JP5255834B2 - プラズマ開放スイッチを含むパルス電力システム - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２００４年３月２４日に出願された米国仮出願第６０／５５５，９３７号による利益を請求する。

本発明は、一般的にエネルギーの蓄積と圧縮とに関する。より特定的に、本発明は、開放スイッチと、蓄積された誘導エネルギーからのパルス電力の生成と、Ｘ線や核エネルギーへの応用に関する。

パルス電力は、多くの軍事的、工業的、および科学的用途を有する。例えば、米国国防総省は、核兵器効果をエミュレートしてコンピュータモデルを検証するためにサンディア国立研究所においてＺ加速器といった種々のパルス電力装置を使用してきている。Ｚマシンは、より大きなＸ−１マシンのためのモデルとして役立つと言われており、このＸ−１マシンは高出力の核融合を達成するために重水素と三重水素の核融合カプセルを内破させるために十分なＸ線を供給するはずである。

大部分の用途に関して、高電圧コンデンサバンクはパルス電力生成のために放電される。不都合なことに、典型的な高電圧コンデンサのエネルギー蓄積密度は、比較的低い。特にこのコンデンサが繰り返し動作のために評価される場合に顕著である。更に、高いパルス電力レベルだけでなく高いＸ線または中性子出力を得るために、迅速な電流上昇が重要である。迅速な電流上昇は、高電圧と低インダクタンスとを必要とする。（例えば、１９８４年５月１日に発行された米国特許第４，４４６，０９６号を参照。）
コンデンサバンクの制約のために、蓄積された誘導性エネルギーを使用するパルス電力発生器の開発にかなりの努力がなされている。蓄積された誘導性エネルギーを供給し、比較的高いエネルギー密度を有する多数の比較的低コストの電力源が存在する。これらの電力源は、単極発電機、補償形同期発電機および爆発駆動型磁束圧縮機を含む。しかしながら蓄積された誘導性エネルギーから迅速な電流上昇を有するパルス電力を得るためには、開放スイッチが必要とされる。

例えば爆発型発電機で高密度のプラズマ焦点へパワー供給するために、有用なスイッチは、１マイクロ秒以内の間、数メガアンペアを遮断し、装置に送達される３〜４マイクロ秒パルスの間、開放された状態に留まることになる。（Ｆｒｅｅｍａｎらによる「Ｐｌａｓｍａ Ｆｏｃｕｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｐｏｗｅｒｅｄ ｂｙ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（爆発型発電機によってパワー供給されるプラズマ焦点（集束）実験）」ＬＡ−ＵＲ−８３−１０８３、ロスアラモス国立研究所、ロスアラモス、１９８３年、ｐ．１３。）
適当な開放スイッチの開発に向けられた努力は、Ｇ．Ｄ．Ｒｏｙ，「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ， Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ（高出力・高反復速度スイッチ：概要）」，Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｖｉｅｗ（海軍研究評論），Ｖｏｌ．２，１９９０，ｐ．１７−２４に記載されている。このスイッチに望まれる属性は、迅速な開放と、高い反復速度を達成するための迅速な回復と、制御可能で長い導通時間と、導通時の低い抵抗と、開放時のインピーダンスの迅速な上昇と、開放後の高いインピーダンスと、大きな電流と、大きなスタンドオフ電圧と、ジッター（波形の乱れ）のない動作である。プラズマ流れスイッチは、最大１０^−５秒の導通時間と１００ナノ秒タイムスケールでの開放時間とを有すると言われており、１９９０年現在において、極めて高い出力（テラワット）と、低いインピーダンス（１０オーム）と、単一ショットとを有する段階的パルス電力システムにおいてだけ有用である。（１９ページ。）

基本的態様によれば、本発明は、パルス化された電力を負荷に供給するためのパルス電力システムを提供する。このパルス電力システムは、電流源とプラズマ開放スイッチとを含む誘導性エネルギー蓄積回路を有する。このプラズマ開放スイッチは、負荷に電流を供給するために負荷と電流源を接続する伝送線を有する。この伝送線は、第１の領域から負荷に近い第２の領域に向かって延びる。このプラズマ開放スイッチは、閉止状態と開放状態とを有する。このプラズマ開放スイッチは、プラズマ開放スイッチにおけるプラズマ放電が第１の領域から第２の領域の方へ磁気力によって駆動されるときに閉止状態から開放状態に切り替わる。このパルス電力システムは電気導体を含んでおり、この電気導体は第１の領域に安定化磁界構成を備えるように配置され、電流源からの電流によって誘導性エネルギー蓄積回路を充電する間、第１の領域においてプラズマ放電を磁気的にラッチしている。また電流源から負荷へ伝送線に沿って流れる電流は、安定化磁界構成を分断し、プラズマ放電を第１の領域からラッチ解除し、このプラズマ放電を第２の領域に向けて駆動する傾向がある。

本発明の別の態様によれば、第１の領域におけるプラズマ放電は、プラズマ放電要素の少なくとも一つのアレイを含む。このアレイ内のプラズマ放電要素は、第２の領域から最も遠い第１のプラズマ放電要素と第２の領域に最も近い最後のプラズマ放電要素とを含む。このアレイ内のプラズマ放電要素は、第１のプラズマ放電要素の開放がこのアレイ内の他のプラズマ放電要素を順次開放するように、互いに接続されている。

