СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ И ПОДДЕРЖАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПЛАЗМЫ
SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING PLASMA AND MAINTAINING THE MAGNETIC FIELD OF PLASMA

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу генерирования замагниченной плазмы и, в частности, к системе генерирования плазмы с центральным проводником, который используется для образования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Если в настоящем документе не указано иначе, материалы, описанные в настоящем разделе, не являются известным уровнем техники для заявляемых объектов в этой заявке и включением в этот раздел не признаются известным уровнем техники.
Плазма это состояние вещества, подобное газу, в котором по меньшей мере часть частиц ионизирована. Плазма с магнитным полем, достаточно сильным, чтобы влиять на движение заряженных частиц, называется замагниченной плазмой. Магнитное поле внутри плазмы может удерживать частицы плазмы в течение продолжительного периода времени, если силовые линии магнитного поля сконфигурированы таким образом, чтобы закольцовываться по замкнутым орбитам (возможно бесконечной длины). Большая часть магнитного поля в замагниченной плазме создается токами, протекающими в самой плазме и/или в стенке камеры, содержащей плазму. Известны различные способы и системы для генерирования высокоэнергетической плазмы. Как правило, плазму можно генерировать путем введения газа через один или более клапанов в плазменный генератор между парой электродов. Высоковольтный импульс пропускают между электродами для ионизации газа и образования плазмы. Для того чтобы произошел пробой газа (переход в плазменное состояние), необходимо ввести достаточное количество газа для заполнения зазора между электродами. Процесс пробоя включает в себя ускорение свободных электронов, их столкновение с нейтральными атомами и запуск процесса лавинной ионизации. Для того чтобы генерировать высоковольтные импульсы между электродами, в разрядной цепи необходимо использовать скоростной переключатель или систему из множества переключателей для осуществления быстрой доставки высокоэнергетических импульсов тока из батареи конденсаторов (высоковольтного импульсного источника питания) к электродам.
На фиг. 1 представлена известная из уровня техники система для генерирования замагниченной плазмы и поддержания магнитного поля плазмы. Система содержит плазменный генератор 12 и камеру 14 сохранения потока (также иногда именуемую сохранителем потока). Генератор 12 выполнен с возможностью генерирования замагниченной плазмы и может содержать центральный формирующий электрод 11 и внешний электрод 13, который расположен соосно с формирующим электродом 11 и окружает его, в результате чего между ними образуется кольцевой канал распространения плазмы. Группа магнитных катушек 15 может использоваться для образования исходного (заполняющего) магнитного поля в канале распространения плазмы. Газообразное плазменное топливо нагнетается в канал распространения через некоторое количество клапанов 16. Формирующий импульс тока подается на формирующий электрод 11 при помощи источника 17 питания, так что ток обоих полярностей может протекать через газообразное плазменное топливо, вводимое в канал распространения, между формирующим электродом 11 и внешним электродом 13, в результате чего происходит ионизация газообразного плазменного топлива и формирование плазмы. Этот ток может создать тороидальное магнитное поле плазмы, которое может вызывать движение плазмы к сохранителю 14 потока. При движении плазмы вперед она взаимодействует с заполняющим магнитным полем, так что, когда перемещающаяся плазма становится свободной, магнитное поле сворачивается вокруг плазмы, образуя тор замагниченной плазмы. Система дополнительно содержит удлиненный центральный осевой сердечник 18, который проходит из генератора 12 в сохранитель 14 потока и который электрически изолирован от формирующего электрода 11 посредством зазора 19. Дополнительный импульс тока подается по центральному осевому сердечнику 18 и стенке сохранителя 14 потока, чтобы создать тороидальное магнитное поле в плазменном генераторе 12 и сохранителе 14 потока для поддерживания магнитного поля плазмы. Тороидальное магнитное поле, генерируемое в сохранителе 14 потока, может воздействовать на плазму для поддержания магнитного поля плазмы и, таким образом, улучшения удержания плазмы и увеличения времени существования плазмы. Как показано на фиг. 1, сердечник 18 электрически изолирован от формирующего электрода 11 посредством зазора 19, так что источник питания может подать формирующий импульс на формирующий электрод 11 и поддерживающий импульс на центральный сердечник 18. Согласно некоторым реализациям вместо зазора 19 между формирующим электродом 11 и центральным сердечником 18 может быть предусмотрен изолятор для электрической изоляции центрального сердечника 18 от формирующего электрода 11. Наличие изоляции между формирующим электродом 11 и центральным сердечником 18 (будь то зазор 19 или любой другой тип электрической изоляции) может вызывать попадание загрязняющих веществ в плазму и/или повреждение (расплавление) электрода/сердечника под воздействием электрической дуги, образующейся в зазоре 19 или на поверхности изолятора.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно одному аспекту предлагается система для генерирования замагниченной плазмы и поддержания магнитного поля плазмы. Система содержит плазменный генератор для генерирования замагниченной плазмы. Он содержит внешний электрод и верхний центральный проводник, расположенный соосно внутри внешнего электрода и отстоящий от него, чтобы образовывать кольцевой канал распространения плазмы с выпускным отверстием. Топливный инжектор нагнетает плазменное топливо во входной конец кольцевого канала распространения плазмы. Одна или более катушек выполнены с возможностью генерировать заполняющее магнитное поле в кольцевом канале распространения плазмы, а также создавать полоидальное поле для замагниченной плазмы. Сохранитель потока гидравлически сообщается с плазменным генератором. Сохранитель потока характеризуется наличием внешней стенки и нижнего центрального проводника, расположенного соосно внутри внешней стенки и отстоящего от нее, чтобы ограничивать вакуумированную внутреннюю полость с впуском, который гидравлически сообщается с выпускным отверстием кольцевого канала распространения плазмы и через который замагниченная плазма, генерируемая в плазменном генераторе, нагнетается во внутреннюю полость. Один конец нижнего центрального проводника электрически соединен с одним концом верхнего центрального проводника, а другой конец нижнего центрального проводника электрически соединен с внешней стенкой сохранителя потока. Источник электропитания электрически соединен с верхним и нижним центральными проводниками, в результате чего ток течет вдоль верхнего и нижнего центральных проводников и внешней стенки сохранителя потока. Источник электропитания содержит формирующую силовую цепь, выполненную с возможностью генерирования формирующего силового импульса, достаточного для генерирования замагниченной плазмы из плазменного топлива в плазменном генераторе и для нагнетания замагниченной плазмы в сохранитель потока, а также поддерживающую силовую цепь, выполненную с возможностью генерирования поддерживающего импульса тока вдоль верхнего и нижнего центральных проводников и внешней стенки сохранителя потока, достаточного для генерирования тороидального магнитного поля в плазменном генераторе и сохранителе потока.
