等离子体约束系统及使用方法与流程

本申请要求2017年2月23日提交的美国临时专利申请号62/462,779的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

本发明是在能源部[doe]授予的批准号de-ar0000571、de-fg02-04er54756和de-na0001860的政府支持下完成的。政府对本发明具有一定的权利。

背景技术：

除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料在本申请中不是权利要求的现有技术，并且不因包括在本部分中而被承认为现有技术。

核聚变是组合两个核的过程。当原子序数小于铁的元素的两个核融合时，释放能量。能量的释放是由于反应物与聚变反应产物之间的质量的微小差异，并且由δe＝δmc²决定。能量的释放还取决于反应物核之间的吸引性强核力克服反应物核之间的排斥静电力。

需要最低等离子体温度的聚变反应发生在氘(具有一个质子和一个中子的氢核)与氚(具有一个质子和两个中子的氢核)之间。此反应产生氦-4核和中子。

实现核聚变的一种方法是在反应室内激发含有聚变反应物的气体。被激发的气体通过离子化变成等离子体。为了实现具有足够温度和密度以进行聚变的条件，需要约束等离子体。

技术实现要素：

本公开的第一方面是一种等离子体约束系统，其包括：内电极；外电极，其大体上围绕内电极；一个或多个第一阀，其被配置成将气体从内电极内引导到位于内电极与外电极之间的加速区域；两个或更多个第二阀，其被配置成将气体从外电极外部引导到加速区域；以及电源，其被配置成在内电极与外电极之间施加电压。

本公开的第二方面是一种用于操作等离子体约束系统的方法。所述方法包括：通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的外电极之间的加速区域；通过两个或更多个第二阀将气体从外电极外部引导到加速区域；并且通过电源在内电极与外电极之间施加电压，从而将至少一部分引导的气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端，并且之后，建立在外电极的第一端与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体。

本公开的第三方面是一种等离子体约束系统，其包括：内电极；中间电极，其大体上围绕内电极；外电极，其大体上围绕中间电极；一个或多个第一阀，其被配置成将气体从内电极内引导到位于内电极与中间电极之间的加速区域；两个或更多个第二阀，其被配置成将气体从中间电极外部引导到加速区域；第一电源，其被配置成在内电极与中间电极之间施加电压；以及第二电源，其被配置成在内电极与外电极之间施加电压。

本公开的第四方面是一种用于操作等离子体约束系统的方法。所述方法包括：通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的中间电极之间的加速区域；通过两个或更多个第二阀将气体从中间电极外部引导到加速区域；通过第一电源在内电极与中间电极之间施加电压，从而将至少一部分引导的气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端；并且通过第二电源在内电极与外电极之间施加电压以建立在外电极的第一端与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体。

本公开的第五方面是一种等离子体约束系统，其包括：内电极；外电极，其大体上围绕内电极；中间电极，其面向内电极；一个或多个第一阀，其被配置成将气体从内电极内引导到位于内电极与外电极之间的加速区域；两个或更多个第二阀，其被配置成将气体从外电极外部引导到加速区域；第一电源，其被配置成在内电极与外电极之间施加电压；以及第二电源，其被配置成在内电极与中间电极之间施加电压。

本公开的第六方面是一种用于操作等离子体约束系统的方法。所述方法包括：通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的外电极之间的加速区域；通过两个或更多个第二阀将气体从外电极外部引导到加速区域；通过第一电源在内电极与外电极之间施加电压，从而将至少一部分引导的气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端；并且通过第二电源在内电极与中间电极之间施加电压以建立在中间电极与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体，其中中间电极定位在外电极的第一端处。

当本文使用术语“大体上”或“约”时，是指所述特征、参数或值不需要精确地实现，而是偏差或变化，包括例如公差、测量误差、测量精度限制和本领域技术人员已知的其它因素可以以不妨碍特征旨在提供的效果的量发生。在本文公开的一些实例中，“大体上”或“约”意指在所述值的+/-5％内。

通过阅读以下详细描述并参考适当的附图，这些以及其它方面、优点和替代方案对于本领域普通技术人员将变得显而易见。此外，应该理解的是，本发明内容以及本文提供的其它描述和附图旨在仅通过实例的方式说明本发明，并且因此可以有许多变化。

附图说明

图1是根据示例性实施方式的等离子体约束系统的示意性截面图。

图2是根据示例性实施方式的等离子体约束系统的示意性截面图。

图3是根据示例性实施方式的等离子体约束系统的示意性截面图。

图4是根据示例性实施方式的用于操作等离子体约束系统的方法的框图。

图5a示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图5b示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图5c示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图5d示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图5e示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图5f示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图6示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的电压波形。

