(57)【要約】  磁化プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムが、磁化プラズマを発生させるためのプラズマ発生器と、発生された磁化プラズマが、噴射され、閉じ込められる磁束保存部とを備える。中央導体が、電気的に接続され、単一の統合導体を形成する、上部中央導体と下部中央導体とを備える。上部中央導体と外側電極とは、環状プラズマ伝播チャネルを形成する。下部中央導体は、内側電極の端部が磁束保存部の壁に電気的に接続されるように、プラズマ発生器から磁束保存部内に延びる。電力システムが、磁化プラズマを形成し、そのようなプラズマを磁束保存部内に噴射し、プラズマの磁界を持続させるために形成電流パルス及び持続電流パルスを中央導体に提供する。
2021518034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化プラズマを発生させ、前記磁化プラズマの磁界を持続させるためのシステムであって、該システムが、
前記磁化プラズマを発生させるためのプラズマ発生器であって、外側電極、及び前記外側電極内に同軸上に配置され、前記外側電極から離間した上部中央導体を備えて、出口を有する環状プラズマ伝播チャネルを形成するようになっている、プラズマ発生器と、
プラズマ燃料を前記環状プラズマ伝播チャネルの上流端内に噴射するための燃料噴射器と、
前記環状プラズマ伝播チャネル内にスタッフィング磁界を発生させるように、及び前記磁化プラズマにポロイダル磁界を提供するように動作する１つ又は複数のコイルと、
磁束保存部であって、該磁束保存部は、外壁、及び該外壁内に同軸上に配置され、前記外壁から離間した下部中央導体を有し、前記環状プラズマ伝播チャネルの前記出口と流体連通した入口を有する真空内部空洞を画定し、及び前記出口を通じて前記磁化プラズマが前記内部空洞内に噴射されるようになっており、前記下部中央導体の一端が、前記上部中央導体の一端に電気的に結合され、前記下部中央導体の別の一端が、前記磁束保存部の前記外壁に電気的に結合される、前記磁束保存部と、
前記上部中央導体及び前記下部中央導体に電気的に結合された電力供給源であって、電流が前記上部中央導体及び前記下部中央導体並びに前記磁束保存部の前記外壁に沿って流れるようになっている前記電力供給源と
を備え、
前記電力供給源が、
前記プラズマ発生器内の前記プラズマ燃料から前記磁化プラズマを発生させるのに十分な形成電力パルスを発生させるように、及び前記磁化プラズマを前記磁束保存部内に噴射するように構成された形成電力回路と、
前記プラズマ発生器及び前記磁束保存部内にトロイダル磁界を発生させるのに十分な持続電流パルスを前記上部中央導体及び前記下部中央導体並びに前記磁束保存部の前記外壁に沿って発生させるように構成された持続電力回路と
を備える、システム。
【請求項２】
前記持続電力回路が、前記持続電力回路を前記形成電力回路から少なくとも部分的に電気的に絶縁する緩衝誘導子をさらに備え、
前記システムが、
前記形成及び持続電力回路と連通する処理ユニットを有する制御器と、
実行されたとき、前記形成電力回路が前記プラズマ発生器及び前記磁束保存部内に既存のトロイダル磁界を形成する前に前記処理ユニットに前記持続電力回路を始動させるプログラム・コードをエンコードさせたメモリとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プラズマ燃料が中性気体であり、前記形成電力回路は、前記電流が前記磁束保存部の周りをループする前に前記磁化プラズマを形成するために前記上部中央導体と前記外側電極との間に前記中性気体を絶縁破壊するのに十分な値及び速度で電圧を印加するように動作する少なくとも１つの高速高電圧スイッチを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記環状プラズマ伝播チャネル内に位置決めされ、前記形成電力回路に電気的に結合された少なくとも１つのトリガ電極をさらに備え、前記形成電力回路が、前記プラズマ燃料を絶縁破壊して、前記磁化プラズマを形成するのに十分な絶縁破壊電流パルスを前記トリガ電極に提供するように動作するようになっている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記形成電力回路が、前記上部中央導体に電気的に結合され、前記形成電流パルスを提供するように動作する主形成電力回路と、前記トリガ電極に電気的に結合され、前記絶縁破壊電流パルスを提供するように動作する前置形成電力回路とを備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記プラズマ燃料が、前記環状プラズマ伝播チャネルの前記上流端中に噴射される予備イオン化気体である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料噴射器に近接して前記環状プラズマ伝播チャネル内に位置決めされたトリガ電極をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記プラズマ燃料が中性気体であり、前記システムが、その中の前記中性気体を少なくとも部分的にイオン化する前記環状プラズマ伝播チャネル内に励起エネルギーを提供する予備イオン化手段をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記持続電力回路が、
目標時間周期内に電流ピークの所定値に達する高速引上げ電流パルスを提供するように動作する電流ピーキング回路と、
所定時間周期にわたって前記電流ピークにおける電流の流れを前記システム内に持続させるように構成された電流維持電力回路と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記下部中央導体が、流動液体金属を備える液体金属ガイドであり、前記上部中央導体が、液体金属貯蔵器とノズルとを備え、該ノズルを通じて、前記液体金属が流れ、前記液体金属ガイドを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ノズルよりも下の前記磁束保存部の端板に位置決めされた液体金属捕獲器と、前記液体金属捕獲器及び前記液体金属貯蔵器に流体結合する導管網を有する再循環システムとをさらに備え、それにより、前記液体金属捕獲器に捕獲された液体金属が、前記液体金属貯蔵器に戻されるようになっている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記磁束保存部が、部分的に液体金属で充填され、前記システムは、液体金属ライナーが前記真空内部空洞内に形成されるように、前記磁束保存部内の前記液体金属の流れを向けるように構成された液体金属循環システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に磁化プラズマを発生させるためのシステム及び方法に関し、詳しくは、プラズマ形成及びプラズマの磁界の持続に使用される中央導体を有するプラズマ発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において他に指示がない限り、本節に記載される資料は、本出願における特許請求の範囲の先行技術ではなく、本節への包含によって先行技術と認められるわけではない。
【０００３】
プラズマとは、粒子の少なくとも一部がイオン化された、気体と同様の物質の状態のことである。荷電粒子の動きに影響を及ぼすほどに強力な磁界を有するプラズマは、磁化プラズマと呼ばれる。プラズマ内の磁界は、磁力線が閉軌道でそれら自体に折り返して戻るように構成されている場合（場合により長さが無限である）、プラズマ粒子を長時間にわたって閉じ込めることができる。磁化プラズマにおける磁界の大部分は、プラズマ自体の中及び／又はプラズマを含有するチャンバの壁の中を流れる電流によって作り出される。高エネルギー・プラズマを発生させるための様々な方法及びシステムがある。一般に、プラズマは、電極の対の間で１つ又は複数の弁を通じて気体をプラズマ発生器内に導入することによって発生させることができる。高電圧パルスが、気体をイオン化し、プラズマを形成するために電極間で放電される。気体絶縁破壊が起きるためには、電極間の間隙に充填するのに十分な気体を噴射する必要がある。絶縁破壊プロセスには、自由電子の加速、中性原子との衝突、及び雪崩電離プロセスの始動が関与する。電極間に高電圧パルスを発生させるために、高速スイッチ又は複数スイッチのシステムを採用して、コンデンサ・バンク（高電圧パルス電源）から電極に高エネルギー電流パルスを急速に供給する放電回路が必要とされる。
【０００４】
図１は、磁化プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるための先行技術システムを示す。システムは、プラズマ発生器１２と、磁束保存チャンバ１４（磁束保存部と呼ばれこともある）とを備える。発生器１２は、磁化プラズマを発生させるように構成され、中央形成電極１１と、形成電極１１と同軸であり、それを囲む外側電極１３とを有し、したがって、それらの間の中に環状プラズマ伝播チャネルを形成することができる。一連の磁気コイル１５を使用して、プラズマ伝播チャネル内に初期（スタッフィング）磁界を形成することができる。気体プラズマ燃料が、いくつかの弁１６を通じて伝播チャネル内に噴射される。形成電流パルスが電源１７によって形成電極１１に提供され、したがって、いずれかの極性の電流が、形成電極１１と外側電極１３との間の伝播チャネル内に噴射された気体プラズマ燃料を流れ、気体プラズマ燃料をイオン化し、プラズマを形成することができる。この電流は、プラズマの磁束保存部１４へ向かった動きを生じさせることができるプラズマ・トロイダル磁界を作り出すことができる。プラズマは、前進するにつれて、スタッフィング磁界と相互作用し、したがって、前進するプラズマが解放されたとき、磁界がプラズマの周囲に配置され、磁化プラズマ・トーラスを形成する。システムは、発生器１２から磁束保存部１４内に延び、間隙１９によって形成電極１１から電気的に絶縁された、細長い中央軸シャフト１８をさらに備える。追加の電流パルスが、プラズマ発生器１２及び磁束保存部１４内にトロイダル磁界を提供して、プラズマの磁界を持続させるために、中央軸シャフト１８及び磁束保存部１４の壁に沿って駆動される。磁束保存部１４内で発生されたトロイダル磁界は、プラズマ中に拡散して、プラズマの磁界を持続させ、したがって、プラズマ閉じ込めを改善し、プラズマの寿命を延ばすことができる。図１に示すように、シャフト１８は、間隙１９によって形成電極１１から電気的に絶縁され、したがって、電源は、形成パルスを形成電極１１に、及び持続パルスを中央シャフト１８に提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，８９１，７１９号明細書
