專利名稱：利用慣性靜電約束放電等離子體的等離子體噴射源的制作方法
本申請基于1996年11月1日美國臨時申請SN 60/030,009要求本國優(yōu)先權(quán)，并且將該申請的全部內(nèi)容在此引做參考文獻(xiàn)。
本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置使用離子或中性帶電氣體提供一種推動力(thrust force)或物質(zhì)流，具體地說，本發(fā)明涉及一種能噴射出具有噴射狀的物質(zhì)的裝置，該噴射狀的物質(zhì)可用于工業(yè)等離子體噴射，工業(yè)材料處理，廢品處理，焊接或切割材料，或用做等離子體蒸氣淀積。本發(fā)明還涉及一種裝置，該裝置可以提供推動推力以用于太空船的推動，具體地說該裝置是一種離子噴射推進(jìn)器，該裝置采用慣性靜電約束設(shè)計，該設(shè)計具有放電等離子體，用于當(dāng)從等離子發(fā)射裝置加速和排出時產(chǎn)生提供推動力的離子。
熱離子化或中性帶電氣體的強(qiáng)源(intense source)在各種工業(yè)應(yīng)用中有很大的需求，如用于清潔或蝕刻表面的等離子體噴涂以及用于噴濺或蒸氣淀積的等離子體源。這樣的源對于很多需要強(qiáng)熱源的應(yīng)用，如廢品處理或材料切割和焊接也是有價值的。
在另一種應(yīng)用中，太空飛船，特別是用于電訊的商業(yè)衛(wèi)星的設(shè)計者們，非常關(guān)心由他們的設(shè)計所帶來的每單位“商業(yè)負(fù)荷(payload)”的成本。由于可擴(kuò)充火箭和“太空飛船”的有限的容量的原因，太空飛船的設(shè)計中要求嚴(yán)格的大小和容量限制。因此，發(fā)射到同步軌道上提供聲音，數(shù)據(jù)，和電視服務(wù)之類的通訊衛(wèi)星的“商業(yè)負(fù)荷”將包括天線，問答機(jī)，信號處理和交換設(shè)備之類直接提供通訊服務(wù)的設(shè)備。為了最大化給定太空飛船設(shè)計的效益，“商業(yè)負(fù)荷”必須最大化以提供最大的效益產(chǎn)生能力。由于衛(wèi)星的其余部分涉及到飛船體，太陽能電池，動力系統(tǒng)，熱控制系統(tǒng)，軌道駕駛推動系統(tǒng)等“額外”結(jié)構(gòu)和設(shè)備，最大化收入產(chǎn)出負(fù)荷的目標(biāo)要求額外負(fù)荷必須減小。當(dāng)然，“商業(yè)負(fù)荷”和“額外負(fù)荷”之間的平衡要考慮飛船上提供的額外服務(wù)并根據(jù)效率和壽命來決定。
用于飛船的軌道駕駛推動系統(tǒng)是重要的，因為它至少有兩個用途。其一是飛船在同步軌道或低/中高度地球軌道或星際飛行軌道上的維護(hù)。推進(jìn)器產(chǎn)生了動量的改變以在預(yù)定軌道點(diǎn)或段改變速度向量。推進(jìn)器的其它用途是做為系統(tǒng)的促動器以維護(hù)飛船的高度和方向。在太空真空中，靠動量改變來達(dá)到反作用力?；鸺驀娚浞椒ㄊ潜绢I(lǐng)域中已知的方法。進(jìn)一步的應(yīng)用是將飛船發(fā)射入軌道的推動系統(tǒng)，它通常是靠較高推動的化學(xué)火箭引擎來完成。依據(jù)推動系統(tǒng)的要求，推進(jìn)器必須在要求的功率方式(regime)內(nèi)工作并且提供指定的推動水平(即，在給定的時間間隔期間每消耗單位推動物質(zhì)的推動力)，效率水平和適合于該應(yīng)用的推動。在過去，除雙推動液體和固體化學(xué)火箭以外，一般的飛船推動系統(tǒng)采用了單推動物推進(jìn)器。電子離子推進(jìn)器也被提議用于此項用途；然而，至今為止，這項技術(shù)并未達(dá)到足以可用于商業(yè)和科學(xué)飛船應(yīng)用的成熟和可靠程度。
下一代通訊衛(wèi)星將要求另一種推動系統(tǒng)，他們應(yīng)是衛(wèi)星質(zhì)量的一小部分。這種推進(jìn)器還必須在低功率范圍內(nèi)工作(200-700W)，但必須能提供中等特定的推動力(1000-3000S)并且提供范圍在幾千萬牛頓的推動(mN)，然而，已知的電子增強(qiáng)推進(jìn)器設(shè)計，如電弧噴射(arcjet)和電阻引擎推進(jìn)器，在1KW以下的功率級上工作不夠理想。使用塑料或其它的固體推動材料的脈沖(pulsed)磁性等離子體動態(tài)(MPD)推進(jìn)器效率較低，通常在30％以下，這不符合于減小飛船額外負(fù)荷質(zhì)量的目的。雖然電子離子推進(jìn)器的發(fā)展已取得了一些進(jìn)步，特別是具有平面設(shè)計的那些推進(jìn)器，但是他們的效率特別是低功率部件的壽命仍然是要關(guān)心的問題。此種推進(jìn)器的一個突出的問題是工作期間電子?xùn)?grid)的腐蝕。
通常的平面離子推進(jìn)器使用磁場來約束用于離子化中性推動原子的電子。除現(xiàn)有的離子噴射概念之外，至今沒有其它的球形的(spherical)推進(jìn)器概念，也沒有任何其它推進(jìn)器采用電子導(dǎo)向柵(electron guide grid)來振蕩電子以達(dá)到離子產(chǎn)生的目的。相關(guān)的先前的發(fā)明包括John P.Brophy的用于離子推動引擎的3柵加速器系統(tǒng)(美國專利5,369,953),J.R.Kaufman的原有的電子轟擊推進(jìn)器概念(美國專利3,156,090)，和R.Boyer和J.P Journoux的氣體離子化室概念(美國專利4,468,564)，但是他們與本發(fā)明的關(guān)系較遠(yuǎn)。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種離子推進(jìn)器的設(shè)計，該設(shè)計可以減少柵腐蝕和明顯增加推進(jìn)器壽命。
本發(fā)明的另一個目的是推供一種熱離子化或中性形式的氣體源設(shè)計，該設(shè)計體積緊湊，具有大大減少重量的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的是減少中性推動物氣體泄露，這樣便節(jié)省推動物并且進(jìn)一步減少質(zhì)量。
另外，本發(fā)明另一目的是提供一種用于工業(yè)應(yīng)用的熱離子化氣體或中性帶電氣體源的設(shè)計，該應(yīng)用需要等離子體噴濺，蒸氣淀積，或強(qiáng)等離子體加熱。
本發(fā)明概述本發(fā)明是一種靜電離子噴射源設(shè)計，該設(shè)計基于慣性靜電約束(IEC)技術(shù)。按照本發(fā)明，慣性靜電約束噴射源采用了一種與真空室內(nèi)離子的產(chǎn)生和加速一致的配置。在高密度區(qū)域中的虛擬陰極的形成，與局部扭曲的陰極柵電位場相結(jié)合，以強(qiáng)準(zhǔn)中性離子噴射的形式提取加速離子。
