KR20010032046A

KR20010032046A - 게이트 밸브 펄스용 관성 정전 차단 핵융합 장치

Info

Publication number: KR20010032046A
Application number: KR1020007005167A
Authority: KR
Inventors: 죠지 에이치 밀레이; 브라이언 이. 주르치크; 이빈 구; 로버트 에이. 스터버스; 마이클 제이. 윌리암스
Original assignee: 추후제출; 보드 오브 트러스티스 오브 유니버스티 오브 일리노이즈
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2001-04-16
Also published as: CN1294742A; WO1999024990A3; NO20002437D0; EE200000528A; CA2310071A1; AU1995899A; NO20002437L; JP2001523010A; IL136099A0; WO1999024990A2; EP1048038A2; HUP0100180A1

Abstract

펄스된 중성자/양성자 소스는 정상 상태 구형 관성 정전 차단(IEC) 배치에 기초하고, 펄스된 게이트 밸브 그리드(GVP)를 이용한다. IEC-GVP 장치는 양극으로 작용하는 접지된 전도성 용기 (12) 및 고 전압 소스에 접속된 중앙 음극 또는 제 1 그리드 (13)를 포함한다. 또한, 중간 제 2 그리드 (14) 및 외부 제 3 그리드 (15)가 용기 (12) 안에 중앙 음극 (13)과 함께 동심으로 배치돈다. 전자 추출기/방출기 장치 (16)는 용기 (12)의 퍼리미터에 관하여 실질적으로 대칭되게 배치되고, 전자 추출기 디플렉터 그리드 (17) 및 전자 방출기 (18)을 포함한다. 제 2 그리드를 펄스하기 위하여 두 개의 기술이 이용된다. 제 1 기술은 저 반복 속도 GVP(LR-GVP) 작동이고, 제 2 기술은 공진 이온 구동 발진기(RIDO) GVP 작동으로 불리는 공조된 고주파 펄싱이다.

Description

게이트 밸브 펄스용 관성 정전 차단 핵융합 장치 {Inertial electrostatic confinement fusion device with gate-valve pulsing}

중성자 활성화 분석(NAA; Neutron Activation Analysis)과 같은 분야에서 정상 상태 2.3-MeV 중성자 소스로 이용하기 위한 관성 정전 차단(IEC; Inertial electrostatic confinement) 핵융합 장치(fusion device)가 알려져 있고, 구형의 IEC 형상은 이미 출원 SN 08/232,764호의 계속 출원으로서 지금은 포기된 미국 특허 출원 SN 08/730,578호에 기재되어 있으며 본 발명의 참고로 본 명세서에 기재되어 있다. 도 1에서 보듯이, IEC 장치 1은 접지된 양극으로 작용하고, 가스 공급선 4 및 밸브 5를 경유하여 가스 소스(도시되지 않음)에 접속된 가스 입력 포트 3을 포함하는 복수의 포트(port)를 갖는 구형의 진공 챔버 2를 포함한다. 용기로 입력되는 가스는 중수소(deuterium), 삼중수소(tritium) 및 He-3등의 성분 및 그 혼합물을 포함하는 핵융합가능한 가스이다. 제 2 포트 6은 진공 펌프(도시되지 않음)에 접속되고, 제 3 포트 7은 고 전압 공급통로 9를 경우하여 고 전압 전력 공급 8에 접속된다. 구체 2의 중앙에 있는 전선(wire) 또는 날개(vane)형 구조의 그리드 10은 바람직하게는 80~97%의 기하학적 투과성(geometric transparency)을 갖고, 고 전압 소스 8에 접속되어, 방전(discharge)을 시작하고 유지하기 위한 음의 고 전압 전위(potential)를 제공한다. 따라서, 그 효과로 이온 가속기, 플라즈마-타겟 유닛(plasma-target unit)으로 작동한다. 비주문형 상용 판(commertial version)이 10⁶~10⁷n/s의 정상 상태 공급 준위로 휴대용, 긴 수명의 중성자 소스를 제공한다. 그것의 저가격, 안전성 및 허가받은 이점으로 인하여, 상용 IEC 유닛이 캘리포니움-252와 같은 들뜬(exciting) NAA 중성자 소스 및 소형 촉진제 고체-타겟 유닛을 대체하는 경향이 있다.

작용면에서, 도 1에서 보듯이 비중성(non-neutral), 비맥스웰리안(non-Maxellian) 플라즈마가 진공 용기에 집중된 구형 그리드 10에 의하여 중심 점에서 가속되고 집중된 활성 이온에 의하여 IEC에서 만들어진다. 소정의 압력(10^-5Torr이하)에서 선택된 가스로 진공 챔버를 채운 후, 플라즈마 방전이 그리드 10 상에 음의 고 전압(일반적으로 50~80kV)을 가하여 형성됨으로서, 이온이 그리드 10과 용기 2의 벽 사이에서의 플라즈마 방전으로부터 발생되고 추출된다. 중성자 사용을 위하여 각각 2.45MeV 또는 14MeV 중성자를 제공하는 중수소 또는 중수소-삼중수소가 일반적으로 이용된다. 강한 양성자 생산을 위하여, 중수소-헬륨-3 혼합물인 가스가 사용된다. 적절한 상태에서, 기하학적 투과성보다 큰 실제 투과성 및 두 내부 그리드를 위한 그리드 개구의 방사형 배열을 제공하는 그리드 설계는 도 2에서 보듯이 ″스타(star)″ 모드로 언급되는 발생물인 이온 빔렛(beamlet; 마이크로채널)이 그리드 10 개구 사이에 생성되는 원인이 될 수 있다. 조밀한 플라즈마 핵(core) 지역은 상기 빔이 집중되는 구체의 중심에 형성되어, 핵 지역에서 강한 핵융합 반응률을 일으킨다. 마이크로채널은 이온 집중을 돕고 및 이온 그리드 충돌을 최소화하는 두가지 이점이 있다.

