CN1235569A - 利用惯性静电约束放电等离子体的等离子体喷射源 - Google Patents

Abstract

一种静电离子喷射源设计,基于惯性静电约束(IEC)技术。本发明的惯性静电约束喷射源采用真空室11内离子的产生和加速相一致的配置。该装置使用了独特的球形配置,放大的孔栅(113),通道导向栅和电子产生/约束方法。现有技术的设计必须产生一小直径喷管。虚拟阴极在高密度区形成,配合局部扭曲阴极栅电位场,在强准中性离子喷管(117)中提取加速的离子。该装置喷发出喷射状物质以用于工业等离子体喷溅,工业材料处理,废物处理,材料焊接或切割或等离子体蒸气淀积。本发明还涉及为太空飞船推进提供推动力的装置,具体涉及一离子喷射推进器,它采用了惯性静电约束设计,具有一放电等离子体以产生离子,在从本装置的等离子体喷射中加速和逐出时提供推动力。

Description

利用惯性静电约束放电 等离子体的等离子 体喷射源

本申请基于1996年11月1日美国临时申请SN 60/030,009要求本国优先权，并且将该申请的全部内容在此引做参考文献。

本发明涉及一种装置，该装置使用离子或中性带电气体提供一种推动力(thrust force)或物质流，具体地说，本发明涉及一种能喷射出具有喷射状的物质的装置，该喷射状的物质可用于工业等离子体喷射，工业材料处理，废品处理，焊接或切割材料，或用做等离子体蒸气淀积。本发明还涉及一种装置，该装置可以提供推动推力以用于太空船的推动，具体地说该装置是一种离子喷射推进器，该装置采用惯性静电约束设计，该设计具有放电等离子体，用于当从等离子发射装置加速和排出时产生提供推动力的离子。

热离子化或中性带电气体的强源(intense source)在各种工业应用中有很大的需求，如用于清洁或蚀刻表面的等离子体喷涂以及用于喷溅或蒸气淀积的等离子体源。这样的源对于很多需要强热源的应用，如废品处理或材料切割和焊接也是有价值的。

在另一种应用中，太空飞船，特别是用于电讯的商业卫星的设计者们，非常关心由他们的设计所带来的每单位“商业负荷(payload)”的成本。由于可扩充火箭和“太空飞船”的有限的容量的原因，太空飞船的设计中要求严格的大小和容量限制。因此，发射到同步轨道上提供声音，数据，和电视服务之类的通讯卫星的“商业负荷”将包括天线，问答机，信号处理和交换设备之类直接提供通讯服务的设备。为了最大化给定太空飞船设计的效益，“商业负荷”必须最大化以提供最大的效益产生能力。由于卫星的其余部分涉及到飞船体，太阳能电池，动力系统，热控制系统，轨道驾驶推动系统等“额外”结构和设备，最大化收入产出负荷的目标要求额外负荷必须减小。当然，“商业负荷”和“额外负荷”之间的平衡要考虑飞船上提供的额外服务并根据效率和寿命来决定。

用于飞船的轨道驾驶推动系统是重要的，因为它至少有两个用途。其一是飞船在同步轨道或低/中高度地球轨道或星际飞行轨道上的维护。推进器产生了动量的改变以在预定轨道点或段改变速度向量。推进器的其它用途是做为系统的促动器以维护飞船的高度和方向。在太空真空中，靠动量改变来达到反作用力。火箭或喷射方法是本领域中已知的方法。进一步的应用是将飞船发射入轨道的推动系统，它通常是靠较高推动的化学火箭引擎来完成。依据推动系统的要求，推进器必须在要求的功率方式(regime)内工作并且提供指定的推动水平(即，在给定的时间间隔期间每消耗单位推动物质的推动力)，效率水平和适合于该应用的推动。在过去，除双推动液体和固体化学火箭以外，一般的飞船推动系统采用了单推动物推进器。电子离子推进器也被提议用于此项用途；然而，至今为止，这项技术并未达到足以可用于商业和科学飞船应用的成熟和可靠程度。

下一代通讯卫星将要求另一种推动系统，他们应是卫星质量的一小部分。这种推进器还必须在低功率范围内工作(200-700W)，但必须能提供中等特定的推动力(1000-3000S)并且提供范围在几千万牛顿的推动(mN)，然而，已知的电子增强推进器设计，如电弧喷射(arcjet)和电阻引擎推进器，在1KW以下的功率级上工作不够理想。使用塑料或其它的固体推动材料的脉冲(pulsed)磁性等离子体动态(MPD)推进器效率较低，通常在30％以下，这不符合于减小飞船额外负荷质量的目的。虽然电子离子推进器的发展已取得了一些进步，特别是具有平面设计的那些推进器，但是他们的效率特别是低功率部件的寿命仍然是要关心的问题。此种推进器的一个突出的问题是工作期间电子栅(grid)的腐蚀。

通常的平面离子推进器使用磁场来约束用于离子化中性推动原子的电子。除现有的离子喷射概念之外，至今没有其它的球形的(spherical)推进器概念，也没有任何其它推进器采用电子导向栅(electron guide grid)来振荡电子以达到离子产生的目的。相关的先前的发明包括John P.Brophy的用于离子推动引擎的3栅加速器系统(美国专利5,369,953),J.R.Kaufman的原有的电子轰击推进器概念(美国专利3,156,090)，和R.Boyer和J.P Journoux的气体离子化室概念(美国专利4,468,564)，但是他们与本发明的关系较远。

