CN110024489B

CN110024489B - 用于对高性能frc和在高性能frc中的高次谐波快波电子加热的改善支持的系统和方法

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Publication number: CN110024489B
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Inventors: X.杨
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Filing date: 2017-11-15
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Abstract

有利于形成和维持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC的系统和方法，并且更具体地，利用中性束注入和高次谐波快波电子加热来有利于形成和维持具有升高的系统能量和改善的支持的FRC的系统和方法。

Description

用于对高性能FRC和在高性能FRC中的高次谐波快波电子加热的改善支持的系统和方法

技术领域

本文描述的实施例总体上涉及具有反场构型（FRC）的磁等离子体约束系统，且更具体地涉及有利于形成和维持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC的系统和方法，且更具体地涉及有利于FRC中的高次谐波快波电子加热的系统和方法。

背景技术

反场构型（FRC）属于称作紧凑环（CT）的磁等离子体约束拓扑的类别。FRC主要展现极向磁场并具有为零或者小的自生环形场（见M. Tuszewski, Nucl. Fusion 28, 2033（1988））。这种构型的吸引力在于其简单的几何形状以便于构造和维护，用于有利于能量提取和去灰的自然不受限制的偏滤器，以及非常高的β（β是FRC内平均等离子体压力与平均磁场压力的比率），即，高功率密度。高β特性对于经济的操作以及对于使用先进的、无中子燃料（诸如，D-He³和p-B¹¹）是有利的。

形成FRC的传统方法使用场反向θ-箍缩技术，产生热的高密度等离子体（见A.L.Hoffman和J.T.Slough，Nucl.Fusion 33, 27（1993））。对此的一种变型是移动捕获方法，其中在角向箍缩“源”中产生的等离子体或多或少地立即从一端喷射出到约束室中。然后将移动的等离子体团捕获在室的端部处的两个强镜之间（见，例如，H.Himura, S.Okada,S.Sugimoto和S.Goto, Phys.Plasmas 2, 191（1995））。一旦在约束室中，则可以施加各种加热和电流驱动方法，诸如，束注入（中性的或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。源和约束功能的这种分离为潜在的未来核聚变反应器提供关键的工程优点。FRC已被证明非常稳健，适应于动态形成、移动和剧烈捕获事件。此外，它们示出倾向于呈现优选的等离子体状态（见例如H.Y.Guo, A.L.Hoffman, K.E.Miller和L.C.Steinhauer，Phys.Rev.Lett.92,245001（2004））。在过去十年中，在开发其他FRC形成方法方面已取得了显著进展：将具有反向螺旋性的球马克（见例如Y. Ono， M.Inomoto， Y.Ueda, T.Matsuyama和T.Okazaki,Nucl.Fusion 39, 2001（1999））与通过用旋转磁场（RMF）来驱动电流（见例如I.R. Jones,Phys.Plasmas 6, 1950（1999））合并，其也提供附加的稳定性。

最近，很久以前提出的碰撞合并技术（见例如D.R. Wells, Phys. Fluids 9,1010（1966））已经显著地进一步发展：在约束室的相对两端处的两个单独的角向箍缩同时产生两个等离子体团并使等离子体团朝向彼此以高速加速；它们然后在约束室的中心处碰撞并合并以形成复合FRC。在迄今为止最大的FRC实验之一的构造和成功操作中，常规的碰撞合并方法被示出为产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC（见例如M. Binderbauer， H.Y.Guo， M Tuszewski等，Phys.Rev.Lett.105, 045003（2010））。

FRC包括分界面内的闭合场线的环和正好在分界面外的开放场线上的环形边缘层。边缘层合并成超过FRC长度的射流，提供自然偏滤器。FRC拓扑与场反向镜等离子体的拓扑一致。然而，显著差异在于FRC等离子体具有大约为10的β。固有的低内部磁场提供某些固有的动力学粒子布居（population），即，具有与FRC小半径相当的大的拉莫尔半径的粒子。正是这些强烈的动力学作用呈现至少部分地有助于过去和现在的FRC（诸如，在碰撞合并实验中产生的那些）的总体稳定性。

过去的FRC实验倾向于受对流损失主导，其中能量约束在很大程度上由粒子传输确定。粒子主要径向地扩散到分界面容积之外，并且然后在边缘层中轴向地损失。因此，FRC约束取决于封闭和开放场线区域两者的性质。到分界面外的粒子扩散时间尺度为τ

~a²/D

（a~r_s/4，其中r_s为中心分界面半径），并且D

是特征FRC扩散率，诸如，D

~12.5ρ_ie，其中ρ_ie表示离子回旋半径（gyroradius），其在外部施加的磁场下进行评估。边缘层粒子约束时间τ_∥在过去的FRC实验中基本上是的轴向传输时间。在稳态中，径向与轴向粒子损失之间的平衡产生分界面密度梯度长度δ ~ （D

τ_∥）^1/2。对于在分界面处具有相当大密度的过去的FRC，FRC粒子约束时间尺度为（τ

τ_∥）^1/2（见例如M. TUSZEWSKI，“Field ReversedConfigurations”，Nucl. Fusion 28, 2033（1988））。

现有FRC系统设计的另一缺点是缺乏除中性束注入之外的有效电子加热机制（regime），由于通过离子-电子碰撞对电子进行功率阻尼（power damping）的机制，其倾向于具有不良的电子加热效率。

鉴于前述内容，因此，期望改善FRC的支持以便使用具有升高的能量系统的稳态FRC作为通向用于未来一代能源的轻核聚变的反应器芯的路径。

发明内容

本文提供的本实施例涉及有利于形成和维持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC的系统和方法，并且更具体地涉及有利于形成和维持具有升高的系统能量和改善的支持的FRC的系统和方法，并且更具体地涉及有利于FRC中的高次谐波快波电子加热的系统和方法。根据本公开的实施例，用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法包括：在约束室中形成关于等离子体的FRC，将多个中性束朝向约束室的中间平面成角度地注入到FRC等离子体中，以及将射频范围内的高次谐波快波发射到FRC等离子体中，以用于FRC等离子体的芯中的电子加热。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：通过相对于约束室的中间贯穿平面成角度地将射频范围内的高次谐波快波发射到FRC等离子体中来维持FRC处于恒定值或大约恒定值而不衰减并将等离子体电子温度升高到高于大约1.0 keV。

在射频范围内经由高次谐波快波加热电子有利地降低了快离子电荷交换损失并改善了等离子体约束，并且提高了等离子体电流驱动效率，其随着电子温度Te而上升。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二CT注入器朝向约束室的中间平面成角度地注入到FRC等离子体中，其中，第一和第二CT注入器在约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

根据本公开的实施例，用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的系统包括：约束室；第一和第二正好相对的FRC生成部分，其联接到约束室第一和第二；第一和第二偏滤器，其联接到第一和第二生成部分；以下中的一者或多者：多个等离子体枪、一个或多个偏压电极以及第一和第二镜塞（plug），其中，多个等离子体枪包括可操作地联接到第一和第二偏滤器、第一和第二生成部分以及约束室的第一和第二轴向等离子体枪；其中，一个或多个偏压电极被定位于以下中的一者或多者内：约束室、第一和第二生成部分以及第一和第二偏滤器；并且其中，第一和第二镜塞被定位于第一和第二生成部分与第一和第二偏滤器之间；吸气（gettering）系统，其联接到约束室和第一和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其联接到约束室并朝向约束室的中间平面成角度；磁系统，其包括多个准直流线圈，该准直流线圈被定位成围绕约束室、第一和第二生成部分以及第一和第二偏滤器，并且第一组和第二组准直流镜线圈被定位于第一和第二生成部分与第一和第二偏滤器之间；以及一个或多个天线，其联接到约束室以发射在射频范围内的高次谐波快波，以用于在约束室内的FRC等离子体的芯中进行电子加热。

根据本公开的又一实施例，该系统还包括：第一和第二紧凑环（CT）注入器，其朝向约束室的中间平面成角度地联接到约束室，其中，第一和第二CT注入器在约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

在查看以下附图以及详细描述之后，示例实施例的系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将显而易见或将变得显而易见。所意图的是，所有此类附加的方法、特征和优点都被包括在此描述内，并且由所附权利要求保护。还意图的是，权利要求不限于需要示例实施例的细节。

附图说明

作为本说明书的一部分而被包括的附图示出了本示例实施例，并且与上文给出的总体描述以及下文给出的示例实施例的详细描述一起用于解释和教导本实施例的原理。

图1图示了在本FRC系统中在高性能FRC机制（HPF）下相对于在常规FRC机制（CR）下以及相对于其他常规FRC实验的粒子约束。

图2图示了本FRC系统的部件以及本FRC系统中可产生的FRC的磁拓扑。

图3A图示了当从顶部查看时本FRC系统的基础布局，包括中心约束容器、生成部分、偏滤器、中性束、电极、等离子体枪、镜塞和弹丸注入器的优选布置。

图3B图示了当从顶部查看时的中心约束容器，并且示出了以正交于中心约束容器中的主对称轴线的角度布置的中性束。

图3C图示了当从顶部查看时的中心约束容器，并且示出了以小于与中心约束容器中的主对称轴线正交的角度布置并被引导成朝向中心约束容器的中间平面注入粒子的中性束。

图3D和3E分别图示了本FRC系统的替代性实施例的基础布局的顶视图和透视图，包括以小于与中心约束容器、电极、等离子体枪和镜塞的主对称轴线正交的角度布置的中心约束容器、生成部分、内部和外部偏滤器、中性束的优选布置。

图4图示了生成部分的脉冲功率系统的部件的示意图。

图5图示了单独的脉冲功率形成撬（skid）的等距视图。

图6图示了生成管组件的等距视图。

图7图示了中性束系统和关键部件的部分截面等距视图。

图8图示了在约束室上的中性束布置的等距视图。

图9图示了钛和锂吸气系统的优选布置的部分截面等距视图。

图10图示了被安装在偏滤器室中的等离子体枪的部分截面等距视图。还示出了相关联的磁镜塞和偏滤器电极组件。

图11图示了在约束室轴向端处的环形偏压电极的优选布局。

图12图示了从在两个反场角向箍缩（reversed-field-theta-pinch）生成部分以及被嵌入在中心金属约束室内的磁探头处的一系列外部抗磁回路获得的FRC系统中排除通量半径的演变。时间从生成源中同步场反向的时刻开始测量，且距离z相对于机器的轴向中间平面给出。

图13A、图13B、图13C和图13D图示了来自本FRC系统上的代表性非HPF、无支持的放电的数据。被示出为时间的函数的是（图13A）在中间平面处的排除通量半径，（图13B）来自中间平面CO2干涉仪的线集成密度的6条弦，（图13C）来自CO2干涉仪数据的阿贝尔反演密度径向分布，以及（图13D）来自压力平衡的总等离子体温度。

图14图示了对于图13A、图13B、图13C和图13D中所示的本FRC系统的相同放电在所选择的时间处的排除通量轴向分布。

图15图示了被安装在约束室外的鞍形线圈的等距视图。

图16A、图16B、图16C和图16D图示了FRC寿命和所注入的中性束的脉冲长度的相关性。如所示出的，更长的束脉冲产生了更长存活的FRC。

图17A、图17B、图17C和图17D，FRC系统的不同部件对于FRC性能和HPF机制的达成的单独的和组合的影响。

图18A、图18B、图18C和图18D图示了来自本FRC系统上的代表性HPF、无支持的放电的数据。被示出为时间的函数的是（图18A）在中间平面处的排除通量半径，（图18B）来自中间平面CO2干涉仪的线集成密度的6条弦，（图18C）来自CO2干涉仪数据的阿贝尔反向密度径向分布，以及（图18D）来自压力平衡的总等离子体温度。