在本發(fā)明的一具體實施例中，噴射源使用了一種球形配置，在該配置中，向電接地的球形真空室的中央的核心產(chǎn)生和加速離子。氣體的推動物被引入該室內(nèi)容器的適當(dāng)位置。在該容器中，第一線柵(wire grid)(最好是一球形陰極線柵)具有高幾何穿透率(最好＞90％)，并且被設(shè)計為可提供超高效穿透率(最好98-99％)，該第一線柵位于容器的中央核心區(qū)域?！坝行Т┩嘎省钡亩x是在后繼離子束的外形不均勻的情況下離子穿過柵的概率。在本發(fā)明中，離子在經(jīng)過柵開口中心附近的通道(微通道)中被集中，減少了截斷的機(jī)會和增加了該柵的主幾何穿透率以上的有效穿透率。在第一線柵和容器壁之間是一個第二帶正電的位于接地球附近的外部電柵，。它具有電子導(dǎo)向柵的功能，增加了電子路徑長度并且增強(qiáng)了背景(background)中性氣體向等離子體的離子化率。負(fù)電位被提供在內(nèi)部柵上以提供合適的電場以用于離子化氣體。該電場，與位于球中的發(fā)射體發(fā)出的電子一道，將促使球內(nèi)離子的產(chǎn)生以及離子到“微通道”的(formation)排并。這些離子的微通道可以由球形柵引導(dǎo)以聚集在室和柵中央。一個第三柱形柵位于內(nèi)陰極柵和外陽極柵和地壁之間并且形成至球壁上一孔的通道，該第三柱形柵確定了從推進(jìn)器發(fā)出的離子的排放路徑。
本發(fā)明還包括輔助通道柵設(shè)計，該設(shè)計采用了具有縱向軸的柱面容器，離子沿該軸被引導(dǎo)以從容器發(fā)射出。
本發(fā)明還包括球形的、柱形的，或其它幾何設(shè)計的IEC設(shè)備，該設(shè)備具有柵狀電極，該電極被偏置在一個電位上，該電位足以產(chǎn)生和加速離子。該設(shè)備包括通道柵，用以在靜電電位下創(chuàng)建一個通道，離子通過該通道以最大動能逸出。
IEC等離子體噴射設(shè)備的另一個特征是它可以有兩種配置用于離子/等離子體產(chǎn)生。第一種配置僅采用在外部接地球和負(fù)偏置內(nèi)球形陰極線柵之間簡單等離子體發(fā)光放電。電子通過位于陽極柵和地壁之間的放電區(qū)域撞擊背景中性氣體，產(chǎn)生隨后由陰極柵向該設(shè)備中心加速的離子。第二種用于離子產(chǎn)生的配置采用了一種另外的球形線網(wǎng)絡(luò)，該柵的直徑大于陰極柵并且位于陰極柵和地壁之間，但接近地壁。電子發(fā)射體，如加熱的鍍釷線，位于地壁周圍。另外的球形線柵也具有高幾何穿透率(＞90％)，并且被偏置為正電壓(100to 1000V)。這一外部陽極柵是一個電子導(dǎo)向柵，它幫助回旋和約束位于導(dǎo)向柵周圍的薄球形體積中的發(fā)射體產(chǎn)生的大多數(shù)電子，因此有助于最大化和局部化背景中性氣體的離子化和該體積中離子的產(chǎn)生，并接近地壁。電子導(dǎo)向柵，與電子發(fā)射體一道，改善IEC等離子噴射設(shè)備的離子化效率，并且由于離子產(chǎn)生的局部化，到達(dá)核心的加速的離子更具有單一能量的分布。這些特征改善著推進(jìn)和等離子體推進(jìn)器效率，并且允許更多的對等離子體處理噴射的控制。
本發(fā)明的另一個特征是使用氙或類似的推動氣體，它被從環(huán)繞室外壁的重要的位置上的孔送入該設(shè)備，這樣便最大化了推動物離子化和最小化了中性氣體原子損失。
然而，本發(fā)明的另一個特征是DC(直流電)或脈沖DC或AC(交流)電源可以被用做輸入。所有這些類型的輸入電源將產(chǎn)生推進(jìn)力，恒定的或是與DC電源輸入成正比，與單一的或重復(fù)的脈沖輸入電源同步的脈沖的推進(jìn)力，或與對應(yīng)頻率上的AC輸入電源同步的脈沖的推進(jìn)力。
本發(fā)明的另一個特征是使用富碳?xì)怏w，如甲烷，并與其它的緩沖氣體如氬或氙結(jié)合，該富碳?xì)怏w從環(huán)繞室外壁的重要的位置的孔送入該設(shè)備中。可以選擇離子化和約束條件以產(chǎn)生由六十個大碳原子組成的大碳分子類碳分子，如碳60。這些分子重量很高的分子在離子火箭馬達(dá)中被需要以用做推動物，因為他們使動量改變或推動得到了改善，也使特定需要的推動力得到了改善。氣體的甚至是液體的甲烷推動物可以在飛船上相對容易地存放。
本發(fā)明的另一個特征是使用氮?dú)怏w做為推動物。雖然這類推動物不提供最高的特定的推動力，但當(dāng)大量的大氣空氣由低地球軌道液體氧收集器衛(wèi)星穿過(scoop)時，這種推動物是優(yōu)選的，其副產(chǎn)品是液態(tài)氮，需要使用氮來補(bǔ)償大氣拖動的穩(wěn)定減速。IEC噴射火箭馬達(dá)的電池可以提供拖動補(bǔ)償推進(jìn)力。
本發(fā)明的另一個特征是當(dāng)其被應(yīng)用于工業(yè)等離子體噴射過程時其推動氣體可以被用做為其它如金屬之類的材料的載體或緩沖。這些金屬將由氣體流以微粒子形式引入室內(nèi)。金屬粒子的離子化將使金屬成為單個的金屬原子或離子。金屬離子將向著通常為塑料的或金屬元件的將變成有鍍層的目標(biāo)物噴射。這種產(chǎn)生的高反射的鍍層通常可以在“金屬化的”或鍍金屬塑料元件以及金屬“鍍鉻(chromed)”浴室設(shè)備上看到。這種等離子體蒸氣淀積(PVD)處理在某些行業(yè)中是眾所周知的，它取代了電化學(xué)金屬鍍方法。這種PVD設(shè)備制造者們已表明需求更高效的和更合算的等離子體噴射發(fā)生器。IEC噴射在這些應(yīng)用范圍中是很受歡迎的。
本發(fā)明的另一個特征是等離子體或中性噴射的動能可以被控制，因此可以一致地再現(xiàn)粒子穿透目標(biāo)物材料的程度。這種操作可以提供唯一的相同的切割，在用于局部加熱、焊接或切割操作時也如此。另一個采用等離子體噴射的熱熔化能力的相關(guān)應(yīng)用是廢物處理。例如，土壤中充滿的各種有機(jī)廢物可以被加熱，分解，以及產(chǎn)生物以蒸氣形式排放以做后續(xù)處理。將會有很多工業(yè)以及研究工具應(yīng)用做為IEC噴射發(fā)明的派生得以發(fā)展。
總之，IEC噴射源是一個獨(dú)特球形裝置，它有一個專門的放大的孔柵以形成噴射，采用電子發(fā)射體和電子導(dǎo)向柵在外部離子化區(qū)域內(nèi)振動電子以作為離子源，采用柱形導(dǎo)向通道柵輔助噴射物流出球形柵區(qū)域。
盡管現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計具有采用電子引入離子化來產(chǎn)生離子的共同特征，但沒有采用本發(fā)明IEC噴射源裝置獨(dú)有的球形裝置，放大的孔柵，通道導(dǎo)向柵和電子產(chǎn)生/約束方法?，F(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計產(chǎn)生了較寬區(qū)域的等離子體流，而本發(fā)明產(chǎn)生的是小直徑噴射。


圖1是慣性靜電約束(IEC)中子/質(zhì)子發(fā)生器的概要圖，它是同時待批申請S.N.08/232,764的主題；圖2是IEC噴射源的概要設(shè)計，它是本發(fā)明的主題；圖3是沿IEC噴射源推動軸的電位說明圖；
圖4是IEC噴射源工作期間形成的微通道的星型方式說明圖；圖5是IEC推進(jìn)器以帶有聚焦束的噴射方式工作的說明圖；圖6是IEC噴射源的離子化過程的說明圖；圖7是用于單一靜止目標(biāo)物的等離子體處理的IEC噴射說明圖；圖8是用存取端口，控制閥，和傳送帶的系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)亩鄠€目標(biāo)物的連續(xù)等離子體處理所采用的IEC噴射說明圖；圖9是帶有脈沖電力系統(tǒng)的增強(qiáng)和控制其性能IEC噴射裝置說明圖；圖10是使用重氫和氦-3做為聚變(fusion)燃料源的IEC聚變等離子體噴射推進(jìn)器的說明圖；圖11是IEC噴射源另一實施例的說明圖。