만약 이온 전류가 중앙 플라즈마 영역에서 강한 가상의 양극을 발생하기에 충분하다면, 단일 플라즈마 준위 구조가 IEC 플라즈마에서 발생된다. 이 준위는 중앙 핵 지역에서 전자를 가속시키고 집중시켜서 도 3에서서 보듯이 가상의 음극을 형성한다. 상기 구조는 ″이중″ 준위벽(double potential well)으로 불리는 장치를 가로지르는 준위 분포를 발생시키고, 이는 상기 ″벽″에서 포착된 강력한 이온 (energetic ion)이 고 핵융합 비를 발생하기 때문에 IEC 작동에 매우 이익이 된다. 작동면에서, 넓게 퍼진 분포 핵융합은 단일에너지(monoenergetic)의 이온 및 전자 및 무시가능한 각운동량을 갖는 이상적인 IEC 배치에서의 가상의 전국 구조를 도시한 도 3에서 보여지는 형태의 단순화한 ″이중 벽″ 구조를 유도한다. 실제 시스템 설치에서 에너지-각 분포가 모두 펴져 있듯이 준위 분포 구조는 넓게 퍼질 것이다.

앞서 기재하였듯이, 기초 IEC 개념은 그것의 이온 마이크로채널로 ″스타″ 모드 방전을 발생시키는 그리드 디자인을 사용한다. 이러한 접근은 단순함, 우수한 이온 집중 및 향상된 그리드 수명을 제공한다. 그리드 준위 구조 및 대응하는 이온 ″광학″때문에 발생하는 마이크로채널은 이온 집중을 향상시키고 연장된 그리드 수명을 유도한다. 높은 이온 전류에서, 이는 앞에서 기술하였듯이 집중을 향상하고 중앙 핵 영역에서 강한 이중 준위 벽의 발생을 도움으로서, 핵융합 반응속도를 현저하게 향상시킨다.

고 수율 작동을 위하여 절대적으로 필요한 형태의 대칭 배치는 휴대용 NAA 적용을 위하여 상용화 된 현제 IEC 장치에 이용된다. 비대칭 디자인도 가능하고 유용하다. 예를 들면, 본 발명에서 참고로 언급하는 PCT 국제 출원 PCT/US97/19306호에서 서술되었듯이 ″제트(jet)″ 모드 작동에서 비대칭 빔은 준위 구조에서 포착되고, 확대된 그리드 개구에 의하여 그 안에 발생된 ″홀(hole)″을 통하여 다른 방향으로 전송된다. 이러한 배치는 물질 처리 및 공간 위성 궤도 조절을 위한 저 전력 트러스터(thruster)로 응용 가능하다. 다른 비-핵융합 예는 본 발명에서 참고로 언급하는 PCT 국제 출원 PCT/US97/00147호에서 서술되었듯이 메탄(methane)으로부터 효율적인 플러런(fluerene)을 생산하는 것과 관계있다. 그 경우에 IEC 준위 벽 구조는 수소 이온이 밖으로 이동하는 것을 허용하고, C-60 체인(chain)의 형성을 촉진함으로서 깊은 중심 트랩(trap)에서 탄소 이온을 집중시키는데 이용된다. 본 발명에서 참고로 언급하는 PCT 국제 출원 PCT/US97/19307호에서 서술되었듯이 IEC 장치는 또한 X-선 소스로 이용된다.

IPC 발전의 목적은 중성자 발생 효율을 향상시켜서, 미래 전력 원자로 (reactor) 및 공간 추진을 위하여 필요한 고-수율 장치로 진행하도록 하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 고 중성자 수율을 얻기 위하여 종래 IEC 장치의 형성을 촉진함으로서, 중성자 단층 촬영법, 동위 원소의 생산, 폭발물/지뢰 감지 및 오일 벽 벌목 등과 같은 고-중성자 전류를 필요로 하는 지역에 응용을 확장하는 것이다. 실제로, 균일한 고-반응율의 획득은 이론적으로는, 결과적으로 IEC에 근거한 핵융합 전력 장치를 인도한다.

본 발명의 또 다른 목적은 정상 상태 IEC 작동에서 10~100㎃ 이상의 이온 전류 벽을 증가시키면서 종래의 IEC 빔 작용을 존속하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 고-에너지 이온의 반복되는 펄스를 쉽고 효율적으로 발생시키는 방법을 제공함으로서 고품질의 중성자 및/또는 양성자를 생산하는 것이다.

본 발명은 1997년 11월 12일에 출원된 미국 분할 출원 SN 60/064,801로 부터 국내우선권 주장이 되었고, 상기 출원의 전체 내용은 참고로 본 명세서에서 포함되어 있다.

도 1은 중성자 생성에 이용되는 종래의 관성 전자 차단(IEC; inertial electron confimement) 장치의 개략도이다.

도 2는 기하학적인 투과성보다 더 큰 효과적인 투과성이 있도록 복수의 이온의 마이크로채널이 형성되고 그리드의 개구를 통하여 통과하는 곳인 ″스타 모드″에서 작동하는 종래 IEC 장치의 개략도이다.

도 3은 양극 겁질 및 음극 그리드에 관계된 IEC 장치를 통과하여 존재하는 준위 변화를 도시한 도면이다. 상기 도면에서 이온 전류는 핵 영역에서 보여지는 이중 준위 벽을 발생시키는 중심 영역에서 전자를 차례로 가속하고 집중하는 강한 가상의 양극을 생산하기에 충분하다고 가정된다.

도 4a 및 4b는 본 발명에서 이용되는 ″게이트″ 그리드 시스템(전자 방출기, 전가 가이드 그리드 및 게이트-밸브 그리드)과 상기 구조의 준위 종단면 및 IEC 장치 안에서 이온 궤적 및 이온화 영역을 함께 도시한 도면이다. 대기(standby) 모드(게이트 밸브 그리드가 닫혀 있음) 동안 장치의 준위 종단면, 제2 및 제 3 그리드 사이의 이온화 영역, 및 게이트 밸브 그리드 및 음극 사이에 스텝(step) 준위 변화가 발생하는 내부 음극 ″낙하″ 영역을 나타낸다.

도 5a 및 5b는 각각 게이트 준위가 상승하는 곳 및 게이트 준위가 하강하는 곳에서 본 발명을 포함하는 IEC 장치의 중심선으로 부터 전압 대 반경을 도시하는 도면이다. 이후 상태에서 낙하 준위는 이온화 영역을 침입함(연장됨)을 유의하라.

도 6은 외부 그리드 및 내부 그리드 사이에서 전 후로 이동하는 이온의 ″파동 페킷″의 존재를 보여주는 본 발명의 기본적인 개념의 그래프로 해석한 도면이다. 도시되었듯이, 게이트 밸브 그리드 상에서 이온 패킷의 재 순환 주파수를 일치시키기 위하여 준위 주파수를 공조하는 것은 이온 밀도를 증가사켜 패킷을 중첩시킨다.

