CN106664788B - 用于控制等离子体磁场的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于生成和约束紧凑环的系统的示例。该系统包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体；通量保持器，用于容纳紧凑环；电源，用于提供电流脉冲；以及控制器，用于主动控制脉冲的电流分布以将等离子体的q分布保持在预定范围内。公开了通过控制电流脉冲的电流分布来控制磁化等离子体的磁寿命的方法的示例。

Description

用于控制等离子体磁场的系统和方法
技术领域
本公开内容大体上涉及用于控制等离子体磁场的衰减时间的系统和方法，特别涉及用于通过控制等离子体磁场来控制等离子体稳定性的系统和方法。
背景技术
除非本文中另有指明，否则本部分中所描述的材料不是关于本申请的权利要求书的现有技术，并且不会由于被包括在本部分中而被认为是现有技术。
等离子体是与气体相似的物质的状态，其中，粒子的至少一部分被电离。带电粒子(例如，正离子和负电子)的存在使得等离子体导电。磁场足够强以影响带电粒子的运动的等离子体被称为磁化等离子体。等离子体环是被成型为环向配置(圆环形状)、具有链接的极向闭合磁场线和环向闭合磁场线(在一些情况下)的自持式磁化等离子体。环向磁场包括平行于等离子体环的磁轴的磁场线。环向场由围绕等离子体的磁轴沿极向方向流动的电流来产生。极向磁场包括围绕等离子体环的磁轴的磁场线并且由平行于磁轴沿环向方向流动的电流来产生。由于磁场线沿环向方向和极向方向绕等离子体转很多圈，因此磁场线在距等离子体的磁轴的恒定半径处限定了“通量面”。极向磁通量和环向磁通量的磁链程度限定了等离子体环的螺旋性。包含在单连通容积中的等离子体环被称为紧凑环(compacttoroid，CT)。CT配置可以包括例如：球马克(spheromak)配置，球马克配置接近于内部磁场具有环向分量和极向分量二者的稳定磁流体动力学平衡而存在；或场反向配置(FRC)，FRC也具有环向磁拓扑，但在轴向方向上可以更长，其外表面类似于长椭球，并且FRC主要具有极向磁场而没有环向磁场分量。CT等离子体可以以一定范围的磁配置形成，磁配置包括以处于球马克状态与FRC状态之间的状态存在的磁配置。磁化等离子体的其他配置包括托卡马克(tokamaks)、反向场箍缩(RFP)以及仿星器，所有这些配置使用外部线圈来在等离子体约束室(通量保持室)的壁处提供环向磁场。相比之下，球马克和FRC不以外部线圈来提供等离子体的环向磁场，而是由在等离子体中流动的电流来产生磁场。
受控热核聚变是基于存在于等离子体中的轻核的聚变来形成较重的核。等离子体需要约束核达足够长的时间以允许足够的这样的核发生聚变。因此，对于任何聚变系统和聚变方案而言，稳定并且将等离子体保持在稳定配置中是非常重要的。在磁化等离子体配置的情况下，等离子体磁场(极向场分量和/或环向场分量)是与等离子体稳定性和等离子体性能有关的关键等离子体性质。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于控制等离子体磁场的衰减的系统。该系统包括控制器，该控制器包括输入单元、处理单元以及输出单元。被定位在各个径向位置、轴向位置以及角位置处的多个测量探头被配置成向控制器的输入单元提供等离子体的至少一个参数的信号。设置与控制器的输出单元进行通信的电源。电源被配置成向系统提供一个或更多个另外的轴向电流脉冲以增强等离子体的环向场。电源具有用于调节电感与电阻比(L/R)时间常数以调节电流脉冲的电流衰减时间的装置。控制器具有包括程序代码的存储器，所述程序代码能够由处理单元执行以处理从多个测量探头获得的信号以识别从探头获得的信号中的不规则性并且当在来自探头中的至少一个探头的信号中检测到不规则性时触发电源以提供轴向电流脉冲。电力系统的L/R时间常数被调节成短于等离子体的极向场的最短衰减时间。
在另一方面中，控制器还包括能够由处理单元执行以进行以下操作的程序代码：计算等离子体的环向磁场与极向磁场的比率，并且比较所计算的比率与实验得到的下限阈值。当所计算的比率低于下限阈值时，控制器触发电源以提供另外的轴向电流脉冲。控制器还包括能够由处理单元执行以将磁场比率保持在下限阈值与上限阈值之间的程序代码。