優(yōu)選實施例說明1994年4月25日申請的美國專利公開文獻(xiàn)08/232,764(Miley et al.)公開了一種IEC粒子發(fā)生器，其內(nèi)容在此引做參考。此文獻(xiàn)所公開的慣性靜電約束裝置包括一直空容器，它被保持在地電位，并且在容器內(nèi)部與該容器同心地包括一個作為陰極的線柵。陽極可以由多種具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)诙娮雍蜔犭娮酉禂?shù)的金屬制成。陰極線柵被連接至電源上以提供高負(fù)電位(30KV-150KV)，同時，容器自身是導(dǎo)電的并且保持在地電位。重氫(D)或重氫和氚(T)或氦-3(He-3)氣體的混合物被引入該容器。電壓被加載到陰極線柵上并且調(diào)整壓力以啟動發(fā)光放電。為最大化每單位功率輸入的中子產(chǎn)生，同時通過減少離子與柵碰撞而最大化柵壽命，采用了一些工作條件以創(chuàng)建“星型”發(fā)光放電模式。發(fā)光放電在柵和容器壁之間的放電區(qū)域產(chǎn)生離子。這樣形成的離子由陰極柵產(chǎn)生的電場從放電區(qū)域提取出來。這種電場通過柵開口加速提取離子并且將他們聚集在球形裝置中心點(diǎn)上的一個小的球形區(qū)域中(形成一個“等離子體核”)。產(chǎn)生的高能量離子與背景氣體相互作用(束-背景反應(yīng))并且與等離子體核中的自身相互作用(束-束反應(yīng))，產(chǎn)生高速聚變反應(yīng)。其結(jié)果是產(chǎn)生D-D或D-T聚變反應(yīng)物之一的中子的中子發(fā)生器。其中噴出率較高，并且注入的離子可以提供很強(qiáng)的局部位置電位區(qū)域以向等離子體核心吸引和加速電子，之后電子在正離子產(chǎn)生電位區(qū)域的中心產(chǎn)生強(qiáng)局部電位井。這種結(jié)構(gòu)，術(shù)語叫“雙電位井”，捕獲并約束離子束，產(chǎn)生更高的反應(yīng)速率。此裝置也可被修改成采用D和He-3氣體混合物做為聚變產(chǎn)生質(zhì)子和中子的源。
圖1示出了該裝置的一種幾何形式。這種裝置可以被廣義地看成是一帶有等離子體目標(biāo)物的離子加速器。在中子產(chǎn)生器的實施例中，重氫-重氫或重氫-氚聚變反應(yīng)在等離子體目標(biāo)物中發(fā)生并且產(chǎn)生積極的中子。該裝置功能為簡單球形等離子體二極管，其外部球體具有地電位，在幾何形狀上基本為可穿透的內(nèi)部球形柵上具有負(fù)電位。球形慣性靜電約束裝置10由圖示1出，其中導(dǎo)電真空室11在連接處17連接至地電位，該裝置具有陰極柵12，它在室內(nèi)確定了一個小球體并且具有提供高幾何透明性的柵設(shè)計。然而在工作中，由于下面將說明的離子向微通道中的集中效果，該柵設(shè)計具有更高效的穿透率。電源14通過高壓電饋送設(shè)備連接至內(nèi)部陰極柵12。該電壓具有負(fù)值，這樣便在真空室相對正壁和中央柵區(qū)域之間提供了一偏置電壓。用控制閥15將氣體引入真空室11并用泵18抽空。取決于具體的IEC裝置的功能和應(yīng)用的要求，其它一些已知的如殘余氣體泵的氣體存儲和壓力調(diào)節(jié)方法也可以被采用。
對于某些柵配置設(shè)計，對陰極柵加載電位之后，配合適當(dāng)?shù)臇烹妷海瑲怏w壓力和氣體類型，在IEC裝置內(nèi)將形成高密度離子和電子束以啟動“星型”工作方式。在這種方式下，高密度，空間帶電的中子化離子束被排并入經(jīng)過柵線間開放空間的微通道中，由于離子避免與線觸碰，這種方式將有效柵穿透率增加至高于幾何值的水平。這樣，這些微通道明顯減少了柵轟炸和腐蝕并且增加了功率效率。對通常的星型工作方式來說，柵和微通道束是對稱的，這樣便產(chǎn)生了高密度的會聚核。在這種配置中IEC裝置作用為一貴重的質(zhì)子中子源。
IEC裝置的基本原理已被應(yīng)用于為產(chǎn)生推動力而在真空容器中產(chǎn)生等離子體和將真空容器開口處噴射出的等離子體排并入通道。已經(jīng)確定，靠放大至少一個柵開口，非常強(qiáng)的，高耦合空間帶電中性化的等離子體噴射將被產(chǎn)生并被從中心核處等離子體區(qū)域?qū)С觥娚涞男纬墒窃诜糯蟮臇砰_口處電位表面的大幅扭曲的結(jié)果。產(chǎn)生的局部電位傾斜啟動了電子流，該電子流之后拖動離子穿出表面。其結(jié)果是在那個位置上形成強(qiáng)空間帶電中性化束。
IEC推進(jìn)器通過在保持在稍正電位的導(dǎo)向柵附近發(fā)射和振蕩電子來在氣體放電區(qū)域中產(chǎn)生離子。中央負(fù)柵從放電區(qū)域中提取離子并且使他們向裝置中心加速。當(dāng)在IEC推進(jìn)器容器中啟動時，“星型”方式約束加速的離子，直到他們被從等離子體噴射開口導(dǎo)出為止。按這種方法，大多數(shù)離子能以全加速方式通過等離子體噴射從核區(qū)域逃逸。這樣，局部電位傾斜打亂的方式提供了存儲和導(dǎo)向活躍離子的有效的方法。
圖2示出了IEC噴射源的設(shè)計，源110包括球形真空室111，該真空室在一邊具有一個小孔112。由線或葉片組成的球形電極柵113，其葉片平面(planar axe)與球形電極質(zhì)量中心相交，球形電極由高溫，高電子，如鎢或鉭的放射性材料構(gòu)成，該柵113具有大于90％的幾何透明性，并且安裝在室內(nèi)部，柵還包括多個以幾何形狀連在一起的葉片(vane)，這些葉片從徑向看具有很薄的外形以達(dá)到高幾何穿透率。該柵用于定義約束等離子體的中心空間，該等離子體由產(chǎn)生的離子組成，并且提供成為等離子體噴射的離子流。第二個孔114，與第一個孔大小接近，被形成在線柵113的一邊。該孔114和室壁上的孔112對齊并且用直徑大致為雙孔直徑的柱狀“導(dǎo)向”柵115連接于孔112。柱狀柵115在靜電位分布中創(chuàng)建一通道。通過該通道離子在噴管117中以其最大動能逃逸。圖3中示出了靜電位變化。絕緣器118覆蓋室111的接地壁并且其大小必須能防止接地容器壁到柱形柵115的電弧放電(arc-over)，如圖所示，該高壓絕緣器具有球形形狀并且覆蓋等離子體噴射噴出該裝置的孔附近區(qū)域的外部接地壁。高壓絕緣器還規(guī)劃(line)出等離子體從其中通過的孔的內(nèi)部。絕緣器在負(fù)偏置柱形柵陰極、外部接地球和電子導(dǎo)向柵之間保持電位差。該裝置還使用絕緣的支持結(jié)構(gòu)來支撐電子導(dǎo)向柵，球形陰極，和此處的柱形柵。內(nèi)部電子?xùn)?13通過一絕緣的饋送電纜(feed throughcable)20連接到電源119。電纜和連接器(未標(biāo)號)包括高壓饋送絕緣系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得高負(fù)電壓電源送至內(nèi)部陰極113，低正電壓源送至電子導(dǎo)向柵116。連接至電源126(例如10-1000V)并且與接地球111同心且接近的帶正電外部電子?xùn)?16，與電子發(fā)射體121一道，產(chǎn)生離子。位于內(nèi)部陰極和外部接地球之間的中間球形柵狀結(jié)構(gòu)116對于離子和電子流是高度可穿透的并且相對于接地球電位被偏置為正電壓。這種結(jié)構(gòu)是一電子導(dǎo)向柵，該柵有效地增加電子通道長度并且增加了背景中性氣體到等離子體的離子化率。如圖3所示，電子導(dǎo)向柵的球形不超出整個裝置。在等離子體噴射逃逸該裝置的等離子體噴射孔附近的一部分電子導(dǎo)向柵被切除，外部柵116上的電壓必須被選擇成使離子的產(chǎn)生最大化，并且可以在0.1KV到-30KV之間，并且可以在0.005到2000安培電流下工作。加速電壓必須保持在一定水平(如1KV)，以確保產(chǎn)生的排放速率接近需要的水平(如30000m/s，其中特定的推動力小于3000秒)?？梢允请蚱渌愃撇牧系臍怏w推動物122被通過容器111的壁上的合適的位置上的孔123送入室內(nèi)。室內(nèi)中性氣體推動物的存在將被保持在0.1和20mTorr之間的氣體推動物壓力。整個饋給氣體和離子化系統(tǒng)被最優(yōu)化以最小化工作期間中性推動物的損失。關(guān)鍵是要保證等離子體噴射充分地充滿用于使其逃逸的真空容器開口。在這種方式下，噴射邊緣周圍的中性原子的泄露大大地減少。電子發(fā)射體125被連接成接近噴射排放孔114以保證徹底的中性化。另有電子發(fā)射體被安置在裝置內(nèi)側(cè)，并且連于外接地球，其發(fā)射體線圈/槍(coils/guns)位于外球壁和電子導(dǎo)向柵116之間的空間中。