도 7은 정상 상태 및 펄스 모드에서의 작동을 포함하는 본 발명을 포함하는 3-그리드 IEC 장치에 인가되는 응용 전압 및 전류에 기초한 전력을 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명에 이용되는 펄스 형성 네트워크를 포함하는 GVP-IEC를 위한 전력 공급 시스템의 회로도이다.

높은 중성자 수율을 얻기위한 열쇠는 종래의 IEC 빔 반응을 유지하고, 10~100㎃ 이상의 이온 전류 벽을 증가시키는 것이다. 핵융합 반응율은 이온 전류의 스퀘어(square) 또는 고전력으로 증가하기 때문에, 이온 전류가 다중-전류 범위에서 증가할 수 있다면, 핵융합 반응율은 종래 장치의 것을 여러배 넘어설 것이다. 또한, 이러한 레벨에서, 이중 준위 벽은 중앙 핵 지역에 강력한 이온 트래핑(trapping)을 형성할 것으로 기대되고, 따라서, 반응율 및 전력 효율도 좋아진다.

이러한 결과를 얻음으로서, 본 발명은 고 반응율을 위하여 필요한 높은 이온 전류을 얻기 위한 실제적인 방법을 제공하는 게이트-밸브 펄싱(GVP) 기술을 이용하여, 10¹¹-10¹⁴/sec에서 시간 평균 중성자 및/또는 양자 소스율을 제공한다.

본 발명에 따른 펄스된 GVP-IEC는 서로 다른 두 기술에 따른 펄싱을 예상한다. 첫번째는 낮은 반복 속도 GVP(LR-GVP) 작동이고, 두번째는 공진 이온 구동 발진기 (RIDO; resonant ion driven oscillation)로 명명되는 동조된 고-주파수 펄싱이다.

구조적으로, 두 GVP-IEC는 종래 미국 특허 출원 S.N. 08/232,764호에 기재되어 있듯이 정상 상태 구형 IEC 배치의 변형된 판을 이용한다. 특히, IEC의 LR-GVD 및 RIDO-GVD 두 판은 전자 방출기(emitter), 전자 가이드 그리드 및 게이트-밸브 그리드를 포함하고, 펄스된 전압 소스와 조화되어 바람직한 이온 전류을 제공하는 ″게이트″ 그리드 시스템을 이용한다.

작동면에서, 본 발명의 게이트-밸브 그리드는 처음에 IEC 장치의 소스 영역에서 전자-중성자 충돌에 의하여 생성된 이온을 보유 또는 ″저장″하도록 편향 (bias)된다. 다음, 중앙 고-전압 음극 그리드에 의하여 ″저장″된 이온의 추출, 가속 및 집중을 가능하게 하도록 게이트-밸브 그리드 상의 전압이 갑자기 감소한다.핵융합 생성물(중성자 및/또는 양성자)의 바람직한 펄스가 얻어진 후, 게이트 밸브 그리드는 그것의 원래의 편향 상태로 되돌려지고, 상기 절차가 바람직한 시간 평균 중성자/양성자 흐름을 획득하기에 충분한 일반적으로 낮은 반복율 동작인 100 내지 1000㎐에서 펄스된 반복율로 반복된다.

RIDO-GVD 기술에서 펄싱은 시스템의 이온 재순환 시간(일반적으로 ㎒ 범위)으로 공조된 주파수로 채택된다. 이러한 공조(tuning)는 이온 다발 및 재순환하는 이온 빔을 중첩에 의하여 큰 이온 전류를 가능하게 한다. 이 경우, 공조는 예를 들어 1~10㎒의 주파수 범위를 통한 선택된 전력 공급을 스위프(sweep)할 동안 중성자 비율을 탐지함으로서 소정의 GVP-IEC 장치에서 준비된다. 장치 이온 재순환 주파수로의 공진은 중성자 생산에서 중요한 증가에 의하여 알려진다. 일단 선택되면, 이 공진 주파수는 이 특별한 장치의 뒤이은 작동을 위하여 유지될 수 있다. 이온 재순환 주파수는 장치 변수에 의존하기 때문에, 다른 GVP-IEC가 이용되면 상기 절차도 반복되어야 한다.

상기 GVP-IEC 개념의 이점은 IEC 펄싱이 가능한 다른 방식과 비교해서 상대적으로 간단한 펄싱 시스템을 이용하면서, 높은 핵융합 반응 및 향상된 전력 효율을 얻을 수 있다는 점이다.

종래의 IEC 펄싱 개념은 일반적으로 중앙-음극의 직접 펄싱 또는 전자-방출기(electron-emitter) 펄싱을 이용해왔다. 음극의 직접 펄싱과 비교하여 많은 저 펄스된 전압, 예를들어 직접 방법의 50~100㎸와 비교하여 개이트-밸브 그리드의 100~500V 전압이 필요하다. 상기 전자 방출기를 펄스할 동안 상대적으로 저 펄스된 전압을 허용하므로, 펄스 유사 게이트-밸브 그리드가 행하기에 앞서 이온의 집중(저장)을 제공하지 않는다.

LR-GVD의 동작동안, 게이트-밸브 이온 ″분사″ 시스템은 이온을 발생하는 지지가능한 에지(edge) 이온화 소스를 제공하기 위하여 IEC 챔버의 퍼리미터 (perimeter)를 둘러싸도록 설치된 전자 방출기를 이용한다. 방출기의 위치 및 갯수는 조립 수단 자유 경로와 동일한 방출기 분할이 일반적으로 필요한 이온화 볼륨(volume)에서 합당하게 균일한 조립 밀도를 유지하도록 선택된다. 따라서, 완전히 균일한 이온 밀도가 전자-중성의 이온화 충돌에 의하여 상기 볼륨에서 발생된다. 그러나, 중앙 준위벽을 임의로 들어가는 것 대신에, 이 방식으로 발생된 이온은 게이트 그리드의 전압이 갑자기 100V 이하로 감소할때 까지 챔버 벽 및 게이트 그리드 사이의 볼륨에서 유지된다. 이는 고전압(50 내지 100㎸ 이하) 음극 그리드에 의하여 발생된 전기장의 영향하에서 이온이 핵 안으로 흐르는 것을 허용한다. 따라서, 중앙 음극 준위는 펄스의 위상동안 이온 추출 기구로서 작동한다.