在一个方面中，控制器还包括能够由处理单元执行以检测从多个探头获得的信号中的振荡的程序代码。当在从探头中的至少一个探头获得的信号中检测到振荡时，触发另外的轴向电流脉冲。
控制器还包括能够由处理单元执行以基于从被定位在不同角位置处的探头获得的信号中的振荡的相位来计算等离子体的不稳定模式的程序代码。该程序代码还能够被执行成基于所计算的不稳定模式来调节对轴向电流脉冲的触发的定时。
在另一方面中，提供了一种控制等离子体磁场的衰减时间的方法。该方法包括：将电感与电阻比(L/R)时间常数调节成短于磁化等离子体的极向场的最短衰减时间；由被定位在通量保持室的壁中的各个径向位置、轴向位置以及角位置处的多个探头来测量等离子体的一个或更多个参数，以检测距等离子体的磁轴的各个角位置和径向位置处的参数；处理从多个探头获得的信号；检测所获得的信号中的不规则性并且基于在至少一个探头的信号中检测到的不规则性来触发电源以提供另外的轴向电流脉冲。
除了上述各个方面和实施方式之外，通过参照附图和对以下详细描述的研究，另外的方面和实施方式将变得明显。
附图说明
贯穿附图，可以重复使用附图标记以指示所标记的要素之间的对应性。附图被提供用以说明本文中描述的示例实施方式，而不意在限制本公开内容的范围。附图中要素的尺寸和相对位置未必按比例绘制。例如，角度和各种元件的形状未按比例绘制，并且这些要素中的一些要素被任意放大和定位以提高附图易读性。
图1是用于生成和约束等离子体的包括等离子体生成器、通量保持器和电源的系统的示例的剖面侧视图。
图2A是示出当在等离子体约束系统中驱动太多轴向电流时从若干探头获得的等离子体的极向磁场线的图。
图2B是示出当在等离子体约束系统中没有驱动足够的轴向电流时从若干探头获得的等离子体的极向磁场线的图。
图3A和图3B分别示出当在等离子体约束系统中没有驱动轴向电流时从若干探头获得的等离子体的极向磁场线和环向磁场线的图。
图4A和图4B分别示出当在等离子体约束系统中驱动轴向电流时从若干探头获得的等离子体的极向磁场线和环向磁场线的图。
图5是用于控制和调节等离子体的环向磁场的控制器的示意图。
图6A是示出在各个径向位置处的若干测量探头的通量保持器的示例的剖面侧视图。
图6B是图6A的通量保持器的示出若干测量探头的径向位置和角位置的顶视图。
图7是示出从可见光光电传感器获得的信号及其与等离子体磁场的相关性的图。
具体实施方式
如之前在本文中提及的，磁化等离子体中的磁场中的大部分磁场由在等离子体自身和/或通量保持室的壁中流动的电流生成。磁化等离子体中的磁场通过抑制热能和粒子从等离子体的核心区转移至其边缘来约束等离子体能量。由于带电粒子在磁场中的路径被约束为沿着磁场线行进的螺旋状，因此应当格外注意确保磁场线沿环向方向和极向方向前进，而不是沿径向方向前进，以避免从等离子体的核至边缘的直接路径。可以通过追踪场线和对场线在完成一个极向圈之前完成的环向圈的数目进行计数来最佳地描述在通量面上环向场与极向场的比率，该数目被称为安全因子或q因子。本文下面使用的“q分布”意指等离子体的沿其半径的q因子的平均值。由于等离子体的核心区处的q因子通常不同于等离子体的边缘处的q因子，因此q分布是等离子体的沿其半径的q因子。通常，安全因子为其中，m是沿极向方向的振荡并且n是沿环向方向的振荡。当q是有理数(被表示为两个整数m和n的分式的数)并且整数m和n具有低值(例如，m和n的值小于3)时，等离子体将产生谐振并且将形成不对称。通常，该不对称围绕环旋转并且可以通过从传感器获得的信号的相位来适时地检测为振荡。这样的不对称会减小等离子体配置的热能约束。
磁场中的电流将经受力(洛伦兹力)，该力与磁场的强度和垂直于磁场矢量流动的电流的幅度成比例。该力可以用矢量方程表示为：
只有当电流平行于磁场流动时，电流才会不经受洛伦兹力
当向等离子体(或任意非刚性体)施加洛伦兹力时，洛伦兹力将使等离子体加速直到不再存在向其施加的净力为止，此时等离子体处于平衡状态或不受力状态。在CT(CT是具有内部电流和磁场的自磁化等离子体)的情况下，该平衡状态是电流平行于磁场流动的特定阶段。
