CN113796162A - 用于生成和加速磁化等离子体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于稳定生成和加速磁化等离子体的方法和系统包括使等离子体发生器中的注入气体电离并生成形成磁场以形成具有闭合极向场的磁化等离子体，在磁化等离子体后方产生反向极向场并且反向极向场具有与闭合极向场的后缘相同的场方向且具有与形成磁场相反的场方向，并且生成逆着闭合极向场推动反向极向场的推动环场，借此通过等离子体发生器下游的等离子体加速器使磁化等离子体加速。反向极向场用于防止在形成磁化等离子体后，形成磁场和闭合极向场的重联，这将使得推动环场与闭合极向场混合并引起不稳定性和降低的等离子体约束。

Description

用于生成和加速磁化等离子体的系统和方法
技术领域
本发明公开一般地涉及用于生成磁化等离子体的系统和方法，并且更具体地涉及用于在等离子体装置中产生磁场形态，从而在等离子体形成和等离子体加速期间有助于等离子体约束的系统和方法。
背景技术
除非在本文中另外说明，否则在本节中描述的材料不是本发明申请中的权利要求的现有技术并且不承认通过在本节中的包括而成为现有技术。
等离子体是其中至少一部分颗粒电离的类似于气体的物质状态。自由移动的带电颗粒(例如，正离子和负电子)的存在使得等离子体是导电的。具有足够强以影响带电颗粒的运动的磁场的等离子体被称为磁化等离子体。如果配置磁场线以在闭合轨道中在它们自身上环回(长度可能是无限的)，则等离子体内的磁场可以约束等离子体颗粒并且在延长的一段时间内防止它们撞击容器壁。可以将等离子体所占据的体积类似于环成形，从而闭合磁场曲线将在所述等离子体的体积内的特定环层表面上的环形或螺旋形路径中环绕运行。闭合磁场作为极优良的绝热体起作用，从而在热等离子体核心和容器壁温之间维持了数百万开氏度数每cm的温度梯度。可以通过在线圈和导电壁中流动的外部电流以及在等离子体本身内部流动的电流的一些组合来生成和维持用于约束等离子体颗粒的磁场。通过获得磁场的外部与内部电流的使用之间的权衡程度，对可能的磁约束装置范围参数化。仿星器是使用完全外部线圈来生成几乎不具有等离子体电流的磁场的装置。托卡马克具有主要外部-来源的场，但是确实依赖等离子体电流进行等离子体加热和控制螺旋场线的旋转。反场箍缩(RFP)装置依赖于通过贯穿环容器中心孔的时间依赖性通量-核心的变压器作用所生成的显著的内部等离子体电流。在紧凑环(CT)装置中，闭合磁场完全从内部等离子体电流产生，因此将CT等离子体称为自约束等离子体。可以进一步稳定CT等离子体并通过包含在导电壳体或外部生成的磁场内来防止扩大，然而，这些外部源不负责生成直接约束等离子体的磁场的闭合部分。通过是自约束的，CT等离子体可以在一个位置形成，然后转换至另一个位置而不破坏其约束能力。
在等离子体环的表面上存在两个不同的磁场方向：极向方向，如它所进行的一样，其采取围绕所述环穿过所述中心孔的近路，和环方向，其采取围绕所述环的旋转对称轴旋转的远路。在所述环的整个体积中存在的任何轴对称矢量场(如平衡磁场)可以在每个位置具有描述为环分量和极向分量之和的向量。
对于等离子体环的磁场，通过在环方向上贯穿等离子体的环形核心的电流生成了磁场的极向分量。如果在包括所讨论的问题的环表面上存在在极向方向上流动的电流，则所述磁场还可以在空间中在给定点具有环分量。以这种方式，等离子体边缘附近的极向电流在等离子体核心内部生成环磁场，并且等离子体核心附近的环电流在等离子体边缘附近生成极向磁场。轴对称平衡内的给定磁场线将卷绕特定子环表面并且不从它上移开，这表示该表面上的每个环圆形所包围的极向通量的量将是恒定值；因此我们将其表示为通量面(通量[韦伯]＝磁场强度[特斯拉]乘以面积[米2])。磁通量的两个分量的拓扑连接程度被称为磁螺旋度并且与总极向磁通量和包含它内部的环磁通量的量的乘积成比例。最后，当我们将表面表示为环-样时，我们表示它可以在极向平面中具有不一定完全环形的横截面。任何光滑闭合曲线(无自交点)可以用作极向横截面并围绕z轴旋转以生成环-样表面或环。