图7示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的气体压力分布图。

图8是根据示例性实施方式的用于操作等离子体约束系统的方法的框图。

图9a示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图9b示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图9c示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图9d示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图9e示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图9f示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图10示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的电压波形。

图11示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的气体压力分布图。

图12是根据示例性实施方式的用于操作等离子体约束系统的方法的框图。

图13a示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图13b示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图13c示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图13d示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图13e示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图13f示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

图14示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的电压波形。

图15示出了根据示例性实施方式的与用于操作等离子体约束系统的方法相关的气体压力分布图。

具体实施方式

本文公开了等离子体约束系统及其使用方法的各种实施方式。当与现有系统和方法相比时，所公开的实施方式可以促进增加的等离子体稳定性、更强的剪切等离子体流动、更小的z箍缩等离子体半径、更高的磁场和/或更高的等离子体温度。一些公开的实施方式也表现出对等离子体加速和等离子体压缩的独立控制。

图1是等离子体约束系统100的示意性截面图。等离子体约束系统100包括内电极102和大体上围绕内电极102的外电极104。等离子体约束系统100还包括一个或多个第一阀106和两个或更多个第二阀112，所述第一阀106被配置成将气体从内电极102内引导到位于内电极102与外电极104之间的加速区域110，所述第二阀112被配置成将气体从外电极104外部引导到加速区域110。等离子体约束系统100还包括电源114，其被配置成在内电极102与外电极104之间施加电压。

内电极102通常采用具有大体上圆柱形主体116的导电(例如，不锈钢)壳的形式。内电极102包括第一端118(例如，圆头端)和相反的第二端120(例如，大体上圆形的端部)。更具体地，第一端118可以具有带有圆头尖端的圆锥形状。内电极102可包括一个或多个导管或通道(未示出)，用于将气体从一个或多个第一阀106按路线输送到加速区域110。

外电极104也通常采用具有大体上圆柱形主体128的导电(例如，不锈钢)壳的形式。外电极104包括第一端122(例如，大体上盘形的端部)和相反的第二端124(例如，大体上圆形的端部)。如图1所示，内电极102的第一端118位于外电极104的第一端122与外电极104的第二端124之间。外电极104围绕内电极102的大部分。内电极102和外电极104可以是同心的并且相对于同一轴线具有径向对称性。外电极104可包括一个或多个导管或通道(未示出)，用于将气体从两个或更多个第二阀112按路线输送到加速区域110。

一个或多个第一阀106可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从内电极102内引导到位于内电极102与外电极104之间的加速区域110的任何类型的阀。如图1所示，一个或多个第一阀106轴向定位在内电极102的第一端118与内电极102的第二端120之间。替代性地，一个或多个第一阀可以位于内电极102的第一端118或第二端120。在图1中，一个或多个第一阀106定位在内电极102内，但是其它实例也是可能的。如下所述，可以通过向一个或多个第一阀106提供控制电压来操作一个或多个第一阀106。

加速区域110具有由内电极102和外电极104的形状限定的大体上环形的截面。

两个或更多个第二阀112可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从外电极104外部引导到加速区域110的任何类型的阀。如图1所示，两个或更多个第二阀112轴向定位在外电极104的第一端122与外电极104的第二端124之间。替代性地，两个或更多个第二阀可位于第二端124处或第一端122处。两个或更多个第二阀112通常围绕外电极104布置。在图1中，一个或多个第一阀106与两个或更多个第二阀112轴向对齐，但是其它实例也是可能的。如下所述，可以通过向两个或更多个第二阀112提供控制电压来操作两个或更多个第一阀112。

例如，电源114通常采用能够存储高达500kj或高达3-4mj的电容器组的形式。电源114的正极端子可以耦合到内电极102或者可选地耦合到外电极104。

等离子体约束系统100包括位于内电极102的第一端118与外电极104的第一端122之间的在外电极104内的组装区域126。如下所述，等离子体约束系统100被配置成在组装区域126内维持z箍缩等离子体。

等离子体约束系统100还包括气体源130(例如，加压气体罐)和一个或多个第一调节器132，所述第一调节器132被配置成控制来自气体源130的气流通过相应的一个或多个第一阀106。为清楚起见，在图1中省略了一个或多个第一调节器132与一个或多个第一阀106之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统100还包括两个或更多个第二调节器134，所述第二调节器134被配置成控制来自气体源130的气流通过相应的两个或更多个第二阀112。为清楚起见，在图1中省略了一个或多个第二调节器134与两个或更多个第二阀112之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统100还包括位于外电极104的第二端124与内电极102之间的绝缘体136，以保持内电极102与外电极104之间的电绝缘。绝缘体136(例如，陶瓷材料)通常具有环形截面。

