CN117643178A - 用于产生脉动高强度磁场的设备和方法 - Google Patents

Abstract

磁场系统被配置成产生强的动态变化磁场以限制和控制粒子、对象或等离子体。磁场可以脉动以赋予等离子体能量和从等离子体直接提取能量。

Description

用于产生脉动高强度磁场的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2021年6月3日提交的、标题为“用于产生脉动高强度磁场的设备和方法(Apparatus and Methods for Generating a Pulsating,High-Strength Magnetic Field)”的美国临时申请序列号63/196,474的优先权权益，所述申请通过引用整体并入本文中。

背景技术

可以用由大电流和高电压驱动的多个载流线圈产生强磁场。此类磁场可以用于限制高能粒子和/或将粒子或对象加速到高速。在一些情况下，可以使用强磁场来限制等离子体。

发明内容

所描述的实施方式涉及用于动态地控制强磁场内包含的粒子、对象和/或等离子体的方法和设备。磁场可以用磁性线圈的组件产生，所述磁性线圈被控制以向包含的粒子、对象或等离子体赋予能量。在一些情况下，可以控制磁性线圈以直接从粒子或等离子体提取能量。对于与等离子体的重复能量交换(例如，将能量递送到等离子体和从等离子体提取能量)，由磁性线圈产生的磁场的至少一部分可以在空间上和时间上变化以脉动等离子体。

一些实施方式涉及一种限制高能等离子体的方法。此方法可包括以下动作：将所述等离子体注入到容器中；将第一多个电流施加到多个磁性线圈，所述多个磁性线圈被布置成在所述容器内产生磁场，其中所述磁场制备处于第一状态的所述等离子体，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

一些实施方式涉及一种磁场系统。所述系统可以包括容器、被布置成在所述容器内产生磁场的多个磁性线圈、耦合到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈的一个或多个供电电路，以及控制电流到所述多个磁性线圈的递送的电路系统。所述电路系统可被配置成：将第一多个电流施加到所述多个磁性线圈以在所述容器内产生制备处于第一状态的等离子体的所述磁场，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述等离子体的第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

前述概念和下文更详细地论述的附加概念的所有组合(条件是这些概念不相互不一致)被构想为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，在本公开末尾出现的所要求保护的主题的所有组合都被构想为是本文公开的发明主题的一部分。本文明确采用的也可以出现在通过引用并入的任何公开内容中的术语应赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。

附图说明

技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，并且不旨在限制本文所述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文公开的本发明主题的各个方面可以在附图中示出为夸大或放大以促进对不同特征的理解。在附图中，相似的附图标记通常是指相似的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的部件)。

图1描绘了用于产生强磁场的磁场系统的实例。

图2描绘了用于将电流递送到图1的系统中的磁性线圈、从磁性线圈回收和收集能量的供电电路的实例。

图3A描绘了在图1的系统的操作循环期间的磁场和等离子体注入。

图3B描绘了在图1的系统的操作循环期间的第一时间的磁场和等离子体构型。

图3C描绘了在图1的系统的操作循环期间的第二时间的磁场和等离子体构型。

图3D描绘了在图1的系统的操作循环期间的第三时间的磁场和等离子体构型。

图3E描绘了在图1的系统的操作循环期间的第四时间的磁场和等离子体构型。

图3F描绘了在图1的系统的操作循环期间的等离子体的注入。

图4A说明在图1的磁场系统的操作循环期间等离子体的分界面半径随时间变化的实例。

图4B说明在图1的磁场系统的操作循环期间分界面长度随时间变化的实例。

图4C绘制施加到图1的磁场系统的中心线圈130-3的电流脉冲的实例。

图4D绘制施加到图1的磁场系统的中间线圈130-2、130-4的电流脉冲的实例。

图4E绘制施加到图1的磁场系统的端部线圈130-1、130-5的电流脉冲的实例。

具体实施方式

图1描绘了磁场系统100的实例，所述磁场系统可用于产生强动态磁场(例如，峰值场值在0.01特拉斯(T)与50T之间)。系统100包括多个磁性线圈130-1、130-2、...130-5，所述多个磁性线圈被布置成在容器150内协同地产生磁场。为了协同地产生磁场，磁性线圈130彼此足够近地间隔开，使得由任何一个线圈产生的磁场通过系统中的至少一个其他线圈加入到容器150中产生的磁场。例如，相邻线圈130-2、130-3之间的空间可等于或小于线圈的内径D。磁性线圈130可在容器150内产生邻近磁性线圈130定位的强磁场。在图示中，容器150和磁性线圈130以横截面图描绘。

对于一些应用(粒子或对象加速)，容器150可以是具有至少一个开放端的管，或者可形成环。对于其他应用(等离子体物理)，容器150可以是例如具有至少一个入口端口以引入等离子体的较大真空室的一部分。在此类情况下，容器可以由不锈钢和/或其他真空相容材料制成。在一些情况下，容器150可以是线性管，在管的每一端处具有入口端口，以从管的每一端注入等离子体，等离子体朝向彼此加速并且在容器的中心处碰撞。碰撞可包括注入等离子体的受控合并，使得所得合并等离子体维持注入等离子体的相同一般结构。在其他应用(例如，车辆的磁悬浮)中，容器可以采取履带的形式。

