專利名稱：：帶有閘閥脈動的慣性靜電約束(iec)聚變裝置的制作方法
背景技術(shù)：
：本申請要求了1997年11月12日申請的美國臨時申請SN60／064801的國內(nèi)優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容被包括在這里作為參考。在諸如中子活化分析(NAA)的應(yīng)用中，用作穩(wěn)態(tài)2．5-MeVD-D中子源的慣性靜電約束(IEC)裝置是已知的，球形IEC結(jié)構(gòu)以前公開在美國專利申請SN08／730，578中，它是申請SN08／232，764的繼續(xù)申請，但現(xiàn)在已經(jīng)放棄了，這兩個專利申請包括在這里供參考。如圖1所示，IEC裝置1包括球形真空室2，用作接地陽極，并含有數(shù)個端口，包括一個氣體輸入端口3，它通過氣體饋送線4和閥門5與氣體源(未示出)相連接。輸入到容器中的氣體是可聚變氣體，包括單一組分或多種組分的混合，比如氘、氚和He-3(氦)。第二端口6與真空泵(未示出)相連接，和第三端口7通過高壓輸電梯9與高壓電源8相連接。處在球體2的中心的、可以是線狀或葉狀結(jié)構(gòu)的柵極10具有最好為80-97％的幾何透明度，并與高壓電源8相連接，高壓電源8提供用作激發(fā)并保持放電的負(fù)高壓電位。實際上，這起到一個離子加速器、等離子體靶單元的作用?，F(xiàn)在，市場上的成品可以提供具有106-107n／s量級穩(wěn)態(tài)產(chǎn)額的便攜式長壽命中子源。由于其價格低廉、安全和許可生產(chǎn)等優(yōu)點，這些商用IEC單元打算取代諸如Cf-252(锎)源和小型加速器固體靶單元之類的現(xiàn)有NAA中子源。在工作過程中，非中性的和非麥克斯韋分布的等離子體由高能離子束在IEC中產(chǎn)生出來，此高能離子束由位于圖1所示的真空容器中央的球形柵極10加速并聚焦在中心點上。在用預(yù)定壓力(≤10-5乇)下的所選氣體充到真空室中之后，將負(fù)高壓(通常為50-80kV)施加到柵極10上，形成等離子體放電，使得在柵極10與容器2的壁之間產(chǎn)生離子并且將離子從等離子體放電中引出。對于中子應(yīng)用場合，通常使用氘或氘氚混合物，它們分別發(fā)射2．45MeV或14MeV中子。對于高能質(zhì)子的產(chǎn)生，使用含有氘一氦-3混合物的氣體。在適當(dāng)?shù)臈l件下，提供大于幾何透明度的實際透明度和用于兩個內(nèi)柵極的柵極開口的徑向排列的柵極設(shè)計可以使離子束出口(微通道)在柵極10的各開口之間形成，產(chǎn)生稱之為“星形(star)”模式的結(jié)果，如圖2所示。然后，在束流會聚的球體中央形成致密等離子體核心區(qū)，在這個核心區(qū)產(chǎn)生極強的聚變反應(yīng)率。微通道具有輔助離子聚焦和使離子-柵極碰撞極小化的雙重優(yōu)點。如果離子電流大到足以在中央等離子體區(qū)產(chǎn)生一個強虛陽極，那么，在IEC等離子體中形成獨特的等離子體電勢結(jié)構(gòu)。這個電勢加速并聚焦電子在中央核心區(qū)中，形成虛陰極，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)在裝置的橫向方向形成了一種電勢分布稱為“雙”勢阱，由于被俘獲在“阱”中的高能離子產(chǎn)生高聚變率，因此，這種結(jié)構(gòu)對IEC工作是非常有利的。實際上，展寬的分布函數(shù)導(dǎo)致了如圖3所示的那種類型的“雙阱”結(jié)構(gòu)，圖3顯示了在帶有單一高能離子和電子，并且角動量忽略不計的理想化IEC結(jié)構(gòu)中的虛電極結(jié)構(gòu)。由于在實際系統(tǒng)的實施中兩個能量角分布的展寬，電勢分布結(jié)構(gòu)也將展寬。如上所述，基本的IEC概念使用了利用其離子微通道產(chǎn)生“星形”模式放電的柵極設(shè)計。這種方法具有簡單、好的離子聚焦和延長的柵極壽命的優(yōu)點。由于柵極電勢結(jié)構(gòu)和相應(yīng)離子“光學(xué)”(“optics”)形成的微通道改進(jìn)了離子的聚焦和導(dǎo)致了柵極壽命的延長。在高離子電流情況下，這種改進(jìn)了的聚焦還幫助在中央核心區(qū)中強雙勢阱的建立，如前所述，從而導(dǎo)致聚變反應(yīng)率的顯著提高。對于高產(chǎn)額工作來說最需要的對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)用在用于便攜式NAA用途的、正在商品化的本IEC裝置中。非對稱設(shè)計也是可能的，并且也很有用。例如，在“噴射(jet)”模式工作中，非對稱束流被俘獲在電勢結(jié)構(gòu)之中，并改變方向穿過用一個加寬的柵極開口在其中形成的“孔”，如PCT國際申請第PCT／US97／19306號所述，該專利包括在這里供參考。這種結(jié)構(gòu)有可能應(yīng)用于材料處理中和作為用于空間衛(wèi)星軌道調(diào)整的低功率推進(jìn)器。另一個非聚變的例子涉及從甲烷高效生產(chǎn)巴基球(fullerene)，如PCT國際申請第PCT／US97／00147號所述，此專利包括在這里供參考。