因此，本发明的目的之一是提供一种离子推进器的设计，该设计可以减少栅腐蚀和明显增加推进器寿命。

本发明的另一个目的是推供一种热离子化或中性形式的气体源设计，该设计体积紧凑，具有大大减少重量的优点。

本发明的另一目的是减少中性推动物气体泄露，这样便节省推动物并且进一步减少质量。

另外，本发明另一目的是提供一种用于工业应用的热离子化气体或中性带电气体源的设计，该应用需要等离子体喷溅，蒸气淀积，或强等离子体加热。

                    本发明概述

本发明是一种静电离子喷射源设计，该设计基于惯性静电约束(IEC)技术。按照本发明，惯性静电约束喷射源采用了一种与真空室内离子的产生和加速一致的配置。在高密度区域中的虚拟阴极的形成，与局部扭曲的阴极栅电位场相结合，以强准中性离子喷射的形式提取加速离子。

在本发明的一具体实施例中，喷射源使用了一种球形配置，在该配置中，向电接地的球形真空室的中央的核心产生和加速离子。气体的推动物被引入该室内容器的适当位置。在该容器中，第一线栅(wire grid)(最好是一球形阴极线栅)具有高几何穿透率(最好＞90％)，并且被设计为可提供超高效穿透率(最好98-99％)，该第一线栅位于容器的中央核心区域。“有效穿透率”的定义是在后继离子束的外形不均匀的情况下离子穿过栅的概率。在本发明中，离子在经过栅开口中心附近的通道(微通道)中被集中，减少了截断的机会和增加了该栅的主几何穿透率以上的有效穿透率。在第一线栅和容器壁之间是一个第二带正电的位于接地球附近的外部电栅，。它具有电子导向栅的功能，增加了电子路径长度并且增强了背景(background)中性气体向等离子体的离子化率。负电位被提供在内部栅上以提供合适的电场以用于离子化气体。该电场，与位于球中的发射体发出的电子一道，将促使球内离子的产生以及离子到“微通道”的(formation)排并。这些离子的微通道可以由球形栅引导以聚集在室和栅中央。一个第三柱形栅位于内阴极栅和外阳极栅和地壁之间并且形成至球壁上一孔的通道，该第三柱形栅确定了从推进器发出的离子的排放路径。

本发明还包括辅助通道栅设计，该设计采用了具有纵向轴的柱面容器，离子沿该轴被引导以从容器发射出。

本发明还包括球形的、柱形的，或其它几何设计的IEC设备，该设备具有栅状电极，该电极被偏置在一个电位上，该电位足以产生和加速离子。该设备包括通道栅，用以在静电电位下创建一个通道，离子通过该通道以最大动能逸出。

IEC等离子体喷射设备的另一个特征是它可以有两种配置用于离子/等离子体产生。第一种配置仅采用在外部接地球和负偏置内球形阴极线栅之间简单等离子体发光放电。电子通过位于阳极栅和地壁之间的放电区域撞击背景中性气体，产生随后由阴极栅向该设备中心加速的离子。第二种用于离子产生的配置采用了一种另外的球形线网络，该栅的直径大于阴极栅并且位于阴极栅和地壁之间，但接近地壁。电子发射体，如加热的镀钍线，位于地壁周围。另外的球形线栅也具有高几何穿透率(＞90％)，并且被偏置为正电压(100to 1000V)。这一外部阳极栅是一个电子导向栅，它帮助回旋和约束位于导向栅周围的薄球形体积中的发射体产生的大多数电子，因此有助于最大化和局部化背景中性气体的离子化和该体积中离子的产生，并接近地壁。电子导向栅，与电子发射体一道，改善IEC等离子喷射设备的离子化效率，并且由于离子产生的局部化，到达核心的加速的离子更具有单一能量的分布。这些特征改善着推进和等离子体推进器效率，并且允许更多的对等离子体处理喷射的控制。

本发明的另一个特征是使用氙或类似的推动气体，它被从环绕室外壁的重要的位置上的孔送入该设备，这样便最大化了推动物离子化和最小化了中性气体原子损失。

然而，本发明的另一个特征是DC(直流电)或脉冲DC或AC(交流)电源可以被用做输入。所有这些类型的输入电源将产生推进力，恒定的或是与DC电源输入成正比，与单一的或重复的脉冲输入电源同步的脉冲的推进力，或与对应频率上的AC输入电源同步的脉冲的推进力。

本发明的另一个特征是使用富碳气体，如甲烷，并与其它的缓冲气体如氩或氙结合，该富碳气体从环绕室外壁的重要的位置的孔送入该设备中。可以选择离子化和约束条件以产生由六十个大碳原子组成的大碳分子类碳分子，如碳60。这些分子重量很高的分子在离子火箭马达中被需要以用做推动物，因为他们使动量改变或推动得到了改善，也使特定需要的推动力得到了改善。气体的甚至是液体的甲烷推动物可以在飞船上相对容易地存放。

本发明的另一个特征是使用氮气体做为推动物。虽然这类推动物不提供最高的特定的推动力，但当大量的大气空气由低地球轨道液体氧收集器卫星穿过(scoop)时，这种推动物是优选的，其副产品是液态氮，需要使用氮来补偿大气拖动的稳定减速。IEC喷射火箭马达的电池可以提供拖动补偿推进力。

本发明的另一个特征是当其被应用于工业等离子体喷射过程时其推动气体可以被用做为其它如金属之类的材料的载体或缓冲。这些金属将由气体流以微粒子形式引入室内。金属粒子的离子化将使金属成为单个的金属原子或离子。金属离子将向着通常为塑料的或金属元件的将变成有镀层的目标物喷射。这种产生的高反射的镀层通常可以在“金属化的”或镀金属塑料元件以及金属“镀铬(chromed)”浴室设备上看到。这种等离子体蒸气淀积(PVD)处理在某些行业中是众所周知的，它取代了电化学金属镀方法。这种PVD设备制造者们已表明需求更高效的和更合算的等离子体喷射发生器。IEC喷射在这些应用范围中是很受欢迎的。