磁性线圈在一些情况下可以包括多匝绕组。在其他情况下，磁性线圈可以形成为单匝或多馈电分数匝磁性线圈。单匝或分数匝线圈可以包括实心、导电或超导芯。线圈的内径(包围其中产生强磁场的空间)可在1厘米(cm)与300cm之间。此类线圈的实例描述于2021年6月14日提交的、标题为“用于产生强磁场的惯性阻尼分段线圈(Inertially-DampedSegmented Coils for Generating High Magnetic Fields)”的美国专利申请号63/210,416中，所述申请通过引用整体并入本文中。

可以给磁性线圈130中的每一个磁性线圈馈送来自一个或多个供电电路120-1、120-2、...120-5的电流(针对每个磁性线圈仅示出一个供电电路以简化图示)。电流可以在连接到每个线圈的一个或多个供电线125上提供。递送到每个线圈的电流的峰值量可例如在100,000安培(A)与200,000,000A之间。

供电电路120中的每一个供电电路(下文参考图2更详细地解释)可包括电源(例如，电压源)、至少一个能量储存部件(例如电容器)和至少一个开关，所述至少一个开关控制电流从至少一个能量储存部件流动到相关联的磁性线圈。每个供电电路中的开关可以(例如，由控制器110)独立于系统中的其他供电电路120中的开关来控制。因此，递送到磁性线圈130中的每一个磁性线圈的电流波形和波形的定时可在很大程度上独立于递送到系统100中的其他磁性线圈130的电流进行控制。在一些情况下，磁场系统100的结构限制可以限制磁性线圈130中的两个或更多个磁性线圈之间的振幅、波形和/或定时的变化量。

控制器110可与供电电路120中的至少一个供电电路通信以控制至少从至少一个供电电路到磁性线圈130中的一个或多个磁性线圈的电流递送(例如，通过激活供电电路的开关)。在一些实施方式中，控制器110可以另外控制由供电电路递送的电流量。在一些情况下，控制器可进一步控制递送的电流的波形(例如，通过在供电电路120中选择电容性和/或电阻性部件)。控制器110在一些情况下可以包括计算机。在其他情况下，控制器可以包括现场可编程门阵列、可编程逻辑电路、专用集成电路、数字信号处理器或其某种组合。

在一些情况下，对递送到磁性线圈的电流的控制可以分布在供电电路中或分布在耦合到供电电路的触发控制电路中。例如，控制器110可以发出命令信号以将电流递送到第一线圈130-1。命令信号可以被第一供电电路120-1和/或第二供电电路120-5接收，或者命令信号可以被耦合到第一供电电路和/或第二供电电路的触发控制电路接收。在触发第一线圈130-1时，第一供电电路120-1或触发控制电路可以向第二供电电路120-2或耦合到第二供电电路的触发控制电路发出触发命令信号。以此方式，可触发所有磁性线圈，并且可以重复触发循环。在一些实施方式中，在供电电路120的触发之间可能存在一个或多个预定延迟，以按连续触发顺序为其相关联的磁性线圈130加电。例如，线圈组件的端部附近的磁性线圈130-1、130-5可以首先由其相关联的供电电路120-1、120-5加电，并且然后供电电路的触发向内进行，使得中心线圈130-3在该顺序中最后被加电。在一些情况下，延迟定时可以由控制器110或触发控制电路电子可编程。在一些实施方式中，延迟定时可以用连接到供电电路120的电路延迟元件来设计，所述电路延迟元件在初始触发命令信号被提供给供电电路中的至少一个供电电路之后延迟连续触发命令信号。

不管如何确定触发定时，对于图1的磁场系统100，独立控制(至少在一定程度上)对磁性线圈130中的每一个磁性线圈加电是可能的。通过对递送到磁性线圈130中的每一个磁性线圈的电流的振幅、波形和定时的这种独立控制，可在容器150中产生动态和脉动的强磁场。可使用光纤电缆和高速开关快速连续地向磁性线圈130提供触发命令信号。在一些情况下，相邻线圈可以在相差10纳秒内触发。触发命令信号的这种快速排序可允许仔细控制通过磁性线圈的等离子体，以在不同的状态之间形成、维持和转变等离子体。用于控制供电电路的触发的示例性电路描述于2022年6月11日提交的、标题为“用于电磁线圈的高速开关设备(High-Speed Switching Apparatus for Electromagnetic Coils)”的美国专利申请号63/209,799中，所述申请通过引用整体并入本文中。