如圖2所示，中央核128是高度集中的離子的位置，并且作用為由該源發(fā)射的等離子體噴射117的源。
圖3說明了沿IEC推動軸的電位。圖中從左至右可見，電壓在容器壁211是0，因為該容器壁接地，在其接近正偏置電子導(dǎo)向體222時上升。然而，向裝置中心的進(jìn)一步的移動將表現(xiàn)出電壓向負(fù)偏置加速柵電壓V(AG)最小值的銳減。在加速柵中心，電壓再一次變正，在中心處最高，并且沿著柱形柵215中的等離子體噴射通道216降至穩(wěn)定的狀態(tài)水平。電位井的理論預(yù)示在高離子流上形成第二虛擬陰極。
已公開的IEC源將使用包括具有131.3amu分子重量的氙的推動物。選擇該氣體是因為其有相對較高的質(zhì)量并且易于離子化，但也可以采用如銫，氬，氫，氦，甲烷，重氫，甚至氮之類的替代氣體。當(dāng)使用如甲烷的碳基氣體時，噴射將包括如六十個碳原子組成的大碳分子之類的微粒子。如圖2所示，容器111本身由不銹鋼之類的導(dǎo)體材料組成，而電子導(dǎo)向體(guide)116，加速柵114和柱形柵導(dǎo)向115由不銹鋼，鈦，鎢鉬或釩之類具有高溶點(diǎn)，高第二電子系數(shù)(coefficient)，低電阻性，高熱傳導(dǎo)性，和低濺鍍率的材料制成。非導(dǎo)體容器材料也可以被使用，但需要另外的柵。
在-1KV源119和+100V源126的基礎(chǔ)上，該裝置可以形成一個特定的具有34mN推動和500W噴射功率的3000S的特定推動力。使用這些電壓值，凈(net)加速電位將接近600V，并且其束電流接近800mA以及其輸入接近750-800W。柵的功率消耗小于50W并且推動物離子化的功率消耗接近200-250W，這一點(diǎn)表明了較大的有效穿透率。結(jié)果是，整個推進(jìn)器的效率接近60-70％。由于葉片空間和柵線的粗糙以及微通道的形成，IEC裝置比平面靜電離子源或推進(jìn)器具有較大的有效穿透率，電柵的功率損失較低，即使是在多個離子在從噴口噴發(fā)之前通過該IEC裝置循環(huán)的情況下也是如此。IEC裝置在等離子體中心核處比在平面推進(jìn)器情況下的等離子體具有高密度和溫度，但這種情況下由于較高的軔致輻射率造成的相應(yīng)的放射(radiation)損失的增加卻是可以忽略不計的。熱放射損失應(yīng)該可與平面等離子體裝置的損失比較。在IEC推進(jìn)器中，離子和電子在發(fā)射之前被再循環(huán)，并且離子化區(qū)域被多柵系統(tǒng)較高效地局限，提供了每全速排放離子所耗能量的較好的效率?？紤]了這些因素，每離子能量支出(推動物的離子化帶來的功耗)低于平面推進(jìn)器的估計的每離子300eV。
圖4是IEC裝置中星型方式的說明圖。本說明說明了通過中央柵開口的微通道的形成。微通道從中心核區(qū)域通過柵伸展至容器壁。
壓力，體積，和電流參數(shù)，以及柵設(shè)計的結(jié)合產(chǎn)生了充足的電場局部擾亂，以使離子偏斜到通道中。這種擾亂是由開口的足夠大覆蓋柵球全區(qū)域部分的柵的孔的大小來實現(xiàn)的。自場(self-field)力進(jìn)一步輔助限制和保持離子束。如在上述待審申請中所解釋，對于球形設(shè)計，球表面柵開口表面的高度和球半徑Rc之比決定了電位表面的壓縮程度，因而造成束形成。
圖5是說明具有IEC推動配置的裝置中形成的等離子噴射照片。多個微通道僅模糊可見，其中通過球形柵區(qū)域從中央核到容器真空室壁聚集了等離子體噴流。在室壁上適當(dāng)開口的提供將允許噴射物噴出容器以提供推動。當(dāng)在外部真空自然存在的太空中時，這種操作很容易，但在地球上還是需防止空氣流回噴射的機(jī)構(gòu)。
圖6是IEC推進(jìn)器300中的離子化過程的照片。該推進(jìn)器包括接地容器311，該容器311有一開口322，用于推動物氣體的插入以及一出口312，用于等離子體噴射317的投射。球形負(fù)加速柵313被提供至容器中心，并且正柵電子導(dǎo)向316被同心地設(shè)置在負(fù)加速柵周圍，接近容器壁。為簡化說明，柱形導(dǎo)向柵在此未示出。在工作中，電子發(fā)射體321將產(chǎn)生電子，該電子從源位置350沿著正柵電子導(dǎo)向從源位置350向中間點(diǎn)351沿導(dǎo)向流動，在電子流經(jīng)導(dǎo)向時，他們將因電壓的作用通過與背景氣體的離子化碰撞而振蕩并且將產(chǎn)生正離子354。離子化粒子354將在兩個柵所創(chuàng)建的內(nèi)場的控制下流經(jīng)容器的中心356。正離子返回對應(yīng)于他們產(chǎn)生點(diǎn)電位值的電位表面。在此點(diǎn)上，所有動能被轉(zhuǎn)化成電位能量，這樣，他們的運(yùn)動停止并且他們反向，被向容器中心回加速，之后，他們再次返回容器中心以進(jìn)一步行動。
慣性靜電約束源的設(shè)計不限于球形設(shè)計，而是也可以有柱形的，橢圓的或其它的設(shè)計。柱形設(shè)計是基于由多離子束交叉在室中心產(chǎn)生的等離子體目標(biāo)物的使用的。使用其它的幾何設(shè)計，如柱形設(shè)計，一種產(chǎn)生離子流和離子向推動等離子體噴流偏轉(zhuǎn)(deflect)的相似的方法將提供相似的結(jié)果。這樣的設(shè)計將產(chǎn)生好的效果，低重量以及，由于非常開放的加速器柵結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的長壽命。任何飛行物上(on-board)所存儲的適用的源，收集的，或產(chǎn)生的電源都可以被調(diào)整以提供需要的電壓和電流。
已經(jīng)定義了IEC離子源的幾個優(yōu)選實施例，例如，產(chǎn)生單一窄等離子體噴射的裝置可以是32cm直徑真空室，該真空室具有5cm直徑柵，包括直徑為2.5cm的六角孔，12個邊長為2.5-cm的等邊三角形，和12個邊長為1.5cm的等邊三角形，3到5millitorr(千分之一陶爾)氬氣體室壓力，1到3KV柵電壓，1到60mA電極電流。單一窄等離子體噴射通過柵中的六角孔擺脫(emerge)。相應(yīng)地，孔也可以通過去掉兩相鄰三角形柵孔之間的一個結(jié)構(gòu)單元而成為鉆石形。
另一實施例包括其中具有7.5-cm直徑電子?xùn)诺?1-cm直徑真空室。柵形式包括平均直徑為0.9-cm且一個放大直徑為1.8cm的圓孔的圓孔形式。一個10到20mA電極電流和1到5KV被加載以產(chǎn)生單一窄等離子體噴射，該噴射通過柵中放大的圓孔擺脫。
做為頭兩種設(shè)計的變化，多等離子體噴射可以同時靠使用柵形式中多放大柵開口(六角形或圓形)同時產(chǎn)生。多噴射的數(shù)量和方向由放大開口的柵形式上的數(shù)量和位置決定。