在這種情況下，IEC勢阱結(jié)構(gòu)用來將碳離子集中在較深的中央阱區(qū)中，允許氫離子向外移動，加快了C-60鏈的形成。IEC裝置也用作X-射線源，如PCT國際申請第PCT／US97／19307號所述，該專利包括在這里供參考。發(fā)展IEC的目的是提高中子產(chǎn)生效率，最終朝著未來動力反應(yīng)堆和空間推進(jìn)器所需要的高產(chǎn)額裝置方向發(fā)展。因此，本發(fā)明的目的是提高傳統(tǒng)IEC裝置的性能以取得更高的中子產(chǎn)額，從而將應(yīng)用擴展到需要更高中子通量的領(lǐng)域，例如，中子斷層成像、同位素生產(chǎn)、爆炸物／地雷探測和油井測井。事實上，從原理上來講，更高反應(yīng)率的獲得最終將導(dǎo)致基于IEC的聚變動力裝置。本發(fā)明的另一個目的是在穩(wěn)定IEC工作過程中保持傳統(tǒng)IEC束流特征，但將離子電流增大到遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的10-100毫安的量級。本發(fā)明還有一個目的是提供一種容易并且高效率地產(chǎn)生具有高品質(zhì)中子和／或質(zhì)子的最后產(chǎn)物的重復(fù)高能離子脈沖的方法。發(fā)明概述獲得更高中子產(chǎn)額的關(guān)鍵是保持傳統(tǒng)IEC束流的特征和將離子電流強度增大到遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的10-100毫安的量級上。由于聚變反應(yīng)率以離子電流強度的平方或更高次方而增大，因此，如果離子電流強度能夠增大到幾個安培的范圍，則聚變反應(yīng)率將超過現(xiàn)有裝置的反應(yīng)率達(dá)幾個量級的幅度。此外，在這些量級上，可以期望雙勢阱在中央核心區(qū)形成，俘獲高能離子、從而增強了離子約束，并由此提高了反應(yīng)率和功率效率。為取得這個結(jié)果，本發(fā)明利用了閘閥脈動(gate-valvepulsingGVP)技術(shù)，這種技術(shù)為取得這些高反應(yīng)率所需要的高離子電流提供了實用方法，給出了在1011-1014／秒范圍內(nèi)的時間平均的中子和／或質(zhì)子源產(chǎn)生率。本發(fā)明的脈沖GVP-IEC根據(jù)兩種不同的技術(shù)來考慮脈動。第一種是低重復(fù)率GVP(LR-GVP)操作，第二種是調(diào)諧高頻脈動，稱為諧振離子驅(qū)動振蕩(RIDO)GVP操作。從結(jié)構(gòu)上，兩種GVP-IEC設(shè)計都使用了以前美國專利申請第S．N．08／232，764號公開的穩(wěn)態(tài)球形IEC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型。具體地說，IEC的LR-GVP和RIDO-GVP版本都使用了“閘(gate)”柵極系統(tǒng)，包括電子發(fā)射器、電子導(dǎo)向柵極和閘閾柵極，并與脈沖電壓源組合在一起，該脈沖電壓源提供了離子電流強度的所需增加。在工作過程中，首先對本發(fā)明的閘閥柵極加上偏壓，將由電子-中性粒子碰撞產(chǎn)生的離子保持或“存儲”在IEC裝置的源區(qū)。然后，突然降低加在閘閥柵極上的電壓，以便能夠由中央高壓陰極柵極引出、加速和聚焦“存儲的”離子。在獲得聚變產(chǎn)物(中子和／或質(zhì)子)的預(yù)期脈沖之后，閘閥柵極返回到它原來的偏壓狀態(tài)并以一定的脈沖重復(fù)率重復(fù)這個過程，對于“低”重復(fù)率操作，通常為100-1000Hz，這個值對取得預(yù)期的時間平均中子／質(zhì)子通量足夠了。在RIDO-GVP技術(shù)中，脈動是以調(diào)諧到系統(tǒng)的離子再循環(huán)時間的頻率(通常在MHz范圍)進(jìn)行的。這種調(diào)諧使得有可能通過將離子約束在一起和疊加再循環(huán)離子束來獲得更高離子電流。在這種情況中，調(diào)諧是通過在掃描處在某一頻率范圍，例如，1-10MHz內(nèi)的采集(picked)電源的同時監(jiān)視中子產(chǎn)生率來在特定GVP-IEC裝置中設(shè)置。與裝置離子再循環(huán)頻率發(fā)生諧振是由中子產(chǎn)額的顯著增加來表征的。一旦選擇出來，這個特定裝置的后續(xù)操作可以保持這個諧振頻率。由于離子再循環(huán)頻率依賴于裝置參數(shù)，因此，如果使用了不同的GVP-IEC，則必須重復(fù)這個過程。在這兩種模式的任一種中使用的GVP-IEC設(shè)計的優(yōu)點是，在與脈動IEC的其它可能方式相比，在仍然使用相對簡單的脈動系統(tǒng)的同時，能夠取得較高聚變反應(yīng)率和提高功率效率。以前的IEC脈動設(shè)計通常已經(jīng)使用了中央-陰極的直接脈動或電子-發(fā)射器脈動。與陰極的直接脈動相比，需要低得多的脈動電壓，例如，閘閥柵極100-500V對直接方法50-100kV。雖然脈動電子發(fā)射器也允許相對低的脈動電壓，但它與閘閥柵極方法不同，它在脈動之前并不進(jìn)行離子的累積(存儲)。