用於產生粒子束和核聚變能量的方法和設備的製作方法
2023-10-11 16:27:59 2
專利名稱:用於產生粒子束和核聚變能量的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及等離子體物理和等離子體聚焦裝置的領域，且更具體地涉及用於使用強磁場限制等離子體且注入角動量以產生離子束和/或X射線且實現了核聚變且從聚變能量生成電力的方法和設備。
背景技術：
在不限制本發明的範圍的情況下，本背景技術主要結合聚變能量來描述。能量消耗的增加和碳氫化合物燃料的缺點導致了對替代能源的尋找。一個這樣的能源是來自熱核聚變反應器的聚變能量，該聚變能量提供了幾乎無限的能源。然而，存在許多科學和工程挑戰。
一般地，聚變反應器包括聚變燃料，該聚變燃料通常是氘和氚的混合物，其被加熱到非常高的溫度且將其限制在等離子體態若干時間。等離子體態使用電能生成。等離子體態包含了具有足以進行聚變的能量的離子。為進行聚變，離子必須保持在一起足夠長的時間以發生聚變，例如磁約束。通常，聚變反應的產物可能包括例如氦的元素、中子和能量。在大多數核反應中釋放的能量遠大於化學反應釋放的能量，因為將原子核保持在一起的結合能遠大於將電子保持到原子核的能量。在大多數反應器設計中，來自反應的能量最終作為熱能被收集，熱能隨後轉換為電力。
已存在許多聚變裝置，包括tokamak(tokamak是俄文詞，表示環面形的磁室)仿星器，z箍縮，球形箍縮，磁化目標聚變，雷射，離子或電子束和球馬克；然而，這些裝置尚未成功。等離子體加熱解決方法的一個困難是在加熱階段期間等離子體的不穩定性，這妨礙了磁場將已加熱的離子化氣體限制足夠長的時間以甚至達到能量生產中的盈虧平衡點的能力。
用於生成和利用複合等離子體位形的一種這樣的方法和設備在授予Koloc的美國專利No4，023，065中教示，該專利教示了一種等離子體位形，其包括中心環形等離子體，其中電流由離子化粒子或導電物質的通常為橢球體的罩層包圍。形成此複合等離子體位形的方法包括如下步驟在氣態介質中形成螺旋形離子化路徑，且同時通過離子化路徑對高電勢放電以產生螺旋形或螺旋形式的電流，該電流自身崩塌以產生環形電流，或生成環形等離子體團，將磁能供給到等離子體團，且在外部將流體壓力施加到等離子體團。
另一個解決方案是在授予Fischer的美國專利No4，182，650中教示的脈衝核聚變反應器，該專利涉及通過氘和鋰生成氦的核燃燒而產生有效電能的核聚變發電站。大的同心平板電容器通過位於其中心的熔融的LiD團迅速放電。在此放電之前，在電極之間通過交流脈衝的加熱預先形成了傳導路徑，且高溫高壓等離子體通過LiD液體限制在窄的通道內。中子部分地通過熱核聚變生成，部分地通過由於已知的臘腸形不穩定性導致的超熱碰撞生成。逃逸的中子被周圍的液體吸收，並在其中產生熱。熱、輻射和機械衝擊在液體內被吸收，該液體流動通過換熱器以為相關的渦輪發電機發電廠提供能量。
再另一個解決方案是在授予Paul M Koloc的美國專利申請公開20010046273中教示的複合等離子體位形和用於生成複合等離子體位形的方法和設備，該專利申請涉及由具有引腳和圍繞引腳的環形電極的裝置形成的複合等離子體位形。圓柱形導體電連接到環形電極且與之共軸，且螺旋形導體與圓柱形導體共軸。螺旋形導體由導線組成，每個導線電連接到每個引腳。環形電極和引腳布置在遠離導電圓柱體內部的相同方向上。
已經研究了密集等離子體聚焦(DPF)作為對於不穩定問題的可能的解決方法。在此裝置中，自然的等離子體不穩定性被用於製造在密集等離子體團內產生限制，而非如在其他聚變裝置中那樣被最小化。用於密集等離子體聚焦輻射源以生成EUV輻射的一個這樣的方法和設備包括同軸布置的陽極和陰極，其在授予Jacob等人的美國專利No7，002, 168中教示。該方法和設備用於提高EUV輻射產生的效率，用於保護、冷卻和延長陽極和陰極的壽命，用於保護和屏蔽收集光學器件不受放電室內的碎屑和壓力擾動影響，且用於將鋰供給到放電室內。
另一個用於在選擇的波長下生成輻射的等離子體聚焦輻射源在授予Birx的美國專利No6，172，324中教示，該專利教示了產生高能等離子體鞘，該等離子體鞘沿電極柱以高速向下移動且在柱的端部箍縮以形成非常高溫的點。在箍縮處引入的可離子化的氣體可在希望的波長處產生輻射。為防止等離子體鞘與箍縮分離並因此延長箍縮且防止潛在的損壞性重燃，高溫非傳導材料的屏蔽被定位在距中心電極選定的距離處且成形為再引導等離子體鞘到中心電極，從而防止了其分離。在屏蔽中提供開口，以允許希望的輻射大體上不受阻礙地通過。
然而，該DPF也尚未實現盈虧平衡條件，且尚未同時實現高效率地傳遞能量到等離子體團、高離子能量和高密度。另外，即使對於相同的初始條件，DPF也受到不同發射間的輸出的高度變化。
除其作為聚變反應器的應用外，DPF具有作為X射線、離子束和中子源的其他重要的潛在應用。這樣的應用包括X射線光刻、X射線和中子檢查和醫療同位素生產。然而，在這些領域內其應用也受到其高度可變性的阻礙。
克服此可變性的嘗試尚未完全成功。在授予Nardi的美國專利No5，075，522和No4,912, 731中教示了等離子體聚焦設備，其教示了帶有場畸變元件的等離子體聚焦設備，場畸變元件在底部末端的離開電極之間的絕緣材料套筒的電極間隙內。其結果是加速器的中子產量至少是不存在場畸變元件時(例如在刀片形狀中)中子產量的五倍。
對於聚變的大多數解決方案的進一步的困難是它們依賴於氘-氚燃料，該燃料產生了高能中子。中子在反應器結構內生成了感生放射性。中子能量也必須作為熱被捕獲且通過標準蒸汽循環轉化為電力，這是非常昂貴的且妨礙了電力成本的任何明顯降低。
僅產生帶電粒子的替代性的先進燃料克服了此問題。已長期認識到產生3個He4離子和8. 7MeV能量的pBll反應具有作為聚變燃料的很大的優點。它僅產生帶電粒子且因此反應的能量可以直接轉化為電力，從而避免了將熱能通過渦輪機和機械發電機轉化為電力的非常昂貴的步驟。這可能導致電力成本的急劇降低。另外，反應避免了可能感生放射性的中子的產生。次級反應Bll+He4->n+N14的確產生了佔總能量的大致O. 2%的具有低能形式的中子，但它們具有太少的能量以致於不能激活反應器材料。已嘗試在聚變反應器設計中使用PBll反應。
用於在反場位形中的受控聚變以及直接能量轉換的一種這樣的方法和設備在授予Monkhorst等人的美國專利No7, 002，148、No6, 894，446和No6850011中教示，其教示了磁限制在FRC內的等離子體離子，而等離子體電子被靜電限制在深的能阱中，該能阱通過調整外部施加的磁場而形成。離子和電子可以具有足夠的密度和溫度，使得它們在碰撞時通過核力聚合到一起，因此形成了具有環形束的形式的聚變產物。當聚變產物離子螺旋地通過逆回旋加速器轉換器的電極時，從聚變產物離子移除能量。