图2描绘了供电电路120-1的一个实例，所述供电电路可以用于将电流递送到图1的磁场系统100的磁性线圈130-1并且从所述磁性线圈接收电流。该电路包括能量储存部件(建模为电容器C)、源(建模为电压源V_supp)、方向开关SW1、SW2、SW3、SW4和二极管D1、D2。例如，方向开关可包括硅控制整流器(SCR)，但可以使用其他开关。在操作中，开关SW1可以闭合(在开关SW2、SW3和SW4打开的情况下)以向能量储存部件C提供初始电荷，所述能量储存部件可以是一个或多个电容器。然后，开关SW1可以打开并且开关SW2闭合以将电流脉冲递送到磁性线圈130-1(建模为电感器)。来自脉冲的未使用能量和/或由磁性线圈130-1产生的过量电能可能穿过电容器C并在电容器中累积电荷。当峰值电荷已累积在电容器C中，可以由感测和控制电路220感测时，开关SW2可以打开并且开关SW3闭合以通过包括另一能量储存部件(在此实例中为电感器L_R)的回收电路支路回收能量并且对电容器C再充电。感测和控制电路220可包括用以检测能量储存部件C的充电节点上的电压的电压传感器和用以将控制信号输出到开关SW2、SW3、SW4中的一个或多个开关的逻辑电路系统。如果从磁性线圈产生和接收过量能量(其可以由感测和控制电路220检测为能量储存部件处的过电压)，则开关SW4可闭合以将过量能量提供到外部负载210。外部负载可以包括功率调节器，以将输出功率转换成适用于功率应用的波形(例如，常规的两相或三相交流电流波形)。在一些实施方式中，负载210可包括电网。其他供电电路120-1也是可能的，并且示例性供电电路可见于2021年6月3日提交的、标题为“电气系统中的能量回收(Energy Recovery inElectrical Systems)”的美国临时专利申请第63/196,469号中或2022年6月3日提交的、具有相同标题的非临时申请中，所述申请通过引用整体并入本文中。

图3A、图3B、图3C、图3D和图3E描绘示例性磁场线B(虚线)的简化时间顺序图像和用于图1的磁场系统100的被包含等离子体310的构型。图示描绘了一种示例性实施方式，其中脉动的强磁场可以用于赋予等离子体能量和直接从等离子体310提取能量。为了简化附图，容器150、供电电路120和控制器110已被省略，并且仅示出了磁性线圈组件300。磁场线B用虚线初步描绘，并且等离子体310的空间范围用实线初步描绘(例如，实线可以是等离子体的分界面的位置)。分界面是等离子体310内的最后一个闭合磁场线的位置。示出了磁性线圈组件300和等离子体310的横截面图，尽管线圈组件和等离子体是三维的。例如，磁性线圈130和等离子体310关于通过容器的中心轴线305对称。尽管图示中仅示出了五个线圈，但在磁场系统100中可存在10到100个线圈或更多线圈。此外，图示可以仅针对磁场系统的中心部分。在系统的每一端处可存在额外线圈以形成等离子体并从每一端朝向磁场系统的中心注入等离子体，等离子体在所述中心处合并。

为了开始用于一些实施方式的操作循环，可将两个或更多个等离子体团310a、310b注入到磁性线圈组件300中，如图3A中描绘。等离子体团310a、310b可形成于磁性线圈组件300的端部区域中，并且然后使用磁性线圈130朝向彼此加速。等离子体团可在磁性线圈组件的容器150内合并，形成单个等离子体310，在图3B中初步描绘。等离子体团的合并可向等离子体310增加热量。等离子体310可以达到第一状态，在所述第一状态下等离子体是稳定的，并且具有分界面半径r_s和轴向长度l_s(在±z方向上)。

在第一时间t＝t₁处，磁场系统100可以被置于操作循环的初始或第一状态下。电流I₁、I₂、I₃可施加到系统的磁性线圈130以产生磁场B，所述磁场将等离子体310包含到第一空间范围。等离子体可以具有环形形状并且是反场构型(FRC)等离子体。例如，等离子体可主要地或完全地用完全磁化的电子电离，并且可能还包括磁化离子。此外，等离子体可具有显著的抗磁电流和β大于或等于30％的等离子体β值。β值是由等式2给出的等离子体的压力与由以下等式1给出的等离子体上的磁压的比率，在等离子体的表面上求平均值。在时间t₁处的电流I₁、I₂、I₃的量在初始状态可以大致相等，或者随着距容器中心的距离而略微增加，以将等离子体限制到容器150和线圈组件300的中心。由于施加到磁性线圈130的电流，因此可在容器150中维持围绕等离子体循环的方位电流(由点和叉指示)。在此初始状态下，等离子体的分界面可以具有垂直于轴线305的初始半径r_s和在沿着轴线305的方向上的半长度l_s/2。在分界面内可能存在等离子体的初始体积V_o。

随后，递送到磁性线圈130的电流增加以向等离子体310赋予能量并将等离子体从初始状态转变为第二状态。在第二状态发生的第二时间t＝t₂处，等离子体的体积与第一状态下的等离子体的体积相比可减小。图3C初步描绘了等离子体的体积的减小。增加的电流I₁、I₂、I₃增加了磁场B的强度，这增加了等离子体310上的磁压，从而迫使等离子体径向向内并减小等离子体的体积并增加等离子体的内部温度和压力。增加的磁压在附图中描绘为指向页面的顶部和底部的宽黑色箭头。此增加的压力主要围绕等离子体的周界径向施加。还可在等离子体的端部上施加压力，从而减小其长度。作用于等离子体上的局部磁压P_B可表示为