パルス電力システムは、電力を負荷に伝達するために磁気的に絶縁された伝送線をしばしば使用する。この負荷としては、例えばピンチされたプラズマコラム、磁化されたプラズマターゲットのための内破ライナ、Ｘ線生成のための微細ワイヤの円錐形または双曲線アレイ、慣性的に閉じ込められた融合のための融合燃料ターゲットまたはホーラウム（ｈｏｈｌｒａｕｍ）などである。電力が伝送線に印加されると、伝送線の導体間の如何なるガスも伝送線における電界によってプラズマに変換される。結果として得られたプラズマは、Ａｌｆｖｅｎ速度（Ｖ_Ａ＝Ｂ／（μ_０ρ_ｍ）^１／２）で電磁ローレンツ力（ｄＦ＝ＩｄｌｘＢ）によって伝送線に沿って負荷に向けて駆動される。このプラズマは、伝送線がプラズマ開放スイッチとして機能するようにする。特に、負荷への電力の印加には遅延が存在する。この遅延は近似的に、プラズマが伝送線に沿って駆動されるのに要する時間である。もし、この遅延が伝送線に電力を印加する回路からの電流の立ち上がり時間に整合するならば、この遅延は有益な効果を発揮し得る。

多くのパルス電力システムは、磁気的に絶縁された伝送線内にプラズマを意図的に作り出している。これは、負荷に流される電流の割合を増加させるためのプラズマ開放スイッチを供給するためである。このようなプラズマ開放スイッチは、高密度プラズマ焦点装置の不可欠な構成要素である。この高密度プラズマ焦点装置において、負荷はｚピンチされたプラズマコラムであり、このプラズマコラムは伝送線からのプラズマも含んだプラズマの放射方向崩壊によって形成されている。このようなプラズマ開放スイッチは、プラズマ流れスイッチの一構成要素でもある。

本発明は、安定な閉止状態を与えるためにプラズマ流れスイッチの磁気ラッチングに基づいている。これは、プラズマ流れスイッチによって与えられる遅延を増加させて、閉止状態時のプラズマ流れスイッチのオン抵抗を減らす効果を有している。このような磁気ラッチングは現実的である。なぜなら伝送線に供給される電流のほんの一部がプラズマの流れを負荷の方に近づけないために必要とされるからで、このことについては下記に示されるであろう。また、いったん負荷に向かうプラズマの流れが存在すると、プラズマ流れスイッチが磁気的に絶縁された状態に切り替わるようにする方法で、磁気ラッチングが行われることも下記に示されるであろう。言い換えれば、プラズマの流れ自身が、安定な閉止状態から開放状態への切替えを引き起こすことが可能である。更に、安定な閉止状態におけるプラズマ放電は１アレイの位置で確立されることができ、一つの位置での閉止状態から開放状態へのプラズマ放電の切替えは隣接位置における閉止状態から開放状態へのプラズマ放電の切替えをトリガーするであろう。従って、切替えプロセスは、大きな面積に亘って極めて迅速に発生し得る。

図１は、外側円筒形導体シェル２１と内側円筒形導体シェル２２とを含む同軸導体構成を示す。この外側導体シェル２１はＲ_２という半径を有し、内側導体シェル２２はＲ_１という半径を有する。内側導体シェル２２は、上向き方向に電流（Ｉ）を搬送するように示されており、外側導体シェル２２は、反対の下向き方向に２倍の電流（２Ｉ）を搬送するように示されている。これら内側および外側導体は上方向および下方向に極めて遠方にまで同じ広がりを持っており、かつ電流密度は放射方向において対称性を有すると仮定すれば、半径（ｒ）における磁界強度（ｈ）は、ｈ＝ｉ／２πｒに従って半径（ｒ）内にある全電流（ｉ）の関数となる。従って、図１の導体と電流の構成において磁界強度は、外側導体シェル２１の直ぐ外側と内側の位置で、ほぼ同じ大きさＨ＝Ｉ／２πＲ_２を有する。この磁界は、外側導体シェル２１の外側表面に近い円周方向で、外側導体シェルを内向きに引こうとする磁界となるであろうし、またこの磁界は外側導体シェル２１の内側表面に近い反対の円周方向で、外側導体シェルを外向きに押しやろうとする磁界となるであろう。従って、正味ほぼゼロとなる電磁ローレンツ力（ｄＦ＝ＩｄｌｘＢ）が外側導体シェル２１上に存在するであろう。

図１の導体と電流の構成は、中心の電流がその２倍の電流による内向き放射方向への電磁的崩壊を防止できることを示している。更に下記に説明するように、この原理は、プラズマ流れスイッチにおけるプラズマ放電の電磁ラッチングに使用可能である。プラズマ放電は、図１の構成に対応する閉止状態で保持することができ、ここではプラズマ放電は外側シェル２１に類似している。

図２は、外側導体シェル２１が半径Ｒ_３へ内向き放射方向崩壊後における図１の同軸導体構成を示す。Ｒ_３より大きな如何なる半径の磁界も、同じ方向を有する。これは、Ｒ_３より大きな半径の位置が磁気的に絶縁され得ることを示唆している。

図３は、パルス電力を負荷４１に供給するためのパルス電力システムの模式図を示している。このパルス電力システムは、電流源４３とプラズマ開放スイッチ４４とを含む誘導性エネルギー蓄積回路４２を含んでいる。このプラズマ開放スイッチ４４は伝送線を備えており、この伝送線は負荷に電流を供給するために負荷４１に電流源４３を接続する導体５１、５２を含んでいる。これらの導体５１、５２は間隔をあけて配置されている。この伝送線は、第１の領域４５から負荷４１に近い第２の領域４６に向かって延びている。プラズマ開放スイッチは、図３に示すような閉止状態を有する。閉止状態では、プラズマ放電４０（１対の破線で表されている）は、第１の位置４５に位置している。このプラズマ開放スイッチは、プラズマ放電４０が第１の領域４５から第２の領域４６の方へ磁気力によって駆動されるときに閉止状態から開放状態に切り替わる。第１の領域４５から第２の領域４６に向かうプラズマ放電の移動は、図３、４、５および６のシーケンスによって示される。

