專利名稱：用于壓縮等離子體的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本公開涉及用于壓縮等離子體的系統(tǒng)和方法的實施例。在特定的這樣的實施例中，使用液態(tài)金屬漏斗來壓縮等離子體環(huán)。
背景技術：
用于將等離子體加熱和壓縮到高溫和高密度的各種系統(tǒng)已經得到描述。在下文中描述了一種用于通過在液體介質中的大幅度聲壓波的球形聚焦來實現等離子體加熱和壓縮的手段在2006年9月7日公布的、題目為“Pressure Wave Generator and Controller for Generating a Pressure Wave in a Fusion Reactor，，的美國專利公報 No. 2006/0198486，其由此通過引用被整體包含在此。在這種手段的特定實施例中，在包含液體介質的大體球形容器周圍布置了多個活塞。在液體介質中生成了旋渦或空腔。該活塞被加速并且撞擊該容器的外壁，以產生聲波。在液體介質中產生的聲波會聚和包圍被引入旋渦中的等離子體，由此加熱和壓縮等離子體?？梢栽诶缦挛闹忻枋龅拇呕芯圩?MTF)反應堆中使用在美國專利公報No. 2006/0198486中描述的類型的壓波產生器在2006年9月7日公布的、題目為 "Magnetized Plasma Fusion Reactor” 的美國專利公報 No. 2006/0198483，其由此通過引用被整體包含在此。在特定的這樣的實現方式中，磁化等離子體被引入到在諸如熔融的鉛鋰(PbLi)的液體介質中生成的旋渦內。由圍繞球形反應堆容器的活塞的撞擊產生的聲波可以將磁化等離子體壓縮到高密度和高溫。在上述裝置的一些實施例中，諸如氣流或空氣之類的壓縮氣體可以用于加速活塞。通常，用于等離子體壓縮的期望的活塞撞擊速度具有100m/S的數量級，因此通常使用大約l，300psi的壓縮氣壓來加速活塞。為了實現在一些實現方式中有益或期望的內爆的對稱性，對于每一個活塞精確地控制活塞點火的定時、軌跡和撞擊。例如，對于一些等離子體壓縮實現方式，所有的活塞優(yōu)選地在相對于彼此的大約1微秒內撞擊容器壁。在一些這樣的實現方式中，伺服控制系統(tǒng)可以用于精確地測量每一個活塞的位置，并且控制其軌跡以獲得必要的撞擊時間。雖然從例如成本視點看這樣的機械壓縮系統(tǒng)的特定實施例有吸引力，但是特定的這樣的實現方式可能需要頻繁的維護，特別是在其中活塞點火的重復頻率高的應用中。

發(fā)明內容
公開了用于壓縮等離子體的系統(tǒng)和方法的實施例。一些實施例包括例如通過使用諸如軌道炮的等離子體加速器來電子加速等離子體。該等離子體可以被加速到液態(tài)金屬的漏斗內，在所述漏斗中，該等離子體被進一步壓縮。所述液態(tài)金屬的使用允許獲得高的等離子體密度，因為在一些實施例中，所獲得的壓力可以比通常在設備本身中使用的固態(tài)材料的斷裂點或屈服強度高。在特定實施例中，使用諸如磁化同軸槍的等離子體槍來形成低密度和低溫的球馬克或環(huán)形等離子體。使用等離子體加速器(例如，錐形軌道炮)將該環(huán)形等離子體電子加速、壓縮和加熱到高密度和高溫，所述等離子體加速器向液態(tài)金屬漏斗延伸。在一些實現方式中的所述液態(tài)金屬漏斗可以由諸如熔融的鉛鋰(PbLi)的熔融金屬形成。在各個實施例中，環(huán)形等離子體可以被形成為場反向配置(FRC)或其他緊湊環(huán)。在一些實現方式中，所述等離子體包括可聚變材料，諸如輕元素的同位素(例如， 氘、氚、氦-3、鋰-6和/或鋰-7)。在一些這樣的實現方式中可實現的較高的等離子體密度和/或溫度可以對于聚變反應的啟動是足夠的。一些聚變反應產生中子。因此，所述系統(tǒng)的一些實施例可以被構造為中子源。系統(tǒng)和方法的一些實施例可以提供足夠的聚變反應來出現凈能量產生(例如，在得失平衡之上)。公開了用于壓縮等離子體的設備的實施例。所述設備包括等離子體槍，其被構造來產生等離子體的緊湊環(huán)；等離子體加速器；以及液體漏斗系統(tǒng)。所述等離子體加速器具有第一端、第二端和在所述第一端和所述第二端之間的縱軸。所述等離子體加速器被構造來在所述第一端接收所述緊湊環(huán)，并且沿著縱軸向所述第二端加速所述緊湊環(huán)。所述液體漏斗系統(tǒng)包括液體漏斗，所述液體漏斗具有大體與所述等離子體加速器的縱軸對準的大體上圓柱形的通道。所述通道具有在所述通道的頂端處的第一內徑以及在所述通道的底端處的第二內徑。在一些實施例中，所述第二內徑可以小于所述第一內徑。所述液體漏斗系統(tǒng)被構造來從所述等離子體加速器的所述第二端接收所述緊湊環(huán)，并且當所述緊湊環(huán)沿著所述通道從所述頂端向所述底端移動時壓縮所述緊湊環(huán)。所述系統(tǒng)可以被構造使得所述緊湊環(huán)當在所述頂端之下時的壓力大于所述緊湊環(huán)當在所述頂端之上時的壓力。公開了被構造來用于壓縮等離子體的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)的實施例。所述液態(tài)金屬漏斗包括具有大體圓柱形的通道的液態(tài)金屬漏斗，所述通道具有在所述通道的第一端處的第一內徑和在所述通道的第二端處的第二內徑。所述第二內徑可以比所述第一內徑小。所述液態(tài)金屬漏斗可以被定位使得所述通道的所述第一端比所述通道的所述第二端高。所述液態(tài)金屬漏斗可以被構造來從等離子體注入器接收等離子體，并且當所述等離子體沿著所述通道從所述第一端向所述第二端移動時壓縮所述等離子體。公開了一種用于壓縮等離子體的方法的實施例。所述方法包括產生環(huán)形等離子體；沿著縱向來加速所述環(huán)形等離子體；以及向在液體漏斗中的通道內引入所加速的環(huán)形等離子體。所述通道可以在所述通道的第一端處具有第一尺寸，并且在所述通道的第二端處具有第二尺寸。所述第二尺寸可以小于所述第一尺寸。所述方法也可以包括當所述環(huán)形等離子體從所述通道的所述第一端向所述通道的所述第二端移動時壓縮所述環(huán)形等離子體。


圖IA是示出用于在錐形液態(tài)金屬漏斗中壓縮等離子體的系統(tǒng)的一個實施例的示意截面圖。在這個實施例中，等離子體槍形成緊湊環(huán)，該緊湊環(huán)被等離子體加速器向液態(tài)金屬漏斗加速。圖IB是示出用于在液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)中壓縮等離子體的系統(tǒng)的另一個實施例的示意截面圖。在這個實施例中，所述漏斗系統(tǒng)包括液態(tài)金屬漏斗和大體沿著所述漏斗的中軸布置的軸向液態(tài)金屬導管。在這個實施例中，等離子體加速器包括等離子體限制器，該等離子體限制器包括在加速器的傳播通道中的收縮部分。圖IC是示出用于在液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)中壓縮等離子體的系統(tǒng)的另一個實施例的示意截面圖。在這個實施例中，所述等離子體加速器包括等離子體限制器，該等離子體限制器包括一個或多個磁性線圈。圖ID是用于壓縮等離子體的系統(tǒng)的實施例的透視剖面圖。在圖IC中所示的實施例大體類似于在圖IB中示意地所示的實施例。圖2是指示用于實現各個等離子體密度的勞遜判據的等離子體的能量的示例計算和在各個等離子體密度下的等離子體的磁壓的示例計算的圖形。這些示例計算基于玻姆擴散和下述特定的其他假設。注意，1個氣壓(atm)是大約105Pa。圖3是示出在錐形液態(tài)金屬漏斗內的環(huán)形等離子體的示例的示意截面圖。圖4是示出考慮到在等離子體壓縮系統(tǒng)的示例實施例中可以出現的各種功耗的、 用于實現各個等離子體密度的勞遜判據的等離子體能量的示例計算的圖形。
