KR20140037221A

KR20140037221A - 자기 구속식 고밀도 에어 플라즈마를 생성하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140037221A
Application number: KR1020147001016A
Authority: KR
Inventors: 랜디 디. 큐리
Original assignee: 더 큐레이터스 오브 더 유니버시티 오브 미주리
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2014-03-26
Also published as: US9338874B2; WO2012173864A1; CA2839379A1; JP2014523611A; JP6141267B2; US20170064803A1; EP2721628A4; CN103650094B; US20130057151A1; US9924586B2; EP2721628A1; CN103650094A; EP2721628B1

Abstract

본 발명은 대기압에서 전자가 조밀한 에어 플라즈마를 생성하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자급식 환형 에어 플라즈마에 관한 것이다. 방법 및 장치는 대기 환형 에어 플라즈마를 생성하도록 개발되었다. 에어 플라즈마는 자가 구속되어, 투사될 수 있고, 일단 형성되면 추가적인 지원 장비를 요구하지 않는다.

Description

자기 구속식 고밀도 에어 플라즈마를 생성하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS TO GENERATE A SELF-CONFINED HIGH DENSITY AIR PLASMA}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 미국 가출원 제61/498,281호(출원일: 2011년 6월 17일, 발명의 명칭: "Syste㎳ and Methods to Generate a High Density Air Plasma")의 우선권을 주장하며, 이 기초출원은 그의 전체 내용이 참조로 병합된다.

연방 정부의 연구 또는 개발 지원

본 발명은 해군 연구국(Office of Naval Research)(에이전시(Agency))에 의해 허가 번호 N00014-08-1-0266 하에 정부 지원으로 이루어진 것이다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 소유한다.

기술 분야

본 발명은 대기압에서 자가 지속적인 에어 플라즈마(self-sustaining air plasma)를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

에어 플라즈마는 독립된 상태로 존재하는, 이온, 전자(electron), 라디칼(radical), 및 대기압에서 형성된 다른 중성 입자로 구성된, 전기적으로 전도성인 물질 상태이다. 에어 플라즈마는 비치명적인 무기(nonlethal weapon), 융합(fusion), 플라즈마 처리, 추진(propulsion), 소독 응용(disinfection application) 및 충격파 완화(shockwave mitigation)와 같은 여러 응용에 사용될 수 있다.

그러나, 현재 플라즈마 소스는 대기압에서 충격파에 의해 야기된 과도압력의 결과를 보호할 만큼 전자 밀도를 가지는 에어 플라즈마를 생성할 수 없었다. 나아가, 현재 플라즈마 소스는 값비싸고 다루기 힘든 지원 장비 또는 대형 자석을 사용함이 없이 긴 수명을 지니는 자급식 또는 자가 구속식 에어 플라즈마를 생성할 수 없었다. 그리하여, 에어 플라즈마를 생성하는 다양하고 스케일러블하며 반복가능한 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 대기압에서 자기 구속식(self-confined) 및 자가 안정화식(self-stabilized) 에어 플라즈마를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법 및 장치는 다수의 응용에 충분한 전자 밀도를 지니는, 대기압에서 환형 에어 플라즈마(toroidal air plasma: TAP)를 생성한다. 본 방법 및 장치는 높은 반복 속도에서 TAP를 생성하도록 구성될 수 있다.

본 방법은 대기압에서 자급식(self-contained) 에어 플라즈마를 생성하는 단계를 포함한다. 에어 플라즈마는 제1 점화 영역에서 생성되고 방사방향 팽창이 제한된다. 본 방법은 또한 고전압 펄스를 부 점화 영역(secondary ignition region)에 있는 에어 플라즈마에 인가하여 에어 플라즈마를 가열하고 이를 제2 점화 영역으로부터 멀어지게 가속시키는 단계를 포함한다. 에어 플라즈마를 가열하는 단계는 에어 플라즈마를 팽창시키고 자급식으로 되게 한다.

대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 장치는 세장형(elongated) 또는 다른 형태일 수 있는 제1 공동(cavity)을 한정하여 플라즈마 소스를 구비하는 제1 차폐 물질을 포함하는 주 점화 영역(primary ignition region)을 포함한다. 본 장치는 또한 플라즈마 소스로부터 에어 플라즈마를 생성하는 점화 디바이스 및 세장형 또는 다른 형태일 수 있는 제2 영역을 한정하는 제2 차폐 물질을 포함하는 부 점화 영역을 포함하며, 제2 공동은 에어 플라즈마를 수용하도록 제1 공동과 유체 이동가능하다. 일 실시예에서, 제2 영역은 적어도 부분적으로 와이어 메쉬(wire mesh)로 한정되어 내부 에어를 통해 전류를 방출시켜 플라즈마 방출물(plasma discharge)을 형성한다.

본 장치는, 적어도 하나의 커패시터를 구비하고 전압 소스와 통신하며 고전압 펄스를 에어 플라즈마에 인가하는 고전압 회로를 포함한다. 고전압 펄스는 에어 플라즈마를 가열하고 이를 장치로부터 멀어지게 가속시켜 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 형성한다. 여러 다른 실시예에서, 플라즈마 소스는 폭발 와이어, 폭약(explosive), 퍼프 가스 플라즈마(puffed gas plasma), 중공 캐소드 플라즈마, 초고속도 플라즈마 소스, 레일건, 마이크로파-구동 플라즈마 소스, 또는 제2 영역으로 지시(directed)될 수 있는 다른 컴팩트 플라즈마 소스로 구성된 군에서 적어도 하나의 요소이다. 플라즈마 소스는 또한 하나 이상의 레이저-유도 플라즈마 채널에 의해 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 방법은 제1 고전압 펄스를 와이어에 걸쳐 인가하여 와이어를 폭발시켜 에어 플라즈마를 애노드와 캐소드 사이에 위치된 제1 점화 영역에 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계를 포함하여, 에어 플라즈마는 와이어의 길이방향 축에 평행하게 캐소드와 가속기 전극 사이의 제2 점화 영역으로 진행하게 한다. 제2 고전압 펄스는 캐소드 및 가속기 전극 양단에 걸쳐 인가되어 에어 플라즈마를 가열하며, 여기서 에어 플라즈마를 가열하는 것은 에어 플라즈마를 팽창, 가속시켜, 환형 구조(toroidal structure)를 형성하게 한다. 본 방법은 또한 대기압에서 제2 점화 영역으로부터 자급식 환형 에어 플라즈마를 방출시키는 단계를 포함한다.