在LR-GVP工作過程中，閘閥離子“注入”系統(tǒng)利用設(shè)置在IEC室圓周附近的電子發(fā)射器提供可持續(xù)的邊緣電離源，以生成離子。選擇發(fā)射器的位置和數(shù)量以保持在電離空間中合理均勻的電子密度，通常要求發(fā)射器間隔等于在電離空間中電子平均自由程。因此，在這個空間內(nèi)通過電子-中性粒子之間的電離碰撞產(chǎn)生相當(dāng)均勻的離子密度。然而，與隨機進(jìn)入中央勢阱不同，按照這種方式生成的離子保持在室壁與閘閥之間的空間內(nèi)直到施加到閘閥上的電壓突然降低～100V(“打開”閘閥)為止。這使離子在高壓(～50-100kV)陰極柵極產(chǎn)生的電場的影響下流入到核心中。因此，在該脈沖相位期間，中央陰極電勢起離子引出機構(gòu)的作用。通過將離子束聚在一起和將離子束組合在一起，RIDO-GVP操作甚至比低頻GVP操作提供了更高的離子電流。因此，RIDO-GVP涉及增加高頻電路，并具有對依次的電離波形定時的高精度，以放大在等離子體核心中的電流強度。碰撞放電力學(xué)將對離子分布起重要作用，因此需要精確調(diào)節(jié)。附圖簡述圖1是示意性地圖示了用于產(chǎn)生中子的傳統(tǒng)慣性電子約束(IEC)裝置。圖2示意性地圖示了以“星形模式”工作的傳統(tǒng)IEC裝置。在這種模式中，形成多個離子微通道，這些離子通道穿過柵極的開口，使得有效透明度大于幾何透明度。圖3圖示了存在于IEC裝置橫向方向的、與陽極殼和陰極有關(guān)的電勢變化。在這個圖示中，假設(shè)離子電流強度大到足以生成強虛陽極，強虛陽極又加速和聚焦中央?yún)^(qū)中的電子，建立如核心區(qū)所示的雙勢阱。圖4a和4b圖示了在本發(fā)明中使用的“閘”柵極系統(tǒng)(電子發(fā)射器、電子導(dǎo)向柵極和閘閥柵極)，以及圖示了用于這種結(jié)構(gòu)的電勢分布和圖示了IEC裝置內(nèi)的離子軌道和電離區(qū)域。注意在備用模式(閘閥柵極關(guān)閉)期間該裝置的電勢分布、在第二柵極與第三柵極之間的電離區(qū)和在閘閥柵極與陰極之間的、出現(xiàn)分段電勢梯度的內(nèi)陰極“下降”區(qū)。圖5a和5b分別圖示了電壓隨著離包含在本發(fā)明中的IEC裝置的中心線的半徑的變化，其中一種裝置的閘電勢上升了，而另一種裝置的閘電勢下降了。請注意，在后一種條件中，下降電勢穿過(擴展到)電離區(qū)。圖6圖形說明了本發(fā)明的基本設(shè)計，顯示離子在外柵極與內(nèi)柵極之間往復(fù)運動(再循環(huán))的“波包”的存在。如圖所示，調(diào)諧在閘閥柵極上的、與離子波包的重復(fù)循環(huán)頻率相匹配的電勢頻率使各個波包疊加，以增加它們的離子密度。圖7圖示了根據(jù)施加到包含在本發(fā)明中的、包括在穩(wěn)態(tài)和脈動模式下工作的三柵極IEC裝置上的可用電壓和電流的功率。圖8是關(guān)于GVP-IEC的、包括在本發(fā)明中使用的脈動形式網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)的電路圖。優(yōu)選實施例說明IEC-GVP裝置11圖示在圖4A中，它具有類似于圖1所示的IEC裝置的結(jié)構(gòu)，包括接地的導(dǎo)電容器12，用作陽極；和中央陰極或主柵極13，與高壓電源(未示出)相連接。另外，中間第二柵極14和外側(cè)第三柵極15與中央陰極13同心地排列在容器12內(nèi)。電子引出器／發(fā)射器裝置16相對于容器的球面基本對稱地設(shè)置，它包括電子引出器偏轉(zhuǎn)柵極17和電子發(fā)射器18，它們有助于裝置中定時離子流的增強。GVP-型IEC的基本工作原理是從傳統(tǒng)設(shè)計的、有意設(shè)置在該裝置球面附近的多個電子發(fā)射器18“蒸發(fā)”的電子涌入該裝置的外部區(qū)域23(即，圖4b所示的外柵極15與中間柵極14之間的電離空間)。發(fā)射器的設(shè)置取決于碰撞損失之前電子漂移的平均距離。發(fā)射器組件內(nèi)的加速柵極將電子拖入真空器，在那里它們接下來將遇到正偏壓的導(dǎo)向柵極15。這個柵極15用于將電子軌道改變方向到環(huán)繞地分布在容器壁的內(nèi)表面附近的窄殼狀空間，它界定電子與背景(background)氣體相互作用和通過碰撞電離生成離子的電離區(qū)23。這些電子19環(huán)繞地漂移著并在電離區(qū)23的橫向方向往復(fù)振蕩，與背景中性氣體進(jìn)行電離碰撞逐漸減慢下來直到最后與柵極或容器壁重新組合或碰撞而消失。由于沒有在這個區(qū)域施加電場，在這個區(qū)域中由電子碰撞形成的離子幾乎沒有受到什么力的作用或者沒有受到凈力的作用。然后，在這種狀態(tài)下，陰極上的高電勢由閘閥柵極14上的電勢“屏蔽”起來，而對電離區(qū)沒有影響。因此，離子只是緩慢地從電離區(qū)擴散開，使得在那個區(qū)域堆積成高密度離子。這種狀態(tài)可以看作離子的“存儲”，為隨后生成離子脈沖作好準(zhǔn)備。為了脈動IEC，用作“閘”的中間陽極柵極14上面所加上的電勢快速(≤100μs)降低100V到1kV。