图19图示了作为电子温度（Te）的函数的通量约束。其代表了HPF放电的新建立的优异换算（scaling）机制的图形化图示。

图20图示了对应于非成角度的和成角度的所注入的中性束的脉冲长度的FRC寿命。

图21A、图21B、图21C、图21D和图21E图示了成角度所注入的中性束的脉冲长度和等离子体半径、等离子体密度、等离子体温度的FRC等离子体参数的寿命，和对应于成角度所注入的中性束的脉冲长度的磁通量。

图22A和图22B图示了紧凑环（CT）注入器的基础布局。

图23A和图23B图示了中心约束容器，示出了被安装到中心约束容器的CT注入器。

图24A和图24B图示了具有联接到其上的漂移管的CT注入器的替代性实施例的基础布局。

图25图示了当从顶部查看时的中心约束容器，并且示出了以小于与中心约束容器中的主对称轴线正交的角度布置和被引导以朝向中心约束容器的中间平面注入粒子的中性束，并且示出了天线，高次谐波快波从所述天线以小于与中心约束容器中的主对称轴正交的角度传播并被引导以从中心约束容器的中间平面传播以用于加热等离子体电子。

图26A和图26B图示了本FRC系统的FRC等离子体的完整径向密度分布和完整径向电子温度分布。

图27A-图27D图示了在本FRC系统的中间平面（Z = 0）处的系统平衡和特征频率的径向分布。

图28A-图28C图示了在本FRC系统的FRC等离子体中在处于8GHz的微波的电子加热条件下的功率吸收和模式转换的观察。

图29A-图29F图示了在本FRC系统的FRC等离子体中在处于50GHz的微波的电子加热条件下的功率吸收和模式转换的观察。

图30A-图30C图示了在本FRC系统的FRC等离子体中在处于0.5GHz的哨声波的电子加热条件下的功率吸收的观察。

图31图示了本FRC系统的FRC等离子体中的密度分布和波传播。

图32图示了本FRC系统的FRC等离子体中的极向通量分布和波传播。

图33图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性密度分布和波传播轨迹。

图34图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性ω/ω _ci[D]分布和波传播轨迹。

图35图示了本FRC系统的FRC等离子体中随着波传播距离的示例性功率阻尼。

图36图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性功率吸收密度。

图37A和图37B图示了本FRC系统的FRC等离子体中的功率密度的示例性径向分布。

图38图示了本FRC系统的FRC等离子体中的阻尼功率密度的示例性2D分布。

图39图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性功率阻尼分布。

图40图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性有限离子拉莫尔半径分布。

图41图示了本FRC系统的FRC等离子体中的示例性功率吸收分布。

图42图示了本FRC系统的FRC等离子体的示例性分布。

应注意到的是，附图并不一定按比例绘制，且贯穿附图，类似结构或功能的元件通常由相似附图标记来代表以用于说明目的。还应注意到的是，附图仅意图有利于描述本文中所描述的各种实施例。附图并不一定描述本文中所公开的教导的每个方面并且不限制权利要求的范围。

具体实施方式

本文提供的本实施例涉及有利于形成和维持具有优异的稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC的系统和方法。本实施例中的一些涉及利用中性束注入和高次谐波快波电子加热来有利于形成和维持具有升高的系统能量和温度以及改善的支持的FRC的系统和方法。

现在将参考附图更详细地描述本文中所描述的实施例的代表性示例，这些示例单独地以及组合地利用这些附加的特征和教导中的许多。此详细描述仅意图教导本领域技术人员用于实践本教导的优选方面的进一步细节，且不意图限制本发明的范围。因此，在最宽泛的意义上，以下细节描述中公开的特征和步骤的组合对于实践本发明来说可能并非必要的，而是相反地仅教导来具体地描述本教导的代表性示例。

此外，代表性示例的各种特征以及从属权利要求可以以未具体地且明确地列举的方式组合，以便提供本教导的附加的有用实施例。此外，明确指出的是，出于原始公开的目的、以及出于独立于实施例和/或权利要求中的特征的组成来限制所要求保护的主题的目的，在说明书和/或权利要求中所公开的全部特征都意图被彼此分离且独立地公开。还明确指出的是，出于原始公开的目的以及出于限制所要求保护的主题的目的，所有的值范围或者实体组的指示都公开了每个可能的中间值或者中间实体。

在转到有利于FRC等离子体中的高次谐波快波电子加热的系统和方法之前，提供对于用于形成和维持与常规FRC相比具有优异稳定性以及优异粒子、能量和通量约束的高性能FRC的系统和方法的讨论，以及用于在恒定值或大约恒定值下形成和维持高性能FRC而不衰减的系统和方法的讨论。这种高性能FRC提供了到各种各样的应用的途径，包括紧凑中子源（用于医用同位素生产、核废料治理、材料研究、中子射线照相和断层扫描）、紧凑光子源（用于化学生产和处理）、质量分离和浓缩系统、以及用于光核融合的反应器芯用于未来能量产生。

已经开发了各种辅助系统以及操作模式来评估在FRC中是否存在优异的约束机制。这些努力已经导致突破性的发现以及本文所描述的高性能FRC范例的开发。根据此新范例，本系统和方法组合了大量新颖的理念和手段来如图1中所示显著地改善FRC约束，以及提供没有负面副作用的稳定性控制。如下文更详细地讨论的那样，图1描绘了下文描述的FRC系统10中的粒子约束（见图2和图3），与在其他实验中使用的根据用于形成并维持FRC的常规机制CR进行操作相比，并且与根据用于形成并维持FRC的常规机制的粒子约束相比，其根据用于形成并维持FRC的高性能FRC（HPF）机制进行操作。本公开将概述并详解FRC系统10和方法的创新性单个部件以及它们的综合作用。

FRC系统

真空系统

图2和图3描绘了本FRC系统10的示意图。FRC系统10包括中心约束容器100，其由两个正好相对的反场角向箍缩生成部分200、以及在生成部分200之外的两个偏滤器室300围绕，偏滤器室300用于控制中性密度以及杂质污染。本FRC系统10被构建成适应超高真空并且以10^-8托的典型基础压力操作。这种真空压力需要使用配合部件之间的双泵送配合凸缘、金属O形环、高纯度内壁，以及在组装之前所有零件的细致初始表面处理，诸如，物理和化学清洁，之后是24小时250 ℃下真空烘烤以及氢辉光放电清洁。

反场角向箍缩生成部分200是标准的反场角向箍缩（FRTP），尽管具有下文详细讨论的先进脉冲功率生成系统（见图4到图6）。每个生成部分200由标准不透明的工业级石英管制成，其包括2毫米的超纯石英内衬这一特征。约束室100由不锈钢制成，以允许多个径向和切向端口；其还用作下文描述的实验的时间尺度上的通量保持器（flux conserver）并限制快速磁瞬变。用一组干式涡旋低真空泵、涡轮分子泵和低温泵在FRC系统10内产生并维持真空。

磁系统

图2和图3中图示了磁系统400。除了其他特征之外，图2图示了可由FRC系统10产生的属于FRC 450的FRC磁通量和等密度线（作为径向和轴向坐标的函数）。这些等密度线通过2-D电阻Hall-MHD数字模拟而获得，该数字模拟使用被开发用来模拟对应于FRC系统10的系统和方法的代码并且与测量的实验数据相当一致。如图2中所见，FRC 450包括在分界面451内在FRC 450的内部453处的闭合场线的环，以及正好在分界面451外侧在开放场线452上的环形边缘层456。边缘层456在FRC长度之外合并成射流454，从而提供自然偏滤器。

主磁系统410包括沿着FRC系统10的部件（即，沿着约束室100、生成部分200和偏滤器300）位于特定轴向位置处的一系列准直流线圈412、414和416。准直流线圈412、414和416由准直流开关电源馈送，并且在约束室100、生成部分200和偏滤器300中产生大约0.1 T的基础磁偏移场。除了准直流线圈412、414和416之外，主磁系统410还在约束室100的任一端与邻近的生成部分200之间包括准直流镜线圈420（由开关电源馈送）。准直流镜线圈420提供高达5的磁镜比，并且可以被独立地激励用于平衡成形控制。另外，镜塞440被定位在生成部分200与偏滤器300中的每者之间。镜塞440包括紧凑准直流镜线圈430和镜塞线圈444。准直流镜线圈430包括三个线圈432、434和436（由开关电源馈送），它们产生附加的引导场来使磁通量表面455朝向穿过镜塞线圈444的小直径通道442聚焦。围绕小直径通道442包绕并且由LC脉冲电源电路馈送的镜塞线圈444产生高达4 T的强磁镜场。该整个线圈布置的目的是紧密束缚并且引导磁通量表面455和端部流动的等离子体射流454进入偏滤器300的边远的室310。最后，一组鞍形线圈“天线”460（见图15）位于约束室100外侧，两个在中间平面的每侧上，并且由直流电源馈送。鞍形线圈天线460可以被构造成提供大约0.01 T的准静态磁偶极或者四极场，以用于控制旋转不稳定性和/或电子流控制。取决于所施加的电流的方向，鞍形线圈天线460可灵活地提供关于机器的中间平面对称抑或反对称的磁场。

脉冲功率生成系统

脉冲功率生成系统210基于修改的角向箍缩原理来操作。存在各自为生成部分200中的一个提供能量的两个系统。图4到图6图示了生成系统210的主构建块和布置。生成系统210包括模块化脉冲功率布置，该模块化脉冲功率布置包括单独的单元（=撬）220，其各自激励带组件230（=带）的线圈232的子集，带组件230围绕生成石英管240包绕。每个撬220包括电容221、电感223、快速大电流开关225和相关联的触发器222以及转储电路（dumpcircuitry）224。总体上，每个生成系统210存储350-400 kJ之间的电容能量，其提供高达35GW的功率以形成并加速FRC。这些部件的配合操作经由最先进的触发器和控制系统222和224来实现，其允许在生成系统210之间在每个生成部分200上的同步定时并且将切换跳动最小化至数十纳秒。此模块化设计的优点是其灵活的操作：FRC可以在现场形成并且之后被加速和注入（=静态形成）或者同时形成并加速（=动态形成）。

中性束注入器

在FRC系统10上部署了中性原子束600来提供加热和电流驱动以及形成快粒子压力。如图3A、图3B和图8中所示，单独的束线包括中性原子束注入器系统610和640，它们被定位成围绕中心约束室100并且切向于FRC等离子体（且垂直于或者以与中心约束容器100中的主对称轴线正交的角度）以碰撞参量注入快粒子，使得目标捕获区很好地位于分界面451内（见图2）。每个注入器系统610和640能够将高达1 MW的中性束功率注入具有20与40 keV之间的粒子能量的FRC等离子体。系统610和640基于正离子多孔提取源，并且利用几何聚焦、离子提取网格的惯性冷却和差动泵送。除了使用不同的等离子体源，系统610和640主要的区别在于它们的物理设计以满足它们相应的安装位置，从而产生侧面和顶部注入能力。这些中性束注入器的典型部件在图7中针对侧注入器系统610具体地进行了图示。如图7中所示，每个单独的中性束系统610包括位于输入端（这在系统640用弧源代替）处的RF等离子体源612，且磁屏蔽件614覆盖该端。离子光源和加速网格616联接到等离子体源612上并且闸阀620定位在离子光源和加速网格616与中和器622之间。偏转磁体624和离子转储628位于中和器622和在出口端处的瞄准装置630之间。冷却系统包括两个低温制冷机634、两个低温板636以及LN2护罩638。此灵活的设计允许在宽范围的FRC参数上操作。

