專利名稱:壽命長的高效中子發(fā)生器的制作方法
壽命長的高效中子發(fā)生器
相關(guān)申請的交叉引用
本專利申請要求于2008年2月27日遞交的美國臨時專利申請61/031，899、2008 年2月27日遞交的美國臨時專利申請61/031，908、2008年2月27日遞交的美國臨時專利 申請61/031，912、2008年2月27日遞交的美國臨時專利申請61/031，916以及2008年2 月27日遞交的美國臨時專利申請61/031,921的權(quán)益，所有這些臨時專利申請通過引用毫 無排除地全文合并于此，無論在此具體引用還是通過其他方式引用。
背景技術(shù)：
放射性核源目前在工業(yè)中用在各個場合，包括采礦、煤、水泥進(jìn)料以及地下掃描 (例如，土壤組成分析和地雷探測)的現(xiàn)場元素分析。傳統(tǒng)的核源已知為諸如252Cf 或Am-Be 的放射性同位素。放射性同位素總是處于放射性狀態(tài)，需要屏蔽，限制了分析類型(例如， 無脈沖或飛行時間)，并在制造和裝配期間造成人員危險，以及由于所謂的“臟彈”的威脅而 造成安全危險。中子也可以利用傳統(tǒng)的加速技術(shù)得以生成，但這些系統(tǒng)具有大的尺寸和能 量消耗要求。具有緊湊且有效的聚變中子發(fā)生器(FNG)由于在解決與放射性同位素相關(guān)的 問題的同時避免使用復(fù)雜的大型加速器，因而將會直接有益于許多產(chǎn)業(yè)。
新型緊湊加速器中子源的基本布局顯示在圖1中。標(biāo)準(zhǔn)硬件包括高壓發(fā)電機(jī) 1 (約100kV)、金屬氫化物靶材2 (通常為鈦)、一個或多個加速器柵格3、離子源組件4(彭 寧或射頻)以及常使用氫吸氣劑的氣體控制儲存器5。操作如下進(jìn)行純氘(DD系統(tǒng))或 氘氚(DT系統(tǒng))氣體混合物(T高達(dá)10Ci)在大約10毫托的壓力下被引導(dǎo)到該系統(tǒng)；生成 等離子體，以提供從源區(qū)被提取并被加速到約lOOkeV的離子；這些離子轟擊靶2，在此可與 嵌入在靶2中的其他氫同位素進(jìn)行聚變反應(yīng)。DD聚變反應(yīng)生成2. 45MeV中子，而DT反應(yīng)形 成14MeV中子。示例性系統(tǒng)能夠連續(xù)操作或脈沖操作以進(jìn)行飛行時間測量。
有多個重要的非放射性中子發(fā)生器供應(yīng)商，所有這些供應(yīng)商均使用加速器靶構(gòu) 造。標(biāo)價為85-350千美元，其中成本最高的部件為高壓電源、電饋件和中繼饋件。壽命通常 受限于靶材和絕緣體涂層的退化，其中最好的供應(yīng)商報告對于1X106DD n/s和1X108DT n/s的標(biāo)稱輸出水平，壽命約為1000小時；替換靶單元為每個在5-50千美元。目前，沒有 供應(yīng)商具有經(jīng)濟(jì)有效的高輸出(> lE8n/s)的DD系統(tǒng)。
用于工業(yè)上放射性同位素替代的中子發(fā)生器常使用DD聚變反應(yīng)，這是因為 2. 45-MeV DD中子更容易應(yīng)用于使用Cf252的現(xiàn)有應(yīng)用，其具有2. lMeV的平均中子能量。僅 基于聚變截面和反應(yīng)結(jié)合，DT發(fā)生器具有的中子生產(chǎn)率為DD發(fā)生器的中子生產(chǎn)率的約100 倍。然而，與2. 45-MeV中子相比，對14. 1-MeV DT生成中子的屏蔽和減速要求更為嚴(yán)格，這 使得DD對許多市場應(yīng)用而言更有吸引力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方案包括一種用于緊湊、高效、壽命長的聚變中子發(fā)生器(FNG)的高 創(chuàng)新性方式，用于例如以下應(yīng)用中增強(qiáng)的中子射線照相、無損檢測、塊材料掃描，其中使用已知為瞬發(fā)伽馬中子活化分析(PGNAA)的檢測方法、其他NAA方法、以及其他使用中子的分 析方法。諸如252Cf的放射性同位素目前用于學(xué)術(shù)研究和工業(yè)市場中，但由于國土安全問題 而受到越來越多的檢查。多種FNG技術(shù)在市場上可得，但受阻于高成本、大尺寸、低效率和 短壽命，常使其不適于廣泛使用。
如圖2所概示，對設(shè)備的創(chuàng)新總體上源于長壽命和高效的可再生低Z(低原子序 數(shù))靶與允許長壽命的緊湊易用熱管理的RF離子源的組合。這些因素相結(jié)合以增大產(chǎn)量 和減少成本。更高的效率和更好的熱性能允許源尺寸減小，從而允許其用于需要小源的應(yīng) 用，例如小直徑的鉆孔(< 2英寸)。這種緊湊且廉價的源還能夠用于地質(zhì)科學(xué)的實驗室和 學(xué)術(shù)設(shè)定以及其他無損檢測應(yīng)用，例如，現(xiàn)場塊材料分析(例如用于煤和水泥采礦)、土壤 分析、鉆孔測井分析、安全排查系統(tǒng)以及其他。這些創(chuàng)新將使業(yè)界的放射性中子源在多種廣 泛應(yīng)用中被FNG取代，由此提高安全性并拓寬可實現(xiàn)的分析類型。另外，創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn) 以高效和經(jīng)濟(jì)有效的方式使必要部件與FNG子系統(tǒng)相結(jié)合。
諸如彭寧離子源之類的傳統(tǒng)離子源使用活化絲或多個接觸等離子體的電極來形 成電離。這些部件最終磨損，由此導(dǎo)致系統(tǒng)失效并限制壽命。本發(fā)明的各方案包括射頻(RF) 或微波離子源，其不使用電極并具有生成高比例單原子離子的優(yōu)點。RF離子源使用在系統(tǒng) 壁/絕緣體外側(cè)的卷繞或成形的帶、天線，其將電磁能沉積到氣體中，從而導(dǎo)致電離、離解 和等離子體的維持。盡管目前的FNG將其靶偏置到大的負(fù)電壓來形成加速場，但本發(fā)明的 各方案使用RF離子源的另一固有優(yōu)點，并在將RF硬件和靶維持在接地電位或接近于接地 電位的同時升高等離子體的電壓。這是可能的，因為RF通過電磁場而不是與等離子體接觸 的物理電極來耦合其能量。使用接地靶解決了多個設(shè)計問題，例如靶熱控和靶診斷。這具 有另外的益處由于不需要高壓隔離硬件而允許中子源(靶)更靠近被分析的材料，使得對 于相同源輸出在所關(guān)注材料處產(chǎn)生更高的中子通量。RF或微波離子源還允許相對容易的多 源構(gòu)造，其中多個離子束能夠從共同的等離子體區(qū)域引出而產(chǎn)生多點中子源。