這樣，使10-100kV的中央陰極13電勢透入到外電離區(qū)23并引出“存儲”在那里的離子。然后，在存儲的離子群已經(jīng)在某一時間段內(nèi)，即，在500ns或更短的時間間隔內(nèi)離開電離區(qū)之后，將閘閥柵極14電勢切換回其原來的值。這些引出的離子被加速進(jìn)入中央陰極區(qū)21，達(dá)到中央陰極13的全施加的電勢。加速的離子將會聚在該裝置的核心區(qū)域中的、在那里形成高密中央核心等離子體21的點上，在該處發(fā)生聚變反應(yīng)，從而從D-D(或其它可聚變氣體)聚變反應(yīng)中生成高能質(zhì)子和中子。由于離子的慣性作用使它們穿過內(nèi)下降區(qū)22并回升到原來所加的電勢處，在柵極附近的離子的球形殼23發(fā)生變形，直到它們停留在其電勢等于它們通過碰撞電離產(chǎn)生的點上的電勢的位置上。在這個過程中，一些離子通過各種反應(yīng)、電荷交換和柵極碰撞損失掉。但是，許多離子被重新加速回到中央等離子體核心區(qū)21并繼續(xù)進(jìn)行再循環(huán)。離子的這種循環(huán)一直繼續(xù)下去直到它們的總數(shù)顯著消耗掉(＜原來數(shù)量的25％)為止。由于離子再循環(huán)時間很短(ms時間量級)，閘閥柵極電勢保持在其較低的值達(dá)數(shù)毫秒，以便充分利用由再循環(huán)離子生成的增加的聚變反應(yīng)。當(dāng)將陰極柵極上的柵極開口設(shè)計成用于如美國專利申請第SN08／232，764號所公開的星形模式工作，并將這些開口定向為使它們與閘閥柵極14中的開口沿徑向?qū)?zhǔn)時，對再循環(huán)離子流來說，將形成離子微通道(星形模式的特性)，從而使核心區(qū)的聚焦得到改善和反應(yīng)率得到提高。在開通閘閥柵極之前在GVP-IEC橫向方向的電勢分布顯示在圖4A中，如圖所示，工作電勢在+100V至-100kV的范圍內(nèi)，但在電離區(qū)中則是平坦的電勢(電場可以忽略不計)。從結(jié)構(gòu)上來看，最好的做法是，在三個柵極中有足夠數(shù)量的小孔彼此之間都沿著徑向方向排列，使它們具有高的幾何透明度和對離子來說能夠保持高的有效透明度，以便對所期望的星形模式或光暈(halo)模式來說，必要數(shù)量的離子輻條可以在容器內(nèi)形成。柵極本身可以是葉狀或線狀結(jié)構(gòu)的，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，并且至少，正如美國專利申請第S．N．08／232，764號所公開的，陰極應(yīng)該具有必要的h／R參數(shù)，其中h是柵極的球形表面與柵極平面之間的高度差，和R是柵極半徑。容器內(nèi)的壓力可以通過吸氣劑(getter)或泵、或這種傳統(tǒng)技術(shù)的組合來保持。圖5a和5b示意性地圖示了在圖4a和4b所示的三柵極實施例中降低了閘電壓之后從中央陰極電勢穿透其中的電離區(qū)的離子引出。正如已經(jīng)公開的那樣，在該系統(tǒng)中外部的兩個柵極14和15用于兩個目的a)外部柵極15引導(dǎo)從電子發(fā)射器引出的電子，以便與閘閥柵極14結(jié)合在一起，使電子約束在沿著電離區(qū)和環(huán)繞著電離區(qū)流動。因此，兩個柵極的組合為電子的遷移(transit)提供了一個極小值，而使電離保持在無場區(qū)中的局部區(qū)域內(nèi)，和b)中間的“閘”柵極14用作閥門，有選擇地允許成組的離子進(jìn)入核心區(qū)。如圖5a和5b所示，閘閥柵極電勢既可以升高，也可以降低，使中央陰極電勢穿透進(jìn)電離區(qū)并引出離子。圖中顯示了“存儲”在電離區(qū)中的離子(用圓點示意性地表示)，在這個電離區(qū)中離子不斷產(chǎn)生出來直到閘閥電勢突然降低為止，并且它們在由中央陰極柵極的電勢產(chǎn)生的電勢梯度(“下降區(qū)”)作用下朝向中心加速。三柵極的、發(fā)射器輔助的GVP-IEC系統(tǒng)的一個顯著優(yōu)點是離子總是從靠近容器壁的電離空間處出發(fā)，從而加速到在中央核心等離子體區(qū)上的全外加勢能，使離子能擴散得以降低、效率得以提高和聚焦得以改善。另外，由于等離子體放電是由電子發(fā)生器發(fā)射(對來自柵極的次級電子發(fā)射)來維持的，因此，背景氣壓可以大大降低，顯著地減小了來自散射碰撞的離子同位素化效應(yīng)和來自電荷交換碰撞的能量損失。并且，正如較早所指出的，與直接脈動中央陽極需要數(shù)十個kV的脈動電壓相比，閘閥柵極所需要的脈動電壓通常要低(＜1kV)。這極大地簡化了脈動供電技術(shù)和減輕了電絕緣問題?；镜腉VP-型IEC工作的擴充包括將使向內(nèi)部核心區(qū)的離子注入與系統(tǒng)的固有離子循環(huán)頻率之間同步，亦即，將用于降低GVP電勢的頻率設(shè)置成與電離循環(huán)頻率(大約為0．5-50MHz)保持一致。這種形式的工作已經(jīng)被命名為諧振離子驅(qū)動振蕩(RIDO)。按照這種方式，新生成的離子在再循環(huán)離子到達(dá)它們的轉(zhuǎn)折點的同時會聚于內(nèi)部核心區(qū)。