本发明的另一个特征是等离子体或中性喷射的动能可以被控制，因此可以一致地再现粒子穿透目标物材料的程度。这种操作可以提供唯一的相同的切割，在用于局部加热、焊接或切割操作时也如此。另一个采用等离子体喷射的热熔化能力的相关应用是废物处理。例如，土壤中充满的各种有机废物可以被加热，分解，以及产生物以蒸气形式排放以做后续处理。将会有很多工业以及研究工具应用做为IEC喷射发明的派生得以发展。

总之，IEC喷射源是一个独特球形装置，它有一个专门的放大的孔栅以形成喷射，采用电子发射体和电子导向栅在外部离子化区域内振动电子以作为离子源，采用柱形导向通道栅辅助喷射物流出球形栅区域。

尽管现有技术的设计具有采用电子引入离子化来产生离子的共同特征，但没有采用本发明IEC喷射源装置独有的球形装置，放大的孔栅，通道导向栅和电子产生/约束方法。现有技术的设计产生了较宽区域的等离子体流，而本发明产生的是小直径喷射。

                      附图说明

图1是惯性静电约束(IEC)中子/质子发生器的概要图，它是同时待批申请S.N.08/232,764的主题；

图2是IEC喷射源的概要设计，它是本发明的主题；

图3是沿IEC喷射源推动轴的电位说明图；

图4是IEC喷射源工作期间形成的微通道的星型方式说明图；

图5是IEC推进器以带有聚焦束的喷射方式工作的说明图；

图6是IEC喷射源的离子化过程的说明图；

图7是用于单一静止目标物的等离子体处理的IEC喷射说明图；

图8是用存取端口，控制阀，和传送带的系统运输的多个目标物的连续等离子体处理所采用的IEC喷射说明图；

图9是带有脉冲电力系统的增强和控制其性能IEC喷射装置说明图；

图10是使用重氢和氦-3做为聚变(fusion)燃料源的IEC聚变等离子体喷射推进器的说明图；

图11是IEC喷射源另一实施例的说明图。

优选实施例说明

1994年4月25日申请的美国专利公开文献08/232,764(Miley et al.)公开了一种IEC粒子发生器，其内容在此引做参考。此文献所公开的惯性静电约束装置包括一直空容器，它被保持在地电位，并且在容器内部与该容器同心地包括一个作为阴极的线栅。阳极可以由多种具有结构强度和适当第二电子和热电子系数的金属制成。阴极线栅被连接至电源上以提供高负电位(30KV-150KV)，同时，容器自身是导电的并且保持在地电位。重氢(D)或重氢和氚(T)或氦-3(He-3)气体的混合物被引入该容器。电压被加载到阴极线栅上并且调整压力以启动发光放电。为最大化每单位功率输入的中子产生，同时通过减少离子与栅碰撞而最大化栅寿命，采用了一些工作条件以创建“星型”发光放电模式。发光放电在栅和容器壁之间的放电区域产生离子。这样形成的离子由阴极栅产生的电场从放电区域提取出来。这种电场通过栅开口加速提取离子并且将他们聚集在球形装置中心点上的一个小的球形区域中(形成一个“等离子体核”)。产生的高能量离子与背景气体相互作用(束-背景反应)并且与等离子体核中的自身相互作用(束-束反应)，产生高速聚变反应。其结果是产生D-D或D-T聚变反应物之一的中子的中子发生器。其中喷出率较高，并且注入的离子可以提供很强的局部位置电位区域以向等离子体核心吸引和加速电子，之后电子在正离子产生电位区域的中心产生强局部电位井。这种结构，术语叫“双电位井”，捕获并约束离子束，产生更高的反应速率。此装置也可被修改成采用D和He-3气体混合物做为聚变产生质子和中子的源。

图1示出了该装置的一种几何形式。这种装置可以被广义地看成是一带有等离子体目标物的离子加速器。在中子产生器的实施例中，重氢-重氢或重氢-氚聚变反应在等离子体目标物中发生并且产生积极的中子。该装置功能为简单球形等离子体二极管，其外部球体具有地电位，在几何形状上基本为可穿透的内部球形栅上具有负电位。球形惯性静电约束装置10由图示1出，其中导电真空室11在连接处17连接至地电位，该装置具有阴极栅12，它在室内确定了一个小球体并且具有提供高几何透明性的栅设计。然而在工作中，由于下面将说明的离子向微通道中的集中效果，该栅设计具有更高效的穿透率。电源14通过高压电馈送设备连接至内部阴极栅12。该电压具有负值，这样便在真空室相对正壁和中央栅区域之间提供了一偏置电压。用控制阀15将气体引入真空室11并用泵18抽空。取决于具体的IEC装置的功能和应用的要求，其它一些已知的如残余气体泵的气体存储和压力调节方法也可以被采用。

对于某些栅配置设计，对阴极栅加载电位之后，配合适当的栅电压，气体压力和气体类型，在IEC装置内将形成高密度离子和电子束以启动“星型”工作方式。在这种方式下，高密度，空间带电的中子化离子束被排并入经过栅线间开放空间的微通道中，由于离子避免与线触碰，这种方式将有效栅穿透率增加至高于几何值的水平。这样，这些微通道明显减少了栅轰炸和腐蚀并且增加了功率效率。对通常的星型工作方式来说，栅和微通道束是对称的，这样便产生了高密度的会聚核。在这种配置中IEC装置作用为一贵重的质子中子源。

IEC装置的基本原理已被应用于为产生推动力而在真空容器中产生等离子体和将真空容器开口处喷射出的等离子体排并入通道。已经确定，靠放大至少一个栅开口，非常强的，高耦合空间带电中性化的等离子体喷射将被产生并被从中心核处等离子体区域导出。喷射的形成是在放大的栅开口处电位表面的大幅扭曲的结果。产生的局部电位倾斜启动了电子流，该电子流之后拖动离子穿出表面。其结果是在那个位置上形成强空间带电中性化束。

