用于形成并維持高性能FRC的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求保護(hù)在2011年11月4日提交的美國臨時申請No.61/559,154的權(quán)益，并且要求保護(hù)在2011年11月15日提交的美國臨時申請No.61/559,721的權(quán)益，這些申請都以引用的方式并入到本文中。技術(shù)領(lǐng)域本文所描述的實施例大體而言涉及磁等離子體約束系統(tǒng)，并且更特定而言涉及便于形成并維持具有優(yōu)良的穩(wěn)定性以及粒子、能量和通量約束的場反向配置的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
場反向配置(FRC)屬于被稱作緊湊等離子體環(huán)/緊湊環(huán)形線圈（CT）的磁等離子體約束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類別。其表現(xiàn)出主導(dǎo)的極向磁場以及具有零或小自生等離子體環(huán)場（參看M.Tuszewski,Nucl.Fusion28,2033(1988)）。這種配置的吸引力在于其簡單的幾何形狀，易于構(gòu)造和維護(hù)，便于能量提取和除灰的自然不受限制的偏濾器和很高的β（β是平均等離子體壓力與FRC內(nèi)的平均磁場壓力的比），即高功率密度。高β性質(zhì)有利于經(jīng)濟(jì)操作和使用先進(jìn)的無中子燃料諸如D-He3和p-B11。形成FRC的傳統(tǒng)方法使用場反向θ-箍縮技術(shù)，產(chǎn)生熱的高密度等離子體（參看A.L.Hoffman和J.T.Slough,Nucl.Fusion33,27(1993)）。其一種變型為平移-捕集方法，其中，在θ-箍縮“源”中形成的等離子體差不多立即從一端出射到約束腔室內(nèi)。然后平移的等離子體粒團(tuán)被捕集于在腔室端部處的兩個強(qiáng)鏡之間（參看，例如，H.Himura、S.Okada、S.Sugimoto和S.Goto,Phys.Plasmas2,191(1995)）。一旦處于約束腔室中，可以采用各種加熱和電流驅(qū)動方法，諸如束噴射（中性或中和的）、旋轉(zhuǎn)磁場、RF或歐姆加熱等。這種源分離和約束功能對于可能的未來聚變反應(yīng)堆提供關(guān)鍵的工程優(yōu)點。FRC被證明極為穩(wěn)健/強(qiáng)固，對于動態(tài)形成、平移和暴力捕獲事件具有適應(yīng)性。此外，它們表現(xiàn)出呈現(xiàn)優(yōu)選等離子體狀態(tài)的傾向性（參看例如H.Y.Guo、A.L.Hoffman、K.E.Miller和L.C.Steinhauer,Phys.Rev.Lett.92,245001(2004)）。在過去的數(shù)十年中發(fā)展其它FRC形成方法已取得了重大進(jìn)展：合并具有相反方向螺旋性的球馬克（參看，例如，Y.Ono、M.Inomoto、Y.Ueda、T.Matsuyama和T.Okazaki,Nucl.Fusion39,2001(1999)）和通過以旋轉(zhuǎn)磁場（RMF）來驅(qū)動電流(參看，例如，I.R.Jones,Phys.Plasmas6,1950(1999)），其也提供額外穩(wěn)定性。近來，已顯著地更進(jìn)一步發(fā)展了長久以前提出的碰撞-合并技術(shù)（參看，例如D.R.Wells,Phys.Fluids9,1010(1966)）：在約束腔室相反端處的兩個單獨θ箍縮同時生成兩個等離子體粒團(tuán)并且使等離子體粒團(tuán)朝向彼此以高速加速；它們?nèi)缓笤诩s束腔室中心處碰撞并且合并以形成復(fù)合FRC。在目前為止的最大FRC實驗之一的構(gòu)造和成功操作中，示出了常規(guī)的碰撞-合并方法以產(chǎn)生穩(wěn)定、長壽命、高通量、高溫FRC（參看例如M.Binderbauer、H.Y.Guo、M.Tuszewski等人，Phys.Rev.Lett.105,045003(2010)）。FRC包括了在分界面內(nèi)側(cè)的閉場線的圓環(huán)面和在分界面外側(cè)附近的開場線上的環(huán)形邊緣層。邊緣層聯(lián)合/合并為超過FRC長度的射流，提供自然偏濾器。FRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與場反向鏡等離子體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相符。但是，顯著差別在于FRC等離子體具有約10的β。固有低內(nèi)磁場提供某些本源運動粒子總體，即，與FRC小半徑相比，具有大拉莫半徑（larmorradii）的粒子。正是這些強(qiáng)動力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為至少部分地造成/有助于過去和當(dāng)前FRC的總體穩(wěn)定性，諸如在碰撞-合并實驗中所產(chǎn)生的那些。典型的過去的FRC實驗已受制于對流損失，其中能量約束很大程度上由粒子運輸決定。粒子主要在徑向從分界面體積擴(kuò)散出來，并且然后在軸向丟失于邊緣層中。因此，F(xiàn)RC約束取決于閉場線和開場線區(qū)域二者的特性。從分界面出來的粒子擴(kuò)散時間定標(biāo)為（a~rs/4，其中rs為中央分界面半徑），并且為特征性FRC擴(kuò)散率，諸如，其中ρie表示離子回轉(zhuǎn)半徑，以外部施加的磁場來評估。邊緣層粒子約束時間是在過去的FRC實驗中基本上軸向通過時間。在穩(wěn)態(tài)，在徑向粒子損失與軸向粒子損失之間的平衡得到分界面密度梯度長度。對于在分界面處具有顯著密度的過去FRC而言，F(xiàn)RC粒子約束時間定標(biāo)為（參看例如，M.TUSZEWSKI,“FieldReversedConfigurations,”Nucl.Fusion28,2033(1988)）?，F(xiàn)有FRC系統(tǒng)設(shè)計的另一缺陷在于需要使用外部多極來控制旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，諸如快速增長n=2交換不穩(wěn)定性。以此方式，典型外部施加四極場提供所需的磁恢復(fù)壓力來阻尼/抑制這些不穩(wěn)定模式的發(fā)展。雖然這種技術(shù)足以用于對熱體等離子體（thermalbulkplasma）進(jìn)行穩(wěn)定性控制，對于更多動能FRC或先進(jìn)的混合FRC，這帶來了嚴(yán)重問題，其中，高動能大軌道粒子總體與通常的熱等離子體組合。在這些系統(tǒng)中，由于這種多極場造成的軸對稱磁場的畸變經(jīng)由無碰撞隨機(jī)擴(kuò)散而導(dǎo)致顯著的快速粒子損失，結(jié)果是失去了正則角動量守恒。因此用以提供穩(wěn)定性控制而不促進(jìn)任何粒子擴(kuò)散的新穎解決方案重要的是利用這些之前從未探究過的先進(jìn)的FRC構(gòu)思的更高性能的潛力。