具體實施例方式已經在過去建立和研究了錐形同軸等離子體球馬克加速器來用于例如X射線產生、托卡馬克加油和等離子體物理研究。然而，最大可獲得的磁壓已經被在設備中使用的固態(tài)材料的強度(例如，固態(tài)材料的斷裂極限、屈服強度或斷裂點)限制。在本手段的特定實施例中，通過使用下面詳細地描述的錐形或漏斗形狀的金屬管，可以獲得的磁壓已經被提高得大大超過這個限制。參考附圖，圖1A-1D示意地圖示可以用于加速和壓縮等離子體的系統(tǒng)1000的幾個實施例。在圖1A-1D中所示的實施例包括等離子體槍100，其被構造來產生環(huán)形等離子體(例如，諸如球馬克的緊湊環(huán))；等離子體加速器110，其被構造來沿著加速器110的縱軸 115來加速等離子體；以及液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120，由加速器110加速的等離子體被引入其中以進一步壓縮。在各個實施例中，等離子體槍100可以包括磁化等離子體槍，該磁化等離子體槍具有基本上與加速器110的縱軸115對準或同軸的槍軸。在一些實施例中，等離子體槍100包括馬歇爾型等離子體槍。在各個實施例中，等離子體加速器110可以包括軌道炮，軌道炮被構造來使用磁力和/或電磁力來加速等離子體。在一些實施例中，當沿著縱軸 115來加速等離子體時，等離子體加速器110可以提供一定程度的等離子體壓縮。例如，軌道炮可以包括一個或多個錐形電極，以在沿著縱軸115的加速期間壓縮等離子體。液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120可以包括液態(tài)金屬漏斗、圓柱或具有與加速器110的縱軸115基本上對準的通道的管道8。在一些實施例中，通道的截面和/或內徑可以從漏斗的上端到漏斗的下端發(fā)生改變，例如，截面(和/或內徑)可以減小以允許當等離子體在上端下方并朝向下端移動時等離子體被壓縮。在特定實施例中，等離子體槍100和/或等離子體加速器110大體位于液體漏斗系統(tǒng)120之上。在特定實施例中，漏斗8的上端大體在漏斗8的下端之上。由等離子體槍100產生的環(huán)形等離子體可以是緊湊環(huán)，例如球馬克，其是由在傳導等離子體中流動的電流產生的其本身的磁場限定的環(huán)形等離子體。在其他實施例中，緊湊環(huán)可以是等離子體的場反向配置，其可以具有基本上閉合的磁場線，并且有很少的場線的中心穿透或沒有場線的中心穿透。如在圖1A-1D中所示的實施例中所示意地示出，來自一個或多個罐4的氣體被快速噴氣閥3引入槍內。在一些實現方式中，初始氣壓是大約每平方英寸(psi)15磅(例如， 大約1. 03xl05Pa)。該氣體可以包括可聚變材料。例如，該可聚變材料可以包括輕元素的一個或多個同位素，例如，氫的同位素(例如，氘和/或氚)、氦的同位素(例如，氦-3)和/ 或鋰的同位素(例如，鋰-6和/或鋰-7)。可以使用其他可聚變的材料?？梢允褂迷睾屯凰氐慕M合。例如，在一些實現方式中，使用大約100個噴氣閥3來從罐4引入50%的氘-50%的氚的氣體混合物。在一種實現方式中，來自閥門的每一個脈沖引入大約2mg的氣體。在其他實施例中，可以使用不同數量的閥門，并且/或者，可以引入不同質量的氣體。 在其他實現方式中，氘和氚各自的百分比可以不同于50 % -50 %。線圈5在外部電極7和形成電極14之間的空間中引發(fā)磁場。在一些實現方式中， 線圈5可以被構造來提供大約0. 8特斯拉的大多數徑向的填充磁場。在圖1A-1C中示意地圖示的實施例中，形成電極14大體是圓柱形的，并且外電極7向液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120內逐漸變細。在圖1B-1D中示意地圖示的實施例中，通過3個磁線圈fejb和5c來產生磁場， 雖然可以在其他實施例中使用更少或更多數量的線圈。在一些實施例中，線圈如包括大約 140匝的空心6mm χ 6mm平方的銅導線。在系統(tǒng)的運行期間，該導線可以在大約630V的電壓下承載大約IOOOAmp的電流，消散大約630kW。線圈恥包括大約2 匝的空心6mm χ 6mm 平方的銅導線，用于在大約832V的電壓下承載大約IOOOAmp的電流，消散大約830kW。線圈 5c包括大約552匝的空心6mm χ 6mm平方的銅導線，用于在大約844V的電壓下承載大約 IOOOAmp的電流，消散大約840kW。在一些實施例中，線圈5ajb和5c將在系統(tǒng)的運行期間基本上連續(xù)地運行。在一些實施例中，冷卻系統(tǒng)(未示出)提供水(或另一種冷卻劑)，該水在空心導線中流動以冷卻它們。在系統(tǒng)的特定實施例中，期望僅在外電極7和形成電極14之間引入氣體。在特定的這樣的實現方式中，閥門3足夠快地打開和關閉以引入氣體，使得它大體被限定在電極 7和14之間。例如，在室溫(例如，大約20°C )下，氣體的熱速度是大約900m/s。如果例如在電極7和14之間的距離是大約一米，則可以將氣體注入小于大約Ims的持續(xù)時間，以提供氣體用于產生每一個緊湊環(huán)。在一些實現方式中，可以使用(可從Parker Hannifin, Cleveland, Ohio獲得的)Parker99系列的閥門。在一些實施例中，形成電極14電連接到電容器組1。在一些這樣的實施例中，電容器組1可以包括大約4. ImF的電容，并且該組可以在大約22kV的電壓下被充電。在一些情況下，電容器組1包括大約80個52 μ F的獨立電容器(例如，General Atomics Energy Products (San Diego，CA)，型號33677的電容器)。該獨立的電容器可以并聯。電容器組1 可以利用傳輸線連接到形成電極14。在一些實施例中，傳輸線和電容器的總的電感是大約 20nF,這有益地提供足夠快的放電。在系統(tǒng)1000的運行期間，當由噴氣閥3引入的氣體獲得在電極7和14之間的適當的壓力時，電容器組1在氣體中放電，以將氣體轉換為等離子體。當電容器組電壓超過氣體的擊穿電壓(這可以依賴于氣壓)時會出現放電。在一些實現方式中，當氣壓是大約IOmTorr(例如，大約1.3Pa)時，組1放電。在其他實施例中在其他氣壓下會出現放電。在圖IA中所示的實施例中，啟動開關2以來使電容器組1通過氣體放電，以產生等離子體。使用開關2的實施例的一個可能的優(yōu)點是可以啟動該開關，使得放電出現在氣體處于期望的壓力下的時候，這可以允許在運行期間提高靈活性。電流升高(例如，在一些情況下，在大約20 μ s中升高到大約3MAmp)，并且來自這個電流的磁場將在圖1A-1C中的向下的方向上的等離子體強制向等離子體加速器110。來自線圈5的填充磁通在等離子體周圍圍住其本身。磁場重新連接以形成閉合的磁表面，并且等離子體形成緊湊環(huán)。例如，該環(huán)可以是球馬克16，其具有較低的密度(在一些情況下例如是大約IO15CnT3)和較低的溫度(在一些情況下是例如大約20eV)。在系統(tǒng)1000的一些實現方式中，在較小的延遲(在一些情況下例如是30 μ s)以允許磁場重新連接并且/或者允許湍流一一如果存在——停滯后，球馬克16被等離子體加速器110向著液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120加速和壓縮。例如，在圖1A-1D中示意地圖示的實施例中，加速電極6連接到第二電容器組11， 該第二電容器組11用于向等離子體提供能量。在一些實施例中，電容器組11具有大約 2. 6mF的電容，并且在大約88kV的電壓下被充電。在一些這樣的實施例中，電容器組11包括大約100對52 μ F的、44kV的獨立電容器，每對電串聯，并且該100對電并聯。在一些實施例中，該電容器包括 General Atomics Energy Products (San Diego，CA)，型號 32沘3 的電容器。在一些實現方式中，電容器組11使用大體圍繞軸槍100的大體盤形傳輸線15 而電連接到加速電極6以減小或最小化電感。因為組11的較大電容，一些實施例的電流上升時間是大約40 μ S。在一些實施例中，可以使用大體盤形傳輸線以將電容器組1電連接到形成電極14。在一些實施例中，使用兩條大體盤形傳輸線第一大體盤形傳輸線，其將電容器組1電連接到形成電極；以及第二大體盤形傳輸線，其將電容器組11電連接到加速電極 6。等離子體加速器110包括等離子體傳播通道114，通過或沿著等離子體傳播通道 114來加速環(huán)形等離子體16。例如，如圖1A-1D中所示意地圖示，加速電極6可以被布置在外電極7內，并且等離子體傳播通道114包括在電極6和7之間的空間。等離子體傳播通道 114可以具有從加速器的第一端11 向第二端112b (在形狀、大小、寬度、空間和/或任何其他方式)改變的截面(垂直于縱軸115)。