본 방법은 애노드와 캐소드 사이 및 캐소드와 가속기 전극 사이에 강성의 전기적으로 절연 물질을 제공하는 단계를 더 포함한다. 절연 물질은 세장형일 수 있는 공동을 한정한다. 애노드와 캐소드 사이의 세장형의 공동은 와이어를 수용하고 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한한다. 캐소드와 가속기 전극 사이의 공동은 에어 플라즈마를 팽창할 수 있게 한다. 두 공동은 일반적으로 원통형 또는 나선형의 형태를 지닐 수 있다. 공동은 동일하거나 상이한 직경을 지닐 수 있고 환형 플라즈마의 직경을 증가시키거나 감소시키도록 구성될 수 있다. 게다가, 공동은 환형 플라즈마의 속도를 증가시키거나 감소시키도록 구성될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 방법은 제1 점화 영역에서 에어 플라즈마를 생성하는 단계, 제1 영역으로부터 에어 플라즈마의 팽창 속도를 지시하는 단계, 및 에너지를 부 점화 영역에 있는 에어 플라즈마에 부여하는 단계를 포함하되, 부여된 에너지는 에어 플라즈마를 팽창시켜, 제2 점화 영역으로부터 가속시켜, 자급식으로 되게 한다. 대안적으로, 본 방법은 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계를 포함할 수 있다.

여러 실시예에서, 와이어는 00 AWG 내지 80 AWG 범위의 게이지(gauge)를 지닌다. 다른 실시예에서, 제1 고전압 펄스는 10㎸ 내지 50㎸이고, 0.1㎲ 내지 200㎳의 지속기간을 지니는 반면, 제2 고전압 펄스는 100V 내지 300V이거나 최대 수 천 볼트이고 1㎱ 내지 1000㎳의 지속기간을 지닌다.

또 다른 실시예에서, 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 장치는 주 점화 영역에서 반투과성 캐소드와 애노드 사이에 위치된 제1 차폐 물질을 포함한다. 제1 차폐 물질은 애노드와 캐소드 사이에 연장되고 이들과 통신하는 전도성 와이어를 포함하도록 제1 길이방향 공동을 구비한다. 본 장치는 또한 적어도 하나의 전압 소스 및 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 주 고전압 회로를 포함한다. 주 고전압 회로는 애노드 및 캐소드와 통신하며 제1 고전압 펄스를 와이어에 걸쳐 인가하여 이 와이어를 폭발시키고 에어 플라즈마를 생성한다. 제1 길이방향 공동은 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한한다.

본 장치는 또한 캐소드와 반투과성 전극 사이에 위치된 제2 차폐 물질로 한정된 부 점화 영역을 포함한다. 제2 차폐 물질은 캐소드와 전극 사이에 연장되는 제2 길이방향 공동을 구비하며, 제2 길이방향 공동은 에어 플라즈마를 수용하도록 제1 길이방향 공동과 유체 이동가능하다. 본 장치는 또한 전압 소스와 통신하는 적어도 하나의 다른 커패시터와 부 고전압 회로를 포함한다. 부 고전압 회로는 캐소드 및 전극과 더 통신하고 제2 고전압 펄스를 캐소드와 전극 사이의 갭 양단에 인가하며, 제2 고전압 펄스는 전극을 횡단할 때 에어 플라즈마를 더 가열하고 가속시켜 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 형성한다.

여러 실시예에서, 자급식 에어 플라즈마는 레이저 유도된 플라즈마에 의해 형성될 수 있고 이후 레이저, 마이크로파 펄스, 또는 에너지를 부여하는 임의의 수단으로 가열될 수 있다. 에어에 형성된 플라즈마는 정전장 또는 전자기장 및 상호작용에 의해 자가 구속된다. 그리하여, 에어 플라즈마는 본질적으로 긴 수명을 지닌다. 자기 구속식 에어 플라즈마는 밀리초 내지 수 초 또는 심지어 분 정도의 수명을 지닐 수 있다.

플라즈마의 밀도는 장치의 압력을 1 ATM 내지 2000 ATM 또는 이를 초과하는 범위로 증가시킬 수 있는 가압 시스템을 사용하여 증가될 수 있다. 게다가, 장치 내 및/또는 주위 에어는 생성된 에어 플라즈마의 사이즈 및 전자 밀도를 최적화하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 장치 내 및/또는 주위 에어는 나노입자 또는 여러 화학적 화합물이 시드로 형성된 하나 이상의 가스 혼합물 또는 가스를 포함할 수 있다.

여러 실시예에서, 자급식 에어 플라즈마는 적어도 10¹⁰/㎤의 전자 밀도를 지니고 10¹⁹/㎤만큼 높을 수 있다. 게다가, 장치의 기하학적 형상은 에어 플라즈마를 환형 구조를 형성하게 한다.

도 1은 환형 에어 플라즈마 생성기의 실시예를 도시한 도면;
도 2는 에어 플라즈마 생성 장치의 일 실시예의 사진;
도 3은 에어 플라즈마 생성 장치의 일 실시예의 측면 사진;
도 4는 일 실시예에 따른 주 고전압 회로의 개략 레이아웃;
도 5는 일 실시예에 따른 환형 에어 플라즈마의 고속 이미지;
도 6a 및 도 6b는 일 실시예에 따른 환형 에어 플라즈마의 단면도를 제공하는 사진;
도 7은 일 실시예에 따른 환형 에어 플라즈마를 형성하는 방법을 표시한 흐름도.

본 발명은, 충분한 지속기간 동안 지속가능하고 여러 응용에 사용될 수 있을 만큼 충분한 전자 밀도를 지니는, 대기압에서 고밀도 에어 플라즈마를 생성하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 대기압에서 에어 플라즈마는 주변 대기압과 실질적으로 같은 압력을 가지는 에어 플라즈마를 말한다. 게다가, 대기압에서 에어 플라즈마는 특수한 고-압력 또는 저-압력 용기를 요구하지 않는다. 일 측면에서, 에어 플라즈마 생성 장치의 기하학적 형상은 에어 플라즈마의 형상 및 자급식 특성을 야기한다. 일단 형성되면, 에어 플라즈마는 지급식이고 추가적인 지원 장비를 요구하지 않는다. 예를 들어, 에어 플라즈마 생성기는 환형 에어 플라즈마(TAP)를 생성하도록 구성될 수 있다. TAP는 실질적으로 환형 형상을 지니는 에어 플라즈마이다.

