磁镜机

技术领域

本披露内容涉及一种用于等离子体约束的磁镜机。

背景技术

正在努力设计用于地球上进行受控聚变的反应堆。最有希望的聚变过程是氢同位素氘(

为了发生聚变，原子核必须呈温度为大约1.5亿开尔文的等离子体的形式。为这样的等离子体提供约束仍然是主要挑战。

等离子体约束包括约束等离子体的带电粒子。存在几种不同的已知的用于等离子体约束的磁配置。众所周知的设计是磁镜。其中，粒子沿着通常基本上纵向地延伸穿过磁镜机的磁场线运动，并且在设备的相应端部处的磁通量密度增大的区域中被反射。换句话说，磁镜机的等离子体约束区域在其两端中的每一端处由相对于等离子体约束区域的中心区域增大了磁通量密度的相应镜区域限制。

众所周知，超导体线圈能够传送大的电流，因此根据安培定律，能够产生大的磁通量密度。在超导体线圈的设计和使用中，关于如由线圈产生的最大可实现的可用磁通量密度的限制因素首先包括在超导体材料的超导特性击穿之前超导体材料中可能的最大电流密度，并且其次包括在超导体材料的超导特性击穿之前超导体材料本身中可能的最大磁通量密度。

因此，鉴于上述设计约束，需要最大化磁镜机的性能。

发明内容

本披露内容的目的是解决或至少减轻上述问题。

为此，根据第一方面，提供了一种用于等离子体约束的磁镜机，该磁镜机包括：纵向设置的多个超导体线圈，该纵向设置的多个超导体线圈被布置用于产生开放场线等离子体约束区域，所述等离子体约束区域在两端中的每一端处由相对于所述等离子体约束区域的中心区域增大了磁通量密度的相应镜区域限制，其中，所述多个超导体线圈中的超导体线圈位于所述镜区域附近，并且所述超导体线圈在与穿过所述镜区域的磁场线相交的平面中所具有的截面在沿着所述磁场线的方向上具有长形形状。

因为具有长形形状的截面应当被理解为在截面的第一主方向上的延伸是在截面的第二主方向上的延伸的至少两倍，更优选三倍，甚至更优选四倍，甚至更优选五倍。长形形状应当被理解为包括但不限于矩形、椭圆形、月牙形和/或管形区段形截面。第一主方向和第二主方向可以彼此正交，但是第二方向也可以是弯曲的，即相对于第一方向具有弯曲形状，如管形截面的情况。

沿着磁场线的方向应当被理解为与磁场线更为平行而非与磁场线垂直的方向。特别地，沿着磁场线的方向可以平行或基本上平行于磁场线。

本发明构思源于以下认识：鉴于超导体线圈内的最大允许磁通量密度和最大线圈电流密度的设计约束，布置在镜区域中在沿着磁场线的方向上具有长形截面的超导体线圈可以允许最大化磁镜机的镜区域中的最大磁通量密度。

进而，镜区域中的高磁通量密度可以实现磁镜机中的高磁镜比，即，镜区域中的最大磁通量密度与磁镜机的中心区域中的磁通量密度之间的高比率，这因而可以减小损失锥的尺寸并允许更好地约束等离子体。

镜区域中的高磁通量密度可以实现磁镜机中的高的总磁通量。

因此，通过本发明构思，提供了一种包括超导体线圈的磁镜机，从而鉴于超导体线圈的设计约束，最大化了镜区域中的磁通量密度。

替代性地或附加地，镜区域中的高磁通量密度可以实现磁镜机的中心区域中的磁通量密度与半径的高乘积。

所述截面区域的朝向所述镜区域指向的周边区段从所述周边区段的外部看可以是凸形的。替代性地或附加地，周边区段可以在与镜区域中的磁场线相同的方向上弯曲。这可以允许进一步最大化镜区域中的最大磁通量密度。

所述截面区域的背离所述镜区域指向的周边区段从所述周边区段的外部看可以是凹形的。替代性地或附加地，周边区段可以在与镜区域中的磁场线相同的方向上弯曲。这可以允许进一步最大化镜区域中的最大磁通量密度。

所述截面区域的朝向所述镜区域指向的周边区段可以平行于所述截面区域的背离所述镜区域指向的周边区段延伸。这可以允许进一步最大化镜区域中的最大磁通量密度。

该多个超导体线圈可以同轴地设置且纵向地间隔开，并且各超导体线圈被布置用于沿相同方向传送相应的电流。这是本发明构思的特别有益的应用。

该多个超导体线圈可以包括第一磁体系统，该第一磁体系统包括第一多个同心布置的圆环超导体线圈，该第一多个同心布置的圆环超导体线圈包括：第一超导体线圈，该第一超导体线圈被布置成沿第一方向传送电流；以及第二超导体线圈，该第二超导体线圈被布置成沿与所述第一方向相反的第二方向传送电流；以及第二磁体系统，该第二磁体系统包括第二多个同心布置的圆环线圈，该第二磁体系统相对于所述第一磁体系统关于位于所述第一磁体系统与所述第二磁体系统之间的对称平面镜像对称地布置。这是本发明构思的另一特别有益的应用。

该多个超导体线圈可以进一步包括径向地布置在所述等离子体约束区域外部的第三磁体系统，所述第三磁体系统包括至少一个超导体圆环线圈。

根据另一方面，提供了一种聚变反应堆，该聚变反应堆包括第一方面的磁镜机。此方面总体上可以呈现与第一方面相同的特征和优点。

根据另一方面，提供了第一方面的磁镜机在聚变反应堆中的用途。此方面总体上可以呈现与第一方面相同的特征和优点。

附图说明

本披露内容的上述以及另外的目的、特征和优点将通过以下参考附图对优选实施例进行的说明性且非限制性的详细说明而更好地得到理解，在附图中相同的附图标记将用于相似的元件，在附图中：

图1a是可以包括在等离子体约束设备中的第一磁体系统和第二磁体系统的立体图。

图1b是图1a的第一磁体系统和第二磁体系统的剖视立体图。

图1c是图1a和图1b的第一磁体系统和第二磁体系统的平面截面图。

图2是示出由图1a、图1b和图1c的第一磁体系统和第二磁体系统产生的模拟磁场线的平面图。

图3a是可以包括在等离子体约束设备中的第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统的剖视立体图。

图3b是图3a的第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统的平面截面图。

图4a和图4b是示出由图3a和图3b的第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统产生的模拟磁场线的平面图。

图5a和图5b是示出等离子体约束设备的剖视立体图。

图6、图7和图8是等离子体约束设备的剖视立体图。

图9是示出由常规直磁镜配置产生的模拟磁场线的平面图。

图10是示出由第一磁体系统和第二磁体系统产生的模拟磁场线的平面图。

图11是示出由第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统产生的模拟磁场线的平面图。

图12是示出由第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统产生的模拟磁场线的平面图，该第一磁体系统和该第二磁体系统中的相应线圈中的每个线圈嵌入相应的铁磁屏蔽件中。