更に図３に示すように、このパルス電力システムは電気導体４７および４８を含んでおり、これらの電気導体４７および４８は、電流源４３からの電流で誘導性エネルギー蓄積回路４２を充電する時に、第１の領域においてプラズマ放電を磁気的にラッチ（latch）するために、第１の領域４５に安定化磁界構成を供給するように配置されている。（図７を参照して下記に更に説明するように、導体４７および４８は４極構成を備えるように２分される。）しかしながら、電流源４３から負荷４１に伝送線導体５１、５２に沿って流れる電流は、安定化磁界構成を分断し、図５に示すように第１の領域４５からのプラズマ放電４０をラッチ解除し、このプラズマ放電を第２の領域４６の方へ駆動する傾向がある。第１の領域４５は、プラズマ開放スイッチが開放状態にあって電流源から負荷に電流を伝導しているときに磁気的に絶縁された状態になる。

更に図３に示すように、電気導体４７、４８は、誘導性エネルギー蓄積回路４２内にある。そして、プラズマ放電が第１の領域４５にあってプラズマ開放スイッチが閉止状態であるときに、電気導体４７、４８は電流源４３からプラズマ放電４０に電流を搬送する。電気導体４８は、第１の電流成分を搬送するためのインダクタ５１を含む第１の電流経路にあり、この第１の電流成分はプラズマ放電が第１の領域４５にあるときにプラズマ放電４０を第２の領域４６の方へ磁気的に追いやる傾向がある。電気導体４７は、第２の電流成分を搬送するためのインダクタ５２を含む第２の電流経路にあり、この第２の電流成分はプラズマ放電が第１の領域４５にあるときにプラズマ放電４０を第２の領域４６から磁気的に離れさせる傾向がある。

図３に更に示すように、このパルス電力システムはトリガーパルス発生器を含んでおり、さらにこのトリガーパルス発生器は、コンデンサ５５と、導体５６と、第１および第２の電流経路に接続された閉止スイッチ５７とを含んでいる。ここで、トリガーパルス発生器はコンデンサを放電するためにトリガーパルスを誘導性エネルギー回路４２に印加している。これは、安定化磁界構成を不安定化するために第１の電流成分と第２の電流成分との差を増加させ、それによってプラズマ開放スイッチを閉止状態から開放状態に切り替えている。特に閉止スイッチ５７のトリガーは、閉止スイッチ５７を閉じさせ、またこの閉止スイッチ５７を閉じることはインダクタ５２からの電流を導体４７から導体５６に向かわせる。この導体４７を通る電流の減少と導体５６を通る電流の増加は、プラズマ放電４０を負荷４１の方へ押しやる。

図４に示すように、閉止スイッチ５７の閉止は、プラズマ放電を負荷４１の方へ移動させている。電極４９、５０間の直接の経路は、磁気的に絶縁された状態になり、電極４９、５０との間に十分な電圧を生成する。

図５に示すように、電極４９、５０の間の十分な電圧は、分離装置５３、５４に電流を伝導させるようにしている。分離装置５３は、電極４９を伝送線導体５１に接続し、分離装置５４は、電極５０を伝送線導体５２に接続している。分離装置５３、５４は、低い印加電圧に対しては高い増加抵抗を有し、高い印加電圧に対しては低い増加抵抗を有する、例えば火花ギャップ、金属酸化物バリスタまたは炭化珪素バリスタである。例えば、火花ギャップまたはバリスタを導通するための閾値電圧は、プラズマスイッチが閉止状態にあるときに第１の領域において電極４９、５０の間にプラズマ放電を持続するために必要とされる電圧より僅かに高い。分離装置５３、５４は、また半導体ダイオード、サイリスタまたは他の種類のスイッチング装置であってもよい。一般に分離装置は、プラズマ放電が第１の領域４５にあってプラズマ開放スイッチ４４が閉止状態にあるときに比較的高い抵抗を有し、またプラズマ開放スイッチが開放状態にあるときに比較的低い抵抗を有する。

いったん分離装置が導通状態になると、プラズマ放電４０は伝送線導体５１、５２間に電流を伝導し、また磁気力はプラズマ放電４０を負荷４１の方へ駆動する。図６に示すように、プラズマ放電４０は、最終的に負荷に近い領域４６に到達し、またプラズマ放電の更なる変位は伝送線４４を流れる電流が負荷４１に印加されるようにする。

図７は更に、図２に示した２次元的模式図に導入されたパルス電力システムの３次元的態様を示す。図７は、プラズマ開放スイッチが閉止状態にあるときにプラズマ放電４０の全体的ＭＨＤ安定化のために４極磁界構成を備えるように、導体４７、４８とインダクタ５１、５２とコンデンサ５５が二分される（添字「ａ」または「ｂ」を有する同様の参照数字で示された構成要素に二分される）ことを示したものである。導体４７ａ、４７ｂは、第２の領域（図６の４６）と第１の領域（図６の４５、図７の電極４９と５０との間）との間に平行に間隔をあけて配置されており、これによりプラズマ開放スイッチが閉止状態から開放状態に切り替わるときにプラズマ放電が導体４７ａと４７ｂとの間を通過するようにしている。

プラズマ放電から導体５６、４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂを電気的に絶縁し、またこれらの導体と電極４９、５０と伝送線導体５１、５２とのための物理的支持を与える誘電体構造は、図７から省略されている。このような誘電体構造は、図８〜１２に示されている。この誘電体構造は、互いに融合した３つのガラスまたはセラミックの誘電体層のサンドイッチである。さらに、以下で説明するように、大規模なパルス電力システムは、図３に示すような回路の円形アレイを含むことが可能であり、この円形アレイは共通の負荷の周りに配置されている。この場合、これら３つのガラスまたはセラミックの誘電体層は、各々環状である。

