一、磁镜
磁镜（也称为磁陷阱）是一种用于核聚变的磁约束聚变装置，利用磁场来困住高温等离子体。磁镜是继恒星堆和Z夹持装置后的最早期主要聚变方法之一。
在传统的磁镜中，通过一系列电磁铁构造出一个两端磁力线密度逐渐增加的区域。靠近两端的粒子会体验到逐渐增强的作用力，最终这些作用力会迫使它们改变方向并回到约束区域。这种镜面效应仅在粒子速度和入射角度在一定范围内时才有效，超出这些限制的粒子将会逸出，使得磁镜固有地存在“泄漏”问题。
二、发展历程
早期作品
磁镜等离子体约束的概念是由俄罗斯库尔恰托夫研究所的Gersh Budker 和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Richard F. Post于 20 世纪 50 年代初独立提出的。
1951 年，随着Sherwood计划的启动，波斯特开始开发一种小型装置来测试镜子配置。该装置由一个线性耐热玻璃管组成，管外有磁铁。磁铁分为两组，一组小磁铁均匀分布在管子的长度上，另一组大得多的磁铁分别位于两端。1952 年，他们能够证明，当末端的镜子磁铁打开时，管内的等离子体被限制的时间更长。当时，他将这种装置称为“pyrotron”，但这个名字并没有流行起来。
不稳定性
1954年，Edward Teller在演讲中指出任何具有凸磁场线的装置可能存在“交换不稳定性”，磁镜结构正是如此。这引起了Post的担忧，但他的团队在接下来的一年里未发现此问题。
1959年，俄罗斯Novosibirsk的Budker核物理研究所建造了首个磁镜装置（probkotron），并立即观察到这种不稳定性，而美国团队未发现类似问题。1960年，Post和Marshall Rosenbluth发表报告，提供了等离子体在某些条件下是稳定的证据，尽管理论预测存在不稳定性。1961年在萨尔茨堡举行的等离子体物理会议上，苏联代表团展示了不稳定性的数据，而美国未能提供相关证据。
Lev Artsimovich指出问题在于美国机器中的测量延迟，实际的1毫秒稳定性只是测量延迟。他指出没有任何证据表明在简单磁镜几何结构中，热离子的等离子体可以长时间稳定被约束。
新的几何形状装置
研究人员长期以来一直致力于解决等离子体不稳定性问题，通常通过改变磁场形状形成“最小-B”配置。在1961年的等离子体物理会议上，米哈伊尔·约菲介绍了他的最小-B实验设计，通过在磁镜内部使用六个载流棒将等离子体扭曲成蝴蝶结形状，显著缩短了约束时间。现代称这种设计为“Ioffe bars”。卡勒姆聚变能源中心改进了这种设计，提出“网球接缝状”配置，美国称其为“棒球线圈”。这种布局便于内部使用诊断仪器，但需非常强大的磁铁。Post后来引入了体积更小的“阴阳线圈”作为进一步改进。
美国的聚变计划正在进行重大改革，Robert Hirsch和Stephen O. Dean受到苏联托卡马克装置性能进步的启发，推动将计划转变为目标明确的项目，旨在实现盈亏平衡。他们严格要求现有系统必须展示实质性进展，否则将被取消，这导致bumpy torus、levitron和Astron项目终止。Dean明确表示，磁镜项目必须改进，否则也会被取消。1972年12月，Dean会见磁镜团队，要求其系统展示10^12的nT值，后改为1975年底前达到10^11的目标。
DCLC
尽管2XII未达到Dean的要求，但它证明了阴阳排列的可行性并抑制了早期磁镜中的主要不稳定性。然而，1973年的后续实验未取得更高成果，于是团队决定通过添加中性束注入提高温度，并将改进系统命名为2XIIB。
1974年11月，Fowler收到Ioffe寄来的照片，这表明注入温热等离子体能够改善约束性能，可能与DCLC（漂移回旋损失锥）不稳定性有关。1975年，2XIIB实验中立即发现了DCLC现象，并且随着真空和内部环境的改善，这种现象更加明显。Fowler认识到这种现象与Ioffe照片中的情况相符，并通过注入温热等离子体成功稳定了DCLC，显著改善了实验结果。
Q增强和串联镜
1975年7月，2XIIB团队取得了7×10¹⁰ nT的实验结果，接近Dean的要求。与此同时，托卡马克聚变测试反应堆（TFTR）的设计目标为Q=1，未来希望达到Q>10。尽管2XIIB的新结果表明更大的阴阳设计可能提高性能，但其发电价值有限，无法超过Q=1.2。Hirsch要求解决这一“Q增强”问题。
1976年3月，利弗莫尔团队在国际核聚变会议上组织“Q增强”工作组。同年7月，Fowler和Post提出串联镜概念，即在低磁压大腔室两端使用两个磁镜。返回LLNL后，他们得知物理学家Grant Logan也独立提出了类似的想法。在德国会议上，他们发现苏联研究人员也提出了类似方案。
会议结束后，Dean决定关闭Baseball II系统，将其资金转用于串联镜项目（TMX）。最终设计于1977年1月提交并获得批准，实验装置于1978年10月完工，并在1979年7月成功运行。
MFTF
在串联镜概念出现之前，能源部资助建造了镜面聚变测试设施（MFTF），目标是使用世界上最大的阴阳磁铁达到Q=5。但到1978年底，这一目标被认为无法实现，于是1979年暂停项目。TMX实验中发现电子在磁线上运动速度不一，进一步研究表明这是受热等离子体注入影响。基于这些发现，提出了通过“热障”区域来限制等离子体的新方法。MFTF的设计被修改为MFTF-B，实验室决定开始建造，并同时改造TMX进行测试。
1980年1月28日，Fowler和团队向能源部提交了研究结果，并提议建造造价2.26亿美元的MFTF和升级价值1400万美元的TMX-U。提案获批，两套系统建设随之展开，TMX于1980年9月关闭进行改装。
TMX-U 失败，MFTF 被封存
TMX-U于1982年开始实验，但在提升等离子体密度时发现热障问题影响了性能，导致MFTF可能无法达到其Q目标。尽管如此，MFTF继续建设并于1986年完工，耗资3.72亿美元。然而，能源部宣布不再提供运行资金，该设备闲置一年后于1987年被报废，美国能源部也削减了大多数其他磁镜项目的资金。
1986年以后
磁镜研究在俄罗斯继续进行，一个现代实例是
气体动力阱，这是一个用于 Budker 核物理研究所 的实验聚变装置。在2022年9月，美国的Wisconsin-Madison 大学的研究人员成立了一家名为 Realta Fusion 的衍生初创公司，旨在开发和商业化串联镜反应堆，以较小的电厂提供工业过程热量。他们的目标是实现“最低资本，最简单的路径”以实现聚变能量。2023年5月，美国能源部 向该公司提供了额外资金。
参考链接：
- https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_mirror
- https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field#Magnetic_field_line