us20130057151 - systems and methods to generate self-confined high density air plasma

7/30/2019 Us20130057151 - Systems and Methods to Generate Self-confined High Density Air Plasma

1/14

US 20130057151A1( 1 9 ) United S t a t e s( 1 2 ) Patent Application Publication ( 1 0 ) P u b . N o . : US 2 0 1 3 / 0 0 5 7 1 5 1 A 1

C u r r y ( 4 3 ) P u b . D a t e : Mar. , 2013( 5 4 ) SYSTEMSAND METHODS TOGENERATE A P u b l i c a t i o n C l a s s i ? c a t i o n

SELF-CONFINED HIGH DENSITYAIRPLASMA ( 5 1 ) I n t . C l .

H05H / 2 4 ( 2 0 0 6 . 0 1 )( 7 5 ) I n v e n t o r : Randy . C u r r y , C o l u m b i a , MO U S ) H0 5H / 5 2 ( 2 0 0 6 . 0 1 )(52) US. Cl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 5/1 1 1 . 2 1( 7 3 ) A s s i g n e e : THE CURATORS OF THE

UNIVERSITY OF ISSOURI,C o l u m b i a , MO U S ) ( 5 7 ) ABSTRACT( 2 1 ) A P P 1 ~ NOJ 1 3 / 4 9 1 , 3 0 7 T h i s d i s c l o s u r e r e l a t e s t o m e t h o d s an d d e v i c e s f o r g e n e r a t i n g

_ e l e c t r o n dense a i r plasmas a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s . I n p a r( 2 2 ) F l l e d : J u n 7 2012 t i c u l a r , t h i s d i s c l o s u r e r e l a t e t o s e l f - c o n t a i n e d t o r o i d a l a i r

R e l a t e d U s A p p l i c a t i o n D a t a p l a s m a s . M e t h o d s a p p a r a t u s e s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o rg e n e r a t i n g a t m o s p h e r i c t o r o i d a l a i r p l a s m a s . The i r p l a s m a s( 6 0 ) P r o v i s i o n a l a p p l i c a t i o n N o . 6 1 / 4 9 8 , 2 8 1 , ? l e d on J u n . a r e s e l f - c o n ? n i n g , c a n b e p r o j e c t e d , a n d d o n o t r e q u i r e a d d i

1 7 , 2 0 1 1 . t i o n a l s u p p o r t e q u i p m e n t o n c e f o r m e d .

/ 0 0

1 3 2


2/14

P a t e n t A p p l i c a t i o n P u b l i c a t i o n Mar. , 2013 S h e e t 1 0 f 6 US 2 0 1 3 / 0 0 5 7 1 5 1 A 1

1 0 4

1 0 6/_PRIMARY CIRCUIT

SECONDARY CIRCUIT

1 3 2

1 3 0

1 0 2

F I G . 1


3/14


1 0 2

. . . ... h.....\ m. . . . . . . . . . . . \ .

..

....a2 m m . & & . . . . . . . .


4/14

Mar. , 2013 S h e e t 3 0 f 6 US 013/0057151 A 1

1 1 4 1 0 22 2

P a t e n t A p p l i c a t io n P u b l i c a t i o n

F I G . 3


5/14


a nM

4

F I G . 4


6/14


GAS FLOW / - 1 3 0

F I G . 5

F I G . 6A F I G . 6 B


7/14


/0 0

APPLY A F I R S T H I G H 7 0 2VOLTAGE PULSE ACROSS AWIRE TO EXPLODE THE

WIRE

RESTRICT THE R A D I A L 7 0 4EXPANSION OF THE I R

PLASMA

APPLY A SECOND H I G H 7 0 6CURRENT PULSE TO HEAT /AND FORM THE TOROIDAL

A I R PLASMA

DISCHAR GE THE S E L F - 7 0 8SUSTAINE D TOROIDAL I R

PLASMA

F I G . 7


8/14

US 013/0057151Al

SYSTEMSAND METHODS TO GENERATEASELF-CONFINED HIGHDENSITYAIR

PLASMA

CROSS REFERENCE TO RELATEDAPPLICATIONS[ 0 0 0 1 ] T h i s a p p l i c a t i o n c l a i m s p r i o r i t y t o US. r o v i s i o n a lA p p l i c a t i o n N o . 6 1 / 4 9 8 , 2 8 1 , e n t i t l e d S y s t e m s a n d M e t h o d st o G e n e r a t e a High D e n s i t y A i r P l a s m a , ? l e d on J u n . 1 7 ,2 0 1 1 , W h i c h i s i n c o r p o r a t e d b y r e f e r e n c e i n i t s e n t i r e t y .

FEDERALLY SPONSOREDRESEARCHORDEVELOPMENT

[ 0 0 0 2 ] T h i s i n v e n t i o n Was made W i t h g o v e r n m e n t s u p p o r tu n d e r g r a n t number N 0 0 0l 4 - 0 8 - l - 0 2 6 6 b y O ? i c e o f N a v a lR e s e a r c h ( A g e n c y ) . T h e g o v e r n m e n t h a s c e r t a i n r i g h t s i n t h ei n v e n t i o n .

FIELD OF THE INVENTION[ 0 0 0 3 ] Th e r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s t o a method and appar a t u s f o r g e n e r a t i n g s e l f - s u s t a i n i n g a i r p l a s m a s a t a t m os p h e r i c p r e s s u r e s .

BACKGROUND OF THE INVENTION[ 0 0 0 4 ] An i r p l a s m a i s a n e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e s t a t e o fm a t t e r composed o f o n s , e l e c t r o n s , r a d i c a l s , a n d o t h e r n e ut r a l s p e c i e s formed t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e t h a t e x i s t i n ani n d e p e n d e n t s t a t e . A i r p l a s m a s m ay b e u s e d i n a v a r i e t y o fappl i c ati o n s , s u c h as n o n l e t h a l W e a p o n s , f u s i o n , p l a s m a p r oc e s s i n g , p r o p u l s i o n , d i s i n f e c t i o n a p p l i c a t i o n s , a n d s h o c kWave i t i g a t i o n .[ 0 0 0 5 ] H o W e v e r , c u r r e n t p l a s m a s o u r c e s h a v e b e e n u n a b l eto g e n e r a t e an i r plasma i t h an l e c t r o n d e n s i t y s u ? i c i e n t top r o t e c t a g a i n s t t h e c o n s e q u e n c e s o f t h e o v e r p r e s s u r e c a u s e dby a shockWave t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e . F u r t h e r m o r e , c u rr e n t plasma s o u r c e s have been u n a b l e t o g e n e r a t e s e l f - c o nt a i n i n g o r s e l f - c o n ? n i n g a i r p l a s m a s t h a t h a v e l e n g t h y l i f et i m e s W i t h o u t t h e u s e o f e x p e n s i v e a n d u n W i e l d y s u p p o r te q u i p m e n t o r l a r g e m a g n e t s . T h e r e f o r e , t h e r e r e m a i n s a n e e df o r a e r s a t i l e , s c a l a b l e , a n d r e p e a t a b l e method n d a p p a r a t u st o g e n e r a t e a i r p l a s m a s .

SUMMARY OF THE INVENTION[ 0 0 0 6 ] Th e p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s to a method and ana p p a r a t u s f o r g e n e r a t i n g s e l f - c o n ? n e d a n d s e l f - s t a b i l i Z e d a i rp l a s m a s a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s . I n p a r t i c u l a r , t h e methoda n d a p p a r a t u s g e n e r a t e t o r o i d a l a i r p l a s m a s ( T A P s ) a t a t m os p h e r i c p r e s s u r e h a v i n g a n e l e c t r o n d e n s i t y s u ? i c i e n t f o r anumber o f appl i c ati o n s . The method a n d a p p a r a t u s m ay b ec o n ? g u r e d t o g e n e r a t e TAPs t a h i g h r e p e t i t i o n r a t e .[ 0 0 0 7 ] The method n c l u d e s g e n e r a t i n g a s e l f - c o n t a i n e d a i rp l a s m a a t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e . The i r p l a s m a i s g e n e ra t e d i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o n a n d r e s t r i c t e d i n r a d i a l e x p a ns i o n . T h e m e t h o d a l s o i n c l u d e s a p p l y i n g a h i g h v o l t a g e p u l s et o t h e a i r p l a s m a i n a s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n t o h e a t a n da c c e l e r a t e t h e a i r p l a s m a aWay f r o m t h e s e c o n d i g n i t i o nr e g i o n . H e a t i n g t h e i r p l a s m a c a u s e s t h e a i r p l a s m a o e x p a n dand become s e l f - c o n t a i n e d .[ 0 0 0 8 ] Th e a p p a r a t u s f o r g e n e r a t i n g a s e l f - c o n t a i n e d a i rplasma t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e i n c l u d e s a p r i m a r y i g n i t i o nr e g i o n t h a t i n c l u d e s a ? r s t s h i e l d i n g m a t e r i a l d e ? n i n g a ? r s tc a v i t y , t h a t m ay b e e l o n g a t e d o r a n o t h e r c o n ? g u r a t i o n , to