図８は、中間誘電体層６１の上面図を示す。この中間誘電体層は、プラズマ流れスイッチが安定な閉止状態にあるときにプラズマ放電の中心軸である中心６８の周りに円形パターンに配置された一連の孔６２、６３、６４、６５、６６を有する。孔６２、６３により、図７の導体４７ａ、４７ｂが中間誘電体層６１を通り抜けることが可能となる。孔６４、６５によって、導体４８ａ、４８ｂが中間誘電体層６１を通り抜けることが可能となる。また孔６６によって、導体５６が中間誘電体層６１を通り抜けることが可能となる。中間誘電体層６１は、プラズマ放電が中心６８から負荷の方へ移動するチャネル６７を画定する。

図９は、いったん構成要素が中間誘電体層上に組み立てられた状態のプラズマ開放スイッチの上面図を示す。これらの構成要素は、上部誘電体層７０と、導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６を上部電極４９に相互接続する金属プレート７１と、上部伝送線導体５１とを含んでいる。図９には、誘電体層の下に接続するための多数のバスバー(bus bar)も見られる。これらのバスバーは、導体４８ａに接続されたバスバー７２と、下部電極（図７における５０）に接続されたバスバー７３と、導体５６に接続されたバスバー７４と、コンデンサ（図７における５５ａと５５ｂ）に接続されたバスバー７５と、導体４８ｂに接続されたバスバー７６とを含んでいる。

図１０は、電極４９、５０の近傍におけるプラズマ開放スイッチの横断面を示している。３つの誘電体層７０、６１、７７は、共にサンドイッチされた状態で示されている。図１０には導体４７ａ、４７ｂに接続された下部バスバー７８、７９も見られる。

図１１は、電極４９、５０の近傍におけるプラズマ開放スイッチのもう一つの横断面を示す。図１１では、バスバー７４の導体５６への接続と、バスバー７３の下部電極５０への接続を示している。誘電体層７０、６１、７７が伝送線５１、５２間にサンドイッチされていることも分かる。

図１２は、下部電極５０の近傍におけるプラズマ開放スイッチの底面図を示す。これは、バスバー７２、７３、７６、７８、７９と導体４８ａ、電極５０、導体４８ｂ、導体４７ａ、導体４７ｂとの間のそれぞれの接続を示している。

図３のパルス電力システム４４において電極間に許容され得る最大電圧は、下部電極５０と導体４７、４８との間の絶縁破壊によって制限される。このパルス電力システム４４は本質的に、下部電極５０が接地されることを可能にする「単一終端」設計である。これは、構造上の単純さという利点と、鉱油のような誘電体液のプール内で図１２のバスバー７２、７３、７６、７８、７９を絶縁する容易さという利点を持っている。

図１３は、電極８４、８５間の最大電圧が図３の単一終端設計の場合と比較して２倍にすることを可能にしたバイポーラ設計のパルス電力システム８０を示す。図１３のパルス電力システム８０は、伝送線導体８２、８３に接続された負荷８１を有する。電極８４、８５は、初期プラズマ放電８６を供給し、またそれぞれ分離装置８７、８８を介して伝送線導体８２、８３に接続されている。

補償形同期発電機９０は、電極８４、８５に電流を供給するためのバイポーラ電流源として機能し、また電流経路は、初期プラズマ放電８６のために安定化４極磁界構成を提供する導体１１０、９６を含んでいる。補償形同期発電機９０は、回転子９１と固定子コイル９２、９３、９４、９５を含んでおり、スイッチ１００は電流パルスが固定子コイルに生成されるように閉じられる。適当な補償形同期発電機の構造に関する更なる詳細は、引例として組み込まれている１９８９年６月２０日に発行されたＷｅｌｄｏｎらの米国特許第４，８４１，２１７号と、引例として組み込まれている１９９３年５月１１日に発行されたＰｒａｔａｐらの米国特許第５，２１０，４５２号とに見出すことができる。

電極８４、８５のプラズマ開放スイッチを閉止状態から開放状態に切り替えるために、閉止スイッチ９９が電流を導体１１０から導体９７に向けるようにコンデンサ９８を放電する。

図１４は、電極８４、８５の近傍における図１３のパルス電力システムの横断面を示す。図３の単一終端設計に関する図１０の横断面と比較して、図１３に示すバイポーラ設計の横断面である図１４では、１セットの下部バスバー１０６、１０７に類似する１セットの上部バスバー１０４、１０５を有する。

用途によっては、パルス電力システムの開放スイッチの自動トリガーを促進するために誘導性蓄積回路（図３の４２）を構成することが望ましい。これは、誘導性エネルギー蓄積回路を構成することによって行うことができるものであり、プラズマ開放スイッチが閉止状態で誘導性エネルギー蓄積回路が電流源によって充電された状態のときに、導体４８への第１の電流成分（Ｉ_１）と導体４７への第２の電流成分（Ｉ_２）との差が時間の増加関数であるように、誘導性エネルギー蓄積回路を構成する。このとき、安定化磁界構成が閉止状態から開放状態へプラズマ開放スイッチの切替えのために不安定状態になるようにする。例えば、図１５に示すように、第２の電流成分（Ｉ_２）が時間と共に増加してから減少する時間の関数である場合に、第１の電流成分（Ｉ_１）は時間の増加関数１１１となる。

図１６は、図１５の電流関数を取得するために誘導性蓄積回路を構成する一つの方法を示したものである。図１６において、抵抗１１３は、第２の電流成分（Ｉ_２）を供給する第２の回路経路に挿入され、それによって第２の回路経路は第１の電流成分（Ｉ_１）を供給する第１の回路経路よりも高い抵抗を有する。従って、第２の電流成分（Ｉ_２）の大きさは、第１の電流成分（Ｉ_１）がピークに到達する前に、ピークに到達して降下することになる。