用于中性原子束注入器600的替代性构造是这样的构造：切向于FRC等离子体、但是相对于中心约束容器100中的主对称轴线具有小于90°的角度A地注入快粒子。束注入器615的这些类型的取向在图3C中示出。另外，束注入器615可被取向成使得在中心约束容器100的中间平面的任一侧上的束注入器615朝向中间平面注入它们的粒子。最终，这些束系统600的轴向位置可被选择成更靠近中间平面。这些替代性注入实施例有利于更中心的加料选项，其提供束的更好的耦合以及被注入的快粒子的更高捕获效率。此外，取决于角度和轴向位置，束注入器615的此布置允许对FRC 450的轴向伸长和其他特征的更直接和独立的控制。例如，以相对于容器的主对称轴线的浅角度A注入束将产生具有更长的轴向延伸以及更低温度的FRC等离子体，而选取更垂直的角度A将导致轴向更短但是更热的等离子体。以这种方式，束注入器615的注入角度A和位置可以针对不同的目的而优化。另外，束注入器615的这种成角度和定位可以允许具有更高能量的束（其对于以更少的束发散来沉积更多功率通常是更有利的）被注入到与否则要捕获这种束所必要的相比更低的磁场中。这是由于以下事实：决定快离子轨道尺度（其在恒定束能量下随着相对于容器的主对称轴线的注入角度减小而逐渐变得更小）的是能量的方位角分量。此外，朝向中间平面成角度的注入并且其中轴向束位置靠近中间平面改善了束-等离子体耦合，即使在注入时期期间当FRC等离子体缩短（shrink）或者以其他方式轴向地收缩时也是如此。

转到图3D和图3E，FRC系统10的另一替代性构造除了成角度的束注入器615之外还包括内部偏滤器302。内部偏滤器302被定位在生成部分200与约束室100之间，并且基本上类似于外部偏滤器300构造和操作。其中包括快速开关磁线圈的内部偏滤器302在形成过程期间被有效地闲置，以使得当生成FRC（formation FRC）朝向约束室100的中间平面移动时生成FRC能够穿过内部偏滤器302。一旦生成FRC穿过了内部偏滤器302进入约束室100中，内偏部滤器就被激活以基本上类似于外部偏滤器操作，并且将约束室100与生成部分200隔离。

弹丸注入器

为了提供注入新粒子和更好地控制FRC粒子存量的手段，在FRC系统10上采用了12筒弹丸注入器700（例如见I. Vinyar等人的“Pellet Injectors Developed at PELIN forJET, TAE, and HL-2A”，第26届核聚变科学与技术座谈会论文集，09/27至10/01（2010））。图3图示了弹丸注入器700在FRC系统10上的布局。柱形弹丸（D ~ 1 mm, L ~ 1–2 mm）以在150-250 km/s范围中的速度被注入到FRC中。每个单独的弹丸包含大约5×10¹⁹个氢原子，其与FRC粒子存量相当。

吸气系统

众所周知的是，中性光环气体在所有约束系统中都是严重的问题。电荷交换和回收（从壁释放冷的杂质材料）过程可能会对能量和粒子约束具有毁灭性影响。另外，在边缘处或边缘附近任何大密度的中性气体都将导致所注入的大轨道（高能量）粒子的快速损失或者至少其寿命的严重缩短（大轨道指的是粒子具有在FRC拓扑结构的尺度上的轨道，或者至少具有远大于特征磁场梯度长度尺度的轨道半径），这是对于所有高能等离子体应用（包括经由辅助束加热的核聚变）不利的事实。

表面处理是能够通过其来在约束系统中控制或者减小中性气体和杂质的不利影响的手段。为此目的本文提供的FRC系统10采用钛和锂沉积系统810和820，它们用钛和/或锂的膜（数十微米厚）涂覆约束室（或容器）100以及偏滤器300和302的面向等离子体表面。经由气相沉积技术来实现涂层。固体锂和/或钛被蒸发和/或升华并且喷洒到附近的表面上以形成涂层。源是具有引导喷嘴（在锂的情况下）822的原子炉或者具有引导护罩（在钛的情况下）812的加热的固体球。锂蒸发器系统典型地以连续模式操作而钛升华器大多数在等离子体操作之间间歇地操作。这些系统的操作温度高于600 ℃以获得快速沉积速度。为了实现良好的壁覆盖，多个策略性定位的蒸发器/升华器系统是必要的。图9详细示出了FRC系统10 中吸气沉积系统810和820的优选布置。涂层充当吸气表面并且有效地泵送氢类原子和分子种类物（H和D）。涂层也将诸如碳和氧的其他典型杂质减小到无关紧要的水平。

镜塞

如上所述，FRC系统10采用如图2和图3中所示的成组镜线圈420、430和444。第一组镜线圈420位于约束室100的两个轴向端处并且独立于主磁系统410的直流约束、形成和偏滤器线圈412、414和416地被激励。第一组镜线圈420主要帮助在合并期间引导并轴向地包含FRC 450，并且在支持期间提供平衡成形控制。第一镜线圈组420产生比由中心约束线圈412所产生的中心约束场名义上更高的磁场（大约0.4到0.5T）。包括三个紧凑准直流镜线圈432、434和436的第二组镜线圈430位于生成部分200和偏滤器300之间，并且由公共的开关电源驱动。镜线圈432、434和436与更紧凑的脉冲镜塞线圈444（由电容性电源馈送）以及物理收缩部442一起形成镜塞440，其提供具有非常高的磁场（在2至4T之间且上升时间为大约10至20 ms）的狭窄低气体传导路径。与约束线圈412、414和416的一米以上尺度（meter-plus-scale）的孔和煎饼形设计相比，最紧凑的脉冲镜线圈444具有紧凑的径向尺寸、20cm的孔以及类似的长度。镜塞440的目的是多重的：（1）线圈432、434、436和444紧密地束集并且引导磁通量表面452以及端流等离子体射流454进入边远的偏滤器室300。这确保了排放粒子适当地到达偏滤器300并且存在从中心FRC 450的开放场线452区域一直沿溯到偏滤器300的连续通量表面455。（2）FRC系统10中的物理收缩部442对来自安放于偏滤器300中的等离子体枪350的中性气体流提供阻碍，线圈432、434、436和444通过物理收缩部442使得磁通量表面452和等离子体射流454能够通过。同样，收缩部442防止气体从生成部分200到偏滤器300的回流，从而减少了当开始FRC的启动时必须被引入到整个FRC系统10的中性粒子的数量。（3）由线圈432、434、436和444产生的强轴向镜减少了轴向粒子损失并且因此减少了在开放场线上平行粒子扩散性。

在图3D和图3E中所示的替代性构造中，一组低轮廓颈缩（necking）线圈421被定位在内部偏滤器302与生成部分200之间。

轴向等离子体枪

来自被安装在偏滤器300的偏滤器室310中的枪350的等离子体流意图改善稳定性和中性束性能。如图3和图10中所示，枪350被安装在偏滤器300的室310内的轴线上，并且产生在偏滤器300中沿着开放通量线452流动且朝向约束室100的中心流动的等离子体。枪350在垫圈堆叠通道中以高密度气体放电操作并且被设计成产生数千安培的完全电离的等离子体达5至10 ms。枪350包括脉冲磁线圈，其使输出等离子体流与约束室100中的等离子体的期望尺寸匹配。枪350的技术参数的特征在于，具有5到13厘米的外径和高达大约10厘米的内径的通道，并且在400-600 V下提供10-15 kA的放电电流，其中枪内磁场为0.5至2.3T之间。

枪等离子体流可以穿透镜塞440的磁场并且流动到生成部分200和约束室100中。随着在枪350与塞440之间的距离减小以及通过使塞440更宽且更短，通过镜塞440的等离子体转移的效率增加。在合理的条件下，枪350可以分别在大约150至300 eV和大约40至50 eV的高离子和电子温度的情况下各自输送大约10²²个质子/s通过2至4 T的镜塞440。枪350提供FRC边缘层456的显著重新加料，以及改善的整体FRC粒子约束。

为了进一步增大等离子体密度，可利用气体箱来将附加的气体充入来自枪350的等离子体流中。此技术允许所注入的等离子体密度的数倍的增加。在FRC系统10中，被安装在镜塞440的偏滤器300侧上的气体箱改善了FRC边缘层456的重新加料、FRC 450的形成以及等离子体线捆（line-tying）。

考虑到上文讨论的全部调整参数并且也考虑到用仅一个枪或者用两个枪的操作都是可能的，容易地显而易见到的是，可获得宽范围的操作模式。

偏压电极

开放通量表面的电偏压可以提供径向电势，该径向电势引起方位角E×B运动，这提供了类似于转动旋钮的控制机制，以经由速度剪切来控制开放场线等离子体以及实际FRC芯450的旋转。为了实现此控制，FRC系统10采用策略性地放置在机器的各种部分中的各种电极。图3描绘了在FRC系统10内定位在优选位置处的偏压电极。

原理上，存在4类电极：（1）约束室100中的点电极905，其与FRC 450的边缘中特定的开放场线452接触以提供局部充电，（2）约束室100和生成部分200之间的环形电极900，以便以方位角对称的方式向远边缘通量层456充电，（3）偏滤器300中同心电极910的堆叠，以便给多个同心通量层455充电（其中通过调整线圈416来调整偏滤器磁场以便在合适的电极910上终止期望的通量层456而使层的选择是可控的），以及最终（4）等离子体枪350的阳极920（见图10）自身（其在FRC 450的分界面附近拦截内开放通量表面455）。图10和图11示出了对于这些电极的其中一些的一些典型设计。

在所有情况下，这些电极都由由脉冲式电源或直流电源以高达大约800 V电压驱动。取决于电极尺寸以及与何通量表面相交，可以汲取在千安培范围内的电流。

FRC系统的无支持的操作-常规机制

在FRC系统10上的标准等离子体形成遵循发展完备的反场角向箍缩技术。用于启动FRC的典型过程通过将准直流线圈412、414、416、420、432、434和436驱动至稳态操作开始。然后，脉冲功率生成系统210的RFTP脉冲功率电路驱动脉冲快速反向磁场线圈232以在生成部分200中产生大约-0.05 T的临时反向偏压。此时，经由位于生成部分200的外端上的凸缘处的一组方位角取向的充入谷（puff-vale），在9-20 psi下将预定量的中性气体注入到由（北和南）生成部分200的石英管室240限定的两个形成容积中。接下来，从石英管240的表面上的一组天线产生小的RF（~数百千赫兹）场，以在中性气体柱内产生呈局部种子电离区域（seed ionization region）形式的预电离。这之后是在驱动脉冲快速反向磁场线圈232的电流上施加角向振荡调制（theta-ringing modulation），这导致气体柱更全面的预电离。最终，激活脉冲功率生成系统210的主脉冲功率组以驱动脉冲快速反向磁场线圈232，从而产生高达0.4 T的前向偏压场。此步骤可以是按时间顺序的，使得贯穿生成管240的长度均匀地产生前向偏压场（静态形成），或者使得沿着生成管240的轴线实现连续蠕动场调制（动态形成）。