예를 들어, 생성된 에어 플라즈마는 삼중수소(Tritium)-삼중수소 또는 중수소(Deuterium)-삼중수소 반응 또는 임의의 다른 개선된 융합 사이클, 또는 플라즈마 커패시터를 위한 융합 소스로 사용되는 충격파 완화를 위해 사용될 수 있다. 게다가, 생성된 에어 플라즈마는 테이저(Taser)와 같은 전기충격 무기를 포함하나 이들로 제한되지 않는 비치명적인 응용에 사용될 수 있다. 에어 플라즈마는 또한 반도체 처리, 폴리머 변성, 지시된 에너지 적용, 마이크로파 생성, 에너지 저장 및 생성, 반도체 제조를 위한 UV 생성, 플라즈마 채프(plasma chaff), 표면 소독, 및 원격 거리에서 마이크로파 채널을 포함하는 플라즈마 표면 변성을 포함하나 이들로 제한되지 않는 다수의 산업용 응용에 사용될 수 있다. 에어 플라즈마는 또한 터빈, 연소 엔진, 및 로켓 엔진을 위한 점화 소스로 사용될 수 있다. 생성된 플라즈마는 또한 다른 응용에 사용될 수 있고, 예를 들어, 생성된 에어 플라즈마는 구상 번개(ball lightning)의 전구체(precursor)일 수 있다.

에어 플라즈마 생성기 장치

환형 에어 플라즈마(TAP)를 생성하는 에어 플라즈마 생성 장치(100)의 실시예가 도 1-3에 도시된다. 본 장치(100)는 주 고전압 회로(104) 및 부 회로(106)와 전기적으로 통신하는 TAP 생성기(102)를 포함한다.

TAP 생성기(102)는 유한 지속기간을 지니는 일반적으로 (130)으로 지시된 TAP 방출물을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, TAP 생성기(102)는 폭발 와이어(108)를 사용하여 TAP 방출물(130)을 형성한다.

도시된 바와 같이, 폭발 와이어(108)는 TAP 생성기(102) 내에 위치된 단일 와이어 스트랜드(strand)로 형성될 수 있다. 대안적으로, 폭발 와이어(108)는 TAP 생성기(102) 내 좌우로 직조되거나 루프로 형성된 단일 와이어 스트랜드로 구성되어, 와이어의 다수의 길이들이 동시에 폭발될 수 있게 할 수 있다. 여러 다른 실시예에서, 폭발 와이어(108)는 이산 또는 루프 형성된 다수의 와이어 스트랜드로 구성될 수 있다.

예로서 및 비제한적으로, 폭발 와이어(106)는 40-게이지의 구리 와이어일 수 있으나; 에어에서 가열되고 기화되는 임의의 적절한 와이어가 사용될 수 있다. 다른 예에서, 폭발 와이어(108)는 00 AWG 내지 80 AWG 범위에 이르는 임의의 와이어 게이지일 수 있다. 게다가, 폭발 와이어(108)는 중실 와이어(solid wire), 도금된 와이어, 다른 물질이 도핑된 와이어, 또는 다른 물질의 와이어-클래드(clad)일 수 있다. 폭발 와이어(108)는 애노드(110)와 캐소드(112) 사이에 매달려 있다. 폭발 와이어(108)를 점화하기 위하여, 고전압 전류가 애노드(110)와 캐소드(112) 사이에 와이어(108)를 통해 인가된다. 여러 실시예에서, 고전압 전류는 폭발 와이어(108)의 적어도 일부를 과열시켜, 이 와이어를 폭발적으로 팽창시킨다.

애노드(110) 및 캐소드(112)는 폭발 와이어(108)가 점화되는 주 점화 영역(114)을 한정한다. 주 점화 영역(114)은 또한 애노드(110)와 캐소드(112) 사이에 공간 부분을 충전하는 비-전도성 주 차폐 물질(116)을 포함한다. 주 차폐 물질(116)은 애노드(110)와 캐소드(112) 사이에 이격 거리와 같은 두께를 지닌다. 일 예에서, 주 차폐 물질(116)은 5㎝ 내지 20㎝의 두께를 지닐 수 있으나; 다른 두께 및 이격 거리를 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 주 차폐 물질(116)은 폭발 와이어(108)를 수용하는 주 세장형의 공동(118)을 한정한다. 세장형의 공동의 직경은 폭발 와이어의 직경보다 더 커서, 폭발 와이어(108)가 주 차폐 물질(116)과 접촉하지 않아, 폭발 와이어(114)가 대기압의 에어에서 점화할 수 있게 한다. 주 세장형의 공동(118)은 폭발 와이어(108)로부터 폭발 후에 세장형의 공동 내에 (120)으로 지시된 에어의 방사방행 팽창을 제한한다. 폭발시 모멘텀과 함께 에어의 방사방향 팽창(120)을 제한하는 것은 주 점화 영역(114)에서 에어를 팽창시키는 속도를 지시한다.

폭발 와이어(108)의 조성은 또한 에어 플라즈마를 형성하는데 기여할 수 있다. 예로서 및 비제한적으로, 와이어(108)의 폭발은 전자, 이온, 플라즈마, UV 파 및/또는 금속 입자, 및 TAP 방출물(130)의 형성을 증대시킬 수 있는 다수의 다른 조건의 충격파를 생성한다. 폭발 와이어(108)는 또한 TAP 생성기(102)의 부 점화 영역(122)에 있는 가스 분자에 모멘텀을 부여하는 압력 펄스를 생성한다. 유사하게, 폭발 와이어(108)는 에너지 및 모멘텀을 부 점화 영역(122) 내 TAP 방출물(130)에 부여한다.

일 실시예에서, 주 세장형의 공동(118)은 일반적으로 원통형이다. 또 다른 실시예에서, 주 세장형의 공동(118)은 나선형의 형태를 지닌다. 유사하게, 주 세장형의 공동(118)의 다른 형태를 사용할 수 있으나, 모든 실시예에서, 폭발 와이어(108)로부터 TAP 방출물(130)은 실질적으로 세장형의 공동의 중심 축의 축을 따라 축방향 가속으로 제한되어 부 점화 영역(122)에 TAP 방출물(130)을 형성하고 성형하는 것을 도와주는 경계 조건을 생성하게 한다.

부 점화 영역(122)은 부분적으로 캐소드(112) 및 가속기 전극(124)으로 한정된다. 일 실시예에서, 캐소드(112) 및 가속기 전극(124)은 메쉬 또는 스크린을 포함하나 이들로 제한되지 않는 반투과성 물질이어서, TAP 방출물(130)은 캐소드 및 가속기 전극을 횡단할 수 있다. 예로서 및 비제한적으로, 가속기 전극(124)은 스테인레스 스틸 또는 임의의 다른 반투과성 전도성 물질로 구성될 수 있다.

부 점화 영역(122)은 부 차폐 물질(126)을 포함한다. 부 차폐 물질(126)은 비-전도성이고 주 차폐 물질(116)과 동일한 조성을 지닐 수 있다. 대안적으로, 부 차폐 물질(126)은 주 차폐 물질(116)과 상이한 조성을 지닐 수 있다.