図１７は、図１５の電流関数を取得するために誘導性蓄積回路を構成するもう一つの方法を示したものである。図１６において、第１および第２の電流成分（Ｉ_１、Ｉ_２）を供給するそれぞれの回路経路にあるインダクタンス５１、５２は、補償形同期発電機１１４のそれぞれの固定子巻線によって提供され、またこれらの固定子巻線は図１５の所望の電流関数を与えるように空間的な広がりと相対的な位相配置を有している。

図１８〜２０は、図３の電極４９、５０または図１３の電極８４、８５といった１対の電極間でプラズマ放電を開始するための種々の手段を示す。場合によっては、電極間の絶縁破壊電圧は、プラズマ放電を開始するために追加の手段が必要とならないように、図３の電流源４３によって生成される電圧と比較して相対的に低くなる。このような場合に放電は、電流源４３が起動された後まもなく、例えば補償形同期発電機がスイッチオンされたとき、または爆発型磁束圧縮発電機が爆発したときに発生する。

図１８に示すように、シングルショット（単発）用途のために、電流源が起動したときに電極間にプラズマ放電が開始するように、上部電極１２１のプラグ１２４から下部電極１２２のインサート１２５に細い金属ワイヤ１２３を張る。この場合、ワイヤ１２３は、爆発して電極１２１、１２２間に金属蒸気アークを供給する。

図１９に示すように、マルチショット（多発）用途のために、擬似火花発生器１３３は、電極１３１、１３２間にプラズマ放電が開始するように十分なエネルギーを有する光子、イオンまたは電子ビーム１３４を供給することができる。

図２０に示すように、繰り返し動作のために、レーザ１４３は電極１４１間にプラズマ放電を開始させるための光子ビーム１４４を供給することができる。例えば、電極１４１は陽極であり、電極１４２は陰極である。電極１４１、１４２間に極めて低いガス圧が存在するときの動作のためには、レーザ１４３は、熱電子放射を開始するように陰極を加熱する二酸化炭素レーザとなる。電極１４１、１４２間に比較的高いガス圧が存在するときの動作のためには、レーザは電極１４１、１４２間のガスをイオン化する紫外線ビーム放射を供給するエキシマレーザである。電気腐食の有害な効果を減らすために、陰極１４２は、プラズマアーク放電を維持するためのリチウムのような液体金属のプール１４５を有している。

図３のパルス電力システム４４は、図２１に示す核融合・***反応炉のような核融合反応炉で使用することができる。この場合、開放スイッチの伝送線導体は、プラズマ流れスイッチの電極、すなわち高密度プラズマ焦点装置の電極を含んでいる。この反応炉は、中心の陽極１５１と、溶融リチウムのプールを含んだ陰極１５２との間の中心位置に高密度プラズマ焦点１５０を生成する。それぞれの伝送線プレート１５３、１５４は、開放スイッチ１５５、１５６を中心陽極１５１と陰極１５２にそれぞれ接続している。開放スイッチ１５５、１５６は、それぞれのコンデンサ１５７、１５８を放電することによって同期してトリガーされる。補償形同期発電機１５９、１６０は、開放スイッチに電流を供給する。アクチニド廃棄物（劣化ウランなど）１６１の内側ブランケットとリチウム１６２の外側ブランケットは放射シールドを提供し、重水素および三重水素ガスの混合物によるプラズマ焦点への燃料供給のために三重水素を増殖する。

伝送線プレート１５３、１５４を磁化することによって、核融合・***反応炉は、高密度プラズマ焦点装置の代わりにスフェロマック（ｓｐｈｅｒｏｍａｃ）装置として動作する。開放スイッチ１５５、１５６から反応炉の中心領域へ内向きに駆動されたプラズマ放電に、ヘリシティ（螺旋運動）が注入されるように、伝送線プレートは電磁石コイル１６３、１６４に通電することによって磁化される。反応炉の中心領域の上方と下方の１対のヘルムホルツコイル１６５、１６６は、電磁石コイル１６３、１６４からの磁界に対抗することによって反応炉の中心領域における磁界をゼロにすることができる。

図２２に示すように、開放スイッチ１５５、１５６は、開放スイッチの円形アレイ内におけるただ二つのスイッチであり、補償形同期発電機１５９、１６０は補償形同期発電機の円形アレイ内におけるただ二つの補償形同期発電機である。補償形同期発電機１５９、１６０のための励起フィールドコイル１７１、１７２および１７３、１７４は、補償形同期発電機のドーナツ型（環状型）領域に閉じ込められるようになっており、アレイ内の隣接した補償形同期発電機によって励起フィールドコイルは共用されている。

シングルショット用途では爆発型磁束圧縮発電機が、図２２の補償形同期発電機の代わりに使用することができる。励起フィールドコイルは、磁束圧縮発電機を励起するために適所に保持される。図２３は例えば、二つのフィールドコイル１８１、１８２の間にある爆発型磁束圧縮発電機１８３を示している。

図２４は、爆発型磁束圧縮発電機１８３の横断面を示す。爆発型磁束圧縮発電機１８３は、爆発物１８５と金属導体１８６とポリエチレンまたはポリビニールの塩化物といった絶縁体１８７とが交互に積層されたシートを含んでいる。爆発物層の爆発によって、金属導体層のループが絶縁体層上で内破することが引き起こされるとともに、金属導体層のループが金属導体ループ内にトラップされたフィールドコイルからの磁束を圧縮することが引き起こされる。金属導体のループは増加する電流のために並列に接続されているが、開放スイッチを通じてプラズマ放電の電圧降下に打ち勝つために十分な電圧が必要な場合には、直列に接続される。

前述のように図３の開放スイッチ４４は、プラズマ放電４０が安定化磁界構成内に保持されている閉止状態から、電極４９、５０間の領域４５が磁気的に絶縁状態になる開放状態へ切り替えることができる。開放スイッチ４０のこのような動作は、下記に列挙されるような有限要素分析プログラムを使用するコンピュータシミュレーションによって実証される。

