(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化プラズマの磁気寿命を制御するためのシステムであって、
入力ユニット、処理ユニット、及び出力ユニットを含むコントローラと、
種々の半径方向、軸方向、及び角度位置に配置され、各々が前記プラズマの少なくとも１つのパラメータの信号を前記コントローラの前記入力ユニットに提供するように構成された複数の測定プローブと、
前記コントローラの前記出力ユニットと通信して、１又は２以上の追加の電流パルスを前記システムに提供して前記プラズマのトロイダル磁場を増大させるように構成され、前記電流パルスの電流減衰を調節するようにそのインダクタンス対抵抗（Ｉ／Ｒ）時定数を調節するための手段を有する電源と、
を備え、
前記コントローラは、前記処理ユニットによって実行可能であり、前記複数の測定プローブから得られた前記信号を処理し、前記得られた信号中の不規則性を検出し、前記電源をトリガーして少なくとも１つのプローブの前記信号中に検出された不規則性に基づいて、追加の電流パルスを提供するプログラムコードを含む、メモリを有し、
前記電源のＬ／Ｒ時定数は、前記プラズマのポロイダル磁場の最短減衰時間よりも短くなるように調節される、システム。
【請求項２】
前記Ｌ／Ｒ時定数を調節するための前記手段は、インダクタである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、前記プラズマの前記トロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率をさらに計算して前記計算された比率を経験的に導き出された下側閾値と比較し、前記電源をトリガーして、前記計算された比率が前記下側閾値を下回る場合に前記追加の電流パルスを提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、前記下側閾値と上側閾値との間の前記磁場比率を維持する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、前記追加の電流パルスは、前記プローブのうちの少なくとも１つから得られた信号中に振動を検出した場合にトリガーされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、様々な角度位置に配置された前記プローブから得られた前記信号中の前記振動の位相に基づいて前記プラズマの不安定モードを計算し、前記プログラムコードは、前記計算された不安定モードに基づいて前記追加の電流パルスのトリガーのタイミングを調節するようにさらに実行可能である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
磁化プラズマの磁気寿命を制御するための方法であって、
前記磁化プラズマのポロイダル磁場の最短減衰時間よりも短くなるように電源のインダクタンス対抵抗（Ｌ／Ｒ）時定数を調節する段階と、
前記プラズマの磁軸から種々の位置においてパラメータを検出するように磁束保存チャンバの壁部に種々の半径方向、軸方向、及び角度位置で配置された複数のプローブによって、前記プラズマの１又は２以上のパラメータを測定する段階と、
前記複数のプローブから得られた信号を処理して、前記得られた信号中の不規則性を検出する段階と、
前記少なくとも１つのプローブの信号中に検出された不規則性に基づいて追加の電流パルスを提供するように前記電源をトリガーする段階と、
を含む、方法。
【請求項８】
前記方法は、前記プラズマのトロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率を計算する段階と、前記計算された比率を経験的に導き出された下側閾値と比較する段階と、前記計算された比率が前記経験的に導き出された下側閾値を下回る場合に前記追加の電流パルス提供するように前記電源をトリガーする段階とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は、何らかの振動が前記プローブから得られた前記信号中に存在するか否かを検出する段階と、前記振動を検出した場合に前記追加の電流パルスをトリガーする段階とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、様々な角度位置に配置された前記プローブからの前記信号中の前記振動の位相に基づいて前記プラズマの不安定モードを計算する段階と、前記計算された不安定モードに基づいて前記追加の電流パルスのトリガーのタイミングを調節する段階とをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、プラズマ磁場の減衰時間を制御するためのシステム及び方法に関し、詳細には、プラズマ磁場を制御することによってプラズマ安定性を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書では別段の指示がない限り、本セクションで説明する内容は、本出願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、本セクションに包含することによって先行技術として認められるものではない。
【０００３】