在此整个形成过程中，等离子体中实际的场反向在大约5μs内快速地发生。被输送至形成的等离子体的数千兆瓦的脉冲功率容易地产生热的FRC，热的FRC然后经由施加前向磁场的时间顺序调制（磁蠕动）或者在生成管210的轴向外端附近的线圈组232的最后的线圈中的临时增加的电流（形成轴向地指向约束室100的轴向磁场梯度）而从生成部分200被喷射。如此形成并加速的两个（北和南）生成FRC然后扩展到较大直径的约束室100中，在约束室100中准直流线圈412产生前向偏压场以控制径向扩展并且提供平衡的外部磁通量。

一旦北和南生成FRC到达约束室100的中间平面附近，FRC就碰撞。在碰撞期间，北和南生成FRC的轴向动能随着FRC最终合并成单个FRC 450而在很大程度上热能化。在约束室100中一大组等离子体诊断是可用的，以研究FRC 450的平衡。FRC系统10中典型的操作条件产生复合FRC，其具有大约0.4 m的分界面半径和大约3 m的轴向延伸。进一步的特征是大约0.1 T的外部磁场、大约5×10¹⁹ m^-3 的等离子体密度、以及高达1 keV的总等离子体温度。在没有任何支持、即没有经由中性束注入或其他辅助手段的加热和/或电流驱动的情况下，这些FRC的寿命限于大约1 ms，固有特征构型衰减时间。

无支持操作的实验数据–常规机制

图12示出了排除通量半径r∆Φ的典型时间演变，其接近分界面半径r_s，以图示FRC 450的角向箍缩合并过程的动态。两个（北和南）单独的等离子体团同时产生并且然后以超音速v_Z ~ 250 km/s被加速离开相应的生成部分200，且在中间平面附近在z = 0处碰撞。在碰撞期间等离子体团轴向地压缩，继之以快速的径向和轴向扩展，之后最终合并以形成FRC 450。合并FRC 450的径向和轴向动态通过详细的密度分布测量以及基于辐射热计的断层摄影而表明。

来自FRC系统10的代表性无支持放电的数据在图13A、图13B、图13C和图13D中被示出为时间的函数。FRC起始于t = 0处。在机器的轴向中间平面处的排除通量半径在图13A中示出。此数据从正好位于约束室的不锈钢壁内的磁探头阵列获得，它们测量轴向磁场。钢壁在此放电的时间尺度上是良好的通量保持器。

图13B中示出了线积分密度，来自位于z = 0处的6弦CO₂/He-Ne干涉仪。考虑到竖直（y）FRC移位，如通过辐射热测定断层摄影所测量的，Abel反演产生了图13C的等密度线。在第一个0.1 ms期间的一些轴向和径向晃动之后，FRC以空心的密度分布稳定。此分布相当平坦，在轴线上具有相当大的密度，如典型的2-D FRC平衡所需要的那样。

图13D中示出了总的等离子体温度，其源自压力平衡并且与汤姆森散射以及光谱学测量完全一致。

来自整个排除通量阵列的分析指示，FRC分界面的形状（由排除通量轴向分布近似）从跑道形向椭圆形逐步演变。图14中所示的此演变与从两个到单个FRC的逐步磁重联一致。实际上，粗略估计表明在此特定情形中两个初始FRC磁通量的大约10%在碰撞期间重联。

FRC长度在FRC寿命期间从3m稳定地缩短至大约1m。从图14可见的此缩短表明主要是对流性的能量损失主导了FRC约束。由于分界面内的等离子体压力比外部磁压力更快地下降，端部区域中的磁场线张力轴向地压缩FRC，从而恢复轴向和径向平衡。对于图13和图14中所讨论的放电，当FRC平衡呈现消退时，FRC磁通量、粒子存量以及热能（分别为大约10mWb，7×10¹⁹个粒子以及7 kJ）在第一毫秒内减少达大约一个数量级。

受支持的操作- HPF机制

图12至图14中的示例是没有任何支持的衰减FRC的特征。然而，在FRC系统10上部署了若干技术来进一步将FRC约束（内芯和边缘层）改善至HPF机制并支持该构型。

中性束

首先，快速（H）中性粒子垂直于B_z以来自八个中性束注入器600的束注入。快速中性粒子的束从北和南生成FRC在约束室100中合并成一个FRC 450的时刻被注入。主要由电荷交换产生的快速离子具有增加FRC 450的方位角电流的电子感应加速器轨道（具有在FRC拓扑的尺度上或者至少远大于特征磁场梯度长度尺度的主要半径）。在一部分放电后（在进入发射后0.5到0.8 ms），足够大的快速离子布居显著地改善了内FRC的稳定性和约束性质（例如见M.W. Binderbauer和N. Rostoker，Plasma Phys. 56，第3部分，451 （1996））。此外，从支持的角度，来自中性束注入器600的束也是用于驱动电流并且加热FRC等离子体的主要手段。

在FRC系统10的等离子体机制中，快速离子主要在等离子体电子上减慢。在放电的早期部分，快速离子的典型轨道平均的减慢时间是0.3-0.5 ms，这导致主要是电子的显著的FRC加热。快速离子在分界面外产生大的径向漂移，这是因为内部FRC磁场固有地低（对于0.1 T的外部轴向场为平均大约0.03T）。如果在分界面外中性气体密度过高的话，则快速离子将易受电荷交换损失。因此，部署在FRC系统10上的壁吸气以及其他技术（诸如，等离子体枪350和镜塞440，除其他之外，它们有助于气体控制）倾向于使边缘中性粒子最小化并且使得能够实现快速离子流的所需要的建立。

弹丸注入

当在FRC 450内建立了显著的快速离子布居时，以更高的电子温度和更长的FRC寿命，将冷冻的H或D弹丸从弹丸注入器700注入到FRC 450中，以支持FRC 450的FRC粒子存量。预期的消融时间尺度充分短以提供大量的FRC粒子源。此速度也可通过扩大注入件的表面面积来增加，这通过在弹丸注入器700的注入管或者筒中时并且在进入约束室100之前使单独的弹丸破碎成更小的碎片来实现，这是可以通过正好在进入到约束室100中之前收紧注入管的最后部段的弯曲半径而增大在弹丸和注入管的壁之间的摩擦而实现的步骤。借助于改变12个筒（注入管）的激活顺序和速度以及碎片化，有可能调节弹丸注入系统700来提供正好期望水平的粒子存量支持。继而，这帮助维持FRC 450中的内部动压力以及FRC 450的受支持操作和寿命。

一旦消融的原子在FRC 450中遇到大量的等离子体，它们就变得被完全电离。所得到的冷的等离子体成分然后被固有的FRC等离子体碰撞地加热。对于维持期望FRC温度来说所必要的能量最终由束注入器600供应。在此意义上弹丸注入器700与中性束注入器600一起形成维持稳态并支持FRC 450的系统。

CT注入器

作为对弹丸注入器的替代，提供了紧凑环（CT）注入器，其主要用于为反场构型（FRC）等离子体加料。CT注入器720包括磁化同轴等离子体枪（MCPG），如图22A和图22B中所示，其包括同轴筒形内电极722和外电极724，定位于内电极内部的偏压线圈726、和在CT注入器720的放电的相反端上的电破碎器（electrical break）728。气体通过气体注入端口730被注入到在内电极722与外电极724之间的空间，且球马克状等离子体由此通过放电产生并且被洛伦兹力从枪被推出。如图23A和图23B中所示，一对CT注入器720在容器100的中间平面附近并且在中间平面的相对两侧上联接到约束容器100，以将CT注入到约束容器100内的中心FRC等离子体中。与中性束注入器615类似，CT注入器720的放电端被引导成相对于约束容器100的纵向轴线成角度地朝向约束容器100的中间平面。

在替代性实施例中，如图24A和图24B中所示，CT注入器720包括漂移管740，漂移管740包括联接到CT注入器720的放电端的伸长筒形管。如所描绘的，漂移管740包括围绕该管定位并且沿着该管轴向隔开的漂移管线圈742。沿着管的长度描绘了多个诊断端口744。

CT注入器720的优点是：（1）经由注入的CT对于粒子存量的控制和可调整性；（2）沉积热的等离子体（而不是冷冻的弹丸）；（3）系统可以以重复率（rep-rate）模式操作，以便允许连续加料；（4）系统也可以恢复一些磁通量，因为所注入的CT承载嵌入的磁场。在用于实验用途的实施例中，外电极的内径是83.1 mm而内电极的外径是54.0 mm。内电极722的表面优选地用钨涂覆以便减小从电极722出来的杂质。如所描绘的，偏压线圈726被安装在内电极722内。

在最近的实验中，实现了高达~100 km/s的超音速CT移动速度。其他典型的等离子体参数如下：电子密度~5×1021 m-3，电子温度~30-50 eV，且粒子存量为~0.5-1.0×1019。CT的高动压力允许注入的所等离子体深深穿透到FRC中并且在分界面内沉积粒子。在最近的实验中FRC粒子加料已经引起通过CT注入器提供~10-20%的FRC粒子存量，这成功地展示能够在不破坏FRC等离子体的情况下容易地实施加料。

鞍形线圈

为了实现稳态电流驱动并且维持所需要的离子流，期望的是防止或者显著地减少由于电子-离子摩擦力（由碰撞引起的离子电子动量转移导致）导致的电子加快自旋。FRC系统10利用创新的技术来经由外部施加的静态磁偶极或者四极场提供电子破碎。这经由图15中所描绘的外部鞍形线圈460来实现。从鞍形线圈460横向施加的径向磁场在旋转FRC等离子体中引发轴向电场。所得到的轴向电子流与径向磁场相互作用，从而在电子上产生方位角破碎力，F_θ=-σV_eθ‹∣B_r∣²›.。对于FRC系统10中的典型条件，等离子体内所需要施加的磁偶极（或四极）场仅需要为0.001 T的量级以提供充分的电子破碎。大约.015T的对应的外部场足够小以不会导致明显的快粒子损失或者以其他方式负面地影响约束。实际上，所施加的磁偶极（或四极）场有助于抑制不稳定性。结合切向中性束注入和轴向等离子体注入，鞍形线圈460提供关于电流维持和稳定性方面附加的控制水平。

镜塞

镜塞440内脉冲线圈444的设计允许以适度（大约100kJ）的电容能量局部产生高磁场（2到4T）。为了形成FRC系统10的本操作的典型磁场，形成容积内的全部场线都在镜塞440处穿过收缩部442，如图2中磁场线所表明的，并且不发生等离子体壁接触。此外，与准直流偏滤器磁体416串联的镜塞440可以进行调整以便将场线引导到偏滤器电极910上，或者使场线以端部尖头（cusp）构型（未示出）张开。后者改善稳定性并且抑制平行电子热传导。

镜塞440本身也有助于中性气体控制。镜塞440允许更好地利用在FRC形成期间被充到石英管中的氘气，因为到偏滤器300中的气体回流被塞的小的气体传导（微薄的500L/s）显著地减小。生成管210内的残余充入气体的大部分被迅速电离。另外，流动通过镜塞440的高密度等离子体提供有效的中性粒子电离，因此提供有效的气体屏障。结果，在偏滤器300中的从FRC边缘层456回收的中性粒子的大部分不返回到约束室100中。另外，与等离子体枪350的操作相关联的中性粒子（下文讨论）将大部分被约束于偏滤器300中。

