本发明的背景技术

现在，等离子体很难包容和利用。一项著名的用途是在聚变反 应堆中利用带相反的电荷的等离子体，在聚变反应堆中携带双重荷 电的等离子体被提升到高能级并且被包容在强磁场之内。这种双重 荷电的等离子体没有固定的形状，借助磁场将它作为就地保持的环 形密集区包容起来，并且在环形区内等离子体包括带不同电荷的粒 子，这些粒子的路径(即轨道)是不固定的，即未明确定义的。

以前，已经研究过具有单一电荷符号的等离子体(例如参阅 “Non-neutral Plasma Physics”，AIP Conference Proceedings 175， Am.Inst.Physics，New York(1988)，由C.W.Roberson和C.F.Driscol 编辑)。这类等离子体有若干个不同的名字，如“未中和的等离子 体”或“单一成分的等离子体”。在未中和的等离子体的研究当中， 研究工作在非常稳定的等离子体区中进行，在该区域中每个粒子的 速度能量低并且密度低于适中的等离子体密度。

未中和的等离子体研究的主要动力是实现等离子体的长期禁锢 和研究象波动现象那样的性能。为了实现长期禁锢，这些等离子体 被储存在各种阱(如Penning阱)中，并且被冷却到超低温温度。 以使等离子体的自由能最小。每个粒子的可利用能量通常是一个电 子伏特左右或更少。被研究的典型密度对于大约700高斯的常规磁 场大约是1013m-3、对于强磁场(如80千高斯(8特斯拉))可以 高达4×1016m-3。这些等离子体的等离子体频率与回旋频率的比值 非常低。这些等离子体的密度比较低而且它的每个粒子存储的能量 比较低，这表明单位体积存储的总能量非常低，其中单位体积存储 的总能量是单位体积中的粒子数与每个粒子的能量的乘积。

未中和的等离子体的传统应用是在粒子加速器中，例如在回旋 加速器中荷电粒子被提升到高能级并且被复合磁体包容。荷电粒子 团的形状基本上是无定形的。荷电粒子的第三种用途是用于电子 束。这些电子束对于焊接和沉积是有用的，但是本质上是透明的并 且简单地呈现线素几何性质。

本发明概述

就本发明而论，单一电荷等离子体即携带单一电荷的等离子体 的定义为携带同种电荷的带电粒子的集合。这就是说，携带单一电 荷的等离子体(即大量的荷电粒子)可以全部带负电荷，或者全部 带正电荷。

本发明为等离子体提供固定的而不是无定形的几何形状，并且 在本发明中粒子按可定义的路径运动。在这样的形态下，单一电荷 等离子体的可包容性和可控制性都远远大于无定形的等离子体。所 以，单一电荷等离子体可以用明确而简单的受控的方式补充能量， 或者从中提取能量，从而开辟新的储能可能性。

这个系统提供单一电荷等离子体生成器，该等离子体具有固定 几何形状，即特殊的螺环。这个系统利用带电粒子束、单根导线、 导体螺线管或其它方法产生环形磁场使等离子体呈环形。

单一电荷等离子体被定形成固定的稳定的几何形状，在该形状 中荷电粒子的轨道是可定义的和可预测的。等离子体的几何形状将 是环形、拉长的环形、8字形、或任何希望的形状。该环形将是空 心环，并有在轨粒子形成的薄“壳”。依据粒子的能级粒子将在各 个不同的轨道层中的轨道上运行。这就是说，能量较低的粒子的轨 道半径比能量高的粒子的轨道半径小。在室温下，每条轨道内毗邻 的粒子耦合在一起形成点阵。

固定几何形状等离子体生成器可以包括真空舱、电场、带电粒 子源、和环形磁场。在一个固定几何形状等离子体生成器的实施方 案中，用单根导线产生环形磁场。在另一个实施方案中，用荷电粒 子束产生环形磁场。在第三个实施方案中，用导体螺线管产生环形 磁场。还可以输入微波能量，提高粒子能级。在本发明的一个优选 的实施方案中，为了产生无数族固定几何形状的单一电荷等离子 体，对螺线管作了改进。

电荷中和器被用于中和系统的总电荷。该电荷中和器可以是离 子的集合、金属表面上的镜象电荷或离子电荷储存器。电荷中和器 在空间上与轨道层及环壳分开。

本发明进一步的实施方案涉及真空管系统，该系统利用将电荷 中和后的环储存能量。为了控制电子注入，可以将电子源组合件密 封在真空管管口。

附图的简要说明

本发明有各式各样的新颖的结构细节和零部件组合，下面将参 照附图更具体地介绍上述内容和本发明的其它特征。人们将会理解 体现本发明的电子螺环仅仅是一种说明方式，并不是对本发明的限 制。本发明的具体特征能够在不脱离本发明的范围的前提下在各种 各样的实施方案中使用。

图1是本发明的一个优选实施方案的示意图，该视图与引发导 体正交。

图2是图1中环形磁场的截面示意图，该视图与导体垂直。

图3是电子螺旋轨道示意图。

图4是图1中等离子体环俯视示意图。

图5是图1中等离子体环沿着图4中A-A线剖视示意图。

图6是用放大的尺度说明四条毗邻电子轨道的示意图。

图7是电子轨道周围的磁力线示意图。

图8A是在电子螺环中电子轨道示意图。

图8B是电子在图8A轨道附近运动的示意图。

图9A至图9E是在轨道上方或下方各点上作用于电子的力的图 解说明。

图10是导体螺线管线圈的俯视示意图。

图11是图10的导体螺线管线圈以及内部的螺旋形等离子体沿 着B-B线剖视的示意图。

图12是图10的导体螺线管线圈以及内部的螺旋形等离子体细 节沿着C-C线切开的俯视示意图。

图13是等离子体螺旋形几何形状的局部切开的透视图。

图14是等离子体螺线管局部切开的透视图。

图15是图14的等离子体螺线管切开的俯视图。

图16是等离子体螺线管系统的电路示意图。

图17是本储能系统使用的控制系统示意图。

图18A是真空舱示意图，在真空舱的周围有许多对称排列的电 子源。

图18B和图18C灯丝式电子源的俯视截面示意图和标明的截面 示意图。

图19是适合引发和包容电子螺环的电极和单匝线圈的示意图。

图20A和20B是依据本发明产生小型未被捕获的电子螺环的方 法示意图。

图21是用于中和螺环电荷的电荷存储器的示意图。

图22是用于从螺环提取电荷的局部磁场系统的示意图。

图23是借助磁感应提取电荷系统的示意图。

图24是利用气流系统从真空管系统提取能量的系统的示意图。

图25是图24中气流系统的微波能量补给器的示意图。

图26是将提取的热能转换成电能的磁流体动力系统的示意图。

图27是依据本发明的电力运输车辆的示意图。

图28依据本发明的电力飞机示意图。

图29是依据本发明的便携式电源的示意图。

本发明的详细描述

本文中单一电荷等离子体即单电荷等离子体的定义为携带同种 电荷的粒子的集合。带电粒子的实例是电子和离子。在本文中环 (toroid)的定义是借助平面封闭曲线绕着平面中的轴线旋转产生 的表面。典型的环是三维形态的环。

依据本发明的优选实施方案，利用按电子螺环(EST)排列的 电子来储存能量。另一种替代方法是将离子按离子螺环(IST)排 列，以便储存能量。因为离子的质量比电子大，所以，离子运动比 电子缓慢并且能够提供更稳定的几何形状。但是，实际上由质子获 得大电流比由电子获得大电流要困难得多。因此，本发明的优选实 施方案是以使用电子存储能量来描述的。

图1是本发明的一个优选的实施方案的示意图，该视图与启动 导体正交。引发电子等离子体环所需的要素是电子束14、环形磁 场、电场、以及真空舱，其中电场由场电极或离子累积或局部离子 提供。环形磁力线10采用常规的符号表示，“×”表示磁力线方向 指向纸内，“●”表示磁力线方向从纸面向外。图2是图1中垂直于 导体的环形磁场的截面示意图。