除了連續(xù)工作以外，對于脈沖工作還存在多種選擇。一種選擇是對引出電極進(jìn)行 脈沖調(diào)制。這具有的益處是需要相對較低電壓脈沖，但仍需要高壓脈沖整形網(wǎng)絡(luò)。另一選 擇是使用脈沖變壓器直接對高壓功率進(jìn)行脈沖調(diào)制。基于變壓器的脈沖系統(tǒng)的簡單示意圖 顯示于圖7。該示例性方法具有的優(yōu)點是允許使用低電壓脈沖整形網(wǎng)絡(luò)元件和低電壓(較 低成本)DC電源。使用聚束電極能夠進(jìn)一步將系統(tǒng)的脈沖縮短至納秒級。對脈沖技術(shù)的選 擇取決于成本、尺寸和終端用戶需要。所有這些技術(shù)能夠根據(jù)脈沖系統(tǒng)的占空比通過相應(yīng) 的寬范圍的重復(fù)率來實現(xiàn)0. 1-10，000微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。
在此描述的進(jìn)一步的示例性系統(tǒng)能夠與相關(guān)粒子成像(API)技術(shù)集成。


圖1為根據(jù)本發(fā)明方案的示例性新型緊湊加速器中子源的示意圖；
圖2為圖示根據(jù)本發(fā)明方案的示例性系統(tǒng)的不同部件的性能的圖表；
圖3為根據(jù)本發(fā)明方案的示例性中子發(fā)生器的方框圖；
圖4為根據(jù)本發(fā)明方案的示例性中子發(fā)生器；
圖5為根據(jù)本發(fā)明方案的具有射頻離子源的示例性中子發(fā)生器；
圖6為根據(jù)本發(fā)明方案的對ECR離子源改進(jìn)的示例性中子發(fā)生器；以及[0018]圖7為根據(jù)本發(fā)明方案的示例性功率脈沖發(fā)生器的示意圖。
具體實施方式
圖3顯示本發(fā)明通用實施例的“中子管”芯的布局。真空器皿10形成主結(jié)構(gòu)。其 內(nèi)部有三個主電極離子源(陽極)11、中子生成靶(陰極)12、以及電子抑制電極13。離 子源電源14根據(jù)所使用的離子源11的類型形成AC、DC或射頻/微波功率。不易蒸發(fā)的吸 氣劑15用于通過加熱而控制氣體壓力。
在圖4中所示的一個可行實施例中，真空器皿10為由導(dǎo)體和絕緣體的組合物制成 的密封管。如果中子管的一端處于低電壓，則其能夠由導(dǎo)電材料容易地制成，以便于電饋件 的制造和安裝。所用導(dǎo)電體主要包括鋁、不銹鋼、銅和科瓦鐵鎳鈷合金。不銹鋼和鐵被最少 化以減少NAA應(yīng)用中的伽瑪信號。玻璃、石英或氧化鋁(或類似的陶瓷)能夠用于絕緣、高 壓區(qū)域。這種類型的真空器皿10的外徑能夠從0.25英寸到12英寸變動。如圖4中可見， 作為中子管的輔助，診斷壓力計30、例如電離壓力計可連接到真空器皿10。電饋件31、32、 33,34和35允許電壓被施加到離子源37、抑制器13、靶12、診斷熱電偶37和吸氣劑15并 從中讀數(shù)，還控制其他診斷和內(nèi)部系統(tǒng)。為了清空器皿，包括由銅修整管、玻璃管或機(jī)械閥 38制成的泵出端口 16。為了使這些特征在空間約束范圍內(nèi)，可使用真空兼容管件39。泵出 端口 15可被連接到器皿的金屬或絕緣體部分。在系統(tǒng)完全裝配于真空環(huán)境的情況下，可以 不需要泵出端口。真空器皿10的主體包括預(yù)制的玻璃-金屬或陶瓷_金屬的密封件，所述 密封件能夠利用標(biāo)準(zhǔn)金屬加工或玻璃加工技術(shù)被硬焊或熔焊到一起，和/或具有通過真空 法蘭40彼此固定以易于裝配/拆卸、直徑通常從1-1/3英寸到12英寸的兩個部分。在裝 配期間，器皿10被預(yù)加載以合適量的氘和/或氚氣體。對于所關(guān)注問題是多個中子產(chǎn)生反 應(yīng)導(dǎo)致氦累積的輸出和壽命構(gòu)造的系統(tǒng)而言，離子泵型的設(shè)備還能夠被連接到器皿，以在 吸氣劑15被暫時泵離工作氣體之后將氦和其他污染物泵離。
離子源36為系統(tǒng)的陽極11，其產(chǎn)生被加速進(jìn)入到靶12中的多個離子。離子束 43從離子源36被引出，經(jīng)過抑制器13中的開口，最后撞擊在靶12上。引出電流的量應(yīng)從 lOnA/cm2到lkA/cm2變動。位于離子源36前方的是引出面41 (其具有的開口直徑通常在 1mm到離子源36的直徑的80%之間)和電極形體42的組合，用于定制被引出離子束43的 聚焦，從而覆蓋大多數(shù)或全部靶12。根據(jù)等離子體性能，引出面41可包含或可不包含柵格 引出網(wǎng)，該網(wǎng)具有高百分比開口面積和通常在20英寸到150英寸之間的柵格間隔。該系統(tǒng) 可具有或可不具有位于離子源36與抑制電極13之間以有助于引出離子流的引出偏置電極 (未示出)。離子束43被構(gòu)建為使得撞擊在靶12上的能力密度基本一致。這有益于功率 /加熱處理、中子產(chǎn)生效率和靶12的壽命。所使用的離子源36的類型可以是但不限于使 用RF天線44和匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)45的射頻(RF)、使用微波發(fā)生器70以形成微波能量71的 電子回旋共振(ECR)、彭寧(冷陰極)4、場致電離或火花隙。真空中的陽極11的區(qū)域可長 1英寸到12英寸，部分填充或完全填充將其容納的真空器皿10的直徑。
