JP7007730B2 - Ｆｒｃプラズマ位置安定性のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（分野）
本明細書に説明される主題は、概して、磁場反転配位（ＦＲＣ）を有する磁気プラズマ閉じ込めシステムに関し、より具体的には、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの位置制御とを促進する、システムおよび方法に関する。

（背景情報）
磁場反転配位（ＦＲＣ）は、コンパクト・トロイド（ＣＴ）として公知の磁気プラズマ閉じ込めトポロジーの分類に属する。ＦＲＣは、主にポロイダル磁場を示し、自然発生のトロイダル磁場がない、または少ない（Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ ２８、２０３３（１９８８）参照）。このような構造の魅力は、構築および維持が容易なその単純な形状、エネルギーの抽出および灰の除去を促進する無制限の自然ダイバータ、ならびに非常に高いβ（βはＦＲＣ内部の平均磁場圧力に対する平均プラズマ圧力の割合である）、すなわち、高出力密度である。高いβ特性は、経済運用、ならびにＤ－Ｈｅ^３およびｐ－Ｂ^１１などの進化した非中性子燃料の使用に有利である。

ＦＲＣデバイスは、とりわけ、熱核融合エネルギーを生成する目的のために、高温プラズマを閉じ込めるために磁場に依拠する、閉鎖された高真空デバイスである。磁場の成分は、必然的に、プラズマに対して外部のコイルによって生産される磁場と相互作用する、プラズマ中の強力なトロイダル電流によって生産されなければならない。他の磁気閉じ込めデバイスと対照的に、ＦＲＣデバイスは、トロイダル場を生産するための外部コイルを有していない。典型的ＦＲＣプラズマは、外部コイル軸に沿った軸を伴う回転楕円体に類似する。楕円境界は、プラズマ区分線であり、これは、楕円の回転軸に沿った対称軸を伴うコンパクトトロイダルプラズマを境界する。

トロイダル磁場の欠如に起因して、ＦＲＣプラズマは、軸対称性の破れを受けやすく、これは、何らかの是正措置が講じられない場合、増加したエネルギー、密度、および閉じ込めの損失につながり得る。最も基本的不安定性は、ＦＲＣプラズマにおいて、プラズマ電流が外部コイル電流と反対方向に流動し、これが、プラズマ電流ループを外部場と整合させる方向に作用するトルクを生成するという事実に関連する（傾斜不安定性）。他の軸対称性の破れは、半径方向に偏移するプラズマ回転軸（半径方向偏移）、ＦＲＣ中央部の楕円変形（回転モード）、半径方向偏移と回転との組み合わせ（揺動モード）、プラズマ微小乱流、およびその他に関する。これらの軸対称性の破れはまた、プラズマ不安定性として知られ、プラズマ質量およびエネルギーの良好な閉じ込めを有するために、回避されなければならない。

半径方向における安定性を達成するために提案される解決策の１つは、ＦＲＣ平衡が、プラズマ位置が、横方向または半径方向において不安定となることを犠牲として、軸方向において安定するか、または軸方向に不安定となることを犠牲として、半径方向に安定するかのいずれかであるが、同時に両方ではないという解決策を含むという事実に基づく。一見すると、プラズマ位置が横方向に安定する平衡は、軸方向に不安定となることを犠牲として、軸対称となる所望の性質を有する。しかしながら、軸方向位置不安定性は、軸方向および半径方向の両方において安定性を得るために、外部軸対称コイルのセットを使用して能動的に制御されることができる。

前述に照らして、したがって、その平衡の軸方向安定性性質から独立した方法でＦＲＣプラズマの軸方向位置の制御を促進する、システムおよび方法を提供することが望ましい。これは、平衡が、例えば、軸方向不安定性シナリオが、一時的に喪失され、プラズマ放電の間に回復される場合、ＦＲＣ放電の異なる位相上で軸方向安定および不安定平衡間で遷移する必要があり得るため、重要である。

本明細書に提供される本実施形態は、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマの平衡の軸方向安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法を対象とする。一見すると、プラズマ位置が横方向にまたは半径方向に安定する平衡は、軸方向に不安定になることを犠牲として、軸対称である所望の性質を有する。しかしながら、軸方向位置不安定性は、ＦＲＣプラズマ軸方向位置を制御する外部軸対称コイルのセットを使用して、能動的に制御されることができる。

本明細書に提示される実施形態は、ＦＲＣの軸方向に不安定平衡を利用して、軸方向不安定性を安定化または制御しながら、半径方向安定性を強制する。このように、軸方向および半径方向の両方における安定性が、得られることができる。制御方法論は、外部または平衡磁場を改変し、軸方向に不安定になることを犠牲として、ＦＲＣプラズマを半径方向または横方向に安定させ、次いで、閉じ込めチャンバの中央平面の周囲のオーバーシュートおよび／または発振を最小限にしながら、ＦＲＣプラズマ位置を中央平面に向かって即座に回復するために、半径方向場コイル電流に作用するように設計される。本解決策の利点は、制御のために要求されるアクチュエータの複雑性を低減させることである。複数の自由度を伴う従来の解決策と比較して、本明細書に提示される実施形態の方法論は、１自由度を用いて、ＦＲＣプラズマ回転軸に沿った制御問題に対する複雑性を低減させる。

本明細書に説明されるシステムおよび方法は、有利には、プラズマと同心の外部コイルのセットに印加される電圧に作用することによる、ＦＲＣプラズマ軸方向位置のフィードバック制御と、非線形制御技法を使用した、ＦＲＣ軸方向位置のフィードバック制御と、プラズマ平衡の安定性性質から独立した、ＦＲＣ軸方向位置のフィードバック制御とを提供する。これは、例えば、軸方向不安定性シナリオが一時的に喪失され、プラズマ放電の間に回復される場合、平衡が、ＦＲＣ放電の異なる位相上で軸方向に安な平衡と不安定な平衡との間で遷移する必要があり得るため、有利である。

例示的実施形態のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図およびならびに発明を実施するための形態の吟味に応じて、当業者に明白である、または明白となるであろう。全てのそのような付加的方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、付随の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。また、特許請求の範囲は、例示的実施形態の詳細を要求するように限定されないことも意図される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマを安定化させるための方法であって、
閉じ込めチャンバ内で回転プラズマの周りにＦＲＣ磁場を形成することにより、前記閉じ込めチャンバの中央平面に隣接する前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿って位置付けられるＦＲＣプラズマを形成するステップと、
前記ＦＲＣプラズマを前記長手方向軸の周りに軸対称に位置付けるために、前記長手方向軸に対して直角の半径方向と、前記ＦＲＣプラズマを前記中央平面の周りに軸対称に位置付けるために、前記長手方向軸に沿った軸方向とにおいて前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップと
を含む、方法。
（項目２）
前記チャンバの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、印加される磁場を前記チャンバ内に生成するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記ＦＲＣプラズマを前記半径方向に安定化させるステップは、前記印加される磁場を調整することにより、半径方向安定性および軸方向不安定性を前記ＦＲＣプラズマ内に誘発することを含む、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記ＦＲＣプラズマを軸方向に安定化させるステップは、第１および第２の半径方向磁場を生成することを含み、前記第１および第２の半径方向磁場は、前記ＦＲＣと相互作用することにより、前記ＦＲＣプラズマを軸方向に移動させ、前記ＦＲＣプラズマを前記中央平面の周りに軸対称に位置付ける、項目１～３に記載の方法。
（項目５）
前記第１および第２の半径方向磁場は、前記中央平面の周りに反対称である、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記第１および第２の半径方向磁場は、前記閉じ込めチャンバの周りに位置付けられる第１および第２の半径方向コイル内で逆方向に誘発される電流に起因して生成される、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップは、前記プラズマの位置を監視することを含む、項目１～６に記載の方法。
（項目８）
前記プラズマの位置を監視するステップは、前記ＦＲＣプラズマと関連付けられた磁気測定値を監視することを含む、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記第１および第２の半径方向コイル内の電流を測定するステップをさらに含む、項目７～８に記載の方法。
（項目１０）
前記ＦＲＣプラズマの速度を監視するステップをさらに含む、項目９に記載の方法。
（項目１１）
高速中性原子のビームを中性ビーム注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入し、コンパクトトロイドプラズマを前記ＦＲＣの中に注入することによって、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持することをさらに含む、項目１～１０に記載の方法。
（項目１２）
前記チャンバの対向端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を前記チャンバの前記対向端内に生成するステップをさらに含む、項目１１に記載の方法。（項目１３）
前記ＦＲＣを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの端部に結合される形成区分内に形成ＦＲＣを形成することと、前記形成ＦＲＣを前記チャンバの中央平面に向かって加速させることにより、前記ＦＲＣを形成することとを含む、項目１～１２に記載の方法。
（項目１４）
前記ＦＲＣを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの第２の端部に結合される第２の形成区分内に第２の形成ＦＲＣを形成することと、前記第２の形成ＦＲＣを前記チャンバの中央平面に向かって加速させることとを含み、前記２つの形成ＦＲＣは、前記ＦＲＣを形成するように融合する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記ＦＲＣを形成するステップは、前記形成ＦＲＣを前記チャンバの中央平面に向かって加速させながら、形成ＦＲＣを形成することと、形成ＦＲＣを形成し、次いで、前記形成ＦＲＣを前記チャンバの中央平面に向かって加速させることとのうちの１つを含む、項目１３および１４に記載の方法。
（項目１６）
前前記ＦＲＣの磁束表面を前記第１および第２の形成区分の端部に結合されるダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
ゲッタリングシステムを用いて、前記チャンバの内部表面、形成区分、およびダイバータを調整するステップをさらに含む、項目１～１６に記載の方法。
（項目１８）
前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの１つを含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
プラズマを軸方向に搭載されるプラズマガンから前記ＦＲＣの中に軸方向に注入するステップをさらに含む、項目１～１７に記載の方法。
（項目２０）
前記ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、項目１～１９に記載の方法。
（項目２１）
前記ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、前記ＦＲＣの開磁束面群に電位分布を印加することを含む、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を生成および安定化させるためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記閉じ込めチャンバに結合される第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成区分であって、前記形成区分は、ＦＲＣを生成し、前記ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール式形成システムを備える、形成区分と、
前記第１および第２の形成区分に結合される第１および第２のダイバータと、
前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成区分、ならびに前記閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンと、
前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対して直角未満の角度で前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって中性原子ビームを注入するように配向される、複数の中性原子ビーム注入器と、
前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成区分、ならびに前記第１および第２のダイバータの周囲に位置付けられる複数の擬似直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成区分との間に位置付けられる第１および第２の擬似直流ミラーコイルのセットと、前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる第１および第２のミラープラグとを備える磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバならびに前記第１および第２のダイバータに結合されるゲッタリングシステムと、
第１および第２の半径方向磁場をチャンバ内に生成するように構成される第１および第２の半径方向磁場コイルのセットと、
前記擬似直流コイルならびに前記第１および第２の半径方向磁場コイルに動作可能に結合される制御システムであって、前記制御システムは、複数の命令を備える非一過性メモリに結合されるプロセッサを含み、前記複数の命令は、実行されると、ＦＲＣプラズマを前記長手方向軸の周りに軸対称に位置付けるために、前記チャンバの長手方向軸に対して直角の半径方向と、前記ＦＲＣプラズマを前記中央平面の周りに軸対称に位置付けるために、前記長手方向軸に沿った軸方向とにおいて前記ＦＲＣプラズマを安定化させるために、前記複数の擬似直流コイルならびに前記第１および第２の半径方向場コイルによって生成された磁場を調整することを前記プロセッサに行わせる、制御システムと
を備える、システム。
（項目２３）
前記システムは、ＦＲＣを生成し、中性原子ビームが前記ＦＲＣの中に注入される間、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持するように構成される、項目２２に記載のシステム。
（項目２４）
前記第１および第２の半径方向磁場は、前記中央平面の周りに反対称である、項目２２に記載のシステム。

添付図面は本明細書の一部として含まれ、この例示的な実施形態を示し、上に提供された概要および以下に提供される例示的な実施形態の詳述と共に、本発明の原理を説明し教示する働きをする。

高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）下と従来のＦＲＣレジーム（ＣＲ）下との関係、および他の従来のＦＲＣ実験との関係において、本ＦＲＣシステムにおける粒子閉じ込めを示す図である。