因此，存在电流和磁场在各处处于平衡状态并且等离子体的任何部分都不经受力的特定相对电流分布。如本文所使用的，“电流分布”意指某一时间段内在系统中流动的电流的值(作为半径的函数)。通常，磁化等离子体的特征在于极向场和极向电流(电流和磁场沿着相同方向)以及环向场和环向电流。极向电流产生环向场，而环向电流产生极向场。如果等离子体在各处具有均匀的温度，则等离子体磁寿命τmag将按比例表示为：
其中Te是电子温度。然而，等离子体不具有均匀的温度，这意味着等离子体边缘(此处等离子体更冷)中的电流衰减的速率比等离子体核心区中的电流衰减的速率快。将非均匀等离子体的磁寿命描述为：
随着边缘电流衰减，失去平衡并且等离子体被磁力推来推去。随着边缘中的电流耗散，来自等离子体芯的电流被输送至边缘，这使核心区电流以比根据Spitzer电阻率(基于电子-离子碰撞的电阻率)所预测的速率更快地下降。
因此，为了改善等离子体约束，建议使在通量保持室中流过另外的电流以增强等离子体的环向场，从而增大等离子体的q分布。这样的另外的一个或更多个电流脉冲在通量保持器中被驱动，并且在等离子体形成电流脉冲衰减之后被触发。另外的电流脉冲被驱动通过通量保持器的壁并且沿着通过环的轴线延伸的中心杆(参见图1的中心杆14a)。该另外的电流脉冲被称为轴向电流脉冲，并且在本文中被定义为流过通量保持室的壁和中心杆并且在等离子体形成电流脉冲的衰减之后被触发的电流。
每当等离子体的q因子达到有理数如1/2、1、3/2、2等时，等离子体环的约束变得不稳定。利用(加拿大本拿比的)通用聚变公司正在构建的等离子体生成器的某些原型的实验表明极向场随着等离子体电流的衰减而衰减，而环向场以等离子体约束系统(例如，等离子体生成器)的时间常数L/R(电感/电阻)进行减小。由于极向磁场和环向磁场以不同速率衰减，因此q因子上升或下降直到其达到有理分数，此时等离子体不稳定性出现，从而引起等离子体约束的崩溃。图2A示出了当在通量保持器中驱动过多轴向电流时从不同探头获得的等离子体的极向场随时间的曲线图(每个探头对应一条曲线)。由图2A中的曲线图可以注意到，当在通量保持器中驱动过多电流时，环向场增强并且q分布可以上升至例如1(在初始等离子体的q分布在1/2与1之间的情况下)，从而引起等离子体的旋涡运动(振荡200)，导致通量面被破坏、能量损耗加快以及等离子体寿命缩短。因此，当极向场下降更快(或环向场增强比极向场的衰减更快)时，q分布将增大，并且当达到q有理数(即q＝1)时，等离子体变得不稳定(例如，n＝1不稳定模式)。这是所谓的“过维持的”等离子体。图2B示出了当在通量保持器中没有驱动足够的轴向电流时从不同探头获得的等离子体的极向场随时间的曲线图(每个探头对应一条曲线)。当在通量保持器中没有驱动足够的轴向电流时，环向场比极向场下降得快，并且q分布将减小并且可以达到q＝1/2(在初始等离子体的q分布在1/2与1之间的情况下)，这可以导致如振荡210所示的等离子体不稳定(例如，n＝2不稳定模式)。这是所谓的“欠维持的”等离子体。从该曲线图中可以注意到，n＝2不稳定模式可以不使等离子体崩溃(不如n＝1模式那么糟糕)，但是它缩短了等离子体的寿命，这可以在比较图2B的曲线图与图4A的曲线图时看出，图4A示出了被维持的等离子体(当在通量保持器中驱动一个或更多个轴向电流脉冲时存在的等离子体)的磁场。可以注意到，图4A的曲线图中的等离子体的磁场寿命比图2B所示的等离子体的磁场寿命长得多(避免了n＝2不稳定)。
有必要将等离子体的q因子控制和调节在期望的范围内以使等离子体保持稳定。微调和调节等离子体的q分布可以导致低的等离子体波动和改善的等离子体约束。对等离子体的q分布的测量和控制是需要复杂建模的复杂运用。然而，本发明人已经发现，等离子体的环向场与极向场的比率可以用作q分布测量的代表。环向场与极向场的比率可以被主动且实时地控制和保持为与预定q值有关的实验确定的最优值。在一个实施例中，这可以通过调节外部电流驱动来实现。例如，当磁场比率下降至某个实验确定的值(例如，q因子接近有理数，例如1/2)时，可以通过例如在通量保持室中驱动极向电流(轴向电流)来增强环向场，这将提高磁场比率，从而将等离子体的q保持在临界值之间(1/2<q<1)。