Согласно одному аспекту поддерживающая силовая цепь дополнительно содержит буферную индукционную катушку, которая по меньшей мере частично электрически изолирует поддерживающую силовую цепь от формирующей силовой цепи. Система дополнительно содержит контроллер, запрограммированный для запуска поддерживающей силовой цепи перед формирующей силовой цепью, чтобы образовать предварительно существующее тороидальное поле в плазменном генераторе и сохранителе потока.
Согласно одному аспекту предусмотрен по меньшей мере один пусковой электрод. По меньшей мере один пусковой электрод электрически соединен с формирующей силовой цепью, при этом формирующая силовая цепь выполнена с возможностью подачи импульса тока пробоя на пусковой электрод, достаточного для пробоя плазменного топлива с образованием замагниченной плазмы. Формирующая силовая цепь содержит основную формирующую силовую цепь, электрически соединенную с верхним центральным проводником и выполненную с возможностью подачи формирующего импульса тока, и предварительную формирующую силовую цепь, электрически соединенную с пусковым электродом и выполненную с возможностью подачи импульса тока пробоя.
Согласно другому аспекту плазменное топливо представляет собой предварительно ионизированный газ, который нагнетается во входной конец кольцевого канала распространения плазмы.
В дополнение к аспектам и вариантам осуществления, описанным выше, дополнительные аспекты и варианты осуществления станут очевидными при изучении последующего подробного раскрытия, выполненного со ссылками на фигуры.
Краткое описание фигур
На всех фигурах для указания соответствия между упоминаемыми элементами позиции могут быть использованы повторно. Фигуры приведены для иллюстрации приведенных в качестве примера вариантов осуществления, описанных в настоящем описании, и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Размеры и относительные положения элементов на фигурах не обязательно выполнены в масштабе.
Например, формы различных элементов и углы изображены без соблюдения масштаба, а некоторые из этих элементов произвольно увеличены и расположены для улучшения удобочитаемости фигур.
На фиг. 1 представлен схематический вид в разрезе существующей (известной из уровня техники) системы для генерирования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы.
На фиг. 2 представлен схематический вид в разрезе одного примера системы для генерирования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2А представлен схематический вид в разрезе другого примера системы для генерирования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы, иллюстрирующий жидкую оболочку, образованную в сохранителе потока.
На фиг. 3 представлен пример схемы источника питания, иллюстрирующий формирующий источник питания и поддерживающий источник питания.
На фиг. 4 представлено графическое изображение примера импульса тока в амперах (А) за временной промежуток в секундах (с), генерируемого формирующей и поддерживающей силовыми цепями.
На фиг. 5 представлен частичный вид в разрезе другого примера системы для генерирования плазмы и поддержания магнитного поля плазмы, иллюстрирующий пусковой электрод.
На фиг. 6 представлен схематический вид в разрезе предварительного ионизатора, используемого для частичной ионизации инертного газа и нагнетания такого предварительно ионизированного газа в плазменный генератор.
Подробное раскрытие конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения
В вариантах осуществления настоящего изобретения раскрывается система и способ генерирования замагниченной плазмы, такой как, например, тор плазмы, из плазменного топлива, а также поддержания магнитного поля плазмы при помощи одиночного центрального проводника вместо формирующего электрода 11 и центрального сердечника 18, разделенных изолирующим зазором 19, как в известной из уровня техники системе 10. Когда ток подается на центральный проводник, и поскольку центральный проводник электрически не изолирован от сохранителя потока системы, система функционирует как индукционная катушка, при этом ток течет по центральному проводнику, стенке сохранителя потока и внешнему электроду системы. Для того чтобы обеспечивать генерирование замагниченной плазмы и поддержание магнитного поля плазмы, ток должен протекать радиально через плазменное топливо для создания пробойного разряда и образования замагниченной плазмы. В целях обеспечения формирования и нагнетания замагниченной плазмы с требуемыми параметрами в сохранитель потока может быть предусмотрена формирующая силовая цепь, содержащая один или более скоростных переключателей, которые могут обеспечить подачу высокого напряжения по каналу распространения плазмы системы в течение достаточного периода времени, чтобы вызывать пробой плазменного топлива до того, как ток закольцуется вокруг сохранителя потока. Дополнительно или альтернативно, один или более пусковых электродов могут быть использованы для обеспечения пробоя плазменного топлива. Плазменное топливо может представлять собой инертный газ или предварительно ионизированный газ.