用於形成用於等離子體的磁限制和靜電限制的反場位形的另一種方法和設備在授予Rostoker等人的美國專利No6, 891，911中教示,該專利教示了反場位形(FRC)磁拓撲，其中等離子體離子被磁限制在FRC內的穩定的非絕熱軌道內。此外，電子被靜電限制在深的能阱內，該能阱通過調整外部施加的磁場而形成。同時的電子靜電限制和離子磁限制避免了反常的輸運且便於對電子和離子的經典限制。在此位形中，離子和電子可以具有足夠的密度和溫度，使得在碰撞時它們通過核力聚合在一起，因此釋放了聚變能量。此外，可以與本限制系統和方法一起使用的聚變燃料等離子體不限制於中子燃料，而且有利地包括先進的燃料。
然而，這些嘗試尚未成功，因為存在對於使用pBll的重大的技術挑戰。為使用PBl I燃料，離子能量必須超過IOOKeV,同時帶有超過3 X IO15粒子-秒/cc的密度與限制時間的積。Bll的較高的原子改變Z明顯地增加了 X射線發射率，該發射率與Z2成比例，從而使得難於實現點燃，例如熱核功率超過X射線發射的點。最後，將能量從離子束和X射線轉換為電力必須以高效率進行。對於高能X射線，此問題尚未以實用的方式解決。前述的問題已在許多年以來被認識到且同時建議了多種解決方案，但它們都不能充分地在單一的裝置內解決所有這些問題。
發明內容
本發明人認識到需要產生X射線和離子束且同時不生成放射性且不生成或幾乎不生成中子的緊湊且不昂貴的裝置。認識到需要消除對於通常的氘-氚混合物的需求。本發明人認識到例如使用氫-硼反應的等離子體聚焦裝置可以供給對環境安全、廉價且有效的無盡的能源。在此所披露的裝置也產生了 X射線、離子束而不產生或幾乎不產生放射性，且不具有中子或幾乎不具有中子。在此披露的裝置也可以實現核聚變且將聚變能量轉換為電力。
例如，本發明提供了用於產生X射線和粒子束的裝置，裝置具有同軸地定位的且至少部分地定位在反應室內的陽極和陰極，以在等離子體團上施加角動量。在一些實施例中，陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。在其他實施例中，螺旋形線圈圍繞陰極定位以施加角動量。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞陰極定位的螺旋形線圈的陰極來施加角動量。在一些實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。在這些實施例中，陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。氣體包含在反應室內以接觸陽極和陰極，且氣體源連接到反應室。電子放電源與陽極和陰極電連通以提供電子放電。電子放電導致在陽極周圍形成了密集的磁限制的等離子體團，其能夠發射一個或多個離子。
本發明也提供了等離子體發生器以實現核聚變，其包括同軸地定位的且至少部分地定位在反應室內的陽極和陰極。陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。一般地，陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。硼烷燃料包含在反應室內。在一些實施例中，陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。在其他實施例中，螺旋形線圈圍繞陰極定位以施加角動量。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞陰極定位的螺旋形線圈的陰極可以用於施加角動量。電子放電源與陽極和陰極電連通以形成圍繞陽極的等離子體團。等離子體團導致從硼烷燃料發射一個或多個X射線和離子束。
此外，通過本發明提供了用於產生X射線和粒子束的方法。方法包括將氣體與和電子放電電連通的陽極和陰極相互連接。在一些實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。一般地，陽極半徑在大約O. 25cm至大約1.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。在一些實施例中，陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。在其他實施例中，螺旋形線圈圍繞陰極定位以施加角動量。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞陰極定位的螺旋形線圈的陰極來施加角動量。電流用於通過越過陽極和陰極的電流脈衝放電形成等離子體鞘，且由電流鞘所生成的磁場使得等離子體團圍繞陽極形成。作為等離子體團的磁場衰變的結果，一個或多個帶電粒子和一個或多個X射線從等離子體團發射。
本發明提供了產生X射線和粒子束的發生器，該發生器包括反應室和電子放電系統。反應室包括氣體、圍繞陽極同軸地定位且至少部分地定位在反應室內的陰極。電子放電系統包括與陽極和陰極電連通的電源。在一些實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。一般地，陽極半徑在大約O. 25cm至大約1.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。在一些實施例中，陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。在其他實施例中，螺旋形線圈圍繞陰極定位以施加角動量。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞陰極定位的螺旋形線圈的陰極來施加角動量。電源提供了圍繞陽極的電子放電以從氣體產生等離子體團，該等離子體團發射了一個或多個離子和一個或多個X射線。
另外，一些實施例包括X射線能量轉換器以用於直接將X射線發射轉換為電能。用於直接將一個或多個X射線脈衝的發射轉換為電能的X射線能量轉換器與X射線脈衝源和能量存儲單元連通。X射線能量轉換器用於直接將X射線發射轉換為電能。收集器包括與一個或多個電子收集器層電連通的一個或多個電子發射器層。一個或多個電子發射器層吸收一個或多個X射線，然後發射被一個或多個電子收集器層所吸收的電子。
此外，通過本發明提供了將聚變能量轉換為電能的方法。該方法包括使用X射線能量轉換器和離子束轉換器以捕獲X射線和離子束能量，將捕獲到的能量轉換為電能且將電能存儲在存儲裝置內。
為更完整地理解本發明的特徵和優點，現在參考本發明的詳細描述以及附圖，其中
圖I是本發明的等離子體聚焦裝置的側視圖；