図２５は、図７〜１２で図示して説明したような開放スイッチにおいて、安定化磁界構成を確立する電気導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂの有限要素モデルの斜視図である。プラズマ放電４０を通って下方に流れる電流は、導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂの各々を通る上向きの電流の４分の１によって供給されていると仮定されている。図２６は、水平二等分面における結果的に得られた磁界を示したもので、図２５の有限要素モデルを通じてこの電流分布によって生成されたものである。

図３〜６で紹介したようにプラズマ放電上の磁気力は、プラズマ開放スイッチの一連の動作を決定する。プラズマ放電内を流れる電流上のこの力の空間的分布をより良く示すために、図２６の磁界は、固体導体（電流要素４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂなど）による磁界への寄与と、プラズマ放電自身を流れる電流による磁界への寄与とに分割することができる。例えば、図２７に示すようなプラズマ放電４０を流れる電流はＢｉｏｔ−Ｓａｖａｒｔの法則に従って図２８に示す磁界寄与を作り出す。しかしながら、プラズマ放電４０を流れる電流に起因する磁界寄与は、全体としてプラズマ放電に対して如何なる正味の力も生じないという結果をもたらす。

図２９は、開放スイッチにおける固体導体の有限要素モデルを示す。これらの固体導体を通る電流は、図３０に示す磁界寄与を作り出す。これは４極磁界構成であり、この４極磁界構成は、導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂ間の中心位置におけるプラズマ放電上で局所的最小の磁気力を与えるものである。この磁界構成は、プラズマ放電を導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂ間の中心位置に閉じ込める傾向のある正味の力をプラズマ放電４０上に生成する傾向がある。

図８と図２１、２２に関して前に説明したように、円形アレイに関して中心位置にある共通負荷にパルス電力を供給するためには開放スイッチの円形アレイを使用することが望ましい。この場合、各スイッチの近隣における磁界は、このアレイの全てのスイッチにおける全ての電流要素を流れる電流によって影響される。例えば、図３１は開放スイッチの円形アレイの有限要素モデルにおける導体の上面図であり、図３２は図３１に示した開放スイッチの円形アレイの有限要素モデルにおける導体の斜視図であり、図３３はこの円形アレイ内にある単一の開放スイッチ１９０近傍の磁界を示している。

図３４は、図３３と同様の上面図であるが、中心の有限導体要素（開放スイッチの一つにおけるプラズマ放電を表す）が取り除かれたときの磁界寄与を示している。図３４のこの磁界構成は、図３０と同様の４極構成である。図３４のフィールド構成を、５倍に拡大した後の図を図３５に示している。導体４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂに関してスイッチ１９０内のプラズマ放電が中心位置に閉じ込められるということは、図３５から明らかになるはずである。

図３６は、図３１と同様の有限要素モデルの上面図であるが、円形アレイに関して各開放スイッチにおけるプラズマ放電が中心位置の負荷に向かって変位させられている図５と同様の状態のものである。図３７は、図３６の有限要素モデルの斜視図である。図３８は、一つのスイッチ２００の近傍における磁界構成を示す。この図３８の磁界構成は、開放スイッチ２００が磁気的に絶縁された状態になっていることを示す。

図３９は、図３１と同様の有限要素モデルの上面図であるが、１個の開放スイッチ２１０がトリガーされずに（不適切にも）開かないと仮定した場合を示す仮想図である。図４０は、図３９の有限要素モデルの斜視図である。図４１は、１個の開放スイッチ２１０の近傍における磁界を示す。図４１の磁界構成は以下のことを示している。それは、このアレイ内にある他のスイッチの開放が開放スイッチ２１０を磁気的に絶縁された状態にするということと、開放スイッチ２１０のプラズマ放電はアレイに関して中心位置にある負荷に向かって駆動されるということである。

更なるコンピュータシミュレーションは、１個のスイッチのトリガーがアレイ全体を開かせるように、アレイ内における１個のスイッチの開放が隣接するスイッチを開かせるということを示している。この開放スイッチのアレイは、閉止スイッチのＭａｒｘバンクの二重化されたものとして機能するであろう。例えば、図４２は、円形アレイ内の１個の開放スイッチ２１５が開放状態にある場合の有限要素モデルの上面図である。図４３は、図４２の有限要素モデルの斜視図である。図４４は、隣接スイッチ２１６における磁界（５倍に拡大されている）を示す。スイッチ２１５の開放は、隣接するスイッチ２１６への磁界構成を分断している。図４５〜４７は、スイッチ２１５の更なる開放が隣接スイッチ２１６への磁界構成を更に分断することを示している。

図４８〜５０は、それぞれ図４２〜４４に類似した図であり、図５０に示すように二つの隣接する開放スイッチの各々が開放状態にトリガーされたときにおける一つの開放スイッチの磁界を示したものである。図４８〜５０から分かるように、アレイ全体の迅速な開放のためにアレイ内のスイッチの全てをトリガーする必要はない。その代わりに、アレイ内に偶数のスイッチを含むことと、このアレイ内における他の全てのスイッチを同時にトリガーすることとが、アレイ全体の迅速な開放を達成させる。非対称内破のある程度の犠牲で、より少数のスイッチが同時にトリガーされ得るであろう。例えば、３６個のスイッチを有するアレイでは、このアレイ内の６番目ごとのスイッチが同時にトリガーされ得るであろう。