RIDO-GVP 작동은 이온 빔을 묶고 결합함으로서 저 주파수 GVP 작동에 비하여 균등한 고 이온 전류을 제공한다. 따라서, RIDO-GVP는 플라즈마 핵에서 전류을 증폭하도록 연속적인 이온 파 전면(front)에 시간을 맞추기 위한 고 주파수 전류 및 고 정밀의 부가물을 포함한다. 충돌하는 방전 기구는 이온 분포에서 중요한 역할을 하고, 따라서 정확한 공조가 요구된다.

IEC-GVP 장치 11이 도 4a에 도시되어 있고, 양극으로 작용하는 접지 전도 용기 12, 고 전압 소스(도시되지 않음)에 접속된 중앙 음극 또는 제 1 그리드 13을 포함하고, 도 1의 IEC 장치와 유사한 구조로 형상된다. 또한, 중간의 제 2 그리드 14 및 외부의 제 3 그리드 15가 용기 12 안에서 중앙 음극 13과 동심원을 이루면서 배치되어 있다. 전자 추출기/방출기 장치 16은 실질적으로 용기의 퍼리미터에 관하여 대칭으로 배치되어 있고, 장치에서 강화된 시간 이온 흐름에 기여하는 전자 추출기 디플렉터(deflector) 그리드 17 및 전자 방출기 18을 포함한다.

GVP형 IEC의 기본 작동 원리는 장치 퍼리미터를 필수적으로 둘러싸서 위치한 종래 디자인의 다중 전자 추출기 18로부터 ″보일드 오프(boiled off)″된 전자로 장치(즉, 외부 그리드 15 및 중간 그리드 14 사이의 이온화 볼륨)의 외부 영역 23을 침범하는 것이다. 방출기의 배치는 충돌 손실 전 전자 여행의 평균 거리에 기초한다. 방출기 안에서 가속 그리드는 양으로 편재된 가이드 그리드 15와 다음에 부닥치는 볼륨 챔버 안으로 전자를 잡아당긴다. 그리드 15는 전자가 배후 가스와 상호 작용하고, 충돌하는 이온화를 통하여 이온을 생산하는 용기 벽의 내부 표면을 둘러싸서 외주면으로 배치된 좁은 겁질 모양 볼륨으로 전자 궤적을 다른 방향으로 향하게 한다. 이 전자 19는 그것들이 그리드 및 용기 벽으로 재조합 및 충돌에 의하여 최종적으로 손실 될 때까지 점진적으로 충격 이온화 충돌에 의하여 배경 중성 가스와 속도가 느려지는 이온화 영역 23을 통하여 외주면으로 여행하고 앞뒤로 발진한다. 이러한 영역에서 전자 충돌에 의하여 발생된 이온은 인가된 전기장이 존재하지 않기 때문에 힘을 거의 느끼지 못힐 것이다. 이러한 단계 후, 음극 상에서 고 준위는 게이트 밸브 격자 14 상에서 준위에 의하여 이온화 영역 밖으로 ″차폐 (shield)″된다. 결론적으로, 이온은 이온화 영역 밖으로 서서히 확산되어, 그 영역에 건설된 고 밀도 이온을 인가한다. 이 상태는 이온 펄스의 뒤이은 발생을 위한 준비에서 이온의 ″저장″으로 보여질 수 있다.

IEC를 펄스하기 위하여, ″게이트″로 작용하는 중간 양극 그리드 14는 100 V 내지 1㎸에서 급격히(100㎲ 이하) 감소되도록 인가된 준위를 갖는다. 이는 외부 이온화 영역 23 안으로 침투하여 그 안에 저장된 이온을 추출하기 위하여 10~100㎸의 준위를 중앙 음극 13에 허용한다. 게이트 밸브 그리드 14의 준위는 축적된 이온 그룹이 이온화 영역을 떠난 후, 즉, 500 n.s. 이하에서 원래의 밸브로 바뀌어 진다. 추출된 이온은 중앙 음극 13의 전체-인가된 준위에서 중앙 음극 영역 21안으로 가속된다. 가속된 이온은 핵 융합 반응이 일어나는 조밀한 중심 핵 플라즈마 21을 형성하는 장치의 핵 영역으로 집중되어, D-D(또는 다른 핵융합이 가능한 가스) 핵융합 반응으로 부터 고에너지 양성자 및 중성자를 발생시킨다. 그리드를 둘러싼 이온의 구형 겁질 23은 그것들이 충돌 이온화를 거쳐 발생지점과 동일한 준위에서 정지하게 될때까지 이온의 관성이 그들을 내부 낙하 영역 22를 통하여 이동시키고, 인가된 준위를 지원받아서 다시 재형성한다. 일부 이온은 과정 시 충전-치환 및 그리드 충돌에 의하여 재반응에서 유실된다. 그러나, 많은 이온이 중앙 플라즈마 핵 영역 21로 복귀해서 재 가속되고 재순환을 계속한다. 이러한 이온의 순환은 이온의 수가 충분히 소진될 때 까지(원래 갯수의 25% 이하) 계속된다. 이온 재순환 시간이 짧기 때문에(㎳ 시간 규모), 게이트-밸브 그리드 준위는 재순환하는 이온에 의하여 발생되는 증가된 핵용합 반응을 충분히 이용하도록 1000분의 수 초 동안 낮은 값에서 유지된다. 음극 그리드 상에서 그리드 개구가 미국 특허 출원 SN 08/232,764호 에서 기술되어 있듯이 스타 모드로 작동하도록 디자인 되고, 이러한 개구는 게이트 밸브 그리드 14에서 방사상으로 배열되도록 배향될 때, 이온 마이크로채널(스타 모드의 특징인)은 향상된 집중성 및 핵에서 높은 반응비를 제공하는 재 순환 이온 흐름으로 형성된다. 게이트-밸브 그리드를 열기에 앞서 GVP-IEC를 교차하는 준위 종단면이 이온화 영역에서 평평한 준위(무시가능한 전기장)는 없이 100V ~ -100V 사이의 범위에서 작동하는 준위와 함께 도 4a에 도시된다.

구조적으로, 바람직한 스타 모드 또는 할로(halo) 모드를 위하여 필요한 수의 이온 스포크 (spoke)가 용기 안에서 개발될 수 있도록, 세 그리드에서 충분한 수의 구멍이 서로 방사선 방향으로 높은 기하학적 투과성을 갖고, 고 효율적인 투과성을 유지하도록 배열되는 것이 바람직하다. 선행기술에서 보듯이 그리드 그 자체는 날개 또는 전선형 구조로 되어 있고, 미국특허 출원 SN 08/232,764호 에서 기술되어 있듯이 적어도 음극은 필요한 h/R 변수(h는 그리드의 구형 표면 및 평면 사이의 높이의 차이이고, R은 그리드 반경이다)를 갖고 있다. 용기 내부의 압력은 게터(getter) 또는 펌프에 의하여 유지되거나, 종래 기술의 조합에 의하여 유지된다.

