用于产生自限式高密度空气等离子体的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于在大气压下产生高电子密度空气等离子体的方法和装置。具体地说，本发明专利技术涉及自含式环形空气等离子体。已开发出用于产生大气环形空气等离子体的方法和设备。所述空气等离子体是自限的，可以投射并且形成时不要求另外的支持装备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生自限式高密度空气等离子体的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2011年6月17日提交的，名为“SystemsandMethodstoGenerateaHighDensityAirPlasma”的美国临时申请号61/498,281的优先权，所述申请以引用的方式整体并入。联合发起的研究或开发本专利技术是在政府支持下通过海军研究局(OfficeofNavalResearch)(局)颁发的授权号N00014-08-1-0266下作出的。政府对本专利技术享有一定权利。专利
本专利技术涉及一种用于在大气压下产生自持式空气等离子体的方法和设备。专利技术背景空气等离子体是由大气压下形成的以独立状态存在的离子、电子、自由基和其它中性物质构成的导电物质状态。空气等离子体可以在多种应用中使用，如非致命武器、聚变、等离子体加工、推进、消毒应用和冲击波消减。然而，当前的等离子体源无法产生具有足以防御在大气压下由冲击波引起的过压的后果的电子密度的空气等离子体。此外，当前的等离子体源在不使用昂贵又笨重的支持装备或大磁体下无法产生具有长寿命的自含或自限式空气等离子体。因此，仍然需要产生空气等离子体的多用途、可扩大规模和可重复的方法和设备。专利技术概述本专利技术涉及一种用于在大气压下产生自限且自稳定的空气等离子体的方法和设备。具体地说，所述方法和设备在大气压下产生具有足以用于众多应用的电子密度的环形空气等离子体(TAP)。所述方法和设备可以被构造来在高重复率下产生TAP。所述方法包括在大气压下产生自含式空气等离子体。空气等离子体在第一点火区域内产生并且其径向膨胀被限制。所述方法还包括将高压脉冲施加到二级点火区域内的空气等离子体上以加热空气等离子体并且使所述空气等离子体加速离开第二点火区域。加热空气等离子体使空气等离子体膨胀并变成自含的。用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备包括一级点火区域，所述一级点火区域包括界定第一空腔以容纳等离子体源的第一屏蔽材料，所述第一空腔可以是细长的或另一种构造。所述设备还包括从等离子体源产生空气等离子体的点火装置和包括界定第二区域的第二屏蔽材料的二级点火区域，所述第二区域可以是细长的或另一种构造，其中第二空腔与第一空腔流体连通以接纳空气等离子体。在一个实施方案中，第二区域至少部分由丝网界定，所述丝网允许电流通过其内的空气放电并且形成等离子体放电。所述设备包括高压电路，所述高压电路包括至少一个电容器并且与电压源连通以将高压脉冲施加到空气等离子体上。高压脉冲对空气等离子体加热并且使所述空气等离子体加速离开设备以在大气压下形成自含式空气等离子体。在多个其它实施方案中，等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、炸药、喷气等离子体、空心负极等离子体、超高速等离子体源、轨道炮、微波驱动的等离子体源或可以引入第二区域中的其它紧凑型等离子体源。等离子体源也可以通过一个或多个激光诱导的等离子体通道来提供。在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法包括施加第一高压脉冲使其穿过丝线以使丝线闪爆并且在位于正极与负极之间的第一点火区域内产生空气等离子体。所述方法还包括限制空气等离子体的径向膨胀，以使空气等离子体平行于丝线的纵轴行进至负极与加速器电极之间的第二点火区域。施加第二高压脉冲使其穿过负极和加速器电极以对空气等离子体加热，其中加热空气等离子体使所述空气等离子体膨胀，加速并且形成环形结构。所述方法还包括在大气压下从第二点火区域排放自含式环形空气等离子体。