CN115380627A

CN115380627A - 用于经由球马克合并和中性束注入来形成和保持高能高温frc等离子体的系统和方法

Info

Publication number: CN115380627A
Application number: CN202180020779.1A
Authority: CN
Inventors: 乡田博司; T·塔吉马
Original assignee: TAE Technologies Inc
Current assignee: TAE Technologies Inc
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-11-22
Also published as: EP4091411A4; EP4091411A1; AU2021209064A1; US20220400546A1; WO2021146329A1; IL294525A; KR20220127297A; CA3167556A1; JP2023512457A; MX2022008660A; BR112022013552A2

Abstract

一种高性能场反向构型（FRC）系统包括中心约束室、耦合到该室的两个偏滤器室、以及耦合到偏滤器室的两个直径相对的球马克注入器。磁性系统包括沿着FRC系统部件轴向地定位的准直流线圈。

Description

用于经由球马克合并和中性束注入来形成和保持高能高温 FRC等离子体的系统和方法

技术领域

本文中所描述的实施例总体涉及磁性等离子体约束系统，且更特别地，涉及促进形成和保持具有优异的稳定性以及粒子、能量和通量约束的高能高温场反向构型（FRC）等离子体的系统和方法。

背景技术

场反向构型（FRC）属于被称作紧凑环（CT）的磁性等离子体约束拓扑的类别。它主要展现极向磁场并拥有为零或小的自生环向场（见M. Tuszewski的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保持、用于促进能量提取和除灰的自然不受限制的偏滤器、以及非常高的β（β是FRC内部的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性质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角向箍缩（Ɵ-pinch）技术，从而产生热的高密度等离子体（A. L. Hoffman和J. T. Slough的Nucl. Fusion 33, 27 (1993)）。对此的一种变型是平移-俘获方法，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射出到约束室中。然后在室的端部处的两个强镜之间俘获平移的等离子体团（见例如H.Himura、S. Okada、S. Sugimoto和S. Goto，Phys. Plasmas 2, 191 (1995)）。一旦在约束室中，就可应用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聚变反应堆提供了关键的工程优点。FRC已证明是极为稳健的，适应于动态形成、平移和剧烈捕获事件。此外，它们表现出呈现优选等离子体状态的倾向（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重大进展：合并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的Nucl. Fusion 39, 2001 (1999))和通过用旋转磁场（RMF）来驱动电流（见例如I. R. Jones，Phys. Plasmas 6, 1950 (1999))，其也提供附加的稳定性。

很久以前提出的碰撞合并技术（见例如D. R. Wells，Phys. Fluids 9, 1010(1966)）已显著得到了进一步发展：在约束室的相对端部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且合并以形成复合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为产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC（见例如M. Binderbauer等人，Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010)）。最近，在束驱动FRC实验中使用碰撞合并技术取得了主要进展，这些FRC实验使用高功率中性束（NB）注入（NBI）和有效边缘偏置来长时间产生相对高温的FRC（典型的等离子体参数：T_e ~250 eV、T_i ~1 keV、<n_e> ~2-3×10¹³ cm^-3、B_e~1 kG、等离子体寿命~30 ms）。（见例如Gota, H.等人的Nucl. Fusion 57, 116021(2017)；Gota, H.等人的Nucl. Fusion 59, 112009 (2019)；以及Gota, H.等人的Bull.Am. Phys. Soc. 64, UP10.00123 (2019)）。在这种实验中，NBI的目标等离子体是通过使用场反向角向箍缩（FRTP）动态形成技术（Binderbauer，Phys. Rev. Lett. 105）使两个FRC等离子体碰撞和合并产生的，其中合并后的FRC的俘获磁通量基于刚性转子模型最初为~5mWb并且在约束区段中具有~1 kG的外部磁场。通过将>13 MW的高功率NB（通过在发射（shot）期间调整束能量而增加直至~21 MW）注入到目标等离子体中，所注入的快粒子被俘获并在具有大轨道的分界面内部和外部行进以主要加热电子以及用于电流驱动，其中快离子几乎经典地被约束。这种高功率NBI尚未在任何其他CT实验中获得，并且是束驱动FRC构思的有效性及其技术准备完好率的一项非常重要的证明。（Gota的Nucl. Fusion 59；Gota的Bull. Am. Phys. Soc. 64）。

期望改进的系统、装置和方法来产生高通量目标FRC等离子体和轴向再加料（axial refueling）。

发明内容

本文中提供了系统、装置和方法的示例实施例，用于产生高通量目标FRC等离子体和对FRC等离子体轴向再加料。为了产生最佳的初始高通量目标FRC等离子体，中尺度球马克注入器（也称为CT注入器）相对地耦合到居中定位的等离子体约束室的端部。球马克注入器将球马克朝向约束室的中平面注入，其中球马克在约束室中合并并且形成FRC等离子体。两个球马克的反螺旋性合并倾向于产生具有升高的俘获磁通量的FRC等离子体。多个中性束注入器也耦合到约束室以驱动和保持FRC等离子体。

在示例实施例中，中性束注入器可从初始功率水平调节到增加的功率水平。

在进一步的示例实施例中，球马克注入器能够沿着约束室的几何轴线将多脉冲式球马克注入到FRC等离子体中，以实现有效的再加料和回流。

在观察以下附图和详细描述时，本文中所描述的主题的其他系统、装置、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的或将变得显而易见。意图是所有这种附加的系统、方法、特征和优点都被包括在此描述内、在本文中所描述的主题的范围内并且受所附权利要求的保护。示例实施例的特征绝不应被解释为限制所附权利要求，权利要求中没有对那些特征的明确叙述。

附图说明

作为本说明书的一部分而被包括的附图图示了本示例实施例，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发明的原理。

图1图示了高性能FRC机制（regime）（HPF）下对比常规FRC机制（CR）下、以及对比其他常规FRC实验的本FRC系统中的粒子约束。

图2图示了本FRC系统的部件和本FRC系统中可产生的FRC的磁拓扑。

图3A图示了如从顶部观察的本FRC系统的基本布局，该基本布局包括中心约束容器、形成区段、偏滤器、中性束、电极、等离子体枪、镜塞和球粒注入器的优选布置。

图3B图示了如从顶部观察并且示出了以与中心约束容器中的主对称轴线正交的角度布置的中性束的中心约束容器。

图3C图示了如从顶部观察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平面注入粒子的中性束的中心约束容器。

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

图4图示了用于形成区段的脉冲式功率系统的部件的示意图。

图5图示了单独的脉冲式功率形成撬（skid）的等距视图。

图6图示了形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剖视等距视图。

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Ti和Li吸气系统的优选布置的部分剖视等距视图。

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

图11图示了在约束室的轴向端部处的环形偏置电极的优选布局。

图12图示了从在两个场反向角向箍缩形成区段处的一系列外部抗磁圈以及嵌入中心金属约束室内部的磁探头获得的FRC系统中的排斥通量半径的演变。时间从形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、非持续放电的数据。被示为时间的函数的是（图13A）中平面处的排斥通量半径、（图13B）来自中平面CO2干涉仪的线积分密度的6条弦（chord）、（图13C）来自CO2干涉仪数据的Abel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系统的相同放电在选定时间处的排斥通量轴向分布。

图15图示了安装在约束室外部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。如图所示，更长的束脉冲产生了寿命更长的FRC。

图17A、图17B、图17C和图17D图示了FRC系统的不同部件对于FRC性能和HPF机制获得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、非持续放电的数据。被示为时间的函数的是（图18A）中平面处的排斥通量半径、（图18B）来自中平面CO2干涉仪的线积分密度的6条弦、（图18C）来自CO2干涉仪数据的Abel反演密度径向分布、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（T_e）的函数的通量约束。其表示HPF放电的新建立的优异标度（scaling）机制的图形表示。

图20图示了对应于非成角度和成角度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图示了成角度注入的中性束的脉冲长度以及对应于成角度注入的中性束的脉冲长度的等离子体半径、等离子体密度、等离子体温度和磁通量的FRC等离子体参数的寿命。

图22A和图22B图示了紧凑环（CT）注入器的基本布局。

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

图24A和图24B图示了具有耦合到其的漂移管的CT注入器的替代性实施例的基本布局。

图25图示了中性束系统和用于可调整能量束输出的关键部件的剖视等距视图。

图26是图示具有可调整能量束输出的中性束系统的示意图。

图27是图示约束容器（CV）内的FRC等离子体的轴向位置控制机制的示意图。

图28是通用滑模控制方案的流程图。

图29是滑模轴向位置控制模拟的示例的复合图。

图30是滑模轴向位置控制模拟的示例的复合图。

图31A和图31B是描绘具有相对的球马克注入器的FRC约束系统的示例实施例的示意图。

图32A、图32B、图32C和图32D图示了经由反螺旋性球马克合并的FRC形成过程中的步骤。

图33是描绘球马克注入器的示例实施例的示意图。

应注意，附图不一定按比例绘制，并且贯穿附图，出于图示性目的，类似结构或功能的元件通常由相似附图标记来表示。还应注意，附图仅旨在促进对本文中所描述的各种实施例的描述。附图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

在详细描述本主题之前，将理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为这些当然可变化。还将理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的且并不旨在为限制性的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求限制。

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，这些示例既单独地又组合地利用这些附加的特征和教导中的许多。该详细描述仅旨在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，而不旨在限制本发明的范围。因此，在最宽泛的意义上，在以下详细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，而是相反地仅被教导来特别地描述本教导的代表性示例。

此外，代表性示例和从属权利要求的各种特征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。另外，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所有特征都旨在被单独地且彼此独立地公开。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，所有的值范围或实体组的指示都公开了每个可能的中间值或中间实体。

本文中所提供的本实施例涉及促进形成和保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促进利用具有可调谐束能量能力的中性束注入器来形成和保持具有升高的系统能量和改进的维持的FRC的系统和方法。本实施例中的一些还涉及促进FRC等离子体沿径向和轴向两个方向的稳定性以及独立于FRC等离子体平衡的轴向稳定性性质对FRC等离子体沿着FRC等离子体约束室的对称轴线的轴向位置控制的系统和方法。

在转到促进利用一对中尺度球马克注入器（或磁化同轴等离子体枪（MCPG））来产生和保持高通量目标FRC等离子体以及对FRC等离子体轴向再加料的系统和方法之前，提供对用于形成和保持与常规FRC相比具有优异的稳定性以及优异的粒子、能量和通量约束的高性能FRC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路径，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摄影）、紧凑光子源（用于化学生产和加工）、质量分离和富集系统、以及用于供未来能量产生的轻核聚变的反应堆芯。