可以将凑环(CT)分成两个主要子类；球马克(Spheromak)和反场位形(FRC)。球马克等离子体的磁场具有极向和环磁通量两者，与生成显著螺旋度有关。它通常接近于弛豫最低能量状况，其中电流仅主要平行于磁场线流动并且可以相对于破坏性不稳定性是磁流体动力学(MHD)稳定的。FRC场几乎是完全极向的并且具有几乎零螺旋度。
轴对称MHD平衡的磁场的隔热能力在理论上是很高的，但是如果等离子体波动引起与该平衡的偏离，则它可以显著降低。由于磁场中带电颗粒的路径被约束在与场线对齐的螺旋路径，因此应小心以确保磁场线在环方向和极向方向上运动，但不沿径向运动以避免从核心至等离子体边缘的直达路线。可以通过追踪场线并对在完成一个极向转角之前它所完成的环转角数目计数来最佳地描述通量面上环与极向场的比值，并且该数值被称为“安全因子”，通过变量q表示。通过称为q-谱的函数描述这在等离子体内的径向方向上如何变化，并且q-谱的确切形状是确定等离子体MHD稳定性的主要因素。例如，当安全因子采取完全合理的值
Figure BDA0003342506140000031
时，其中m和n是整数(通常对于小于或等于3的{m,n}中的较小值是最差的)，则通量面上的每条场线在相对短的有限路径长度后在其本身上是完全闭合的。然后，邻近的场线的位移扰动彼此同相位地建设性地增加，并且如果满足其它条件，则这导致与定位至合理的q表面附近区域的轴对称性(不稳定性)的逐渐偏离。如果这些不稳定区域中的一些重叠，则远离原始通量面的磁场线位移自身在所有表面上混合，并且单一场线然后可以在径向方向上逆着热等离子体核心前后移动，最终一直蜿蜒至冷边缘，并且极大降低了等离子体的热能约束，从而起到热从核心流动至等离子体边缘的直接路径的作用。
发明内容
在一个方面，提供了用于生成和加速磁化等离子体的系统。所述系统包括用于生成磁化等离子体环的等离子体发生器和与所述等离子体发生器流体偶联以将该磁化等离子体环加速一定距离的等离子体加速器。将所述加速器在所述等离子体发生器下游定位，从而所述等离子体发生器的下游端和所述加速器的上游端共同限定了加速隙和弛豫区。电源与所述等离子体发生器电通信并且所述等离子体加速器配置以提供在其中穿过的功率脉冲。将形成磁场发生器(formation magnetic field generator)，如一组线圈或永磁铁用于在所述等离子体发生器中提供形成磁场。将反向极向场发生器，如一种或多种其它线圈或永磁铁定位在所述加速隙的附近以提供跨过所述加速隙的反向极向磁场。反向极向场的径向分量与形成极向场的方向相反，从而当电源跨过所述加速器提供电流脉冲时，将所述反向极向磁场推出到所述磁化等离子体后方的弛豫区中，然后在相同径向方向上，推出到等离子体的闭合极向场的后缘，但是与所述等离子体发生器中的形成极向场的方向相反。
根据另一个方面，提供了用于生成和加速磁化等离子体的方法，其包括：使等离子体发生器中的气体电离并生成形成磁场；生成从所述等离子体发生器移动至弛豫区的具有闭合极向场的磁化等离子体环；在所述磁化等离子体环后方生成反向极向场，所述反向极向场具有与所述闭合极向场的后缘相同的场方向并且具有与所述形成磁场相反的场方向；并且生成逆着所述闭合极向场推动所述反向极向场的推动环场，借此通过所述等离子体发生器下游的等离子体加速器使所述磁化等离子体环加速。
更具体地，所述方法可包括将第一电流脉冲发送至所述等离子体发生器以使气体电离并生成闭合极向场，并且将第二电流脉冲发送至所述等离子体加速器以生成推动环场。在所述等离子体发生器中生成后并且在所述等离子体加速器中加速前，所述磁化等离子体环可以在所述弛豫区中扩张并稳定。
可以跨过所述等离子体发生器的下游端和所述等离子体加速器的上游端之间的加速隙生成所述反向极向场。生成所述反向极向场可包括生成0.1-0.25*ψCT的范围内的反向极向通量，其中ψCT是所述磁化等离子体环的总极向通量。
所述等离子体发生器可包括环形等离子体形成通道，并且所述方法还可包括将所述气体注入到所述等离子体形成通道并形成所述磁化等离子体环，如紧凑环或球形托卡马克。所述气体可包括氢、氢的同位素、氖、氩、氪、氙和氦中的任一项或混合物。所述等离子体加速器还可包括锥形环形通道，并且所述方法还可包括压缩并加热所述等离子体环，同时加速通过所述锥形环形通道。