图13是示出由第一磁体系统、第二磁体系统和第三磁体系统产生的模拟磁场线的平面图。

图14a和图14b示出了图6、图7、图8和图13的配置中的单粒子模拟结果。

图15、图16和图17分别示出了初始径向位置为1.5m、3.0m和4.5m的模拟带电粒子轨迹，每个轨迹的v

图18；图19；图20；图21A、图21B；图22A、图22B；图23A、图23B是相应磁镜机的截面图。

具体实施方式

众所周知，等离子体约束设备可以基于开放磁场线或封闭场线。

例如，封闭场线配置可以通过环向磁场来实现。这样的设备的示例是托卡马克装置。

如现有技术中已知的，开放场线等离子体约束设备可以通过磁镜像原理来操作，其中，等离子体的带电粒子在约束区域的相应端部处的磁通量密度增大的区域中被反射。

虽然公认能够提供等离子体约束，但是开放场线等离子体约束设备将始终具有速度矢量与磁场线充分对准的带电粒子的泄漏。更具体地，对于在由带电粒子围绕磁场线的回转自旋的螺旋螺距角限定的损失锥外部的接近角范围内的所有粒子，将发生镜像效应。

损失锥的范围由磁镜比r

定义损失锥的角度于是为：

因此，可以看出，高磁镜比将产生小的损失锥，从而仅速度与场线最对准的粒子将逸出。相反地，低磁镜比会导致更大的损失锥。

贯穿本披露内容的超导体线圈可以使用本领域本身已知的方法、材料、化合物等来制造和布置。

合适的超导体材料可以包括YBCO、Bi2223、2212、Nb3SN、NbTi和/或MgB2。

贯穿本披露内容的超导体线圈可以是例如所谓的高温超导体线圈。

如本领域已知的，超导体线圈可以包括内部结构。例如，在每个超导体线圈内，超导材料可以使用本领域公知的方法而被布置成细丝、绳股、缆线、绳索等。如贯穿本披露内容而提到的线圈的截面应当既而被理解为此内部结构的封闭包络。

例如，贯穿本披露内容的超导体线圈可以使用如以下文件中详述的方法、材料、化合物等来制造和布置：D Uglietti的A review of commercial high temperaturesuperconducting materials for large magnets:from wires and tapes to cablesand conductors[大型磁体的商用高温超导材料概述：从线材和带材到缆线和导体]，超导科学技术，32(2019)053001(29pp)，

进一步地，可以使用本领域中本身公知的方法来冷却超导体线圈。

图18是磁镜机2100的截面图。磁镜机2100围绕对称轴线A旋转对称，或者至少基本上旋转对称。

磁镜机2100可以用于等离子体约束，并且可以包括常规屏蔽件2102，例如如本领域已知的中子屏蔽件2102。特别地，磁镜机2100可以被包括在聚变反应堆中和/或用于聚变反应堆中。

如从图18中明显看出的，磁镜机2100包括沿着对称轴线A纵向设置的多个超导体线圈104、105。每个超导体线圈104、105可以被布置成圆环，如在图18中一样，并且每个超导体线圈可以被布置用于传送直流电流，以用于产生开放场线等离子体约束区域2106，如本领域中本身已知的。

因此，等离子体约束区域2106在磁镜机2100的纵向方向上，沿着对称轴线A，穿过磁镜机2100延伸，其中磁场线2112也沿着纵向方向延伸。

在图18的配置中，如从该图中明显看出的，在图18的示例中，多个超导体线圈2104、2105相对于对称轴线A同轴地设置。进一步地，超导体线圈相对于对称轴线A纵向地间隔开。进一步地，作为磁瓶布置中的典型，每个超导体线圈被布置用于沿相同方向传送相应电流，如图18中用点和十字所标记的。

等离子体约束区域2106在两端中的每一端处由相对于等离子体约束区域2106的中心区域2110增大了磁通量密度的相应镜区域2108限制，如从每个镜区域2108和中心区域2110中的磁场线间距中明显看出的，并且如本领域中本身已知的。

多个超导体线圈2105、2106中的相应超导体线圈2105位于每个相应镜区域2108附近。实际上，在图18的示例中，相应超导体线圈2105径向地位于相应镜区域2108的外部。

如从图18中明显看出的，超导体线圈2106在与穿过所述镜区域的磁场线2112相交的平面(因此对应于图18的平面)中所具有的截面在沿着磁场线2112的方向上具有长形形状。

替代性地，如从图18中也明显看出的，这可以被阐述为超导体线圈2106具有相对于磁镜机2100在纵向方向上呈长形的截面，和/或超导体线圈2106具有在沿着对称轴线A的方向上呈长形的截面。

在图2的示例中，截面是矩形的，在沿着磁场线2112的方向和/或磁镜机2100的纵向方向和/或沿着对称轴线A的方向上的尺寸是垂直于该方向(即，在磁镜机2100中在径向上)的尺寸的大小的约两倍。

图19示出了另一磁镜机2200。磁镜机2200具有与图1的磁镜机2100相同的特征，不同之处在于每个相应镜区域108附近的超导体线圈2206中的每一个具有管形区段状截面，即具有如同由管的一部分形成的圆形区段的整体形状。

因此，每个超导体线圈2105的截面使得截面区域的朝向镜区域2108指向的周边区段2307a从周边区段2307a的外部看是凸形的。

此外，每个超导体线圈2306的截面区域的远离镜区域指向的周边区段2307b从周边区段2307b的外部看是凹形的。

自然地，具有凸形和凹形周边区段的其他弯曲截面同样是可能的，不一定遵循如前两段所述的圆形区段路径。

进一步地，在图19的示例中，截面区域的朝向镜区域2108指向的周边区段2307a平行于截面区域的背离镜区域指向的周边区段2307b延伸。

图20示出了另一磁镜机2300，该磁镜机不是根据本发明构思，而是作为有助于理解本发明构思的示例呈现的。磁镜机2300具有与图1的磁镜机2100相同的特征，不同之处在于每个相应镜区域2108附近的超导体线圈2406中的每一个具有圆形截面，即不是长形的。

执行磁场模拟以评估图18的磁镜机2100、图19的磁镜机2200、图20的磁镜机2300的设计。

表1示出了模拟的结果，其中：

·B

·B

·B

·B

·R是磁镜机2100、2200、2400的内半径，因此表1的最后一行示出了B

表1

使用700mm的壁2102厚度、3 300mm的对称平面P处的初始磁镜机内半径R、以及5000mm的对称平面P与线圈2105之间的距离来执行模拟。

假设每个超导体线圈内的电流密度恒定，并且在镜区域2108附近的每个线圈2105内的最大磁通量密度不得超过约23T(这是相应超导体线圈的击穿磁通量密度的典型值)这一约束下，执行模拟。