最后，镜塞440意图改善FRC边缘层约束。利用在20到40范围中的镜比（塞/约束磁场），且利用在北和南镜塞440之间的15m的长度，边缘层粒子约束时间

被增加多达一个数量级。改善

容易地增大了FRC离子约束。

假定来自分界面容积453的径向扩散（D）粒子损失被来自边缘层456的轴向损失（

）平衡，则获得

，由此分界面密度梯度长度可被重写为

。这里r_s、L_s和n_s分别是分界面半径、分界面长度和分界面密度。FRC粒子约束时间是

，其中

且

。物理上，改善

导致增加的δ（减小的分界面密度梯度和漂移参数），并且因此导致减少的FRC粒子损失。在FRC粒子约束上的总体改善通常略微小于二次方，因为n_s随

增加。

中的显著改善也需要边缘层456保持非常稳定（即，没有对于开放系统典型的n=1凹槽、消防带型（firehose）或者其他MHD不稳定性）。等离子体枪350的使用提供了此优选的边缘稳定性。在此意义上，镜塞440和等离子体枪350形成了有效的边缘控制系统。

等离子体枪

等离子体枪350通过线捆改善FRC排放射流454的稳定性。来自等离子体枪350的枪等离子体在没有方位角动量的情况下产生，其在控制FRC旋转不稳定性方面被证明是有用的。如此枪350是控制FRC稳定性的有效手段，而不需要更老的四极稳定技术。结果是，等离子体枪350使得有可能利用快粒子的有益效果，或者如本公开中所概述的使用先进混合动力学FRC机制。因此，等离子体枪350使得FRC系统10能够以这样的鞍形线圈流操作：该鞍形线圈流正好足以进行电子破碎，但是在将导致FRC不稳定性和/或导致显著的快粒子扩散的阈值之下。

如在上文的镜塞讨论中所提及的，如果可以显著改善

，则所供应的枪等离子体将与边缘层粒子损失速度（~ 10²² /s）相当。FRC系统10中枪产生的等离子体的寿命在毫秒范围内。实际上，考虑具有n_e ~ 10¹³ cm^-3的密度和大约200 eV的离子温度、被约束在端部镜塞440之间的枪等离子体。捕获长度L和镜比R分别是大约15 m和20。由于库伦碰撞导致的离子平均自由程为λ_ii ~ 6×10³ cm，并且，因为λ_iilnR/R < L，所以离子被约束在气体动态机制中。等离子体约束时间在此机制中是τ_gd ~ RL/2V_s ~ 2 ms，其中V_s是离子声速。作为比较，对于这些等离子体参数，传统的离子约束时间将是τ_c ~ 0.5τ_ii（lnR + （lnR）^0.5） ~ 0.7ms。原理上，异常横向扩散可缩短等离子体约束时间。然而，在FRC系统10中，如果我们假定玻姆扩散率，则对于枪等离子体估计的横向约束时间为τ_⊥ > τ_gd ~ 2 ms。因此，枪将提供FRC边缘层456的显著重新加料以及改善的总体FRC粒子约束。

此外，枪等离子体流可以在大约150到200微秒中开启，这允许在FRC启动、移动以及合并到约束室100中使用。如果在t ~ 0（FRC主组（main bank）起始）附近开启，则枪等离子体帮助支持本动态地形成并合并的FRC 450。来自生成FRC以及来自枪的组合粒子存量足够用于中性束捕获、等离子体加热以及长期支持。如果在-1至0 ms范围内的t处开启，则枪等离子体可用等离子体填充石英管210或者电离充到石英管中的气体，从而允许具有减少的充入气体或者甚至可能零充入气体的FRC形成。后者可能需要足够冷的生成等离子体来允许反向偏压磁场的快速扩散。如果在t < -2 ms处开启，则等离子体流可用数10¹³ cm^-3的目标等离子体密度填充生成部分200和约束室100的形成和约束区域的大约1到3 m³的场线容积，这足以允许在FRC到达前的中性束建立。生成FRC然后可被形成并移动到所得到的约束容器等离子体中。以这种方式，等离子体枪350使得能够实现多种多样的操作条件和参数机制。

电偏压

在边缘层456中径向电场分布的控制以各种方式有益于FRC稳定性和约束。借助于FRC系统10中部署的创新的偏压部件，有可能将多种深思熟虑的电势分布施加于来自约束室100中的中心约束区域完全外部的区域的贯穿机器的一组开放通量表面。以这种方式可以正好在FRC 450外部跨越边缘层456产生径向电场。这些径向电场然后改变边缘层456的方位角旋转并且经由E×B速度剪切实现其约束。于是，在边缘层456与FRC芯453之间的任何差动旋转都可通过剪切而传播到FRC等离子体内部。结果是，控制边缘层456直接影响FRC芯453。另外，由于等离子体旋转中的自由能也可造成不稳定性，此技术提供了用于控制不稳定性起始和成长的直接手段。在FRC系统10中，适当的边缘偏压对开放场线传输和旋转以及FRC芯旋转提供有效控制。各种所提供的电极900、905、910和920的位置和形状允许控制不同组通量表面455并且处于不同且独立的电势。以这种方式可以实现大量组合的不同电场构型和强度，每个都对于等离子体性能具有不同的特征影响。

所有这些创新的偏压技术的关键优点在于如下事实：能够从FRC等离子体的完全外部影响芯和边缘等离子体的表现，即，不需要使任何物理部件与中心的热等离子体接触（接触对于能量、通量和粒子损失将具有严重的影响）。这对于HPF构思的性能和全部潜在应用具有重大的有益影响。

实验数据-HPF操作

经由来自中性束枪600的束注入快粒子在使得能够实现HPF机制中起到重要的作用。图16A、图16B、图16C和图16D图示了此事实。所描绘的是示出FRC寿命如何与束脉冲的长度相关联的一组曲线。对于包括此研究的全部放电，全部其他的操作条件都保持恒定。数据在多次发射上进行平均并且因此代表了典型的表现。清楚地显而易见的是，更长的束持续时间产生了更长存活的FRC。考虑此证据以及在此研究期间的其他诊断，其展示了束增加了稳定性并且减少了损失。束脉冲长度与FRC寿命之间的相关性并不是完美的，因为在一定等离子体尺寸之下束捕获变得低效，即，当FRC 450在物理尺寸上缩短时，并不是所有被注入的束都被拦截和捕获。FRC的缩短主要是由于以下事实：对于特定的实验设置而言，在放电期间来自FRC等离子体的净能量损失（放电中大约中途时~ 4 MW）略微大于经由中性束馈送到FRC中的总功率（~2.5 MW）。将束定位在更靠近容器100的中间平面的位置处将倾向于减小这些损失并且延长FRC寿命。

图17A、图17B、图17C和图17D图示了不同部件对于实现HPF机制的影响。其示出了一系列典型的曲线，它们描绘了作为时间的函数的FRC 450的寿命。在所有情况下，对于每次放电的整个持续时间注入恒定的、适量的束功率（大约2.5 MW）。每条曲线都代表部件的不同组合。例如，在没有任何镜塞440、等离子体枪350或者来自吸气系统800的吸气的情况下操作FRC系统10导致旋转不稳定性以及FRC拓扑的损失的快速起始。仅增加镜塞440延迟了不稳定性的起始并且增加了约束。利用镜塞440和等离子体枪350的组合进一步减小了不稳定性并且增加了FRC寿命。最后，在枪350和塞440之外增加吸气（在此情况下是钛）产生了最好的结果——所得到的FRC没有不稳定性并且展现最长的寿命。从此实验展示清楚的是，部件的完整组合产生了最好的效果并且为束提供了最佳目标条件。

如图1中所示，新发现的HPF机制展现出显著改善的传输表现。图1图示了在常规机制和HPF机制之间FRC系统10中的粒子约束时间上的改变。如可看到的那样，在HPF机制中其已经被改善了超过5倍。另外，图1详细描绘了在FRC系统10中的粒子约束时间相对于在现有常规FRC实验中的粒子约束时间。关于这些其他的机器，FRC系统10的HPF机制已经使约束改善了在5与接近20之间的倍数。最后并且最重要的是，在HPR机制中FRC系统10的约束换算（confinement scaling）的特性显著地不同于所有现有测量。在FRC系统10中建立HPF机制之前，在现有FRC实验中，从数据得出各种经验性换算规律以预测的约束时间。全部那些换算规则主要取决于比率R²/ρ_i ，其中R是零（null）磁场的半径（机器的物理尺度的不精确测量），且ρ_i 是在外部施加的场中评估的离子拉莫尔半径（所施加磁场的不精确测量）。从图1清楚的是，常规FRC中长约束仅仅在大机器尺寸和/或高磁场下才是可能的。以常规FRC机制CR操作FRC系统10倾向于遵循这些换算规则，如图1中所示。然而，HPF机制极其优异，并且示出可在没有大的机器尺寸或者高磁场的情况下获得好得多的约束。更重要地，从图1还清楚的是，与CR机制相比，HPF机制导致具有减小的等离子体尺寸的改善的约束时间。如下文所描述的，对于通量和能量约束时间，也可见类似的趋势，在FRC系统10中它们也已增加了超过3-8倍。因此，HPF机制的突破使得能够使用适度的束功率、更低的磁场以及更小的尺寸来支持并维持FRC系统10以及未来更高能量的机器中的FRC平衡。与这些改善联袂而至的是更低的操作和构造成本以及降低的工程复杂度。

为了进一步比较，图18A、图18B、图18C和图18D示出了来自FRC系统10中的代表性HPF机制放电作为时间的函数的数据。图18A描绘了在中间平面处的排除通量半径。对于这些更长的时间尺度，传导性钢壁不再是那么良好的通量保持器，并且壁内部的磁探头以壁外部的探头扩增来适当地负责穿过钢的磁通量扩散。与常规机制CR中的典型性能相比，如图13A、图13B、图13C和图13D中所示，HPF机制操作模式展现出超过400%的更长的寿命。

图18B中示出了线积分密度迹线的代表性弦，且图18C中示出了其阿贝尔反演补体、等密度线。如图13A、图13B、图13C和图13D中所示，与常规FRC机制CR相比，等离子体贯穿脉冲更加平静，这指示非常稳定的操作。如图18D中所示，在HPF发射中峰密度也略微较低——这是更热的总等离子体温度（高达2倍）的结果。

对于图18A、图18B、图18C和图18D中所图示的相应的放电，能量、粒子和通量约束时间分别是0.5 ms、1 ms和1 ms。在进入放电1 ms的参考时间处，存储的等离子体能量是2kJ而损失是大约4 MW，使得此目标非常适合用于中性束支持。

图19概述了呈新建立的实验性HPF通量约束换算形式的HPF机制的全部优点。如图19中可见的，基于在t = 0.5 ms之前和之后（即，t < 0.5 ms和t > 0.5 ms）所取的测量，对于给定分界面半径（r_s），通量约束（以及类似地，粒子约束和能量约束）以大致电子温度（T_e）的平方换算。具有为T_e的正幂（且不是负幂）的此强换算与由常规托卡马克所展现的换算完全相反，在常规托卡马克中约束典型地与电子温度的某次幂成反比。此换算的表现是HPF状态和大轨道（即，在FRC拓扑尺度上和/或至少特征磁场梯度长度尺度上的轨道）离子布居的直接结果。根本上，此新的换算实质上有利于高操作温度并使得能够实现相对适度尺寸的反应器。