這樣，進(jìn)一步的設(shè)計還產(chǎn)生了六個單獨(dú)的窄等離子體噴射，其具有如下的設(shè)計配置和操作條件。特別是，有31-cm直徑真空室，具有95％幾何穿透率6-cm小軸和8-cm大軸3-環(huán)橢圓電子?xùn)牛?到10millitorr(千分之一陶爾)氬氣體室壓力，20-30KV柵電壓和5-15mA電極電流。
做為另一個多噴射的例子，該裝置可以被配置成按照如下的設(shè)計配置和操作條件產(chǎn)生一主(dominant)噴射和一小的正相反的噴射。在球形真空室中有一個柵，該柵包括匯集以產(chǎn)生在北極和南極處相交的3個環(huán)的球形柵的7個0.2-mm厚35-mmO.D.29-mm I.D.的環(huán)。余下的四個環(huán)被安排成構(gòu)成再一個的(recurring)三角孔的一樣的形式。陽極室壁具有230-mm內(nèi)徑。室內(nèi)提供了7-9×10＾-3毫巴的氣體大氣壓，和10-40mA的電流，和5-15KV電壓。噴射通過最大的三角孔噴出。
上面的說明被應(yīng)用到離子火箭馬達(dá)的應(yīng)用中，同時，IEC噴射也可以被相似地配置以用于工業(yè)應(yīng)用。對于這些應(yīng)用，IEC噴射源單元將被容納在一個大體積的真空容器之中，該容器中還容納了等離子體或中性粒子噴射將要作用的目標(biāo)物。IEC噴射單元可以被固定在一個位置上，目標(biāo)物被移入噴射打擊區(qū)域或IEC噴射單元可以由軌道促動器移動以噴鍍(spray coat)目標(biāo)物，該目標(biāo)物被固定(mount)以求得最佳鍍質(zhì)量。
具體地說，IEC等離子體噴射在工業(yè)及科學(xué)應(yīng)用中的使用在圖7中被做舉例說明，其中需要等離子噴射，蒸氣淀積，或強(qiáng)等離子體加熱。圖7說明了用于單一靜止目標(biāo)物等離子體處理的IEC等離子體噴射417。單一目標(biāo)物420，或在轉(zhuǎn)動臺422上安置的目標(biāo)物排列到可以被放入一個連接至主IEC裝置真空室411的大真空室423。IEC等離子噴射417首先通過柵413中的孔414，并且之后通過IEC真空室壁411上的孔412并且擊中目標(biāo)物。多存取端口421在等離子處理室423附近以換出(change out)等離子體目標(biāo)物。閥(如421A,421B)被用在某些存取端口上以控制等離子體處理室的真空。
圖8說明了使用IEC進(jìn)行等離子體處理的另一個概念。這一概念允許多等離子目標(biāo)物的連續(xù)等離子體處理。一個大等離子體處理真空室523被連接至主IEC裝置真空室。目標(biāo)物520通過帶有至少2個真空控制閥521A、521B的存取端口521送入。目標(biāo)物被送上傳送帶系統(tǒng)530，該傳送帶系統(tǒng)將他們在IEC等離子體噴射517前排成行移動以進(jìn)行處理。處理的目標(biāo)物被運(yùn)輸?shù)搅硪粋€具有多個真空控制閥524A,524B的存取端口524，在此他們可以從系統(tǒng)中撤除。這一系統(tǒng)比圖7系統(tǒng)復(fù)雜，但它不允許比較連續(xù)的等離子體目標(biāo)物的處理。在等離子體處理室上還可以有其它的端口以對完成的等離子體在從等離子體處理室(圖中未示但相似于521和524)移出之前執(zhí)行視覺/光學(xué)檢查和/或X-射線，或gamma-射線診斷。
對于如等離子噴射或蝕刻(etch)之類的其它的應(yīng)用，IEC噴射單元位于商業(yè)噴射或蝕刻單元中，噴射將被按目標(biāo)物材料的需要導(dǎo)向。
如前可見，IEC噴射裝置可以與穩(wěn)態(tài)DC電源641一道使用脈沖電源640，并且這樣的安排在圖9中說明。外部導(dǎo)體611連接到地并且脈沖電源640提供高壓或高電流脈沖至陰極柵613。在“halo”或“星型”方式下工作的IEC脈沖已是眾所周知(Yibin Gu,George Miley，的“脈沖IEC中子發(fā)生器”，發(fā)表在“第10次IEEE國際脈沖電源會議，Albuquerque,NM,1995年7月10-13日，3-5)；然而，IEC裝置在噴射方式下的脈沖以前并沒有被公開并且導(dǎo)致了脈沖等離子體噴射617的產(chǎn)生。脈沖IEC等離子體噴射不同于脈沖“halo”或“星型”方式，在該“hale”或“星型”方式中，必須采用的最小脈沖長度是2的因數(shù)或大于“halo”或“星型”方式所要求的長度，它通常需要其于離子彈回(bounce)時間，離子在裝置中循環(huán)時間的最小脈沖長度。一般的使用固態(tài)或等離子體開關(guān)的脈沖電源可以用于此種應(yīng)用中。
圖10是另一個具有接地外部約束容器711的IEC等離子體噴射源的實施例，它使用了由IEC裝置的約束所產(chǎn)生的聚變反應(yīng)以增加等離子體噴射的功率水平并且提供電能以保持推進(jìn)器的操作，以此消除從光電控制板(photo-voltaic panel)，或核裂變能源反應(yīng)堆中導(dǎo)出能量的外部動力源的使用。在等離子體噴射的聚變輔助方式中，重氫和氦-3聚變?nèi)剂嫌蒊EC裝置核心形成的陰極柵713以及相繼的虛擬電極約束。活躍的聚變反應(yīng)物等離子體噴射717從IEC裝置的孔712逃逸并且提供高動力，高特定的推動噴射。沒從孔逃逸的活躍聚變反應(yīng)物(質(zhì)子和阿爾法(alpha)粒子)被收集在構(gòu)成高正電壓的IEC裝置室中的漂浮的球形柵770上。該收集器柵770系統(tǒng)允許聚變能向電能的直接轉(zhuǎn)變。外部動力處理部件740將來自收集器柵的高正電壓(1到15MV)電轉(zhuǎn)化成低負(fù)電壓(-10到-100KV)，并且其被饋送入陰極柵中以保持裝置操作。另外，正偏置收集器柵770將起到電子導(dǎo)向柵的作用以局部化背景中性氣體的離子化，并且將聚變?nèi)剂想x子(離子化的重氫和氦-3)加速回到IEC噴射推進(jìn)器裝置的核心，為增加聚變等離子體噴射的推動，氫氣體760被混合入等離子體尾噴管717，并且必要時外部場磁體750可以被采用來幫助約束混合的等離子體噴出氣流。這種IEC噴射裝置操作的聚變輔助方式不同于Bussard的IEC聚變推進(jìn)器的概念(Bussard et al.，“做為緊湊聚變動力源的用于外星探索的慣性靜電約束”，NSTE-92用于空間探索的核技術(shù)，美國核社會，La Grange Park,1L,614(1992))，該系統(tǒng)基于氫推動物的電子束加熱，以及較早的由Illinois大學(xué)提出的概念(A.J.Satsangi,G.H.Miley et al.，“慣性靜電約束(IEC)聚變推動單元的改變技術(shù)”，第11屆空間核動力和推動討論會會議記錄，Conf940101,AIP Press,1297=1302(1994)。)，其中采用了IEC聚變動力裝置以產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)通常如弧光放電或平面靜電離子推進(jìn)器的電力推進(jìn)器的電力。