其中B是磁场B的局部标量值，并且μ_o是自由空间的磁导率。

为了进一步限制等离子体，对于每个线圈施加到磁性线圈130的电流可以不同地并且以时间顺序方式施加。例如，在线圈组件的端部(有时称为镜线圈)处施加于线圈的电流I₃的初始增加可以大于一开始在线圈组件300的中心处施加于线圈的电流I₁的增加，以在线圈组件的端部附近形成磁场瓣340，这在图3C中描绘。虚线粗略地指示具有相同磁场强度的轮廓。瓣340可在等离子体的端部上施加磁压以减小其长度。

如图3D中描绘，这些瓣340可通过在朝向线圈组件300的中心移动的方向上顺序地对施加到每个相邻线圈的电流进行时间交错增加而朝向线圈组件300的中心增加和/或向内传播(如结合图4C至图4E进一步描述的)。例如，在电流I₂的峰值增加到达磁性线圈130-2和130-4之前，电流I₃的峰值增加可到达磁性线圈130-1和130-5。这种电流的时间顺序施加可增加轴向作用于等离子体上的磁压，如图3C和图3D中页面上指向左和右的宽黑色箭头指示的。响应于磁压，等离子体310将压力施加回由附图中的宽灰色箭头指示的磁场上。等离子体内的抵消压力可表示为

P＝nk_BT (2)

其中n是等离子体的特征密度值(其可以是等离子体的峰值密度的二分之一)，k_B是玻尔兹曼常数，并且T是等离子体的峰值温度。

如图3D中所描绘，当等离子体310在时间t₃处达到最小体积V_min时，使得磁性线圈可不再将其压缩，等离子体的能量可以增加或被增加。例如，可以发生内反应(化学或核)，或者来自另一源(例如高功率激光器、粒子束或微波加热)的能量可以被赋予等离子体310。等离子体能量的快速增加或等离子体产生的能量可表示等离子体的另一状态。

随着能量的增加，等离子体310可以在其转变为又一状态时开始膨胀，并且能量可以从等离子体释放并由磁性线圈组件300收集。在一些情况下，膨胀等离子体及其方位电流在磁性线圈130上赋予变化的磁通量，并且因此在磁性线圈130中感生电流。来自等离子体310的感生电流可以被线圈回收，并且用于对供电电路120中的至少一些供电电路中的能量储存部件再充电。在一些实施方式中，来自等离子体的感生电流可以超过递送到线圈的电流，并且作为可用能量从系统收集。这样的能量的收集表示来自等离子体的能量的直接耦合。

另外，不管等离子体膨胀如何，可以其他方式从等离子体汲取能量。例如，工作气体可以在等离子体上和围绕等离子体经过以释放热量。在其他实施方式中，带电粒子或中子可以从等离子体排出并将能量传递到接收材料(例如，用于带电粒子的光伏能量回收系统，或用于中子的熔融再生区)。在一些实施方式中，在产生能量时由等离子体产生的热量可以被捕获并转换成电能(例如，通过产生蒸汽并驱动蒸汽涡轮机)。此类转换过程表示来自等离子体310的能量的间接耦合。

根据一些实施方式，当等离子体310从时间t₃处的状态膨胀到稍后时间t₄处的另一状态时，等离子体可以在至少一个维度上受到限制，对此在图3E中初步描绘等离子体的构型。例如，施加到中心磁性线圈130-3、130-2、130-4的电流可以被控制(例如，利用反馈回路或通过向线圈施加预定波形)，以在等离子体310膨胀时局部地抵抗分界面半径的膨胀或维持恒定的分界面半径r_s，或允许r_s以受控方式膨胀。为了维持恒定的分界面半径，可以将增加的或约束电流施加到磁性线圈130的至少一部分(例如，中心线圈130-3、130-2、130-4)。在一些情况下，线圈中的电流可以使用跨过线圈供电线的撬棍(crowbar)保持。撬棍可以在供电电路内并由供电电路激活。

在对施加到线圈130的电流进行反馈控制的系统中，可以在磁性线圈上感测电压以检测等离子体的分界面半径的变化。另外或替代地，抗磁性探针和/或其他磁性传感器(例如围绕磁体线圈的感测线圈环)可以位于沿着容器150的轴线的一个或多个位置处，以检测沿着容器150的轴线的一个或多个位置处的r_s。在沿着容器150的轴线的每个位置处可存在多个传感器。感测到的电压和/或磁场可在反馈回路中处理以确定为控制分界面半径r_s而施加到每个磁性线圈的电流量。