IEC推进器通过在保持在稍正电位的导向栅附近发射和振荡电子来在气体放电区域中产生离子。中央负栅从放电区域中提取离子并且使他们向装置中心加速。当在IEC推进器容器中启动时，“星型”方式约束加速的离子，直到他们被从等离子体喷射开口导出为止。按这种方法，大多数离子能以全加速方式通过等离子体喷射从核区域逃逸。这样，局部电位倾斜打乱的方式提供了存储和导向活跃离子的有效的方法。

图2示出了IEC喷射源的设计，源110包括球形真空室111，该真空室在一边具有一个小孔112。由线或叶片组成的球形电极栅113，其叶片平面(planar axe)与球形电极质量中心相交，球形电极由高温，高电子，如钨或钽的放射性材料构成，该栅113具有大于90％的几何透明性，并且安装在室内部，栅还包括多个以几何形状连在一起的叶片(vane)，这些叶片从径向看具有很薄的外形以达到高几何穿透率。该栅用于定义约束等离子体的中心空间，该等离子体由产生的离子组成，并且提供成为等离子体喷射的离子流。第二个孔114，与第一个孔大小接近，被形成在线栅113的一边。该孔114和室壁上的孔112对齐并且用直径大致为双孔直径的柱状“导向”栅115连接于孔112。柱状栅115在静电位分布中创建一通道。通过该通道离子在喷管117中以其最大动能逃逸。图3中示出了静电位变化。绝缘器118覆盖室111的接地壁并且其大小必须能防止接地容器壁到柱形栅115的电弧放电(arc-over)，如图所示，该高压绝缘器具有球形形状并且覆盖等离子体喷射喷出该装置的孔附近区域的外部接地壁。高压绝缘器还规划(line)出等离子体从其中通过的孔的内部。绝缘器在负偏置柱形栅阴极、外部接地球和电子导向栅之间保持电位差。该装置还使用绝缘的支持结构来支撑电子导向栅，球形阴极，和此处的柱形栅。内部电子栅113通过一绝缘的馈送电缆(feed throughcable)20连接到电源119。电缆和连接器(未标号)包括高压馈送绝缘系统，该系统使得高负电压电源送至内部阴极113，低正电压源送至电子导向栅116。连接至电源126(例如10-1000V)并且与接地球111同心且接近的带正电外部电子栅116，与电子发射体121一道，产生离子。位于内部阴极和外部接地球之间的中间球形栅状结构116对于离子和电子流是高度可穿透的并且相对于接地球电位被偏置为正电压。这种结构是一电子导向栅，该栅有效地增加电子通道长度并且增加了背景中性气体到等离子体的离子化率。如图3所示，电子导向栅的球形不超出整个装置。在等离子体喷射逃逸该装置的等离子体喷射孔附近的一部分电子导向栅被切除，外部栅116上的电压必须被选择成使离子的产生最大化，并且可以在0.1KV到-30KV之间，并且可以在0.005到2000安培电流下工作。加速电压必须保持在一定水平(如1KV)，以确保产生的排放速率接近需要的水平(如30000m/s，其中特定的推动力小于3000秒)。可以是氙或其它类似材料的气体推动物122被通过容器111的壁上的合适的位置上的孔123送入室内。室内中性气体推动物的存在将被保持在0.1和20mTorr之间的气体推动物压力。整个馈给气体和离子化系统被最优化以最小化工作期间中性推动物的损失。关键是要保证等离子体喷射充分地充满用于使其逃逸的真空容器开口。在这种方式下，喷射边缘周围的中性原子的泄露大大地减少。电子发射体125被连接成接近喷射排放孔114以保证彻底的中性化。另有电子发射体被安置在装置内侧，并且连于外接地球，其发射体线圈/枪(coils/guns)位于外球壁和电子导向栅116之间的空间中。

如图2所示，中央核128是高度集中的离子的位置，并且作用为由该源发射的等离子体喷射117的源。

图3说明了沿IEC推动轴的电位。图中从左至右可见，电压在容器壁211是0，因为该容器壁接地，在其接近正偏置电子导向体222时上升。然而，向装置中心的进一步的移动将表现出电压向负偏置加速栅电压V(AG)最小值的锐减。在加速栅中心，电压再一次变正，在中心处最高，并且沿着柱形栅215中的等离子体喷射通道216降至稳定的状态水平。电位井的理论预示在高离子流上形成第二虚拟阴极。

已公开的IEC源将使用包括具有131.3amu分子重量的氙的推动物。选择该气体是因为其有相对较高的质量并且易于离子化，但也可以采用如铯，氩，氢，氦，甲烷，重氢，甚至氮之类的替代气体。当使用如甲烷的碳基气体时，喷射将包括如六十个碳原子组成的大碳分子之类的微粒子。如图2所示，容器111本身由不锈钢之类的导体材料组成，而电子导向体(guide)116，加速栅114和柱形栅导向115由不锈钢，钛，钨钼或钒之类具有高溶点，高第二电子系数(coefficient)，低电阻性，高热传导性，和低溅镀率的材料制成。非导体容器材料也可以被使用，但需要另外的栅。

在-1KV源119和+100V源126的基础上，该装置可以形成一个特定的具有34mN推动和500W喷射功率的3000S的特定推动力。使用这些电压值，净(net)加速电位将接近600V，并且其束电流接近800mA以及其输入接近750-800W。栅的功率消耗小于50W并且推动物离子化的功率消耗接近200-250W，这一点表明了较大的有效穿透率。结果是，整个推进器的效率接近60-70％。由于叶片空间和栅线的粗糙以及微通道的形成，IEC装置比平面静电离子源或推进器具有较大的有效穿透率，电栅的功率损失较低，即使是在多个离子在从喷口喷发之前通过该IEC装置循环的情况下也是如此。IEC装置在等离子体中心核处比在平面推进器情况下的等离子体具有高密度和温度，但这种情况下由于较高的轫致辐射率造成的相应的放射(radiation)损失的增加却是可以忽略不计的。热放射损失应该可与平面等离子体装置的损失比较。在IEC推进器中，离子和电子在发射之前被再循环，并且离子化区域被多栅系统较高效地局限，提供了每全速排放离子所耗能量的较好的效率。考虑了这些因素，每离子能量支出(推动物的离子化带来的功耗)低于平面推进器的估计的每离子300eV。