도 5a 및 5b는 도 4a 및 4b에서 보듯이 3-그리드 실시예에서 잔압이 내려간 후 중앙 음극 준위의 침투에 의한 이온화 영역으로부터의 이온 추출에 관한 개략도이다. 이미 기재하였듯이, 시스템에서 두 추출 그리드 14 및 15는 다음 두 목적을 지원한다 : 즉, a) 외부 그리드 15는 게이트-밸브 그리드 14와 조화를 이루어, 전자가 이온화 영역을 통과하고 그 주위를 흐르도록 전자 방출기로 부터 추출된 전자를 안내한다. 따라서, 두 그리드의 조합은 전자가 전이하는 것을 최소한으로 하고, 이온화가 자유-장(field-free) 영역에 위치하여 유지되도록 한다. b) 중간 ″게이트″ 그리드 14는 이온 그룹이 핵 영역 안으로 들어가도록 선택적으로 허용하는 밸브로서 작용한다. 도 5a 및 5b에서 보듯이, 중앙 음극 준위가 이온화 영역 안으로 침투하고 이온을 추출하는 것을 허용하도록, 게이크-밸브 그리드 준위는 상승 및 하강할 수 있다. 도 5는 이온이 게이트-밸브 준위가 갑자기 내려가고 중앙 음극 그리드에서 준위에 의하여 발생된 준위 경사도에 의하여 중앙을 향하여 가속될 때 까지, 그것이 발생한 이온화 영역에서 ″저장된″ 것을 보여준다.

3-그리드의 한가지 중요한 이점은 방출기-보조(emitter-assisted) GVP-IEC 시스템은 감소된 이온 에너지 확산, 큰 효율 및 향상된 집중도를 인도하도록 이온이 항상 용기 벽에 근접한 이온화 볼륨에서 착수되고, 중앙 핵 플라즈마 영역에서 전체-인가된 준위 에너지로 가속된다는 점에다. 또한, 플라즈마 방전은 전자 발생기 방사(그리드로부터 제 2 전자 방출기로)에 의하여 지원되므로, 배경 가스 압력은 산란 충돌로 부터의 이온 등방화(isotropization) 및 충전-변환 충돌로 부터의 에너지 손실을 크게 줄 수 있다. 또한, 앞서 기재하였듯이, 일반적으로 게이트-밸브 그리드에 필요한 펄스된 전압은 수십 ㎸의 펄싱 전압을 필요로 하는 중앙 양극을 직접 펄싱하는 것에 비하여 낮다(1㎸ 이하). 이는 펄스된 전력 공급 기술을 크게 간단하게 하고, 전기 절연 문제를 줄인다.

기초 GVP형 IEC 작용의 확장은 시스템에서 천연 이온 순환 주파수로 내부 핵을 향한 이온 분사의 동기화(synchronization)를 포함한다. 즉, 이온 순환 주파수(약 0.5~50㎒)와 일치하는 GVP 준위를 줄이기 위한 주파수를 설정한다. 이러한 작동의 형성은 RIDO(공진 이온 구동 발진; resonant ion driven oscillation)으로 정의된다. 이 방식에서 새롭게 발생된 이온은 공조 지점에서 재 순환된 이온이 도착하는 것과 동시에 내부 핵을 향하여 집중된다. 따라서, 모든 재 순환 이온 전류는 효과적으로 장치 퍼리미터로부터 가속되는 것을 허용하고 중앙으로 집중되도록, 장치의 내부 핵을 향하여 중첩된다. 결론적으로, 매우 큰 최대 밀도가 극단적으로 큰 시간-평균 핵융합 발생속도를 생성하도록 이온 운송 주파수(약 0.5~50㎒)에서 형성될 수 있다.

도 6은 도 4에서 나타낸 타입의 전자-방출기가 장착된 3-그리드(grid) IEC를 이용하는 RIDO-GVP 공정의 도식적인 해석을 나타내는데, 여기서 이온의 전단(ion fronts)과 구형 대칭의 중첩이 있다.

RIDO 작동 중에는, 앞선 이온파동 전단이 원래 시작위치로 돌아올 때, 새롭고 연속되는 이온의 파동 패킷이 앞선 이온그룹으로 안내되어 포개어지도록, 외부영역으로부터의 이온추출은 정확하게 시간이 맞추어진다. 게이트 밸브 준위이 감소하는 경우, 즉 게이트가 ″개방″된 경우에는, 결합된 이온집단은 그 다음에 추출되고 중심핵(central core) 영역으로 다시 집중된다. 통과 중의 이온손실은 결국 상기 공정 중의 축적(build up)을 제한하여, 중심핵을 관통하는 이온밀도는 뒤따르는 펄스에 대한 ″포화된″ (일정한) 값에 이른다. 이 공정은 중심핵 영역을 관통하는 피크(peak) 이온전류를 크게한다. 구형 껍질(shell) 안의 이온이 모두 동시에 장치의 핵 영역에 도착하기 때문에, 결과적으로, 중심핵 이온 밀도는 수 차(order)의 크기로 증가된다. 이 공정은 종래의 IEC 플라즈마 방전(discharge)에 비하여 LR-GVP 작동시 유효한 이득보다 훨신 큰 융합 세기율(fusion power rate, P_fusion~ n_ion ²)에서의 이득(gains)을 얻게 된다.

LR-GVP 작동 또는 RIDO-GVP 작동으로 얻어지는 높은 이온전류로써, 이중 우물(double-well) 형성에 요구되는 전류 이상의 이온전류가 얻어질 수 있다. 이것으로써 중심핵에서의 이온포획 및 아주 높은 이온밀도가 가능하게 되고, 또한 반응속도를 증가시키게 된다. 이중 우물 형성의 효과는 안정한 상태(steady state)에서 실험적으로 연구되어 왔고 또한 인가전류로써 융합 방응속도의 더 큰 스케일링에 되도록 나타내져 왔다. 이러한 효과는 안정한 상태의 IEC 장치에서 보다 LR-GVP 장치에서 얻어지는 높은 전류로써 발생하기가 더 쉽다.