鑒于前文描述，因此，希望改進(jìn)FRC的約束和穩(wěn)定性以便使用穩(wěn)態(tài)FRC作為很多種應(yīng)用的途徑，從緊湊中子源（用于醫(yī)用同位素生產(chǎn)和核廢物整治）到大量分離和富集系統(tǒng)，和用于聚集輕核以用于未來生成能量的反應(yīng)堆芯等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本文所提供的本發(fā)明的實施例針對于便于形成并維持新穎高性能場反向配置（FRC）的系統(tǒng)和方法。根據(jù)這種新穎高性能FRC范例，本發(fā)明的系統(tǒng)組合了大量新穎構(gòu)思和手段來顯著地改進(jìn)FRC的粒子、能量和通量約束，以及提供穩(wěn)定性控制而不會產(chǎn)生不良的副作用。本文提供的一種FRC系統(tǒng)包括中央約束容器，中央約束容器由兩個直徑對置的反向場-θ-箍縮形成部段和超過這兩個形成部段的兩個偏濾器腔室包圍以控制中性粒子密度和雜質(zhì)污染。磁系統(tǒng)包括：沿著FRC系統(tǒng)的部件位于軸向位置處的一系列準(zhǔn)直流線圈；在約束腔室的任一端與相鄰形成部段之間的準(zhǔn)直流鏡線圈；以及，鏡插塞，其包括在形成部段中每一個與偏濾器之間的緊湊準(zhǔn)直流鏡線圈，緊湊準(zhǔn)直流鏡線圈產(chǎn)生額外引導(dǎo)場以使得磁通量表面朝向偏濾器聚焦。形成部段包括模塊式脈沖功率形成系統(tǒng)，其使得FRC能在現(xiàn)場形成并且然后加速和噴射（=靜態(tài)形成）或者同時形成和加速（=動態(tài)形成）。FRC系統(tǒng)包括中性原子束噴射器和球團(tuán)（pellet）噴射器。也可以包括吸雜系統(tǒng)以及軸向等離子體槍。也提供偏壓電極用于對開放通量表面進(jìn)行電偏壓。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，通過查閱下文的附圖和詳細(xì)描述，本發(fā)明的系統(tǒng)、方法、特點和優(yōu)點將會變得顯然。所有這樣的額外方法、特點和優(yōu)點意圖包括在本描述中，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且受到所附權(quán)利要求保護(hù)。也意圖本發(fā)明并不限于需要示例實施例的細(xì)節(jié)。附圖說明作為本說明書的部分而包括的附圖示出了本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施例，并且與上文給出的一般描述和下文給出的優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述一起用來解釋和教導(dǎo)本發(fā)明的原理。圖1示出了與在常規(guī)FRC方案（CR）的情況下相比和與在其它常規(guī)FRC實驗的情況下相比，在高性能FRC方案（HPC）的情況下在本發(fā)明FRC系統(tǒng)中的粒子約束。圖2示出了本發(fā)明的FRC系統(tǒng)的部件和可能在本發(fā)明的FRC系統(tǒng)中產(chǎn)生的FRC的磁性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3示出了如從頂部查看的本發(fā)明的FRC系統(tǒng)的基本布局，包括中性束、電極、等離子體槍、鏡插塞和球團(tuán)噴射器的優(yōu)選布置。圖4示出了用于形成部段的脈沖功率系統(tǒng)的部件的示意圖。圖5示出了個別脈沖功率形成撬（skid）的等距視圖。圖6示出了形成管組件的等距視圖。圖7示出了中性束系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的局部截面等距視圖。圖8示出了在約束腔室上的中性束布置的等距視圖。圖9示出了Ti和Li吸雜系統(tǒng)的優(yōu)選布置的局部截面等距視圖。圖10示出了安裝于偏濾器腔室中的等離子體槍的局部截面等距視圖。還示出了相關(guān)聯(lián)的磁鏡插塞和偏濾器電極組件。圖11示出了約束腔室的軸向端處的環(huán)形偏壓電極的優(yōu)選布局。圖12示出了從兩個場反向θ箍縮形成部段處的一系列外部抗磁圈和嵌入于中央金屬約束腔室內(nèi)的磁性探針?biāo)@得的FRC系統(tǒng)中的排斥通量半徑的演變。時間從形成源中的同步場反向的瞬間測量，并且給出相對于機(jī)器的軸向中平面的距離z。圖13（a）至圖13（d）示出了來自本發(fā)明FRC系統(tǒng)上的代表性非HPF、非持續(xù)放電的數(shù)據(jù)。作為時間的函數(shù)示出了（a）在中平面處的排斥通量半徑；（b）來自中平面CO2干涉儀的6和弦線積分密度（6chordsofline-integrateddensity）；（c）來自CO2干涉儀數(shù)據(jù)的Abel逆變換的密度徑向分布；以及（d）來自壓力平衡的總等離子體溫度。圖14示出了用于圖13所示的本發(fā)明的FRC系統(tǒng)的相同放電的選定時間的排斥通量軸向分布。圖15示出了安裝于約束腔室外側(cè)的鞍形線圈的等距視圖。圖16示出了FRC壽命與噴射的中性束的脈沖長度之間的相互關(guān)系。如圖所示，更長的束脈沖產(chǎn)生更長壽命的FRC。圖17示出了FRC系統(tǒng)的不同部件對于FRC性能和HPF方案達(dá)成成就的個別和組合效果。圖18（a）至圖18（d）示出了來自本發(fā)明的FRC系統(tǒng)上的代表性HPF、非持續(xù)的放電的數(shù)據(jù)。作為時間的函數(shù)示出了（a）在中平面處的排斥通量半徑；（b）來自中平面CO2干涉儀的6和弦線積分的密度；（c）來自CO2干涉儀數(shù)據(jù)的Abel逆變換的密度徑向分布；以及（d）來自壓力平衡的總等離子體溫度。圖19示出了作為電子溫度（Te）函數(shù)的通量約束。其表示HPF放電的新確立的優(yōu)良定標(biāo)方案的圖形表示。應(yīng)當(dāng)指出的是附圖未必按照比例繪制，并且在所有附圖中，出于說明目的，類似結(jié)構(gòu)或功能的元件大體上以相似的附圖標(biāo)記表示。還應(yīng)當(dāng)指出的是附圖只是為了便于描述本文所敘述的各種實施例。附圖未必描述本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容的每個方面并且并不限制權(quán)利要求的范圍。具體實施方式本文所提供的本發(fā)明的實施例針對于便于形成并維持高性能場反向配置（FRC）的系統(tǒng)和方法，與常規(guī)FRC相比，這種高性能場反向配置（FRC）具有優(yōu)良的穩(wěn)定性以及優(yōu)良的粒子、能量和通量約束。已研究了各種輔助系統(tǒng)和操作模式來評定在FRC中是否存在優(yōu)良的約束狀況。這些努力已得到了突破性發(fā)現(xiàn)和本文所描述的高性能FRC范例的發(fā)展。根據(jù)這種新范例，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法組合了大量新穎構(gòu)思和手段來顯著地改進(jìn)FRC約束（如圖1所示）以及提供穩(wěn)定性控制，而不會有不利的副作用。