根据另一个方面，提供了用于生成和加速磁化等离子体环的系统，其包括等离子体发生器、等离子体加速器、至少一个反向极向磁场发生器和至少一个电源。所述等离子体发生器包括可操作以使气体电离的电离化电极，和可操作以生成形成磁场的至少一个形成磁场发生器。所述等离子体加速器流体偶联至所述等离子体发生器，并且包括可操作以生成推动环场的加速器电极。所述等离子体发生器的下游端和所述等离子体加速器的上游端共同限定了加速隙和弛豫区，并且反向极向磁场发生器是可操作的以生成跨过所述加速隙的反向极向场。可以为所述磁化等离子体环配置弛豫区以在其中扩张并稳定。至少一个电源电偶联至所述电离化电极和所述加速器电极。所述至少一个电源是可操作的以：生成从所述等离子体发生器移动至所述弛豫区的具有闭合极向场的磁化等离子体环，其中所述反向极向场位于所述磁化等离子体环的后方并且具有与所述闭合极向场的后缘相同的场方向且具有与所述形成磁场相反的场方向；并且生成所述推动环场以逆着所述闭合极向场推动所述反向极向场，借此通过所述等离子体加速器使所述磁化等离子体环加速。所述形成磁场发生器和所述反向极向磁场发生器可以分别包含一个或多个磁性线圈或永磁铁。
铁磁材料可以定位在所述加速隙的每一侧以增加跨过所述加速隙的反向极向场。所述铁磁材料可包括限制所述加速器电极或电离化电极的内部电极的至少一个环、环形盘或一系列间隔段。例如，可以存在定位在所述加速器电极的内部电极的上游端的环形盘，和定位在所述电离化电极的内部电极的下游端的环形圈。可以选择至少一种反向极向磁场的数目和位置以生成0.1-0.25*ψCT的反向极向通量，其中ψCT是所述磁化等离子体环的总极向通量。例如，所述形成磁场发生器可包括3个形成磁性线圈并且所述反向极向场发生器可包括一个反向极向磁性线圈。
所述电离化电极可以是环形的并且限定了产生磁化等离子体环，如紧凑环或球形托卡马克的环形等离子体形成通道。所述加速器电极可以是环形的并且限定了从入口至出口向内呈锥形的环形传送通道(propagation channel)。
所述至少一个电源可包括至少一个电容器组，并且可以是可操作的以向所述等离子体发生器提供第一电流脉冲，并且向所述等离子体加速器提供第二电流脉冲。
附图说明
在整个附图中，参考标号可以重复使用以表示参考元素之间的对应性。提供了附图以显示本文所描述的实例实施方式，并且附图不意欲限制本发明公开的范围。附图中元素的尺寸和相对位置不必需按比例绘制。例如，多种元素的形状和角度不是按比例绘制的，并且这些元素中的一些是任意放大和定位的以改善附图的易读性。
图1(a)-(c)是根据本发明的实施方式，用于生成和加速磁化等离子体的系统的一部分的示意性截面侧视图，并且所述系统包括反向极向场发生器，所显示的部分围绕轴A是环形的。
图2(a)-(d)是在实验测试中使用的，不具有反向极向场发生器的用于生成和加速磁化等离子体的系统的一部分的示意性截面侧视图。
图3(a)显示了使用图2(a)-(d)中所示的系统，不具有反向极向磁场的形成极向磁场构造的计算机模拟的实例。
图3(b)显示了使用图1(a)-(c)中所示的系统，跨过加速隙的形成极向磁场构造和反向极向磁场构造的计算机模拟的实例。
具体实施方式
如本文之前所提及的，通过等离子体本身中和/或通量守恒室壁中流动的电流生成了磁化等离子体中的大部分磁场。闭合磁场结构通过抑制热和颗粒从等离子体核心传输至其边缘来约束等离子体热能。影响等离子体的寿命和稳定性的一些主要因素是等离子体形成磁通量构造、气阀时机、等离子体破环时机、等离子体温度、不希望的杂质的密度和水平、电流脉冲轮廓以及等离子体装置的尺寸和几何形状。限制热传输的一种基本方式是通过q-谱的控制来控制MHD稳定性。通过内部等离子体电流的控制、等离子体几何形状的设计以及容器和电极壁中流动的电流的组合来间接控制q-谱。
本文所描述的实施方式涉及用于稳定生成和加速磁化等离子体的系统和方法。所述方法的实施方式包括使等离子体发生器中注入的气体电离并生成形成磁场以形成具有闭合极向场的磁化等离子体，从而生成在所述磁化等离子体后方并且具有与所述闭合极向场的后缘相同的场方向并且具有与所述形成磁场相反的场方向的反向极向场，并且生成逆着所述闭合极向场推动所述反向极向场的推动环场，借此通过等离子体发生器下游的等离子体加速器使磁化等离子体加速。反向极向场用于防止在形成所述磁化等离子体之后所述形成磁场和闭合极向场的重联，这将使得所述推动环场与所述闭合极向场混合并引起不稳定性和降低的等离子体约束。