На фиг. 2 представлен пример системы 20 для генерирования замагниченной плазмы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, который включает в себя плазменный генератор 22 и сохранитель 24 потока. Система 20 содержит центральный проводник 21 и внешний электрод 23. Центральный проводник 21 включает в себя верхний центральный проводник 21а, расположенный внутри плазменного генератора 22, и нижний центральный проводник 21b, расположенный внутри сохранителя 24 потока; при этом дистальный конец 21 с нижнего центрального проводника 21b соединен с концевой пластиной 29 сохранителя 24 потока. Верхний центральный проводник 21а может характеризоваться цилиндрической, конической или подобной формой или их сочетанием, а нижний центральный проводник 21b может характеризоваться более удлиненной (стержнеподобной) формой, проходящей по центру вдоль сохранителя 24 потока. Вышеперечисленное следует рассматривать в качестве иллюстрации, а не ограничения, при этом центральный проводник 21 и/или внешний электрод 23 могут характеризоваться любой другой подходящей формой без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Внешний электрод 23 выполнен соосно с верхним центральным проводником 21а и окружает его, в результате чего между ними образуется кольцевой канал 25 распространения плазмы. Кроме того, топливный инжектор, содержащий один или более клапанов 26, предусмотрен для нагнетания плазменного топлива во входной конец канала 25 распространения плазмы плазменного генератора. Один или более газовых клапанов 26 могут гидравлически сообщаться с источником плазменного топлива (не показан) и могут располагаться кольцом по периферии плазменного генератора 22 для симметричного нагнетания точного количества плазменного топлива в канал 25 через порты 26а. Система 20 дополнительно содержит источник 30 питания (см. фиг. 3) для подачи формирующего импульса тока и поддерживающего импульса тока тороидального поля в центральный проводник 21 в целях формирования замагниченной плазмы в плазменном генераторе 22, нагнетания этой плазмы в сохранитель 24 потока и поддерживания магнитного поля плазмы в сохранителе 24 потока в течение продолжительного периода времени.
Центральный проводник 21 изготовлен из проводящего и совместимого с высоким вакуумом материала, а также выполнен с возможностью образования замагниченной плазмы и поддержания магнитного поля плазмы в течение продолжительного времени. Как описано ниже в настоящем документе, это может быть осуществлено при помощи одного или более скоростных формирующих переключателей (например, переключателей с множеством удлиненных, параллельных электродов), которые могут обеспечить подачу высокого напряжения по каналу 25 распространения плазмы в течение достаточного периода времени, чтобы вызывать пробой и ионизацию плазменного топлива до того, как ток закольцуется вокруг сохранителя 25 потока; и/или путем использования одного или более пусковых электродов для пробоя газа и/или использования предварительно ионизированного газа в качестве плазменного топлива.
Согласно одной реализации нижний центральный проводник 21b, входящий в состав центрального проводника 21, может представлять собой направляющую на основе жидкого металла, включающую в себя текучий жидкий металл. Например, верхний центральный проводник 21а, входящий в состав центрального проводника 21, может содержать резервуар для жидкого металла, который содержит жидкий металл, вытекающий из выпускного отверстия, образованного в резервуаре для жидкого металла. Жидкий металл может вытекать через сохранитель 24 потока и может собираться в улавливателе (не показан), который может быть расположен, например, внутри концевой пластины 29. Жидкий металл из улавливателя может направляться обратно в резервуар для жидкого металла при помощи одного или более насосов. Направляющая на основе жидкого металла может течь непрерывно, или ее поток может регулироваться при помощи клапана, который связан с выпускным отверстием резервуара. Жидкий металл может перемещаться под воздействием силы тяжести или под воздействием средств для создания давления.
Сохранитель 24 потока может содержать впускное отверстие 28, которое совмещено с выпускным отверстием плазменного генератора 22 таким образом, чтобы плазма, генерируемая в плазменном генераторе 22, могла нагнетаться во внутреннюю вакуумированную полость сохранителя 24 потока. Согласно одной реализации сохранитель 24 потока может быть частично заполнен жидким металлом (см. фиг. 2А). Жидкий металл в сохранителе 24 потока может циркулировать, вращаться и конфигурироваться для протекания таким образом, чтобы образовывать жидкую оболочку 2, которая ограничивает стенку внутренней вакуумированной полости 4. Например, оболочка 2 может быть образована путем нагнетания жидкой среды в сохранитель 24 потока. С целью направления потока жидкой среды в сохранителе 24 потока может быть предусмотрена система 6 циркуляции жидкости. Система 6 циркуляции может содержать множество клапанов, сопел, сеть трубопроводов и один или более насосов для создания требуемого потока жидкой среды в сохранителе 24 потока. Поток жидкого металла в сохранителе потока может быть рассчитан и сконфигурирован для образования жидкой оболочки 2 требуемой предварительно заданной формы, чтобы внутренняя полость 4, в которую нагнетается плазма, характеризовалась сферической, цилиндрической, конической или любой другой требуемой формой. Примеры жидких оболочек и способы образования вакуумированных полостей в жидких оболочках раскрыты в патентах США №8 891 719, 8 537 958 и публикации заявки на выдачу патента США №20100163130. Вышеприведенные ссылки представлены лишь в качестве иллюстрации, и любые другие способы и системы для образования жидких оболочек, ограничивающих внутреннюю полость, могут использоваться без отступления от объема настоящего изобретения. Согласно одной реализации оболочка может быть твердой оболочкой, такой как, например, стенка сохранителя 24 потока или твердая оболочка, прикрепленная к внутренней стороне стенки сохранителя 24 потока или нанесенная на нее.