在RF離子源的情況下，離子源36包括真空器皿10內(nèi)(與鋼或氧化鋁容器相比 以，減少濺射、污染和離子-電子再結(jié)合的量)的玻璃容器46 (以相對于石英或氧化鋁而增 大單原子態(tài)粒子分?jǐn)?shù))；RF天線44 (以0.5到10匝按柱形纏繞真空器皿10)；磁體47 (以在 離子源36內(nèi)形成強(qiáng)度為10高斯到10000高斯的強(qiáng)的基本均勻的軸向磁場，從而使等離子體壁相互作用的功率損耗最小)；和RF匹配網(wǎng)絡(luò)45。玻璃容器46可集成到真空器皿10 (例 如，見真空器皿72)。輸入到離子源36的RF功率可從0. Iff到10，000W變動。RF頻率可在 0. 1MHz到1GHz的范圍內(nèi)。匹配網(wǎng)絡(luò)45包含能夠具有固定和/或可調(diào)值、以“L”或“pi”構(gòu) 造而布置的電容器和/或電感器。上述部件可具有出廠的固定值或可在操作期間通過步進(jìn) 馬達(dá)或類似系統(tǒng)而可調(diào)節(jié)。為了進(jìn)一步微調(diào)被裝配系統(tǒng)中的匹配狀況，RF發(fā)生器14的工 作頻率能夠以足夠小的增量進(jìn)行調(diào)節(jié)。上述部件被選擇、布置、調(diào)整、并以類似于圖4所示 的相對布置而固定就位，以激勵一個或多個模式，從而形成且最大化等離子體密度和可引 出電流的量、使離子束43中的單原子態(tài)粒子分?jǐn)?shù)最大、并優(yōu)化RF功率的使用。使用ECR離 子源(見圖6)能夠甚至更為有效地實現(xiàn)這些目標(biāo)。典型的頻率值可從200MHz到20GHz變 動。微波能量可通過外部施加器被施加到離子源，外部施加器包括但不限于波導(dǎo)、介質(zhì)窗、 或天線發(fā)射結(jié)構(gòu)。構(gòu)建磁場以形成電子回旋共振區(qū)。離子源11能夠被升高到正電壓，或在 接地電位時工作。選擇構(gòu)造以適應(yīng)脈沖調(diào)制、功率電平、尺寸和壽命的要求。對于圖4中的 實施例，靶12接近于接地電位，而離子源36被升高到高的正DC電壓。
電子抑制電極13與離子源引出光學(xué)器件41、42 —起工作以構(gòu)建離子束43。電子 抑制電極13應(yīng)以從0V到10，000V的量相對于靶(陰極)電極12被偏置為負(fù)。電子抑制 電極13能夠通過分離的電源21被偏置，或利用連接到靶12的電阻器或穩(wěn)壓二極管系統(tǒng)被 偏置。電子抑制電極13的尺寸和形狀使得高壓梯度的場致發(fā)射得以避免。抑制器13的外 徑應(yīng)基本填充真空器皿10的內(nèi)徑，中心處的開口應(yīng)足夠大以允許離子束43不受阻礙地穿 過，同時不能過大以致于在抑制器13與靶12之間需要相當(dāng)大電壓差來有效抑制由于撞擊 離子所致的從靶發(fā)出的二次電子。一個或多個電極被布置為構(gòu)建電位，以使來自離子源的 離子的相當(dāng)大的部分與靶碰撞，從而減少對于陽極電極的電子損耗。
固態(tài)靶(陰極)電極12由經(jīng)由冷卻劑連接部33 (在被施加偏置電壓時還用作電 饋件)的冷卻金屬基體構(gòu)成，通常為不銹鋼、鎳、銅或鉬，其涂覆有吸氫材料層，例如鋰、鈦、 或用以實現(xiàn)有用的中子產(chǎn)生反應(yīng)的其他材料。低原子序數(shù)的材料通常是優(yōu)選的，用于增大 效率。靶材可具有以下性能中的至少一種靶材的平均或有效原子序數(shù)在1到21之間；靶 材能夠原位再生；靶材能夠原位沉積；靶材有能力引起產(chǎn)生截面大于1微靶的二次中子產(chǎn) 生反應(yīng)。上述靶可包括氫同位素、鋰、鋰同位素、包括LiD、LiAlD4*LiBD4在內(nèi)的鋰化合物、 鋰合金、和它們的任意混合物或組合物。靶12能夠被保持處于接地電位或通過外部電源17 被偏置為負(fù)。而且，在抑制器與靶之間的偏置電壓能夠通過將抑制器連接到負(fù)電壓、或?qū)⑵?接地、以及利用穩(wěn)壓二極管、電阻器或其他電壓調(diào)整器件將靶連接到抑制器而得以保持。靶 12的尺寸能夠被選擇為適合于所需的應(yīng)用、功率負(fù)荷和壽命?；酒教沟膱A形形狀為優(yōu)選， 但也可使用諸如傾斜、錐形或柱形之類的其他形狀控制濺射材料的量和位置(在源和目的 地的量和位置)和提供獨特的中子源發(fā)射區(qū)域/容積。設(shè)備的這種類型的圓形靶12的直 徑可從0. 1英寸到12英寸變動。在離子源任一側(cè)上具有兩個或更多靶的中子管10能夠使 得兩個或更多中子源位于一個設(shè)備內(nèi)。在真空器皿10、72內(nèi)有意使用濺射和蒸發(fā)對系統(tǒng)的 壽命和效率具有許多益處。連接的熱電偶37或其他溫度測量裝置能夠在工作期間用于診 斷。靶12的冷卻系統(tǒng)18能夠與真空器皿10、72電隔離，以測量落在靶12上的離子束43 的電流和用于其他診斷目的。通過嵌在靶中的通道33實現(xiàn)的主動液體冷卻可用于高功率 應(yīng)用，其中利用環(huán)境或主動冷卻流體。還可以使用散熱器，將熱排放到環(huán)境中。靶的位置可在離子束43的路徑中的超過抑制電極13的任何地方，即，接近系統(tǒng)的最末端，從而增大所 測試相鄰材料的中子通量。靶12的表面材料能夠原位3沉積和/或再生。靶12的壽命能 夠通過使用再生得以延長。靶12的材料還能夠被仔細(xì)選擇以規(guī)定中子輸出能譜，而同時仍 使用氘和/或氚作為工作燃料。這包括在不使用放射性氚氣體的情況下使系統(tǒng)成為快中子 源(> 2. 5MeV)。
氣體儲存器15能夠是簡單的鈦絲或是不易蒸發(fā)的吸氣劑泵，用于增強(qiáng)真空器皿 10,72的真空質(zhì)量。氣體儲存器15能夠位于低壓區(qū)域，例如，在靶12后方、靶12側(cè)方、或 在離子源區(qū)域36后方或離子源區(qū)域36中。外部電源19使交流電流或直流電流經(jīng)由電饋 件35通過該設(shè)備，以加熱氣體儲存器15并控制其溫度，由此控制真空器皿10、72中的工作 氣體的壓力。氣體儲存器15被加載以適量的氘或氚氣體，以實現(xiàn)10_5托到10_2托的工作壓 力，同時保持足夠的氣體儲存量以隨著時間補(bǔ)償污染物和放射性衰變的影響。24
高壓電源17、20用于通過從10kV到大于500kV的聚變相關(guān)電壓而將離子源(陽 極)11、36與靶(陰極)12分離。這可通過連接到陽極11、36的正電壓源20、連接到陰極 12的負(fù)電壓源17、或正電壓源20和負(fù)電壓源17來實現(xiàn)。高電壓可通過各種方式生成，例 如通過傳統(tǒng)的Cockcrof-Walton倍壓器73、壓電晶體變壓器或通過熱電晶體技術(shù)生成。高 電源的生成能夠在鄰近中子管10的生成器系統(tǒng)中完成，或者，高電壓能夠經(jīng)由連接電纜48 被傳遞到中子管。為了有助于穩(wěn)定該系統(tǒng)和減少意外的高電壓電弧、過電流的影響或其他 問題，可使用鎮(zhèn)流電阻49，其數(shù)值能夠從10kQ到10MQ變動。