图1(a)-(c)和3(b)中显示了所述系统的实施方式。更具体地，图1(a)和(b)示意性显示了一部分用于生成和加速磁化等离子体环11的系统10，如紧凑环(CT)或球形托卡马克或其组合，其中所显示的部分围绕轴A是环形的。系统10包括环形等离子体发生器12和定位在等离子体发生器12的下游的环形加速器14，从而等离子体发生器12的下游和加速器14的上游共同限定了加速隙13和弛豫区22。例如，系统10可以基于两级马歇尔枪以在等离子体发生器12(第一级)中形成等离子体环11并在加速器14(第二级)中加速这种等离子体环11。等离子体发生器12包括内部，通常管状的形成电极15，和与内部形成电极15同轴并包裹内部形成电极15的外部，通常管状的电极16(统称“电离化电极”)。电离化电极15，16限定了其中之间的环形等离子体形成通道17。包括一系列形成磁性线圈18的形成磁场发生器围绕外部电极16和/或在形成电极15内布置，并且偶联至电源(未显示)(图1(c)省略了线圈18以改善呈现的清楚程度)。作为另外一种选择，所述形成磁场发生器可包括一个或多个永磁铁(未显示)。提供一系列形成磁性线圈18以生成在电离化电极15，16之间径向交叉的初始极向形成磁场19。例如，磁性线圈18可以是DC螺线管。形成磁场19的磁场线可以从内部形成电极15引出并进入外部电极16。在一个实施中，在不背离本发明的范围的情况下，可以建立形成磁场19，从而磁场线径向向内引导通过外部电极16，进入内部电极15。
为了形成等离子体环11，提供了围绕外部电极16布置的等距快速作用气阀的环(未显示)以将预定量的气体对称注入等离子体形成通道17。所述阀可以是电磁阀、压电阀或者任何其它适合的阀或其组合。可以通过所述阀的开放时间或者通过具有已知压力的气体填充的已知体积的充气来确定通过所述阀注入的气体量。所述气体可以是氢和/或其同位素(氘、氚)、氦、氖、氩、氪、氙或任何其它适合的气体或任何这些气体的混合物。例如，所述气体可以是50/50氘-氚气体的混合物。
系统10还包括电源，所述电源包括第一电源28a(仅在图1(a)中显示)，所述第一电源可以(例如)包括至少一个电容器组并且优选地两个或更多个电容器组并且它是可操作的以向等离子体发生器12提供电流脉冲。另外，系统10包括第二电源28b(仅在图1(a)中显示)，所述第二电源包括至少一个电容器组并且优选地两个或更多个电容器组以向加速器14的加速电极提供电流脉冲。例如，一种构造中的第一和第二电源28a，28b可以分别配置以在等离子体发生器12和/或加速器14中提供0.5-5MJ的能量。一旦气体填充形成通道17，则可以触发第一电源28a并且可以在电离化电极15，16之间释放电流。例如，在一种构造中，第一电源28a可以在电离化电极15，16之间提供10-40kV的脉冲。在另一种放大构造中，可以配置电源28a，28b以在等离子体发生器12和/或加速器14中提供0.5-50MJ的能量，并且第一电源28a可以在电离化电极15，16之间提供10-100kV脉冲。在电离化电极15，16之间施加的电压起作用以使气体电离并形成初始等离子体。沿形成磁场线19以基本径向方向流动通过初始等离子体的电流进一步提高了等离子体的温度和密度。该电流在电流层后方的等离子体中生成环磁场，并且磁场压力梯度将施加推动等离子体沿轴向方向向加速器14前进的洛伦兹力＝J×B。随着等离子体向前移动，它与形成磁场19相互作用，从而扭曲并拉伸场线直至前进的等离子体通过磁重联过程脱离，借此形成由于电流从环磁场获得的具有环磁场的等离子体环11，并形成由于等离子体与原始形成磁场19的相互作用的闭合极向场25以及通过等离子体动态影响所引起的可能的极向通量扩大。