Одна или более катушек 27 (см. фиг. 2), электрически соединенных с источником питания (не показан), могут использоваться для создания первичного заполняющего магнитного поля перед нагнетанием плазменного топлива в кольцевой канал 25 распространения плазмы и перед созданием токового разряда. Согласно некоторым вариантам осуществления плазменное топливо может представлять собой инертный газ, такой как, например, изотопы водорода или гелия, или любой другой газ или их сочетание. Согласно другим вариантам осуществления плазменное топливо может быть частично или полностью ионизированным газом (плазмой). Согласно некоторым вариантам осуществления, в которых плазменное топливо является инертным газом или частично ионизированным газом, плазменное топливо нагнетается и рассеивается для по меньшей мере частичного заполнения канала 25, при этом источник 30 питания (см. фиг. 3) запускают, чтобы вызывать прохождение формирующего импульса тока между центральным проводником 21 и внешним электродом 23 в течение периода времени, который является достаточным для ионизации газа с образованием замагниченной плазмы.
Катушки 27 могут быть соединены с источником питания, который расположен отдельно и является независимым от источника 30 питания, или источник 30 питания может быть выполнен с возможностью подачи питания на катушки 27 без отступления от объема настоящего изобретения.
Перед установлением пути тока через плазму в плазменном генераторе 22, и поскольку центральный проводник 21 электрически не изолирован от сохранителя 24 потока, система 20 функционирует как индукционная катушка, при этом ток течет по центральному проводнику 21, стенке 24а сохранителя 24 потока и внешнему электроду 23, а не через газ. Такое протекание тока может создавать предварительно существующее тороидальное магнитное поле в плазменном генераторе 22 и сохранителе 24 потока. Для того чтобы создать пробойный разряд между верхним центральным проводником 21а и внешним электродом 23, необходимо приложить напряжение в течение достаточного короткого периода времени, чтобы ток проходил через газ в по существу радиальном направлении и ионизировал его, а не протекал обратно вдоль стенки сохранителя 24 потока. Это может быть обеспечено путем использования скоростного переключателя или нескольких переключателей для подачи высокого напряжения в течение микросекунд (требуемое время должно быть определено на основе размера (индуктивности) центрального проводника 21 и сохранителя 24 потока в соответствии с уравнением V=LdI/dt). Например, скоростной переключатель может представлять собой переключатель с множеством удлиненных, параллельных электродов, время срабатывания которого находится в наносекундном диапазоне.
На фиг. 3 представлен пример источника 30 электропитания, который содержит формирующую силовую цепь 31 для подачи формирующего импульса для пробоя плазменного топлива с образованием замагниченной плазмы, и поддерживающую силовую цепь 35, которая подает поддерживающий импульс тока для поддержания магнитного поля плазмы в течение продолжительного периода времени. Формирующая силовая цепь 31 включает в себя основную формирующую цепь 34, которая содержит одну или более батарей конденсаторов и скоростной высоковольтный переключатель или систему из множества переключателей, которые предназначены для быстрого прикладывания высокого напряжения между центральным проводником 21 и внешним электродом 23 в течение достаточного периода времени (например, 50 мкс), чтобы вызывать прохождение пробойного разряда и ионизацию плазменного топлива. Протекание тока через плазму (ионизированный газ) может создать тороидальное магнитное поле плазмы, в результате чего может происходить движение плазмы к сохранителю 24 потока. При движении плазмы вперед она взаимодействует с заполняющим магнитным полем, генерируемым катушками 27, так что, когда перемещающаяся плазма становится свободной, магнитное поле сворачивается вокруг плазмы, образуя полоидальное магнитное поле плазмы.
На фиг. 3 дополнительно представлена поддерживающая силовая цепь 35, которая может включать в себя цепь 36 генерирования пикового тока и цепь 38 поддержания тока. Цепь 36 генерирования пикового тока и цепь 38 поддержания тока подают импульс тока в центральный проводник 21, так что ток протекает вдоль центрального проводника 21, стенки 24а сохранителя 24 потока и внешнего электрода 23, генерируя тороидальное магнитное поле (магнитные линии, проходящие вокруг центрального проводника 21) в плазменном генераторе 22 и сохранителе 24 потока. Это тороидальное поле может воздействовать на плазму и может усиливать тороидальное поле плазмы, при этом путем регулирования профиля импульса поддерживающего тока можно регулировать тороидальное поле плазмы. Цепь 36 генерирования пикового тока генерирует быстрый нарастающий импульс тока, который достигает предварительно заданного значения пика тока в течение расчетного периода времени. Например, предварительно заданное значение пика тока может составлять 1 МА, причем указанное значение может быть достигнуто в течение периода времени, составляющего 100-300 мкс. Затем цепь 38 поддержания тока может поддерживать такой ток в 1 МА в течение продолжительного периода времени (например, приблизительно 10 мс). Специалисту в данной области техники будет понятно, что поддерживающие силовые цепи, т.е. цепь 36 генерирования пикового тока и цепь 38 поддержания тока, могут быть разработаны для генерирования импульса тока силой более или менее 1 МА, который может поддерживаться более или менее 10 мс. Согласно одной реализации одиночная поддерживающая силовая цепь 35 может генерировать быстрый нарастающий поддерживающий импульс тока силой более или менее 1 МА, который поддерживается в течение более или менее 10 мс.