外封閉體50容納中子管10和相關(guān)的饋件、電子器件和電源。外封閉體50由諸如 鋁或不銹鋼之類的結(jié)構(gòu)導(dǎo)電材料構(gòu)成，以在整個系統(tǒng)周圍提供安全接地屏蔽并防止RF噪 聲影響其他設(shè)備。為了高壓隔離和冷卻，接地的封閉體50被填充以絕緣流體51，例如礦物 油、變壓器油、SF6氣體或例如Fluoinert之類的全氟化的絕緣流體，絕緣流體51通過密封 件52圍繞中子管10密封。
在示例性系統(tǒng)中可包括控制臺，其包含在用于保護(hù)設(shè)備的封閉體或支架中大多數(shù) 或所有的所需支撐設(shè)備，并使用戶可訪問以設(shè)定和監(jiān)控工作參數(shù)。系統(tǒng)控制器應(yīng)裝容于此， 其可包括個人電腦、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、或其他定制或標(biāo)準(zhǔn)電路。模擬的和數(shù)字的輸 入和輸出允許控制系統(tǒng)與設(shè)備的其他零件通訊，所述其它零件即離子源電源(RF或微波 放大器)14、如圖3所示的其他電源、氣體儲存器15、和任何可用的冷卻系統(tǒng)18。本發(fā)明的 各方案可包括多個診斷傳感器，且診斷傳感器選自包括以下裝置的組中粒子探測器、電流 探測器、電壓探測器、電阻監(jiān)控器、壓力計、熱電偶和濺射計。另外，對于接地靶，對于給定的 中子管直徑，電極區(qū)域可以被最大化以提高耐久性和管的壽命?？刂婆_經(jīng)由成束的同軸電 纜、引線和管件被連接到中子管10。
在圖5中詳細(xì)示出優(yōu)選實施例。真空殼是小直徑絕緣管72，其使用具有磁材料47 的RF動力離子源36。通過電源20 (圖示為定制結(jié)構(gòu)和尺寸的Cockcroft-Walton倍壓器 73，其鄰近中子管10定位，從而不需要高電壓連接電纜48，并通過嵌入真空器皿72中的饋 件74饋送到真空器皿72中以偏置束形電極(41、42))被提升到高電壓，并且扁平圓形的靶 12處于接地電位。抑制器13經(jīng)由嵌入真空器皿72中的饋件75而被偏置。高級吸氣劑材 料15被加載以D和/或T，并使用閉環(huán)控制系統(tǒng)19維持真空器皿72中的穩(wěn)定氣體壓力。 靶12包括薄鋰層以使效率2最大化并定制中子能譜5，位于由諸如鎳或鉬之類的材料制成的冷卻基體上，并能夠通過來自離子束43的熱量且通過無需中子管72打開的原位蒸發(fā)過 程3而再生4。靶12位于系統(tǒng)的極端附近，從而使所測試物體上的中子通量最大。對于必 需靶熱管理的苛刻應(yīng)用，例如鉆孔油井測量，接地靶12能夠直接散熱到外封閉體50，從而 將由于離子束與靶互相作用而產(chǎn)生的熱量有效地傳到周圍環(huán)境。外封閉體50由鋁制成，以 使NAA信號最小化；類似地，碳鋼和不銹鋼的使用通常被最小化。外封閉體50以全氟化的 絕緣和冷卻流體填充和密封，以避免中子減速和氫吸收。28
圖6顯示使用ECR型離子源36而改進(jìn)的優(yōu)選實施例，ECR型離子源36利用微波 發(fā)生器70來形成微波能量71、激發(fā)氣體分子來形成電離。輔助于中子管(10、72)的各部件 的基本布局能夠針對該設(shè)備而容易地調(diào)節(jié)，以在給定應(yīng)用的尺寸和形狀約束范圍內(nèi)進(jìn)行匹 配。
本發(fā)明的各方案包括具有RF離子源的中子發(fā)生器。為了在這樣的中子發(fā)生器中 實現(xiàn)較高原子分?jǐn)?shù)(例如>50%)，經(jīng)常使用感應(yīng)耦合等離子體放電。傳統(tǒng)上，由于等離子 體中的氫離子的高移動性，對于氫放電而言這需要千瓦級的功率。結(jié)果，強(qiáng)加熱和熱學(xué)冷卻 的問題使在工程上緊湊的設(shè)備難以實現(xiàn)且昂貴。例如，現(xiàn)有技術(shù)使用具有專用冷卻結(jié)構(gòu)的 藍(lán)寶石窗來管理多千瓦級和鉬表面以維持高的熱負(fù)荷。
本發(fā)明的各方案包括一種方法，其中，設(shè)計等離子體源空腔來促進(jìn)氫氣分子通過 等離子體相互作用而離解，同時為了后續(xù)的電離保持等離子體區(qū)域內(nèi)的高程度的原子氫俘 獲或約束。這可通過使用暴露于等離子體的低再結(jié)合率的表面材料以及等離子體源區(qū)域的 高幾何俘獲設(shè)計而實現(xiàn)。另外，表面可通過各種技術(shù)(包括但不限于化學(xué)蝕刻、材料沉積、 烘焙、涂覆和等離子體處理等技術(shù))進(jìn)行處理，以減少其表面復(fù)合性能。
在一實施例中，等離子體源區(qū)域被精制而具有低再結(jié)合材料表面和出口孔，使得 離解的氫原子將在等離子體源容積內(nèi)以高程度的約束而彈跳，直到在出口孔附近發(fā)生電離 以進(jìn)行離子束引出。優(yōu)化該中性原子俘獲可通過構(gòu)建離子源而實現(xiàn)。
使用磁鏡構(gòu)造，RF能量能夠利用磁鏡效應(yīng)被有效地傳遞到出口孔附近的等離子 體。RF等離子體的泵送能夠?qū)㈦娮域?qū)動到高磁場位置并將軸向能量轉(zhuǎn)換成徑向能量。盡管 低的軸向速度增大了高B場區(qū)域中的局部密度，不過具有高徑向能量的電子使氫快速電離 和離解并產(chǎn)生高質(zhì)量的離子束。RF天線位于較低磁場的區(qū)域中，使得電子通過RF或電磁場 被加速到更高B的區(qū)域中。所采用的RF頻率能夠被調(diào)節(jié)，以針對在RF天線區(qū)域與高場區(qū) 域之間的電子彈跳頻率使高場區(qū)域中的等離子體功率沉積最大化。離子源出口孔位于該區(qū) 域附近，以獲得高電流。與低再結(jié)合材料和幾何俘獲相結(jié)合，高原子氫離子分?jǐn)?shù)和射束電流 能夠通過低輸入功率水平而獲得。對于1英寸直徑的管，在良好的原子-分子分?jǐn)?shù)下，對于 小于5W的功率水平已獲得超過1mA的電流。