プラズマは、粒子の少なくとも一部がイオン化したガスに類似した物質の状態である。荷電粒子（例えば、陽イオン及び陰電子）の存在により、プラズマは導電性になる。荷電粒子の運動に影響を与えるだけ十分に強力な磁場を有するプラズマは、磁化プラズマと呼ばれる。プラズマトーラスは、トロイダル配位（ドーナッツ型）に形作られた自立磁化プラズマであり、結合されたポロイダル及びトロイダル（場合による）閉磁力線を有する。トロイダル磁場は、プラズマトーラスの磁軸に平行に進む磁力線を含む。トロイダル磁場は、プラズマの磁軸の周囲をポロイダル方向に流れる電流によって発生する。ポロイダル磁場は、プラズマトーラスの磁軸の周りを進む磁力線を含み、磁軸に平行にトロイダル方向に流れる電流によって発生する。磁力線はトロイダル及びポロイダル方向にプラズマの周りを複数の巻回で通るので、これはプラズマの磁軸から一定の半径の「磁束面」を定める。ポロイダル及びトロイダル磁束の結合の度合いは、プラズマトーラスのヘリシティを定める。単連結容積内に閉じ込められるプラズマトーラスは、コンパクトトロイド（ＣＴ）と呼ばれる。ＣＴ配位は、例えば、トロイダル及びポロイダル成分の両方をもつ内部磁場を有する安定した電磁流体力学的平衡の近くで存在するスフェロマック配位、又は磁場逆転配位（ＦＲＣ）を含むことができ、磁場逆転配位は、同様にトロイダル磁気トポロジーを有するが、軸方向により伸長して長楕円体に類似した外面を有することができ、さらにトロイダル磁場成分をもたない主としてポロイダル磁場を有する。ＣＴプラズマは、スフェロマック状態とＦＲＣ状態の間の状態で存在するものを含む、磁場配位の範囲で形成することができる。磁化プラズマの他の配位は、トカマク、逆転磁場ピンチ（ＲＦＰ）、及びステラレータを含み、これら全ては、外部コイルを使用してプラズマ閉じ込めチャンバ（磁束保存チャンバ）の壁部にトロイダル磁場をもたらすようになっている。
【０００４】
制御された熱核融合は、プラズマ中に存在する軽原子核の融合に基づいてより重い原子核を形成する。プラズマは、十分に長期にわたって核を閉じ込めて十分なこのような核融合を可能にする必要がある。従って、安定配位に安定させてプラズマを維持することは、あらゆる融合システム及び融合方式にとって非常に重要である。磁化プラズマ配位の場合、プラズマ磁場（ポロイダル及び／又はトロイダル磁場成分）は、プラズマ安定性及びプラズマ性能に関する重要なプラズマ特性である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様において、プラズマ磁場の減衰を制御するためのシステムが提供される。システムは、入力ユニット、処理ユニット、及び出力ユニットを含むコントローラを含む。種々の半径方向、軸方向、及び角度位置に配置された複数の測定プローブは、プラズマの少なくとも１つのパラメータの信号をコントローラの入力ユニットに提供するように構成される。電源は、コントローラの出力ユニットと通信状態で提供される。電源は、１又は２以上の追加の軸方向電流パルスをシステムに提供してプラズマのトロイダル磁場を増大させるように構成される。電源は、電流パルスの電流減衰時間を調節するようにインダクタンス対抵抗（Ｉ／Ｒ）時定数を調節するための手段を有する。コントローラは、複数の測定プローブから得られた信号を処理し、プローブから得られた信号中の不規則性を識別し、電源をトリガーして不規則性がプローブの少なくとも１つから信号中に検出される場合に軸方向電流パルスを提供する、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードを含むメモリを有する。電力系統のＬ／Ｒ時定数は、プラズマのポロイダル磁場の最短減衰時間よりも短くなるように調節される。
【０００６】
別の態様において、コントローラは、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、プラズマのトロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率を計算して計算された比率を経験的に導き出された下側閾値と比較する。コントローラは、電源をトリガーして、計算された比率が下側閾値を下回る場合に追加の軸方向電流パルスを提供する。コントローラは、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、下側閾値と上側閾値との間の磁場比率を維持する。
【０００７】
１つの態様において、コントローラは、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、複数のプローブから得られた信号中の振動を検出する。また、追加の軸方向電流パルスは、プローブのうちの少なくとも１つから得られる信号中に振動が検出される場合にトリガーされる。
【０００８】
コントローラは、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードをさらに含み、様々な角度位置に配置されたプローブから得られた信号中の振動位相に基づいてプラズマの不安定モードを計算する。プログラムコードは、計算された不安定モードに基づいて軸方向電流パルスのトリガーのタイミングを調節するようにさらに実行可能である。
【０００９】
別の態様において、プラズマ磁場の減衰時間を制御する方法が提供される。本方法は、磁化プラズマのポロイダル磁場の最短減衰時間よりも短くなるようにインダクタンス対抵抗（Ｌ／Ｒ）時定数を調節する段階と、プラズマの磁軸から種々の角度及び半径方向位置においてパラメータを検出するように磁束保存チャンバの壁部に種々の半径方向、軸方向、及び角度位置で配置された複数のプローブによってプラズマの１又は２以上のパラメータを測定する段階と、複数のプローブから得られた信号を処理する段階と、得られた信号中の不規則性を検出する段階と、少なくとも１つのプローブの信号中に検出された不規則性に基づいて追加の軸方向電流パルスを提供するように電源をトリガーする段階と、を含む。
【００１０】
上述の態様及び実施形態に加えて、更なる態様及び実施形態は、以下の詳細な説明の図面及び研究を参照して明らかになる。
【００１１】