图1示意性地示出了用于生成和约束等离子体的系统10的示例，该系统10具有等离子体生成器12、目标室如通量保持器14以及具有形成电源子系统22a和维持电源子系统22b的电源22。通量保持器14包括轴向中心杆14a。电源22可以是脉冲电源，所述脉冲电源包括用于提供形成脉冲的一个或更多个电容器组和用于提供另外的电力脉冲如流过中心杆14a和通量保持器14的壁的轴向电流脉冲的一个或更多个电容器组。在一个实施例中，提供形成脉冲的一个或更多个电容器组也可以提供另外的/轴向电流脉冲。生成器12被配置成生成磁化环向等离子体，例如球马克或任何其它适当的磁化等离子体配置。生成器12可以包括外电极16和同轴内电极15。内电极15和外电极16在其间限定环形等离子体形成通道17。等离子体生成器12可以例如是一级马歇尔(Marshall)枪或者两级或更多级马歇尔枪，马歇尔枪除了包括形成部分外还可以包括加速部分以用于朝向通量保持器14加速形成的等离子体环。尽管图1示出了不具有加速部分的一级马歇尔枪，然而本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，等离子体生成器12可以是被配置成生成等离子体环和/或朝向通量保持器14加速等离子体环的任何其他已知的等离子体生成器。
生成器12还包括被配置成提供径向填充磁场以形成等离子体的极向场(参见图2A)的一系列磁线圈18。电源(不同于电源22)可以用于向线圈18供应电流。预定量的气体通过位于生成器的壳体的外周的一圈阀20被注入到环形通道17中(为了清楚起见，图1中仅示出两个阀20而省略了其余阀)。每个阀20与气体储存器(未示出)流体连通，并且每个阀20能够操作成提供将气体基本上对称地引入形成通道17中。注入的气体可以是例如轻元素的一个或更多个同位素——即氢的同位素(例如氘和/或氚)和/或氦的同位素(例如氦-3)——或任何其它气体或气体混合物。气体的对称引入使得在通道17中形成环形气体云。系统10还可以通过使用连接至泵送端口24的泵送系统而至少部分地被排空。可以在沿着等离子体生成器12和/或通量保持器14的各个轴向位置处设置若干观察端口，以容纳各个测量探头/检测器。可以提供诊断阵列以测量各个径向位置或轴向位置处的等离子体的参数(例如，磁场、温度、密度、杂质)以及系统的参数(例如，电流、电压等)。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以使用任何其它配置的等离子体生成器、线圈或气体阀。
线圈18在气体被注入环形通道17中之前并且在电流在电极15与16之间放电之前建立填充磁场。例如，可以在放电之前的几秒钟施加填充磁场。一旦气体已经扩散为至少部分地填充形成通道17，则电源22的形成子系统22a(例如，形成电容器组)可以被触发，从而引起形成电流脉冲在电极15与16之间流动。电流沿着基本上径向方向通过气体，使气体电离并且形成等离子体。该电流可以生成等离子体中的环向磁场，并且磁压的梯度可以施加力(洛伦兹力)该力可以引起等离子体沿着环形通道17朝向通量保持器14运动。随着等离子体朝向通量保持器14移动，等离子体与由线圈18生成的填充磁场相互作用。使等离子体朝向通量保持器14移位的力具有足够的强度来克服填充磁场的张力，使得填充场由于前进的等离子体(起泡阶段)而变弱和变形。最终，等离子体挣脱使得磁场可以包裹等离子体，从而形成具有极向磁场和环向磁场的磁化等离子体环。一旦生成器12(例如，等离子体枪)停止注入环向通量，则等离子体中的磁场迅速自组织以形成等离子体环，例如球马克。
在形成脉冲衰减之后，可以触发源22的维持子系统22b(维持电容器组)以提供一个或更多个另外的电流脉冲，使得电流继续在通量保持器14(室14的轴向杆14a和壁)中流动。这样的另外的轴向电流脉冲与初始形成脉冲相比处于降低的水平。例如，形成电流脉冲可以是约500-900kA且持续约10-40μs。另外的电流脉冲可以是约150-250kA，并且其可以被设计成取决于系统的参数以约100μs-5ms的L/R(电感/电阻)时间常数进行衰减。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以提供不同的电流值或L/R时间尺度值。可以通过适当地选择L和/或R例如通过针对系统10的电感L的给定值选择电阻R来改变L/R时间尺度。