等离子体约束系统还包括真空室138(例如，不锈钢容器)，其至少部分地围绕内电极102和外电极104，如图1所示。

图2是等离子体约束系统200的示意性截面图。等离子体约束系统200包括内电极202、大体上围绕内电极202的中间电极203，以及大体上围绕中间电极203的外电极204。等离子体约束系统200还包括一个或多个第一阀206，其被配置成将气体从内电极202内引导到位于内电极202与中间电极203之间的加速区域210。等离子体约束系统200还包括两个或更多个第二阀212，其被配置成将气体从中间电极203外部引导到加速区域210。等离子体约束系统200还包括第一电源214和第二电源215，所述第一电源214被配置成在内电极202与中间电极203之间施加电压，所述第二电源被配置成在内电极202与外电极204之间施加电压。

内电极202通常采用具有大体上圆柱形主体216的导电(例如，不锈钢)壳的形式。内电极202包括第一端218(例如，圆头端)和相反的第二端220(例如，大体上圆形的端部)。更具体地，第一端218可以具有带有圆头尖端的圆锥形状。内电极202大致类似于上面讨论的内电极102。内电极202可包括一个或多个导管或通道(未示出)，用于将气体从一个或多个第一阀206按路线输送到加速区域210。

外电极204也通常采用具有大体上圆柱形主体228的导电(例如，不锈钢)壳的形式。外电极204的第一端222大体上是盘形的，并且外电极的第二端224大体上是圆形的。外电极204围绕大部分内电极202和大部分中间电极203。内电极202、中间电极203和外电极204可以是同心的并且相对于同一轴线具有径向对称性。

中间电极203通常采用具有大体上圆柱形主体229的导电(例如，不锈钢)的形式。中间电极203包括大体上为圆形的第一端219和大体上为圆形的第二相反端221。中间电极203可包括一个或多个导管或通道(未示出)，用于将气体从两个或更多个第二阀212按路线输送到加速区域210。

内电极202的第一端218位于外电极204的第一端222与外电极204的第二端224之间。中间电极203的第一端219位于外电极204的第一端222与外电极204的第二端224之间。

一个或多个第一阀206可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从内电极202内引导到位于内电极202与中间电极203之间的加速区域210的任何类型的阀。如图2所示，一个或多个第一阀206轴向定位在内电极202的第一端218与内电极202的第二端220之间。替代性地，一个或多个第一阀可以位于内电极202的第一端218或第二端220。在图2中，一个或多个第一阀206定位在内电极202内，但是其它实例也是可能的。如下所述，可以通过向一个或多个第一阀206提供控制电压来操作一个或多个第一阀206。

加速区域210具有由内电极202和中间电极203的形状限定的大体上环形的截面。

两个或更多个第二阀212可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从中间电极203外部引导到加速区域210的任何类型的阀。如图2所示，两个或更多个第二阀212定位在中间电极203的第二端221，但是其它实例也是可能的。例如，两个或更多个第二阀212布置在外电极204的外部和中间电极203的外部。在其它实例中，两个或更多个第二阀可以位于外电极内部和中间电极外部。两个或更多个第二阀212被配置成在第一绝缘体236与第二绝缘体237之间引导气体。如下所述，可以通过向两个或更多个第二阀212提供控制电压来操作两个或更多个第一阀212。

例如，第一电源214和第二电源215通常采用能够存储高达100-200kj或3-4mj的各自电容器组的形式。

等离子体约束系统200包括位于内电极202的第一端218与外电极204的第一端222之间的在外电极204内的组装区域226。如下所述，等离子体约束系统200被配置成在组装区域226内维持z箍缩等离子体。

等离子体约束系统200还包括气体源230(例如，加压气体罐)和一个或多个第一调节器232，所述第一调节器232被配置成控制来自气体源230的气流通过相应的一个或多个第一阀206。为清楚起见，在图2中省略了一个或多个第一调节器232与一个或多个第一阀206之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统200还包括两个或更多个第二调节器234，所述第二调节器234被配置成控制来自气体源230的气流通过相应的两个或更多个第二阀212。为清楚起见，在图2中省略了两个或更多个第二调节器234与两个或更多个第二阀212之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统200还包括位于外电极204的第二端224与中间电极203之间的第一绝缘体236。第一绝缘体236通常具有环形截面。