利用HPF机制所呈现的优点，可实现由中性束驱动的FRC支持或者稳态，意味着诸如等离子体热能、总粒子数、等离子体半径和长度以及磁通量等总体等离子体参数都可支持在合理的水平而没有实质性的衰减。为了比较，图20在曲线图A中示出了来自FRC系统10中的代表性HPF机制放电的作为时间的函数的数据，并且在曲线图B中示出了FRC系统10中的所投射的代表性HPF机制放电的作为时间的函数的数据，其中FRC 450被支持而贯穿中性束脉冲的持续时间没有衰减。对于曲线图A，对于大约6 ms的活动束脉冲长度，具有在大约2.5-2.9 MW范围内总功率的中性束被注入到FRC 450中。曲线图A中所描绘的等离子体抗磁寿命为大约5.2 ms。更近期的数据示出利用大约7 ms的活动束脉冲长度可获得大约7.2 ms的等离子体抗磁寿命。

如上文关于图16A、图16B、图16C和图16D所指出的，束脉冲长度和FRC寿命之间的相关性并不是完美的，因为在一定等离子体尺寸之下束捕获变得低效，即，当FRC 450在物理尺寸上缩短时并不是所有被注入的束都被拦截和捕获。FRC的缩短或衰减主要是由于以下事实：对于特定的实验设置而言，在放电期间来自FRC等离子体的净能量损失（在放电中大约中途时~ 4 MW）略微大于经由中性束馈送到FRC中的总功率（~2.5 MW）。如关于图3C所指出的，从中性束枪600朝向中间平面的成角度的束注入改善了束-等离子体耦合，即使在注入时期期间FRC等离子体缩短或者以其他方式轴向收缩也是如此。另外，适当的弹丸加料将维持必需的等离子体密度。

曲线图B是使用大约6ms活动束脉冲长度和来自中性束枪600的略微大于大约10MW的总束功率的模拟运行的结果，其中中性束应注入H（或D）中性粒子且粒子能量为大约15keV。由束中的每个注入的等价电流为大约110A。对于曲线图B，相对于装置轴线的束注入角度为少于垂直（less than normal）大约20°，其中目标半径为0.19 m。注入角度可在少于垂直15°- 25°的范围内改变。束将沿平行流（co-current）的方向以方位角注入。来自中性束动量注入的净侧向力以及净轴向力应被最小化。如曲线图A的情况那样，快（H）中性粒子从北和南生成FRC在约束室100中合并成一个FRC 450的时刻从中性束注入器600被注入。

作为曲线图B的基础的模拟使用多维霍尔-MHD解算器用于背景等离子体和平衡，基于完全动力学蒙特-卡罗的解算器用于能量束分量和全部散射过程，以及大量耦合的传输公式用于全部等离子体种类来对交互损失过程建模。传输分量被经验性地校准并且被对于实验数据库广泛地用作基准。

如由曲线图B所示，FRC 450的稳态抗磁寿命将为束脉冲的长度。然而，重要的是注意到，关键相关性曲线图B示出当束被关断时，等离子体或FRC在那时开始衰减，而不是在之前开始衰减。衰减将类似于在并非由束所辅助的放电（可能在超出束关断时间1 ms的数量级上）中所观察到的，并且仅仅是由本征损失过程驱动的等离子体的特征衰减时间的反映。

转到图21A、图21B、图21C、图21D和图21E，图中所图示的实验结果指示由成角度的中性束驱动的FRC支持或稳态的实现，即，总体等离子体参数（诸如，等离子体半径、等离子体密度、等离子体温度以及磁通量）都可支持在恒定的水平，没有与NB脉冲持续时间相关的衰减。例如，这种等离子体参数基本上保持恒定达~5 + ms。这种等离子体性能，包括支持特征，具有强相关NB脉冲持续时间，其中由于累积的快离子，在NB终止甚至几毫秒之后仍有抗磁存留。如所图示的，等离子体性能仅受由许多关键系统（诸如，NB注入器以及其他系统部件）的相关联的电源中的有限所存储能量引起的脉冲长度约束的限制。

高次谐波快波电子加热

如上面关于图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图8所提到的，中性原子束600被部署在FRC系统10上以提供加热和电流驱动以及产生快速粒子压力。包括中性原子束注入器系统600的各个束线位于中心约束室100周围，并且如图3C、图3D和图3E中所示，优选地成角度以朝向约束室100的中间平面注入中性粒子。为了改善FRC支持并展示FRC上升到高等离子体温度和升高的系统能量，本FRC系统10包括升高功率和扩展脉冲长度的中性束注入器（NBI）系统600，例如，仅用于示例性目的，功率为大约20+MW，具有高达30 ms的脉冲长度。

然而，由于通过离子-电子碰撞对电子进行功率阻尼的机制，中性束注入倾向于具有差的电子加热效率。本FRC系统10的FRC等离子体的独特特征使得加热FRC等离子体的芯中的电子极具挑战性，所述独特特征例如，等离子体异常过密（分界面内部的ω _pe > 30ω _ce）并且等离子体芯中的磁场迅速下降到零。常规的电子加热场景由于到等离子体芯中的波可通达性差的问题而不能适于FRC等离子体，所述常规的电子加热场景诸如在托卡马克、仿星器和镜机器中广泛利用的电子回旋共振频率（或其二次或三次谐波）加热。其他电子加热场景（诸如，电子伯恩斯坦波、上混合谐振波和哨声波）当它们被应用于FRC等离子体时遇到类似的问题或具有低的加热效率。

在示例性实施例中，本FRC系统10包括高次谐波快波电子加热以升高等离子体电子温度，并因此进一步改善FRC支持。如图25所示，本FRC系统10包括一个或多个天线650，诸如例如，具有四（4）带的相控阵列天线，其被部署在FRC系统10上并配置成使在射频范围中的高次谐波快波传播到约束容器100中的FRC等离子体中，以在FRC等离子体的芯中提供从约150 eV到高于约1 keV的电子加热。在示例性实施例中，天线650将包括处于约15-25Mhz的约2 MW RF系统。经由射频范围中的高次谐波快波加热电子有利地降低了快离子电荷交换损失并改善了等离子体约束，并且提高了等离子体电流驱动效率，该效率随着电子温度Te而上升。

在以下场景中执行高性能FRC等离子体（诸如，本FRC系统10的FRC等离子体）中的电子加热的模拟：（1）上混合谐振频率（50GHz）；（2）电子回旋共振（ECR）频率（28 GHz）；（3）处于2.45 GHz、5 GHz、8 GHz和18 GHz的频率的电子伯恩斯坦波（EBW）；（4）处于0.5 GHz的哨声波；（5）处于15MHz的HHFW。模拟结果清楚地示出，HHFW的机制不仅具有极强的单程（single pass）功率吸收（~100％），而且还具有到FRC等离子体的芯中的非常良好的波可通达性。这些模拟指示，在良好的波可通达性和电子的有效功率阻尼之间的矛盾通过使用这种高次谐波快波（HHFW）加热来解决，对于芯电子加热和离轴电流驱动的实验，该加热已经成功地适于高β，过密的球形托卡马克（ST）等离子体，诸如NSTX。

HHFW的加热机制包括电子Landau阻尼（LD）（其中作用于电子上的力是F _LD = eE _//）和传输时间磁泵（TTMP或MP）（其中力是F _MP = -▼_//（μB _//））两者。在此，e和μ是电子的电荷和磁矩，并且E_//和B _//分别是快波电场和磁场的平行分量。对于经由主导LD的任何显著吸收，在托卡马克等离子体中的常规快波电子加热需要波平行相速度V_ph// ≡ ω/k _// ≈ V _Te电子热速度）；MP对电子阻尼没有显著贡献，并且通常其可以忽略不计。此外，托卡马克等离子体中快波的吸收弱，并且因此通常需要具有通过处于电子回旋共振频率的微波的强电子预热，以便增强多程功率吸收。然而，在高β、ST等离子体（如NSTX）中，所发现的是，MP仅在电子LD上显著增加对电子的功率吸收，并且其在相位速度的较高范围内变得非常大，ω/k _//≤2.5 V _Te。MP和LD的组合可以导致100％单程吸收。

在高β机制中，诸如本FRC系统10的高性能FRC等离子体（其在芯等离子体中具有约90％的β_e值）中，阻尼由磁泵主导，其可以尺度为

,并且当 ω/k_//≤ 2.5 V_Te时，

和磁泵变得显著。在本FRC系统10的模拟中，T_e = 150 eV, T_i = 800 eV,n_e = n_i= 3.2 × 10¹⁹ m^-3，磁场B = 1000高斯，HHFW具有1 MW发射功率并且其频率被选择为f = 15 MHz，因此ω = 2πf = 10 ω_ci [H] = 20 ω_ci [D] << ω_LH，实现了单程吸收大于99％，并且电子的HHFW功率阻尼被示出为高达90％。在离子上阻尼的功率或通过碰撞阻尼的功率可以分别小于5％。此外，对电子、离子的和通过碰撞的功率沉积的径向分布已经示出在FRC等离子体的分界面层内部，超过60％的HHFW功率被阻尼。

图26A和26B图示了本FRC系统10的FRC等离子体的完整径向密度分布和完整径向电子温度分布。根据本公开的实施例的本FRC系统根据表1所示出的参数和值对来配置。

参数	值
		B<sub>ext</sub>, kG	~1
r<sub>s</sub>, cm	~36
		L, m	2 – 3
N<sub>e</sub>, cm-3	~ 3x10<sup>13</sup>
		T<sub>i</sub>, eV	500 – 800
T<sub>e</sub>, eV	100 – 150

表1：本FRC系统的参数。

图27A-图27D图示了在本FRC系统10的中间平面（Z = 0）处的C-2U平衡和特征频率的径向分布。所观察到的挑战是，在分界面层内部，等离子体过密（ω_pe > 30 ω_ce）并且B在11cm径向距离内迅速下降到0。所有ECR谐波谐振层紧凑在非常狭窄的区域中，因此微波能够径向地传播仅达非常短的距离。

使用用于微波频率的场景的GENRAY-C射线追踪代码进行以下模拟，如下：

EBW（2.45 GHz、5 GHz、8 GHz、18 GHz和28 GHz）；

上混合谐振频率（50 GHz、55 GHz）；

哨声波频率（0.5 - 1.0 GHz）

不幸的是，这些场景不能解决在波穿透到等离子体芯中与电子的有效功率阻尼之间的矛盾。

图28A-图28C图示了在本FRC系统10的FRC等离子体中在处于8GHz的微波的电子伯恩斯坦波（EBW）电子加热条件下的功率吸收和模式转换的观察。在图28A-图28C中，以不同角度发射了六条射线，观察到清楚的O-> X-> B转化。在第四谐波ECR层（分界面外）处，超过90％的微波功率能够由电子吸收；这导致非常局部化的吸收。EBW机制仅能够在等离子体边缘处加热电子，其不能穿透到等离子体芯中。

图29A-图29F图示了在本FRC系统10的FRC等离子体中在处于50GHz的微波的电子加热条件下的功率吸收和模式转换的观察。在图29A-29F中，观察到在O-> X-> B转换之后射线停止传播，并且30％的微波功率被吸收。