図面全体を通して、参照番号を再利用して参照要素の間の一致を示すことができる。図面は、本明細書で説明する例示的実施形態を示すように提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。図面中の要素の寸法及び相対位置は、必ずしも縮尺通りに描かれているとは限らない。例えば、種々の要素の形状及び角度は、縮尺通りに描かれておらず、これらの要素の一部は、図面の視認性を改善するために任意に拡大して位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】プラズマ発生器、磁束保存部、及び電力供給装置を備えるプラズマを生成して閉じ込めるためのシステムの実施例の側断面図である。
【図２Ａ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて過剰の軸方向電流が供給される場合に複数のプローブから得られるプラズマのポロイダル磁力線を示すグラフである。
【図２Ｂ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて十分な軸方向電流が供給される場合に複数のプローブから得られるプラズマのポロイダル磁力線を示すグラフである。
【図３Ａ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて軸方向電流が供給されない場合に複数のプローブから得られるプラズマのポロイダル磁力線のグラフを示す。
【図３Ｂ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて軸方向電流が供給されない場合に複数のプローブから得られるプラズマのトロイダル磁力線のグラフを示す。
【図４Ａ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて軸方向電流が供給される場合に複数のプローから得られるプラズマのポロイダル磁力線のグラフを示す。
【図４Ｂ】プラズマ閉じ込めシステムにおいて軸方向電流が供給される場合に複数のプローから得られるプラズマのポロイダル磁力線のグラフを示す。
【図５】プラズマのトロイダル磁場を制御して調節するためのコントローラの概略図である。
【図６Ａ】種々の半径方向位置に複数の測定プローブを示す、磁束保存部の実施例の側断面図である。
【図６Ｂ】複数の測定プローブの半径方向及び角度位置を示す、図６Ａの磁束保存部の平面図である。
【図７】可視光センサ及びそのプラズマ磁場に対する相関性から得られた信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
前述のように、磁化プラズマにおける磁場の大部分は、プラズマ自体及び／又は磁束保存チャンバの壁部に流入する電流によって作り出される。磁化プラズマの磁場は、プラズマ中心部から縁部への熱及び粒子の移動を抑制することによってプラズマエネルギーを閉じ込める。磁場における荷電粒子の経路は、力線に沿って進む螺旋磁場に閉じ込められるので、力線がトロイダル及びポロイダル方向に沿って進むが半径方向には進まず、プラズマ中心部から縁部への直接ルートを確実に回避することに十分な注意を払う必要がある。磁束面上のトロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率は、力線を描いてトロイダル巻回数を数えることによって最良に説明することができ、これは１回のポロイダル巻回が終了する前に終了し、この数は安全係数又はｑ係数と呼ばれる。以下、本明細書に使用される場合、「ｑプロフィール」は、その半径に沿ったプラズマのｑ係数の値を意味する。プラズマ中心部におけるｑ係数は、一般に、プラズマの縁部におけるｑ係数とは異なるので、ｑプロフィールは、その半径に沿ったプラズマのｑ係数である。一般に、安全係数は、
0006429996.tif 000002
であり、式中ｍはポロイダル方向の振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）であり、ｎはトロイダル方向の振動である。ｑが有理数（２つの整数ｍ及びｎの分数として表される数）であり、整数ｍ及びｎが低値（例えば、３未満のｍ及びｎの値）を有する場合、プラズマは共振して、非対称が進展することになる。多くの場合、この非対称は、トーラスの周りを回転し、時間内の振動としてセンサから得られる信号の位相によって検出することができる。このような非対称は、プラズマ配位の熱閉じ込めを低減できる。
【００１４】
磁場における電流は、磁場の強度及び磁場ベクトルに垂直に流れる電流の大きさに比例する力（ローレンツ力）を受けることになる。これは、
【数１】
0006429996.tif 000003
（１）
としてベクトル方程式で表すことができる。
【００１５】
単に、電流
0006429996.tif 000004
が磁場
0006429996.tif 000005
に平行に流れている場合、ローレンツ力
0006429996.tif 000006
を受けないことになる。
【００１６】
ローレンツ力がプラズマ（又は何らかの非剛体）に付与される場合、付与される正味の力が存在しなくなるまでプラズマを加速することになり、その時点で、プラズマは、平衡状態又はフォースフリー状態になる。ＣＴ（これは、内部電流及び磁場を有する自立磁化プラズマである）の場合、この平衡は、電流が磁場と平行に流れる点である。
【００１７】
従って、電流及び磁場がどこでも平衡状態にあり、プラズマの一部が力を受けない固有の相対電流プロフィールが存在する。本明細書で使用される場合、「電流プロフィール」は、一定の期間内にシステムに流入する電流の値（半径の関数として）を意味する。一般に磁化プラズマは、ポロイダル磁場及びポロイダル電流（電流及び磁場は同じ方向にある）とトロイダル磁場及びトロイダル電流によって特徴付けられる。ポロイダル電流はトロイダル磁場を発生し、トロイダル電流はポロイダル磁場を発生する。プラズマがどこでも均一な温度を有している場合、プラズマ磁気寿命τmagは、