M a r . 7 , 2 0 1 3

c o n t a i n a plasma s o u r c e . Th e p p a r a t u s a l s o i n c l u d e s an g n it i o n d e v i c e t o g e n e r a t e t h e a i r p l a s m a f r o m t h e p l a s m a s o u r c ea n d a s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n t h a t i n c l u d e s a s e c o n d s h i e l di n g m a t e r i a l d e ? n i n g a s e c o n d r e g i o n , t h a t may e e l o n g a t e do r a n o t h e r c o n ? g u r a t i o n , W h e r e i n t h e s e c o n d c a v i t y i s i n ? u i dc o m m u n i c a t i o n W i t h t h e ?rst c a v i t y t o r e c e i v e t h e a i r p l a s m a .I n o n e e m b o d i m e n t , t h e s e c o n d r e g i o n i s d e ? n e d , a t l e a s t i np a r t , by a W i r e mes h t h a t a l l o W s a c u r r e n t t o be d i s c h a r g e dt h r o u g h t h e a i r t h e r e i n a n d f o r m a p l a s m a d i s c h a r g e .[ 0 0 0 9 ] The a p p a r a t u s i n c l u d e s a h i g h v o l t a g e c i r c u i t t h a ti n c l u d e s a t l e a s t one c a p a c i t o r and s i n communication i t ha v o l t a g e s o u r c e i n o r d e r t o a p p l y a h i g h v o l t a g e p u l s e to t h ea i r p l a s m a . T h e h i g h v o l t a g e p u l s e h e a t s a n d a c c e l e r a t e s t h ea i r p l a s m a aWay from h e a p p a r a t u s t o form h e s e l f - c o n t a i n e da i r p l a s m a a t t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e . I n v a r i o u s o t h e rembodiments, t h e plasma s o u r c e i s a t l e a s t one m e m b e r ofg r o u p c o n s i s t i n g o f a n e x p l o d i n g W i r e , a n e x p l o s i v e , a p u f f e dg a s p l a s m a , a h o l l o W c a t h o d e p l a s m a , a h y p e r v e l o c i t y p l a s m as o u r c e , a r a i l g u n , a microWave-driven plasma o u r c e , o r o t h e rcompact plasma s o u r c e t h a t can be d i r e c t e d i n t o t h e secondr e g i o n . Th e plasma s o u r c e m ay l s o be p r o v i d e d by a one o rmore l a s e r - i n d u c e d plasma c h a n n e l s .[ 0 0 1 0 ] I n a n o t h e r embodiment, a method o r g e n e r a t i n g as e l f - c o n t a i n e d a i r plasma t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e i n c l u d e sa p p l y i n g a ? r s t h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s a W i r e o e x p l o d e t h eW i r e a n d g e n e r a t e t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o nl o c a t e d betWeen an anode an d a c a t h o d e . Th e method a l s oi n c l u d e s r e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f t h e a i r p l a s m a, s u c ht h a t t h e a i r p l a s m a r a v e l s p a r a l l e l t o a l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h eW i r e t o a second i g n i t i o n r e g i o n betWeen h e c a t h o d e and ana c c e l e r a t o r e l e c t r o d e . A e c o n d h i g h v o l t a g e p u l s e i s a p p l i e da c r o s s t h e c a t h o d e an d h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e t o h e a t t h e ai rp l a s m a , W h e r e i n h e a t i n g t h e a i r p l a s m a c a u s e s t h e a i r p l a s m at o e x p a n d , a c c e l e r a t e , and form a t o r o i d a l s t r u c t u r e . Th emethod l s o i n c l u d e s d i s c h a r g i n g t h e se l f - c o n t a i n e d t o r o i d a la i r p l a s m a f r o m t h e s e c o n d g n i t i o n r e g i o n t t h e a t m o s p h e r i cp r e s s u r e .[ 0 0 1 1 ] T h e m e t h o d u r t h e r i n c l u d e s p r o v i d i n g i g i d e l e c t r ic a l l y i n s u l a t i n g m a t e r i a l s b e t W e e n t h e a n o d e a n d t h e c a t h o d e ,a s W e l l a s betWeen h e cathode an d h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e .The n s u l a t i n g m a t e r i a l s d e ? n e c a v i t i e s , Which m ay e e l o ng a t e d . The e l o n g a t e d c a v i t y b e t W e e n t h e a n o d e a n d t h e c a t ho d e r e c e i v e s t h e W i r e a n d e s t r i c t s t h e r a d i a l e x p a n s i o n o f t h ea i r p l a s m a . The a v i t y b e t W e e n t h e c a t h o d e a n d t h e a c c e l e r at o r e l e c t r o d e a l l o W s t h e a i r p l a s m a t o e x p a n d . Both c a v i t i e sm ay a v e g e n e r a l l y c y l i n d r i c a l o r s p i r a l c o n ? g u r a t i o n s . T h ec a v i t i e s m ay h a v e e q u a l o r d i f f e r e n t d i a m e t e r s and m ay becon?gured o i n c r e a s e o r d e c r e a s e t h e d i a m e t e r of h e t o r o i d a lp l a s m a . I n a d d i t i o n , t h e c a v i t i e s may b e c o n ? g u r e d t oi n c r e a s e o r d e c r e a s e t h e v e l o c i t y o f t h e t o r o i d a l p l a s m a .[ 0 0 1 2 ] I n a n o t h e r embodiment, a method o r g e n e r a t i n g as e l f - c o n t a i n e d a i r plasma t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e i n c l u d e sg e n e r a t i n g t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o n , d i r e c t i n g av e l o c i t y o f e x p a n s i o n o f t h e a i r p l a s m a o u t o f t h e ? r s t r e g i o n ,a n d i m p a r t i n g e n e r g y o t h e a i r p l a s m a i n a s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n , W h e r e i n t h e i m p a r t e d e n e r g y c a u s e s t h e a i r p l a s m a t oe x p a n d , accelerate o u t o f t h e s e c o n d i g n i t i o n r e g i o n , a n dbecome s e l f - c o n t a i n e d . A l t e r n a t e l y , t h e method m ay n c l u d er e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f h e a i r p l a s m a .[ 0 0 1 3 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e W i r e h a s a gauge n t h er a n g e betWeen 00AWG nd 80 AWG. n o t h e r embodiments,t h e ?rst h i g h v o l t a g e p u l s e i s b e t w e e n 1 0 k V a n d 5 0 k V a n dh a s a d u r a t i o n betWeen 0 . 1 p s an d 200 ms, While t h e second


9/14

US 013/0057151A1

h i g h v o l t a g e p u l s e i s between 100V and 300V r up o manythousands of o l t s an d has a d u r a t i o n betWeen n s and 1000ms.[ 0 0 1 4 ] I n a n o t h e r e m b o d i m e n t , a n a p p a r a t u s f o r g e n e r a t i n ga s e l f - c o n t a i n e d ai r plasma at an a t m o s p h e r i c p r e s s u r ei n c l u d e s a ? r s t s h i e l d i n g m a t e r ia l p o s i t i o n e d betWeen ana n o d e and a s e m i - p e r m e a b l e c a t h o d e i n a p r i m a r y i g n i t i o nr e g i o n . The ?rst s h i e l d i n g m a t e r i al h a s a ?rst l o n g i t u d i n a lc a v i t y t o c o n t a i n a c o n d u c t i v e W i r e e x t e n d e d betWeen and ncommunication i t h t h e anode and h e c a t h o d e . Th e a p p a r at u s a l s o i n c l u d e s a p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t W i t h a t l e a s ton e v o l t a g e s o u r c e and t l e a s t one c a p a c i t o r . Th e p r i m a r yh i g h v o l t a g e c i r c u i t i s i n c o m m u n i c a t i o n W i t h t h e a n o d e a n dt h e c a t h o d e t o a p p l y a ? r s t h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s t h e W i r ec a u s i n g i t t o e x p l o d e a n d g e n e r a t e t h e a i r p l a s m a . The r s tl o n g i t u d i n a l c a v i t y r e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f t h e a i rp l a s m a .[ 0 0 1 5 ] The a p p a r a t u s a l s o i n c l u d e s a s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n d e ? n e d b y a s e c o n d s h i e l d i n g m a t e r i al p o s i t i o n e dbetWeen t h e c a t h o d e and a s e m i - p e r m e a b l e e l e c t r o d e . Th es e c o n d s h i e l d i n g m a t e r i a l h a s a s e c o n d l o n g i t u d i n a l c a v i t ye x t e n d i n g b e t W e e n t h e c a t h o d e a n d t h e e l e c t r o d e W h e r e i n t h es e c o n d l o n g i t u d i n a l c a v i t y i s i n ? u i d c o m m u n i c a t i o n W i t h t h e? r s t l o n g i t u d i n a l c a v i t y t o r e c e i v e t h e a i r p l a s m a . The a p p ar a t u s a l s o i n c l u d e s a s e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t W i t h a tl e a s t o n e o t h e r c a p a c i t o r t h a t i s i n communication h e v o l t a g es o u r c e . The s e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t f u r t h e r communic a t e s W i t h t h e c a t h o d e and t h e e l e c t r o d e t o a p p l y a secondh i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s t h e g a p b e t W e e n t h e c a t h o d e a n d t h ee l e c t r o d e , W h e r e i n h e s e c o n d h i g h v o l t a g e p u l s e f u r t h e r h e a t sand a c c e l e r a t e s t h e ai r plasma a s i t t r a v e r s e s t h e e l e c t r o d e t of o r m t h e s e l f - c o n t a i n ed a i r p l a s m a a t t h e a t m o s p h e r i c p r e ssure.[ 0 0 1 6 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e s e l f - c o n t a i n e d a i rp l a s m a m ay e f o r m e d by a l aser i n d u c e d p l a s m a a n d s u b s eq u e n t l y h e a t e d by a s e r , a microWave u l s e , o r any means o ri m p a r t i n g e n e r g y . The p l a s m a f o r m e d i n a i r i s s e l f - c o n ? n e dby l e c t r o s t a t i c o r e l e c t r o m a g n e t i c ? e l d s and n t e r a c t i o n s . A ss u c h , t h e a i r p l a s m a i n h e r e n t l y h a s a l o n g l i f e t i m e . The e l fcon?ned ai r plasma m ay have a l i f e t i m e on t h e o r d e r ofm i l l i s e c o n d s t o m u l t i p l e seconds o r even i n u t e s .[ 0 0 1 7 ] T h e d e n s i t y o f h e p l a s m a may e i n c r e a s e d b y u s i n ga p r e s s u r i z a t i o n s y s t e m t h a t m ay n c r e a s e t h e p r e s s u r e i n t h ea p p a r a t u s to a range betWeen A T M - 2 0 0 0 ATM r h i g h e r . I na d d i t i o n , t h e a i r W i t h i n a n d / o r a r o u n d t h e a p p a r a t u s m ay emodi?ed t o o p t i m i Z e t h e s i Z e a n d e l e c t r o n d e n s i t y o f t h eg e n e r a t e d a i r p l a s m a s . F o r e x a m p l e , t h e a i r W i t h i n a n d / o raround h e apparatus may nclude on e r m o r e gas mixtures org a s e s seeded With n a n o p a r t i c l e s o r v a r i o u s chemical comp o u n d s .[ 0 0 1 8 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e s e l f - c o n t a i n e d i r p l a sm as have an l e c t r o n d e n s i t y of t l e a s t 1 0 1 O / c m 3 and m ay bea s h i g h a s 1 0 l 9 / c m 3 . I n a d d i t i o n , t h e g e o m e t r y o f t h e a p p a r at u s l e a d s t h e a i r plasma t o form a t o r o i d a l s t r u c t u r e .

DESCRIPTIONOF FIGURES[ 0 0 1 9 ] F I G . 1 d e p i c t s an embodiment of a t o r o i d a l a i rp l a s m a g e n e r a t o r .[ 0 0 2 0 ] F I G . 2 i s a photograph f one embodiment f t h e a i rp l a s m a g e n e r a t i o n a p p a r a t u s .[ 0 0 2 1 ] F I G . 3 i s a s i d e - v i e W photograph of one embodim e n t o f t h e a i r p l a s m a g e n e r a t i o n a p p a r a t u s .[ 0 0 2 2 ] F I G . 4 . i s a s c h e m a t i c l a y o u t o f a p r i m a r y h i g hv o l t a g e c i r c u i t a c c o r d i n g t o one e m b o d i m e n t .

M a r . 7 , 2 0 1 3

[ 0 0 2 3 ] F I G . 5 i s a h i g h - s p e e d image f a t o r o i d a l a i r p l a s m aa c c o r d i n g t o one embodim ent.[ 0 0 2 4 ] FIGS. 6A nd 6 B r e p h o t o g r a p h s p r o v i d i n g a c r o s ss e c t i o n a l vieW o f t h e f o r m a t i o n o f a t o r o i d a l a i r plasmaa c c o r d i n g t o one embodim ent.[ 0 0 2 5 ] FIG. 7 s a ?owchart d e p i c t i n g a method o form at o r o i d a l a i r p l a s m a a c c o r d i n g t o one e m b o d i m e n t .