等离子体发生器12的下游流体偶联至加速器14。加速器14包括与外部电极16同轴的内部加速电极20(统称，“加速电极”)。外部电极16和内部加速电极20限定了环形传送通道21。在该实施方式中，内部形成电极15的下游和内部加速电极20的上游共同限定了加速隙13。在其它实施方式中，在不背离本发明的范围的情况下，可以在外部电极16形成加速隙13。当在等离子体发生器12中形成的等离子体环11进入弛豫区22(参见图1(b))时，它轻微扩大并且磁场线重联，从而等离子体环11可以在它沿加速器14朝其出口加速前稳定。当第二电源28b在加速电极20和外部电极16之间释放第二电流脉冲时，由于加速电极20和外部电极16之间流动的电流所生成的环场24，等离子体环11在加速器14下游轴向加速。由于位于等离子体环11后方并且沿加速器14朝其出口推动等离子体环11，因此将环场24称为“推动环场”。加速器14可以具有朝出口变窄的锥形构造，从而当等离子体环11沿加速器14加速时，它同时被压缩和加热。例如，第二电源28(b)可以提供跨过加速器14的20-100kV，以沿加速器14加速，并且在一些情况下，压缩等离子体环11。
包括一个或多个线圈32的反向极向场发生器是可操作的以生成跨过加速隙13的反向极向场30，所述反向极向场用于防止极向形成磁场19和闭合极向场25的重联。该反向极向场30的方向的建立使得与等离子体环11的闭合极向场25的后缘的方向相同，但是与极向形成磁场19的方向相反(术语“后缘”表示闭合极向场的上游，它是如图1(b)所示的闭合极向场的左侧)。跨过加速隙13的反向极向场30具有与形成区中的极向形成磁场19反向的极性(从形成电极15引导，跨过隙13并且到达加速电极20)的事实是该磁场30被称为“反向”极向磁场的原因。推动通过加速隙13并进入形成电极16中并且由于通过加速脉冲所生成的环场24涌出(bubble out)到弛豫区22中的任何等离子体将具有与等离子体环11的闭合极向场25的后缘的方向相同，但是与形成磁场19的方向相反的反向极向场30a(参见图1(b))。因此，从具有反向极向场30a的加速隙13涌出的等离子体将不会与环11的闭合极向场25重联，因此防止推动环场24扩散到等离子体环11中。在到达等离子体环11的外层中之前，推动环场24将需要首先扩散通过反向极向场30a，因此延迟所述边缘附近的q的升高并且保持等离子体环11更长时间的稳定。
反向极向场发生器的磁性线圈32偶联至电源(未显示)并且可以通过调整通过磁性线圈32的电流来调整反向极向场30的参数，从而所生成的反向极向场30处于通过形成磁性线圈18所生成的形成磁场19相反的方向。作为另外一种选择，所述反向极向场发生器可包括一个或多个永磁铁(未显示)，而不是电磁感应圈。
在图1(c)中所示的一个实施中，铁磁材料34a，34b，如430级不锈钢，可以置于加速隙13两侧以提高桥接隙13的反向极向场30的量。例如，铁磁材料可以是限制加速电极20上游的环34a和/或限制内部(形成)电极15的下游的环形盘34b。作为另外一种选择，铁磁材料可包括限制加速电极20的上游和内部形成电极15的下游中的一种或两者的一系列间隔的铁磁段(未显示)。反向极向场30的量取决于等离子体的总极向通量并且它可以处于0.1-0.25*ψCT的范围内，其中ψCT是等离子体的总极向通量。例如，对于ψCT＝300mWb的CT，反向极向通量可以为约ψRP＝30-75mWb。这仅是出于说明的目的并且对于具有小于或大于300mWb的极向通量的等离子体环，可以因此将跨过加速隙13的反向极向场30的反向通量建立为更小或更大的值。可以通过形成磁性线圈18和反向极向磁性线圈32的数目和位置以及流动通过这些线圈18，32的电流来控制CT的极向通量ψCT参数和反向通量ψRP参数。
在General Fusion,Inc.(Burnaby,Canada)实施的具有和不具有反向极向场发生器的等离子体生成和加速系统实验表明形成磁场19的构造对形成和加速期间的等离子体稳定性和约束具有显著影响，并且反向极向场发生器的不存在可以使得推动环场与闭合极向场混合并引起不稳定性和降低的等离子体约束。
参考图2(a)-(c)，使用不具有反向极向场发生器的等离子体生成和加速系统实施实验，并且发现当形成磁场19的构造在等离子体前方(越过加速隙13，在弛豫区22中)提供更多开放场线时，所产生的等离子体环11在等离子体发生器12中具有更紧凑的构造和更长的温度寿命。然而，形成场19的这种构造防止等离子体环11的良好加速。相对不良的加速性能的原因可以是推动环场24可以沿等离子体环11前方的开放场线，在等离子体环11和开放场线之间(参见图2(a))逸散，因此代替向下推动等离子体环11，它使这些开放场线消散(blows out)，同时大部分等离子体环11处于弛豫区22中。