【数２】
0006429996.tif 000007
（２）
としてスケール調整することができ、式中Teは電子温度である。しかしながら、プラズマは均一な温度を有しておらず、このことはプラズマ縁部（プラズマがより冷たいところ）における電流減衰の速度が、プラズマ中心部における速度よりも速いことを意味する。不均質プラズマの磁気寿命は、
【数３】
0006429996.tif 000008
（３）
として説明されている。
【００１８】
縁部電流が減衰すると平衡が失われ、プラズマは磁力によって振り回される。縁部での電流が消えると、プラズマ中心部からの電流は縁部に移動し、スピッツァー抵抗率（電子イオン衝突に基づく電気抵抗率）から予測されているものよりも高速で中心部電流を奪う。
【００１９】
従って、プラズマ閉じ込めを改善するために、プラズマのトロイダル磁場を増大させて、結果的にプラズマのｑプロフィールを増大させるために、追加の電流を磁束保存チャンバに流すことが提案されている。このような追加の１又は複数の電流パルスは、磁束保存部に供給されてプラズマ形成電流パルスの減衰後にトリガーされる。追加の電流パルスは、磁束保存部の壁部を通り、トロイド軸を通って延びる中心ロッド（図１の中心ロッド１４ａを参照）に沿って供給される。この追加の電流パルスは、軸方向電流パルスと呼ばれ、本明細書では、磁束保存チャンバの壁部及び中心ロッドを通り抜け、プラズマ形成電流パルスの減衰後にトリガーされる電流と定義される。
【００２０】
プラズマトーラスの閉じ込めは、プラズマのｑ係数が１／２、１、３／２、２等の有理数に達すると必ず不安定になる。カナダ国バーナビー所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｆｕｓｉｏｎ社で建設中の特定のプロトタイプのプラズマ発生器による実験では、ポロイダル磁場はプラズマ電流の減衰と共に減衰するが、トロイダル磁場はプラズマ閉じ込めシステム（例えば、プラズマ発生器）の時定数Ｌ／Ｒ（インダクタンス／抵抗）と共に減少することが明らかになった。ポロイダル及びトロイダル磁場は様々な速度で減衰するので、ｑ係数は、有理分数に達するまで上下変動し、その時点で、プラズマの不安定性が進展して、プラズマ閉じ込めが崩壊する。図２Ａは、磁束保存部において過剰の軸方向電流が供給される場合に様々なプローブから経時的に得られるプラズマのポロイダル磁場のグラフ（プローブ当たり１つの曲線）を示す。図２Ａのグラフから分かるように、磁束保存部において過剰の電流が供給される場合、トロイダル磁場は増大し、例えば１（初期の場合には、プラズマのｑプロフィールは１／２〜１であった）に上昇する場合があり、プラズマの旋回運動（振動２００）をもたらし、破壊された磁束面、素早いエネルギー損失、及び短いプラズマ寿命につながる。従って、ポロイダル磁場がより素早く低下する（又はトロイダル磁場がポロイダル磁場の減衰よりも素早く増大する）場合、ｑプロフィールは増大することになり、ｑ有理数（すなわち、ｑ＝１）に達するとプラズマは不安定になる（例えば、ｎ＝１不安定モード）。これは、いわゆる「過度持続」プラズマである。図２Ｂは、磁束保存部において軸方向電流が十分供給されない場合の様々なプローブから経時的に得られるプラズマのポロイダル磁場のグラフ（プローブ当たり１つの曲線）を示す。磁束保存部において軸方向電流が十分に供給されない場合、トロイダル磁場はポロイダル磁場よりも素早く低下し、ｑプロフィールは減少し、振動２１０（例えば、ｎ＝２不安定モード）として示すプラズマ不安定性につながる場合があるｑ＝１／２（初期の場合には、プラズマのｑプロフィールは１／２〜１であった）に達する。これは、いわゆる「持続不足」プラズマである。グラフから分かるように、ｎ＝２不安定モードは、プラズマを崩壊することはできないが（ｎ＝１モードほど悪くない）、図２Ｂのグラフを持続プラズマ（磁束保存部において１又は２以上の軸方向電流パルスを供給する場合に存在するプラズマ）の磁場を示す図４Ａのグラフと比較すると分かるように、プラズマの寿命が短くなる。理解できるように、図４Ａのグラフのプラズマの磁場寿命は、図２Ｂに示すプラズマの磁場寿命と比べてはるかに長い（ｎ＝２の不安定性は回避される）。
【００２１】
プラズマのｑ係数を所望の範囲に制御かつ調節して、プラズマを安定状態に維持する必要である。プラズマのｑプロフィールの微調整及び調節は、低プラズマ変動及び改善されたプラズマ閉じ込めを可能にすることができる。プラズマのｑプロフィールの測定及びそのリアルタイム制御は、複雑なモデル化を必要とする複雑な課題である。しかしながら、本発明者らは、ｑプロフィール測定の代わりとしてプラズマのトロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率を使用できることを見出した。トロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率は、能動的に及びリアルタイムで、所定のｑ値に関連する経験的に求めた最適値に制御して維持することができる。これは、１つの実施構成において、外部電流駆動を調節することによって達成することができる。例えば、磁場比率が特定の経験的に求めた値に低下すると（例えば、ｑ係数が有理数、例えば、１／２に近づくと）、トロイダル磁場は、例えば、磁場比率を上昇させる磁束保存チャンバにおいてポロイダル電流（軸方向電流）を供給し、プラズマのｑを臨界値の間（１／２＜ｑ＜１）に維持することによって増大させることができる。
【００２２】