図５１は、本発明のもう一つの態様によるパルス電力システムの模式図を示しており、ここでは連続したプラズマ放電要素は縦続接続され、最初のスイッチの開放が連続したスイッチを順次開放するとともに、連続したプラズマ放電要素によって共用されている伝送線に沿って電流パルスを形成するようにしている。例えば、図５１のパルス電力システムは、負荷２４１と、電流源２４３と、第１の放電要素を生成するための電極２４９、２５０と、伝送線導体２５１、２５２と、分離装置２５３、２５４と、コンデンサ２５５と、閉止スイッチ２５７とを含み、これらはそれぞれ、図３の要素４３、４９、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５７に類似している。図５１のパルス電力システムは更に、連続した電極と、導体と、第１の１対の電極２４９、２５０から負荷２４１に向かって並べられたプラズマ放電要素（破線で示されている）を維持するための分離装置（２６１、２６２、２６３、２６４、２６５）とを含んでいる。それぞれのプラズマ放電要素を維持する一対の電極間の分離装置による接続のおかげで、第１のプラズマ放電要素の開放（スイッチ２５７の閉止によってトリガーされる）が、このアレイ内における他のプラズマ放電要素を順次開放させる。

これらのプラズマ放電要素は図５１に示す方式で縦続接続され、連続したプラズマ放電要素をトリガーするために必要とされる高電圧コンデンサ２５５のサイズを縮小させるようにしている。また、プラズマ放電要素はこの方式で縦続接続されることにより、連続したプラズマ放電要素がトリガーされるまでの間、各プラズマ放電要素によって伝導される必要のある電流量を減らしている。プラズマ放電要素によって伝導される必要のある電流量は、各プラズマ放電要素に対するパワー損失と熱放散とを減らすために削減されることが可能である。例えば、各閉じられたスイッチによって伝導される電流は、放電安定性を促進するためにわずか約１メガアンペアに制限されるであろう。各プラズマ放電要素を開始して維持するための熱電子エミッタまたはフィールドエミッタの使用を可能にするために、電流密度は制限され得る。これは、電解コンデンサやウルトラコンデンサといった比較的低い電圧の電流源の使用を可能にするであろう。例えば、卓上型パルス電力発生器は、一つ以上の電解コンデンサまたは多数のウルトラコンデンサを含む多数のコンデンサモジュールと、クローバー・ダイオードと、コンデンサから一つ以上のプラズマ放電要素に電流を放電するためのシリコン制御整流器との使用を可能にするであろう。

実際に、図２２に示した各プラズマ開放スイッチ（例えば１５５、１５６）は、開放スイッチアレイをトリガーするための高電圧コンデンサのサイズを縮小するために、図５１に示すようなプラズマ放電要素のアレイで置き換えることが可能である。例えば、図５２は、このようなパルス電力発生器で使用できる絶縁プレート２７０の上面図を示す。この絶縁プレート２７０は、図５１に示すプラズマ放電の連続を受けるための放射状チャネル２７１のような一連の放射状チャネルを備えている。この絶縁プレート２７０は、米国特許第５，７６６，３３７号に記載された無機ポリマーセラミックセメントのＣｅｒａＬｉｔｈ（商標）ブランドといったセラミックセメント合成物から鋳造できる。

本発明は、種々の修正と代替形式とを受け入れる余地があるが、例としてこれらの図面にその特定の実施形態が示されており詳細に説明されている。しかしながら、これが本発明をこれら図示の特定の形式に限定することを意図せず、逆にその意図が付属の請求項に記載の本発明の範囲に入る全ての修正と同等手段と代替手段とをカバーすることであることは理解されるべきである。