产生环形磁场的方法示于图1，利用通电的电导体11产生磁场， 电流12的方向如图所示。只要有足以建立强大的环形磁场的电流 存在，导体11可以是单根导线、一系列导体、或带电的粒子束。

注入带电粒子的舱室可以抽真空，而且为了克服粒子的漂移速 度还需要小电场。另一种办法是，在使用电子的情况下，给舱室部 分抽真空，其真空压力要足够高，允许离子发展到足够的数量以对 抗漂移速度。

用电子束源13引发电子束14。由于有磁场存在，电子束14 如图1所示弯曲，依据物理学的基本定理， F＝q Vx B，其中 F是力， B是磁场强度 V是粒子速度，q是粒子的电荷。尽管用矢量方程表 示力，但是，由于环形几何形状的对称性，在这里矢量力可以简化 成标量方程。电子束14可以用带电粒子束代替，无论是带正电荷 还是带负电荷，但是在依据物理定律确定粒子束在磁场中的旋转方 向是必须要仔细。轨道形状由力的平衡定义：

F＝qVB，以及

F＝ma 其中：q是粒子的电荷；

V是粒子的速度；

B是磁场强度；

m是粒子的质量；

a是粒子的加速度。 如果与回旋加速器相似，环形磁场力和带电粒子的旋转力平衡，电 子束14将形成图示的轨道15。

当电子在磁场中旋转时，形成许多条轨道。这许多轨道由于同 种电荷互斥作用扩展成螺旋形。电子束14可以与导体轴线形成一 个小角度，这有利于电子的散布和盘旋。

为了使电子保持在轨道中需要进一步的回复力。这是对抗漂移 速度的需要，并且能够借助提供电场来对抗漂移速度。场电极没有 示出，但是下面将对其进行讨论。

对抗漂移速度的另一种办法是利用离子。在部分真空舱室中的 轨道电子与舱室中的气体分子碰撞，产生离子。如果作得正确，离 子场使电子的漂移速度偏转方向，这也将在下面给予更为详细的讨 论。

图3是螺旋形电子轨道示意图。如图所示，由于磁场力q Vx B 的作用，电子e围绕磁场的中心轴线盘旋，旋转半径是r0。

电子轨道通常是圆形的，但是，随着离开导体距离增加磁场强 度变化，该环形轨道形状可能略有变化。在典型的形态中，电子速 度V近似为5*107m/sec．，只要保持力的平衡，这个速度V可以从 高向低变化。所有的电子的速度基本上是一致的。在优先选择的实 施方案中，环形磁场通常是由近似1000安匝的线圈产生。为了电 流可以作为保持电子在轨道中运行的力的函数从高向低变化。

图4是图1所示等离子体环的俯视示意图。当电子散开时，由 于磁场力作用它们保持在轨道31中，而且散布成如图所示的环32。 这导致形成电子等离子体环。轨道31连接起来形成一个大螺旋， 并且轨道数量可以变化。如果用带电粒子代替电子，结果是带电粒 子等离子体环。

图5是图1所示的等离子体环沿着图4中A-A线的截面示意图。 注意导体33和电子束生成器34。在图4和图5中，省略了环形磁 场的细节，以便清楚地画出环，而且它们与图1和图2所示的环是 类似的。

环形磁场可以用许多方法产生。原则上，导体方法似乎是最简 单的方法。但是，导体可以用带电粒子束代替。最好在真空中产生 和保持粒子束和等离子体，在真空中，降低的大气压力减少了气体 分子与粒子的碰撞。与空气或其它分子碰撞将缩短等离子体的寿 命。建立粒子束所需的真空度是已知的。作为一条规律，真空度越 高，碰撞越少，等离子体的寿命越长。但是为了克服漂移速度需要 电场。

优先选择高真空度，因为借此能够最大限度地减少碰撞，从而 增加平均束长和减少维持电子束所需的能量。更优先选择超高真空 度，即在10-7Pa范围内或更高。在引发电子螺环时，采用较高的真 空压力。在这个实例中，电子与气体分子(如氢)碰撞，形成离子。 离子反过来抵销电子的漂移速度。氢是优先选择的气体，因为氢具 有只电离一次的优点，这提供了有用的碰撞特征。下面介绍真空度 接近0.1Pa的真空管。在高达一个大气压(100,000 Pa)的压力下 已经观察过一些环，而例行的观察在2,500 Pa进行。

在引发电子等离子体环之后，可以用几种外部施力机理就地保 持电子等离子体环。第一，保持环形磁场，第二，采用适当的电场， 第三，在某些环境中真空舱中的带相反电荷的离子将提供适当的回 复力。如果在等离子体中有充足的电子并且有足够的离子或适当的 电场存在，可以撤销原始的环形磁场，电子等离子体环仍然能基本 上保持其形态。

引发

引发电子螺环(EST)要求在电子螺旋和环形磁场之间保持力 的平衡。所用公式与回旋加速器所用公式一样。

为了引发EST，首先将电子束注入环形磁场。在有磁场存在的 情况下，电子束以适当的角度注入磁场，于是，电子束开始盘旋。 参照图3，注入的电子束在磁场B中盘旋。电子速度V、磁场B 和得到的力F三者彼此正交。如果磁场是圆形的，电子围绕磁场沿 着磁力线盘旋。在适当的初始条件下，盘旋着的电子束本身围绕着 环形磁场弯曲随后重聚。因此重聚的盘旋电子形成电流环。为了将 碰撞降到最低限度，引发过程在真空中完成。这个引发过程在上述 引用的文献U.S.5,175,466中曾经介绍过，已将其内容全部并入本发 明。

电子的螺旋运动是由引发线圈引起的。当电子束首次进入引发 线圈时，它切割磁力线，引起束中电子盘旋。在初始瞬间，电子的 运动由四个力促成：来自磁场的力、电子的旋转力、来自束中其它 电子的库仑力、以及由于EST附近的离子产生的力。

旋转力和库仑力倾向于使电子脱离初始的电子束。引发线圈的 磁场必须足够强，足以与库仑力和旋转力相抗衡。在这种情况下， 离子力非常小，可以忽略。在电子束中的这种平衡证明如下： 旋转力由下式给出： $F_R=\frac{m{V}^2}{R_0}$ 其中：m是电子的质量；

r0是轨道半径；

V是电子速度。 束中的库仑力由下式给出：

FI＝q(I)(1/(2πε0r0) 其中：q是粒子的电荷；

I是单位长度上电子束的电荷；

ε0是介电常数。 引发线圈的作用力由下式给出：

FL＝qVB 其中：B是引发线圈的磁场(强度)。 施于环的磁场可以表示为： $B_T=\frac{{\mu }_O{i}_T{n}_T}{2\pi r_T}$ 其中：μo磁导率常数；

nT是匝数；

iT是每匝的电流：

rT是环的半径，它是从环的中心到粒子轨道轴线的距 离。

当FR+FI＝FL时，在螺旋电子束中的电子与引发线圈的磁场之 间实现力的平衡。在优先选择的实施方案中，这些力是：

在V＝9.37*107；r0＝0.122m时，FR＝6.6*1513牛顿；

在束流i＝1000安培时，FI＝2.5*1512牛顿；

在20,600安匝，rT＝0.196m时，FL＝3.17*1512牛顿。

引发线圈可以是通大电流的单根导线，或者包括一系列线圈。 电子束沿着磁力线绕环盘旋。引发线圈的参数设定通常使r0的大小 与稳定状态的EST相同。所示的力是引发过程中主要的力。在引发 过程中为了提供平衡进一步需要力时，可以借助外部电场或离子提 供力，下面将更详细地解释。