図１は、プラズマ発生器１２、磁束保存部１４といったターゲットチャンバ、並びに形成電力供給装置サブシステム２２ａ及び持続電力供給装置サブシステム２２ｂを有する電力供給装置２２を含む、プラズマを生成して閉じ込めるためのシステム１０の実施例を概略的に示す。磁束保存部１４は、軸方向の中心ロッド１４ａを含む。電力供給装置２２は、形成パルスを提供するための１又は２以上のコンデンサバンクと、磁束保存部１４の中心ロッド１４ａ及び壁部を通って流れる軸方向電流パルスのような追加の電力パルスを提供するための１又は２以上のコンデンサバンクとを含むパルス電力供給装置とすることができる。１つの実施構成において、形成パルスを提供する１又は２以上のコンデンサバンクは、追加の／軸方向の電流パルスを提供することもできる。発生器１２は、例えば、スフェロマック又は何らかの他の好適な磁化プラズマ配位のような磁化トロイダルプラズマを生成するように構成される。発生器１２は、外側電極１６及び同軸上の内側電極１５を含むことができる。内側及び外側電極１５及び１６は、その間に環状プラズマ形成チャネル１７を定める。プラズマ発生器１２は、形成部に加えて磁束保存部１４に向かって形成されたプラズマトーラスを加速する加速部を含むことができる、例えば、１段のマーシャル銃又は２又は３段以上のマーシャル銃とすることができる。図１は、加速部のない１段のマーシャル銃を示すが、当業者であれば、プラズマ発生器１２は、本発明の範囲から逸脱することなく磁束保存部１４に向かってプラズマトーラスを生成及び／又は加速するように構成された何らかの他の公知のプラズマ発生器とすることができることを理解できるはずである。
【００２３】
発生器１２は、プラズマのポロイダル磁場（図２ａを参照）を形成するために、半径方向スタッフィング磁場を提供するように構成された一連の磁気コイル１８をさらに含む。電源（電源２２とは異なる）を用いて、電流をコイル１８に供給することができる。所定量のガスは、発生器のハウジングの周辺部に位置するバルブ２０（図１には２つのバルブ２０のみが示されており、残りは明瞭化のために省略されている）のリングを通って環状チャネル１７の中に注入される。バルブ２０の各々は、ガスリザーバ（図示せず）と流体連通状態にあり、ガスを形成チャネル１７の中に実質的に対称導入するように作動可能である。注入されたガスは、例えば軽元素、すなわち水素の同位元素（例えば、重水素及び／又は三重水素）及び／又はヘリウムの同位元素（例えば、ヘリウム３）又は何らかの他のガス又はガス混合気とすることができる。ガスの対称導入により、チャネル１７内にガスの環状クラウドが形成される。システム１０は、さらにポンピングポート２４に接続されたポンピングシステムを用いることによって少なくとも部分的に排気することができる。複数の観察ポートは、プラズマ発生器１２及び／又は磁束保存部１４に沿って種々の軸方向位置に設けることができ、種々の測定プローブ／検出器に対応するようになっている。診断アレイを設けることができ、種々の半径方向又は軸方向位置におけるプラズマのパラメータ（例えば、磁場、温度、密度、不純物）並びにシステムのパラメータ（例えば、電流、電圧、その他）を測定するようになっている。当業者であれば、プラズマ発生器、コイル又はガスバルブの何らかの他の配位を本発明の範囲から逸脱することなく使用できることを理解できるはずである。
【００２４】
コイル１８は、ガスが環状チャネル１７の中に注入される前に及び電流が電極１５及び１６の間で放電される前にスタッフィング磁場を設定する。例えば、スタッフィング磁場は、放電の数秒前に加えることができる。ガスが拡散して少なくとも部分的に形成チャネル１７を満たした状態で、電源２２の形成サブシステム２２（例えば、形成コンデンサバンク）をトリガーして、電極１５及び１６の間を流れる形成電流パルスが引き起こすことができる。電流は、実質的に半径方向にガスを通過し、ガスをイオン化してプラズマを形成する。この電流は、プラズマ内にトロイダル磁場を作りだすことができ、磁気圧力の勾配は、環状チャネル１７から下に磁束保存部１４に向かうプラズマの運動を引き起こすことができる力（ローレンツ力）
0006429996.tif 000009
を与えることができる。プラズマは、磁束保存部１４に向かって移動する際にコイル１８から発生するスタッフィング磁場と相互作用する。磁束保存部１４に向かってプラズマを変位させる力は、スタッフィング磁場の引張力に打ち勝つだけ十分な強度を有し、スタッフィング磁場は弱くなって進行プラズマ（バブル段階）によって変形する。最終的に、プラズマは自由になり、磁場は、プラズマに巻き付き、プラズマ磁場及びトロイダル磁場でもって磁化プラズマトーラスを形成する。発生器１２（例えば、プラズマ銃）がトロイダル磁場の注入を停止すると、プラズマ中の磁場は、迅速に自立してプラズマトーラス、例えば、スフェロマックを形成する。
【００２５】
形成パルスが減衰した後、供給源２２の持続サブシステム２２ｂ（持続コンデンサバンク）をトリガーして、電流が磁束保存部１４（チャンバ１４の軸ロッド１４ａ及び壁部）に流入続けるように、追加の１又は複数の電流パルスを提供することができる。このような追加の軸方向電流パルスは、初期の形成パルスと比べて低レベルである。例えば、形成電流パルスは、約１０〜４０μｓの間で約５００〜９００ｋＡとすることができる。追加の電流パルスは、約１５０〜２５０ｋＡとすることができ、これは、システムのパラメータに応じて約１００μｓ〜５ｍｓのＬ／Ｒ（インダクタンス／抵抗）時定数でもって減衰するように設計することができる。当業者であれは、本発明の範囲から逸脱することなく電流又はＬ／Ｒ時間スケールに関して様々な値が可能であることを理解できるはずである。Ｌ／Ｒ時間スケールは、Ｌ及び／又はＲを適切に選択することによって、例えば、システム１０のインダクタンスＬの所与の値に対して抵抗Ｒを選択することによって変更することができる。
【００２６】