图3A示出了在通用聚变公司进行的实验中获得的当在通量保持器14中没有驱动另外的轴向电流时等离子体的极向场的示例，图4A示出了当在通量保持器14中驱动另外的(轴向)电流时的极向场。图3B和图4B分别示出了这样的未维持的等离子体的环向场和被维持的等离子体的环向场。可以注意到，当不提供另外的轴向电流脉冲时，等离子体的磁场持续最多约200μs(参见图3A)，而在提供另外的轴向电流脉冲的情况下(参见图4A)等离子体存活得更久(例如，约600μs)。如图4A所示，当除形成脉冲之外还触发另外的轴向电流脉冲时，等离子体环在形成期间的开始处经受一些湍流，但在该初始湍流之后，等离子体环变得非常平静(稳定)直到在600μs处出现湍流为止，该湍流使得放电和等离子体终止。
在等离子体稳定/弛豫时段期间，等离子体的q将取决于环向场还是极向场衰减更快而上升或下降。通常，极向场(来自等离子体中的环向电流)比可以通过轴向电流来保持的环向场衰减得更快。通过在稳定期间减少电感使得q下降，可以使用轴向电流放电来使q远离有理数值。为了主动控制另外的轴向电流脉冲以使等离子体保持稳定达较长时间，已经提供了控制器501(参见图5)。由于极向场的衰减速率随着发射而变化(极向场随着等离子体电流的衰减而衰减)，因此需要控制和调节环向场以与极向衰减速率匹配，使得等离子体的q分布可以在不同于有理分数的值处例如在1/2与1(1/2<q<1)之间保持近似恒定。控制器501包括输入单元、输出单元以及处理单元，控制器501可以位于远离系统10的位置。控制器501与若干探头502通信。探头502可以提供随时间变化的等离子体的参数的信号。例如，探头502可以是可以被定位在通量保持器14的壁和/或等离子体枪12中的磁探头(例如，B点探头或任何其它适当的磁探头)，并且探头502可以被配置成提供等离子体中的极向场和环向场的信号。磁探头可以提供随时间变化的在各种轴向/径向位置和/或角位置处的等离子体的磁场的数据(极向分量和环向分量)。图6A示出了通量保持器14的示例，其示出了被定位在通量守恒器14的上部(杆14a的上部)的若干探头502a和被定为在通量守恒器14的下部(杆14a的下部)的若干探头502b。探头502a和502b可以是磁探头，并且每个这样的探头可以针对等离子体的极向场提供一个信号并且针对等离子体的环向场提供另一个信号。例如，探头502a、502b中的每个探头可以包括位于探头的尖端附近的两个单独的线圈。线圈中的一个线圈可以被定向为使得其将捕获等离子体的极向场的信号，并且另一个线圈可以被定向成测量等离子体的环向场。探头502a、502b中的每个探头具有不同的径向位置、轴向位置和/或角位置，使得可以随时间测量等离子体中的各个径向位置、轴向位置和/或角位置处的磁场。基于来自各个径向/角位置处的各个探头的信号，可以对等离子体的极向场线和环向场线进行建模，并且可以外推等离子体的q分布。图6B示出了探头在各个角度处的位置。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，探头的数目及其位置可以变化。在一个实施例中，探头502可以是可以提供等离子体的极向电流和环向电流的信号的电流测量探头或电压测量探头。在另一实施方式中，探头502可以是干涉仪、x射线光电二极管、图像检测传感器或可以提供等离子体参数的信息的任何其它传感器。例如，图7示出了从可见光传感器(即光纤)获得的信号的示例，该可见光传感器检测从等离子体辐射的光及其与等离子体的磁场的相关性。可以注意到，当等离子体经受如被描绘为磁场信号700中的振荡710的一些湍流/不稳定时，可见光信号800也示出活动(振荡810)。因此，控制器501可以接收来自除磁探头之外的传感器的信号作为输入，并且可以处理这样的信号以检测这样的信号中的任何不规则性(或振荡)。在一个实施例中，可以向控制器501馈送来自在系统10中使用的所有传感器的信号。