稳定状态的力 磁场力和库仑力：

一旦建立起EST，可以把它看作是电流环路的集合。电子按照 相同的方向围绕着环路行进。在环的外表面任意一点P上的电子所 承受的所有电荷的作用力的合力是库仑力： $F_O=\frac{n_p{e}^2}{{\left(2\pi \right)}^2{ϵ}_O{r}_T{r}_0}$ 其中：np是带电粒子数；

e是电子的电荷。

库仑力使所有电子向EST的表面运动，在那里它们变成表面电 流。

因为EST是一个环，所以有内部磁场。运动到EST中心的电 子承受下述磁力：

FM＝qVB

其中 ，式中no是轨道数，io＝q(2πro/V)-1。 作用在电子上的轨道力：

在对EST计算力的平衡之前，必须考虑作用在单个电子上的各 种力。

在引发期间，电子从电子束形态进入平行的电子轨道。这个新 的形态在轨道和个体电子之间建立新的场相互作用。电子在平行轨 道中行进，其中轨道起着与电流环路相同的作用。轨道建立起磁场， 如图7所示。

当电子通过这些磁场时，磁场和静电场协同扰动这些电子，使 电子在束轨道附近振荡。图8A表示在EST中的一个完整的电子轨 道。电子轨道的一小段被放大成图8B，图8B表示电子本身在振 荡中前进。 电子的近场方程

一旦建立了EST，并且假设电子形成表面电流，电子与轨道磁 场的相互作用如力图9A至图9E所示。图9A表示在电子轨道上方 和下方的磁场，并且可以把图9A看作是图7的侧视图。

当电子在轨道上方运动时，图9B表示磁场、速度和作用于单 个电子的力的水平分量之间的矢量关系。

在EST中，考虑作用在电子上的合力时，还有所有所电子产生 的库仑力。这个力只在竖直方向作用于电子，并且只在电子位于轨 道上方时才起作用。当电子在轨道上方运动时，作用在电子上的诸 力分量如图9C所示。

当单个电子在轨道上方运动时，在表面上的其它电子的电荷的 斥力作用在该电子上。磁场力也作用在该电子上，该力使该电子的 轨道弯曲，使电子转向并向下降。

一旦低于轨道，电子遇到反向的磁场，该磁场迫使电子转向， 返回轨道的上方。在轨道以下，没有空间电荷的作用力。作用在电 子上的水平反向的力和垂直方向的力分别示于图9D和图9E。

下面给出电子的运动方程。请注意，脚标A和B分别表示在 轨道上方和轨道下方时的作用力；因为两者是有差别的，下面将解 释。从图9C和9D得出： $F_{\mathrm{XA}}=e{V}_{\mathrm{YA}}{B}_A=\frac{\mathrm{md}{V}_{\mathrm{XA}}}{\mathrm{dt}}$ $F_{\mathrm{XB}}=-e{V}_{\mathrm{YB}}{B}_B=\frac{\mathrm{md}{V}_{\mathrm{XB}}}{\mathrm{dt}}$ $F_{\mathrm{YA}}=-e{V}_{\mathrm{XA}}{B}_A+F_C=\frac{\mathrm{md}{V}_{\mathrm{YA}}}{\mathrm{dt}}$ $F_{\mathrm{YB}}=e{V}_{\mathrm{XB}}{B}_B=\frac{\mathrm{md}{V}_{\mathrm{YB}}}{\mathrm{dt}}$

其中：e是电子电荷；

     FC是来自EST总体的库仑力。 为了完整，还必须把旋转力包括进来。但是，这些力比磁场力和库 仑力小许多个数量级，所以为了简化将它们排除在外。

在轨道上方，BA随着在轨道上方的距离增加而增加，增加至 某个点后开始下降。在轨道下方，如果只考虑轨道电流产生的磁场， BB与BA大小相等，方向相反。但是，在轨道下方有EST产生的附 加磁场分量。因为BB＝BA+BT，这个附加分量的作用是使BB在数 量上大于BA，即BB＞BA。

求解上述的微分方程组，得到：

VXB＝V‖cosωBt；            VYB＝V⊥sinωBt；

VXA＝CosωAt+FC/(ωωAm)；   VYA＝-DsinωAt：

ωA＝eBA/m；                 ωB＝eBB/m

其中：V‖ 是注入电子的初始速度在平行于轨道方向上分量；

V⊥是注入电子的初始速度在垂直于轨道方向上分量：

C和D都是常数，是与电子跨越平均轨道的时刻有关的 常数；

ωA和ωB分别是在轨道上方和轨道下方的振荡频率。

电子不是在正弦的零点跨越轨道，而是在周期的中间点跨越轨 道。求解常数得到：

C＝(V‖osωBT1-Ec/ωAm)/(sinωAT2)

D＝(V⊥sinωBT3)/(osωAT4)

上述方程表明在轨道上方的电子速度与在轨道下方的电子速度 不同。差值是库仑力FC以及BA和BB之差的函数。轨道是一个平 均位置，电子在其上下跨越运动。跨越轨道没有不连续性，因为轨 道上各点的磁场是零。电子基本上“惯性滑行通过”零磁场区。图 8B近似地表示了这种振荡运动。

只要振荡是稳定的，电子的振荡运动就是连续的。大体上，如 果电子在轨道上方的漂移变得太大，电子将无限地散开，不再存储 在轨道之中。必须满足的稳定性条件是：

FC/eV‖BA＝cosωBT1

其中T1是电子到达轨道上方最远点的时间。

这个比值是漂移速度，它必须小于稳定性允许的速度。用外部 电场或外部的离子保持稳定的漂移速度。在电荷中和系统中，FC 等于零，以保证稳定性。

EST的表面由密集的电子平行轨道组成。正弦运动被叠加在这 些轨道上。正是这些与EST的磁场相互作用的正弦运动保持着轨道 中的电子。结果是一个表面，该表面显示为如图6所示的许多有振 荡的密集排列的平行轨道。 引发过程的另一个优先选择的实施方案

图10、图11和图12表示一种建立单电荷等离子体粒子环的 替代方法。图10是导体螺线管的俯视图；图11是图10的导体螺 线管与内部的等离子体环沿着B-B线的截面剖视图；图12是图11 的导体螺线管以及内部环形等离子体的细节沿着C-C线切开的俯视 图。利用导体螺线管引发环形磁场，该螺线管包括电导体40和壳 42，电导体40围绕着壳42缠绕成螺线管41。壳42用能够承受真 空的适当的材料制作，如玻璃。壳42如图11和图12所示。图11 和图12所示的环形磁场是在电流通过电导体40时建立的。

需要缠绕的匝数是需要的环形磁场强度和通过导体40的电流 强度的函数。用1,000匝的导体螺线管，由3至6安培电流建立的 环形磁场与用单根导体通过3,000至6,000安培产生的环形磁场相 当。

在图10和图11中示意地表示了缠绕匝数，这个数值是可以变 化的，这取决于每根导体的电流和需要的磁场。电子束源44用于 建立电子束45。电子束散开进入导体螺线管内部的电子等离子体 环。如前面结合图3和图4所述，典型的轨道46展开形成螺旋。

图13是局部切开的等离子体环几何形状透视图。当适当地建立 引发条件时，盘旋着的电子束围绕着环形磁场弯曲随后重聚。因此 重聚的电子沿所示环形路径48盘旋，形成电流环。一旦开始盘旋， 电子向外散开，形成薄薄的空心的表面。电子全部在平行轨道中运 动，并以相同的速度行进。因为电子来自同一电子束，所以，电子 具有基本相同的能量。此外，在磁场中大量的盘旋轨道保证具有较 高或较低的速度的电子借助旋转力分别进入较高或较低的轨道运 行。所以，毗邻的每条轨道包含相同能量的电子。再有，这个过程 保证毗邻轨道上具有基本相同的电流。

环是电流层，是中空的薄薄的电子盘旋层。电子盘旋半径为ro。 如图所示，环是圆环，它有内半径R1和外半径R2，其中：

R2=R1+2ro

线圈可以拉长变成椭圆，仍然能维持几何形状固定的等离子体， 尽管不再是园环。线圈可以有无数种微小的的变化，但仍然维持固 定的等离子体几何形状(略有变化的环)。

图14是局部切开的环状等离子体管100的透视图。该管有玻璃 封头101。该玻璃封头由适合保持良好真空的真空管材料制作。在 这个实施方案中，管100的直径为约10cm。轨道腔沿着内壁和外 壁的高度为3.75cm。优先选择的真空度大约是0.1Pa，以提供近似 10cm的电子束长度。管100的直径取决于具体的应用。