圖2是本發明的另一個實施例的側視圖，圖中圖示了包括螺旋形線圈的等離子體
8聚焦裝置的多個電極；
圖3是本發明的一個實施例的頂視圖，圖中圖示了等離子體聚焦裝置的多個電極；
圖4是在磁場的影響下形成到等離子體絲的薄鞘內的電流的圖像；
圖5是形成到等離子體團內的電流的圖示；
圖6本發明的另一個實施例的透視圖，圖中圖示了多個螺旋形的陰極；
圖7是本發明的另一個實施例的透視圖，圖中圖示了包括螺旋形線圈的等離子體聚焦裝置的多個螺旋形電極；
圖8是能量回收系統的示意圖；
圖9是X射線的能量轉換的示意圖；
圖10是整個X射線收集器的示意圖；
圖11是離子束收集器的示意圖；
圖12是等離子體聚焦裝置的總體電路的示意圖；和
圖13是X射線收集器的冷卻劑系統的圖。
具體實施方式
雖然本發明的多個實施例的形成和使用在下文中詳細論述，但應認識到的是本發明提供了許多可應用的發明構思，這些構思可以在特定上下文的大範圍內實施。所使用的術語和在此論述的特定的實施例僅圖示說明製作和使用本發明的特定的方式，且不限制本發明的範圍。
為便於理解本發明，在下文中限定了多個術語。在此限定的術語具有與本發明相關的領域內的一般技術人員通常所理解的含義。例如「一」、「一個」和「該」的術語不意圖於僅指單數的實體，而是包括總的類別，該總的類別的特定的例子可用於圖示說明。在此的術語用於描述本發明的特定的實施例，但它們的使用不限制本發明，除非如在權利要求
書中概述的那樣。
本發明的等離子體聚焦裝置包括嵌套的電極設計，該電極設計具有中心定位在一個或多個為施加角動量而定位的陰極間的空心的圓柱形陽極。在一個實施例中，一個或多個陰極以螺旋角定位，該角取決於特定的應用，但總的在大約O. 3度的範圍內，但可以在大約O. 05度到大約10度之間。另一個實施例使用了圍繞陰極定位的螺旋形線圈以施加角動量。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞其定位的螺旋形線圈的陰極來施加角動量。
一般地，本發明提供了用於產生X射線和離子束的且實現了核聚變和從聚變能量生成電力的裝置，該裝置包括施加角動量的機構，以在填充了氣體的反應室內生成密集的磁限制的等離子體團，該反應室生成了一個或多個粒子和X射線。在一些實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。在這些實施例中，陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。在本發明的一些實施例中，陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲或圍繞陰極定位以施加角動量的螺旋形線圈。替代地，可以用帶有螺旋形扭曲和圍繞其定位的螺旋形線圈的陰極來施加角動量。
例如，本發明也提供了用於產生X射線和粒子束的裝置，該裝置具有同軸地定位的陽極和陰極，且成形為在等離子體團和包含在反應室內的氣體上施加角動量。該裝置包括與陽極和陰極電連通的電子放電源，且作為電子放電的結果，密集的磁限制的等離子體團圍繞陽極形成且發射一個或多個粒子和X射線。
反應室容納了陽極、陰極和氣體。一般地，反應室是真空室，具有用於陽極和陰極和電子放電源的其他部件的連接件。另外，反應室可以具有一個或多個連接件，以允許引入一個或多個氣體到反應室內和/或去除反應室內的一個或多個氣體。本領域一般技術人員將認識到特定的反應室的形狀和尺寸將取決於電極的尺寸、電極的位置、室的體積等。
陽極和陰極通過絕緣體分開且同軸地並至少部分地在反應室內定位。本發明提供了定位為在等離子體團上施加角動量的陰極。陰極可以相對於底部或陽極成角度定位以引入角動量。陰極的相對角度取決於特定的實施例的特定的設計，並考慮到待增加或去除的角動量的大小。例如，本發明的陰極提供了向等離子體團施加角動量的圍繞陽極的螺旋形構造。本發明的一個實施例提供的電極具有大約4cm的長度，大約O. 3度的螺旋形傾斜或大約200G的初始軸向磁場。對於其他電極，傾斜可以從O. 05度變化到10度，且磁場從5G變化到IOOOG0
在用於聚變能量生成的實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。在這些實施例中，陽極半徑在大約O. 25cm至大約1. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。在用於非聚變應用的實施例中可以使用或可以不使用這些高場電極。
陽極和陰極可以單獨地由多種材料構造。例如，一個材料是鈹，這允許高X射線發射大部分通過鈹。另一個可以用於構造陽極和/或陰極的材料是銅；然而，高X射線發射將迅速地腐蝕銅陽極。另外，陰極和/或陽極可以部分地由金屬(例如，招，銅，招，鈹，鉻，銅，金，鎳，鑰，鈀，鉬，銀，鉭，鈦，鎢和鋅)和合金(例如，銅合金，鈹合金，銅鈹合金，鋁合金和其他金屬合金)製造。陰極和/或陽極也可以包括多種攙雜，例如鈹，鶴，鑰，錸等。
本發明的另一個實施例使用磁場施加角動量，該磁場由圍繞陰極定位的螺旋形線圈感應出。也施加了角動量的螺旋形線圈生成了初始軸向磁場。另外，螺旋形線圈可以連接到相對於主電源獨立地加電的分開的電源。本發明的等離子體聚焦裝置的再另一個實施例使用嵌套的電極設計將角動量引入，該嵌套的電極設計具有空心的圓柱形陽極，其中心定位在一個或多個定位為施加角動量的螺旋形的陰極和生成了磁場以施加角動量的圍繞一個或多個螺旋形電極定位的螺旋形線圈中。
將陽極和陰極分開的絕緣體可取決於特定的應用由多種材料製成。例如，絕緣體材料可以至少部分地由石英，派熱克斯(pyrex)玻璃，熔巖石，陶瓷，陶瓷氧化物和鋁，鈹，硼，鈣，矽，鈉和鋯的氮化物，碳化硼和其組合製成。另外，絕緣體可以通過常規過程加工、形成或成形到所期望的尺寸、形狀、厚度和外形。也可以使用其他的絕緣材料，例如陶瓷，陶瓷氧化物和由鋁，鈹，硼，鈣，矽和鋯製成的氮化物，例如，氧化鋁(Al2O3)，氮化矽(Si3N4)，氮化鋁，氧化鈹(BeO)，碳化硼(B4C),氧化鋯(ZrO2)和其組合。絕緣體材料的選擇將取決於裝置的尺寸和電流範圍。
一般地，可以從用作離子源的多種氣相分子生成等離子體。例如，在本發明中用於生成聚變能量的氣體包括癸硼烷(BltlH14)和戊硼烷。癸硼烷是是化合物，其是優秀的源材料，因為每個癸硼烷分子在汽化和離子化時可以提供十個硼原子的分子離子。然而，例如氫硼化物和硼烷的其他含硼的化合物也可以使用，例如硼烷，乙硼烷，己硼烷，庚硼烷，壬硼烷，辛硼烷，丙硼烷和丁硼烷。當裝置用於非聚變應用時，可以使用許多其他的氣體，包括氫，氦，甲烷，氮，氬，氖和氙。