【特許文献２】米国特許第８，５３７，９５８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１００１６３１３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いくつかの実装例において、間隙１９の代わりに、絶縁体を形成電極１１と中央シャフト１８との間に設けて、中央シャフト１８を形成電極１１から電気的に絶縁することができる。形成電極１１と中央シャフト１８との間に絶縁を有することにより（それが間隙１９であるか、又は任意の他の種類の電気的絶縁であるかに関わらず）、プラズマ中への不純物の噴出及び／又は間隙１９にわたる又は絶縁体の表面上の電流アーチングによる電極／シャフトの損傷（溶融）を生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、磁化プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムが提供される。システムは、磁化プラズマを発生させるためのプラズマ発生器を備える。プラズマ発生器は、出口を有する環状プラズマ伝播チャネルを形成するために、外側電極と、外側電極内に同軸上に配置され、外側電極から離間した上部中央導体とを備える。燃料噴射器は、プラズマ燃料を環状プラズマ伝播チャネルの上流端中に噴射する。１つ又は複数のコイルが、環状プラズマ伝播チャネル内にスタッフィング磁界を発生させるように、及び磁化プラズマにポロイダル磁界を提供するように構成される。磁束保存部が、プラズマ発生器と流体連通している。磁束保存部は、入口を有する真空内部空洞を画定するために、外壁と、外壁内に同軸上に配置され、外壁から離間した下部中央導体と有し、入口は、環状プラズマ伝播チャネルの出口と流体連通しており、入口を通じて、プラズマ発生器内で発生された磁化プラズマが内部空洞内に噴射される。下部中央導体の一端は、上部中央導体の一端に電気的に結合され、下部中央導体の別の一端は、磁束保存部の外壁に電気的に結合される。電力供給源が、電流が上部及び下部中央導体並びに磁束保存部の外壁に沿って流れるように、上部及び下部中央導体に電気的に結合される。電力供給源は、プラズマ発生器内のプラズマ燃料から磁化プラズマを発生させるのに十分な形成電力パルスを発生させるように、及び磁化プラズマを磁束保存部内に噴射するように構成された形成電力回路と、プラズマ発生器及び磁束保存部内にトロイダル磁界を発生させるのに十分な持続電流パルスを上部及び下部中央導体並びに磁束保存部の外壁に沿って発生させるように構成された持続電力回路とを備える。
【０００８】
一態様において、持続電力回路は、持続電力回路を形成電力回路から少なくとも部分的に電気的に絶縁する緩衝誘導子をさらに備える。システムは、形成電力回路がプラズマ発生器及び磁束保存部内に既存のトロイダル磁界を形成する前に持続電力回路を始動させるようにプログラムされた制御器をさらに備える。
【０００９】
一態様において、少なくとも１つのトリガ電極が提供される。少なくとも１つのトリガ電極は、形成電力回路がプラズマ燃料を絶縁破壊して磁化プラズマを形成するのに十分な絶縁破壊電流パルスをトリガ電極に提供するように動作するように、形成電力回路に電気的に結合される。形成電力回路は、上部中央導体に電気的に結合され、形成電流パルスを提供するように動作する主形成電力回路と、トリガ電極に電気的に結合され、絶縁破壊電流パルスを提供するように動作する前置形成電力回路とを備える。
【００１０】
別の態様において、プラズマ燃料は、環状プラズマ伝播チャネルの上流端中に噴射される予備（プレ）イオン化気体である。
【００１１】
上記に説明した態様及び実施例に加えて、他の態様及び実施例が、図面の参照及び以下の詳細な説明の検討によって明らかとなるであろう。
【００１２】
図面全体を通して、参照された要素の一致を示すために参照番号を再使用することができる。図面は、本明細書に説明する実施例の実例を示すために提供され、本開示の範囲を限定することは意図されていない。図面中の要素のサイズ及び相対的位置は、必ずしも縮尺どおりではない。例えば、様々な要素の形状及び角度は縮尺どおり描かれておらず、これらの要素のうちのいくつかは、図面の判読性を高めるために任意に拡大され、位置決めされている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるための周知の（先行技術）システムの断面概略図である。
【図２】本発明によるプラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの１つの実例の断面概略図である。
【図２Ａ】磁束保存部内に形成された液体ライナーを示す、プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの別の実例の断面概略図である。
【図３】形成電力供給装置及び持続電力供給装置を示す電力供給装置のスキームの実例である。
【図４】形成及び持続電力回路によって発生された秒（ｓ）で表す時間に対するアンペア（Ａ）で表す電流パルスの実例のグラフ図である。
【図５】トリガ電極を示す、プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの別の実例の部分的断面図である。
【図６】中性気体を部分的にイオン化し、そのような予備イオン化気体をプラズマ発生器内に噴射するのに使用される予備イオナイザの断面概略図である。
【図７】制御器によって実行されるステップを示す、プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムを制御するための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例は、プラズマ燃料から、例えばプラズマ・トーラスなどの磁化プラズマを発生させ、先行技術システム１０の絶縁間隙１９によって分離される形成電極１１及び中央シャフト１８の代わりに単一の中央導体を使用してプラズマの磁界を持続させるためのシステム及び方法を開示する。電流が中央導体に提供されたとき、及び中央導体がシステムの磁束保存部から電気的に絶縁されないので、システムは誘導子として実施し、電流は中央導体、磁束保存部の壁及びシステムの外側電極に沿って流れる。磁化プラズマの発生を確実にし、プラズマの磁界を持続させるために、電流は、プラズマ燃料を半径方向に流れて、絶縁破壊放電及び磁化プラズマの形成をもたらす必要がある。所望のパラメータを有する磁化プラズマが形成され、磁束保存部内に噴射されることを確実にするために、電流が磁束保存部の周りをループするまでにプラズマ燃料絶縁破壊を生じさせるのに十分な時間周期にわたってシステムのプラズマ伝播チャネル間に高電圧を提供することができる１つ又は複数の高速スイッチを備える形成電力供給装置回路を提供することができる。さらに又は代替案として、１つ又は複数のトリガ電極を、プラズマ燃料絶縁破壊を生じさせるのに使用することができる。プラズマ燃料は、中性気体又は予備イオン化気体であることができる。
【００１５】
図２は、本発明の一実施例による磁化プラズマを発生させるためのシステム２０の実例を示し、システム２０は、プラズマ発生器２２と磁束保存部２４とを含む。システム２０は、中央導体２１と外側電極２３とを備える。中央導体２１は、プラズマ発生器２２内に位置決めされた上部中央導体２１ａと、磁束保存部２４内に位置決めされた下部中央導体２１ｂとを備え、下部中央導体２１ｂの遠心端２１ｃが、磁束保存部２４の端板２９に接続される。上部中央導体２１ａは、円筒形、円錐形又は同様の形状又はそれらの組合せを有することができるが、下部中央導体２１ｂは、磁束保存部２４の全長にわたって中央に延びる、より細長い（シャフト状）形状を有することができる。これは、限定的ではなく、例示的であることが意図されており、中央導体２１及び／又は外側電極２３は、本発明の範囲から逸脱することなく任意の他の適切な形状を有することができる。外側電極２３は、同軸であり、上部中央導体２１ａを囲み、したがって、それらの間の中に環状プラズマ伝播チャネル２５を画定する。１つ又は複数の弁２６を有する燃料噴射器が、プラズマ燃料をプラズマ発生器のプラズマ伝播チャネル２５の上流端中に噴射するためにやはり提供される。１つ又は複数の気体弁２６は、プラズマ燃料源（図示せず）と流体連通していることができ、正確な量のプラズマ燃料をポート２６ａを通じてチャネル２５中に対称的に噴射するためにプラズマ発生器２２の周辺の周りの環として配置することができる。システム２０は、形成電流パルス及びトロイダル磁界持続電流パルスを中央導体２１に提供して、プラズマ発生器２２内に磁化プラズマを形成し、そのようなプラズマを磁束保存部２４内に噴射し、プラズマの磁界を長時間周期にわたって磁束保存部２４内に持続させるために電源３０（図３参照）をさらに備える。
【００１６】
中央導体２１は、導体及び高真空対応材料から製作され、磁化プラズマを形成し、プラズマの磁界を長時間にわたって持続させるように構成される。本明細書において以下に説明するように、これは、電流が磁束保存部２５の周りをループする前にプラズマ燃料絶縁破壊及びイオン化を生じさせるのに十分な時間周期にわたってプラズマ伝播チャネル２５間に高電圧を提供することができる１つ又は複数の高速形成スイッチ（例えばレール・ギャップ・スイッチ）を使用することによって、及び／又は気体絶縁破壊に１つ又は複数のトリガ電極を採用することによって、及び／又はプラズマ燃料として予備イオン化気体を使用することによってのいずれかで行うことができる。
【００１７】
一実装例において、中央導体２１の下部中央導体２１ｂは、流動液体金属を備える液体金属ガイドであることができる。例えば、中央導体２１の上部中央導体２１ａは、液体金属を含有する液体金属貯蔵器を備えることができ、液体金属は、液体金属貯蔵器内に形成された出口を通じて流れ出る。液体金属は、磁束保存部２４を通じて流れることができ、例えば、端板２９内に位置決めすることができる捕獲器（図示せず）に収集することができる。捕獲器からの液体金属は、１つ又は複数のポンプを使用して液体金属貯蔵器内に再循環させて戻すことができる。液体金属ガイドは、連続的に流れることができ、又は流れは、貯蔵器の出口と連通している弁を使用して調節することができる。液体金属は、重力下で又は圧力手段を使用することによって流れることができる。
【００１８】
磁束保存部２４は、プラズマ発生器２２の出口に位置合わせされた入口開口２８を備えることができ、したがって、プラズマ発生器２２内で発生されたプラズマは、磁束保存部２４の内側真空空洞内に噴射することができる。一実装例において、磁束保存部２４は、液体金属で部分的に充填することができる（図２Ａ参照）。磁束保存部２４内の液体金属は、循環させることができ、回転させることができ、又はそれが内側真空空洞４の壁を画定する液体ライナー２を形成するように流れるように構成することができる。例えば、ライナー２は、液体媒体を磁束保存部２４内に噴射することによって形成することができる。液体循環システム６を、液体媒体の流れを磁束保存部２４内に向けるために設けることができる。循環システム６は、磁束保存部２４内の液体媒体の所望の流れを得るために、複数の弁、ノズル、管網及び１つ又は複数のポンプを備えることができる。磁束保存部内の液体金属の流れは、液体ライナー２の所望の所定形状を形成するように設計し、構成することができ、したがって、プラズマが噴射される内部空洞４は、球形、円筒形、円錐形又は任意の他の所望の形状である。液体ライナーの実例及び真空空洞を液体ライナー中に形成するための方法は、米国特許第８，８９１，７１９号、米国特許第８，５３７，９５８号及び米国特許出願公開第２０１００１６３１３０号に記述されている。これは例示のためだけであり、中に内部空洞を画定する液体ライナーを形成するための任意の他の方法及びシステムを、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。一実装例において、ライナーは、例えば、磁束保存部２４の壁などの固体ライナー又は磁束保存部の壁２４の内側に取り付けられた／被覆された固体ライナーであることができる。