圖11是具有接地的外部約束容器811的IEC等離子體噴射源的另一實施例，該容器811包括一柵813并且通過容器811上的孔814產(chǎn)生噴射817并且采用了使用聚變反應(yīng)以釋放中子的IEC裝置的中子流產(chǎn)生的裂變反應(yīng)。從重氫-氫或氫-氚反應(yīng)產(chǎn)生的聚變中子將從IEC約束容器逃逸。一個可裂變材料850的外套(mantle)被安排在容器830內(nèi)以大致環(huán)繞IEC裝置。優(yōu)選的可裂變材料是釷(thourium)，因為它被認(rèn)為是比鈾或鈽同位素混合體更易被接受的裂變材料。IEC中子發(fā)生器做為所謂的次臨界的釷反應(yīng)堆提供中子的源的概念已由H.H.Hora獲得專利。次臨界釷反應(yīng)堆可以在成功地送入低地球軌道后起動。IEC裝置首先由電能存儲或太陽能光電或化學(xué)氣體發(fā)生器和渦輪系統(tǒng)起動以產(chǎn)生中子提供流以支持在釷中的裂變連鎖反應(yīng)。釷外套的產(chǎn)生熱被采用熱力系統(tǒng)工程領(lǐng)域中公知的熱交換方法傳送至冷卻劑(coolantloop)循環(huán)系統(tǒng)840中的熱工作流體。該熱可以被用來產(chǎn)生氣體階段(phase)，如蒸氣，以驅(qū)動渦輪發(fā)電機(jī)870組來發(fā)電。合適的電力工程領(lǐng)域中公知的電力調(diào)節(jié)設(shè)備890也可以被采用來為IEC聚變中子發(fā)生器和等離子噴射組合提供驅(qū)動電力。次臨界反應(yīng)堆熱還可以部分地被用于預(yù)熱火箭推動物以實現(xiàn)高推動增加。這樣的實施例減少了開發(fā)的難度要求，因為IEC聚變反應(yīng)率的性能要求低于自維持(sustain)聚變動力系統(tǒng)的要求并且IEC噴射推動將是太空飛機(jī)用IEC補(bǔ)充次臨界裂變反應(yīng)堆電能源的系統(tǒng)發(fā)展的一個理論進(jìn)步。增加推動的推動物860可以按前面討論過的方式提供給噴射817。
本發(fā)明雖以前面幾種實施例的方式說明，但本發(fā)明并不僅局限于此，其范圍由所附權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1．一種產(chǎn)生推動等離子體噴射的裝置，包括a．被構(gòu)造為氣體約束容器的具有一壁部分的第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有至少一個第一開口以允許等離子體噴射從該室逃逸并且產(chǎn)生推動性的推動b．在所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中構(gòu)造為一個柵的對于流動的離子和電子是高透明的第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)作用為一偏置為負(fù)電壓的陰極并且具有一在所述柵形結(jié)構(gòu)中的第二開口，所述第二開口被放大并且能扭曲局部電位場表面以使等離子體噴射通過所述第二開口從所述柵中流出；c．在控制的速度下將一中性氣體推動物流入所述氣體約束容器的裝置；d．為產(chǎn)生等離子體放電以足夠的值從電源向所述陰極柵提供負(fù)電壓電力的高壓饋送絕緣器系統(tǒng)；e．所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述第一開口與所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述第二開口調(diào)整對齊以使在所述容器中形成的等離子體從所述容器中以具有電力密度和推動的等離子體噴射的形式擺脫；其中所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)被偏置為地或零電壓之一并且所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)被偏置為負(fù)電位。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括f．由縱向軸確定的大致為圓柱形的，穿透的，柵狀的第三結(jié)構(gòu)，該第三結(jié)構(gòu)連接為其最近一端沿所述軸連接至所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面并且所述縱向軸與所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面正交并且與所述第一開口的中心和所述第二開口的中心對齊，該第三結(jié)構(gòu)做為陰極時被偏置為與所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)相同的電壓。
3．如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第三結(jié)構(gòu)伸出至所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的外部真空室壁，并且所述裝置還包括用于保持其間電壓差的絕緣器裝置，所述第三結(jié)構(gòu)能抑制沿縱向軸的電位以提供導(dǎo)向通道給從所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中逃逸的等離子體噴射。
4．如權(quán)利要求2所述裝置，還包括位于所述真空室內(nèi)部以提供電子源的電子發(fā)射體，所述外部電子發(fā)生體與所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)電絕緣，所述發(fā)射體在所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)外的第一開口附近，以防止包括的等離子體的負(fù)電壓形成。
5．如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括高壓絕緣裝置，用于保持負(fù)偏置第三結(jié)構(gòu)和所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的電位差。
6．如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述絕緣器裝置被構(gòu)造成覆蓋最接近所述第一開口的所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)并且規(guī)劃出所述等離子體噴射通過的所述第一開口的內(nèi)部。
7．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)大致為球形并且還包括一位于所述第一和第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的中間球形柵狀結(jié)構(gòu)，所述中間柵狀結(jié)構(gòu)對于離子和電子流來說高度透明并且被偏置為相對于所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)電位的正電壓。
8．如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述中間結(jié)構(gòu)包括能增加發(fā)射電子通道長度的電子導(dǎo)向柵，該柵并且增強(qiáng)和局部化背景中性氣體向等離子體的離子化率，所述電子導(dǎo)向柵的一部分具有一第三開口，該第三開口與通過該等離子體噴射的第二開口調(diào)整對齊。
9．如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述中間傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一在所述整個裝置中不均勻伸展的部分球。