При нагнетании предварительного заданного плазменного топлива в кольцевой канал 25 распространения плазмы через порты 26а осуществляют запуск формирующей цепи 31 для образования замагниченной плазмы. После образования замагниченной плазмы может быть запущена поддерживающая цепь 35 для генерирования тороидального поля, которое воздействует на плазму, регулируя/поддерживая магнитное поле плазмы.
Согласно одной реализации поддерживающая цепь 35 может быть запущена перед моментом запуска формирующей цепи 31. Следовательно, образование плазмы может происходить при наличии предварительно существующего тороидального поля в плазменном генераторе 22 и сохранителе 24 потока. Буферная индукционная катушка 37 может использоваться для обеспечения электрической изоляции поддерживающей силовой цепи 35 от формирующей силовой цепи 31. Значение индуктивности буферной индукционной катушки должно быть достаточным для электрической изоляции поддерживающего источника 35 питания от большей части формирующего импульса тока. Например, индуктивность буферной индукционной катушки 37 может составлять 500 нГн. Приведенное выше значение является лишь иллюстративным, и индуктивность буфера 37 может составлять более или менее 500 нГн, в зависимости от требуемых параметров плазмы, без отступления от объема настоящего изобретения. При разрядке формирующего импульса буфер 37 блокирует большую часть быстрого формирующего импульса, в результате чего ток течет через плазменное топливо с образованием плазмы. Протекание тока через плазму создает тороидальное магнитное поле плазмы, которое ускоряет перемещение плазмы по плазменному генератору 22 за счет силы Лоренца. По мере перемещения плазмы к сохранителю 24 потока, она отталкивает предварительно существующее тороидальное поле, отклоняя его силовые линии. Например, разрядка формирующего импульса тока может происходить через приблизительно 200-400 мкс после момента запуска поддерживающей цепи 35. На фиг. 4 представлено графическое изображение одного примера профиля тока в системе 20. Сначала запускают цепь 36 генерирования пикового тока для подачи пикового тока силой 1МА (представленного импульсной кривой 46), а затем, приблизительно через 100-300 мкс, при пиковом токе может быть запущена цепь 38 поддержания тока для поддержания указанного импульса тока силой 1 МА в течение продолжительного периода времени, составляющего более 10 мс (см. кривую 48). Как можно видеть из графика, показывающего измерения тока, на фиг. 4, формирующую силовую цепь 31 запускают после поддерживающей силовой цепи 35, что представлено кривой 41 формирующего тока.
Конструкция формирующей цепи 31 и поддерживающей цепи 35 источника 30 электропитания будет зависеть от требуемых параметров генерируемой плазмы. Например, для генерирования магнитного потока величиной приблизительно 300 мВб в замагниченной плазме может потребоваться формирующая батарея конденсаторов с энергией приблизительно 5 МДж. Цепь 36 генерирования пикового тока может характеризоваться наличием батареи конденсаторов с энергией 1,3 МДж в качестве источника питания, а поддерживающая цепь 38 может характеризоваться наличием батареи конденсаторов с энергией приблизительно 10 МДж в качестве источника питания. Вышеприведенные значения представлены лишь в качестве иллюстрации, и цепи 36, 38 могут быть разработаны для генерирования и поддержания значения тока выше 1 МА в течение более или менее 10 мс без отступления от объема настоящего изобретения. На параметры формирующей цепи 31 также могут влиять параметры заполняющего магнитного поля и предварительно существующего тороидального поля в плазменном генераторе, которые необходимо отклонять во время фазы выделения пузырьков.
Контроллер 39 (см. фиг. 3) может быть предусмотрен и предварительно запрограммирован для управления временем запуска каждой из цепей источника питания, а также работой топливного инжектора (например, клапанов 26 топливного инжектора) и источника питания катушек 27 (заполняющее магнитное поле), чтобы регулировать количество газа, параметры тороидального поля в плазменном генераторе 22 (сзади и спереди плазмы), а также количество формируемой плазмы. Время запуска цепей 34, 36, 38 может быть определено в зависимости от свойств источника 30 питания, требуемых параметров плазмы и размера и геометрии системы 20 для генерирования плазмы. Каждая из цепей может содержать один или более подходящих переключателей, диодов и демпфирующее сопротивление (для защиты системы в случае отказа конденсатора или переключателя, а также для уменьшения колебания электрического сигнала в компонентах источника питания). Контроллер 39 может содержать входной блок, выходной блок, блок обработки данных и запоминающий блок, а также может быть запрограммирован для запуска цепей 34, 36, 38, клапанов 26 топливного инжектора и источника питания катушек 27 на основе предварительно запрограммированной таблицы времени, сохраненной в запоминающем блоке, или такие выходные сигналы запуска могут посылаться в надлежащую цепь/компонент на основе конкретного входного сигнала от множества детекторов (например, оптический датчик, магнитный датчик, датчики тока/напряжения). Согласно одной реализации пробойный разряд для ионизации плазменного топлива может быть обеспечен посредством одного или более дополнительных электродов, которые именуются в настоящем документе пусковыми электродами. На фиг. 5 представлен один вариант осуществления, содержащий пусковой электрод 51 для генерирования пробойного разряда. Пусковой электрод 51 может быть расположен в канале 25 распространения плазмы и может быть электрически соединен с источником 30 питания. Например, формирующая силовая цепь 31 может быть сконструирована таким образом, чтобы содержать предварительную формирующую цепь 32 (см. фиг. 3), электрически соединенную с одним или более пусковыми электродами 51, и основную формирующую цепь 34, электрически соединенную с центральным проводником 21. Предварительная формирующая цепь 32 может характеризоваться предварительно заданными индуктивностью и сопротивлением, а также может содержать одну или более батарей конденсаторов в качестве источника