【００１９】
電源（図示せず）に電気的に結合された１つ又は複数のコイル２７（図２）は、プラズマ燃料が環状プラズマ伝播チャネル２５中に噴射されるよりも前に及び電流が放電されるよりも前に、初期スタッフィング磁界を設定するのに使用することができる。いくつかの実施例において、プラズマ燃料は、例えば、水素又はヘリウムの同位体などの中性気体、又は任意の他の気体又はそれらの組合せであることができる。他の実施例において、プラズマ燃料は、部分的に又は完全にイオン化された気体（プラズマ）であることができる。プラズマ燃料が中性気体又は部分的にイオン化された気体である、いくつかの実施例において、プラズマ燃料は、少なくとも部分的にチャネル２５を充填するために噴射され、拡散し、電源３０（図３）は、気体をイオン化し、磁化プラズマを形成するのに十分である時間周期にわたって形成電流パルスに中央導体２１と外側電極２３との間を流れさせるために始動される。
【００２０】
コイル２７は、電源３０とは別個であり、電源３０から独立した電源に結合させることができ、又は電源３０は、本発明の範囲から逸脱することなく、コイル２７に電力を提供するように構成することができる。
【００２１】
プラズマ伝導路がプラズマ発生器２２内に確立される前に及び中央導体２１が磁束保存部２４から電気的に絶縁されないという事実により、システム２０は、誘導子として実施し、電流が、気体を通る代わりに中央導体２１、磁束保存部２４の壁２４ａ及び外側電極２３に沿って流れる。そのような電流の流れは、既存のトロイダル磁界をプラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内に発生させることができる。上部中央導体２１ａと外側電極２３との間に絶縁破壊放電をもたらすために、電流が気体を実質的に半径方向に通過し、磁束保存部２４の壁に沿って還流する代わりに気体をイオン化する十分に短い時間内に電圧をその中に印加する必要がある。これは、数マイクロ秒（方程式Ｖ＝ＬｄＩ／ｄｔに従って中央導体２１及び磁束保存部２４のサイズ（インダクタンス）に基づいて決定される所要時間）以内に高電圧を印加するために高速スイッチ又は複数スイッチを使用することによって実現することができる。例えば、高速スイッチは、数ナノ秒以内に閉じることができるレール・ギャップ・スイッチであることができる。
【００２２】
図３は、プラズマ燃料絶縁破壊及び磁化プラズマの形成のための形成パルスを提供する形成電力回路３１と、長時間周期にわたってプラズマの磁界を持続させるために持続電流パルスを提供する持続電力回路３５とを備える電力供給源３０の実例を示す。形成電力回路３１は、１つ又は複数のコンデンサ・バンクを備える主形成回路３４と、絶縁破壊放電及びプラズマ燃料のイオン化を生じさせるのに十分な時間周期（例えば５０μｓ）にわたって中央導体２１と外側電極２３との間に高電圧を急速に印加するように設計されている高速高電圧スイッチ又は複数スイッチのシステムとを含む。プラズマ（イオン化された気体）中を流れる電流は、磁束保存部２４に向かったプラズマの動きを生じさせることができるプラズマ・トロイダル磁界を作り出すことができる。プラズマは、前進するにつれて、コイル２７によって発生されたスタッフィング磁界と相互作用し、したがって、前進するプラズマが解放されたとき、磁界がプラズマの周囲に配置され、プラズマのポロイダル磁界を形成する。
【００２３】
図３は、電流ピーキング回路３６と電流維持回路３８とを含むことができる持続電力回路３５をさらに示す。電流ピーキング回路３６及び電流維持回路３８は、電流が中央導体２１、磁束保存部２４の壁２４ａ及び外側電極２３に沿って流れるように電流パルスを中央導体２１に提供し、したがって、トロイダル磁界（中央導体２１の周りに延びる磁力線）をプラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内に発生させる。このトロイダル磁界は、プラズマ中に拡散することができ、プラズマ・トロイダル磁界を増加させることができ、及び持続電流のパルス・プロファイルを制御することによって、プラズマのトロイダル磁界を制御することができる。電流ピーキング回路３６は、目標時間周期内に電流ピークの所定値に達する高速引上げ電流パルスを提供する。例えば、電流ピークの所定値は、１００〜３００μｓの時間周期内に達することができる１ＭＡであることができる。次いで、電流維持回路３８は、そのような１ＭＡの電流の流れを長時間（例えば約１０ｍｓ）にわたって持続させることができる。持続電力回路、すなわち、電流ピーキング回路３６及び電流維持回路３８は、１０ｍｓよりも多いか又は少ない時間にわたって持続させることができる１ＭＡよりも高いか又は小さい電流パルスを提供するように設計することができることを当業者は理解するであろう。一実装例において、単一の持続電力回路３５が、＞又は＜１０ｍｓにわたって持続される、＞又は＜１ＭＡの高速引上げ持続電流パルスを提供することができる。
【００２４】
所定プラズマ燃料がポート２６ａを通じて環状プラズマ・チャネル２５内に噴射されたとき、形成回路３１は、磁化プラズマを形成するために始動される。磁化プラズマが形成された後、持続回路３５は、プラズマ中に拡散し、プラズマ磁界を制御し／持続させるトロイダル磁界を提供するために始動させることができる。
【００２５】
一実装例において、持続回路３５は、形成回路３１の始動時間前に始動させることができる。したがって、プラズマ形成は、プラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内で既存のトロイダル磁界とともに起きることができる。形成電力回路３１からの持続電力回路３５の電気的絶縁をもたらすために、緩衝誘導子３７を採用することができる。緩衝誘導子のインダクタンス値は、持続電力供給装置３５を形成電流パルスの大部分から電気的に絶縁するのに十分である必要がある。例えば、緩衝誘導子３７のインダクタンスは、５００ｎＨであることができる。これは例示的な値に過ぎず、緩衝器３７のインダクタンスは、本発明の範囲から逸脱することなく、設計されたプラズマのパラメータに応じて５００ｎＨよりも多いか又は少ないことができる。形成パルスが放電されたとき、緩衝器３７は、高速形成パルスの大部分を阻止し、したがって、電流はプラズマ燃料を流れ、プラズマを形成する。プラズマ中を流れる電流は、ローレンツ力によりプラズマ発生器２２の下方へプラズマを加速させるプラズマ・トロイダル磁界を作り出す。プラズマは、磁束保存部２４に向かって動くにつれて、そのような既存トロイダル磁界を押し、その磁力線を偏向させる。例えば、形成電流パルスは、持続回路３５の始動時間の約２００〜４００μｓ後に放電させることができる。図４はシステム２０における電流プロファイルの１つの実例のグラフ表示を示す。電流ピーキング回路３６が、まず１ＭＡのピーク電流（パルス曲線４６で表される）を提供するために始動され、次いで、約１００〜３００μｓ後に、電流維持回路３８を、そのような１ＭＡの電流パルスを＞１０ｍｓの長時間にわたって持続させるためにピーク電流において始動させることができる（曲線４８参照）。図４の電流グラフから気づくことができるように、形成電力回路３１は、形成電流曲線４１で表されるように、持続電力回路３５の後に始動される。
【００２６】
電力供給源３０の形成回路３１及び持続回路３５の設計は、発生されるプラズマの所望のパラメータに依存する。例えば、磁化プラズマに約３００ｍＷｂを発生させるために、約５ＭＪの形成コンデンサ・バンクを必要とする場合がある。電流ピーキング回路３６は、１．３ＭＪのコンデンサ・バンクを電力供給装置として有することができるが、維持回路３８は、約１０ＭＪのコンデンサ・バンクを電力供給装置として有することができる。これは例示のためだけであり、回路３６、３８は、本発明の範囲から逸脱することなく、１ＭＡよりも強い電流を１０ｍｓよりも多いか又は少ない時間にわたって提供し、持続させるように設計することができる。形成回路３１のパラメータは、バブル・アウト段階中に偏向させる必要がある、プラズマ発生器内のスタッフィング磁界及び既存のトロイダル磁界の量によって影響を受ける場合もある。
【００２７】
プラズマ発生器２２内の（プラズマの後及び前の）気体の量、トロイダル磁界の量並びに形成されたプラズマのサイズを制御するために、制御器３９（図３参照）を電力供給装置回路のそれぞれの始動時間、並びにコイル２７のための燃料噴射器（例えば燃料噴射器の弁２６）及び電力供給装置の動作（スタッフィング磁界）を制御するように設け、事前にプログラムすることができる。回路３４、３６、３８の始動時間は、電源３０の特性、プラズマの所望のパラメータ並びにプラズマ・システム２０のサイズ及び幾何形状に応じて決定することができる。回路のそれぞれは、１つ又は複数の適切なスイッチ、ダイオード、及び制動抵抗を有することができる（コンデンサ又はスイッチの故障の場合にシステムを保護するために、及び電力供給構成部品における電気的リンギングを低減するために）。制御器３９は、入力ユニットと、出力ユニットと、処理ユニットと、メモリ・ユニットとを備えることができ、メモリ・ユニットに記憶された事前にプログラムされたタイム・テーブルに基づいて回路３４、３６、３８、プラズマ燃料噴射器の弁２６及びコイル２７の電力供給装置を始動させるように事前にプログラムすることができ、又はそのような出力トリガ信号は、いくつかの検出器（例えば光プローブ、磁気プローブ、電流／電圧プローブ）からの特定の入力信号に基づいて適当な回路／構成部品に送ることができる。一実装例において、プラズマ燃料をイオン化する絶縁破壊放電を、本明細書ではトリガ電極と呼ばれる１つ又は複数の追加の電極によって用意することができる。図５は、絶縁破壊放電を発生させるためにトリガ電極５１を備える一実施例を示す。トリガ電極５１は、プラズマ伝播チャネル２５内に位置決めすることができ、電源３０と電気通信することができる。例えば、形成電力回路３１は、１つ又は複数のトリガ電極５１に電気的に結合された前置形成回路３２（図３参照）と、中央導体２１に電気的に結合された主形成回路３４とを備えるように設計することができる。前置形成回路３２は、所定のインダクタンス及び抵抗を有することができ、１つ又は複数のコンデンサ・バンクを電力供給源として備えることができる。例えば、前置形成回路３２は、トリガ電極５１と中央導体２１との間に１０〜２５ｋＶの絶縁破壊放電を提供するのに使用することができる。前置形成回路３２は、主形成バンク３４から独立することができる。トリガ電極５１の極性は、電気的絶縁破壊放電を実現するのに必要とされる、噴射される気体の量を低減するために、主形成パルスにおいて中央導体２１の極性の反対であることができる。例えば、トリガ電極５１の極性は、正であることができ、電子は、スタッフィング磁界の磁力線により、中央導体２１の近くで捕獲され（電子は中央導体２１に近接して磁界に沿って進む）、したがって、電圧がトリガ電極５１に印加されたとき、絶縁破壊がずっと速く（約５０μｓ）起きる。本発明の範囲から逸脱することなく、トリガ電極５１の極性は、任意の極性を有することができ、それでもプラズマ燃料の絶縁破壊放電及びイオン化を実現することができ、又は絶縁破壊放電は、始動電極５１と外側電極２３との間に印加することができることを当業者は理解する���あろう。
【００２８】