在时间t₁与t₃之间的操作循环期间，磁性线圈中的至少一个磁性线圈的电流值的增加可以是时间t₁的初始电流值的1.5倍到10,000倍(或此范围内的任何子范围)。在从t₁到t₃的时间间隔期间，容器150的中心处的磁场的量值可以增加到1.5倍至10,000倍(或此范围内的任何子范围)，并且等离子体体积可以减小到10分之一至1,000分之一(或此范围内的任何子范围)。与电流增加之前的初始值r_si相比，等离子体的分界面的半径可以减小到1.5分之一至20分之一(或此范围内的任何子范围，例如，1.5分之一到5分之一)。r_si的初始值可以在1cm与100cm之间。与电流增加以压缩等离子体310之前的长度的初始值相比，分界面的长度可以减小到1.5分之一至50分之一(或此范围内的任何子范围)。分界面的初始长度可以在5cm与5m之间。从t₁到t₃的时间间隔可以是从1纳秒至100毫秒范围(或此范围内的任何子范围)的持续时间。

通过维持恒定的分界面半径(或允许r_s可控地膨胀)，等离子体310继续良好地耦合到线圈组件300。然后可允许等离子体及其方位电流壁主要沿着线圈组件300轴向膨胀，从而在时间t₄处实现最长长度，如图3E中所描绘。当等离子体轴向膨胀时，磁性线圈130中的电流可以按顺序被控制以沿着线圈组件300的至少中心部分维持固定且大致相等的分界面半径r_s。在一些情况下，可以允许半径r_s以可控方式膨胀。等离子体电流和相关联的磁场的轴向通量可在线圈组件300的一个或多个端部磁性线圈中或在沿着容器150分布的一个或多个辅助磁性线圈中产生电流。所产生的电流可作为可用能量收集。这样的收集能量的方法表示来自等离子体的能量的直接耦合。

在时间t₄之后，等离子体310可能已经向线圈组件赋予一定量的能量，并且冷却到其不再能够提供可用能量和/或维持其膨胀体积的程度。在一些情况下，等离子体310然后可以开始收缩回到图3B中描绘的初始状态。可以调节到磁性线圈的电流，使得等离子体在下一个操作循环内返回到初始状态。

在一些情况下，如图3F中所描绘，等离子体310可以在时间t₄之后在其中心处塌缩，使得其在磁场组件100的相对端处形成两个分离的等离子体。此时可以从容器150排出至少一些等离子体以去除反应产物。等离子体可以以不同于图3F的图示的方式从容器150排出。例如，可以通过减小或去除容器的该侧上的磁场来将等离子体从容器的一端排出。例如，从容器的一侧排出等离子体潜在地可以用于在航天器中的推进。

新等离子体可以每个循环(例如，在时间t₄之后)注入，以补充当等离子体在下一个循环中被压缩时可以发生反应的组分的供应。等离子体的去除和注入可由位于磁场组件100的端部处的一个或多个磁性线圈控制。然后可以在磁场系统100的操作期间循环地重复等离子体注入、压缩、受约束膨胀和去除产物的步骤。

除了上述状态之外或不同于上述状态的等离子体构型可以在系统的一些实施方式中实现。例如，在第三状态下，等离子体的轴向膨胀可以是不对称的，并且等离子体甚至可以在一个方向上排出(例如，以产生推进效应)。在一些情况下，等离子体可以在操作循环期间在不同状态之间振荡一次或多次(例如，在图3C中所描绘的t＝1处的等离子体状态与在图3D中所描绘的t＝2处的等离子体状态之间振荡一次或多次)。

在一些实施方式中，供电电路120可以用于在等离子体膨胀期间从磁性线圈130收集电能。例如，过量电流可以储存在电源的能量储存部件和或可以切换成与磁性线圈连接(例如，作为负载210，其可被连接以从如结合图2描述的线圈接收能量)的附加能量储存部件中。负载210可以是消耗或储存电能的任何装置，包括电网。储存的能量中的至少一些能量可以在操作循环的间隔内(例如，当等离子体从完全膨胀体积收缩到初始状态体积V_o时)被倾泄到外部负载。储存的能量中的一些能量可以被保留以用于磁场系统的下一个操作循环。

图4A至图4E根据一些实施方式绘制图1的磁场系统的操作循环的等离子体和电流特性的示例性动态。对于此实例，等离子体的分界面半径r_s可以在压缩/膨胀循环的至少一部分内随时间演进，如图4A中所描绘。分界面半径r_s可以在时间t₀处以初始半径r_si开始操作循环，并且在时间t₃处通过越来越强的磁场减小到最小半径r_min。然后，在一些情况下，在时间t₃和t₄之间，由于允许分界面的长度l_s在磁场系统100内膨胀，如图4B进一步图示的，因此分界面半径可以保持大致恒定(在r_min的10％内或20％内)。为了维持大致恒定的半径r_s，径向作用于等离子体的侧壁上的局部磁压P_B大致等于径向向外作用的局部等离子体压力P。替代地，保持r_s大致恒定可表示为将等离子体侧壁的ββ维持为大致等于1，其中β＝P/P_B。在一些情况下，可以以允许分界面半径有一些膨胀(例如，在从t₃到t₄的时间间隔期间膨胀多达50％)的方式控制分界面半径。可以通过控制施加到磁场系统100的磁性线圈130的电流波形来实现r_s的这种控制(无论是被约束为大致恒定的还是被允许可控地膨胀)。在操作循环的后期阶段(在t₄之后)，当施加到磁性线圈130的至少一部分的电流脉冲下降并返回到用于下一个操作循环的开始的初始值时，分界面的半径和长度可以返回到初始状态。