本發明生成了一個或多個粒子，包括一個或多個離子束、一個或多個X射線或其組合。對於聚變生成應用，能量轉換裝置可以用於將離子束能和X射線能轉換為電能。能量轉換裝置包括離子束轉換器和X射線轉換器。離子束轉換器和X射線轉換器可以合併到一個裝置內或在分開的裝置內，這取決於特定的應用的需要。在用於聚變應用的一些實施例中，僅使用轉換器之一或不使用轉換器。對於非聚變應用，不需要使用能量轉換裝置。
X射線能轉換器可以與反應室通過例如鈹的合適材料的薄壁分開；然而，本領域一般技術人員將認識到可以使用其他材料。X射線能轉換器包括與一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層電連通的一個或多個電容器。一個或多個電子發射器層吸收X射線且發射電子，電子然後被一個或多個電子收集器層吸收。X射線能轉換器可以是一系列定位為收集不同能級的X射線的一個或多個X射線能轉換器。例如，一個或多個X射線能轉換器可以同心地嵌套，其中每個X射線能轉換器具有一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層。另外，X射線能轉換器可以具有一個或多個電子發射器層或一個或多個電子收集器層，其中一些層可以同心地嵌套以收集不同能級的X射線。一個或多個電子發射器層吸收X射線且發射電子，電子然後被一個或多個電子收集器層吸收。類似地，一個或多個電子收集器層可以定位為吸收不同能量的發射。一般地，一個或多個電子收集器層的每個通過相對於下一個電子收集器層大約15%至大約25%之間的電壓分開；然而，電子收集器層可以通過相對於下一個電子收集器層大約10%至大約30%之間的電壓分開，這取決於特定的應用。
本發明的另一個實施例包括用於從聚變能量生成電力的等離子體發生器。發生器包括同軸地且至少部分地在反應室內定位的陽極和陰極，其中陰極施加角動量。陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加高磁場，陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。具有氣態形式的硼烷燃料源包含在反應室內。電子放電源與陽極和螺旋地扭曲的陰極電連通以形成圍繞陽極的等離子體團以用於從硼烷燃料源發射一個或多個X射線和離子束。
本發明包括用於以與電子放電源電連通的陽極和至少部分地螺旋形的陰極從氣體產生X射線和粒子束的方法。帶有磁場的等離子體鞘通過越過陽極和至少部分地螺旋形的陰極的電流脈衝的放電而形成，以形成圍繞陽極的等離子體團。作為等離子體團的磁場衰變和等離子體團、電子和離子的碰撞的結果，從等離子體團發射出一個或多個帶電粒子和X射線。
容納了陽極、陰極和氣體的反應室是具有用於陽極和陰極和電子放電源的其他部件的連接件的真空室。氣體可以是硼烷或其他氣體，包括氫，氦，氮，甲烷，氖，氬或氙。另外，反應室可以具有一個或多個連接件以允許引入一個或多個氣體到反應室內和/或反應室內去除一個或多個氣體。在一些實施例中，反應室定位為使得在反應室和粒子捕獲裝置之間具有連通。一般技術人員將認識到特別的反應室的形狀和尺寸將取決於電極的尺寸、電極的位置、室的體積等。[0056]陽極和陰極同軸地至少部分地在反應室內定位且通過絕緣體分開。本發明提供了帶有特定形狀的陰極，其通過將陰極以角度定位以誘發角動量，從而在等離子體團上施加角動量。考慮到增加或去除的角動量的大小，相對角度取決於特定實施例的特定的設計。
陽極和陰極可以單獨地由多種材料構建，例如鈹、銅等，這允許高的X射線發射主要地通過鈹。另一個可以用於構建陽極和/或陰極的材料是銅；然而，高X射線發射將迅速地腐蝕銅陽極。另外，陰極和/或陽極可以部分地由金屬(例如，招，銅，招，鈹，鉻，銅，金，鎳，鑰，鈀，鉬，銀，鉭，鈦，鎢和鋅)和合金(例如，銅合金，鈹合金，銅鈹合金，鋁合金和其他金屬合金)製造。陰極和/或陽極也可以包括多種摻雜，例如鈹，鶴，鑰，錸等。
用於產生X射線、離子束和/或粒子束的方法包括嵌套的電極設計，該嵌套的電極設計具有空心的圓柱形陽極，其中心定位在一個或多個定位為施加角動量的陰極中。一個或多個螺旋形的陰極以螺旋形角度定位，角度取決於特定的應用，但一般地大約O. 3度，但可以在大約O. 05度到大約10度之間的範圍內。
用於產生一個或多個粒子的本發明的另一個實施例包括由繞陽極和陰極定位的螺旋形線圈生成的磁場。初始軸向磁場通過螺旋形線圈生成，該螺旋形線圈隨後又施加了角動量。另外，螺旋形線圈可以連接到分開的電源，該分開的電源與主電源分開地加電。
在另一個實施例中，陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。在這些實施例中，陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
將陽極和陰極分開的絕緣體可以取決於特定的應用由多種材料製成。例如，絕緣體材料可以至少部分地由石英，派熱克斯玻璃，熔巖石，陶瓷，陶瓷氧化物和鋁，鈹，硼，鈣，矽，鈉和鋯的氮化物，碳化硼和其組合製成。另外，絕緣體可以通過常規工藝的機械加工、形成或成形到希望的尺寸、形狀、厚度和外形。也可以使用其他的絕緣材料，例如陶瓷，陶瓷氧化物和由鋁，鈹，硼，鈣，矽和鋯製成的氮化物，例如，氧化鋁(Al2O3)，氮化矽(Si3N4)，氮化鋁，氧化鈹(BeO)，碳化硼(B4C),氧化鋯(ZrO2)和其組合。絕緣體材料的選擇將取決於裝置的尺寸和電流範圍。
本發明包括用於以與電子放電源電連通的陽極和至少部分地螺旋形的陰極從燃料產生聚變能量且將聚變能量轉換為電能的方法。帶有磁場的等離子體鞘通過越過陽極和至少部分地螺旋形的陰極的電流脈衝的放電而形成，以形成圍繞陽極的等離子體團。作為等離子體團的磁場衰變的結果，一個或多個帶電粒子和X射線從等離子體團發射。帶電粒子加熱了等離子體團，從而導致聚變反應發生且聚變能量以X射線和帶電粒子束的形式被釋放。
氣體可以是癸硼烷(B10H14)或戊硼烷。癸硼烷是是化合物，其是優秀的源材料，因為每個癸硼烷分子在汽化和離子化時可以以正確的比例提供硼和氫離子。然而，例如氫硼化物和硼烷的其他含硼的化合物也可以使用，例如硼烷，乙硼烷，己硼烷，庚硼烷，壬硼烷，辛硼烷，丙硼烷和丁硼烷。
容納了陽極、陰極和氣體的反應室是具有用於陽極和陰極和電子放電源的其他部件的連接件的真空室。另外，反應室可以具有一個或多個連接件以允許引入一個或多個氣體到反應室內和/或反應室內去除一個或多個氣體。在一些實施例中，反應室定位為使得在反應室和粒子捕獲裝置之間具有連通。一般技術人員將認識到特別的反應室的形狀和尺
12寸將取決於電極的尺寸、電極的位置、室的體積等。
陽極和陰極通過絕緣體分開且同軸地至少部分地在反應室內定位。本發明提供了帶有在等離子體團上施加了角動量的形狀的陰極，這通過將陰極以角度定位以引入角動量來實現。相對角度取決於特定實施例的特定的設計，考慮到添加或去除的角動量的量。