一実装例において、プラズマ燃料は、絶縁破壊放電がトリガ電極５１に印加される前にプラズマ伝播チャネル２５中に噴射させることができる予備イオン化気体であることができ、したがって、絶縁破壊時間をさらに短縮し、イオン化された気体の量を増加させることができる（プラズマ中への、より少ない中性気体）。一実装例において、前置形成回路３２は省略することができ、電流パルスを、絶縁破壊放電パルスにはトリガ電極５１及び形成パルスには中央導体２１の両方に提供するために主形成回路３４を使用することができる。気体絶縁破壊放電をもたらすトリガ電極５１への印加電圧は、システムの寸法及びパラメータ並びにプラズマの所望のパラメータに応じて１０〜２５ｋＶよりも高いか又は低いことができることを当業者は理解するであろう。
【００２９】
気体プラズマ燃料絶縁破壊を開始するのにトリガ電極５１が使用される実装例において、前置形成回路３２は、主形成バンク３４の始動時間前に始動される。例えば、前置形成回路３２は、気体プラズマ燃料をチャネル２５中に噴射する弁（複数可）２６の開放時間の約２００〜３００μｓ後に始動させることができる。気体プラズマ燃料は、気体弁２６の多岐管を通じてプラズマ伝播チャネル２５中に噴射される。絶縁破壊電流パルスは、電流が気体を通じてトリガ電極５１から中央導体２１に（又は代替案として外側電極２３に）流れ、及びプラズマを形成する気体を少なくとも部分的にイオン化するように、トリガ電極５１に供給される。気体絶縁破壊は、例えば絶縁破壊光を検出するように設計された１つ又は複数の検出器（図示せず）によって検出することができる。例えば、検出器は、絶縁破壊事象によって発生された光を検出するように構成された光学センサであることができる。気体絶縁破壊が検出された後、主形成パルス３４が中央導体２１に放電されて、気体をさらにイオン化し、プラズマ・トロイダル磁界を提供して、スタッフィング磁界を通じてプラズマを加速させ、ついにそれは解放され（バブル・アウト段階）、磁束保存部２４内に噴射される。制御器３９の入力ユニットは、信号（複数可）を１つ又は複数の検出器から受け取るために用意することができ、そのような信号に基づいて、制御器３９の出力ユニットは、信号を電源３０に送って、主形成バンク３４のスイッチを始動させることができる。
【００３０】
図７は制御器３９によって実行される始動ステップを示す。ステップ７０２によって示すように、制御器は、初期スタッフィング磁界が環状プラズマ伝播チャネル２５中に浸透されるように、まずコイル２７の電力供給装置を始動させる。プリトロイダル磁界が何も必要とされないときの実施例において、ステップの右側の流れは、制御器３９によって実行される。したがって、スタッフィング磁界がプラズマ伝播チャネル２５内に浸透されると、弁２６が開放されて（ステップ７１２）、プラズマ燃料をプラズマ伝播チャネル２５中に噴射する。前置形成回路３２に結合された始動電極５１を採用する実施例において、ステップ７１４では、前置形成回路が、弁（複数可）２６の開放時間の（例えば２００〜３００μｓ）後に始動される。ステップ７１６において、制御器３９の処理ユニットが、光学光センサから受け取った信号を処理して、プラズマ燃料の絶縁破壊がいつ起きたのかを決定し、そのような発生に基づいて、ステップ７１８において、制御器３９が、主形成回路３４を始動させて、磁化プラズマを形成し、そのようなプラズマを磁束保存部２４内に噴射する。ステップ７２０において、制御器は、主形成回路３４の始動時間のある所定時間（例えば２００〜３００μｓ）後にピーキング電流持続回路３６を始動させることができ、又はピーキング電流持続回路３６は、磁束保存部の壁２４ａに装着された磁気プローブが、プラズマが磁束保存部２４内に噴射されることを示したときに始動させることができる。ステップ７２２において、制御器は、ピーキング電流持続回路３６の始動時間の例えば１００〜３００μｓ後の遅延とともに（又は電流プローブによって提供されるように、ピーク電流の所定値に達すると）電流維持回路３８を始動させる。始動電極５１が何も採用されていないときの実施例において、ステップ７１４及び７１６は省略され、形成回路３４が弁２６の開放時間の所定時間（例えば２００〜５００μｓ）後に始動される。次いで、ステップ７２０及び７２２は、本明細書において以前に説明したように始動される。
【００３１】
プリトロイダル磁界が必要とされるときの実施例において、ステップの左側の流れが、制御器３９によって実行される。したがってステップ７３２において、制御器３９は、ピーキング電流持続回路３６を始動させることができる。ピーキング電流持続回路３６は、コイル２７の始動時間と同じ時間に、又は、例えば２００μｓの遅延などのある時間遅延とともに始動させことができる。ステップ７３４において、電流プローブによって提供されるように、例えば１００〜３００μｓの遅延後、又はピーク電流の所定値に達すると、制御器３９は電流維持回路３８を始動させる。次いで、弁２６が開放され（ステップ７３６）、次いで、始動電極５１が採用されているか否かに応じて、ステップ７１４〜７１８が、本明細書に以前に説明したのと同様のやり方で実行される。
【００３２】
代替案として、気体プラズマ燃料の一部又は全部は、予備イオン化された状態で噴射させることができる。多数の荷電粒子を（中性気体の代わりに）環状プラズマ・チャネル２５中に噴射することにより、イオン化の確率を増加させることができ、絶縁破壊時間を短縮することができる。例えば、予備イオナイザを、プラズマ燃料源とプラズマ発生器２２とを接続する燃料管（図示せず）内に設置することができる。予備イオナイザは、図６に示すものなどのミニチュア同軸プラズマ銃６０であることができる。予備イオナイザ６０の図示する実例は、管状体６４内に位置決めされた中央電極６２を備える。管状体６４は一端が絶縁体６５で閉鎖され、対向端は開放され、出口ポート６６を形成し、出口ポート６６は、予備イオナイザ６０内に形成された予備イオン化気体をプラズマ発生器２２内に噴射させることができるようにポート２６と流体連通している。本発明の範囲から逸脱することなく、予備イオナイザ６０に使用される電極の任意の他の構成、又は気体がプラズマ発生器２２中に噴射される前に気体を部分的にイオン化するように構成された任意の他の予備イオン化手段を使用することができる。所定量の気体を１つ又は複数の弁６７を通じて管状体６４内に噴射させることができる。中央電極６２及び管状体６４は、予備イオン化回路６８に電気的に結合される。電源が電気的パルスを予備イオナイザ６０に印加したとき、電流が電極６２を流れ、噴射された気体を通って、管状体６４に至り、気体をイオン化する。次いで、イオン化されなかった任意の気体とともに、予備イオナイザ６０内に形成されたプラズマは、プラズマを流れる電流によって作り出された磁界によって加速され、出口６６及び弁２６を通じてプラズマ発生器２２内に放電される。部分的にイオン化された気体がプラズマ発生器２２内に入ったとき、制御器３９は、プラズマ発生器２２の中央導体２１と外側電極２３との間に電流放電をもたらすために形成回路３４を始動させることができる。
【００３３】
代替案として、プラズマ発生器２２の環状プラズマ伝播チャネル２５中に噴射された中性気体は、任意の適切な予備イオン化手段又は技法を使用して直接予備イオン化することができる。例えば、予備イオン化は、例えば紫外線（ＵＶ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）ランプなどの、１つ又は複数の紫外線（ＵＶ）光源を用いて実施することができる。ＵＶランプ（図示せず）は、プラズマ発生器２２の筐体の周りに配置することができる。ＵＶランプは、適切な電源に結合させて、ＵＶ光線を発生させることができ、ＵＶ光線は、気体噴射ポート（例えば弁の出口ポート２６ａ）の近くの気体噴射領域の方に向けることができる。プラズマ発生器２２の筐体は、１つ又は複数の透明窓を備えることができ、透明窓は、ＵＶ光が窓を通過し、噴射された気体に衝突できるように構成され、そのような気体の少なくとも部分的なイオン化を生じさせる。窓は、選択されたエネルギー源、例えばＵＶランプによって発生されたエネルギーの種類を透過することができる。一実装例において、透明窓は、ランプによって発生されたエネルギーを気体噴射点又は領域（ポート２６ａ）に集束するレンズとして構成することができる。他の実装例において、他の種類のエネルギー源（例えばレーザ、コロナ放電、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）システムなど）を、プラズマ発生器２２内に又は外部予備イオナイザ内に直接噴射された気体の励起及び予備イオン化に使用することができる。言及したシステム及び方法のいずれかは、プラズマ発生器２２内に直接気体を予備イオン化するのに使用できるか、又は気体はまず予備イオナイザ（例えば予備イオナイザ６０）内で予備イオン化させることができ、次いでプラズマ発生器２２内に部分的に又は完全にイオン化された状態で噴射されるかのいずれかである。
【００３４】
プラズマ発生システムの実施例が開示される。そのような実施例のいずれかは、中性子発生器、核融合、核廃棄物処理における適用例に適した高エネルギー密度プラズマの発生に、医療ヌクレオチドの生成に、材料研究に、中性子ラジオグラフィ及びトモグラフィ、Ｘ線発生装置などを介した対象物の内部構造の遠隔撮像に使用することができる。
【００３５】
本開示の特定の要素、実施例及び適用例を示し、説明してきたが、特に上述の教示の観点から、本開示の範囲から逸脱することなく変更を加えることができるので、本開示の範囲はそれに限定されないことを理解されよう。したがって、例えば、本明細書に開示された任意の方法又はプロセスにおいて、方法／プロセスを作り上げる活動又は動作は、任意の適切な順序で実施することができ、必ずしも任意の特定の開示された順序に限定されない。要素及び構成部品は、様々な実施例において異なって構成又は配置し、組み合わせ、及び／又は除去することができる。上記に説明した様々な特徴及びプロセスは、相互に独立して使用することができ、又は様々なやり方で組み合わせることができる。すべての可能な組合せ及び部分的組合せは、本開示の範囲に含まれることが意図されている。本開示全体を通して「いくつかの実施例（ｓｏｍｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」又は「実施例（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などへの言及は、実施例に関連して説明した特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、本開示全体を通した「いくつかの実施例において（ｉｎ  ｓｏｍｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」又は「実施例において（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などの語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施例を表しているわけではなく、同じ又は異なる実施例のうちの１つ又は複数を表している場合がある。実際、本明細書に説明した新規の方法及びシステムは、様々な他の形で具現化することができ、さらに、本明細書に説明した実施例の形で様々な省略、追加、代用、等価、再配置、及び変更を行うことができる。
【００３６】
