离子源和中子发生器

摘要

一种核反应发生器包含腔室，所述腔室被配置成含有气体并且包含靶材。所述核反应发生器还包含设置在所述腔室内的灯丝和被配置成相对于所述腔室向所述灯丝施加第一正电压的电压源。所述第一正电压被配置成将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度，并且所述多个热离子被配置成使所述气体电离以在所述腔室中生成正离子。所述靶材被配置成使得当所述正离子与所述靶材相互作用时发生核反应。

说明书

本申请要求于2019年4月19日提交的美国临时专利申请第62/836,481号的优先权权益，所述临时专利申请的内容整体并入本文。

技术领域

本技术总体上涉及一种共享同一物理空间的离子源和加速器以及用于生成离子和利用所述离子源加速这些离子的方法。在一些方面，来自所述离子源的离子可以被加速进入靶材以产生导致中子产生的核反应。因此，本技术还可以涉及用于利用所述离子源生成核反应的系统和方法。

背景技术

本章节旨在为权利要求书中所述的本发明提供背景或上下文。本文中的描述可以包含可以实行的概念，但不一定是先前已经构想或实行的概念。因此，除非本文另外指示，否则本章节中描述的材料不是本申请中的描述和权利要求书的现有技术，并且并不因为包含在此章节中就被认可为现有技术。

离子源通常包含发生电离的腔室、设置在腔室中的气体和电离能量源。常规的高电流离子生成方法通常仅限于通过使用RF激发、电弧放电或灯丝辅助放电来生成等离子体，这些方法需要复杂的电子、磁性和高真空布置，这难以操作和维护。这些生成等离子体的方法通常需要腔室中相对较高的气压，如果由源生成的离子需要在生成它们的同一空间体积内加速，则这可能是有问题的。

由离子源生成的离子可用于多种应用，包含但不限于用于质谱分析、医疗设备和诊断以及半导体制造的粒子加速器。由离子源生成的离子可以朝着靶材加速并用于产生核反应，包含产生中子的核反应。常规的中子源采用分立的设备进行电离物质的电离、加速和靶材聚变。这些中子源可以包含各种离子生成方法的应用，以及特定于粒子加速器的功能，如离子提取、离子加速、束聚焦、束控制和束停止。中子源已被开发用于多种应用，例如中子射线照相术、材料科学、凝聚态物理以及材料的无损检测和评估。这些装置有许多缺点，要么限制了它们的可用离子电流，从而导致中子产额不足以满足许多应用，要么非常复杂，因此建造、维护和操作起来既困难又昂贵。

在一个实例中，中子可以通过以下步骤生成：产生氘、氚或其组合的离子，并根据以下反应之一将这些离子加速到负载有氘和/或氚的氢化物靶材中：

D+T→n+

D+D→n+

基于反应(1)和(2)的中子源通常是单束、线性静电装置，其在传输过程中会引入大量离子损失，从而导致过度加热和中子产额降低。

需要与离子源相关的改进技术以及在低背景压力下产生高离子产生率的方法，这将允许增加离子产额和长时间连续运行而无需大量维护或支持设备。

发明内容

在一方面，一种离子源包含含有气体的腔室；在所述腔室的中心附近设置的灯丝；被所述灯丝围绕的加速栅极；以及电压源，所述电压源被配置成向所述灯丝施加第一正电压并且向所述加速栅极施加第二正电压。施加到所述灯丝的所述第一正电压被配置成将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度。所述第二正电压大于所述第一正电压(比所述第一正电压更正)。所述多个热离子被配置成使所述气体电离以在电离区域中生成正离子，例如在所述腔室中的任何地方，包含位于所述灯丝和所述加速栅极之间的区域。所述第一正电压和所述第二正电压基本上保持在所述腔室的壁处的电压之上，所述电压可以保持在接地电势。这会产生一个循环电子陷阱，电子在所述装置的中心来回振荡，从而导致低压背景气体的电离。由于电场配置，在所述区域中产生的离子将朝着所述结构的壁向外加速。在一些实施例中，所述腔室中的压力可以小于1毫托。在其它实施例中，所述腔室中的压力可以小于0.1毫托。