электропитания. Например, предварительная формирующая цепь 32 может использоваться для генерирования пробойного разряда мощностью 10-25 KB между пусковым электродом 51 и центральным проводником 21. Предварительная формирующая цепь 32 может быть независимой от основной формирующей батареи 34. Полярность пускового электрода 51 может быть противоположной полярности центрального проводника 21 при прохождении основного формирующего импульса для снижения количества нагнетаемого газа, необходимого для обеспечения электрического пробойного разряда. Например, полярность пускового электрода 51 может быть положительной, при этом электроны захватываются вблизи центрального проводника 21 из-за силовых линий заполняющего магнитного поля (электроны перемещаются вдоль магнитных полей вблизи центрального проводника 21), так что при подаче напряжения на пусковой электрод 51 пробой происходит намного быстрее (приблизительно 50 мкс). Специалисту в данной области техники будет понятно, что полярность пускового электрода 51 может быть любой с обеспечением генерирования пробойного разряда и ионизации плазменного топлива, или пробойный разряд может генерироваться между пусковым электродом 51 и внешним электродом 23 без отступления от объема настоящего изобретения.
Согласно одной реализации плазменное топливо может представлять собой предварительно ионизированный газ, который может нагнетаться в канал 25 распространения плазмы перед подачей пробойного разряда на пусковой электрод 51, в результате чего время пробоя может быть дополнительно сокращено с повышением количества ионизированного газа (меньше инертного газа в плазме). Согласно одной реализации предварительная формирующая цепь 32 может быть опущена, и основная формирующая цепь 34 может использоваться для подачи импульса тока как на пусковой электрод 51 для импульса пробойного разряда, так и на центральный проводник 21 для формирующего импульса. Специалисту в данной области техники будет понятно, что напряжение, прикладываемое к пусковому электроду 51 для генерирования пробойного разряда, может быть выше или ниже 10-25 KB, в зависимости от размеров и параметров системы, а также требуемых параметров плазмы.
Согласно реализациям, в которых пусковой электрод 51 используется для инициирования начального пробоя газообразного плазменного топлива, предварительную формирующую цепь 32 запускают перед моментом запуска основной формирующей батареи 34. Например, предварительная формирующая цепь 32 может запускаться через приблизительно 200-300 мкс после открытия клапана(ов) 26, через который(ые) нагнетают газообразное плазменное топливо в канал 25. Газообразное плазменное топливо нагнетают в канал 25 распространения плазмы через коллектор газовых клапанов 26. Импульс тока пробоя подают на пусковой электрод 51, в результате чего ток протекает из пускового электрода 51 к центральному проводнику 21 (или альтернативно к внешнему электроду 23) через газ, при этом происходит по меньшей мере частичная ионизация газа с образованием плазмы. Пробой газа может обнаруживаться одним или более детекторами (не показаны), разработанными для обнаружения, например, светового излучения пробоя. Например, детекторы могут представлять собой оптические сенсоры, выполненные с возможностью обнаружения светового излучения, генерируемого в результате возникновения пробоя. После обнаружения пробоя газа в центральный проводник 21 подается основной формирующий импульс 34, чтобы дополнительно ионизировать газ и создать тороидальное поле плазмы для ускорения движения плазмы через заполняющее магнитное поле до тех пор, пока она не освободиться (фаза выделения пузырьков) и не попадает в сохранитель 24 потока. Входной блок контроллера 39 может быть предусмотрен для приема сигнала(ов) от одного или более детекторов, и на основе этих сигналов выходной блок контроллера 39 может посылать сигнал в источник 30 питания для запуска переключателя основной формирующей батареи 34.
На фиг. 7 представлены стадии запуска, выполняемые контроллером 39. Как показано посредством стадии 702, контроллер сначала запускает источник питания катушек 27, так что начальное заполняющее поле входит в кольцевой канал 25 распространения плазмы. В вариантах осуществления, когда не требуется предварительное тороидальное поле, контроллером 39 выполняется правая последовательность стадий. Следовательно, как только заполняющее поле входит в канал 25 распространения плазмы, клапаны 26 открываются (стадия 712) для нагнетания плазменного топлива в канал 25 распространения плазмы. Согласно вариантам осуществления, в которых используются пусковые электроды 51, соединенные с предварительной формирующей цепью 32, на стадии 714 предварительную формирующую цепь запускают (например, через 200-300 мкс) после открытия клапана(ов) 26. На стадии 716 блок обработки данных контроллера 39 обрабатывает сигналы, принятые от оптических сенсоров светового излучения, чтобы определить, когда произошел пробой плазменного топлива, и, исходя из этого определения, на стадии 718 контроллер 39 запускает основную формирующую цепь 34 для образования замагниченной плазмы и нагнетания этой плазмы в сохранитель 24 потока. На стадии 720 контроллер может запустить поддерживающую цепь 36 пикового тока в некоторый предварительно заданный момент времени (например, через 200-300 мкс) после времени запуска основной формирующей цепи 34, или поддерживающая цепь 36 пикового тока может быть запущена, когда магнитный датчик, установленный в стенке сохранителя 24а потока, укажет на то, что происходит нагнетание плазмы в сохранитель 24 потока. На стадии 722 контроллер запускает цепь 38 поддержания тока с задержкой, составляющей, например, 100-300 мкс, после времени запуска поддерживающей цепи 38 пикового тока (или после достижения предварительно заданного значения пикового тока в соответствии с показаниями датчиков тока). В вариантах осуществления, в которых не используются пусковые электроды 51, стадии 714 и 716 опускаются, при этом формирующую цепь 34 запускают спустя предварительно заданное время (например, 200-500 мкс) после момента открытия клапанов 26. Затем осуществляют стадии 720 и 722, как описано ранее в настоящем документе.