DETAILEDDESCRIPTIONOF THE INVENTION[ 0 0 2 6 ] The p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s t o t h e g e n e r a t i o n o fh i g h - d e n s i t y a i r p l a s m a s a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e t h a t a r es u s t a i n a b l e f o r a s u f ? c i e n t d u r a t i o n an d have an e l e c t r o nd e n s i t y s u f ? c i e n t t o b e u s e d i n a v a r i e t y o f appl i c ati o n s . A sused e r e i n , an ir plasma t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e r e f e r s t o ana i r p l a s m a h a v i n g p r e s s u r e s s u b s t a n t i a l l y e q u a l t o t h e su rr o u n d i n g a t m o s p h e r e . I n a d d i t i o n , a i r p l a s m a s a t a t m o s p h e r i cp r e s s u r e d o n o t r e q u i r e s p e c i a l i Z e d h i g h - p r e s s u r e o r l o Wp r e s s u r e v e s s e l s . I n o n e a s p e c t , t h e g e o m e t r y o f h e a i r p l a s m ag e n e r a t i n g a p p a r a t u s g i v e s r i s e t o t h e s h a p e a n d t h e s e l fc o n t a i n i n g n a t u r e o f t h e a i r p l a s m a . Once f o r m e d , t h e a i rp l a s m a s ar e s e l f - c o n t a i n i n g a n d d o n o t r e q u i r e a d d i t i o n als u p p o r t e q u i p m e n t . F o r e x a m p l e , t h e a i r p l a s m a g e n e r a t o rm ay e c o n ? g u r e d o g e n e r a t e a t o r o i d a l a i r p l a s m a ( T A P ) . ATA P s a n a i r p l a s m a h a v i n g a s u b s t a n t i a l l y t o r o i d a l s h a p e .[ 0 0 2 7 ] F o r e x a m p l e , t h e g e n e r a t e d a i r p l a s m a s may e u s e df o r shock Wave i t i g a t i o n , used s f u s i o n s o u r c es f o r T r i t i u mTritium o r Deuterium-Tritium r e a c t i o n s o r an y o t h e ra d v a n c e d f u s i o n c y c l e , o r p l a s m a c a p a c i t o r s . I n a d d i t i o n , t h eg e n e r a t e d a i r p l a s m a s may e u s e d i n n o n l e t h a l a p p l i c a t i o n s ,i n c l u d i n g b u t n o t l i m i t e d t o e l e c t r o s h o c k Weapons, such a s aT a s e r . Th e a i r p l a s m a s m ay a l s o be used f o r a number o fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g b u t n o t l i m i t e d t o : p l a s m as u r f a c e m o d i ? c a t i o n i n c l u d i n g s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n g ,p o l y m e r m o d i ? c a t i o n , d i r e c t e d e n e r g y a p p l i c a t i o n s , m i c r oWave e n e r a t i o n , e n e r g y s t o r a g e and e n e r a t i o n , UV e n e r at i o n f o r s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n g , p l a s m a c h a f f , s u r f a c ed i s i n f e c t i o n , and icroWave h a n n e l i n g a t a d i s t a n c e . Th e i rplasmas m ay l s o be used as an i g n i t i o n s o u r c e f o r t u r b i n e s ,c o m b u s t i o n e n g i n e s , a n d r o c k e t e n g i n e s . T h e g e n e r a t e d l a smas m ay l s o b e u s e d i n o t h e r a p p l i c a t i o n s , f o r e x a m p l e , t h eg e n e r a t e d a i r p l a s m a s m ay e p r e c u r s o r s t o b a l l l i g h t n i n g .[ 0 0 2 8 ] The i r P l a s m a G e n e r a t o r A p p a r a t u s[ 0 0 2 9 ] A n embodiment o f a n a i r p l a s m a g e n e r a t i o n a p p ar a t u s 1 0 0 t h a t g e n e r a t e s a t o r o i d a l a i r p l a s m a (TAP) s shoWni n FIGS. 1 - 3 . Th e a p p a r a t u s 100 i n c l u d e s an TAP e n e r a t o r1 0 2 t h a t i s i n e l e c t r i c a l communication i t h a p r i m a r y h i g hv o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 a n d a s e c o n d a r y c i r c u i t 1 0 6 .[ 0 0 3 0 ] The TA P g e n e r a t o r 1 0 2 i s c a p a b l e o f g e n e r a t i n g aTA P d i s c h a r g e , g e n e r a l l y i n d i c a t e d a s 1 3 0 , t h a t h a s a ? n i t ed u r a t i o n . A c c o r d i n g t o one e m b o d i m e n t , t h e TA P g e n e r a t o r102 u s e s an e x p l o d i n g W i r e 108 t o form t h e TAP i s c h a r g e1 3 0 .[ 0 0 3 1 ] As h o W n , t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 m ay e f o r m e d o fa s i n g l e s t r a n d o f W i r e p o s i t i o n e d W i t h i n t h e TA P g e n e r a t o r1 0 2 . A l t e m a t e l y , t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 m ay c o n s i s t o f as i n g l e s t a n d o f W i r e t h a t i s Woven o r l o o p e d back and o r t hW i t h i n t h e TA P e n e r a t o r 1 0 2 , s u c h t h a t m u l t i p l e l e n g t h s o ft h e W i r e may b e e x p l o d e d s i m u l t a n e o u s l y . I n v a r i o u s o t h e re m b o d i m e n t s , t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 may o n s i s t o f u l t i p l es t a n d s o f d i s t i n c t o r l o o p e d W i r e s .[ 0 0 3 2 ] By Wa y f e x a m p l e a n d n o t i m i t a t i o n , t h e e x p l o d i n gW i r e 1 0 6 m ay e a 4 0 - g a u g e c o p p e r W i r e ; h o W e v e r , a n y s u i ta b l e W i r e t h a t h e a t s and a p o r i Z e s i n a i r m ay e u s e d . I n o t h e re x a m p l e s , t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 m ay e a n y g a u g e o f W i r e


10/14

US 013/0057151A1

r a n g i n g f r o m 0 0 AWG o 8 0 A W G . n a d d i t i o n , t h e e x p l o d i n gW i r e 108 m ay be a s o l i d W i r e , a p l a t e d W i r e , a W i r e t h a t i sdoped i t h o t h e r m a t e r i a l s , o r a W i r e - c l a d i n a n o t h e r m a t e r i a l .Th e e x p l o d i n g W i r e 108 s s u s p e n d e d betWeen a n a n o d e 1 1 0a n d a c a t h o d e 1 1 2 . To i g n i t e t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 , a h i g hv o l t a g e c u r r e n t i s a p p l i e d a c r o s s t h e anode 110 and c a t h o d e1 1 2 a n d t h r o u g h t h e W i r e 1 0 8 . I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h eh i g h v o l t a g e c u r r e n t s u p e r h e a t s a t l e a s t a p o r t i o n o f t h ee x p l o d i n g W i r e 1 0 8 , t h e r e b y c a u s i n g t t o e x p a n d x p l o s i v e l y .[ 0 0 3 3 ] Th e anode 1 1 0 and h e c a t h o d e 112 de?ne p r i m a r yi g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 i n W h i c h t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 i si g n i t e d . The r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 a l s o i n c l u d e s a nonc o n d u c t i v e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e ri a l 1 1 6 t h a t ? l l s a p o r t i o no f t h e s p a c e betWeen h e anode 110 and h e c a t h o d e 1 1 2 . Th ep r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 h a s a t h i c k n e s s e q u a l t o t h es p a c i n g betWeen t h e anode 110 and t h e c a t h o d e 1 1 2 . I n onee x a m p l e , t h e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 m ay h a v e at h i c k n e s s betWeen 5 cm nd 20 cm ; h o W e v e r , o t h e r t h i c k n e s sand s p a c i n g d i s t a n c e s m ay e u s e d . I n o n e embodiment, t h ep r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 d e ? n e s a n p r i m a r y e l o n g a t e dc a v i t y 1 1 8 t h a t r e c e i v e s t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 . The i a m e t e ro f t h e e l o n g a t e d c a v i t y i s l a r g e r t h a n t h e d i a m e t e r o f t h ee x p l o d i n g W i r e , s u c h t h a t t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 d o e s n o tc o n t a c t t h e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 , t h e r e b y a l l o W i n gt h e e x p l o d i n g W i r e 1 1 4 t o i g n i t e i n a i r a t a t m o s p h e r i c p r e ss u r e . The p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 r e s t r i c t s t h e r a d i a le x p a n s i o n o f i r , a s i n d i c a t e d b y 1 2 0 , W i t h i n t h e e l o n g a t e dc a v i t y f o l l o W i n g t h e e x p l o s i o n f r o m t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 .R e s t r i c t i o n t h e r a d i a l e x p a n s i o n 1 2 0 o f t h e a i r , a l o n g W i t h t h emomentum r o m t h e e x p l o s i o n i r e c t s t h e v e l o c i t y o f e x p a n di n g a i r o u t o f th e p r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 .[ 0 0 3 4 ] The c o m p o s i t i o n o f t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 maya l s o c o n t r i b u t e t o t h e f o r m a t i o n o f t h e a i r p l a s m a . By Way fe x a m p l e a n d n o t l i m i t a t i o n , t h e e x p l o s i o n o f t h e W i r e 1 0 8g e n e r a t e s s h o c k W a v e s o f l e c t r o n s , i o n s , p l a s m a s , UV a v e sa n d / o r metal p a r t i c l e s , a s W e l l a s a number of o t h e r c o n d it i o n s , Which ay u g m e n t t h e f o r m a t i o n o f h e TA P i s c h a r g e1 3 0 . Th e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 a l s o g e n e r a t e s a p r e s s u r e p u l s et h a t i m p a r t s momentum o t h e g a s m o l e c u l e s i n a s e c o n d a r yi g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 o f t h e TA P e n e r a t o r 1 0 2 . S i m i l a r l y , t h ee x p l o d i n g W i r e 1 0 8 i m p a r t s e n e r g y and momentum to t h eTA P i s c h a r g e 1 3 0 W i t h i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 .[ 0 0 3 5 ] I n o n e e m b o d i m e n t , t h e p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y1 1 8 s g e n e r a l l y c y l i n d r i c a l . I n a n o t h e r e m b o d i m e n t , t h e p r imary e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 h a s a s p i r a l c o n ? g u r a t i o n . S i m il a r l y , o t h e r c o n ? g u r a t i o n s o f t h e p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y1 1 8 m ay b e u s e d ; h o W e v e r , i n a l l e m b o d i m e n t s , t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 f r o m t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 i s s u b s t a n t i a l l yr e s t r i c t e d t o a x i a l a c c e l e r a t i o n a l o n g t h e a x i s o f t h e c e n t r a la x i s o f t h e e l o n g a t e d c a v i t y i n o r d e r t o g e n e r a t e b o u n d a r yc o n d i t i o n s t h a t h e l p f o r m a n d s h a p e t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 i nt h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 .[ 0 0 3 6 ] T h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 i s d e ? n e d , i np a r t , by t h e c a t h o d e 112 and an c c e l e r a t o r e l e c t r o d e 1 2 4 . I none embodiment, t h e c a t h o d e 112 and t h e a c c e l e r a t o r e l e ct r o d e 124 a r e a semi-permeable m a t e r i a l s , such a s b u t n o tl i m i t e d t o a m e s h r s c r e e n , such h a t t h e TAP i s c h a r g e 130m ay t r a v e r s e t h e c a t h o d e and t h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e . ByWa y o f e x a m p l e a n d n o t l i m i t a t i o n , t h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e124 m ay b e composed o f s t a i n l e s s s t e e l o r any o t h e r s e m ip e r m e a b l e c o n d u c t i v e m a t e r i a l .[ 0 0 3 7 ] The s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 i n c l u d e s a s e co n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6 . T h e s e c o n d a r y s h i e l d i n gm a t e r i a l 126 s non-conductive an d may av e t h e s a m e com