必要に応じて、実施例の様々な態様及び利点を説明してきた。必ずしもすべてのそのような態様又は利点を任意の特定の実施例に従って実現できるわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、様々な実施例は、１つの利点又は利点の群を、本明細書に教示又は提案するのに応じて必ずしも他の態様又は利点を実現することなく、本明細書に教示するように実現又は最適化するやり方で実行できることを認識すべきである。
【００３７】
とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「可能性がある（ｍｉｇｈｔ）」、「可能性がある（ｍａｙ）」及び「例えば（ｅ．ｇ．）」などの、本明細書で使用された条件言語は、特に他の記載がない限り、又はそうでない場合使用された文脈内で理解されるが、一般に、ある実施例がある特徴、要素及び／又はステップを含むが、他の実施例がそれらを含まないことを伝達することが意図されている。したがって、そのような条件言語は、一般に、特徴、要素及び／又はステップが１つ又は複数の実施例には決して必要とされないこと、又は１つ又は複数の実施例が、操作員入力又はプロンプティングの有無にかかわらず、これらの特徴、要素及び／又はステップが含まれるかどうか、又は任意の特定の実施例において実施されることになっているかどうかを決定する論理を必然的に含むことを示唆することが意図されていない。単一の特徴又は特徴の群は、任意の特定の実施例に必要とされず、又は不可欠ではない。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は、同意語であり、オープン・エンドなやり方で包含的に使用され、追加の要素、特徴、行為、及び動作などを排除しない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は、その包含的な意味で（その排除的意味でなく）使用され、したがって、例えば、要素の列挙を接続するために使用されたとき、「又は（ｏｒ）」という用語は、列挙における要素のうちの１つ、一部又は全部を意味する。
【００３８】
「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ｘ，  Ｙ  ａｎｄ  Ｚ）」という語句などの接続言語は、特に他の記載がない限り、そうでない場合、品目、用語などはＸ、Ｙ又はＺのいずれかである可能性があることを伝達するために一般に使用された文脈を用いて理解される。したがって、そのような接続言語は、一般に、ある実施例がＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ及びＺの少なくとも１つがそれぞれ存在することを必要とすることを示唆することは意図されない。
【００３９】
本明細書に説明した実施例の計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータの実例は、開示された実施例を限定することではなく、例示することが意図されている。他の実施例は、本明細書に説明した例示的な実例と異なって構成し及び／又は動作させることができる。実際、本明細書に説明した新規の方法及び装置は、様々な他の形で具現化することができ、さらに、本明細書に説明した方法及びシステムの形の様々な省略、代用、及び変更を行うことができる。
【図１】
2021518034.tif 000003
【図２】
2021518034.tif 000004
【図２Ａ】
2021518034.tif 000005
【図３】
2021518034.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年10月22日(2020.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に磁化プラズマを発生させるためのシステム及び方法に関し、詳しくは、プラズマ形成及びプラズマの磁界の持続に使用される中央導体を有するプラズマ発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において他に指示がない限り、本節に記載される資料は、本出願における特許請求の範囲の先行技術ではなく、本節への包含によって先行技術と認められるわけではない。
【０００３】
プラズマとは、粒子の少なくとも一部がイオン化された、気体と同様の物質の状態のことである。荷電粒子の動きに影響を及ぼすほどに強力な磁界を有するプラズマは、磁化プラズマと呼ばれる。プラズマ内の磁界は、磁力線が閉軌道でそれら自体に折り返して戻るように構成されている場合（場合により長さが無限である）、プラズマ粒子を長時間にわたって閉じ込めることができる。磁化プラズマにおける磁界の大部分は、プラズマ自体の中及び／又はプラズマを含有するチャンバの壁の中を流れる電流によって作り出される。高エネルギー・プラズマを発生させるための様々な方法及びシステムがある。一般に、プラズマは、電極の対の間で１つ又は複数の弁を通じて気体をプラズマ発生器内に導入することによって発生させることができる。高電圧パルスが、気体をイオン化し、プラズマを形成するために電極間で放電される。気体絶縁破壊が起きるためには、電極間の間隙に充填するのに十分な気体を噴射する必要がある。絶縁破壊プロセスには、自由電子の加速、中性原子との衝突、及び雪崩電離プロセスの始動が関与する。電極間に高電圧パルスを発生させるために、高速スイッチ又は複数スイッチのシステムを採用して、コンデンサ・バンク（高電圧パルス電源）から電極に高エネルギー電流パルスを急速に供給する放電回路が必要とされる。
【０００４】
図１は、磁化プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるための先行技術システムを示す。システムは、プラズマ発生器１２と、磁束保存チャンバ１４（磁束保存部と呼ばれこともある）とを備える。発生器１２は、磁化プラズマを発生させるように構成され、中央形成電極１１と、形成電極１１と同軸であり、それを囲む外側電極１３とを有し、したがって、それらの間の中に環状プラズマ伝播チャネルを形成することができる。一連の磁気コイル１５を使用して、プラズマ伝播チャネル内に初期（スタッフィング）磁界を形成することができる。気体プラズマ燃料が、いくつかの弁１６を通じて伝播チャネル内に噴射される。形成電流パルスが電源１７によって形成電極１１に提供され、したがって、いずれかの極性の電流が、形成電極１１と外側電極１３との間の伝播チャネル内に噴射された気体プラズマ燃料を流れ、気体プラズマ燃料をイオン化し、プラズマを形成することができる。この電流は、プラズマの磁束保存部１４へ向かった動きを生じさせることができるプラズマ・トロイダル磁界を作り出すことができる。プラズマは、前進するにつれて、スタッフィング磁界と相互作用し、したがって、前進するプラズマが解放されたとき、磁界がプラズマの周囲に配置され、磁化プラズマ・トーラスを形成する。システムは、発生器１２から磁束保存部１４内に延び、間隙１９によって形成電極１１から電気的に絶縁された、細長い中央軸シャフト１８をさらに備える。追加の電流パルスが、プラズマ発生器１２及び磁束保存部１４内にトロイダル磁界を提供して、プラズマの磁界を持続させるために、中央軸シャフト１８及び磁束保存部１４の壁に沿って駆動される。磁束保存部１４内で発生されたトロイダル磁界は、プラズマ中に拡散して、プラズマの磁界を持続させ、したがって、プラズマ閉じ込めを改善し、プラズマの寿命を延ばすことができる。図１に示すように、シャフト１８は、間隙１９によって形成電極１１から電気的に絶縁され、したがって、電源は、形成パルスを形成電極１１に、及び持続パルスを中央シャフト１８に提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，８９１，７１９号明細書
【特許文献２】米国特許第８，５３７，９５８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１００１６３１３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いくつかの実装例において、間隙１９の代わりに、絶縁体を形成電極１１と中央シャフト１８との間に設けて、中央シャフト１８を形成電極１１から電気的に絶縁することができる。形成電極１１と中央シャフト１８との間に絶縁を有することにより（それが間隙１９であるか、又は任意の他の種類の電気的絶縁であるかに関わらず）、プラズマ中への不純物の噴出及び／又は間隙１９にわたる又は絶縁体の表面上の電流アーチングによる電極／シャフトの損傷（溶融）を生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、磁化プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムが提供される。システムは、磁化プラズマを発生させるためのプラズマ発生器を備える。プラズマ発生器は、出口を有する環状プラズマ伝播チャネルを形成するために、外側電極と、外側電極内に同軸上に配置され、外側電極から離間した上部中央導体とを備える。燃料噴射器は、プラズマ燃料を環状プラズマ伝播チャネルの上流端中に噴射する。１つ又は複数のコイルが、環状プラズマ伝播チャネル内にスタッフィング磁界を発生させるように、及び磁化プラズマにポロイダル磁界を提供するように構成される。磁束保存部が、プラズマ発生器と流体連通している。磁束保存部は、入口を有する真空内部空洞を画定するために、外壁と、外壁内に同軸上に配置され、外壁から離間した下部中央導体と有し、入口は、環状プラズマ伝播チャネルの出口と流体連通しており、入口を通じて、プラズマ発生器内で発生された磁化プラズマが内部空洞内に噴射される。下部中央導体の一端は、上部中央導体の一端に電気的に結合され、下部中央導体の別の一端は、磁束保存部の外壁に電気的に結合される。電力供給源が、電流が上部及び下部中央導体並びに磁束保存部の外壁に沿って流れるように、上部及び下部中央導体に電気的に結合される。電力供給源は、プラズマ発生器内のプラズマ燃料から磁化プラズマを発生させるのに十分な形成電力パルスを発生させるように、及び磁化プラズマを磁束保存部内に噴射するように構成された形成電力回路と、プラズマ発生器及び磁束保存部内にトロイダル磁界を発生させるのに十分な持続電流パルスを上部及び下部中央導体並びに磁束保存部の外壁に沿って発生させるように構成された持続電力回路とを備える。
【０００８】
一態様において、持続電力回路は、持続電力回路を形成電力回路から少なくとも部分的に電気的に絶縁する緩衝誘導子をさらに備える。システムは、形成電力回路がプラズマ発生器及び磁束保存部内に既存のトロイダル磁界を形成する前に持続電力回路を始動させるようにプログラムされた制御器をさらに備える。
【０００９】
一態様において、少なくとも１つのトリガ電極が提供される。少なくとも１つのトリガ電極は、形成電力回路がプラズマ燃料を絶縁破壊して磁化プラズマを形成するのに十分な絶縁破壊電流パルスをトリガ電極に提供するように動作するように、形成電力回路に電気的に結合される。形成電力回路は、上部中央導体に電気的に結合され、形成電流パルスを提供するように動作する主形成電力回路と、トリガ電極に電気的に結合され、絶縁破壊電流パルスを提供するように動作する前置形成電力回路とを備える。
【００１０】
別の態様において、プラズマ燃料は、環状プラズマ伝播チャネルの上流端中に噴射される予備（プレ）イオン化気体である。