等离子体约束系统200还包括位于中间电极203的第二端221与内电极202之间的第二绝缘体237。第二绝缘体237通常具有环形截面。

等离子体约束系统200还包括真空室238(例如，不锈钢容器)，其至少部分地围绕内电极202、中间电极203和外电极204，如图2所示。

图3是等离子体约束系统300的示意性截面图。等离子体约束系统300包括内电极302、大体上围绕内电极302的外电极304，以及面向内电极302的中间电极303。等离子体约束系统300还包括一个或多个第一阀306和两个或更多个第二阀312，所述第一阀306被配置成将气体从内电极302内引导到位于内电极302与外电极304之间的加速区域310，所述第二阀312被配置成将气体从外电极304外部引导到加速区域310。等离子体约束系统300还包括第一电源314和第二电源315，所述第一电源314被配置成在内电极302与外电极304之间施加电压，所述第二电源315被配置成在内电极302与中间电极303之间施加电压。

内电极302通常采用具有大体上圆柱形主体316的导电(例如，不锈钢)壳的形式。内电极302包括第一端318(例如，圆头端)和相反的第二端320(例如，大体上圆形的端部)。更具体地，第一端318可以具有带有圆头尖端的圆锥形状。内电极302通常类似于上面讨论的内电极102和内电极202。内电极302可包括一个或多个导管或通道(未标号)，用于将气体从一个或多个第一阀306按路线输送到加速区域310。

外电极304也通常采用具有大体上圆柱形主体328的导电(例如，不锈钢)壳的形式。外电极304的第一端322大体上是圆形的，并且外电极的第二端324大体上是圆形的。外电极304围绕内电极302的大部分。内电极302和外电极304可以是同心的并且相对于同一轴线具有径向对称性。内电极302的第一端318位于外电极304的第一端322与外电极304的第二端324之间。外电极304可包括一个或多个导管或通道(未示出)，用于将气体从两个或更多个第二阀312按路线输送到加速区域310。

中间电极303也通常采用导电材料(例如，不锈钢)的形式并且是大体上盘形的。

一个或多个第一阀306可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从内电极302内引导到位于内电极302与外电极304之间的加速区域310的任何类型的阀。如图3所示，一个或多个第一阀306轴向定位在内电极302的第一端318与内电极302的第二端320之间。替代性地，一个或多个第一阀可以位于内电极302的第一端318或第二端320。在图3中，一个或多个第一阀306定位在内电极302内，但是其它实例也是可能的。如下所述，可以通过向一个或多个第一阀306提供控制电压来操作一个或多个第一阀306。

加速区域310具有由内电极302和外电极304的形状限定的大体上环形的截面。

两个或更多个第二阀312可以采用“膨胀阀”的形式，但是可以包括被配置成将气体(例如，氢或氘)从外电极304外部引导到加速区域310的任何类型的阀。如图3所示，两个或更多个第二阀312轴向定位在外电极304的第一端322与外电极304的第二端324之间。替代性地，两个或更多个第二阀可位于第二端324处或第一端322处。两个或更多个第二阀312通常围绕外电极304(例如，外部)布置。在图3中，一个或多个第一阀306与两个或更多个第二阀312轴向对齐，但是其它实例也是可能的。如下所述，可以通过向两个或更多个第二阀312提供控制电压来操作两个或更多个第一阀312。

例如，第一电源314和第二电源315通常采用能够存储高达100-200kj或3-4mj的各自电容器组的形式。

等离子体约束系统300包括外电极304内的位于内电极302的第一端318与中间电极303之间的组装区域326。如下所述，等离子体约束系统300被配置成在组装区域326内维持z箍缩等离子体。

等离子体约束系统300还包括气体源330(例如，加压气体罐)和一个或多个第一调节器332，所述第一调节器332被配置成控制来自气体源330的气流通过相应的一个或多个第一阀306。为清楚起见，在图3中省略了一个或多个第一调节器332与一个或多个第一阀306之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统300还包括两个或更多个第二调节器334，所述第二调节器334被配置成控制来自气体源330的气流通过相应的两个或更多个第二阀312。为清楚起见，在图3中省略了一个或多个第二调节器334与两个或更多个第二阀312之间的连接件(例如，管道)。

等离子体约束系统300还包括位于外电极304与内电极302之间的第一绝缘体336(例如，具有环形截面)，以保持内电极302与外电极304之间的电绝缘。

等离子体约束系统300还包括位于外电极304的第二端322与中间电极303之间的第二绝缘体337(例如，具有环形截面)，以保持中间电极303与外电极304之间的电绝缘。

等离子体约束系统300还包括真空室338，其至少部分地围绕内电极302、中间电极303和/或外电极304。

图4是用于操作等离子体约束系统(例如，等离子体约束系统100)的方法400的框图。一起观察的图1、图5a-f、图6和图7示出了如下所述的方法400的一些方面。图5a-f包括等离子体约束系统100的部分的简化图并且描绘等离子体约束系统100的功能。