图4是IEC装置中星型方式的说明图。本说明说明了通过中央栅开口的微通道的形成。微通道从中心核区域通过栅伸展至容器壁。

压力，体积，和电流参数，以及栅设计的结合产生了充足的电场局部扰乱，以使离子偏斜到通道中。这种扰乱是由开口的足够大覆盖栅球全区域部分的栅的孔的大小来实现的。自场(self-field)力进一步辅助限制和保持离子束。如在上述待审申请中所解释，对于球形设计，球表面栅开口表面的高度和球半径Rc之比决定了电位表面的压缩程度，因而造成束形成。

图5是说明具有IEC推动配置的装置中形成的等离子喷射照片。多个微通道仅模糊可见，其中通过球形栅区域从中央核到容器真空室壁聚集了等离子体喷流。在室壁上适当开口的提供将允许喷射物喷出容器以提供推动。当在外部真空自然存在的太空中时，这种操作很容易，但在地球上还是需防止空气流回喷射的机构。

图6是IEC推进器300中的离子化过程的照片。该推进器包括接地容器311，该容器311有一开口322，用于推动物气体的插入以及一出口312，用于等离子体喷射317的投射。球形负加速栅313被提供至容器中心，并且正栅电子导向316被同心地设置在负加速栅周围，接近容器壁。为简化说明，柱形导向栅在此未示出。在工作中，电子发射体321将产生电子，该电子从源位置350沿着正栅电子导向从源位置350向中间点351沿导向流动，在电子流经导向时，他们将因电压的作用通过与背景气体的离子化碰撞而振荡并且将产生正离子354。离子化粒子354将在两个栅所创建的内场的控制下流经容器的中心356。正离子返回对应于他们产生点电位值的电位表面。在此点上，所有动能被转化成电位能量，这样，他们的运动停止并且他们反向，被向容器中心回加速，之后，他们再次返回容器中心以进一步行动。

惯性静电约束源的设计不限于球形设计，而是也可以有柱形的，椭圆的或其它的设计。柱形设计是基于由多离子束交叉在室中心产生的等离子体目标物的使用的。使用其它的几何设计，如柱形设计，一种产生离子流和离子向推动等离子体喷流偏转(deflect)的相似的方法将提供相似的结果。这样的设计将产生好的效果，低重量以及，由于非常开放的加速器栅结构而产生的长寿命。任何飞行物上(on-board)所存储的适用的源，收集的，或产生的电源都可以被调整以提供需要的电压和电流。

已经定义了IEC离子源的几个优选实施例，例如，产生单一窄等离子体喷射的装置可以是32cm直径真空室，该真空室具有5cm直径栅，包括直径为2.5cm的六角孔，12个边长为2.5-cm的等边三角形，和12个边长为1.5cm的等边三角形，3到5millitorr(千分之一陶尔)氩气体室压力，1到3KV栅电压，1到60mA电极电流。单一窄等离子体喷射通过栅中的六角孔摆脱(emerge)。相应地，孔也可以通过去掉两相邻三角形栅孔之间的一个结构单元而成为钻石形。

另一实施例包括其中具有7.5-cm直径电子栅的31-cm直径真空室。栅形式包括平均直径为0.9-cm且一个放大直径为1.8cm的圆孔的圆孔形式。一个10到20mA电极电流和1到5KV被加载以产生单一窄等离子体喷射，该喷射通过栅中放大的圆孔摆脱。

做为头两种设计的变化，多等离子体喷射可以同时靠使用栅形式中多放大栅开口(六角形或圆形)同时产生。多喷射的数量和方向由放大开口的栅形式上的数量和位置决定。

这样，进一步的设计还产生了六个单独的窄等离子体喷射，其具有如下的设计配置和操作条件。特别是，有31-cm直径真空室，具有95％几何穿透率6-cm小轴和8-cm大轴3-环椭圆电子栅，1到10millitorr(千分之一陶尔)氩气体室压力，20-30KV栅电压和5-15mA电极电流。

做为另一个多喷射的例子，该装置可以被配置成按照如下的设计配置和操作条件产生一主(dominant)喷射和一小的正相反的喷射。在球形真空室中有一个栅，该栅包括汇集以产生在北极和南极处相交的3个环的球形栅的7个0.2-mm厚35-mmO.D.29-mm I.D.的环。余下的四个环被安排成构成再一个的(recurring)三角孔的一样的形式。阳极室壁具有230-mm内径。室内提供了7-9×10＾-3毫巴的气体大气压，和10-40mA的电流，和5-15KV电压。喷射通过最大的三角孔喷出。

上面的说明被应用到离子火箭马达的应用中，同时，IEC喷射也可以被相似地配置以用于工业应用。对于这些应用，IEC喷射源单元将被容纳在一个大体积的真空容器之中，该容器中还容纳了等离子体或中性粒子喷射将要作用的目标物。IEC喷射单元可以被固定在一个位置上，目标物被移入喷射打击区域或IEC喷射单元可以由轨道促动器移动以喷镀(spray coat)目标物，该目标物被固定(mount)以求得最佳镀质量。

具体地说，IEC等离子体喷射在工业及科学应用中的使用在图7中被做举例说明，其中需要等离子喷射，蒸气淀积，或强等离子体加热。图7说明了用于单一静止目标物等离子体处理的IEC等离子体喷射417。单一目标物420，或在转动台422上安置的目标物排列到可以被放入一个连接至主IEC装置真空室411的大真空室423。IEC等离子喷射417首先通过栅413中的孔414，并且之后通过IEC真空室壁411上的孔412并且击中目标物。多存取端口421在等离子处理室423附近以换出(change out)等离子体目标物。阀(如421A,421B)被用在某些存取端口上以控制等离子体处理室的真空。