如在下文中更詳細(xì)地討論，圖1描繪了在下文所描述的FRC系統(tǒng)10（參看圖2和圖3）中根據(jù)高性能FRC方案（HPF）操作以用于形成并維持FRC與根據(jù)常規(guī)方案CR操作以用于形成并維持FRC的粒子約束的比較，以及與根據(jù)其它實驗中使用的常規(guī)方案以用于形成并維持FRC的粒子約束的比較。本公開將概述并且詳細(xì)描述FRC系統(tǒng)10的創(chuàng)新性個別部件和方法以及其集體效果。FRC系統(tǒng)的描述真空系統(tǒng)圖2和圖3描繪了本發(fā)明的FRC系統(tǒng)10的示意圖。FRC系統(tǒng)100包括中央約束容器100，中央約束容器100由兩個直徑對置的反向場θ箍縮形成部段200和超過形成部段200的兩個偏濾器腔室300所包圍以控制中性粒子密度和雜質(zhì)污染。本發(fā)明的FRC系統(tǒng)10被建置為適應(yīng)超高真空并且在10-8托的典型基準(zhǔn)壓力操作。這樣的真空壓力需要使用在配合部件之間的雙泵吸配合凸緣、金屬O形環(huán)、高純度內(nèi)壁以及組裝之前所有零件的謹(jǐn)慎的初始表面調(diào)節(jié)，諸如物理和化學(xué)清潔，之后為24小時250℃真空烘焙和氫輝光放電清潔。反向場θ箍縮形成部段200為標(biāo)準(zhǔn)的場反向θ箍縮(FRTP)，但具有下文詳細(xì)討論的先進(jìn)的脈沖功率形成系統(tǒng)（參看圖4至圖6）。每個形成部段200由標(biāo)準(zhǔn)不透明工業(yè)級石英管形成，其以具有2毫米的超純石英內(nèi)襯為特征。約束腔室100由不銹鋼制成以允許許多徑向和切向端口；其也用作下文所描述的實驗時標(biāo)的通量保存器并且限制快速的磁瞬態(tài)。利用干渦旋粗泵、渦輪分子泵和低溫泵的集合來在FRC系統(tǒng)10內(nèi)形成并維持真空。磁系統(tǒng)在圖2和圖3中示出了磁系統(tǒng)400。在圖2中示出了與由FRC系統(tǒng)10可產(chǎn)生的FRC450有關(guān)的FRC磁通量和等密度線（作為徑向和軸向坐標(biāo)的函數(shù)）以及其它特點。使用被發(fā)展為用以模擬與FRC系統(tǒng)10對應(yīng)的系統(tǒng)和方法的代碼通過2-D電阻霍爾-MHD數(shù)值模擬來獲得這些等密度線，并且與測量的實驗數(shù)據(jù)相符。如在圖2中看出，F(xiàn)RC450包括了在分界面451內(nèi)側(cè)的FRC450的內(nèi)部453處的閉場線的圓環(huán)和在分界面451的略外側(cè)的開場線452上的環(huán)形邊緣層456的圓環(huán)。邊緣層456聯(lián)合為超過FRC長度的射流454，提供自然偏濾器。主磁系統(tǒng)410包括一系列準(zhǔn)直流線圈412、414和416，它們沿著FRC系統(tǒng)10的部件，即沿著約束腔室100、形成部段200和偏濾器300處于特定軸向位置處。準(zhǔn)直流線圈412、414和416由準(zhǔn)直流開關(guān)電源供電并且在約束腔室100、形成部段200和偏濾器300中產(chǎn)生約0.1T的基本磁偏壓場。除了準(zhǔn)直流線圈412、414和416之外，主磁系統(tǒng)410包括了在約束腔室100的任一端與相鄰形成部段200之間的準(zhǔn)直流鏡線圈420（由開關(guān)電源供電）。準(zhǔn)直流鏡線圈420提供高達(dá)5的磁鏡比并且可以被獨立地激勵用于均衡成形控制。此外，鏡插塞440定位于形成部段200和偏濾器300中每一個之間。鏡插塞440包括緊湊準(zhǔn)直流鏡線圈430和鏡插塞線圈444。準(zhǔn)直流鏡線圈430包括三個線圈432、434和436（由開關(guān)電源供電），其產(chǎn)生額外引導(dǎo)場以使磁通量表面455朝向穿過鏡插塞線圈444的小直徑通路442聚焦。圍繞小直徑通路442纏繞并且由LC脈沖功率電路供電的鏡插塞線圈444產(chǎn)生高達(dá)4T的強(qiáng)磁鏡場。這整個線圈布置的目的是為了緊密地束集和引導(dǎo)磁通量表面455和端部流動的等離子體射流454到偏濾器300的遠(yuǎn)距腔室310內(nèi)。最后，鞍形線圈“天線”460的集合（參看圖15）位于約束腔室100外側(cè)，在中平面的每一側(cè)上兩個，并且被饋送直流電源。鞍形線圈天線460可以被配置成用以提供約0.01T的準(zhǔn)靜態(tài)磁偶極子或者四極場用來控制旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性和/或電子電流控制。鞍形線圈天線460可以靈活地提供繞機(jī)器中平面對稱或不對稱的磁場，取決于所施加的電流的方向。脈沖功率形成系統(tǒng)脈沖功率形成系統(tǒng)210根據(jù)修改的θ箍縮原理操作。存在著各自向形成部段200之一供電的兩個系統(tǒng)。圖4至圖6示出了形成系統(tǒng)210的主要建置框和布置。形成系統(tǒng)210包括模塊式脈沖功率布置，模塊式脈沖功率布置包括各自激勵著圍繞形成石英管240而纏繞的條帶組件230（=條帶）的線圈232子集的個別單元（=撬）220。每個撬220包括電容器221、感應(yīng)器223、快速高電流開關(guān)225和相關(guān)聯(lián)的觸發(fā)器222和吞噬器（dump）電路224?？傊?，每個形成系統(tǒng)210儲存介于350-400KJ之間的電容能量，其提供高達(dá)35GW的功率以形成并且加速FRC。經(jīng)由現(xiàn)有技術(shù)的觸發(fā)器和控制系統(tǒng)222和224實現(xiàn)了這些部件的協(xié)調(diào)操作，現(xiàn)有技術(shù)觸發(fā)器和控制系統(tǒng)222和224允許在每個形成部段200上的形成系統(tǒng)210之間的同步定時并且最小化開關(guān)抖動為數(shù)十納秒。這種模塊式設(shè)計的優(yōu)點在于其靈活的操作：FRC可以在現(xiàn)場形成并且然后加速并噴射（=靜態(tài)形成）或者同時形成和加速（=動態(tài)形成）。中性束噴射器中性原子束部署于FRC系統(tǒng)10上以提供加熱和電流驅(qū)動以及形成快速粒子壓力。如在圖3和圖8中所示，包括中性原子束噴射器系統(tǒng)610和640的個別束線位于中央約束腔室100周圍并且在切向?qū)RC等離子體噴射快速粒子（并且垂直于約束腔室100的軸線），具有一定沖擊參數(shù)使得目標(biāo)捕集區(qū)位于分界面451內(nèi)（參看圖2）。每個噴射器系統(tǒng)610和640能夠向FRC等離子體內(nèi)投射多達(dá)1MW的中性束功率，其中粒子能量在20KeV與40KeV之間。系統(tǒng)610和640基于正離子多孔口提取源并且利用離子提取柵的幾何聚焦、慣性冷卻和不同的泵吸。除了使用不同的等離子體源之外，系統(tǒng)610和640的主要差別在于它們的滿足它們相應(yīng)安裝位置的物理設(shè)計，得到側(cè)部和頂部噴射能力。