本ＦＲＣシステムの構成要素、および本ＦＲＣシステムにおけるＦＲＣを生産可能な磁気トポロジーを示す図である。

図３Ａは、中性ビーム、電極、プラズマガン、ミラープラグ、およびペレット注入器の好ましい配列を含む、上部から見た本ＦＲＣシステムの基本レイアウトを図示する。

図３Ｂは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して直角である角度で配列される、中性ビームを示す。

図３Ｃは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して直角未満である角度で配列され、粒子を中心閉じ込め容器の中央平面に向かって注入するように指向される、中性ビームを示す。 （記載なし） （記載なし）

形成部分に対するパルス電力システムの構成要素の概略を示す図である。

個々のパルス電力形成スキッドのアイソメ図である。

形成管アセンブリのアイソメ図である。

中性ビームシステムおよび主要構成要素の部分断面アイソメ図である。

閉じ込めチャンバ上の中性ビーム配置のアイソメ図である。

ＴｉおよびＬｉゲッタリング・システムの好ましい配置の部分断面アイソメ図である。

ダイバータ・チャンバに搭載されたプラズマガンの部分断面アイソメ図である。また、関連した磁気ミラープラグおよびダイバータ電極アセンブリも示す。

閉じ込めチャンバの軸方向端部における環状バイアス電極の好ましい配置を示す図である。

２つの磁場反転シータピンチ形成部分における一連の外部反磁性ループおよび中央金属閉じ込めチャンバ内に組み込んだ磁界プローブから獲得した、ＦＲＣシステムにおける排除磁束半径の展開を示す図である。時間は、形成源内の同期された磁場反転の瞬間から測定され、距離ｚは、機械の軸方向の中央平面に対して与えられる。

図１３（ａ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１３（ｂ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１３（ｃ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外形が、時間関数として示されている。図１３（ｄ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。

図１３に示された本ＦＲＣシステムの同じ放出に対して、選択された時間における排除磁束の軸方向の外形を示す図である。

閉じ込めチャンバの外側に装着されたサドルコイルのアイソメ図である。

ＦＲＣの耐用期間および入射された中性ビームのパルス長の相互関係を示す図である。示されたように、ビームパルスが長いほど、より長く耐用するＦＲＣを生成する。

ＦＲＣ性能のＦＲＣシステムの異なる構成要素の個々の効果および組み合わせた効果、ならびにＨＰＦレジームの達成を示す図である。

図１８（ａ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１８（ｂ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１８（ｃ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外径が、時間関数として示されている。図１８（ｄ）は、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図であり、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。

電子温度（Ｔ_ｅ）の関数として、磁束閉じ込めを示す図である。これは、ＨＰＦ放出に対して新しく確立された優れたスケーリングレジームを表すグラフを示す。

図２０は、角度付けられていないおよび角度付けられた注入される中性ビームのパルス長に対応する、ＦＲＣ寿命時間を図示する。

図２１Ａおよび２１Ｂは、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器の基本レイアウトを図示する。

図２２Ａおよび２２Ｂは、中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器に搭載されたＣＴ注入器を示す。

図２３Ａおよび２３Ｂは、ＣＴ注入器の代替実施形態の基本レイアウトを図示し、ＣＴ注入器にドリフトチューブがを結合される。

図２４は、閉じ込め容器（ＣＶ）内のＦＲＣプラズマの軸方向位置制御機構を図示する、概略図である。

図２５は、一般的スライディングモード制御スキームのフロー図である。

図２６は、スライディングモード軸方向位置制御シミュレーションの実施例の複合グラフである。

図２７は、スライディングモード軸方向位置制御シミュレーションの実施例の複合グラフである。

図は必ずしも一定の縮尺で描かれてはおらず、同様の構造または機能の要素は、説明のために図を通して同じ参照番号で概ね表されていることに留意されたい。また図は、本明細書に記載された様々な実施形態の説明を容易にすることを意図するに過ぎないことにも留意されたい。図は、必ずしも本明細書に開示された教示のすべての態様を説明せず、特許請求の範囲を限定するものではない。

（詳細な説明）
本明細書に提供される本実施形態は、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマの平衡の軸方向安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法を対象とする。別個および組み合わせの両方において、これらの付加的特徴および教示の多くを利用する、本明細書に説明される実施形態の代表的実施例が、ここで、添付の図面を参照して説明される。この詳細な説明は、単に、当業者に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を教示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、以下の詳細な説明に開示される特徴およびステップの組み合わせは、最も広義には、本発明を実践するために必要ではなくてもよく、代わりに、本教示の代表的実施例を特に説明するためだけに教示される。

さらに、代表的実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の付加的な有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明示的には列挙されない方法で組み合わせられてもよい。加えて、説明および／または請求項に開示される全ての特徴は、元来の開示の目的のために、ならびに実施形態および／または請求項における特徴の複合物から独立して、請求される主題を制限する目的のために、相互から別個かつ独立して開示されることが意図されることが明示的に留意される。また、全ての値範囲またはエンティティの群のインジケーションは、元来の開示の目的のために、ならびに請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能な中間値または中間エンティティを開示することも明示的に留意される。

ＦＲＣ不安定性の従来の解決策は、典型的には、半径方向に不安定になることを犠牲として、軸方向における安定性を提供する、または軸方向に不安定になることを犠牲として、半径方向に安定性を提供するが、安定性を同時に両方向に提供しない。一見すると、プラズマ位置が横方向または半径方向に安定する平衡が、軸方向に不安定になることを犠牲として、軸対称性となる所望の性質を有する。前述に照らして、本明細書に提供される実施形態は、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマの平衡の軸方向安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法を対象とする。しかしながら、軸方向位置不安定性は、ＦＲＣプラズマ軸方向位置を制御する外部軸対称コイルのセットを使用して能動的に制御される。本システムおよび方法は、プラズマと同心の外部コイルのセットに印加される電圧に作用し、非線形制御技法を使用することによって、プラズマ平衡の安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ軸方向位置のフィードバック制御を提供する。

本明細書に提示される実施形態は、ＦＲＣの軸方向に不安定な平衡を利用して、軸方向不安定性を安定化または制御しながら、半径方向安定性を強制する。このように、軸方向および半径方向の両方における安定性が、得られることができる。制御方法論は、外部または平衡磁場を改変し、軸方向に不安定になることを犠牲として、ＦＲＣプラズマを半径方向または横方向に安定させ、次いで、閉じ込めチャンバの中央平面の周囲のオーバーシュートおよび／または発振を最小限にしながら、ＦＲＣプラズマ位置を中央平面に向かって即座に回復するために、半径方向場コイル電流に作用するように設計される。本解決策の利点は、制御のために要求されるアクチュエータの複雑性を低減させることである。複数の自由度を伴う従来の解決策と比較して、本明細書に提示される実施形態の方法論は、１自由度を用いて、ＦＲＣプラズマ回転軸に沿った制御問題に対する複雑性を低減させる。

軸方向不安定プラズマをもたらす、コイル電流中の波形、燃料補給、および中性ビームパワーの組み合わせは、プラズマを軸方向不安定状況に設定する、プラズマ制御シナリオを定義する。本シナリオは、シミュレーションもしくは実験における以前の知識、または軸方向に不安定な平衡を維持するように制御されたフィードバックを使用して、事前にプログラムされることができる。プラズマ位置は、平衡の安定性性質から独立して、放電の間に制御されるべきであり、例えば、制御スキームは、軸方向に安定または軸方向に不安定なプラズマのいずれかに対して限界まで作用すべきである。制御され得る最も軸方向に不安定なプラズマは、容器の表皮時間に匹敵する、成長時間を有する。

半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法に目を向ける前に、従来のＦＲＣに優る優れた安定性ならびに優れた粒子、エネルギー、および束の閉じ込めを伴う、高性能ＦＲＣを形成および維持するためのシステムおよび方法の議論が、提供される。そのような高性能ＦＲＣは、コンパクト中性子源（医療用同位体生産、核廃棄物浄化、材料研究、中性子放射線撮影、および断層撮影のため）、コンパクト光子源（化学生産および処理のため）、質量分離および濃縮システム、ならびに将来のエネルギー生成のための軽核の融合用炉心を含む、あらゆる種々の用途への経路を提供する。

様々な付随システムおよび作動モードが、ＦＲＣ内に優れた閉じ込めレジームが存在するかどうかを評価するために調査されてきた。これらの努力は、本明細書に説明された高性能のＦＲＣパラダイムの画期的な発見および発展をもたらした。この新しいパラダイムによれば、本システムおよび方法は、多くの新規の発想と、図１に示したように、ＦＲＣ閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わせる。以下により詳細に論じるように、図１は、以下に説明する（図２および３参照）ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込めを示し、ＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームＣＲによる作動に対して、また他の実施形態で使用されるＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームによる粒子閉じ込めに対して、ＦＲＣを形成し維持するための高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）により作動する。本開示は、ＦＲＣシステム１０の革新的な個々の構成要素および方法、ならびにそれらの集合効果の概要を説明し詳述する。

（ＦＲＣシステムの説明）
真空システム
図２および３は、本ＦＲＣシステム１０の概略を示す。ＦＲＣシステム１０は、２つの直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分２００、およびその形成部分２００を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための２つのダイバータ・チャンバ３００によって包囲された中央閉じ込め容器１００を含む。本ＦＲＣシステム１０は、超高真空を収容するように構築されており、一般的な基準圧１０^－８トルで作動する。このような真空圧は、嵌合構成要素、金属Ｏリング、高純度の内壁の間のダブルポンプの嵌合フランジを使用し、ならびに物理的および化学的洗浄に続き、２４時間２５０℃での真空焼成および水素グロー放電洗浄などの、組立て前にすべての部分を最初に慎重に表面調整する必要がある。

磁場反転シータピンチ形成部分２００は、以下に詳しく論じる（図４～６参照）進化したパルス電力形成システムを備えているが、標準磁場反転シータピンチ（ＦＲＴＰ）である。各形成部分２００は、超高純度石英の２ミリメートルの内壁を特色とする、標準純度工業グレードの石英管から作成される。閉じ込めチャンバ１００は、ステンレス鋼から作成されて、複数の径方向および接線方向のポートが可能になる。また閉じ込めチャンバ１００は、以下に説明される実験の時間スケール上で磁束保存器として働き、高速過渡磁場を制限する。真空は、ドライスクロール粗引きポンプ、ターボ分子ポンプおよびクライオポンプのセットを備える、ＦＲＣシステム１０内に生成され維持される。

磁気システム
磁気システム４００は、図２および３に示されている。図２は、他の特徴の中でとりわけ、ＦＲＣシステム１０によって生産可能なＦＲＣ４５０に関する、ＦＲＣ磁束および密度等高線（径方向および軸方向座標の関数として）を示す。これらの等高線は、ＦＲＣシステム１０に対応するシステムおよび方法をシミュレーションするために開発されたコードを使用して、二次元抵抗性Ｈａｌｌ－ＭＨＤ数値シミュレーションによって獲得されたものであり、測定された実験データとよく合致する。図２に見られるように、ＦＲＣ４５０は、セパラトリックス４５１の内側のＦＲＣ４５０の内部４５３で、閉じた磁力線のトーラス、およびセパラトリックス４５１のすぐ外側の開いた磁力線４５２上の環状縁層４５６からなる。縁層４５６は、ＦＲＣの長さを超えて集結してジェット４５４になり、自然ダイバータを提供する。