磁鏡、B場形狀、等離子體源容積以及離子束引出孔的設(shè)計可針對不同的中子發(fā)生 器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，例如，對于油井測量應(yīng)用的小直徑、對于中子射線照相或貨物檢查應(yīng)用的 大電流，等等。調(diào)節(jié)源的輪廓影響投射到靶上的射束輪廓。這對加熱目的較為重要，并且需 要具有均勻的靶負(fù)載。在一個實施例中，調(diào)節(jié)磁鏡，使得離子源出口孔的磁場接近于RF源 區(qū)域中的磁場，從而在靶位置處產(chǎn)生高度均勻的射束。
本發(fā)明的另一實施例可包括一個離子源，該離子源生成的離子被加速且與位于不 同靶位置的一個或多個靶材碰撞。進(jìn)一步的實施例可包括負(fù)離子源。[0037]現(xiàn)有技術(shù)水平的使用螺旋波RF等離子體的高效離子源，對于每瓦特RF功率6. 5 微安的效率而利用1. 24kff的RF功率產(chǎn)生8. 1mA的離子流。本發(fā)明的方案產(chǎn)生每瓦特RF 功率至少10微安的離子流。通過增強(qiáng)離子源中的中性原子態(tài)粒子俘獲，還能獲得每瓦特RF 功率10微安的原子離子流。
在此引用的所有參考文獻(xiàn)，包括出版物、專利申請和專利，均通過引用合并于此， 如同每一參考文獻(xiàn)被單獨且具體指明通過引用被合并于此和全文陳述于此。
在描述本發(fā)明的各處表述中(特別是在以下權(quán)利要求
書的各處表述中)使用的術(shù) 語“一”、“一個”、“所述”以及類似指代，被視為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非在此另有說明或與上 下文明顯矛盾。術(shù)語“包含”、“具有”、“包括”和“含有”應(yīng)被視為開放式術(shù)語(即，意思是 “包括”但“不限于”)，除非另有注明。在此列舉數(shù)值范圍僅意在用作分別指代落在該范圍內(nèi) 的每一獨立值的簡述方法，除非在此另有說明，并且每一獨立值被包括在申請文件中，如同 其在此被單獨引用。在此描述的所有方法能夠按照任何合適的順序執(zhí)行，除非在此另有說 明或與上下文明顯矛盾。使用在此提供的任意和所有示例或示例性語言(例如，“諸如”)， 僅意在更好地闡釋本發(fā)明，而并非限制本發(fā)明的范圍，除非另有要求。申請文件中的語言應(yīng) 被視為并未指示將任何未以權(quán)利要求
限定的因素作為實施本發(fā)明的必要因素。
在此描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人已知的對實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施模 式。通過閱讀以上描述，這些優(yōu)選實施例的各變例對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言可變得明顯。發(fā) 明人期望熟練的技術(shù)人員適當(dāng)?shù)夭捎眠@些變例，并且，發(fā)明人希望本發(fā)明能夠以不同于在 此具體所述的其他方式進(jìn)行實施。因此，本發(fā)明包括適用法律所允許的、在此所附權(quán)利要求
書中陳述主題的所有改進(jìn)和等同設(shè)置。而且，上述各因素按照其所有可能變例的任意組合 也包括在本發(fā)明內(nèi)，除非在此另有說明或與上下文明顯矛盾。
權(quán)利要求
一種用于生成中子的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中子管，離子在其中被產(chǎn)生、加速、和致使與位于至少一個靶位置處的至少一個靶材碰撞；真空器皿，其被容納在所述中子管內(nèi)，用于接收氫同位素氣體；氣體儲存器，其連接到所述真空器皿，其中所述氣體儲存器容納所述氫同位素氣體；氣體儲存器控制器，用于控制被釋放到所述真空器皿中的所述氫同位素氣體的壓力；離子源，其位于所述中子管內(nèi)，所述離子源具有一個或多個表面，以減少由所述離子源生成的原子態(tài)粒子發(fā)生表面復(fù)合；所述離子源進(jìn)一步具有一定幾何形狀，以通過提供縮窄孔以限制來自所述離子源的中性原子態(tài)粒子的流動而增大中性原子態(tài)粒子俘獲，所述離子源被配置為構(gòu)建一磁場，以促進(jìn)等離子體約束、對等離子體的能量傳遞、和在一個或多個離子束引出位置附近的等離子體密度增大，從而增強(qiáng)電流和射束質(zhì)量；至少一個陽極電極，其中所述陽極電極相對于位于所述至少一個靶位置處的所述至少一個靶材被偏置到正電壓；控制臺，用于控制所述系統(tǒng)，其中所述至少一個靶材具有從包括以下特性的組中選出的一種或多種特性平均或有效原子序數(shù)在1到21之間；具有原位再生的能力；具有原位沉積的能力；有能力引起截面大于1微靶的二次中子產(chǎn)生反應(yīng)，并且其中被加速的離子與在所述真空器皿中和存儲在所述靶材內(nèi)的氫同位素氣體相互作用；至少一個抑制電極，其相對于位于所述至少一個靶位置處的所述至少一個靶材被偏置到負(fù)電壓，以減少朝向陽極電極的電子流動；以及一個或多個靶電極，其包括靶基體，所述靶基體通過將離子束熱負(fù)載傳送而遠(yuǎn)離所述靶材來冷卻所述靶材。