例如，在圖1A-1D中所示的實施例中，電極6和 7的至少一個可以從加速器100的第一端112a(例如，接近等離子體槍100)向加速器100 的第二端112b(例如，接近漏斗系統(tǒng)120)逐漸變細。例如，在一些實施例中，加速器110的半徑(例如，從縱軸115向通道114的中心的半徑)從第一端11 向第二端112b以大約 30的因子減小。在其他實施例中，加速器110的半徑從第一端向第二端以大約2、大約5、 大約10、大約20、大約50、大約100的因子或某個其他因子減小。在各個實施例中，從第一端向第二端的加速器的半徑減小可以在從大約10至大約50的范圍中、在從大約20至大約 40的范圍中或在某個其他范圍中。進一步參考在圖1A-1D中示意地圖示的實施例，等離子體加速器110的磁力在錐形同軸電極6和7之間的加速環(huán)形等離子體16，并且將等離子體加熱和壓縮到較高的溫度和密度，以形成壓縮的環(huán)形等離子體12。電極6、7的配置可以被選擇來當等離子體從加速器110的第一端11 向第二端112b移動時提供期望數量的壓縮。例如，包括電極6、7的逐漸變細、形狀和/或間隔的一個或多個因子可以被選擇來提供期望的壓縮。在等離子體的一些環(huán)形配置(例如，緊湊環(huán)) 的情況下，可以在環(huán)的徑向壓縮上(例如，當在系統(tǒng)的第一位置時的環(huán)的半徑與當在系統(tǒng)的第二位置時的環(huán)的半徑的比率)測量在系統(tǒng)1000的一些實現方式中的等離子體的壓縮。 例如，在一些實施例中，當等離子體從加速器110的第一端11 向第二端112b移動時的等離子體的徑向壓縮是大約30 1。在加速器110中的等離子體的徑向壓縮可以在其他實施例中不同，例如，大約2 1、大約5 1、大約10 1、大約15 1、大約20 1、大約 30 1、大約50 1、大約100 1等。在各個實施例中，在加速器110中的等離子體的壓縮可以在從大約10 1至大約50 1的范圍中、在從大約20 1至大約40 1的范圍中或在某個其他的適當范圍中。在一些實施例中，在加速器110中不使用電極6、7的逐漸變細，并且在加速器110基本上沒有等離子體的壓縮。在其他實施例中，等離子體加速器110可以被構造使得外電極7作為加速電極。在其他實施例中，電極6和7均可以用于將等離子體從第一端向第二端電磁地加速。在其他實施例中，可以使用額外的電極(以例如幫助穩(wěn)定等離子體并且/或者防止在通道114中的環(huán)的傾斜)。電極6、7和/或14可以由導電金屬形成?？梢砸砸粋€或多個部分來形成電極6、 7和/或14。例如，在一些實施例中，電極6、7和/或14包括一個或多個具有大約5mm的厚度的不銹鋼304板或片。可以通過焊接、緊固器(螺栓)等來將電極的部分結合在一起。 在其他實施例中，可以從另外和/或不同的材料和/或材料的厚度來形成電極。在一些實現方式中，等離子體可以變得足夠熱以至少部分地蒸發(fā)電極的一些。電極的蒸發(fā)在一些情況下可能使用可以冷卻等離子體的金屬雜質來污染等離子體。因此，在使用可以(至少部分地)蒸發(fā)的電極的特定實現方式中，可以使用諸如鎢的高熔點材料來涂覆電極6、7和14 的一個或多個。涂覆材料可以被選擇使得涂覆材料(例如，鎢)的熔點大于電極材料(例如，不銹鋼)的熔點。例如，在一些實現方式中，鎢是在電極材料(例如，不銹鋼304)上噴射的等離子體。例如，在華盛頓的西雅圖的Flamespray Norttwest提供了等離子體噴射服務。在其他實施例中，高熔點材料可以被分層或沉積在電極上。在其他實施例中，從高熔點材料形成電極。在電流上升時間期間，當等離子體在等離子體傳播通道114(例如，在加速電極6 和外電極7之間的空間)中向液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120移動時等離子體將加速。在一些實現方式中，等離子體加速大約20m的距離然后加速另一個大約20m的距離以完成電容器組11 的放電。在這樣的實施例中，等離子體加速器110的總長度是大約40m。等離子體加速器的不同長度是可能的。例如，在組11的電容減小的同時在組11中的電容器上的電壓會增大， 由此保持在電容器組11中存儲的能量。這可以減小加速器110的電流上升時間和長度。在一些實現方式中的較高電壓的使用會具有可能的缺點，諸如在技術上有挑戰(zhàn)和昂貴。在一些實施例中，等離子體加速器110包括等離子體限制器23。包括等離子體限制器的加速器110的實施例的長度可以小于不包括等離子體限制器的加速器實施例的長度。在圖IB中所示的實施例中，等離子體限制器23被布置在加速器110的第一端11 附近，例如在第一端11 之下。當向電極6和/或7的電流增大時，等離子體加速器110的磁場初始不足以強制等離子體通過限制器23。沿著傳播通道114的等離子體的移動被禁止。該系統(tǒng)可以被構造使得當加速器110的磁場增大時(例如，當向電極6和/或7提供的電流和/或電壓增大時)，磁場增大并且達到閾值，在該閾值，磁力足以強制等離子體通過限制器23。等離子體然后沿著傳播通道114加速。例如，該系統(tǒng)可以被構造使得在(或接近)峰值電流，磁力足以將等離子體推過限制器23，并且開始沿著等離子體加速器110的等離子體加速。在一些實施例中，等離子體限制器23包括在等離子體傳播通道114中的收縮部分。例如，該收縮部分可以包括在加速電極6和外電極7之間的空間的變窄。在一些實施例中，通過在等離子體加速通道114(參見例如圖1B)中布置一個或多個結構23a來設置該收縮部分。在其他實施例中，通過下述方式來在等離子體通道114中設置該收縮部分將外電極7和/或加速電極6成形，使得通道114在該收縮部分的位置變窄。沿著傳播通道114 布置的收縮部分的位置、形狀、大小、間隔和/或數量(例如，在或沿著通道114布置的結構或通道114的變窄)可以被選擇來對等離子體沿著通道114的移動提供期望數量的限制。 在一些這樣的實現方式中，大約IOm的加速器長度可以用于使用88kV電容器電壓將能量從電容器組11向等離子體傳送。在其他實施例中，可以與在圖IB中示意地圖示的收縮部分不同地配置等離子體限制器23。例如，圖IC示意地圖示一個實施例，其中，等離子體限制器23包括在加速器110 的第一端11 附近布置的一個或多個磁線圈23b。當向該一個或多個磁線圈2 提供電流時，線圈2 提供限制磁力，該限制磁力限制等離子體環(huán)經過線圈的位置的移動，直到由加速器110產生的磁力大于閾值。在一些實施例中，可以減小(或關斷)向線圈2 的電流， 以減小(或實質上消除)限制磁場，以便允許等離子體環(huán)向加速器110的第二端112b加速。 在一些實施例中，由加速器110提供的在磁力上的增大和由線圈2 提供的限制磁力的減小的組合允許等離子體在適當的時間沿著通道114加速。在一些實施例中，由線圈2 產生的磁場足以禁止環(huán)形等離子體沿著通道114的加速，即使在加速器110中的最大電流處。 在這樣的實施例中，向線圈2 的電流被減小(或關斷)以在期望的時間釋放環(huán)形等離子體。在一些實施例中，等離子體限制器23可以包括一個或多個收縮部分23a和一個或多個線圈23b。 在形成等離子體后，等離子體電接觸外電極7和加速電極6。這個接觸可以短路加速電容器組11并且使電流開始通過等離子體流動。如上所述，可能在一些實現方式中期望延遲加速(例如，在一些情況下大約延遲30 μ S)，以允許閉合的磁表面形成和/或湍流—— 如果存在的話——停滯。在一些這樣的實現方式中，飽和電感器17(參見例如圖1Β)用于延遲向電極提供的電壓。飽和電感器17可被布置在傳輸線15中。飽和電感器17可以包括可飽和的磁材料。例如，可以使用無定形金屬，例如(可以從Metglas Inc. ,Conway, South Carolina)獲得的)METGLAS ^05Co。為了在大約88kV的電壓下提供大約30 μ s的延遲， 電感器17可以存儲大約88kV乘以30μ s = 2. 6V · S。在一些實施例中，電感器17是大體環(huán)形的，并且具有大約0. 6m2的截面和大約Im的主半徑。在一些實施例中，電感器17包括 Metglas纏繞帶，并且具有大約1. 8特斯拉的飽和場，以提供適當的延遲。