还注意到在等离子体环11形成期间，一些等离子体(电离气体)逸散通过加速隙13进入内部(形成)电极15。因此，当释放第二(加速)电流脉冲时，环场24的推动环通量推动该等离子体向前，从而使极向形成磁场19a的磁场线在加速隙13中扭曲并通过隙13，从而使其涌出到等离子体环11后方的弛豫区22中(参见图2(c))。将跨过加速隙13的极向形成磁场l9a的磁场线从加速电极20引导至形成电极15。由于极向形成磁场19a处于等离子体环11的闭合极向场25的后缘的相反方向，因此两个极向场19a，25重联，从而为环场24打开无阻碍路径26以进入等离子体边缘或可能甚至达到等离子体环11的核心，从而通过额外环通量使其膨胀，而不是沿加速器14推动等离子体环11(参见图2(d))。在这种情况下，由于在等离子体环11中流动的推动环场24将向外推动等离子体的极向场25，因此推动环场24与等离子体的闭合极向场25混合并产生具有中空构造的等离子体环11。在等离子体环11的中空构造中，在等离子体边缘附近流动的等离子体电流比核心中更多，因此在可能破坏等离子体约束的等离子体内产生不稳定性。具有等离子体环11的闭合极向场25的推动环场24的混合使边缘附近的q升高，从而改变了等离子体的q谱并产生了可以破坏等离子体约束的等离子体不稳定性。通过沿等离子体发生器12和加速器14长度定位的表面磁场传感器(未显示)测量具有闭合极向场25的推动环场24的混合。所述传感器表明环场24升高，同时极向场25升高，这表明环场和极向场24，25混合。然后，当等离子体环11通过这些传感器时，由于等离子体环11后方的推动环场24，极向场25降低且环场24升高。
建立以下理论：通过(例如)提高加速器的功率来设法加速这种中空等离子体环11(其含有过多环通量)将提高渗漏效应的概率。当推动电流的磁场压力从加速电极20提升等离子体环11时，渗漏可以发生，从而使环场24的环推动通量扩张至等离子体环11前方。因此，如果跨过加速器14的电流脉冲的形状使得所生成的环场24升高过快，则它可以将等离子体环11朝外部电极16“向上”提升并紧贴加速电极20表面在等离子体“下方”通过。
现参考图3(a)和(b)，使用开源有限元分析代码FEMM(得自David Meeker,dmeeker@_ieee.org)，实施了具有和不具有反向极向场发生器的等离子体生成和加速系统的模拟。图3(a)显示了仅提供极向形成磁场19且无反向极向场30的磁场形态。使用3个形成磁性线圈18a，18b，18c生成了形成磁场19。可以使用小于或大于3个形成磁性线圈18来提供极向形成磁场19。根据等离子体的参数，小心调整和预定流动通过每个形成磁性线圈18的电流。图3(b)显示了磁场确认，其中使用3个形成磁性线圈18生成了形成磁场19，并且使用1个反向极向磁性线圈32生成了反向极向场30。还提供了铁磁性板34a和环形圈34b以提高跨接加速隙13的反向极向场30的量。如箭头所示，反向极向场30的方向与形成磁场19的方向相反。本领域技术人员将理解可以添加不止一个反向极向磁性线圈32以调整跨过加速隙13的反向极向场30的构造和参数。可以将一个或多个反向极向磁性线圈32定位在加速隙13的紧左侧(如图3(b)所示)和对称轴附近，从而它们可以改变磁场形态，从而磁场线朝加速器隙左侧移动。根据等离子体环11的预定参数和电源28a，28b的参数，可以预设通过形成磁性线圈18和反向极向磁性线圈32的电流的参数。
用于等离子体生成和加速系统的系统的实施方式可以用于生成适合于在中子发生器、核聚变、核废物治理、医学核苷酸生成中的应用、适合于材料研究、适合于通过中子射线照相术和断层术的对象内部结构的遥感成像、x射线发生器等的高能量密度等离子体。
