[发明专利]用于产生自限式高密度空气等离子体的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月17日提交的，名为“Systems and Methods to Generate a High Density Air Plasma”的美国临时申请号61/498,281的优先权，所述申请以引用的方式整体并入。

联合发起的研究或开发

本发明是在政府支持下通过海军研究局(Office of Naval Research) (局)颁发的授权号N00014-08-1-0266下作出的。政府对本发明享有一定权利。

发明领域

本发明涉及一种用于在大气压下产生自持式空气等离子体的方法和设备。

发明背景

空气等离子体是由大气压下形成的以独立状态存在的离子、电子、自由基和其它中性物质构成的导电物质状态。空气等离子体可以在多种应用中使用，如非致命武器、聚变、等离子体加工、推进、消毒应用和冲击波消减。

然而，当前的等离子体源无法产生具有足以防御在大气压下由冲击波引起的过压的后果的电子密度的空气等离子体。此外，当前的等离子体源在不使用昂贵又笨重的支持装备或大磁体下无法产生具有长寿命的自含或自限式空气等离子体。因此，仍然需要产生空气等离子体的多用途、可扩大规模和可重复的方法和设备。

发明概述

本发明涉及一种用于在大气压下产生自限且自稳定的空气等离子体的方法和设备。具体地说，所述方法和设备在大气压下产生具有足以用于众多应用的电子密度的环形空气等离子体(TAP)。所述方法和设备可以被构造来在高重复率下产生TAP。

所述方法包括在大气压下产生自含式空气等离子体。空气等离子体在第一点火区域内产生并且其径向膨胀被限制。所述方法还包括将高压脉冲施加到二级点火区域内的空气等离子体上以加热空气等离子体并且使所述空气等离子体加速离开第二点火区域。加热空气等离子体使空气等离子体膨胀并变成自含的。

用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备包括一级点火区域，所述一级点火区域包括界定第一空腔以容纳等离子体源的第一屏蔽材料，所述第一空腔可以是细长的或另一种构造。所述设备还包括从等离子体源产生空气等离子体的点火装置和包括界定第二区域的第二屏蔽材料的二级点火区域，所述第二区域可以是细长的或另一种构造，其中第二空腔与第一空腔流体连通以接纳空气等离子体。在一个实施方案中，第二区域至少部分由丝网界定，所述丝网允许电流通过其内的空气放电并且形成等离子体放电。

所述设备包括高压电路，所述高压电路包括至少一个电容器并且与电压源连通以将高压脉冲施加到空气等离子体上。高压脉冲对空气等离子体加热并且使所述空气等离子体加速离开设备以在大气压下形成自含式空气等离子体。在多个其它实施方案中，等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、炸药、喷气等离子体、空心负极等离子体、超高速等离子体源、轨道炮、微波驱动的等离子体源或可以引入第二区域中的其它紧凑型等离子体源。等离子体源也可以通过一个或多个激光诱导的等离子体通道来提供。

在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法包括施加第一高压脉冲使其穿过丝线以使丝线闪爆并且在位于正极与负极之间的第一点火区域内产生空气等离子体。所述方法还包括限制空气等离子体的径向膨胀，以使空气等离子体平行于丝线的纵轴行进至负极与加速器电极之间的第二点火区域。施加第二高压脉冲使其穿过负极和加速器电极以对空气等离子体加热，其中加热空气等离子体使所述空气等离子体膨胀，加速并且形成环形结构。所述方法还包括在大气压下从第二点火区域排放自含式环形空气等离子体。

所述方法进一步包括在正极与负极之间以及在负极与加速器电极之间设置刚性电绝缘材料。绝缘材料界定空腔，所述空腔可以是细长的。在正极与负极之间的细长空腔接纳丝线并且限制空气等离子体的径向膨胀。在负极与加速器电极之间的空腔允许空气等离子体膨胀。两种空腔都可以具有大体圆柱形或螺旋形的构造。空腔可以具有相等或不同的直径并且可以被构造来增大或减小环形等离子体的直径。此外，空腔可以被构造来增大或减小环形等离子体的速度。