2.一種用于生成中子的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中子管，離子在其中被產(chǎn)生、加速、和致使與位于至少一個靶位置處的至少一個靶材碰撞；真空器皿，其被容納在所述中子管內(nèi)，用于接收氫同位素氣體； 氣體儲存器，其連接到所述真空器皿，其中所述氣體儲存器容納所述氫同位素氣體； 氣體儲存器控制器，用于控制被釋放到所述真空器皿中的所述氫同位素氣體的壓力； 離子源，其位于所述中子管內(nèi)，并具有一定幾何形狀以增大中性原子態(tài)粒子俘獲； 至少一個陽極電極，其中所述陽極電極相對于位于所述至少一個靶位置處的所述至少 一個靶材被偏置到正電壓；以及 用于控制所述系統(tǒng)的控制臺；其中被加速的離子與在所述真空器皿中和存儲在所述靶材內(nèi)的氫同位素氣體相互作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，至少一個表面被處理以減少氫同位素氣體的再纟口口。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括充氣端口和密封裝置，二者均被連接到所 述氣體儲存器，其中，所述真空器皿被氣密性密封，并且所述氣體儲存器保持所述真空器皿 中的真空。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個診斷傳感器，所述診斷傳感器選自包2括以下裝置的組中粒子探測器、電流探測器、電壓探測器、電阻監(jiān)控器、壓力計、熱電偶、和 濺射計。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個電極，其包括陽極電極、引出電極、抑制電極和靶電極中的至少兩種； 其中，一個或多個陽極電極相對于位于每個靶位置處的所述至少一個靶材被偏置到正 電壓，從而使離子朝向位于所述靶位置處的所述靶材加速；其中，一個或多個引出電極用于構(gòu)建和改進(jìn)離子束加速特性； 其中，通過使所述一個或多個抑制電極相對于位于所述靶位置處的所述靶材被偏置到 負(fù)電壓，所述一個或多個抑制電極減少朝向所述陽極電極流動的電子，其中，一個或多個靶 電極包括靶基體，所述靶基體通過將離子束熱負(fù)載傳輸而遠(yuǎn)離所述靶材來冷卻所述靶材。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的系統(tǒng)，其中，施加到所述一個或多個抑制電極的所述負(fù)電壓 在-0V到-10，000V的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源為射頻離子源，該射頻離子源包括 空腔，在其中生成等離子體，所述空腔通過至少一個引出口連接到所述陽極電極； 磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其包括磁體或電磁體中的至少一種，其中所述磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場，該磁場促進(jìn)電離和離解碰撞并減少等離子體壁損耗；以及其中，所述離子源的激發(fā)頻率從0. 1MHz到1GHz，并且磁場感應(yīng)從10高斯到10，000高斯。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建一磁場，以促 進(jìn)等離子體約束、對等離子體的能量傳遞、和在一個或多個離子束引出位置附近的等離子 體密度增大。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置射頻天線和磁鏡的尺寸并將二者分 開，從而與電子鏡像彈跳頻率共振將能量有效地傳遞到所述等離子體。
11.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源進(jìn)一步包括天線結(jié)構(gòu)和阻抗匹配網(wǎng) 絡(luò)，用于在所述天線結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電流和電壓波形，從而激勵一個或多個模式以形成、加熱和 維持等離子體。
12.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源為微波離子源，該微波離子源包括 空腔，在其中生成等離子體，所述空腔通過至少一個引出口連接到所述陽極電極； 磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其包括磁體或電磁體中的至少一種，其中所述磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場，該磁場促進(jìn)電離和離解碰撞并減少等離子體壁損耗；以及其中，所述離子源的激發(fā)頻率從200MHz到20GHz，并且磁場感應(yīng)從10高斯到10，000高斯。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于從外部源注入微波能量的波導(dǎo)或微 波施加器。
14.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建一磁場，以 促進(jìn)等離子體約束、形成用于電子回旋共振的區(qū)域、促進(jìn)對所述等離子體的能量傳遞、和在 一個或多個離子束引出位置附近增大等離子體密度。
15.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中所述靶材包括從包括以下材料的組中選出的一 種或多個材料氫同位素、鋰、鋰同位素、包括LiD、L1A1D4和LiBD4在內(nèi)的鋰化合物、鋰合金、和它們的任意混合物或組合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中所述靶材利用原位沉積工藝沉積。
17.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中所述靶材利用原位再生工藝再生。
18.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，供應(yīng)到所述離子源或者一個或多個電極的功率 進(jìn)行脈沖調(diào)制，以按照可選擇的脈沖間隔和時序產(chǎn)生中子群。
19.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源和陽極電極在正電壓下工作，使得 所述靶電極能夠接地并緊鄰中子管儀器的邊緣定位，從而在應(yīng)用中使該邊緣處的中子通量 最大化。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的系統(tǒng)，其中，所述靶電極為了足夠的冷卻能力而直接散熱 到熱管理系統(tǒng)或中子管邊界中的至少一個。
21.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的系統(tǒng)，其中，對于給定的真空封閉體，所述靶電極的區(qū)域被 最大化，以改進(jìn)耐久性和管的壽命。