陽極和陰極可以單獨地由多種材料構建，例如鈹、銅等，其允許高的X射線發射主要地通過鈹。另一個可以用於構建陽極和/或陰極的材料是銅；然而，高X射線發射將迅速地腐蝕銅陽極。另外，陰極和/或陽極可以部分地由金屬(例如，招，銅，招，鈹，鉻，銅，金，鎳，鑰，鈀，鉬，銀，鉭，鈦，鎢和鋅)和合金(例如，銅合金，鈹合金，銅鈹合金，鋁合金和其他金屬合金)製造。陰極和/或陽極也可以包括多種攙雜，例如鈹，鶴，鑰，錸等。
用於將聚變能量轉換為電能的方法包括生成由一個或多個離子束、一個或多個X射線或其組合形成的一個或多個粒子。粒子捕獲裝置用於回收一個或多個粒子且包括離子束能量回收電路和X射線能量轉換器，它們可以合併到一個裝置內或在分開的裝置內，這取決於特定的應用的需要。
X射線能量轉換器包括與一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層電連通的一個或多個電容器。一個或多個電子發射器層吸收X射線並發射電子，電子然後被一個或多個電子收集器層吸收。X射線能轉換器可以是一系列定位為收集不同能級的X射線的一個或多個X射線能轉換器。例如，一個或多個X射線能轉換器可以是同心地嵌套的一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層，以收集不同能級的X射線。類似地，一個或多個電子收集器層可以是一系列定位為吸收不同能量的發射的一個或多個電子收集器層，且一個或多個電子發射器層可以是一系列一個或多個電子發射器層。一般地，一個或多個電子收集器層的每個相對於下一個電子收集器層的電壓相差大約15%至大約25%;然而，電子收集器層可以相對於下一個電子收集器層的電壓相差大約10%至大約30%，這取決於特定的應用。
將聚變能量轉換為電能的方法包括嵌套的電極設計，該嵌套的電極設計具有空心的圓柱形陽極，其中心定位在一個或多個為施加角動量而定位的陰極中。一個或多個螺旋形的陰極以螺旋形角度定位，角度取決於特定的應用，但一般地大約O. 3度，但可以在大約O. 05度到大約10度之間的範圍內。
用於產生一個或多個粒子的本發明的另一個實施例包括由繞陽極和陰極定位的螺旋形線圈生成的磁場。初始軸向磁場通過螺旋形線圈生成，該螺旋形線圈隨後又施加了角動量。另外，螺旋形線圈可以連接到分開的電源，該分開的電源與主電源分開加電。
陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加了高磁場。陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
將陽極和陰極分開的絕緣體可以取決於特定的應用由多種材料製成。例如，絕緣體材料可以至少部分地由石英，派熱克斯玻璃，熔巖石，陶瓷，陶瓷氧化物和鋁，鈹，硼，鈣，矽，鈉和鋯的氮化物，碳化硼和其組合製成。另外，絕緣體可以通過常規工藝的機械加工、形成或成形到希望的尺寸、形狀、厚度和外形。也可以使用其他的絕緣材料，例如陶瓷，陶瓷氧化物和由鋁，鈹，硼，鈣，矽和鋯製成的氮化物，例如，氧化鋁(Al2O3)，氮化矽(Si3N4)，氮化鋁，氧化鈹(BeO)，碳化硼(B4C),氧化鋯(ZrO2)和其組合。絕緣體材料的選擇將取決於裝置的尺寸和電流範圍。
本發明也包括用於產生聚變能量且將能量轉換為電能的生成器，生成器包括反應室，電子放電系統，能量轉換裝置，開關和能量存儲裝置以及冷卻系統。反應室包括氣體，陽極，圍繞陽極同軸定位的螺旋形的陰極，且可以包括圍繞陰極定位的螺旋形線圈。陽極半徑在大約O. 25cm至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5cm至大約3cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。電子放電系統與螺旋形線圈、陽極和陰極以及電源電連通。通過螺旋形線圈生成初始軸向磁場以施加角動量，且作為電子放電的結果圍繞陽極形成了等離子體團，以從氣體發射一個或多個粒子。燃料在等離子體團內生成了聚變能量且以X射線和離子束的形式釋放該聚變能量。能量通過離子束轉換器和X射線轉換器轉換為電力且存儲在電存儲裝置內。
本發明也包括用於直接將X射線發射轉換為電能的X射線能量轉換器，該X射線能量轉換器具有與一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層電連通的一個或多個電容器。一個或多個電子發射器層吸收了 X射線且發射了電子，電子然後被一個或多個電子收集器層吸收。X射線能轉換器可以是一系列定位為收集不同能級的X射線的一個或多個X射線能轉換器。例如，一個或多個X射線能轉換器可以是同心地嵌套的一個或多個電子發射器層和一個或多個電子收集器層以收集不同能級的X射線。類似地，一個或多個電子收集器層可以是一系列定位為吸收不同能量的發射的一個或者多個電子收集器層，且一個或多個電子發射器層可以是一系列一個或多個電子發射器層。一般地，一個或多個電子收集器層的每個通過相對於下一個電子收集器層大約15%至大約25%之間的電壓分開；然而，電子收集器層可以通過相對於下一個電子收集器層大約10%至大約30%之間的電壓分開，這取決於特定的應用。
圖I是本發明的等離子體聚焦裝置10的側視圖。等離子體聚焦裝置10包括嵌套的電極設計，具有兩個嵌套在彼此內的電極。外部電極，即陰極12包括多個均勻地間隔開的棒，而內部電極，即陽極14是空心的圓柱體。絕緣體16包圍了陽極14的底部。陰極12和陽極14封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體填充在陰極12和陽極14之間的空間。陽極14通過一個或多個電容器組18和一個或多個開關20連接到陰極12。例如，本發明的等離子體聚焦裝置10的一個實施例包括嵌套在彼此內的兩個圓柱形鈹電極。陰極12和陽極14封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體(例如癸硼烷)填充在它們之間的空間內以供給用於反應的燃料。
圖2是本發明的另一個實施例的側視圖，圖中圖示了包括螺旋形線圈的等離子體聚焦裝置10的多個電極。等離子體聚焦裝置10包括具有兩個嵌套在彼此內的電極的嵌套的電極設計。外部電極，即陰極12包括多個均勻地間隔開的棒，而內部電極，即陽極14是空心的圓柱體。陰極的個數將取決於特定的應用，例如從大約2個到大約50個。絕緣體16圍繞了陽極14的底部。陰極12和陽極14封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體填充了它們之間的空間。陽極14通過一個或多個電容器組18和一個或多個開關20連接到陰極12。螺旋形線圈12圍繞陰極12和陽極14定位，因此電能產生了磁場，而磁場又施加了角動量。螺旋形線圈22連接到開關26和電源24。電源24可以與供給到等離子體聚焦裝置10的功率分開，從而允許螺旋形線圈22與主電源分開加電，可替代地，可以將同一個電源用於二者。螺旋形線圈22的位置和圍繞陰極12和陽極14的圈數將取決於特定的應用而變化。