일 실시예에서, 부 차폐 물질(126)은 캐소드(112)와 가속기 전극(124) 사이의 이격 거리와 같은 두께를 지닌다. 일 예에서, 부 차폐 물질(126)은 캐소드(112)와 가속기 전극(124) 사이의 거리에 따라 대략 2㎜ 내지 2㎝에 이르는 두께를 지니지만; 다른 두께 및 이격 거리를 사용할 수 있다. 부 차폐 물질(126)은 또한 주 차폐 물질(116)의 주 세장형의 공동(118)과 축방향으로 정렬된 부 공동(128)을 한정한다.

일 실시예에서, 부 공동(128)의 직경은 주 세장형의 공동(118)의 직경보다 커서 TAP 방출물(130)이 부 점화 영역(122)을 통해 또는 대안적으로 이 영역 내에 형성될 때 팽창하게 한다. 또 다른 실시예에서, 부 공동(128)의 직경은 주 세장형의 공동(118)의 직경 이하일 수 있다. 유사하게, 부 공동의 길이는 제1 세장형의 공동의 길이를 초과하거나 이 길이와 동일하거나 이 길이 미만일 수 있다. 여러 다른 실시예에서, 부 점화 영역(122)은 선택적으로 서로 및 주 세장형의 공동(118)과 평행하게 정렬될 수 있는 다수의 공동을 구비한다.

단일 주 점화 영역(114) 및 단일 부 점화 영역(122)이 도 1 내지 도 3에 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 다중 점화 영역을 사용하여 TAP 방출물(130)의 효과를 더 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 다중 플라즈마 소스는 다수의 주 점화 영역에서 점화될 수 있고 및/또는 다중 부 점화 영역을 사용하여 TAP 방출물(130)을 증폭, 가속, 증대 및/또는 성형할 수 있다.

여러 실시예에서, 주 공동 및 부 공동의 직경은 에어 플라즈마의 직경을 증가 또는 감소시키고 에어 플라즈마의 속도를 증가 또는 감소시키도록 형성되거나 다른 방식으로 구성될 수 있다. 자급식 에어 플라즈마의 기하학적 형상은 또한 에어 플라즈마 생성 장치(100) 및 주변 환경의 최적화를 통해 개선될 수 있다. 예를 들어, TAP 생성기는 구상 번개와 유사한 안정적인 플라즈마 덩어리 또는 플라즈마 구(sphere)를 생성하도록 구성될 수 있다.

TAP 생성기(102)는 고전압 펄스를 애노드(110) 및 캐소드(112)에 전달하도록 구성된 주 고전압 회로(106)에 전기적으로 연결된다. TAP 생성기(102)는 또한 부 점화 영역(122)에 있는 플라즈마를 통해 에너지를 방출시키도록 구성된 부 회로(106)에 전기적으로 연결된다.

주 고전압 회로(106)는 하나 이상의 커패시터 뱅크, 하나 이상의 고전압 전력 소스, 및 하나 이상의 고전압 스위치, 및 고전압 펄스를 애노드(110) 및 캐소드(112) 양단에 전달하는 적절한 펄스 생성 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 주 고전압 회로(106)는 대략 2 ㎸ 내지 대략 100 ㎸로 활성화된 커패시터 뱅크를 포함하여 10 ns 내지 200㎳ 펄스의 지속기간을 가지는 고전압 펄스를 애노드(110) 및 캐소드(112)를 통해 폭발 와이어(108)에 전달한다. 이 실시예에서, 애노드(110)는 고체이거나 또는 반투과성 전도체인 반면 캐소드(112)는 반투과성 전도체이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 주 고전압 회로(106)의 특정 실시예는 다수의 저항기(402A-C), 하나 이상의 인덕터 인덕터(404), 및 하나 이상의 커패시터 또는 커패시터 뱅크(406)를 포함하는 RLC 회로(400)이다. 주 고전압 회로(106)는 또한 전력 소스(408), 3개의 판으로 가압된 에어 갭 스위치(410), 애노드(110)에 연결된 리드(lead)(412), 캐소드(112)에 연결된 다른 리드(414), 및 일반적으로 (416)으로 지시된 스위치 및 다이오드를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 추가적인 보호 및 안전 회로를 포함한다.

일 실시예에서, 전력 소스(408)는 대략 30㎸를 주 고전압 회로(106)에 공급하는 직류(DC) 전력 소스이다. 커패시터 뱅크(406)는 대략 4.4 kJ를 저장하고 방출하는 대략 11μF의 커패시턴스를 지녀 와이어(108)를 통해 6㎄, 46㎲ 전류 펄스(full-width half maximum)를 생성하여, 와이어를 폭발하게 한다. 인덕터(404)는 일반적으로 11.77 μH 에어-코어 인덕터이다. 인덕터(404) 및 5.5Ω 수성-전해질 성형 저항기(402A)가 전류 펄스를 성형하는데 사용된다.

회로 인덕턴스 및 저항은 와이어(108)로 전달되고 누적되는 전류 및 에너지의 양에 영향을 미치는 가변 파라미터이다. 와이어(108)에 전달되는 전류 펄스에 대한 회로 인덕턴스의 효과를 결정하기 위하여, 에어 코어 인덕터(404)는, 여러 실시예에서 0.6 μH 및 27.5 μH의 인덕턴스 값을 지니는 다른 인덕터로 대체되었다. 유사하게, 다른 실시예에서, 수성-전해질 저항기는 대략 20Ω 내지 대략 300 mΩ의 저항을 지니는 저항기로 대체되었다. 수성-전해질 저항기는 또한 사용되지 않을 수 있다.

주 고전압 회로(104)의 인덕턴스를 가변시킬 때, 대략 5.2Ω의 저항을 가지는 성형 저항기(402A)가 사용되었다. 또한, 인덕터(404)는 저항기(402A)의 저항이 가변될 때 대략 11.77 μH의 저항을 가졌다.

