域３１０内を軸方向に流れることができる。
内部電極３０２と外部電極３０４の間に電源３１４により印加される電圧９１４は、２ｋＶ～３０ｋＶであるかもしれない。電圧９１４は、５０～４００μｓの期間９４２（図１４参照）の間に印加されるかもしれない。
内部電極３０２と外部電極３０４の間に印加される電圧９１４は、３０ｋＶ／ｍ～５００ｋＶ／ｍの加速領域３１０内の放射電界を生じるかもしれない。
１５５
ブロック９０８で、方法９００は、第２の電源によって、中間電極と内部電極の第１の端部の間に流れるＺピンチプラズマを確立するために、内部電極と中間電極の間に電圧を印加するステップを含む。この文脈において、中間電極は、外部電極の第１の端部に配置される。
例えば、電源３１５は、中間電極３０３と内部電極３０２の第１の端部３１８の間に流れるＺピンチプラズマ９１８を確立するために、内部電極３０２と中間電極３０３の間に電圧９１５を印加するかもしれない。Ｚピンチプラズマ９１８は、プラズマ９１６が加速領域３１０を越えて移動するときに確立される。Ｚピンチプラズマ９１８は、内部電極３０２の第１の端部３１８と中間電極３０３の間で外部電極３０４内の集合領域３２６に流れる。
内部電極３０２と中間の電極３０３の間に電圧を印加することは、内部電極３０２と外部電極３０４の間に電圧を印加するのを開始した後に、内部電極３０２と中間電極３０３の間に１７～２７μｓまたは１９～２２μｓの間に電圧を印加するのを開始することを含むかもしれない。
ブロック９０６および９０８がまた、当業者が認めるように、（ａ）内部電極３０２と外部電極３０４の間の電圧および（ｂ）内部電極３０２と中間電極３０３の間の電圧を制御する他の手段により実施されるかもしれない点に留意する必要がある。例えば、電源は、内部電極と中間電極の間の代わりに、中間電極３０３と外部電極３０４の間に電圧を供給するかもしれない。内部電極１０２と中間電極３０３の間に電源３１５により印加される電圧９１５は、２ｋＶ～３０ｋＶであるかもしれない。電圧９１５は、５０～４００μｓの期間９４２（図１４参照）の間に印加されるかもしれない。
Ｚピンチプラズマ９１８は、せん断された軸流を呈して、０．１ｍｍ～５ｍｍの半径、９００～２０００ｅＶのイオン温度、５００ｅＶより大きい電子温度、１×１０２３イオン／ｍ３より大きいイオン数密度または１×１０２３電子／ｍ３を超える電子数密度、８Ｔ以上の磁場を有することができて、そして／または少なくとも１０μｓの間は安定でありえる。
さまざまな例示態様および例示実施形態が、本願明細書に開示されたが、他の態様および実施形態も当業者にとって明らかである。本願明細書に開示されたさまざまな例示態様および例示実施形態は、説明のためであって、制限することを目的としない。本当の範囲および精神は、以下の請求項により示される。

Claims (18)

  1. プラズマ閉じ込めシステムであって、
    内部電極と、
    前記内部電極を実質的に囲む外部電極と、
    前記内部電極に面する中間電極と、
    前記内部電極内から前記内部電極と前記外部電極との間の加速領域にガスを導くように構成される一つ以上の第１の弁と、
    前記外部電極の外側から前記加速領域にガスを導くように構成される二つ以上の第２の弁と、
    前記内部電極と前記外部電極との間に電圧を印加するように構成される第１の電源と、
    前記内部電極と前記中間電極との間に電圧を印加するように構成される第２の電源と、
    前記内部電極の第１の端部と前記中間電極との間にある前記外部電極内の集合領域と、
    を備える、プラズマ閉じ込めシステム。
  2. 前記中間電極は、実質的にディスク形である、請求項１に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  3. 前記一つ以上の第１の弁は、前記内部電極の第１の端部と前記内部電極の第２の端部との間に軸方向に配置される、請求項１または２に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  4. 前記一つ以上の第１の弁は、前記内部電極内に配置される、請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  5. 前記二つ以上の第２の弁は、前記外部電極の外側に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  6. 前記外部電極と前記内部電極との間に第１の絶縁体を更に備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  7. 前記外部電極の第２の端部と前記中間電極との間に第２の絶縁体を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
  8. プラズマ閉じ込めシステムを操作するための方法であって、前記方法は、
    一つ以上の第１の弁を介して、内部電極内から前記内部電極と前記内部電極を実質的に囲む外部電極との間の加速領域にガスを導くことと、
    二つ以上の第２の弁を介して、前記外部電極の外側から前記加速領域にガスを導くことと、
    第１の電源を介して、前記内部電極と前記外部電極との間に電圧を印加し、それによって誘導されたガスの少なくとも一部を実質的に環状の断面を有するプラズマに変換することであって、前記プラズマは、前記内部電極の第１の端部および前記外部電極の第１の端部の方へ前記加速領域内を軸方向に流れることと、
    第２の電源を介して、前記内部電極と中間電極との間に電圧を印加して、前記中間電極と前記内部電極の第１の端部との間に流れるＺピンチプラズマを確立することであって、前記中間電極は、前記外部電極の第１の端部に配置され、前記Ｚピンチプラズマは、前記内部電極の第１の端部と前記中間電極との間にある前記外部電極内の集合領域内を流れることと、
    を備える、方法。
  9. 前記中間電極は、実質的にディスク形である、請求項８に記載の方法。
  10. 前記一つ以上の第１の弁は、前記内部電極の第１の端部と前記内部電極の第２の端部との間に軸方向に配置される、請求項８または９に記載の方法。
  11. 前記一つ以上の第１の弁を介して前記ガスを導くことは、第１の弁電圧を前記一つ以上の第１の弁へ供給し、その後第２の弁電圧を前記一つ以上の第１の弁へ供給することを備える、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記二つ以上の第２の弁を介して前記ガスを導くことは、第３の弁電圧を前記二つ以上の第２の弁へ供給し、その後第４の弁電圧を前記二つ以上の第２の弁へ供給することを備える、請求項８～１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記Ｚピンチプラズマは、０．１ｍｍと５ｍｍとの間の半径を有する、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記Ｚピンチプラズマは、９００ｅＶと２０００ｅＶとの間のイオン温度、および５００ｅＶより大きい電子温度を有する、請求項８～１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記Ｚピンチプラズマは、１×１０２３イオン／ｍ３より大きいイオン数密度、または１×１０２３電子／ｍ３より大きい電子数密度を有する、請求項８～１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記Ｚピンチプラズマは、せん断された流れを呈する、請求項８～１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記Ｚピンチプラズマは、８Ｔを超える磁場を呈する、請求項８～１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記Ｚピンチプラズマは、少なくとも１０μｓにわたる安定性を呈する、請求項８～１７のいずれか一項に記載の方法。
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