CN117441412A - 用于经由中性束注入来形成和保持高能和高温frc等离子体的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能场反向构型(FRC)系统包括中心约束室、联接到室的端部的偏滤器、围绕室定位的中性束注入器，以及包括沿FRC系统构件轴向地定位的准直流线圈的磁系统。

Description

用于经由中性束注入来形成和保持高能和高温FRC等离子体 的系统及方法

技术领域

本文中描述的实施例总体上涉及磁等离子体约束系统，并且更具体地涉及便于形成和保持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的高能和高温场反向构型(FRC)等离子体的系统和方法。

背景技术

场反向构型(FRC)属于称为紧凑环(CT)的磁等离子体约束拓扑类别。其主要表现出极性磁场，并具有零或小的自生环形磁场(参见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易于构造和维护，自然不受限制的偏滤器以便于能量提取和除灰，以及非常高的β(β是FRC内部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特性有利于经济的操作和使用先进的非中子燃料，诸如D-He3和p-B11。

形成FRC的传统方法使用场反向角向箍缩技术，从而产生热的高密度等离子体(参见A.L.Hoffman和J.T.Slough，Nucl.Fusion 33,27(1993))。这种方法的变型是平移捕获方法，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个端部喷射出来到约束室中。然后，平移的等离子体粒团在室的端部处的两个强镜之间被捕获(例如，参见H.Himura，S.Okada，S.Sugimoto和S.Goto，Phys.Plasmas2,191(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(中性的或被中和的)、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势。已证明，FRC非常稳健，能够适应动态形成、平移和剧烈捕获情况。此外，它们显示出呈现优选等离子体状态的倾向(参见例如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，开发其它FRC形成方法已经取得了重大进展：合并具有反向螺旋性的球状等离子体(参见例如Y.Ono，M.Inomoto，Y.Ueda，T.Matsuyama和T.Okazaki，Nucl.Fusion 39,2001(1999))以及通过用旋转磁场(RMF)驱动电流(参见例如I.R.Jones,Phys.Plasmas 6,1950(1999))，其也提供了附加的稳定性。

很久以前提出的碰撞合并技术(参见例如D.R.Wells,Phys.Fluids9,1010(1966))得到了进一步的显著发展：约束室的相对端部处的两个单独的角向箍缩同时生成两个等离子体粒团，并以高速将等离子体粒团朝向彼此加速；然后它们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实验之一的构建和成功操作中，常规的碰撞合并方法显示出可产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC(参见例如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实现了重大进展，该实验使用高功率中性束(NB)注入(NBI)和有效边缘偏压来长时间产生相对高温的FRC(典型等离子体参数：Te～250eV,T_i～1keV,<n_e>～2-3×10¹³cm^-3,B_e～1kG、等离子体寿命～30ms)。(参见，例如，Gota,H.等人，Nucl.Fusion 57,116021(2017)；Gota，H.等人，Nucl.Fusion 59,112009(2019)；以及Gota,H.等人，Bull.Am.Phys.Soc.64,UP10.00123(2019))。在此类实验中，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来产生的，其中基于约束区段中的具有～1kG的外部磁场的刚性转子模型的合并FRC的捕获磁通量最初为～5mWb。通过将>13MW的高功率NB(通过在发射期间调谐束流能量增加至～21MW)注入到目标等离子体中，注入的快速粒子受到捕获并在分界面的内侧和外侧以大轨道行进以主要加热电子以及用于电流驱动，其中快速离子几乎经典地受到约束。这种高功率NBI在任何其它CT实验中都没有达到过，并且是束驱动FRC构想的有效性及其技术准备的非常重要的展示。(Gota，Nucl.Fusion 59；Gota，Bull.Am.Phys.Soc.64)。

改进的系统、装置和方法来生成高通量目标FRC等离子体。

发明内容

本文中提供用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统、装置和方法的示例实施例。在示例实施例中，一种用于生成和保持具有带场反向构型(FRC)的磁场的磁约束等离子体的方法包括在约束室内形成镜等离子体、将来自多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向约束室的中平面注入到镜等离子体中，以将镜等离子体转变为FRC等离子体，以及通过将来自多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向约束室的中平面注入到FRC等离子体中来将FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减。

在示例实施例中，中性束注入器可从初始功率水平调整到增加的功率水平。

在示例实施例中，一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统，包括：约束室；联接到约束室的第一偏滤器和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其联接到约束室并定向成以小于正交于约束室的纵向轴线的角度朝向约束室的中平面注入中性原子束；磁系统，其包括围绕约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器定位的多个准直流线圈；第一组准直流镜线圈和第二组准直流镜线圈，其定位于约束室与第一偏滤器和第二偏滤器之间；吸杂系统，其联接到约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器；一个或多个偏压电极，其用于电偏压所生成的FRC等离子体的开放通量表面，该一个或多个偏压电极定位于约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器中的一个或多个内；以及联接到约束室的两个或更多个鞍形线圈。

在查阅以下附图和详细描述后，本文中描述的主题的其它系统、设备、方法、特征和优点对于本领域中技术人员来说将是或将变得显而易见。意图是所有此类附加系统、方法、特征和优点包括在此描述内、在本文中描述的主题的范围内，并且由所附权利要求书保护。在权利要求书中没有明确叙述这些特征的情况下，示例实施例的特征决不应解释为限制所附权利要求书。

附图说明

包括为本说明书的部分的附图示出了当前示例实施例，并且与上面给出的一般描述和下面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示出了在高性能FRC机制(regime)(HPF)下对比在常规FRC机制(CR)下以及对比其它常规FRC实验下的FRC系统中的粒子约束。

图2示出了示例FRC系统的构件以及在本FRC系统中可生产的FRC的磁拓扑。

图3A示出了如从顶部观察的示例FRC系统的基本布局，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(pellet)注入器。

图3B示出了如从顶部观察的中心约束容器，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示出了如从顶部观察的中心约束容器，并且示出了中性束，所述中性束以小于正交于中心约束容器中的主对称轴线的角度布置，并且受引导以朝向中心约束容器的中平面注入粒子。

图3D和图3E分别示出了本FRC系统的示例实施例的基本布局的顶部视图和透视图，包括中心约束容器、形成区段、内部偏滤器和外部偏滤器、以小于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、电极、等离子体枪和镜塞的示例布置。

图3F示出了本FRC系统的备选示例实施例的基本布局的透视图，包括中心约束容器、第一偏滤器和第二偏滤器、以小于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、电极、等离子体枪和镜塞的示例布置。

图4示出了用于形成区段的脉冲功率系统的构件的示意图。

图5示出了单独的脉冲功率形成滑动装置(skid)的等距视图。

图6示出了形成管组件的等距视图。

图7示出了中性束系统的部分截面等距视图。

图8示出了中心约束容器上的中性束系统的布置的等距视图。

图9示出了中心约束容器和偏滤器上的Ti和Li吸杂系统的布置的部分截面等距视图。

图10示出了偏滤器和相关联的磁镜塞的部分截面等距视图，示出了安装在偏滤器室中的等离子体枪和偏滤器电极组件。

图11示出了约束室的轴向端部处的环形偏压电极的示例布局。

图12示出了从两个场反向角向箍缩形成区段处的一系列外部抗磁性回路和嵌入在中心金属约束室内部的磁探头获得的FRC系统中排斥通量半径的演变。从形成源中同步场反向的时刻开始测量时间，并且距离z是相对于机器的轴向中平面给出的。

图13A、图13B、图13C和图13D示出了来自本FRC系统上的代表性非HPF、非持续放电的数据。作为时间的函数示出的是(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，(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示出了图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的排斥通量轴向分布。

图15示出了安装在中心约束容器的外侧的鞍形线圈的等距视图。

图16A、图16B、图16C和图16D示出了FRC寿命和注入的中性束的脉冲长度的相关性。如图所示，较长的束脉冲产生寿命较长的FRC。

图17A、图17B、图17C和图17D示出了FRC系统的不同构件对FRC性能和HPF机制的实现的单独和组合的影响。

图18A、图18B、图18C和图18D示出了来自本FRC系统上的代表性HPF、非持续放电的数据。作为时间的函数示出的是(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干涉仪数据的阿贝尔反演密度径向分布，以及(图18D)来自压力平衡的总等离子体温度。

图19示出了作为电子温度(Te)的函数的通量约束。其以图形表示方式表示了新建立的HPF放电的优异换算(scaling)机制。

图20示出了与非成角度和成角度注入的中性束的脉冲长度相对应的FRC寿命。

图21A、21B、21C、21D和21E示出了成角度注入的中性束的脉冲长度以及与成角度注入的中性束的脉冲长度相对应的等离子体半径、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22B示出了紧凑环(CT)注入器的基本布局。

图23A和23B示出了中心约束容器，示出了安装到其上的CT注入器。

图24A和24B示出了具有联接到其的漂移管的CT注入器的示例实施例的基本布局。

图25示出了具有用于可调谐能量束输出的构件的中性束系统的截面等距视图。

图26是示出具有可调谐能量束输出的中性束系统的示意图。

图27是示出约束容器(CV)内的FRC等离子体的轴向位置控制机构的示意图。

图28是通用滑动模式控制方案的流程图。

图29是滑动模式轴向位置控制模拟的示例的复合图。

图30是滑动模式轴向位置控制模拟的示例的复合图。

图31是图3D和3E中所示的FRC系统的磁拓扑和密度廓线的草图。

图32是图3F中所示的FRC系统的磁拓扑和密度廓线的草图。

图33是示出位于偏滤器中的同心电极的示意图。

图34是电极偏压设置的图形表示。

图35A、35B、35C、35D和35E示出了通过FRTP和束形成技术形成的FRC等离子体的等离子体半径、等离子体密度和等离子体温度的FRC等离子体参数的寿命。

图36A、36B、36C、36D和36E示出了束形成的FRC等离子体的等离子体半径、等离子体密度和等离子体温度的FRC等离子体参数的寿命。

图37A、37B、37C和37D示出了与图3D、3E和31对比图3F和32中所示的FRC系统中束形成的对应FRC等离子体的等离子体半径、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38示出了FRTP FRC和束形成的FRC中峰值温度(即，电子温度T_e和总温度T_tot)的比较。

应当注意，附图不一定按比例绘制，并且在整个附图中出于说明的目的，相似结构或功能的元件通常由相似的参考标记表示。还应当注意的是，附图仅旨在便于描述本文中所描述的各种实施例。附图不一定描述本文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，应当理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因此当然可变化。还应当理解，本文中使用的用语是仅为了描述特定实施例的目的，并且不旨在为限制性的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求书限制。

现在将参照附图进一步详细地描述本文中描述的实施例的代表性示例，这些示例单独地和组合地利用了这些附加特征和教导中的许多特征和教导。该详细描述仅旨在教导本领域中技术人员用于实践本教导的优选方面的更多细节，并且并非旨在限制本发明的范围。因此，在下面的详细描述中公开的特征和步骤的组合对于在最广泛的意义上实践本发明可能不是必需的，并且相反仅仅为了具体描述本教导的代表性示例而教导。