真空口102用于给管100抽真空，象典型的真空管那样除去所 有的气体。管100抽真空之后，将口102密封以保持真空。此外， 也可用常规的真空法兰安装到真空口来进行抽真空。玻璃底座103 用于给电子源组合件定位和将导线从管100外引入真空室。

象许多真空管那样，提供灯丝并给它加热，以促进电子流动。 电源通过导线104、电阻线(见图15)和接地返回线105给灯丝 供电。这样，就提供了热并由其在阴极产生自由电子(见图15)。 这是已知的技术，能以许多种方式实现。

借助阳极106给电子加速。阳极106是有狭缝107的管状电极， 电子通过狭缝射出，形成电子束108。阳极106通过导线109与外 部的电路相连，提供加速电压。在50V至300V直流电压下，阳极 106很容易形成电子束，电压越高，电子的加速度越大，电子的运 动也越快。借助绝缘体110阳极106与阴极绝缘。

线圈111用于产生磁场。线圈匝数是示意的，实际需要的比所 示的多得多。线圈产生环形磁场，并且该环形磁场通过线圈覆盖的 真空管部分。所有的线圈都按相同方向缠绕，并且连接成一个大螺 旋，即螺线管。线圈两端引出第一接线112和第二接线113，连接 到外部的供电电源上。对于这种类型的环形等离子体管，3至25 安培的电流使电子束按变化的轨道直径盘旋。象常规的制作方法那 样，线圈缠绕在管外，但是，它也可以在管内，只要电子束有空间 盘旋即可。环形等离子体管的基本特征是有一个允许线圈缠绕成环 形的中心孔114。这个特征允许产生环形磁场。由于这种管结构， 线圈不对称，所以在需要的地方放置辅助的小磁体，以调整电子束 的轨道形状。

图15是切开的环形等离子体管的俯视图。在图14中没有显示 的一个辅助细节是阴极117，它在阳极组合件之内。在金属线117 上涂覆阴极材料。

在切开的视图中，阴极金属线117借助绝缘体110与阳极106 绝缘。图中用电子束完整的路径118表示电子束螺线。图中给出了 线圈线111，匝数是代表性的，而不用总数表示，因为总数太大以 致不能清楚地全面表示。类似地，电子束螺线也是示意的，因为实 际出现的轨道比可能示出的轨道多得多。电流方向按标准的惯例表 示。

图16是电路示意图，它表示环形等离子体管的电路连接。用灯 丝电源121给灯丝122加热。阴极123产生电子。阳极电源124将 电子加速电压提供给阳极125，阳极使电子加速形成电子束。阴极 123、阳极125和灯丝122都在真空管126内。线圈电源127给环 形线圈128提供电源。环形线圈产生环形磁场。

储存在环形中的能量的大小可以利用物理学定理计算。每个电 子都储存能量。在环形中所有的电子基本上具有相同的速度和基本 相同的能量。所以，储存的总能量是电子总数与每个电子的能量的 乘积。

最初的样机使用50至150电子伏特(eV)的低能电子。电子 可以被加速到接近25,000eV，而且没有重大的同步辐射损失，还可 以达到更高的水平，且损失是可被接受的。储存的电子总数可以很 大，因为增加电子数量将增加磁回复力并且保持力的平衡。最初的 样机已经具有小的总电荷。已经观察到电荷总量超过10库仑。似 乎还可能更大。

引发与收集

引发与维持的控制如图17所示进行，图17是用于本储能系统 的控制系统170的示意图。如参照图16所述，控制器171设置电 源电压，该电源电压用于引发等离子体环。先接通引发线圈电源 127，然后接通灯丝电压电源121，最后逐步增加栅极电源124电 压，引发等离子体环。当等离子体环准备好自维持时，控制器171 在需要的时候关闭这些电源。在需要磁场时使用辅助磁场115和 116。

等离子体环传感器175感受粒子存在与否。这借助单独的敏感 线圈进行。在需要时，能量提取电路176发挥作用。显示计算机177 向操纵者提供指令、状态、以及可选的手动控制。

有许多种产生电子的方法。电子枪是一种已知的方法，它被示 于图14。此外，可以使用多个电子枪或电子源，以便增加最初为 了引发等离子体环而注入的电子数量。这种情况示于图18A。每个 电子枪具有一套图14和图15所示的元件和功能。图18A表示有许 多电子枪181，每个电子枪都注入电子。为了清楚，引发线圈没有 表示出来，但将与图14和15所示的相似。

另一种电子源可以是环绕着真空舱展开的连续的灯丝或一系列 灯丝。图18A是真空舱的示意图，有许多电子源对称地排列在舱室 的周围。也可以使用俯视剖视图(图18B)中示出的连续的灯丝183， 它附着在舱室表面上，位于引发线圈的内侧(为了清楚该线圈没有 示出)。当电源给灯丝引线184供电时，沿着灯丝长度产生电子。 如图18C所示，提供电子屏障185，该屏障给电子适当的偏压使它 朝栅极186方向运动。栅极使电子加速，当如上所述施加磁场时， 该电子将沿着轨迹187弯曲。

图19是引发和收集实验电子螺线环的电极和单匝线圈的示意 图。为了获得高能型等离子体环，需要高能电子束源。高能电极包 括一对电极线231，它们被间隙隔开，并且经由较长的导线233连 接到两个接线端子232上。每个电极都依次通过适当的导线与接触 器234连接到高流电源上。这些电极安装在框架235上，该框架由 底座和适合电极的单独支撑组成。这些支撑与管236绝缘。非常细 的导线237跨过两条电极线231之间的间隙焊接在电极线上。

单匝线圈238与电极线231隔开，用于建立环形磁场。线圈238 可以是直导线或一个环形导线。在优先选择的实施方案中，线圈238 是一根跨过电极232之间间隙的黄铜条。具体地说，该黄铜条238 直径大约1/3cm．，并且与电极线231分开，间距大约是1cm。采用 实心条保证线圈238在电极232之间是直线，以此避免电磁场不正 常。

当高压高流电源与电极连接时，细导线237迅速蒸发，给电极 线231的末端加热，并一直完全熔蚀到与电极232的粗导线233相 连的一端。在电极线231被熔蚀之后，电子继续从一个电极232通 过间隙流向另一个电极。

更具体地说，采用非常细的AWG38号线。尽管有从AWG24 至AWG18各种尺寸的线都可以利用，电极线用的是AWG22号线。 在电极上的粗线用的是AWG10号线，以阻止过热。在每根导线连 接点采用焊接，以保证良好的连接。电极不焊接，采用机械固定。 所用的绝缘材料是聚四氟乙烯(Teflon)管。

电极232和线圈238结合使用。一旦电极连接的时间足以在间 隙中建立电子束，线圈238接通电源，建立磁场，使电子束绕线盘 旋。在线圈维持导通时，电子束形成环239。线圈238继续维持导 通，包容环239。一旦形成环239，可以切断电极232的电源。

引发周期的时间是重要的。电极线231必须给以足够时间全部 熔蚀，形成等离子体。这个时间大约是60毫秒(msec.)。然后线 圈238可以与电源接通。

线圈38的磁场强度也是重要的。如果磁场强度太大，将摧毁电 极，这个现象是在机械继电器上与磁性毁坏有关的已知现象。如果 线圈磁场不够强，电子束将继续但不盘旋。通常，电极的引发电压 与电流分别是175V(直流)和750安培。线圈在2.5cm距离上需 要750安培电流。真空压力是变化的，但是，通常从低于10,000Pa 开始，正常时在大约100至1,000Pa之间。

如果不用引发线圈而单独使用电极，可能产生自由环。在没有 被线圈捕捉的意义上，这些环是自由的。通常在1,000Pa的真空压 力下借助170V直流电压点燃电极，将产生这样的自由环。当已经 完成电极线的熔蚀，并且电子束本身处于熄灭的过程中时，曾经观 查到这些环的发生。

