CN102301832A

CN102301832A - 用于压缩等离子体的系统和方法

Info

Publication number: CN102301832A
Application number: CN2010800064592A
Authority: CN
Inventors: 米切尔·乔治斯·拉伯齐; 道格拉斯·H·瑞查森
Original assignee: General Fusion Inc
Current assignee: General Fusion Inc
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: EP2394496B1; BRPI1008865A2; RU2011128777A; JP2012517085A; CA2750441A1; US8537958B2; JP5107466B2; EP2394496A1; EP2394496A4; CN102301832B; WO2010089670A1; US10984917B2; US20110026657A1; US9875816B2; KR20110121622A; US20180190390A1; CA2750441C; US20140247913A1; US9424955B2; KR101541576B1

Abstract

描述了用于压缩等离子体的系统和方法的实施例，其中可以通过向其中压缩和/或加热等离子体的液态金属的漏斗内注入等离子体来实现大于固态材料的断裂点的等离子体压力。

Description

用于压缩等离子体的系统和方法

对于相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年2月4日提交的、题目为“用于加速和压缩等离子体的系统和方法”的美国临时专利申请No.61/149,886的权益，其由此通过引用被整体包含在此。

技术领域

本公开涉及用于压缩等离子体的系统和方法的实施例。在特定的这样的实施例中，使用液态金属漏斗来压缩等离子体环。

背景技术

用于将等离子体加热和压缩到高温和高密度的各种系统已经得到描述。在下文中描述了一种用于通过在液体介质中的大幅度声压波的球形聚焦来实现等离子体加热和压缩的手段：在2006年9月7日公布的、题目为“Pressure Wave Generator and Controller for Generating a PressureWave in a Fusion Reactor”的美国专利公报No.2006/0198486，其由此通过引用被整体包含在此。在这种手段的特定实施例中，在包含液体介质的大体球形容器周围布置了多个活塞。在液体介质中生成了旋涡或空腔。该活塞被加速并且撞击该容器的外壁，以产生声波。在液体介质中产生的声波会聚和包围被引入旋涡中的等离子体，由此加热和压缩等离子体。

可以在例如下文中描述的磁化靶聚变(MTF)反应堆中使用在美国专利公报No.2006/0198486中描述的类型的压波产生器：在2006年9月7日公布的、题目为“Magnetized Plasma Fusion Reactor”的美国专利公报No.2006/0198483，其由此通过引用被整体包含在此。在特定的这样的实现方式中，磁化等离子体被引入到在诸如熔融的铅锂(PbLi)的液体介质中生成的旋涡内。由围绕球形反应堆容器的活塞的撞击产生的声波可以将磁化等离子体压缩到高密度和高温。

在上述装置的一些实施例中，诸如气流或空气之类的压缩气体可以用于加速活塞。通常，用于等离子体压缩的期望的活塞撞击速度具有100m/s的数量级，因此通常使用大约1,300psi的压缩气压来加速活塞。为了实现在一些实现方式中有益或期望的内爆的对称性，对于每一个活塞精确地控制活塞点火的定时、轨迹和撞击。例如，对于一些等离子体压缩实现方式，所有的活塞优选地在相对于彼此的大约1微秒内撞击容器壁。在一些这样的实现方式中，伺服控制系统可以用于精确地测量每一个活塞的位置，并且控制其轨迹以获得必要的撞击时间。

虽然从例如成本视点看这样的机械压缩系统的特定实施例有吸引力，但是特定的这样的实现方式可能需要频繁的维护，特别是在其中活塞点火的重复频率高的应用中。

发明内容

公开了用于压缩等离子体的系统和方法的实施例。一些实施例包括：例如通过使用诸如轨道炮的等离子体加速器来电子加速等离子体。该等离子体可以被加速到液态金属的漏斗内，在所述漏斗中，该等离子体被进一步压缩。所述液态金属的使用允许获得高的等离子体密度，因为在一些实施例中，所获得的压力可以比通常在设备本身中使用的固态材料的断裂点或屈服强度高。

在特定实施例中，使用诸如磁化同轴枪的等离子体枪来形成低密度和低温的球马克或环形等离子体。使用等离子体加速器(例如，锥形轨道炮)将该环形等离子体电子加速、压缩和加热到高密度和高温，所述等离子体加速器向液态金属漏斗延伸。在一些实现方式中的所述液态金属漏斗可以由诸如熔融的铅锂(PbLi)的熔融金属形成。在各个实施例中，环形等离子体可以被形成为场反向配置(FRC)或其他紧凑环。

在一些实现方式中，所述等离子体包括可聚变材料，诸如轻元素的同位素(例如，氘、氚、氦-3、锂-6和/或锂-7)。在一些这样的实现方式中可实现的较高的等离子体密度和/或温度可以对于聚变反应的启动是足够的。一些聚变反应产生中子。因此，所述系统的一些实施例可以被构造为中子源。系统和方法的一些实施例可以提供足够的聚变反应来出现净能量产生(例如，在得失平衡之上)。

公开了用于压缩等离子体的设备的实施例。所述设备包括：等离子体枪，其被构造来产生等离子体的紧凑环；等离子体加速器；以及液体漏斗系统。所述等离子体加速器具有第一端、第二端和在所述第一端和所述第二端之间的纵轴。所述等离子体加速器被构造来在所述第一端接收所述紧凑环，并且沿着纵轴向所述第二端加速所述紧凑环。所述液体漏斗系统包括液体漏斗，所述液体漏斗具有大体与所述等离子体加速器的纵轴对准的大体上圆柱形的通道。所述通道具有：在所述通道的顶端处的第一内径以及在所述通道的底端处的第二内径。在一些实施例中，所述第二内径可以小于所述第一内径。所述液体漏斗系统被构造来从所述等离子体加速器的所述第二端接收所述紧凑环，并且当所述紧凑环沿着所述通道从所述顶端向所述底端移动时压缩所述紧凑环。所述系统可以被构造使得所述紧凑环当在所述顶端之下时的压力大于所述紧凑环当在所述顶端之上时的压力。

公开了被构造来用于压缩等离子体的液态金属漏斗系统的实施例。所述液态金属漏斗包括具有大体圆柱形的通道的液态金属漏斗，所述通道具有在所述通道的第一端处的第一内径和在所述通道的第二端处的第二内径。所述第二内径可以比所述第一内径小。所述液态金属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。所述液态金属漏斗可以被构造来从等离子体注入器接收等离子体，并且当所述等离子体沿着所述通道从所述第一端向所述第二端移动时压缩所述等离子体。

公开了一种用于压缩等离子体的方法的实施例。所述方法包括：产生环形等离子体；沿着纵向来加速所述环形等离子体；以及向在液体漏斗中的通道内引入所加速的环形等离子体。所述通道可以在所述通道的第一端处具有第一尺寸，并且在所述通道的第二端处具有第二尺寸。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：当所述环形等离子体从所述通道的所述第一端向所述通道的所述第二端移动时压缩所述环形等离子体。

附图说明

图1A是示出用于在锥形液态金属漏斗中压缩等离子体的系统的一个实施例的示意截面图。在这个实施例中，等离子体枪形成紧凑环，该紧凑环被等离子体加速器向液态金属漏斗加速。

图1B是示出用于在液态金属漏斗系统中压缩等离子体的系统的另一个实施例的示意截面图。在这个实施例中，所述漏斗系统包括液态金属漏斗和大体沿着所述漏斗的中轴布置的轴向液态金属导管。在这个实施例中，等离子体加速器包括等离子体限制器，该等离子体限制器包括在加速器的传播通道中的收缩部分。

图1C是示出用于在液态金属漏斗系统中压缩等离子体的系统的另一个实施例的示意截面图。在这个实施例中，所述等离子体加速器包括等离子体限制器，该等离子体限制器包括一个或多个磁性线圈。