此外，代表性示例和从属权利要求的各种特征可以未具体和明确列举的方式组合，以便提供本教导的附加有用的实施例。另外，明确指出的是，为了原始公开的目的，以及为了独立于实施例和/或权利要求中的特征的组合物来限制所要求保护的主题的目的，描述和/或权利要求中公开的所有特征旨在彼此分开且独立地公开。还明确指出的是，为了原始公开的目的以及为了限制所要求保护的主题的目的，实体组的所有值范围或指示公开了每个可能的中间值或中间实体。

本文中提供的示例实施例针对便于形成和保持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC等离子体的系统和方法。示例实施例中的一些是针对利用具有可调谐束能量能力的中性束注入器而便于形成和保持具有升高的系统能量和改进的支持的FRC等离子体的系统和方法。示例实施例中的一些还针对便于独立于FRC等离子体的平衡的轴向稳定性特性的沿FRC等离子体约束室的对称轴线的FRC等离子体在径向方向和轴向方向上的稳定性以及FRC等离子体的轴向位置控制的系统和方法。

在转向便于高通量目标FRC等离子体的生成和保持的系统和方法之前，提供了用于形成和保持具有关于常规FRC的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等离子体的系统和方法的论述。此类高性能FRC等离子体为全部种类的应用提供了途径，包括紧凑型中子源(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)、紧凑型光子源(用于化学品生产和加工)、质量分离和富集系统，以及用于下一代能源的轻核聚变的反应堆堆芯。

已经探索了各种辅助系统和操作模式来评估FRC等离子体中是否存在优异的约束机制。这些努力带来了本文中描述的突破性的发现和高性能FRC范例的开发。根据这种新范例，示例系统和方法组合了许多新颖的想法和手段，以显著改进如图1中所示的FRC约束，并且提供稳定性控制，而没有消极的附加影响。如下文更详细论述的，图1描绘了下文描述的FRC系统10(参见图2和图3)中的粒子约束，其根据用于形成和保持FRC等离子体的高性能FRC机制(HPF)操作，对比根据用于形成和保持FRC等离子体的常规机制(CR)操作，并且对比其它实验中使用的根据用于形成和保持FRC等离子体的常规机制的粒子约束。本公开将概述并详细描述FRC系统10和方法的创新的单独构件及其集体效果。

FRC系统

真空系统

图2和图3A描绘了示例FRC系统10的示意图。FRC系统10包括中心约束容器100，中心约束容器100由两个直径上相对的场反向角向箍缩形成区段200以及在形成区段200之外的两个偏滤器室300围绕，以控制中性密度和杂质污染。FRC系统10构建为适应超高真空并在10^-8托的典型基础压力下操作。此类真空压力要求在配对构件之间使用双泵配对凸缘、金属O形圈、高纯度内壁，以及在组装之前对所有部分进行仔细的初始表面处理，诸如物理和化学清洁，然后进行24小时250℃真空烘烤和氢辉光放电清洁。

场反向角向箍缩形成区段200是标准场反向角向箍缩(FRTP)，但具有下面详细论述的先进脉冲功率形成系统(参见图4至图6)。每个形成区段200均由标准不透明工业级石英管制成，其特征在于2毫米的超纯石英的内衬。约束室100由不锈钢制成以允许多个径向和切向端口；其还可在下述实验的时间尺度上充当通量保持器(conserver)，并限制快速磁瞬变。通过成组的干式涡旋低真空泵、涡轮分子泵和低温泵在FRC系统10内产生和保持真空。

磁系统

磁系统400在图2和图3A中示出。除其它特征之外，图2示出了与可由FRC系统10产生的FRC等离子体450相关的FRC磁通量和密度廓线(作为径向坐标和轴向坐标的函数)。这些廓线是通过使用为模拟对应于FRC系统10的系统和方法而开发的代码的二维电阻式霍尔-MHD数值模拟获得的，并且与测量的实验数据非常吻合。如图2中所见，FRC等离子体450由在分界面451内侧的FRC等离子体450的内部453处的闭合场线的环以及正好在分界面451外侧的开放场线452上的环形边缘层456的环构成。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包括一系列准直流线圈412、414和416，这些线圈沿FRC系统10的构件(即，沿约束室100、形成区段200和偏滤器300)位于特定的轴向位置处。准直流线圈412、414和416由准直流开关功率供应源馈电，并在约束室100、形成区段200和偏滤器300中产生约0.1T的基本偏压磁场。除了准直流线圈412、414和416之外，主磁系统410还包括位于约束室100的任一端部和相邻的形成区段200之间的准直流镜线圈420(由开关供应源馈电)。准直流镜线圈420提供多至5的磁镜比，并且可独立地供能以用于平衡成形控制。另外，镜塞440定位于形成区段200中的每个与偏滤器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(由开关供应源馈电)，其产生附加的引导场以将磁通量表面455朝向穿过镜塞线圈444的小直径通路442聚焦。围绕小直径通路442缠绕并由LC脉冲功率电路馈电的镜塞线圈444产生多至4T的强磁镜场。该整个线圈布置的目的是要紧密地束集和引导磁通量表面455和端部流动的等离子体射流454进入远的偏滤器300的室310。最后，成组的鞍形线圈“天线”460(参见图15)位于约束室100外侧，中平面的每侧上各两个，并且由直流功率供应源馈电。鞍形线圈天线460可配置为提供约0.01T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可灵活地提供关于机器的中平面对称或反对称的磁场。

脉冲功率形成系统

图4至图6示出了形成系统210的主要构建块和布置。脉冲功率形成系统210按照改进的角向箍缩原理操作。存在两个系统，每个系统为形成区段200中的一个供能。

形成系统210由模块化脉冲功率布置构成，该模块化脉冲功率布置由单独的单元(＝滑动装置)220构成，每个单元对围绕形成石英管240缠绕的带组件230(＝带)的线圈232的子集进行供能。每个滑动装置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构成。每个形成系统210总共存储350-400kJ之间的电容性能量，其提供多至35GW的功率来形成和加速FRC。这些构件的协调操作是经由现有技术水平的触发器和控制系统222和224来实现的，该控制系统222和224允许每个形成区段200上的形成系统210之间的同步正时并且将切换跳动最小化至数十纳秒。这种模块化设计的优点是其操作灵活：FRC可原位形成，并且然后加速和注入(＝静态形成)或同时形成和加速(＝动态形成)。

中性束注入器

中性原子束注入器600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。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的单独束线围绕中心约束室100定位，并且与FRC等离子体相切地(并且垂直于中心约束容器100中的主对称轴线或成与其正交的角度)以冲击参数注入快速粒子，使得目标捕获区正好位于分界面451内(参见图2)。每个注入器系统610和640能够将多至1MW的中性束功率注入到具有在20和40keV之间的粒子能量的FRC等离子体中。系统610和640基于正离子多孔口提取源并利用几何聚焦、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的主要区别在于它们的物理设计以满足它们相应的安装位置，以产生侧部和顶部注入能力。图7中针对侧部注入器系统610示出了这些中性束注入器的典型构件。如图7中所示，每个单独的中性束系统610包括输入端部处的RF等离子体源612(这在系统640中用弧源代替)，其中磁屏614覆盖该端部。离子光源和加速栅616联接到等离子体源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628位于中和器622与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和LN2护罩638。这种灵活的设计允许在广泛的FRC参数范围内操作。

中性原子束注入器600的备选构造是与FRC等离子体相切地但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注入快速粒子。束注入器615的定向的这些类型在图3C、图3D、图3E和图3F中示出。另外，中性原子束注入器615可定向成使得中心约束容器100的中平面的任一侧上的束注入器615将它们的粒子朝向中平面注入。最后，这些束系统600的轴向位置可选择为更靠近中平面。这些备选的注入实施例便于更中心的燃料加注选择，这提供了较好的束耦合和注入快速粒子的较高捕获效率。此外，取决于角度和轴向位置，束注入器615的这种布置允许更直接且独立地控制FRC等离子体450的轴向延长和其它特性。例如，相对于容器的主对称轴线以较小的角度A注入束将产生具有较长轴向延伸和较低温度的FRC等离子体，而选择更垂直的角度A将导致轴向更短但更热的等离子体。以此方式，束注入器615的注入角度A和位置可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允许较高能量的束(这大体上更有利于以较小的束发散来沉积更多的功率)注入到比捕获此类束所必要的磁场更低的磁场中。这是归因于，能量的方位分量决定了快速离子轨道尺度(在恒定束能量下，随着相对于容器主对称轴的注入角度减小，该轨道尺度逐渐变小)。此外，朝向中平面的成角度注入以及轴向束位置靠近中平面改进束-等离子体耦合，即使在注入期间FRC等离子体缩短(shrink)或以其它方式轴向收缩时也是如此。

转向图3D和图3E，在另一备选构造中，FRC系统10示出为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和约束室100之间，并且与外部偏滤器300基本类似地配置和操作。其中包括快速切换磁线圈的内部偏滤器302在形成过程期间实际上是不活动的，以使得当形成FRC(formation FRC)朝约束室100的中平面平移时能够使形成FRC穿过内部偏滤器302。一旦形成FRC穿过内部偏滤器302进入约束室100，内部偏滤器就启动以基本上类似于外部偏滤器来操作，并将约束室100与形成区段200隔离。

转向图3F，在形成区段移除的另一备选构造中，FRC系统10示出为包括第一偏滤器和第二偏滤器302以及联接到约束室100的成角度的束注入器615。第一偏滤器和第二偏滤器302定位在约束室100的相对端部处，并且基本上类似于图3C中示出的偏滤器300以及图3D和图3E中示出的外部偏滤器300来构造和操作。

球粒注入器

为了提供注入新粒子并更好地控制FRC粒子存量的手段，在FRC系统10上使用了12筒球粒注入器700(参见例如I.Vinyar等人，“Pellet Injectors Developed at PELIN forJET,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示出了FRC系统10上的球粒注入器700的布局。圆柱形球粒(D～1mm，L～1–2mm)以150–250km/s范围内的速度注入到FRC中。每个单独的球粒含有约5×10¹⁹个氢原子，与FRC粒子存量相当。

吸杂系统

众所周知，中性光晕气体在所有约束系统中都是严重的问题。电荷交换和回收(从壁上释放冷杂质材料)过程可能对能量和粒子约束具有破坏性影响。另外，边缘处或边缘附近任何显著密度的中性气体都将会导致注入的大轨道(高能量)粒子的迅速损失或至少严重缩短其寿命(大轨道是指具有FRC拓扑的尺度上的轨道或至少轨道半径远大于特征磁场梯度长度尺度的粒子)，这一事实对包括经由辅助束加热进行聚变在内的所有高能等离子体应用都是有害的。