已探索了各种辅助系统和操作模式来评估在FRC中是否存在优异的约束机制。这些付出已引起突破性的发现以及本文中所描述的高性能FRC范例的开发。根据该新的范例，本系统和方法组合了大量的新颖构思和手段来明显地改进FRC约束（如图1中所图示）以及提供稳定性控制而没有不利的副作用。如下文更详细地讨论的，图1描绘了根据用于形成和保持FRC的高性能FRC机制（HPF）进行操作对比根据用于形成和保持FRC的常规机制CR进行操作、以及对比根据其他实验中所使用的用于形成和保持FRC的常规机制的粒子约束的在下文所描述的FRC系统10（见图2和图3）中的粒子约束。本公开将概述和详述FRC系统10和方法的创新性各个部件以及它们的集体效果。

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，其被两个直径相对的反向场角向箍缩形成区段200包围；以及越过形成区段200的两个偏滤器室300，这些偏滤器室用以控制中性密度和杂质污染。本FRC系统10被构建成适应超高真空并且在10^-8托的典型基础压力下操作。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修整（诸如，物理和化学清洁，接着是24小时250°C真空烘烤和氢辉光放电清洁）。

反向场角向箍缩形成区段200是标准的场反向角向箍缩（FRTP），尽管具有下文详细讨论的先进脉冲式功率形成系统（见图4至图6）。每个形成区段200由标准不透明的工业级石英管制成，其以2毫米的超纯石英内衬为特征。约束室100由不锈钢制成以允许多个径向和切向端口；其还用作下文所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。利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内产生并保持真空。

磁性系统

图2和图3中图示了磁性系统400。除了其他特征之外，图2图示了与可由FRC系统10产生的FRC 450有关的FRC磁通量和密度等值线（作为径向坐标和轴向坐标的函数）。这些等值线是使用被开发为模拟对应于FRC系统10的系统和方法的代码通过2-D电阻式Hall-MHD数值模拟来获得的，并且与测量的实验数据良好地吻合。如图2中看到的，FRC 450由在FRC450的内部453（在分界面451内部）处的闭合场力线环以及正好在分界面451外部的开放场力线452上的环形边缘层456的环组成。边缘层456聚结成超过FRC长度的射流454，从而提供自然偏滤器。

主磁性系统410包括一系列准直流线圈412、414和416，它们位于沿着FRC系统10的部件（即，沿着约束室100、形成区段200和偏滤器300）的特定轴向位置处。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、形成区段200和偏滤器300中产生约0.1 T的基本磁性偏置场。除了准直流线圈412、414和416之外，主磁性系统410还包括在约束室100的任一端部与相邻形成区段200之间的准直流镜线圈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以用于平衡成形控制。另外，镜塞440定位在形成区段200中的每一个与偏滤器300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），这些线圈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脉冲式功率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集并且引导磁通量表面455和端部串流的等离子体射流454进入偏滤器300的边远室310中。最后，一组鞍形线圈“天线”460（见图15）位于约束室100外部，两个在中平面的每一侧上，并且由直流电源馈送。鞍形线圈天线460可以被构造成提供约0.01 T的准静态磁偶极或四极场，以用于控制旋转不稳定性和/或电子电流控制。取决于所施加的电流的方向，鞍形线圈天线460可以灵活地提供关于机器的中平面对称抑或反对称的磁场。

脉冲式功率形成系统

脉冲式功率形成系统210根据修改的角向箍缩原理来操作。存在两个系统，它们各自为形成区段200中的一个供电。图4至图6图示了形成系统210的主构建块和布置。形成系统210由模块化脉冲式功率布置组成，该模块化脉冲式功率布置由各个单元（=撬）220组成，这些单元各自激励围绕形成石英管240包绕的带组件230（=带）的线圈232的子集。每个撬220由电容器221、电感器223、快速大电流开关225以及相关联的触发器222和转储电路（dump circuitry）224组成。总体上，每个形成系统210存储350-400 kJ之间的电容性能量，其提供高达35 GW的功率以形成并加速FRC。这些部件的协调操作经由目前工艺水平的触发器和控制系统222和224来实现，触发器和控制系统允许在每个形成区段200上的形成系统210之间的同步正时并且使开关跳动最小化至数十纳秒。该模块化设计的优点是其灵活的操作：FRC可以原位形成并且然后被加速和注入（=静态形成）或同时形成并加速（=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（develop）快粒子压力。如图3A、图3B和图8中所示，包括中性原子束注入器系统610和640的各条束线围绕中心约束室100定位并且以碰撞参数与FRC等离子体相切地（且垂直于中心约束容器100中的主对称轴线或以与该主对称轴线正交的角度）注入快粒子，使得目标俘获区很好地位于分界面451（见图2）内。每个注入器系统610和640能够将高达1 MW的中性束功率注入到具有介于20与40 keV之间的粒子能量的FRC等离子体中。系统610和640基于正离子多孔提取源，并且利用几何聚焦、离子提取栅（grid）的惯性冷却和差动泵送。除了使用不同的等离子体源之外，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，从而产生侧部和顶部注入能力。这些中性束注入器的典型部件在图7中针对侧部注入器系统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包括位于输入端部处的RF等离子体源612（这在系统640中用弧源替代），并且磁屏614覆盖该端部。离子光源和加速栅616耦合到等离子体源612并且闸阀620定位在离子光源和加速栅616与中和器622之间。偏转磁体624和离子转储器（ion dump）628位于中和器622与出口端部处的瞄准装置630之间。冷却系统包括两个低温制冷机634、两个低温板636和LN2护罩638。这种灵活的设计允许在FRC参数的宽范围内操作。

用于中性原子束注入器600的替代性构型是如下的构型：与FRC等离子体相切、但相对于中心约束容器100中的主对称轴线以小于90°的角度A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可定向成使得在中心约束容器100的中平面的任一侧上的束注入器615都朝向中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为更靠近中平面。这些替代性注入实施例促进更加中心的加料选项，从而提供束的更好的耦合以及所注入的快粒子的更高俘获效率。此外，取决于角度和轴向位置，束注入器615的这种布置允许对FRC 450的轴向拉长和其他特性的更直接和独立的控制。例如，相对于容器的主对称轴线以浅角度A注入束将产生具有更长的轴向延伸和更低的温度的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和位置可以出于不同的目的而被优化。另外，束注入器615的这种成角度和定位可以允许将更高能量的束（其通常对于以较小束发散沉积更大功率而言更有利）注入到与以其他方式俘获这种束所必须的磁场相比更低的磁场中。这是由于以下事实所致：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的减小而逐渐变得更小）的是能量的方位角分量。此外，朝向中平面的成角度注入并且其中轴向束位置靠近中平面改进了束-等离子体耦合，即使在注入时段期间当FRC等离子体收缩（shrink）或以其他方式轴向地紧缩时也是如此。

转到图3D和图3E，FRC系统10的另一种替代性构型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定位在形成区段200与约束室100之间，并且基本上类似于外部偏滤器300来构造和操作。其中包括快速切换磁线圈的内部偏滤器302在形成过程期间是有效地不活动的（inactivate），以使得当形成FRC（formation FRC）朝向约束室100的中平面平移时这些形成FRC能够穿过内部偏滤器302。一旦形成FRC穿过了内部偏滤器302进入约束室100中，内部偏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与形成区段200隔离。

球粒注入器

为了提供用以注入新粒子和更好地控制FRC粒子存量的手段，在FRC系统10上利用了12筒球粒注入器700（见例如I. Vinyar等人的“Pellet Injectors Developed at PELINfor JET, TAE, and HL-2A”，第26届聚变科学与技术座谈会论文集，09/27至10/01（2010））。图3图示了球粒注入器700在FRC系统10上的布局。圆柱形球粒（D ~ 1 mm, L ~ 1– 2 mm）以在150 – 250 km/s范围内的速度注入到FRC中。每个单独的球粒包含约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，中性气晕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显著密度的中性气体都将导致所注入的大轨道（高能量）粒子的快速损失或至少严重缩短其寿命（大轨道指的是具有在FRC拓扑的尺度上的轨道或至少具有远大于特性磁场梯度长度尺度的轨道半径的粒子），这是对于所有高能等离子体应用（包括经由辅助束加热的聚变）不利的事实。

表面修整是如下的手段，即，通过该手段，可以在约束系统中控制或减小中性气体和杂质的不利作用。为此，本文中所提供的FRC系统10采用钛和锂沉积系统810和820，这些沉积系统用Ti和/或Li的膜（数十微米厚）来涂覆约束室（或容器）100以及偏滤器300和302的面向等离子体的表面。经由气相沉积技术来实现涂层。固体Li和/或Ti被蒸发和/或升华并且喷涂到附近的表面上以形成涂层。源是原子炉，其具有引导喷嘴（在Li的情况下）822或带有引导护罩的受热固体球812（在Ti的情况下）。Li蒸发器系统通常以连续模式操作，而Ti升华器多半在等离子体操作之间间歇地操作。这些系统的操作溫度高于600°C以获得快速沉积速率。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详述了FRC系统10中的吸气沉积系统810和820的优选布置。涂层用作吸气表面并且有效地泵送氢类原子和分子物质（H和D）。涂层还将其他典型杂质（诸如，碳和氧）减小到无关紧要的水平。

镜塞

如上文所陈述的，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的两个轴向端部处并且由主磁性系统410的直流约束、形成和偏滤器线圈412、414和416独立地激励。第一组镜线圈420主要帮助在合并期间操纵并轴向地包含FRC 450，并且在维持期间提供平衡成形控制。第一镜线圈组420产生名义上比由中心约束线圈412产生的中心约束场更大的磁场（大约0.4至0.5 T）。包括三个紧凑准直流镜线圈432、434和436的第二组镜线圈430位于形成区段200与偏滤器300之间，并且由公共的开关电源驱动。镜线圈432、434和436与更紧凑的脉冲式镜塞线圈444（由电容性电源馈送）以及物理收缩部442一起形成镜塞440，这些镜塞提供具有非常高的磁场（在2至4 T之间且上升时间为约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，最紧凑的脉冲式镜线圈444具有紧凑的径向尺寸、20 cm的孔和类似的长度。镜塞440的目的是多重的：（1）线圈432、434、436和444紧密地束集磁通量表面452和端部串流的等离子体射流454并且将其引导到边远的偏滤器室300中。这保证了排放的粒子适当地到达偏滤器300并且存在从中心FRC 450的开放场力线452区域一路沿溯（trace）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通过该物理收缩部使得磁通量表面452和等离子体射流454能够通过。同样，收缩部442防止气体从形成区段200到偏滤器300的返流，由此减少当开始FRC的启动时必须引入到整个FRC系统10中的中性粒子的数量。（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由此减少了在开放场力线上的平行粒子扩散性。