因此，所有再循環(huán)離子電流都朝向該裝置的內(nèi)部核心有效地疊加在一起，使它們從裝置的球面處開始加速并會聚于中央。最后，可以以離子傳輸頻率(大約0．5-50MHz)形成非常大的峰密度，為超高的時間平均聚變產(chǎn)生率創(chuàng)造條件。圖6圖形說明了利用有助于圖4所示類型的三柵極IEC的電子發(fā)射器的RIDO-GVP處理，其中顯示了離子波前的疊加和球?qū)ΨQ性。在RIDO工作過程中，離子從外部區(qū)域的引出是精確定時的，使得當(dāng)以前的離子波前返回到其原來的起始位置時，新的依次的離子波包被引入并疊加在前一個離子群上。然后，當(dāng)閘閥電勢降低時，即閘“打開”時，組合的離子全體被引出并再次聚焦在中央核心區(qū)。在傳輸過程中離子損失最終限制了在此過程中的離子堆積，使得對于隨后的脈沖，其穿過中央核心的離子密度達(dá)到“飽和”(不變)值。這個過程有效地放大了穿過中央核心區(qū)的峰值離子電流。因此，由于在球形殼內(nèi)的離子都同時到達(dá)裝置的核心區(qū)，中央核心區(qū)離子密度升高達(dá)幾個數(shù)量級。這種過程導(dǎo)致聚變功率比率(Pfusion～nion2)的增益超過傳統(tǒng)IEC等離子體放電的增益，甚至大于LR-GVP工作可得的增益。借助于利用LR-GVP工作或RIDO-GVP工作取得的高離子電流，可以獲得形成雙勢阱(圖3)所需要的離子電流強度之上的離子電流。這樣使離子被俘獲在中央核心區(qū)和使中央核心區(qū)具有超高的離子密度，從而進(jìn)一步提高了反應(yīng)率。雙勢阱形成的效應(yīng)已知通過實驗在穩(wěn)態(tài)IEC進(jìn)行了研究，并已經(jīng)證明，利用外加電流可以導(dǎo)致高計數(shù)的聚變反應(yīng)率。利用在LR-GVP裝置中取得的高電流比利用在穩(wěn)態(tài)IEC裝置中取得的高電流更易于產(chǎn)生這種效應(yīng)。對GVP-IEC的優(yōu)選實施例的供電要求圖示在圖7中。具有100V電壓值的、電壓在0與1kV之間、電流在0-100mA范圍內(nèi)的振蕩的脈動電源35用來打開和關(guān)閉閘(中間)電極36的電勢。具有0-100kV電壓范圍的穩(wěn)態(tài)電源37A與陰極柵極38相連接，用來生成高中央陰極電壓(即，高至100kV)和小電流(在0-100mA范圍內(nèi))。傳輸線脈動系統(tǒng)37B也可以與陰極柵極38相連接，用于在類似高壓上的非常高電流工作(幾個安培和更高)(由于＞＞1amp的電流電平可以在瞬時工作中最好地達(dá)到，因此使用脈動工作)。最后，幾個在0-50A范圍內(nèi)的大電流發(fā)射器電源31也被連接起來，以驅(qū)動分段的放電單元32。對于閘閥柵極的標(biāo)準(zhǔn)工作來說，閘電源以相對低的頻率(＜103Hz)脈動。GVP型工作也可以擴展到IEC裝置的其它工作模式，例如，如先前的IEC專利所述的工作的光暈?zāi)Ｊ胶蛧娚淠Ｊ?。這里所述的基本原理可以直接套用。對于RIDO工作，使用了高頻脈動(0．5-50MHz)。RIDO類工作需要考慮柵極透明度問題、釋放(discharge)核素時間常數(shù)、能量擴散和碰撞損失、和空間電荷效應(yīng)?？偠灾?，通過在一個脈沖時間間隔內(nèi)獲得中央等離子體核心的高離子密度，GVP工作在取得更高聚變反應(yīng)率方面比傳統(tǒng)IEC設(shè)計更勝一籌。通過RIDO-GVP甚至可以取得更高的密度，在RIDO-GVP中，通過成束或成群地加速離子，離子波前的疊加同時提高了功率。應(yīng)用于GVP-IEC的脈動電源35可以使用傳統(tǒng)技術(shù)，例如，為陰極的直接脈動開發(fā)的脈動電源單元，Y．Gu等人的論文“球形慣性靜電約束裝置的脈動工作”公開了這種裝置(Y．Gu．M．Wlliams．R．Stubbers．G．H．Miley，“PulsedOperationofSphericalInertial-EledrostaticConfinementDevice”，12thTopicalMeetingontheTechnologyofFusionEnergy，(Reno，NV，June，1996)ANS．LaGrangePark．IL，128(1996))。陰極脈動存在著將主陰極脈動成高壓的缺點，這與本文披露的閘柵極設(shè)計相反，這里，主陰極保持在高壓的穩(wěn)定狀態(tài)，而閘柵極在低壓狀態(tài)脈動。結(jié)果是，利用與主陰極相連接的標(biāo)準(zhǔn)脈動電源，每個脈沖的所希望電流和電壓可以達(dá)到或超過108n／s的量級(脈沖電流為3．2A和脈沖占空比為1％，例如，0．1ms脈沖長度×100個脈沖／秒，的50-kV脈沖)。自從Gu等人發(fā)表的論文“在球形慣性-靜電約束和它的脈動實驗結(jié)果中，通過微通道的離子聚焦”所作的原始說明以來(Guetal，“IonFocusViaMicrochannels；inSphericalInertial-ElectrostaticConfinementandItsPulsedExperimentalResults，發(fā)表在1995IEEEInternationalConferenceonPlasmaScience，1995，PP．