在圖1A-1D中示意地圖示的實施例中，該系統(tǒng)被構造使得在等離子體的壓力建立使得它可以超過包括電極6和/或7 (或在第二端112b附近的加速器的其他部件)的材料或組件的斷裂點或強度的點之處或點之前，等離子體退出加速器110并且進入液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120。這些實施例的一些的優(yōu)點是在加速器中的等離子體的壓力被提高到較大的值， 而不損壞加速器(例如，由于加速器110的第二端112b的屈服故障和/或變形)。在所描述的實施例中，液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120包括箱體10和一個或多個泵9，該一個或多個泵9被構造來循環(huán)液態(tài)金屬以形成液態(tài)金屬漏斗8。液態(tài)金屬在重力的影響下從漏斗系統(tǒng)120的頂端向漏斗系統(tǒng)120的底端流動。在一些實施例中，漏斗系統(tǒng)120的頂端大體在漏斗系統(tǒng)120的底端之上。在一些實施例中，泵9可以向液態(tài)金屬提供壓力，這也可能影響在箱體10中的液態(tài)金屬的流動。在一些實現方式中，漏斗8具有大體圓柱形狀，該大體圓柱形狀具有通道125，該通道125與等離子體加速器110的縱軸大體對準。通道125 的截面(垂直于通道125的縱軸)可以是大體圓形的、大體橢圓的、大體多邊形的或任何其他形狀的。通道的截面形狀(和/或大小)可以從頂端向底端發(fā)生改變。例如，在底端處的截面面積可以小于在頂端處的截面面積。通道125可以具有內表面，該內表面具有內徑。 內表面的截面可以是大體圓形的、大體橢圓的、大體多邊形(例如，矩形)的或任何其他形狀的。在底端的內徑可以小于在頂端的內徑。通道的截面形狀、大小和/或內徑可以被構造來當等離子體在頂端下移動時提供對等離子體的期望的壓縮量。例如，在一些實施例中， 在底端的通道125的內徑比在頂端的通道125的內徑小3倍。在頂端處的通道的內徑與在底端處的通道的內徑的比率可以是大約1. 5、大約2、大約4、大約5、大約10、大約15或更大。這個比率可以從大約1. 5至大約5、從大約2至大約4的范圍中或某個其他范圍中。在一些實施例中，等離子體以從通道的頂端向底端移動。在其他實施例中，等離子體壓力可以在等離子體沿著通道的移動期間變得足夠大，使得等離子體可能在等離子體達到通道的底端之前損壞漏斗8。在特定實施例中，包括液體漏斗8的液體材料不大體上圍繞通道的軸旋轉。在其他實施例中，液體材料可以被引入到箱體10內，使得當液體材料從頂端向底端移動時液態(tài)材料圍繞通道的軸旋轉。其中液體材料具有一定的旋轉(或打旋)量的漏斗可以在一些實現方式中提供優(yōu)點，諸如提高通道的內表面的穩(wěn)定性。因為等離子體可以在比在液態(tài)金屬中的音速(例如，在一些情況下為大約3km/s) 更高的速度(例如，在一些情況下為大約幾十km/s或更高)下移動，所以當等離子體移動通過液體漏斗系統(tǒng)120時，液態(tài)金屬沒有時間來移出路線(例如，液態(tài)金屬漏斗的慣性至少部分地限制等離子體)。因此，液態(tài)金屬趨向于好象它對于等離子體而言是固體，并且可以限定在漏斗8的通道125中的等離子體。當等離子體從漏斗8的頂端向漏斗8的底端移動時，等離子體可以在漏斗8中經歷壓縮(和加熱)。例如，當等離子體在漏斗8的頂端之下時的等離子體的壓力可以大于當等離子體在漏斗8的頂端之上時的等離子體的壓力。圖 1A-1C示意地圖示在漏斗8中的壓縮的等離子體環(huán)13。在一些實現方式中，在漏斗8的通道125中的等離子體的徑向壓縮可以是大約
3 1(或更大)。在其他實現方式中，等離子體的徑向壓縮可以是大約1.5 1、大約2 1、 大約4 1、大約5 1、大約7 1、大約10 1、大約15 1或更大。在漏斗8的通道 125中的等離子體的徑向壓縮可以在從大約1.5 1至大約5 1、從大約2 1至大約
4 1的范圍中或某個其他范圍中。在特定的實現方式中，(例如，當等離子體壓力變得大到足以損壞漏斗時)在加速器110的第一端和在漏斗8中的等離子體的最后位置之間測量的等離子體的期望的總的徑向壓縮可以是大約200 1、大約150 1、大約100 1、大約90 1、大約75 1、大約50 1、大約30 1、大約20 1、大約10 1或某個其他值。 總的徑向壓縮可以在從大約50 1至大約150 1、從大約75 1至大約125 1、大約 80 1至大約100 1的范圍中或某個其他范圍中。在一些實現方式中，可以通過下述方式來實現等離子體環(huán)的期望的總的徑向壓縮 (例如，從加速器Iio的第一端11 到在漏斗8中的等離子體的最終位置)配置系統(tǒng)1000 以在加速器110中具有第一壓縮比，并且在漏斗8中具有第二壓縮比，使得第一壓縮比乘以第二壓縮比等于期望的總的壓縮比。例如，為了實現大約90 1的總的壓縮，加速器110可以被構造來提供大約30 1的第一壓縮比，并且漏斗8可以被構造來提供大約3 1的第二壓縮比。這些比率不是對于所公開的系統(tǒng)和方法的限制，并且繼續(xù)這個示例，可以在系統(tǒng) 1000的不同實現方式中不同地實現總的壓縮比90 1，例如在加速器中為大約45 1并且在漏斗中為大約2 1和在加速器中為大約18 1并且在漏斗中為大約5 1等。在一些實施例中，在加速器110中的第一壓縮比被選擇使得等離子體在加速器的第二端112b 的壓力在或小于在加速器110的第二端112b處的材料或材料的組件的材料強度或斷裂點。 在一些實現方式中，加速器110可以被構造來與液體漏斗可以被構造來提供期望的第二壓縮比相比更穩(wěn)定地提供期望的第一壓縮比。在一些這樣的實現方式中，可以對于加速器110 有益的是，提供比漏斗8更大的壓縮(例如，第一壓縮比大于第二壓縮比)。液體漏斗8可以包括適當的液態(tài)金屬，諸如具有大約17%的鋰(Li)的熔融的鉛鋰 (PbLi)?？梢栽谄渌麑嵤├惺褂闷渌嚨陌俜直?例如，0%、5%、10%、15%、20%、25% 等)。此外，可以在其他實施例中使用其他液體材料(例如，其他液態(tài)金屬、液態(tài)金屬合金等)。例如，在其他實施例中，可以使用大體純的液體鋰和/或濃縮的液體鋰。在一些實施例中，液態(tài)金屬包括一個或多個鋰同位素，該一個或多個鋰同位素可以吸收中子并且產生氣。在其中等離子體包括可聚變材料的系統(tǒng)的一些實現方式中，等離子體可以被壓縮到足以啟動在該可聚變材料中的至少一些熱核反應的密度和/或溫度。該熱核反應可以產生中子。如果該系統(tǒng)被構造為例如中子源，則該中子的一些可以用于中子分析?？梢酝ㄟ^例如液態(tài)金屬漏斗8來吸收該中子的一些，并且它們的能量可以被轉換為在熔融漏斗中的熱量。如果該系統(tǒng)被構造為例如能量源，則這個熱量的一些可以被提取來產生電力(例如， 經由汽輪機)。在等離子體通過漏斗8期間或之后，液態(tài)金屬漏斗8通常至少部分地被干擾和/或破壞(例如，液態(tài)金屬外濺，但是被包含在箱體10中)。泵9將液態(tài)金屬循環(huán)到箱體 10內，以重新形成液態(tài)金屬漏斗8來用于等離子體的隨后的注入(或噴射)。因此，當等離子體環(huán)被重復地引入液態(tài)金屬漏斗8內時，在圖1A-1D中示意地圖示的系統(tǒng)的實施例可以被構造來作為中子的脈沖源和/或能量的脈沖源。在一些實施例中(參見例如圖1B-1D)，除了液態(tài)金屬漏斗8之外，液態(tài)漏斗系統(tǒng) 120包括大體中心或軸向的液體導管22。例如，液體導管22可以大體與加速器110的縱軸 115和/或通道125的軸對準。液體導管22可以被構造來穩(wěn)定和/或減少在漏斗系統(tǒng)120 中的等離子體環(huán)的傾斜的趨勢。在一些實施例中，液體導管22被從液態(tài)金屬存儲罐或儲存器18提供液態(tài)金屬。在一些實施例中，儲存罐18被布置在加速電極6之間。在圖IB中所示的實施例中，液體導管22至少部分地在重力下向箱體10的底部流動，并且泵21可以用于將液態(tài)金屬重新循環(huán)回儲存罐18內以重新使用。在一些這樣的實施例中，有益的是，如果用于漏斗8的液態(tài)金屬和用于液體導管22的液態(tài)金屬包括相同的材料，因為導管22的液態(tài)金屬可能與在箱體10中的漏斗8的液態(tài)金屬混合。