[发明专利]用于加速和压缩等离子体的设备和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月29日提交的题为“HIGH EFFICIENCY PLASMA ACCELERATOR(高效等离子体加速器)”的第61/694,550号美国临时专利申请根据35U.S.C.§119(e)的权益，该美国临时专利申请在此通过引用以其全部内容合并到本文中。

技术领域

本公开内容一般地涉及一种用于等离子体加速和压缩的方法和系统，更具体地，涉及一种用于加速等离子体的高效等离子体加速器和方法。

背景技术

等离子体是类似于气体的物质状态，在该物质状态中至少部分粒子被电离。带电粒子(例如，正离子和负电子)的存在使等离子体导电。等离子体环(plasma torus)是被定形成环形位形(configuration)的自给(self-sustained)磁化等离子体，具有联合的极向以及环向(在一些情况下)闭合磁通量。极向以及环向磁通联合的程度限定等离子体环的螺旋度。包含在单连通空间(volume)中的等离子体环被称作紧凑环(CT)。CT位形可以包括例如：(i)具有具备环向分量和极向分量两者的内部磁场、接近稳定的磁流体动力平衡而存在的球马克位形；或(ii)场反位形(FRC)，其也具有环向磁场拓扑结构但可以在轴向方向上被延长更多，从而具有类似于长椭球体的外表面，以及其主要具有极向磁场分量而不具有环向磁场分量。CT等离子体可以被形成为一系列磁位形，包括以球马克状态与FRC状态之间的状态而存在的位形。初始等离子体环还可以随时间而演化以及改变其磁位形。

发明内容

根据一个方面，提供了一种等离子体加速和压缩设备。该设备包括用于加速和压缩等离子体环的等离子体加速器，以及用于向加速器提供电加速脉冲的电源，该电加速脉冲产生在加速器中流动的电流并且在等离子体环后面生成足以加速和压缩等离子体环贯穿加速器的磁推进通量。

加速器具有管状外部电极和在外部电极内部延伸的管状内部电极，其中，外部电极和内部电极限定环形等离子体传输通道(propagation channel)，该环形等离子体传输通道用于加速和压缩通过其的等离子体环。等离子体传输通道具有用于从等离子体发生器接收等离子体环的入口端和用于释放在环形通道内部已经被加速和压缩的等离子体环的出口端。等离子体传输通道具有纵向伸长部分，该纵向伸长部分具有与入口流体连通的上游端和与出口流体连通的下游端。被限定为内部电极与外部电极之间的径向距离的横截面环形间隙在沿着伸长部分的长度的下游方向上非线性地减小。该设备被配置成在伸长部分之前具有足以使得通过磁推进通量的扩展来加速和压缩等离子体环贯穿伸长部分的电感。选择等离子体传输通道的尺寸，使得对于所选择的伸长部分的电感以及所选择的伸长部分之前的电感，在伸长部分中流动的电流在伸长部分的下游端处小于上游端处，并且等离子体环压力在伸长部分的下游端处大于伸长部分的上游端处。伸长部分可以被配置成具有为1与2之间的等离子体环径向压缩比。

等离子体传输通道还可以包括在入口与伸长部分的上游端之间的高压缩漏斗状部分。漏斗状部分包括与入口流体连通的上游端和与伸长部分的上游端流体连通的下游端。被限定为内部电极与外部电极之间的径向距离的漏斗状部分中的横截面环形间隙在沿着漏斗状部分的长度的下游方向上减小。此外，漏斗状部分可以被配置成具有为3与10之间的径向压缩比。

伸长部分可以具有固定的内部电极半径与外部电极半径的比率。内部电极或外部电极中之一沿着伸长部分的纵向位置z的半径r(z)可以由以下等式限定：

其中，z₀是伸长部分在上游端处的纵向位置，c是伸长部分的每单位长度电感L’与伸长部分之前的电感L₀的比率，以及a和b是由下式限定的常数：

a＝b+1/r₀

其中，r₀是内部电极或外部电极在上游端处的半径，以及

其中，r₁和z₁是内部电极或外部电极的各自的半径以及伸长部分在下游端处的纵向位置。

替选地，内部电极的半径和外部电极的半径相对彼此不是固定的比率。在这样的情况下，内部电极和外部电极中每个沿着伸长部分的纵向位置z的半径r(z)个别地由以下等式限定：