266-267)，脈動電源單元的基本工作原理還沒有什么變化。但是，那么含有與扼流圈42、二極管43、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)48、脈動變壓器49和IEC等效電阻Rplasma50串聯(lián)的輸入41的電源單元40已經(jīng)升級為能取得如上所希望的脈沖電流、電壓和重復(fù)率。尤其是，正如圖8所示的，主開關(guān)45已經(jīng)通過使用點火管(ignitron)，而不是閘流管(thyratron)而得到升級，它響應(yīng)于觸發(fā)脈沖44，使脈沖器可以發(fā)送更大的電流。二極管46和線圈47與開關(guān)45并聯(lián)。此外，脈沖變壓器49的升壓比已經(jīng)從1∶7增加到1∶10，使得與更高的電壓脈沖一起更好地與IEC等離子體相匹配。對這些器件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使其既可以用于標(biāo)準(zhǔn)低頻(10-1000Hz)LR-GVP工作，也可以用于高頻(1-50MHz)RIDO工作。雖然脈動中子源在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，但GVP-型IEC的基本原理明顯不同于這些裝置。Fentrop中子產(chǎn)生器基本上是一種可以在穩(wěn)態(tài)下或在脈動模式中工作的束流固體靶系統(tǒng)(美國專利第3，546，512號)。事實上，它是一種大型離子加速器-靶裝置。根據(jù)束流-等離子體釋放的GVP-IEC控制、分段電離和引出區(qū)域的工作以于用于電離的磁場的不存在，在GVP-IEC與此系統(tǒng)之間存在顯著差異。Croitoru(美國專利第3，609，369號)利用了幾種定域在和位于固體靶附近的離子源。仍然沒有涉及到等離子體釋放控制。以連續(xù)的或脈動的模式的工作完全是為了離子槍工作的目的。因此，與GVP-IEC的工作不同，它的工作沒有對離子存儲、注入定時或諧振振蕩采取什么措施。Culver(美國專利第3，996，473號)發(fā)展了打算用于脈動工作的裝置，這種裝置用來分析涉及諸如瞬時伽馬譜儀那樣的診斷技術(shù)的材料。他的脈動方法并不直接涉及中子產(chǎn)生器的工作物理(例如，在GVP-IEC的核心區(qū)中的微通道束流形成和多阱形成)。并且，在他的裝置中，脈動以及它的控制不象在GVP-IEC的情況下所發(fā)生的那樣，并不直接與脈沖定時控制(例如，離子存儲、注入定時、等)相互配合。Bussard關(guān)于用來改善IEC工作(美國專利5，160，695)的ICC效應(yīng)的發(fā)明提及在他們的系統(tǒng)中諧振耦合的使用。Bussard聲稱離子可以在離子聲勢壘與IEC核心區(qū)中的俘獲離子之間反射。這種類型的離子控制依賴于獲得大離子電流，但并不討論關(guān)于獲得它們的方法，例如，本文公開的GVP方法。雖然GVP-IEC工作涉及到諧振調(diào)諧，但RIDO諧振涉及到離子再循環(huán)頻率，它是由閘閥柵極通過離子電流的存儲和注入的定時來控制的。這表示明顯偏離Bussard的聲勢壘諧振概念，盡管兩種方法可以結(jié)合在一起應(yīng)用于單獨一種裝置中。GVP-型IEC比傳統(tǒng)IEC技術(shù)或基于固體靶的中子源具有明顯的優(yōu)勢。中子產(chǎn)額的增加將在醫(yī)學(xué)研究、中子斷層成像術(shù)和同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域中開辟新的商業(yè)化區(qū)域。GVP-IEC模式提供了聚變電能生產(chǎn)或聚變空間推進(jìn)器所特別希望的非常高的反應(yīng)率。目前穩(wěn)態(tài)的基本IEC工作產(chǎn)生106-107個D-D聚變中子／秒數(shù)量級的聚變中子產(chǎn)額。帶有直接脈動陰極柵極的基本IEC的脈動型已經(jīng)產(chǎn)生107-108個D-D聚變中子／秒數(shù)量級(時間平均值)的中子產(chǎn)額。采用GVP-IEC概念使得能將這些產(chǎn)額增加幾個數(shù)量級，直接目標(biāo)是1012-1014個D-D聚變中子／秒(時間平均值)。RIDO型工作可以取得甚至更高的產(chǎn)額，其極限是由由于強束流一等離子體型釋放(discharge)的非麥克斯韋分布特性所引起的可能不穩(wěn)定性來確定的。GVP-IEC概念也比有競爭力的非IEC概念具有幾個關(guān)鍵性優(yōu)點。主要優(yōu)點是效率。由于離子被同時加速進(jìn)入核心區(qū)，并且聚變反應(yīng)率與密度的平方成正比，因此，這導(dǎo)致了每單位能量輸入聚變產(chǎn)物輸出的增加。另一個優(yōu)點是簡單性。此外，RIDO驅(qū)動的IEC保持了束流-束流反應(yīng)的能力，與通過麥克斯韋分布的離子的相互作用工作的裝置不同，這種能力將裝置的效率提高到可以利用諸如D-He3之類的高級燃料。利用GVP-IEC原理的25MWe發(fā)電站設(shè)計總結(jié)在表Ⅰ中。