對于側(cè)部噴射器系統(tǒng)610，這些中性束噴射器的典型部件具體地在圖7中示出。如圖7所示，每個個別中性束系統(tǒng)610包括了在輸入端處的RF等離子體源612（這在系統(tǒng)640中由弧源替代），并且磁屏614覆蓋該端。離子光源和加速柵616聯(lián)接到等離子體源612并且閘閥620定位于離子光源和加速柵616與中和器622之間。偏轉(zhuǎn)磁體624和離子吞噬器628位于中和器622與出口端處的瞄準(zhǔn)裝置630之間。冷卻系統(tǒng)包括兩個低溫制冷器634、兩個低溫板636和LN2護(hù)罩638。這種靈活的設(shè)計允許在較寬的FRC參數(shù)范圍操作。球團(tuán)噴射器為了提供噴射新粒子的手段和更好地控制FRC粒子存量，在FRC系統(tǒng)10上利用一種12-管筒球團(tuán)噴射器700（參看，例如I.Vinyar等人，“PelletInjectorsDevelopedatPELINforJET,TAE,andHL-2A,”2010年9月27日至10月1日第26屆聚變科學(xué)與技術(shù)研討會的會議錄（Proceedingsofthe26thFusionScienceandTechnologySymposium,09/27to10/01(2010)））。圖3示出了在FRC系統(tǒng)10上的球團(tuán)噴射器700的布局。圓柱形球團(tuán)（D~1mm，L~1-2mm）被噴射到FRC內(nèi)，以在150-250km/s范圍的速度。每個個別球團(tuán)包含約5×1019個氫原子，其與FRC粒子存量相當(dāng)。吸雜系統(tǒng)熟知中性光暈氣體（halogas）在所有約束系統(tǒng)中是嚴(yán)重的問題。電荷交換和再循環(huán)（從壁釋放冷雜質(zhì)材料）過程能對能量和粒子約束具有毀滅性影響。此外，在邊緣處或邊緣附近中性氣體的任何顯著密度將導(dǎo)致促進(jìn)噴射的大軌道（高能）粒子（大軌道指具有FRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)標(biāo)度的軌道或者至少具有遠(yuǎn)大于特征性磁場梯度長度標(biāo)度的軌道半徑的粒子）的壽命損失或至少嚴(yán)重地縮減噴射的大軌道（高能）粒子的壽命，這一事實不利于所有高能等離子體應(yīng)用，包括經(jīng)由輔助束加熱而聚集。表面調(diào)節(jié)為可以在約束系統(tǒng)中控制或減輕中性氣體和雜質(zhì)的不利效果的手段。為此目的，本發(fā)明所提供的FRC系統(tǒng)10采用鈦和鋰淀積系統(tǒng)810和820，鈦和鋰淀積系統(tǒng)810和820向轉(zhuǎn)向器300和約束腔室（或容器100）的朝向等離子體的表面涂布Ti和/或Li薄膜（數(shù)十微米厚）。經(jīng)由氣相淀積技術(shù)來實現(xiàn)涂層。固體Li和/或Ti被蒸發(fā)和/或升華并且噴涂到附近表面上以形成涂層。源為原子爐，其具有引導(dǎo)噴嘴（在Li的情況下）822或者帶引導(dǎo)護(hù)罩的受熱固體球812（在Ti的情況下）。Li蒸發(fā)器系統(tǒng)通常以連續(xù)模式操作，而Ti升華器主要在等離子體操作之間間歇地操作。這些系統(tǒng)的操作溫度高于600℃以獲得快速淀積速率。為了實現(xiàn)良好的壁覆蓋率，需要多個策略性定位的蒸發(fā)器/升華器系統(tǒng)。圖9詳細(xì)描述了在FRC系統(tǒng)10中的吸雜淀積系統(tǒng)810和820的優(yōu)選布置。涂層充當(dāng)吸雜表面并且有效地泵吸氫類原子和分子物質(zhì)（H和D）。涂層也可減少其它典型雜質(zhì)，諸如碳和氧到無關(guān)緊要的水平。鏡插塞如上文所述，F(xiàn)RC系統(tǒng)10采用如圖2和圖3所示的鏡線圈420、430和444的集合。第一鏡線圈集合420位于約束腔室100的兩個軸向端處并且由主磁系統(tǒng)410的約束線圈412、414和416獨立地激勵。第一鏡線圈集合420主要幫助在合并期間使FRC450轉(zhuǎn)向并在軸向容納FRC450并且在持續(xù)期間提供均衡成形控制。第一鏡線圈集合420產(chǎn)生比由中央約束線圈412所產(chǎn)生的中央約束場名義上/標(biāo)稱更高的磁場（約0.4至0.5T）。包括三個緊湊準(zhǔn)直流鏡線圈432、434和436的第二鏡線圈集合430位于形成部段200與偏濾器300之間并且由共同開關(guān)電源所驅(qū)動。鏡線圈432、434和436以及更緊湊的脈沖式鏡插塞線圈444（由電容電源供電）和物理縮窄部442一起形成鏡插塞440，鏡插塞440提供具有很高磁場（在2至4T之間，具有約10至20ms之間的上升時間）的窄低氣體傳導(dǎo)路徑。與約束線圈412、414和416的一米以上標(biāo)度（meter-plus-scale）內(nèi)孔和煎餅形設(shè)計相比，最緊湊的脈沖鏡線圈444具有緊湊的徑向尺寸，20cm的內(nèi)孔和類似的長度。鏡插塞440的目的是多元化的：（1）線圈432、434、436和444緊密地束集和引導(dǎo)磁通量表面452和端部流動的等離子體射流454到遠(yuǎn)距偏濾器腔室300內(nèi)。這保證了排出的粒子適當(dāng)?shù)氐竭_(dá)偏濾器300并且存在著連續(xù)通量表面455，連續(xù)通量表面455的蹤跡從中央FRC450的開場線452區(qū)域一直到偏濾器300。（2）在FRC系統(tǒng)10中的物理縮窄部442對來自安放于偏濾器300中的等離子體槍350的中性氣體流動提供阻礙，線圈432、434、436和444能通過縮窄部442傳遞磁通量表面452和等離子體射流454。同樣，縮窄部442防止來自形成部段200的氣體返流到偏濾器300從而減少了當(dāng)開始啟動FRC時引入到整個FRC系統(tǒng)10內(nèi)的中性粒子數(shù)量。（3）由線圈432、434、436和444所產(chǎn)生的強(qiáng)軸向鏡減少了軸向粒子損失并且因此減少了在開場線上的平行粒子擴(kuò)散率。軸向等離子體槍來自安裝于偏濾器300的偏濾器腔室310中的槍350的等離子體流旨在改進(jìn)穩(wěn)定性和中性束性能。槍350安裝到偏濾器300的腔室310內(nèi)側(cè)的軸線上，如圖3和圖10所示，并且產(chǎn)生在偏濾器300中沿著開放通量線452并且朝向約束腔室100的中心而流動的等離子體。槍350在墊圈-堆疊通道中以高密度氣體放電而操作并且被設(shè)計成用以生成數(shù)千安培的完全電離的等離子體持續(xù)5至10ms。槍350包括脈沖式磁線圈，脈沖式磁線圈使輸出等離子體流與約束腔室100中所希望的等離子體大小匹配。槍350的技術(shù)參數(shù)的特征在于，具備5至13cm外徑和至多約10cm內(nèi)徑的通道并且在400至600V以介于0.5至2.3T之間的槍內(nèi)磁場提供10至15kA的放電電流。槍等離子體能滲透鏡插塞440的磁場并且流入到形成部段200和約束腔室100內(nèi)。等離子體通過鏡插塞440轉(zhuǎn)移的效率隨著在槍350與插塞440之間的距離減小和使插塞440更寬和更短而增加。在合理條件下，槍350可以各自遞送大約1022個質(zhì)子通過2至4T鏡插塞440，分別具有在約150至300eV和約40至50eV的高離子和電子溫度。槍350向FRC邊緣層456提供大量燃料補(bǔ)給，并且改進(jìn)了總FRC粒子約束。為了進(jìn)一步增加等離子體密度，可以利用氣箱將額外氣體從槍350充入到等離子體流內(nèi)。這種技術(shù)允許增加噴射的等離子體密度數(shù)倍。在FRC系統(tǒng)10中，安裝于鏡插塞440的偏濾器300側(cè)上的氣箱改進(jìn)了FRC邊緣層456燃料補(bǔ)給、FRC450形成和等離子體線捆扎。已知上文所討論的所有調(diào)整參數(shù)并且也考慮可能僅利用一個或利用兩個槍進(jìn)行操作，顯然，可以提供較廣范圍的操作模式。偏壓電極開放通量表面的電偏壓可以提供徑向電位，徑向電位引起方位角E×B運動，方位角E×B運動提供一種類似于轉(zhuǎn)動旋鈕的控制機(jī)制以經(jīng)由速度剪切來控制開場線等離子體和實際FRC芯450的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)這種控制，F(xiàn)RC系統(tǒng)10采用策略性地放置于機(jī)器的各個部分上的各種電極。圖3描繪了定位于FRC系統(tǒng)10內(nèi)的優(yōu)選位置處的偏壓電極。在原則上，存在4類電極：（1）在約束腔室100中的點電極905，其與FRC450的邊緣中的特定開場線452接觸以提供局部充電；（2）環(huán)形電極900，其在約束腔室100與形成部段200之間以方位角對稱的方式向遠(yuǎn)邊緣通量層456充電；（3）在偏濾器300中的同心電極910的堆疊，其向多個同心通量層455充電（由此，可以通過調(diào)整線圈416以調(diào)整偏濾器磁場以便終止在適當(dāng)電極910上的所希望的通量層456來控制層的選擇）；以及，最后（4）等離子體槍350本身的陽極920（參看圖10）（其攔截FRC450的分界面附近的內(nèi)開放通量表面455）。對于這些電極中的某些，圖10和圖11示出了某些典型設(shè)計。在所有情況下，這些電極由脈沖式或直流電源以至多約800V的電壓驅(qū)動。取決于電極大小和通量表面與什么相交，可能消耗在千安培范圍的電流。FRC系統(tǒng)-常規(guī)方案的非持續(xù)操作在FRC系統(tǒng)10上的標(biāo)準(zhǔn)等離子體形成遵循著良好發(fā)展的反向場θ箍縮技術(shù)。用于啟動FRC的典型過程始于驅(qū)動準(zhǔn)直流線圈412、414、416、420、432、434和436為穩(wěn)態(tài)操作。然后脈沖功率形成系統(tǒng)210的RFTP脈沖功率電路驅(qū)動了脈沖式快速反向磁場線圈232以在形成部段200中形成約-0.05T的暫時反向偏壓。在這點，在9-20psi的預(yù)定量的中性氣體經(jīng)由位于形成部段200外端的凸緣處的方位角定向的充入谷（puff-vale）集合而被噴射到由（南北）形成部段200的石英管腔室240限定的兩個形成體積內(nèi)。之后，從石英管240表面上的天線集合生成了小RF（~數(shù)百千赫）場以在中性氣柱內(nèi)以局部種子電離區(qū)域的形式造成預(yù)電離。這之后是對于驅(qū)動所述脈沖式快速反向磁場線圈232的電流施加θ激振（theta-ringing）調(diào)制，而這種θ激振調(diào)制導(dǎo)致氣柱更全面預(yù)電離。最后，脈沖功率形成系統(tǒng)210的主脈沖功率組發(fā)射以驅(qū)動脈沖快速反向磁場線圈232來形成多達(dá)0.4T的前向偏壓場。這個步驟可以被定時序從而使得在形成管240的整個長度上均勻地生成前向偏壓場（靜態(tài)形成）或者使得沿著形成管240的軸線實現(xiàn)連續(xù)的蠕動場調(diào)制（動態(tài)形成）。在這整個形成過程中，在約5μs內(nèi)快速地發(fā)生等離子體中的實際場反向。被遞送到正形成的等離子體的數(shù)千兆瓦脈沖功率易于產(chǎn)生熱FRC，熱FRC然后經(jīng)由前向磁場（磁蠕動）的時序調(diào)制或者在形成管210的軸向外端附近的線圈集合232的最后線圈中暫時增加的電流（形成了在軸向指向約束腔室100的軸向磁場梯度）的施加而從形成部段200出射。然后這樣形成并加速的兩個（南北）形成FRC膨脹到更大直徑約束腔室100內(nèi)，其中準(zhǔn)直流線圈412產(chǎn)生前向偏壓場以控制徑向膨脹并且提供均衡的外磁通量。一旦在南北形成FRC到達(dá)約束腔室100的中平面附近的情況下，F(xiàn)RC碰撞。在碰撞期間，在FRC最終合并為單個FRC450時，南北形成FRC的軸向動能很大程度被熱化。在約束腔室100中可提供等離子體診斷的較大集合以研究FRC450的均衡。在FRC系統(tǒng)10中的典型操作條件產(chǎn)生復(fù)合FRC，具有約0.4m的分界面半徑和約3m的軸向延伸。另外的特征為約0.1T的外部磁場，約5×1019m-3的等離子體密度和高達(dá)1keV的總等離子體溫度。并無任何持續(xù)，即，并不加熱和/或并無經(jīng)由中性束噴射或其它輔助器件的電流驅(qū)動，這些FRC的壽命限于約1ms，這是本源特征性配置衰減時間。非持續(xù)操作的實驗數(shù)據(jù)-常規(guī)方案圖12示出了排斥通量半徑的典型時間演變，排斥通量半徑近似分界面半徑rs，以示出FRC450的θ-箍縮合并過程的動態(tài)。兩個（南北）個別等離子體粒團(tuán)同時產(chǎn)生并且以超音速VZ~250km/s從相應(yīng)形成部段200加速出來，并且在z=0處的中平面附近碰撞。在碰撞期間，等離子體粒團(tuán)在軸向發(fā)生壓縮，之后快速徑向和軸向膨脹，之后最終合并以形成FRC450。合并FRC450的徑向和軸向動態(tài)都由詳細(xì)的密度分布測量和基于測輻射儀的斷層攝影術(shù)來證實。在圖13中作為時間的函數(shù)示出了來自FRC系統(tǒng)10的代表性非持續(xù)放電的數(shù)據(jù)。FRC起始于t=0。在圖13（a）中示出在機(jī)器軸向中平面處的排斥通量半徑。從位于約束腔室不銹鋼壁略內(nèi)側(cè)的磁性探針陣列獲得這些數(shù)據(jù)，磁性探針測量軸向磁場。鋼壁為此放電時標(biāo)的良好的通量保存器。在圖13（b）中示出了線積分密度，來自位于z=0處的6-和弦CO2/He-Ne干涉儀?？紤]到如由測輻射熱斷層攝影術(shù)所測量的豎直（y）FRC位移，Abel逆變換得到圖13（c）的等密度線。在前0.1ms期間進(jìn)行某些軸向和徑向晃蕩之后，F(xiàn)RC以中空密度分布而穩(wěn)定。這種分布相當(dāng)?shù)仄教梗刂S線具有顯著的密度，如由典型2-DFRC均衡所需。在圖13（d）中示出了總等離子體溫度，從壓力平衡得到并且與湯姆森散射和光譜學(xué)測量完全一致。源自整個排斥通量陣列的分析表明FRC分界面的形狀（由排斥通量軸向分布來近似）從跑道形逐漸地演變?yōu)闄E圓形。在圖14中示出的這種演變與從兩個FRC到單個FRC的逐漸磁性重連一致。實際上，粗略估計表明在這種特定情形下約10%的兩個初始FRC磁通量在碰撞期間重連。在FRC壽命期間，F(xiàn)RC長度從3m穩(wěn)態(tài)地收縮至約1m。在圖4中可以看到的這種收縮表明大部分對流能量損失支配了FRC約束。由于分界面內(nèi)側(cè)的等離子體壓力比外部磁壓力更快速地減小，在端部區(qū)域中的磁場線張力在軸向壓縮所述FRC，恢復(fù)軸向和徑向均衡。對于在圖13和圖14中所討論的放電，當(dāng)FRC均衡似乎要減退時，F(xiàn)RC磁通量、粒子存量和熱能（分別為約10mWb，7×1019個粒子和7kJ)在第一毫秒中減小大致一個數(shù)量級。持續(xù)操作–HPF方案在圖12至圖14中的示例為無任何持續(xù)的衰減FRC的特征。但是，在FRC系統(tǒng)10上部署了若干技術(shù)來進(jìn)一步改進(jìn)HPF方案的FRC約束（內(nèi)芯和邊緣層）并且持續(xù)這種配置。中性束首先，快速（H）中性粒子在來自八個中性束噴射器600的束中垂直于BZ而噴射。從南北形成FRC在約束腔室100中合并為一個FRC450的時刻開始，而噴射快速中性粒子的束。主要通過電荷交換形成的快速離子具有添加到FRC450的方位角電流的電子感應(yīng)加速器軌道（具有FRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)標(biāo)度或者至少遠(yuǎn)大于特征性磁場梯度長度標(biāo)度的主要半徑）。在放電的某些部分之后（在0.5至0.8ms進(jìn)入射擊之后），足夠大的快速離子總體顯著地改進(jìn)了內(nèi)FRC穩(wěn)定性和約束特性（參看例如M.W.Binderbauer和N.Rostoker,PlasmaPhys.56，部分3,451(1996)）。而且，從持續(xù)的觀點，來自中性束噴射器600的束也是用以驅(qū)動電流并且加熱FRC等離子體的主要手段。在FRC系統(tǒng)10的等離子體方案中，快速離子主要減緩等離子體電子。在放電的早期部分期間，快速離子的典型軌道平均減緩時間為0.3至0.5ms，這導(dǎo)致主要是電子的顯著FRC加熱。快速離子在分界面外側(cè)進(jìn)行較大徑向漂移，因為內(nèi)部FRC磁場固有地較低（對于0.1T的外部軸向場而言平均為約0.03T）。如果在分界面外側(cè)中性氣體密度太高，快速離子將會易受電荷交換損失。因此，部署于FRC系統(tǒng)10上的壁吸雜和其它技術(shù)（諸如有助于氣體控制等的等離子體槍350和鏡插塞440）傾向于最小化邊緣中性粒子并且能允許所需的快速離子電流積聚。球團(tuán)噴射當(dāng)在FRC450內(nèi)積聚顯著快速粒子總體時，由于更高的電子溫度和更長的FRC壽命，冷凍的H或D球團(tuán)從球團(tuán)噴射器700噴射到FRC450內(nèi)以持續(xù)FRC450的FRC粒子存量。預(yù)期的消融時標(biāo)足夠短以提供顯著的FRC粒子源。當(dāng)在球團(tuán)噴射器700的管筒或噴射管中時并且在進(jìn)入約束腔室100之前可以通過將個別球團(tuán)打散為更小的碎片而擴(kuò)大噴射件的表面積從而增加這個速率，可以通過在即將進(jìn)入到約束腔室100之前張緊所述噴射管的最后區(qū)段的彎曲半徑來增加在球團(tuán)與噴射管壁之間的摩擦來實現(xiàn)這個步驟。通過改變12個管筒（噴射管）的發(fā)射順序和速率以及分裂，能調(diào)諧球團(tuán)噴射系統(tǒng)700來提供粒子存量持續(xù)僅所希望的水平。這繼而幫助維持在FRC450中的內(nèi)部動壓力并且持續(xù)FRC450的操作和壽命。一旦消融的原子遇到在FRC450中的大量等離子體的情況下，它們變得被完全電離。然后由本源FRC等離子體來碰撞加熱所得到的冷等離子體部件。維持所希望的FRC溫度所需的能量最終由束噴射器600供應(yīng)。在這個意義上，球團(tuán)噴射器700與中性束噴射器600一起形成了維持著穩(wěn)態(tài)并且持續(xù)FRC450的系統(tǒng)。鞍形線圈為了實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流驅(qū)動并且維持所需的離子電流，希望防止或顯著地減小由于電子-離子摩擦力所造成的電子加快自旋（由于碰撞離子電子動量轉(zhuǎn)移造成）。FRC系統(tǒng)10利用創(chuàng)新性技術(shù)來經(jīng)由外部施加的靜態(tài)磁偶極子或四極場來提供電子打破（electronbreaking）。這經(jīng)由在圖15中所描繪的外部鞍形線圈460來實現(xiàn)。從鞍形線圈460在橫向施加的徑向磁場在旋轉(zhuǎn)FRC等離子體中感應(yīng)一種軸向電場。所得到的軸向電子電流與徑向磁場相互作用以在電子上產(chǎn)生方位角打破力，F(xiàn)θ=。對于在FRC系統(tǒng)10中的典型條件，在等離子體內(nèi)側(cè)所需施加的磁偶極子（或四極）場需要為僅大約0.001T以提供充分的電子打破。約0.015T的相對應(yīng)的外場足夠小以不造成明顯的快速粒子損失或以其它方式不利地影響約束。實際上，所施加的磁偶極子（或四極）場有助于抑制不穩(wěn)定性。與切向中性束噴射和軸向等離子體噴射相組合，鞍形線圈460提供關(guān)于電流維持和穩(wěn)定性的額外水平的控制。鏡插塞在鏡插塞440內(nèi)的脈沖式線圈444的設(shè)計允許以適度(約100kJ)電容能量而局部生成高磁場(2至4T)。為了形成FRC系統(tǒng)10的本發(fā)明操作典型的磁場，在形成體積內(nèi)的所有場線穿過鏡插塞440處的縮窄部442，如由圖2中的磁場線所示，并且未發(fā)生等離子體壁接觸。而且，與準(zhǔn)直流偏濾器磁體416串聯(lián)的鏡插塞440可以被調(diào)整為將場線引導(dǎo)至偏濾器電極910上，或者使場線向外擴(kuò)張開呈端部勾形/尖頭（cusp）配置（未圖示）。端部勾形配置改進(jìn)了穩(wěn)定性并且抑制了平行電子熱傳導(dǎo)。鏡插塞440本身也有助于中性氣體控制。鏡插塞400允許在FRC形成期間更好地利用充入到石英管內(nèi)的氘氣，因為由插塞的較少的氣體傳導(dǎo)（極少，500L/s）顯著地減小了到偏濾器300內(nèi)的氣體返流。在形成管210內(nèi)側(cè)的大部分殘留的充入氣體被快速電離。此外，通過鏡插塞440流動的高密度等離子體提供高效中性電離，因此提供有效的氣體屏障。因此，來自FRC邊緣層456在偏濾器300中再循環(huán)的大部分中性粒子并不返回到約束腔室100。此外，與等離子體槍350的操作相關(guān)聯(lián)的中性粒子（如在下文討論）將主要約束到偏濾器300。最后，鏡插塞440傾向于改進(jìn)FRC邊緣層約束。利用在20至40范圍的鏡比（插塞/約束磁場）和在南北鏡插塞440之間的15m的長度，邊緣層粒子約束時間增加至多一個數(shù)量級。改進(jìn)易于增加FRC粒子約束。假定源自分界面體積453的徑向擴(kuò)散性（D）粒子損失由源自邊緣層456的軸向損失（）平衡，則得到，從此式，分界面密度梯度長度可以被重寫為。此處，rs、Ls和ns分別為分界面半徑、分界面長度和分界面密度。FRC粒子約束時間為，其中并且。物理地，改進(jìn)導(dǎo)致增加的δ（減小的分界面密度梯度和漂移參數(shù)），并且因此，減小的FRC粒子損失。FRC粒子約束的總體改進(jìn)通常略小于平方（quadratic），因為ns隨著增加。的顯著改進(jìn)也需要邊緣層456保持大體穩(wěn)定（即，無n=1槽紋（flute），水龍帶/消防帶（firehose），或者開放系統(tǒng)典型的其它MHD不穩(wěn)定性）。使用等離子體槍350提供這種優(yōu)選的邊緣穩(wěn)定性。就此而言，鏡插塞440和等離子體槍350形成有效邊緣控制系統(tǒng)。等離子體槍等離子體槍350通過線捆扎（line-tying）而改進(jìn)了FRC排放射流454的穩(wěn)定性。來自等離子體槍350生成無方位角動量的槍等離子體，這證明適用于控制FRC旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性。如此，槍350為控制FRC穩(wěn)定性的有效手段，而無需更舊的四極穩(wěn)定技術(shù)。因此，等離子體槍350使得能利用快速粒子的有益效果或者采用如在本公開中所概述的先進(jìn)的混合動力學(xué)FRC方案。因此，等離子體槍350使得FRC系統(tǒng)10能操作，其中鞍形線圈電流僅足以用于電子打破但低于將會造成FRC不穩(wěn)定和/或?qū)е嘛@著快速粒子擴(kuò)散的閾值。如在上文的鏡插塞討論中所提到的那樣，如果可以得到顯著改進(jìn)，所供應(yīng)的槍等離子體將會與邊緣層粒子損失率（~1022/s）相當(dāng)。在FRC系統(tǒng)10中的槍產(chǎn)生的等離子體的壽命在毫秒范圍。實際上，認(rèn)為具有ne~1013cm-3密度和約200eV的離子溫度的槍等離子體約束于端部鏡插塞440之間。捕集長度L和鏡比R分別為約15m和20。由于庫侖碰撞所造成的離子平均自由路徑為并且由于，離子約束于氣體動力狀態(tài)中。在此狀態(tài)中的等離子體約束時間為，其中Vs為離子聲速。為了比較，這些等離子體參數(shù)的經(jīng)典離子約束時間將為。異常橫向擴(kuò)散可以在原則上縮短等離子體約束時間。但是，在FRC系統(tǒng)10中，如果假定波姆（Bohm）擴(kuò)散率，則槍等離子體的估計的橫向約束時間為。因此，槍將會向FRC邊緣層456提供顯著燃料補(bǔ)給和改進(jìn)的總FRC粒子約束。而且，槍等離子體流可以在約150至約200微秒內(nèi)開啟，其允許用于FRC啟動、平移并且合并到約束腔室100內(nèi)。如果在約t~0（FRC主要組起始）開啟，槍等離子體幫助持續(xù)目前動態(tài)形成和合并的FRC450。來自形成FRC和來自槍的組合粒子存量足以用于中性束捕獲、等離子體加熱和長持續(xù)。如果在-1至0ms范圍內(nèi)的t開啟，則槍等離子體可以向石英管210填充等離子體或者將充入到石英管內(nèi)的氣體電離，因此允許具有減少或甚至可能零充入氣體的FRC形成。具有零充入氣體的FRC形成可能需要足夠冷的形成等離子體以允許反向偏壓磁場快速擴(kuò)散。如果在t<-2ms開啟，等離子體流可以向形成部段200和約束腔室100的形成和約束區(qū)域的約1至3m3場線體積填充若干1013cm-3的目標(biāo)等離子體密度，足以在FRC到達(dá)之前允許中性束積聚。形成FRC然后可以被形成并且平移到所得到的約束容器等離子體內(nèi)。以此方式，等離子體槍350能允許實現(xiàn)很多種操作條件和參數(shù)方案。電偏壓邊緣層456中的徑向電場分布的控制以各種方式有益于FRC穩(wěn)定性和約束。由于在FRC系統(tǒng)10中部署的創(chuàng)新性偏壓部件，能在整個機(jī)器上從約束腔室100中的中央約束區(qū)域完全外側(cè)的區(qū)域，向一組開放通量表面施加多種周密計劃的電位分布。以此方式，在FRC450略外側(cè)，在邊緣層456上可生成徑向電場。然后，這些徑向電場修改了邊緣層456的方位角旋轉(zhuǎn)并且經(jīng)由E×B速度剪切實現(xiàn)其約束。然后在邊緣層456與FRC芯453之間的任何差異旋轉(zhuǎn)可通過剪切而傳輸?shù)紽RC等離子體內(nèi)側(cè)。因此，控制邊緣層456直接地影響了FRC芯453。而且，由于在等離子體旋轉(zhuǎn)中的自由能也可能造成不穩(wěn)定性，這種技術(shù)提供用以控制不穩(wěn)定性的開始和生長的直接手段。在FRC系統(tǒng)10中，適當(dāng)邊緣偏壓對于開場線運輸和旋轉(zhuǎn)以及FRC芯旋轉(zhuǎn)提供有效控制。各種提供的電極900、905、910和920的位置和形狀允許控制不同通量表面組455并且處于不同和獨立電位。以此方式，可以實現(xiàn)大量不同的電場配置和強(qiáng)度，每個對于等離子體性能具有不同的特征性影響。所有這些創(chuàng)新性偏壓技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點在于芯和邊緣等離子體行為可能從FRC等離子體完全外側(cè)實現(xiàn)，即無需使任何物理部件觸及中央熱等離子體（其將會可能對于能量、通量和粒子損失具有嚴(yán)重影響）。這對于HPF構(gòu)思的性能和所有可能應(yīng)用具有重大有益影響。試驗數(shù)據(jù)-HPF操作從中性束槍600經(jīng)由束噴射快速粒子在允許實行HPF方案方面起到重要作用。圖16示出了這個現(xiàn)實。描繪了曲線集合，曲線集合示出了FRC的壽命如何與束脈沖長度相關(guān)的方式。對于構(gòu)成這次研究的所有放電，所有其它操作條件保持恒定。將多次射擊（shot）的數(shù)據(jù)平均化，并且因此表示典型的行為。顯而易見的是，更長的束持續(xù)時間產(chǎn)生更長壽命的FRC。考慮到這個證據(jù)以及這次研究期間的其它診斷，證明了束增加了穩(wěn)定性并且減少了損失。在束脈沖長度與FRC壽命之間的相互關(guān)系并非理想的，因為束捕集在低于特定等離子體大小的情況下變得低效，即，因為FRC450的物理大小收縮，并非所有噴射束被攔截和捕集。FRC的收縮主要是由于對于特定實驗設(shè)置而言，在放電期間來自FRC等離子體的凈能量損失(~4MW)略微大于經(jīng)由中性束饋送到FRC內(nèi)的總功率（~2.5MW）。將束定位于更靠近容器100的中平面的位置處將會傾向于降低這些損失并且延長FRC壽命。圖17示出了不同部件對于實現(xiàn)HPF方案的效果。其示出了典型曲線系列，這些曲線描繪了作為時間的函數(shù)，F(xiàn)RC450的壽命。在所有情況下，恒定、適量的束功率（約2.5MW）被噴射持續(xù)每次放電的整個持續(xù)時間。每個曲線表示部件的不同組合。例如，以無任何鏡插塞440、等離子體槍350或者從吸雜系統(tǒng)800吸雜來操作FRC系統(tǒng)10導(dǎo)致快速開始旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性和FRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)損失。僅添加鏡插塞440延遲了不穩(wěn)定性開始并且增加了約束。利用鏡插塞440與等離子體槍350的組合進(jìn)一步降低了不穩(wěn)定性并且延長了FRC壽命。最后，除了槍350和插塞440之外再加上吸雜（在此情況下Ti）得到最佳的結(jié)果，所得到的FRC不存在不穩(wěn)定性并且表現(xiàn)出最長的壽命。從這個實驗示范顯然，部件的完全組合產(chǎn)生最佳效果并且提供具有最佳目標(biāo)條件的束。如圖1所示，新發(fā)現(xiàn)的HPF方案表現(xiàn)出顯著改進(jìn)的運輸行為。圖1示出了在常規(guī)方案與HPF方案之間FRC系統(tǒng)10的粒子約束時間變化。如可以看出的，在HPF方案中，其以遠(yuǎn)超5的系數(shù)改進(jìn)。此外，圖1詳細(xì)描述了FRC系統(tǒng)10的粒子約束時間，與現(xiàn)有常規(guī)FRC實驗中的粒子約束時間相比。關(guān)于這些其它機(jī)器，F(xiàn)RC系統(tǒng)10的HPF方案已經(jīng)以介于5與接近20之間的系數(shù)改進(jìn)了約束。最后并且最重要地，在HPF方案中FRC系統(tǒng)10的約束定標(biāo)的性質(zhì)與所有先前測量顯著不同。在確立FRC系統(tǒng)10中的HPF方案之前，在現(xiàn)有FRC實驗中，從數(shù)據(jù)得出各種經(jīng)驗定標(biāo)律來預(yù)測約束時間。所有那些定標(biāo)規(guī)則大致取決于比例，其中R為無FRC的磁場的半徑（機(jī)器的物理標(biāo)度的粗測）并且為在外部施加的場中評估的離子拉莫半徑（施加磁場的粗測）。從圖1顯然，常規(guī)FRC中的長約束僅在較大的機(jī)器大小和/或高磁場是可能的。操作常規(guī)FRC方案CR中的FRC系統(tǒng)10傾向于遵循那些定標(biāo)規(guī)則，如圖1所示。但是，HPF方案極其優(yōu)越并且示出可以實現(xiàn)更好的約束而無需較大的機(jī)器大小或高磁場。更重要的是，從圖1還顯然，HPF方案與CR方案相比以減小的等離子體大小導(dǎo)致改進(jìn)的約束時間。如下文所描述，對于通量和能量約束時間也可以看到類似的趨勢，在FR系統(tǒng)10中，其以3-8的系數(shù)增加。HPF方案的突破因此能允許使用適度的束功率、更低的磁場和更小的大小來持續(xù)和維持在FRC系統(tǒng)10和未來更高能量機(jī)器中的FRC均衡。與這些改進(jìn)并存的是更低的操作和構(gòu)造成本以及降低的工程復(fù)雜性。為了進(jìn)一步比較，圖18示出了作為時間的函數(shù)源自FRC系統(tǒng)10中的代表性HPF方案放電的數(shù)據(jù)。圖18（a）描繪了在中平面處的排斥通量半徑。對于這些更長的時標(biāo)，傳導(dǎo)鋼壁不再是良好的通量保存器并且在壁內(nèi)部的磁性探針隨著壁外側(cè)的探針增大以適當(dāng)補(bǔ)償通過鋼的磁通量擴(kuò)散。與常規(guī)方案CR中的典型性能相比，如圖13所示，HPF方案操作模式表現(xiàn)出超過400%的更長的壽命。在圖18（b）中示出了線積分密度跡線的代表性和弦并且在圖18（c）示出了其Abel逆變換補(bǔ)充、等密度線。與常規(guī)FRC方案CR相比，如圖13所示，等離子體在整個脈沖中更安靜，指示很穩(wěn)定的操作。峰值密度在HPF射擊中也略微更低，這是更熱的總等離子體溫度的結(jié)果（至多2的系數(shù)），如圖18（d）所示。對于圖18中所示的相應(yīng)放電，能量、粒子和通量約束時間分別為0.5ms、1ms和1ms。以1ms進(jìn)入放電的參考時間，儲存的等離子體能量為2kJ，而損失為約4MW，使得這個目標(biāo)非常適合于中性束持續(xù)。圖19總結(jié)了新確立的實驗HPF通量約束定標(biāo)形式的HPF方案的所有優(yōu)點。如在圖19中可以看出，基于之前進(jìn)行的測量并且在t=0.5ms之后，即t<0.5ms和t>0.5ms，該約束以電子溫度的大致平方定標(biāo)。具有Te的正冪（和非負(fù)冪）的這個強(qiáng)定標(biāo)與常規(guī)托卡馬克所表現(xiàn)的定標(biāo)完全相反，其中約束通常與電子溫度的某級冪成反比。這種定標(biāo)的表現(xiàn)為HPF狀態(tài)和大軌道（即，以FRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)標(biāo)度和/或至少特征性磁場梯度長度標(biāo)度的軌道）離子總體的直接結(jié)果。從根本上，這個新定標(biāo)顯著有利于高操作溫度并且能允許相對適度大小的反應(yīng)器。雖然本發(fā)明易于做出各種修改和替代形式，在附圖中已示出并且在本文中詳細(xì)地描述了本發(fā)明的具體示例。但應(yīng)了解本發(fā)明并不限于所公開的特定形式或方法，而是相反，本發(fā)明將要涵蓋屬于所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效物和替代物。在上文的描述中，僅出于解釋說明的目的，陳述了具體命名以提供對于本公開的透徹理解。但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，無需這些具體的細(xì)節(jié)來實踐本公開的教導(dǎo)內(nèi)容。代表性示例和附屬權(quán)利要求的各種特點可以以并未具體地和明確地列舉的方式組合以便提供本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容的額外有用實施例。還應(yīng)清楚地指出，出于原始公開的目的以及出于限制所要求保護(hù)的主題的目的，所有值范圍或?qū)嶓w的組的指示公開了每個可能的中間值或中間實體。公開了用于生成和維持HPF方案FRC的系統(tǒng)和方法。應(yīng)了解本文所描述的實施例是出于闡明目的并且不應(yīng)被理解為限制本公開的主題。不偏離本發(fā)明的范圍或精神的各種修改、用途、替代、組合、改進(jìn)、生產(chǎn)方法將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見。例如，讀者將了解到本文所描述的過程動作的具體次序和組合只是說明性的，除非陳述為其它情況，并且可以使用不同或額外的過程動作或者過程動作的不同組合或次序來執(zhí)行本發(fā)明。作為另一示例，一個實施例的每個特點可以與其它實施例中示出的其它特點混合和匹配。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的特點和過程可同樣根據(jù)需要并入。此外并且顯然，可以根據(jù)需要來增減特點。因此，除了所附權(quán)利要求和其等效物之外，本發(fā)明并不受到限制。