【００１１】
上記に説明した態様及び実施例に加えて、他の態様及び実施例が、図面の参照及び以下の詳細な説明の検討によって明らかとなるであろう。
【００１２】
図面全体を通して、参照された要素の一致を示すために参照番号を再使用することができる。図面は、本明細書に説明する実施例の実例を示すために提供され、本開示の範囲を限定することは意図されていない。図面中の要素のサイズ及び相対的位置は、必ずしも縮尺どおりではない。例えば、様々な要素の形状及び角度は縮尺どおり描かれておらず、これらの要素のうちのいくつかは、図面の判読性を高めるために任意に拡大され、位置決めされている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるための周知の（先行技術）システムの断面概略図である。
【図２】本発明によるプラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの１つの実例の断面概略図である。
【図２Ａ】磁束保存部内に形成された液体ライナーを示す、プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの別の実例の断面概略図である。
【図３】形成電力供給装置及び持続電力供給装置を示す電力供給装置のスキームの実例である。
【図４】形成及び持続電力回路によって発生された秒（ｓ）で表す時間に対するアンペア（Ａ）で表す電流パルスの実例のグラフ図である。
【図５】トリガ電極を示す、プラズマを発生させ、プラズマの磁界を持続させるためのシステムの別の実例の部分的断面図である。
【図６】中性気体を部分的にイオン化し、そのような予備イオン化気体をプラズマ発生器内に噴射するのに使用される予備イオナイザの断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例は、プラズマ燃料から、例えばプラズマ・トーラスなどの磁化プラズマを発生させ、先行技術システム１０の絶縁間隙１９によって分離される形成電極１１及び中央シャフト１８の代わりに単一の中央導体を使用してプラズマの磁界を持続させるためのシステム及び方法を開示する。電流が中央導体に提供されたとき、及び中央導体がシステムの磁束保存部から電気的に絶縁されないので、システムは誘導子として実施し、電流は中央導体、磁束保存部の壁及びシステムの外側電極に沿って流れる。磁化プラズマの発生を確実にし、プラズマの磁界を持続させるために、電流は、プラズマ燃料を半径方向に流れて、絶縁破壊放電及び磁化プラズマの形成をもたらす必要がある。所望のパラメータを有する磁化プラズマが形成され、磁束保存部内に噴射されることを確実にするために、電流が磁束保存部の周りをループするまでにプラズマ燃料絶縁破壊を生じさせるのに十分な時間周期にわたってシステムのプラズマ伝播チャネル間に高電圧を提供することができる１つ又は複数の高速スイッチを備える形成電力供給装置回路を提供することができる。さらに又は代替案として、１つ又は複数のトリガ電極を、プラズマ燃料絶縁破壊を生じさせるのに使用することができる。プラズマ燃料は、中性気体又は予備イオン化気体であることができる。
【００１５】
図２は、本発明の一実施例による磁化プラズマを発生させるためのシステム２０の実例を示し、システム２０は、プラズマ発生器２２と磁束保存部２４とを含む。システム２０は、中央導体２１と外側電極２３とを備える。中央導体２１は、プラズマ発生器２２内に位置決めされた上部中央導体２１ａと、磁束保存部２４内に位置決めされた下部中央導体２１ｂとを備え、下部中央導体２１ｂの遠心端２１ｃが、磁束保存部２４の端板２９に接続される。上部中央導体２１ａは、円筒形、円錐形又は同様の形状又はそれらの組合せを有することができるが、下部中央導体２１ｂは、磁束保存部２４の全長にわたって中央に延びる、より細長い（シャフト状）形状を有することができる。これは、限定的ではなく、例示的であることが意図されており、中央導体２１及び／又は外側電極２３は、本発明の範囲から逸脱することなく任意の他の適切な形状を有することができる。外側電極２３は、同軸であり、上部中央導体２１ａを囲み、したがって、それらの間の中に環状プラズマ伝播チャネル２５を画定する。１つ又は複数の弁２６を有する燃料噴射器が、プラズマ燃料をプラズマ発生器のプラズマ伝播チャネル２５の上流端中に噴射するためにやはり提供される。１つ又は複数の気体弁２６は、プラズマ燃料源（図示せず）と流体連通していることができ、正確な量のプラズマ燃料をポート（図示せず）を通じてチャネル２５中に対称的に噴射するためにプラズマ発生器２２の周辺の周りの環として配置することができる。システム２０は、形成電流パルス及びトロイダル磁界持続電流パルスを中央導体２１に提供して、プラズマ発生器２２内に磁化プラズマを形成し、そのようなプラズマを磁束保存部２４内に噴射し、プラズマの磁界を長時間周期にわたって磁束保存部２４内に持続させるために電源３０（図３参照）をさらに備える。
【００１６】
中央導体２１は、導体及び高真空対応材料から製作され、磁化プラズマを形成し、プラズマの磁界を長時間にわたって持続させるように構成される。本明細書において以下に説明するように、これは、電流が磁束保存部２５の周りをループする前にプラズマ燃料絶縁破壊及びイオン化を生じさせるのに十分な時間周期にわたってプラズマ伝播チャネル２５間に高電圧を提供することができる１つ又は複数の高速形成スイッチ（例えばレール・ギャップ・スイッチ）を使用することによって、及び／又は気体絶縁破壊に１つ又は複数のトリガ電極を採用することによって、及び／又はプラズマ燃料として予備イオン化気体を使用することによってのいずれかで行うことができる。
【００１７】
一実装例において、中央導体２１の下部中央導体２１ｂは、流動液体金属を備える液体金属ガイドであることができる。例えば、中央導体２１の上部中央導体２１ａは、液体金属を含有する液体金属貯蔵器を備えることができ、液体金属は、液体金属貯蔵器内に形成された出口を通じて流れ出る。液体金属は、磁束保存部２４を通じて流れることができ、例えば、端板２９内に位置決めすることができる捕獲器（図示せず）に収集することができる。捕獲器からの液体金属は、１つ又は複数のポンプを使用して液体金属貯蔵器内に再循環させて戻すことができる。液体金属ガイドは、連続的に流れることができ、又は流れは、貯蔵器の出口と連通している弁を使用して調節することができる。液体金属は、重力下で又は圧力手段を使用することによって流れることができる。
【００１８】
磁束保存部２４は、プラズマ発生器２２の出口に位置合わせされた入口開口２８を備えることができ、したがって、プラズマ発生器２２内で発生されたプラズマは、磁束保存部２４の内側真空空洞内に噴射することができる。一実装例において、磁束保存部２４は、液体金属で部分的に充填することができる（図２Ａ参照）。磁束保存部２４内の液体金属は、循環させることができ、回転させることができ、又はそれが内側真空空洞４の壁を画定する液体ライナー２を形成するように流れるように構成することができる。例えば、ライナー２は、液体媒体を磁束保存部２４内に噴射することによって形成することができる。液体循環システム６を、液体媒体の流れを磁束保存部２４内に向けるために設けることができる。循環システム６は、磁束保存部２４内の液体媒体の所望の流れを得るために、複数の弁、ノズル、管網及び１つ又は複数のポンプを備えることができる。磁束保存部内の液体金属の流れは、液体ライナー２の所望の所定形状を形成するように設計し、構成することができ、したがって、プラズマが噴射される内部空洞４は、球形、円筒形、円錐形又は任意の他の所望の形状である。液体ライナーの実例及び真空空洞を液体ライナー中に形成するための方法は、米国特許第８，８９１，７１９号、米国特許第８，５３７，９５８号及び米国特許出願公開第２０１００１６３１３０号に記述されている。これは例示のためだけであり、中に内部空洞を画定する液体ライナーを形成するための任意の他の方法及びシステムを、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。一実装例において、ライナーは、例えば、磁束保存部２４の壁などの固体ライナー又は磁束保存部の壁２４の内側に取り付けられた／被覆された固体ライナーであることができる。
【００１９】
電源（図示せず）に電気的に結合された１つ又は複数のコイル２７（図２）は、プラズマ燃料が環状プラズマ伝播チャネル２５中に噴射されるよりも前に及び電流が放電されるよりも前に、初期スタッフィング磁界を設定するのに使用することができる。いくつかの実施例において、プラズマ燃料は、例えば、水素又はヘリウムの同位体などの中性気体、又は任意の他の気体又はそれらの組合せであることができる。他の実施例において、プラズマ燃料は、部分的に又は完全にイオン化された気体（プラズマ）であることができる。プラズマ燃料が中性気体又は部分的にイオン化された気体である、いくつかの実施例において、プラズマ燃料は、少なくとも部分的にチャネル２５を充填するために噴射され、拡散し、電源３０（図３）は、気体をイオン化し、磁化プラズマを形成するのに十分である時間周期にわたって形成電流パルスに中央導体２１と外側電極２３との間を流れさせるために始動される。
【００２０】
コイル２７は、電源３０とは別個であり、電源３０から独立した電源に結合させることができ、又は電源３０は、本発明の範囲から逸脱することなく、コイル２７に電力を提供するように構成することができる。
【００２１】
プラズマ伝導路がプラズマ発生器２２内に確立される前に及び中央導体２１が磁束保存部２４から電気的に絶縁されないという事実により、システム２０は、誘導子として実施し、電流が、気体を通る代わりに中央導体２１、磁束保存部２４の壁２４ａ及び外側電極２３に沿って流れる。そのような電流の流れは、既存のトロイダル磁界をプラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内に発生させることができる。上部中央導体２１ａと外側電極２３との間に絶縁破壊放電をもたらすために、電流が気体を実質的に半径方向に通過し、磁束保存部２４の壁に沿って還流する代わりに気体をイオン化する十分に短い時間内に電圧をその中に印加する必要がある。これは、数マイクロ秒（方程式Ｖ＝ＬｄＩ／ｄｔに従って中央導体２１及び磁束保存部２４のサイズ（インダクタンス）に基づいて決定される所要時間）以内に高電圧を印加するために高速スイッチ又は複数スイッチを使用することによって実現することができる。例えば、高速スイッチは、数ナノ秒以内に閉じることができるレール・ギャップ・スイッチであることができる。
【００２２】
図３は、プラズマ燃料絶縁破壊及び磁化プラズマの形成のための形成パルスを提供する形成電力回路３１と、長時間周期にわたってプラズマの磁界を持続させるために持続電流パルスを提供する持続電力回路３５とを備える電力供給源３０の実例を示す。形成電力回路３１は、１つ又は複数のコンデンサ・バンクを備える主形成回路３４と、絶縁破壊放電及びプラズマ燃料のイオン化を生じさせるのに十分な時間周期（例えば５０μｓ）にわたって中央導体２１と外側電極２３との間に高電圧を急速に印加するように設計されている高速高電圧スイッチ又は複数スイッチのシステムとを含む。プラズマ（イオン化された気体）中を流れる電流は、磁束保存部２４に向かったプラズマの動きを生じさせることができるプラズマ・トロイダル磁界を作り出すことができる。プラズマは、前進するにつれて、コイル２７によって発生されたスタッフィング磁界と相互作用し、したがって、前進するプラズマが解放されたとき、磁界がプラズマの周囲に配置され、プラズマのポロイダル磁界を形成する。