圖3是本發明的一個實施例頂視圖，圖中圖示了等離子體聚焦裝置10的多個電極。等離子體聚焦裝置10包括具有兩個嵌套在彼此內的電極的嵌套的電極設計。外部電極，即陰極12包括多個均勻地間隔開的棒，而內部電極，即陽極14是空心的圓柱體。陰極的個數將取決於特定的應用，例如從大約2個到大約50個。絕緣體16圍繞了陽極14的底部。陰極12和陽極14封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體填充了它們之間的空間。陽極14通過一個或多個電容器組(未示出)和一個或多個開關(未示出)連接到陰極12。
圖4是在磁場的影響下形成到等離子體絲的薄鞘內的電流的圖像。當電流移動時，形成了等離子體絲的薄鞘，且在圖I中可見。在運行中，來自電容器組的電力脈衝越過電極放電。對於大約數個微秒，強電流從外部電極通過氣體流動到內部電極,且電流開始加熱氣體且形成了強磁場。電流在其自身磁場的引導下使得自身形成到等離子體絲的薄鞘內。
圖5是使用本發明形成等離子體團的圖示。等離子體絲的薄鞘行進到陽極的端部，在此處由電流產生的磁場將等離子體箍縮且扭曲為僅數微米跨度的微小的密集球，它稱為等離子體團。當在等離子體團內的磁場能開始降低時，改變的磁場感生了電場，該電場導致電子束在一個方向上流動且離子束在另一個方向上流動。電子束加熱了等離子體團內的電子且電子又加熱了例如氫和硼的反應器燃料的離子，這就產生了聚變反應。從等離子體團發射了具有強的聚焦離子束和X射線脈衝的形式的能量。等離子體團存在了數個納秒到數十個納秒的時間。
圖6是本發明的另一個實施例的透視圖，圖中圖示了等離子體聚焦裝置110的多個電極，其中螺旋形的陰極被傾斜。等離子體聚焦裝置110包括具有兩個嵌套在彼此內的電極的嵌套電極設計。外部螺旋形的電極，即螺旋形的陰極112，包括多個均勻地間隔開的棒，而內部電極，即陽極114，是空心的圓柱體。絕緣體116圍繞了陽極114的底部。螺旋形的陰極112被傾斜以施加角動量。傾斜角取決於特定的應用。例如，一個實施例具有O. 3度的傾斜角；然而，傾斜的範圍可以從大約O. 05度到大約10度。螺旋形的陰極112和陽極114被封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體填充了它們之間的空間。陽極114通過一個或多個電容器組118和一個或多個開關120連接到螺旋形的陰極112。例如，本發明的等離子體聚焦裝置110的一個實施例包括嵌套在彼此內的兩個圓柱形鈹電極。螺旋形的陰極112和陽極114被封閉在真空室(未示出)內，其中低壓氣體(例如癸硼烷)填充在它們之間的空間內以供給用於反應的燃料。
圖7是本發明的另一個實施例的透視圖，圖中圖示了包括螺旋形線圈的等離子體聚焦裝置110的多個電極。等離子體聚焦裝置Iio包括具有兩個嵌套在彼此內的電極的嵌套的電極設計。外部電極，即一個或多個螺旋形的陰極112，包括多個均勻地間隔開的棒，而內部電極，即陽極114，是空心的圓柱體。一個或多個螺旋形的陰極112以螺旋角度定位或傾斜以施加角動量。傾斜角取決於特定的應用。例如，一個實施例具有O. 3度的傾斜角 』然而，傾斜的範圍可以從大約O. 05度到大約10度。一個或多個螺旋形的陰極112的個數將取決於特定的應用，例如從大約2個到大約50個。絕緣體116圍繞了陽極114的底部。一個或多個螺旋形的陰極112和陽極114被封閉在真空室(未示出)內，低壓氣體填充了它們之間的空間。陽極114通過一個或多個電容器組118和一個或多個開關120連接到一個或多個螺旋形的陰極112。螺旋形線圈122圍繞電極定位，因此電能產生了磁場，而磁場又施加了角動量。螺旋形線圈122連接到開關126和電源124。電源124可以與供給到等離子體聚焦裝置110的功率分開，從而允許螺旋形線圈122能與主電源分開加電，可替代地，可以將同一個電源用於二者。
圖8是能量回收系統的示意圖。本發明的等離子體聚焦裝置10連接到第一開關30和第二開關32。第一開關30和第二開關32都連接到主電容器組34。主電容器組34可以包含一個或多個成組布置的電容器，或可以包含一個或多個布置為多組的電容器，其又布置在電容器組內。第一開關30也連接到次級電容器組36。
圖9是X射線的能量轉換的示意圖。X射線脈衝38可以通過光電效應而以高效率轉換為電力。轉換器基本上是帶有多個薄金屬膜層的電容器。一個類型的膜，即類型A的膜40用作一個或多個電子42的發射器，從而將X射線38的能量轉換為數千電子伏的電子42的能量。類型A的膜40也用作電容器的地電極。第二類型的膜，即類型B的膜44用於收集發射出的電子42且用作電容器的陰極電極46。在單個的層中，X射線38衝擊在金屬的類型A的膜40上，從而導致一定範圍能量的電子42的發射。這些電子42行進通過一系列非常薄的類型B的膜44，這些膜44通過外部電路最初被充電到電壓的上升序列。當電子42接近充電至高於其能量(以電子伏為單位)的更高的電壓V的電極46時，它們返回且被下一個較低的電極46吸收。
為了在X射線38的能量到電子42的能量的轉換中具有高的效率，轉換器設計必須保證幾乎所有X射線38都吸收在類型A的膜40內，且非常少的電子能量在離開類型A的膜40前被吸收。另外，在薄的類型B的膜44內的X射線吸收率必須通過合適地選擇材料而被最小化。
圖10是總體X射線收集器的示意圖。X射線收集器46包括一個或多個金屬層48a-48i,它們通過間隙層50a-50h分開。一個或多個金屬層48a至48i的成分可以取決於特定的實施例而變化。例如，金屬層48a、48b和48c含有鋁，金屬層48d和48e含有銅，而金屬層48e，48f和48g含有鎢。類似地，間隙層50a至50h的成分可以取決於特定的實施例而變化。例如，間隙層50a、50b和50c可以是鋁或鈹，而50g是鎢。但本領域一般技術人員將認識到以上的例子意圖於圖示目的且其他金屬可以以不同的次序和成分被使用。
圖11是離子束收集器的示意圖。離子束收集器52與迴旋管54連通，以將離子束有效地耦合到RF脈衝。在另一個實施例中，離子束收集器52與超高頻放大管轉換器(未示出)連通。可以使用一系列通過紫外光激活的快速開關56，從而將RF脈衝耦合到快速存儲電容器，使得當電容器58被充電時開關56斷開，從而防止能量流回到諧振器內。離子束在飛行中擴散，但在其達到迴旋管54時仍具有短的脈衝長度，從而造成了迅速變化的磁場；這使得更容易優化有效的設計以將能量耦合到電路。離子束收集器52的高功率要求仔細地設計電路以在合理的電勢下將電力連結轉移到電容器58內。基本考慮對於本領域一般技術人員是清楚的。