表面调节是可在约束系统中通过其控制或减少中性气体和杂质的有害影响的手段。为此，本文中提供的FRC系统10采用钛沉积系统810和锂沉积系统820，其用Ti和/或Li的膜(数十微米厚)涂覆约束室(或容器)100和偏滤器300和302的面向等离子体的表面。涂层是经由气相沉积技术实现的。固体Li和/或Ti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或具有引导护罩(在Ti的情况下)812的加热固体球。锂蒸发器系统通常以连续模式操作，而钛升华器大多在等离子体操作之间间歇操作。这些系统的操作温度高于600℃，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详细示出了FRC系统10中的吸杂沉积系统810和820的示例布置。该涂层充当吸杂表面并且有效泵送原子和分子氢物质(H和D)。该涂层还可将诸如碳和氧的其它典型杂质减少到不显著的水平。

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的两个轴向端部处，并且独立地由主磁系统410的直流约束线圈412、形成线圈414和偏滤器线圈416供能。第一组镜线圈420主要帮助在合并期间引导和轴向地容纳FRC等离子体450，并且在持续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高的磁场(大约0.4T至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位于形成区段200与偏滤器300之间，并且由公共开关功率供应源驱动。镜线圈432、434和436与更紧凑的脉冲镜塞线圈444(由电容性功率供应源馈电)和物理收缩部442一起形成镜塞440，其提供具有非常高的磁场(2T至4T之间，上升时间约为10ms至20ms)的窄的低气体传导路径。与约束线圈412、414和416的一米以上尺度(meter-plus-scale)的开孔和薄饼设计相比，最紧凑的脉冲镜线圈444具有紧凑的径向尺寸、20cm的开孔和相似的长度。镜塞440的用途是多重的：(1)线圈432、434、436和444紧密地束集并引导磁通量表面452和端部流动的等离子体射流454进入远的偏滤器室300。这确保了排放粒子恰当地到达偏滤器300，并且存在从中心FRC等离子体450的开放场线452区域一直沿溯(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(线圈432、434、436和444使得磁通量表面452和等离子体射流454能够通过该物理收缩442)对来自位于偏滤器300中的等离子体枪350的中性气流提供阻碍。同样，收缩部442防止气体从形成区段200回流到偏滤器300，从而减少当开始启动FRC时不得不引入到整个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，并且从而减少了开放场线上的平行粒子扩散性。

在图3D和图3E中所示的备选构造中，成组的小轮廓颈缩(necking)线圈421定位于内部偏滤器302与形成区段200之间。在图3F中所示的备选构造中，成组的镜线圈420位于约束室100的两个轴向端部处。

轴向等离子体枪

来自安装在偏滤器300(以及图3F中所示的备选构造的偏滤器302)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。如图3和图10中所示，枪350安装在偏滤器300的室310内部的轴线上，并且产生在偏滤器300中沿开放通量线452并流向约束室100的中心的等离子体。枪350在垫圈堆叠通道中以高密度气体放电操作，并且设计成在5至10ms内产生数千安的完全电离等离子体。枪350包括脉冲磁线圈，其将输出等离子体流与约束室100中的期望尺寸的等离子体相匹配。枪350的技术参数的特征在于通道具有5cm至13cm的外径和多至约10cm的内径，并且通过0.5T至2.3T之间的枪内部磁场在400-600V下提供10-15kA的放电电流。

枪等离子体流可穿透镜塞440的磁场并流入形成区段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更宽和更短，通过镜塞440的等离子体传输效率增加。在合理的条件下，枪350可分别以约150eV至300eV和约40eV至50eV的高离子和电子温度通过2T至4T的镜塞440输送约10²²个质子/秒。枪350为FRC边缘层456提供显著的续加燃料，以及改进的总体FRC粒子约束。

为了进一步增加等离子体密度，可利用气体箱将附加的气体从枪350充入等离子体流中。该技术允许注入的等离子体密度增加数倍。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FRC边缘层456的续加燃料、FRC等离子体450的形成以及等离子体线捆(line-tying)。

考虑到上面论述的所有调整参数并且还考虑到仅使用一支或两支枪进行操作是可能的，很明显可使用多种操作模式。

偏压电极

开放通量表面的电偏压可提供引起方位E×B运动的径向电势，该运动提供类似于转动旋钮的控制机制，以经由速度剪切控制实际FRC芯450以及开放场线等离子体的旋转。为了实现该控制，FRC系统10采用策略性地放置在机器的各个部分中的各种电极。图3描绘了位于FRC系统10内的示例位置处的偏压电极。

原则上，存在4类电极：(1)约束室100中的点电极905，其与FRC等离子体450的边缘中的特定开放场线452接触以提供局部充电，(2)约束室100与形成区段200之间的环形电极900，以方位对称的方式对远边缘通量层456充电，(3)偏滤器300(以及图3F中所示的备选构造的偏滤器302)中的同心电极910的堆叠，以对多个同心通量层455充电(由此层的选择可通过调整线圈416来控制，以调整偏滤器磁场，以便将期望的通量层456终止在适当的电极910上)，并且最后(4)等离子体枪350的阳极920(参见图10)自身(其在FRC等离子体450的分界面附近拦截内开放通量表面455)。图10和图11示出了用于这些中的一些的一些典型设计。

在所有情况下，这些电极均由多至约800V电压下的脉冲或直流功率源驱动。取决于电极尺寸以及与什么通量表面相交，可汲取千安培范围内的电流。

FRC系统的非持续操作常规机制

FRC系统10上的标准等离子体形成遵循成熟的场反向角向箍缩技术。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驱动到稳态操作来开始。脉冲功率形成系统210的RFTP脉冲功率电路然后驱动脉冲快速反向磁场线圈232以在形成区段200中产生约-0.05T的临时反向偏压。此时，经由位于形成区段200的外端部上的凸缘处的一组方位定向的冲入谷(puff-vale)，在9-20psi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限定的两个形成容积中。接下来，从石英管240的表面上的一组天线生成小RF(～数百千赫兹)场，以在中性气体柱内产生局部种子电离区域(seedionization region)形式的预电离。随后对驱动脉冲快速反向磁场线圈232的电流施加角向振荡调制(theta-ringing modulation)，这导致气体柱的更全面的预电离。最后，脉冲功率形成系统210的主脉冲功率组受激发以驱动脉冲快速反向磁场线圈232，以产生多至0.4T的前向偏压场。该步骤可按时间顺序排列，使得前向偏压场在形成管240的整个长度上均匀地生成(静态形成)，或使得沿形成管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，等离子体中的实际场反向在约5μs内快速发生。输送到正形成的等离子体的数千兆瓦的脉冲功率容易地产生热FRC，然后经由施加前向磁场的时间顺序调制(磁蠕动)或靠近形成管210的轴向外端部的线圈组232中的最后线圈中临时增加的电流，将热FRC从形成区段200喷射出来(形成轴向指向约束室100的轴向磁场梯度)。如此形成并加速的两个(北和南)形成FRC然后扩展到较大直径的约束室100中，其中准直流线圈412产生前向偏压场以控制径向扩展并提供平衡的外部磁通量。

一旦北和南形成FRC到达约束室100的中平面附近，FRC就会碰撞。在碰撞期间，随着FRC最终合并成单个FRC等离子体450，北和南形成FRC的轴向动能在很大程度上热能化。在约束室100中可使用一大组等离子体诊断来研究FRC等离子体450的平衡。FRC系统10中的典型操作条件产生具有约0.4m的分界面半径和约3m的轴向延伸的复合FRC。其它特性是约0.1T的外部磁场、约5×10¹⁹m^-3的等离子体密度以及多至1keV的总等离子体温度。在没有任何持续的情况下，即没有经由中性束注入或其它辅助手段进行加热和/或电流驱动的情况下，这些FRC的寿命限制到约1ms，固有特征构型衰减时间。

非持续操作的实验数据—常规机制

图12示出了排斥通量半径r_ΔΦ(其近似于分界面半径r_s)的典型时间演变，以示出FRC等离子体450的角向箍缩合并过程的动态。两个(北和南)单独的等离子体粒团同时产生，并且然后以超音速v_Z～250km/s加速离开相应的形成区段200，并且在z＝0处在中平面附近碰撞。在碰撞期间，等离子体粒团轴向压缩，随后快速径向和轴向扩展，然后最终合并形成FRC等离子体450。合并的FRC等离子体450的径向和轴向动态两者均通过详细的密度分布测量和基于辐射热测量计的断层扫描而表明。

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中示出为时间的函数。FRC起始于t＝0处。机器轴向中平面处的排斥通量半径在图13A中示出。该数据是从正好位于约束室的不锈钢壁内侧的一批磁探头获得的，磁探头用于测量轴向磁场。在该放电的时间尺度上，钢壁是良好的通量保持器。

图13B中示出了来自位于z＝0处的6弦CO₂/He-Ne干涉仪的线积分密度。考虑到如通过辐射热断层扫描测量的竖直(y)FRC位移，阿贝尔(Abel)变换产生图13C的密度廓线。在前0.1ms期间发生一些轴向和径向晃动后，FRC呈现中空密度分布而稳定。该分布相当平坦，轴线上密度很大，如典型2-DFRC平衡所要求的。

图13D中示出了总等离子体温度，其源自压力平衡并且与汤姆森散射和光谱测量完全一致。

对整个排斥通量阵列的分析表明，FRC分界面的形状(与排斥通量轴向分布近似)逐渐从跑道形演变为椭圆形。图14中所示的这种演变与从两个FRC到单个FRC的逐渐磁重联一致。事实上，粗略估计表明，在这一特定时刻，两个初始FRC磁通量的大约10％在碰撞期间重联。

在FRC寿命期间，FRC长度从3m稳定地缩小到约1m。如图14可见的这种缩短表明主要是对流的能量损失主导了FRC约束。由于分界面内的等离子体压力比外部磁压力下降得更快，故端部区域中的磁场线张力轴向压缩FRC，从而恢复轴向平衡和径向平衡。对于图13和图14中论述的放电，当FRC平衡似乎要减弱时，FRC磁通量、粒子存量和热能(分别约为10mWb、7×10¹⁹个粒子和7kJ)在第一毫秒内大约减少一数量级。

持续的操作—HPF机制

图12至图14中的示例是没有任何持续的衰减FRC的特征。然而，在FRC系统10上部署了若干技术以进一步改进对HPF机制的FRC约束(内芯和边缘层)并支持该构型。

中性束

首先，来自八个中性束注入器600的快(H)中性粒子以束垂直于B_z注入。从北和南形成FRC在约束室100中合并成一个FRC等离子体450的时刻起，注入快中性粒子束。主要通过电荷交换产生的快速离子具有电子感应加速器轨道(其主半径在FRC拓扑尺度上或至少远大于特征磁场梯度长度尺度)，其增加了FRC等离子体450的方位电流。在放电的某一部分之后(在进入发射0.5ms至0.8ms之后)，足够大的快速离子群显著改进了内部FRC的稳定性和约束特性(参见例如M.W.Binderbauer和N.Rostoker，Plasma Phys.56，第3部分，451(1996))。此外，从持续的观点来看，来自中性束注入器600的束也是驱动电流和加热FRC等离子体的主要手段。