在图3D和图3E中所示的替代性构型中，一组低轮廓颈缩（necking）线圈421定位在内部偏滤器302与形成区段200之间。

轴向等离子体枪

来自安装在偏滤器300的偏滤器室310中的枪350的等离子体流旨在改进稳定性和中性束性能。枪350安装在偏滤器300的室310内部的轴线上（如图3和图10中所图示的），并且产生在偏滤器300中沿着开放通量线452并且朝向约束室100的中心流动的等离子体。枪350在垫圈堆叠通道中在高密度气体放电下操作并且被设计成在5至10 ms内产生数千安培的完全电离的等离子体。枪350包括脉冲式磁线圈，其使输出等离子体流与约束室100中的期望大小的等离子体匹配。枪350的技术参数以如下的通道为特征：即，该通道具有5至13cm的外直径和高达约10 cm的内直径，并且以介于0.5至2.3 T之间的枪内磁场在400-600 V下提供10-15 kA的放电电流。

枪等离子体流可以穿透镜塞440的磁场并且流入形成区段200和约束室100中。随着枪350与塞440之间的距离的减小以及通过使塞440更宽且更短，等离子体通过镜塞440转移的效率增加。在合理的条件下，枪350可以分别在约150至300 eV和约40至50 eV的高离子和电子温度的情况下各自递送近似10²²个质子通过2至4 T的镜塞440。枪350提供对FRC边缘层456的显著再加料以及改进的整体FRC粒子约束。

为了进一步增加等离子体密度，可利用气体箱来将附加的气体充入到来自枪350的等离子体流中。这种技术允许所注入的等离子体密度数倍地增加。在FRC系统10中，安装在镜塞440的偏滤器300侧上的气体箱改进了对FRC边缘层456的再加料、FRC 450的形成以及等离子体线捆（line-tying）。

给定上文所讨论的所有调节参数并且还考虑到用仅一个枪或用两个枪的操作都是可能的，容易显而易见的是，可获得宽范围的操作模式。

偏置电极

开放通量表面的电偏置可以提供径向电势，这些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力线等离子体以及实际FRC芯450的旋转。为了实现该控制，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描绘了定位在在FRC系统10内的优选位置处的偏置电极。

原则上，存在4类电极：（1）约束室100中的点电极905，这些点电极与FRC 450的边缘中的特定开放场力线452接触以提供局部充电；（2）在约束室100与形成区段200之间的环形电极900，以便以方位角对称的方式对远边缘通量层456充电；（3）偏滤器300中的同心电极910堆叠，以便对多个同心通量层455充电（由此通过调节线圈416来调节偏滤器磁场以便在适当的电极910上终止期望的通量层456而使层的选择是可控制的）；以及最后，（4）等离子体枪350自身的阳极920（见图10）（其拦截FRC 450的分界面附近的内部开放通量表面455）。图10和图11示出了对于这些电极中的一些的一些典型设计。

在所有情况下，这些电极都由脉冲式电源或直流电源以高达约800 V的电压驱动。取决于电极大小以及与什么通量表面相交，可以汲取在千安培范围内的电流。

FRC系统的非持续操作—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向场角向箍缩技术。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，脉冲式功率形成系统210的RFTP脉冲式功率电路驱动脉冲式快速反向磁场线圈232以在形成区段200中产生约−0.05 T的临时反向偏置。此时，经由位于形成区段200外端部上的凸缘处的一组方位角定向的充入谷（puff-vale），在9-20 psi下将预定量的中性气体注入到由（北和南）形成区段200的石英管室240限定的两个形成体积中。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形式的预电离。这之后是在驱动脉冲式快速反向磁场线圈232的电流上施加角向振铃调制（theta-ringing modulation），这导致气体柱更加全面的预电离。最后，激发脉冲式功率形成系统210的主脉冲式功率组以驱动脉冲式快速反向磁场线圈232，从而产生高达0.4 T的前向偏置场。该步骤可以是按时间顺序的，使得贯穿形成管240的长度均匀地产生前向偏置场（静态形成），或使得沿着形成管240的轴线实现连续的蠕动场调制（动态形成）。

在该整个形成过程中，等离子体中实际的场反向在约5 μs内快速地发生。被递送到正形成的等离子体的数千兆瓦的脉冲式功率容易地产生热的FRC，热的FRC然后经由施加对前向磁场的时间顺序调制（磁蠕动）抑或在形成管210的轴向外端部附近的线圈组232中的最后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）而从形成区段200射出。如此形成并加速的两个（北和南）形成FRC然后扩展到更大直径的约束室100中，在该约束室中，准直流线圈412产生前向偏置场以控制径向扩展并且提供平衡外部磁通量。

一旦北和南形成FRC到达约束室100的中平面附近，这些FRC就碰撞。在碰撞期间，北和南形成FRC的轴向动能随着FRC最终合并成单个FRC 450而在很大程度上被热能化。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，这些复合FRC具有约0.4 m的分界面半径和约3m的轴向延伸。进一步的特性是约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的总等离子体溫度。在没有任何维持（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的寿命限于约1 ms，即，固有特性构型衰减时间。

非持续操作的实验数据—常规机制

图12示出了接近分界面半径r_s的排斥通量半径r_ΔΦ的典型时间演变，以图示FRC450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从相应的形成区段200加速出来，并且在中平面附近在z = 0处碰撞。在碰撞期间，等离子体团轴向地压缩，然后是快速的径向和轴向扩展，之后最终合并以形成FRC 450。合并的FRC 450的径向和轴向动态两者都由详细的密度分布测量和基于测辐射热器的断层摄影来证明。

来自FRC系统10的代表性非持续放电的数据在图13A、图13B、图13C和图13D中被示为时间的函数。FRC起始于t = 0处。在机器的轴向中平面处的排斥通量半径在图13A中示出。该数据从正好位于约束室的不锈钢壁内部的磁探头阵列获得，这些磁探头测量轴向磁场。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，其来自位于z = 0处的6弦CO₂/He-Ne干涉仪。考虑到如通过测辐射热断层摄影所测量的竖直（y）FRC移位，Abel反演产生图13C的密度等值线。在第一个0.1 ms期间的一些轴向和径向晃动之后，FRC以中空的密度分布稳定。该分布相当平坦，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。

来自整个排斥通量阵列的分析指示，FRC分界面的形状（由排斥通量轴向分布近似）从跑道形逐渐演变到椭圆形。图14中所示的这种演变与从两个到单个FRC的逐渐磁重联一致。实际上，粗略估计表明在此特定时刻两个初始FRC磁通量的约10%在碰撞期间重联。

FRC长度在FRC寿命期间从3 m稳步地收缩到约1 m。从图14中可见的此收缩表明大部分对流能量损失在FRC约束中占主导地位。由于分界面内部的等离子体压力下降得比外部磁压力更快，因此端部区域中的磁场力线张力轴向地压缩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（分别为约10 mWb、7×10¹⁹个粒子以及7 kJ）在第一个毫秒内减少大致一个数量级。

持续操作—HPF机制

图12至图14中的示例是没有任何维持的衰减FRC的特性。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）改进至HPF机制并持续该构型。

中性束

首先，快（H）中性粒子以来自八个中性束注入器600的束垂直于B_z注入。快中性粒子的束从北和南形成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离子具有添加到FRC 450的方位角电流的电子感应加速器轨道（具有在FRC拓扑的尺度上或至少远大于特性磁场梯度长度尺度的主半径）。在一部分放电后（在进入发射后0.5至0.8 ms），足够大的快离子群体显著地改进了内FRC的稳定性和约束性质（见例如M.W. Binderbauer和N. Rostoker的Plasma Phys. 56，第3部分，451 (1996)）。此外，从维持角度看，来自中性束注入器600的束也是用以驱动电流和加热FRC等离子体的主要手段。

在FRC系统10的等离子体机制中，快离子主要在等离子体电子上减慢。在放电的早期部分期间，快离子的典型轨道平均的减慢时间是0.3 – 0.5 ms，这导致主要是对电子的显著的FRC加热。快离子在分界面外部产生大的径向偏移，因为内部FRC磁场固有地低（对于0.1 T的外部轴向场平均为约0.03 T）。如果中性气体密度在分界面外部过高的话，则快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，它们尤其有助于气体控制）倾向于最小化边缘中性粒子并且实现快速离子电流的所需累积。

球粒注入

当在FRC 450内累积了显著的快离子群体（具有更高的电子温度和更长的FRC寿命）时，将冷冻的H或D球粒从球粒注入器700注入到FRC 450中，以维持FRC 450的FRC粒子存量。预期的消融时间尺度充分短以提供显著的FRC粒子源。此速率也可通过扩大注入件的表面面积、通过在球粒注入器700的筒或注入管中时并且在进入约束室100之前将单独的球粒破碎成更小的碎片来增加，这是可以通过以下步骤来增大球粒与注入管的壁之间的摩擦而实现的步骤：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。凭借改变12个筒（注入管）的激发顺序和速率以及碎片化，有可能调整球粒注入系统700来提供正好为期望的粒子存量维持水平。进而，这帮助保持FRC 450中的内部动压力以及FRC 450的持续操作和寿命。

一旦消融的原子在FRC 450中遇到显著的等离子体，它们就变得被完全电离。所得冷等离子体成分然后被固有的FRC等离子体碰撞地加热。保持期望的FRC温度所必要的能量最终由束注入器600供应。在此意义上，球粒注入器700与中性束注入器600一起形成保持稳态并维持FRC 450的系统。

CT注入器

作为对球粒注入器的替代方案，提供了紧凑环（CT）注入器，其主要用于为场反向构型（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，该磁化同轴等离子体枪包括：同轴圆柱形内电极722和外电极724；定位在内电极内部的偏置线圈726；以及在CT注入器720的与放电相反的端部上的电破碎器（electricalbreak）728。气体通过气体注入端口730注入到内电极722与外电极724之间的空间中，并且球马克状等离子体由此通过放电产生并且通过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的中平面附近并且在该中平面的相对侧上耦合到约束容器100，以将CT注入到约束容器100内的中心FRC等离子体中。类似于中性束注入器615，CT注入器720的放电端部以与约束容器100的纵向轴线成一定角度朝向约束容器100的中平面引导。

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，该漂移管包括耦合到CT注入器720的放电端部的细长圆柱形管。如所描绘的，漂移管740包括绕该管定位并且沿着该管轴向间隔开的漂移管线圈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）每次注入的CT的粒子存量的控制和可调节性；（2）沉积热的等离子体（而不是冷冻的球粒）；（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，外电极的内直径是83.1 mm且内电极的外直径是54.0 mm。内电极722的表面优选地涂覆有钨以便减小从电极722出来的杂质。如所描绘的，偏置线圈726安装在内电极722的内部。