图8说明了使用IEC进行等离子体处理的另一个概念。这一概念允许多等离子目标物的连续等离子体处理。一个大等离子体处理真空室523被连接至主IEC装置真空室。目标物520通过带有至少2个真空控制阀521A、521B的存取端口521送入。目标物被送上传送带系统530，该传送带系统将他们在IEC等离子体喷射517前排成行移动以进行处理。处理的目标物被运输到另一个具有多个真空控制阀524A,524B的存取端口524，在此他们可以从系统中撤除。这一系统比图7系统复杂，但它不允许比较连续的等离子体目标物的处理。在等离子体处理室上还可以有其它的端口以对完成的等离子体在从等离子体处理室(图中未示但相似于521和524)移出之前执行视觉/光学检查和/或X-射线，或gamma-射线诊断。

对于如等离子喷射或蚀刻(etch)之类的其它的应用，IEC喷射单元位于商业喷射或蚀刻单元中，喷射将被按目标物材料的需要导向。

如前可见，IEC喷射装置可以与稳态DC电源641一道使用脉冲电源640，并且这样的安排在图9中说明。外部导体611连接到地并且脉冲电源640提供高压或高电流脉冲至阴极栅613。在“halo”或“星型”方式下工作的IEC脉冲已是众所周知(Yibin Gu,George Miley，的“脉冲IEC中子发生器”，发表在“第10次IEEE国际脉冲电源会议，Albuquerque,NM,1995年7月10-13日，3-5)；然而，IEC装置在喷射方式下的脉冲以前并没有被公开并且导致了脉冲等离子体喷射617的产生。脉冲IEC等离子体喷射不同于脉冲“halo”或“星型”方式，在该“hale”或“星型”方式中，必须采用的最小脉冲长度是2的因数或大于“halo”或“星型”方式所要求的长度，它通常需要其于离子弹回(bounce)时间，离子在装置中循环时间的最小脉冲长度。一般的使用固态或等离子体开关的脉冲电源可以用于此种应用中。

图10是另一个具有接地外部约束容器711的IEC等离子体喷射源的实施例，它使用了由IEC装置的约束所产生的聚变反应以增加等离子体喷射的功率水平并且提供电能以保持推进器的操作，以此消除从光电控制板(photo-voltaic panel)，或核裂变能源反应堆中导出能量的外部动力源的使用。在等离子体喷射的聚变辅助方式中，重氢和氦-3聚变燃料由IEC装置核心形成的阴极栅713以及相继的虚拟电极约束。活跃的聚变反应物等离子体喷射717从IEC装置的孔712逃逸并且提供高动力，高特定的推动喷射。没从孔逃逸的活跃聚变反应物(质子和阿尔法(alpha)粒子)被收集在构成高正电压的IEC装置室中的漂浮的球形栅770上。该收集器栅770系统允许聚变能向电能的直接转变。外部动力处理部件740将来自收集器栅的高正电压(1到15MV)电转化成低负电压(-10到-100KV)，并且其被馈送入阴极栅中以保持装置操作。另外，正偏置收集器栅770将起到电子导向栅的作用以局部化背景中性气体的离子化，并且将聚变燃料离子(离子化的重氢和氦-3)加速回到IEC喷射推进器装置的核心，为增加聚变等离子体喷射的推动，氢气体760被混合入等离子体尾喷管717，并且必要时外部场磁体750可以被采用来帮助约束混合的等离子体喷出气流。这种IEC喷射装置操作的聚变辅助方式不同于Bussard的IEC聚变推进器的概念(Bussard et al.，“做为紧凑聚变动力源的用于外星探索的惯性静电约束”，NSTE-92用于空间探索的核技术，美国核社会，La Grange Park,1L,614(1992))，该系统基于氢推动物的电子束加热，以及较早的由Illinois大学提出的概念(A.J.Satsangi,G.H.Miley et al.，“惯性静电约束(IEC)聚变推动单元的改变技术”，第11届空间核动力和推动讨论会会议记录，Conf940101,AIP Press,1297=1302(1994)。)，其中采用了IEC聚变动力装置以产生运转通常如弧光放电或平面静电离子推进器的电力推进器的电力。

图11是具有接地的外部约束容器811的IEC等离子体喷射源的另一实施例，该容器811包括一栅813并且通过容器811上的孔814产生喷射817并且采用了使用聚变反应以释放中子的IEC装置的中子流产生的裂变反应。从重氢-氢或氢-氚反应产生的聚变中子将从IEC约束容器逃逸。一个可裂变材料850的外套(mantle)被安排在容器830内以大致环绕IEC装置。优选的可裂变材料是钍(thourium)，因为它被认为是比铀或钸同位素混合体更易被接受的裂变材料。IEC中子发生器做为所谓的次临界的钍反应堆提供中子的源的概念已由H.H.Hora获得专利。次临界钍反应堆可以在成功地送入低地球轨道后起动。IEC装置首先由电能存储或太阳能光电或化学气体发生器和涡轮系统起动以产生中子提供流以支持在钍中的裂变连锁反应。钍外套的产生热被采用热力系统工程领域中公知的热交换方法传送至冷却剂(coolantloop)循环系统840中的热工作流体。该热可以被用来产生气体阶段(phase)，如蒸气，以驱动涡轮发电机870组来发电。合适的电力工程领域中公知的电力调节设备890也可以被采用来为IEC聚变中子发生器和等离子喷射组合提供驱动电力。次临界反应堆热还可以部分地被用于预热火箭推动物以实现高推动增加。这样的实施例减少了开发的难度要求，因为IEC聚变反应率的性能要求低于自维持(sustain)聚变动力系统的要求并且IEC喷射推动将是太空飞机用IEC补充次临界裂变反应堆电能源的系统发展的一个理论进步。增加推动的推动物860可以按前面讨论过的方式提供给喷射817。