일반적인 11.77 μH 인덕터(404) 및 일반적인 5.2Ω 성형 저항기(402A)를 구비하는 주 고전압 회로(104)에 의해 생성된 전류 펄스는 대략 46.08㎲의 펄스 폭을 가지는 대략 6㎄를 전달한다. 전류 펄스의 피크 및 폭은 인덕턴스의 변화에 따라 변하는 것으로 관측되었다. 예를 들어, 인덕터(404)가 대략 27.5 μH의 인덕턴스를 지닐 때, 와이어(104)로 전달되는 전류 펄스는 대략 5.48㎄의 피크 전류 및 대략 53.55㎲의 펄스 폭을 지녔다. 인덕터(404)가 0.6 μH의 인덕턴스를 지닐 때 생성된 전류 펄스는 더 높은 전류(대략 6.88㎄)가 더 작은 펄스 폭(대략 35.9㎲)으로 전달되게 한다. 전통적인 회로 이론에 비추어 기대되는 바와 같이, 인덕턴스가 증가함에 따라 전류 펄스는 진폭은 감소하지만 펄스 폭이 더 확산되는 것으로 관측되었다. 나아가, 주 고전압 회로(104)의 인덕턴스를 가변시켜도 TAP 방출물(130)의 높이 또는 지속기간에 상당한 변화를 초래하지 않은 것으로 관측되었다. 유사하게, 상당한 효과가 TAP 방출물(130)에 의해 거리 진행된 데이터에서 관측되지 않았다. 그리하여, 주 고전압 회로(104)의 인덕턴스는 생성된 TAP을 감소시킴이 없이 에어 플라즈마 생성 장치(100)의 원하는 응용에 따라 변할 수 있다.

그러나, 역으로, 주 고전압 회로(104)의 저항을 변화시키면, 생성된 TAP에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 성형 저항기(402A)의 저항이 대략 5.2Ω인 일반적인 형태의 주 고전압 회로로부터 전류 펄스는 대략 46.08㎲의 펄스 폭을 가지는 대략 6㎄이다. 그러나, 저항기(402A)가 대략 20Ω의 저항을 지닐 때, 전류 펄스는 대략 130.85㎲의 펄스 폭을 가지는 단지 약 2.02㎄의 피크에 도달한다.

나아가, 일반적인 수성-전해질 저항기(402A)를 회로에서 제거하고 인덕터(404)를 리드(412)를 통해 애노드(110)에 직접 연결하면, 대략 300 mΩ의 스트레이 저항(stray resistance)을 생성한다. 이 형태에서, 주 고전압 회로(104)는 일반적인 오버댐핑(overdamped) 형태가 아니라 언더댐핑(underdamped)된다. 그리하여, 최종 전류는 대략 23.6㎄의 피크에 도달하는 동안 대략 288㎲로 약 4배 발진한다.

저항기(402A)의 저항을 변화시키면 TAP 방출물(130)의 사이즈 및 지속기간에 상당한 차이를 양산한다. 예를 들어, 저항기(402A)가 대략 20Ω의 저항을 지니면 TAP 방출물(130)은 대략 5.2Ω의 성형 저항에 비해 더 짧은 지속기간 및 더 작은 직경을 지닌다. 나아가, 저항기(402A)가 제거되거나 다른 방식으로 감소되어 대략 300 mΩ의 저항을 양산하면, TAP 방출물(130)은 대략 직경이 2배이고 5.2Ω 저항기를 가지는 TAP 방출물에 비해 더 긴 지속기간을 지닌다. 추가적으로, 성형 저항기(402A)를 위 300 mΩ 저항기를 구비하여 생성된 TAP 방출물(130)은 성형 저항기를 위해 20Ω 저항기 또는 5.2Ω 저항기를 사용하여 생성된 TAP 방출물과 대략 2배 멀리 진행한다. 이 형태에서, 추가적인 에너지는 폭발 와이어(108)에 의해 형성된 TAP 방출물(130)에 누적된다. 이것은 TAP 방출물(130)의 지속기간과 볼륨의 증가를 초래하고 적어도 부분적으로 주 고전압 회로(104)의 댐핑의 감소로 야기될 수 있다.

바람직하게는, 부 회로(106)는 TAP 방출물(130)을 가열하는데 적절한 전압으로 충전된 커패시터 뱅크를 포함한다. 예를 들어, 부 고전압 회로(106)가 100V 내지 300V로 충전되면, TAP 방출물(130)이 부 점화 영역(122)에 들어가면 캐소드(112)와 가속기 전극(124) 사이에 회로를 완성한다. 부 고전압 회로(106)에 의해 부여되는 에너지는 TAP 방출물(130)의 지속기간 및 속도를 개선시킨다. 일 실시예에서, 부 고전압 회로(106)는 주 고전압 회로(106)와 동일한 고전압 전력 소스에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 부 고전압 회로(106)는 또 다른 고전압 소스에 의해 전력 공급된다. 더 다른 실시예에서, 주 고전압 회로(106) 및 부 고전압 회로(106)는 단일 고전압 시스템으로 병합될 수 있다.

예로서 및 비제한적으로, 부 회로(106)는 부 점화 영역(122)의 플라즈마를 가열하기 위해 대략 250 V로 충전되는 부 8.8 mF 전해 커패시터 뱅크(132)를 포함할 수 있다. 폭발 후에 가열하면 TAP 방출물(130)의 사이즈 및 지속기간 모두를 개선시키는 것을 볼 수 있다.

부 회로(106)로 제공된 추가적인 가열은 또한 TAP 방출물(130)의 환형 형상을 형성하는 역할을 한다. 예를 들어, 부 차폐 물질(126)로 한정된 세장형의 공동(128)은 와이어(104)의 폭발에 의해 생성된 플라즈마가 팽창하게 한다. 팽창 동안, 캐소드(112)와 가속기 애노드(124) 사이의 영역이 플라즈마로 충전되면, 부 커패시터 뱅크(132)는 저장된 에너지를 플라즈마를 통해 방출한다. 일 실시예에서, 부 커패시터 뱅크(132)로부터 플라즈마로 인출된 400A 전류는 대략 4㎳의 펄스 폭을 지닌다. 부 커패시터 뱅크(132)로부터 방전된 후에, TAP 방출물(130)의 벌크는 부 점화 영역(122)에 남아있고 도 5에 도시된 바와 같이 TAP 생성기(102)로부터 빠져나가는 방출물의 일부분(134)으로부터 이탈한다. TAP 방출물(130)의 벌크가 나머지 부분으로 분리된 후, 커패시터 뱅크(132)는 TAP 생성기(102)의 나머지 플라즈마를 계속 방전시키고 활성화시킬 수 있다.

TAP 방출물(130)의 환형 구조(500)의 전개 단면도가 도 5에 도시된다. 점화 후 대략 제1 밀리초 동안, 방출물(130)은 부 점화 영역(122)으로부터 여전히 팽창하고 매우 균일한 프로파일을 구비한다. 점화 시로부터 대략 1.5㎳ 후에, 환형 형상은 이 형상을 시작한다. 이들 2개의 이미지는 점화 시로부터 6㎳ 및 7㎳에서 환형 방출 형상을 도시한다. 도 5는 또한 부 점화 영역(122) 내 나머지 방출물(134)을 도시한다.