在框402处，方法400包括通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的外电极之间的加速区域。

例如，一个或多个第一阀106可将气体412(参见图5a-b)从内电极102内引导到位于内电极102与大体上围绕内电极102的外电极104之间的加速区域110。图5a示出了初始量的气体412进入加速区域110，并且图5b示出了额外量的气体412进入加速区域110。

图6描绘了方法400的一些其它可能的特征。图6中描绘的电压、波形和时间不一定按比例显示。在一些实施方式中，通过一个或多个第一阀106引导气体412包括向一个或多个第一阀106提供(通过诸如未示出的电容器组的电源)第一阀电压420(例如，以控制一个或多个第一阀106的端子)，之后向一个或多个第一阀106提供第二阀电压422(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第一阀电压420通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。除非另有说明，否则本文所述的电压通常是dc电压。可以提供第一阀电压420持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间424。应当注意，实际上第一阀电压420和第二阀电压422的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第一阀电压420与第二阀电压422特性之间的转换。

第二阀电压422可能在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。例如，可以提供第二阀电压422持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2μs的范围内的持续时间426。通常，第一阀电压420大于第二阀电压422，并且在提供第一阀电压420之后立即提供第二阀电压422。

在操作一个或多个第一阀106之后，在通过电源114在内电极102与外电极104之间施加电压414(见图6)之前，与一个或多个第一阀106相邻的气体压力428(参见图7)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过一个或多个第一阀106引导气体412可以包括打开一个或多个第一阀106持续1.1毫秒至2毫秒(ms)的范围内或1.3ms至1.5ms的范围内的持续时间。另外，通过一个或多个第一阀106引导气体412可以包括在通过电源114在内电极102与外电极104之间施加电压414之前1.0ms至1.6ms或1.3ms至1.5ms打开一个或多个第一阀106。

在框404处，方法400包括通过两个或更多个第二阀将气体从外电极外部引导到加速区域。例如，两个或更多个第二阀112可以将一部分气体412引导到加速区域110中，如图5a-b所示。

在一些实施方式中，通过两个或更多个第二阀112引导气体412包括向两个或更多个第二阀112提供(通过诸如未示出的电容器组的电源)第三阀电压430(参见图6)(例如，以控制两个或更多个第二阀112的端子)，之后向一个或多个第二阀112提供第四阀电压432(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第三阀电压430通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。可以提供第三阀电压430持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间434。应当注意，实际上第三阀电压430和第四阀电压432的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第三阀电压430与第四阀电压432特性之间的转换。

第四阀电压432通常在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。可以提供第四阀电压432持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2ms的范围内的持续时间436。第三阀电压430通常大于第四阀电压432。通常在提供第三阀电压430之后立即提供第四阀电压432。

在操作两个或更多个第二阀112之后，在通过电源114在内电极102与外电极104之间施加电压414之前，与两个或更多个第二阀112相邻的气体压力438(参见图7)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过两个或更多个第二阀112引导气体412可以包括打开两个或更多个第二阀112持续0.75毫秒至1毫秒(ms)的范围内或0.8ms至0.95ms的范围内的持续时间。

另外，通过两个或更多个第二阀112引导气体412可以包括在通过电源114在内电极102与外电极104之间施加电压414之前0.6ms至1.2ms或0.7ms至0.9ms打开两个或更多个第二阀112。

在操作一个或多个第一阀106和两个或更多个第二阀112之后，在通过电源114在内电极102与外电极104之间施加电压414之前，加速区域110内的气体压力440(参见图7)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。加速区域内的气体压力通常随着距气体插入点的距离增加以及随着气体不再被引入加速区域之后时间的推移而减小。

在框406处，方法400包括通过电源在内电极与外电极之间施加电压，从而将至少一部分引导气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端，并且之后，建立在外电极的第一端与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体。

例如，电源114可以在内电极102与外电极104之间施加电压414，从而将至少一部分引导气体412转换成具有大体上环形截面的等离子体416(参见图5c-d)。由于由其自身电流产生的磁场，等离子体416可以在加速区域110内轴向地流向内电极102的第一端118和外电极104的第一端122，如图5c-d所示。当等离子体416移动超出加速区域110时，z箍缩等离子体418(参见图5e-f)被建立并且在外电极104的第一端122与内电极102的第一端118之间流动。

z箍缩等离子体418通常在位于内电极102的第一端118与外电极104的第一端122之间的在外电极104内的组装区域126中流动。

由电源114在内电极102与外电极104之间施加的电压414可以在2kv至30kv的范围内。可以施加电压414持续50μs至400μs的范围内的持续时间442(参见图6)。