例如，液體導管22的液態(tài)金屬可以包括熔融的I^bLi。在一些這樣的實施例中，在漏斗8的內表面和液體導管22的外表面之間壓縮等離子體，這有益地可以提供比不使用液體導管22的實施例更大的壓縮量。漏斗8和/或液體導管22的大小和/或形狀可以被構造來當等離子體在液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120的頂端之下移動時提供用于等離子體的壓縮和/或加熱的期望數量。在各個實施例中，液體導管22可以與液體漏斗8(和/或箱體10)在物理上和/或電子上隔離。使用液體導管22的系統(tǒng)的一些實施例的優(yōu)點是液態(tài)金屬是導電的，并且大體像中心或軸向電極那樣作為。在一些這樣的實施例中，來自等離子體加速器110的電流可以繼續(xù)提供磁(和/或電磁)力，該磁(和/或電磁)力推動等離子體以提供進一步的壓縮。 因此，與不包括液體導管的特定實施例作比較，一些這樣的實施例可以提供額外的壓縮，在不包括液體導管的特定實施例中，主要通過等離子體的動量來提供在漏斗8中的壓縮。在特定的實施例中，液體導管22與外電極7電隔離，以減少短路的可能或避免短路。在特定的這樣的實施例中，液體導管22未被連續(xù)地提供到箱體10內。例如，液體漏斗系統(tǒng)120可以包括液體導管注入系統(tǒng)，該液體導管注入系統(tǒng)在期望的時間向漏斗8的通道內注入液體導管22。例如，液態(tài)導管注入系統(tǒng)可以包括可以在等離子體噴射短時間之前被打開的脈沖閥門20。在液體導管22中的液態(tài)金屬的底端接觸箱體10的底部(或接觸在箱體10的底部處的液態(tài)金屬)之前，可以發(fā)動等離子體噴射，因為這樣的接觸有可能完結電路。在每一個噴射后，泵21 (例如，間歇泵)將在箱體10中的液態(tài)金屬的一些再循環(huán)到存儲罐18。在一些實施例中，當加速電極6不在高壓下(例如，在等離子體的噴射之間) 時，泵21運行來重新填充存儲罐18。在一些實施例中，用于將液態(tài)金屬再循環(huán)到罐18內的再循環(huán)管件(例如，回管31)的一部分包括電隔離的截面19 (參見例如圖IB和1C)。絕緣體截面19可以被大體垂直地定位，以允許在存儲罐18的重新填充后的剩余液態(tài)金屬的排出，以減少將加速電極6短路的可能。在一些實施例中，使用諸如氬氣的惰性氣體來壓縮在存儲罐18中的流體上的空間(例如，在一些情況下，在大約30psi的壓力下)(例如，大約2. 07xl05!^)。被加壓的惰性氣體在存儲罐18中的液體上提供了向下的力，該力(與重力相組合地)使得液態(tài)金屬以期望的速度噴射。示例磁化靶聚變應用下面的說明意欲給出可以用于獲得特定的等離子體壓縮值的系統(tǒng)的一個實施例的特定參數的說明性的、非限定性的示例。在這些示例的上下文中描述各種假設，并且在此提供各種等式和示例計算以強調在用于壓縮等離子體的系統(tǒng)的示例實施例中涉及的因素和考慮的一些。下面的說明不意欲限制在此所述的系統(tǒng)和方法的范圍，也不限制所公開的系統(tǒng)的最終用途或應用。在在此所述的系統(tǒng)和方法的其他實現方式中，其他等式、參數、因子和考慮可以是適用的。磁化靶聚變(MTF)系統(tǒng)通常使用較大的能量(例如，在一些情況下為大約100MJ) 來壓縮等離子體。為了在許多系統(tǒng)中產生聚變能量，公知的勞遜判據指示應當選擇在IOkeV 的溫度下保持密度η的等離子體時間τ使得對于聚變加熱而言η τ > 102°m 3s，以超過等離子體加熱損失。然而，等離子體隨著時間τ =r2/x冷卻，其中，r是在熱等離子體核和反應堆的冷邊之間的最小距離，并且，X是擴散率。因此，較大的等離子體(例如，較大的r) 可以是有益的，但是使用更多的能量來用于其形成，因此通常，用于較大和較昂貴的設備。在等離子體中的能量對于離子而言是3/2NkTi;并且對于電子而言是3/2N kTe，其中，Ti是離子溫度，Te是電子溫度，并且N是離子或電子的數量。離子和電子的數量在整體電荷中性的情況下是相等的。假定Ti和Te是相同的溫度，則在等離子體中的熱能(Eth)是 3NkT。因此，下面的等式適用于提供在系統(tǒng)的特定實施例中的示例參數的估計值η τ > IO2V3Sτ = r2/ xEth = 3VnkTN = nV，其中，V是等離子體體積，并且Emag = Eth/β，其中，β是等離子體壓力/磁壓的比率?？偰芰渴菬崮蹺th加磁能Emag。對于環(huán)，體積是2 Ji2r2R,其中，R是較大半徑(圍繞該環(huán))，并且r是較小半徑。對于緊湊環(huán)，R大約等于r，因此，體積可以被近似為2 π 2r3。通過組合這些等式，可以發(fā)現，在一些系統(tǒng)實施例中，用于在IOkeV溫度下達到勞遜判據的最小能量是大約E = 7X1016(l+l/β)xV2n-"2焦耳(JOuleS)其中，η 以 m3 為單位，并且χ以m2/s為單位能量E隨著密度增大而減小，并且隨著χ減小而減小。在這些系統(tǒng)中的χ的值和擴散是許多研究的主題。因為復雜的湍流，在一些系統(tǒng)中的擴散的值比所謂的經典計算大得多。用于擴散的值的經典估計通常提供了最佳的可能擴散。許多試驗觀察到比經典大得多但是小于所謂的玻姆擴散(Bohm diffusion)的擴散，其中X B0hm = P iVi/16其中，P 1是離子回轉半徑，并且Vi是離子熱速度。假定玻姆擴散(作為最差情況示例情形)，則可以從用于上面的示例系統(tǒng)的上面的等式來預測用于對于各種等離子體密度(例如，在特定的球馬克的典型的IOkeV和β = 0.1下)實現勞遜判據的最小等離子體能量，并且將其示出在圖2中所示的圖形中(具有菱形的實線)。也在圖2中所示的圖形中繪制了等離子體在各種密度下在lOkeV、β =0.1 的溫度下的磁壓(具有正方形的實線)。固態(tài)材料可以在斷裂之前承受的最大壓力通常是大約lxl04atm(例如，大約IOOOMPa)。在那個壓力下，在圖2中所示的示例計算指示該示例系統(tǒng)應當在等離子體中提供大約100MJ以獲得得失平衡和可能比實際增益的能量大幾倍。 假定從電源向等離子體的傳送效率是大約50%，則系統(tǒng)應當至少提供大約200MJ的能量以將等離子體加熱到聚變溫度。被構造為能量源的所公開的系統(tǒng)的實施例可以提供優(yōu)點。例如，使用液態(tài)金屬漏斗可以允許獲得大于固態(tài)材料的斷裂點的在等離子體中的壓力。因此，所公開的系統(tǒng)的實施例可以提供提高的等離子體密度，這有益地降低了由系統(tǒng)使用的能量。這也可以減小系統(tǒng)的成本和/或大小。在本系統(tǒng)和方法的一些實施例中，等離子體壓力當等離子體被加速時增大，然后當等離子體沿著加速器110移動(例如，沿著在同軸錐形電極6、7之間的傳播通道114)時被壓縮。在其中等離子體壓力滿足和/或超過約束電極材料的強度的、沿著等離子體路徑的點之處或之前，等離子體被引導到液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)120內，其中，進行進一步的壓縮。 例如，等離子體壓縮可以在加速器中是大約30倍，并且在漏斗系統(tǒng)中大約是3倍。在一些實施例中，可以將等離子體沿著加速器110加速到大于大約100km/S的速度。在液態(tài)金屬中的音速通常是3km/s的數量級，因此，液態(tài)金屬沒有時間脫離路線，并且在漏斗8中保持高的等離子體壓力。在一些實現方式中，可以在液態(tài)金屬中產生沖擊波激發(fā)。從等離子體動能引出在沖擊波激發(fā)中的能量；在一些這樣的實施例中，其可以是新的能量損失機制。圖3是示出在錐形液態(tài)金屬漏斗25的一部分內移動的環(huán)形等離子體30的一個示例的示意截面圖。假定等離子體速度Vp和等離子體長度L和具有音速Cs的液態(tài)金屬， 在圖3中的示意圖示出尾隨等離子體的沖擊波。沖擊波的厚度是大約csL/Vp。在大約L/vp 的時間(例如，等離子體行進其本身的長度的時間)中，在漏斗中的壓縮液體的體積是大約 2 π RLcs · L/vp。