进一步地，每个磁镜机的半径变化，使得对称平面P处的平均磁通量密度B

在反映了上述设计约束的表1的结果中，B

如从表1可见，与图20的磁镜机2300的圆形的非长形线圈2105相比，鉴于线圈中不超过约23T的磁通量密度的约束，磁镜机2200中的长形线圈截面实现了镜区域中的更高的磁通量密度B

在每个磁镜机中，中心区域的磁通量密度B

本发明构思同样适用于一种磁镜机，其中该多个超导体线圈包括第一磁体系统，该第一磁体系统包括第一多个同心布置的圆环超导体线圈，该第一多个同心布置的圆环超导体线圈包括：第一超导体线圈，该第一超导体线圈被布置成沿第一方向传送电流；以及第二超导体线圈，该第二超导体线圈被布置成沿与该第一方向相反的第二方向传送电流；以及第二磁体系统，该第二磁体系统包括第二多个同心布置的圆环线圈，该第二磁体系统相对于该第一磁体系统关于位于该第一磁体系统与该第二磁体系统之间的对称平面镜像对称地布置，其构思和优点在本披露内容的其他地方进行了详细讨论。

图21A和图21B示出了这样的一种磁镜机3100，其中图21A是磁镜机2200的截面图，以及图21B是图21A的单个象限的特写，该象限由于旋转和镜像对称而代表了图21A所示的截面的所有四个象限。

磁镜机3100围绕对称轴线A旋转对称，或者至少基本上旋转对称。

磁镜机3100可以用于等离子体约束，并且可以包括常规屏蔽件2102，例如如本领域已知的中子屏蔽件2102。特别地，磁镜机2100可以被包括在聚变反应堆中和/或用于聚变反应堆中。

如从图21A中明显看出的，磁镜机3100包括沿着对称轴线A纵向设置的多个超导体线圈2204、2206a、2206b。每个超导体线圈2204、2206a、2206b可以被布置成圆环，如在图21A/图21B中一样，并且每个超导体线圈可以被布置用于各自传送直流电流，以产生开放场线等离子体约束区域2106。

因此，等离子体约束区域2106在纵向方向上，沿着对称轴线A，穿过磁镜机3100延伸，其中等离子体约束区域2106中的磁场线2112也在纵向方向上延伸。

特别地，位于对称平面P上方的超导体线圈2206a和2206b构成第一磁体系统，其中，线圈2206a被布置成沿第一方向传送直流电流，并且线圈2206b被布置成沿相反的第二方向传送直流电流，如图21B中用点和十字所指示的。

进一步地，位于对称平面P下方的超导体线圈2206a和2206b构成第二磁体系统，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于对称平面P镜像对称地布置，该对称平面因此位于第一磁体系统与第二磁体系统之间。

通过这种布置，可以产生环形约束区域2106，如在本披露内容的其他地方详细描述的。

进一步地，第三磁体系统包括至少一个超导体线圈，通常包括多个超导体线圈，并且在图21A和图21B的示例中包括两个超导体线圈2104，该第三磁体系统可以径向地布置在等离子体约束区域2106的外部。

等离子体约束区域2106在两端中的每一端处由相对于等离子体约束区域2106的中心区域2110增大了磁通量密度的相应镜区域2108限制，如从每个镜区域2108和中心区域2110中的磁场线间距中明显看出的。

第一磁体系统和第二磁体系统的超导体线圈2206a、2206b位于相应镜区域2108附近。在图21A和图21B的示例中，超导体线圈2206a径向地位于相应镜区域2108的外部，并且超导体线圈2206b径向地位于相应镜区域2206a的内部。

如从图21A和图21B明显看出的，第一磁体系统和第二磁体系统的每个超导体线圈2206a、2206b在与穿过所述镜区域的磁场线2112相交的平面(因此对应于图21A/图21B的平面)中所具有的截面在沿着磁场线2112的方向上具有长形形状。在图21A和图21B的示例中，截面是月牙形的，在沿着磁场线2112的方向上的尺寸是垂直于该方向的尺寸的大小的约两倍。

因此，每个相应镜区域2108附近的超导体线圈2206a、2206b中的每一个具有月牙形截面。特别地，每个超导体线圈的截面使得截面区域的朝向镜区域2108指向的周边区段2207a从周边区段2207a的外部看是凸形的。

替代性地，如从图21A和图21B中也明显看出的，这可以被阐述为超导体线圈2206a、2206b具有相对于磁镜机3100在纵向方向上呈长形的截面，和/或超导体线圈2206a、2206b具有在沿着对称轴线A的方向上呈长形的截面。

进一步地，如图21A和图21B的示例所示，背离镜区域2108指向的周边区段2207b可以是平坦的。

其他长形截面(比如，如图18中的矩形截面)同样是可能的。

图22A和图22B示出了另一磁镜机3200。

磁镜机3200具有与图1的磁镜机3100相同的特征，不同之处在于每个相应镜区域108附近的超导体线圈2206中的每一个具有管形部段状截面，即具有如同由管的一部分形成一样的圆形区段的整体形状。自然地，其他弯曲的截面同样是可能的，不一定遵循圆形区段路径。

因此，每个超导体线圈的截面使得截面区域的朝向镜区域2108指向的周边区段2207a从周边区段2207a的外部看是凸形的。

此外，每个超导体线圈2306的截面区域的背离镜区域指向的周边区段2207b从周边区段2207b的外部看是凹形的。

自然地，具有凸形和凹形周边区段的其他弯曲截面同样是可能的，不一定遵循如前两段所述的圆形区段路径。

进一步地，在图22A和图22B的示例中，截面区域的朝向镜区域2108指向的周边区段2207a平行于截面区域的背离镜区域指向的周边区段2207b延伸。

图23A和图23B示出了另一磁镜机2400，该磁镜机不是根据本发明构思，而是作为有助于理解本发明构思的示例呈现的。磁镜机4200具有与图21A和图21B的磁镜机2100相同的特征，不同之处在于每个相应镜区域2108附近的超导体线圈2206a、2206b中的每一个具有圆形截面，即截面是非长形的。

执行磁场模拟以评估图21A和图21B的磁镜机3100、图22A和图22B的磁镜机3200、以及图23A和图23B的磁镜机3300的设计。

表2示出了模拟的结果，其中：

·B

·B

·B

·R是磁镜机3100、3200、3300的内半径，因此表1的最后一行示出了B

表2

使用700mm的壁2102厚度、3 300mm的对称平面P处的磁镜机内半径R、以及5 000mm的对称平面P与线圈2206a、2206b之间的距离来执行模拟。

假设超导体线圈内的电流密度恒定，并且在镜区域2108附近的每个线圈2105内的最大磁通量密度不得超过约23T(这是相应超导体线圈的击穿磁通量密度的典型值)这一约束下，执行模拟。

进一步地，每个磁镜机的半径变化，使得比率B

在反映了上述设计约束的表2的结果中，B

如从表2可见，与图23A/图23B的磁镜机3300的圆形的非长形线圈2206a、2206b相比，鉴于线圈中不超过约23T的磁通量密度的约束，磁镜机3100中的长形的月牙形线圈截面实现了镜区域中的更高的磁通量密度B