M a r . 7 , 2 0 1 3

p o s i t i o n a s t h e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 . A l t e r n a t e l y ,t h e s e c o n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6 m ay h a v e a d i f f e r e n tc o m p o s i t i o n t h a n t h e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 1 6 .[ 0 0 3 8 ] I n o n e e m b o d i m e n t , s e c o n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l1 2 6 h a s a t h i c k n e ss e q u a l to t h e s p a c i n g betWeen h e c a t h o d e112 and t h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e 1 2 4 . I n one e x a m p l e , t h es e c o n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6 h a s a t h i c k n e s s r a n g i n gbetWeen a p p r o x i m a t e l y 2 mm nd 2 cm epending upon h ed i s t a n c e betWeen t h e c a t h o d e 112 and t h e a c c e l e r a t o r e l e ct r o d e 1 2 4 ; h o W e v e r o t h e r t h i c k n e s s a n d s p a c i n g d i s t a n c e sm ay b e u s e d . The s e c o n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6 al sod e ? n e s a s e c o n d a r y c a v i t y 1 2 8 t h a t i s a x i a l l y a l i g n e d W i t h t h ep r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 o f h e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t er i a l 1 1 6 .[ 0 0 3 9 ] I n o n e e m b o d i m e n t , t h e d i a m e t e r o f t h e s e c o n d a r yc a v i t y 1 2 8 i s g r e a t e r t h a n t h e d i a m e t e r o f t h e p r i m a r y e l o ng a t e d c a v i t y 1 1 8 t o a l l o W t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 t o e x p a n d asi t t r a v e l s t h r o u g h o r , a l t e r n a t e l y , i s f o r m e d i n a n d b y t h es e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 122 . I n a n o t h e r e m b o d i m e n t , t h ed i a m e t e r o f t h e s e c o n d a r y c a v i t y 1 2 8 m ay e e q u a l t o o r l e s st h a n t h e d i a m e t e r o f t h e p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 . S i m il a r l y , t h e l e n g t h o f h e s e c o n d a r y c a v i t y may e g r e a t e r t h a n ,e q u a l t o , o r e s s t h a n t h e l e n g t h o f h e ? r s t e l o n g a t e d a v i t y . I nv a r i o u s o t h e r e m b o d i m e n t s , t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n1 2 2 h a s m u l t i p l e c a v i t i e s t h a t , o p t i o n a l l y , may e a l i g n e d i np a r a l l e l t o o n e a n o t h e r a n d t h e p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 .[ 0 0 4 0 ] W h i l e a s i n g l e p r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 a n d as i n g l e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 a r e s h o W n n F I G S . 1 - 3 ,i n o t h e r e m b o d i m e n t s m u l t i p l e i g n i t i o n r e g i o n s may e u s e dt o f u r t h e r a m p l i f y t h e e f f e c t s o f t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 . F o re x a m p l e , m u l t i p l e p l a s m a s o u r c e s may e i g n i t e d i n m u l t i p l ep r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n s a n d / o r m u l t i p l e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n s m ay e u s e d t o a m p l i f y , a c c e l e r a t e , a u g m e n t , a n d / o rs h a p e t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 .[ 0 0 4 1 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e d i a m e t e r s o f t h e p r imary an d secondary c a v i t i e s can be formed o r o t h e r W i s econ?gured t o i n c r e a s e o r d e c r e a s e t h e d i a m e t e r of t h e a i rp l a s m a and t o i n c r e a s e o r d e c r e a s e t h e v e l o c i t y o f t h e a i rp l a s m a . The e o m e t r y o f t h e s e l f - c o n t a i n ed a i r p l a s m a s maya l s o b e e n h a n c e d t h r o u g h o p t i m i z a t i o n o f t h e a i r p l a s m ag e n e r a t i o n a p p a r a t u s 1 0 0 a n d t h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t .F o r e x a m p l e, t h e TA P e n e r a t o r m ay e c o n ? g u r e d t o g e n e ra t e s t a b l e p l a s m o i d s o r s p h e r e s o f p l a s m a s i m i l a r t o b a l ll i g h t n i n g .[ 0 0 4 2 ] Th e TA P e n e r a t o r 1 0 2 i s e l e c t r i c a l l y c o n n e c t e d t o ap r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 t h a t i s c o n ? g u r e d t o d e l i v e ra h i g h - v o l t a g e p u l s e to t h e anode 110 and t h e c a t h o d e 1 1 2 .Th e TA P g e n e r a t o r 102 i s a l s o e l e c t r i c a l l y c o n n e c t e d to as e c o n d a r y i r c u i t 1 0 6 c o n ? g u r e d o d i s c h a r g e e n e r g y t h r o u g ht h e p l a s m a i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 .[ 0 0 4 3 ] Th e r i m a r y h i g h v o l t a g e i r c u i t 1 0 6 i n c l u d e s o n e o rmore c a p a c i t o r b a n k s , on e o r more h i g h v o l t a g e poWers o u r c e s , and one r more i g h - v o l t a g e s W i t c h e s , an d s u i t a b l ep u l s e g e n e r a t i n g c i r c u i t r y t o d e l i v e r a h i g h - v o l t a g e p u l s ea c r o s s t h e anode 110 and t h e cathode 1 1 2 . I n on e embodim e n t , t h e p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 i n c l u d e s a c a p a c it o r bank e n e r g i Z e d t o betWeen a p p r o x i m a t e l y 2 k V a n da p p r o x i m a t e l y 1 0 0 k V o d e l i v e r a h i g h v o l t a g e p u l s e h a v i n ga d u r a t i o n betWeen b o u t 1 0 n s and 200 m s u l s e through h eanode 11 0 and h e c a t h o d e 11 2 to t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 . I nt h i s embodiment, t h e anode 110 s s o l i d o r a s e m i - p e r m e a b l ec o n d u c t o r W h i l e t h e c a t h o d e 1 1 2 i s s e m i - p e r m e a b l e c o n d u ct o r .


11/14

US 013/0057151A1

[ 0 0 4 4 ] As shown n F I G . 4 , a p a r t i c u l a r embodiment f t h ep r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 i s a n RLC i r c u i t 4 0 0 t h a ti n c l u d e s a n u m be r of e s i s t o r s 4 0 2 A - C , on e r more n d u c t o r s4 0 4 , an d one o r more a p a c i t o r s o r c a p a c i t o r banks 4 0 6 . Th ep r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 10 6 a l s o i n c l u d e s a s a poWers o u r c e 4 0 8 , a t h r e e - p l a t e p r e s s u r i z e d a i r g a p s W i t c h 4 1 0 , al e a d 41 2 connected t o t h e anode 1 1 0 , a n o t h e r l e a d 414 conn e c t e d t o t h e c a t h o d e 1 1 2 , and a d d i t i o n a l p r o t e c t i o n ands a f e t y c i r c u i t r y , i n c l u d i n g b u t n o t l i m i t e d t o s W i t c h e s a n dd i o d e s , g e n e r a l l y i n d i c a t e d a s 4 1 6 .[ 0 0 4 5 ] I n one embodim ent, h e poWer o u r c e 408 s a d i r e c tc u r r e n t (DC) poWer o u r c e h a t s u p p l i e s a p p r o x i m a t e l y 30 k Vt o t h e p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 . T h e c a p a c i t o r b a n k406 h a s a c a p a c i t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 1 1 [ L P t o s t o r e andr e l e a s e a p p r o x i m a t e l y 4 . 4 k ] g e n e r a t e a 6 kA, 4 6 u s c u r r e n tp u l s e ( f u l l - W i d t h h a l f maximum) h r o u g h t h e W i r e 1 0 8 , c a u si n g t h e W i r e o e x p l o d e . The n d u c t o r 4 0 4 i s t y p i c a l l y a n 1 . 7 7[ 1 H a i r - c o r e i n d u c t o r . Th e n d u c t o r 404 and 5 . 5 Q queouse l e c t r o l y t e s h a p i n g r e s i s t o r 4 0 2 A a r e u s e d to s h a p e t h e c u rr e n t p u l s e .[ 0 0 4 6 ] Th e i r c u i t i n d u c t a n c e and e s i s t a n c e a r e b o t h v a r ia b l e p a r a m e t e r s t h a t a f f e c t t h e amount of u r r e n t and e n e r g yd e l i v e r e d t o and e p o s i t e d i n t o t h e W i r e 1 0 8 . To e t e r m i n e t h ee f f e c t s of i r c u i t i n d u c t a n c e on h e c u r r e n t p u l s e d e l i v e r e d t ot h e W i r e 1 0 8 , t h e a i r c o r e i n d u c t o r 4 0 4 , Wa s r e p l a c e d i nv a r i o u s e m b o d i m e n t s W i t h o t h e r i n d u c t o r s h a v i n g i n d u c t a n c ev a l u e s o f 0 . 6 [ 1 H a n d 2 7 . 5 p H . S i m i l a r l y , i n o t h e r e m b o d im e n t s , t h e a q u e o u s - e l e c t r o l y t e r e s i s t o r Was r e p l a c e d W i t hr e s i s t o r s h a v i n g r e s i s t a n c e s o f a p p r o x i m a t e l y 2 0 Q t oa p p r o x i m a t e l y 3 0 0 m 9. Non a q u e o u s - e l e c t r o l y t e r e s i s t o r sm ay l s o b e u s e d .[ 0 0 4 7 ] When a r y i n g t h e i n d u c t a n c e o f h e p r i m a r y h i g hv o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 , a s h a p i n g r e s i s t o r 4 0 2 A i t h a r e s i s t a n c eo f a p p r o x i m a t e l y 5 . 2 Q as s e d . L i k e w i s e , t h e i n d u c t o r 40 4had a r e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 1 1 . 7 7 [ 1 H When h e r e s i st a n c e of e s i s t o r 402A as a r i e d .[ 0 0 4 8 ] T h e c u r r e n t p u l s e g e n e r a t e d b y t h e p r i m a ry h i g hv o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 W i t h a typi c al 1 1 . 7 7 [ 1 H i n d u c t o r 404 anda t y p i c a l 5 . 2 Q h a p i n g r e s i s t o r 402A e l i v e r s a p p r o x i m a t e l y6 kA i t h a p u l s e Width o f a p p r o x i m a t e l y 4 6 . 0 8 u s . I t Waso b s e r v e d t h a t t h e p e a k a n d W i d t h o f t h e c u r r e n t p u l s e v a r i e dW i t h c h a n g e s i n i n d u c t a n c e . F o r e x a m p l e , When h e i n d u c t o r404 had an n d u c t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 2 7 . 5 pH h e c u r r e n tp u l s e d e l i v e r e d to t h e W i r e 1 0 4 had peak u r r e n t o f a p p r o x im a t e l y 5 . 4 8 k A n d a p u l s e W i d t h o f a p p r o x i m a t e l y 5 3 . 5 5 u s .W h i l e t h e c u r r e n t p u l s e g e n e r a t e d When h e i n d u c t o r 4 0 4 hada n i n d u c t a n c e o f 0 . 6 [ 1 H r e s u l t s i n h i g h e r c u r r e n t ( a p p r o x im a t e l y 6 . 8 8 kA) e l i v e r e d i n a s m a l l e r p u l s e W i d t h ( a p p r o x im a t e l y 3 5 . 9 u s ) . As e x p e c t e d i n v i e W o f t r a d i t i o n a l c i r c u i tt h e o r y , i t Wa s o b s e r v e d t h a t t h e c u r r e n t p u l s e d e c r e a s e s i na m p l i t u d e y e t s p r e a d s i n p u l s e W i d t h a s t h e i n d u c t a n c ei n c r e a s e s . F u r t h e r , i t Wa s o b s e r v e d t h a t v a r y i n g t h e i n d u ct a n c e o f t h e p r i m a r y h i g h - v o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 d i d n o t r e s u l t i na s i g n i ? c a n t c h a n g e i n t h e h e i g h t o r d u r a t i o n o f t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 . S i m i l a r l y , no s i g n i ? c a n t e f f e c t Wa s o b s e r v e di n t h e d i s t a n c e t r av e l e d d a t a by t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 . A ss u c h , t h e i n d u c t a n c e o f t h e p r i m a r y h i g h - v o l t a g e c i r c u i t 1 0 4m ay e v a r i e d a c c o r d i n g t o t h e d e s i r e d a p p l i c a t i o n o f t h e a i rp l a s m a g e n e r a t i o n a p p a r a t u s 1 0 0 W i t h o u t d i m i n i s h i n g t h eg e n e r a t e d T A P s .[ 0 0 4 9 ] C o n v e r s e l y , t Was e t e r m i n e d h a t v a r y i n g t h e e s i st a n c e i n t h e p r i m a r y h i g h - v o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 , d i d h o W e v e r ,a f f e c t t h e g e n e r a t e d T A P s . F o r e x a m p l e , t h e c u r r e n t p u l s ef r o m a t y p i c a l c o n ? g u r a t i o n o f t h e p r i m a r y h i g h - v o l t a g e c i r