来自探头502的信号作为输入通过输入单元被馈送至控制器501中。在一个实施例中，控制器501可以包括存储有程序代码的存储器，所述程序代码能够由处理单元执行以处理信号并且实时地估计每个位置处的环向场与极向场的比率和/或平均比率值。在实验上，针对系统10的预定义参数，找到了比率的最优阈值范围，对于该最优阈值范围，等离子体的外推q分布保持在有理值之间(例如，在1/2与1之间)。将这样的用实验方法找到的最优值(最优范围)输入控制器501中，使得控制器501可以将基于来自探头的信号所计算的磁场比率与阈值进行比较。如果磁场比率的测量信号接近于或低于最优实验阈值的下限值，则控制器501向电源22发送用于触发一个或更多个维持电容器组22b的输出信号以触发轴向电流脉冲来提高环向场，从而将磁场比率恒定保持在实验找到的最优范围内。
在系统10的一个实施例中，电源22的维持子系统22b设置有电感器和/或横杆二极管布置26(参见图1)以调节电感与电阻比(L/R)时间常数并且在通量保持器14的壁和中心杆14a中提供循环轴向电流。电流可以被调节成以时间常数L/R进行衰减。这可以通过调节电感器和/或二极管26来完成。如果时间常数L/R被设置得太长，则环向场比极向场衰减得慢并且等离子体的磁场比率将上涨，从而导致等离子体湍流(n＝1不稳定模式)。如果时间常数L/R被设置得太短，则环向场会比极向场衰减得快并且磁场比率下跌，从而再次导致等离子体湍流(n＝2不稳定模式)。为了具有电流脉冲的伺服控制，时间常数L/R需要被设置成短于极向场的最短衰减时间，使得环向磁场与极向磁场的比率可以向下漂移。例如，针对具有250-300μs之间的磁寿命的等离子体，可以将L/R时间常数设置为约200μs。代替同时激发维持组的所有电容器，将若干电容器留出备用。当控制器501指示估计的比率下降至低于实验得到的阈值时，控制器501可以向电源22发送信号以触发维持组22b中的另一个电容器以提高极向电流(环向场)，并且因此提高磁场的比率。例如，当环向场与极向场的比率下降至低于0.6时，控制器501触发电源22以提高磁场比率。然而，被触发以控制磁场比率的另外的(轴向)电流脉冲被设置为使得该比率不超过上限阈值例如0.9。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，L/R时间常数的值以及下限阈值和上限阈值可以取决于等离子体配置并且因此取决于下述等离子体的q分布而不同，其中人们想要将这样的等离子体保持在该等离子体的q分布中。以这种方式，不管极向场的衰减速率如何，磁场的比率(间接地等离子体的q分布)可以保持在最优阈值窗口内。
当等离子体环在q＝1/2处变得不稳定时，不稳定呈现为n＝2模式并且可以通过从被定位在彼此不同的角位置处的探头502获得的信号的相位来确定，其中，该信号的相位将示出相关的不稳定。当等离子体环在q＝1处变得不稳定时，不稳定示出n＝1模式并且可以通过来自被定位在不同角位置处的探头502的信号的相位来确定，其中，该信号的相位将示出具有反相关关系的不稳定。
在一个实施例中，处理单元可以执行下述程序代码，所述程序代码处理来自探头502如磁探头、干涉仪、x射线光电二极管、可见光检测器或任何其它传感器的信号以检测信号中的任何振荡(即图2A、图2B中的振荡200、210或图7中的振荡710、810)。这些振荡可以指示由太小的环向磁场引起的等离子体的不稳定。当控制器在来自一个或多个探头的信号中检测到振荡时，控制器触发电源22以提供另外的电流脉冲，以增强等离子体的环向场。在一个实施方式中，控制器可以包括存储有程序代码的存储器，所述程序代码能够由处理单元执行以基于从环绕通量保持器14的不同角位置处的不同探头获得的信号中的振荡的相位来计算等离子体的不稳定模式。例如，如果所识别的振荡指示不稳定模式2(q＝1/2)，则触发另外的轴向电流脉冲以增强等离子体的环向场，从而将等离子体的q提高为高于1/2。在所识别的不稳定模式为n＝1的情况下，控制器不触发电源，而是可以调节L/R时间常数。在另一实施例中，控制器501可以包括能够由处理单元执行的程序代码，其可以处理从x射线探头获得的信号，并且当信号下降指示等离子体冷却时，控制器501可以向电源22发送信号以触发另外的轴向电流脉冲。在一个实施方式中，处理单元可以执行可以处理来自任何探头或所有探头的任何和所有信号的程序代码，如果来自探头中的至少一个探头的信号指示出现等离子体不稳定，则处理单元可以决定在室14中触发另外的极向电流。