在FRC系统10的等离子体机制中，快速离子主要在等离子体电子上减速。在放电的早期期间，快速离子的典型轨道平均减速时间为0.3-0.5ms，这导致显著的FRC加热(主要是电子)。由于内部FRC磁场本质上较低(对于0.1T的外部轴向磁场平均约为0.03T)，故快速离子在分界面的外侧产生较大的径向偏移。如果分界面外侧的中性气体密度太高，则快速离子将容易受到电荷交换损失的影响。因此，FRC系统10上部署的壁吸杂和其它技术(诸如等离子体枪350和镜塞440在其它事项中尤其有助于气体控制)趋于最小化边缘中性粒子，并且能够实现所需的快速离子电流的建立。

球粒注入

当以更高的电子温度和更长的FRC寿命在FRC等离子体450内累积显著的快速离子群时，冷冻的H或D球粒从球粒注入器700注入到FRC等离子体450中以维持FRC等离子体450的FRC粒子存量。预期的消融时间尺度足够短以提供显著的FRC粒子源。该速率还可通过在球粒注入器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较小的碎粒来扩大注入件的表面积来增加，其是可通过在进入约束室100之前不久收紧注入管最后节段的弯曲半径来增加球粒与注入管壁之间的摩擦而实现的步骤。凭借改变12个筒(注入管)的激活顺序和速率以及破碎，有可能调谐球粒注入系统700以提供正好期望水平的粒子存量持续。这继而又有助于保持FRC等离子体450中的内部动压以及FRC等离子体450的持续操作和寿命。

一旦消融的原子遇到FRC等离子体450中的大量等离子体，它们就变得完全电离。然后产生的冷等离子体成分由固有的FRC等离子体碰撞加热。保持期望的FRC温度的必要的能量最终由束注入器600提供。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等离子体450的系统。

CT注入器

作为球粒注入器的备选方案，提供了紧凑环(CT)注入器，其主要用于为场反向构型(FRC)等离子体提供燃料。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，其包括同轴圆柱形内电极722和外电极724、定位于内电极726内部的偏压线圈，以及位于与CT注入器720的放电相对的端部上的电破碎器(electrical break)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，并且通过放电从其中生成球状等离子体，并且通过洛伦兹力从枪中推出。如图23A和图23B中所示，一对CT注入器720在容器100的中平面的相对侧附近和相对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。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的纵向轴线成一角度朝向约束容器100的中平面引导。

在备选实施例中，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的放电端部的长形圆柱形管。如所描绘的，漂移管740包括围绕管定位并沿管轴向间隔开的漂移管线圈742。沿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整性；(2)沉积热的等离子体(而不是低温球粒)；(3)系统可以重复速率模式操作，以便允许连续续加燃料；(4)由于注入的CT带有嵌入磁场，故系统还可恢复一些磁通量。在用于实验用途的实施例中，外电极的内径为83.1mm，并且内电极的外径为54.0mm。内电极722的表面优选地涂覆有钨，以便减少从电极722中逸出的杂质。如图所示，偏压线圈726安装在内电极722内侧。

在最近的实验中，实现了多至～100km/s的超音速CT平移速度。其它典型的等离子体参数如下：电子密度～5×1021m^-3，电子温度～30-50eV，并且粒子存量～0.5–1.0×1019。CT的高动压允许注入的等离子体能够深入渗透到FRC中，并将粒子沉积在分界面内侧。在最近的实验中，FRC粒子燃料加注已导致由CT注入器提供～10-20％的FRC粒子存量，成功地证明了燃料加注可在不破坏FRC等离子体的情况下容易地进行。

鞍形线圈

为了实现稳态电流驱动并保持所需的离子电流，期望防止或显著减少归因于电子-离子摩擦力(由碰撞离子电子动量转移引起)而导致的电子自旋。FRC系统10利用创新技术经由外部施加的静磁偶极或四极场来提供电子破碎。这是经由图15中描绘的外部鞍形线圈460来实现的。来自鞍形线圈460的横向施加的径向磁场在旋转的FRC等离子体中感生出轴向电场。所得到的轴向电子电流与径向磁场相互作用，以对电子产生方位破碎力，F_θ＝-σV_eθ<∣B_r∣²>。对于FRC系统10中的典型条件，等离子体内部所需施加的磁偶极(或四极)场只需0.001T量级以提供足够的电子破碎。约.015T的对应的外部场小到不足以引起明显的快速粒子损失或以其它方式消极地影响冲击约束。事实上，施加的磁偶极(或四极)场有助于抑制不稳定性。与切向中性束注入和轴向等离子体注入相结合，鞍形线圈460提供了关于电流保持和稳定性的附加水平的控制。

镜塞

镜塞440内的脉冲线圈444的设计允许以适度的(约100kJ)电容能量局部生成高磁场(2至4T)。为了形成FRC系统10的当前操作典型的磁场，如图2中的磁场线所示，形成容积内的所有场线都在镜塞440处穿过收缩部442，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可调整成以便将场线引导到偏滤器电极910上，或使场线以端部尖头构型(未示出)张开。后者改进了稳定性并抑制了平行电子热传导。

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形成期间充到石英管中的氘气，因为回流到偏滤器300中的气体由于塞的小气体传导率(微薄的500L/s)而显著减少。形成管210内侧的大部分残留的充入气体快速电离。另外，流经镜塞440的高密度等离子体提供有效的中性电离，因此提供有效的气体屏障。结果，在偏滤器300中从FRC边缘层456回收的大部分中性粒子不返回到约束室100。另外，与等离子体枪350的操作相关联的中性粒子(如下所述)将主要约束至偏滤器300中。

最后，镜塞440趋于改进FRC边缘层约束。当镜比(塞/约束磁场)在20至40范围内且北和南镜塞440之间的长度为15m时，边缘层粒子约束时间τ_∥增加达多至一数量级。改进τ_∥容易增加FRC粒子约束。

假定来自分界面容积453的径向扩散(D)粒子损失由来自边缘层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重写为δ＝(Dτ_∥)^1/2。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粒子约束时间为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，其中a＝r_s/4。从物理上讲，改进τ_∥导致δ增加(减小分界面密度梯度和漂移参数)，并因此减少FRC粒子损失。FRC粒子约束的总体改进大体上略小于二次方，因为n_s随τ_∥增加。

在τ_∥方面的显著改进还要求边缘层456保持非常稳定(即，没有n＝1槽、消防带型或开放系统典型的其它MHD不稳定性)。等离子体枪350的使用提供这种优选的边缘稳定性。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生成，这在控制FRC旋转不稳定性方面证明是有用的。因而，枪350是控制FRC稳定性的有效手段，而不需要较老的四极稳定技术。结果，等离子体枪350使得有可能利用快速粒子的有益效果或获得如本公开中概述的先进混合动力FRC机制。因此，等离子体枪350使得FRC系统10能够以刚好足以破碎电子但低于会引起FRC不稳定和/或导致急剧的快速粒子扩散的阈值的鞍形线圈电流来操作。

如上面的镜塞论述中所提到的，如果可显著改进τ_∥，则所提供的枪等离子体将与边缘层粒子损失率(～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。事实上，考虑具有密度ne～10¹³cm^-3和约200eV的离子温度的枪等离子体，约束在端部镜塞440之间。捕获长度L和镜比R分别约为15m和20。归因于库仑碰撞而产生的离子平均自由程为λ_ii～6×10³cm，并且由于λ_iilnR/R<L，故离子在气体动态机制中受约束。该机制下的等离子体约束时间为τ_gd～RL/2V_s～2ms，其中V_s是离子声速。作为比较，这些等离子体参数的传统离子约束时间将为τ_c～0.5τ_ii(lnR+(lnR)^0.5)～0.7ms。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速率，则枪等离子体的预估横向约束时间为τ_⊥>τ_gd～2ms。因此，枪将为FRC边缘层456提供显著的续加燃料，以及改进的总体FRC粒子约束。

此外，枪等离子体流可在约150至200微秒内开启，这允许用于FRC启动、平移和合并到约束室100中。如果在t～0左右开启(FRC主组启动)，则枪等离子体有助于维持本动态形成和合并的FRC等离子体450。来自形成FRC和来自枪的组合粒子存量足以用于中性束捕获、等离子体加热和长期持续。如果在-1至0ms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或电离充到石英管中的气体，从而在充入气体减少或甚至可能为零的情况下允许FRC形成。后者可能需要足够冷的形成等离子体以允许反向偏压磁场的快速扩散。如果在t＜-2ms时开启，则等离子体流可用数10¹³cm^-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3m³场线容积，这足以允许在FRC到达之前累积中性束。形成FRC然后可形成并平移到所得的约束容器等离子体中。以此方式，等离子体枪350能够实现多种操作条件和参数机制。

电偏压

边缘层456中的径向电场分布的控制以多种方式有益于FRC稳定性和约束。凭借在FRC系统10中部署的创新的偏压构件，可能从约束室100中的中心约束区域完全之外的区域向整个机器的成组的开放通量表面施加各种有意的电势分布。以此方式，可跨过正好在FRC等离子体450外侧的边缘层456产生径向电场。这些径向电场然后修改边缘层456的方位旋转并经由E×B速度剪切实现其约束。边缘层456与FRC芯453之间的任何差动旋转然后可通过剪切传播到FRC等离子体的内侧。结果，控制边缘层456直接影响FRC芯453。此外，由于等离子体旋转中的自由能也可能导致不稳定性，因此该技术提供了控制不稳定性的发生和增长的直接方法。在FRC系统10中，适当的边缘偏压提供了对开放场线传输和旋转以及FRC芯旋转的有效控制。所提供的各种电极900、905、910和920的位置和形状允许控制不同组的通量表面455并且处于不同且独立的电势。以此方式，可实现多种不同的电场构型和强度，每种构型和强度对等离子体性能都有不同的特征影响。