M a r . 7 , 2 0 1 3

c u i t , W h e r e t h e r e s i s t a n c e o f t h e s h a p i n g r e s i s t o r 402A i sa p p r o x i m a t e l y 5 . 2 Q , i s a p p r o x i m a t e l y 6 k A W i t h a p u l s eW i d t h o f a p p r o x i m a t e l y 4 6 . 0 8 u s . Th e u r r e n t p u l s e , When h er e s i s t o r 4 0 2 A a s a r e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 20 Q , h oWe v e r , r e a c h e s a peak f o n l y a b o u t 2 . 0 2 kA i t h a p u l s e W i d t ho f a p p r o x i m a t e l y 1 3 0 . 8 5 u s .[ 0 0 5 0 ] F u r t h e r , b y r e m o v i n g t h e t y p i c a l a q u e o u s - e l e c t r ol y t e r e s i s t o r 402A r o m t h e c i r c u i t a n d i r e c t l y c o n n e c t i n g t h ei n d u c t o r 40 4 o t h e anode 1 1 0 , t h r o u g h l e a d 4 1 2 , r e s u l t e d i n as t r a y r e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 m 9. I n t h i s c o n ? g u r at i o n , t h e p r i m a r y h i g h - v o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 i s u n d e r d a m p e d ,r a t h e r t h a n t h e t y p i c a l o v e r d a m p e d c o n ? g u r a t i o n . As s u c h ,t h e r e s u l t a n t c u r r e n t o s c i l l a t e s a b o u t f o u r t i m e s i n a p p r o x im a t e l y 2 8 8 u s W h i l e r e a ch i n g a p e a k o f a p p r o x i m a t e l y 2 3 . 6kA.[ 0 0 5 1 ] C h a n g i n g t h e resistance o f t h e r e s i s t o r 402A i e l d sa p p r e c i a b l e d i f f e r e n c e s i n t h e s i Z e a n d t h e d u r a t i o n o f h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 . F o r e x a m p l e , When t h e r e s i s t o r 402A h a s ar e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 2 0 Q h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 h a sa s h o r t e r d u r a t i o n an d s m a l l e r d i a m e t e r W h e n compared o as h a p i n g r e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 5 . 2 Q . F u r t h e r , When h er e s i s t o r 4 0 2 A i s removed o r o t h e r W i s e reduced t o y i e l d ar e s i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 m 9, h e TA P i s c h a r g e 1 3 0i s a p p r o x i m a t e l y t W i c e a s l a r g e i n d i a m e t e r a n d h a s a l o n g e rd u r a t i o n When compared to TA P d i s c h a r g e s W i t h a 5 . 2 Qr e s i s t o r . l n a d d i t i o n a l l y , t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 g e n e r a t e dW i t h a 300 m9 e s i s t o r f o r t h e s h a p i n g r e s i s t o r 4 0 2 A r a v e l sa p p r o x i m a t e l y t W i c e a s f ar a s t h e TA P i s c h a r g e s g e n e r a t e du s i n g a 20 Q e s i s t o r o r a 5 . 2 Q e s i s t o r f o r t h e s h a p i n gr e s i s t o r . I n t h i s c o n ? g u r a t i o n , a d d i t i o n a l e n e r g y h a s b e e nd e p o s i t e d i n t o t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 f o r m e d b y th e e x p l o di n g W i r e 1 0 8 . T h i s r e s u l t s i n an i n c r e a s e i n t h e volume andd u r a t i o n o f h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 and m ay e c a u s e d , a t l e a s ti n p a r t b y t h e r e d u c t i o n i n d a m p e n i n g o f t h e p r i m a r y h i g hv o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 .[ 0 0 5 2 ] P r e f e r a b l y , t h e s e c o n d a r y c i r c u i t 1 0 6 i n c l u d e s ac a p a c i t o r b a n k c h a r g e d t o a v o l t a g e s u i t a b l e f o r h e a t i n g t h eTA P d i s c h a r g e 1 3 0 . F o r e x a m p l e , When t h e s e c o n d a r y h i g hv o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 i s c h a r g e d o b e t W e e n 100V n d 3 0 0 V , t h eTAP d i s c h a r g e 1 3 0 e n t e r i n g t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n122 c o m p l e t e s a c i r c u i t betWeen t h e c a t h o d e 112 and t h ea c c e l e r at o r e l e c t r o d e 1 2 4 . Th e e n e r g y i m p a r t e d by t h e s e co n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 e n h a n c e s t h e d u r a t i o n a n dv e l o c i t y o f t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 . I n o n e e m b o d i m e n t , t h es e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 i s c o n n e c t e d to t h e sameh i g h v o l t a g e p o W e r s o u r c e a s t h e p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t1 0 6 . I n a n o t h e r e m b o d i m e n t , t h e s e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i rc u i t 1 0 6 i s p o W e re d b y a n o t h e r h i g h v o l t a g e s o u r c e . I n y e ta n o t h e r e m b o d i m e n t , t h e p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6a n d t h e s e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 6 m ay e i n c o r p or a t e d i n t o a s i n g l e h i g h v o l t a g e s y s t e m .[ 0 0 5 3 ] By Way o f e x a m p l e a n d n o t l i m i t a t i o n , t h e s e c o n da r y c i r c u i t 1 0 6 m ay i n c l u d e a s e c o n d a r y 8 . 8 mF l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r bank 3 2 t h a t i s c h a r g e d to a p p r o x i m a t e l y 250 V oh e a t t h e p l a s m a i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 . T h ep o s t - e x p l o s i o n h e a ti n g h a s b e e n shoWn o e n h a n c e b o t h t h es i Z e and u r a t i o n o f t h e TA P i s c h a r g e 13 0 .[ 0 0 5 4 ] T h e a d d i t i o n a l h e a t i n g p r o v i d e d b y t h e s e c o n d a r yc i r c u i t 1 0 6 al so p l a y s a ro l e i n f o r m i n g t h e t o r o i d a l s h a p e o ft h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 . F o r e x a m p l e , t h e e l o n g a t e d c a v i t y 1 2 8d e ? n e d b y t h e s e c o n d a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6 a l l o W s f o r t h ep l a s m a g e n e r a t e d b y h e e x p l o s i o n o f h e W i r e 1 0 4 t o e x p a n d .D u r i n g e x p a n s i o n , When t h e a r e a betWeen t h e c a t h o d e 1 1 2and t h e a c c e l e r a t o r anode 124 s ? l l e d W i t h p l a s m a , t h e s e c