图20A至20B是依据本发明产生小的未被捕捉的电子螺环 (EST)的示意图。参照图20A，显示了跨越大约15cm的间隙建 立的大约600安培的电子束281。电子从负电极283流向正电极 284。真空压力大约是1,000Pa至10,000Pa。电极间电压正常情况 是200V，但是至少可以在150V至500V之间变化。电压和电流由 电池电源提供。

电极283和284由多股绞合线组成(图20B)，这就是说，它 们由许多条导线制成。它的表面不平滑，但是可以从许多凸起的点 发射电子束。在图20B中显示了放大的多股绞合线285和电极283。 与已知的阴极发射发射方式相似，典型的电子束从电极上随机的一 点发射。当发射点太热时，电子束跳到新的发射点，这是又一个已 知的阴极现象。在该跳跃中间，有一个时间周期，在这个周期中， 第一电子束湮没并处于终止过程中，而第二电子束287则正在建立 起来。恰好在第一电子束即将熄灭时，第二电子束建成上述的引发 磁场，于是，第一电子束被引发磁场捕获。结果形成一个小EST288。

当真空压力为1至10,000Pa、电压为80至500V以上、实测电 流为200至1300安培时，曾经引发过这样的等离子体环。并且对 观测到的环进行了测量，其直径大约是5mm、轨道直径大约是 1.5mm。这些环的形状与图13所示的一般形状相似，并且有平滑 的表面。

图21是用于中和环上电荷的电荷存储器的示意图。在采用电子 时，环的轨道由在轨电子构成。环上总电荷对于环的包容是一个问 题。电荷存储器310处于相对环的中心位置，并且保持电荷，该电 荷与环上的电荷数量相等符号相反，以便中和环上电荷。对于外面 的观察者而言，环上电荷似乎全部在环的中心CT。理论上，位于 环中心CT的相反符号的总电荷将中和环上电荷。如果离子的数量 与环上电子数量相等，并且位于环的中心CT，那么电荷能够被中 和，允许包容环320。

实际上不能象点电荷那样存储电荷。但是，只要电荷存储器对 于环是对称的，环就能定位在电荷存储器中。电荷存储器的位置必 须让它的中心位于环320的中心CT。使它定位于环的中心并不困 难，因为环上电荷本身试图使各种力最小，因此正在努力将自己的 中心对准电荷存储器310的中心。电荷存储器310的形状有许多种 选择，包括但不限于球形、圆柱形。盘形、或任何相对中心轴线对 称的复杂形状。尺寸需要小于环320的中心开口尺寸。

另一种办法是借助在环的中心CT在金属导体上产生镜象电荷 来中和EST的电荷。

借助施加微波功率可以将能量添加给EST。如果在低于需要的 能态下已经引发EST，为了增加EST储存的能量需要补充功率， 那么这种办法是适当的。另一种可能是借助一种方法，如注入电子 束来引发EST，并利用微波源提供补充能量，以使电子束的能量更 高。

微波功率是一项有吸引力的补充能量技术，因为它的成本低并 且功率容易跨越磁力线传送到EST中。微波束可以透过标准的陶瓷 窗送进环形真空器皿。所以，从工程角度看，微波功率的耦合是简 单的。当前，已知有两种应用采用微波功率给电子束添加能量，它 们是：射频(RF)电子加速器和等离子体加热。

在加速器中，微波与电子束耦合是在超高真空腔体中或在超高 真空行波结构中完成的。耦合要求电子束的速度与微波的相位速度 同步或匹配。微波谐振腔为实现同步条件创造了条件。借助一个或 多个微波谐振腔包围EST，也能够在EST形态中实现同步条件。 微波还被用于加热等离子体，包括用于熔融研究的高温等离子体， 以及在半导体工业中制作半导体层和涂层中使用的小型实验室等 离子体。

在将微波施加给EST时，理想的是获得类似于电子加速器中的 条件，即能量增加速度对于所有的电子大体上是相同的。以这种方 式将电子作为集合群维系在一起。电子可以在微波谐振腔中加速。 另一种可能性是电子在电子回旋响应条件下(无论有无腔体)加速。 这种途径被称为电子回旋响应加热(ECRH)。

在ECRH中，电子在与磁场垂直的方向上加速。电子回旋响应 条件由下式给出：

ωc：eB/m

其中ωc是电子回旋频率，弧度/秒；e是电子电荷；m是电子 质量；B是磁场(强度)。例如，采用1GHz的微波源，电子回旋 响应需要的磁场是360高斯(0.036T)。

使用ECRH保证把能量添加给电子束速度分布的横向分量。在 为实现EST平衡创造条件时，这是有利的。但是，也有可能独立地 将能量添加给环向运动。利用微波谐振腔结构能做到这一点。

能量交换

EST包括电子轨道，该轨道能够就地长时间地持有电子。一旦 形成EST，它包含着两种能量，电子的动能和EST内部磁场的磁 场能量。EST有若干种性质，这些性质使它成为有效的储能设备。 例如，EST能够储存大量的携带同种电荷的粒子。EST还能储存 高能粒子。

能量交换可以用几种方式进行。第一种方法借助碰撞移动能量。 当粒子逼近环时，被静电推开，它们在这个过程中吸收能量。借助 阀打开真空舱，允许增加粒子的数量，粒子通过碰撞从环上取走能 量。被加热的粒子可以通过受控的方式从真空舱中取出，在其它地 方使用该热能。

环的几何形状致使所有的电子一起做功推开气体分子。既然与 气体分子碰撞是集体碰撞，所以，在碰撞期间和碰撞后所有的电子 仍然维系在轨道中。在推开入侵的分子时电子失去动能。

当气体分子接近环时，气体分子遇到的是荷电表面，而不是个 体电子。每个入侵的分子由于表面电荷的作用象弹性碰撞那样被静 电推开。其原因是环的几何形状。轨道中每个电子都有回复力使它 保持在原位。这些力还在电子之间转移能量。因此每次推开气体分 子都是从整个环上取走能量，而不是从单个的电子取走能量。环一 直坚持着，直至发生多次碰撞以致没有足够的能量推开碰撞分子为 止。在这个时刻，碰撞将电子撞离轨道，EST寿终正寝。

在含有100库仑的电荷和每个电子有25,000V能量的EST中包 含的能量是2.5兆瓦。借助控制压力可以从EST中取出能量。能量 的取出率与EST周围的压力成正比。

第二种方法是改变局部磁场来放掉一部分或全部的电子。借助 在环附近引入局部磁场，环上某个点的磁场被抵销，引起电子束中 的电子射出，并击中靶。利用局部电场也能做到这一点。

图22是从环上提取电荷的局部场系统的示意图。典型的轨道用 340表示。操作局部电磁体342可以建立足以抵销环磁场的局部磁 场。当满足这个条件时，电子形成与轨道相切的电子束344。电子 与靶346碰撞，并且在这样作时转移它们的能量。维持局部磁场的 时间长短决定着改变方向的电子的多寡。一旦电子从EST中被取 走，它们可以被引向线圈347，在那里它们产生感应电压，并利用 已知的技术可以进行发电。借助切换电磁体342的通断能够使许多 电子束改变方向，从而产生交流电。

适合能量转换的局部场系统能够提供大约95％的能量转换效 率。只有大约5％的能量损失，这部分能量本身通常表现为热能。 在某些应用中，如军用车辆，这个损失可以处在背景水平以下。传 统的车辆产生可探测的红外特征，依据本发明的车辆与传统车辆不 同，它能够在不产生高于背景噪声的可探测红外特征的条件下行 驶。

第三种提取能量方法是通过磁感应。图23是借助磁感应提取电 荷的系统示意图。环中电子在固定的轨道中运行。如图所示，将磁 头350置于轨道附近，则在磁头中引起感应电压，就象磁头感受到 电子352通过一样。磁头350是已知的设备，如线圈或导线，它们 切割磁力线并在线圈或单根导线上产生电压。这个磁头的功能象发 电机中的定子一样借助电子产生感应电压和感应电流。

揭示的第四种提取能量方法是通过热电效应。借助外部的场可 以改变环的位置。利用外部的磁场和电场能够将环移动到表面附 近，引起对表面加热。可以利用现有的技术由热表面发电。