所有这些创新的偏压技术的关键优点在于以下事实：芯和边缘等离子体表现可受到FRC等离子体完全外部的影响，即不需要使任何物理构件与中心热等离子体接触(其将对能量、通量和粒子损失产生严重影响)。这对HPF构想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的束注入快速粒子在实现HPF机制中发挥重要作用。图16A、图16B、图16C和图16D示出这一事实。所描绘的一组曲线示出了FRC寿命与束脉冲长度如何关联。对于本研究在内的所有放电，所有其它操作条件均保持不变。该数据是多次发射的平均值，并且因此代表了典型的表现。很明显，较长的束持续时间产生较长寿命的FRC。通过研究这一证据以及本研究期间的其它诊断，结果表明束提高稳定性并且减少损失。束脉冲长度与FRC寿命之间的相关性并不完美，因为在特定等离子体尺寸以下束捕获变得低效，即，当FRC等离子体450在物理尺寸方面缩短时，并不是所有注入的束都被拦截和捕获。FRC的缩短主要是归因于放电期间来自FRC等离子体的净能量损失(约在放电中途～4MW)在特定的实验设置中略大于经由中性束馈入FRC的总功率(～2.5MW)。将束定位在更靠近容器100的中平面的位置处将趋于减少这些损失并延长FRC寿命。

图17A、图17B、图17C和图17D示出了不同构件对于实现HPF机制的的影响。其示出了一系列典型曲线，它们描绘了FRC等离子体450的寿命随时间的变化。在所有情况下，每次放电的整个持续时间内都会注入恒定、适中的束功率(约2.5MW)。每条曲线代表构件的不同的组合。例如，在没有任何镜塞440、等离子体枪350或来自吸杂系统800的吸杂的情况下操作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。仅添加镜塞440延迟了不稳定性的起始并增加了约束。利用镜塞440和等离子体枪350的组合进一步减少不稳定性并增加FRC寿命。最后，在枪350和塞440之外添加吸杂(在此情况下为Ti)产生了最好的结果——所得的FRC没有不稳定性并且表现出最长的寿命。从这个实验展示可清楚地看出，构件的完整组合产生最佳效果，并为束提供最佳目标条件。

如图1中所示，HPF机制表现出显著改进的传输表现。图1示出了FRC系统10中的粒子约束时间在常规机制与HPF机制之间的变化。如可看出的，在HPF机制下，其已经改进了5倍以上。另外，图1详细示出了FRC系统10中的粒子约束时间相对于现有常规FRC实验中的粒子约束时间。对于这些其它机器，FRC系统10的HPF机制已经将约束改善了5倍到接近20倍之间。最后且最重要的是，HPF机制下的FRC系统10的约束换算的性质与所有现有测量显著不同。在FRC系统10中建立HPF机制之前，现有FRC实验中，从数据中导出了各种经验换算规律，以预测约束时间。所有这些换算规则主要取决于比率R²/ρ_i，其中R是零磁场的半径(机器物理尺度的不精确测量)，并且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清楚地看出，常规FRC中的长约束只有在大机器尺寸和/或高磁场下才有可能。在常规FRC机制CR中操作FRC系统10趋于遵循如图1中所指示的那些换算规则。然而，HPF机制要优越得多，并且表明无需大机器尺寸或高磁场即可获得较好的约束。更重要的是，从图1中还可清楚地看出，与CR机制相比，HPF机制以减小的等离子体尺寸导致改进的约束时间。类似的趋势对于通量和能量约束时间也是可见的，如下所述，其在FRC系统10中也增加了3-8倍以上。因此，HPF机制的突破使得能够使用适度的束功率、较低的磁场和较小的尺寸来维持和保持FRC系统10和未来更高能量机器中的FRC平衡。在这些改进的同时还降低了操作和构建成本并降低了工程复杂性。

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机制放电的随时间变化的数据。图18A描绘了中平面处的排斥通量半径。对于这些较长的时间尺度，传导性钢壁不再是良好的通量保持器，并且壁内部的磁探头通过壁外部的探头来增强，以正确地考虑通过钢的磁通量扩散。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机制操作模式呈现出延长了400％以上的寿命。

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Abel反演补体、密度廓线。与常规的FRC机制CR相比，如图13A、图13B、图13C和图13D中所示，等离子体在整个脉冲期间更加静止，表明操作非常稳定。如图18D中所示，HPF发射中的峰值密度也略低，这是较高的总等离子体温度(多至2倍)的结果。

对于图18A、图18B、图18C和图18D中所示的相应放电，能量、粒子和通量约束时间分别为0.5ms、1ms和1ms。在进入放电1ms的参考时间，存储的等离子体能量为2kJ，而损失约为4MW，使得该目标非常适合中性束持续。

图19以新建立的实验HPF通量约束换算的形式总结了HPF机制的所有优点。如图19中可见，基于t＝0.5ms之前和之后进行的测量，即t≤0.5ms和t>0.5ms，对于给定分界面半径(r_s)，通量约束(以及类似的粒子约束和能量约束)以大致电子温度(T_e)的平方换算。与T_e的正幂(而不是负幂)的这种强换算与常规托卡马克装置所表现出的完全相反，在常规托卡马克装置中，约束通常与电子温度的几次幂成反比。这种换算的表现是HPF状态和大轨道(即FRC拓扑尺度上和/或至少特征磁场梯度长度尺度上的轨道)离子群的直接结果。从根本上说，这种新的换算基本上有利于高操作温度并能够实现相对适中尺寸的反应堆。

利用HPF机制呈现的优点，可实现由中性束驱动的FRC持续或稳态，这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的全局等离子体参数可维持在合理的水平，而基本无衰减。为了比较，图20在曲线A中示出了来自FRC系统10中的代表性HPF机制放电随时间变化的数据，并且在曲线B中示出了FRC系统10中的预计的代表性HPF机制放电随时间变化的数据，其中FRC等离子体450在中性束脉冲的持续时间内维持而不衰减。对于曲线A，将具有总功率在约2.5-2.9MW范围内的中性束注入FRC等离子体450中，以获得约6ms的活动束脉冲长度。曲线A中描绘的等离子体抗磁寿命约为5.2ms。更新数据显示，使用约7ms的活动束脉冲长度可实现约7.2ms的等离子体抗磁寿命。

如上面参照图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完美，因为在特定等离子体尺寸以下束捕获变得低效，即，当FRC等离子体450的物理尺寸缩短时，并不是所有注入的束都被拦截和捕获。FRC的缩短或衰减主要是归因于放电期间来自FRC等离子体的净能量损失(约在放电中途～4MW)在特定的实验设置中略大于经由中性束馈入FRC的总功率(～2.5MW)。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，即使当FRC等离子体在注入期间缩短或以其它方式轴向收缩时也是如此。另外，适中的球粒燃料加注将保持所需的等离子体密度。

曲线B是使用约6ms的活动束脉冲长度和来自中性束枪600的略大于约10MW的总束功率运行的模拟结果，其中中性束将注入H(或D)中性粒子，其中粒子能量约为15keV。由束中的每一个注入的等效电流约为110A。对于曲线B，相对于装置轴线的束注入角度约为20°，目标半径为0.19m。注入角度可在15°-25°范围内改变。束将以并流方向成方位地注入。来自中性束动量注入的净侧向力和净轴向力应最小化。与曲线A一样，从北和南形成FRC在约束室100中合并成一个FRC等离子体450的时刻起，从中性束注入器600注入快(H)中性粒子。

作为曲线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，基于全动态蒙特卡罗的解算器用于能量束分量和所有散射过程，以及许多耦合的传输方程用于所有等离子体种类来对交互损失过程建模。传输分量经过经验校准，并根据实验数据库进行广泛的基准测试。

如由曲线B所示，FRC等离子体450的稳态抗磁寿命将是束脉冲的长度。然而，重要的是要注意，关键相关曲线B显示的是，当束关断时，等离子体或FRC在该时开始衰减，而不是在此之前。衰减将类似于在非束辅助放电中观察到的衰减(可能超出束关断时间大约1ms)，并且只是由固有损失过程驱动的等离子体特征衰减时间的反映。

转向图21A、图21B、图21C、图21D和图21E，图中所示的实验结果表明由成角度的中性束驱动的FRC持续或稳态的实现，即诸如等离子体半径、等离子体密度、等离子体温度和磁通量的全局等离子体参数可维持在恒定水平，不会随NB脉冲持续时间而衰减。例如，此类等离子体参数基本上保持恒定达～5+ms。包括持续特性在内的此等离子体性能与NB脉冲持续时间具有很强的相关性，归因于积累的快速离子，抗磁性甚至在NB终止后持续几毫秒。如图所示，等离子体性能仅受到许多关键系统(诸如NB注入器以及其它系统构件)的相关联功率供应源中有限储存能量所产生的脉冲长度约束的限制。

中性束可调谐束能量

如上文关于图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F和图8所述，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产生快速粒子压力。包括中性原子束注入器系统600的单独束线位于中心约束室100周围，并且如图3C、图3D、图3E和图3F中所示，成一角度以朝向约束室100的中平面注入中性粒子。

为了进一步改进FRC持续并展示FRC斜升至高等离子体温度和升高的系统能量，示例FRC系统10包括具有升高的功率和扩展的脉冲长度的中性束注入器(NBI)系统600，例如，仅供参考，功率约为20+MW，其中脉冲长度长达30ms。NBI系统600包括特征为灵活的模块化设计的多个基于正离子的注入器615(参见图3D、图3E和图3F)，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束能量调谐到升高束能量的能力，例如，在恒定束电流下从约15keV到约40keV。NBI注入器615的这种能力是期望的，以便实现等离子体芯450的更有效的加热和由此产生的加压。特别是，与低能量水平相比，此能力能够在峰值能量操作水平下实现非常期望的性能改进：例如，(i)多至2倍的更高加热功率；(ii)电荷交换损失至接近1/5；以及(iii)多至两倍的加热效率。另外，由NBI注入器615可产生的连续可变的束能量使得能够在斜升过程期间相对于瞬时磁压力分布对注入的并且然后捕获的快速离子的轨道参数进行最佳匹配。最后，允许0.1-10ms斜升持续时间的快速斜升速率，以及NBI注入器615的束能量和功率的快速(1ms或更少的量级)可调谐性提供了附加的有效“控制旋钮”，即可控特征，以用于经由束能量和功率的调制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来实现对FRC等离子体450的加热和加压，以既维持又斜升至高等离子体温度和升高的系统能量。假定损耗率足够低，则斜升率主要是由NBI注入器615在任何给定时间可在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主中性束功率。

此外，归因于NBI注入器615的有效加热速率是注入束的特性与所有物质的温度、电子和离子密度、中性粒子浓度以及跨过FRC芯450的磁场随后持续的瞬时分布之间的复杂的相互作用。其中，磁场分布在斜升期间由控制系统在亚毫秒时间尺度上有意改变，而动压相关分布则经由衍生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沉积的能量而演变。束的可调谐性提供了最佳地适应这些变化条件的手段。

例如，电荷交换截面(即快速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15-40keV范围，主电荷交换率随着束流能量的变化而急剧下降。因此，在任何给定的场水平下，当以与该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最高(除此之外，这要求注入粒子的能量导致适合约束系统的内壁的捕获离子轨道半径)。