일 실시예에서, TAP 방출물(130)은 TAP 생성기(102)로부터 대략 30㎝를 진행하는 동안 최대 15㎳ 지속할 수 있다. 다른 실시예에서, TAP 방출물(130)은 밀리초 내지 수 초 및 수 분 범위의 수명을 지닐 수 있다. TAP 방출물(103)의 환형 구조(400)는 직경이 대략 12㎝로 팽창할 수 있다. 다른 실시예에서, 환형 구조(400)는 12㎝ 미만 또는 초과하는 직경을 포함하는 다른 직경으로 팽창할 수 있다. TAP의 전자 밀도는 바람직하게는 적어도 10¹⁰/㎤이고 10¹⁹/㎤만큼 높을 수 있다. 여러 실시예에서, 전자 밀도는 부 점화 영역(122)에 있는 동안 플라즈마를 통과하는 측정된 전류에 기초하여 대략 10¹⁴ 내지 10¹⁵/㎤에 기초하여 결정된다.

플라즈마의 밀도는 장치의 압력을 1 ATM 내지 2000 ATM 이상의 범위로 증가시킬 수 있는 가압 시스템(미도시)을 사용하여 증가될 수 있다. 나아가, 장치 내 및/또는 주위 에어는 생성된 에어 플라즈마의 사이즈 및 전자 밀도를 최적화하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 장치 내 및/또는 주위 에어는 나노입자 또는 여러 화학적 화합물이 시드로 형성된 하나 이상의 가스 혼합물 또는 가스를 포함할 수 있다.

여러 실시예에서, 와이어(108)의 폭발로 생성된 열 및 충격파의 방사방향 팽창(120)은 주 및 부 공동(118 및 128) 내에 각각 한정된다. 폭발 와이어(108)로부터 방출물은 이에 따라 주 세장형의 공동(118) 및 부 공동(128)의 축을 따라 축방향 팽창을 따라 주로 발산된다. 이것은 TAP 방출물(130)에 유체 역학 효과를 부여하며 그리하여 TAP 생성기(102)의 기하학적 형상은 TAP 방출물(130)의 자급식 특성에 적합하다.

폭발 와이어(108)로부터 초기 축방향 팽창 및 부 점화 영역(122)에서 부수적인 여기의 결합된 효과는 환형 구조(400)의 형성을 초래한다. 여러 다른 실시예에서, 부 점화 영역(122)은 에너지를 TAP 방출물(130)로 전달할 수 있는 임의의 기하학적 형상을 지닐 수 있다. 이 실시예에서, TAP 방출물(130)의 광의 후속적인 흡수 및 방출 및 온도는 부 점화 영역(122)의 기하학적 형상에 기초하여 특정 요구조건으로 맞춰질 수 있다. 부 점화 영역(122)의 플라즈마로 전달되는 에너지의 지속기간 및 양은 원하는 응용에 필요한 TAP 방출물(130)의 특성을 생성하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 부 점화 영역(122)의 TAP 방출물에 부여되는 에너지를 증가시키는 것에 의해, TAP 방출물의 수명은 밀리초에서 분으로 연장되어 플라즈마의 장거리 투사(long-range projection)를 허용할 수 있다.

TAP 생성기(102)가 초기 플라즈마 소스로서 폭발 와이어(108)를 사용하여 설명되었으나, 다른 플라즈마 소스를 사용할 수 있다. 예로서 및 비제한적으로, 다른 플라즈마 소스는 폭약, 퍼프 가스 플라즈마, 중공 캐소드 플라즈마, 마이크로파 구동 소스, 고전력 레이저 어레이, 레일건, 초고속도 플라즈마 가속기, 및 이온화된 입자를 생성하도록 높은 반복 속도를 지니는 임의의 다른 플라즈마 소스를 포함한다. 이 실시예에서, 플라즈마 소스는 플라즈마 코스에 대응하는 적절한 작동 디바이스에 의해 작동된다. 예를 들어, 폭약을 위한 작동 디바이스는 뇌관인 반면, 마이크로파 구동 소스를 위한 작동 디바이스는 마이크로파 생성기이다.

또 다른 예시적인에서, 하나 이상의 레이저는 TAP 방출물(130)을 형성하거나 더 가열하는데 사용된다. 예를 들어, 레이저는 주 점화 영역(114)에 레이저 유도 에어 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 레이저는 부 점화 영역(122) 내 플라즈마 방출물을 가열하는데 사용될 수 있다.

여러 실시예에서, 에어 플라즈마 생성 장치(100)는 단일 또는 다중-숏 동작(shot operation)을 위해 구성된다. 그리하여, 에어 플라즈마 생성 장치(100)는 높은 반복 속도에서 단일 또는 다중 자급식 에어 플라즈마를 생성할 수 있다.

환형 에어 플라즈마

TAP 방출물(130)은 제1 주 세장형의 공동(118)으로부터 팽창할 때 폭발 와이어(108)의 점화 직후 매우 균질한 프로파일을 구비한다. 일 실시예에서, TAP 방출물(130)은 점화로부터 대략 1.5㎳ 후에 환형 구조(400)를 취하기 시작한다. TAP 방출물(200)의 환형 구조(400)는 도 5A 및 5B에서 점화 후에 대략 6㎳ 및 대략 7㎳에 각각 도시된다. 도 6A 및 6B는 또한 부 점화 영역(122) 내 TAP 방출물(130)의 부 점화(600)를 도시한다. TAP 방출물(130)이 TAP 생성기(102)를 빠져나가면, 방출물은 환형 구조(400)의 보다 작은 반경에 회전 플라즈마 영역 뿐 아니라 자체 자기장(self-magnetic field)을 생성하는 순환 전류 또는 전계 역전을 지닌다. 자체 자기장은 TAP 방출물(130)을 한정하고 TAP 방출물의 수명을 상당히 증가시켜 자가 지속적인 대기 가스 분자와 에어 플라즈마의 분자를 재결합할 수 있는 상호작용을 감소시키는 것에 의해 TAP 방출물을 효과적으로 발생시킨다.

여러 실시예에서, TAP 방출물은 대략 2-30㎳ 동안 지속될 수 있고 최대 200 m/s에서 TAP 생성기(102)로부터 대략 10 내지 40㎝를 진행할 수 있다. 환형 형상(500)은 직경이 최대 대략 12㎝까지 팽창할 수 있다. TAP 방출물(130)의 전자 밀도는 부 점화 영역(122)의 방출물의 부수적인 가열 동안 TAP 방출물(130)을 통과하는 측정된 전류에 의해 결정된 대략 10¹⁴ 내지 10¹⁵/㎤이다. 여러 다른 실시예에서, TAP 방출물(130)은 더 높은 에너지, 밀도로 스케일러블가능하고 다수의 개선된 응용에 사용될 수 있다.