图24是利用气流系统从真空管系统100’提取能量的系统360 的示意图。惰性气体的气源361经由管线362和入口阀363装配到 真空舱101’上。打开入口阀363并控制气流速度，将气体注入舱室 101’。气体与环发生弹性碰撞，获得热量。灼热的气体364从出口 365流出，在出口有与入口阀363类似的出口阀366。电子等离子 体环在推开气体分子时失去能量。需要采取正常的预防措施，以安 全地释放压力(未示出)。

图25是适合图24所示气流系统的微波充电器的示意图。微波 源376连接到或直接安装在系统370的真空封头101’上，该微波源 类似于在微波炉中找到的微波管。用动力线374给微波源376供电。 微波源376将电力转变成微波能量378，用于照射电子。典型的微 波源能够提供1KW的微波能量，但是，为了加快充电速度，可以提 高功率。适合真空口102’的控制阀367也得到图示说明。

电功率发生器

一旦环建立起来并在其中存储能量，可以将环与热电发电器或 热化学发电器结合使用。这些装置的原理是已知的，在此不详细说 明。热电设备的实例是来自Global Thermoeletric公司的平板热电堆。 热化学发电器的实例是来自Advanced Modular Power System有限 公司的AMTEC电池，该电池利用液态钠循环发电。

这类发电器都需要热源。这种必要的热量可以由电子螺环产生。 利用图24叙述的灼热气体发生器360，受热气体可以直接供给热 电设备或热化学设备，以产生电力。

储存在环上的能量还可以与磁流体动力系统(MHD)结合产 生电力。MHD技术是已知的，但是由于缺乏便携式高能动力源尚 未在便携式应用中使用。等离子体环能够提供这种便携式动力源。

全世界广泛使用MHD。在Robert F．Grundy的 “Magnetohydrodynamic Energy for Electric Power Generation”和 McGray Hill的“Engineering Magnetohydrodynamic”是解释MHD 系统的文献。MHD系统是一种紧凑、简单、高能量密度系统，这 使它在便携式应用中颇具吸引力。尽管本文没有提供完整的MHD 系统设计，但是，每个MHD系统都需要高温热源，下面叙述适合 MHD系统的热源。

图26是MHD系统380的示意图，它适合将来自环的能量转变 成电能。等离子体环320被包容在气氛受控的舱室381中。气氛受 气源387控制。与结合图24所述的情况相似，由环320给气体加 热。借助控制舱室381中的压力和温度，按照需要从环中取出能量。 这里所用的气体优先选择二氧化碳或类似的气体，该气体要能够在 不电离的情况下加热到3,000K或3,000K以上。需要避免电离是为 了延长环320的寿命。

对于MHD系统380，产生电离的MHD气体383是必要的。 采用氮或氢或类似的气体，用碱金属，例如钾使气体活化，以保证 气体在比较低的温度(2500K)电离，这样就能产生电离的MHD 气体383。为了产生电离的MHD气体383，用泵389或类似的设 备将来自环舱的气体输送到热交换器382，加热MHD气体383。 用这种方式，能够使MHD气体被加热并且电离，而环舱中的气体 保持不电离。热交换器是一种在高温热交换器中使用的已知技术， 在此不进一步介绍。为了适应这种高温，用耐热金属，例如钛制造 热交换器。

用泵266或喷管组合件输送MHD气体。MHD气体383通过 由永久磁体(未示出)产生MHD磁场384。电离气体流过磁场， 引起离子和电子分别向极性相反的电极移动，因此，在MHD电极 385处产生电力。MHD气体383通过辐射器388冷却，然后，通 过热交换器382反复循环。

电子螺环的平衡性质

电子螺环的平衡性质已经利用Vlasov-Maxwell分子运动理论进 行了计算。这种理论方法对于自洽地精确处理电子等离子体的热效 应是必要的。在这种方法中，粒子(电子)的分布函数由f：f(x，p， t)给出，其中f是实空间(x)、动量空间(p)、以及时间(t)的函数。在 非相对论性的理论中，可以用速度空间(v)代替动量空间。在平均电 场E(x，t)和平均磁场B(x，t)的影响下，自洽地展开粒子分布函数。 通过将电磁理论中著名的Maxwell方程与等离子体动力学理论中的 Vlasov方程合并，得出粒子分布时间展开式的解。Vlosav方程由下 式给出： $\{\frac{\delta }{\mathrm{\delta t}}+\bar{v}\frac{\delta }{\mathrm{\delta x}}+e(\bar{E}+\bar{v}\times \bar{B})\frac{\delta }{\mathrm{\delta p}}\}f(\bar{x},\bar{p},t)=0$

在这个方程中，粒子的位置由x给出，粒子的速度由 v给出， 粒子的电荷由e(电子电荷)给出，粒子的动量由 p给出。对分布 函数f进行归一化处理，以使在实空间和动量空间中的整数都是1。 必须采用这个动力学模型精确处理借助电磁力彼此相互作用的粒 子总体的自洽时间展开式(the self consistent time evolution of an ensemble of paticles)。在标准的等离子体教科书中讨论过Vlasov- Maxwell方程。这些方程假定：作为无碰撞无中和的等离子体通过 平均场粒子相互作用；作为这种理论方法的延伸，可以处理碰撞， 但是要求碰撞的影响比较弱。

这些计算为电子螺环提供了精确的模型。 模型叙述

模型包括含相互作用空间的圆环几何学，该相互作用空间是由 主半径rt和小半径a定义的。坐标系选用柱面坐标系，它包括圆环 轴线z，径向距离r和环向的角度θ。

在这种情况下，磁场由下式给出： $\bar{B}=B_0\left(r_t\right)\frac{r_t}{r}{\bar{e}}_{\theta }$

其中磁场指向环体的周围，并且随着主半径r上的距离增加而 下降。考虑的是小“纵横比”情况，即a/rt<<1。

电子密度是假定的，由下式给出： 其中rb1和rb2是电子螺环的内小半径和外小半径，而且rb2必须 小于圆环舱的小半径a。

常数 隐含依据粒子总数的定义(见下文)。粒子距主半径rt的 距离ρ由下式给出：

(r-rt)2+z2＝p2

rb1≤ρ≤rb2

ρ＜＜rt 在电子螺环(EST)中的电子总数Nb由下式给出： $N_b=\left(2{\pi }^2\right)r_t\int n_b\left(\rho \right)\mathrm{\rho d\rho }$

假定电子的运动是非相对论性的。在电子螺环区中引入背景离 子密度。该密度被认为是一个叠加在电子体积上的常数，离子密度 ni由下式给出： $n_i=\frac{f{N}_b}{2{\pi }^2{r}_{b2}^2{r}_t}$

其中f＝Ni/Nb是一个常数，并且Ni是电子螺环内的离子总数。

另一个假设是离子处于静止状态并且携带一个正电荷。因为离 子重并且它们的运动对于电子的运动方程没有重大的修正，所以这 个假设是有效的。按照上述假设，可以获得许多种情况。例如，假 设有外部施加的磁场B0。但是，参数B0的数值可以等于零。以这 种方式，可以处理外部施加的磁场为零的重要情况。定义电子(轨 道)半径在内半径rb1至外半径rb2的范围内。如果限定(rb2-rb1) 趋于零，那么就能处理理想的电子螺旋薄环。借助让上述方程中的 离子密度趋于零，还可以处理没有离子背景的情况。 解的特征

现在扼要的叙述求解上述的Vlasov-Maxwell方程的特征。求解 的方法涉及运用描述粒子运动的Hamilton方程。这种方法提供一个 方程组，这是一个典型的非定常角动量方程组。它还直接得到一些 粒子运动常数(如果有)。对于这种情况，这些常数是：