В вариантах осуществления, когда не требуется предварительное тороидальное поле, контроллером 39 выполняется левая последовательность стадий. Следовательно, на стадии 732 контроллер 39 может запустить поддерживающую цепь 36 пикового тока. Поддерживающая цепь 36 пикового тока может быть запущена одновременно со временем запуска катушек 27 или с некоторой задержкой по времени, такой как, например, задержка в 200 мкс. После задержки, например в 100-300 мкс, или при достижении предварительно заданного значения пикового тока, исходя из показаний датчиков тока, на стадии 734 контроллер 39 запускает цепь 38 поддержания тока. После этого осуществляют открытие клапанов 26 (стадия 736), а затем, в зависимости от того, используются ли пусковые электроды 51 или нет, осуществляют выполнение стадий 714-718 аналогично ранее описанному в настоящем документе.
Альтернативно, некоторая часть или все газообразное плазменное топливо может нагнетаться в предварительно ионизированном состоянии. Нагнетание большого количества заряженных частиц в кольцевой канал 25 распространения плазмы (вместо инертного газа) может увеличить вероятность ионизации и может сократить время пробоя. Например, предварительный ионизатор может быть установлен в топливный трубопровод (не показан), соединяющий источник плазменного топлива и плазменный генератор 22. Предварительный ионизатор может представлять собой миниатюрную коаксиальную плазменную пушку 60, такую как показана на фиг. 6. Показанный пример предварительного ионизатора 60 содержит центральный электрод 62, который расположен внутри трубчатого корпуса 64. На одном конце он закрыт изолятором 65, при этом его противоположный конец открыт и образует выпускной порт 66, который гидравлически сообщается с портами 26, в результате чего предварительно ионизированный газ, образованный в предварительном ионизаторе 60, может нагнетаться в плазменный генератор 22. Любые другие конфигурации электродов, используемых в предварительном ионизаторе 60, или любые другие средства для предварительной ионизации, выполненные с возможностью частичной ионизации газа перед его нагнетанием в плазменный генератор 22, могут использоваться без отступления от объема настоящего изобретения. Предварительно заданное количество газа может нагнетаться в корпус 64 через один или более клапанов 67. Центральный электрод 62 и тело 64 электрически соединены с цепью 68 предварительной ионизации. Когда источник питания подает электрический импульс на предварительный ионизатор 60, ток течет по электроду 62 и через нагнетаемый газ к телу 64, ионизируя газ. Затем плазма, образованная в предварительном ионизаторе 60, вместе с любым газом, который не был ионизирован, ускоряется магнитным полем, создаваемым током, протекающем через плазму, и выпускается через выпускное отверстие 66 и клапаны 26 в плазменный генератор 22. Когда частично ионизированный газ входит в плазменный генератор 22, контроллер 39 может запустить формирующую цепь 34 для генерирования токового разряда между центральный проводником 21 и внешним электродом 23 плазменного генератора 22.
Альтернативно, инертный газ, нагнетаемый в кольцевой канал 25 распространения плазмы плазменного генератора 22, может быть предварительно ионизирован непосредственно при помощи любых подходящих средств или методик предварительной ионизации. Например, предварительная ионизация может быть осуществлена посредством одного или более источников ультрафиолетового (УФ) излучения, таких как, например, УФ лампы. УФ лампы (не показаны) могут быть расположены вокруг корпуса плазменного генератора 22. УФ лампа может быть подключена к подходящему источнику питания для генерирования пучка УФ излучения, который может быть направлен в область нагнетания газа вблизи порта для нагнетания газа (например, выходных портов 26а клапанов). Корпус плазменного генератора 22 может содержать одно или более прозрачных окон, которые выполнены таким образом, чтобы УФ излучение могло проходить через окно и воздействовать на нагнетаемый газ, вызывая по меньшей мере частичную ионизацию этого газа. Окно может быть прозрачным для энергии, генерируемой выбранным источником энергии, например, УФ лампой. Согласно одной реализации прозрачные окна могут быть сконфигурированы в качестве линз для фокусировки энергии, генерируемой лампой, в точке или области нагнетания газа (порты 26а). Согласно другим реализациям другие типы источников энергии (например, лазеры, устройства для создания коронного электрического разряда, радиочастотные (РЧ) системы и т.п.) могут использоваться для возбуждения и предварительной ионизации нагнетаемого газа непосредственно в плазменном генераторе 22 или в наружном предварительном ионизаторе. Любые из вышеупомянутых систем и способов могут использоваться для предварительной ионизации газа непосредственно в плазменном генераторе 22, или газ может быть сначала предварительно ионизирован в предварительном ионизаторе (например, предварительном ионизаторе 60), а затем направлен в частично или полностью ионизированном состоянии в плазменный генератор 22.