因此，在本优化中，中心区域的磁通量密度B

以上已经主要参考示例实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附专利权利要求所限定的本发明构思的范围内，除了以上披露的实施方案之外的其他实施方案同样是可能的。特别地，在权利要求的范围内，除了本文具体讨论的长形截面之外的其他长形截面同样是可能的。特别地，月牙状截面(比如图21A和图21B的月牙状截面)同样适用于例如瓶型磁镜机(比如图18的瓶型磁镜机)，并且矩形截面(比如图18的矩形截面)同样适用于例如图21A和图21B的磁镜机。

本披露内容的剩余部分涉及一种等离子体约束设备和一种等离子体约束的方法。

正在努力设计用于地球上进行受控聚变的反应堆。最有希望的聚变过程是氢同位素氘(

为了发生聚变，原子核必须呈温度为大约1.5亿开尔文的等离子体的形式。为这样的等离子体提供约束仍然是主要挑战。

存在几种不同的已知的用于等离子体约束的磁配置。

等离子体约束包括约束等离子体的带电粒子。进一步地，有益于受约束的等离子体的稳定性的各种特性可能是所期望的。

众所周知的设计是磁镜。其中，粒子沿着磁场线运动，并在设备的相应端部处的磁通量密度增大的区域中被反射。虽然能够实现等离子体约束，但如实验所证明，它与各种等离子体不稳定性问题有关。为了解决这些问题，在现有技术中已经提出了各种旋绕的非旋转对称几何形状，比如类似网球的“最小B”设计，或者“双锥形尖端”。

另一个众所周知的设计是托卡马克装置(tokamak)。托卡马克装置使用环向场(即，圆环场)来进行约束。托卡马克装置也与各种等离子体稳定性问题相关联，比如电荷分离。

本披露内容的目的是提供一种改进的等离子体约束设备和方法，特别是用于在聚变反应堆中使用。

为此目的，根据第一方面，提供了一种等离子体约束设备，该等离子体约束设备包括：第一磁体系统，该第一磁体系统包括第一多个同心布置的圆环线圈，该第一多个同心布置的圆环线圈包括第一线圈和第二线圈，该第一线圈被布置成沿第一方向传送电流，该第二线圈被布置成沿与第一方向相反的第二方向传送电流；以及第二磁体系统，该第二磁体系统包括第二多个同心布置的圆环线圈，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统与第二磁体系统之间的对称平面镜像对称地布置，利用在对称平面处法向于该对称平面的磁场，在对称平面处产生环形等离子体约束区域。

环形等离子体约束区域应当理解为等离子体的带电粒子被约束在其中的旋转对称区域，包括具有例如环状或盘状拓扑的情况。

因此，所得到的磁场配置可以在开放场线磁镜配置中使用静态轴向场和径向场来约束带电粒子。

在第一磁体系统和第二磁体系统的每一者中，第一线圈被布置成沿第一方向传送电流并且第二线圈被布置成沿相反的第二方向传送电流，这种布置允许在第一线圈与第二线圈之间产生高磁通量密度区域，同时在对称平面附近保持相对较低的磁通量密度。与常规的磁镜布置相比，这允许增大磁镜比，从而减小损失锥的尺寸并且允许更好地约束等离子体。

此外，与托卡马克装置相比，当约束等离子体时，可以避免电荷分离效应，其中，不需要感应等离子体电流来保持等离子体的稳定性。利用所得到的准静态等离子体，即没有整体等离子体电流，可以避免磁流体动力学不稳定性。进一步地，可以允许聚变反应堆在连续(稳定)状态下运行，而没有电流斜坡。

进一步地，所得到的磁场配置可以以简单方式对等离子体进行加热。

第一多个同心布置的线圈可以例如与第二多个同心布置的线圈相同地设计。这是实现期望的磁场配置的特别简单的方式。

该设备可以进一步包括径向地布置在等离子体约束区域外部的第三磁体系统，该第三磁体系统包括至少一个圆环线圈。

因此，可以布置严格地径向增大的磁场，这对于受约束的等离子体的稳定性可能是有益的，进一步改进了常规的磁镜。

进一步地，具有第三磁体系统的布置可以允许在整个等离子体约束区域中布置凹形磁场，这对于受约束的等离子体的稳定性是有益的。

因此，可以提供旋转对称的开放场线等离子体约束设备，其具有高的磁镜比，并且具有有益于等离子体稳定性的特性。

此外，第三磁体系统可以允许通过调节第三磁体系统的圆环线圈中的电流来控制受约束的等离子体。

第三磁体系统可以包括第一线圈和第二线圈，该第一线圈布置在对称平面与第一磁体系统相同的一侧上，该第二线圈布置在对称平面的相反侧上，其中，第二线圈相对于第一线圈镜像对称地布置。

第一磁体系统中的第一多个同心布置的线圈和第二磁体系统中的第二多个同心布置的线圈可以各自嵌入相应的铁磁结构中。对于给定的线圈电流，这增大了穿过铁磁材料的相对较高磁导率的磁通量，产生更强的磁场，从而更好地约束。

可选地，所述铁磁结构在朝向所述对称平面的方向上不覆盖相应的所述多个线圈中的至少一个线圈。这屏蔽了背离对称平面的方向上的磁通量，并将磁通量沿朝向对称平面的方向(即，朝向等离子体)的方向引导。因此，对于给定的线圈电流，实现了更有效的屏蔽。

所述铁磁结构可以是铁磁钢。

根据第一方面的设备可以用于约束等离子体。

根据第一方面的设备可以用在聚变反应堆中。

根据第二方面，提供了一种等离子体约束的方法，该方法包括：在包括第一多个同心布置的圆环线圈的第一磁体系统中，第一线圈沿第一方向传送电流，并且第二线圈沿与第一方向相反的第二方向传送电流；以及包括第二多个同心布置的圆环线圈的第二磁体系统传送电流，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统与第二磁体系统之间的对称平面镜像对称，利用法向于该对称平面的磁场，在对称平面处产生环形等离子体约束区域。

此第二方面的实施例和优点通常与第一实施例相似或相同。

该方法可以进一步包括通过径向地布置在等离子体约束区域外部的第三磁体系统中的电流调节来控制受约束的等离子体。

控制可以包括改变等离子体约束区域的半径，从而可以改变等离子体的半径。

该方法可以进一步包括通过将离子束插入等离子体约束区域径向外部或等离子体约束区域径向内部的区域中来加热等离子体，并允许来自该离子束的离子漂移到等离子体约束区域中。

与现有的解决方案(比如托卡马克装置或类似设备，在这些解决方案中，为约束等离子体而产生的磁场也使来自等离子体外部的离子偏转，并且需要使用将穿透磁场、然后仅在等离子体内部被电离一次的中性束进行加热)相比，在这里，高能离子可以方便且简单地添加到受约束的等离子体中，或者被提供用于等离子体的初始加热以产生聚变条件，因为当前的磁场配置可以将离子拉入等离子体约束区域，而不是使这些离子偏转。这可以使得过程不太复杂，并且可以进一步减少粒子损失。