施加在内电极102与外电极104之间的电压414可导致加速区域110内的径向电场处于30kv/m至500kv/m的范围内。

z箍缩等离子体418可以表现出剪切的轴向流动，并且具有0.1mm与5mm之间的半径，900ev与2000ev之间的离子温度，大于500ev的电子温度，大于1x10²³离子/m³的离子数密度或大于1x10²³电子/m³的电子数密度，超过8t的磁场，和/或可以稳定至少10μs。

图8是用于操作等离子体约束系统(例如，等离子体约束系统200)的方法800的框图。一起观察的图2、图9a-f、图10和图11示出了如下所述的方法800的一些方面。图9a-f包括等离子体约束系统200的部分的简化图并且描绘等离子体约束系统200的功能。

在框802处，方法800包括通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的中间电极之间的加速区域。

例如，一个或多个第一阀206可将气体812从内电极202内引导到位于内电极202与大体上围绕内电极202的中间电极203之间的加速区域210。图9a示出了初始量的气体812进入加速区域210，并且图9b示出了额外量的气体812进入加速区域210。

图10描绘了方法800的一些其它可能的特征。图10中描绘的电压、波形和时间不一定按比例显示。在一些实施方式中，通过一个或多个第一阀206引导气体812包括向一个或多个第一阀206提供(通过诸如未示出的电容器组的电源)第一阀电压820(例如，以控制一个或多个第一阀206的端子)，之后向一个或多个第一阀206提供第二阀电压822(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第一阀电压820通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。除非另有说明，否则本文所述的电压是dc电压。可以提供第一阀电压820持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间824。应当注意，实际上第一阀电压820和第二阀电压822的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第一阀电压820与第二阀电压822特性之间的转换。

第二阀电压822可能在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。例如，可以提供第二阀电压822持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2μs的范围内的持续时间826。通常，第一阀电压820大于第二阀电压822，并且在提供第一阀电压820之后立即提供第二阀电压822。

在操作一个或多个第一阀206之后，在通过电源214在内电极202与中间电极203之间施加电压814(见图10)之前，与一个或多个第一阀206相邻的气体压力828(参见图11)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过一个或多个第一阀206引导气体812可以包括打开一个或多个第一阀206持续1.1毫秒至2毫秒(ms)的范围内或1.3ms至1.5ms的范围内的持续时间。另外，通过一个或多个第一阀206引导气体812可以包括在通过电源214在内电极202与中间电极203之间施加电压814之前1.0ms至1.6ms或1.3ms至1.5ms打开一个或多个第一阀206。

在框804处，方法800包括通过两个或更多个第二阀将气体从中间电极外部引导到加速区域。例如，两个或更多个第二阀212可以将一部分气体812引导到加速区域210中，如图9a-b所示。

在一些实施方式中，通过两个或更多个第二阀212引导气体812包括向两个或更多个第二阀212提供(通过诸如未示出的电容器组的电源)第三阀电压830(例如，以控制两个或更多个第二阀212的端子)，之后向一个或多个第二阀212提供第四阀电压832(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第三阀电压830通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。可以提供第三阀电压830持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间834。应当注意，实际上第三阀电压830和第四阀电压832的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第三阀电压830与第四阀电压832特性之间的转换。

第四阀电压832通常在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。可以提供第四阀电压832持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2ms的范围内的持续时间836。第三阀电压830通常大于第四阀电压832。通常在提供第三阀电压830之后立即提供第四阀电压832。

在操作两个或更多个第二阀212之后，在通过电源214在内电极202与中间电极203之间施加电压814之前，与两个或更多个第二阀212相邻的气体压力838(参见图11)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过两个或更多个第二阀212引导气体812可以包括打开两个或更多个第二阀212持续0.75毫秒至1毫秒(ms)的范围内或0.8ms至0.95ms的范围内的持续时间。

另外，通过两个或更多个第二阀212引导气体812可以包括在通过电源214在内电极202与中间电极203之间施加电压814之前0.6ms至1.2ms或0.7ms至0.9ms打开两个或更多个第二阀212。

在操作一个或多个第一阀206和两个或更多个第二阀212之后，在通过电源214在内电极102与中间电极203之间施加电压814之前，加速区域210内的气体压力840(参见图11)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。加速区域内的气体压力通常随着距气体插入点的距离增加以及随着气体不再被引入加速区域之后时间的推移而减小。

在框806处，方法800包括通过第一电源在内电极与中间电极之间施加电压，从而将至少一部分引导气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端。