主磁気システム４１０は、構成要素に沿って、すなわち、ＦＲＣシステム１０の閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００に沿って、特に軸方向位置にある一連の疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６を含む。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６は、疑似直流スイッチング電源によって供給され、閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００内に約０．１Ｔの基本磁気バイアス磁場を生成する。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６に加えて、主磁気システム４１０は、閉じ込めチャンバ１００のいずれかの端部と隣接した形成部分２００との間に疑似直流ミラーコイル４２０（スイッチング電源によって供給される）を含む。疑似直流ミラーコイル４２０は、最高５までの磁気ミラー比を提供し、平衡形状制御のために単独で活性化されることが可能である。加えて、ミラープラグ４４０は、それぞれの形成部分２００とダイバータ３００との間に位置付けられる。ミラープラグ４４０は、小型の疑似直流ミラーコイル４３０およびミラープラグコイル４４４を備える。疑似直流ミラーコイル４３０は、ミラープラグコイル４４４を通過して短い直径の通路４４２に向かって磁束表面４５５の焦点を合わせるために、追加のガイド磁場を生成する３つのコイル４３２、４３４および４３６（スイッチング電源によって供給される）を含む。ミラープラグコイル４４４は、短い直径の通路４４２を中心に巻き付き、ＬＣパルス電力回路によって供給され、最高４Ｔまでの強いミラー磁場を生成する。このコイル配置全体の目的は、堅く束ね、磁束表面４５５および端部に流れるプラズマジェット４５４を、ダイバータ３００の遠隔チャンバ３１０に導くことである。最後に、サドルコイル「アンテナ」４６０のセット（図１５参照）は、中央平面の各側面上に２つずつ、閉じ込めチャンバ１００の外側に配置され、直流電源によって供給される。サドルコイル・アンテナ４６０を、回転不安定性の制御および／または電子電流制御のために、約０．０１Ｔの準静的磁気双極子または四重極磁場を提供するように構成することができる。サドルコイル・アンテナ４６０は、印加電流の方向に依存して、中央平面に対して対称または反対称のいずれかである、磁場を柔軟に提供できる。

パルス電力形成システム
パルス電力形成システム２１０は、修正シータピンチ原理に基づいて作動する。それぞれが形成部分２００の１つに電力を供給する、２つのシステムが存在する。図４～６は、形成システム２１０の主な構築ブロックおよび配置を示す。形成システム２１０は、個々のユニット（＝スキッド）２２０からなるモジュラーパルス電力配置から構成され、スキッド２２０のそれぞれは、形成石英管２４０を中心に巻き付くストラップアセンブリ２３０（＝ストラップ）のコイル２３２のサブセットを活性化する。各スキッド２２０は、コンデンサ２２１、インダクタ２２３、高速大電流スイッチ２２５および関連トリガー２２２ならびにダンプ回路２２４から構成される。全体で、各形成システム２１０は、３５０～４００ｋＪの容量エネルギーを保存し、この容量エネルギーは、最高３５ＧＷまでの電力を提供してＦＲＣを形成し加速する。これらの構成要素の協調された作動は、最先端のトリガーおよび制御システム２２２および２２４を介して達成され、それによって各形成部分２００上の形成システム２１０間のタイミングを同期することが可能になり、スイッチングジッタを数十ナノ秒に最小化する。このモジュラー設計の利点は、その柔軟な作動である。すなわち、ＦＲＣをその場で形成でき、次いで加速し照射する（＝静的形成）、または形成し同時に加速する（＝動的形成）ことができる。

中性ビーム注入器
中性原子ビーム６００が、ＦＲＣシステム１０上に展開され、加熱および電流駆動を提供し、高速粒子圧力を発生させる。図３Ａ、３Ｂ、および８に示されるように、中性原子ビーム注入器システム６１０および６４０を構成する、個々のビーム線は、標的捕捉ゾーンが十分に区分線４５１（図２参照）の範囲内にあるように、衝突パラメータを用いて、中心閉じ込めチャンバ１００の周囲に位置し、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に（かつ、中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して垂直または直角である角度で）注入する。各注入器システム６１０および６４０は、２０～４０ｋｅＶの粒子エネルギーを用いて、最大１ＭＷの中性ビームパワーをＦＲＣプラズマの中に注入可能である。システム６１０および６４０は、正イオン多開口抽出源に基づき、幾何学的集束、イオン抽出グリッドの慣性冷却、および差動ポンプを利用する。異なるプラズマ源の使用は別として、システム６１０および６４０は、主に、側方および上方注入能力をもたらす、その個別の搭載場所を満たすようなその物理的設計によって区別される。これらの中性ビーム注入器の典型的構成要素は、側方注入器システム６１０に関する図７に具体的に図示される。図７に示されるように、各個々の中性ビームシステム６１０は、端部を被覆する磁気遮蔽６１４とともに、入力端部（これは、システム６４０内のアーク源で代用される）にＲＦプラズマ源６１２を含む。イオン光学源および加速グリッド６１６は、プラズマ源６１２に結合され、ゲート弁６２０は、イオン光学源および加速グリッド６１６と中和装置６２２との間に位置付けられる。偏向磁石６２４およびイオンダンプ６２８は、中和装置６２２と出口端部における照準デバイス６３０との間に位置する。冷却システムは、２つの低温冷凍機６３４と、２つのクライオパネル６３６と、ＬＮ２シュラウド６３８とを備える。本柔軟性のある設計は、広範囲のＦＲＣパラメータにわたる動作を可能にする。

中性原子ビーム注入器６００のための代替構成は、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に注入するが、角度Ａは、中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して９０°未満であるものである。ビーム注入器６１５のこれらのタイプの配向は、図３Ｃに示される。加えて、ビーム注入器６１５は、中心閉じ込め容器１００の中央平面の両側のビーム注入器６１５が、その粒子を中央平面に向かって注入するように配向されてもよい。最後に、これらのビームシステム６００の軸方向位置は、中央平面により近接するように選定されてもよい。これらの代替注入実施形態は、より中心における燃料補給選択肢を促進し、ビームのより優れた結合および注入される高速粒子のより高い捕捉効率を提供する。さらに、角度および軸方向位置に応じて、ビーム注入器６１５の本配列は、ＦＲＣ４５０の軸方向伸長および他の特性のより直接的かつ独立した制御を可能にする。例えば、ビームを容器の対称長軸に対して浅角Ａで注入することは、より長い軸方向伸展およびより低い温度を伴うＦＲＣプラズマを作成するであろう一方、より垂直な角度Ａで取り上げることは、軸方向により短いが、より高温のプラズマにつながるであろう。本方式では、ビーム注入器６１５の注入角度Ａおよび場所は、異なる目的のために最適化されることができる。加えて、ビーム注入器６１５のそのような角度付けおよび位置付けは、より高いエネルギーのビーム（概して、より少ないビーム分散を伴う、より多くのパワーを堆積させるためにより好ましい）が、そうでなければ、そのようなビームを捕捉するために必要となるであろうものより低い磁場の中に注入されることを可能にすることができる。これは、高速イオン軌道スケールを判定するのが、エネルギーの方位角成分（容器の対称長軸に対する注入角度が一定ビームエネルギーで低減されるにつれて、徐々に小さくなる）という事実に起因する。さらに、中央平面に向かって角度付けられた注入および中央平面に近接する軸方向ビーム位置は、注入周期の間、ＦＲＣプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム－プラズマ結合を改良する。

図３Ｄおよび３Ｅに目を向けると、別の代替構成は、角度付けられたビーム注入器６１５に加え、内側ダイバータ３０２を含む。内側ダイバータ３０２は、形成区分２００と閉じ込めチャンバ１００との間に位置付けられ、外側ダイバータ３００と実質的に同様に構成され、動作する。高速切替磁気コイルをその中に含む、内側ダイバータ３０２は、形成プロセスの間、事実上、非アクティブであり、形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって平行移動するにつれて、形成ＦＲＣが、内側ダイバータ３０２を通過することを可能にする。いったん形成ＦＲＣが内側ダイバータ３０２を通過して閉じ込めチャンバ１００の中に入ると、内側ダイバータは、アクティブ化され、外側ダイバータと実質的に同様に動作し、閉じ込めチャンバ１００を形成区分２００から隔離する。

ペレット照射装置
新しい粒子を照射し、ＦＲＣの粒子インベントリをより良好に制御する手段を提供するために、１２バレルペレット照射装置７００（例えば、Ｉ．Ｖｉｎｙａｒら、「Ｐｅｌｌｅｔ Ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｔ ＰＥＬＩＮ ｆｏｒ ＪＥＴ， ＴＡＥ， ａｎｄ ＨＬ－２Ａ（ＪＥＴ、ＴＡＥ、およびＨＬ－２Ａに対してＰＥＬＩＮで開発されたペレット照射装置）」第２６回Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（核融合科学技術シンポジウム）の報告書、９月２７日～１０月１日（２０１０）参照）がＦＲＣシステム１０上に利用される。図３は、ＦＲＣシステム１０上のペレット照射装置７００の配置を示す。円筒形ペレット（Ｄは約１ｍｍ、Ｌは約１～２ｍｍ）は、ＦＲＣに速度１５０～２５０ｋｍ／ｓの範囲で照射される。個々のペレットはそれぞれ、約５×１０^１９の水素原子を含み、これはＦＲＣの粒子インベントリに匹敵する。

ゲッタリング・システム
中性ハロガスは、すべての閉じ込めシステムにおいて深刻な問題であることは周知である。電荷交換および再利用（壁からの低温の不純物材料の放出）プロセスは、エネルギーおよび粒子閉じ込めに壊滅的な影響を与える可能性がある。加えて、縁部におけるまたは縁部付近のいかなる高濃度の中性ガスも、照射された大きい軌道（高エネルギー）の粒子（大きい軌道は、ＦＲＣトポロジーの規模の軌道、または少なくとも特性磁界勾配長さスケールよりはるかに大きい軌道半径を有する粒子を指す）の耐用期間を即座に喪失させる、または少なくとも大幅に短くする、すなわち、これは、補助ビーム加熱を介する融合を含め、すべてのエネルギープラズマの適用に弊害をもたらす。

表面調整は、それによって中性ガスおよび不純物の悪影響を、閉じ込めシステムにおいて制御または低減できる手段である。この目的を達成するために、本明細書に提供されたＦＲＣシステム１０は、チタニウム（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ）成膜システム８１０および８２０を利用し、閉じ込めチャンバ（または容器）１００およびダイバータ３００のプラズマ対向面をＴｉおよび／またはＬｉの薄膜（厚さ数十マイクロメートル）で被覆する。被覆は蒸着技法により達成される。中実のＬｉおよび／またはＴｉは、被覆を形成するために近傍表面上に蒸着され、かつ／または昇華されまた噴霧される。源は、ガイドノズル（Ｌｉの場合）８２２を備える原子炉、またはガイドシュラウド（Ｔｉの場合）８１２を備える中実の加熱球である。Ｌｉ蒸着システムは、通常、連続モードで作動するが、Ｔｉ昇華装置は、普通はプラズマ作動の間に断続的に作動される。これらのシステムの作動温度は、速い蒸着速度を得るために６００℃を超える。良好な壁被覆を達成するために、複数の戦略的に配置された蒸着／昇華システムが必要とされる。図９は、ＦＲＣシステム１０におけるゲッタリング蒸着システム８１０および８２０の好ましい配置を詳しく示す。被覆は、ゲッタリング表面ならびに有効なポンプの原子および分子の水素種（ＨおよびＤ）として作用する。また被覆は、炭素および酸素などの他の通常の不純物をかなりの水準で低減する。

ミラープラグ
上述のように、ＦＲＣシステム１０は、図２および３に示したように、ミラーコイル４２０、４３０、および４４４のセットを利用する。ミラーコイル４２０の第１のセットは、閉じ込めチャンバ１００の２つの軸方向端部に配置され、主磁気システム４１０の閉じ込めコイル４１２、４１４および４１６から単独に活性化される。ミラーコイル４２０の第１のセットは、主に融合中にＦＲＣ４５０を進め軸方向に包含する助けとなり、持続している間に平衡成形制御を提供する。第１のミラーコイルセット４２０は、中央閉じ込めコイル４１２によって生成された中央閉じ込め磁場より名目上高い磁場（約０．４～０．５Ｔ）を生成する。ミラーコイル４３０の第２のセットは、３つの小型の疑似直流ミラーコイル４３２、４３４および４３６を含み、形成部分２００とダイバータ３００との間に配置され、一般的なスイッチ電源によって駆動される。ミラーコイル４３２、４３４および４３６は、より小型のパルスミラープラグコイル４４４（容量電源によって供給される）および物理的収縮部４４２と一緒に、狭い低ガス伝導通路を非常に高い磁場（約１０～２０ｍｓの立上り時間で２～４Ｔ）で提供する、ミラープラグ４４０を形成する。最も小型のパルスミラーコイル４４４は、閉じ込めコイル４１２、４１４および４１６のメートルプラススケールの孔およびパンケーキ型設計に比べて、小型の径方向寸法、２０ｃｍの孔および同様の長さである。ミラープラグ４４０の目的は、以下のように多種多様である。（１）コイル４３２、４３４、４３６および４４４を堅く束ね、磁束表面４５２および端部に流れるプラズマジェット４５４を、遠隔ダイバータ・チャンバ３００に導く。これは、排出粒子がダイバータ３００に適切に到着し、中央ＦＲＣ４５０の開いた磁力線４５２領域からダイバータ３００までずっと追跡する、連続した磁束表面４５５が存在することを確実にする。（２）ＦＲＣシステム１０における物理的収縮部４４２は、それを通ってコイル４３２、４３４、４３６および４４４が磁束表面４５２およびプラズマジェット４５４を通過することができ、ダイバータ３００内に着座するプラズマガン３５０からの中性ガス流を妨げる。同じように、収縮部４４２は、形成部分２００からダイバータ３００へのガスの逆流を防止し、それによってＦＲＣの起動を開始するときに、ＦＲＣシステム１０全体に導入しなければならない中性粒子の数が低減する。（３）コイル４３２、４３４、４３６および４４４によって生成された強い軸方向のミラーは軸方向の粒子損失を低減し、それによって開いた磁力線上の平行な粒子拡散係数が低減する。