所述方法进一步包括在正极与负极之间以及在负极与加速器电极之间设置刚性电绝缘材料。绝缘材料界定空腔，所述空腔可以是细长的。在正极与负极之间的细长空腔接纳丝线并且限制空气等离子体的径向膨胀。在负极与加速器电极之间的空腔允许空气等离子体膨胀。两种空腔都可以具有大体圆柱形或螺旋形的构造。空腔可以具有相等或不同的直径并且可以被构造来增大或减小环形等离子体的直径。此外，空腔可以被构造来增大或减小环形等离子体的速度。在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法包括在第一点火区域内产生空气等离子体；将空气等离子体的膨胀速度引出第一区域；以及在二级点火区域中将能量赋予空气等离子体，其中赋予的能量使空气等离子体膨胀，加速离开第二点火区域，并且变成自含的。替代地，所述方法可以包括限制空气等离子体的径向膨胀。在各个实施方案中，丝线具有范围在00AWG与80AWG之间的线规。在其它实施方案中，第一高压脉冲是在10kV与50kV之间并且具有介于0.1µs与200ms之间的持续时间，而第二高压脉冲是在100V与300V之间或多达数千伏特并且具有介于1ns与1000ms之间的持续时间。在另一个实施方案中，一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备包括位于一级点火区域内正极与半渗透负极之间的第一屏蔽材料。第一屏蔽材料具有第一纵向空腔以容纳在正极与负极之间延伸且与正极和负极连通的导线。所述设备还包括具有至少一个电压源和至少一个电容器的一级高压电路。一级高压电路与正极和负极连通以施加第一高压脉冲使其穿过丝线，从而使所述丝线闪爆并且产生空气等离子体。第一纵向空腔限制空气等离子体的径向膨胀。所述设备还包括由位于负极与半渗透电极之间的第二屏蔽材料界定的二级点火区域。第二屏蔽材料具有在负极与电极之间延伸的第二纵向空腔，其中第二纵向空腔与第一纵向空腔流体连通以接纳空气等离子体。所述设备还包括具有与电压源连通的至少另一个电容器的二级高压电路。二级高压电路进一步与负极和电极连通以施加第二高压脉冲使其穿过负极与电极之间的间隙，其中第二高压脉冲进一步加热并加速横越电极时之空气等离子体以在大气压下形成自含式空气等离子体。在各个实施方案中，自含式空气等离子体可以通过激光诱导的等离子体来形成并且随后通过激光器、微波脉冲或用于赋予能量的任何手段来加热。空气中形成的等离子体通过静电场或电磁场和相互作用来自含。因此，空气等离子体固有地具有长寿命。自限式空气等离子体可以具有大约数毫秒至数秒或甚至数分钟的寿命。等离子体的密度可以通过使用增压系统来增大，所述增压系统可以将设备中的压力增至1ATM与2000ATM之间的范围或更高。此外，可以使设备中和/或周围的空气改性以优化所产生的空气等离子体的大小和电子密度。例如，设备中和/或周围的空气可以包括一种或多种气体混合物或接种有纳米颗粒或多种化合物的气体。在各个实施方案中，自含式空气等离子体具有至少1010/cm3的电子密度并且可以高达1019/cm3。此外，设备的几何形状引导空气等离子体形成环形结构。附图描述图1描绘了环形空气等离子体产生器的一个实施方案。图2是空气等离子体产生设备的一个实施方案的照片。图3是空气等离子体产生设备的一个实施方案的侧视照片。图4是根据一个实施方案的一级高压电路的示意图。图5是根据一个实施方案的环形空气等离子体的高速图像。图6A和图6B是提供了根据一个实施方案形成环形空气等离子体的截面视图的照片。图7是描绘了根据一个实施方案形成环形空气等离子体的一种方法的流程图。专利技术详述本专利技术涉及在大气压下产生高密度空气等离子体，所述高密度空气等离子体可持续足够的持续时间并且具有足以在多种应用中使用的电子密度。如本文所使用的大气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法，所述方法包括：在第一点火区域中产生所述空气等离子体；限制所述空气等离子体的径向膨胀；以及将高压脉冲施加到二级点火区域中的所述空气等离子体上，其中所述高压脉冲使所述空气等离子体膨胀，加速离开所述第二点火区域，并且变成自含的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.17 US 61/4982811.