图1D是用于压缩等离子体的系统的实施例的透视剖面图。在图1C中所示的实施例大体类似于在图1B中示意地所示的实施例。

图2是指示用于实现各个等离子体密度的劳逊判据的等离子体的能量的示例计算和在各个等离子体密度下的等离子体的磁压的示例计算的图形。这些示例计算基于玻姆扩散和下述特定的其他假设。注意，1个气压(atm)是大约10⁵Pa。

图3是示出在锥形液态金属漏斗内的环形等离子体的示例的示意截面图。

图4是示出考虑到在等离子体压缩系统的示例实施例中可以出现的各种功耗的、用于实现各个等离子体密度的劳逊判据的等离子体能量的示例计算的图形。

具体实施方式

已经在过去建立和研究了锥形同轴等离子体球马克加速器来用于例如X射线产生、托卡马克加油和等离子体物理研究。然而，最大可获得的磁压已经被在设备中使用的固态材料的强度(例如，固态材料的断裂极限、屈服强度或断裂点)限制。在本手段的特定实施例中，通过使用下面详细地描述的锥形或漏斗形状的金属管，可以获得的磁压已经被提高得大大超过这个限制。

参考附图，图1A-1D示意地图示可以用于加速和压缩等离子体的系统1000的几个实施例。在图1A-1D中所示的实施例包括：等离子体枪100，其被构造来产生环形等离子体(例如，诸如球马克的紧凑环)；等离子体加速器110，其被构造来沿着加速器110的纵轴115来加速等离子体；以及液态金属漏斗系统120，由加速器110加速的等离子体被引入其中以进一步压缩。在各个实施例中，等离子体枪100可以包括磁化等离子体枪，该磁化等离子体枪具有基本上与加速器110的纵轴115对准或同轴的枪轴。在一些实施例中，等离子体枪100包括马歇尔型等离子体枪。在各个实施例中，等离子体加速器110可以包括轨道炮，轨道炮被构造来使用磁力和/或电磁力来加速等离子体。在一些实施例中，当沿着纵轴115来加速等离子体时，等离子体加速器110可以提供一定程度的等离子体压缩。例如，轨道炮可以包括一个或多个锥形电极，以在沿着纵轴115的加速期间压缩等离子体。液态金属漏斗系统120可以包括液态金属漏斗、圆柱或具有与加速器110的纵轴115基本上对准的通道的管道8。在一些实施例中，通道的截面和/或内径可以从漏斗的上端到漏斗的下端发生改变，例如，截面(和/或内径)可以减小以允许当等离子体在上端下方并朝向下端移动时等离子体被压缩。在特定实施例中，等离子体枪100和/或等离子体加速器110大体位于液体漏斗系统120之上。在特定实施例中，漏斗8的上端大体在漏斗8的下端之上。

由等离子体枪100产生的环形等离子体可以是紧凑环，例如球马克，其是由在传导等离子体中流动的电流产生的其本身的磁场限定的环形等离子体。在其他实施例中，紧凑环可以是等离子体的场反向配置，其可以具有基本上闭合的磁场线，并且有很少的场线的中心穿透或没有场线的中心穿透。

如在图1A-1D中所示的实施例中所示意地示出，来自一个或多个罐4的气体被快速喷气阀3引入枪内。在一些实现方式中，初始气压是大约每平方英寸(psi)15磅(例如，大约1.03x10⁵Pa)。该气体可以包括可聚变材料。例如，该可聚变材料可以包括轻元素的一个或多个同位素，例如，氢的同位素(例如，氘和/或氚)、氦的同位素(例如，氦-3)和/或锂的同位素(例如，锂-6和/或锂-7)。可以使用其他可聚变的材料。可以使用元素和同位素的组合。例如，在一些实现方式中，使用大约100个喷气阀3来从罐4引入50％的氘-50％的氚的气体混合物。在一种实现方式中，来自阀门的每一个脉冲引入大约2mg的气体。在其他实施例中，可以使用不同数量的阀门，并且/或者，可以引入不同质量的气体。在其他实现方式中，氘和氚各自的百分比可以不同于50％-50％。

线圈5在外部电极7和形成电极14之间的空间中引发磁场。在一些实现方式中，线圈5可以被构造来提供大约0.8特斯拉的大多数径向的填充磁场。在图1A-1C中示意地图示的实施例中，形成电极14大体是圆柱形的，并且外电极7向液态金属漏斗系统120内逐渐变细。在图1B-1D中示意地图示的实施例中，通过3个磁线圈5a、5b和5c来产生磁场，虽然可以在其他实施例中使用更少或更多数量的线圈。在一些实施例中，线圈5a包括大约140匝的空心6mm x 6mm平方的铜导线。在系统的运行期间，该导线可以在大约630V的电压下承载大约1000Amp的电流，消散大约630kW。线圈5b包括大约224匝的空心6mm x 6mm平方的铜导线，用于在大约832V的电压下承载大约1000Amp的电流，消散大约830kW。线圈5c包括大约552匝的空心6mm x 6mm平方的铜导线，用于在大约844V的电压下承载大约1000Amp的电流，消散大约840kW。在一些实施例中，线圈5a、5b和5c将在系统的运行期间基本上连续地运行。在一些实施例中，冷却系统(未示出)提供水(或另一种冷却剂)，该水在空心导线中流动以冷却它们。

在系统的特定实施例中，期望仅在外电极7和形成电极14之间引入气体。在特定的这样的实现方式中，阀门3足够快地打开和关闭以引入气体，使得它大体被限定在电极7和14之间。例如，在室温(例如，大约20℃)下，气体的热速度是大约900m/s。如果例如在电极7和14之间的距离是大约一米，则可以将气体注入小于大约1ms的持续时间，以提供气体用于产生每一个紧凑环。在一些实现方式中，可以使用(可从ParkerHannifin，Cleveland，Ohio获得的)Parker99系列的阀门。

在一些实施例中，形成电极14电连接到电容器组1。在一些这样的实施例中，电容器组1可以包括大约4.1mF的电容，并且该组可以在大约22kV的电压下被充电。在一些情况下，电容器组1包括大约80个52μF的独立电容器(例如，General Atomics Energy Products(San Diego，CA)，型号33677的电容器)。该独立的电容器可以并联。电容器组1可以利用传输线连接到形成电极14。在一些实施例中，传输线和电容器的总的电感是大约20nF，这有益地提供足够快的放电。

在系统1000的运行期间，当由喷气阀3引入的气体获得在电极7和14之间的适当的压力时，电容器组1在气体中放电，以将气体转换为等离子体。当电容器组电压超过气体的击穿电压(这可以依赖于气压)时会出现放电。在一些实现方式中，当气压是大约10mTorr(例如，大约1.3Pa)时，组1放电。在其他实施例中在其他气压下会出现放电。在图1A中所示的实施例中，启动开关2以来使电容器组1通过气体放电，以产生等离子体。使用开关2的实施例的一个可能的优点是可以启动该开关，使得放电出现在气体处于期望的压力下的时候，这可以允许在运行期间提高灵活性。

电流升高(例如，在一些情况下，在大约20μs中升高到大约3MAmp)，并且来自这个电流的磁场将在图1A-1C中的向下的方向上的等离子体强制向等离子体加速器110。来自线圈5的填充磁通在等离子体周围围住其本身。磁场重新连接以形成闭合的磁表面，并且等离子体形成紧凑环。例如，该环可以是球马克16，其具有较低的密度(在一些情况下例如是大约10¹⁵cm^-3)和较低的温度(在一些情况下是例如大约20eV)。

在系统1000的一些实现方式中，在较小的延迟(在一些情况下例如是30μs)以允许磁场重新连接并且/或者允许湍流——如果存在——停滞后，球马克16被等离子体加速器110向着液态金属漏斗系统120加速和压缩。