公开了具有用于控制等离子体磁场的衰减时间的控制器的等离子体生成系统的实施方式。任何这样的实施方式可以用于生成适于在中子生成器、核聚变、核废料补救中应用的高能量密度等离子体、生成医疗核苷酸、用于材料研究、用于经由中子射线照相术和断层扫描、X射线生成器等对对象的内部结构进行远程成像。
虽然已经示出和描述了本公开内容的特定元件、实施方式和应用，但是将理解，本公开内容的范围不限于此，这是因为可以在不偏离本公开内容的范围的情况下特别是根据前述教导做出修改。因此，例如，在本文公开的任何方法或处理中，组成方法/处理的动作或操作可以以任何适当的顺序执行并且不必限于任何特定公开的顺序。在各种实施方式中，元件和部件可以被不同地配置或布置、组合和/或去除。上述各种特征和处理可以彼此独立地被使用，或者可以以各种方式被组合。所有可能的组合和子组合意在落入本公开内容的范围内。贯穿本公开内容提及“一些实施方式”、“一种实施方式”等意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、步骤、处理或特性包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本公开内容，短语“在一些实施方式中”、“在实施方式中”等的出现未必全部指的是同一实施方式，而是可以指同一实施方式或不同实施方式中的一个或更多个实施方式。实际上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其它形式实施；此外，在不偏离本文所描述的本发明的精神的情况下，可以对本文所描述的实施方式在形式上做出各种省略、添加、替换、等同、重新布置和改变。
已经视情况描述了实施方式的各个方面和优点。应当理解，根据任何特定实施方式未必可以实现所有这样的方面或优点。因此，例如，应当认识到，可以以实现或优化如本文教导的一个优点或一组优点而未必实现如本文可教导或建议的其他方面或优点的方式来实现各个实施方式。
除非另有特别说明或在所使用的上下文中另有其他理解，否则本文使用的条件语言如其中的“可以”、“能够”、“也许”、“可能”、“例如”通常意在表达某些实施方式包括某些特征、要素和/或步骤而其它实施方式不包括某些特征、要素和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不意在暗指：特征、要素和/或步骤在任何方式情况下对于一个或更多个实施方式是必需的，或者一个或更多个实施方式必然包括用于不论在有或没有操作者输入或提示的情况下都决定这些特征、要素和/或步骤是否被包括在任何特定实施方式中或要在任何特定实施方式中执行的逻辑。对于任何特定实施方式，没有任何单个特征或一组特征是必需的或不可缺少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词且以开放式的方式被包含性地使用，并且不排除另外的要素、特征、动作、操作等。另外，术语“或”在其包含性的意义(而不是其排他性的意义)上被使用，使得在例如用于连接一系列要素时，术语“或”意指一系列要素中的一个要素、一些要素或所有要素。
除非另有特别说明，否则诸如短语“X，Y和Z中的至少一个”的连接语言根据所使用的上下文的情况下通常被另外理解成项目、项等可以是X、Y或Z。因此，这样的连接语言通常不意在暗指某些实施方式需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个均存在。
本文描述的实施方式的示例计算、模拟、结果、曲线图、值和参数意在说明所公开的实施方式而不限制所公开的实施方式。其他实施方式可以与本文描述的说明性示例不同地被配置和/或操作。实际上，本文描述的新颖方法和装置可以以各种其他形式来实施；此外，在不偏离本文公开的本发明的精神的情况下，可以对本文描述的方法和系统在形式上做出各种省略、替换和改变。