下記は、Ｃプログラミング言語での有限要素分析プログラムのリストであり、特に図３６〜３８を生成したバージョンのプログラムである。

本発明の更なる目的と利点は、下記の図面を見て上記の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。
外側導体シェルの内向き放射方向崩壊を引き起こす傾向がある電磁力に対して、内側導体内の電流が、２倍の電流を搬送する外側導体シェルを安定化できることを示す同軸導体構成の図である。 外側導体シェルの内向き放射方向崩壊後における図１の同軸導体構成を示す図である。 パルス電力システムのプラズマ開放スイッチが閉止状態にあるときの誘導性エネルギー蓄積時における本発明の一態様によるパルス電力システムの模式図である。 閉止状態から開放状態にプラズマ開放スイッチを切り替えるためにトリガーパルスが印加された後の図３のパルス電力システムを示す図である。 プラズマ開放スイッチが開いて、磁気的に絶縁された伝送線に沿ってプラズマを負荷の方へ駆動し始めたときの図３のパルス電力システムを示す図である。 プラズマが伝送線に沿って駆動されて負荷の近くの領域に到達したときの図３のパルス電力システムを示す図である。 図３のパルス電力システムのより詳細な模式図である。 図３のパルス電力システムのための絶縁プレートまたはリングの上面図である。 図３のパルス電力システムにおける１対の間隔をあけた電極の上面図である。 図９の線１０−１０に沿った図３のパルス電力システムにおける間隔をあけた１対の電極の横断面図である。 図９の線１１−１１に沿った図３のパルス電力システムにおける間隔をあけた１対の電極の横断面図である。 図３のパルス電力システムにおける間隔をあけた１対の電極の底面図である。 本発明によるパルス電力システムの代替となるバイポーラ設計を示す模式図である。 図１０と同様の視点から図１３に示す代替のパルス電力システムのバイポーラ設計を示す横断面図である。 図３のパルス電力システムにおけるプラズマ開放スイッチの自動トリガーのための時間の関数である電流のグラフを示す図である。 回路経路の一つに抵抗を挿入することによって図１５の電流関数を生成するための回路の模式図である。 補償形同期発電機の固定子巻線の異なるサイズと位相配置によって図１５の電流関数を生成するための回路の模式図である。 プラズマ放電を開始するための爆発ワイヤの構成を示す図である。 プラズマ放電を開始するための擬似火花発生器の構成を示す図である。 プラズマ放電を開始するためのレーザの構成を示す図である。 反応炉の中心位置にある共通負荷にパルス電力を供給する図３または図１３に示すようなパルス電力システムにおける円形アレイを含むプラズマ焦点またはスフェロマックの核融合・***反応炉の横断面を示す模式図である。 図２１の核融合・***反応炉の上面図である。 二つの励起フィールドコイル間の爆発駆動型磁束圧縮機を示す上面図である。 図２３の線２４−２４に沿った爆発駆動型磁束圧縮機の横断面図である。 開放スイッチのそれぞれのスイッチにおいて安定化磁束構成を確立する電気導体の有限要素モデルの斜視図である。 図２３の有限導体要素と、これらの有限導体要素を流れる電流によって生成された水平二等分面における磁界とを示す上面図である。 図２５の中心有限導体要素の斜視図である。 水平二等分面における中心有限導体要素とその磁界寄与とを示す上面図である。 中心有限導体要素の除去後における図２５の有限要素モデルの斜視図である。 水平二等分面における図２９の有限要素モデルと、その磁界寄与との上面図である。 開放スイッチの円形アレイの有限要素モデルにおける導体の上面図である。 図３１に示す開放スイッチの円形アレイの有限要素モデルにおける導体の斜視図である。 水平二等分面における図３１に示すアレイ内にある開放スイッチのうちの１個のスイッチにおける有限要素モデルと磁界との上面図である。 図３３に類似しているが、中心有限導体要素（開放スイッチのうちの１個のスイッチにおけるプラズマ放電を表す）が除去されたときの磁界寄与を示す上面図である。 プラズマ放電の中心領域における限定されている４極フィールド構成をより詳しく示すために磁界寄与を５倍に拡大したこと以外は図３４と同様に示した上面図である。 各開放スイッチにおけるプラズマ放電が円形アレイに関して中心位置の負荷に向かって変位した図５に類似した状態以外は図３１と同様に示した有限要素モデルの上面図である。 図３６に示す開放スイッチの円形アレイの有限要素モデルにおける導体の斜視図である。 図３６の円形アレイにおける開放スイッチの一つと、これらの開放スイッチの一つが磁気的に絶縁されていることを示す水平二等分面における磁界の上面図である。 開放スイッチのうちの１個がトリガーされずに（不適切にも）開かないと仮定したことを除いては図３１と同様の有限要素モデルの上面図である。 図３９の有限要素モデルの斜視図である。 開放スイッチの一つのための水平二等分面における磁界を示す上面図である。 円形アレイ内の開放スイッチの一つが開放状態にある場合の有限要素モデルの上面図である。 図４２の有限要素モデルの斜視図である。 開放スイッチのうち開放状態にある一つのスイッチに隣接する開放スイッチにおける水平二等分面の磁界（５倍に拡大された）を示す上面図である。 図４２に類似しており、開放スイッチのうちの一つのスイッチのプラズマ放電が円形アレイに関して中心位置の負荷に向かって更に進んだ場合を示す図である。 図４３に類似しており、開放スイッチのうちの一つのスイッチのプラズマ放電が円形アレイに関して中心位置の負荷に向かって更に進んだ場合を示す図である。 図４４に類似しており、開放スイッチのうちの一つのスイッチのプラズマ放電が円形アレイに関して中心位置の負荷に向かって更に進んだ場合を示す図である。 一つの開放スイッチが閉止状態にあり、円形アレイ内の隣接する開放スイッチが開放状態にトリガーされた場合を示す図である。 一つの開放スイッチが閉止状態にあり、円形アレイ内の隣接する開放スイッチが開放状態にトリガーされた場合を示す図である。 一つの開放スイッチが閉止状態にあり、円形アレイ内の隣接する開放スイッチが開放状態にトリガーされた場合を示す図である。 本発明の別の態様によるパルス電力システムであって、連続した開放スイッチのうちの第１スイッチにおける開放が、連続したスイッチの別のスイッチを順次開放していく状態と、この連続した開放スイッチに共用される伝送線に沿った電流パルスを形成する状態とを引き起こすように開放スイッチが縦続接続されたパルス電力システムを示す模式図である。 図５１に示す連続した開放スイッチを受けるための放射状チャネルを含む連続した放射状チャネルを有する絶縁体プレートの上面図である。

Claims (1)

1. パルス電力を負荷に供給するための装置であって、
   電流源と、
   一対の電極であり、その一対の電極の間のプラズマに前記電流源からの電流を伝導するための一対の電極と、
   前記電流源からの前記電流が前記一対の電極の間のプラズマに伝導される間に、磁気エネルギーを蓄積するために前記電流源を前記一対の電極に接続する電気導体と、
   伝送線であり、離隔された一対の導体を有し、前記一対の電極の間の前記プラズマが前記一対の電極間から移動されて前記負荷に向けて前記伝送線の前記離隔された一対の導体間を流れるときに、前記蓄積された磁気エネルギーからのパワーを前記負荷に伝えるために前記一対の電極に結合される伝送線とを備え、
   前記電流源を前記一対の電極に結合する前記電気導体は、前記磁気エネルギーが蓄積されて前記電流源からの前記電流が前記一対の電極間の前記プラズマに伝導される間、前記一対の電極間の前記プラズマを保持するために配置され、
   さらに前記電流源を前記一対の電極に結合する前記電気導体は、前記プラズマが前記一対の電極間に保持されるときに、前記負荷に向けて前記伝送線に沿って導かれる第１の磁気力成分を前記一対の電極間の前記プラズマ上に適用するため、前記電流源からの第１の電流成分を伝達するための少なくとも一つの第１の電気導体を備え、
   またさらに前記電流源を前記一対の電極に結合する前記電気導体は、前記プラズマが前記一対の電極間に保持されるときに、前記負荷から離れて前記伝送線に沿って導かれる第２の磁気力を前記一対の電極間の前記プラズマ上に適用するため、前記電流源からの第２の電流成分を伝達するための少なくとも一つの第２の電気的導体を備える、装置。

Images