在最近的实验中，实现了高达~100 km/s的超音速CT平移速度。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的高动压力允许所注入的等离子体深入地穿透到FRC中并且在分界面内部沉积粒子。在最近的实验中，FRC粒子加料已导致通过CT注入器成功地提供~10-20%的FRC粒子存量，这证明可以在不破坏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和保持所需要的离子电流，期望防止或显著地减少由于电子-离子摩擦力（由碰撞的离子电子动量转移造成）所致的电子加快自旋（spin up）。FRC系统10利用创新性技术来经由外部施加的静态磁偶极或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。所得轴向电子电流与径向磁场相互作用，以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，等离子体内部所需要施加的磁偶极（或四极）场仅需要大约0.001 T以提供充分的电子破碎。约.015 T的对应的外部场足够小而不会引起明显的快粒子损失或以其他方式负面地影响约束。事实上，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提供关于电流保持和稳定性方面附加的控制水平。

镜塞

镜塞440内脉冲式线圈444的设计准许以适度（约100 kJ）的电容能量局部产生高磁场（2至4 T）。为了形成FRC系统10的当前操作的典型磁场，形成体积内的所有场力线都在镜塞440处穿过收缩部442，如由图2中磁场力线所表明的，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可以被调节以便将场力线引导到偏滤器电极910上，或使场力线以端部尖头（cusp）构型（未示出）张开。后者改进了稳定性并且抑制了平行电子热传导。

镜塞440本身也有助于了中性气体控制。镜塞440准许更好地利用在FRC形成期间被充入到石英管中的氘气，因为到偏滤器300中的气体返流通过这些塞的小的气体传导（少量的500L/s）得以显著地减小。形成管210内部的残余充入气体的大部分被迅速电离。另外，流过镜塞440的高密度等离子体提供高效的中性电离，因此提供有效的气体屏障。结果，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。另外，与等离子体枪350的操作相关联的中性粒子（如下文所讨论）将大部分被约束到偏滤器300。

最后，镜塞440倾向于改进FRC边缘层约束。利用在20至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15 m的长度，边缘层粒子约束时间τ_∥被增加高达一个数量级。改进τ_∥容易增大FRC粒子约束。

假定来自分界面体积453的径向扩散（D）粒子损失被来自边缘层456的轴向损失（τ_∥）平衡，则获得(2πr_sL_s)(Dn_s/δ) = (2πr_sL_sδ)(n_s/τ_∥)，由此分界面密度梯度长度可以被重写为δ = (Dτ_∥)^1/2。此处，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τ_N = [πr_s ²L_s<n>]/[(2πr_sL_s)(Dn_s/δ)] = (<n>/n_s)(τ⊥τ_∥)^1/2，其中τ⊥= a²/D且a=r_s/4。物理上，改进τ_∥导致增加δ（减小分界面密度梯度和漂移参数），且因此导致减少FRC粒子损失。在FRC粒子约束方面的整体改进通常略微小于二次方，因为n_s随τ_∥增加。

τ_∥方面的显著改进也需要边缘层456保持非常稳定（即，没有对于开放系统典型的n = 1凹槽、消防带或其他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通过线捆来改进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，这证明在控制FRC旋转不稳定性方面是有用的。因而，枪350是用以控制FRC稳定性的有效手段，而不需要更老的四极稳定技术。结果，等离子体枪350使得可能利用快粒子的有益效果，或使用（access）如本公开中所概述的先进混合动力学FRC机制。因此，等离子体枪350使得FRC系统10能够以鞍形线圈电流操作，这些鞍形线圈电流正好足以进行电子破碎，但是在将引起FRC不稳定性和/或导致明显的快粒子扩散的阈值以下。

如在上文讨论的镜塞中所提到的，如果可以显著改进τ_∥，则所供应的枪等离子体将与边缘层粒子损失速率（~ 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。俘获长度L和镜比R分别为约15 m和20。由于库伦碰撞所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。为进行比较，对于这些等离子体参数，经典的离子约束时间将是τ_c ~ 0.5τ_ii(lnR + (lnR)^0.5) ~ 0.7 ms。原则上，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，则对于枪等离子体的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的显著再加料以及改进的整体FRC粒子约束。

此外，枪等离子体流可以在约150至200微秒中打开，这准许在FRC启动、平移以及合并到约束室100中使用。如果在t ~ 0（FRC主组（main bank）起始）附近打开，则枪等离子体帮助维持当前动态地形成并合并的FRC 450。来自形成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维持。如果在处于-1至0 ms范围内的t打开，则枪等离子体可以用等离子体填充石英管210或使充入到石英管中的气体电离，因此准许以减少的或甚至可能零充入气体实现FRC形成。后者可能需要足够冷的形成等离子体来准许反向偏置磁场的快速扩散。如果在t < -2 ms打开，则等离子体流可用几个10¹³ cm^-3的目标等离子体密度填充形成区段200和约束室100的形成和约束区域的约1至3 m³场力线体积，这足以允许FRC到达之前的中性束累积。形成FRC然后可经形成并平移到得到的约束容器等离子体中。以这种方式，等离子体枪350使得能够实现广泛各种操作条件和参数机制。

电偏置

对边缘层456中的径向电场分布的控制以各种方式有益于FRC稳定性和约束。凭借FRC系统10中部署的创新性偏置部件，有可能从在约束室100中的中心约束区域完全外部的区域对贯穿机器的一组开放通量表面施加各种有意的电势分布。以这种方式，可以正好在FRC 450外部跨边缘层456产生径向电场。这些径向电场然后修改边缘层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以通过剪切传递到FRC等离子体的内部。结果，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会是不稳定性的原因，所以这种技术提供了用以控制不稳定性起始和成长的直接手段。在FRC系统10中，适当的边缘偏置提供对开放场力线输运和旋转以及FRC芯旋转的有效控制。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，可以实现广泛大量的不同电场构型和强度，每种电场构型和强度都对等离子体性能具有不同的特性影响。

所有这些创新性偏置技术的关键优点在于如下事实：可以从FRC等离子体的完全外部影响芯和边缘等离子体表现，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构思的性能和所有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的束注入快粒子在实现HPF机制方面起到重要的作用。图16A、图16B、图16C和图16D图示了这一事实。所描绘的是示出FRC寿命如何与束脉冲的长度相关的一组曲线。对于包括此研究的所有放电，所有其他的操作条件都保持恒定。数据是对许多次发射所求的平均值且因此表示典型的表现。清晰明显的是，更长的束持续时间产生了寿命更长的FRC。查看此证据以及在此研究期间的其他诊断，它证明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，因为低于一定的等离子体大小束俘获就变得低效，即，当FRC 450在物理大小上收缩时，并非所有注入的束都被拦截和俘获。FRC的收缩主要是由于以下事实所致：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（遍及放电的约中途为~ 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，这些曲线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都注入恒定的、适度的束功率（约2.5 MW）。每条曲线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导致旋转不稳定性的快速起始以及FRC拓扑的损失。仅添加镜塞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，除枪350和塞440之外添加吸气（在此情况下是Ti）产生了最好的结果——所得FRC没有不稳定性并且展现最长的寿命。从该实验示范中清楚的是，部件的完整组合产生了最佳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机制展现了明显地改进的输运表现。图1图示了在常规机制与HPF机制之间FRC系统10中的粒子约束时间上的改变。如可以看到的，在HPF机制中其已被改进远远超过5倍。另外，图1详述了在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机制已使约束改进了5倍与接近20倍之间。最后并且最重要的是，在HPF机制中FRC系统10的约束标度（confinement scaling）的性质明显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，各种经验性标度律源自数据以预测约束时间。所有那些标度法则大都取决于比率R²/ρ_i，其中R是磁场零点（null）的半径（机器的物理尺度的松测量值），且ρ_i是在外部施加的场中评估的离子拉莫尔半径（所施加的磁场的松测量值）。从图1清楚的是，在常规FRC中，长约束仅仅在大的机器大小和/或高的磁场下才是可能的。以常规FRC机制CR操作FRC系统10倾向于遵循那些标度法则，如图1中所指示的。然而，HPF机制极其优异，并且示出可在没有大的机器大小或高的磁场的情况下获得好得多的约束。更重要地，从图1中还清楚的是，与CR机制相比，HPF机制导致改进的约束时间以及减小的等离子体大小。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中它们也增加超过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大小来维持和保持FRC系统10以及未来更高能量的机器中的中的FRC平衡。与这些改进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机制放电的作为时间的函数的数据。图18A描绘了在中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好的通量保持器（conserver），并且壁内部的磁探头用壁外部的探头增强以适当地考虑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机制操作模式展现了超过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，其中图18C中示出了其Abel反演互补（inverted complement）、密度等值线。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是静止的，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更低——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，所存储的等离子体能量是2 kJ而损失为约4 MW，使得此目标非常适合用于中性束维持。

图19概述了呈新建立的实验HPF通量约束标度形式的HPF机制的所有优点。如图19中可以看到的，基于在t = 0.5 ms之前和之后（即，t ≤ 0.5 ms和t > 0.5 ms）所获取的测量值，对于给定分界面半径（r_s），通量约束（及类似地，粒子约束和能量约束）大致与电子温度（T _e）的平方成比例。具有T _e的正幂（而不是负幂）的这种强标度与由常规托卡马克装置（tokomak）所展现的完全相反，在常规托卡马克装置中约束通常与电子温度的某次幂成反比。此标度的表现是HPF状态和大轨道（即，在FRC拓扑尺度上和/或至少特性磁场梯度长度尺度上的轨道）离子群体的直接结果。根本上，该新的标度基本上有利于高操作温度并且实现了具有相对适度大小的反应堆。

利用HPF机制所呈现的优点，可实现由中性束驱动的FRC维持或稳态，这意味着全局等离子体参数（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）在合理的水平下是可维持的而没有实质性的衰减。为进行比较，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贯穿中性束脉冲的持续时间被维持而没有衰减。对于曲线图A，具有在约2.5-2.9 MW范围内的总功率的中性束被注入到FRC 450中历时约6 ms的活动束脉冲长度。曲线图A中所描绘的等离子体抗磁寿命为约5.2 ms。更近的数据示出在约7 ms的活动束脉冲长度的情况下可获得约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，束脉冲长度与FRC寿命之间的相关性并不是完美的，因为低于一定的等离子体大小束俘获变得低效，即，当FRC 450在物理大小上收缩时，并非所有注入的束都被拦截和俘获。FRC的收缩或衰减主要由于以下事实所致：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（贯穿放电的约中途为-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朝向中平面的成角度的束注入改进了束-等离子体耦合，即使在注入时段期间当FRC等离子体收缩或以其他方式轴向地紧缩时也是如此。另外，适当的球粒加料将保持必需的等离子体密度。

曲线图B是使用约6 ms的活动束脉冲长度和来自中性束枪600的略微大于约10 MW的总束功率的模拟运行的结果，其中中性束应注入具有约15 keV粒子能量的H（或D）中性粒子。由束中的每一者注入的等效电流为约110 A。对于曲线图B，相对于装置轴线的束注入角度为约20°，目标半径为0.19 m。注入角度可以在15° - 25°的范围内改变。束将在方位角上沿并流（co-current）方向注入。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）中性粒子从北和南形成FRC在约束室100中合并成一个FRC450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-卡罗的解算器用于高能束分量和所有散射过程、以及大量耦合输运方程用于所有等离子体物质来对交互损失过程建模。输运分量被经验性地校准并且对照（against）实验数据库被广泛地基准化。