GVP-IEC 의 바람직한 실시예에 대한 전력 공급원의 요구사항이 도 7에 묘사되어 있다. 100V의 값을 갖고 또한 0~100mA 의 범위의 전류로 0 kV 와 1 kV 사이에서 발진하는 펄스된 전력 공급원 35는 게이트(중간) 전극 36의 준위을 점멸하는데 이용된다. 0~100kV의 전력범위를 갖는 안정한 상태의 공급 37A는 음극 그리드(cathode grid) 38에 접속되고 또한 높은 중심 음극전압(즉, 100kV 까지)과 적은 전류(0에서 100mA 까지의 범위)를 발생시키게 된다. 송신선 펄스하는 시스템(transmission-line pulsing system) 37B 또한 비슷한 고전압(펄스되는 작동(pulsed operation)이 이용되는데, 이는 1A 보다 훨씬 큰 전류에서 펄스되는 작동이 과도작동 하에서 가장 잘 얻어질 수 있기 때문이다)에서 아주 큰 전류 작동(수 amp 이상)을 위한 음극 그리드 38에 접속될 수 있다. 마지막으로, 0-50A의 범위를 갖는 몇 개의 고전류 방출기 전력 공급원 31은 구분된 방전소자 32를 구동하기 위하여 접속된다. 게이트-밸브 그리드의 표준 작동을 위하여, 게이트 전력 공급원는 상대적으로 낮은 주파수에서 맥동(pulse)한다(〈 10³Hz).

GVP 타입 작동은 또한 IEC 장치의 다른 작동 모드로 확장될 수 있는데, 예를 들면, 선행 특허에서 설명된 것처럼, 할로(halo) 모드 및 제트(jet) 모드 작동이 있다. 여기서 설명된 기본 원리는 직접적으로 계속 이어진다.

RIDO 작동을 위하여, 고주파 펄스(pulsing, 0.5~50 MHz)가 이용된다. RIDO 타입 작동은 그리드 투과 배출구(grid transparency issues), 방전종(discharge species) 시간상수, 에너지 분산 및 충돌 손실, 또한 공간 전하 효과를 고려하는 것이 필요하다.

요약하면, 한 펄스 동안에 중심 플라즈마 코어에서의 높은 이온 밀도를 얻음으로써 더 빠른 융합반응 속도를 얻는 면에서 GVP 작동은 종래의 IEC 설계에 비해 더 우수하다. 무리 또는 그룹을 이룬 이온을 가속함으로써 이온 전단(front)의 중첩이 동시에 전력 효율을 증가하는 RIDO-GVP를 통해서 보다 높은 밀도가 얻어질 수 있다.

GVP-IEC 에 이용된 펄스된 전력 공급원 35는, 와이 구, 엠 윌리암스, 알 스투버스, 지 에치 마일리 등의 ″구형 관성-정전 가둠 장치의 펄스된 작동″ (제 12회 융합 에너지의 기술에 대한 주제별 미팅, 리노, 네바다, 6월, 1996), ANS, 라그랑쥬 공원, 일리노이, 128(1996),에서 실시된 바와 같이, 음극의 직접 펄스함을 위해 개발된 펄스되는 전력 유닛과 같은 종래의 기술을 이용해도 좋다. 본 발명에서 실시된 게이트-그리드 설계와는 대조적으로, 음극 펄스함(cathode pulsing)는 주 음극을 고전압으로 펄스하는 단점을 가지고 있는데, 게이트 그리드가 저전압에서 펄스되는 반면에 음극 펄스함에서는 주 음극이 고전압에서 안정한 상태로 유지된다. 결과적으로, 주 음극에 접속된 펄스된 표준 전력 공급원을 사용할 때 펄스 당 원하는 전류와 전압은 10⁸n/s 수준(펄스-전류 3.2 A 에서 50-kV 펄스 및 1%의 충격 계수 예를 들어 0.1-ms 펄스 길이 × 100 펄스/초)에 이르거나 또는 초과한다.

플라즈마 과학에 대한 1995년 IEEE 국제회의에서 제시된(266-267쪽) ″마이크로 채널을 통한 이온집중; 구형 관성-정전 가둠 및 그 펄스된 실험결과″에서 출판된 것처럼, 구(Gu) 등에 의한 본래의 펄스되는 전력 유닛의 기초적인 작동 원리는 변하지 않았다. 그러나, 쵸크 42에 직렬로 연결된 입력 41, 다이오드 43, 펄스 형성 네트워크 48, 펄스 변압기(transformer) 49 및 IEC 등가 저항 알플라즈마(Rplasma) 50을 갖는 전력 유닛 40은 원하는 펄스 전류, 전압, 및 위에서 인용된 반복도를 달성하기 위하여 업그레이드되어 왔다. 특히, 도 8에 나타낸 것처럼, 주 스위치 45는 사이러트론(thyratron)보다는 이그나이트론(ignatron)을 이용함으로써 업그레이드되어 왔는데, 상기 이그나이트론은 펄서(pulser)가 더 큰 전류를 전달할 수 있도록 트리거(trigger) 펄스 44에 응답한다. 다이오드 46 및 코일 47은 병렬로 스위치 45에 접속된다. 또한, 펄스 변압기 49의 스텝-업(step-up) 비율은 1:7에서 1:10으로 증가되어, 보다 높은 전압에 더하여 IEC 플라즈마와의 더 나은 정합(matching)을 가능하게 한다. 부품 정격은 표준의 저주파수 (10 ~ 1000 Hz) LR-GVP 작동 또는 고주파수(1 ~ 50 MHz) RIDO 작동을 제공하도록 조정된다.