【００２３】
図３は、電流ピーキング回路３６と電流維持回路３８とを含むことができる持続電力回路３５をさらに示す。電流ピーキング回路３６及び電流維持回路３８は、電流が中央導体２１、磁束保存部２４の壁２４ａ及び外側電極２３に沿って流れるように電流パルスを中央導体２１に提供し、したがって、トロイダル磁界（中央導体２１の周りに延びる磁力線）をプラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内に発生させる。このトロイダル磁界は、プラズマ中に拡散することができ、プラズマ・トロイダル磁界を増加させることができ、及び持続電流のパルス・プロファイルを制御することによって、プラズマのトロイダル磁界を制御することができる。電流ピーキング回路３６は、目標時間周期内に電流ピークの所定値に達する高速引上げ電流パルスを提供する。例えば、電流ピークの所定値は、１００〜３００μｓの時間周期内に達することができる１ＭＡであることができる。次いで、電流維持回路３８は、そのような１ＭＡの電流の流れを長時間（例えば約１０ｍｓ）にわたって持続させることができる。持続電力回路、すなわち、電流ピーキング回路３６及び電流維持回路３８は、１０ｍｓよりも多いか又は少ない時間にわたって持続させることができる１ＭＡよりも高いか又は小さい電流パルスを提供するように設計することができることを当業者は理解するであろう。一実装例において、単一の持続電力回路３５が、＞又は＜１０ｍｓにわたって持続される、＞又は＜１ＭＡの高速引上げ持続電流パルスを提供することができる。
【００２４】
所定プラズマ燃料がポートを通じて環状プラズマ・チャネル２５内に噴射されたとき、形成回路３１は、磁化プラズマを形成するために始動される。磁化プラズマが形成された後、持続回路３５は、プラズマ中に拡散し、プラズマ磁界を制御し／持続させるトロイダル磁界を提供するために始動させることができる。
【００２５】
一実装例において、持続回路３５は、形成回路３１の始動時間前に始動させることができる。したがって、プラズマ形成は、プラズマ発生器２２及び磁束保存部２４内で既存のトロイダル磁界とともに起きることができる。形成電力回路３１からの持続電力回路３５の電気的絶縁をもたらすために、緩衝誘導子３７を採用することができる。緩衝誘導子のインダクタンス値は、持続電力供給装置３５を形成電流パルスの大部分から電気的に絶縁するのに十分である必要がある。例えば、緩衝誘導子３７のインダクタンスは、５００ｎＨであることができる。これは例示的な値に過ぎず、緩衝器３７のインダクタンスは、本発明の範囲から逸脱することなく、設計されたプラズマのパラメータに応じて５００ｎＨよりも多いか又は少ないことができる。形成パルスが放電されたとき、緩衝器３７は、高速形成パルスの大部分を阻止し、したがって、電流はプラズマ燃料を流れ、プラズマを形成する。プラズマ中を流れる電流は、ローレンツ力によりプラズマ発生器２２の下方へプラズマを加速させるプラズマ・トロイダル磁界を作り出す。プラズマは、磁束保存部２４に向かって動くにつれて、そのような既存トロイダル磁界を押し、その磁力線を偏向させる。例えば、形成電流パルスは、持続回路３５の始動時間の約２００〜４００μｓ後に放電させることができる。図４はシステム２０における電流プロファイルの１つの実例のグラフ表示を示す。電流ピーキング回路３６が、まず１ＭＡのピーク電流（パルス曲線４６で表される）を提供するために始動され、次いで、約１００〜３００μｓ後に、電流維持回路３８を、そのような１ＭＡの電流パルスを＞１０ｍｓの長時間にわたって持続させるためにピーク電流において始動させることができる（曲線４８参照）。図４の電流グラフから気づくことができるように、形成電力回路３１は、形成電流曲線４１で表されるように、持続電力回路３５の後に始動される。
【００２６】
電力供給源３０の形成回路３１及び持続回路３５の設計は、発生されるプラズマの所望のパラメータに依存する。例えば、磁化プラズマに約３００ｍＷｂを発生させるために、約５ＭＪの形成コンデンサ・バンクを必要とする場合がある。電流ピーキング回路３６は、１．３ＭＪのコンデンサ・バンクを電力供給装置として有することができるが、維持回路３８は、約１０ＭＪのコンデンサ・バンクを電力供給装置として有することができる。これは例示のためだけであり、回路３６、３８は、本発明の範囲から逸脱することなく、１ＭＡよりも強い電流を１０ｍｓよりも多いか又は少ない時間にわたって提供し、持続させるように設計することができる。形成回路３１のパラメータは、バブル・アウト段階中に偏向させる必要がある、プラズマ発生器内のスタッフィング磁界及び既存のトロイダル磁界の量によって影響を受ける場合もある。
【００２７】
プラズマ発生器２２内の（プラズマの後及び前の）気体の量、トロイダル磁界の量並びに形成されたプラズマのサイズを制御するために、制御器（図示せず）を電力供給装置回路のそれぞれの始動時間、並びにコイル２７のための燃料噴射器（例えば燃料噴射器の弁２６）及び電力供給装置の動作（スタッフィング磁界）を制御するように設け、事前にプログラムすることができる。回路３４、３６、３８の始動時間は、電源３０の特性、プラズマの所望のパラメータ並びにプラズマ・システム２０のサイズ及び幾何形状に応じて決定することができる。回路のそれぞれは、１つ又は複数の適切なスイッチ、ダイオード、及び制動抵抗を有することができる（コンデンサ又はスイッチの故障の場合にシステムを保護するために、及び電力供給構成部品における電気的リンギングを低減するために）。制御器は、入力ユニットと、出力ユニットと、処理ユニットと、メモリ・ユニットとを備えることができ、メモリ・ユニットに記憶された事前にプログラムされたタイム・テーブルに基づいて回路３４、３６、３８、プラズマ燃料噴射器の弁２６及びコイル２７の電力供給装置を始動させるように事前にプログラムすることができ、又はそのような出力トリガ信号は、いくつかの検出器（例えば光プローブ、磁気プローブ、電流／電圧プローブ）からの特定の入力信号に基づいて適当な回路／構成部品に送ることができる。一実装例において、プラズマ燃料をイオン化する絶縁破壊放電を、本明細書ではトリガ電極と呼ばれる１つ又は複数の追加の電極によって用意することができる。図５は、絶縁破壊放電を発生させるためにトリガ電極５１を備える一実施例を示す。トリガ電極５１は、プラズマ伝播チャネル２５内に位置決めすることができ、電源３０と電気通信することができる。例えば、形成電力回路３１は、１つ又は複数のトリガ電極５１に電気的に結合された前置形成回路３２（図３参照）と、中央導体２１に電気的に結合された主形成回路３４とを備えるように設計することができる。前置形成回路３２は、所定のインダクタンス及び抵抗を有することができ、１つ又は複数のコンデンサ・バンクを電力供給源として備えることができる。例えば、前置形成回路３２は、トリガ電極５１と中央導体２１との間に１０〜２５ｋＶの絶縁破壊放電を提供するのに使用することができる。前置形成回路３２は、主形成バンク３４から独立することができる。トリガ電極５１の極性は、電気的絶縁破壊放電を実現するのに必要とされる、噴射される気体の量を低減するために、主形成パルスにおいて中央導体２１の極性の反対であることができる。例えば、トリガ電極５１の極性は、正であることができ、電子は、スタッフィング磁界の磁力線により、中央導体２１の近くで捕獲され（電子は中央導体２１に近接して磁界に沿って進む）、したがって、電圧がトリガ電極５１に印加されたとき、絶縁破壊がずっと速く（約５０μｓ）起きる。本発明の範囲から逸脱することなく、トリガ電極５１の極性は、任意の極性を有することができ、それでもプラズマ燃料の絶縁破壊放電及びイオン化を実現することができ、又は絶縁破壊放電は、始動電極５１と外側電極２３との間に印加することができることを当業者は理解するであろう���
【００２８】
一実装例において、プラズマ燃料は、絶縁破壊放電がトリガ電極５１に印加される前にプラズマ伝播チャネル２５中に噴射させることができる予備イオン化気体であることができ、したがって、絶縁破壊時間をさらに短縮し、イオン化された気体の量を増加させることができる（プラズマ中への、より少ない中性気体）。一実装例において、前置形成回路３２は省略することができ、電流パルスを、絶縁破壊放電パルスにはトリガ電極５１及び形成パルスには中央導体２１の両方に提供するために主形成回路３４を使用することができる。気体絶縁破壊放電をもたらすトリガ電極５１への印加電圧は、システムの寸法及びパラメータ並びにプラズマの所望のパラメータに応じて１０〜２５ｋＶよりも高いか又は低いことができることを当業者は理解するであろう。
【００２９】
気体プラズマ燃料絶縁破壊を開始するのにトリガ電極５１が使用される実装例において、前置形成回路３２は、主形成バンク３４の始動時間前に始動される。例えば、前置形成回路３２は、気体プラズマ燃料をチャネル２５中に噴射する弁（複数可）２６の開放時間の約２００〜３００μｓ後に始動させることができる。気体プラズマ燃料は、気体弁２６の多岐管を通じてプラズマ伝播チャネル２５中に噴射される。絶縁破壊電流パルスは、電流が気体を通じてトリガ電極５１から中央導体２１に（又は代替案として外側電極２３に）流れ、及びプラズマを形成する気体を少なくとも部分的にイオン化するように、トリガ電極５１に供給される。気体絶縁破壊は、例えば絶縁破壊光を検出するように設計された１つ又は複数の検出器（図示せず）によって検出することができる。例えば、検出器は、絶縁破壊事象によって発生された光を検出するように構成された光学センサであることができる。気体絶縁破壊が検出された後、主形成パルス３４が中央導体２１に放電されて、気体をさらにイオン化し、プラズマ・トロイダル磁界を提供して、スタッフィング磁界を通じてプラズマを加速させ、ついにそれは解放され（バブル・アウト段階）、磁束保存部２４内に噴射される。制御器の入力ユニットは、信号（複数可）を１つ又は複数の検出器から受け取るために用意することができ、そのような信号に基づいて、制御器の出力ユニットは、信号を電源３０に送って、主形成バンク３４のスイッチを始動させることができる。
【００３０】
始動ステップは制御器によって実行される。制御器は、初期スタッフィング磁界が環状プラズマ伝播チャネル２５中に浸透されるように、まずコイル２７の電力供給装置を始動させる（ステップ７０２）。プリトロイダル磁界が何も必要とされないときの実施例において、ステップの右側の流れは、制御器によって実行される。したがって、スタッフィング磁界がプラズマ伝播チャネル２５内に浸透されると、弁２６が開放されて（ステップ７１２）、プラズマ燃料をプラズマ伝播チャネル２５中に噴射する。前置形成回路３２に結合された始動電極５１を採用する実施例において、ステップ７１４では、前置形成回路が、弁（複数可）２６の開放時間の（例えば２００〜３００μｓ）後に始動される。ステップ７１６において、制御器の処理ユニットが、光学光センサから受け取った信号を処理して、プラズマ燃料の絶縁破壊がいつ起きたのかを決定し、そのような発生に基づいて、ステップ７１８において、制御器が、主形成回路３４を始動させて、磁化プラズマを形成し、そのようなプラズマを磁束保存部２４内に噴射する。ステップ７２０において、制御器は、主形成回路３４の始動時間のある所定時間（例えば２００〜３００μｓ）後にピーキング電流持続回路３６を始動させることができ、又はピーキング電流持続回路３６は、磁束保存部の壁２４ａに装着された磁気プローブが、プラズマが磁束保存部２４内に噴射されることを示したときに始動させることができる。ステップ７２２において、制御器は、ピーキング電流持続回路３６の始動時間の例えば１００〜３００μｓ後の遅延とともに（又は電流プローブによって提供されるように、ピーク電流の所定値に達すると）電流維持回路３８を始動させる。始動電極５１が何も採用されていないときの実施例において、ステップ７１４及び７１６は省略され、形成回路３４が弁２６の開放時間の所定時間（例えば２００〜５００μｓ）後に始動される。次いで、ステップ７２０及び７２２は、本明細書において以前に説明したように始動される。