操作循环的持续时间，如图4A至图4E中所描绘，可以是大约或正好1微秒到大约或正好1,000毫秒(或此范围内的任何子范围)。然而，在一些实施方式中，更短或更长的持续时间可以是可能的。在一些情况下，每个操作循环还可以包括恢复间隔(例如，在时间t₄与将电流脉冲施加到磁性线圈以用于下一个操作循环之间)。恢复间隔可以允许系统部件有热耗散和/或重新初始化的时间(例如，容器150中的热耗散、供电电路120的开关中的热耗散和复位、供电电路120中的能量储存部件的再充电、去除用过的等离子体、注入新等离子体等)。

图4C至图4E描绘电流波形的实例，所述电流波形可以施加到图1的系统的一些磁性线圈130以产生分别在图4A和图4B中所描绘的r_s和l_s的动态行为。波形的形状可确定r_s和l_s的动态行为。示例性波形指示在时间间隔t₀至t₂期间，较高电流首先到达端部线圈130-1、130-5，然后到达中间线圈130-2、130-4，并且最后到达中心线圈130-3。在从t₃到t₄的时间间隔期间的波形可以以如上所述将分界面半径r_s约束到大约其最小值r_min或以如图4A中所指示的受控方式膨胀的方式被控制。在一些情况下，分界面半径r_s的受控膨胀可以改善等离子体310的粒子限制时间和稳定性。

图4D描绘了施加到中间线圈130-2、130-4的电流波形的实例。施加到中间线圈的电流波形可以类似于在从t₃到t₄的时间间隔期间施加到中心线圈130-3的电流波形，因为分界面半径也可以由中间线圈约束到大致恒定的值或允许可控地膨胀。图4E描绘施加到端部线圈130-1、130-5的电流波形的实例。在从t₃到t₄的时间间隔期间，施加到端部线圈的电流波形可以比施加到中间线圈和中心线圈的电流波形更快地下降，以允许在等离子体310的端部处等离子体310的长度和半径膨胀。端部线圈的电流的这种更快的减小可以有益于允许膨胀等离子体310驱动更多磁通量通过磁场系统100的端部线圈并产生更多可收集电流。

应当理解，图3A至图3F中的等离子体构型的描绘表示时间快照处的等离子体构型的初步图示并且等离子体可以在系统的操作循环期间快速通过这些构型。类似地，图4A至图4E的波形初步指示施加到磁场系统100的磁性线圈130的电流的演变。在任何时间快照处，等离子体310可被认为处于具有特定大小、构型和能量的特定状态。因此，等离子体310可在系统100的操作循环期间快速通过许多状态。

磁场系统100和操作系统的方法可以不同配置实施，其一些实例在下文列出。

(1)一种限制高能等离子体的方法，所述方法包括：将所述等离子体注入到容器中；将第一多个电流施加到多个磁性线圈，所述多个磁性线圈被布置成在所述容器内产生磁场，其中所述磁场制备处于第一状态的所述等离子体，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

(2)根据(1)所述的方法，其中，选择所述第三多个电流以在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的所述部分上将所述分界面的半径约束为大约所述第二径向值。

(3)根据(1)或(2)所述的方法，其中所述等离子体在所述第一状态下具有环形形状，并且所述等离子体的平均β值为至少0.3，其中β是所述等离子体的压力与所述等离子体上的磁压的比率，并且在所述等离子体的表面上求平均值以获得所述平均β值。

(4)根据(1)至(3)中任一项所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的长度从所述第一状态下的所述分界面的第一长度值减小到所述第二状态下的所述第二长度值。

(5)根据(1)至(4)中任一项所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述第一多个电流中的至少一个电流增大到1.5倍至10,000倍。

(6)根据(1)至(5)中任一项所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述容器的中心处的所述磁场的量值增大到1.5倍至10,000倍。

(7)根据(1)至(6)中任一项所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的半径从所述第一径向值减小到所述第一径向值的1.5分之一至5分之一。

(8)根据(1)至(7)中任一项所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的长度从所述第一长度值减小到所述第一长度值的1.5分之一至50分之一。

(9)根据(1)至(8)中任一项所述的方法，其中施加所述第一多个电流和施加所述第二多个电流均在1微秒至100毫秒范围的持续时间内发生。

(10)根据(1)至(9)中任一项所述的方法，还包括在所述多个磁性线圈中的至少一个磁性线圈中接收电流，所述电流通过在所述等离子体转变为所述第三状态时产生的磁通量的增加而感生。

(11)根据(10)所述的方法，还包括将所接收的电流提供到外部负载。

(12)根据(10)或(11)所述的方法，还包括在循环序列中重复注入所述等离子体、施加所述第一多个电流、施加所述第二多个电流、施加所述第三多个电流和接收电流的动作，其中序列循环包括至少100个循环。