예를 들어, 1 킬로주울(kilojoule) 내지 1 기가주울(gigajoule) 이상의 에너지는 부 점화 영역(122)에서 TAP 방출물(130)에 부여될 수 있다. 에너지를 증가시키면 TAP 방출물(130)의 수명을 밀리초 정도에서 분으로 증가시킬 수 있어 TAP 방출물의 장거리 투사를 허용할 수 있다.

도 7은 TAP 방출물(130)을 생성하는 방법(700)의 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 단계(702)에서, 제1 고전압 펄스는 애노드(110), 캐소드(112), 및 주 점화 영역(114)의 폭발 와이어(108)에 걸쳐 인가된다. 제1 고전압은 와이어를 폭발시켜 TAP 방출물(130)을 생성한다. 단계(704)에서, AP 방출물의 방사방향 팽창은 TAP 방출물이 와이어의 길이방향 축을 따라 캐소드(112) 및 가속기 전극(124)에 의해 제2 점화 영역으로 진행하도록 제한된다.

제2 점화 영역(122)에서, 제2 고전압 펄스는 캐소드(112) 및 가속기 전극(124) 양단에 인가되어 단계(706에서 TAP 방출물(130)을 더 가열하고 팽창시킨다. 부 점화 영역(122) 내에, TAP 방출물은 자가 지속되어 환형 구조(200)를 취한다. 단계(708)에서, 자급식 TAP 방출물은 제2 점화 영역(122)으로부터 방출되고, 여기서 충격파 또는 다른 전행파의 효과를 완화시키는데 사용될 수 있다.

환형 에어 플라즈마를 생성하는 예시적인 방법

예로서 및 비제한적으로, 방출물(130)과 같은 TAP 방출물을 생성하는 예시적인 방법이 제공된다. 에어 플라즈마 생성 장치(100)의 주 고전압 회로(104)는 TAP 생성기(102) 내에 40 AWG 은(silver)-도금된 구리 와이어(108)의 2개의 스트랜드를 통해 대략 200㎲ 펄스의 지속기간 동안 4㎄ 펄스를 전달하기 위해 대략 30㎸로 활성화된 11 μF 커패시터 뱅크를 포함한다. 와이어(108)에 연결된 애노드(110)는 구리 스크린인 반면 캐소드(112)는 스테인레스 스틸 스크린이었다. 주 차폐 물질(116)은 두께 대략 10㎝를 가지는 폴리카보네이트 물질이고 세장형의 공동(118)은 대략 1.25㎝의 직경을 지녔다.

부 회로(106)는 TAP 방출물(130)을 가열하는데 250V로 충전된 8.8 mF 전해 커패시터 뱅크(132)를 사용하였다. 부 주 차폐 물질(126)은 플라스틱 대략 7㎜ 두께이고 직경이 대략 3㎝를 가지는 또 다른 세장형의 공동(128)을 한정하였다. 부 회로(106)는 대략 400A을 대략 4㎳에 걸쳐 TAP 방출물(130)에 방출하였다. TAP 생성기(102)를 빠져나가는 TAP 방출물(130)은 부 가열 동안 방출물을 통과한 측정된 전류로 결정된 대략 10¹⁶ 내지 10¹⁷/㎤의 전자 밀도를 지닌다.

본 발명의 디바이스 및 방법은 여러 실시예의 형태로 포함될 수 있으나, 단지 몇몇 만이 위에서 기술되고 표시된 것으로 이해된다. 본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적 특성으로부터 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 측면에서 단지 예시를 위해 비 제한적인 것으로 고려되고, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 정해진다. 청구범위의 의미 및 균등범위 내에 있는 모든 변경은 본 발명의 범위 내에 포섭된다.