例如，在图1A-1D中示意地图示的实施例中，加速电极6连接到第二电容器组11，该第二电容器组11用于向等离子体提供能量。在一些实施例中，电容器组11具有大约2.6mF的电容，并且在大约88kV的电压下被充电。在一些这样的实施例中，电容器组11包括大约100对52μF的、44kV的独立电容器，每对电串联，并且该100对电并联。在一些实施例中，该电容器包括General Atomics Energy Products(San Diego，CA)，型号32283的电容器。在一些实现方式中，电容器组11使用大体围绕同轴枪100的大体盘形传输线15而电连接到加速电极6以减小或最小化电感。因为组11的较大电容，一些实施例的电流上升时间是大约40μs。在一些实施例中，可以使用大体盘形传输线以将电容器组1电连接到形成电极14。在一些实施例中，使用两条大体盘形传输线：第一大体盘形传输线，其将电容器组1电连接到形成电极；以及第二大体盘形传输线，其将电容器组11电连接到加速电极6。

等离子体加速器110包括等离子体传播通道114，通过或沿着等离子体传播通道114来加速环形等离子体16。例如，如图1A-1D中所示意地图示，加速电极6可以被布置在外电极7内，并且等离子体传播通道114包括在电极6和7之间的空间。等离子体传播通道114可以具有从加速器的第一端112a向第二端112b(在形状、大小、宽度、空间和/或任何其他方式)改变的截面(垂直于纵轴115)。例如，在图1A-1D中所示的实施例中，电极6和7的至少一个可以从加速器100的第一端112a(例如，接近等离子体枪100)向加速器100的第二端112b(例如，接近漏斗系统120)逐渐变细。例如，在一些实施例中，加速器110的半径(例如，从纵轴115向通道114的中心的半径)从第一端112a向第二端112b以大约30的因子减小。在其他实施例中，加速器110的半径从第一端向第二端以大约2、大约5、大约10、大约20、大约50、大约100的因子或某个其他因子减小。在各个实施例中，从第一端向第二端的加速器的半径减小可以在从大约10至大约50的范围中、在从大约20至大约40的范围中或在某个其他范围中。

进一步参考在图1A-1D中示意地图示的实施例，等离子体加速器110的磁力在锥形同轴电极6和7之间的加速环形等离子体16，并且将等离子体加热和压缩到较高的温度和密度，以形成压缩的环形等离子体12。

电极6、7的配置可以被选择来当等离子体从加速器110的第一端112a向第二端112b移动时提供期望数量的压缩。例如，包括电极6、7的逐渐变细、形状和/或间隔的一个或多个因子可以被选择来提供期望的压缩。在等离子体的一些环形配置(例如，紧凑环)的情况下，可以在环的径向压缩上(例如，当在系统的第一位置时的环的半径与当在系统的第二位置时的环的半径的比率)测量在系统1000的一些实现方式中的等离子体的压缩。例如，在一些实施例中，当等离子体从加速器110的第一端112a向第二端112b移动时的等离子体的径向压缩是大约30∶1。在加速器110中的等离子体的径向压缩可以在其他实施例中不同，例如，大约2∶1、大约5∶1、大约10∶1、大约15∶1、大约20∶1、大约30∶1、大约50∶1、大约100∶1等。在各个实施例中，在加速器110中的等离子体的压缩可以在从大约10∶1至大约50∶1的范围中、在从大约20∶1至大约40∶1的范围中或在某个其他的适当范围中。在一些实施例中，在加速器110中不使用电极6、7的逐渐变细，并且在加速器110基本上没有等离子体的压缩。

在其他实施例中，等离子体加速器110可以被构造使得外电极7作为加速电极。在其他实施例中，电极6和7均可以用于将等离子体从第一端向第二端电磁地加速。在其他实施例中，可以使用额外的电极(以例如帮助稳定等离子体并且/或者防止在通道114中的环的倾斜)。

电极6、7和/或14可以由导电金属形成。可以以一个或多个部分来形成电极6、7和/或14。例如，在一些实施例中，电极6、7和/或14包括一个或多个具有大约5mm的厚度的不锈钢304板或片。可以通过焊接、紧固器(螺栓)等来将电极的部分结合在一起。在其他实施例中，可以从另外和/或不同的材料和/或材料的厚度来形成电极。在一些实现方式中，等离子体可以变得足够热以至少部分地蒸发电极的一些。电极的蒸发在一些情况下可能使用可以冷却等离子体的金属杂质来污染等离子体。因此，在使用可以(至少部分地)蒸发的电极的特定实现方式中，可以使用诸如钨的高熔点材料来涂覆电极6、7和14的一个或多个。涂覆材料可以被选择使得涂覆材料(例如，钨)的熔点大于电极材料(例如，不锈钢)的熔点。例如，在一些实现方式中，钨是在电极材料(例如，不锈钢304)上喷射的等离子体。例如，在华盛顿的西雅图的Flamespray Northwest提供了等离子体喷射服务。在其他实施例中，高熔点材料可以被分层或沉积在电极上。在其他实施例中，从高熔点材料形成电极。

在电流上升时间期间，当等离子体在等离子体传播通道114(例如，在加速电极6和外电极7之间的空间)中向液态金属漏斗系统120移动时等离子体将加速。在一些实现方式中，等离子体加速大约20m的距离然后加速另一个大约20m的距离以完成电容器组11的放电。在这样的实施例中，等离子体加速器110的总长度是大约40m。等离子体加速器的不同长度是可能的。例如，在组11的电容减小的同时在组11中的电容器上的电压会增大，由此保持在电容器组11中存储的能量。这可以减小加速器110的电流上升时间和长度。在一些实现方式中的较高电压的使用会具有可能的缺点，诸如在技术上有挑战和昂贵。

在一些实施例中，等离子体加速器110包括等离子体限制器23。包括等离子体限制器的加速器110的实施例的长度可以小于不包括等离子体限制器的加速器实施例的长度。在图1B中所示的实施例中，等离子体限制器23被布置在加速器110的第一端112a附近，例如在第一端112a之下。当向电极6和/或7的电流增大时，等离子体加速器110的磁场初始不足以强制等离子体通过限制器23。沿着传播通道114的等离子体的移动被禁止。该系统可以被构造使得当加速器110的磁场增大时(例如，当向电极6和/或7提供的电流和/或电压增大时)，磁场增大并且达到阈值，在该阈值，磁力足以强制等离子体通过限制器23。等离子体然后沿着传播通道114加速。例如，该系统可以被构造使得在(或接近)峰值电流，磁力足以将等离子体推过限制器23，并且开始沿着等离子体加速器110的等离子体加速。

在一些实施例中，等离子体限制器23包括在等离子体传播通道114中的收缩部分。例如，该收缩部分可以包括在加速电极6和外电极7之间的空间的变窄。在一些实施例中，通过在等离子体加速通道114(参见例如图1B)中布置一个或多个结构23a来设置该收缩部分。在其他实施例中，通过下述方式来在等离子体通道114中设置该收缩部分：将外电极7和/或加速电极6成形，使得通道114在该收缩部分的位置变窄。沿着传播通道114布置的收缩部分的位置、形状、大小、间隔和/或数量(例如，在或沿着通道114布置的结构或通道114的变窄)可以被选择来对等离子体沿着通道114的移动提供期望数量的限制。在一些这样的实现方式中，大约10m的加速器长度可以用于使用88kV电容器电压将能量从电容器组11向等离子体传送。