根据第三方面，提供了一种磁镜机和/或粒子约束设备，其包括：第一磁体系统，该第一磁体系统包括第一多个同心布置的圆环线圈，该第一多个同心布置的圆环线圈包括第一线圈和第二线圈，该第一线圈被布置成沿第一方向传送电流，该第二线圈被布置成沿与第一方向相反的第二方向传送电流；以及第二磁体系统，该第二磁体系统包括第二多个同心布置的圆环线圈，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统和第二磁体系统之间的对称平面镜像对称地布置，利用在对称平面处法向于该对称平面磁场，在对称平面处产生环形粒子约束区域。

结合其他方面讨论的实施例和优点、以及贯穿本披露内容与此第三方面相容。

根据第四方面，提供了一种约束带电粒子的方法，该方法包括：在包括第一多个同心布置的圆环线圈的第一磁体系统中，第一线圈沿第一方向传送电流，并且第二线圈沿与第一方向相反的第二方向传送电流；以及包括第二多个同心布置的圆环线圈的第二磁体系统传送电流，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统与第二磁体系统之间的对称平面镜像对称，利用法向于该对称平面的磁场，在对称平面处产生环形粒子约束区域。

结合其他方面讨论的实施例和优点、以及贯穿本披露内容与此第三方面相容。

众所周知，等离子体约束设备可以基于开放磁场线或封闭场线。

例如，封闭场线设备可以具有环向磁场。这样的设备的示例是托卡马克装置。

封闭场线设备可以潜在地约束等离子体粒子而没有泄漏，因为粒子将跟随场线，但是其他问题(比如由于电荷分离和磁流体动力学(MHD)效应引起的E×B漂移)可能导致等离子体逸出。需要进行特殊的布置来清除氦灰，比如使系统脉动，不允许稳态运行。

环向场的一个主要问题是，由于电荷分离引起的E×B漂移，离子将逃脱约束。

在托卡马克装置中，这个问题可以通过在等离子体中感应出电流来解决，其中电流将产生极向场。这引起磁场沿着环面扭曲，极向场和环向场一起构成扭曲的磁场。这减轻了E×B漂移，但是引入了额外的问题，即，仅有当内部磁线圈中的电流上升时，等离子体才将被约束，即不可能在稳定状态下运行。

进一步地，等离子体电流将导致与磁流体动力学效应相关的几种不稳定性，比如扭结不稳定性。这可以通过围绕反应堆容器的各种补偿线圈来解决，但是由于大的磁流体动力学效应，等离子体的基本特性仍然是不稳定的。

如现有技术中已知的，开放场线等离子体约束设备可以通过磁镜像原理来操作，其中，等离子体的带电粒子在约束区域的相应端部处的磁通量密度增大的区域中被反射。这样的机器具有稳态运行的能力，并且可以通常具有较少的电荷分离问题，并且还允许更容易地处理氦灰。

虽然公认能够提供等离子体约束，但是开放场线等离子体约束设备将始终具有速度矢量与磁场线充分对准的带电粒子的泄漏。更具体地，对于在由带电粒子围绕磁场线的回转自旋的螺旋螺距角限定的损失锥外部的接近角范围内的所有粒子，将发生镜像效应。

损失锥的范围由磁镜比r

定义损失锥的角度于是为：

因此，可以看出，高磁镜比将产生小的损失锥，从而仅速度与场线最对准的粒子将逸出。相反地，低磁镜比会导致更大的损失锥。

从文献中得知，与受约束的等离子体的磁流体动力学稳定性相关联的等离子体约束设备的磁场线的第一特性是凹形磁场，即，从等离子体约束区域和受约束的等离子体的外部看时具有凹形磁场线的磁场。

从文献中得知，与受约束的等离子体的磁流体动力学稳定性相关联的等离子体约束设备的磁场线的第二特性是严格地径向增大的磁场。

图1a、图1b和图1c示出了可以包括在等离子体约束设备(参见图5a和图5b)中的第一磁体系统1和第二磁体系统2。

第一磁体系统1包括围绕对称轴线A布置的第一多个同心布置的圆环线圈，例如，如图所示的第一内线圈11和同心地布置在内线圈11的径向外部的第二外线圈12。

进一步地，第一磁体系统1包括第二磁体系统2，该第二磁体系统包括第二多个圆环线圈，同样围绕轴线A同心布置，但是相对于第一磁体系统竖直地移位。例如，如图所示，第二磁体系统可以包括第一内线圈21和第二外线圈22，该第二外线圈与内线圈21同心地布置并径向地布置在该内线圈的外部。

图1c示出了在穿过对称轴线A的截平面中穿过第一磁体系统1和第二磁体系统2的截面图。

第二磁体系统2的线圈21、22相对于第一磁体系统1的线圈11、12关于对称平面P镜像对称地布置，该对称平面与第一磁体系统1和第二磁体系统2中的每一者的距离相等。

贯穿本披露内容，可以参考相对于轴线A和对称平面P的坐标系和方向。特别地，可以参考柱面坐标系或笛卡尔坐标系来描述坐标和方向，每个坐标系都以对称轴线A和对称平面P的交点为原点。

坐标被称为“x，y，z”、“X，Y，Z”、“A，B，C”等的笛卡尔坐标系应当理解为具有位于对称平面P中的前两个坐标轴“x，y”、“X，Y”、“A，B”等、以及在正方向上从原点沿着对称轴线A向上延伸(如图1至图5所示)的第三坐标轴“z”、“Z”、“C”等。

如果没有披露空间坐标的单位，则暗示以米或度为单位。如果没有披露时间单位，则暗示以秒为单位。

柱面坐标系应当理解为具有从对称轴线A和对称平面P的交点处的原点延伸的径向方向和坐标(“R”、“r”等)、作为围绕对称轴线A的旋转角度测量的方位方向和坐标(

进一步地，贯穿本披露内容，将参考示出模拟磁场(磁通量密度)线(即，等磁势线)的附图，包括图2、图4a、图4b、图9、图10、图11和图12。由于本文披露的磁体系统的对称特性，即，由于关于对称平面P的镜像对称和围绕轴线A的旋转对称，这种象限的磁场特性足以整体地描述场配置。因此，示出象限的图应该被解释为披露了所有四个象限中的场和磁体系统配置，受制于所提及的对称特性。此外，由于旋转对称，这些附图应该被解释为披露了三维磁场和磁体系统。