分布对总体加热效率影响的另一个示例与功率沉积的位置有关。较高的束能量通常会导致FRC周边中相对于芯的能量沉积相对较高。提高磁场，但保持束流能量相同，将导致更紧密的捕获离子轨道以及与FRC芯等离子体的相应更高的功率耦合。这些事实然后对能量保留也有很大的影响——例如，周边沉积的能量更容易沿开放场线结构传输出系统，而芯沉积的能量归因于较低的跨场传输时间而相对较慢地损失。因此，磁场渐变和束能量的适当增加的紧密协调是期望的。

束系统600设计成用于电压在0.1-10ms范围内的快速渐变。这提供了将离子和电子温度分别提高2倍和10倍的潜力，并且在比典型宏观不稳定性增长时间更短的时间尺度上实现这一点。因此，等离子体稳定性、操作可靠性和再现性都得到了根本性的提高。

0.05ms至1ms的可变电压上升时间提供足够快的响应时间，使得束可用作主动反馈系统的一部分。以此方式，束调制可用于控制宏观和微观稳定性。例如，通过改变束能量(并从而改变径向能量沉积模式)来暂时改变径向功率沉积分布，可影响可抵消不稳定等离子体模式的开始的压力梯度。图3D和图3E中所示的FRC系统10利用该能力以及快速磁反馈来控制内部倾斜、旋转速率、漂移波发展和其它操作场景。

图25描绘了示例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组；瞄准平衡环(gimbal)653；中和器654，其包括弧蒸发器655(例如，诸如Ti弧蒸发器)、具有构造成用于增加低温泵送的表面结构(例如，诸如肋状表面结构)的低温泵656；以及用于去除未被中和的离子的偏转磁体656；以及准直孔口658，其包括用于间歇束表征、诊断和重新校准的可插入量热计659。

更具体地并参看图26，如图所示的可调谐束系统的实施方式优选地基于三极管型离子光学系统(＝IOS)660。该想法是加速-减速方案。如图26中所示，第一栅G1设置为电压V1，而第二栅G2设置为电压V2，并且最后的栅G3设置为电压V3。提取的离子在穿过G1和G2之间的间隙时首先加速到能量E1＝e*(V1-V2)(这里的e指的是离子的电荷)。然后它们在G2与G3之间的间隙减速，使得E2＝E1+e*(V2-V3)。通常调整电压使得V1>V2<V3。基于适当的单独功率供应源PS1、PS2、PS3，可在脉冲期间增量地调整栅电压，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，可将工作电压调整为V1＝15kV、V2＝-25kV和V3＝0V。然后初始束离子将首先加速到40keV，并且然后以15keV的能量从IOS出来。在脉冲中的后期，可切换功率供应源以提供V1＝40kV、V2＝-1kV、V3＝0V。然后，第二间隙中的束减速实际上将不存在，从而产生大约40keV的输出束能量。功率供应源各自可单独控制并提供适当的电压调制。初始束离子从多个标准的基于RF或弧的等离子体源PS中抽出。从IOS 660出来后，束离子662穿过中和器664，其中快速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为中性离子。适当的低温泵送防止中性气体从中和器664的下游孔口中逸出。在中和器的端部处还有适当的弯曲磁体666，其提供未被中和的快速离子663的去除，以及相关联的离子转储器668以吸收快速离子及其能量。然后出现的原子束670穿过适当的孔口6720以减少束发散，并朝向反应堆芯提供良好准直的中性原子流。

在备选版本中，IOS基于四极管设计。在此情况下，IOS由四个栅构成，这些栅具有与针对三极管阐释的相同的加速-减速原理。本领域中的技术人员将容易地认识到系统构件与操作原理之间的相似性。第四栅的引入提供了进一步微调的可能性和整体上更多的操作灵活性。

本文中提供的示例实施例已在美国专利申请号11195627中描述，该申请通过引用并入本文。

等离子体稳定性和轴向位置控制

FRC不稳定性的常规解决方案通常以在径向方向上不稳定为代价提供轴向方向上的稳定性，或以轴向不稳定为代价提供径向方向上的稳定性，但不能同时在两个方向上稳定性。对于一阶，等离子体位置横向或径向稳定的平衡具有期望的轴对称特性，代价是轴向不稳定。鉴于前述内容，本文提供的实施例针对便于FRC等离子体在径向方向和轴向方向上的稳定性，以及独立于FRC等离子体的平衡的轴向稳定性特性的沿FRC等离子体约束室的对称轴线对FRC等离子体的轴向位置控制的系统和方法。然而，轴向位置不稳定性是通过使用控制FRC等离子体轴向位置的成组的外部轴对称线圈来主动控制的。通过作用于施加至与等离子体同心的成组外部线圈的电压并使用非线性控制技术，该系统和方法提供独立于等离子体平衡的稳定性特性的FRC等离子体轴向位置的反馈控制。

本文中提出的实施例利用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。以此方式，可获得轴向和径向方向两者上的稳定性。该控制方法设计成改变外部或平衡磁场，使FRC等离子体径向或横向稳定，代价是轴向不稳定，并且然后作用于径向场线圈电流，以便迅速恢复朝向中平面的FRC等离子体位置，同时最小化围绕约束室中平面的过调(overshooting)和/或振荡。该解决方案的优点是降低了控制所需致动器的复杂性。与具有多自由度的常规解决方案相比，本文中提出的实施例的方法将复杂度降低至沿FRC等离子体回转轴线的具有一个自由度的控制问题。

导致轴向不稳定等离子体的线圈电流的波形、燃料加注和中性束功率的组合限定了将等离子体设置为轴向不稳定情形的等离子体控制场景。该场景可使用模拟或实验的先验知识，或控制用来保持轴向不稳定的平衡的反馈来预先编制。在放电期间，应当独立于平衡的稳定性特性来控制等离子体位置，例如，控制方案应当适用于轴向稳定或轴向不稳定的等离子体，直至达到极限。可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。

现在转向便于FRC等离子体在径向和轴向方向两者上的稳定性以及便于FRC等离子体沿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示出了用于说明轴向位置控制机构510的示例实施例的简化方案。示出在约束室100内的旋转FRC等离子体520具有等离子体电流522和轴向位移方向524。通过诸如准直流线圈412(参见图2、图3A、图3D和图3E)的对称电流构件在室100内产生平衡场(未示出)。平衡场不产生轴向位移方向524上的净力，但可调谐以产生横向/径向或轴向稳定的等离子体。为了本文中提出的实施例的目的，调谐平衡场以产生横向/径向稳定的FRC等离子体520。如上所述，这导致轴向不稳定性，并且因此导致FRC等离子体520在轴向位移方向524上的轴向位移。当FRC等离子体520轴向移动时，其感生出反对称(即在约束室100的中平面的每一侧上在约束室100的壁中沿相反方向)的电流514和516。FRC等离子体520将在容器和外部线圈两者中感生出这种类型的电流分量。这些反对称电流分量514和516产生与环形等离子体电流522相互作用的径向场，以产生抵抗FRC等离子体520的移动的力，并且该力的结果是其减慢等离子体轴向位移。归因于约束室100的电阻率，这些电流514和516随着时间逐渐消散。

在中平面每一侧上围绕约束室100设置的径向场线圈530和531提供了归因于在线圈530和531中沿相反方向感生的电流532和534而产生的附加径向场分量。径向场线圈530和531可包括成组的轴对称线圈，其可定位在容纳容器100的内部或外部。径向线圈530和531示为位于容纳容器100的外部，类似于准直流线圈412(参见图2、图3A、图3D和图3E)。线圈530和531中的每一个或线圈组可承载与中平面相对侧上的线圈不同的电流，但是电流相对于容纳容器100的中平面是反对称的并且产生沿中平面的B_z≠0、B_r＝0的磁场结构。径向场线圈530和531产生补充径向场分量，其与环形等离子体电流522相互作用以产生轴向力。轴向力继而又使等离子体朝向约束室100的中平面往回移动。

控制机构510包括控制系统，该控制系统配置成作用于径向场线圈电流，以便朝向中平面快速恢复等离子体位置，同时最小化围绕机器中平面的过调和/或振荡。控制系统包括可操作地联接到径向场线圈530和531、准直流线圈412、它们相应的功率供应源以及其它构件(例如，诸如磁传感器)的处理器，以提供等离子体位置、等离子体速度和工作线圈电流测量值。处理器可配置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联接到一个或多个存储器，所述一个或多个存储器包括非暂时性计算机可读介质。其可包括基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、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描述的功能的任何其它电路或处理器的系统。以上仅是示例，并且因此无意以任何方式限制用语“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、硬件构件或其组合来实施。硬件构件可使用多种技术来实施，包括例如集成电路或分立电子构件。处理器单元通常包括可读/可写存储器储存装置，并且通常还包括用于写入和/或读取存储器储存装置的硬件和/或软件。

处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元和例如用于访问互联网的接口。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储存装置，其可为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。储存装置还可为用于将计算机程序或其它指令加载到计算机或处理器中的其它类似装置。

处理器执行存储在一个或多个储存元件中的一组指令，以便处理输入数据。储存元件还可根据期望或需要存储数据或其它信息。储存元件可为处理机器内的信息源或物理存储器元件的形式。

使用径向场线圈致动器控制轴向稳定或不稳定FRC构型的位置的问题通过使用称为滑动模式控制的非线性控制理论的分支来解决。系统状态的线性函数(滑动表面)充当具有期望渐近稳定(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，在广泛的FRC动态参数范围内表现出渐近稳定性。所提出的控制方案可用于轴向稳定和不稳定等离子体两者，而不需要重新调谐滑动表面中使用的参数。该特性是有利的，因为如前文所提到，平衡可能必须在FRC放电的不同阶段在轴向稳定平衡和轴向不稳定平衡之间转换。

控制方案500的配置如图28中所示。低通滤波器将切换频率限制在期望的控制带宽内。假定数字控制回路需要以一个采样延迟进行采样和信号传输。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是从外部磁测量获得的。工作线圈系统中的电流可通过标准方法测量。

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，但这是可选的。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对功率供应源生成离散电压电平。中平面对称线圈被馈送有强度相同但符号相反的中继电压。这产生径向场分量，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。该模型采用磁体几何形状。当仅考虑等离子体和容器时，等离子体电流分布对应于成长时间为2ms的轴向不稳定平衡。假定功率供应源以离散电压电平工作，通常为800V步级。

图29示出了若干等离子体控制模拟，其强调了向线圈施加的电压与等离子体位置稳定时间之间的关系，以及将轴向位移20cm的等离子体带回中平面所需的线圈峰值电流和渐变速率。这些滑动模式轴向位置控制模拟示例使用四对外部调谐线圈在0.3T下运行。示出了与具有离散电压电平的功率供应源相对应的四种情况，步级为200V(实心正方形)、400V(实心圆圈)、800V(实心三角形)和1600V(中空正方形)。对于所有四种情况，控制带宽均为16kHz，并且采样频率为32kHz。示出了等离子体位置(顶部图)、最外面线圈对中的电流(中间)和线圈电流渐变速率(底部)。允许等离子体位移变得不稳定，直到达到20cm。此时应用反馈控制。