图30A-图30C图示了在本FRC系统10的FRC等离子体中在处于0.5GHz的哨声波的电子加热条件下的功率吸收的观察。在图30A-图30C中，观察到的是，在0.5GHz处的哨声波（〜1/4fce）具有高功率吸收但波通达性差。以大的N_//（从16处开始）发射波，并且当存在大的磁场弯曲时波绕转。

与这些加热机制形成对比，如由模拟结果所展示的，高次谐波快波加热提供了具有高平均β_e（≈90％）的FRC等离子体（诸如，本FRC系统10的FRC等离子体）的以下：1）强单程吸收（≈100％）；2）对等离子体芯的良好的可通达性；3）芯电子有效功率吸收高达60％；4）电子的功率阻尼由磁泵（TTMP）主导，其可以尺度为

。

图31图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的密度分布和波传播。在图10中，T_e =150 eV，而T_e （分界面）= 100eV。 T_i = 800eV，而T_i （分界面）= 200eV。热离子具有与电子相同的密度和分布。快速离子信息不包括在图31中。图32图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的极向通量分布和波传播。

图33图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性密度分布和波传播轨迹。在图33中，T_e= 150eV，而T_e（分界面）= 100eV。T_i = 800eV，而T_i（分界面）= 200eV。在图33中，f =6 MHz（初始ω/ ω_ci[D]~ 9），其中总功率为1MW。五条射线在中间平面处发射，其中初始n_//在4到6之间。

图34图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性 ω/ω_ci[D]分布和波传播轨迹。在图34中，为清楚起见，未显示ω/ ω_ci[D]> 28的水平。间隙中的虚线是磁通量线。

图35图示了随着本FRC系统10的FRC等离子体中的波传播距离的示例性功率阻尼。在图35中，包括五条射线，其具有在4与6之间的不同n_//。每条射线在发射点处具有200KW功率。显著功率阻尼的区域在30 cm与50 cm之间。

图36图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性功率吸收分布。在图36中，当HHFW穿透通过分界面层时观察到对离子和电子的显著功率吸收。

图37A和图37B图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的功率密度的示例性径向分布。功率密度的径向分布是对于如下的：（a）总吸收，（b）对电子的阻尼，（c）对离子的阻尼和（d）碰撞阻尼。在图37A中，P_total = 1000kW，P_e = 448kW，P_i = 486kW，并且 P_cl = 66kW。在图37B中，P_total = 999kW，P_e = 720kW，P_i = 194kW，并且 P_cl = 85kW。在等离子体芯中的HHFW加热期间观察到100％的单程吸收。

图38图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的阻尼功率密度的示例性2D分布。

图39图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性功率阻尼分布。在图39中，观察到的是，当|B|接近最小值时，对电子的功率阻尼增加到最大值。观察到非常小的|E_///E|、因此Landau阻尼对功率吸收的较小影响。

图40图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性有限离子拉莫尔半径分布。在图40中，即使当离子温度Ti <1 keV时，也观察到显著的有限离子拉莫尔半径效应。在分界面内部，K

x ρ_Larmor >> 1。它在中间平面（z = 0）的场零点（null）处变为无穷大。这可导致热离子与HHFW相互作用、因此对热离子的功率阻尼。

图41图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性功率吸收分布。在图41中，观察到由热离子的显著功率吸收。观察到离子回旋共振吸收，其中谐波数n =（11-20）。对离子的显著功率阻尼的条件是K

x ρ_Larmor >> 1和ω/K

< 2V_Ti。

图42图示了本FRC系统10的FRC等离子体中的示例性轮廓。在图42中，随着沿着波传播的距离观察到以下的改变：（a）局部 |B（r,z）|（b）垂直波数K_i的虚部（c）|E_\\/E|的比率和（d）平行折射率n_//。

对本FRC系统10的FRC等离子体的HHFW加热的模拟已经清楚地展示了HHFW加热导致：1）100％单程功率吸收；2）TTMP是芯电子加热的主导功率吸收机制；3）当波平行相速度V_{ph //} = ω/k_// < V_Te时，发生对电子的最大功率阻尼；以及4）当K

× ρ_Larm>> 1 且ω/k

<2 V_Ti的条件被保持时，趋于发生由热离子的显著的功率吸收。

根据本公开的实施例，用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法，包括：在约束室中关于等离子体形成FRC，将多个中性束朝向约束室的中间平面成角度地注入到FRC等离子体中，以及利用传播到FRC等离子体中的高次谐波快波来加热FRC等离子体的电子。

根据本公开的又一实施例，加热电子包括：从一个或多个天线将多个高次谐波快波发射到约束室中的FRC等离子体中。

根据本公开的又一实施例，加热电子包括：以相对于约束室的中间平面的发射角从一个或多个天线将多个高次谐波快波发射到约束室中的FRC等离子体中。

根据本公开的又一实施例，发射角在距约束室的中间平面约15°至约25°的范围内。

根据本公开的又一实施例，发射角接近但小于与约束室的纵向轴线正交。

根据本公开的又一实施例，一个或多个天线是具有多个带的相控阵列天线。

根据本公开的又一实施例，高次谐波快波是射频范围内的快波。

根据本公开的又一实施例，加热电子包括：将电子从大约150 eV加热到高于大约1keV。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：维持FRC处于恒定值或大约恒定值而不衰减，并将等离子体电子温度升高到高于大约1.0 keV。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用围绕约束室延伸的准直流线圈在约束室内产生磁场，并且利用围绕约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈在约束室的相对两端内产生镜磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用围绕约束室延伸的准直流线圈来在约束室内产生磁场，并且利用围绕约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈来在约束室的相对两端内产生镜磁场。

根据本公开的又一实施例，形成FRC包括：在相对的第一和第二生成部分中形成生成FRC，第一和第二生成部分联接到约束室并且使生成FRC从第一和第二生成部分朝向约束室的中间贯穿平面加速，在约束室中两个生成FRC合并以形成FRC。

根据本公开的又一实施例，形成FRC包括以下中的一者：形成生成FRC，同时使生成FRC朝向约束室的中间平面加速；和形成生成FRC，然后使生成FRC朝向约束室的中间贯穿平面加速。

根据本公开的又一实施例，使生成FRC从第一和第二生成部分朝向约束室的中间平面加速包括：使生成FRC从第一和第二生成部分传送通过联接到约束室的相对两端的第一和第二内部偏滤器，第一和第二内部偏滤器夹设在约束室与第一和第二生成部分之间。

根据本公开的又一实施例，使生成FRC从第一和第二生成部分穿过第一和第二内部偏滤器包括：当来自第一和第二生成部分的生成FRC传送通过第一和第二内部偏滤器时使第一和第二内部偏滤器闲置。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：将FRC的磁通量表面引导到第一和第二内部偏滤器中。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：将FRC的磁通量表面引导到联接到生成部分的端部的第一和第二外部偏滤器。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用围绕生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈来在生成部分和第一和第二外部偏滤器内产生磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用围绕生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈在生成部分和第一和第二内部偏滤器内产生磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用准直流镜线圈在第一和第二生成部分与第一和第二外部偏滤器之间产生镜磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用围绕在生成部分与偏滤器之间的收缩部延伸的准直流镜塞线圈来在位于第一和第二生成部分与第一和第二外部偏滤器之间的收缩部内产生镜塞磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用准直流镜线圈来在约束室与第一和第二内部偏滤器之间产生镜磁场，以及利用准直流低轮廓颈缩线圈来在第一和第二生成部分与第一和第二内部偏滤器之间产生颈缩磁场。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用联接到室的鞍形线圈来在室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：利用吸气系统来处理室的内表面以及第一和第二生成部分的内表面、夹设在约束室与第一和第二生成部分之间的第一和第二偏滤器的内表面、以及联接到第一和第二生成部分的第一和第二外部偏滤器的内表面。

根据本公开的又一实施例，吸气系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：从轴向安装的等离子体枪将等离子体轴向地注入到FRC中。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：控制FRC的边缘层中的径向电场分布。

根据本公开的又一实施例，控制FRC的边缘层中的径向电场分布包括：利用偏压电极向FRC的一组开放通量表面施加电势分布。

根据本公开的又一实施例，该方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二CT注入器以角度朝向约束室的中间平面注入到FRC等离子体中，其中，第一和第二CT注入器在约束室的中间平面的相对侧上正好相对。

根据本公开的又一实施例，用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的系统，包括：约束室；第一和第二正好相对的FRC生成部分，其联接到约束室；第一和第二正好相对的偏滤器，其联接到FRC生成部分；以下中的一者或多者：多个等离子体枪、一个或多个偏压电极以及第一和第二镜塞，其中，多个等离子体枪包括可操作地联接到第一和第二偏滤器、第一和第二生成部分以及约束室的第一和第二轴向等离子体枪；其中，一个或多个偏压电极被定位于如下中的一者或多者内：约束室、第一和第二生成部分以及第一和第二外部偏滤器；并且其中，第一和第二镜塞被定位于第一和第二生成部分与第一和第二偏滤器之间；吸气系统，其联接到约束室和第一和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其联接到约束室并朝向约束室的中间平面成角度；磁系统，其包括多个准直流线圈，该准直流线圈被定位成围绕约束室、第一和第二生成部分以及第一和第二偏滤器；以及被定位于第一和第二生成部分与第一和第二偏滤器之间的第一组和第二组准直流镜线圈；以及天线系统，其被定位成围绕约束室，其中，天线系统被配置为将高次谐波快波发射到FRC等离子体中以加热等离子体电子。

根据本公开的又一实施例，该系统被配置为：在将中性束注入到等离子体中的同时将产生FRC并维持FRC而不衰减，并将等离子体电子温度升高到大约高于1.0 keV。

根据本公开的又一实施例，天线系统包括一个或多个天线，该天线被定位成以相对于约束室的中间平面的发射角将高次谐波快波发射到FRC等离子体中。

根据本公开的又一实施例，发射角在距约束室的中间平面大约15°至大约25°的范围内。

根据本公开的又一实施例，天线系统包括具有多个带的相控阵列天线。

根据本公开的又一实施例，系统被配置为将FRC等离子体电子从大约150 eV加热到高于大约1 keV。

根据本公开的又一实施例，第一和第二偏滤器包括夹设在第一和第二生成部分与约束室之间的第一和第二内部偏滤器，并且还包括联接到第一和第二生成部分的第一和第二外部偏滤器，其中，第一和第二生成部分夹设在第一和第二内部偏滤器与第一和第二外部偏滤器之间。

根据本公开的又一实施例，该系统还包括：第一和第二轴向等离子体枪，其可操作地联接到第一和第二内部以及外部偏滤器、第一和第二生成部分以及约束室。

根据本公开的又一实施例，该系统还包括：联接到约束室的两个或更多个鞍形线圈。

根据本公开的又一实施例，生成部分包括模块化生成系统，该模块化生成系统用于产生FRC并使该FRC朝向约束室的中间平面移动。

根据本公开的又一实施例，偏压电极包括以下中的一者或多者：一个或多个点电极，其被定位于约束室内以接触开放场线；一组环形电极，其在约束室与第一和第二生成部分之间以便以方位角对称的方式向远边缘通量层充电；多个同心堆叠电极，其被定位在第一和第二偏滤器中以对多个同心通量层充电；以及等离子体枪的阳极，其用于拦截开放通量。