22.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述氫同位素種類選自包括氘和氚離子和中性 粒子的組。
23.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個電極被設(shè)置以構(gòu)建一電位，以 使來自所述離子源的大部分離子與所述靶碰撞，從而減少對于陽極電極的電子損耗。
24.一種用于生成中子的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中子管，離子在其中被產(chǎn)生、加速、和致使與位于至少一個靶位置處的至少一個靶材碰撞；真空器皿，其被容納在所述中子管內(nèi)，用于接收氫同位素氣體； 氣體儲存器，其連接到所述真空器皿，其中所述氣體儲存器容納所述氫同位素氣體； 氣體儲存器控制器，用于控制被釋放到所述真空器皿中的所述氫同位素氣體的壓力； 離子源，其位于所述中子管內(nèi)；至少一個陽極電極，其中所述陽極電極相對于位于所述至少一個靶位置處的所述至少 一個靶材被偏置到正電壓；以及 用于控制所述系統(tǒng)的控制臺；其中被加速的離子與在所述真空器皿中和存儲在所述靶材內(nèi)的氫同位素氣體相互作 用靶材；并且靶材所述至少一個靶材具有從包括以下特性的組中選出的一種或多種特性平均或有 效原子序數(shù)在1到21之間；具有原位再生的能力；具有原位沉積的能力；有能力引起截面 大于1微靶的二次中子產(chǎn)生反應(yīng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中至少一個表面被處理以減少氫同位素氣體的再結(jié)合。
26.根據(jù)權(quán)利要求
245所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括充氣端口和密封裝置，二者均被連接到 所述氣體儲存器，其中，所述真空器皿被氣密性密封，并且所述氣體儲存器保持所述真空器 皿中的真空。
27.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個診斷傳感器，所述診斷傳感器選自 包括以下裝置的組中粒子探測器、電流探測器、電壓探測器、電阻監(jiān)控器、壓力計、熱電偶、 和濺射計。
28.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個電極，其包括陽極電極、引出電極、抑制電極和靶電極中的至少兩種； 其中，一個或多個陽極電極相對于位于每個靶位置處的所述至少一個靶材被偏置到正 電壓，從而使離子朝向位于所述靶位置處的所述靶材加速；其中，一個或多個引出電極用于構(gòu)建和改進(jìn)離子束加速特性； 其中，通過使所述一個或多個抑制電極相對于位于所述靶位置處的所述靶材而偏置到 負(fù)電壓，所述一個或多個抑制電極減少朝向所述陽極電極流動的電子，其中，一個或多個靶 電極包括靶基體，所述靶基體通過將離子束熱負(fù)載傳輸而遠(yuǎn)離所述靶材來冷卻所述靶材。
29.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，施加到所述一個或多個抑制電極的所述負(fù)電 壓在-0V到-10，000V的范圍內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源為射頻離子源，該射頻離子源包括空腔，在其中生成等離子體，所述空腔通過至少一個引出口連接到所述陽極電極； 磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其包括磁體或電磁體中的至少一種，其中所述磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場， 該磁場促進(jìn)電離和離解碰撞并減少等離子體壁損耗；以及其中，所述離子源的激發(fā)頻率從0. 1MHz到1GHz，并且磁場感應(yīng)從10高斯到10，000高斯。
31.根據(jù)權(quán)利要求
30所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建一磁場，以 促進(jìn)等離子體約束、對等離子體的能量傳遞、和在一個或多個離子束引出位置附近的等離 子體密度增大。
32.根據(jù)權(quán)利要求
30所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置射頻天線和磁鏡的尺寸并將二者分 開，從而與電子鏡像彈跳頻率共振將能量有效地傳遞到所述等離子體。
33.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源進(jìn)一步包括天線結(jié)構(gòu)和阻抗匹配 網(wǎng)絡(luò)，用于在所述天線結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電流和電壓波形，從而激勵一個或多個模式以形成、加熱 和維持等離子體。
34.根據(jù)權(quán)利要求
33所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源為微波離子源，該微波離子源包括空腔，在其中生成等離子體，所述空腔通過至少一個引出口連接到所述陽極電極； 磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其包括磁體或電磁體中的至少一種，其中所述磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場， 該磁場促進(jìn)電離和離解碰撞并減少等離子體壁損耗；以及其中，所述離子源的激發(fā)頻率從200MHz到20GHz，并且磁場感應(yīng)從10高斯到10，000高斯。
35.根據(jù)權(quán)利要求
33所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于從外部源注入微波能量的波導(dǎo)或微 波施加器。
36.根據(jù)權(quán)利要求