在其他实施例中，可以与在图1B中示意地图示的收缩部分不同地配置等离子体限制器23。例如，图1C示意地图示一个实施例，其中，等离子体限制器23包括在加速器110的第一端112a附近布置的一个或多个磁线圈23b。当向该一个或多个磁线圈23b提供电流时，线圈23b提供限制磁力，该限制磁力限制等离子体环经过线圈的位置的移动，直到由加速器110产生的磁力大于阈值。在一些实施例中，可以减小(或关断)向线圈23b的电流，以减小(或实质上消除)限制磁场，以便允许等离子体环向加速器110的第二端112b加速。在一些实施例中，由加速器110提供的在磁力上的增大和由线圈23b提供的限制磁力的减小的组合允许等离子体在适当的时间沿着通道114加速。在一些实施例中，由线圈23b产生的磁场足以禁止环形等离子体沿着通道114的加速，即使在加速器110中的最大电流处。在这样的实施例中，向线圈23b的电流被减小(或关断)以在期望的时间释放环形等离子体。在一些实施例中，等离子体限制器23可以包括一个或多个收缩部分23a和一个或多个线圈23b。

在形成等离子体后，等离子体电接触外电极7和加速电极6。这个接触可以短路加速电容器组11并且使电流开始通过等离子体流动。如上所述，可能在一些实现方式中期望延迟加速(例如，在一些情况下大约延迟30μs)，以允许闭合的磁表面形成和/或湍流——如果存在的话——停滞。在一些这样的实现方式中，饱和电感器17(参见例如图1B)用于延迟向电极提供的电压。饱和电感器17可被布置在传输线15中。饱和电感器17可以包括可饱和的磁材料。例如，可以使用无定形金属，例如(可以从Metglas Inc.，Conway，South Carolina)获得的)METGLAS 2605Co。为了在大约88kV的电压下提供大约30μs的延迟，电感器17可以存储大约88kV乘以30μs＝2.6V·s。在一些实施例中，电感器17是大体环形的，并且具有大约0.6m²的截面和大约1m的主半径。在一些实施例中，电感器17包括Metglas缠绕带，并且具有大约1.8特斯拉的饱和场，以提供适当的延迟。

在图1A-1D中示意地图示的实施例中，该系统被构造使得在等离子体的压力建立使得它可以超过包括电极6和/或7(或在第二端112b附近的加速器的其他部件)的材料或组件的断裂点或强度的点之处或点之前，等离子体退出加速器110并且进入液态金属漏斗系统120。这些实施例的一些的优点是在加速器中的等离子体的压力被提高到较大的值，而不损坏加速器(例如，由于加速器110的第二端112b的屈服故障和/或变形)。

在所描述的实施例中，液态金属漏斗系统120包括箱体10和一个或多个泵9，该一个或多个泵9被构造来循环液态金属以形成液态金属漏斗8。液态金属在重力的影响下从漏斗系统120的顶端向漏斗系统120的底端流动。在一些实施例中，漏斗系统120的顶端大体在漏斗系统120的底端之上。在一些实施例中，泵9可以向液态金属提供压力，这也可能影响在箱体10中的液态金属的流动。在一些实现方式中，漏斗8具有大体圆柱形状，该大体圆柱形状具有通道125，该通道125与等离子体加速器110的纵轴大体对准。通道125的截面(垂直于通道125的纵轴)可以是大体圆形的、大体椭圆的、大体多边形的或任何其他形状的。通道的截面形状(和/或大小)可以从顶端向底端发生改变。例如，在底端处的截面面积可以小于在顶端处的截面面积。通道125可以具有内表面，该内表面具有内径。内表面的截面可以是大体圆形的、大体椭圆的、大体多边形(例如，矩形)的或任何其他形状的。在底端的内径可以小于在顶端的内径。通道的截面形状、大小和/或内径可以被构造来当等离子体在顶端下移动时提供对等离子体的期望的压缩量。例如，在一些实施例中，在底端的通道125的内径比在顶端的通道125的内径小3倍。在顶端处的通道的内径与在底端处的通道的内径的比率可以是大约1.5、大约2、大约4、大约5、大约10、大约15或更大。这个比率可以从大约1.5至大约5、从大约2至大约4的范围中或某个其他范围中。

在一些实施例中，等离子体以从通道的顶端向底端移动。在其他实施例中，等离子体压力可以在等离子体沿着通道的移动期间变得足够大，使得等离子体可能在等离子体达到通道的底端之前损坏漏斗8。

在特定实施例中，包括液体漏斗8的液体材料不大体上围绕通道的轴旋转。在其他实施例中，液体材料可以被引入到箱体10内，使得当液体材料从顶端向底端移动时液态材料围绕通道的轴旋转。其中液体材料具有一定的旋转(或打旋)量的漏斗可以在一些实现方式中提供优点，诸如提高通道的内表面的稳定性。

因为等离子体可以在比在液态金属中的音速(例如，在一些情况下为大约3km/s)更高的速度(例如，在一些情况下为大约几十km/s或更高)下移动，所以当等离子体移动通过液体漏斗系统120时，液态金属没有时间来移出路线(例如，液态金属漏斗的惯性至少部分地限制等离子体)。因此，液态金属趋向于好象它对于等离子体而言是固体，并且可以限定在漏斗8的通道125中的等离子体。当等离子体从漏斗8的顶端向漏斗8的底端移动时，等离子体可以在漏斗8中经历压缩(和加热)。例如，当等离子体在漏斗8的顶端之下时的等离子体的压力可以大于当等离子体在漏斗8的顶端之上时的等离子体的压力。图1A-1C示意地图示在漏斗8中的压缩的等离子体环13。

在一些实现方式中，在漏斗8的通道125中的等离子体的径向压缩可以是大约3∶1(或更大)。在其他实现方式中，等离子体的径向压缩可以是大约1.5∶1、大约2∶1、大约4∶1、大约5∶1、大约7∶1、大约10∶1、大约15∶1或更大。在漏斗8的通道125中的等离子体的径向压缩可以在从大约1.5∶1至大约5∶1、从大约2∶1至大约4∶1的范围中或某个其他范围中。在特定的实现方式中，(例如，当等离子体压力变得大到足以损坏漏斗时)在加速器110的第一端和在漏斗8中的等离子体的最后位置之间测量的等离子体的期望的总的径向压缩可以是大约200∶1、大约150∶1、大约100∶1、大约90∶1、大约75∶1、大约50∶1、大约30∶1、大约20∶1、大约10∶1或某个其他值。总的径向压缩可以在从大约50∶1至大约150∶1、从大约75∶1至大约125∶1、大约80∶1至大约100∶1的范围中或某个其他范围中。

在一些实现方式中，可以通过下述方式来实现等离子体环的期望的总的径向压缩(例如，从加速器110的第一端112a到在漏斗8中的等离子体的最终位置)：配置系统1000以在加速器110中具有第一压缩比，并且在漏斗8中具有第二压缩比，使得第一压缩比乘以第二压缩比等于期望的总的压缩比。例如，为了实现大约90∶1的总的压缩，加速器110可以被构造来提供大约30∶1的第一压缩比，并且漏斗8可以被构造来提供大约3∶1的第二压缩比。这些比率不是对于所公开的系统和方法的限制，并且继续这个示例，可以在系统1000的不同实现方式中不同地实现总的压缩比90∶1，例如在加速器中为大约45∶1并且在漏斗中为大约2∶1和在加速器中为大约18∶1并且在漏斗中为大约5∶1等。在一些实施例中，在加速器110中的第一压缩比被选择使得等离子体在加速器的第二端112b的压力在或小于在加速器110的第二端112b处的材料或材料的组件的材料强度或断裂点。在一些实现方式中，加速器110可以被构造来与液体漏斗可以被构造来提供期望的第二压缩比相比更稳定地提供期望的第一压缩比。在一些这样的实现方式中，可以对于加速器110有益的是，提供比漏斗8更大的压缩(例如，第一压缩比大于第二压缩比)。

液体漏斗8可以包括适当的液态金属，诸如具有大约17％的锂(Li)的熔融的铅锂(PbLi)。可以在其他实施例中使用其他锂的百分比(例如，0％、5％、10％、15％、20％、25％等)。此外，可以在其他实施例中使用其他液体材料(例如，其他液态金属、液态金属合金等)。例如，在其他实施例中，可以使用大体纯的液体锂和/或浓缩的液体锂。在一些实施例中，液态金属包括一个或多个锂同位素，该一个或多个锂同位素可以吸收中子并且产生氚。