10．如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述高壓饋送絕緣系統(tǒng)能允許高負(fù)電壓電源提供至所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且允許低正電壓電源提供至所述中間結(jié)構(gòu)。
11．如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述高壓饋送絕緣器系統(tǒng)至少提供從所述第一開口到所述第三開口的絕緣。
12．如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述電子發(fā)射體包括位于所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述中間柵狀結(jié)構(gòu)之間空間的電子發(fā)射器。
13．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中性氣體至少包括氙，氬，氫，氦，高碳?xì)浠衔?，氮，氚，?3和重氫之一。
14．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述等離子體噴射包括至少微粒子和大分子之一。
15．如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述微粒子包括由六十個碳原子組成的大碳分子。
16．如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括絕緣支撐裝置，用于保持所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第三結(jié)構(gòu)的相對位置。
17．如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述中間電子?xùn)艑?dǎo)向被偏置為100V到1000V范圍的正電壓。
18．如權(quán)利要求7所述的裝置，其工作狀態(tài)之中的第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)偏置為-0.1KV到-150KV范圍的負(fù)電壓。
19．如權(quán)利要求1所述的裝置，其工作狀態(tài)之中的電流為0.005到2.000安培。
20．如權(quán)利要求1所述的裝置，其工作狀態(tài)中的中性氣體壓力在0.1和20mTorr之間。
21．如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生單一窄等離子體噴射的裝置，其中所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一直徑在25-35cm范圍之間的球形真空型室，所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一直徑在4-8cm范圍內(nèi)的球形柵，所述第一開口包括一圓的或一多角孔之一并且所述第三結(jié)構(gòu)包括多角柵元件。
22．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一結(jié)構(gòu)和所述第二結(jié)構(gòu)大致為球形，其中所述裝置產(chǎn)生多個單獨(dú)的窄等離子體噴射，其中由所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)確定的容器具有20-40cm范圍的直徑，由所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)確定的柵包括一多環(huán)電子?xùn)藕退鰩缀未┩嘎剩?5％。
23．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一具有球形非均勻設(shè)計的柵并且所述電場被扭曲以使電子被提取和排并入單一等離子體噴射中。
24．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述陰極柵中具有一核心區(qū)域，該區(qū)域捕獲和再加速電子和離子，直至他們由于在所述第一開口的區(qū)域中的聯(lián)合電場扭曲作用而通過所述陰極柵的所述第一開口逃逸。
25．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置與太空飛船結(jié)合并且噴出高離子化或中性帶電氣體形式的物質(zhì)以用于太空飛船推動和操縱。
26．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述氣體約束容器至少在內(nèi)部壓力為0.1至0.01mbar的范圍內(nèi)工作。
27．如權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述裝置產(chǎn)生一主噴射以及一正對相反的小噴射，其中所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括N個環(huán)，所述環(huán)的M個在所述球的北極和南極上相交；N-M環(huán)被設(shè)置成構(gòu)成再一個三角孔的一致形式，所述噴射通過最大孔的一個噴出，其中N和M是整數(shù)且N大于M。
28．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二結(jié)構(gòu)大致為橢圓形，其中所述裝置產(chǎn)生一多個單獨(dú)窄等離子體噴射，其中由所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)確定的柵包括一多環(huán)電子?xùn)挪⑶宜鰩缀未┩嘎蚀笥?5％。
29．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置產(chǎn)生一個主噴射和一個正對相反的小噴射，其中第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括N個環(huán)，所述環(huán)的M個在所述球的北極和南極處相交，所述N-M環(huán)構(gòu)成再一個一三角形孔的一致形式，所述噴射從大三角形孔之一噴出，其中N和M是整數(shù)且N大于M。
30．一種將等離子體噴射應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的裝置，包括產(chǎn)生一等離子體噴射，強(qiáng)熱，和等離子體蒸氣淀積之一，所述裝置包括a．被構(gòu)造為氣體約束容器的具有一壁部分的第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有至少一個第一開口以允許等離子體噴射從該室逃逸并且產(chǎn)生推動性的推動；b．在所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中構(gòu)造為一個柵的對于流動的離子和電子是高透明的第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)作用為一偏置為負(fù)電壓的陰極并且具有一在所述柵形結(jié)構(gòu)中的第二開口，所述第二開口被放大并且能扭曲局部電位場表面以使等離子體噴流通過所述第二開口從所述柵中流出；c．在控制的速度下將一中性氣體推動物流入所述氣體約束容器的裝置；d．為產(chǎn)生等離子體放電以足夠的值從電源向所述陰極柵提供負(fù)電壓電力的高壓饋送絕緣器系統(tǒng)；e．所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述第一開口與所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述第二開口調(diào)整對齊以使在所述容器中形成的等離子體從所述容器中以具有電力密度和推動的等離子體噴射的形式擺脫；其中所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)被偏置為地或零電壓之一并且所述第二傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)被偏置為負(fù)電位。