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，关键的相关性曲线图B示出当束被关闭时，等离子体或FRC在那时开始衰减，而不是在之前开始衰减。衰减将类似于在非由束辅助的放电（可能在超出束关闭时间1 ms左右）中所观察到的，并且仅仅是由内在损失过程驱动的等离子体的特性衰减时间的反映。

转到图21A、图21B、图21C、图21D和图21E，这些图中所图示的实验结果指示实现由成角度的中性束驱动的FRC维持或稳态，即，全局等离子体参数（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）可位置在恒定水平处，而没有与NB脉冲持续时间相关的衰减。例如，这种等离子体参数在~5+ ms内基本保持恒定。这种等离子体性能（包括维持特征）具有强相关NB脉冲持续时间，其中由于积聚的快离子所致，甚至在NB终止几毫秒之后仍有抗磁存留。如所图示的，等离子体性能仅受脉冲长度约束的限制，这些脉冲长度约束由许多关键系统（诸如，NB注入器以及其他系统部件）的相关联电源中的有限的存储能量引起。

中性束可调谐束能量

如上文关于图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图8所指出的，中性原子束600部署在FRC系统10上以提供加热和电流驱动以及形成快粒子压力。包括中性原子束注入器系统600的各条束线围绕中心约束室100定位，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的中平面注入中性粒子。

为了进一步改进FRC维持并证明FRC斜升到高的等离子体温度和升高的系统能量，本FRC系统10包括功率升高且脉冲长度扩展的中性束注入器（NBI）系统600，例如，仅用于示例目的，功率为约20+ MW并且脉冲长度高达30 ms。NBI系统600包括以灵活的模块化设计为特征的多个基于正离子的注入器615（见图3D和图3E），其中NBI注入器615的子集（例如，八（8）个NBI注入器615中的四（4）个）具有在发射期间将束能量从初始较低的束能量调谐到升高的束能量的能力，例如在恒定的束电流下从约15 keV到约40 keV。NBI注入器615的这种能力是期望的，以便实现对等离子体芯450的更高效的加热和由此引起的加压。特别地，与低能级相比，这种能力实现在峰值能量操作水平下的高度期望的性能改进：例如，（i）高达2x倍的更高的加热功率；（ii）电荷交换损失减少至接近4/5；以及（iii）使加热效率增加至高达两倍。另外，可由NBI注入器615产生的连续可变束能量使得在斜升过程期间实现被注入且然后俘获的快离子的轨道参数相对于瞬时磁压力分布的最佳匹配。最后，允许0.1-10ms斜升持续时间的快速斜坡速率连同NBI注入器615的束能量和功率的快速（1 ms左右或更少）可调谐性提供附加的有效“控制旋钮”（即，可控制的特征）以用于经由调制束能量和功率来对等离子体进行等离子体成形和主动反馈控制。

需要足够的加热功率以使得能够对FRC 450进行加热和加压，从而实现维持和斜升到高的等离子体温度和升高的系统能量两者。假定损失率足够低，斜升速率大都是在任何给定时间NBI注入器615可以在FRC芯450中沉积多少功率的函数。因此，始终期望通过注入端口的较高的主中性束功率。

此外，由于NBI注入器615所致的有效加热速率是所注入的束的特性与然后持久的以下各者的瞬时分布之间的复杂相互作用：所有物质的温度、电子和离子密度、中性粒子浓度以及跨FRC核心450的磁场。这些之中，磁场分布由控制系统在斜升期间在亚毫秒时间尺度上有意地改变，而动压力相关的分布经由源自等离子体内的自组织过程和湍流的内在改变以及通过注入过程所沉积的能量而演变。束的可调谐性提供了用于最佳地适应这些变化的条件的手段。

例如，电荷交换截面（即，由快离子捕获电子以形成中性原子的概率）是束能量的强函数。对于15-40 keV的范围，主电荷交换速率作为束能量的函数明显地下降。因此，在任何给定的场水平下，当以对于这种场水平相容的最高能量注入粒子时，等离子体中的能量保留是最高的（除其他之外，这需要所注入的粒子的能量导致被俘获离子轨道半径适合在约束系统的内壁内）。

分布对整体加热效率的影响的另一个示例与功率被沉积的位置有关。较高的束能量通常将导致FRC周边中的能量沉积对比芯而相对较高。提高磁场但保持束能量相同将导致更紧密的被俘获离子轨道并相称地导致更高功率耦合到FRC芯等离子体。这些事实于是对能量保留也有很强影响——例如，周边地沉积的能量沿着开放场力线结构输运出系统容易得多，而由于较低的跨场输运时间所致，芯沉积的能量相对更慢地损失。因此，期望对磁场斜变（ramping）和束能量的适当增加进行紧密协调。

束系统600被设计成用于在0.1-10 ms范围内的电压的快速斜变。这提供了以下潜在性：将离子和电子温度分别增加2倍和10倍，并且在比典型的宏观不稳定性生长时间更短的时间尺度上这样做。因此，根本上增加了等离子体稳定性，操作可靠性和再现性也是如此。

0.05至1 ms的可变电压上升时间提供足够快的响应时间，使得可以将束利用作为主动反馈系统的一部分。以这种方式，束调制可以用于控制宏观和微观稳定性。例如，通过改变束能量（并由此变换径向能量沉积模式）而暂时变换径向功率沉积分布，可以影响压力梯度，该压力梯度可以抵消不稳定等离子体模式的起始。图3D和图3E中所示的FRC系统10利用这种能力连同快速磁反馈来控制内部倾斜、旋转速率、漂移波发展和其他操作场景。

图25描绘了本FRC系统10的NBI注入器615的图示。在示例实施例中，NBI注入器615被示为包括：弧驱动器650；等离子体箱651；离子光学系统652，其包括提取栅和加速栅的三极管或四极管分组；瞄准平衡环（gimbal）653；中和器654，其包括弧蒸发器655（诸如例如，Ti弧蒸发器）；具有表面结构（诸如例如，肋状表面结构）的低温泵656，其被构造成用于增加低温泵送（cryopumping）；以及用于去除未中和的离子的偏转磁体656；以及准直孔658，其包括可插入的量热计659以用于间歇的束表征、诊断和重新校准。

更具体地并且参考图26，如图所示，可调谐束系统的实施优选地基于三极管型离子光学系统（=IOS）660。构思是加速-减速方案。如图26中所图示的，第一栅G1被设定为电压V1，而第二栅G2被设定为电压V2，并且最后的栅G3被设定为电压V3。所提取的离子首先被加速到能量E1=e*(V1-V2)，同时横越穿过G1与G2之间的间隙（此处e指的是离子的电荷）。然后它们在G2与G3之间的间隙中减速，使得E2=E1+e*(V2-V3)。这些电压通常被调节成使得V1>V2<V3。基于适当的各个电源PS1、PS2、PS3，可以在脉冲期间递增地调节栅电压，以便改变发射的离子662的输出。例如，为了开始氢原子的束脉冲，可将工作电压调节到V1=15 kV、V2=-25 kV且V3=0 V。初始束离子然后将首先被加速到40 keV，且然后以15 keV的能量从IOS中出来。在脉冲中的后期，可以切换电源以提供V1=40 kV、V2=-1 kV、V3=0 V。于是将实际上不存在第二间隙中的束减速，从而产生近似40 keV的输出束能量。电源是各自可单独控制的，并提供适当的电压调制。初始束离子从许多个标准的基于弧或RF的等离子体源PS中汲取出。从IOS 660中出来后，束离子662横越中和器664，其中快离子经由离开中和器664中存在的冷中性气体的电子的电荷交换而转换成中性离子。适当的低温泵送防止中性气体从中和器664的下游孔口流出来。在中和器的端部处还存在以下各者：适当的弯曲磁体666，其提供对未中和的快离子663的去除；以及相关联的离子转储器668，其用以吸收快离子及其能量。然后，出现的原子束670穿过适当的孔6720，以减少束发散并朝向反应堆的芯提供经良好准直的中性原子流。

在替代变型中，IOS基于四极管设计。在这种情况下，IOS由四个栅，这些栅具有与针对三极管情况所解释的相同的加速-减速原理。本领域技术人员将容易地认识到系统部件与操作原理之间的相似性。第四栅的引入提供了进一步的微调可能性和整体更多的操作灵活性。

本文中所提供的示例实施例已在美国临时专利申请号62/414,574中进行了描述，该申请通过引用并入本文中。

等离子体稳定性和轴向位置控制

对FRC不稳定性的常规解决方案通常以沿径向方向的不稳定为代价来提供沿轴向方向的稳定性，或以轴向不稳定为代价来提供沿径向方向的稳定性，但不同时提供沿两个方向的稳定性。对于一阶，以轴向不稳定为代价，其中等离子体位置横向或径向稳定的平衡具有轴对称的期望特性。考虑到前述内容，本文中所提供的实施例涉及促进FRC等离子体沿径向和轴向两个方向的稳定性以及独立于FRC等离子体平衡的轴向稳定性性质对FRC等离子体沿着FRC等离子体约束室的对称轴线的轴向位置控制的系统和方法。然而，轴向位置不稳定性是使用控制FRC等离子体轴向位置的一组外部轴对称线圈来主动控制的。通过作用在施加到与等离子体同心的一组的外部线圈的电压上并且使用非线性控制技术，这些系统和方法提供独立于等离子体平衡的稳定性性质对FRC等离子体轴向位置的反馈控制。

本文中所呈现的实施例利用FRC的轴向不稳定平衡来增强径向稳定性，同时稳定或控制轴向不稳定性。以这种方式，可以获得沿轴向和径向两个方向的稳定性。控制方法被设计成变更外部或平衡磁场来以轴向不稳定为代价使FRC等离子体径向或横向地稳定，且然后作用在径向场线圈电流上以便朝向中平面迅速地恢复FRC等离子体位置，同时最小化围绕约束室的中平面的过冲（overshooting）和/或振荡。该解决方案的优点在于，它降低了控制所需的致动器的复杂度。与具有多个自由度的常规解决方案相比，本文中所呈现的实施例的方法将复杂度降低到沿着具有一个自由度的FRC等离子体回转轴线的控制问题。

导致轴向不稳定等离子体的线圈电流中的波形、加料和中性束功率的组合限定将等离子体设定处于轴向不稳定情形中的等离子体控制场景。该场景可以使用模拟或实验的先验知识、或者被控制为保持轴向不稳定的平衡的反馈来预先编程。在放电期间等离子体位置应独立于平衡的稳定性性质来控制，例如，控制方案应对于轴向稳定抑或轴向不稳定的等离子体有效（work），直至极限。可以控制的轴向最不稳定的等离子体具有与容器的趋肤时间（skin time）相当的成长时间。