(i)能量(H)，这是运动常数；

(ii)标准角动量常数(Pθ)，其中

Pθ＝r[pθ-eAθs(r，z)]＝常数

(iii)典型的“poloidal”角动量P，在限定大纵横比(即rb2＜＜ rt)时，这是一个近似的常数．

其中：ρ是从环体的小轴线测量的径向距离；

Pθ是在圆环方向的机械动量：

Aθs是由于电子和离子分布的自场(selffield)造成的矢 量势；

Pφ是围绕小轴线在φ方向上的动量：以及

Bθs是在θ方向上的自磁场(magnetic selffield)。

利用边界条件和上述的三个运动常数可以获得Vlasov-Maxwell 方程的平衡解。

任何方程组的通解都能够容纳各种各样的特殊情况。一般的说， 只有在受到某种限制(如限定求解区域)才能获得有用的结果。可 以提出几点评述。为了平衡呈现有限数量的残留离子是必要的。提 出这种看法是因为如果没有回复力存在电子将沿着轴线z漂移。而 离子可以提供这种回复力。此外，正电极能够在垂直方向上(沿z 轴线)起限制电子环的作用。这可以消除对离子背景的需要。

但是，现在的分析假设有离子背景存在。对于大多数情况，离 子背景密度(ni)应当大于电子密度(ne)。离子背景的存在还可 能有助于径向限制。如果电子螺环是在中性气氛中引发的，离子背 景可能是电子螺环中的自然成分。在有背景气体存在的条件下形成 最初的非中性电子螺环(即带负电荷)之后，通过电离过程也可能 出现离子背景。那种背景气体可能是有意引入的或者是作为杂质被 带入的。 空心的动态电子螺环的平衡

针对电子螺环的自洽平衡已经求解了Vlasov-Maxwell方程。在 这里“自洽(self-consistent)”的定义是计算螺环自身的电场和磁 场，并且在粒子平衡计算中将它们包括在内。离子背景也被包括在 内。

上面给出了计算所用的假设。这些假设包括存在离子背景、电 子做非相对论性的运动、离子保持静止，以及施加环形磁场B0。假 设电子螺环占据一个薄环，并以内半径rb1和外半径rb2为边界，而 且内外半径与环半径rt相比都是非常小的。计算的细节非常长，在 这里仅仅扼要地叙述。考虑两种情况的结果：施加的磁场为零和施 加有限的磁场B0。 空心的自由电子螺环的平衡(B0＝0)

根据转换量H0和Pφ，对于螺环的内半径rb1和外半径rb2的解可 以分别写成： $\frac{r}{b1}=\frac{\left|P_{\phi 0}\right|}{2m{H_0}^{1/2}}[1-\frac{r_e{N}_b}{2\pi r_t}]$ $0=1-{\left[\frac{r_{b1}}{r_{b2}}\right]}^2{[1-\frac{{\omega }_p^2{r}_{b1}^2}{{2c}^2}[\frac{r_{b1}}{r_{b2}}-1\left]\right]}^2-\frac{f}{2}\left[\frac{m{\omega }_p^2{r}_{b1}^2}{H_0}\right]{\left[\frac{r_{b1}}{r_{b2}}\right]}^2[\frac{r_{b2}^2}{r_{b1}^2}-1]+\left[\frac{m{\omega }_p^2{r}_{b1}^2}{H_0}\right][\frac{r_{b2}}{r_{b1}}-1-1n\frac{r_{b2}}{r_{b1}}]$

这个解用下述三个参数表示其特征： $f=\frac{N_i}{N_b},$ $\frac{{\omega }_p^2{r}_{b1}^2}{c^2}$ ，以及 $\frac{H_0}{{\mathrm{mc}}^2}$

在电子螺环中的电子数由Nb给出； $N_b=\pi \left[\frac{{\omega }_p^2{r}_{b1c}^2}{c^2}\right]\left[\frac{r_t}{r_e}\right][\frac{r_{b2}}{r_{b1}}-1]$

其中re等于2.8×10-15m，ωp是等离子体频率。

有外加磁场B0时空心电子螺环的平衡

在这种情况下，解由下式给出： $\frac{r_{b1}}{r_b}=1-{[1-\frac{2P_{\phi 0}}{m{\Omega }_0{r}_b^2}]}^{1/2}$ $0={\left[\frac{r_b}{r_{b1}}\right]}^2-{\left[\right[\frac{r_b}{r_{b1}}-\frac{1}{2}\left]\right[\frac{r_{b1}}{r_{b2}}]+\frac{1}{2}[\frac{r_{b2}}{r_{b1}}\left]\right]}^2-\frac{f{\omega }_p^2}{{\Omega }_0^2}{\left[\frac{r_b}{r_{b2}}\right]}^2[\frac{r_{b2}}{r_{b1}}-1][{\left[\frac{r_{b2}}{r_{b1}}\right]}^2-1]+\frac{2{\omega }_p^2}{{\Omega }_0^2}[\frac{r_{b2}}{r_{b1}}-1-1n\frac{r_{b2}}{r_{b1}}]$

这个解用下式三个参数表示其特征： $f=\frac{N_i}{N_b},$ $\frac{{\omega }_p^2}{{\Omega }_0^2}$ 以及 $\frac{r_b}{r_{b1}}$

数量Ω0是电子回旋频率，由eB0/m给出。在这种情况下，电子 螺环存储的电子数由Nb给出： $\mathrm{Nb}=2\pi \left[\frac{{\omega }_p^2}{{\Omega }_0^2}\right]\left[\frac{r_1}{r_e}\right]{\left[\frac{r_{b1}}{r_{b2}}\right]}^2[\frac{r_{b2}}{r_{b1}}-1]\frac{{\left(V_{\phi }\right)}^2\left(r_{b1}\right)}{{2C}^2}$

其中 是在ρ＝rb1处垂直于环的电子横向动能与电子静止 能量(511keV)之间的比值。 理论计算结果

针对电子螺环的情况，已经求出描述粒子分布平衡的精确的方 程(即Vlasov-Maxwell方程)的解。这些解表明：在非常普通的条 件下，无论有无外加磁场的电子螺环都存在着平衡解。背景离子分 布可以使电子螺环克服沿圆环轴线的运动趋于稳定。无论有无外加 磁场都详细地求解了空心薄环，依据储藏量(能量和标准角动量) 计算了储存的电荷分布。这些计算允许估计在电子螺环中可能储存 的电荷与能量。

未中和的等离子体与电子螺环(EST)的条件不同。在EST 中每个电子能够储存的能量大约是100伏，优先选择每个电子能够 储存的能量在数百伏到至少25,000伏的范围内。在大约25,000伏 以上，在一个狭窄的能带中产生来自非放射性源的x-射线。能带宽 度取决于轨道中粒子的速度差。

对于在0.1m3中存储10,000库仑电荷的EST，单位体积的粒子 数是6×1023m-3，这个数值比未中和的等离子体实例要大得多。在 EST中等离子体频率可能超过在任何感性趣的磁场(小于10千高 斯)中的回旋频率。在EST中能量密度与常规的未中和等离子体相 比至少超过后者一个数量级，优先选择超过多个数量级。确实，对 于EST而言，理想的在单位体积中尽最大可能存储能量。

对于传统的等离子体，比值[ωp/Ω0]2被限制小于1。这在R． Davidson的“Physics of Non-neutral plasma”已有说明。这意味着 带电粒子的总数受施加的外磁场的限制。在EST中，这个比值被颠 倒过来。该比值[ωp/Ω0]2可以比1大得多，已经计算出来的这个比 值可以高达500。这意味着在EST中储存的总电荷是巨大的。 电子螺环的电子点阵壳

电子螺环有一个薄薄的电子外壳。这发生在形成EST期间，由 于电子在施加的磁场中旋转造成的。当电子旋转时，能量几乎一致 的电子几乎都移到半径几乎一致的轨道上。因此，形成轨道级，每 个轨道级具有能量几乎一致的电子。能量较高的电子迁移到较高的 轨道级。

当电子继续旋转时，由于电子寻找它们各自的轨道级，而发生 迁移。这可以看作是离心过滤。最终在一个轨道级中的电子的能量 变得接近起来。

当毗邻的电子之间能量足够接近而且电子密度足够高时，电子 耦合成点阵。形成许多点阵，每个能级一个点阵。这些点阵的总体 形成EST的外壳。由于点阵的轨道差异非常小，所以外壳的厚度不 大。