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的方法，所述方法包括：在第一点火区域中产生空气等离子体；限制所述空气等离子体的径向膨胀；以及将高压脉冲施加到二级点火区域中的所述空气等离子体上，其中所述高压脉冲使所述空气等离子体膨胀，加速离开所述二级点火区域，并且变成自含的，其中将所述高压脉冲施加到所述空气等离子体进一步包括：施加所述高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。2.如权利要求1所述的方法，其中所述空气等离子体是从等离子体源产生并且所述等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、炸药、喷气等离子体、空心阴极等离子体、激光器、轨道炮、超高速等离子体源和微波驱动的等离子体源。3.如权利要求1所述的方法，其中限制所述空气等离子体的径向膨胀进一步包括：将屏蔽材料设置在所述空气等离子体源的周围，以将所述空气等离子体的膨胀集中在与所述第一点火区域和所述二级点火区域的纵轴平行的方向上。4.如权利要求1所述的方法，其中所述空气等离子体加速离开所述负极和所述电极并且形成自限式结构。5.如权利要求4所述的方法，其中所述自限式结构是环形结构或球体结构。6.如权利要求1所述的方法，其中所述自含式空气等离子体具有至少1010/cm3的电子密度。7.一种用于在大气压下产生自含式空气等离子体的设备，所述设备包括：第一点火区域，所述第一点火区域包含界定第一纵向空腔以容纳等离子体源的第一屏蔽材料；点火装置，所述点火装置与所述第一点火区域连通以从所述等离子体源产生空气等离子体；二级点火区域，所述二级点火区域与所述第一点火区域相邻，所述二级点火区域包含界定第二纵向空腔的第二屏蔽材料，其中所述第二纵向空腔与所述第一纵向空腔流体连通以接纳所述空气等离子体；以及高压电路，所述高压电路包括至少一个电容器，所述高压电路与电压源连通以将高压脉冲施加到所述空气等离子体上，其中所述高压脉冲对所述空气等离子体加热并使其加速离开所述设备以在所述大气压下形成所述自含式空气等离子体，其中将所述高压脉冲施加到所述空气等离子体进一步包括：施加所述高压脉冲使其穿过由气隙隔开的负极和电极，其中所述空气等离子体完成了所述负极与所述电极之间的电路。8.如权利要求7所述的设备，其中所述等离子体源是由以下各项组成的组的至少一员：爆丝、激光器、炸药、喷气等离子体、空心阴极等离子体、轨道炮、超高速等离子体源和微波驱动的等离子体源。9.如权利要求7所述的设备，其中所述第二纵向空腔是圆柱形的并且所述自含式空气等离子体形成自限式结构。10.如权利要求9所述的设备，其中所述自限式结构是环形结构或球体结构。11.如权利要求7所述的设备，其中所述自含式空气等离子体具有至少1010/cm3或更高的电子密度。12.一种用于在大气压下产生自含式环形空气等离子体的方法，所述方法包括：施加第一高压脉冲使其穿过丝线以使所述丝线闪爆并且在正极与负极之间的第一点火区域中产生空气等离子体；限制所述空气等离子体的径向膨胀，其中所述空气等离子体平行于所述丝线的纵轴行进至所述负极与加速器电极之间的第二点火区域；施加第二高压脉冲使其穿过所述负极和所述加速器电极以对所述空气等离子体加热，其中受热的空气等离子体膨胀并且形成环形结构；以及在所述大气压下从所述第二点火区域排放所述自含式环形空气等离子体。13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：将刚性电绝缘材料设置在所述正极与所述负极之间，所述材料界定了围绕所述丝线的第一细长空腔并且所述细长空腔限制所述空气等离子体的所述径向膨胀。14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一细长空腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：RD卡里，
申请(专利权)人：密苏里大学学监，
类型：
国别省市：