將壓縮體積除以時間給出了壓縮液態(tài)金屬的速率的估計dV/dt = 2 π RLcs m3/s其中，R是液態(tài)金屬漏斗25的半徑。例如，可以使用用于液態(tài)金屬的狀態(tài)的等式的簡單近似公式P = K(V0/V-1)其中，K是體積壓縮模量，并且Vtl是在零壓縮處的初始體積。因此，可以積分壓縮功PdV以計算在這個示例中在壓縮的液態(tài)金屬中存儲的能量E/V = K [In (P/K+l)-1/(1+K/P) ] J/m3在這個示例中通過下面的公式來給出在激發(fā)中耗散的功率Power = 2π RLcsK [In (P/K+l) -1/ (1+K/P)]瓦特(Watts)在一些實現方式中，可以通過球馬克的磁場來在液態(tài)金屬中引發(fā)電流。在液態(tài)金屬中的電阻損失可以降低在包含等離子體的磁場中的能量，在一些情況下，這表示另一種可能的能量損失機制。下面的說明性示例用于提供這個能量損失機制的估計。在液態(tài)金屬中流動以支持磁場的電流I是I = LB/ μ ο其中，L是等離子體的長度，B是在球馬克(或其他適當的緊湊環(huán))中的磁場，并且，μ ^是真空磁導率。通過下式來給出在金屬中流動的電流的片的厚度t t = ( η τ / μ 0)1/2其中，η是金屬的電阻率，并且τ是其間向金屬施加磁場的時間，并且其中τ =
L/v電阻如下Resistance = η 2 π R/Lt因此，在液態(tài)金屬中歐姆地耗散的功率是Power = Resistance I2 = 2 π RB2 ( η Lvp)1/2 μ 0_3/2 瓦特(Watts)在一些實現方式中，也可以存在由于渦流傳送導致的功耗。使用玻姆擴散公式的用于這樣的功耗的估計是PowerBohm = Eth/ τ Bohm
在一些情況下可能出現Bremsstralimg輻射損失，并且通過下式來給出這樣的損失的估計PowerBrefflSStralmg = 1. 67xl0-38n2T1/2Zeff ff/m3其中，T以eV為單位，并且η以為m_3單位，并且Zeff = Σ Z2IlzM,其中，Z是雜
質的原子序數，并且ηζ是其密度。Bremsstralimg輻射功率損失是雜質原子序數Z的平方的函數，因此，具有低雜質含量在一些情況下可以是有益的，特別是對于具有高原子序數的雜質而言。繼續(xù)這個說明性、非限定性示例計算，將在等離子體配置中的能量除以這些各種功耗給出了總的等離子體限定時間τ。使用那個限定時間，有可能計算最小等離子體能量， 以獲得對于系統(tǒng)的這個示例實施例而言的在各種密度下的勞遜得失平衡條件。在圖4的圖形中示出了這個實施例的能量。注意，在一些實現方式中，所使用的能量可以大于由在圖2中的示例圖形所示，因為已經考慮了對于上面的示例實施例特定的能量損失機制。在圖4中的圖形示出用于所使用的最小等離子體能量的示例估計在IO19CnT3的示例密度下是大約3MJ。將此與指示在這個示例密度下小于大約IMJ的在圖2中所示的示例結果作比較。等離子體外徑R在這個示例計算中為2. 4cm0限制時間在這個示例實施例中為10 μ S。在這個示例計算中，磁場是200 特斯拉，并且壓力是0. 16Mbar。在最大壓縮期間的等離子體的速度的可能值剛好在聲速之上，例如大約5km/s?；谶@些示例值，等離子體在等離子體溫度和壓力條件可以允許出現聚變的時間期間僅移動大約50mm。如上所述，在等離子體的通過期間和/或之后，在該系統(tǒng)的一些實現方式中，液態(tài)金屬漏斗可能趨向于向外損壞。在一些這樣的實現方式中，該系統(tǒng)可以被構造使得液態(tài)金屬漏斗在時間Lfe/vf后變形，其中，Lfe是漏斗的長度，并且Vf是從噴嘴(其向漏斗系統(tǒng)120 的箱體10內輸入液態(tài)金屬)噴射液體的速度。這些參數可以用于確定在這樣的實施例中的最大脈沖重復速率的示例估計。這個說明性非限定性示例中，使用大約Im的液態(tài)金屬來吸收大多數中子，因此例如，其中等離子體溫度和壓力條件適合于在中心出現聚變的an長液態(tài)金屬漏斗將適合于一些實施例。假定Vf是大約lOm/s，則重復率可以在這個示例中為大約5Hz。最后，如果凈能量輸出達到能量輸入的數量級，則等離子體將在5Hz下產生大約 3MJ，因此獲得大約15MW的功率輸出，這適合于小發(fā)電廠。注意，這些估計提供了在這個示例中產生得失平衡的發(fā)電廠的大小的一個可能的估計值，并且較大的工廠可提供更大的功率，但是可能花費更多來開發(fā)和建立。繼續(xù)這個說明性的、非限定性的示例，在最大壓縮的條件下工作，并且假定一些等離子體槍100通常產生不超過大約IO14CnT3太多的等離子體密度，則在等離子體加速器110 的第一端11 處的初始等離子體形成在直徑上是大約2. 2m,以便提供具有大約IO19CnT3的密度的最終的2. 4cm半徑的壓縮等離子體。等離子體形成的長度初始將是大約lm，因此這在這個示例實現方式中是對于形成區(qū)域估計的大約長度。因此，在加速器110的第一端 11 處的緊湊環(huán)的徑向大小與當該環(huán)在液態(tài)金屬漏斗8中時的緊湊環(huán)的徑向大小的比率在這個示例中是大約100至1。在其他實施例中，這個比例可以不同，例如是大約5 1、大約10 1、大約25 1、大約50 1、大約90 1、大約125 1、大約150 1、大約200 1 或某個其他值。
假定例如在電容器和等離子體之間的能量傳送的效率是大約33%，則將在這個示例中使用大約10MJ。典型的快速放電箔電容器具有大約lj/cm3的能量密度，因此在這個示例中使用大約IOm3的電容器體積。假定電容器是Im高并且被裝在與等離子體加速器相關聯的盤形傳輸線15的兩側上，在這個示例中使用大約2. 2m內徑和2. 6m的外徑的盤。在一些實施例中，這個盤傳輸線加電容器的內部電感具有大約20nH的電感。等離子體加速器的電感在一些實現方式中是大約130nH。通常，在電容器中的電壓越高，則放電越快。假定電壓是大約88kV，則電容器組可以具有大約2. 6mF的電容。在這樣的示例實現方式中，系統(tǒng)將具有大約100μ s的LC振鈴時間。在一個示例實現方式中，對于要出現的合理能量傳送，振鈴時間(例如，大約50ys)的一半應當大體等于等離子體沿著加速器加速的時間。最終速度有益地可以足夠高，因此，等離子體的動能高得足以在液態(tài)金屬漏斗中將其本身壓縮到最大壓縮。將上面找到的示例能量等于動能3MJ = mv2/2等離子體的質量是其體積乘以密度，并且是大約m = 2 毫克(milligram)因此，在這個示例中，等離子體的最終速度是大約1700km/s。為了等離子體的轉換時間等于振鈴時間的一半，在一些情況下可以使用大約40m的加速器長度?？梢酝ㄟ^使用在加速器110的第一端11 處或其附近的等離子體限制器來有益地減小加速器的長度 (參見例如，在圖IB中所示的收縮部分或在圖IC中所示的磁線圈23b)。當電流提高時，被電感限制，等離子體不能通過收縮部分。在一些實施例中，該系統(tǒng)被構造使得僅在或接近峰值電流處，磁力足夠大以強制等離子體通過收縮部分，并且迅速地加速等離子體。在一些這樣的實施例中，因為等離子體僅在(或接近)峰值電流處開始加速，所以可以使用僅為大約 1/4長度(例如在一些情況下為大約IOm)的加速器。這將提供用于壓縮等離子體的系統(tǒng)并且在一些情況下啟動聚變反應的系統(tǒng)的合理的、實際的、真實的實現方式。這樣的系統(tǒng)的實現方式也可以具有其他用途。其他示例實施例和有益應用如上所述，上述系統(tǒng)和方法的特定實施例可以用于壓縮等離子體，該等離子體包括可聚變材料，該可聚變材料足夠使得可以出現聚變反應和產生有益的中子。例如，可聚變材料可以包括輕元素的一個或多個同位素，例如，氘、氚、氦-3、鋰-6、鋰-7等。因此，系統(tǒng)的特定實施例可以被構造和操作來作為中子產生器和中子源。如此產生的中子在研究和工業(yè)領域中具有廣泛的實際用途。例如，中子源可以用于中子活化分析(NAA)，該中子活化分析(NAA)可以提供在多種物質(例如，爆炸物、藥物、可裂變物質、毒藥等)中的主要元素、 次要元素、微量元素和稀有元素的多元素分析，并且中子源可以用在多個應用(例如，爆炸物檢測和識別、環(huán)境和核廢料的生態(tài)監(jiān)控等)中。