仍然参考图1c，如图所示，考虑到镜像对称，第一磁体系统1的第一多个同心布置的线圈11、12可以与第二磁体系统2的第二多个同心布置的线圈21、22相同地设计。

图1c进一步示出了在等离子体约束设备(参见图5a和图5b)中使用的第一磁体系统和第二磁体系统的操作期间的线圈电流方向。

在第一磁体系统1中，内线圈11的电流被配置成沿在图1c右侧进入截平面(用十字标记)并在图1c左侧离开截平面(用虚线圆圈标记)的方向流动，即，从第一磁体系统上方看时是逆时针。相反地，外线圈12的电流被配置成沿在图1c右侧离开截平面(用虚线圆圈标记)并在图1c左侧进入截平面(用十字圆圈标记)的方向流动，即，从第一磁体系统上方看时是顺时针。

因此，第一多个同心布置的圆环线圈包括：第一线圈11，该第一线圈被布置成沿第一方向传送电流；以及第二线圈12，该第二线圈被布置成沿与第一方向相反的第二方向传送电流。

类似地，鉴于关于对称平面P的镜像对称，在第二磁体系统2中，内线圈21的电流被配置成沿在图1c右侧进入截平面(用十字标记)并在图1c左侧离开截平面(用虚线圆圈标记)的方向流动，即，从第一磁体系统上方看时是逆时针，并且外线圈22的电流被配置成沿在图1c右侧离开截平面(用虚线圆圈标记)并在图1c左侧进入截平面(用十字圆圈标记)的方向上流动，即，从第一磁体系统上方看时是顺时针。

因此，在第一磁体系统1和第二磁体系统2运行时，第二磁体系统2的电流相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统1与第二磁体系统2之间的对称平面P镜像对称地布置。

如指示磁场(磁通量密度)矢量B的矢量箭头202所示，在对称平面P处，第一磁体系统1和第二磁体系统2中的电流的镜像对称配置在对称平面P处产生法向于对称平面P的磁场。在对称平面P处形成环形的、通常为环向形状的等离子体约束区域206(参见图2、图5a和图5b)(用近似虚线椭圆指示)，如将在下面进一步说明的。

因此，换句话说，等离子体约束设备可以包括沿轴向方向彼此面对的两个盘形磁体系统1、2，在它们之间具有可以约束等离子体的空间。每个磁体系统1、2具有至少两个线圈11、12、21、22，其中，电流方向和大小在对称平面P处产生法向磁场边界条件。

进一步地，仍然参考图1a、图1b和图1c，第一磁体系统1中的第一多个同心布置的线圈11、12和第二磁体系统2中的第二多个同心布置的线圈21、22各自可以嵌入相应的芯结构204中，该芯结构可以是铁磁材料，比如铁磁钢。替代性地，芯结构204可以是非铁磁材料，比如非铁磁钢。

可选地，如图所示，第一磁体系统1和第二磁体系统2的相应芯结构204不覆盖至少一个线圈，如图所示，在朝向对称平面P的方向上不覆盖相应多个线圈的所有线圈，但是在所有其他方向上覆盖相应线圈11、12、21、22。

为了比较的目的，图9示出了包括两个线圈的直磁镜配置的模拟磁场线，即，每个半球中的单个线圈1600。作为这样的直磁镜(“瓶”)配置的典型，磁场在对称平面P附近显示相对低磁通量密度的区域1602并且在线圈1600附近显示相对高磁通量密度的区域1604，基于磁反射的原理，产生如上所说明的带电粒子的约束区域206。此外，从约束区域206的径向外部看，即，从图9中的右侧看，靠近对称平面的相对较大的区域显示凸形磁场线，而靠近线圈1600的较小区域显示凹形磁场线，根据以上讨论的第一特性，前者是不利的，而后者是有利的。进一步地，可以注意到，在对称平面P处，磁通量密度随着半径的增大而减小。

所披露的磁体系统配置使得磁场在整个对称平面P上法向于对称平面P，这从以直角穿过对称平面P的磁场线可以明显看出。与图1c一样，图2示出了穿过轴线A的截平面中的磁场线。由于第一磁体系统1和第二磁体系统2的旋转对称，磁场配置也是旋转对称的，因此图2表示任何这样的截平面，并且因此表示整个场配置。特别地，磁场没有环向分量，即，在指向或指离图2的截平面的方向(这是上面提到的方位方向)上没有环向分量。换句话说，对于穿过轴线A的任何这种截平面，磁场矢量都位于截平面中。这同样适用于图9至图13的配置。

在图2中，示出了由上面结合图1a、图1b和图1c讨论的第一磁体系统1和第二磁体系统2中的电流的镜像对称配置产生的磁场线。所得到的磁场配置产生了环形约束区域206，再次由近似虚线椭圆表示，等离子体的离子可以被约束在该环形约束区域中。如模拟所证实的，等离子体约束区域被径向地约束在内半径与外半径之间。被约束在等离子体约束设备中、在等离子体约束区域206中、在对称平面P处的等离子体离子由于垂直于该平面的磁场将在该平面中执行圆形回转运动。如上所述，不存在环向场。因此，鉴于没有环向磁场分量，在对称平面P处的离子上将没有轴向洛伦兹力。沿场线在轴向方向上背离对称平面移动，洛伦兹力可以将离子推回对称平面，从而将离子约束在对称平面处。

与托卡马克装置中等离子体被环向场和极向场约束的情况不同，根据本披露内容的约束设备用轴向(平行于轴线A)和径向场约束等离子体。

图10示出了可以包括在等离子体约束设备中的另一种配置，该配置同样布置有第一磁体系统1，该第一磁体系统包括：第一线圈11，该第一线圈被布置成沿第一方向传送电流；以及第二线圈12，该第二线圈被布置成沿与第一方向(参见图1c)相反的第二方向传送电流；以及第二磁体系统(未示出)，该第二磁体系统包括第一同心布置的圆环线圈和第二同心布置的圆环线圈(未示出)，该第二磁体系统相对于第一磁体系统关于位于第一磁体系统1与第二磁体系统2之间的对称平面P镜像对称地布置。正如对于图9的直磁镜，带电粒子的约束区域(即等离子体约束区域206)是对称平面P，磁场在对称平面处法向于该对称平面。

正如上面结合图9所讨论的，如图10所示，并且在图2中也很明显，通过适当选择第一磁体系统的线圈11、12的几何形状和第二磁体系统2以及其中传送的电流，可以实现这样的场配置，该场配置在对称平面P附近显示相对低磁通量密度的区域1602，在线圈11、12附近显示相对高磁通量密度的区域1604，从而基于磁反射原理产生用于带电粒子的约束区域206。此外，正如在图10中，从约束区域206的径向外部看，即，从图9的右侧看，对称平面附近的区域1602显示凸形磁场线，而区域1604显示凹形磁场线。

此外，通过比较图10(和图2)与图9可以明显看出，适当选择线圈的几何形状和在其中流动的电流，允许在线圈11、12附近的相对高磁通量密度的区域1604中显著增大磁通量密度。由于损失锥降低，这可以提供更高的磁镜比，从而改进了等离子体中的带电粒子的约束。