12/14

US 013/0057151Al

o n d a r y c a p a c i t o r b a n k 1 3 2 d i s c h a r g e s s t o r e d e n e r g y t h r o u g ht h e p l a s m a . I n one embodiment, a 400 A u r r e n t draWn by h ep l a s m a f r o m t h e s e c o n d a r y c a p a c i t o r b a n k 1 3 2 h a s a p u l s eW i d t h o f a p p r o x i m a t e l y 4 m s . A f t e r t h e d i s c h a r g e from t h es e c o n d a r y c a p a c i t o r b a n k 1 3 2 , t h e b u l k o f t h e TA P i s c h a r g e13 0 e t a c h e s from p o r t i o n 13 4 f h e d i s c h a r g e t h a t r e m a i n si n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 a n d e x i t s f r o m t h e TA Pg e n e r a t o r 1 0 2 , a s shoWn n F I G . 5 . A f t e r t h e b u l k o f t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 h a s separate d f r o m t h e r e m a i n i n g p o r t i o n , t h ec a p a c i t o r b a n k 1 3 2 may c o n t i n u e t o d i s c h a r g e a n d e n e r g i Z et h e r e m a i n i n g p l a s m a i n t h e TA P e n e r a t o r 1 0 2 .[ 0 0 5 5 ] A r o s s s e c t i o n a l vieW o f t h e e v o l u t i o n o f t h e t o r o id a l s t r u c t u r e 500 o f t h e TA P i s c h a r g e 13 0 s shoWn n F I G .5 . F o r a p p r o x i m a t e l y t h e ?rst m i l l i s e c o n d a f t e r i g n i t i o n , t h ed i s c h a r g e 1 3 0 i s s t i l l e x p a n d i n g f r o m t h e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n 1 2 2 a n d h a s a v e r y h o m o g e n e o u s p r o ? l e . A p p r o x im a t e l y 1 . 5 m s a f t e r i g n i t i o n , t h e t o r o i d a l s h a p e b e g i n s t of o r m . T h e s e t W o i m a g e s i l l u s t r a t e t h e t o r o i d a l s h a p e o f t h ed i s c h a r g e at 6 m s and 7 m s a f t e r i g n i t i o n . F I G . 5 a l s o shoWst h e r e m a i n i n g d i s c h a r g e 1 3 4 W i t h i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n 122 .[ 0 0 5 6 ] I n one embodiment, t h e TA P i s c h a r g e 130 can a s tup t o 1 5 m s W h i l e t r a v e l l i n g a p p r o x i m a t e l y 30 cm ro m t h eTA P e n e r a t o r 1 0 2 . I n o t h e r e m b o d i m e n t s , t h e TA P i s c h a r g e130 may have a l i f e t i m e i n t h e range of m i l l i s e c o n d s t om u l t i p l e s e c o n d s a n d m u l t i p l e m i n u t e s . The o r o i d a l s t r u c t u r e4 0 0 o f t h e TA P i s c h a r g e 1 0 3 m ay e x p a n d t o a p p r o x i m a t e l y1 2 cm n d i a m e t e r . I n o t h e r embodiments, t h e t o r o i d a l s t r u ct u r e 4 0 0 m ay e x p a n d t o o t h e r d i a m e t e r s i n c l u d i n g t h o s e l e s st h a n o r g r e a t e r t h a n 1 2 cm . Th e l e c t r o n d e n s i t y of h e TA P sp r e f e r a b l y a t least I O I O / c m 3 and m ay e a s h i g h a s l 0 l 9 / c m 3 .I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e e l e c t r o n d e n s i t y i s d e t e r m i n e d tob e a p p r o x i m a t e l y l 0 l 4 - l 0 l 5 / c m 3 b a s e d upon t h e m e a s u r e dc u r r e n t p a s s i n g t h r o u g h t h e p l a s m a W h i l e t i s i n t h e s e c o n d a r yi g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 .[ 0 0 5 7 ] T h e d e n s i t y o f h e p l a s m a may e i n c r e a s e d b y u s i n ga p r e s s u r i z a t i o n s y s t e m ( n o t s h o W n ) t h a t may i n c r e a s e t h ep r e s s u r e i n t h e a p p a r a t u s t o a r a n g e between 1 A T M - 2 0 0 0ATM r h i g h e r . I n a d d i t i o n , t h e a i r W i t h i n a n d / o r a r o u n d t h ea p p a r a t u s m ay e modi?ed o o p t i m i Z e t h e s i Z e and e l e c t r o nd e n s i t y o f t h e g e n e r a t e d a i r p l a s m a s . F o r e x a m p l e , t h e a i rWithin and/ r around h e apparatus may nclude on e o r m o r eg a s m i x t u r e s o r g a s e s seeded With n a n o p a r t i c l e s o r v a r i o u sc h e m i c a l c o m p o u n d s .[ 0 0 5 8 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e a d i a l e x p a n s i o n 1 2 0 o ft h e s h o c k Wave a n d h e a t g e n e r a t e d by t h e e x p l o s i o n o f t h eW i r e 1 0 8 i s c o n ? n e d W i t h i n t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y c a v it i e s 1 1 8 a n d 1 2 8 , r e s p e c t i v e l y . T h e d i s c h a r g e f r o m t h e e x p l o di n g W i r e 1 0 8 s t h u s d i s s i p a t e d , p r e d o m i n a n t l y , t h r o u g h a x i a le x p a n s i o n a l o n g t h e a x i s o f h e p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8a n d t h e s e c o n d a r y c a v i t y 1 2 8 . T h i s i m p a r t s h y d r o d y n a m i ce f f e c t s upon h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 a n d t h e r e f o r e , t h e geome t r y o f t h e TA P e n e r a t o r 1 0 2 l e n d s i t s e l f t o t h e s e l f - c o n t a i ni n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 .[ 0 0 5 9 ] The combined f f e c t s o f t h e i n i t i a l a x i a l e x p a n s i o nf r o m t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 a n d t h e s e c o n d a r y e x c i t a t i o n i nt h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 r e s u l t i n t h e f o r m a t i o n o ft h e t o r o i d a l s t r u c t u r e 4 0 0 . I n v a r i o u s o t h e r embodiments, t h es e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 may h a v e a n y g e o m e t r y t h a tcan t r a n s f e r e n e r g y i n t o t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 . I n t h e s ee m b o d i m e n t s , t h e t e m p e r a t u r e a n d s u b s e q u e n t a b s o r p t i o na n d e m i s s i o n o f l i g h t b y t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 c a n b e t a il o r e d o s p e c i ? c r eq u i r e m e n t s b a s e d upon h e g e o m e t r y o f h es e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 . The u r a t i o n a n d a m o u n t o f

M a r . 7 , 2 0 1 3

e n e r g y d e l i v e r e d t o t h e p l a s m a i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n 1 2 2 c a n b e o p t i m i Z e d to g e n e r a t e c h a r a c t e r i s t i c s o f h eTA P i s c h a r g e 1 3 0 t h a t a r e r e q u i r e d f o r t h e d e s i r e d a p p l i c at i o n . F o r e x a m p l e , b y i n c r e a s i ng t h e e n e r g y i m p a r t e d t o t h eTA P i s c h a r g e i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 122 , t h e l i f et i m e o f t h e TA P d i s c h a r g e m ay b e e x t e n d e d from m i l l i s e co n d s o m i n u t e s t h e r e b y a l l o W i n g th e l o n g - r a n g e p r o j e c t i o n o ft h e p l a s m a .[ 0 0 6 0 ] A l t h o u g h t h e TA P e n e r a t o r 1 0 2 h a s b e e n d e s c r i b e du s i n g t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 a s t h e i n i t i a l p l a s m a s o u r c e ,o t h e r p l a s m a s o u r c e s m ay e u s e d . By Way o f e x a m p l e a n dn o t l i m i t a t i o n , o t h e r p l a s m a s o u r c e s i n c l u d e e x p l o s i v e s ,p u f f e d g a s p l a s m a s, h o l l o W c a t h o d e p l a s m a s , m i c r o W a v ed r i v e n s o u r c e s , h i g h p o W e r l a s e r a r r a y s , r a i l g u n s , h y p e r v e lo c i t y p l a s m a a c c e l e r a t o r s , a n d a n y o t h e r p l a s m a s o u r c e t h a th a s a h i g h repeti ti o n r a t e t o g e n e r a t e i o n i Z e d p a r t i c l e s . I nt h e s e e m b o d i m e n t s , t h e p l a s m a s o u r c e i s a c t i v a t e d by a s u i ta b l e a c t i v a t i o n d e v i c e c o r r e s p o n d i n g t o t h e p l a s m a c o u r s e .For e x a m p l e , an a c t i v a t i o n d e v i c e f o r an e x p l o s i v e i s a d e t on a t o r , While an a c t i v a t i o n d e v i c e f o r a microWave d r i v e nsource s a microWave g e n e r a t o r .[ 0 0 6 1 ] I n a n o t h e r example, on e o r more l a s e r s i s used t oform o r f u r t h e r h e a t t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 . F o r e x a m p l e , al a s e r m ay be used t o form a l a s er - i n d u c e d a i r plasma i n t h ep r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 . A l t e m a t e l y , a l a s e r may e u s e dt o h e a t a p l a s m a d i s c h a r g e W i t h i n t h e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n 1 2 2 .[ 0 0 6 2 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e a i r p l a s m a g e n e r a t i o na p p a r a t u s 1 0 0 s c o n ? g u r e d o r s i n g l e o r m u l t i - s h o t o p e r a t i o n .As s u c h , t h e a i r p l a s m a g e n e r a t i o n a p p a r a t u s 1 0 0 m ay e n e ra t e a s i n g l e o r m u l t i p l e s e l f - c o n t a i n e d a i r p l a s m a s a t a h i g hr a t e o f e p e t i t i o n .[ 0 0 6 3 ] The o r o i d a l A i r P l a s m a[ 0 0 6 4 ] Th e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 h a s a v e r y homogenousp r o ? l e i m m e d i a t e l y a f t e r t h e i g n i t i o n o f h e e x p l o d i n g W i r e1 0 8 a s t e x p a n d s f r o m t h e ? r s t p r i m a r y e l o n g a t e d c a v i t y 1 1 8 .I n one embodiment, t h e TA P i s c h a r g e 130 e g i n s t o t a k e ont h e t o r o i d a l s t r u c t u r e 40 0 a p p r o x i m a t e l y 1 . 5 m s f t e r i g n i t i o n .Th e o r o i d a l s t r u c t u r e 400 o f t h e TA P i s c h a r g e 20 0 s shoWna t a p p r o x i m a t e l y 6 m s and a p p r o x i m a t e l y 7 m s f t e r i g n i t i o ni n F I G S . 5 A n d 5 B , r e s p e c t i v e l y . F I G S . 6 A n d 6 B l s o shoWt h e s e c o n d a r y i g n i t i o n 6 0 0 o f t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 W i t h i nt h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 . When h e TA P i s c h a r g e1 3 0 e x i t s t h e TA P g e n e r a t o r 1 0 2 , t h e d i s c h a r g e h a s a c i r c ul a t i n g c u r r e n t o r ? e l d r e v e r s a l t h a t g e n e r a t e s a s e l f - m a g n e t i c? e l d a s W e l l a s a r o t a t i n g plasma e g i o n on h e minor a d i u s oft h e t o r o i d s t r u c t u r e 4 0 0 . Th e s e l f - m a g n e t i c ? e l d c o n ? n e s t h eTA P i s c h a r g e 1 3 0 a n d s i g n i ? c a n t l y i n c r e a s e s t h e l i f e t i m e o ft h e TA P d i s c h a r g e t o e f f e c t i v e l y p r o d u c e a s e l f - s u s t a i n i n gTA P i s c h a r g e b y r e d u c i n g i n t e r a c t i o n s t h a t may e c o m b i n em o l e c u l e s o f t h e a i r p l a s m a W i t h a t m o s p h e r i c g a s m o l e c u l e s .[ 0 0 6 5 ] I n v a r i o u s e m b o d i m e n t s , t h e TA P i s c h a r g e c a n b es u s t a i n e d f o r a p p r o x i m a t e l y 2 - 3 0 m s and m ay r a v e l a p p r o x imately 1 0 - 4 0 cm aWay from t h e TAP e n e r a t o r 10 2 t up t o2 0 0 m / s . The o r o i d a l s h a p e 5 0 0 m ay e x p a n d u p t o a p p r o x im a t e l y 1 2 cm i n d i a m e t e r . The e l e c t r on d e n s i t y o f t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 i s a p p r o x i m a t e l y 1 0 1 4 - 1 0 l 5 / c m 3 a s d e t e r m i n e db y th e m e a s u r e d c u r r e n t p a s s i n g t h r o u g h th e TA P i s c h a r g e1 3 0 d u r i n g t h e s e c o n d a r y h e a t i n g o f t h e d i s c h a r g e i n t h es e c o n d a r y g n i t i o n r e g i o n 122 . I n v a r i o u s o t h e r e m b o d i m e n t s ,t h e TA P i s c h a r g e 1 3 0 s s c a l a b l e o h i g h e r e n e r g i e s , d e n s i t i e sand can be used o r a number of advanced a p p l i c a t i o n s .[ 0 0 6 6 ] F o r e x a m p l e , 1 k i l o j o u l e t o l g i g a j o u l e o r h i g h e r o fe n e r g y m ay b e i m p a r t e d t o t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 i n t h e