図３Ａは、磁束保存部１４において追加の軸方向電流を供給しない場合のＧｅｎｅｒａｌ  Ｆｕｓｉｏｎ社で行った実験で得られたプラズマのポロイダル磁場の例を示し、図４Ａは、磁束保存部１４において追加の（軸方向）電流を供給する場合のポロイダル磁場を示す。図３Ｂ及び図４Ｂは、このような持続不可能なプラズマ及び持続プラズマのトロイダル磁場をそれぞれ示す。追加の軸方向電流パルスを供給しない場合に理解できるように、プラズマの磁場は、最大で約２００μｓ（図３Ａを参照）持続するが、追加の軸方向電流パルスを用いると（図４Ａを参照）、プラズマの寿命は非常に長くなる（例えば、約６００μｓ）。図４Ａに示すように、追加の軸方向電流パルスが形成パルスに加えてトリガーされる場合、プラズマトーラスは、形成期間の初期に何らかの乱れを受けるが、この初期乱れの後で、プラズマ放電が終了する６００μｓでの乱れが成長するまで非常に静かに（安定に）なる。
【００２７】
プラズマ安定／緩和期間時に、プラズマのｑは、トロイダル又はポロイダル磁場がより速く減衰するか否かに応じて上昇又は低下することになる。通常、ポロイダル磁場（プラズマ中のトロイダル電流から）は、軸方向電流によって維持することができるトロイダル磁場よりも速く減衰する。ｑが安定時に低下するようにインダクタンスを減少させることによって、軸方向電流放電を利用して有理数値からｑを離しておくことができる。追加の軸方向電流パルスを能動的に制御して長期間にわたってプラズマを安定させるために、コントローラ５０１（図５を参照）が設けられている。ポロイダル磁場の減衰速度は、ショット間で変化する（それはプラズマ電流の減衰と共に減衰する）ので、トロイダル磁場は、ポロイダル減衰率に一致するように制御して調節する必要があり、プラズマのｑプロフィールは、例えば、１／２〜１（１／２＜ｑ＜１）のような有理分数とは異なる値でほぼ一定に維持することができる。コントローラ５０１は、入力ユニット、出力ユニット、及び処理ユニットを含み、システム１０から遠く離れて配置することができる。コントローラ５０１は、複数のプローブ５０２と通信する。プローブ５０２は、長期にわたってプラズマのパラメータの信号を提供することができる。例えば、プローブ５０２は、磁束保存部１４及び／又はプラズマ銃１２の壁部に配置することができ、プラズマにポロイダル及びトロイダル磁場の信号を提供するように構成することができる磁気プローブ（例えば、Ｂドットプローブ又は何らかの他の好適な又は磁気プローブ）とすることができる。磁気プローブは、経時的に種々の軸方向／半径方向及び／又は角度位置におけるプラズマの磁場（ポロイダル及びトロイダル成分）のデータを提供することができる。図６Ａは、磁束保存部１４の上側部分（ロッド１４ａの上側部分）に配置された複数のプローブ５０２ａと、磁束保存部１４の下側部分（ロッド１４ａの下側部分）に配置された複数のプローブ５０２ｂとを示す磁束保存部１４の実施例を示す。プローブ５０２ａ及び５０２ｂは、磁気プローブとすることができ、このようなプローブの各々は、一方の信号をプラズマのポロイダル磁場に、別の信号をプラズマのトロイダル磁場に提供することができる。例えば、プローブ５０２ａ、５０２ｂの各々は、プローブの先端の近くに位置する２つの別個のコイルを含むことができる。コイルの一方は、プラズマのポロイダル磁場の信号を捕捉することになるように配向することができ、他方のコイルは、プラズマのトロイダル磁場を測定するように向けることができる。プローブ５０２ａ、５０２ｂの各々は、プラズマにおいて種々の半径方向、軸方向、及び／又は角度位置にある磁場を経時的に測定することができるように、異なる半径方向、軸方向、及び／又は角度位置を有する。種々の半径方向／角度位置における種々のプローブからの信号に基づいて、プラズマのポロイダル及びトロイダル力線をモデル化することができ、プラズマのｑプロフィールを推定することができる。図６Ｂは、種々の角度でのプローブの位置を示す。当業者であれば、プローブの数及びこれらの位置が、本発明の範囲から逸脱することなく変更できることを理解できるはずである。１つの実施構成において、プローブ５０２は、プラズマのポロイダル及びトロイダル電流の信号を提供することができる電流又は電圧測定プローブとすることができる。別の実施形態において、プローブ５０２は、プラズマパラメータの情報を提供することができる干渉計、ｘ線光ダイオード、画像検出センサ、又は何らかの他のセンサとすることができる。例えば、図７は、プラズマから放出される光と、この光のプラズマの磁場との相関関係を検出する可視光センサ（すなわち、光ファイバー）から得られる信号の実施例を示す。プラズマが、磁場信号７００も振動７１０として示される、何らかの乱れ／不安定性を受ける場合に分かるように、可視光信号８００は、同様に活性（ａｃｔｉｖｉｔｙ）（振動８１０）を示す。従って、コントローラ５０１は、入力信号として磁気プローブ以外のセンサから受信することができ、この信号を処理してこの信号における何らかの不規則性（又は振動）を検出することができる。１つの実施構成おいて、コントローラ５０１には、システム１０に用いる全てのセンサからの信号を送ることができる。
【００２８】
プローブ５０２からの信号は、入力ユニットを通って入力としてコントローラ５０１に送られる。１つの実施構成において、コントローラ５０１は、プログラムコードを格納したメモリを含み、プログラムコードは、処理ユニットによって実行可能であり、信号を処理して各位置におけるトロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率及び／又は平均比率値をリアルタイムで推定することができる。実験的に、システム１０の所定のパラメータに関して、プラズマの推定ｑプロフィールが有理値の間（例えば、１／２〜１）に維持される比率の最適な閾値範囲を見出した。このような実験的で見出された最適値（最適範囲）をコントローラ５０１に入力し、コントローラ５０１は、プローブからの信号に基づいて計算された磁場比率と閾値とを比較することができる。磁場比率の測定信号が、最適経験閾値の低値に近いか又はこれを下回る場合、コントローラ５０１は、出力信号を電源２２に送信し、持続コンデンサバンク２２ｂのうちの１又は２以上をトリガーして軸方向電流パルスをトリガーし、トロイダル磁場を高めて、結果的に磁場比率を経験的に見出された最適範囲内で一定に維持する。