现在转到促进FRC等离子体沿径向和轴向两个方向的稳定性以及对FRC等离子体沿着FRC等离子体约束室的对称轴线的轴向位置控制的系统和方法，图27示出了简化的方案以图示轴向位置控制机构510的示例实施例。被示为在约束室100内的旋转的FRC等离子体520具有等离子体电流522和轴向移位方向524。在室100内通过对称的电流部件产生平衡场（未示出），电流部件诸如例如为准直流线圈412（见图2、图3A、图3D和图3E）。平衡场沿轴向移位方向524不产生净力，但可以被调谐以产生横向/径向抑或轴向稳定的等离子体。为了本文中所呈现的实施例的目的，平衡场被调谐以产生横向/径向稳定的FRC等离子体520。如上文所指出的，这导致轴向不稳定性，且因此导致FRC等离子体520沿轴向移位方向524的轴向移位。当FRC等离子体520轴向移动时，其引发反对称（即，在约束室100的中平面的每一侧上在约束室100的壁中沿反向方向）的电流514和516。FRC等离子体520将既在容器中又在外部线圈中引发这种类型的电流分量。这些反对称电流分量514和516产生与环向等离子体电流522相互作用的径向场，以产生与FRC等离子体520的移动相反的力，并且该力的结果是其减慢了等离子体轴向移位。由于约束室100的电阻率，这些电流514和516随着时间逐渐消散。

在中平面的每一侧上绕约束室100设置的径向场线圈530和531提供附加的径向场分量，这些径向场分量是由于在线圈530和531中沿反向方向引发的电流532和534所致。径向场线圈530和531可包括一组轴对称线圈，它们可定位在容纳容器（containment vessel）100内部或外部。径向线圈530和531被示为类似于准直流线圈412（见图2、图3A、图3D和图3E）而定位在容纳容器100外部。线圈530和531中的每一者或者成组线圈可与中平面的相对侧上的线圈承载不同的电流，但是这些电流关于容纳容器100的中平面反对称并且沿着中平面产生具有B _z ≠ 0、B _r = 0的磁场结构。径向场线圈530和531产生补充性的径向场分量，这些径向场分量与环向等离子体电流522相互作用以产生轴向力。轴向力进而使等离子体背对着约束室100的中平面移动。

控制机构510包括控制系统，该控制系统被构造成作用在径向场线圈电流上以便朝向中平面迅速地恢复等离子体位置，同时最小化围绕机器中平面的过冲和/或振荡。控制系统包括处理器，该处理器可操作地耦合到径向场线圈530和531、准直流线圈412、它们的相应电源以及其他部件（诸如例如，磁性传感器），从而提供等离子体位置、等离子体速度以及有效线圈电流测量。处理器可被构造成执行本申请中所描述的计算和分析并且可包括或可通信地耦合到包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储器。它可包括基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用以下各者的系统：微控制器、精简指令集计算机（RISC）、专用集成电路（ASIC）、逻辑电路以及能够执行本文中所描述的功能的任何其他电路或处理器。上文仅仅是示例，且因此并不旨在以任何方式限制术语“处理器”或“计算机”的定义和/或含义。

处理器的功能可使用软件例程、硬件部件抑或其组合来实施。硬件部件可使用各种技术来实施，这些技术例如包括集成电路或离散电子部件。处理器单元通常包括可读取/可写入的存储器存储装置，并且通常还包括用于写入和/或读取存储器存储装置的硬件和/或软件。

处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元和接口（例如，用于访问因特网）。计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可连接到通信总线。计算机或处理器还可包括存储器。存储器可包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。计算机或处理器还可包括存储装置，其可以是硬盘驱动器或可移除存储驱动器，诸如软盘驱动器、光盘驱动器等。存储装置也可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似器件。

处理器执行存储在一个或多个存储元件中的一组指令，以便处理输入数据。存储元件也可按期望或需要存储数据或其他信息。存储元件可呈信息源或处理机器内的物理存储器元件的形式。

使用被称作滑模控制的非线性控制理论的分支来解决使用径向场线圈致动器来控制轴向稳定或不稳定FRC构型的位置的问题。系统状态（滑动表面）的线性函数用作具有期望的渐近稳定（滑动）表现的误差信号。使用李亚普诺夫理论（Liapunov theory）设计滑动表面，以在FRC动态参数的广泛范围内展现渐近稳定性。所提出的控制方案然后可以用于轴向稳定和不稳定等离子体两者，而不需要重新调谐在滑动表面中使用的参数。该性质是有利的，因为如前文提到的那样，平衡可能必须在FRC放电的不同阶段在轴向稳定平衡与轴向不稳定平衡之间转变。

图28中示出了控制方案500的构型。低通滤波器将切换频率限制在期望的控制带宽内。假定需要以一个采样延迟进行采样和信号传输的数字控制回路。误差信号（滑动表面）是线圈电流、等离子体位置和等离子体速度的线性组合。等离子体的等离子体位置和速度从外部磁测量获得。有效线圈系统中的电流可以通过标准方法来测量。

需要线圈电流和等离子体位置来实施位置控制。需要等离子体速度来改进性能，但这是任选的。该误差信号的非线性函数（继电器控制律）为连接到中平面对称线圈的每一对电源产生离散电压电平。中平面对称线圈被馈送有强度相同但符号相反的继电器电压。这产生了径向场分量以朝向中平面恢复等离子体位置。

为了证明控制方案的可行性，使用刚性等离子体模型来模拟等离子体动态。该模型利用磁体几何形状。当仅考虑等离子体和容器时，等离子体电流分布对应于具有2 ms的成长时间的轴向不稳定平衡。假定电源以离散电压电平（通常处于800 V等级（step））工作。

图29示出了若干等离子体控制模拟，它们突出了对线圈施加的电压与等离子体位置稳定时间之间的关系、连同将被轴向移位20 cm的等离子体带回到中平面所需要的线圈峰值电流和斜坡速率。这些滑模轴向位置控制模拟示例在0.3 T下使用四对外部修整线圈进行。示出了四种情况，它们与具有处于200 V（实心正方形）、400 V（实心圆）、800 V（实心三角形）和1600 V（空心正方形）的等级的离散电压电平的电源相对应。对于所有四种情况，控制带宽是16 kHz并且采样频率是32 kHz。示出了等离子体位置（顶部图）、最外面的线圈对中的电流（中间）以及线圈电流斜坡速率（底部）。允许等离子体移位变得不稳定直到它达到20 cm。此时，应用反馈控制。

模拟结果指示：

1. 要在5 ms（实心正方形迹线）内将等离子体带回到中平面，0.5 MA/s的线圈斜升速率已足够，需要200 V的电源。

2. 要在2.3 ms（实心圆形迹线）内将等离子体带回到中平面，1 MA/s的线圈斜升速率已足够，需要400 V的电源。

3. 要在1.3 ms（实心三角形迹线）内将等离子体带回到中平面，2 MA/s的线圈斜升速率已足够，需要800 V的电源。

4. 要在1.0 ms（空心正方形迹线）内将等离子体带回到中平面，4 MA/s的线圈斜升速率已足够，需要1600 V的电源。

对于上文研究的第三种情况（2 MA/s的斜坡速率情况），所有修整线圈的峰值电流在图30中也被示为修整线圈位置的函数。滑模轴向位置控制模拟示例在0.3 T下使用四对外部修整线圈使用具有三种电平（+800V、0、-800V）的电源、16 kHz的控制带宽和32 kHz的采样率进行。为了在1.3 ms内将等离子体带回到中平面，需要2 MA/s的线圈斜升速率。在所有线圈对中所需要的峰值电流小于1.5 kA。所需要的实际切换频率（约2 kHz）远低于控制系统带宽。

控制系统也可以实施目标表面，该目标表面仅为线圈电流和等离子体速度的函数，而非等离子体位置的函数。在这种情况下，轴向位置控制回路仅提供轴向动态的稳定，而不是控制。这意味着，等离子体处于亚稳定情形并且会沿着其轴线缓慢地漂移。然后使用附加的反馈回路来提供位置控制，该反馈回路控制等离子体分界面与容器之间的等离子体间隙，因此它同时执行等离子体形状和位置控制。

使用了类似控制系统的另一个等离子体约束装置是托卡马克装置。为了保持等离子体约束，必须使托卡马克装置中的等离子体电流保持在分别与等离子体密度和环向场大致成比例的下限与上限之间。为了在高的等离子体密度下操作，必须增加等离子体电流。同时，必须使极向场保持为尽可能低，因此q安全系数高于q=2。这通过以下方式来实现：沿着机器轴线方向拉长等离子体，从而允许适合大的等离子体电流（且因此允许高的等离子体密度）而不使边界磁场增大到超过其安全极限。这些拉长的等离子体沿着机器轴线方向（在托卡马克装置行话中称作竖直方向）是不稳定的，并且也需要等离子体稳定机构。托卡马克装置中的竖直等离子体位置控制也使用一组径向场线圈来恢复，因此它与RFC位置控制问题极其相似。然而，在托卡马克装置中和FRC中需要稳定的原因是不同的。在托卡马克装置中，等离子体竖直不稳定性是以大的等离子体电流操作要付出的惩罚，以大的等离子体电流操作需要等离子体拉长来以高的环向场操作。在FRC的情况下，等离子体不稳定性是获得横向稳定性要付出的惩罚。托卡马克装置具有稳定该构型的环向场，因此它们不需要横向稳定。

本公开涉及促进产生和保持高通量目标FRC等离子体以及对FRC等离子体的轴向再加料的系统和方法。在示例实施例中，过程包括通过合并具有相反螺旋性的两个球马克来形成大通量FRC（高达30 mWb）。已在各种装置上实施了合并实验，以通过使两个球马克型等离子体环通过沿着环向对称线接触和重联而合并在一起来研究磁重联。球马克是一种球形或环形等离子体，其中无力电流（j×B = 0）取决于主轴线处是否存在电流（通量）孔来设置平衡构型。两个环向球马克（携带具有相同或相反环向场的等环向电流）通过受控的外部线圈电流被强制合并；这些分别称为共螺旋性或反螺旋性合并。如Yamada, M.等人在Phys.Rev. Lett. 65, 721 (1990)中所描述的，反螺旋性合并在重联位点处产生反平行磁场力线重联，其中期望磁重联非常高效地发生（Bhattacharjee, A.，Phys. Fluids 26, 3332(1983)）。实验结果还指示，反螺旋性合并确实比共螺旋性合并情况在全局上实现更快的重联，且然后在消除了由于合并所致的球马克的反向指向的环向场之后形成高磁通量FRC结构（仅由极向场组成）。