13/14

US 013/0057151A1

s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 . I n c r e a s i n g t h e e n e r g y W i l li n c r e a s e t h e l i f e t i m e o f t h e TA P i s c h a r g e 130 from a n o r d e ro f m i l l i s e c o n d s t o m i n u t e s a l l o W i n g f o r t h e l o n g - r a n g e p r oj e c t i o n o f t h e TA P i s c h a r g e .[ 0 0 6 7 ] F I G . 7 s a ?owchart l l u s t r a t i n g one embodiment ofa method 700 f o r g e n e r a t i n g a TA P d i s c h a r g e 1 3 0 . At s t e p7 0 2 , a ? r s t h i g h v o l t a g e p u l s e i s a p p l i e d a c r o s s t h e a n o d e 1 1 0 ,t h e c a t h o d e 1 1 2 , a n d t h e e x p l o d i n g W i r e 1 0 8 i n t h e p r i m a r yi g n i t i o n r e g i o n 1 1 4 . The ?rst h i g h v o l t a g e c a u s e s t h e W i r e t oe x p l o d e t h e r e b y p r o d u c i n g t h e TA P d i s c h a r g e 1 3 0 . A t s t e p7 0 4 , t h e r a d i a l e x p a n s i o n o f t h e A P d i s c h a r g e i s r e s t r i c t e ds u c h t h a t t h e TA P d i s c h a r g e t r a v e l s a l o n g t h e l o n g i t u d i n a la x i s o f t h e W i r e t o a s e c o n d i g n i t i o n r e g i o n de?ned by t h ec a t h o d e 112 and h e a c c e l e r a t o r e l e c t ro d e 1 2 4 .[ 0 0 6 8 ] I n t h e s e c o n d i g n i t i o n r e g i o n 1 2 2 , a s e c o n d h i g hv o l t a g e p u l s e i s a p p l i e d a c r o s s t h e c a t h o d e 1 1 2 a n d t h e a c c e le r a t o r e l e c t r o d e 12 4 to f u r t h e r h e a t and expand t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 , a t s t e p 7 0 6 . W i t h i n th e s e c o n d a r y i g n i t i o nr e g i o n 1 2 2 , t h e TA P i s c h a r g e b e c o m e s s e l f - s u s t a i n i n g a n dt a k e s on t h e t o r o i d s t r u c t u r e 2 0 0 . At s t e p 7 0 8 , t h e s e l f - c o nt a i n e d TA P i s c h a r g e i s d i s c h a r g e d f r o m t h e s e c o n d i g n i t i o nr e g i o n 1 2 2 , W h e r e i n t m ay e u s e d t o m i t i g a t e t h e e f f e c t s o fa s h ock Wave or another propagating Wave.[ 0 0 6 9 ] Example Method f o r G e n e r a t i n g a T o r o i d a l A i rPlasma[ 0 0 7 0 ] By Way f e x a m p l e a n d n o t l i m i t a t i o n , a n e x e m p l a r ymethod o r g e n e r a t i n g a TA P i s c h a r g e , s u c h as t h e d i s c h a r g e1 3 0 i s p r o v i d e d . T h e p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t 1 0 4 o f t h ea i r p l a s m a g e n e r a t i o n a p p a r a t u s 1 0 0 i n c l u d e d a n 11 [ 1 Fc a p a c i t o r bank n e r g i Z e d o a p p r o x i m a t e l y 30 kV o d e l i v e r a4 k A p u l s e f o r a d u r a t i o n o f a p pr o x i m a t e l y 2 0 0 p s p u l s et h r o u g h tWo s t r a n d s o f 40AWG i l v e r - p l a t e d c o p p e r W i r e 1 0 8W i t h i n t h e TA P g e n e r a t o r 1 0 2 . Th e anode 110 c o n n e c t e d tot h e Wire 1 0 8 Was a copper screen While t h e cathode 1 1 2 Wasa s t a i n l e s s s t e e l s c r e e n . Th e p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i al 116Wa s a p o l y c a r b o n a t e m a t e r i a l h a v i n g a t h i c k n e s s o f a p p r o x im a t e l y 1 0 cm and h e e l o n g a t e d c a v i t y 11 8 had d i a m e t e r o fa p p r o x i m a t e l y 1 . 2 5 cm .[ 0 0 7 1 ] Th e s e c o n d a r y c i r c u i t 10 6 u s e d an 8 . 8 mF l e c t r ol y t i c c a p a c i t o r bank 1 3 2 c h a r g e d to 250V o h e a t t h e TA Pd i s c h a r g e 1 3 0 . T h e s e c o n d a r y p r i m a r y s h i e l d i n g m a t e r i a l 1 2 6Wa s p l a s t i c a p p r o x i m a t e l y 7 mm h i c k and de?ned a n o t h e re l o n g a t e d c a v i t y 1 2 8 W i t h a d i a m e t e r o f a p p r o x i m a t e l y 3 c m .T h e s e c o n d a r y c i r c u i t 1 0 6 d i s c h a r g e d a p p r o x i m a t e l y 4 0 0 Ai n t o t h e TA P d i s c h a r g e 13 0 o v e r a p p r o x i m a t e l y 4 m s . Th eTA P d i s c h a r g e 1 3 0 e x i t i n g t h e TA P g e n e r a t o r 1 0 2 h a s a ne l e c t r o n d e n s i t y o f a p p r o x i m a t e l y l 0 l 6 - l 0 l 7 / c m 3 a s d e t e rmined y t h e m e a s u r e d c u r r e n t t h a t p a s se d t h r o u g h t h e d i sc h a r g e d u r i n g t h e s e c o n d a r y h e a t i n g .[ 0 0 7 2 ] I t W i l l b e a p p r e c i a t e d t h a t t h e d e v i c e a n d method ft h e p r e s e n t i n v e n t i o n a r e c a p a b l e o f e i n g i n c o r p o r a t e d i n t h eform o f a v a r i e t y o f e m b o d i m e n t s , o n l y a feW o f Which a v ebeen i l l u s t r a t e d and d e s c r i b e d a b o v e . Th e i n v e n t i o n m ay bee m b o d i e d i n o t h e r s p e c i ? c f o r m s W i t h o u t d e p a r t i n g f r o m i t ss p i r i t o r e s s e n t i a l c h a r a c t e r i s t i c s . Th e e s c r i b e d embodimentsa r e t o be o n s i d e r e d i n a l l r e s p e c t s o n l y a s i l l u s t r a t i v e an d o tr e s t r i c t i v e and t h e s c o p e o f t h e i n v e n t i o n i s , t h e r e f o r e i n d ic a t e d b y t h e a p p e n d e d c l a i m s r a t h e r t h a n b y t h e f o r e g o i n gd e s c r i p t i o n . A l l c h a n g e s W h i c h come i t h i n t h e m e a n i n g a n dr a n g e of q u i v a l e n c y o f t h e c l a i m s a r e t o be embraced i t h i nt h e i r s c o p e .

M a r . 7 , 2 0 1 3

What s c l a i m e d i s :1 A ethod o r generating s e l f - c o n t a i n e d a i r plasma t ana t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :g e n e r a t i n g t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o n ;r e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f h e a i r p l a s m a ; a n d ,a p p l y i n g a h i g h v o l t a g e p u l s e o t h e a i r p l a s m a i n a s e c o n da r y i g n i t i o n r e g i o n , W h e r e i n t h e h i g h v o l t a g e p u l s e

c a u s e s t h e a i r plasma t o e x p a n d , a c c e l e r a t e o u t o f t h es e c o n d i g n i t i o n r e g i o n , a n d become e l f - c o n t a i n e d .2 . The method o f c l a i m 1 , W h e r e i n t h e a i r p l a s m a i s g e ne r a t e d from plasma s o u r c e and h e plasma s o u r c e i s a t l e a s tone m e m b e r of group c o n s i s t i n g of an exploding W i r e , ane x p l o s i v e , a p u f f e d g a s p l a sm a , a h o l l o W c a t h o d e p l a s m a , al a s e r , a r a i l g u n , a h y p e r v e l o c i t y plasma s o u r c e , and a m i c r oW a v e - d r i v e n plasma s o u r c e .3 . The method f c l a i m 1 , W h e r e i n e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a ns i o n o f t h e a i r p l a s m a f u r t h e r c o m p r i s e s :

p r o v i d i n g a s h i e l d i n g m a t e r i a l a r o u n d t h e i r p l a s m a s o u r c et h a t f o c u s e s e x p a n s i o n o f t h e a i r p l a s m a i n a d i r e c t i o np a r a l l e l t o a l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e ? r s t i g n i t i o n r e g i o na n d t h e s e c o n d i g n i t i o n r e g i o n .4 . The method f c l a i m 1 , W h e r e i n a p p l y i n g t h e h i g h v o l t

a g e p u l s e t o t h e a i r p l a s m a f u r t h e r c o m p r i s e s :a p p l y i n g t h e h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s a c a t h o d e and a n

e l e c t r o d e s e p a r a t e d by n i r g a p , W h e r e i n t h e a i r p l a s m ac o m p l e t e s a c i r c u i t betWeen t h e c a t h o d e and t h e e l e ct r o d e .5 . The method f c l a i m 4 , W h e r e i n t h e a i r p l a s m a a c c e l e r

a t e s aWay from t h e c a t h o d e an d t h e e l e c t r o d e an d forms as e l f - c o n ? n i n g s t r u c t u r e .

6 . The method f c l a i m 5 , W h e r e i n t h e s e l f - c o n ? n i n g s t r u ct u r e i s a t o r o i d a l s t r u c t u r e or a s p h e r i c a l s t r u c t u r e .7 . Th e method o f c l a im 1 , W h e r e i n t h e s e l f - c o n t a i n e d a i rplasma has an e l e c t r o n d e n s i t y of t l e a s t l01O/cm38 . A n p p a r a t u s f o r g e n e r a t i n g a s e l f - c o n t a i n e d a i r p l a s m aa t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :

a p r i m a r y g n i t i o n r e g i o n c o m p r i s i n g a r s t s h i e l d i n g m a t er i a l t h a t de?nes a ? r s t l o n g i t u d i n a l c a v i t y t o c o n t a i n ap l a s m a s o u r c e ;a n i g n i t i o n d e v i c e i n c o m m u n i c a t i o n W i t h t h e p r i m a r y g n iti o n r e g i o n t o g e n e r a t e a n a i r p l a s m a f r o m t h e p l a s m as o u r c e ;a s e c o n d a r y g n i t i o n r e g i o n a d j a c e n t o t h e p r i m a r y g n i t i o nr e g i o n , t h e s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n c o m p r i s i n g a s e cond h i e l d i n g m a t e r i a l t h a t d e ? n e s a s e c o n d l o n g i t u d i n a lc a v i t y , W h e r e i n t h e s e c o n d l o n g i t u d i n a l c a v i t y i s i n ? u i dc o m m u n i c a t i o n W i t h t h e ? r s t l o n g i t u d i n a l c a v i t y t or e c e i v e t h e a i r p l a s m a ; a n d ,

a h i g h v o l t a g e c i r c u i t c o m p r i s i n g a t l e a s t o n e c a p a c i t o r , t h eh i g h v o l t a g e c i r c u i t i n c o m m u n i c a t i o n W i t h a v o l t a g es o u r c e t o a p p l y a h i g h v o l t a g e p u l s e t o t h e a i r p l a s m a ,W h e r e i n t h e h i g h v o l t a g e p u l s e h e a t s a n d a c c e l e r a t e s t h ea i r p l a s m a aWay f r o m t h e a p p a r a t u s t o f o r m t h e selfc o n t a i n e d a i r p l a s m a a t t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e .9 . Th e p p a r a t u s o f c l a i m , W h e r e i n t h e plasma o u r c e s a t

l e a s t one me mber f a group c o n s i s t i n g of an x p l o d i n g W i r e ,l a s e r , a n e x p l o s i v e , a p u f f e d g a s p l a s m a , a h o l l o W c a t h o d ep l a s m a , a r a i l g u n , a h y p e r v e l o c i t y plasma s o u r c e , and am i c r o W a v e - d r i v e n plasma s o u r c e .