【００２９】
システム１０の１つの実施構成において、電力供給装置２２の持続サブシステム２２ｂは、インダクタ及び／又はクローバーダイオード（ｃｒｏｗ−ｂａｒ  ｄｉｏｄｅ）配列２６（図１を参照）を備え、インダクタンス対抵抗（Ｌ／Ｒ）時定数を調節して磁束保存部１４及び中心ロッド１４ａの壁部における軸方向電流を循環させる。電流は、時定数Ｌ／Ｒで減衰するように調節することができる。このことは、インダクタ及び／又はダイオード２６を調節することによって行うことができる。時定数Ｌ／Ｒが非常に長く設定される場合、トロイダル磁場は、ポロイダル磁場よりも遅く減衰し、プラズマの磁場比率は上昇してプラズマ乱れ（ｎ＝１の不安定モード）につながることになる。時定数Ｌ／Ｒが非常に短く設定される場合、トロイダル磁場は、ポロイダル磁場よりも速く減衰することになり、磁場比率は降下し、この場合も同様にプラズマ乱れ（ｎ＝２の不安定モード）につながる。電流パルスのサーボ制御を行うために、時定数Ｌ／Ｒは、ポロイダル磁場の最短の減衰時間よりも短くなるように設定する必要があり、トロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率は、下方にドリフトするようになる可能性がある。例えば、２５０〜３００μｓの磁気寿命を有するプラズマに対して、Ｌ／Ｒ時定数を約２００μｓで設定することができる。同時に持続バンクのコンデンサの全てを発射する代わりに、いくつかのコンデンサは蓄えたままとする。推定比率が経験的に導き出された閾値を下回ることをコントローラ５０１が示す場合、コントローラは、信号を電源２２に送信し、持続バンク２２ｂから別のコンデンサをトリガーしてポロイダル電流（トロイダル磁場）を上昇させ、磁場の比率を上昇させることができる。例えば、トロイダル磁場対ポロイダル磁場の比率が０．６を下回る場合、コントローラ５０１は、電源２２をトリガーして磁場比率を上昇させる。しかしながら、磁場比率を制御するようにトリガーされた追加の（軸方向）電流パルスは、比率が、例えば、０．９の上側閾値を決して超えないように設定される。当業者であれば、Ｌ／Ｒ時定数の値と下側及び上側閾値は、本発明の範囲から逸脱することなく、当該プラズマを維持したいと考える範囲で、プラズマ配位、従ってプラズマのｑプロフィールに応じて様々とすることができることを理解できるはずである。このようにして、磁場の比率（及び間接的にはプラズマのｑプロフィール）は、ポロイダル磁場の減衰率に無関係に最適閾値ウインドウ内に維持することができる。
【００３０】
プラズマトーラスがｑ＝１／２で不安定になる場合、不安定性はｎ＝２のモードで現れ、互いに様々な角度位置に配置されたプローブ５０２から得られる信号の位相によって決定することができ、これは相関不安定性を示すことになる。プラズマトーラスがｑ＝１で不安定になる場合、不安定性はｎ＝１のモードを示し、不安定性を示す様々な角度位置に配置されたプローブ５０２からの信号の位相によって決定することができ、これは反相関の不安定性を示す。
【００３１】
１つの実施構成において、処理ユニットは、磁気プローブ、干渉計、ｘ線光ダイオード、可視光検出器、又は何らかの他のセンサなどのプローブ５０２からの信号を処理して信号中の何らかの振動（すなわち、図２Ａ、２Ｂの振動２００、２１０又は図７の振動７１０、８１０）を検出するプログラムコードを実行することができる。これらの振動は、トロイダル磁場不足に起因するプラズマの不安定性を示す可能性がある。コントローラが１又は複数のプローブからの信号の振動を検出する場合、コントローラは、電源２２をトリガーして、追加の電流パルスを提供してプラズマのトロイダル磁場を増大させる。１つの実施形態において、コントローラは、処理ユニットによって実行可能なプログラムコードを格納したメモリを備え、磁束保存部１４の周りの異なる角度位置において様々なプローブから得られる信号の振動の位相に基づいて、プラズマの不安定モードを計算することができる。例えば、識別された振動が不安定モード２（ｑ＝１／２）を示す場合、追加の軸方向電流パルスをトリガーし、プラズマのトロイダル磁場を増大させてプラズマのｑを１／２よりも高くする。識別された不安定モードがｎ＝１である場合、コントローラは、電源をトリガーしないが、Ｌ／Ｒ時定数を調節することができる。別の実施構成において、コントローラ５０１は、ｘ線プローブから得られる信号を処理することができる処理ユニットによって実行可能なプログラムコードを含むことができ、信号が低下してプラズマ冷却を示す場合、コントローラ５０１は、信号を電源２２に送信して追加の軸方向電流パルスをトリガーすることができる。１つの実施形態において、処理ユニットは、何らかの又は全てのプローブからの何らかの及び全ての信号を処理することができるプログラムコードを実行することができ、プローブのうちの少なくとも１つからの信号がプラズマの不安定性の成長を示す場合、チャンバ１４内に追加のポロイダル電流をトリガーすることを決定することができる。
【００３２】
プラズマ磁場の減衰時間を制御するためのコントローラを有するプラズマ発生システムの実施形態が開示されている。このような実施形態のいずれも、中性子発生器、核融合、核廃棄物浄化、医療用ヌクレオチド生成の用途に、材料研究に、中性子ラジオグラフィー及び断層撮影、ｘ線発生器による物体の内部構造の遠隔撮像等に適している高エネルギー密度プラズマの発生のために利用することができる。