Claims

대기압에서 자급식 에어 플라즈마(self-contained air plasma)를 생성하는 방법으로서,
제1 점화 영역에서 상기 에어 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계; 및
고전압 펄스를 제2 점화 영역에 있는 상기 에어 플라즈마에 인가하는 단계를 포함하되,
상기 고전압 펄스는 상기 에어 플라즈마를 상기 제2 점화 영역에서 팽창시키고 가속시키며 자급식으로 되게 하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 에어 플라즈마는 플라즈마 소스로부터 생성되고, 상기 플라즈마 소스는 폭발 와이어, 폭약, 퍼프 가스 플라즈마(puffed gas plasma), 중공 캐소드 플라즈마, 레이저, 레일건, 초고속도 플라즈마 소스 및 마이크로파-구동 플라즈마 소스로 구성된 군 중 적어도 하나의 요소인 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계는,
상기 제1 점화 영역 및 상기 제2 점화 영역의 길이방향 축과 평행한 방향으로 상기 에어 플라즈마의 팽창을 포커싱하는 상기 에어 플라즈마 소스 주위에 차폐 물질을 제공하는 단계를 더 포함하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 고전압 펄스를 상기 에어 플라즈마에 인가하는 단계는,
상기 고전압 펄스를 에어 갭에 의해 분리된 캐소드와 전극 양단에 인가하는 단계를 더 포함하며, 상기 에어 플라즈마는 상기 캐소드와 상기 전극 사이에 회로를 완성하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제4항에 있어서, 상기 에어 플라즈마는 상기 캐소드 및 상기 전극으로부터 멀어지게 가속되고 자가 구속식(self-confining) 구조를 형성하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제5항에 있어서, 상기 자가 구속식 구조는 환형 구조 또는 구상 구조인 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 자급식 에어 플라즈마는 적어도 10¹⁰/㎤의 전자 밀도를 지니는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하기 위한 장치로서,
플라즈마 소스를 포함하도록 제1 길이방향 공동하는 제1 차폐 물질을 포함하는 주 점화 영역;
상기 플라즈마 소스로부터 에어 플라즈마를 생성하도록 상기 주 점화 영역과 통신하는 점화 디바이스;
상기 주 점화 영역에 인접하며, 제2 길이방향 공동을 한정하는 제2 차폐 물질을 포함하는 부 점화 영역; 및
적어도 하나의 커패시터를 포함하는 고전압 회로를 포함하되,
상기 제2 길이방향 공동은 상기 에어 플라즈마를 수용하도록 상기 제1 길이방향 공동과 유체 이동가능하게 연통하며,
상기 고전압 회로는 전압 소스와 통신하며 고전압 펄스를 상기 에어 플라즈마에 인가하며, 상기 고전압 펄스는 상기 에어 플라즈마를 가열하고 상기 장치로부터 멀어지게 가속시켜 상기 대기압에서 상기 자급식 에어 플라즈마를 형성하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
제8항에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 폭발 와이어, 레이저, 폭약, 퍼프 가스 플라즈마, 중공 캐소드 플라즈마, 레일건, 초고속도 플라즈마 소스 및 마이크로파-구동 플라즈마 소스로 구성된 군 중 적어도 하나의 요소인 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
제8항에 있어서, 상기 제2 길이방향 공동은 원통형이고 상기 자급식 에어 플라즈마는 자가 구속식 구조를 형성하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
제10항에 있어서, 상기 자기 구속식(self-confined) 구조는 환형 구조 또는 구상 구조인 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
제8항에 있어서, 상기 자급식 에어 플라즈마는 적어도 10¹⁰/㎤ 이상의 전자 밀도를 지니 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
대기압에서 자급식 환형 에어 플라즈마를 생성하는 방법으로서,
와이어 양단에 제1 고전압 펄스를 인가하여 상기 와이어를 폭발시켜 애노드와 캐소드 사이의 제1 점화 영역에 상기 에어 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계로서, 상기 에어 플라즈마는 상기 와이어의 길이방향 축과 평행하게 상기 캐소드와 가속기 전극 사이의 제2 점화 영역으로 진행하는 것인, 상기 제한하는 단계;
제2 고전압 펄스를 상기 캐소드와 상기 가속기 전극 양단에 인가하여 상기 에어 플라즈마를 가열하는 단계로서, 가열된 에어 플라즈마는 팽창하여 환형 구조를 형성하는 것인, 상기 가열하는 단계; 및,
대기압에서 상기 제2 점화 영역으로부터 상기 자급식 환형 에어 플라즈마를 방출하는 단계를 포함하는, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제13항에 있어서,
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 강성인 전기적으로 절연 물질을 제공하는 단계를 더 포함하되, 상기 물질은 상기 와이어 주위에 세장형의 공동(elongated cavity)을 한정하고 상기 세장형의 공동은 상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제14항에 있어서, 상기 세장형의 공동은 일반적으로 원통형 형태를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제14항에 있어서, 상기 세장형의 공동은 일반적으로 나선형의 형태를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제14항에 있어서,
상기 캐소드와 상기 가속기 전극 사이에 제2 강성 전기적으로 절연 물질을 제공하는 단계를 더 포함하되, 상기 제2 물질은 상기 에어 플라즈마를 수용하도록 제2 세장형의 공동을 한정하는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제17항에 있어서, 상기 제2 세장형의 공동은 상기 제1 세장형의 공동보다 더 큰 직경을 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제17항에 있어서, 상기 제2 세장형의 공동은 상기 제1 세장형의 공동보다 더 작은 직경을 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제17항에 있어서, 상기 제2 세장형의 공동은 일반적으로 원통형 형태를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제17항에 있어서, 상기 제2 세장형의 공동은 일반적으로 나선형의 형태를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제13항에 있어서, 상기 와이어는 00 게이지 내지 80-게이지의 범위의 게이지를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제13항에 있어서, 상기 제1 고전압 펄스는 10㎸ 내지 50㎸이고, 10㎲ 내지 200㎳의 지속기간을 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제13항에 있어서, 상기 제2 고전압 펄스는 100V 내지 300V이고, 1㎳ 내지 200㎳의 지속기간을 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
제13항에 있어서, 상기 자급식 환형 에어 플라즈마는 적어도 10¹⁰/㎤의 전자 밀도를 지니는 것인, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성방법.
대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하기 위한 장치로서,
애노드와 반투과성 캐소드 사이에 위치된 제1 차폐 물질로 한정된 주 점화 영역으로서, 상기 제1 차폐 물질이 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 연장되어 이들과 통신하는 전도성 와이어를 포함하도록 제1 길이방향 공동을 구비하는 것인, 상기 주 점화 영역;
적어도 하나의 전압 소스 및 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 주 고전압 회로로서, 상기 주 고전압 회로가 상기 애노드 및 상기 캐소드와 통신하며 상기 애노드 및 캐소드 양단에 제1 고전압 펄스를 인가하여 상기 와이어를 폭발시켜 플라즈마를 생성하며, 상기 제1 길이방향 공동은 상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 것인, 상기 주 고전압 회로;
상기 캐소드와 반투과성 전극 사이에 위치된 제2 차폐 물질로 한정된 부 점화 영역으로서, 상기 제2 차폐 물질이 상기 캐소드와 상기 전극 사이에 연장되는 제2 길이방향 공동을 구비하며, 상기 제2 길이방향 공동은 상기 에어 플라즈마를 수용하도록 상기 제1 길이방향 공동과 유체 연통가능한 것인, 상기 부 점화 영역; 및
적어도 하나의 다른 커패시터를 구비하고 상기 전압 소스와 통신하는 부 고전압 회로로서, 상기 부 고전압 회로가 상기 캐소드 및 상기 전극과 더 통신하고 상기 캐소드와 상기 전극 사이의 갭 양단에 제2 고전압 펄스를 인가하며, 상기 제2 고전압 펄스는 상기 부 점화 영역 및 상기 전극을 횡단할 때 상기 에어 플라즈마를 가열하고 가속시켜 대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 형성하는 것인, 상기 부 고전압 회로를 포함하는, 자급식 환형 에어 플라즈마의 생성장치.
제26항에 있어서, 상기 제2 길이방향 공동은 일반적으로 원통형이고 상기 제1 길이방향 공동보다 더 큰 직경을 지니므로, 상기 자급식 에어 플라즈마는 상기 전극을 횡단할 때 환형 구조를 형성하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
제26항에 있어서, 상기 자급식 에어 플라즈마는 적어도 10¹⁰/㎤ 이상의 전자 밀도를 지니는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성장치.
대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 방법으로서,
제1 점화 영역에 상기 에어 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 제1 영역으로부터 상기 에어 플라즈마의 팽창 속도를 지시하는 단계; 및
에너지를 부 점화 영역의 상기 에어 플라즈마에 부여하는 단계를 포함하되,
상기 부여된 에너지는 상기 에어 플라즈마를 상기 제2 점화 영역에서 팽창시키고 가속시켜, 자급식으로 되게 하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.
대기압에서 자급식 에어 플라즈마를 생성하는 방법으로서,
제1 점화 영역에 상기 에어 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 에어 플라즈마의 방사방향 팽창을 제한하는 단계; 및
에너지를 부 점화 영역의 상기 에어 플라즈마에 부여하는 단계를 포함하되,
상기 부여된 에너지는 상기 에어 플라즈마를 상기 제2 점화 영역에서 팽창시켜 가속시켜서, 자급식으로 되게 하는 것인, 자급식 에어 플라즈마의 생성방법.