Claims (10)

1.一种用于控制磁化等离子体的磁寿命的系统，所述系统包括：
控制器，所述控制器包括输入单元、处理单元以及输出单元；
多个测量探头，所述多个测量探头被定位在各个径向位置、轴向位置以及角位置处，所述多个测量探头中的每个测量探头被配置成向所述控制器的所述输入单元提供所述等离子体的至少一个参数的信号；以及
电源，所述电源与所述控制器的所述输出单元进行通信，所述电源被配置成向所述系统提供一个或更多个另外的电流脉冲以增强所述等离子体的环向磁场，所述电源具有用于调节所述电源的电感与电阻比(L/R)时间常数以调节所述电流脉冲的电流衰减的装置，
所述控制器具有包括程序代码的存储器，所述程序代码能够由所述处理单元执行以处理从所述多个测量探头获得的信号以检测所获得的信号中的不规则性并且基于在至少一个探头的信号中检测到的不规则性来触发所述电源以提供另外的电流脉冲，
其中，所述电源的所述电感与电阻比(L/R)时间常数被调节成短于所述等离子体的极向场的衰减时间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于调节所述电感与电阻比(L/R)时间常数的所述装置是电感器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还包括能够由所述处理单元执行以进行以下操作的程序代码：进一步计算所述等离子体的环向磁场与极向磁场的比率，比较所计算的比率与实验得到的下限阈值，以及当所计算的比率低于所述下限阈值时触发所述电源以提供所述另外的电流脉冲。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器还包括能够由所述处理单元执行以将所述等离子体的环向磁场与极向磁场的比率保持在所述下限阈值与上限阈值之间的程序代码。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还包括能够由所述处理单元执行以进一步检测从所述探头获得的任何信号中的任何振荡的程序代码，其中，当在从所述探头中的至少一个探头获得的信号中检测到振荡时，触发所述另外的电流脉冲。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还包括能够由所述处理单元执行以基于从被定位在不同角位置处的所述探头获得的信号中的振荡的相位来计算所述等离子体的不稳定模式的程序代码，所述程序代码还能够被执行成基于所计算的不稳定模式来调节对所述另外的电流脉冲的触发的定时。
7.一种用于控制磁化等离子体的磁寿命的方法，所述方法包括：
将电源的电感与电阻比(L/R)时间常数调节成短于所述磁化等离子体的极向场的衰减时间；
由被定位在通量保持室的壁中的各个径向位置、轴向位置以及角位置处的多个探头来测量所述等离子体的一个或更多个参数，以检测距所述等离子体的磁轴的各个位置处的参数；
处理从所述多个探头获得的信号并且检测所获得的信号中的不规则性；以及
基于在至少一个探头的信号中检测到的不规则性来触发所述电源以提供另外的电流脉冲。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括：计算所述等离子体的环向磁场与极向磁场的比率，比较所计算的比率与实验得到的下限阈值，以及当所计算的比率低于所述实验得到的下限阈值时触发所述电源以提供所述另外的电流脉冲。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括：检测从所述探头获得的信号中是否存在任何振荡，以及当检测到振荡时触发所述另外的电流脉冲。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：基于来自被定位在不同角位置处的所述探头的信号中的振荡的相位来计算所述等离子体的不稳定模式，以及基于所计算的不稳定模式来调节对所述另外的电流脉冲的触发的定时。
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