尽管已显示和描述了本发明公开的具体元素、实施方式和应用，但是将理解本发明公开的范围不限于此，因为可以具体地根据上述教导，在不背离本发明公开的范围的情况下做出修改。因此，例如，在本文所公开的任何方法或过程中，可以以任何适合的顺序实施构成所述方法/过程的动作或操作并且所述动作或操作不必需受限于任何具体公开的顺序。可以在多种实施方式中不同地配置或安排元素和组分，将它们组合和/或消除。可以彼此独立地使用以上所描述的多种特征和过程，或者可以以多种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在属于本发明公开的范围内。在整个发明公开中，对“一些实施方式”、“实施方式”等的提及表示在至少一个实施方式中包括了结合所述实施方式所描述的具体特性、结构、步骤、过程或特征。因此，在整个发明公开中，“在一些实施方式中”、“在实施方式中”等短语的出现不必需全部表示相同实施方式并且可以表示一种或多种相同或不同的实施方式。的确，本文所描述的新方法和系统可以以多种其它形式体现；此外，在本文所描述的实施方式的形式中，可以在不背离本文所描述的本发明的精神的情况下做出多种省略、添加、替换、等价形式、重排和改变。
已在适当情况下描述了实施方式的多个方面和优势。应理解不需要根据任何具体实施方式实现所有这些方面或优势。因此，例如，应认识到可以以实现或优化如本文所教导的一种优势或优势组的方式实施多种实施方式，而无需实现如可以在本文中可能教导或表明的其它方面或优势。
除非在如所使用的上下文内另外具体指明或另外理解，否则本文所使用的条件性语言，如其中“可以(can)”、“可以(could)”、“可能(might)”、“可能(may)”、“例如(e.g.)”等通常旨在表达某些实施方式包括，而其它实施方式不包括特定特性、元素和/或步骤。因此，这种条件性语言通常不意欲表示在具有或不具有操作人员输入或提示的情况下，特性、元素和/或步骤处于一个或多个实施方式所要求的任何方式或者一个或多个实施方式必要包括决定逻辑，而无论在任何具体实施方式中包括或将实施这些特性、元素和/或步骤与否。没有单一特性或特性组是任何具体实施方式所要求或绝对必要的。术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的并且是以开放形式包含性使用的，并且不排除其它元素、特性、动作、操作等。另外，以其包含性含义(而不是以其排他性含义)使用术语“或者”，从而当用于(例如)连接元素列表时，术语“或者”表示该列表中的元素的一个、一些或全部。
除非另外具体指明，否则连接语，如短语“X、Y和Z中的至少一个”应通过如所使用的上下文另外一般地理解为表达项目、术语等可以是X、Y或Z中的任一个。因此，这种连接语通常不意欲表示某些实施方式需要分别存在X中的至少一种、Y中的至少一种和Z中的至少一种。
本文所描述的实施方式的实例计算、模拟、结果、图、值和参数旨在显示而非限制所公开的实施方式。可以配置其它实施方式和/或不同于本文所描述的说明性实例来运行。的确，本文所描述的新方法和设备可以以多种其它形式体现；此外，可以在不背离本文所公开的本发明的精神的情况下对本文所描述的方法和系统的形式做出多种省略、替换和改变。

Claims (21)

1.一种用于生成和加速磁化等离子体的系统，所述系统包括：
等离子体发生器，所述等离子体发生器包括能操作为使气体电离的电离化电极和形成磁场发生器；
等离子体加速器，所述等离子体加速器流体偶联至所述等离子体发生器并且包括能操作为生成推动环场的加速器电极，所述等离子体发生器的下游端和所述等离子体加速器的上游端共同限定了加速隙和弛豫区；
反向极向场发生器，所述反向极向场发生器能操作以生成跨过所述加速隙的反向极向场；以及
至少一个电源，所述至少一个电源电偶联至所述电离化电极和所述加速器电极，并且能操作以：生成从所述等离子体发生器移动至所述弛豫区的具有闭合极向场的磁化等离子体环，其中，所述反向极向场位于所述磁化等离子体环的后方并且具有与所述闭合极向场的后缘相同的场方向且具有与所述形成磁场相反的场方向；并且生成所述推动环场以逆着所述闭合极向场推动所述反向极向场，借此通过所述等离子体加速器使所述磁化等离子体环加速。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述形成磁场发生器包括至少一个磁性线圈或者至少一个永磁铁。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述反向极向场发生器包括至少一个磁性线圈或者至少一个永磁铁。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括定位在所述加速隙的每一侧的铁磁材料以增加跨过所述加速隙的反向极向场。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述铁磁材料包括环、环形盘和一系列间隔段中的至少一种，其限制所述加速器电极的内部电极的上游端和所述电离化电极的内部电极的下游端中的一者或两者。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，选择所述反向极向磁发生器的数目和位置以生成0.1-0.25*ψCT的反向极向通量，其中ψCT是所述磁化等离子体环的总极向通量。