在第二方面，一种中子发生器包含含有气体的腔室；在所述腔室的中心附近设置的灯丝；被所述灯丝围绕的加速栅极；与所述灯丝同心并围绕所述灯丝的抑制栅极；靶材；以及电压源，所述电压源被配置成向所述灯丝施加第一正电压、向所述加速栅极施加第二正电压并且向所述抑制栅极施加第三负电压。除非另有说明，否则本文的电压是相对于腔室施加/参考/测量/等的，例如使得施加到所述灯丝(或其它结构)的电压指的是所述灯丝和所述腔室之间的差异。施加到所述灯丝的所述第一正电压被配置成将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度。所述第二正电压大于所述第一正电压。所述多个热离子被配置成使所述气体电离以在所述腔室中的电离区域中生成正离子，包含位于所述灯丝和所述加速栅极之间的区域。所述第一正电压和所述第二正电压基本上保持在所述腔室的壁处的电压之上，所述电压可以保持在接地电势。这会产生一个循环电子陷阱，电子在所述装置的中心来回振荡，从而导致低压背景气体的电离。由于电场配置，在所述区域中产生的离子将朝着所述结构的壁向外加速。所述抑制栅极将防止离子与血管壁碰撞产生的二次电子朝着所述装置的中心加速——这种效应会消耗功率并降低效率。

在第三方面，一种用于生成离子的方法包含在含有气体的腔室中设置灯丝和加速栅极，所述加速栅极被所述灯丝围绕；向所述灯丝施加第一正电压以将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度；向所述加速栅极施加第二正电压，所述第二正电压大于所述第一正电压；以及使所述气体电离以在所述腔室中的电离区域中生成正离子，包含位于所述灯丝和所述加速栅极之间的区域。所述热电子可能被困在所述电离区域中。

在第四方面，一种用于生成中子的方法包含在含有气体的腔室中设置灯丝、加速栅极、抑制栅极和靶材；向所述灯丝施加第一正电压以将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度；向所述加速栅极施加第二正电压，所述第二正电压大于所述第一正电压；以及使所述气体电离以在所述腔室中的电离区域中生成正离子，包含位于所述灯丝和所述加速栅极之间的区域。在第四方面，所述加速栅极与所述灯丝同心并被所述灯丝围绕，所述抑制栅极与灯丝同心并围绕所述灯丝，并且所述靶材与所述抑制栅极同心并围绕所述抑制栅极。所述方法可以进一步包含向所述抑制栅极施加负电压。所述方法甚至可以进一步包含将穿过所述抑制栅极的正离子撞击在所述靶材上。撞击正离子被注入所述靶材中或撞击先前注入的离子以产生聚变中子。此外，由于所述撞击离子撞击先前注入的离子，因此二次电子可能会从所述靶材发射。由于所述灯丝和所述加速栅极之间的电势差，所述热电子可能被困在它们之间。由于所述靶材和施加了所述负电压的所述抑制栅极之间的电势差，二次电子可能从所述抑制栅极朝着所述靶材反射。

根据对以下详细描述、附图和权利要求书的考虑，可以阐述本公开的另外的特征、优点和实施例。此外，应当理解，本公开的前述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供另外的解释而不进一步限制所要求保护的本公开的范围。

附图说明

通过以下结合附图所做的详细描述，将更全面地理解本公开，在附图中：

图1示出了离子源和中子发生器的示意图。

图2A示出了包含灯丝引导件的图1的离子源和中子发生器的横截面视图。

图2B示出了图1的离子源和中子发生器的立体剖视图。

图3示出了图1的离子源的分解轮廓图。

图4示出了用于图1的离子源的控制系统，其中所述控制系统包含控制器和电压源。

具体实施方式

在转向详细示出示例性实施例的附图之前，应当理解，本申请不限于在说明书中阐述或在附图中示出的细节或方法。还应理解，术语仅用于描述的目的且不应被视为限制性的。

在一方面，离子源包含其中设置有灯丝2、加速栅极3和气体的腔室。在另一方面，中子发生器包含其中设置有灯丝2、加速栅极3、抑制栅极4、靶材5和气体的腔室。也就是说，靶材5(以及，在一些实施例中，抑制栅极4)可被添加到离子源(即，灯丝2和加速栅极3)以形成中子发生器。离子源和中子发生器都在本公开的范围内。本文所述的任何离子源均可用于本文所述的中子发生器中。本文公开的系统也可以被描述为离子源和发散加速器或聚变反应堆。