在示例实施例中，过程包括：

1. 使用MCPG经由反螺旋性球马克合并来产生大磁通量目标FRC等离子体（φ _p ~25-30 mWb）；

2. 通过形成具有足够磁通量的目标等离子体并注入高能中性束，来朝向聚变反应堆等离子体条件将FRC等离子体放大、稳定以及为其供电，因此将该束能量进一步转换成热能；

3. 形成附加的多脉冲式球马克并将其注入到FRC等离子体中以进行粒子再加料和回流，以便维持和增强FRC等离子体约束性质以及实现高通量和致密FRC机制。

转到图31A和图31B，FRC约束系统的示例实施例被描绘为具有约束室100以及在每个端部上耦合到约束室100的一对偏滤器302。为了产生最佳的初始高通量目标FRC等离子体453，一对中尺度球马克注入器250（或磁化同轴等离子体枪（MCPG））相对地耦合到居中定位的约束室100的端部。球马克注入器250将高磁通量（>20 mWb）球马克等离子体朝向约束室100的中平面注入，其中球马克在约束室100中合并并且形成FRC等离子体。两个球马克的反螺旋性合并倾向于产生具有升高的俘获磁通量的大磁通量目标FRC等离子体（φ _p ~25-30 mWb）。多个中性束注入器615也以朝向约束室100的中平面的角度耦合到约束室100以驱动和保持FRC等离子体453。在示例实施例中，中性束注入器615可从初始功率水平调节到增加的功率水平。在进一步的示例实施例中，球马克注入器250能够沿着约束室的几何轴线将多脉冲式球马克注入到FRC等离子体中，以实现有效的再加料和回流。

先前的球马克合并研究（见图32A-32D）证明了紧凑环形聚变等离子体的可行性和潜在性。在普林斯顿等离子体物理实验室的MRX实验的2004-2008年活动中，反螺旋性合并被应用于扁形FRC的形成、稳定性和维持的研究。已证明，托卡马克装置中使用的中心欧姆加热螺线管可以被利用来放大FRC中的环向电流，以便使其维持比电阻性衰减时间更长的时间。（Gerhardt, S.P.等人，Phys. Plasmas 15, 032503 (2008)）。另外，成形场线圈用于控制FRC边界形状和拉长。这准许研究这些成形场对稳定性的影响。用实验方法证明，n=1倾斜模式（n：环向模数）可以在扁形FRC中稳定（Gerhardt, S.P.等人，Phys. Rev. Lett. 99,245003 (2007)）。而且，n ≥ 2种模式的增长率随有利的成形而减慢。这些结果在理解开放边界FRC物理方面取得了重大进展。除了这些稳定性和维持结果之外，在反螺旋性合并实验中还观察到了显著的离子加热。两个球马克的共螺旋性合并产生较少的热量，但β球马克等离子体足够高（β~0.2-0.3）。产生具有不可忽略的离子温度（T_i > 25 eV、T_e

10 eV、n_e >10¹⁴ cm^-3）的合并后的等离子体的能力准许研究可变环向场分量的高β等离子体的稳定性特性。

在示例实施例中，如图33中所描绘的，球马克注入器250是相对紧凑的球马克注入器，其具有外电极254、具有W涂层的内电极255、绕外电极254定位的外偏置线圈252、定位在内电极255内的铁芯偏置线圈253、气体充入器256和H.V.电源258。球马克注入器250通过利用和升级最近开发的铁芯偏置线圈系统253来产生足够的磁通量（见Edo, T.等人，Jrnl ofPlasma and Fusion Res. 13, 3405062 (2018)）。在最近的初步测试中，具有直流电源的空芯偏置线圈产生所形成的球马克的磁通量，其比例为~1.67 µWb/Amp，而具有铁芯（铸铁；磁导率µ ~250）偏置线圈系统的MCPG可以每安培产生大致100倍高的磁通量（即，~0.16mWb/Amp）。通过保持电流密度恒定，可以适当地按比例增加球马克注入器的大小以产生高得多的磁通量（>30 mWb），而不会引起通常与电极放电相关联的不良效果。在进一步的示例实施例中，铁芯使用纯铁（99.9% Fe；µ >200000）形成，其倾向于以合理的偏置电流实现更高的磁通量。

图3D和图3E描绘了CT合并FRC等离子体赋予（conferment）系统10，其包括约束室100、耦合到约束室100的相对端部的第一对内部偏滤器302、在第一端部上耦合到内部偏滤器302的相对的CT形成和注入系统200、以及耦合到CT形成和注入系统300的第二端部的第二对外部偏滤器300。为了实现球马克合并，如图31A中所示，图3D和图3E中所示的CT形成/注入区段200和外部偏滤器300被移除并且替换为耦合到内部偏滤器的球马克注入器250，如图31A和图31B中所图示。球马克注入器250正好放置在偏滤器的同心电极310内部，这些电极用于经由边缘偏置进行FRC 453稳定性控制。边缘偏置系统在开放场力线上产生径向电场，因此围绕FRC分界面（刮去层区域）通过E _r×B _z产生方位角流，该方位角流与NBI协同地稳定全局MHD模式。单独地操作和控制球马克注入器250以便产生各种球马克等离子体以及初始FRC，这允许改变初始等离子体密度和俘获磁通量以找到对于有效的中性束注入而言最佳的目标FRC。在球马克形成、平移和合并的过程期间，通过平衡和镜线圈412和420在约束区段中施加相对低的平衡和镜场（B_e ~1 kG，镜比为~2），使得可以适当地形成FRC等离子体453，之后那些场应逐渐增加（B_e高达3 kG，镜比为~3-3.5）以约束和维持FRC等离子体453。中性束也贯穿放电从注入器615注入到约束室100中，并且束能量也可以从初始功率水平增加到升高的功率水平，例如~15 keV到40 keV，连同B_e相应地斜升。此外，可以主动地控制磁体和中性束注入器系统，使得应实时稳定和保持FRC等离子体。

为了在约束室100内部充分地再加料粒子以及使已经形成的FRC回流，利用单独控制的电源258为球马克注入器250供电。当具有多脉冲能力的相对地定向的CT注入器安装在约束室的中平面附近时，CT注入器将球马克类等离子体团径向地注入到FRC中；换言之，注入的CT必须穿透到横向磁场（Bz ~1 kG）中而不碎裂开或产生强磁/密度扰动。此外，中平面附近的径向CT注入在一定程度上影响快离子约束，并且该系统倾向于不可扩展到高场聚变装置。因此，从若干科学观点来看，在几何轴线上从球马克注入器250注入CT（即，“轴向”CT注入）比径向CT注入显著更有益。

替代地，在示例实施例中，图2、图3A、图3D和图3E中所描绘的系统构型（其包括两个直径相对的反向场角向箍缩形成区段200）可以被修改为包括耦合到外部偏滤器300的直径相对的球马克注入器250以用于对包含在容纳室内的FRC等离子体再加料。

根据本公开的实施例，一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的方法包括：在约束室中合并第一和第二球马克等离子体并绕该合并后的等离子体形成FRC；以及通过以朝向约束室的中平面的角度将快中性原子的束从中性束注入器注入到FRC等离子体中，来将FRC保持在恒定值处或大约恒定值处而没有衰减。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：从相对的第一和第二球马克注入器朝向室的中平面注入球马克等离子体并且合并这些球马克等离子体以形成FRC。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：对从第一和第二球马克注入器注入到约束室中的球马克等离子体进行反螺旋性球马克合并。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器包括磁化同轴等离子体枪（MCPG）。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器包括铁芯偏置线圈系统。

根据本公开的进一步实施例，铁芯偏置线圈系统的铁芯包括磁导率为约250的铸铁。

根据本公开的进一步实施例，铁芯偏置线圈系统的铁芯是约99.9％的Fe，其磁导率等于或大于约200,000。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：单独地控制第一和第二球马克注入器。

根据本公开的进一步实施例，从第一球马克注入器射出的球马克等离子体不同于从第二球马克注入器射出的球马克等离子体。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：用来自第一和第二球马克注入器中的一者或多者的一个或多个球马克等离子体沿着约束室的几何轴线对FRC等离子体再加料。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：将一个或多个球马克等离子体从第一和第二球马克注入器中的一者或多者多脉冲注入到FRC等离子体中。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：形成多脉冲式球马克并将其注入到FRC等离子体中。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束的束能量，其中第二束能量不同于第一束能量；或者在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束的束能量，其中第二束能量不同于第一束能量，并且其中，第二束能量高于第一束能量；或者在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束的束能量，其中第二束能量不同于第一束能量，并且其中所述多个中性束在注入发射的持续时间期间在第一束能量与第二束能量之间切换。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：利用绕室延伸的准直流线圈在室内产生磁场。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：将FRC的磁通量表面引导到耦合到约束室的端部的偏滤器中。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：利用绕形成区段和偏滤器延伸的准直流线圈在偏滤器内产生磁场。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：利用绕室的相对端部延伸的准直流镜线圈在室的相对端部内产生镜磁场。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：利用耦合到室的鞍形线圈在室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：利用吸气系统来调节室和偏滤器的内表面。

根据本公开的进一步实施例，吸气系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括：控制FRC等离子体的边缘层中的径向电场分布。

根据本公开的进一步实施例，利用偏置电极将电势分布施加到FRC的一组开放通量表面。

根据本公开的进一步实施例，该方法进一步包括以下各者中的一者：从第一和第二球马克注入器注入具有大于20 mWb的磁通量的球马克等离子体、或从第一和第二球马克注入器注入具有大于约25-30 mWb的磁通量的球马克等离子体。

根据本公开的进一步实施例，一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的系统包括：约束室；第一和第二偏滤器，其耦合到约束室；第一和第二直径相对的球马克注入器，其耦合到第一和第二偏滤器以用于产生球马克等离子体并使该球马克等离子体朝向约束室的中平面平移；多个中性原子束注入器，其耦合到约束室并定向成以小于与约束室的纵向轴线正交的角度朝向约束室的中平面注入中性原子束；磁性系统，其包括围绕约束室以及第一和第二偏滤器定位的多个准直流线圈；第一组和第二组准直流镜线圈，其定位在约束室与第一和第二形成区段之间；第一和第二镜塞，其定位在约束室与第一和第二偏滤器之间；吸气系统，其耦合到约束室以及第一和第二偏滤器；用于对所产生的FRC的开放通量表面进行电偏置的一个或多个偏置电极，所述一个或多个偏置电极定位在约束室以及第一和第二偏滤器中的一者或多者内；以及两个或更多个鞍形线圈，其耦合到约束室。