例如，第一电源214可以在内电极202与中间电极203之间施加电压814(参见图10)，从而将至少一部分引导气体812转换成具有大体上环形截面的等离子体816(参见图9c-d)。由于由其自身电流产生的磁场，等离子体816可以在加速区域210内轴向地流向内电极202的第一端218和外电极204的第一端222，如图9c-d所示。

由电源214在内电极202与中间电极203之间施加的电压814可以在2kv至30kv的范围内。可以施加电压814持续50μs至400μs的范围内的持续时间842(参见图10)。

施加在内电极202与中间电极203之间的电压814可导致加速区域210内的径向电场处于30kv/m至500kv/m的范围内。

在框808处，方法800包括通过第二电源在内电极与外电极之间施加电压以建立在外电极的第一端与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体。

例如，第二电源215可以在内电极202与外电极204之间施加电压815(参见图10)以建立在外电极204的第一端222与内电极202的第一端218之间流动的z箍缩等离子体818(参见图9e-f)。当等离子体816移动超过加速区域210，在位于内电极202的第一端218与外电极204的第一端222之间的在外电极204内的组装区域226中建立z箍缩等离子体818。

应当注意，如本领域技术人员将认识到的那样，框806和808也可以通过控制(a)内电极202与中间电极203之间的电压和(b)中间电极203与外电极204之间的电压的其它方式来实现。例如，电源可以在中间电极203与外电极204之间，而不是在内电极与外电极之间提供电压。

在内电极202与外电极204之间施加电压可以包括在开始在内电极202与中间电极203之间施加电压之后17μs-27μs或19μs-22μs开始在内电极202与外电极204之间施加电压。

由电源215在内电极202与外电极204之间施加的电压815通常在2kv至30kv的范围内。可以施加电压815持续50μs-400μs的范围内的持续时间844。

z箍缩等离子体818可以表现出剪切的轴向流动，并且具有0.1mm与5mm之间的半径，900ev与2000ev之间的离子温度，大于500ev的电子温度，大于1x10²³离子/m³的离子数密度或大于1x10²³电子/m³的电子数密度，超过8t的磁场，和/或可以稳定至少10μs。

图12是用于操作等离子体约束系统(例如，等离子体约束系统300)的方法900的框图。一起观察的图3、图13a-f、图14和图15示出了如下所述的方法900的一些方面。图13a-f包括等离子体约束系统300的部分的简化图并且描绘等离子体约束系统300的功能。

在框902处，方法900包括通过一个或多个第一阀将气体从内电极内引导到位于内电极与大体上围绕内电极的外电极之间的加速区域。

例如，一个或多个第一阀306可将气体912(参见图13a-b)从内电极302内引导到位于内电极302与大体上围绕内电极302的外电极304之间的加速区域310。图13a示出了初始量的气体912进入加速区域310，并且图13b示出了额外量的气体912进入加速区域310。

图14描绘了方法900的一些其它可能的特征。图14中描绘的电压、波形和时间不一定按比例显示。在一些实施方式中，通过一个或多个第一阀306引导气体912包括向一个或多个第一阀306提供(通过诸如未示出的电容器组的电源)第一阀电压920(例如，以控制一个或多个第一阀306的端子)，之后向一个或多个第一阀306提供第二阀电压922(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第一阀电压920通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。除非另有说明，否则本文所述的电压通常是dc电压。可以提供第一阀电压920持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间924。应当注意，实际上第一阀电压920和第二阀电压922的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第一阀电压920与第二阀电压922特性之间的转换。

第二阀电压922可能在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。例如，可以提供第二阀电压922持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2μs的范围内的持续时间926。通常，第一阀电压920大于第二阀电压922，并且在提供第一阀电压920之后立即提供第二阀电压922。

在操作一个或多个第一阀306之后，在通过电源314在内电极302与外电极304之间施加电压914(见图14)之前，与一个或多个第一阀306相邻的气体压力928(参见图15)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过一个或多个第一阀306引导气体912可以包括打开一个或多个第一阀306持续1.1毫秒至2毫秒(ms)的范围内或1.3ms至1.5ms的范围内的持续时间。另外，通过一个或多个第一阀306引导气体912可以包括在通过电源314在内电极302与外电极304之间施加电压914之前1.0ms至1.6ms或1.3ms至1.5ms打开一个或多个第一阀306。

在框904处，方法900包括通过两个或更多个第二阀将气体从外电极外部引导到加速区域。例如，两个或更多个第二阀312可以将一部分气体912引导到加速区域310中，如图13a-b所示。

在一些实施方式中，通过两个或更多个第二阀312引导气体912包括向两个或更多个第二阀312提供(通过诸如未示出的电容器的电源)第三阀电压930(参见图14)(例如，以控制两个或更多个第二阀312的端子)，之后向一个或多个第二阀312提供第四阀电压932(例如，通过dc电源)。