根据本公开的又一实施例，该系统还包括第一和第二紧凑环（CT）注入器，其朝向约束室的中间平面成角度地联接到约束室，其中，第一和第二CT注入器在约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

然而，本文提供的示例实施例仅仅意图作为说明性示例并且不以任何方式是限制性的。

关于本文提供的任何实施例所描述的所有特征、元件、部件、功能和步骤都意图能够自由组合并且能够用来自任何其他实施例的那些替代。如果关于仅一个实施例描述了某些特征、元件、部件、功能或步骤，则应理解的是，该特征、元件、部件、功能或步骤可以与本文所描述的每个其他实施例一起使用，除非另外明确地指出。此段落因此在任何时候用作用于引入结合了来自不同实施例的特征、元件、部件、功能和步骤或者用来自另一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤替代来自一个实施例中的那些的权利要求的引用基础和书面支持，即使以下描述并没有在特定情形中明确陈述这种组合或替代是可能的。明确详述每种可能的组合和替代过于累赘，尤其是考虑到本领域普通技术人员在阅读此描述后将会容易地想到每个和每一个这种组合和替代的容许性。

在许多情形中实体在本文中被描述为联接到其他实体。应理解的是，术语“联接”和“连接”（或者它们的任何形式）在本文中可互换地使用，并且在两种情况下，对于两个实体的直接联接（没有任何不可忽略的（例如，寄生的）介于中间的实体）和两个实体的间接联接（具有一个或更多不可忽略的介于中间的实体）是通用的。在实体被示出为直接联接在一起的情况下，或者被描述为联接在一起而没有描述任何介于中间的实体的情况下，应理解的是，那些实体也可以间接地联接在一起，除非上下文清楚地另外规定。

虽然实施例易受各种改型和替代方案，但是其特定示例已经在附图中示出并且在本文详细描述。然而，应理解的是，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将覆盖落入本公开的精神内的全部改型、等价物和替代方案。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件，以及通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元件限定权利要求的发明范围的负面限制都可以在权利要求中记载或者被添加到权利要求中。

Claims

1.一种用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法，所述方法包括以下步骤：

在约束室中形成关于等离子体的反场构型，

将多个中性束朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述反场构型等离子体中，以及

利用传播到所述反场构型等离子体中的高次谐波快波来加热所述反场构型等离子体的电子；

其中，加热电子的步骤包括：以相对于所述约束室的中间平面的发射角从一个或多个天线将多个高次谐波快波发射到所述约束室中的反场构型等离子体中；

其中，所述发射角在距所述约束室的中间平面15°至25°的范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，加热电子的步骤包括：从一个或多个天线将多个高次谐波快波发射到所述约束室中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一个或多个天线是具有多个带的相控阵列天线。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述高次谐波快波是射频范围内的快波。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述高次谐波快波是射频范围内的快波。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，加热所述电子的步骤包括：将所述电子从150 eV加热到高于1 keV。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，加热所述电子的步骤包括：将所述电子从150eV加热到高于1 keV。

8.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：在将快速中性原子束注入到所述约束室中的所述反场构型等离子体中时维持所述反场构型处于恒定值或大约恒定值而不衰减，并将等离子体电子温度升高到高于1.0 keV。

9.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕所述约束室延伸的准直流线圈来在所述约束室内产生磁场，并且利用围绕所述约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈来在所述约束室的相对两端内产生镜磁场。

10.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕所述约束室延伸的准直流线圈来在所述约束室内产生磁场，并且利用围绕所述约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈来在所述约束室的相对两端内产生镜磁场。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述反场构型的步骤包括：在相对的第一和第二生成部分中形成生成反场构型，所述第一和第二生成部分联接到所述约束室并且使所述生成反场构型从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速，在所述约束室中两个所述生成反场构型合并以形成所述反场构型。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述反场构型的步骤包括：在相对的第一和第二生成部分中形成生成反场构型，所述第一和第二生成部分联接到所述约束室并且使所述生成反场构型从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速，在所述约束室中两个所述生成反场构型合并以形成所述反场构型。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述反场构型的步骤包括以下中的一者：形成生成反场构型，同时使所述生成反场构型朝向所述约束室的中间贯穿平面加速；以及形成生成反场构型，然后使所述生成反场构型朝向所述约束室的中间贯穿平面加速。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述生成反场构型从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速的步骤包括：使所述生成反场构型从所述第一和第二生成部分传送通过联接到所述约束室的相对两端的第一和第二内部偏滤器，所述第一和第二内部偏滤器夹设在所述约束室与所述第一和第二生成部分之间。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，使所述生成反场构型从所述第一和第二生成部分传送通过第一和第二内部偏滤器的步骤包括：当来自所述第一和第二生成部分的所述生成反场构型传送通过所述第一和第二内部偏滤器时使所述第一和第二内部偏滤器闲置。

16.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括如下步骤：将所述反场构型的磁通量表面引导到所述第一和第二内部偏滤器中。

17.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括如下步骤：将所述反场构型的磁通量表面引导到第一和第二外部偏滤器中，所述第一和第二外部偏滤器联接到所述生成部分的端部。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用所述围绕所述生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈来在所述生成部分以及所述第一和第二外部偏滤器内产生磁场。

19.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用所述围绕所述生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈来在所述生成部分以及第一和第二内部偏滤器内产生磁场。

20.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用准直流镜线圈来在所述第一和第二生成部分与所述第一和第二外部偏滤器之间产生镜磁场。

21.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕在所述生成部分与所述偏滤器之间的收缩部延伸的准直流镜塞线圈来在位于所述第一和第二生成部分与所述第一和第二外部偏滤器之间的收缩部内产生镜塞磁场。

22.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用准直流镜线圈来在所述约束室与所述第一和第二内部偏滤器之间产生镜磁场，以及利用准直流低轮廓颈缩线圈来在所述第一和第二生成部分与所述第一和第二内部偏滤器之间产生颈缩磁场。

23.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用联接到所述约束室的鞍形线圈来在所述约束室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。

24.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用联接到所述约束室的鞍形线圈来在所述约束室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。

25.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用吸气系统来处理所述约束室的内表面以及第一和第二生成部分的内表面、夹设在所述约束室与所述第一和第二生成部分之间的第一和第二偏滤器的内表面、以及联接到所述第一和第二生成部分的第一和第二外部偏滤器的内表面。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述吸气系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。

27.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括如下步骤：从轴向安装的等离子体枪将等离子体轴向地注入到所述反场构型中。

28.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括如下步骤：控制所述反场构型的边缘层中的径向电场分布。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，控制所述反场构型的边缘层中的径向电场分布的步骤包括：利用偏压电极向所述反场构型的一组开放通量表面施加电势分布。

30.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二紧凑环注入器朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述反场构型等离子体中，其中，所述第一和第二紧凑环注入器在所述约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

31.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二紧凑环注入器朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述反场构型等离子体中，其中，所述第一和第二紧凑环注入器在所述约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

32.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二紧凑环注入器朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述反场构型等离子体中，其中，所述第一和第二紧凑环注入器在所述约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。

33.一种用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的系统，所述系统包括：

约束室，

第一和第二正好相对的反场构型生成部分，所述第一和第二反场构型生成部分联接到所述第一和第二正好相对的内部偏滤器，

第一和第二偏滤器，所述第一和第二偏滤器联接到所述第一和第二生成部分，

以下中的一者或多者：多个等离子体枪，一个或多个偏压电极以及第一和第二镜塞；其中，所述多个等离子体枪包括可操作地联接到所述第一和第二偏滤器、所述第一和第二生成部分以及所述约束室的第一和第二轴向等离子体枪；其中，所述一个或多个偏压电极被定位于如下中的一者或多者内：所述约束室、所述第一和第二生成部分以及所述第一和第二外部偏滤器；并且其中，所述第一和第二镜塞被定位于所述第一和第二生成部分与所述第一和第二偏滤器之间，

吸气系统，所述吸气系统联接到所述约束室和所述第一和第二偏滤器，

多个中性原子束注入器，所述中性原子束注入器联接到所述约束室并且朝向所述约束室的中间平面成角度，

磁系统，所述磁系统包括多个准直流线圈，所述准直流线圈被定位成围绕所述约束室、所述第一和第二生成部分以及所述第一和第二偏滤器，并且第一组和第二组准直流镜线圈被定位于所述第一和第二生成部分与所述第一和第二偏滤器之间，以及

天线系统，所述天线系统被定位成围绕所述约束室，其中，所述天线系统被配置为将高次谐波快波发射到所述反场构型等离子体中以加热等离子体电子；

其中，所述天线系统包括一个或多个天线，所述天线被定位成以相对于所述约束室的中间平面的发射角将所述高次谐波快波发射到所述反场构型等离子体中；

34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述天线系统包括具有多个带的相控阵列天线。

35.根据权利要求33或34所述的系统，其中，所述高次谐波快波是射频范围内的快波。

36.根据权利要求33或34所述的系统，其中，所述系统被配置为将反场构型等离子体电子从150 eV加热到高于1 keV。

37.根据权利要求35所述的系统，其中，所述系统被配置为将反场构型等离子体电子从150 eV加热到高于1 keV。

38.根据权利要求33或34所述的系统，其中，所述系统被配置为在将中性束注入到等离子体中时产生反场构型并维持反场构型而不衰减。

39.根据权利要求38所述的系统，其中，所述系统被配置为将反场构型等离子体电子温度升高到高于1 keV。

40.根据权利要求33或34所述的系统，其中，所述第一和第二偏滤器包括夹设在所述第一和第二生成部分与所述约束室之间的第一和第二内部偏滤器，并且还包括联接到所述第一和第二生成部分的第一和第二外部偏滤器，其中，所述第一和第二生成部分夹设在所述第一和第二内部偏滤器与所述第一和第二外部偏滤器之间。

41.根据权利要求40所述的系统，所述系统还包括：第一和第二轴向等离子体枪，所述第一和第二轴向等离子体枪可操作地联接到所述第一和第二内部以及外部偏滤器、所述第一和第二生成部分以及所述约束室。

42.根据权利要求41所述的系统，所述系统还包括：两个或更多个鞍形线圈，所述鞍形线圈联接到所述约束室。

43.根据权利要求33所述的系统，其中，所述生成部分包括：模块化生成系统，所述模块化生成系统用于产生反场构型并使所述反场构型朝向所述约束室的中间平面移动。

44.根据权利要求33所述的系统，其中，偏压电极包括以下中的一者或多者：一个或多个点电极，所述点电极被定位于所述约束室内以接触开放场线；一组环形电极，所述环形电极在所述约束室与所述第一和第二生成部分之间，以便以方位角对称的方式向远边缘通量层充电；多个同心堆叠电极，所述同心堆叠电极被定位在所述第一和第二偏滤器中以对多个同心通量层充电；以及等离子体枪的阳极，所述等离子体枪的阳极用于拦截开放通量。

45.根据权利要求44所述的系统，其中，所述系统被配置成产生反场构型并在将中性原子束注入到所述反场构型中时维持所述反场构型处于恒定值或大约恒定值而不衰减。

46.根据权利要求45所述的系统，其中，第一和第二径向磁场关于所述中间平面是反对称的。

47.根据权利要求33或34所述的系统，所述系统还包括：第一和第二紧凑环（CT）注入器，所述第一和第二紧凑环注入器朝向所述约束室的中间平面成角度地联接到所述约束室，其中，所述第一和第二紧凑环注入器在所述约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。