电子点阵的条件是已知的，并且被定义为耦合因子Γ。点阵的 耦合因子是：

Γ＝(1/KBT)(q2/4πε0)[4πnb/3]1/3

其中T是电子之间的能量差；nb是电子密度。因为迄今在电子 点阵方面所作的大量工作都是在绝对零度附近完成的，所以，值得 注意的是T与能量差有关，而与绝对能量无关。

为了形成电子点阵，需要满足两个条件。第一个条件是每个轨 道级中的电子要满足电子之间能量差小的条件。第二个条件是电子 密度要足够大，大到足以建立电子点阵。

因为旋转力与磁场平衡，所以，独特的引发束盘旋的方法使电 子分成同心的轨道级。在毗邻电子之间能量充分接近的场合，存在 着一种电子结构。毗邻电子之间的能量差可以作如下估计：

由环形引发磁场引起的盘旋效应使所有的电子寻找单一能量的 轨道。旋转力(F＝mV2/r)将电子按照它们的能级分开，能量较 高的电子留在较高的轨道级中，而能量较低的电子则在较低的轨道 级中。在引发期间，电子开始成批地形成薄薄的空心环壳。电子盘 旋越长，“离心过滤”越甚，毗邻电子之间的能级就越接近。

能量条件是毗邻电子的能级差小于热能(thermal energy)。对 于EST中的电子，估计这个条件在300K。在这个能级，壳间的距 离是：

mV2(D)/r＝4.73*1021焦耳

其中：r是轨道半径，以及

D是同心的单一能量轨道之间的距离。

当时r＝0.01m，V＝4.6*107(24,000伏)时，D＝2.26*10-8m。 为了将这个结果与Gilbert报告的耦合进行比较，为了将电子质量校 正成离子质量需要有关校正因子(参见Gibert，S.L，Bollinger，J.J. 和Wineland，D.J.的“Shell-Structure Phase of Magnetically Confined  Strongly Coupled Plasma”，Physical Review Letters，Vol.60， No.20，(16，May，1988))。用电子的质量除D，然后再乘以离子质 量，得到：

D＝(2.26*108-8)(1.67*10-27)/(9.11*1031)＝41.4*10-6m．

Gilbert报告说离子壳是等间隔的，间隔为40μm，即40*10-6m。 这与EST的要求非常接近，并且证明了EST能使相邻电子的能量 接近程度足以形成电子点阵。

由于电子层的厚度小，层中的电子密度非常高。利用电子在EST 外壳中正弦运动理论，能够计算该密度。计算结果如下：

De＝电子距离＝(0.5)h/meV＝Broglie波长的一半＝8.88*10-11m (电子能 量为100V)

D0＝30De

Ae＝每个电子的面积＝2.29*10-19m2

Ts＝电子壳的厚度＝10*10-10m

Ve＝每个电子的体积＝Ae×Ts＝2.29*10-29m3

nb＝电子壳的密度＝4.4*1028个电子/m3＝4.4*1022个电子/cm3

注意：De、D0和Ts是依据轨道级中的电子作正弦运动的理论 估算的。

耦合进电子点阵所需要的耦合因子(Γ)大约是200。利用上 述的电子密度和能量差计算为：

当T＝300，  nb＝4.4*1028个电子/m3时，Γ＝317

这样高的耦合因子表明点阵能够在EST表面形成。这个结果证 实强耦合发生在EST的每个轨道级当中。

实际应用

电子螺环适合在各式各样的储存和回收的应用中使用。依据本 发明的系统能够用于一切需要轻型能源或高功率能源的场合。这种 系统的体积大约是63升，质量大约是1.4千克(包括壳体)。下表 对优选的EST系统与铅酸蓄电池和锂电池的技术性能作了比较。

                    铅酸蓄电池   锂电池    EST 比能量(瓦特-小时/千克)  25            200      28,000 峰值功率(瓦特/千克)     150           400      ＞100,000 再充电时间(小时)        6-8           3-6      ＜0.1 寿命(年)                3-5           10       ＞10 能量密度(瓦特-小时/升)  80            300      1274 寒冷气候(性能)下降      高达90％      高达90％ 无 环境(污染)              危险          危险     无

具体地说，依据本发明的系统非常适合在电力运输工具、加热 系统和军用系统中使用。可以使用EST系统的运输工具的类型包括 小汽车、卡车、大客车、火车、飞机(包括直升飞机)和航天器。 这种系统重量轻使它作为个人便携式动力源也是有吸引力的。

在本发明优先选择的实施方案中，电力运输工具采用EST电池 作为储能源。EST电池与化学电池相比具有巨大的潜在性能优势。 EST电力运输工具与内燃机相比具有巨大的性能优势。

图27是依据本发明的EST电力运输车辆400的示意图。EST 电池内藏在盘形真空舱405中。储存的总能量最少大约是40千瓦 小时，但是可以依据应用做得更大或更小。

当操作员旋转通断开关410时，控制系统415激活电力提取单 元420。在一个实施方案中，电力提取单元420可以使用灼热气体 提取能量。在灼热气体型中，气体被送入EST电池，在那里气体被 加热。然后，将受热气体通过能量管425送到发电器430。发电器 430将灼热的气体转变成适合给电机435供电的电力。电机435驱 动行星齿轮440，为车轮提供动力。该气体可以是空气、氮气或任 何类似的气体。

为了中断EST供电，操作员通过通断开关410使EST电池失 去活性，使电力提取单元420失去能力。发电器430还能给小型蓄 电池450供电，以使操作员在EST失去活性时可以运行各种附件。 提供真空泵和传感器单元455，以便在需要时维持EST电池的真空 度。

在第二个实施方案中，电子电力提取单元成批的从EST本身提 取电子，就象前面叙述的那样。然后，发电器430可以利用这一批 批的电子产生电力。

利用充电器460给EST充电，可以补充电力。充电器460从外 部电源连接器465获得电力。在运输工具停驶时，操作员通常将外 部电源连接器465与电源插座相连接。如上所述，充电器460可以 是适合给EST充电的微波设备。

图28依据本发明的电力飞机500的示意图。与图27的电力运 输工具400一样，EST电池内藏在盘形真空舱505内。当飞行员旋 转通断开关510时，控制系统515激活电力提取单元520。如上所 述，电力提取单元520可以利用灼热气体提取能量或者成批地提取 电子。

在灼热气体型中，气体(如空气或氮气)被送入EST电池，在 那里给气体加热。然后，将受热气体通过能量管525送到发电器 530。发电器530将灼热的气体转变成适合给电机535和飞行控制 系统570供电的电力。电机535驱动螺旋桨轴540，为螺旋桨545 提供动力。

发电器530还可以给小型蓄电池550供电，以使飞行员在EST 失去活性时运行各种附件。提供真空泵和传感器单元555，以便在 需要时维持EST电池的真空度。

利用充电器560给EST充电，可以补充电力。充电器560从与 电源插座相连接的外部电源连接器565获得电力。如上所述，充电 器560可以是适合给EST充电的微波设备。

图29是依据本发明的便携式电源的示意图。上述的可充电的 EST电池内藏在电源箱600内。因为EST电池重量轻而且紧凑，瘦 弱的人也能携带电源箱600。电源箱600可以与外部的电子设备610 连接，这些电子设备包括通信设备和计算机。

前面具体地介绍了本发明优选的实施方案，这些方案可以变化 和改进，而且基本上不改变本发明的性质。在结合具体的实施方案 阐述了本发明之后，应当理解的是，本领域的技术人员可以在不脱 离本发明的精髓和范围，作各种形式上和细节上的变化，本发明的 精髓和范围由权利要求书限定。

本发明的相关技术

本专利申请是美国专利申请(申请号U.S.08/455,221(1995 年5月31日提交)和U.S.08/455,071(1995年5月31日提交)) 的部分继续申请，而那两份专利申请又是美国专利申请(申请号U.S. 07/996,752(1992年10月24日提交))的部分继续申请；这些文 献的全部内容通过在此引述并入本发明。