在离子源的一个实例中，灯丝2由钨或钨合金组成并且加速栅极3由钨或钨合金组成。在中子源的一个实例中，灯丝2由钨或钨合金组成并且加速栅极3由钨或钨合金组成，抑制栅极4由钨或钨合金组成并且靶材5由钛或钛合金组成(并且任选地由如不锈钢等低氢溶解度金属背衬)。下文详细提供了各种其它材料和材料的优选性质。

如图1和2A所示，离子源和/或中子发生器的腔室具有圆形横截面(即，腔室可以是圆柱形或球形)。图2B示出了在具有圆柱形形状的实施例中(即，在其中灯丝2、加速栅极3、抑制栅极4和/或靶材5各自形成为圆柱形的实施例中)，离子源和/或中子发生器的立体剖视图。然而，在其它实施例中，腔室的几何形状在这方面不受限制。然而，在其它实例(未示出)中，腔室可以具有立方体、长方体、棱锥体、圆锥体等的形状。腔室的几何形状可以被定制以适合其中使用离子源的特定应用。在一些实例中，腔室可以关于其中心轴线对称。在其它实例中，腔室可以不关于其中心轴线对称。与常规离子源相比，离子源10易于构建且易于更换。

灯丝2设置在离子源和/或中子发生器的腔室的中心附近。灯丝2连接到电压源20，所述电压源被配置成向灯丝2施加正的预定电压(在下文中更详细地讨论)，从而加热灯丝2。在所示的实施例中，灯丝2是高电流热离子发射器。在一些实施例中，除了热离子发射之外或代替热离子发射，还使用场发射(例如，偶场发射)。在热离子发射中，灯丝2被加热，从而为电子供应克服将电子保持在灯丝2上的吸引力所需的最小能量，从而导致从灯丝2中释放电子(热离子)。最小能量(即，功函数)被定义为将电子从固体表面(即，灯丝2)移至腔室中紧接灯丝2外部的点所需的最小热力学功。功函数是灯丝2的材料的特性和灯丝2表面上的污染状态。灯丝2可以由能够被加热以向电子供应最小能量而不熔化的任何材料制成。优选地，灯丝2由具有低功函数的材料制成，使得大量热电子被发射。例如，灯丝2可以由金属(例如，钨或钨合金)制成。在各个实施例中，灯丝2的材料的特征在于高电子发射率、低蒸气压、高熔化温度以及耐烧蚀和溅射。在各个实施例中，灯丝2可以由六硼化镧、六硼化铈、钍钨、铝酸钡或其任意两种或更多种的混合物组成。

参考图2A-2B，在离子源和/或中子发生器的一些实例中，灯丝2可以任选地设置在一个或多个灯丝引导件2a中，所述灯丝引导件被配置成维持灯丝间距并提供机械支撑以将灯丝2悬挂在设备的长度之上。在一个实例中，灯丝引导件2a可以包含多个孔2b(例如，孔、槽等)，所述多个孔被配置成在其中接收灯丝2的一部分(例如，将灯丝2穿入和穿出孔)。在该实例中，孔2b可以沿着具有孔的灯丝引导件2a均匀地或不均匀地间隔开，并且灯丝2可以容纳在孔2b的全部或子集中。具有孔2b的灯丝引导件2a可以由非导电耐火材料制成。在一些实施例中，所述非导电耐火材料可以是陶瓷。示例性玻璃包含玻璃、粘土和金属氧化物。在特定实例中，灯丝2可以由钨或钨合金制成并且灯丝引导件可以由陶瓷制成。