在其中等离子体包括可聚变材料的系统的一些实现方式中，等离子体可以被压缩到足以启动在该可聚变材料中的至少一些热核反应的密度和/或温度。该热核反应可以产生中子。如果该系统被构造为例如中子源，则该中子的一些可以用于中子分析。可以通过例如液态金属漏斗8来吸收该中子的一些，并且它们的能量可以被转换为在熔融漏斗中的热量。如果该系统被构造为例如能量源，则这个热量的一些可以被提取来产生电力(例如，经由汽轮机)。在等离子体通过漏斗8期间或之后，液态金属漏斗8通常至少部分地被干扰和/或破坏(例如，液态金属外溅，但是被包含在箱体10中)。泵9将液态金属循环到箱体10内，以重新形成液态金属漏斗8来用于等离子体的随后的注入(或喷射)。因此，当等离子体环被重复地引入液态金属漏斗8内时，在图1A-1D中示意地图示的系统的实施例可以被构造来作为中子的脉冲源和/或能量的脉冲源。

在一些实施例中(参见例如图1B-1D)，除了液态金属漏斗8之外，液态漏斗系统120包括大体中心或轴向的液体导管22。例如，液体导管22可以大体与加速器110的纵轴115和/或通道125的轴对准。液体导管22可以被构造来稳定和/或减少在漏斗系统120中的等离子体环的倾斜的趋势。在一些实施例中，液体导管22被从液态金属存储罐或储存器18提供液态金属。在一些实施例中，储存罐18被布置在加速电极6之间。在图1B中所示的实施例中，液体导管22至少部分地在重力下向箱体10的底部流动，并且泵21可以用于将液态金属重新循环回储存罐18内以重新使用。在一些这样的实施例中，有益的是，如果用于漏斗8的液态金属和用于液体导管22的液态金属包括相同的材料，因为导管22的液态金属可能与在箱体10中的漏斗8的液态金属混合。例如，液体导管22的液态金属可以包括熔融的PbLi。

在一些这样的实施例中，在漏斗8的内表面和液体导管22的外表面之间压缩等离子体，这有益地可以提供比不使用液体导管22的实施例更大的压缩量。漏斗8和/或液体导管22的大小和/或形状可以被构造来当等离子体在液态金属漏斗系统120的顶端之下移动时提供用于等离子体的压缩和/或加热的期望数量。在各个实施例中，液体导管22可以与液体漏斗8(和/或箱体10)在物理上和/或电子上隔离。

使用液体导管22的系统的一些实施例的优点是液态金属是导电的，并且大体像中心或轴向电极那样作为。在一些这样的实施例中，来自等离子体加速器110的电流可以继续提供磁(和/或电磁)力，该磁(和/或电磁)力推动等离子体以提供进一步的压缩。因此，与不包括液体导管的特定实施例作比较，一些这样的实施例可以提供额外的压缩，在不包括液体导管的特定实施例中，主要通过等离子体的动量来提供在漏斗8中的压缩。

在特定的实施例中，液体导管22与外电极7电隔离，以减少短路的可能或避免短路。在特定的这样的实施例中，液体导管22未被连续地提供到箱体10内。例如，液体漏斗系统120可以包括液体导管注入系统，该液体导管注入系统在期望的时间向漏斗8的通道内注入液体导管22。例如，液态导管注入系统可以包括可以在等离子体喷射短时间之前被打开的脉冲阀门20。在液体导管22中的液态金属的底端接触箱体10的底部(或接触在箱体10的底部处的液态金属)之前，可以发动等离子体喷射，因为这样的接触有可能完结电路。在每一个喷射后，泵21(例如，间歇泵)将在箱体10中的液态金属的一些再循环到存储罐18。在一些实施例中，当加速电极6不在高压下(例如，在等离子体的喷射之间)时，泵21运行来重新填充存储罐18。在一些实施例中，用于将液态金属再循环到罐18内的再循环管件(例如，回管31)的一部分包括电隔离的截面19(参见例如图1B和1C)。绝缘体截面19可以被大体垂直地定位，以允许在存储罐18的重新填充后的剩余液态金属的排出，以减少将加速电极6短路的可能。在一些实施例中，使用诸如氩气的惰性气体来压缩在存储罐18中的流体上的空间(例如，在一些情况下，在大约30psi的压力下)(例如，大约2.07x10⁵Pa)。被加压的惰性气体在存储罐18中的液体上提供了向下的力，该力(与重力相组合地)使得液态金属以期望的速度喷射。

示例磁化靶聚变应用

下面的说明意欲给出可以用于获得特定的等离子体压缩值的系统的一个实施例的特定参数的说明性的、非限定性的示例。在这些示例的上下文中描述各种假设，并且在此提供各种等式和示例计算以强调在用于压缩等离子体的系统的示例实施例中涉及的因素和考虑的一些。下面的说明不意欲限制在此所述的系统和方法的范围，也不限制所公开的系统的最终用途或应用。在在此所述的系统和方法的其他实现方式中，其他等式、参数、因子和考虑可以是适用的。

磁化靶聚变(MTF)系统通常使用较大的能量(例如，在一些情况下为大约100MJ)来压缩等离子体。为了在许多系统中产生聚变能量，公知的劳逊判据指示应当选择在10keV的温度下保持密度n的等离子体时间τ使得对于聚变加热而言nτ＞10²⁰m^-3s，以超过等离子体加热损失。然而，等离子体随着时间τ＝r²/χ冷却，其中，r是在热等离子体核和反应堆的冷边之间的最小距离，并且，χ是扩散率。因此，较大的等离子体(例如，较大的r)可以是有益的，但是使用更多的能量来用于其形成，因此通常，用于较大和较昂贵的设备。

在等离子体中的能量对于离子而言是3/2NkT_i，并且对于电子而言是3/2N kT_e，其中，T_i是离子温度，T_e是电子温度，并且N是离子或电子的数量。离子和电子的数量在整体电荷中性的情况下是相等的。假定T_i和T_e是相同的温度，则在等离子体中的热能(E_th)是3NkT。

因此，下面的等式适用于提供在系统的特定实施例中的示例参数的估计值：

nτ＞10²⁰m^-3s

τ＝r²/χ

E_th＝3VnkT

N＝nV，其中，V是等离子体体积，并且E_mag＝E_th/β，其中，β是等离子体压力/磁压的比率。总能量是热能E_th加磁能E_mag。对于环，体积是2π²r²R，其中，R是较大半径(围绕该环)，并且r是较小半径。对于紧凑环，R大约等于r，因此，体积可以被近似为2π²r³。

通过组合这些等式，可以发现，在一些系统实施例中，用于在10keV温度下达到劳逊判据的最小能量是大约

E＝7x10¹⁶(1+1/β)χ^3/2n^-1/2焦耳(Joules) 其中，n以m^-3为单位，

并且χ以m²/s为单位

能量E随着密度增大而减小，并且随着χ减小而减小。在这些系统中的χ的值和扩散是许多研究的主题。因为复杂的湍流，在一些系统中的扩散的值比所谓的经典计算大得多。用于扩散的值的经典估计通常提供了最佳的可能扩散。许多试验观察到比经典大得多但是小于所谓的玻姆扩散(Bohm diffusion)的扩散，其中：

χ_Bohm＝ρ_iv_i/16

其中，ρ_i是离子回转半径，并且v_i是离子热速度。

假定玻姆扩散(作为最差情况示例情形)，则可以从用于上面的示例系统的上面的等式来预测用于对于各种等离子体密度(例如，在特定的球马克的典型的10keV和β＝0.1下)实现劳逊判据的最小等离子体能量，并且将其示出在图2中所示的图形中(具有菱形的实线)。也在图2中所示的图形中绘制了等离子体在各种密度下在10keV、β＝0.1的温度下的磁压(具有正方形的实线)。固态材料可以在断裂之前承受的最大压力通常是大约1x10⁴atm(例如，大约1000MPa)。在那个压力下，在图2中所示的示例计算指示该示例系统应当在等离子体中提供大约100MJ以获得得失平衡和可能比实际增益的能量大几倍。假定从电源向等离子体的传送效率是大约50％，则系统应当至少提供大约200MJ的能量以将等离子体加热到聚变温度。