作為中子源配置的系統(tǒng)的實施例也可以用于材料研究(例如，分析材料的結構、動力、構成和化學均勻性)，用于工業(yè)對象的非破壞性測試(例如，經由中子射線照像和/或中子斷層)，并且用于許多其他的工業(yè)和技術應用。 例如，系統(tǒng)的實施例可以用于核廢料補救和醫(yī)療核甘酸的產生。上述用于等離子體加熱和壓縮的系統(tǒng)和方法的實施例也適合于在高能量密度等離子體的研究中的應用，包括例如在天體物理學和核物理中的應用。在能量存儲(例如，超級電容器)和高功率半導體開關上的近來的進步已經降低了高功率電子部件的成本。在電子脈沖功率系統(tǒng)上的進一步的發(fā)展和各種應用對于這樣的部件的越來越多的需求預期使得電子驅動的MTF系統(tǒng)(和/或中子源)可與其他手段在成本上競爭。在其中成本不是因素的應用(例如，其中較低質量的有效負荷可能是最佳的聚變空間推進)中，這樣的電子驅動系統(tǒng)的實施例與其他可能的技術作比較，可能已經引起興趣。在在此公開的系統(tǒng)和方法的特定實現方式中，基于電子而不是機械手段(例如， 特定的基于活塞的系統(tǒng))來實現等離子體壓縮在一些情況下可以預期減少系統(tǒng)維護，并且提供其他優(yōu)點。例如，在一些這樣的實現方式中，加速系統(tǒng)可以被配置較少的移動部分或不配置移動部分，并且可以具有較低的重量。在一些實施例中，相對于基于活塞的系統(tǒng)的特定實施例而言，簡化了同步問題。雖然已經示出和描述了本公開的特定元素、實施例、示例和應用，但是應當明白， 本公開的范圍不限于此，因為本領域內的技術人員在不偏離本公開的范圍的情況下，特別是根據上面的教導可以進行修改。因此，例如，在在此公開的任何方法或處理中，構成該方法/處理的行為或操作可以以任何適當的順序被執(zhí)行，并且不必然限于任何特定的公開順序。在各個實施例中，元素和部件可以被不同地構造或布置、組合和/或消除。在本公開中對于“一些實施例”或“一個實施例”等的引用表示結合實施例描述的特定特征、結構、步驟、處理或特性被包括在至少一個實施例中。因此，在本公開中的短語“一些實施例”或“一個實施例”等的出現不必然都指的是同一實施例，并且可以指的是相同或不同實施例的一個或多個。事實上，可以以多種其他形式來體現在此所述的新穎方法和系統(tǒng)；而且，可以在不偏離在此所述的本發(fā)明的精神的情況下進行在此所述的實施例的形式上的各種省略、補充、替代、等同、重新布置和改變。已經在適當時描述了實施例的各個方面和優(yōu)點。應當明白，根據任何特定實施例不必然可以實現所有這樣的方面或優(yōu)點。因此，例如，應當認識到，可以以實現或優(yōu)化在此教導的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式來執(zhí)行各個實施例，而不必然實現在此教導或暗示的其他方面或優(yōu)點。在此使用的條件語言，特別諸如是“能”、“能夠”、“可能”、“可以”和“例如”等，除非另外具體說明或另外在所使用的上下文中可以明白，一般意欲傳達特定實施例包括—— 雖然其他實施例不包括——特定特征、元素和/或步驟。因此，這樣的條件語言一般不意欲暗示特征、元素和/或步驟以任何方式為一個或多個實施例所要求或者一個或多個實施例必然包括用于確定——使用或不使用操作員輸入或提示——這些特征、元素和/或步驟是否被包括在任何特定實施例中或要在任何特定實施例中被執(zhí)行的邏輯。對于任何特定實施例而言，沒有單個特征或一組特征是必要的或不可缺少的。術語“包括”、“包含”和“具有” 等是同義的，并且以開放的形式被包含性地使用，并且不排除另外的元素、特征、行為和操作等。此外，以其包含性含義(而不是以排他的含義)使用詞語“或”，使得當用于連接一系列元素時，詞語“或”表示在列表中的一個、一些或全部元素。在此所述的示例計算、結果、圖形、值和參數意欲說明而不是限制所公開的實施例?？梢耘c在此所述的說明性示例不同地配置和/或操作其他實施例。
權利要求
1.一種用于壓縮等離子體的設備，所述設備包括等離子體槍，其被構造來產生等離子體的緊湊環(huán)；等離子體加速器，其具有第一端、第二端和在所述第一端與所述第二端之間的縱軸，所述等離子體加速器被構造來在所述第一端處接收所述緊湊環(huán)，并且沿著所述縱軸向所述第二端加速所述緊湊環(huán)；以及液體漏斗系統(tǒng)，其包括液體漏斗，所述液體漏斗具有大體與所述等離子體加速器的縱軸對準的大體上圓柱形的通道，所述通道具有在所述通道的頂端處的第一內徑以及在所述通道的底端處的第二內徑，所述第二內徑小于所述第一內徑，所述液體漏斗系統(tǒng)被構造來從所述等離子體加速器的所述第二端接收所述緊湊環(huán)，并且當所述緊湊環(huán)沿著所述通道從所述頂端向所述底端移動時壓縮所述緊湊環(huán)，其中所述系統(tǒng)被構造使得所述緊湊環(huán)當在所述頂端之下時的壓力大于所述緊湊環(huán)當在所述頂端之上時的壓力。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體槍具有槍軸，所述槍軸與所述等離子體加速器的縱軸大體對準。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述緊湊環(huán)包括球馬克。
4.根據權利要求1所述的設備，進一步包括電容器組，所述電容器組被構造來向所述等離子體槍提供電能。
5.根據權利要求4所述的設備，進一步包括大體上盤形的傳輸線，所述傳輸線被構造來將所述電容器組電耦接到所述等離子體槍。
6.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體槍包括至少一個磁線圈。
7.根據權利要求6所述的設備，進一步包括冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)被構造來冷卻所述至少一個磁線圈。
8.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體加速器包括電磁軌道炮。
9.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體加速器包括位于所述等離子體加速器的所述第一端附近的等離子體限制器，所述等離子體限制器被構造來禁止所述緊湊環(huán)從所述限制器的位置之上向所述限制器的位置之下的移動，直到所述加速器的磁場強度超過閾值。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述等離子體加速器包括等離子體傳播通道，并且所述等離子體限制器包括在所述等離子體傳播通道中的收縮部分。
11.根據權利要求9所述的設備，其中所述等離子體限制器包括被布置在所述等離子體加速器的所述第一端附近的至少一個磁線圈。
12.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體加速器包括內部電極和外部電極， 所述內部電極和所述外部電極的至少一個被構造為錐形，以當所述緊湊環(huán)從所述第一端向所述第二端移動時提供對所述緊湊環(huán)的壓縮。
13.根據權利要求12所述的設備，其中當所述緊湊環(huán)在所述等離子體加速器中時，所述內部電極和所述外部電極的至少一個被涂覆具有大于所述緊湊環(huán)的溫度的熔點的材料。
14.根據權利要求1所述的設備，進一步包括電容器組，所述電容器組被構造來向所述等離子體加速器提供電能。
15.根據權利要求14所述的設備，進一步包括飽和電感器，所述飽和電感器被構造來延遲從所述電容器組向所述等離子體加速器提供電能。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述飽和電感器被布置在盤形傳輸線中，所述盤形傳輸線被構造來從所述電容器組向所述等離子體加速器傳送所述電能。
17.根據權利要求15所述的設備，其中所述飽和電感器包括無定形金屬。
18.根據權利要求1所述的設備，其中所述設備被構造使得在所述等離子體加速器的所述第二端處的所述緊湊環(huán)的壓力小于在所述等離子體加速器的所述第二端處的所述等離子體加速器的材料強度。
19.根據權利要求18所述的設備，其中所述設備被構造使得所述緊湊環(huán)當在所述液體漏斗中時的壓力大于所述材料強度。