本发明虽以前面几种实施例的方式说明，但本发明并不仅局限于此，其范围由所附权利要求定义。

Claims (52)

1．一种产生推动等离子体喷射的装置，包括：

a．被构造为气体约束容器的具有一壁部分的第一传导结构，该传导结构具有至少一个第一开口以允许等离子体喷射从该室逃逸并且产生推动性的推动：

b．在所述第一传导结构中构造为一个栅的对于流动的离子和电子是高透明的第二传导结构，该第二传导结构作用为一偏置为负电压的阴极并且具有一在所述栅形结构中的第二开口，所述第二开口被放大并且能扭曲局部电位场表面以使等离子体喷射通过所述第二开口从所述栅中流出；

c．在控制的速度下将一中性气体推动物流入所述气体约束容器的装置；

d．为产生等离子体放电以足够的值从电源向所述阴极栅提供负电压电力的高压馈送绝缘器系统；

e．所述第一传导结构的所述第一开口与所述第二传导结构的所述第二开口调整对齐以使在所述容器中形成的等离子体从所述容器中以具有电力密度和推动的等离子体喷射的形式摆脱；

其中所述第一传导结构被偏置为地或零电压之一并且所述第二传导结构被偏置为负电位。

2．如权利要求1所述的装置，还包括：

f．由纵向轴确定的大致为圆柱形的，穿透的，栅状的第三结构，该第三结构连接为其最近一端沿所述轴连接至所述第二传导结构的表面并且所述纵向轴与所述第二传导结构的表面正交并且与所述第一开口的中心和所述第二开口的中心对齐，该第三结构做为阴极时被偏置为与所述第二传导结构相同的电压。

3．如权利要求2所述的装置，其中所述第三结构伸出至所述第一传导结构的外部真空室壁，并且所述装置还包括用于保持其间电压差的绝缘器装置，所述第三结构能抑制沿纵向轴的电位以提供导向通道给从所述第二传导结构中逃逸的等离子体喷射。

4．如权利要求2所述装置，还包括位于所述真空室内部以提供电子源的电子发射体，所述外部电子发生体与所述第一传导结构和所述第二传导结构电绝缘，所述发射体在所述第一传导结构外的第一开口附近，以防止包括的等离子体的负电压形成。

5．如权利要求2所述的装置，还包括：高压绝缘装置，用于保持负偏置第三结构和所述第一传导结构之间的电位差。

6．如权利要求5所述的装置，其中所述绝缘器装置被构造成覆盖最接近所述第一开口的所述第一传导结构并且规划出所述等离子体喷射通过的所述第一开口的内部。

7．如权利要求1所述的装置，其中所述第一传导结构和所述第二传导结构大致为球形并且还包括一位于所述第一和第二传导结构之间的中间球形栅状结构，所述中间栅状结构对于离子和电子流来说高度透明并且被偏置为相对于所述第一传导结构电位的正电压。

8．如权利要求7所述的装置，其中所述中间结构包括能增加发射电子通道长度的电子导向栅，该栅并且增强和局部化背景中性气体向等离子体的离子化率，所述电子导向栅的一部分具有一第三开口，该第三开口与通过该等离子体喷射的第二开口调整对齐。

9．如权利要求7所述的装置，其中所述中间传导结构是一在所述整个装置中不均匀伸展的部分球。

10．如权利要求8所述的装置，其中所述高压馈送绝缘系统能允许高负电压电源提供至所述第二传导结构，并且允许低正电压电源提供至所述中间结构。

11．如权利要求7所述的装置，其中所述高压馈送绝缘器系统至少提供从所述第一开口到所述第三开口的绝缘。

12．如权利要求7所述的装置，其中所述电子发射体包括位于所述第一传导结构和所述中间栅状结构之间空间的电子发射器。

13．如权利要求1所述的装置，其中所述中性气体至少包括氙，氩，氢，氦，高碳氢化合物，氮，氚，氦-3和重氢之一。

14．如权利要求1所述的装置，其中所述等离子体喷射包括至少微粒子和大分子之一。

15．如权利要求14所述的装置，其中所述微粒子包括由六十个碳原子组成的大碳分子。

16．如权利要求1所述的装置，还包括绝缘支撑装置，用于保持所述第一传导结构，所述第二传导结构和所述第三结构的相对位置。

17．如权利要求7所述的装置，其中所述中间电子栅导向被偏置为100V到1000V范围的正电压。

18．如权利要求7所述的装置，其工作状态之中的第二传导结构偏置为-0.1KV到-150KV范围的负电压。

19．如权利要求1所述的装置，其工作状态之中的电流为0.005到2.000安培。

20．如权利要求1所述的装置，其工作状态中的中性气体压力在0.1和20mTorr之间。

21．如权利要求1所述的产生单一窄等离子体喷射的装置，其中所述第一传导结构包括一直径在25-35cm范围之间的球形真空型室，所述第二传导结构包括一直径在4-8cm范围内的球形栅，所述第一开口包括一圆的或一多角孔之一并且所述第三结构包括多角栅元件。

22．如权利要求1所述的装置，其中所述第一结构和所述第二结构大致为球形，其中所述装置产生多个单独的窄等离子体喷射，其中由所述第一传导结构确定的容器具有20-40cm范围的直径，由所述第二传导结构确定的栅包括一多环电子栅和所述几何穿透率＞95％。

23．如权利要求1所述的装置，其中所述第二传导结构包括一具有球形非均匀设计的栅并且所述电场被扭曲以使电子被提取和排并入单一等离子体喷射中。

24．如权利要求1所述的装置，其中所述阴极栅中具有一核心区域，该区域捕获和再加速电子和离子，直至他们由于在所述第一开口的区域中的联合电场扭曲作用而通过所述阴极栅的所述第一开口逃逸。