被构造为能量源的所公开的系统的实施例可以提供优点。例如，使用液态金属漏斗可以允许获得大于固态材料的断裂点的在等离子体中的压力。因此，所公开的系统的实施例可以提供提高的等离子体密度，这有益地降低了由系统使用的能量。这也可以减小系统的成本和/或大小。

在本系统和方法的一些实施例中，等离子体压力当等离子体被加速时增大，然后当等离子体沿着加速器110移动(例如，沿着在同轴锥形电极6、7之间的传播通道114)时被压缩。在其中等离子体压力满足和/或超过约束电极材料的强度的、沿着等离子体路径的点之处或之前，等离子体被引导到液态金属漏斗系统120内，其中，进行进一步的压缩。例如，等离子体压缩可以在加速器中是大约30倍，并且在漏斗系统中大约是3倍。在一些实施例中，可以将等离子体沿着加速器110加速到大于大约100km/s的速度。在液态金属中的音速通常是3km/s的数量级，因此，液态金属没有时间脱离路线，并且在漏斗8中保持高的等离子体压力。在一些实现方式中，可以在液态金属中产生冲击波激发。从等离子体动能引出在冲击波激发中的能量；在一些这样的实施例中，其可以是新的能量损失机制。

图3是示出在锥形液态金属漏斗25的一部分内移动的环形等离子体30的一个示例的示意截面图。假定等离子体速度v_p和等离子体长度L和具有音速c_s的液态金属，在图3中的示意图示出尾随等离子体的冲击波。冲击波的厚度是大约c_sL/v_p。在大约L/v_p的时间(例如，等离子体行进其本身的长度的时间)中，在漏斗中的压缩液体的体积是大约2πRLc_s·L/v_p。将压缩体积除以时间给出了压缩液态金属的速率的估计：

dV/dt＝2πRLc_s m³/s

其中，R是液态金属漏斗25的半径。

例如，可以使用用于液态金属的状态的等式的简单近似公式：

P＝K(V₀/V-1)

其中，K是体积压缩模量，并且V₀是在零压缩处的初始体积。

因此，可以积分压缩功PdV以计算在这个示例中在压缩的液态金属中存储的能量：

E/V＝K[ln(P/K+1)-1/(1+K/P)]J/m³

在这个示例中通过下面的公式来给出在激发中耗散的功率：

Power＝2πRLc_sK[ln(P/K+1)-1/(1+K/P)]瓦特(Watts)

在一些实现方式中，可以通过球马克的磁场来在液态金属中引发电流。在液态金属中的电阻损失可以降低在包含等离子体的磁场中的能量，在一些情况下，这表示另一种可能的能量损失机制。下面的说明性示例用于提供这个能量损失机制的估计。

在液态金属中流动以支持磁场的电流I是：

I＝LB/μ₀

其中，L是等离子体的长度，B是在球马克(或其他适当的紧凑环)中的磁场，并且，μ₀是真空磁导率。

通过下式来给出在金属中流动的电流的片的厚度t：

t＝(ητ/μ₀)^1/2

其中，η是金属的电阻率，并且τ是其间向金属施加磁场的时间，并且其中τ＝L/v_p。

电阻如下：

Resistance＝η2πR/Lt

因此，在液态金属中欧姆地耗散的功率是：

Power＝Resistance I²＝2πRB²(ηLv_p)^1/2μ₀ ^-3/2瓦特(Watts)

在一些实现方式中，也可以存在由于涡流传送导致的功耗。使用玻姆扩散公式的用于这样的功耗的估计是：

Power_Bohm＝E_th/τ_Bohm

在一些情况下可能出现Bremsstralung辐射损失，并且通过下式来给出这样的损失的估计：

Power_{Bremsstralung}＝1.67x10^-38n²T^1/2Z_eff W/m³

其中，T以eV为单位，并且n以为m^-3单位，并且

其中，Z是杂质的原子序数，并且n_z是其密度。Bremsstralung辐射功率损失是杂质原子序数Z的平方的函数，因此，具有低杂质含量在一些情况下可以是有益的，特别是对于具有高原子序数的杂质而言。

继续这个说明性、非限定性示例计算，将在等离子体配置中的能量除以这些各种功耗给出了总的等离子体限定时间τ。使用那个限定时间，有可能计算最小等离子体能量，以获得对于系统的这个示例实施例而言的在各种密度下的劳逊得失平衡条件。在图4的图形中示出了这个实施例的能量。

注意，在一些实现方式中，所使用的能量可以大于由在图2中的示例图形所示，因为已经考虑了对于上面的示例实施例特定的能量损失机制。在图4中的图形示出用于所使用的最小等离子体能量的示例估计在10¹⁹cm^-3的示例密度下是大约3MJ。将此与指示在这个示例密度下小于大约1MJ的在图2中所示的示例结果作比较。等离子体外径R在这个示例计算中为2.4cm。限制时间在这个示例实施例中为10μs。在这个示例计算中，磁场是200特斯拉，并且压力是0.16Mbar。在最大压缩期间的等离子体的速度的可能值刚好在声速之上，例如大约5km/s。基于这些示例值，等离子体在等离子体温度和压力条件可以允许出现聚变的时间期间仅移动大约50mm。

如上所述，在等离子体的通过期间和/或之后，在该系统的一些实现方式中，液态金属漏斗可能趋向于向外损坏。在一些这样的实现方式中，该系统可以被构造使得液态金属漏斗在时间L_fe/V_f后变形，其中，L_fe是漏斗的长度，并且v_f是从喷嘴(其向漏斗系统120的箱体10内输入液态金属)喷射液体的速度。这些参数可以用于确定在这样的实施例中的最大脉冲重复速率的示例估计。这个说明性非限定性示例中，使用大约1m的液态金属来吸收大多数中子，因此例如，其中等离子体温度和压力条件适合于在中心出现聚变的2m长液态金属漏斗将适合于一些实施例。假定v_f是大约10m/s，则重复率可以在这个示例中为大约5Hz。最后，如果净能量输出达到能量输入的数量级，则等离子体将在5Hz下产生大约3MJ，因此获得大约15MW的功率输出，这适合于小发电厂。注意，这些估计提供了在这个示例中产生得失平衡的发电厂的大小的一个可能的估计值，并且较大的工厂可提供更大的功率，但是可能花费更多来开发和建立。

继续这个说明性的、非限定性的示例，在最大压缩的条件下工作，并且假定一些等离子体枪100通常产生不超过大约10¹⁴cm^-3太多的等离子体密度，则在等离子体加速器110的第一端112a处的初始等离子体形成在直径上是大约2.2m，以便提供具有大约10¹⁹cm^-3的密度的最终的2.4cm半径的压缩等离子体。等离子体形成的长度初始将是大约1m，因此这在这个示例实现方式中是对于形成区域估计的大约长度。因此，在加速器110的第一端112a处的紧凑环的径向大小与当该环在液态金属漏斗8中时的紧凑环的径向大小的比率在这个示例中是大约100至1。在其他实施例中，这个比例可以不同，例如是大约5∶1、大约10∶1、大约25∶1、大约50∶1、大约90∶1、大约125∶1、大约150∶1、大约200∶1或某个其他值。