在一些实例中，离子源10包含一个且仅一个灯丝2。在其它实例中，离子源10可以包含沿着灯丝引导件间隔开并由灯丝引导件支撑的多个灯丝2。在其它实施例中，可以使用用于在腔室中发射电子的其它方法和/或结构，并且可以相应地修改本文的系统和方法。

加速栅极

加速栅极3至少部分地被灯丝2围绕。灯丝2和加速栅极3可以是同心的，然而这不是必需的。在一些实例中，加速栅极3可以是包含沿其长度间隔设置的多个孔(即，孔、槽等)的实心材料。在其它实例中，加速栅极3可以是框架或网格，包含在第一方向(例如，沿着腔室的长度)延伸的材料的第一组平行条或线和材料的第二组条或线，所述第二组条或线与第一组平行条相交并交叉，从而在第一组和第二组之间设置孔。孔被配置成允许在电离区域(例如，在加速栅极3和灯丝2之间)中生成的正离子(例如，氢离子)穿过加速栅极3，以被收集(离子源)或朝着抑制栅极4和靶材5加速(中子发生器)。

在一些实例中，加速栅极3由与灯丝2相同的材料制成。在其它实例中，加速栅极3由与灯丝2不同的材料制成。加速栅极3由导电材料制成并且可以抵抗离子损伤。加速栅极3可以由耐烧蚀和溅射的难熔金属制成，例如铌、钼、钽、钨、铼或其任意两种或更多种的混合物或合金。

加速栅极3连接到电压源20，所述电压源被配置成向加速栅极3施加正的预定电压。加速栅极3的电势大于灯丝2的电势(比灯丝2的电势更正)。例如，施加到加速栅极的预定电压可以是+100100V，而施加到灯丝2的预定电压可以是+100000V。由于电势差(电压偏置)，灯丝2释放的热电子朝着加速栅极3向外加速。灯丝2和加速栅极3的布置和电压偏置产生了低电势区域，所述低电势区域限制了通过灯丝2的热电子发射生成的高能热电子(电子)。热电子可以被灯丝2重新吸收，但具有足够能量的热电子将被困住(限制在灯丝2和加速栅极3之间)。被困住的高能热电子在电离区域循环足够长的时间，以根据以下反应撞击低密度中性气体分子：

M+e

其中M是气体分子并且e

换言之，并且如上所述，电压源可以被配置成向灯丝施加第一正电压并且向加速栅极施加第二正电压。施加到所述灯丝的所述第一正电压被配置成将所述灯丝加热至发生热离子发射并且生成多个热离子的温度。所述第二正电压大于所述第一正电压(比所述第一正电压更正)。所述多个热离子被配置成使所述气体电离以在所述腔室中的电离区域中生成正离子，包含位于所述灯丝和所述加速栅极之间的区域。所述第一正电压和所述第二正电压基本上保持在所述腔室的壁处的电压之上，所述电压可以保持在接地电势。这会产生一个循环电子陷阱，电子在所述装置的中心来回振荡，从而导致低压背景气体的电离。由于电场配置，在所述区域中产生的离子将朝着所述结构的壁向外加速。

通过与电离区域内的高能热电子的碰撞而电离的气态分子(例如，氢)为电离区域贡献正电荷，从而降低由热离子电流产生的积聚电子空间电荷的负电势。加速栅极3内的真空水平由外部真空源产生并且维持在降低与电离区域内的中性粒子碰撞的可能性的水平。例如，电离区域中的气压可以小于或等于10毫托，例如，小于或等于5毫托或小于或等于1毫托。电离区域中的低气压增加了离子产额或中子产额，因为离子在收集之前或撞击靶材5以产生中子之前与气体分子碰撞的可能性被降低。

抑制栅极

在中子发生器中，抑制栅极4至少部分地围绕灯丝2。抑制栅极4、灯丝2和加速栅极3是同心的。抑制栅极4由与加速栅极3相同的材料制成。类似于加速栅极3，在一些实例中，抑制栅极4可以是包含沿其长度间隔设置的多个孔(即，孔、槽等)的实心材料。在其它实例中，抑制栅极4可以是框架或网格，包含在第一方向(例如，沿着腔室的长度)延伸的材料的第一组平行条或线和材料的第二组条或线，所述第二组条或线与第一组平行条相交并交叉，从而在第一组和第二组之间设置孔。抑制栅极4中的孔的位置与加速栅极3中的孔的位置相对应。抑制栅极4的孔被配置成允许从电离区域穿过加速栅极3的正离子穿过抑制栅极4并朝着靶材5加速。