선행기술에서 펄스된 중성자 소스가 알려져 왔지만, GVP-타입 IEC 의 기본적인 원리는 상기 장치들과 분명히 다르다. 휀트롭 중성자 발생기(fentrop's neutron generator)는 기본적으로 안정한 상태 또는 펄스된 모드(미국특허 3,546,512)에서 작동할 수 있는 빔 고체 타겟 시스템(beam solid target system)이다. 그것은 효과적인 거대 이온 가속기-타겟 장치이다. 빔-플라즈마 방전의 GVP-IEC 제어, 다단(staged) 이온화 및 추출 영역, 및 이온화를 위한 자기장이 없슴을 기본으로 해서, GVPP-IEC 와 상기 시스템은 명백한 차이를 갖는다. 크로이토루(미국특허 3,609,369)는 고체 타겟 주위에 국소적으로 위치한 몇 개의 이온 소스를 이용한다. 다시 말하면, 플라즈마 방전 제어는 수반되지 않는다. 따라서, GVP-IEC와는 달리, 그 작동은 이온 저장, 주입 타이밍 또는 공진 오실레이션을 위한 제공을 갖고 있지 않다. 쿨버(미국특허, 3,996,473)는 펄스된 작동을 목적으로 하는, 즉발 감마 분광술(prompt gamma spectroscopy)와 같은 진단 기술을 포함하는 재료 분석을 위한 장치를 개발했다. 그의 펄스하는 방법은 중성자 발생기의 작동하는 물리학적 원리(GVP-IEC의 핵에서 마이크로 채널 빔 형성 및 다중벽 형성과 같은)를 직접적으로 포함하지는 않는다. 또한, 그의 장치에서 펄스함 및 그 제어(이온저장, 주입 타이밍 등)는 GVP-IEC의 경우에서 발생하는 것처럼 펄스 타이밍과 직접적인 관련이 없다. IEC 작동을 보강하기 위한 ICC 효과에 대한 부사드의 발명(미국특허 5,160,695)은 그 시스템에서 공진 결합(coupling)의 이용을 언급한다. 이온이 IEC 핵 영역에서의 이온 음향 장벽(ion acoustic barriersd)과 트랩 이온의 사이에서 반사될 수 있다는 것이 부사드의 청구범위이다. 이러한 타입의 이온 제어는 높은 이온전류를 얻는 것에 의존하지만, 본 발명에서 실시된 GVP 방법과 같이 이온전류를 얻는 방법은 설명하지 않고 있다. GVP-IEC 작동은 공진 튜닝을 포함하는 반면에, RIDO 공진은 이온 재순환 주파수를 포함하고, 또한 게이트-밸브 그리드에 의한 저장 타이밍 및 이온전류의 주입을 통하여 제어된다. 상기 비교한 두 접근이 단일 장치에서 결합 사용될 수 있음에도 불구하고, 이것은 부사드의 음향(acoustic) 장벽 공진 개념과의 중요한 차이를 나타낸다.

GVP 타입 IEC 는 종래의 IEC 기술 또는 고체-타겟 중성자 소스보다 현저한 장점을 제공한다. 증가된 중성자 수율(yield)은 의료 연구, 중성자 토모그라피 (tomography) 및 동위원소 생산 등의 분야에서 상업화의 새로운 영역을 개척할 수 있다. GVP-IEC 모드는 융합 전기적인 전력 생산 또는 융합 공간 추진력(fusion space propulsion)에 대해 특히 바람직한 아주 빠른 반응속도를 제공한다.

현재의 안정한 상태의 기본적인 IEC 작동은 융합 중성자 수율을 대략 10⁶-10⁷D-D 융합 중성자/초 정도로 한다(시간 평균). GVP-IEC 개념의 도입은 수 차(order)의 크기만큼, 상기 수율을 증가시키는 성능을 부가하는데, 당면한 목표는 10¹²-10¹⁴D-D 융합 중성자/초(시간평균)이다. RIDO 타입 작동은 훨씬 큰 수율을 달성할 수 있는데, 집중 빔-플라즈마 타입의 방전의 비-맥스웰(non-Maxwallian)적인 성질에 기인한 가능성 있는 불안정성에 의해 설정된다.

GVP-IEC 개념은 또한 비-IEC 개념에 비해서 몇 개의 중요한 장점을 갖는다. 제일 중요한 장점은 효율이다. 이온이 핵 영역으로 동시에 가속되고 또한 융합 반응 속도가 밀도의 제곱에 비례(fusion rate goes as the density squared) 하기 때문에, 단위 에너지 입력 당 증가된 융합 생산 출력을 얻는다. 또다른 장점은 단순성이다. 또한, RIDO-구동 IEC는, 이온의 맥스웰 집단(Maxwellian population)의 상호작용에 의한 작동을 하는 장치에 반대되는 D-He3과 같은 개선된 연료에 도달하기 위한 장치 효율을 증가시키는 빔-빔 반응 성능을 유지한다.

GVP-IEC 원리를 이용하는 25-MWe 전력 플랜트 설계의 요약을 표 1에 나타내었다.

GVP 전력 작동 및 I_ion ³척도를 이용한 25-MWe 전력 플랜트의 특성.

입력 전력	4.80
크기/반경(m)	6.49
IEC 전체 중량(ton)	2.84
전체 반응기 측정 중량(ton)	210

크기는 냉각 시스템을 제외한 구형 진공 챔버 벽의 반경을 나타낸다. 중량은 IEC 유닛 및 전체 반응기 시스템에 대한 것이다. 중량의 대부분은 커다란 진공 챔버 벽이 차지한다. 상대적으로 적은 중량의 유닛, 직접 변환기(direct converter)를 포함해서, 은 재료와 제작에 대한 비용의 경쟁력을 수반하는 GVP-IEC 전력 플랜트의 매력적인 특징이다. 사실, GVP-타입의 IEC 반응기는 종래의 자기 또는 관성 차단 핵융합 시스템(magnetic or inertial confinement fusion system)보다 더 높은 전체 전력 밀도(mass power density)를 가질 수 있는데, 이것은 다른 융합 반응기 설계를 위해 기획된 시스템들보다 훨씬 더 경수(light water) 반응기에 필적할 수 있는 비용을 제공한다.

이상에서 본 발명을 특정 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 거기에 제한되지 않으며 또한 응용가능한 법의 원리에 따른 해석과 같이 첨부된 청구범위에 따라 본 발명의 범위가 정해진다.