模拟结果表明：

1.为了在5ms内使等离子体回到中平面(实心方形迹线)，0.5MA/s的线圈斜升速率就足够了，需要200V功率供应源。

2.为了在2.3ms内使等离子体回到中平面(实心圆迹线)，1MA/s的线圈斜升速率就足够了，需要400V功率供应源。

3.为了在1.3ms内使等离子体回到中平面(实心三角形迹线)，2MA/s的线圈斜升速率就足够了，需要800V功率供应源。

4.为了在1.0ms内使等离子体回到中平面(中空正方形迹线)，4MA/s的线圈斜升速率就足够了，需要1600V功率供应源。

上面研究的第三种情况(2MA/s渐变速率情况)的所有调谐线圈的峰值电流也在图30中示为调谐线圈位置的函数。滑动模式轴向位置控制模拟示例使用四对外部调谐线圈在0.3T下运行，使用三级功率供应源(+800V、0、-800V)、控制带宽为16kHz，并且采样率为32kHz。为了在1.3ms内使等离子体回到中平面，需要2MA/s的线圈斜升速率。所有线圈对所需的峰值电流小于1.5kA。所需的实际切换频率(约2kHz)远低于控制系统带宽。

控制系统还可实施为目标表面，其仅是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。在此情况下，轴向位置控制回路仅提供轴向动态的稳定化，但不是控制。这意味着等离子体处于亚稳定情形，并且可沿其轴线缓慢漂移。然后使用附加的反馈回路提供位置控制，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，因此其同时执行等离子体形状和位置控制。

使用类似控制系统的另一种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，托卡马克装置中的等离子体电流必须保持在分别与等离子体密度和环向场大致成比例的下限和上限之间。为了在高等离子体密度下操作，必须增加等离子体电流。同时，极性场必须保持尽可能低，以便q安全系数高于q＝2。这是通过沿机器轴线方向延长等离子体来实现的，以允许适应大等离子体电流(并因此允许高等离子体密度)而不将边界磁场增加到超过其安全极限。这些延长的等离子体沿机器轴线方向(托卡马克装置行话中称为竖直方向)不稳定，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成组的径向场线圈来恢复，因此其与RFC位置控制问题非常相似。然而，托卡马克装置和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在大等离子体电流下操作所要付出的代价，这需要等离子体延长以在高环向场下操作。就FRC而言，等离子体不稳定是获得横向稳定性的代价。托卡马克装置具有稳定结构的环向场，因此它们不需要横向稳定。

非FRTP形成

现在转向便于FRC等离子体的中性束驱动、非FRTP形成的系统和方法。图31示出了图3D和3E中所示的FRC约束系统10的磁拓扑和密度廓线，而图32示出了图3F中所示的FRC约束系统10的磁拓扑和密度廓线。上面参照图2和3A-3E中所示的FRC约束系统10论述的FRC形成技术是使用参照图4-6描述的脉冲功率系统210的场反向角向箍缩(FRTP)FRC形成技术。在下面的论述中提出的FRC形成技术利用来自图3D、3E和31中的北和南的外部偏滤器300以及图3F和32中的北和南的偏滤器302的边缘偏压，以及来自中性束注入器600的中性束注入以形成FRC等离子体450，而不利用脉冲功率系统210。在转向束驱动FRC形成技术之前，先论述实现此类FRC形成技术的子系统。

如上所述，边缘偏压系统包括定位在偏滤器300和302中的同心电极910以及定位在图31中的端部偏滤器300和图32中的偏滤器302中的等离子体枪350。如图33中所示，同心电极910包括五(5)个同心电极E0、E1、E2、E3和E4。所有5个同心电极E0-E4和等离子体枪350彼此电隔离并且由功率供应源单独控制。可使用各种边缘偏压构造来获得合理的FRC性能(包括初始等离子体斜升，包括形成镜等离子体和过渡到FRC等离子体)。如图34中所示，在其中电极E0和E1负偏压，而电极E3接地(其余电极浮动)的偏压构造产生向内径向电场(-Er)，该电场沿开场线传播至约束容器100，并归因于Er×Bz而围绕FRC分界面451产生方位等离子体流。由于该方位流的方向(电子反磁方向)与FRC的旋转(离子反磁方向)相反，因此边缘偏压稳定了FRC全局模式，诸如n＝2旋转不稳定性。有效的边缘偏压似乎还有助于电离中性粒子和加热等离子体。

图3F中所示的FRC系统10包括八(8)个中性注入器，中性注入器定位成围绕约束容器100(如图3E中所示)，并且用于等离子体加热、电流驱动和部分粒子续加燃料。用于下面论述的实验的中性束注入系统600的参数包括：1)所有八(8)个中性束的能量固定为15keV，并向目标FRC等离子体注入～13MW的总功率；2)八(8)个中性束中的四(4)个能够在一次发射期间将束能量从15keV调谐到40keV，因此总注入功率可在～13MW到～20MW之间变化。中性束相对于机器纵向轴线的倾斜注入角在65°–75°范围内(目前固定为70°)，其中平均中性束注入冲击参数约为19cm，以实现注入中性束与目标FRC等离子体450之间的充分耦合。中性束600通常以氢气作为燃料以并流注入FRC等离子体450中，但有时氘气(例如D₂掺杂氢气瓶；20％D₂和80％H₂混合物)也用于诊断目的以及用于物理研究。中性束600提供具有穿过FRC分界面内侧和外侧的大轨道尺寸的高能粒子，其稳定全局磁流体动态(MHD)模式。中性束600还在芯内侧提供大量的快速离子群和压力，因此产生先进的束驱动的FRC等离子体。在阶段2中斜升约束容器100中的磁场将通过增加的束能量来匹配，以便匹配轨道。另外，在较高粒子能量下，电荷交换损失会减少，并且总中性束注入功率、快速离子和等离子体压力也中性束渐变而增加。

气阀(诸如压电气体)联接到位于各种区段处的气体燃料端口112，诸如图11中所示的约束镜区段和如图34中所示的形成气体注入管。这些压电阀可控制气体喷射/流速和持续时间。压电阀的标称气体燃料加注总计在每30毫秒0.5–1.5x10²¹个原子的范围内。

对于图3D、3E和31中所示的FRC约束系统10，使用和不使用常规的基于脉冲功率的FRTP形成技术来形成FRC等离子体。在论述束形成的FRC形成技术之前，将论述FRTP FRC形成技术。在FRTP FRC形成过程中，使用磁体400在图3D、3E和31所示的整个FRC约束系统10中施加磁场。然后将氘气充入或注入到北和南的形成区段200中(例如，注入的总粒子～5x10¹⁹)。接下来，在形成区段200中施加旋转磁场(RMF)以预电离氘气。使用形成线圈带，施加负偏压磁场(与外部磁场相反的方向，即-Bz)，例如，～100μs的四分之一周期/摆动产生Bz～-1kG。然后使用形成线圈带施加强主反向磁场(与外部场相同的方向，即+Bz)(例如，～4μs的上升时间，产生Bz～3-4kG)，以形成并平移FRC等离子体粒团，其中线圈带从形成区段的外部区域开始向内侧依次供能，这称为“动态FRC形成”。两(2)个相反方向的FRC等离子体然后在约束容器100的中平面处碰撞，并且合并成单个FRC等离子体。一旦形成单个FRC等离子体，就应用端对端(end-on)边缘偏压系统(等离子体枪和同心电极)来稳定FRC等离子体，并将中性束注入目标FRC中，以与先进的束驱动FRC状态下注入的快速离子一起驱动电流并维持FRC拓扑。

在束形成FRC形成过程中，使用磁体400将磁场施加到图3D、3E、3F、31和32所示的整个FRC约束系统10。然后通过位于形成区段和约束镜区段的压电阀将氘气注入约束容器100中(30ms的总注入粒子为约0.5–1.5x10²¹个原子；即流速约为约2–5x10¹⁹个原子/ms)。包括等离子体枪350和同心电极910的端对端边缘偏压系统从图31中所示的北和南的外部偏滤器300以及图32中所示的北和南的偏滤器302施加，以电离气体并最初形成“镜”等离子体。然后将中性束从中性束注入器615注入镜等离子体中，以用快速离子填充镜等离子体，以最初生成“高β”镜等离子体。当继续注入中性束时，归因于中性束电流驱动，通过在几何轴线附近使磁场反向，镜等离子体转变为具有FRC状态的等离子体。然后等离子体压力通过由中性束注入器615注入的快速离子(上升时间～5-10ms)而斜升，并且只要中性束、边缘偏压、气体燃料加注和外部磁场保持，则等离子体就保持在FRC状态。束形成的FRC等离子体的寿命目前受到中性束脉冲持续时间的限制(例如，目前多至～30-35ms)。

图35A-35E示出了两(2)个FRC形成实验(即，FRTP FRC形成实验和束形成的FRC形成实验)的样本FRC等离子体参数。两种FRC等离子体均寿命较长(即长达～30ms)且具有高温。图36A-36E示出了用于束形成的FRC形成实验的示例FRC等离子体参数，其再次示出了长寿命的FRC等离子体(即，多至～30ms)和高温FRC等离子体。图37A-37D示出了两(2)个FRC形成实验的样本FRC等离子体参数，即，利用图3D、3E和31中所示的FRC约束系统(即，包括北和南的内部和外部偏滤器，以及北和南的形成管)的束形成的FRC形成实验以及利用图3F和32中所示的FRC约束系统(即，仅包括北和南的偏滤器的系统)的束形FRC形成实验。两种FRC等离子体均寿命较长(即长达约30-35ms)且具有高温。图3F和32中所示的FRC约束系统的性能显示稳态等离子体持续35ms，其中体积平均电子温度多至600eV。

图38示出了FRTP FRC和束形成的FRC中峰值温度(即，电子温度T_e和总温度T_tot)的比较。两种FRC形成技术在各种电极偏压/电压条件下的高温实验与束形成FRC实验显示，与FRTP FRC相比，电子温度T_e和总温度T_tot高得多。一般来说，发现较高的电极电压(即较高的Er)会产生较热的FRC(对于电子和离子通道两者)，尤其是在束形成的FRC情况下(参见最后的可选图)。图38还示出了峰值温度，即总温度T_tot，多至～5keV(或～50M+摄氏度)。

根据本公开的实施例，一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的方法，包括在约束室内形成镜等离子体、将来自多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向约束室的中平面注入到镜等离子体中以将镜等离子体转变为FRC等离子体，以及通过将来自多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向约束室的中平面注入到FRC等离子体中来将FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括将磁场施加到约束室，以及将气体注入到约束室中以形成镜等离子体。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括从互连到约束室的相对端部的第一偏滤器和第二偏滤器施加端对端边缘偏压系统。