7.根据权利要求2和3所述的系统，其中，所述形成磁场发生器包括三个形成磁性线圈并且所述反向极向场发生器包括一个反向极向磁性线圈。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述电离化电极是环形的并且限定了环形等离子体形成通道。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述等离子体环是紧凑环或球形托卡马克。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，为所述等离子体环配置所述弛豫区以在其中扩张并稳定。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述加速器电极是环形的并且限定了从入口至出口向内呈锥形的环形传送通道。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述至少一个电源包括至少一个电容器组，并且能操作以向所述等离子体发生器提供第一电流脉冲且向所述等离子体加速器提供第二电流脉冲。
13.一种用于生成和加速磁化等离子体的方法，包括：
使等离子体发生器中的气体电离并生成形成磁场，并生成从所述等离子体发生器移动至弛豫区的具有闭合极向场的磁化等离子体环；
在所述磁化等离子体环后方生成反向极向场，所述反向极向场具有与所述闭合极向场的后缘相同的场方向并且具有与所述形成磁场相反的场方向；并且
生成推动环场，所述推动环场逆着所述闭合极向场推动所述反向极向场，借此通过所述等离子体发生器下游的等离子体加速器使所述磁化等离子体环加速。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述等离子体发生器包括环形等离子体形成通道，并且其中，形成所述磁化等离子体包括将所述气体注入到所述环形等离子体形成通道中以形成所述磁化等离子体环。
15.根据权利要求13中所述的方法，其中，所述磁化等离子体环是紧凑环或球形托卡马克。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述气体包括氢、氢的同位素、氖、氩、氪、氙和氦中的任一种或其混合物。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，在所述等离子体发生器中生成后并且在所述等离子体加速器中加速前，所述磁化等离子体环在所述弛豫区中扩张并稳定。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，还包括将第一电流脉冲发送至所述等离子体发生器以电离所述气体并生成所述闭合极向场，并将第二电流脉冲发送至所述等离子体加速器以生成所述推动环场。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，在所述等离子体发生器的下游端和所述等离子体加速器的上游端之间跨过加速隙生成所述反向极向场。
20.根据权利要求18中所述的方法，其中，生成所述反向极向场包括生成在0.1-0.25*ψCT的范围内的反向极向通量，其中ψCT是所述磁化等离子体环的总极向通量。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述等离子体加速器包括锥形环形通道，并且所述方法还包括压缩和加热所述等离子体环，同时加速通过所述锥形环形通道。
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