根据本公开的进一步实施例，一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的系统包括：约束室；第一和第二偏滤器，其耦合到约束室；第一和第二直径相对的球马克注入器，其耦合到第一和第二偏滤器；多个偏置电极以及第一和第二镜塞中的一者或多者，其中所述一个或多个偏置电极定位在约束室以及第一和第二偏滤器中的一者或多者内，并且其中第一和第二镜塞定位在约束室与第一和第二偏滤器之间；吸气系统，其耦合到约束室以及第一和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其耦合到约束室并朝向约束室的中平面成角度地定向；以及磁性系统，其包括围绕约束室以及第一和第二偏滤器定位的多个准直流线圈、以及定位在约束室与第一和第二形成区段之间的第一组和第二组准直流镜线圈，其中该系统被构造成在将中性束注入到等离子体中时产生FRC并保持该FRC而没有衰减。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器被构造成朝向室的中平面注入球马克等离子体以合并并且形成FRC等离子体。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器被构造成形成具有反螺旋性的第一和第二球马克等离子体并将其注入到约束室中。

根据本公开的进一步实施例，铁芯偏置线圈系统的铁芯是磁导率为约250的铸铁。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器是可单独控制的。

根据本公开的进一步实施例，第一和第二球马克注入器被构造成将多于一个球马克等离子体多脉冲注入到约束室中。

根据本公开的进一步实施例，所述多个中性束在第一束能量与第二束能量之间是可调节的，其中，第二束能量不同于第一束能量，并且其中，所述多个中性束的束能量在注入发射的持续时间期间在第一束能量与第二束能量之间是可切换的。

根据本公开的进一步实施例，偏置电极包括以下各者中的一者或多者：一个或多个点电极，其定位在约束室内以接触开放场力线；在约束室与第一和第二偏滤器之间的一组环形电极；以及多个同心堆叠电极，其定位在第一和第二偏滤器中以对多个同心通量层充电。

根据本公开的进一步实施例，该系统进一步包括：第一和第二直径相对的反向场角向箍缩形成区段，其插置在第一和第二偏滤器与约束室之间。

根据本公开的进一步实施例，该系统进一步包括：第三和第四偏滤器，其插置在第一和第二直径相对的反向场角向箍缩形成区段与约束室之间。

然而，本文中所提供的示例实施例仅仅旨在作为图示性示例并且不以任何方式起限制作用。

关于本文中所提供的任何实施例描述的所有特征、元件、部件、功能和步骤都旨在可自由组合并且可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个特征、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中所描述的每个其他实施例一起使用，除非另有明确陈述。本段落因此在任何时候都用作用于引入组合了来自不同实施例的特征、元件、部件、功能和步骤或来自一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤用来自另一个实施例的那些来替代的权利要求的引用基础和书面支持，即使以下描述没有在特定情形中明确陈述这种组合或替代是可能的。明确叙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本描述后将容易地认识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耦合到其他实体。应理解的是，术语“耦合”和“连接”（或它们的任何形式）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耦合（没有任何不可忽略的（例如，寄生的）介入实体）和两个实体的间接耦合（具有一个或多个不可忽略的介入实体）是通用的。在实体被示为直接耦合在一起的情况下，或被描述为耦合在一起而没有描述任何介入实体的情况下，应理解的是，那些实体也可以间接地耦合在一起，除非上下文另有清楚地规定。

虽然实施例可以进行各种修改和替代形式，但是其具体示例已在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应理解的是，这些实施例将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所有修改、等同物和替代方案。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件以及通过不在权利要求的创造性范围内的特征、功能、步骤或元件限定该范围的负面限制都可在权利要求中叙述或添加到权利要求中。

Claims

1. 一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的方法，所述方法包括以下步骤：

在约束室中合并第一和第二球马克等离子体并绕所述合并后的等离子体形成FRC；以及

通过以朝向所述约束室的中平面的角度将快中性原子的束从中性束注入器注入到所述FRC等离子体中，来将所述FRC保持在恒定值处或约恒定值处而没有衰减。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述FRC的步骤包括：从相对的第一和第二球马克注入器朝向所述室的所述中平面注入球马克等离子体并且合并所述球马克等离子体以形成所述FRC。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，合并球马克等离子体并且形成所述FRC等离子体的步骤包括：对从所述第一和第二球马克注入器注入到所述约束室中的所述球马克等离子体进行反螺旋性球马克合并。

4.根据权利要求2和3所述的方法，其中，所述第一和第二球马克注入器包括磁化同轴等离子体枪（MCPG）。

5.根据权利要求2至4所述的方法，其中，所述第一和第二球马克注入器包括铁芯偏置线圈系统。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述铁芯偏置线圈系统的铁芯是磁导率为约250的铸铁。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述铁芯偏置线圈系统的所述铁芯是约99.9％的Fe，其磁导率等于或大于约200,000。

8.根据权利要求2至7所述的方法，其进一步包括：单独地控制所述第一和第二球马克注入器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，从所述第一球马克注入器射出的所述球马克等离子体不同于从所述第二球马克注入器射出的所述球马克等离子体。

10.根据权利要求2至9所述的方法，其进一步包括：用来自所述第一和第二球马克注入器中的一者或多者的一个或多个球马克等离子体沿着所述约束室的几何轴线对所述FRC等离子体再加料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述再加料步骤包括：将一个或多个球马克等离子体从所述第一和第二球马克注入器中的一者或多者多脉冲注入到所述FRC等离子体中。

12.根据权利要求2至9所述的方法，其进一步包括：形成多脉冲式球马克并将其注入到所述FRC等离子体中。

13.根据权利要求1至12所述的方法，其中，注入快中性原子的束的步骤包括以下各者中的一者：在第一束能量与第二束能量之间调整所述多个中性束的束能量的步骤，其中，所述第二束能量不同于所述第一束能量；或者在第一束能量与第二束能量之间调整所述多个中性束的束能量的步骤，其中，所述第二束能量不同于所述第一束能量，并且其中，所述第二束能量高于所述第一束能量；或者在第一束能量与第二束能量之间调整所述多个中性束的束能量的步骤，其中，所述第二束能量不同于所述第一束能量，并且其中，所述多个中性束在注入发射的持续时间期间在所述第一束能量与所述第二束能量之间切换。

14.根据权利要求1至13所述的方法，其进一步包括：利用绕所述室延伸的准直流线圈在所述室内产生磁场。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括以下步骤：将所述FRC的磁通量表面引导到耦合到所述约束室的端部的偏滤器中。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括以下步骤：利用绕所述形成区段和偏滤器延伸的准直流线圈在所述偏滤器内产生磁场。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括以下步骤：利用绕所述室的相对端部延伸的准直流镜线圈在所述室的相对端部内产生镜磁场。

18.根据权利要求14至17所述的方法，其进一步包括以下步骤：利用耦合到所述室的鞍形线圈在所述室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。

19.根据权利要求15至18所述的方法，其进一步包括以下步骤：利用吸气系统来调节所述室和偏滤器的内表面。

20.根据权利要求19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。

21.根据权利要求1至20所述的方法，其进一步包括以下步骤：控制所述FRC等离子体的边缘层中的径向电场分布。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，控制所述FRC的边缘层中的所述径向电场分布的步骤包括：利用偏置电极将电势分布施加到所述FRC的一组开放通量表面。

23. 根据权利要求2至22所述的方法，其进一步包括以下各者中的一者：从所述第一和第二球马克注入器注入具有大于20 mWb的磁通量的球马克等离子体、或从所述第一和第二球马克注入器注入具有大于约25-30 mWb的磁通量的球马克等离子体。

24.一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的系统，所述系统包括：

约束室，

第一和第二偏滤器，其耦合到所述约束室，

第一和第二直径相对的球马克注入器，其耦合到所述第一和第二偏滤器以用于产生球马克等离子体并使所述球马克等离子体朝向所述约束室的中平面平移，

多个中性原子束注入器，其耦合到所述约束室并定向成以小于与所述约束室的纵向轴线正交的角度朝向所述约束室的中平面注入中性原子束，

磁性系统，其包括围绕所述约束室以及所述第一和第二偏滤器定位的多个准直流线圈；第一组和第二组准直流镜线圈，其定位在所述约束室与所述第一和第二形成区段之间；以及第一和第二镜塞，其定位在所述约束室与所述第一和第二偏滤器之间，

吸气系统，其耦合到所述约束室以及所述第一和第二偏滤器，

用于对所产生的FRC的开放通量表面进行电偏置的一个或多个偏置电极，所述一个或多个偏置电极定位在所述约束室以及所述第一和第二偏滤器中的一者或多者内，以及

两个或更多个鞍形线圈，其耦合到所述约束室。

25.一种用于产生和保持具有场反向构型（FRC）的磁场的系统，所述系统包括：

约束室，

第一和第二偏滤器，其耦合到所述约束室，

第一和第二直径相对的球马克注入器，其耦合到所述第一和第二偏滤器，

多个偏置电极以及第一和第二镜塞中的一者或多者，其中，所述一个或多个偏置电极定位在所述约束室以及所述第一和第二偏滤器中的一者或多者内，并且其中，所述第一和第二镜塞定位在所述约束室与所述第一和第二偏滤器之间，

多个中性原子束注入器，其耦合到所述约束室并朝向所述约束室的中平面成角度地定向，以及

磁性系统，其包括围绕所述约束室以及所述第一和第二偏滤器定位的多个准直流线圈、定位在所述约束室与所述第一和第二形成区段之间的第一组和第二组准直流镜线圈，

其中，所述系统被构造成在将所述中性束注入到所述等离子体中时产生FRC并保持所述FRC而没有衰减。

26.根据权利要求24和25所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器被构造成朝向所述室的所述中平面注入球马克等离子体以合并并且形成FRC等离子体。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器被构造成形成具有反螺旋性的第一和第二球马克等离子体并将其注入到所述约束室中。

28.根据权利要求24至27所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器包括磁化同轴等离子体枪（MCPG）。

29.根据权利要求24至27所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器包括铁芯偏置线圈系统。

30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述铁芯偏置线圈系统的铁芯是磁导率为约250的铸铁。

31.根据权利要求29所述的系统，其中，所述铁芯偏置线圈系统的铁芯是约99.9％的Fe，其磁导率等于或大于约200,000。

32.根据权利要求24至27所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器是能够单独控制的。

33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述第一和第二球马克注入器被构造成将多于一个球马克等离子体多脉冲注入到所述约束室中。

34.根据权利要求24至33所述的系统，其中，所述多个中性束在第一束能量与第二束能量之间是能够调节的，其中，所述第二束能量不同于所述第一束能量，并且其中，所述多个中性束的束能量在注入发射的持续时间期间在所述第一束能量与所述第二束能量之间是能够切换的。

35.根据权利要求24至34所述的系统，其进一步包括：第一和第二直径相对的反向场角向箍缩形成区段，其插置在所述第一和第二偏滤器与所述约束室之间。

36.根据权利要求36所述的系统，其进一步包括：第三和第四偏滤器，其插置在所述第一和第二直径相对的反向场角向箍缩形成区段与所述约束室之间。