圖12是等離子體聚焦裝置的總體電路圖。總體電路60包括與X射線收集器46和離子束收集器52連通的等離子體聚焦裝置10。等離子體聚焦裝置10連接到第一開關62和第二開關64。第一開關62連接到主電容器組66且連接到電網68。第二開關64連接到主電容器組66和次電容器組70。主電容器組66和次電容器組70通過電容器開關72連接。X射線收集器46連接到X射線收集器開關74，X射線收集器開關74連接到次X射線收集器電容器76。次X射線收集器電容器76連接到X射線收集器46和X射線收集器開關78，其又連接到主電容器組66。離子束收集器52連接到離子束收集器開關80和離子束電容器組82。離子束收集器開關80也連接到離子束電容器組82。離子束電容器組82連接到第二離子束收集器開關84，第二離子束電容器開關84然後連接到主電容器組66。本領域一般技術人員將認識到存在本發明的許多不同的構造，且本圖僅是本發明人的許多構思中的一個。
圖13是X射線收集器的冷卻劑系統的圖。因為離子束能量轉換系統具有大的表面積且殘餘熱在其內分布，所以對其的冷卻相對地簡單。然而，在X射線轉換系統86的情況中，必須小心，以避免因使得不導電的冷卻劑(例如矽樹脂)通過許多非常窄的都徑向向著等離子體團定向的成對導管86而導致由冷卻劑自身阻擋X射線或電子。X射線收集器46由通過導管86分開的一個或多個金屬層(未示出)和間隙層(未示出)製成。如果冷卻劑板典型地分開數十微米，則它們吸收了少於大約I %的輻射，但仍能攜帶充足的冷卻劑流以從X射線轉換裝置去除大約2MW的廢熱。每隔數度地徑向走向通過裝置的冷卻劑板也可以用於為薄膜電極給予機械支承。
反應器燃料可以是氫-硼源。氫-硼燃料(pBll)的一些例子是硼烷化合物，例如癸硼烷。氫-硼聚變(P+B11)是希望的聚變燃料，因為它釋放了 8. 7MeV作為α粒子(4He)的動能。氫-硼聚變僅使用穩定同位素且僅產生帶電粒子。聚變反應器可以容易地以大約80 %的效率將帶電粒子的能量最終產物轉換為電力。
高磁場效應的描述。Bll的更高的原子變化Z顯著地增加了 X射線的發射率，該發射率與Z2成比例，從而使得難於實現點燃，例如在熱核功率超過X射線發射的點。本發明使用了如下將描述的詳細定量的等離子體聚焦理論和高磁場效應(HMFE)克服了這些困難。首先由McNally指出的此效應涉及在存在強磁場時降低從離子向電子的能量傳遞。這又降低了電子溫度且因此降低了韌致輻射發射。
對於離子與迴旋頻率的電子碰撞，對於衝擊參數能量傳遞迅速下降，
b>%
其中vi是離子速度，因為在此情況中電子在碰撞期間有時被加速且其餘時間被減速，使得平均能量傳遞低。這意味著bmax比Debye長度λΒ小了一個因子ν ω其中ωρ是等離子
mvf
體頻率，且Vrt是電子熱速度。因此，在標準能量損失公式中的庫侖對數降低到
Ln ( )。
此公式對於其中離子與較慢地移動的電子碰撞的碰撞是近似有效的，這僅是其中離子失去能量的碰撞。但對於其中電子失去能量給離子的較快移動的電子與離
mv]t
子的碰撞，同理，庫侖對數為 [如果1>>νρ則對於足夠大的值hcog，換言
Ln ( h(°S )。
mv]mvf
之，對於足夠大的B， T-可以遠高於忽略平行於場的動量傳遞，當
Ln ( hc°g )Ln ( )。
權利要求
1.一種用於產生粒子束的裝置，包括陽極和陰極，其通過絕緣體分離且同軸地且至少部分地在反應室內定位，其中陰極具有施加了角動量的螺旋形扭曲；包含在反應室內的氣體；和與陽極和陰極電連通的電子放電源，其中作為電子放電的結果圍繞陽極生成了等離子體團且發射一個或多個離子束、一個或多個X射線或其組合。
2.根據權利要求
I所述的裝置，其中陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加聞磁場。
3.根據權利要求
I所述的裝置，其中陽極半徑在大約O.25至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5至大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
4.根據權利要求
I所述的裝置，其中陽極半徑小於大約I.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流，且陰極半徑小於大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流。
5.根據權利要求
I所述的裝置，其中陰極包括一個或多個圍繞陽極定位的單獨的電極。
6.根據權利要求
I所述的裝置，其中陽極或陰極包括鈹、銅或其組合。
7.根據權利要求
I所述的裝置，進一步包括圍繞陰極定位的螺旋形線圈以施加角動量。
8.根據權利要求
I所述的裝置，其中氣體包括硼烷。
9.根據權利要求
I所述的裝置，其中氣體包括氫、氦、氮、甲烷、氖，氬，氙或其組合。
10.一種用於產生粒子束的裝置，包括陽極和陰極，其通過絕緣體分離且同軸地且至少部分地在反應室內定位，其中螺旋形線圈圍繞陰極定位以施加角動量；包含在反應室內的氣體；和與陽極和陰極電連通的電子放電源，其中作為電子放電的結果圍繞陽極生成了等離子體團且發射一個或多個離子束、一個或多個X射線或其組合。
11.根據權利要求
10所述的裝置，其中陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加高磁場。
12.根據權利要求
11所述的裝置，其中陽極半徑在大約O.25至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5至大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
13.根據權利要求
11所述的裝置，其中陽極半徑小於大約I.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流，且陰極半徑小於大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流。
14.根據權利要求
10所述的裝置，其中陰極包括一個或多個圍繞陽極定位的單獨的電極。
15.根據權利要求
10所述的裝置，其中陽極或陰極包括鈹、銅或其組合。