根据本公开的另一个实施例，其中端对端边缘偏压系统包括等离子体枪和同心电极。

根据本公开的另一个实施例，其中第一形成区段和第二形成区段介于约束室与第一偏滤器和第二偏滤器之间。

根据本公开的另一个实施例，其中第二偏滤器和第三偏滤器介于约束室与第一形成区段和第二形成区段之间。

根据本公开的另一个实施例，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；或在第一束能量与第二束能量之间调谐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；或在第一束能量与第二束能量之间调谐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。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括利用围绕室延伸的准直流线圈在室内生成磁场，其中准直流线圈围绕室延伸。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括将FRC的磁通量表面引导到联接到约束室的端部的偏滤器中。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括利用围绕形成区段和偏滤器延伸的准直流线圈在偏滤器内生成磁场。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括利用围绕室的相对端部延伸的准直流镜线圈在室的相对端内生成镜磁场。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括利用联接到室的鞍形线圈在室内生成磁偶极场和磁四极场中的一者。

根据本公开的另一个实施例，该方法进一步包括用吸杂系统调节室和偏滤器的内表面。

根据本公开的另一个实施例，吸杂系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。

根据本公开的另一个实施例，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。

根据本公开的另一个实施例，利用偏压电极将电势分布施加到FRC的成组的开放通量表面。

根据本公开的另一个实施例，将FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减超过30ms。

根据本公开的另一个实施例，将FRC等离子体的电子温度保持在600eV或约600eV。

根据本公开的另一个实施例，FRC等离子体的总温度达到超过4.4keV或5000万摄氏度。

根据本公开的另一个实施例，一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统，包括：约束室；联接到约束室第一偏滤器和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其联接到约束室并且定向成以小于正交于约束室的纵向轴线的角度朝向约束室的中平面注入中性原子束；磁系统，其包括围绕约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器定位的多个准直流线圈、定位在约束室与第一偏滤器和第二偏滤器之间的第一组准直流镜线圈和第二组准直流镜线圈；吸杂系统，其联接到约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器；一个或多个偏压电极，其用于电偏压生成的FRC等离子体的开放通量表面，该一个或多个偏压电极定位于约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器中的一个或多个内；以及联接到约束室的两个或更多个鞍形线圈。

根据本公开的另一个实施例，一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统，包括：约束室；联接到约束室第一偏滤器和第二偏滤器；多个偏压电极中的一个或多个以及第一镜塞和第二镜塞，其中一个或多个偏压电极定位在约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器中的一个或多个内，并且其中第一镜塞和第二镜塞定位在约束室与第一偏滤器和第二偏滤器之间；吸杂系统，其联接到约束室以及第一偏滤器和第二偏滤器；多个中性原子束注入器，其联接到约束室并且朝向约束室的中平面成角度定向；以及磁系统，其包括围绕约束室以及第一偏滤器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偏滤器和第二偏滤器之间的第一组准直流镜线圈和第二组准直流镜线圈，其中该系统配置成在中性束注入到等离子体中的同时生成FRC并保持FRC不衰减。

根据本公开的另一个实施例，多个中性束可在第一束能量与第二束能量之间调整，其中第二束能量不同于第一束能量，并且其中多个中性束的束能量在注入发射的持续时间期间可在第一束能量与第二束能量之间切换。

根据本公开的另一个实施例，偏压电极包括定位在约束室内以接触开放场线的一个或多个点电极中的一个或多个、位于约束室与第一偏滤器和第二偏滤器之间的成组的环形电极，以及定位在第一偏滤器和第二偏滤器中以对多个同心通量层充电的多个同心堆叠电极。

根据本公开的另一个实施例，该系统进一步包括介于第一偏滤器和第二偏滤器与约束室之间的直径上相对的场反向角向箍缩的第一形成区段和第二形成区段。

根据本公开的另一个实施例，该系统进一步包括介于直径上相对的场反向角向箍缩的第一形成区段和第二形成区段与约束室的第三偏滤器和第四偏滤器。

然而，本文中提供的示例实施例仅旨在作为示范性示例并且不以任何方式进行限制。

关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元件、构件、功能和步骤旨在与任何其它实施例的那些特征、元件、构件、功能和步骤自由组合和替换。如果仅针对一个实施例描述了某一特征、元件、构件、功能或步骤，则应当理解，该特征、元件、构件、功能或步骤可与本文中描述的每个其它实施例一起使用，除非明确地另有说明。因此，该段落可随时作为权利要求书引入的前提基础和书面支持，权利要求书结合了不同实施例中的特征、元件、构件、功能和步骤，或用另一权利要求中的特征、元件、构件、功能和步骤替代一个实施例中的特征、元件、构件、功能和步骤，即使以下描述没有明确指出，在特定情况下，这样的组合或替换也是可能的。对每种可能的组合和置换的明确叙述是非常麻烦的，特别是考虑到各个以及每种这种组合和置换的允许性将容易由本领域中的普通技术人员认识到。

在许多情况下，实体在此被描述为联接到其它实体。应当理解，用语“联接”和“连接”(或它们的任何形式)在本文中可互换使用，并且在这两种情况下，通用为两个实体的直接联接(没有任何不可忽略的(例如，寄生)介入实体)以及两个实体的间接联接(具有一个或多个不可忽略的介入实体)。当实体示出为直接联接在一起，或描述为联接在一起而没有任何中间实体的描述时，应当理解的是，这些实体也可间接联接在一起，除非上下文另外明确指出。

尽管实施例易于进行各种修改和备选形式，但是其具体示例已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，相反，这些实施例将覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同方案和备选方案。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、步骤或元件来限定权利要求的发明范围的负面限制，可在权利要求中记载或添加到权利要求中。

Claims (24)

1.一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的方法，包括以下步骤：

在约束室内形成镜等离子体，

将来自多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向所述约束室的中平面注入到所述镜等离子体中以将所述镜等离子体转变为FRC等离子体，以及

通过将来自所述多个中性束注入器的快速中性原子束以一角度朝向所述约束室的所述中平面注入到所述FRC等离子体中来将所述FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减。

2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述镜等离子体的所述步骤包括将磁场施加到所述约束室，以及将气体注入到所述约束室中。

3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述镜等离子体的所述步骤进一步包括从互连到所述约束室的相对端部的第一偏滤器和第二偏滤器施加端对端边缘偏压系统。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述端对端边缘偏压系统包括等离子体枪和同心电极。

5.根据权利要求3至权利要求4所述的方法，其中第一形成区段和第二形成区段介于所述约束室与所述第一偏滤器和所述第二偏滤器之间。

6.根据权利要求5所述的方法，其中第二偏滤器和第三偏滤器介于所述约束室与所述第一形成区段和所述第二形成区段之间。

7.根据权利要求1至权利要求6所述的方法，其中注入快速中性原子束的所述步骤包括以下中的一项：在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束注入器的束能量的步骤，其中所述第二束能量不同于第一束能量；或在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束注入器的束能量的步骤，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；或在第一束能量与第二束能量之间调谐所述多个中性束注入器的束能量的步骤，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注入器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。

8.根据权利要求1至权利要求7所述的方法，进一步包括利用围绕所述室延伸的准直流线圈在所述室内生成磁场，其中所述准直流线圈围绕所述室延伸。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：将所述FRC的磁通量表面引导到联接到所述约束室的端部的偏滤器中。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：利用围绕所述第一偏滤器和所述第二偏滤器延伸的准直流线圈在所述第一偏滤器和所述第二偏滤器内生成磁场。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：利用围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生成镜磁场。

12.根据权利要求7至权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：利用联接到所述室的鞍形线圈在所述室内生成磁偶极场和磁四极场中的一者。

13.根据权利要求9至权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：用吸杂系统调节所述室和偏滤器的内表面。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述吸杂系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。

15.根据权利要求1至权利要求14所述的方法，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。

16.根据权利要求15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压电极将电势分布施加到所述FRC的成组的开放通量表面。

17.根据权利要求1至权利要求16所述的方法，其中将所述FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减的所述步骤包括将所述FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减超过30ms。

18.根据权利要求1至权利要求17所述的方法，其中将所述FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减的所述步骤包括将所述FRC等离子体的电子温度保持在600eV或大约600eV。

19.根据权利要求1至权利要求18所述的方法，其中将所述FRC等离子体保持在恒定值或大约恒定值而不衰减的所述步骤包括使所述FRC等离子体的总温度达到超过4.4keV或5000万摄氏度。

20.一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统，包括

约束室，

联接到所述约束室的第一偏滤器和第二偏滤器，

多个中性原子束注入器，其联接到所述约束室并且定向成以小于正交于所述约束室的纵向轴线的角度朝向所述约束室的中平面注入中性原子束，

磁系统，其包括围绕所述约束室以及所述第一偏滤器和所述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偏滤器和所述第二偏滤器之间的第一组准直流镜线圈和第二组准直流镜线圈，

吸杂系统，其联接到所述约束室以及所述第一偏滤器和所述第二偏滤器，

一个或多个偏压电极，其用于电偏压生成的FRC等离子体的开放通量表面，所述一个或多个偏压电极定位于所述约束室以及所述第一偏滤器和所述第二偏滤器中的一个或多个内，以及

联接到所述约束室的两个或更多个鞍形线圈。

21.一种用于生成和保持具有场反向构型(FRC)的磁场的系统，包括

约束室，

联接到所述约束室的第一偏滤器和第二偏滤器，

多个偏压电极中的一个或多个以及第一镜塞和第二镜塞，其中所述一个或多个偏压电极定位在所述约束室以及所述第一偏滤器和所述第二偏滤器中的一个或多个内，并且其中所述第一镜塞和所述第二镜塞定位在所述约束室与所述第一偏滤器和所述第二偏滤器之间，

吸杂系统，其联接到所述约束室以及所述第一偏滤器和所述第二偏滤器，

多个中性原子束注入器，其联接到所述约束室并且朝向所述约束室的中平面成角度定向，以及

磁系统，其包括围绕所述约束室以及所述第一偏滤器和所述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偏滤器和所述第二偏滤器之间的第一组准直流镜线圈和第二组准直流镜线圈，

其中所述系统配置成在将所述中性束注入到所述FRC等离子体中的同时生成FRC等离子体并保持所述FRC等离子体不衰减。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述多个中性束能够在第一束能量与第二束能量之间调整，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能够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。

23.根据权利要求21至权利要求22所述的系统，进一步包括介于所述第一偏滤器和所述第二偏滤器与所述约束室之间的直径上相对的场反向角向箍缩的第一形成区段和第二形成区段。

24.根据权利要求23所述的系统，进一步包括介于直径上相对的场反向角向箍缩的第一形成区段和第二形成区段与所述约束室之间的第三偏滤器和第四偏滤器。