在这种情况下，第三阀电压930通常在270伏至330伏的范围内、在290伏至310伏的范围内，或在295伏至305伏的范围内。可以提供第三阀电压930持续90μs至110μs的范围内、95μs至105μs的范围内或98μs至102μs的范围内的持续时间934。应当注意，实际上第三阀电压930和第四阀电压932的各自波形将不采用方波的形式，而是通常具有更平滑的波形以及在rlc电路的第三阀电压930与第四阀电压932特性之间的转换。

第四阀电压932通常在13.5伏至16.5伏的范围内、在14伏至16伏的范围内，或在14.5伏至15.5伏的范围内。可以提供第四阀电压932持续0.5ms至5ms的范围内、0.65ms至3.5ms的范围内或0.75ms至2ms的范围内的持续时间936。第三阀电压930通常大于第四阀电压932。通常在提供第三阀电压930之后立即提供第四阀电压932。

在操作两个或更多个第二阀312之后，在通过电源314在内电极302与外电极304之间施加电压914之前，与两个或更多个第二阀312相邻的气体压力938(参见图15)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。

通过两个或更多个第二阀312引导气体912可以包括打开两个或更多个第二阀312持续0.75毫秒至1毫秒(ms)的范围内或0.8ms至0.95ms的范围内的持续时间。

另外，通过两个或更多个第二阀312引导气体912可以包括在通过电源314在内电极302与外电极304之间施加电压914之前0.6ms至1.2ms或0.7ms至0.9ms打开两个或更多个第二阀312。

在操作一个或多个第一阀306和两个或更多个第二阀312之后，在通过电源314在内电极302与外电极304之间施加电压914之前，加速区域310内的气体压力940(参见图15)可以在1000托至5800托(例如，5450托至5550托)的范围内。加速区域内的气体压力通常随着距气体插入点的距离增加以及随着气体不再被引入加速区域之后时间的推移而减小。

在框906处，方法900包括通过第一电源在内电极与外电极之间施加电压，从而将至少一部分引导气体转换成具有大体上环形截面的等离子体，所述等离子体在加速区域内轴向地流向内电极的第一端和外电极的第一端。

例如，电源314可以在内电极302与外电极304之间施加电压914，从而将至少一部分引导气体912转换成具有大体上环形截面的等离子体916(参见图13c-d)。由于由其自身电流产生的磁场，等离子体916可以在加速区域310内轴向地流向内电极102的第一端318和外电极304的第一端322，如图13c-d所示。

由电源314在内电极302与外电极304之间施加的电压914可以在2kv至30kv的范围内。可以施加电压914持续50μs至400μs的范围内的持续时间942(参见图14)。

施加在内电极302与外电极304之间的电压914可导致加速区域310内的径向电场处于30kv/m至500kv/m的范围内。

在框908处，方法900包括通过第二电源在内电极与中间电极之间施加电压以建立在中间电极与内电极的第一端之间流动的z箍缩等离子体。在这种情况下，中间电极定位在外电极的第一端。

例如，电源315可以在内电极302与中间电极303之间施加电压915以建立在中间电极303与内电极302的第一端318之间流动的z箍缩等离子体918。当等离子体916移动超过加速区域310时，建立z箍缩等离子体918。z箍缩等离子体918在位于内电极302的第一端318与中间电极303之间的在外电极304内的组装区域326中流动。

在内电极302与中间电极303之间施加电压可以包括在开始在内电极302与外电极304之间施加电压之后17μs-27μs或19μs-22μs开始在内电极302与中间电极303之间施加电压。

应当注意，如本领域技术人员将认识到的那样，框906和908也可以通过控制(a)内电极302与外电极304之间的电压和(b)内电极302与中间电极303之间的电压的其它方式来实现。例如，电源可以在中间电极303与外电极304之间，而不是在内电极与中间电极之间提供电压。由电源315在内电极102与中间电极303之间施加的电压915可以在2kv至30kv的范围内。可以施加电压915持续50μs至400μs的范围内的持续时间942(参见图14)。

z箍缩等离子体918可以表现出剪切的轴向流动，并且具有0.1mm与5mm之间的半径，900ev与2000ev之间的离子温度，大于500ev的电子温度，大于1x10²³离子/m³的离子数密度或大于1x10²³电子/m³的电子数密度，超过8t的磁场，和/或可以稳定至少10μs。

虽然本文已公开各种示例性方面和示例性实施方式，但本领域技术人员将明了其它方面和实施方式。本文公开的各种示例性方面和示例性实施方式是为了说明的目的，而且并不旨在进行限制，其中真实的范围以及精神由以下权利要求书指示。