図３Ｄおよび３Ｅに示される代替構成では、薄型縮径コイル４２１のセットが、内側ダイバータ３０２と形成区分２００との間に位置付けられる。

軸方向のプラズマガン
ダイバータ３００のダイバータ・チャンバ３１０内に装着されたガン３５０からのプラズマ流は、安定性および中性ビーム性能を向上させることを意図する。ガン３５０は、図３および１０に示したように、ダイバータ３００のチャンバ３１０の内側の軸上に装着され、プラズマ流をダイバータ３００内の開いた磁力線４５２に沿って、閉じ込めチャンバ１００の中心に向かって生成する。ガン３５０は、ワッシャー積層チャネル内に高濃度ガス放出で作動し、５～１０ｍｓに完全にイオン化されたプラズマを数キロアンペア生成するように設計されている。ガン３５０は、出力プラズマ流を閉じ込めチャンバ１００内の所望のサイズのプラズマに一致させる、パルス磁気コイルを含む。ガン３５０の技術パラメータは、５～１３ｃｍの外径、および最高１０ｃｍまでの内径を有するチャネルを特徴とし、ガンの内部磁場は０．５～２．３Ｔで、４００～６００Ｖで１０～１５ｋＡの放電電流を提供する。

ガンプラズマ流は、ミラープラグ４４０の磁場を貫通し、形成部分２００および閉じ込めチャンバ１００に流入することができる。ミラープラグ４４０を通るプラズマ移動の効率は、ガン３５０とプラグ４４０との間の距離を低減し、プラグ４４０をより広く短くすることによって高まる。妥当な条件下で、ガン３５０はそれぞれ、約１５０～３００ｅＶおよび約４０～５０ｅＶの高いイオン温度および電子温度で、２～４Ｔのミラープラグ４４０を通り約１０^２２プロトン／ｓを送達する。ガン３５０は、ＦＲＣの縁層４５６の著しい燃料補給および改良されたＦＲＣ全体の粒子閉じ込めを提供する。

プラズマ密度をさらに高めるために、ガスボックスを利用して、追加のガスをガン３５０からプラズマ流に吹き入れることが可能である。この技法により、照射されたプラズマ密度を数倍に高めることができる。ＦＲＣシステム１０では、ミラープラグ４４０の側部のダイバータ３００上に搭載されたガスボックスは、ＦＲＣの縁層４５６の燃料補給、ＦＲＣ４５０の形成、およびプラズマ磁力線短絡を向上させる。

上に論じたすべての調整パラメータを所与とし、また、一方のみまたは両方のガンを備えた作動が可能であることを考慮すると、広いスペクトルの作動モードが利用可能であることがすぐにわかる。

バイアス電極
開いた磁束表面の電気バイアスは、方位Ｅ×Ｂ運動を起こす径方向電位を提供することができ、方位Ｅ×Ｂ運動は、開いた磁力線プラズマの回転、ならびに速度シアを介して実際のＦＲＣコア４５０を制御するための、ノブを回すのに類似した制御機構を提供する。この制御を達成させるために、ＦＲＣシステム１０は、機械の様々な部分に配置された様々な電極を戦略的に利用する。図３は、ＦＲＣシステム１０内の好ましい場所に位置付けられたバイアス電極を示す。

原則として、以下の４つの分類の電極がある。（１）局所電荷を提供するために、ＦＲＣ４５０の縁部において特定の開いた磁力線４５２に接触させる、閉じ込めチャンバ１００内の点電極９０５、（２）方位が対称的な形で遠端磁束層４５６に帯電させるための、閉じ込めチャンバ１００と形成部分２００との間の環状電極９００、（３）複数の同心磁束層４５５（それによって層の選択は、ダイバータ磁場を調節するためにコイル４１６を調節することによって制御可能であり、その結果、適切な電極９１０上で所望の磁束層４５６を終了する）に帯電させるための、ダイバータ３００内の同心電極９１０の積層、および最後に（４）プラズマガン３５０自体（これは、ＦＲＣ４５０のセパラトリックス付近で内部の開いた磁束表面４５５を遮断する）の陽極９２０（図１０参照）。図１０および１１は、これらの一部に対するいくつかの典型的な設計を示す。

すべての場合において、これらの電極は、最高約８００Ｖまでの電圧でパルスまたは直流電源によって駆動される。電極のサイズおよびどの磁束表面が交差しているかに依存して、電流をキロアンペア範囲で引くことができる。

（ＦＲＣシステムの非持続作動－従来のレジーム）
良好に開発された磁場反転シータピンチ技法の後に、ＦＲＣシステム１０上の標準プラズマ形成が続く。ＦＲＣを開始するための通常のプロセスは、定常状態作動のために疑似直流コイル４１２、４１４、４１６、４２０、４３２、４３４および４３６を駆動することにより開始する。次いでパルス電力形成システム２１０のＲＦＴＰパルス電力回路は、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動して、形成部分２００内に約－０．０５Ｔの一時的な逆バイアスを生成する。この点で、９～２０ｐｓｉの所定の量の中性ガスを、形成部分２００の外端上に配置されたフランジにおいて方位角に配向されたパフ弁のセットを介して、（北および南の）形成部分２００の石英管チャンバ２４０によって画定された２つの形成容積の中に照射する。次に、小さいＲＦ（約数百キロヘルツ）の磁場を、石英管２４０の表面上のアンテナのセットから生成して、中性ガス柱内に局所シードイオン化領域（ｌｏｃａｌ ｓｅｅｄ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）の形でプレプレイオン化（ｐｒｅ－ｐｒｅ－ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を生成する。これに続いて、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する電流上にシータリング変調を加え、これによりガス柱のより広範囲のプレイオン化がもたらされる。最後に、パルス電力形成システム２１０の主要パルスパワーバンクを燃やして、最高０．４Ｔまでの順方向バイアス磁場を生成するためにパルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する。このステップは、順方向バイアス磁場が形成管２４０の全長に亘って均一に生成されるように（静的形成）、または連続蠕動磁場変調が、形成管２４０の軸に沿って達成されるように（動的形成）、時系列にすることができる。

この形成プロセス全体で、プラズマ内の実際の磁場反転が約５μｓ内で急速に起きる。形成プラズマに容易に送達されたマルチギガワットのパルス電力は、高温のＦＲＣを生成し、次いで高温のＦＲＣは形成部分２００から順方向磁場（磁場蠕動）の時系列の装着、または形成管２１０（閉じ込めチャンバ１００に向かって軸方向を指す、軸方向の磁場勾配を形成する）の軸方向の外端近傍のコイルセット２３２の最後のコイル内の一時的に増加した電流のいずれかの適用によって、形成部分２００から照射される。そのように形成され、加速された２つ（北および南）の形成ＦＲＣは、より大きい直径閉じ込めチャンバ１００に拡大し、この場合、疑似直流コイル４１２は、順方向バイアス磁場を生成して、径方向の拡大を制御し平衡外部磁束を提供する。

一旦北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面近傍に到達すると、ＦＲＣは衝突する。衝突中、北および南の形成ＦＲＣの軸方向の運動エネルギーは、ＦＲＣが単一のＦＲＣ４５０に最終的に融合すると、大きく熱化される。プラズマ診断の大きいセットは、ＦＲＣ４５０の平衡を調査するために閉じ込めチャンバ１００の内で利用可能である。ＦＲＣシステム１０内の通常の作動条件は、セパラトリックスの半径が約０．４ｍおよび軸方向に約３ｍ延在する化合したＦＲＣを生成する。さらなる特性は、約０．１Ｔの外部磁場、約５×１０^１９ｍ^－３のプラズマ密度および最高１ｋｅＶまでの合計プラズマ温度である。いかなる持続もなしに、すなわち中性ビーム照射または他の補助手段によって加熱および／または電流駆動なしに、これらのＦＲＣの耐用期間は、本来の特性構成減衰時間の約１ｍｓに制限される。

（非持続作動の実験データ－従来のレジーム）
図１２は、ＦＲＣ４５０のシータピンチ融合プロセスの力学を示すために、セパラトリックスの半径ｒ_ｓに近づく、排除磁束半径ｒ_ΔФの通常の時間発展を示す。２つ（北および南）の個々のプラズモイドは、同時に生成され、次いでそれぞれの形成部分２００から出て超音速ｖ_ｚ約２５０ｋｍ／ｓで加速され、中央平面近傍でｚ＝０で衝突する。衝突中、プラズモイドは軸方向に圧迫し、続いて即座に径方向および軸方向に拡大し、最後に融合してＦＲＣ４５０を形成する。融合するＦＲＣ４５０の径方向および軸方向の力学の両方は、詳しく示した密度プロファイルの測定およびボロメータに基づいた断層撮影によって証明される。

ＦＲＣシステム１０の代表的な非持続放出からのデータは、図１３に時間関数として示されている。ＦＲＣは、ｔ＝０で開始される。機械の軸方向の中央平面における排除磁束半径は、図１３（ａ）に示されている。このデータは、磁気プローブのアレイから得られ、閉じ込めチャンバのステンレス鋼壁のすぐ内側に配置され、これは軸方向磁場を測定する。鋼壁は、この放出の時間スケール上の良好な磁束保存器である。

線集積密度は、ｚ＝０に配置された６つのコードのＣＯ_２／Ｈｅ－Ｎｅ干渉計から図１３（ｂ）に示されている。垂直（ｙ）ＦＲＣ変位を考慮すると、ボロメータの断層撮影によって測定されたように、アーベル逆変換は図１３（ｃ）の密度等高線をもたらす。初めの０．１ｍｓ間に一部の軸方向および径方向のスロッシング後、ＦＲＣは、中空密度プロファイルを有して定着する。このプロファイルは極めて平坦であり、必要に応じて通常の二次元ＦＲＣ平衡により実質的な密度を軸上にもつ。

圧力平衡から得られ、トムソン散乱分光測定と完全に一致する、合計プラズマ温度が、図１３（ｄ）に示されている。

排除磁束アレイ全体からの分析は、ＦＲＣのセパラトリックス（排除磁束軸方向プロファイルによって見積もられる）の形状が、レーストラック型から楕円形に次第に進化することを示す。図１４に示されたこの進化は、２つのＦＲＣから単一のＦＲＣへの段階的な磁気再結合に一致する。実際に、概算は、この特定の場合では、最初の２つのＦＲＣ磁束の約１０％が、衝突中に再結合すると示唆している。

ＦＲＣの長さは、ＦＲＣの耐用期間中に３ｍ～約１ｍに確実に収縮する。この収縮は図１４に見られ、ほとんどの対流エネルギー損失は、ＦＲＣ閉じ込めより優先されることを示唆する。セパラトリックスの内側のプラズマ圧力は、外部磁気圧力より急速に低減するので、端部領域における磁力線張力は、ＦＲＣを軸方向に圧迫し、軸方向および径方向の平衡を回復する。図１３および１４に論じた放出に対して、ＦＲＣの磁束、粒子インベントリ、および熱エネルギー（それぞれ、約１０ｍＷｂ、７×１０^１９粒子、および７ｋＪ）は、ＦＲＣ平衡が低下するように見えたとき、最初のミリ秒後におよそ１桁低減する。

（持続作動－ＨＰＦレジーム）
図１２～１４における例は、いかなる持続もなしにＦＲＣを減衰する特性である。しかし、いくつかの技法は、ＦＲＣシステム１０に展開されて、さらにＦＲＣ閉じ込め（内部コアおよび縁層）をＨＰＦレジームに向上させ、閉じ込めを持続させる。

中性ビーム
まず、高速（Ｈ）中性を８個の中性ビーム照射装置６００からビーム内のＢ_ｚに垂直に照射する。高速中性のビームは、北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合した瞬間から１つのＦＲＣ４５０の中に照射される。高速イオンは電荷交換によって主に生成され、ＦＲＣ４５０の方位電流に加えるベータトロン軌道（ＦＲＣトポロジーのスケール上または特性磁場勾配長さスケールよりはるかに長い主要半径を有する）を有する。放出のわずか後（照射の０．５～０．８ｍｓ後）、充分に大きい高速イオン集団は、内部ＦＲＣの安定性および閉じ込め特性を著しく向上させる（例えば、Ｍ．Ｗ．ＢｉｎｄｅｒｂａｕｅｒおよびＮ．Ｒｏｓｔｏｋｅｒ、Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓ．５６、ｐａｒｔ ３、４５１（１９９６）参照）。さらに、持続の観点から、中性ビーム照射装置６００からのビームも、電流を駆動しＦＲＣプラズマを加熱する主な手段である。

ＦＲＣシステム１０のプラズマレジームでは、高速イオンはプラズマ電子上で主に減速する。放出の初期の間、高速イオンの通常の軌道の平均減速時間は０．３～０．５ｍｓであり、これは著しいＦＲＣの主に電子の加熱をもたらす。高速イオンは、内部ＦＲＣ磁場が本質的に低いので（０．１Ｔの外部軸方向磁場に対して平均約０．０３Ｔ）、セパラトリックスの外側の径方向の偏位を大きくする。高速イオンは、中性ガス濃度がセパラトリックスの外側で高過ぎた場合、電荷交換損失に対して弱いはずである。したがって、ＦＲＣシステム１０上に展開した壁ゲッタリングおよび他の技法（とりわけガス制御に寄与するプラズマガン３５０およびミラープラグ４４０など）は、端中性を最小にし、高速イオン電流の必要な構築を可能にする。

ペレット照射
電子がより高温でＦＲＣの耐用期間がより長い、超高速イオン集団がＦＲＣ４５０内に構築される際、冷凍のＨまたはＤペレットは、ペレット照射装置７００からＦＲＣ４５０の中に照射されて、ＦＲＣ４５０のＦＲＣ粒子インベントリを持続させる。予想されるアブレーション時間スケールは充分に短いので、かなりのＦＲＣ粒子源を提供する。またこの速度は、個々のペレットをより小さい片に砕くことにより、照射された片の表面積を拡大することによって増大させることができるが、ペレット照射装置７００のバレルまたは照射管内で、また閉じ込めチャンバ１００に入る前に、閉じ込めチャンバ１００の中に入る直前に照射管の最後の部分の曲げ半径を締め付けることにより、ペレットと照射管の壁との間の片を増加させることによってステップを達成できる。１２バレル（照射管）の燃焼順序および速度、ならびに粉砕を変化させる恩恵により、ペレット照射システム７００を調整して、まさに所望のレベルの粒子インベントリの持続を提供することができる。その結果、これはＦＲＣ４５０内の内部動圧ならびにＦＲＣ４５０の持続作動および耐用期間を維持する役に立つ。

一旦、除去された原子がＦＲＣ４５０内で著しいプラズマに衝突すると、除去された原子は完全にイオン化される。次いで得られた低温のプラズマ構成要素は、本来のＦＲＣプラズマにより衝突して加熱される。所望のＦＲＣ温度を維持するために必要なエネルギーは、ビーム照射装置６００により最終的に供給される。この意味で、ペレット照射装置７００は中性ビーム照射装置６００と一緒に、定常状態を維持しＦＲＣ４５０を持続するシステムを形成する。

（ＣＴ注入器）
ペレット注入器の代替として、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器が、主に、磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマに燃料補給するために提供される。ＣＴ注入器７２０は、図２１に示されるように、同軸円筒形内側および外側電極７２２および７２４と、内側電極の内部に位置付けられるバイアスコイル７２６と、ＣＴ注入器７２０の放電の反対の端部における電気遮断器７２８とを含む、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える。ガスが、ガス注入ポート７３０を通して内側電極７２２と外側電極７２４との間の空間の中に注入され、スフェロマック状プラズマが、放電によって生成され、ローレンツ力によってガンから押し出される。図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、一対のＣＴ注入器７２０が容器１００の中央平面の近傍および対向側において閉じ込め容器１００に結合され、ＣＴを閉じ込め容器１００内の中心ＦＲＣプラズマの中に注入する。ＣＴ注入器７２０の放電端は、中性ビーム注入器６１５と同様に、閉じ込め容器１００の長手方向軸に対してある角度で閉じ込め容器１００の中央平面に向かって指向される。

代替実施形態では、ＣＴ注入器７２０は、図２３Ａおよび２３Ｂに示されるように、ＣＴ注入器７２０の放電端に結合される伸長円筒形管を備える、ドリフトチューブ７４０を含む。描写されるように、ドリフトチューブ７４０は、チューブの周りに位置付けられ、チューブに沿って軸方向に離間される、ドリフトチューブコイル７４２を含む。複数の診断ポート７４４が、チューブの長さに沿って描写される。

ＣＴ注入器７２０の利点は、（１）注入されるＣＴあたりの粒子装荷量の制御および調節性と、（２）高温プラズマが堆積されること（極低温ペレットの代わりに）と、（３）システムが、連続燃料補給を可能にするように、繰り返し率モードで動作されることができることと、（４）システムがまた、注入されるＣＴが埋設磁場を搬送するにつれて、ある程度の磁束を復元し得ることとである。実験使用のためのある実施形態では、外側電極の内径は、８３．１ｍｍであり、内側電極の外径は、５４．０ｍｍである。内側電極７２２の表面は、好ましくは、電極７２２から生じる不純物を低減させるために、タングステンでコーティングされる。描写されるように、バイアスコイル７２６が、内側電極７２２の内側に搭載される。

最近の実験では、最大約１００ｋｍ／秒の超音波ＣＴ平行移動速度が、達成された。他の典型的プラズマパラメータは、以下の通りである。電子密度約５×１０２１ｍ－３、電子温度約３０－５０ｅＶ、および粒子装荷量約０．５～１．０×１０１９。ＣＴの高動圧は、注入されるプラズマがＦＲＣの中に深くまで透過し、粒子を区分線の内側に堆積させることを可能にする。最近の実験では、ＦＲＣ粒子燃料補給は、ＦＲＣ粒子装荷量の約１０～２０％がＣＴ注入器によって正常に提供される結果をもたらし、燃料補給がＦＲＣプラズマを中断させずに容易に実施され得ることを実証した。

サドルコイル
定常状態の電流駆動を達成し、必要なイオン電流を維持するために、電子イオン摩擦力（衝突イオン電子運動量移動からもたらされる）に起因する電子スピンを防止するまたは著しく低減することが望ましい。ＦＲＣシステム１０は、外部印加された静磁場双極子または四重極磁場を介して、電子遮断を提供する革新的な技法を利用する。これは、図１５に示した外部サドルコイル４６０を介して実現される。サドルコイル４６０から横方向に印加された径方向の磁場は、回転するＦＲＣプラズマ内の軸方向の電界を誘導する。得られる軸方向の電子電流は、径方向の磁場と相互作用して、電子上に方位遮断力Ｆ_θ＝－σＶ_ｅθ＜｜Ｂ_ｒ｜^２＞を生成する。ＦＲＣシステム１０における典型的な条件に対して、プラズマ内部に必要な印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、適切な電子遮断を提供するために約０．００１Ｔのみであることが必要である。約０．０１５Ｔの対応する外部磁場は充分に小さいので、多くの高速粒子損失あるいは閉じ込めに悪影響をもたらすことはない。事実、印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、不安定性の抑制に寄与する。接線中性ビーム照射と軸方向プラズマ照射を組み合わせて、サドルコイル４６０は、電流の維持および安定性に関して追加レベルの制御を提供する。

ミラープラグ
ミラープラグ４４０内のパルスコイル４４４の設計により、適度（約１００ｋＪ）の容量エネルギーで高磁場（２～４Ｔ）の局所発生が可能になる。ＦＲＣシステム１０のこの作動の通常の磁場形成に対して、形成容積内のすべての磁力線は、図２における磁力線によって示唆されたように、ミラープラグ４４０で収縮部４４２を通過し、プラズマ壁の接触は起きない。さらに、疑似直流ダイバータ磁気４１６と連動してミラープラグ４４０を、磁力線をダイバータ電極９１０の上に導く、または磁力線を端部カスプ配位（図示せず）内で燃焼させるように、調節することができる。後者は安定性を向上させ、平行な電子熱伝導を抑圧する。

またミラープラグ４４０自体も、中性ガス制御に寄与する。ミラープラグ４４０は、ダイバータ３００の中へのガス逆流が、プラグの少量のガスコンダクタンス（わずか５００Ｌ／ｓ）によって著しく低減するので、ＦＲＣ形成中に石英管に吹き入れられる重水素ガスのより良好な利用が可能になる。形成管２１０内部の残りの吹き入れられたガスのほとんどは、急速にイオン化される。加えて、ミラープラグ４４０を通って流れる高密度プラズマは、有効な中性イオン化、ひいては有効なガス障壁を提供する。結果として、ＦＲＣ縁層４５６からダイバータ３００内に再利用されたほとんどの中性は、閉じ込めチャンバ１００に戻らない。加えて、プラズマガン３５０の作動に関連した中性は（以下に論じるように）、ダイバータ３００に大部分が閉じ込められることになる。

最後に、ミラープラグ４４０は、ＦＲＣ縁層閉じ込めを向上する傾向がある。ミラー比（プラグ／閉じ込め磁場）が２０～４０の範囲で、北と南のミラープラグ４４０の間の長さが１５ｍで、縁層粒子閉じ込め時間

は、最高１０倍まで増加する。向上する

は、ＦＲＣ粒子閉じ込めを容易に増加させる。

セパラトリックス容積４５３からの径方向の拡散（Ｄ）粒子損失が、縁層４５６からの軸方向損失

によって均衡がとられたと仮定すると、

が得られ、そこからセパラトリックス密度勾配長さを

と書き換えることができる。式中、ｒ_ｓ、Ｌ_ｓおよびｎ_ｓはそれぞれ、セパラトリックス半径、セパラトリックス長さおよびセパラトリックス密度である。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、

であり、式中、τ_┴＝ａ^２／Ｄであり、ａ＝ｒ_ｓ／４である。物理的に、

が向上すると、δが増加し（セパラトリックス密度勾配およびドリフトパラメータが低減し）、したがってＦＲＣ粒子損失が低減する。ＦＲＣ粒子閉じ込めにおける全体の向上は、ｎ_ｓが

と共に増加するので、概ね二次方程式より若干少ない。

における著しい向上はまた、縁層４５６が大幅な安定（すなわち、ｎ＝１のフルート、ファイアホース、または開放システムに特有の他のＭＨＤの不安定性がない）を維持することも必要とする。プラズマガン３５０の使用は、この好ましい縁部の安定性を提供する。この意味では、ミラープラグ４４０およびプラズマガン３５０は、有効な縁部制御システムを形成する。

プラズマガン
プラズマガン３５０は、磁力線短絡によりＦＲＣ排除ジェット４５４の安定性を向上させる。プラズマガン３５０からのガンプラズマは、方位角運動量なしに生成され、これはＦＲＣ回転不安定性の制御に有用であることがわかる。したがって、ガン３５０は、より古い四重極の安定化技術を必要としない、ＦＲＣの安定性を制御する有効な手段である。結果として、プラズマガン３５０は、高速粒子の有益な効果を利用する、または本開示に概要を述べたように、進化したハイブリッド運動ＦＲＣレジームに近づくことを可能にする。したがって、プラズマガン３５０により、ＦＲＣシステム１０がまさに電子遮断に適切だが、ＦＲＣの不安定性を引き起こす、かつ／または劇的な高速粒子拡散をもたらすはずである閾値より低い、サドルコイル電流で作動されることが可能になる。

上に論じたミラープラグで述べたように、

を著しく向上できる場合、供給されたガンプラズマは、縁層粒子損失速度（約１０^２２／ｓ）に匹敵するはずである。ＦＲＣシステム１０内のガンを生成したプラズマの耐用期間は、ミリ秒の範囲である。実際には、密度ｎ_ｅ約１０^１３ｃｍ^－３およびイオン温度約２００ｅＶのガンプラズマが、端部ミラープラグ４４０の間に閉じ込められるとみなしていただきたい。トラップ長さＬおよびミラー率Ｒは、それぞれ約１５ｍおよび２０である。クーロン衝突によるイオン平均自由行程は、λ_ｉｉ約６×１０^３ｃｍであり、λ_ｉｉＩｎＲ／Ｒ＜Ｌであるので、イオンはガス動的レジーム内に閉じ込められる。このレジームにおけるプラズマ閉じ込め時間は、τ_ｇｄ約ＲＬ／２Ｖ_ｓ約２ｍｓであり、式中、Ｖ_ｓはイオン音速である。比較のために、これらのプラズマパラメータに対する古典的イオン閉じ込め時間は、τ_ｃ約０．５τ_ｉｉ（ｌｎＲ＋（ｌｎＲ）^０．５）約０．７ｍｓであるはずである。異常横拡散は、原則としてプラズマ閉じ込め時間を短縮してもよい。しかし、ＦＲＣシステム１０では、ボーム拡散速度を前提とする場合、ガンプラズマに対する見積もられた横閉じ込め時間は、τ_⊥＞τ_ｇｄ約２ｍｓである。それ故、ガンは、ＦＲＣ縁層４５６の著しい燃料補給、および全体が改良されたＦＲＣ粒子閉じ込めを提供するはずである。

さらに、ガンプラズマ流を、約１５０～２００マイクロ秒後にオンすることができ、それによってＦＲＣの起動、移動および閉じ込めチャンバ１００への融合に使用可能になる。ｔが約０でオンする場合（ＦＲＣ主要バンク開始）、ガンプラズマは、この動的に形成され融合されたＦＲＣ４５０を持続する役に立つ。形成ＦＲＣから、およびガンから組み合わせた粒子インベントリは、中性ビームの捕捉、プラズマの加熱、および長い持続に充分である。ｔが－１～０ｍｓの範囲でオンする場合、ガンプラズマは、プラズマで石英管２１０を充填できる、または石英管の中に吹き入れたガスをイオン化でき、したがって、吹き入れたガスを低減する、または恐らく０でさえあるＦＲＣ形成が可能になる。後者は、逆バイアス磁場の高速拡散が可能になるために、充分に低温の形成プラズマが必要な場合がある。ｔが＜－２ｍｓでオンする場合、プラズマ流は、形成の約１～３ｍ^３の磁力線容積ならびに形成部分２００の閉じ込め領域および目標プラズマ密度がわずか１０^１３ｃｍ^－３である閉じ込めチャンバ１００を充填することができ、ＦＲＣの到達前に中性ビームの構築が充分に可能である。次いで形成ＦＲＣを形成し、得られる閉じ込め容器プラズマの中に移動できる。このような方法で、プラズマガン３５０は、広範囲の作動条件およびパラメータレジームが可能である。

電気的バイアス
縁層４５６内の径方向電界の制御は、ＦＲＣの安定性および閉じ込めに様々な方法で有利である。ＦＲＣシステム１０に展開した革新的なバイアス構成要素の恩恵により、電位の様々な意図的な分散を閉じ込めチャンバ１００内の中央閉じ込め領域の充分に外側の領域から機械全体に亘って開いた磁束表面の群に印加することができる。このような方法で、径方向磁場を、ＦＲＣ４５０のすぐ外側の縁層４５６を横切って生成することができる。次いでこれらの径方向電界は、縁層４５６の方位回転を修正し、Ｅ×Ｂ速度シアによってその閉じ込めをもたらす。次いで縁層４５６とＦＲＣコア４５３との間のあらゆる差動回転を、シアによりＦＲＣプラズマの内側に移動できる。結果として、縁層４５６を制御することは、ＦＲＣコア４５３に直接影響を与える。さらに、プラズマ回転における自由エネルギーも不安定性に関与できるので、この技法は、不安定性の開始および成長を制御する直接手段を提供する。ＦＲＣシステム１０では、適切な縁バイアスは、開いた磁力線の移動および回転、ならびにＦＲＣコア回転の有効な制御を提供する。様々な提供された電極９００、９０５、９１０および９２０の場所および形状により、磁束表面４５５の異なる群の制御が異なる独立した電位で可能になる。このような方法で、多様な異なる電界構成および強度を認識でき、それぞれはプラズマ性能に対する異なる性質の影響をもつ。

すべてのこれらの革新的バイアス技法の主要な利点は、コアおよび縁部のプラズマ挙動が、ＦＲＣプラズマの充分に外側から影響を与えることができる、すなわち、いかなる物理的な構成要素も中央高温プラズマ（中央高温プラズマは、エネルギー、磁束および粒子の損失に深刻な影響をもつはずである）に接触させる必要がないという事実である。これは、ＨＰＦの概念の性能およびすべての潜在用途に対して主要な有利な影響を有する。

（実験データ－ＨＰＦ作動）
中性ビームガン６００からのビームによる高速粒子の照射は、ＨＰＦレジームを可能にする重要な役割を果たす。図１６はこの事実を示す。示されているのは、ＦＲＣの耐用期間がビームパルスの長さにどのように関連するかを示す曲線のセットである。すべての他の作動条件は、この研究を含むすべての放出に対して一定に保たれる。データは、多くの照射に亘って平均し、したがって、通常の挙動を表す。ビーム期間が長いほど、より長く存続するＦＲＣを生成させることが極めて明白である。この証拠ならびにこの研究中の他の診断を見ると、ビームは安定性を高め、損失を低減することを実証している。ビームパルス長さとＦＲＣの耐用期間との間の相互関係は、ビームトラッピングがある種のプラズマサイズ未満で効力がないので、すなわち、照射されたビームのすべての物理的サイズにおけるＦＲＣ４５０の収縮が、捕捉されるまたはトラッピングされるわけではないので、完全ではない。ＦＲＣの収縮は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で約４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。ビームを容器１００の中央平面により近接する場所に位置させることは、これらの損失を低減させ、ＦＲＣ寿命時間を延長させる傾向となるであろう。

図１７は、ＨＰＦレジームを達成するための異なる構成要素の効果を示す。図１７は、時間関数としてＦＲＣ４５０の耐用期間を示す典型的な曲線族を示す。すべての場合において、ビーム電力の一定の適度の量（約２．５ＭＷ）が、各放出の全期間照射される。各曲線は、構成要素の異なる組合せを表す。例えば、ミラープラグ４４０、プラズマガン３５０またはゲッタリング・システム８００からのゲッタリングのいずれもなしにＦＲＣシステム１０を作動させると、回転の不安定性の急激な発生およびＦＲＣトポロジーの損失をもたらす。ミラープラグ４４０のみを加えると、不安定性の発生を遅らせ、閉じ込めを増加させる。ミラープラグ４４０とプラズマガン３５０の組合せを利用すると、さらに不安定性を低減し、ＦＲＣの耐用期間を増加させる。最後にガン３５０およびプラグ４４０の上にゲッタリング（この場合Ｔｉ）を加えると、最良の結果を得る、すなわち、得られるＦＲＣは、不安定性がなく、最長の耐用期間を示す。構成要素の完全な組合せが最良の効果を生み出し、最良の目標条件をもつビームを提供することが、この実験証明から明らかである。

図１に示したように、最近発見されたＨＰＦレジームは、劇的に改良された移動挙動を示す。図１は、従来のレジームとＨＰＦレジームとの間のＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間の変化を示す。見てわかるように、これは、ＨＰＦレジームにおいて５倍をはるかに超えて改良されている。加えて、図１は、従来のＦＲＣ実験前の粒子閉じ込め時間に対して、ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間を詳しく示す。これらの他の機械に関して、ＦＲＣシステム１０のＨＰＦレジームは、５倍～ほぼ２０倍に閉じ込めを改良してきた。最後に最も重要なことだが、ＨＰＦレジームにおけるＦＲＣシステム１０の閉じ込めスケーリングの本質は、すべての以前の測定とは劇的に異なる。ＦＲＣシステム１０におけるＨＰＦレジームの確立前に、様々な実証的スケーリング則が、以前のＦＲＣ実験における閉じ込め時間を予測するためにデータから導き出された。これらのすべてのスケーリング則は、割合Ｒ^２／ρ_ｉに主に依存する。式中、Ｒは磁場のない半径（機械の物理的スケールの粗測）であり、ρ_ｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径（印加磁場の粗測）である。従来のＦＲＣにおける長い閉じ込めは、大型機械のサイズおよび／または高磁場のみで可能であることが図１から明らかである。従来のＦＲＣレジームＣＲにおいてＦＲＣシステム１０を作動することは、図１に示したように、これらのスケーリング則に従う傾向がある。しかし、ＨＰＦレジームは非常に優れており、はるかに良好な閉じ込めが、大型機械のサイズまたは高磁場なしに達成可能である。より重要なことには、ＨＰＦレジームは、ＣＲレジームに比べて低減したプラズマサイズをもつ、改良された閉じ込め時間をもたらすことも図１から明らかである。また、同様の傾向は、以下に説明するように磁束およびエネルギー閉じ込め時間にも見られ、その上、磁束およびエネルギー閉じ込め時間は、ＦＲＣシステム１０において３～８倍を超えて増加した。したがって、ＨＰＦレジームの進歩は、ＦＲＣシステム１０におけるＦＲＣ平衡を持続し維持するために、わずかなビーム電力、より低い磁場およびより小さいサイズの使用、ならびに未来のより高エネルギーの機械の使用が可能になる。これらの改良に関連して、作動および構築費用を下げ、ならびに工学の複雑さを減らす。

さらなる比較のために、図１８は、ＦＲＣシステム１０における代表的なＨＰＦレジーム放出からのデータを時間関数として示す。図１８（ａ）は、中央平面での排除磁束半径を示す。これらのより長い時間スケールに対して、誘導鋼鉄壁は、もはや磁束保存器のように良好ではなく、壁の内部にある磁気プローブは、鋼鉄を通る磁束拡散を適切に構成する壁の外側のプローブで増大される。図１３に示したように、従来のレジームＣＲにおける通常の性能と比較して、ＨＰＦレジームの作動モードは、４００％を超える長い耐用期間を示す。

線集積密度追跡の代表的コードは、図１８（ｃ）におけるそのアーベル逆変換相補、密度等高線と共に、図１８（ｂ）に示されている。従来のＦＲＣレジームＣＲと比較して、図１３に示したように、プラズマは、非常に安定した作動を示し、パルス全体を通してより不活発である。またピーク濃度は、ＨＰＦ照射においてわずかに低く、これは、図１８（ｄ）に示したように、より高い合計プラズマ温度（最高２倍まで）の結果である。

図１８に示されたそれぞれの放出に対して、エネルギー、粒子および磁束閉じ込め時間はそれぞれ、０．５ｍｓ、１ｍｓおよび１ｍｓである。放出への基準時間１ｍｓで、保存されたプラズマエネルギーは２ｋＪであるが、損失は約４ＭＷであり、この目標を中性ビーム持続に非常に適合させる。

図１９は、新しく確立された実験用ＨＰＦ磁束閉じ込めスケーリングの形態における、ＨＰＦ体系の全利点を要約する。図１９から分かるように、ｔ＝０．５ｍｓ、すなわち、ｔ≦０．５ｍｓおよびｔ＞０．５ｍｓの前後で測定された測定値に基づいて、磁束閉じ込め（同様に、粒子閉じ込めおよびエネルギー閉じ込め）は、所与の区分線半径（ｒ_ｓ）に対して電子温度（Ｔ_ｅ）のほぼ２乗に伴って変化する。Ｔ_ｅの正の指数（負の指数ではない）に伴う本強スケーリングは、閉じ込めが、典型的には、電子温度のある指数に反比例する、従来のトカマクによって呈されるものと完全に反対である。本スケーリングの現れは、ＨＰＦ状態および大軌道（すなわち、ＦＲＣトポロジのスケールおよび／または少なくとも特性磁場勾配長スケール上の軌道）イオン集団の直接的結果である。基本的には、本新しいスケーリングは、高動作温度に実質的に有利に働き、比較的に中程度のサイズの炉を可能にする。

ＨＰＦ体系が提示する利点によって、中性ビームによって駆動され、適切なペレット注入を使用する、ＦＲＣ持続または定常状態が、達成可能であって、プラズマ熱エネルギー、総粒子数、プラズマ半径および長さ、ならびに磁束等の包括的プラズマパラメータが、実質的減衰を伴わずに、合理的レベルで持続可能であることを意味する。比較のために、図２０は、プロットＡには、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の代表的ＨＰＦ体系放電からのデータを、プロットＢには、ＦＲＣ４５０が、中性ビームパルスの持続時間を通して、減衰を伴わずに持続される、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の投影された代表的ＨＰＦ体系放電のデータを示す。プロットＡに関しては、約２．５～２．９ＭＷの範囲内の総パワーを伴う中性ビームが、約６ｍｓの活性ビームパルス長のために、ＦＲＣ４５０の中に注入された。プロットＡに描写される反磁性寿命時間は、約５．２ｍｓであった。より最近のデータは、約７．２ｍｓのプラズマ反磁性寿命時間が、約７ｍｓの活性ビームパルス長を用いて達成可能であることを示す。

図１６に関して前述のように、ビームパルス長とＦＲＣ寿命時間との間の相関は、ビーム捕捉が、あるプラズマサイズを下回ると非効率的となるため、完璧ではない、すなわち、ＦＲＣ４５０の物理的サイズが収縮するにつれて、注入されるビーム全てが、奪取および捕捉されることはない。ＦＲＣの収縮または減衰は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で－４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約－２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。図３Ｃに関して記載のように、ビーム注入が中性ビームガン６００から中央平面に向かって角度付けられることによって、注入周期の間、ＦＲＣプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム－プラズマ結合を改良する。加えて、適切なペレット燃料補給は、必要プラズマ密度を維持するであろう。

プロットＢは、約６ｍｓの活性ビームパルス長および約１０ＭＷを若干上回る中性ビームガン６００からの総ビームパワーを使用して行われたシミュレーションの結果であって、中性ビームは、約１５ｋｅＶの粒子エネルギーを伴うＨ（または、Ｄ）中性粒子を注入するものとする。ビームのそれぞれによって注入される等価電流は、約１１０Ａである。プロットＢに関して、デバイス軸に対するビーム注入角度は、約２０°、標的半径０．１９ｍであった。注入角度は、範囲１５°～２５°内で変更されることができる。ビームは、方位角的に並流方向に注入されるものとする。中性ビーム運動量注入からの正味側方力ならびに正味軸方向力は、最小限にされるものとする。プロットＡと同様に、高速（Ｈ）中性粒子が、北側および南側形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合する瞬間から、中性ビーム注入器６００から１つのＦＲＣ４５０の中に注入される。

プロットＢのための基礎となったシミュレーションは、背景プラズマおよび平衡のための多次元ホールＭＨＤソルバ、エネルギー性ビーム成分および全散乱プロセスのための完全動態学的モンテカルロベースのソルバ、ならびに全プラズマ種に対して結合された輸送方程式集合を使用して、双方向損失プロセスをモデル化する。輸送成分は、実験的に較正され、実験データベースに対して広範囲にわたってベンチマークされる。

プロットＢによって示されるように、ＦＲＣ４５０の定常状態反磁性寿命時間は、ビームパルスの長さとなるであろう。しかしながら、重要となる相関プロットＢは、ビームがオフにされると、プラズマまたはＦＲＣが、その前ではなく、その時間において、減衰し始めることを示すことに留意することが重要である。減衰は、ビーム支援ではない（おそらく、ビームオフ時間を約１ｍｓ超える）、放電中に観察され、単に、固有の損失プロセスによって駆動されるプラズマの特性減衰時間の反映であるものと類似するであろう。

（プラズマ安定性および軸方向位置制御）
ここで、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法に目を向けると、図２４は、簡略化されたスキームを示し、軸方向位置制御機構５１０の例示的実施形態を図示する。閉じ込めチャンバ１００内に示される回転ＦＲＣプラズマ５２０は、プラズマ電流５２２と、軸方向変位方向５２４とを有する。平衡場（図示せず）が、例えば、擬似直流コイル４１２（図２および３参照）等の対称電流成分によってチャンバ１００内に生産される。平衡場は、軸変位方向５２４に正味力を生産しないが、横方向／半径方向または軸方向のいずれかに安定プラズマを生産するように調整されることができる。本明細書に提示される実施形態の目的のために、平衡場は、横方向／半径方向安定ＦＲＣプラズマ５２０を生産するように調整される。前述のように、これは、軸方向不安定性をもたらし、したがって、軸変位方向５２４におけるＦＲＣプラズマ５２０の軸変位をもたらす。ＦＲＣプラズマ５２０が、軸方向に移動するにつれて、反対称である、すなわち、閉じ込めチャンバ１００の中央平面の両側の閉じ込めチャンバ１００の壁において逆方向にある、電流５１４および５１６を誘発する。ＦＲＣプラズマ５２０は、これらのタイプの電流成分を容器内と、また、外部コイル内との両方に誘発する。本反対称電流成分５１４および５１６は、半径方向場を生産し、これは、トロイダルプラズマ電流５２２と相互作用し、ＦＲＣプラズマ５２０の移動に対向する力を生産し、本力の結果は、プラズマ軸変位を減速させることである。これらの電流５１４および５１６は、閉じ込めチャンバ１００の抵抗率に起因して、時間に伴って、徐々に消散する。

中央平面の両側に閉じ込めチャンバ１００の周りに配置される、半径方向場コイル５３０および５３１は、コイル５３０および５３１内で逆方向に誘発される電流５３２ならびに５３４に起因して、付加的半径方向場成分を提供する。半径方向場コイル５３０および５３１は、含有容器１００の内部または外部に位置付けられ得る、軸対称コイルのセットを備えてもよい。半径方向コイル５３０および５３１は、擬似直流コイル４１２（図２および３参照）と同様に、含有容器１００の外部に位置付けられるように示される。コイル５３０および５３１のそれぞれまたはコイルのセットは、中央平面の対向側のコイルと異なる電流を搬送し得るが、電流は、含有容器１００の中央平面に対して反対称であり、中央平面に沿ってＢ_ｚ≠０、Ｂ_ｒ＝０を伴う磁場構造を生産する。半径方向場コイル５３０および５３１は、トロイダルプラズマ電流５２２と相互作用し、軸方向力を生産する、補完的半径方向場成分を生成する。軸方向力は、順に、プラズマを閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって後退させる。

制御機構５１０は、機械中央平面の周囲のオーバーシュートおよび／または発振を最小限にしながら、プラズマ位置を中央平面に向かって即座に復元させるために、半径方向場コイル電流に作用するように構成される、制御システムを含む。制御システムは、半径方向場コイル５３０および５３１、擬似直流コイル４１２、それらのそれぞれの電力供給源、および例えば、磁気センサ等の他の構成要素に動作可能に結合されるプロセッサを含み、プラズマ位置、プラズマ速度、およびアクティブコイル電流測定値を提供する。プロセッサは、本願に説明される算出および分析を行うように構成されてもよく、非一過性コンピュータ可読媒体を含む、１つまたは複数のメモリを含む、または、１つまたは複数のメモリに通信可能に結合されてもよい。これは、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書に説明される機能を実行可能な任意の他の回路またはプロセッサを使用するシステムを含む、プロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースのシステムを含んでもよい。前述の実施例は、例示にすぎず、したがって、用語「プロセッサ」または「コンピュータ」の定義および／もしくは意味をいかようにも限定することを意図するものではない。

プロセッサの機能は、ソフトウェアルーチン、ハードウェア構成要素、またはそれらの組み合わせのいずれかを使用して実装されてもよい。ハードウェア構成要素は、例えば、集積回路または離散電子構成要素を含む、種々の技術を使用して実装されてもよい。プロセッサユニットは、典型的には、可読／書込可能メモリ記憶デバイスを含み、典型的には、メモリ記憶デバイスに書き込みかつ／またはメモリ記憶デバイスを読み取るためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを含む。

プロセッサは、コンピューティングデバイス、入力デバイス、ディスプレイユニット、および、例えば、インターネットにアクセスするためのインターフェースを含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサは、マイクロプロセッサを含んでもよい。マイクロプロセッサは、通信バスに接続されてもよい。コンピュータまたはプロセッサはまた、メモリを含んでもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および読取専用メモリ（ＲＯＭ）を含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサはまた、ハードディスクドライブ、または、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、光ディスクドライブ、および同等物等のリムーバブル記憶ドライブであり得る、記憶デバイスを含んでもよい。記憶デバイスはまた、コンピュータプログラムまたは他の命令をコンピュータもしくはプロセッサの中にロードするための他の類似手段であってもよい。

プロセッサは、入力データを処理するために、１つまたは複数の記憶要素内に記憶される、命令のセットを実行する。記憶要素はまた、所望または必要とされるデータもしくは他の情報を記憶してもよい。記憶要素は、処理機械内の情報源または物理的メモリ要素の形態であってもよい。

半径方向場コイルアクチュエータを使用して、軸方向に安定または不安定ＦＲＣ構成の位置を制御する問題は、スライディングモード制御として知られる非線形制御理論の分岐を使用して解決される。システム状態（スライディング表面）の線形関数は、所望の漸近的安定（スライディング）挙動を伴うエラー信号として作用する。スライディング表面は、広範囲のＦＲＣ動的パラメータ内で漸近的安定性を呈するためのリアプノフ理論を使用して設計される。提案される制御スキームは、次いで、スライディング表面において使用されるパラメータを再調整する必要なく、軸方向に安定および不安定の両方のプラズマのために使用されることができる。本性質は、前述のように、平衡が、ＦＲＣ放電の異なる位相において軸方向に安定な平衡と軸方向に不安定な平衡との間で遷移する必要があり得るため、有利である。

制御スキーム５００の構成は、図２５に示される。低域通過フィルタは、所望の制御帯域幅内の切替周波数を制限する。１サンプル遅延を伴うサンプリングおよび信号伝送を要求する、デジタル制御ループが、仮定される。エラー信号（スライディング表面）は、コイル電流、プラズマ位置、およびプラズマ速度の線形組み合わせである。プラズマ位置およびプラズマの速度は、外部磁気測定から得られ得る。アクティブコイルシステム内の電流は、標準的方法によって測定されることができる。

コイル電流およびプラズマ位置が、位置制御を実装するために要求される。プラズマ速度が、性能を改良するために要求されるが、随意である。本エラー信号の非線形関数（リレー制御法則）は、中央平面対称コイルに接続される電力供給源の対毎の離散電圧レベルを生成する。中央平面対称コイルは、同一強度であるが、反対の符号のリレー電圧を供給される。これは、半径方向場成分を生成し、プラズマ位置を中央平面に向かって復元させる。

制御スキームの実行可能性を実証するために、精密なプラズマモデルが、プラズマ動態をシミュレートするために使用される。モデルは、磁石幾何学形状を利用する。プラズマ電流分布は、プラズマおよび容器のみが検討されるとき、２ｍｓの成長時間を伴う軸方向に不安定な平衡に対応する。電力供給源は、離散電圧レベル、典型的には、８００Ｖステップを用いて作用すると仮定される。

図２６は、２０ｃｍだけ軸方向に変位されたプラズマを中央平面に戻すために要求されるコイルピーク電流およびランプ率とともに、コイルに印加される電圧とプラズマ位置整定時間との間の関係を強調する、いくつかのプラズマ制御シミュレーションを示す。これらのスライディングモード軸方向位置制御シミュレーション実施例は、４つの対の外部トリムコイルを使用して、０．３Ｔで実行された。４つの例は、２００Ｖ（黒正方形）、４００Ｖ（黒円形）、８００Ｖ（黒三角形）、および１６００Ｖ（白正方形）刻みの離散電圧レベルを伴う電力供給源と対応するように示される。全ての４つの例に関して、制御帯域幅は、１６ｋＨｚであり、サンプリング周波数は、３２ｋＨｚである。プラズマ位置（上）、最外コイル対内の電流（中央）、およびコイル電流ランプ率（下）が、示される。プラズマ変位は、２０ｃｍに到達するまで、不安定のままである。本時点で、フィードバック制御が、印加される。

シミュレーション結果は、以下を示す。
１． ５ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒正方形トレース）、０．５ＭＡ／ｓのコイルランプアップ率が十分であり、２００Ｖ電力供給源を要求する。
２． ２．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒円形トレース）、１ＭＡ／ｓのコイルランプアップ率が十分であり、４００Ｖ電力供給源を要求する。
３． １．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（黒三角形トレース）、２ＭＡ／ｓのコイルランプアップ率が十分であり、８００Ｖ電力供給源を要求する。
４． １．０ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために（白正方形トレース）、４ＭＡ／ｓのコイルランプアップ率が十分であり、１６００Ｖ電力供給源を要求する。

上方に位置する第３の例（２ＭＡ／ｓランプ率例）に関する全てのトリムコイルのためのピーク電流はまた、トリムコイル位置の関数として図２７に示される。スライディングモード軸方向位置制御シミュレーション実施例は、３つのレベル（＋８００Ｖ、０、－８００Ｖ）を伴う電力供給源、制御帯域幅１６ｋＨｚ、およびサンプリングレート３２ｋＨｚを使用して、４つの対の外部トリムコイルを使用して０．３Ｔで実行される。１．３ｍｓ以内にプラズマを中央平面に戻すために、２ＭＡ／ｓのコイルランプアップ率が、要求される。全てのコイル対において要求されるピーク電流は、１．５ｋＡ未満である。要求される実際の切替周波数（約２ｋＨｚ）は、制御システム帯域幅を優に下回る。

制御システムはまた、プラズマ位置を伴わない、コイル電流およびプラズマ速度のみの関数である、標的表面を実装されることができる。この場合、軸方向位置制御ループは、制御ではなく、軸方向動態の安定化のみを提供する。これは、プラズマが、準安定状況にあり、その軸に沿ってゆっくりとドリフトし得ることを意味する。位置制御が、次いで、プラズマ区分線と容器との間のプラズマ間隙を制御する、付加的フィードバックループを使用して提供され、故に、これは、プラズマ形状および位置制御を同時に行う。

類似制御システムが使用される、別のプラズマ閉じ込めデバイスは、トカマク型である。プラズマ閉じ込めを維持するために、トカマク型におけるプラズマ電流は、それぞれ、プラズマ密度およびトロイダル場にほぼ比例する、下限と上限との間に保たれなければならない。高プラズマ密度で動作するために、プラズマ電流は、増加されなければならない。同時に、ポロイダル場は、可能な限り低く保たれなければならず、したがって、ｑ安全率は、ｑ＝２を上回る。これは機械軸方向に沿ってプラズマを伸長させることによって達成され、境界磁場をその安全限界を上回って増加させずに、大プラズマ電流に適合することを可能にする（故に、高プラズマ密度を可能にする）。これらの伸長プラズマは、機械軸方向（トカマク型用語では、垂直方向として知られる）に沿って不安定であり、また、プラズマ安定化機構を要求する。トカマク型における垂直プラズマ位置制御もまた、半径方向場コイルのセットを使用して復元され、したがって、ＲＦＣ位置制御問題に非常に類似する。しかしながら、トカマク型において安定化を要求する理由およびＦＲＣにおいて安定化を要求する理由は、異なる。トカマク型では、プラズマ垂直不安定性は、大プラズマ電流で動作するために課される犠牲であり、高トロイダル場を伴って動作するためにプラズマ伸長を要求する。ＦＲＣの場合、プラズマ不安定性は、横方向安定性を得るために課される犠牲である。トカマク型は、構成を安定化させる、トロイダル場を有し、したがって、それらは、横方向安定化を必要としない。

本明細書に提供される例示的実施形態は、米国仮特許出願第６２／２５５，２５８号および米国仮特許出願第６２／３０９，３４４号に説明されており、それらの出願は、参照することによって組み込まれる。

しかしながら、本明細書に提供される例示的実施形態は、単に、例証的実施例として意図され、いかようにも限定されない。

本明細書に提供される任意の実施形態に関して説明される全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることを意図している。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、一実施形態のみに関して説明される場合、特徴、要素、構成要素、機能、またはステップは、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、常に、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または、一実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別のもので代用する、請求項の導入の先行する基礎ならびに書面による支援としての役割を果たし、仮に以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しなくても、そのような役割を果たす。特に、本説明を読んだ当業者が、ありとあらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が容易に認識されるであろうことを考えれば、可能性な全ての組み合わせおよび代用を明示的に記載することは、過度の負担である。

多くの事例では、エンティティは、他のエンティティに結合されるように本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」（またはその形態のいずれか）は、本明細書では同義的に使用され、両場合では、２つのエンティティの直接結合（任意の無視不可能である（例えば、寄生）介在エンティティを伴わずに）および２つのエンティティの間接結合（１つまたは複数の無視不可能である介在エンティティを伴う）に包括的であることを理解されたい。エンティティが、ともに直接結合されるように示される、または任意の介在エンティティの説明を伴わずに、とともに結合されるように説明される場合、それらのエンティティは、文脈によって明確に別様に示されない限り、同様に、ともに間接的に結合されることができることを理解されたい。

実施形態は、種々の修正および代替形態を被るが、その具体的実施例が、図面に示され、本明細書に詳細に説明されている。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではなく、対照的に、これらの実施形態は、本開示の精神内にある全ての修正、均等物、および代替案を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、ならびにその範囲内にない特徴、機能、ステップ、または要素によって請求項の範囲を定義する消極的限定が、請求項に記載もしくは追加されてもよい。

Claims (20)

1. 磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマを安定化させるための方法であって、
   閉じ込めチャンバ内で回転プラズマの周りにＦＲＣ磁場を形成することにより、前記閉じ込めチャンバの中央平面に隣接する前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿って位置付けられるＦＲＣプラズマを形成するステップと、
   前記閉じ込めチャンバの長手方向軸の周りに延在し、かつ、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿って延在する擬似直流コイルを用いて、前記閉じ込めチャンバ内に印加される磁場を生成するステップと、
   前記ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの長手方向軸の周りに軸対称に位置付けるために、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対して直角の半径方向において前記ＦＲＣプラズマを安定化させ、かつ、前記ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの中央平面の周りに軸対称に位置付けるために、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿った軸方向において前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップであって、前記ＦＲＣプラズマを前記半径方向に安定化させることは、前記印加される磁場を調整することにより、半径方向安定性および軸方向不安定性を前記ＦＲＣプラズマ内に誘発することを含み、前記ＦＲＣプラズマを軸方向に安定化させることは、第１の半径方向磁場および第２の半径方向磁場を生成することを含み、前記第１の半径方向磁場および前記第２の半径方向磁場は、前記ＦＲＣプラズマと相互作用することにより、前記ＦＲＣプラズマを軸方向に移動させ、前記ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの中央平面の周りに軸対称に位置付け、前記第１の半径方向磁場および前記第２の半径方向磁場は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の周りに反対称である、ステップと
   を含む、方法。
2. 前記第１の半径方向磁場および前記第２の半径方向磁場は、前記閉じ込めチャンバの周りに位置付けられる第１の半径方向コイルおよび第２の半径方向コイル内で逆方向に誘発される電流に起因して生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップは、前記プラズマの位置を監視することを含む、請求項１～２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記プラズマの位置を監視するステップは、前記ＦＲＣプラズマに関連付けられた磁気測定値を監視することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記方法は、前記第１の半径方向コイルおよび前記第２の半径方向コイル内の電流を測定するステップをさらに含み、前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップは、前記プラズマの位置を監視することを含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記方法は、前記第１の半径方向コイルおよび前記第２の半径方向コイル内の電流を測定するステップをさらに含み、前記ＦＲＣプラズマを安定化させるステップは、前記プラズマの位置を監視することを含み、前記プラズマの位置を監視するステップは、前記ＦＲＣプラズマに関連付けられた磁気測定値を監視することを含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記方法は、前記ＦＲＣプラズマの速度を監視するステップをさらに含む、請求項５～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記方法は、前高速中性原子のビームを中性ビーム注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入し、コンパクトトロイドプラズマを前記ＦＲＣプラズマの中に注入することによって、前記ＦＲＣプラズマの減衰を伴うことなく、前記ＦＲＣプラズマを一定値またはほぼ一定値に維持することをさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記方法は、前前記閉じ込めチャンバの対向端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を前記閉じ込めチャンバの前記対向端内に生成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ＦＲＣプラズマを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの端部に結合されている第１の形成区分内に形成ＦＲＣを形成することと、前記形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させることにより、前記ＦＲＣプラズマを形成することとを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ＦＲＣプラズマを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの第２の端部に結合されている第２の形成区分内に第２の形成ＦＲＣを形成することと、前記第２の形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させることとを含み、前記２つの形成ＦＲＣは、前記ＦＲＣプラズマを形成するように融合する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ＦＲＣプラズマを形成するステップは、前記形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させながら、形成ＦＲＣを形成することと、形成ＦＲＣを形成し、次いで、前記形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させることとのうちの１つを含む、請求項１０～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記方法は、前記ＦＲＣプラズマの磁束表面を前記第１の形成区分および前記第２の形成区分の端部に結合されているダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記方法は、ゲッタリングシステムを用いて、前記閉じ込めチャンバの内部表面および形成区分およびダイバータを調整するステップをさらに含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの１つを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法は、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿って搭載されているプラズマガンから前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿ってプラズマを注入するステップをさらに含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記方法は、前記ＦＲＣプラズマの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ＦＲＣプラズマの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、前記ＦＲＣプラズマの開磁束面群に電位分布を印加することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマを生成および安定化させるためのシステムであって、
    閉じ込めチャンバと、
    前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿って対向されており、かつ、前記閉じ込めチャンバに結合されている第１のＦＲＣ形成区分および第２のＦＲＣ形成区分であって、前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分は、前記ＦＲＣプラズマを生成し、前記ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール式形成システムを含む、第１のＦＲＣ形成区分および第２のＦＲＣ形成区分と、
    前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分に結合されている第１のダイバータおよび第２のダイバータと、
    前記第１のダイバータおよび前記第２のダイバータと、前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分と、前記閉じ込めチャンバとに動作可能に結合されている第１の軸方向プラズマガンおよび第２の軸方向プラズマガンと、
    前記閉じ込めチャンバに結合されており、かつ、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対して直角未満の角度で前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって中性原子ビームを注入するように配向されている複数の中性原子ビーム注入器と、
    前記閉じ込めチャンバの長手方向軸および前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分および前記第１のダイバータおよび前記第２のダイバータに沿って前記閉じ込めチャンバの長手方向軸の周りに位置付けられている複数の擬似直流コイルと、前記閉じ込めチャンバと前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分との間に位置付けられている第１の擬似直流ミラーコイルおよび第２の擬似直流ミラーコイルのセットと、前記第１のＦＲＣ形成区分および前記第２のＦＲＣ形成区分と前記第１のダイバータおよび前記第２のダイバータとの間に位置付けられている第１のミラープラグおよび第２のミラープラグとを含む磁気システムと、
    前記閉じ込めチャンバと前記第１のダイバータおよび前記第２のダイバータとに結合されているゲッタリングシステムと、
    第１の半径方向磁場および第２の半径方向磁場を前記閉じ込めチャンバ内に生成するように構成されている第１の半径方向磁場コイルおよび第２の半径方向磁場コイルのセットであって、前記第１の半径方向磁場および前記第２の半径方向磁場は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の周りに反対称である、第１の半径方向磁場コイルおよび第２の半径方向磁場コイルのセットと、
    前記擬似直流コイルと前記第１の半径方向磁場コイルおよび前記第２の半径方向磁場コイルにと動作可能に結合されている制御システムであって、前記制御システムは、複数の命令を含む非一過性のメモリに結合されているプロセッサを含み、前記複数の命令は、実行されると、ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの長手方向軸の周りに軸対称に位置付けるために、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対して直角の半径方向において前記ＦＲＣプラズマを安定化させ、かつ、前記ＦＲＣプラズマを前記閉じ込めチャンバの中央平面の周りに軸対称に位置付けるために、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に沿った軸方向において前記ＦＲＣプラズマを安定化させるために、前記複数の擬似直流コイルと前記第１の半径方向磁場コイルおよび前記第２の半径方向磁場コイルとによって生成された磁場を調整することを前記プロセッサに行わせる、制御システムと
    を備える、システム。
20. 前記システムは、前記ＦＲＣプラズマを生成し、中性原子ビームが前記ＦＲＣプラズマの中に注入される間、前記ＦＲＣプラズマの減衰を伴うことなく、前記ＦＲＣプラズマを一定値またはほぼ一定値に維持するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。

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