(13)根据(12)所述的方法，其中所述序列循环中的每个循环具有在1微秒至1,000毫秒范围内的持续时间。

(14)一种系统，包括：容器；多个磁性线圈，所述多个磁性线圈被布置成在所述容器内产生磁场；一个或多个供电电路，所述一个或多个供电电路耦合到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈；以及电路系统，所述电路系统控制电流到所述多个磁性线圈的递送，其中所述电路系统被配置成：将第一多个电流施加到所述多个磁性线圈以在所述容器内产生制备处于第一状态的等离子体的所述磁场，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述等离子体的第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

(15)根据配置(14)所述的系统，其中所述多个磁性线圈各自具有中心，所述中心沿着线性轴线被布置以形成反场构型发生器。

(16)根据配置(14)或(15)所述的系统，其中施加所述第二多个电流还包括将所述第一多个电流中的至少一个电流增大到1.5倍至10,000倍。

(17)根据配置(14)至(16)中任一项所述的系统，其中施加所述第二多个电流还包括将所述容器的中心处的所述磁场的量值增大到1.5倍至10,000倍。

(18)根据配置(14)至(17)中任一项所述的系统，其中施加所述第一多个电流和施加所述第二多个电流的动作在1微秒至1,000毫秒范围的持续时间内发生。

(19)根据配置(14)至(18)中任一项所述的系统，其中所述电路系统还被配置成在操作磁场系统时循环地重复施加所述第一多个电流、施加所述第二多个电流和施加所述第三多个电流的序列。

(20)根据配置(14)至(19)中任一项所述的系统，其中所述电路系统包括通信地耦合到所述一个或多个供电电路中的每一个供电电路的控制器。

(21)根据配置(14)至(19)中任一项所述的系统，其中所述电路系统包括触发控制电路系统，所述触发控制电路系统被配置成响应于接收到将电流递送到所述多个磁性线圈中的第一磁性线圈的命令信号而按顺序将电流递送到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈。

(22)根据配置(21)所述的系统，其中所述触发控制电路系统分布在耦合到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈的所述一个或多个供电电路中。

(23)根据配置(14)至(22)中任一项所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路包括：提供电流的源；从所述源接收电流的能量储存部件；以及将能量从所述能量储存部件递送到所述多个磁性线圈中的磁性线圈的第一开关。

(24)根据配置(23)所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路还包括第二开关，以从所述磁性线圈回收能量并且对所述能量储存部件再充电。

(25)根据配置(23)或(24)所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路还包括第三开关，以将电流从所述磁性线圈提供到外部负载。

结论

虽然本文已经描述和示出了各种发明实施例，但是本领域的普通技术人员将容易地设想用于执行功能和/或获得结果的各种其他装置和/或结构和/或本文所述优点中的一个或多个优点，并且此类变化和/或修改中的每一个被视为在本文所述发明实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置都旨在是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用发明教示的特定应用或若干应用。本领域的技术人员将认识到或能够使用不超过常规实验确定本文所述的特定发明实施例的许多等同物。因此，应理解，前述实施例仅以举例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同物的范围内，发明实施例可以以除具体描述和要求保护之外的其他方式实践。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互不一致，则两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合包括在本公开的发明范围内。

另外，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已提供其实例。作为所述方法的一部分执行的动作可以以任何合适方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示顺序执行动作的实施例，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明实施例中示出为顺序动作。

如本文所定义和使用的所有定义应理解为超越字典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义的限定。

除非明确指示为相反，否则如本文在说明书和权利要求书中所使用的不定冠词“一个(a)”和“一个(an)”应理解为意指“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的部件中的“一者或两者”，即在一些情况下结合地存在以及在其他情况下分离地存在的部件。用“和/或”列出的多个部件应以相同方式解释，即，如此结合的部件的“一个或多个”。除了由“和/或”条款特别识别的部件之外，其他部件可以任选地存在，无论与特别识别的那些部件相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言诸如“包括”结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可仅指A(任选地包括除B之外的部件)；在另一实施例中，仅指B(任选地包括除A之外的部件)；在又一实施例中，指A和B两者(任选地包括其他部件)等。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应理解为具有与上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分离项目时，“或”或“和/或”应被解释为包括，即包括许多部件或部件列表中的至少一个，但也包括多于一个，以及任选地包括另外的未列出项目。只有明确指示为相反的术语，例如“……中的仅一个”或“……中的正好一个”，或者当在权利要求书中使用时，“由……组成”将指包括许多部件或部件列表中的正好一个部件。一般来说，当前面有诸如“任一个”、“……中的一个”、“……中的仅一个”或“……中的正好一个”等排他术语时，本文所用的术语“或”仅应解释为指示排他替代方案(即，“一个或另一个但不是两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由……组成”应具有其在专利法领域中使用的通常含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个部件的列表时，短语“至少一个”应被理解为意指选自部件列表中的任意一个或多个部件中的至少一个部件，但不一定包括部件列表中具体列出的每个部件中的至少一个，并且不排除部件列表中部件的任何组合。此定义还允许除了短语“至少一个”所指的部件列表中特别识别的部件之外，部件可以任选地存在，无论与特别识别的那些部件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可指至少一个、任选地包括多于一个A、不存在B(并且任选地包括除B之外的部件)；在另一实施例中指至少一个、任选地包括多于一个B、不存在A(并且任选地包括除A之外的部件)；在又一实施例中指至少一个、任选地包括多于一个A和至少一个、任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他部件)；等等。