Раскрыты варианты осуществления системы генерирования плазмы. Любой из таких вариантов осуществления может быть использован для генерирования плазмы с высокой плотностью энергии, подходящей для применения в нейтронных генераторах, ядерном синтезе, восстановлении ядерных отходов, генерации медицинских нуклеотидов, для исследования материалов, для дистанционного получения изображений внутренней структуры объектов с помощью нейтронной радиографии и томографии, генератора рентгеновских лучей и т.п.
Хотя в настоящем документе представлены и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и сферы применения настоящего изобретения, следует понимать, что объем раскрытого изобретения ими не ограничен, поскольку в изобретение могут быть включены различные модификации без отступления от его объема, в частности, с учетом вышеизложенных идей. Таким образом, например, в любом способе или процессе, описанном в настоящем документе, действия или операции, из которых состоит этот способ и/или процесс, могут выполняться в любой приемлемой последовательности, а не обязательно ограничиваться той последовательностью, которая указана в настоящем документе. В различных вариантах осуществления элементы и компоненты могут быть сконфигурированы или размещены по-разному; при этом они могут комбинироваться и/или отсутствовать. Различные признаки и процессы, описанные выше, могут быть использованы независимо друг от друга, или же они могут быть скомбинированы различными способами. Предполагается, что все возможные комбинации и подкомбинации входят в объем заявленного изобретения. Ссылка в тексте настоящего документа на «некоторые варианты осуществления», «один из вариантов осуществления» и т.п. означает, что конкретный признак, конструкция, стадия, процесс или характеристика, описанная в привязке к какому-либо варианту осуществления, включена, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления. Таким образом, фразы «в некоторых вариантах осуществления», «в одном из вариантов осуществления» или иные фразы подобного рода, встречающиеся по всему тексту настоящего документа, необязательно все относятся к одному и тому же варианту осуществления, а могут относиться к одному или нескольким одним и тем же или разным вариантам осуществления. Более того, новые способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в самых разных иных формах; при этом в варианты осуществления, описанные в настоящем документе, могут быть внесены различные изменения, дополнения и эквиваленты, а также в них могут быть выполнены различные замены, изъятия и реконфигурации, без отступления от сущности изобретений, раскрытых в настоящем документе.
Различные аспекты и преимущества вариантов осуществления раскрыты в необходимых случаях. Следует понимать, что не все такие аспекты обязательно могут быть реализованы или не все такие преимущества обязательно могут быть достигнуты согласно какому-либо конкретному варианту осуществления. Следовательно, например, необходимо признать, что различные варианты осуществления заявленного изобретения могут быть реализованы таким образом, что может быть достигнуто или оптимизировано только одно преимущество или группа преимуществ, указанных в настоящем документе, без обязательной реализации прочих аспектов или достижения прочих преимуществ, которые могут быть указаны или предложены в настоящем документе.
Если специально не указано иное, то условные формулировки, используемые в настоящем документе, такие как, помимо прочего, «может», «мог бы», «мог», «можно», «например» и т.п., во всех остальных случаях следует понимать в контексте настоящего документа как используемые, в общем, для того, чтобы донести информацию о том, что определенные варианты осуществления включают в себя, а другие варианты не включают в себя определенные признаки, элементы и/или стадии. Следовательно, такие условные формулировки, в общем, не предусматривают, что определенные признаки, элементы и/или стадии так или иначе требуются для одного или нескольких вариантов осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно включают в себя логику для того, чтобы определить, с вводом данных оператором или операторскими подсказками или без такого ввода или подсказок, включены ли эти признаки, элементы и/или стадии в каждый конкретный вариант осуществления или должны ли они быть реализованы в каждом конкретном варианте осуществления. Ни один отдельный признак или группа признаков не является необходимым или незаменимым для какого-либо конкретного варианта осуществления. Термины «содержащий», «включающий в себя», «имеющий» и прочие термины подобного рода являются синонимами и используются включительно в неограничивающей форме, и не исключают дополнительные элементы, признаки, действия, операции и т.п. Кроме того, термин «или» используется в широком (а не в исключающем) смысле с тем, чтобы при использовании связывать между собой, например, перечень элементов; при этом термин «или» означает «один», «некоторые» или «все» элементы, содержащиеся в перечне.
Если специально не указано иное, то соединительные формулировки, такие как фраза «по меньшей мере, один из X, Y и Z», во всех остальных случаях в контексте настоящего документа следует понимать как используемые, в общем, для того, чтобы донести информацию о том, что какая-либо позиция, термин и т.п. может представлять собой или X, или Y, или Z. Следовательно, такие соединительные формулировки, в общем, не предусматривают, что определенные варианты осуществления требуют наличия в каждом из них, по меньшей мере, одного из X, по меньшей мере, одного из Y и, по меньшей мере, одного из Z.
Примеры расчетов, моделирования, результатов, графиков, численных значений и параметров вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, носят исключительно иллюстративный характер и не претендуют на ограничение раскрытых вариантов осуществления. Прочие варианты осуществления могут быть выполнены с возможностью реализации и/или использования иным образом, отличным от иллюстративных примеров, описанных в настоящем документе. Более того, новые способы и устройства, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в самых разных формах; при этом в способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть внесены различные изменения, а также в них могут быть выполнены различные замены и изъятия, без отступления от сущности изобретений, раскрытых в настоящем документе.