Claims

벽으로 경계가 한정되고, 양극으로 작용하도록 편재되고, 그 안에 핵융합이 가능한 가스를 갖는 전도성 용기;

상기 용기 안으로 전자를 방출하기 위하여 상기 용기 벽의 내부 표면에 근접하게 위치한 복수의 전자 발생기;

상기 용기 내부에 배치되고 중앙 볼륨을 한정하는 고 투과성이고 실질적인 구형 구조인 제 1 그리드;

음극과 양극 사이의 준위가 이온이 음극을 향하여 가속하는 원인이 되고, 증가된 에너지 이온은 중앙 볼륨 안으로 고 이온 밀도를 형성하도록 집중함으로서 그들 사이에서 천연 가스 원자와 상호 작용함으로서 중앙 음극으로 작동하도록, 상기 제 1 그리드에 전기 준위를 제공하기 위한 제 1 준위 소스;

방출 전자를 인도하기 위하여 상기 용기 벽에 대하여 한정된 순환 이온화 볼륨 안에서 일반적으로 용기 벽에 인접하여 배치된 고 투과 양의 편향 구조를 포함하는 제 2 그리드;

전자 궤적이 순환 이온화 볼륨 안에 있도록 상기 제 2 그리드에 전기 준위를 인가하기 위한 제 2 준위 소스;

제 2 그리드 안, 제 1 그리드의 외부에 배치된 고 통과성 구형 구조인 제 3 그리드, 및 중앙 음극으로서 행동하는 상기 양극 및 제 1 그리드로 인하여 가속되는 이온 그룹을 각각 방출하도록 제 2 그리드 상에 시간-의존 전압을 인가하기 위한 제 3 준위 소스를 포함하고, 상기 제 3 준위 소스로 부터 상기 제 3 그리드로 인가되는 준위가 이온화 볼륨 안에서 제 1 그리드에 의하여 발생된 준위에 이온을 숨기거나 노출시키도록 다양화 할 수 있도록 조작가능한 게이트 밸브 그리드 장치를 포함하고,

이에 의하여 강한 핵융합 반응 주기가 발생하는 것을 특징으로 하는 관성 정전 차단 장치에서 고 이온 전류의 펄스를 발생하기 위한 장치.
제 1항에 있어서, 상기 각 전자 발생기는 상기 전자 집합을 가열하기 위한 전자 전류의 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전자 발생기는 상기 전자 발생기로 부터 전자를 추출하기 위한 전압을 인가하기 위하여 제 4 준위 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 그리드, 제 2 그리드 및 제 3 그리드는 이온 및 전자가 흐를 수 있는 복수의 개구를 갖는 견고한 자체 지지 구조이고, 상기 구조의 적어도 하나는 상기 용기 벽으로부터 연장된 전기적으로 절연되어 떨어진 구조에 의하여 상기 진공 용기 안에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 상기 제 1 그리드, 제 2 그리드 및 제 3 그리드 중의 하나는 전선형 및 날개형 구조 중의 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 적어도 2개의 상기 전자 발생기가 상기 용기 벽의 내부 표면에 실질적으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6항에 있어서, 2개 내지 8개의 전자발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전자 발생기는 전자 방출기 및 전자 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 1 그리드, 제 2 그리드 및 제 3 그리드가 그곳에 각각 접속된 전력 리드(lead)를 갖고 구형의 진공 용기를 통과하며 그것으로부터 진기적으로 절연된 전극을 포함하고, 각 그리드에 대하여 각각 전기적 준위의 소스에 접속되면서, 상기 전도성 용기는 접지 상태에서 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 게이트 밸브 그리드는 단위 초당 1 내지 1000 사이클의 반복속도로 1㎲ 내지 1㎳의 시간 주기 동안 50 내지 300V의 편향된 양의 준위와, 그에 더하여 100V 내지 1㎸인 대량으로 부가된 음의 전기 준위를 중첩하여 유지하기 위한 회로에 접속된 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서, 상기 제 3 그리드 상의 상기 펄스된 음의 전기 준위의 반복 속도는 0.1 내지 50㎒의 범위 안에서 평균 이온 재 순환 주파수로 공진되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전도성 용기는 밀폐되어 봉합된 금속 겁질인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 음극 그리드를 위한 전기 준위의 소스는 1 내지 150㎸의 범위 안에서 음의 준위를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 음극 그리드에서 전기적 준위의 소스는 1A보다 큰 구동 펄스된 이온 전류를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 그리드는 90% 이상의 기하학적 투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 10^-5Torr 이하의 압력에서 상기 구형 진공 용기에서 상기 핵융합이 가능한 가스 압력을 유지하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항에 있어서, 상기 제 4 준위 소스는 5A 내지 25㎄ 사이의 범위에서 가변하는 최고 값을 갖는 구동 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 전자 방출기를 가열하기 위한 전기 전류를 인가하기 위한 상기 전류 소스는 1A 내지 20A 사이의 범위 안에서 가변하는 전류를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항에 있어서, 상기 전자 방출기를 가열하기 위한 전기 전류의 소스는 전력이 5W 내지 400W 사이로 인가되는 구동 전압 및 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 1 그리드, 제 2 그리드 및 제 3 그리드의 각각은 전선 구조 및 날개형 구조의 적어도 하나를 포함하고, 상기 그리드들은 방사형으로 배열된 개구를 갖고, 적어도 제 1 그리드는 h/Rc(단, h는 그리드의 구형 표면 및 평면의 높이 차이고, R은 그리드 반경)에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 그리드는 이온 마이크로채널이 상기 펄스된 플라즈마 방전 동안 형성되도록 디자인된 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
양극으로 작동하도록 편재된 전도성 용기를 포함하고, 복수의 포개진 기하학적으로 고 투과성 그리드, 전자 소스, 전기 전력의 소스 및 핵융합 가스를 함유하는 관성 장전 제한 장치에서 고 이온 전류의 펄스를 발생시키기 위한 방법에 있어서,

상기 양극 및 그리드에 인가된 전위에 의하여 한정되는 전기장을 발생시키는 단계;

상기 용기 안에 이온화 영역을 설립하는 단계;

상기 용기 안에서 전자를 발생시키고, 상기 전자가 상기 이온화 영역 안으로 흐르게 유도하는 단계;

상기 전자를 이용하는 상기 이온화 지역 안으로 이온을 발생시키고 유지하는 단계;

상기 이온화 지역으로 부터 이온을 주기적으로 방출시키는 단계;

상기 전기장에 의하여 상기 방출된 이온을 가속하고 집중시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항에 있어서, 상기 방출 단계는 상기 시스템의 독특한 이온 재 순환으로 시간이 결정된 주파수인 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항에 있어서, 상기 방출 단계는 새롭게 발생된 이온이 동조(tuning) 지점에 재 순환된 이온이 도착하는 시간에 내부 핵을 향하여 집중되도록, 상기 시스템에서 천연 이온 재 순환 주파수로 상기 용기의 내부 핵을 향한 이온 분사를 동기하는 것을 포함하는 방법.
제 22항에 있어서, 상기 방출 단계는 상기 이온화 영역으로 침투하고 상기 저 에너지 저장 이온을 추출하기 위한 중앙 음극 준위를 인가하는 게이트로 작동하는 상기 그리드 중의 하나에서 상기 준위를 점멸하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항에 있어서, 상기 방출 단계의 시간은 상기 이온 재 순환 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 방법.