尺寸表示球形真空室壁的半徑，不包括冷卻系統(tǒng)。重量是對于單獨的IEC單元的和對于整個反應(yīng)堆系統(tǒng)的。大部分重量集中在大真空室壁上。重量相對輕的單元，包括直接轉(zhuǎn)換器(directconverter)，是GVP-IEC發(fā)電站的最吸引人的特征之一，暗示著關(guān)于材料和結(jié)構(gòu)的富有競爭力的成本。實際上，GVP-型IEC反應(yīng)堆比傳統(tǒng)的磁或慣性約束聚變系統(tǒng)具有更高的質(zhì)量功率密度，這意味著用輕水反應(yīng)堆的成本與其它聚變反應(yīng)堆設(shè)計所計劃的成本要具有大得多競爭力。表Ⅰ．利用GVP脈動功率工作和Iion3標(biāo)度(scaling)的25-MWe發(fā)電站的指標(biāo)<tablesid="table1"num="001"><table>輸入功率4．80尺寸／半徑(m)6．49IEC總重量(噸)2．84反應(yīng)堆總重量估計值(噸)210</table></tables>雖然通過一些優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不僅限于此，而是由所附權(quán)利要求書所規(guī)定的范圍來限定。權(quán)利要求1．一種在慣性靜電約束裝置中產(chǎn)生大離子電流的脈沖的裝置，包括導(dǎo)電容器，由容器壁來形成并被施加上偏壓用作陽極，所述容器含有分布在其中的可聚變氣體；多個電子產(chǎn)生器，位于所述容器壁的內(nèi)表面附近，用于將電子發(fā)射到所述容器中；第一柵極，包括位于所述容器中央的高度透明的和基本球形的結(jié)構(gòu)，并界定一中央空間；第一電勢源，用于將電勢施加到所述第一柵極上，使它用作中央陰極，從而陰極與陽極之間的電勢使離子朝向陰極加速，隨著離子會聚在中央空間中形成高離子密度，能量升高了的離子彼此之間相互作用并與中性氣體原子相互作用；第二柵極，包括位于所述容器壁附近的、高度透明的正偏壓的結(jié)構(gòu)，通常將發(fā)射器電子導(dǎo)向到根據(jù)所述容器壁界定的環(huán)繞的電離空間內(nèi)；第二電勢源，用于將電勢施加到所述第二柵極，使得電子軌跡處于所述環(huán)繞電離空間內(nèi)；閘閥柵極裝置，包括第三柵極，為一設(shè)置在第二柵極內(nèi)部但在第一柵極外部的高度透明球形結(jié)構(gòu)；和第三電勢源，用于將時間相關(guān)的電壓施加到所述第二柵極上，以便重復(fù)地釋放離子群，這些離子群由于所述陽極和用作中央陰極的第一柵極的作用而受到加速，所述裝置是可控制的，使得從第三電勢源施加到第三柵極的電勢可以發(fā)生變化，以將所述電離空間中的離子交替地屏蔽于或暴露在由第一柵極產(chǎn)生的電勢中；從而形成強聚變反應(yīng)的時間段。2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個所述電子產(chǎn)生器進(jìn)一步包括加熱所述電子組件的電流源。3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電子產(chǎn)生器進(jìn)一步包括第四電勢源，用于施加電壓以從所述電子產(chǎn)生器引出電子。4．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一柵極、所述第二柵極和所述第三柵極是剛性自支承結(jié)構(gòu)，具有多個離子和電子可以流過其中的開口，和所述結(jié)構(gòu)中的至少一個是由從容器壁伸出的電絕緣支座結(jié)構(gòu)定位在所述真空容器內(nèi)部。5．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述第一、第二和第三柵極之一包括線狀結(jié)構(gòu)和葉狀結(jié)構(gòu)的至少一種。6．如權(quán)利要求1所述的裝置，包括至少兩個大體對稱地設(shè)置在所述容器壁的內(nèi)表面附近的電子產(chǎn)生器。7．如權(quán)利要求6所述的裝置，包括兩個至八個電子產(chǎn)生器。8．如權(quán)利要求6所述的裝置，所述電子產(chǎn)生器包括電子發(fā)射器和電子引出器。9．如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述導(dǎo)電容器保持在地電勢上，而第一、第二和第三柵極包括具有連接在其上的各自的供電引線的導(dǎo)電電極，所述這些供電引線電絕緣地穿過球形真空容器并與用于每個柵極的各自的電勢源相連接。10．如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述閘閥柵極與一個電路相連接，所述電路用于保持50至300V的正偏置電勢，再疊加上電壓幅度為100V至1kV、持續(xù)時間為1μs至1ms和重復(fù)率為1至1000周／秒的脈沖負(fù)電勢。11．如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，在所述第三柵極上的脈沖負(fù)電勢的重復(fù)率被調(diào)整成與0．