10 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 8 , W h e r e i n t h e s e c o n d l o n g i t ud i n a l c a v i t y i s c y l i n d r i c a l a n d t h e s e l f - c o n t a i n e d a i r p l a s m aforms a s e l f - c o n ? n i n g s t r u c t u r e .

11 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 0 , W h e r e i n t h e s e l f - c o n ? n e ds t r u c t u r e i s a t o r o i d a l s t r u c t u r e o r a s p h e r i c a l s t r u c t u r e .

1 2 . Th e p p a r a t u s o f c l a i m , W h e r e i n t h e s e l f - c o n t a i n e d i rp l a s m a h a s a n e l e c t r o n d e n s i t y o f t l e a s t 1010/ cm 3 o r h i g h e r .


14/14

US 013/0057151A1

1 3. A ethod f o r g e n e r a t i n g a s e l f - c o n t a i n e d t o r o i d a l a i rp l a s m a a t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :

a p p l y i n g a ? r s t h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s a W i r e t o e x p l o d et h e W i r e a n d g e n e r a t e t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o nr e g i o n betWeen an anode and a c a t h o d e ;r e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f t h e a i r p l a s m a , W h e r e i n t h ea i r p l a s m a t r a v e l s p a r a l l e l t o a l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h eW i r e o a s e c o n d i g n i t i o n r e g i o n betWeen h e c a t h o d e andan a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e ;

a p p l y i n g a s e c o n d h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s t h e c a t h o d eand t h e a c c e l e r at o r e l e c t r o d e to h e a t t h e a i r p l a s m a ,W h e r e i n t h e h e a t e d a i r p l a s m a e x p a n d s a n d f o r m s at o r o i d a l s t r u c t u r e ; a n d ,

d i s c h a r g i n g t h e se l f - c o n t a i n e d o r o i d a l a i r p l a s m a f r o m t h es e c o n d i g n i t i o n r e g i o n a t t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e .1 4 . The method o f c l a i m 1 3 , f u r t h e r c o m p r i s i n g :

p r o v i d i n g a r i g i d e l e c t r i c a l l y i n s u l a t i n g m a t e r i a l b e t W e e nt h e a n o d e and h e c a t h o d e , t h e m a t e r i a l d e ? n i n g a n e l o ng a t e d c a v i t y a r o u n d t h e W i r e a n d t h e e l o n g a t e d c a v i t yr e s t r i c t i n g t h e r a d i a l e x p a n s i o n o f th e a i r p l a s m a .1 5 . The method o f c l a i m 1 4 , W h e r e i n t h e e l o n g a t e d c a v i t y

h a s a g e n e r a l l y c y l i n d r i c a l c o n ? g u r a t i o n .1 6 . The method o f c l a i m 1 4 , W h e r e i n t h e e l o n g a t e d c a v i t yh a s a g e n e r a l l y s p i r a l c o n ? g u r a t i o n .1 7 . The method o f c l a i m 1 4 , f u r t h e r c o m p r i s i n g :

p r o v i d i n g a s e c o n d r i g i d e l e c t r i c a l l y i n s u l a t i n g m a t e r i a lbetWeen t h e c a t h o d e and t h e a c c e l e r a t o r e l e c t r o d e , t h es e c o n d m a t e r i a l d e ? n i n g a s e c o n d e l o n g a t e d c a v i t y t or e c e i v e t h e a i r p l a s m a .

1 8 . The method f c l a i m 1 7 , W h e r e i n t h e s e c o n d e l o n g a t e dc a v i t y h a s a g r e a t e r d i a m e t e r t h a n t h e ? r s t e l o n g a t e d c a v i t y .

1 9 . The method f c l a i m 1 7 , W h e r e i n t h e s e c o n d e l o n g a t e dc a v i t y h a s a s m a l l e r d i a m e t e r t h a n t h e ?rst e l o n g a t e d c a v i t y .

2 0 . The method f c l a i m 1 7 , W h e r e i n t h e s e c o n d e l o n g a t e dc a v i t y h a s a g e n e r a l l y c y l i n d r i c a l c o n ? g u r a t i o n .2 1 . The method f c l a i m 1 7 , W h e r e i n t h e s e c o n d e l o n g a t e dc a v i t y h a s a g e n e r a l l y s p i r a l c o n ? g u r a t i o n .2 2 . The method of l a i m 1 3 , Wherein h e W i r e h a s a gauge

i n a r a n g e betWeen 00 gauge an d 8 0 - g a u g e .2 3. The method f c l a i m 1 3 , W h e r e i n t h e ? r s t h i g h v o l t a g e

p u l s e i s between 1 0 kV nd 5 0 kV nd a s a d u r a t i o n between10 u s and 200 ms .

2 4 . The method o f c l a i m 1 3, W h e r e i n t h e s e c o n d h i g hv o l t a g e p u l s e i s betWeen 100V and 300V and a s a d u r a t i o nbetween ms and 200 m s .

2 5 . Th e method o f c l a i m 13 , W h e r e i n t h e s e l f - c o n t a i n e dt o r o i d a l a i r p l a s m a h a s a n e l e c t r o n d e n s i t y o f a t l e a s t 1 0 1 0 /cm3

2 6 . A n p p a r a t u s f o r g e n e r a t i n g a s e l f - c o n t a i n e d i r p l a s m aa t a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :a p r i m a r y i g n i t i o n r e g i o n d e ? n e d b y a ? r s t s h i e l d i n g m a t er i a l p o s i t i o n e d betWeen a n anode and s e m i - p e r m e a b l e

c a t h o d e , t h e ? r s t s h i e l d i n g m a t e r i al h a v i n g a ? r s t l o n g i

M a r . 7 , 2 0 1 3

t u d i n a l c a v i t y t o c o n t a i n a c o n d u c t i v e W i r e e x t e n d i n gbetWeen and i n communication W i t h t h e anode and h ec a t h o d e ;a p r i m a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t h a v i n g a t l e a s t o n e v o l t a g es o u r c e and t l e a s t o n e c a p a c i t o r , t h e p r i m a r y h i g h v o l ta g e c i r c u i t i n communication W i t h t h e anode and t h ec a t h o d e to a p p l y a ? r s t h i g h v o l t a g e p u l s e a c r o s s t h eanode and c a t h o d e to c a u s e t h e W i r e t o e x p l o d e andg e n e r a t e a n a i r p l a s m a , W h e r e i n t h e ? r s t l o n g i t u d i n a lc a v i t y r e s t r i c t s r a d i a l e x p a n s i o n o f th e a i r p l a s m a ;

a s e c o n d a r y i g n i t i o n r e g i o n d e ? n e d b y a s e c o n d s h i e l d i n gm a t e r i a l p o s i t i o n e d betWeen t h e c a t h o d e and a s e m ip e r m e a b l e e l e c t r o d e , t h e s e c o n d s h i e l d i n g m a t e ri a l h a vi n g a s e c o n d l o n g i t u d i n a l c a v i t y e x t e n d i n g b e t W e e n t h ec a t h o d e a n d t h e e l e c t r o d e W h e r e i n t h e s e c o n d l o n g i t u d in a l c a v i t y i s i n ? u i d c o m m u n i c a t i o n W i t h t h e ? r s t l o n g it u d i n a l c a v i t y t o r e c e i v e t h e a i r p l a s m a ; a n d ,

a s e c o n d a r y h i g h v o l t a g e c i r c u i t h a v i n g a t l e a s t o n e o t h e rc a p a c i t o r a n d i n c o m m u n i c a t i o n t h e v o l t a g e s o u r c e , t h es e c o n d a r y h i g h v o l t a g e i r c u i t i n f u r t h e r c o m m u n i c a t i o nW i t h t h e c a t h o d e and h e e l e c t r o d e t o a p p l y a s e c o n d h i g hv o l t a g e p u l s e a c r o s s t h e g a p betWeen h e c a t h o d e and h ee l e c t r o d e W h e r e i n t h e s e c o n d h i g h v o l t a g e p u l s e h e a t sand c c e l e r a t e s t h e a i r plasma s i t t r a v e r s e s t h e seconda r y i g n i t i o n r e g i o n a n d t h e e l e c t r o d e to f o r m t h e s e l fc o n t a i n e d a i r p l a s m a a t t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e .

2 7 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 2 6 , W h e r e i n t h e s e c o n d l o n g it u d i n a l c a v i t y i s g e n e r a l l y c y l i n d r i c a l a n d h a s a g r e a t e r d i a me t e r t h a n t h e ?rst l o n g i t u d i n a l c a v i t y s u c h t h a t t h e s e l f - c o nt a i n e d a i r plasma f o r m s a t o r o i d a l s t r u c t u r e upon t r a v e r s i n gt h e e l e c t r o d e .

2 8 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 2 6 , W h e r e i n t h e s e l f - c o n t a i n e da i r plasma h a s an e l e c t r o n d e n s i t y o f a t least l 0 1 O / c m 3 o rh i g h e r .2 9 . A ethod o r g e n e r a t i n g a s el f - c o n t a i n e d a i r plasma t

a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :g e n e r a t i n g t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o n ;d i r e c t i n g a v e l o c i t y o f e x p a n s i o n o f h e a i r p l a s m a o u t o f h e? r s t r e g i o n ; a n d ,i m p a r t i n g e n e r g y t o t h e a i r p l a s m a i n a s e c o n d a r y i g n i t i o n

r e g i o n , W h e r e i n t h e i m p a r t e d e n e r g y c a u s e s t h e a i rp l a s m a t o e x p a n d , a c c e l e r a t e o u t o f t h e s e c o n d i g n i t i o nr e g i o n , a n d become s e l f - c o n t a i n e d .

3 0 . A ethod o r g e n e r a t i n g a s el f - c o n t a i n e d a i r plasma ta n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e c o m p r i s i n g :

g e n e r a t i n g t h e a i r p l a s m a i n a ? r s t i g n i t i o n r e g i o n ;r e s t r i c t i n g r a d i a l e x p a n s i o n o f h e a i r p l a s m a ; a n d ,i m p a r t i n g e n e r g y t o t h e a i r p l a s m a i n a s e c o n d a r y i g n i t i o n

r e g i o n , W h e r e i n t h e i m p a r t e d e n e r g y c a u s e s t h e a i rp l a s m a t o e x p a n d , a c c e l e r a t e o u t o f t h e s e c o n d i g n i t i o nr e g i o n , a n d become s e l f - c o n t a i n e d .

* * * * *

us20130057151 - systems and methods to generate self-confined high density air plasma

Documents