图3a和图3b示出了可以包括在等离子体约束设备(参见图5a和图5b)中的第一磁体系统1、第二磁体系统2和第三磁体系统。除非下面特别提到，图3a、3b和图4的磁体系统具有与上面结合图1a、图1b、图1c和图2描述的第一磁体系统和第二磁体系统相同的特征和特性。第三磁体系统3关于轴线A径向地布置在等离子体约束区域206的外部。

进一步地，如图所示，第三磁体系统3可以关于轴线A径向地位于第一磁体系统1和第二磁体系统2的外部。

第三磁体系统3包括至少一个圆环线圈，例如，如图所示，第一圆环线圈31布置在对称平面P的与第一磁体系统相同的一侧，并且第二圆环线圈32布置在对称平面P的相反侧，其中，第二线圈32相对于第一线圈31镜像对称地布置。特别地，参考图3b，第一线圈31和第二线圈32中的每一者的电流被配置成在磁体系统运行时沿在图3b左侧进入截平面(用十字标记)、并在图3c右侧离开截平面(用虚线圆圈标记)的方向流动，即，从第一磁体系统上方看时是顺时针。

得到的模拟磁场线在图4a和图4b中示出。磁场配置类似于图2的磁场配置。特别地，形成环形等离子体约束区域206，正如上文结合图1a、图1b、图1c和图2所描述的。图4b示出了图4a的象限的特写。由于磁体系统的对称特性，即，由于关于对称平面P的镜像对称和围绕轴线A的旋转对称，这样的象限的磁场特性足以描述作为整体的场配置。

图11示出了可以包括在等离子体约束设备中的又一种配置。除了图10的第一磁体系统1和第二磁体系统2之外，正如在图3a和图3b中，第三磁体系统3径向地布置在等离子体约束区域206的外部。第三磁体系统包括圆环线圈31。

仍然参考图11，正如上面结合图9所讨论的，场配置显示了在对称平面P附近的相对低磁通量密度的区域1602和在线圈11、12附近的相对高磁通量密度的区域1604，从而基于磁反射的原理产生了用于带电粒子的约束区域206。

此外，仍然参考图11，正如在图10中一样，从约束区域206的径向外部看，即从图9的右侧看，对称平面附近的区域1602显示凹形磁场线(从等离子体约束区域206的外部看)，而区域1604显示凸形磁场线(也是从等离子体约束区域206的外部看)。然而，凹形磁场线的区域大于图10的配置，对应于等离子体约束区域的大部分。

此外，仍然参考图11，正如在图10中一样，适当选择线圈的几何形状和在其中流动的电流，允许在线圈11、12附近的相对高磁通量密度的区域1604中显著增大磁通量密度，从而提供高磁镜比。

此外，如从图11(以及图4a和图4b)中明显看出的，通过适当选择通过第三磁体系统的线圈31的电流，可实现在等离子体约束区域206中具有严格地径向增大的磁通量密度的场配置。

图12示出了可以包括在等离子体约束设备中的又一种配置。除了图11的配置之外，第一磁体系统1和第二磁体系统2中的相应线圈中的每个线圈都嵌入在相应的铁磁屏蔽件中。这集中了磁场，产生了更高的磁镜比。

图13示出了可以包括在等离子体约束设备中的又一种配置。在此示例配置中，与图12的配置相比，线圈11、12、31具有锥形表面和/或凸形表面。因此，如从图13中明显看出的，磁场配置是可实现的，其中，等离子体约束区域260的径向外周边1202(一直向上到反射点)具有凹形磁场线，并且径向内周边1204也具有凹形磁场线，同时磁通量密度严格地径向增大。

图5a和图5b分别示出了等离子体约束设备500，每个等离子体约束设备包括上文结合图1a、图1b、图1c和图2详述的第一磁体系统1和第二磁体系统2、以及如上文结合图3a、3b、4a和4b详细描述的可选的第三磁体系统3。每个这样的等离子体约束设备500可以用在聚变反应堆中。

进一步地，每个等离子体约束设备500包括等离子体容器208，这在等离子体聚变技术中是众所周知的。如图所示，等离子体容器可以位于第一磁体系统1与第二磁体系统2之间。进一步地，如图所示，等离子体容器208可以位于第三磁体系统3(如果这样的系统存在的话)的径向内部。如图所示，等离子体容器208可以围绕轴线A旋转对称。反应堆容器208定位成使得环形、环向形状的等离子体约束区域206位于反应堆容器208内部。

等离子体约束设备500的物理尺寸取决于许多参数，比如磁线圈中的工程电流密度、阿尔法粒子的约束程度、期望的等离子体体积等。以下是典型的尺寸，在10A/mm

第一磁体系统1和第二磁体系统2的外直径：8m至16m，通常为12m。

线圈11、12、21、22中的每个线圈的高度：1.5m至3.5m，通常为2.5m。

嵌入线圈的芯204的厚度：0.6m至1.3m，通常为1.0m。

第一磁体系统1的上边缘与第二磁体系统2的下边缘之间的距离：4.0m至8.0m，通常为6.0m。

第三磁体系统3的外直径：10.0m至22m，通常为16.0m。

通过改变线圈电流或线圈电流，可以改变磁场配置以控制约束在等离子体约束区域206中的等离子体。例如，可以改变等离子体约束区域的半径。

图5b示出了等离子体约束设备500，该等离子体约束设备具有可选的微波等离子体加热设备210，如本身已知的，该微波等离子体加热设备位于设备500的中心轴线A处，并且因此在等离子体约束区域206的径向内部。

进一步地，等离子体约束设备500可以具有可选的离子束插入装置212，如本身已知的，该离子束插入装置通向容器208并径向地位于等离子体约束区域206的外部。

可以使用离子束插入设备210将离子束(例如包括高能阿尔法粒子)插入等离子体约束区域206的径向外部区域，之后可以允许来自该离子束的离子向更小半径漂移到等离子体约束区域206中，从而加热等离子体，该等离子体在下一阶段可以自我维持加热，即被点燃的等离子体。

替代性地(未示出)，可以使用这样的离子束插入设备将例如包括高能阿尔法粒子的离子束插入到等离子体约束区域206径向内部的区域中，之后可以允许来自离子束的离子朝着更高的半径漂移到等离子体约束区域206中，从而加热等离子体。

因此，根据本披露内容的等离子体约束设备设计允许加热设备在系统的外半径和中心处具有可接近性。

替代性地，同样地，等离子体也可以由微波等离子体加热设备210加热。

图6、图7和图8是另一个等离子体约束设备500的剖视立体图，该等离子体约束设备包括如上面结合图13详细描述的第一磁体系统1、第二磁体系统2和第三磁体系统3。等离子体约束设备500可以用在聚变反应堆中。

进一步地，如图7所示，等离子体约束设备500可以包括等离子体容器208，这在等离子体聚变技术中是众所周知的。如图所示，等离子体容器208可以位于第三磁体系统3的线圈31、32的径向内部、分别位于第一磁体系统1的外线圈22和第二磁体系统2的外线圈12的径向内部、并且分别位于第一磁体系统1的内线圈11和第二磁体系统2的内线圈21的径向外部并在其轴向内部。