1至50MHz范圍內(nèi)的平均離子再循環(huán)頻率產(chǎn)生諧振。12．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述導(dǎo)體容器是密封式的金屬殼。13．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，用于所述陰極柵極的電勢源提供了在1kV至150kV之間的范圍內(nèi)的負(fù)電勢。14．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，給陰極柵極的電勢源提供了大于1A的驅(qū)動脈動離子電流。15．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述柵極具有大于或等于90％的幾何透明度。16．如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括用于將所述球形真空容器內(nèi)的可聚變氣體壓力保持在10-5乇以下的裝置。17．如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，第四電勢源使用了其峰值在5A至25kA之間的范圍內(nèi)變化的驅(qū)動電流。18．如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，用來施加電流以加熱所述電子發(fā)射器的電流源提供在1A至20A之間包括1A和20A的范圍內(nèi)變化的電流。19．如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，加熱所述電子發(fā)射器的電流源使用了提供5W至400W之間的功率的驅(qū)動電壓和電流。20．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一、第二和第三柵極的每一個都包括線狀結(jié)構(gòu)和葉狀結(jié)構(gòu)的至少一種，所述各柵極含有沿著徑向排列的開口，和至少第一柵極由h／Rc來確定，這里，h是柵極球表面與柵極平面之間的高度差，R是柵極半徑。21．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述柵極具有設(shè)計成在所述脈動等離子體放電期間形成離子微通道的開口。22．一種在包括導(dǎo)電容器的慣性靜電約束裝置中產(chǎn)生大離子電流的脈沖的方法，所述導(dǎo)電容器被施加上偏壓用作陽極并包含多個嵌套的、高度幾何透明的柵極、電子源、電源和可聚變氣體，所述方法包括產(chǎn)生由施加到所述陽極和柵極的電勢確定的電場；在所述容器內(nèi)部建立起電離區(qū)；在所述容器內(nèi)產(chǎn)生電子并使電子在電離區(qū)內(nèi)流動；在所述電離區(qū)內(nèi)利用所述電子產(chǎn)生并保持離子；從所述電離區(qū)周期性地釋放離子；和用所述電場加速并聚焦所述釋放離子。23．如權(quán)利要求22所述的方法，其中，釋放步驟在與系統(tǒng)的特征離子再循環(huán)保持同步的頻率上進(jìn)行。24．如權(quán)利要求22所述的方法，其中，釋放進(jìn)一步包括將向容器的內(nèi)部核心的離子注入與系統(tǒng)中固有離子再循環(huán)頻率保持同步，以便使新產(chǎn)生的離子在再循環(huán)離子到達(dá)它們的轉(zhuǎn)折點的同一時間會聚在內(nèi)部核心上。25．如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述釋放步驟進(jìn)一步包括對用作閘的所述柵極之一打開和關(guān)閉電勢，使中央陰極電勢穿進(jìn)電離區(qū)并引出存儲的低能離子。26．如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述釋放步驟的時間與離子再循環(huán)時間相比是長時間。全文摘要一種基于穩(wěn)態(tài)球形慣性靜電約束(IEC)結(jié)構(gòu)的設(shè)計并利用脈動閘閥柵極(GVP)的脈沖中子/質(zhì)子源。IEC－GVP裝置包括接地導(dǎo)電容器(12);用作陽極;和中央陰極或主柵極(13),與高壓電源相連接。另外,中間第二柵極(14)和外部第三柵極(15)與中央陰極(13)同心地安裝在容器(12)內(nèi)部。電子引出器/發(fā)射器裝置(16)大體對稱地分布在容器(12)的球面附近,并包括電子引出器偏轉(zhuǎn)柵極(17)和電子發(fā)射器(18),它們有助于增強裝置中的定時離子流。使用了兩種脈動第二柵極的技術(shù)。第一種是低重復(fù)率GVP(LR－GVP)工作,第二種是調(diào)諧高頻脈動,稱為諧振離子驅(qū)動振蕩(RIDO)GVP工作。文檔編號H05H3/06GK1294742SQ98813023公開日2001年5月9日申請日期1998年11月12日優(yōu)先權(quán)日1997年11月12日發(fā)明者喬治·H·米利,布賴恩·E·朱克齊克,顧亦斌,羅伯特·A·斯塔伯斯,邁克爾·J·威廉斯申請人:伊利諾伊大學(xué)受托管理委員會