20.根據權利要求1所述的設備，其中所述液體漏斗包括液態(tài)金屬。
21.根據權利要求20所述的設備，其中所述液態(tài)金屬包括鉛鋰。
22.根據權利要求20所述的設備，進一步包括泵系統(tǒng)，所述泵系統(tǒng)被構造來提供所述液態(tài)金屬以形成所述液體漏斗系統(tǒng)的所述液體漏斗。
23.根據權利要求1所述的設備，其中所述液體漏斗包括液體材料，所述液體材料至少部分地在重力下從所述頂端向所述底端流動。
24.根據權利要求1所述的設備，其中所述液體漏斗系統(tǒng)進一步包括導電液體導管，所述導電液體導管與所述等離子體加速器的縱軸和所述液體漏斗的通道的軸大體對準。
25.根據權利要求M所述的設備，其中所述液體導管被構造來當所述緊湊環(huán)在所述通道的頂端之下時向所述緊湊環(huán)提供磁力。
26.根據權利要求M所述的設備，進一步包括注入系統(tǒng)，所述注入系統(tǒng)被構造來在所述緊湊環(huán)到達所述液體漏斗的所述頂端之前向所述液體漏斗系統(tǒng)內注入所述液體導管。
27.根據權利要求沈所述的設備，其中所述注入系統(tǒng)被構造來向所述液體漏斗系統(tǒng)內提供所述液體導管，作為至少部分地在重力下流動的液體材料，當所述緊湊環(huán)在所述漏斗的所述頂端之下時，所述液體導管不與所述液體漏斗電接觸。
28.根據權利要求27所述的設備，進一步包括再循環(huán)系統(tǒng)，所述再循環(huán)系統(tǒng)被構造來將液體材料的一部分從所述液體漏斗系統(tǒng)向儲存器再循環(huán)，所述儲存器被構造來存儲用于所述液體導管的液體材料。
29.根據權利要求觀所述的設備，其中所述再循環(huán)系統(tǒng)包括間歇泵，所述間歇泵被構造來在向所述液體漏斗系統(tǒng)內的連續(xù)注入等離子體之間再循環(huán)所述液體材料的所述部分。
30.根據權利要求四所述的設備，其中所述再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括在所述液體漏斗系統(tǒng)和所述儲存器之間進行液體交換的回管，所述回管包括電絕緣截面，所述電絕緣截面被構造來與所述等離子體加速器電隔離。
31.根據權利要求30所述的設備，其中所述電絕緣截面被大體垂直地定位，以向所述儲存器提供液體材料的排出。
32.—種被構造用于壓縮等離子體的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，所述液態(tài)金屬漏斗包括液態(tài)金屬漏斗，所述液態(tài)金屬漏斗具有大體上圓柱形的通道，所述通道具有在所述通道的第一端處的第一內徑和在所述通道的第二端處的第二內徑，所述第二內徑比所述第一內徑小，所述液態(tài)金屬漏斗被定位使得所述通道的所述第一端比所述通道的所述第二端尚，其中，所述液態(tài)金屬漏斗被構造來從等離子體注入器接收等離子體，并且當所述等離子體沿著所述通道從所述第一端向所述第二端移動時壓縮所述等離子體。
33.根據權利要求32所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述第一端大體在所述第二端之上。
34.根據權利要求32所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中從所述等離子體注入器接收的所述等離子體的壓力小于當所述等離子體在所述通道的所述第一端之下時所述等離子體的壓力。
35.根據權利要求32所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述等離子體包括緊湊環(huán)。
36.根據權利要求32所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被構造使得所述液態(tài)金屬漏斗包括液態(tài)金屬，所述液態(tài)金屬至少部分地在重力下從所述第一端向所述第二端流動。
37.根據權利要求36所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，進一步包括液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)，所述液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)被構造來循環(huán)所述液態(tài)金屬，使得所述液態(tài)金屬能夠從所述第一端向所述第二端流動。
38.根據權利要求37所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)包括限制系統(tǒng)和泵系統(tǒng)，所述液態(tài)金屬漏斗被布置在所述限制系統(tǒng)中，所述泵系統(tǒng)被構造來將所述液態(tài)金屬從所述限制系統(tǒng)的底端向所述限制系統(tǒng)的上端泵吸。
39.根據權利要求32所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述通道具有在所述第一端和所述第二端之間的軸，所述系統(tǒng)進一步包括液體導管注入系統(tǒng)，所述液體導管注入系統(tǒng)被構造來大體沿著所述液態(tài)金屬漏斗的所述通道的軸來注入液態(tài)金屬導管。
40.根據權利要求39所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)被構造來在所述液態(tài)金屬漏斗的內表面和所述液體導管的外表面之間接收所述等離子體。
41.根據權利要求39所述的液態(tài)金屬漏斗系統(tǒng)，其中所述液態(tài)金屬導管被構造來與所述液態(tài)金屬漏斗電隔離。
42.一種用于壓縮等離子體的方法，所述方法包括產生環(huán)形等離子體；沿著縱向來加速所述環(huán)形等離子體；向在液體漏斗中的通道內引入所加速的環(huán)形等離子體，所述通道在所述通道的第一端處具有第一尺寸，并且在所述通道的第二端處具有第二尺寸，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；以及當所述環(huán)形等離子體從所述通道的所述第一端向所述通道的所述第二端移動時壓縮所述環(huán)形等離子體。
43.根據權利要求42所述的方法，其中產生所述環(huán)形等離子體包括產生球馬克。
44.根據權利要求42所述的方法，其中加速所述緊湊環(huán)包括使用電磁軌道炮來加速所述緊湊環(huán)。
45.根據權利要求44所述的方法，其中使用電磁軌道炮來加速所述緊湊環(huán)包括通過所述軌道炮來壓縮所述緊湊環(huán)。
46.根據權利要求42所述的方法，進一步包括再循環(huán)液體以形成所述液體漏斗。
47.根據權利要求42所述的方法，其中所述液體漏斗包括液態(tài)金屬。
48.根據權利要求42所述的方法，進一步包括大體沿著所述通道的軸來引入液體導管。
49.根據權利要求48所述的方法，其中壓縮所述緊湊環(huán)包括在所述通道的內表面和所述液體導管的外表面之間壓縮所述緊湊環(huán)。
50.根據權利要求48所述的方法，進一步包括當所述緊湊環(huán)在所述通道的所述第一端和所述第二端之間時將所述液體導管與所述液體漏斗電隔離。
51.根據權利要求42所述的方法，進一步包括將電容器組放電，以提供用于加速所述環(huán)形等離子體的電能。
52.根據權利要求51所述的方法，其中將所述電容器組放電包括使用飽和電感器來延遲將所述電容器組放電。
全文摘要
描述了用于壓縮等離子體的系統(tǒng)和方法的實施例，其中可以通過向其中壓縮和/或加熱等離子體的液態(tài)金屬的漏斗內注入等離子體來實現大于固態(tài)材料的斷裂點的等離子體壓力。
文檔編號H05H1/26GK102301832SQ201080006459
公開日2011年12月28日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權日2009年2月4日
發(fā)明者米切爾·喬治斯·拉伯齊, 道格拉斯·H·瑞查森 申請人:全面熔合有限公司