31．如權(quán)利要求30所述裝置，其中所述等離子體噴射被用于一些裝置，這些裝置用于材料等離子體處理，蒸氣模淀積，或目標(biāo)物的強(qiáng)等離子體加熱之一。
32．如權(quán)利要求30所述裝置，其中所述a.-d.元素的裝置包括一IEC等離子體噴射產(chǎn)生裝置，所述氣體約束容器包括一真空室，以及所述裝置還包括一連接至所述IEC真空室的外部真空室，所述外部真空室包括一等離子體目標(biāo)物和等離子體處理設(shè)備。
33．如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中所述裝置還包括一桌面用于安放其上至少一個等離子體目標(biāo)物。
34．如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述裝置包括一傳送裝置，用于安放和傳送等離子體目標(biāo)物以進(jìn)行所述等離子體噴射的照射。
35．如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述裝置還包括多個閥存取端口，用于插入或移走等離子體目標(biāo)物。
36．如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述裝置包括至少一個存取端口以視覺地或光學(xué)-顯微地檢查等離子體目標(biāo)物。
37．如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述裝置還包括至少一個存取端口以對等離子體目標(biāo)物執(zhí)行非侵入的X-射線或gamma-射線診斷檢查。
38．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置在產(chǎn)生等離子體噴射期間與穩(wěn)態(tài)直流電源一道使用了一脈沖電源。
39．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括一脈沖電源。
40．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述氣體約束容器是一真空室以及所述裝置進(jìn)一步包括能產(chǎn)生聚變反應(yīng)以增加等離子體噴射推進(jìn)器性能的裝置。
41．如權(quán)利要求40所述的裝置，進(jìn)一步包括使用所述陰極柵和多虛擬電極約束聚變?nèi)剂想x子以支持聚變反應(yīng)的裝置。
42．如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述裝置包括一在所述氣體約束容器上的孔以使活躍的帶電聚變物的噴射從所述裝置逃逸以產(chǎn)生推進(jìn)性的推動力。
43．如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述裝置還包括一連接至真空室的聚變等離子體噴射從其逃逸的柱形伸展裝置，所述裝置包括一混合器裝置，用于在聚變等離子體噴射中合并入至少氫，氮，聯(lián)氨，氨水，水或其它推動物之一。
44．如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述裝置還包括外部軸場磁性裝置，該裝置能產(chǎn)生一磁性管口以約束混合的聚變產(chǎn)生物/推動物離子體噴射。
45．如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述裝置進(jìn)一步包括多個球形柵，該柵能收集來自重氫和氦-3同位素聚變的高能，帶正電質(zhì)子或阿爾法粒子聚變產(chǎn)生物。
46．如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述裝置連接至電源處理部件，該電源處理部件將聚變反應(yīng)物收集器柵的高正電壓轉(zhuǎn)化成-10KV到-100KV之間的之后被送回至負(fù)陰極柵的低負(fù)電壓。
48．如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述裝置包括由于聚變反應(yīng)物正離子置入而偏置至高壓電壓的裝置，所述裝置作用為電子導(dǎo)向柵以約束在柵附近區(qū)域中的電子并且增強(qiáng)背景中性聚變?nèi)剂蠚怏w的局部化的離子化。
49．如權(quán)利要求45所述裝置，其中所述裝置能作用為一正偏置陽極以加速聚變?nèi)剂想x子進(jìn)入IEC噴射裝置核心。
50．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述氣體約束容器是一真空室以及所述裝置還包括能產(chǎn)生裂變反應(yīng)以增加等離子體噴射推進(jìn)器性能的裝置。
51．如權(quán)利要求50所述的裝置，其中所述裝置包括一可裂變材料外套。
52．如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述外套基本上圍繞所述第一傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
53．如權(quán)利要求1所述裝置，還包括一輔助推動物源，用于向所述等離子體噴射增加輔助推動物。
全文摘要
一種靜電離子噴射源設(shè)計,基于慣性靜電約束(IEC)技術(shù)。本發(fā)明的慣性靜電約束噴射源采用真空室11內(nèi)離子的產(chǎn)生和加速相一致的配置。該裝置使用了獨(dú)特的球形配置,放大的孔柵(113),通道導(dǎo)向柵和電子產(chǎn)生/約束方法。現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計必須產(chǎn)生一小直徑噴管。虛擬陰極在高密度區(qū)形成,配合局部扭曲陰極柵電位場,在強(qiáng)準(zhǔn)中性離子噴管(117)中提取加速的離子。該裝置噴發(fā)出噴射狀物質(zhì)以用于工業(yè)等離子體噴濺,工業(yè)材料處理,廢物處理,材料焊接或切割或等離子體蒸氣淀積。本發(fā)明還涉及為太空飛船推進(jìn)提供推動力的裝置,具體涉及一離子噴射推進(jìn)器,它采用了慣性靜電約束設(shè)計,具有一放電等離子體以產(chǎn)生離子,在從本裝置的等離子體噴射中加速和逐出時提供推動力。
文檔編號H05H1/24GK1235569SQ97199358
公開日1999年11月17日 申請日期1997年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月1日
發(fā)明者喬治·H·米利, 顧亦斌, 布萊爾·P·布羅姆利, 喬納森·H·納德勒, 約翰·斯維德 申請人:喬治·H·米利, 顧亦斌, 布萊爾·P·布羅姆利, 喬納森·H·納德勒, 約翰·斯維德