16.一種用於釋放聚變能量且將聚變能量轉換為電能的聚變能量生成器，包括陽極和陰極，其通過絕緣體分離且同軸地且至少部分地在反應室內定位，其中陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加高磁場；2包含在反應室內的硼烷燃料源；和與陽極和陰極電連通的電子放電源，其中圍繞陽極形成等離子體團且導致生成聚變能量且從等離子體團發射一個或多個離子束，一個或多個X射線，或其組合。
17.根據權利要求
16所述的裝置，其中硼烷燃料源包括癸硼烷。
18.根據權利要求
16所述的裝置，其中陽極半徑在大約O.25至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5至大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
19.根據權利要求
16所述的裝置，其中陽極半徑小於大約I.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流，且陰極半徑小於大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流。
20.根據權利要求
16所述的裝置，其中陰極包括一個或多個圍繞陽極定位的單獨的電極。
21.根據權利要求
16所述的裝置，其中陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。
22.根據權利要求
16所述的裝置，還包括圍繞陰極定位以施加角動量的螺旋形線圈。
23.根據權利要求
16所述的裝置，進一步包括用於直接將X射線發射轉換為電能的X射線能量轉換器，所述的X射線能量轉換器包括與一個或多個電子收集器層電連通的一個或多個電子發射器層，其中該一個或多個電子發射器層吸收一個或多個X射線並發射被所述一個或多個電子收集器層吸收的電子。
24.根據權利要求
23所述的裝置，其中該一個或多個電子收集器層同心地嵌套且一個或多個電子收集器層吸收一個或多個不同能量的電子。
25.根據權利要求
23所述的裝置，進一步包括一個或多個同心地嵌套的X射線能量轉換器以收集不同能級的X射線。
26.根據權利要求
23所述的裝置，其中該一個或多個電子收集器層的每個相對於下一個電子收集器層的電壓相差大約15%至大約25%。
27.一種用於產生一個或多個粒子束的方法，包括如下步驟將通過絕緣體分離的且同軸地定位的陽極和陰極與電子放電源相互連接，其中陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲；使用磁場通過越過陽極和陰極的電流脈衝的放電從氣體形成等離子體鞘；作為磁場的結果形成圍繞陽極的等離子體團；和從等離子體團發射一個或多個離子束，一個或多個X射線或其組合，其中發射是等離子體團磁場的衰變和電子與離子在等離子體團內碰撞的結果。
28.根據權利要求
27所述的方法，其中陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加高磁場。
29.根據權利要求
28所述的方法，其中陽極半徑在大約O.25至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5至大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
30.根據權利要求
28所述的方法，其中陽極半徑小於大約I.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流，且陰極半徑小於大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流。
31.根據權利要求
27所述的方法，其中陰極包括一個或多個圍繞陽極定位的單獨的電極。
32.根據權利要求
27所述的方法，其中陽極或陰極包括鈹、銅或其組合。
33.根據權利要求
27所述的方法，其中陰極被螺旋形線圈圍繞以施加角動量。
34.根據權利要求
27所述的方法，其中氣體包括硼烷。
35.根據權利要求
27所述的方法，其中氣體包括氫、氦、氮、甲烷、氖，氬，氙或其組合。
36.一種用於釋放聚變能量且用於將聚變能量轉換為電能的方法，包括如下步驟將通過絕緣體分離的且同軸地定位的陽極和陰極與電子放電源相互連接，其中陽極具有陽極半徑且陰極具有陰極半徑，其施加高磁場；使用磁場通過越過陽極和陰極的電流脈衝的放電從氣體形成等離子體鞘；通過越過陽極和陰極的電流脈衝的放電形成圍繞陽極的等離子體團；在等離子體團內通過對等離子體團的加熱生成聚變能量；和作為等離子體團的磁場衰變和電子與離子在等離子體團內碰撞的結果從等離子體團發射聚變能量，其中聚變能量通過一個或多個離子束、一個或多個X射線或其組合被攜帶。
37.根據權利要求
36所述的方法，其中氣體包括癸硼烷。
38.根據權利要求
36所述的方法，其中陽極半徑在大約O.25至大約I. 5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間，且陰極半徑在大約O. 5至大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流之間。
39.根據權利要求
36所述的方法，其中陽極半徑小於大約I.5cm乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流，且陰極半徑小於大約3乘以裝置內的以兆安為單位的峰值電流。
40.根據權利要求
36所述的方法，其中陰極包括一個或多個圍繞陽極定位的單獨的電極。
41.根據權利要求
36所述的方法，其中陰極具有施加角動量的螺旋形扭曲。
42.根據權利要求
36所述的方法，其中陰極被螺旋形線圈圍繞以施加角動量。
專利摘要
本發明包括用於產生X射線(38)和/或離子束和用於實現聚變能量生成和將能量轉換為電能的設備和方法，包括同軸地且至少部分地在反應室內定位的陽極(14)和陰極(12)，通過具有螺旋形扭曲的陰極(12)、以及圍繞陰極(12)的螺旋形線圈(22)或其組合向等離子體團施加角動量。陽極(14)具有陽極半徑且陰極(12)具有陰極半徑，其施加了高磁場。反應室包含了氣體和與陽極(14)和陰極(12)電連通的電子放電源。作為電子放電的結果，形成了圍繞陽極(14)的密集的磁限制的等離子體團且發射了一個或多個粒子。
文檔編號H01J35/00GKCN101443853 B發布類型授權 專利申請號CN 200780007065
公開日2013年2月13日 申請日期2007年2月28日
發明者E·J·勒納, A·布萊克 申請人:勞倫斯威爾等離子物理公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3),