33所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建一磁場，以 促進(jìn)等離子體約束、形成用于電子回旋共振的區(qū)域、促進(jìn)對所述等離子體的能量傳遞、和在 一個或多個離子束引出位置附近增大等離子體密度。
37.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中所述靶材包括從包括以下材料的組中選出的一 種或多個材料氫同位素、鋰、鋰同位素、包括LiD、L1A1D4和LiBD4在內(nèi)的鋰化合物、鋰合金、和它們的任意混合物或組合物。
38.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中所述靶材利用原位沉積工藝沉積。
39.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中所述靶材利用原位再生工藝再生。
40.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，供應(yīng)到所述離子源或者一個或多個電極的功 率進(jìn)行脈沖調(diào)制，以按照可選擇的脈沖間隔和時序產(chǎn)生中子群。
41.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，所述離子源和陽極電極在正電壓下工作，使得 所述靶電極能夠接地并緊鄰中子管儀器的邊緣定位，從而在應(yīng)用中使該邊緣處的中子通量 最大化。
42.根據(jù)權(quán)利要求
41所述的系統(tǒng)，其中，所述靶電極為了足夠的冷卻能力而直接散熱 到熱管理系統(tǒng)或中子管邊界中的至少一個。
43.根據(jù)權(quán)利要求
41所述的系統(tǒng)，其中，對于給定的真空封閉體，所述靶電極的區(qū)域被 最大化，以改進(jìn)耐久性和管的壽命。
44.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，所述氫同位素種類選自包括氘和氚離子和中 性粒子的組。
45.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個電極被設(shè)置以構(gòu)建一電位，以 使來自所述離子源的大部分離子與所述靶碰撞，從而減少對于陽極電極的電子損耗。
46.一種用于優(yōu)化在中子發(fā)生器中產(chǎn)生離子的離子源的方法，該方法包括處理所述離子源的一個或多個表面，以減少由所述離子源產(chǎn)生的原子態(tài)粒子的表面復(fù)1=1 o構(gòu)建所述離子源的幾何形狀，以通過提供縮窄孔以限制來自所述離子源的中性原子態(tài) 粒子的流動而增大中性原子態(tài)粒子俘獲；以及為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建磁場，以促進(jìn)等離子體約束、對等離子體的能量傳遞、和在 一個或多個離子束引出位置附近的等離子體密度增大。
47.根據(jù)權(quán)利要求
46所述的方法，進(jìn)一步包括設(shè)置射頻天線和磁鏡的尺寸并將二者分 開，從而與電子鏡像彈跳頻率共振將能量有效地傳遞到所述等離子體。
48.根據(jù)權(quán)利要求
47所述的方法，進(jìn)一步包括為了電流和射束質(zhì)量而構(gòu)建一磁場，以 促進(jìn)等離子體約束、形成用于電子回旋共振的區(qū)域、促進(jìn)對所述等離子體的能量傳遞、和在 一個或多個離子束引出位置附近增大等離子體密度。
49.根據(jù)權(quán)利要求
46所述的方法，進(jìn)一步包括在0.Iff到10kW的RF功率范圍內(nèi)產(chǎn)生足 以提供每瓦特RF功率至少10微安離子流的離子源等離子體。
50.根據(jù)權(quán)利要求
46所述的方法，進(jìn)一步包括在0.Iff到10kW的RF功率范圍內(nèi)產(chǎn)生足 以提供每瓦特RF功率至少10微安原子離子流的離子源等離子體。
51.一種用于在中子發(fā)生器中產(chǎn)生中子的方法，該方法包括加熱一氣體儲存器，以允許氣體進(jìn)入到真空器皿中；對離子源施加能量，以產(chǎn)生和維持含有離子的等離子體；對一個或多個電極施加電壓，以產(chǎn)生電位而使所述離子中的至少一些加速到靶材中；通過構(gòu)建所述電位以使大部分離子與所述靶碰撞并使向上游的電子流動最小化，減少 對于陽極電極的電子損耗；將離子注入到所述靶材中，由此將易熔的靶裝載到所述靶材中；以及通過調(diào)節(jié)所述系統(tǒng)中的所述離子源和電極的電流和電壓，產(chǎn)生中子； 其中，被加速的離子與在所述真空器皿中和存儲在所述靶材內(nèi)的氫同位素氣體相互作用。
52. 一種根據(jù)權(quán)利要求
51所述的方法，其中，所述靶材具有下列特性中的至少一種所 述靶材的平均或有效原子序數(shù)在1到21之間；所述靶材能夠原位再生；所述靶材能夠原位 沉積；所述靶材有能力引起截面大于1微靶的二次中子產(chǎn)生反應(yīng)。
專利摘要
論述了一種緊湊、高效、高通量能力的緊湊加速器聚變中子發(fā)生器(FNG)。FNG能夠用在各種工業(yè)分析應(yīng)用中來替代對終端用戶和國家安全具有更高風(fēng)險的放射性同位素的使用。通過創(chuàng)新的靶材和離子源技術(shù)，實現(xiàn)高效、長壽命和高功率處理能力。該設(shè)備能夠針對中子射線照相應(yīng)用按比例擴(kuò)大或針對鉆孔分析或其他緊湊應(yīng)用按比例縮小。能夠兼容諸如定制中子輸出能譜、脈沖調(diào)制和相關(guān)粒子成像之類的先進(jìn)技術(shù)。
文檔編號G21B1/00GKCN101978429SQ200980110297
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月27日
發(fā)明者布瑞恩·艾迪沃德·尤爾奇克, 德瑞恩·艾德曼·阿爾曼, 瑪特魯·戴維德·考文垂, 羅博特·安德魯·斯特博, 邁克爾·杰羅姆·思科斯 申請人:星火工業(yè)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan