公知的是，中性光暈氣體(halo gas)在所有約束系統(tǒng)中是嚴重問題。電荷交換和再循 環(huán)(從壁釋放冷雜質(zhì)材料)過程能夠?qū)δ芰亢土Ｗ蛹s束產(chǎn)生毀滅性影響。此外，在邊緣處或 邊緣附近處中性氣體的任何顯著密度將導(dǎo)致促使所注入的大軌道(高能)粒子(大軌道指具 有FRC拓撲結(jié)構(gòu)的尺度的軌道或者至少具有遠大于特性磁場梯度長度尺度的軌道半徑的粒 子)的壽命的損失或至少嚴重地縮減所注入的大軌道(高能)粒子的壽命，運一事實不利于 所有高能等離子體應(yīng)用，包括經(jīng)由輔助束加熱的聚變。
[0049] 表面修整是能夠在約束系統(tǒng)中控制或減少中性氣體和雜質(zhì)的不利作用的技術(shù)手 段。為此目的，本發(fā)明所提供的FRC系統(tǒng)10采用鐵和裡沉積系統(tǒng)810和820,鐵和裡沉積系統(tǒng) 810和820用Ti和/或Li薄膜(數(shù)十微米厚)涂覆約束腔室(或容器）100和轉(zhuǎn)向器300的面向 等離子體的表面。經(jīng)由氣相沉積技術(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W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) 護罩的受熱固體球812(在Ti的情況下）"Li蒸發(fā)器系統(tǒng)通常W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。運些系統(tǒng)的操作溫度高于600°C W獲得快速沉積速率。 為了實現(xiàn)良好的壁覆蓋，需要多個策略性定位的蒸發(fā)器/升華器系統(tǒng)。圖9詳細描述了 FRC系 統(tǒng)10中的吸雜沉積系統(tǒng)810和820的優(yōu)選布置。涂層用作吸雜表面并且有效地累吸氨類原子 和分子物質(zhì)(H和D)。涂層也將其它通常的雜質(zhì)(諸如碳和氧)減少到無關(guān)緊要的水平。
[0050] 鏡堵漏部 如上文所述，F(xiàn)RC系統(tǒng)10采用如圖2和圖3所示的成組鏡線圈420、430和444。第一組鏡線 圈420位于約束腔室100的兩個軸向端處并且由主要磁性系統(tǒng)410的約束線圈412、414和416 獨立地激勵。第一組鏡線圈420主要幫助在合并期間操縱并軸向地包含F(xiàn)RC 450并且在持續(xù) 期間提供平衡成形控制。第一鏡線圈組420產(chǎn)生名義上比由中央約束線圈412產(chǎn)生的中央約 束場更大的磁場(大約0.4至0.5 T)。包括=個緊湊型準(zhǔn)直流鏡線圈432、434和436的第二組 鏡線圈430位于形成部段200和偏濾器300之間，并且由共同的開關(guān)電源驅(qū)動。鏡線圈432、 434和436與更緊湊的脈沖鏡堵漏部線圈444(由電容電源供電）和物理收縮部442-起形成 鏡堵漏部440,其提供具用非常大的磁場(在2至4 T之間且上升時間是大約10至20 ms)的狹 窄的低氣體傳導(dǎo)路徑。與約束線圈412、414和416的一米W上尺度(meter-plus-scale)的孔 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，20 cm的孔和類似的長 度。鏡堵漏部440的目的是多元的：（1)線圈432、434、436和444緊密地束集磁通量表面452和 端部流動的等離子體射流454并且將其引導(dǎo)至邊遠的偏濾器腔室300內(nèi)。運保證了排出的粒 子恰當(dāng)?shù)氐竭_偏濾器300并且存在連續(xù)的通量表面455,連續(xù)的通量表面455可從中央FRC 450的開放場力線452區(qū)域循跡直到偏濾器300。（2)FRC系統(tǒng)10中的物理收縮部442對來自安 放于偏濾器300中的等離子體槍350的中性氣體流提供阻礙，其中線圈432、434、436和444通 過收縮部442能夠?qū)崿F(xiàn)磁通量表面452和等離子體射流454的通路。同樣，收縮部442防止來 自形成部段200的氣體返流到偏濾器300,從而減少當(dāng)開始啟動FR別寸必須引入整個FRC系統(tǒng) IO內(nèi)的中性粒子的數(shù)量。（3 )由線圈432、434、436和444所產(chǎn)生的強軸向鏡減少了軸向粒子 損失并且因此減少了開放場力線上的平行粒子擴散性。
[005。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穩(wěn)定性和中 性束性能。槍350安裝在偏濾器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中沿開放通量線452并且朝向約束腔室100的中屯、流動的等離子體。槍350在墊 圈-堆疊通道中在高密度氣體放電下操作并且被設(shè)計成在5至10 ms內(nèi)生成數(shù)千安培的完全 電離的等離子體。槍350包括脈沖式磁線圈，其使輸出等離子體流與約束腔室100中等離子 體的期望大小匹配。槍350的技術(shù)參數(shù)的特征在于，具有5至13 cm的外徑和高達約10 cm的 內(nèi)徑的通道，并且W介于0.5至2.3 T之間的槍內(nèi)磁場在400至600 V下提供10至15 kA的放 電電流。
[0052] 槍等離子體流能夠滲透鏡堵漏部440的磁場并且流入形成部段200和約束腔室100 內(nèi)。等離子體通過鏡堵漏部440轉(zhuǎn)移的效率隨著槍350與堵漏部440之間的距離減小和使堵 漏部440更寬和更短而增加。在合理條件下，槍350能夠分別在約150至300 eV和約40至50 eV的高離子和電子溫度的情況下各自遞送近似IO22個質(zhì)子通過該2至4 T的鏡堵漏部440。槍 350提供FRC邊緣層456的大量加料，并且改進了整體的FRC粒子約束。
[0053] 為了進一步增加等離子體密度，可W利用氣箱來將額外氣體從槍350充入等離子 體流內(nèi)。運種技術(shù)允許所注入的等離子體密度數(shù)倍的增加。在FRC系統(tǒng)10中，安裝于鏡堵漏 部440的偏濾器300側(cè)上的氣箱改進了FRC邊緣層456的加料、FRC 450形成和等離子體線捆 (line-tying)。
[0054] 已知上文所討論的所有調(diào)整參數(shù)并且也考慮僅利用一個或利用兩個槍操作都是 可行的，容易地顯而易見到的是，可獲得廣泛范圍的操作模式。
[00巧]偏壓電極 開放通量表面的電偏壓能夠提供徑向電勢，該徑向電勢引起方位角EXB運動，方位角E XB運動，其提供一種類似于轉(zhuǎn)動旋鈕的控制機制，W經(jīng)由速度剪切來控制開放場力線等 離子體W及實際FRC忍450的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)運種控制，F(xiàn)RC系統(tǒng)10采用策略性地放置于機器 的各種部分中的各種電極。圖3描繪了定位在FRC系統(tǒng)10內(nèi)的優(yōu)選位置處的偏壓電極。
[0056] 原則上，存在4類電極：（1)約束腔室100中的點電極905，其與FRC 450的邊緣中的 特定開場線452接觸W提供局部充電；（2)約束腔室100與形成部段200之間的環(huán)形電極900， W便W方位角對稱方式向遠邊緣通量層456充電；（3)偏濾器300中的同屯、電極910堆，W向 多個同屯、通量層455充電（由此，可W通過調(diào)整線圈416來調(diào)整偏濾器磁場W便在恰當(dāng)電極 910上終止期望的通量層456來控制層的選擇）；W及最后，（4)等離子體槍350本身的陽極 920(參看圖10)(其攔截FRC 450的分界面附近的內(nèi)部開放通量表面455)。圖10和圖11示出 了針對運些電極中的一些的一些典型設(shè)計。
[0057] 在所有情況下，運些電極由脈沖式電源或直流電源W高達約800 V的電壓驅(qū)動。取 決于電極大小和與何通量表面相交，電流能夠被帶入千安培范圍中。
[005引FRC系統(tǒng)的非持續(xù)操作-常規(guī)狀態(tài) FRC系統(tǒng)10上的標(biāo)準(zhǔn)等離子體形成遵循良好地發(fā)展了的反場角向髓縮技術(shù)。用于啟動 FRC的典型過程始于將準(zhǔn)直流線圈412、414、416、420、432、434和436驅(qū)動成穩(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)動脈沖式快速反向磁場線圈232W在形成部 段200中形成約-0.05 T的臨時反向偏壓。此時，在9-20 PSi下的預(yù)定量的中性氣體經(jīng)由一 組位于形成部段200外端上的凸緣處的方位角定向的充入谷(puff -vale)被注入由（北和 南)形成部段200的石英管腔室240限定的兩個形成容積內(nèi)。接下來，從石英管240的表面上 的一組天線生成小RF(~數(shù)百千赫茲）場，W在中性氣體柱內(nèi)W局部種子電離區(qū)域（seed ionization region)的形式形成預(yù)電離。運之后是對驅(qū)動所述脈沖式快速反向磁場線圈 232的電流施加角向振鈴(the化-ringing)調(diào)制，運導(dǎo)致氣體柱的更加全面的預(yù)電離。最后， 激勵脈沖功率形成系統(tǒng)210的主脈沖功率組W驅(qū)動脈沖式快速反向磁場線圈232, W形成高 達0.4 T的前向偏置場。運個步驟可W是按時間順序的，使得貫穿形成管240的長度均勻地 生成前向偏置場(靜態(tài)形成)或者使得沿形成管240的軸線實現(xiàn)連續(xù)的蠕動場調(diào)制（動態(tài)形 成)。
[0059] 運整個形成過程中，在約5 iis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)千兆瓦特的脈沖功率容易地產(chǎn)生熱FRC，熱FRC然后經(jīng)由前向磁場 (磁蠕動）的時序調(diào)制或者形成管210的軸向外端附近的線圈組232的最后的線圈中的臨時 增加的電流(形成軸向地指向約束腔室100的軸向磁場梯度）中的任一者的應(yīng)用從形成部段 200出射。然后如此形成并加速的兩個(北和南)形成FRC擴張到更大直徑的約束腔室100內(nèi)， 其中準(zhǔn)直流線圈412產(chǎn)生前向偏置場W控制徑向擴張并且提供平衡的外磁通量。
[0060] 一旦北和南形成FRC到達約束腔室100的中間平面附近，F(xiàn)RC就碰撞。在碰撞期間， 當(dāng)FRC最終合并為單個FRC 450時，北和南形成FRC的軸向動能很大程度上被熱化。約束腔室 100中一大組等離子體診斷都是可用的，W研究FRC 450的平衡。FRC系統(tǒng)10中典型的操作條 件產(chǎn)生復(fù)合FRC，并且具有約0.4 m的分界面半徑和約3 m的軸向延伸。進一步的特性是約 0.1 T的外部磁場、大約5Xl〇i9 Hf3的等離子體密度和高達1 keV的總等離子體溫度。在沒有 任何維持，即，沒有經(jīng)由中性束注入或其它輔助技術(shù)手段的加熱和/或電流驅(qū)動的情況中， 運些FRC的壽命限于約1 ms，運是本征特性位形衰減時間。
[0061] 非持續(xù)操作的實驗數(shù)據(jù)-常規(guī)狀態(tài) 圖12示出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W 示出FRC 450的角向髓縮合并過程的動態(tài)。兩個(北和南)單個等離子體粒團同時產(chǎn)生并且 W超音速Vz~250 km/s從相應(yīng)的形成部段200加速出來，并且在Z=O處的中間平面附近碰撞。 在碰撞期間，在最終合并W形成FRC 450之前，等離子體粒團軸向地壓縮，繼之W快速的徑 向和軸向膨脹。合并FRC 450的徑向和軸向動態(tài)兩者都由詳細的密度分布測量和基于測福 射熱儀的斷層攝影術(shù)表明。
[0062] 在圖13中，來自FRC系統(tǒng)10的代表性非持續(xù)放電的數(shù)據(jù)被示出為隨時間而變化。 FRC起始于t=0。在圖13(a)中示出在機器的軸向中間平面處的排斥通量半徑。從位于約束腔 室的不誘鋼壁恰好內(nèi)側(cè)的磁性探頭陣列獲得運些數(shù)據(jù)，磁性探頭測量軸向磁場。鋼壁在該 放電的時間尺度上是良好的通量保存器。
[0063] 圖13(b)中示出線積分密度，來自位于Z=O處的6-弦COsAfe-化干設(shè)儀。考慮到如由 測福射熱斷層攝影術(shù)所測量的豎直(y)FRC位移，Abel反演得到圖13(c)的等密度線。在第一 0.1 ms期間進行一些軸向和徑向晃動之后，F(xiàn)RCW中空密度分布穩(wěn)定。運種分布相當(dāng)?shù)仄?坦，并且在軸線上具有顯著的密度，如典型2-D FRC平衡所需要的那