[发明专利]高温等离子体中的低磁场和零点磁场的非微扰测量

说明书

便于高温等离子体中的低磁场和零点磁场的非微扰测量的系统和方法。

技术领域

本文中描述的主题一般涉及磁诊断，并且更特别地涉及便于高温等离子体中的低磁场和零点（null）磁场的非微扰测量的系统和方法。

背景技术

高温等离子体对实现核聚变，以及因此生成聚变能是至关重要的（高温被定义为大于100 eV或一（1）百万度的离子温度；等离子体被定义为由正离子、自由电子和中性粒子按比例组成的电离气体，该比例通常在非常高的温度（例如，在恒星和核聚变反应堆中）和/或低压力（例如，在上层大气和荧光灯中）下导致或多或少地没有整体电荷）。在不损坏材料本身并且不使等离子体的质量（包括温度本身）严重退化的情况下，高温阻止了用以约束或甚至探测这样的等离子体的任何（人造或天然的）固体材料的物理接触。通常使用由外部磁场线圈和在等离子体中流动的电流的组合所创建的磁场构型（configuration）来约束高温等离子体。磁约束使高温等离子体远离器壁。这对使高温等离子体的污染和聚变质量的退化最小化而言是至关重要的。在等离子体中流动的电流生成磁场，因此等离子体内部的净磁场幅度和方向可以与没有等离子体的磁场（仅由于外部线圈，被称作真空场）显著不同。聚变级高温等离子体中的内部磁场的测量不仅提供有关等离子体约束和质量的有价值的信息，而且还可以被用作主动反馈控制的输入，从而快速地调整由外部场线圈所生成的磁场，以用于控制等离子体的方位和不稳定性。

高温还对在等离子体内部进行实验式地诊断（例如，局部磁场的测量）提出了挑战，因为将任何固体探针插入到等离子体中不仅会导致探针受损，而且还将会使等离子体退化。这些等离子体中的诊断需要是非微扰的。结果，基于光的属性中的改变的诊断技术在实验等离子体物理学中很流行，该光由等离子体本身发射或者在等离子体中注入（例如，激光）。

在等离子体物理学中，通常将量beta（β）定义为等离子体热压力与磁压力的比率，从而表示由于温度和磁场所引起的力的平衡。低β（β~0.1）高温等离子体设备（比如托卡马克（Tokamaks）和仿星器（Stellarator））在高磁场（~10⁴高斯）下操作。在这些设备中，内部磁场典型地为千高斯或更高的数量级，并且因此使用基于例如塞曼效应、法拉第旋转、运动斯塔克效应等等的物理原理的诊断方法。对于这些诊断，信号与磁场强度成比例，并且因此与低场相比，更容易测量高场。

用于聚变等离子体的另一流行方法是使用高β等离子体，其中等离子体压力与磁压力的比率接近一（β~1），例如，反场构型（FRC）等离子体和磁会切（Magnetic-Cusps）等离子体。在高β等离子体构型中，磁场强度为低（〜几百高斯）并且在等离子体内部变为零。因此，对于这样的低β等离子体，上文提到的诊断方法提供有限的信息或不能提供信息。一些研究人员已经提出，要推进这些诊断技术的物理学和技术的限制，只能取得有限的成功。仍然缺失可靠且经证明的系统和方法来测量高β高温等离子体中的零点位置、场反转或低磁场。

由于显著降低了磁场的要求，高β等离子体提供了经济上有吸引力的聚变方法。高温先进的射束驱动FRC等离子体的出现和最近突破（参见例如，WO2013/074666和WO2015/048092）使得该方法更具吸引力。它还再次强调了对FRC等离子体（以及其他高β等离子体）的内部磁场诊断的需要，该需要可扩展到聚变参数。

因此，提供便于高温等离子体中的低磁场和零点磁场的非微扰测量的系统和方法是合期望的。

发明内容

本文中提供的各种实施例一般涉及便于高温等离子体中的低磁场和零点磁场的非微扰测量的系统和方法。本文中呈现示例性诊断技术来测量高温等离子体中的低磁场，包括FRC和磁会切磁场构型。这种非微扰技术能够测量场反转、磁场幅度、空间分布和方向，而且还有零磁场（零点）方位及其形状。磁场的实时测量可以被用于FRC方位和不稳定性的主动反馈控制。

根据对以下附图和详细描述的研究，示例实施例的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的或者将变得显而易见。