进一步地，图7示出了铁磁嵌入物204。

最后，图8示出了包含在壳体1500中的等离子体约束设备500。

典型的尺寸可以如下。包括壳体1500的设备500可以具有约25m的直径和约35m的高度。第三磁体系统3的线圈的内径可以是约12m。第一磁体系统1的内线圈11与第二磁体系统2的内线圈21之间的最小距离可以是约11m。

根据本披露内容，被约束在其中的粒子(即等离子体)的系统中的总电流可以是零，或者接近零。与基于环向的反应堆(比如托卡马克装置)相比，这可以使得动态等离子体少得多。这样的较少的动态等离子体可以具有较少的电流驱动的等离子体不稳定性(比如扭结不稳定性)问题。

在下文中，将参考图14a、图14b、图15、图16和图17讨论根据本发明构思的等离子体约束设备的模拟结果，验证等离子体约束设备500约束聚变等离子体离子的能力。约束聚变等离子体意味着通过等离子体体积中的磁场来约束氘离子、氚离子、阿尔法粒子和电子。阿尔法粒子是氘氚聚变的产物之一，其动能为3.5MeV(约13.000.000m/s)，是迄今为止最难约束的粒子。

如果阿尔法粒子可以被约束，它将有助于等离子体的加热，使得被点燃的等离子体由受约束的阿尔法粒子自我维持。燃烧等离子体需要外部能量，但少于聚变过程产生的热能。这种加热是由聚变产物阿尔法粒子提供的。因此，对阿尔法粒子进行约束是很重要的。

氘和氚将在12keV甚至更低的能量下聚变。约束能量较低的较轻的离子比约束能量较高的较重的离子要容易得多。如果聚变产物阿尔法粒子可以被约束，氘离子和氚离子以及电子也将被约束在相同的体积内，即，如果阿尔法粒子被约束，氘离子和氚离子也将被约束。

对通过有限元法(FEM)模拟计算的磁场内的带电粒子的轨迹进行模拟，验证带电粒子约束的能力。

由于该系统是旋转对称的，因此可以用二维(2D)模拟来描述。此外，因为在第一磁体系统与第二磁体系统这两个系统之间存在镜像对称，所以第一象限(参见图4b、图9至图13)可以完全限定系统的整个体积。

考虑到粒子上的洛伦兹力和牛顿第二定律，对粒子轨迹进行了迭代计算。

图14a、图14b、图15、图16和图17示出了在上面结合图6、图7、图8和图13讨论的配置中的单粒子模拟结果。

图14a示出了动能为100keV的氘的模拟路径，而图14b示出了动能为3.5MeV的阿尔法粒子的模拟路径，即典型的氘离子与氚离子之间聚变的产物。两种粒子都被约束在等离子体约束区域中，在相应的端点被磁反射。对于第一近似，对于给定的初始速度矢量，带电粒子的回转中心将遵循给定的场线并在相同的端点处被反射，而与粒子的动能或电荷无关。然而，由于粒子会有不同的陀螺自旋半径(拉莫尔半径)，漂移将是不同的。

图15、图16和图17分别示出了初始径向位置为1.5m、3.0m和4.5m的模拟带电粒子轨迹，每个轨迹的v

以上已经主要参考示例实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附专利权利要求所限定的本发明构思的范围内，除了以上披露的实施方案之外的其他实施方案同样是可能的。

以下是形成本说明书的一部分的示例。

1.一种等离子体约束设备(500)，包括：

第一磁体系统(1)，该第一磁体系统包括第一多个同心布置的圆环线圈(11，12)，该第一多个同心布置的圆环线圈包括：

第一线圈(11)，该第一线圈被布置成沿第一方向传送电流；以及

第二线圈(12)，该第二线圈被布置成沿与所述第一方向相反的第二方向传送电流；以及

第二磁体系统(2)，该第二磁体系统包括第二多个同心布置的圆环线圈(21，22)，该第二磁体系统相对于所述第一磁体系统关于位于所述第一磁体系统(1)与所述第二磁体系统(2)之间的对称平面(P)镜像对称地布置，

利用在所述对称平面(P)处法向于所述对称平面(P)的磁场，在所述对称平面(P)处产生环形等离子体约束区域(206)。

2.如示例1所述的设备(500)，其中，所述第一多个同心布置的线圈(11，12)与所述第二多个同心布置的线圈(21，22)相同地设计。

3.如示例1至2中任一项所述的设备，进一步包括径向地布置在所述等离子体约束区域(206)外部的第三磁体系统(3)，所述第三磁体系统(3)包括至少一个圆环线圈(31，32)。

4.如示例3所述的设备(500)，其中，所述第三磁体系统(3)包括第一线圈(31)和第二线圈(32)，该第一线圈布置在所述对称平面(P)的与所述第一磁体系统(1)相同的一侧，该第二线圈布置在所述对称平面(P)的相反侧，其中，所述第二线圈(32)相对于所述第一线圈(31)镜像对称地布置。

5.如示例1至4中任一项所述的设备(500)，其中，所述第一磁体系统中的所述第一多个同心布置的线圈和所述第二磁体系统中的所述第二多个同心布置的线圈各自嵌入相应的铁磁结构中。

6.如示例5所述的设备(500)，其中，所述铁磁结构在朝向所述对称平面的方向上不覆盖相应的所述多个线圈中的至少一个线圈。

7.如示例5至6中任一项所述的设备(500)，其中，所述铁磁结构包括铁磁钢。

8.一种如示例1至7中任一项所述的设备(500)用于约束等离子体的用途。

9.一种如示例1至7中任一项所述的设备(500)在聚变反应堆中的用途。

10.一种等离子体约束的方法，包括：

在包括第一多个同心布置的圆环线圈(11，12)的第一磁体系统(1)中，第一线圈(11)沿第一方向传送电流，并且第二线圈(12)沿与所述第一方向相反的第二方向传送电流；以及

包括第二多个同心布置的圆环线圈(21，22)的第二磁体系统(2)传送电流，该第二磁体系统相对于所述第一磁体系统(1)关于位于所述第一磁体系统(1)与所述第二磁体系统(2)之间的对称平面(P)镜像对称，

利用法向于所述对称平面(P)的磁场，在所述对称平面(P)处产生环形等离子体约束区域(206)。

11.如示例10所述的方法，进一步包括：

通过调节径向地布置在所述等离子体约束区域(206)外部的第三磁体系统(3)中的电流来控制受约束的等离子体。

12.如示例11所述的方法，其中，所述控制包括改变所述等离子体约束区域的半径。

13.如示例10至12中任一项所述的方法，进一步包括：

通过将离子束插入所述等离子体约束区域(206)径向外部或所述等离子体约束区域(206)径向内部的区域中来加热所述等离子体，并允许来自所述离子束的离子漂移到所述等离子体约束区域(206)。