【００３３】
本発明の開示の特定の要素、実施形態、及び用途を図示して説明したが、特に上述の教示に照らして本発明の開示の範囲から逸脱することなく当業者によって修正を行うことができるので、開示の範囲はこれに限定されるものではないことは理解されるであろう。従って、例えば、本明細書に開示するあらゆる方法又は処理において、方法／処理を構成する行為又は作動は、あらゆる適切な順序で行うことができ、必ずしもいずれかの特定の開示された順序に限定されない。要素及び構成要素は、様々な実施形態において異なって、組み合わされて、及び／又は排除されて構成又は配置することができる。上述の様々な特徴及び処理は、互いに無関係に使用することができ、又は様々な方法で組み合わせることができる。全ての可能な組合せ及び部分的組合せは、本発明の開示の範囲に含まれるように考えられている。本発明の開示を通して「一部の実施形態」又は「実施形態」などへの参照は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、段階、処理、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本発明の開示を通して語句「一部の実施形態において」又は「実施形態において」などの出現は、必ずしも全て同じ実施形態への参照であるとは限らず、同じか又は異なる実施形態のうちの１つ又はそれよりも多くを参照することができる。実際には、本明細書に説明する新しい方法及びシステムは、様々な他の形態に具現化することができ、更に、本明細書に説明する実施形態の形態における様々な省略、追加、置換、均等物、再配置、及び変更は、本明細書に説明する本発明の精神から逸脱することなく行うことができる。
【００３４】
実施形態の様々な態様及び利点は、適切な場合に説明されている。必ずしも全てのそのような態様又は利点は、あらゆる特定の実施形態により達成することができるとは限らないことは理解しなければならない。従って、例えば、様々な実施形態は、必ずしも本明細書で教示又は示唆される場合がある他の態様又は利点を達成することなく、本明細書で教示するような１つの利点又は１群の利点を達成又は最適化するように実施することができることは認識しなければならない。
【００３５】
取りわけ「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、「ｍａｙ」、及び「ｅ．ｇ．，」などのような本明細書に使用する条件的言語は、具体的にそれ以外の言及又は使用時の文脈でそれ以外が理解されない限り、一般的に、ある一定の実施形態が、ある一定の特徴、要素、及び／又は段階を含むが、他の実施形態はこれらを含まないことを伝えるように考えられている。従って、そのような条件的言語は、一般的に、特徴、要素、及び／又は段階が１つ又はそれよりも多くの実施形態に何らかの方法で必要であること、又は１つ又はそれよりも多くの実施形態が、これらの特徴、要素、及び／又は段階をいずれかの特定の実施形態に含めるか又は実施しなければならないか否かをオペレータに入力又は促す必要の有無にかかわらず決定するための論理を必ず含むことを意味するものではない。単一の特徴又は１群の特徴は、いずれの特定の実施形態に必要でもなく又は不可欠でもない。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、及び「ｈａｖｉｎｇ」などは、同義語であり、オープンエンド様式で網羅的に使用され、かつ追加の要素、特徴、行為、及び作動などを排除しない。同様に、用語「又は」は、例えば、要素のリストを接続するのに使用する時に、用語「又は」がリスト中の要素の１つ、一部、又は全てを意味するように、その包含的意味で（その排他的意味でなく）使用される。
【００３６】
連言的な用語、例えば「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ」という表現は、別段の指定がなければ、一般に一項目、一用語等がＸ、Ｙ又はＺのいずれかであって良いということを意味するよう用いられた文脈について別様に理解される。かくして、かかる連言的用語は、一般に、或る特定の実施形態がＸのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、Ｚのうちの少なくとも１つが互いに存在することを必要とすることを示唆するものではない。
【００３７】
本明細書に説明する実施形態の例示的な計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータは、開示される実施形態を示すだけであり限定することを意図するものではない。他の実施形態は、本明細書で説明するする例示的な実施例とは異なって構成及び／又は作動させることができる。確かに、本明細書において説明した新規の方法及び装置は、種々の他の形態で実施でき、更に、本明細書において説明した方法及びシステムの形態における種々の省略例、置換例及び変更例は、本明細書において説明した本発明の精神から逸脱することなく実施できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  システム
１２  プラズマ発生器
１４  磁束保存部
１４ａ  中心ロッド
１５  内側電極
１６  外側電極
１７  チャネル
１８  コイル
２０  バルブ
２２  電源
２２ａ  形成電力供給装置サブシステム
２２ｂ  持続電力供給装置サブシステム
２４  ポンピングポート
２６  バールダイオード配列
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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