【００３１】
プリトロイダル磁界が必要とされるときの実施例において、ステップの左側の流れが、制御器によって実行される。したがってステップ７３２において、制御器は、ピーキング電流持続回路３６を始動させることができる。ピーキング電流持続回路３６は、コイル２７の始動時間と同じ時間に、又は、例えば２００μｓの遅延などのある時間遅延とともに始動させことができる。ステップ７３４において、電流プローブによって提供されるように、例えば１００〜３００μｓの遅延後、又はピーク電流の所定値に達すると、制御器は電流維持回路３８を始動させる。次いで、弁２６が開放され（ステップ７３６）、次いで、始動電極５１が採用されているか否かに応じて、ステップ７１４〜７１８が、本明細書に以前に説明したのと同様のやり方で実行される。
【００３２】
代替案として、気体プラズマ燃料の一部又は全部は、予備イオン化された状態で噴射させることができる。多数の荷電粒子を（中性気体の代わりに）環状プラズマ・チャネル２５中に噴射することにより、イオン化の確率を増加させることができ、絶縁破壊時間を短縮することができる。例えば、予備イオナイザを、プラズマ燃料源とプラズマ発生器２２とを接続する燃料管（図示せず）内に設置することができる。予備イオナイザは、図６に示すものなどのミニチュア同軸プラズマ銃６０であることができる。予備イオナイザ６０の図示する実例は、管状体６４内に位置決めされた中央電極６２を備える。管状体６４は一端が絶縁体６５で閉鎖され、対向端は開放され、出口ポート６６を形成し、出口ポート６６は、予備イオナイザ６０内に形成された予備イオン化気体をプラズマ発生器２２内に噴射させることができるようにポート２６と流体連通している。本発明の範囲から逸脱することなく、予備イオナイザ６０に使用される電極の任意の他の構成、又は気体がプラズマ発生器２２中に噴射される前に気体を部分的にイオン化するように構成された任意の他の予備イオン化手段を使用することができる。所定量の気体を１つ又は複数の弁６７を通じて管状体６４内に噴射させることができる。中央電極６２及び管状体６４は、予備イオン化回路６８に電気的に結合される。電源が電気的パルスを予備イオナイザ６０に印加したとき、電流が電極６２を流れ、噴射された気体を通って、管状体６４に至り、気体をイオン化する。次いで、イオン化されなかった任意の気体とともに、予備イオナイザ６０内に形成されたプラズマは、プラズマを流れる電流によって作り出された磁界によって加速され、出口６６及び弁２６を通じてプラズマ発生器２２内に放電される。部分的にイオン化された気体がプラズマ発生器２２内に入ったとき、制御器は、プラズマ発生器２２の中央導体２１と外側電極２３との間に電流放電をもたらすために形成回路３４を始動させることができる。
【００３３】
代替案として、プラズマ発生器２２の環状プラズマ伝播チャネル２５中に噴射された中性気体は、任意の適切な予備イオン化手段又は技法を使用して直接予備イオン化することができる。例えば、予備イオン化は、例えば紫外線（ＵＶ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）ランプなどの、１つ又は複数の紫外線（ＵＶ）光源を用いて実施することができる。ＵＶランプ（図示せず）は、プラズマ発生器２２の筐体の周りに配置することができる。ＵＶランプは、適切な電源に結合させて、ＵＶ光線を発生させることができ、ＵＶ光線は、気体噴射ポート（例えば弁の出口ポート）の近くの気体噴射領域の方に向けることができる。プラズマ発生器２２の筐体は、１つ又は複数の透明窓を備えることができ、透明窓は、ＵＶ光が窓を通過し、噴射された気体に衝突できるように構成され、そのような気体の少なくとも部分的なイオン化を生じさせる。窓は、選択されたエネルギー源、例えばＵＶランプによって発生されたエネルギーの種類を透過することができる。一実装例において、透明窓は、ランプによって発生されたエネルギーを気体噴射点又は領域（ポート）に集束するレンズとして構成することができる。他の実装例において、他の種類のエネルギー源（例えばレーザ、コロナ放電、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）システムなど）を、プラズマ発生器２２内に又は外部予備イオナイザ内に直接噴射された気体の励起及び予備イオン化に使用することができる。言及したシステム及び方法のいずれかは、プラズマ発生器２２内に直接気体を予備イオン化するのに使用できるか、又は気体はまず予備イオナイザ（例えば予備イオナイザ６０）内で予備イオン化させることができ、次いでプラズマ発生器２２内に部分的に又は完全にイオン化された状態で噴射されるかのいずれかである。
【００３４】
プラズマ発生システムの実施例が開示される。そのような実施例のいずれかは、中性子発生器、核融合、核廃棄物処理における適用例に適した高エネルギー密度プラズマの発生に、医療ヌクレオチドの生成に、材料研究に、中性子ラジオグラフィ及びトモグラフィ、Ｘ線発生装置などを介した対象物の内部構造の遠隔撮像に使用することができる。
【００３５】
本開示の特定の要素、実施例及び適用例を示し、説明してきたが、特に上述の教示の観点から、本開示の範囲から逸脱することなく変更を加えることができるので、本開示の範囲はそれに限定されないことを理解されよう。したがって、例えば、本明細書に開示された任意の方法又はプロセスにおいて、方法／プロセスを作り上げる活動又は動作は、任意の適切な順序で実施することができ、必ずしも任意の特定の開示された順序に限定されない。要素及び構成部品は、様々な実施例において異なって構成又は配置し、組み合わせ、及び／又は除去することができる。上記に説明した様々な特徴及びプロセスは、相互に独立して使用することができ、又は様々なやり方で組み合わせることができる。すべての可能な組合せ及び部分的組合せは、本開示の範囲に含まれることが意図されている。本開示全体を通して「いくつかの実施例（ｓｏｍｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」又は「実施例（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などへの言及は、実施例に関連して説明した特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、本開示全体を通した「いくつかの実施例において（ｉｎ  ｓｏｍｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」又は「実施例において（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などの語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施例を表しているわけではなく、同じ又は異なる実施例のうちの１つ又は複数を表している場合がある。実際、本明細書に説明した新規の方法及びシステムは、様々な他の形で具現化することができ、さらに、本明細書に説明した実施例の形で様々な省略、追加、代用、等価、再配置、及び変更を行うことができる。
【００３６】
必要に応じて、実施例の様々な態様及び利点を説明してきた。必ずしもすべてのそのような態様又は利点を任意の特定の実施例に従って実現できるわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、様々な実施例は、１つの利点又は利点の群を、本明細書に教示又は提案するのに応じて必ずしも他の態様又は利点を実現することなく、本明細書に教示するように実現又は最適化するやり方で実行できることを認識すべきである。
【００３７】
とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「可能性がある（ｍｉｇｈｔ）」、「可能性がある（ｍａｙ）」及び「例えば（ｅ．ｇ．）」などの、本明細書で使用された条件言語は、特に他の記載がない限り、又はそうでない場合使用された文脈内で理解されるが、一般に、ある実施例がある特徴、要素及び／又はステップを含むが、他の実施例がそれらを含まないことを伝達することが意図されている。したがって、そのような条件言語は、一般に、特徴、要素及び／又はステップが１つ又は複数の実施例には決して必要とされないこと、又は１つ又は複数の実施例が、操作員入力又はプロンプティングの有無にかかわらず、これらの特徴、要素及び／又はステップが含まれるかどうか、又は任意の特定の実施例において実施されることになっているかどうかを決定する論理を必然的に含むことを示唆することが意図されていない。単一の特徴又は特徴の群は、任意の特定の実施例に必要とされず、又は不可欠ではない。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は、同意語であり、オープン・エンドなやり方で包含的に使用され、追加の要素、特徴、行為、及び動作などを排除しない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は、その包含的な意味で（その排除的意味でなく）使用され、したがって、例えば、要素の列挙を接続するために使用されたとき、「又は（ｏｒ）」という用語は、列挙における要素のうちの１つ、一部又は全部を意味する。
【００３８】
「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ｘ，  Ｙ  ａｎｄ  Ｚ）」という語句などの接続言語は、特に他の記載がない限り、そうでない場合、品目、用語などはＸ、Ｙ又はＺのいずれかである可能性があることを伝達するために一般に使用された文脈を用いて理解される。したがって、そのような接続言語は、一般に、ある実施例がＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ及びＺの少なくとも１つがそれぞれ存在することを必要とすることを示唆することは意図されない。
【００３９】
本明細書に説明した実施例の計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータの実例は、開示された実施例を限定することではなく、例示することが意図されている。他の実施例は、本明細書に説明した例示的な実例と異なって構成し及び／又は動作させることができる。実際、本明細書に説明した新規の方法及び装置は、様々な他の形で具現化することができ、さらに、本明細書に説明した方法及びシステムの形の様々な省略、代用、及び変更を行うことができる。
【国際調査報告】
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