25．如权利要求1所述的装置，其中所述装置与太空飞船结合并且喷出高离子化或中性带电气体形式的物质以用于太空飞船推动和操纵。

26．如权利要求1所述的装置，其中所述气体约束容器至少在内部压力为0.1至0.01mbar的范围内工作。

27．如权利要求21所述的装置，其中所述装置产生一主喷射以及一正对相反的小喷射，其中所述第二传导结构包括N个环，所述环的M个在所述球的北极和南极上相交；N-M环被设置成构成再一个三角孔的一致形式，所述喷射通过最大孔的一个喷出，其中N和M是整数且N大于M。

28．如权利要求1所述的装置，其中所述第二结构大致为椭圆形，其中所述装置产生一多个单独窄等离子体喷射，其中由所述第二传导结构确定的栅包括一多环电子栅并且所述几何穿透率大于95％。

29．如权利要求1所述的装置，其中所述装置产生一个主喷射和一个正对相反的小喷射，其中第二传导结构包括N个环，所述环的M个在所述球的北极和南极处相交，所述N-M环构成再一个一三角形孔的一致形式，所述喷射从大三角形孔之一喷出，其中N和M是整数且N大于M。

30．一种将等离子体喷射应用于工业应用的装置，包括产生一等离子体喷射，强热，和等离子体蒸气淀积之一，所述装置包括：

a．被构造为气体约束容器的具有一壁部分的第一传导结构，该传导结构具有至少一个第一开口以允许等离子体喷射从该室逃逸并且产生推动性的推动；

b．在所述第一传导结构中构造为一个栅的对于流动的离子和电子是高透明的第二传导结构，该第二传导结构作用为一偏置为负电压的阴极并且具有一在所述栅形结构中的第二开口，所述第二开口被放大并且能扭曲局部电位场表面以使等离子体喷流通过所述第二开口从所述栅中流出；

c．在控制的速度下将一中性气体推动物流入所述气体约束容器的装置；

d．为产生等离子体放电以足够的值从电源向所述阴极栅提供负电压电力的高压馈送绝缘器系统；

e．所述第一传导结构的所述第一开口与所述第二传导结构的所述第二开口调整对齐以使在所述容器中形成的等离子体从所述容器中以具有电力密度和推动的等离子体喷射的形式摆脱；

其中所述第一传导结构被偏置为地或零电压之一并且所述第二传导结构被偏置为负电位。

31．如权利要求30所述装置，其中所述等离子体喷射被用于一些装置，这些装置用于材料等离子体处理，蒸气模淀积，或目标物的强等离子体加热之一。

32．如权利要求30所述装置，其中所述a.-d.元素的装置包括一IEC等离子体喷射产生装置，所述气体约束容器包括一真空室，以及所述装置还包括一连接至所述IEC真空室的外部真空室，所述外部真空室包括一等离子体目标物和等离子体处理设备。

33．如权利要求32所述的设备，其中所述装置还包括一桌面用于安放其上至少一个等离子体目标物。

34．如权利要求32所述的装置，其中所述装置包括一传送装置，用于安放和传送等离子体目标物以进行所述等离子体喷射的照射。

35．如权利要求32所述的装置，其中所述装置还包括多个阀存取端口，用于插入或移走等离子体目标物。

36．如权利要求32所述的装置，其中所述装置包括至少一个存取端口以视觉地或光学-显微地检查等离子体目标物。

37．如权利要求32所述的装置，其中所述装置还包括至少一个存取端口以对等离子体目标物执行非侵入的X-射线或gamma-射线诊断检查。

38．如权利要求1所述的装置，其中所述装置在产生等离子体喷射期间与稳态直流电源一道使用了一脉冲电源。

39．如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括一脉冲电源。

40．如权利要求1所述的装置，其中所述气体约束容器是一真空室以及所述装置进一步包括能产生聚变反应以增加等离子体喷射推进器性能的装置。

41．如权利要求40所述的装置，进一步包括使用所述阴极栅和多虚拟电极约束聚变燃料离子以支持聚变反应的装置。

42．如权利要求40所述的装置，其中所述装置包括一在所述气体约束容器上的孔以使活跃的带电聚变物的喷射从所述装置逃逸以产生推进性的推动力。

43．如权利要求40所述的装置，其中所述装置还包括一连接至真空室的聚变等离子体喷射从其逃逸的柱形伸展装置，所述装置包括一混合器装置，用于在聚变等离子体喷射中合并入至少氢，氮，联氨，氨水，水或其它推动物之一。

44．如权利要求43所述的装置，其中所述装置还包括外部轴场磁性装置，该装置能产生一磁性管口以约束混合的聚变产生物/推动物离子体喷射。

45．如权利要求40所述的装置，其中所述装置进一步包括多个球形栅，该栅能收集来自重氢和氦-3同位素聚变的高能，带正电质子或阿尔法粒子聚变产生物。

46．如权利要求45所述的装置，其中所述装置连接至电源处理部件，该电源处理部件将聚变反应物收集器栅的高正电压转化成-10KV到-100KV之间的之后被送回至负阴极栅的低负电压。

48．如权利要求45所述的装置，其中所述装置包括由于聚变反应物正离子置入而偏置至高压电压的装置，所述装置作用为电子导向栅以约束在栅附近区域中的电子并且增强背景中性聚变燃料气体的局部化的离子化。

49．如权利要求45所述装置，其中所述装置能作用为一正偏置阳极以加速聚变燃料离子进入IEC喷射装置核心。

50．如权利要求1所述的装置，其中所述气体约束容器是一真空室以及所述装置还包括能产生裂变反应以增加等离子体喷射推进器性能的装置。

51．如权利要求50所述的装置，其中所述装置包括一可裂变材料外套。

52．如权利要求51所述的装置，其中所述外套基本上围绕所述第一传导结构。

53．如权利要求1所述装置，还包括一辅助推动物源，用于向所述等离子体喷射增加辅助推动物。

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