在权利要求书中以及上文说明书中，所有过渡性短语，例如“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“由……组成”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所述，只有过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别是封闭或半封闭过渡性短语。

Claims (25)

1.一种限制高能等离子体的方法，所述方法包括：

将所述等离子体注入到容器中；

将第一多个电流施加到多个磁性线圈，所述多个磁性线圈被布置成在所述容器内产生磁场，其中所述磁场制备处于第一状态的所述等离子体，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；

将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及

将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

2.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述第三多个电流以在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的所述部分上将所述分界面的半径约束为大约所述第二径向值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体在所述第一状态下具有环形形状，并且所述等离子体的平均β值为至少0.3，其中β是所述等离子体的压力与所述等离子体上的磁压的比率，并且在所述等离子体的表面上求平均值以获得所述平均β值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的长度从所述第一状态下的所述分界面的第一长度值减小到所述第二状态下的所述第二长度值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述第一多个电流中的至少一个电流增大到1.5倍至10,000倍。

6.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述容器的中心处的所述磁场的量值增大到1.5倍至10,000倍。

7.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的半径从所述第一径向值减小到所述第一径向值的1.5分之一至5分之一。

8.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第二多个电流还包括将所述分界面的长度从所述第一长度值减小到所述第一长度值的1.5分之一至50分之一。

9.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第一多个电流和施加所述第二多个电流均在1微秒至100毫秒范围的持续时间内发生。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括在所述多个磁性线圈中的至少一个磁性线圈中接收电流，所述电流通过在所述等离子体转变为所述第三状态时产生的磁通量的增加而感生。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所接收的电流提供到外部负载。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括在循环序列中重复注入所述等离子体、施加所述第一多个电流、施加所述第二多个电流、施加所述第三多个电流和接收电流的动作，其中序列循环包括至少100个循环。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述序列循环中的每个循环具有在1微秒至1,000毫秒范围内的持续时间。

14.一种系统，包括：

容器；

多个磁性线圈，所述多个磁性线圈被布置成在所述容器内产生磁场；

一个或多个供电电路，所述一个或多个供电电路耦合到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈；以及

电路系统，所述电路系统控制电流到所述多个磁性线圈的递送，其中所述电路系统被配置成：

将第一多个电流施加到所述多个磁性线圈以在所述容器内产生制备处于第一状态的等离子体的所述磁场，其中当所述等离子体处于所述第一状态时，处于所述第一状态的所述等离子体的分界面的半径具有第一径向值，并且所述分界面的长度具有第一长度值；

将第二多个电流施加到所述多个磁性线圈，其改变所述磁场以将所述等离子体从所述第一状态转变为第二状态，其中所述分界面的半径在所述等离子体的第二状态下具有小于所述第一径向值的第二径向值，并且所述分界面在所述第二状态下具有第二长度值；以及

将第三多个电流施加到所述多个磁性线圈，其在所述等离子体从所述第二状态转变为第三状态时改变所述磁场，在所述第三状态下，所述等离子体具有比在所述第二状态下更多的能量并且开始膨胀超过至少第二长度，其中选择所述第三多个电流以产生磁场，所述磁场抵抗在所述分界面的长度增加超过所述第二长度值时在所述分界面的长度的至少一部分上所述分界面的半径从所述第二径向值的膨胀。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述多个磁性线圈各自具有中心，所述中心沿着线性轴线被布置以形成反场构型发生器。

16.根据权利要求14所述的系统，其中施加所述第二多个电流还包括将所述第一多个电流中的至少一个电流增大到1.5倍至10,000倍。

17.根据权利要求14所述的系统，其中施加所述第二多个电流还包括将所述容器的中心处的所述磁场的量值增大到1.5倍至10,000倍。

18.根据权利要求14所述的系统，其中施加所述第一多个电流和施加所述第二多个电流的动作在1微秒至1,000毫秒范围的持续时间内发生。

19.根据权利要求14所述的系统，其中所述电路系统还被配置成在操作磁场系统时循环地重复施加所述第一多个电流、施加所述第二多个电流和施加所述第三多个电流的序列。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述电路系统包括通信地耦合到所述一个或多个供电电路中的每一个供电电路的控制器。

21.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述电路系统包括触发控制电路系统，所述触发控制电路系统被配置成响应于接收到将电流递送到所述多个磁性线圈中的第一磁性线圈的命令信号而按顺序将电流递送到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述触发控制电路系统分布在耦合到所述多个磁性线圈中的每一个磁性线圈的所述一个或多个供电电路中。

23.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路包括：

提供电流的源；

从所述源接收电流的能量储存部件；以及

将能量从所述能量储存部件递送到所述多个磁性线圈中的磁性线圈的第一开关。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路还包括第二开关，以从所述磁性线圈回收能量并且对所述能量储存部件再充电。

25.根据权利要求23所述的系统，其中所述一个或多个供电电路中的每个供电电路还包括第三开关，以将电流从所述磁性线圈提供到外部负载。