假定例如在电容器和等离子体之间的能量传送的效率是大约33％，则将在这个示例中使用大约10MJ。典型的快速放电箔电容器具有大约1J/cm³的能量密度，因此在这个示例中使用大约10m³的电容器体积。假定电容器是1m高并且被装在与等离子体加速器相关联的盘形传输线15的两侧上，在这个示例中使用大约2.2m内径和2.6m的外径的盘。在一些实施例中，这个盘传输线加电容器的内部电感具有大约20nH的电感。等离子体加速器的电感在一些实现方式中是大约130nH。通常，在电容器中的电压越高，则放电越快。假定电压是大约88kV，则电容器组可以具有大约2.6mF的电容。在这样的示例实现方式中，系统将具有大约100μs的LC振铃时间。在一个示例实现方式中，对于要出现的合理能量传送，振铃时间(例如，大约50μs)的一半应当大体等于等离子体沿着加速器加速的时间。最终速度有益地可以足够高，因此，等离子体的动能高得足以在液态金属漏斗中将其本身压缩到最大压缩。将上面找到的示例能量等于动能：

3MJ＝mv²/2

等离子体的质量是其体积乘以密度，并且是大约：

m＝2毫克(milligram)

因此，在这个示例中，等离子体的最终速度是大约1700km/s。为了等离子体的转换时间等于振铃时间的一半，在一些情况下可以使用大约40m的加速器长度。可以通过使用在加速器110的第一端112a处或其附近的等离子体限制器来有益地减小加速器的长度(参见例如，在图1B中所示的收缩部分或在图1C中所示的磁线圈23b)。当电流提高时，被电感限制，等离子体不能通过收缩部分。在一些实施例中，该系统被构造使得仅在或接近峰值电流处，磁力足够大以强制等离子体通过收缩部分，并且迅速地加速等离子体。在一些这样的实施例中，因为等离子体仅在(或接近)峰值电流处开始加速，所以可以使用仅为大约1/4长度(例如在一些情况下为大约10m)的加速器。这将提供用于压缩等离子体的系统并且在一些情况下启动聚变反应的系统的合理的、实际的、真实的实现方式。这样的系统的实现方式也可以具有其他用途。

其他示例实施例和有益应用

如上所述，上述系统和方法的特定实施例可以用于压缩等离子体，该等离子体包括可聚变材料，该可聚变材料足够使得可以出现聚变反应和产生有益的中子。例如，可聚变材料可以包括轻元素的一个或多个同位素，例如，氘、氚、氦-3、锂-6、锂-7等。因此，系统的特定实施例可以被构造和操作来作为中子产生器和中子源。如此产生的中子在研究和工业领域中具有广泛的实际用途。例如，中子源可以用于中子活化分析(NAA)，该中子活化分析(NAA)可以提供在多种物质(例如，爆炸物、药物、可裂变物质、毒药等)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个应用(例如，爆炸物检测和识别、环境和核废料的生态监控等)中。作为中子源配置的系统的实施例也可以用于材料研究(例如，分析材料的结构、动力、构成和化学均匀性)，用于工业对象的非破坏性测试(例如，经由中子射线照像和/或中子断层)，并且用于许多其他的工业和技术应用。例如，系统的实施例可以用于核废料补救和医疗核甘酸的产生。

上述用于等离子体加热和压缩的系统和方法的实施例也适合于在高能量密度等离子体的研究中的应用，包括例如在天体物理学和核物理中的应用。

在能量存储(例如，超级电容器)和高功率半导体开关上的近来的进步已经降低了高功率电子部件的成本。在电子脉冲功率系统上的进一步的发展和各种应用对于这样的部件的越来越多的需求预期使得电子驱动的MTF系统(和/或中子源)可与其他手段在成本上竞争。在其中成本不是因素的应用(例如，其中较低质量的有效负荷可能是最佳的聚变空间推进)中，这样的电子驱动系统的实施例与其他可能的技术作比较，可能已经引起兴趣。

在在此公开的系统和方法的特定实现方式中，基于电子而不是机械手段(例如，特定的基于活塞的系统)来实现等离子体压缩在一些情况下可以预期减少系统维护，并且提供其他优点。例如，在一些这样的实现方式中，加速系统可以被配置较少的移动部分或不配置移动部分，并且可以具有较低的重量。在一些实施例中，相对于基于活塞的系统的特定实施例而言，简化了同步问题。

虽然已经示出和描述了本公开的特定元素、实施例、示例和应用，但是应当明白，本公开的范围不限于此，因为本领域内的技术人员在不偏离本公开的范围的情况下，特别是根据上面的教导可以进行修改。因此，例如，在在此公开的任何方法或处理中，构成该方法/处理的行为或操作可以以任何适当的顺序被执行，并且不必然限于任何特定的公开顺序。在各个实施例中，元素和部件可以被不同地构造或布置、组合和/或消除。在本公开中对于“一些实施例”或“一个实施例”等的引用表示结合实施例描述的特定特征、结构、步骤、处理或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本公开中的短语“一些实施例”或“一个实施例”等的出现不必然都指的是同一实施例，并且可以指的是相同或不同实施例的一个或多个。事实上，可以以多种其他形式来体现在此所述的新颖方法和系统；而且，可以在不偏离在此所述的本发明的精神的情况下进行在此所述的实施例的形式上的各种省略、补充、替代、等同、重新布置和改变。

已经在适当时描述了实施例的各个方面和优点。应当明白，根据任何特定实施例不必然可以实现所有这样的方面或优点。因此，例如，应当认识到，可以以实现或优化在此教导的一个优点或一组优点的方式来执行各个实施例，而不必然实现在此教导或暗示的其他方面或优点。

在此使用的条件语言，特别诸如是“能”、“能够”、“可能”、“可以”和“例如”等，除非另外具体说明或另外在所使用的上下文中可以明白，一般意欲传达特定实施例包括——虽然其他实施例不包括——特定特征、元素和/或步骤。因此，这样的条件语言一般不意欲暗示特征、元素和/或步骤以任何方式为一个或多个实施例所要求或者一个或多个实施例必然包括用于确定——使用或不使用操作员输入或提示——这些特征、元素和/或步骤是否被包括在任何特定实施例中或要在任何特定实施例中被执行的逻辑。对于任何特定实施例而言，没有单个特征或一组特征是必要的或不可缺少的。术语“包括”、“包含”和“具有”等是同义的，并且以开放的形式被包含性地使用，并且不排除另外的元素、特征、行为和操作等。此外，以其包含性含义(而不是以排他的含义)使用词语“或”，使得当用于连接一系列元素时，词语“或”表示在列表中的一个、一些或全部元素。

在此所述的示例计算、结果、图形、值和参数意欲说明而不是限制所公开的实施例。可以与在此所述的说明性示例不同地配置和/或操作其他实施例。

Claims

1.一种用于压缩等离子体的设备，所述设备包括：

等离子体枪，其被构造来产生等离子体的紧凑环；

等离子体加速器，其具有第一端、第二端和在所述第一端与所述第二端之间的纵轴，所述等离子体加速器被构造来在所述第一端处接收所述紧凑环，并且沿着所述纵轴向所述第二端加速所述紧凑环；以及

液体漏斗系统，其包括液体漏斗，所述液体漏斗具有大体与所述等离子体加速器的纵轴对准的大体上圆柱形的通道，所述通道具有：在所述通道的顶端处的第一内径以及在所述通道的底端处的第二内径，所述第二内径小于所述第一内径，所述液体漏斗系统被构造来从所述等离子体加速器的所述第二端接收所述紧凑环，并且当所述紧凑环沿着所述通道从所述顶端向所述底端移动时压缩所述紧凑环，

其中所述系统被构造使得所述紧凑环当在所述顶端之下时的压力大于所述紧凑环当在所述顶端之上时的压力。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体枪具有枪轴，所述枪轴与所述等离子体加速器的纵轴大体对准。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述紧凑环包括球马克。

4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括电容器组，所述电容器组被构造来向所述等离子体枪提供电能。

5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括大体上盘形的传输线，所述传输线被构造来将所述电容器组电耦接到所述等离子体枪。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体枪包括至少一个磁线圈。

7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括冷却系统，所述冷却系统被构造来冷却所述至少一个磁线圈。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体加速器包括电磁轨道炮。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体加速器包括位于所述等离子体加速器的所述第一端附近的等离子体限制器，所述等离子体限制器被构造来禁止所述紧凑环从所述限制器的位置之上向所述限制器的位置之下的移动，直到所述加速器的磁场强度超过阈值。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述等离子体加速器包括等离子体传播通道，并且所述等离子体限制器包括在所述等离子体传播通道中的收缩部分。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述等离子体限制器包括被布置在所述等离子体加速器的所述第一端附近的至少一个磁线圈。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体加速器包括内部电极和外部电极，所述内部电极和所述外部电极的至少一个被构造为锥形，以当所述紧凑环从所述第一端向所述第二端移动时提供对所述紧凑环的压缩。

13.根据权利要求12所述的设备，其中当所述紧凑环在所述等离子体加速器中时，所述内部电极和所述外部电极的至少一个被涂覆具有大于所述紧凑环的温度的熔点的材料。

14.根据权利要求1所述的设备，进一步包括电容器组，所述电容器组被构造来向所述等离子体加速器提供电能。

15.根据权利要求14所述的设备，进一步包括饱和电感器，所述饱和电感器被构造来延迟从所述电容器组向所述等离子体加速器提供电能。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述饱和电感器被布置在盘形传输线中，所述盘形传输线被构造来从所述电容器组向所述等离子体加速器传送所述电能。

17.根据权利要求15所述的设备，其中所述饱和电感器包括无定形金属。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被构造使得在所述等离子体加速器的所述第二端处的所述紧凑环的压力小于在所述等离子体加速器的所述第二端处的所述等离子体加速器的材料强度。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述设备被构造使得所述紧凑环当在所述液体漏斗中时的压力大于所述材料强度。

20.根据权利要求1所述的设备，其中所述液体漏斗包括液态金属。

21.根据权利要求20所述的设备，其中所述液态金属包括铅锂。

22.根据权利要求20所述的设备，进一步包括泵系统，所述泵系统被构造来提供所述液态金属以形成所述液体漏斗系统的所述液体漏斗。

23.根据权利要求1所述的设备，其中所述液体漏斗包括液体材料，所述液体材料至少部分地在重力下从所述顶端向所述底端流动。

24.根据权利要求1所述的设备，其中所述液体漏斗系统进一步包括导电液体导管，所述导电液体导管与所述等离子体加速器的纵轴和所述液体漏斗的通道的轴大体对准。

25.根据权利要求24所述的设备，其中所述液体导管被构造来当所述紧凑环在所述通道的顶端之下时向所述紧凑环提供磁力。

26.根据权利要求24所述的设备，进一步包括注入系统，所述注入系统被构造来在所述紧凑环到达所述液体漏斗的所述顶端之前向所述液体漏斗系统内注入所述液体导管。

27.根据权利要求26所述的设备，其中所述注入系统被构造来向所述液体漏斗系统内提供所述液体导管，作为至少部分地在重力下流动的液体材料，当所述紧凑环在所述漏斗的所述顶端之下时，所述液体导管不与所述液体漏斗电接触。

28.根据权利要求27所述的设备，进一步包括再循环系统，所述再循环系统被构造来将液体材料的一部分从所述液体漏斗系统向储存器再循环，所述储存器被构造来存储用于所述液体导管的液体材料。

29.根据权利要求28所述的设备，其中所述再循环系统包括间歇泵，所述间歇泵被构造来在向所述液体漏斗系统内的连续注入等离子体之间再循环所述液体材料的所述部分。

30.根据权利要求29所述的设备，其中所述再循环系统进一步包括在所述液体漏斗系统和所述储存器之间进行液体交换的回管，所述回管包括电绝缘截面，所述电绝缘截面被构造来与所述等离子体加速器电隔离。

31.根据权利要求30所述的设备，其中所述电绝缘截面被大体垂直地定位，以向所述储存器提供液体材料的排出。

32.一种被构造用于压缩等离子体的液态金属漏斗系统，所述液态金属漏斗包括：

液态金属漏斗，所述液态金属漏斗具有大体上圆柱形的通道，所述通道具有在所述通道的第一端处的第一内径和在所述通道的第二端处的第二内径，所述第二内径比所述第一内径小，所述液态金属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高，

其中，所述液态金属漏斗被构造来从等离子体注入器接收等离子体，并且当所述等离子体沿着所述通道从所述第一端向所述第二端移动时压缩所述等离子体。

33.根据权利要求32所述的液态金属漏斗系统，其中所述第一端大体在所述第二端之上。

34.根据权利要求32所述的液态金属漏斗系统，其中从所述等离子体注入器接收的所述等离子体的压力小于当所述等离子体在所述通道的所述第一端之下时所述等离子体的压力。

35.根据权利要求32所述的液态金属漏斗系统，其中所述等离子体包括紧凑环。

36.根据权利要求32所述的液态金属漏斗系统，其中所述系统被构造使得所述液态金属漏斗包括液态金属，所述液态金属至少部分地在重力下从所述第一端向所述第二端流动。

37.根据权利要求36所述的液态金属漏斗系统，进一步包括液态金属循环系统，所述液态金属循环系统被构造来循环所述液态金属，使得所述液态金属能够从所述第一端向所述第二端流动。

38.根据权利要求37所述的液态金属漏斗系统，其中所述液态金属循环系统包括限制系统和泵系统，所述液态金属漏斗被布置在所述限制系统中，所述泵系统被构造来将所述液态金属从所述限制系统的底端向所述限制系统的上端泵吸。

39.根据权利要求32所述的液态金属漏斗系统，其中所述通道具有在所述第一端和所述第二端之间的轴，所述系统进一步包括液体导管注入系统，所述液体导管注入系统被构造来大体沿着所述液态金属漏斗的所述通道的轴来注入液态金属导管。

40.根据权利要求39所述的液态金属漏斗系统，其中所述液态金属漏斗系统被构造来在所述液态金属漏斗的内表面和所述液体导管的外表面之间接收所述等离子体。

41.根据权利要求39所述的液态金属漏斗系统，其中所述液态金属导管被构造来与所述液态金属漏斗电隔离。

42.一种用于压缩等离子体的方法，所述方法包括：

产生环形等离子体；

沿着纵向来加速所述环形等离子体；

向在液体漏斗中的通道内引入所加速的环形等离子体，所述通道在所述通道的第一端处具有第一尺寸，并且在所述通道的第二端处具有第二尺寸，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；以及

当所述环形等离子体从所述通道的所述第一端向所述通道的所述第二端移动时压缩所述环形等离子体。

43.根据权利要求42所述的方法，其中产生所述环形等离子体包括产生球马克。

44.根据权利要求42所述的方法，其中加速所述紧凑环包括：使用电磁轨道炮来加速所述紧凑环。

45.根据权利要求44所述的方法，其中使用电磁轨道炮来加速所述紧凑环包括：通过所述轨道炮来压缩所述紧凑环。

46.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：再循环液体以形成所述液体漏斗。

47.根据权利要求42所述的方法，其中所述液体漏斗包括液态金属。

48.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：大体沿着所述通道的轴来引入液体导管。

49.根据权利要求48所述的方法，其中压缩所述紧凑环包括：在所述通道的内表面和所述液体导管的外表面之间压缩所述紧凑环。

50.根据权利要求48所述的方法，进一步包括：当所述紧凑环在所述通道的所述第一端和所述第二端之间时将所述液体导管与所述液体漏斗电隔离。

51.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：将电容器组放电，以提供用于加速所述环形等离子体的电能。

52.根据权利要求51所述的方法，其中将所述电容器组放电包括：使用饱和电感器来延迟将所述电容器组放电。