抑制栅极4连接到电压源20，所述电压源被配置成向抑制栅极4施加负的预定电压(在下文中更详细地讨论)。当加速栅极3和灯丝2之间的区域内的正离子漂移到加速栅极3附近时，它们通过加速栅极3和抑制栅极4之间的电势差被加速出电离区域。在其它实施例中，可以使用磁场来实现与抑制栅极4提供的效果类似的效果。

抑制栅极4由导电材料制成并且可以抵抗离子损伤，例如高质量金属。抑制栅极4可以由耐烧蚀和溅射的难熔金属制成，例如铌、钼、钽、钨、铼或其任意两种或更多种的混合物或合金。

靶材

在中子发生器中，靶材5至少部分地围绕抑制栅极4(例如，靶材5可以不围绕抑制栅极4上方和/或下方的区域)。靶材5、抑制栅极4和加速栅极3是同心的。靶材5可由固体金属氢化物形成材料制成。可以选择靶材5的材料，使得当满载时，设置在靶材5上的氢与制造靶材5的材料之间存在1:1到2:1的比率。靶材5的材料可以是具有吸氢亲合力的导电金属或半金属，优选地，具有非常小的核相互作用横截面的低质量材料。例如，靶材5可以由碳、铝、钛、镁、锆、钇、钪、铒或其任意两种或更多种的混合物或合金制成。

在一些实例中，靶材5是腔室本身的壁(或被集成到所述壁中)。在其它实例中，靶材5是设置在腔室的内表面或腔室的外表面上的层。在靶材5是层的实例中，靶材5可以任选地由低氢溶解度金属背衬，或者低氢溶解度金属可以形成腔室本身的壁。所述低氢溶解度金属可以是不锈钢。

靶材5不连接到电压源20，并且保持在接地电势(基本上0V)。正离子穿过加速栅极3和抑制栅极4中的孔向外行进后，进入抑制栅极4和靶材5之间的区域。在该区域中，正离子停止加速并弹道行进以撞击在靶材5上。撞击离子要么被注入靶材5中，要么撞击先前注入的离子以产生聚变中子。在以电离能量生成的正离子为氢同位素的中子发生器的实例中，在靶材5上积聚氢浓度，使得氢同位素有机会与靶材5上的另一个氢同位素碰撞以根据上述反应(1)和(2)产生中子。

当高能离子撞击靶材5时，靶材5的表面会发射大约2-3个二次电子，其被保持在略高于抑制栅极4的电势的电势。由于靶材5和抑制栅极4之间的电势差，二次电子被反射回靶材5中，这减少了加速栅极3的电子加热并防止在加速栅极3和灯丝2之间设置的电离区域中出现不需要的电子电流。在其它实施例中，可以使用磁场来实现与抑制栅极4提供的效果类似的效果。

电压源和控制器

电压源20设置在腔室外部。电压源20可以是任何已知的电压源。控制器30可以被设置并且被编程成独立地控制供应给灯丝2、加速栅极3和抑制栅极4中的每一个的电压。控制器30可以改变供应给灯丝2、加速栅极3和抑制栅极4中的每一个的电压，以调整系统或改变离子或中子产额。可以设置控制面板或显示器以允许用户选择待供应给灯丝2、加速栅极3和抑制栅极4中的每一个的单独的、不同的电压。

如上所述，靶材5被保持在接地电势，而抑制栅极4被保持在相对于所述接地电势略微负的电压。加速栅极3保持在相对于所述接地电势的高正电压，而灯丝2保持在相对于加速栅极3的电压略微正的电压。这种电子布置降低了不希望的电弧放电的可能性，并保护灯丝2免受电弧或高能电子电流的损坏。

在腔室为圆柱形的中子发生器的实例中，预定长度(根据特定应用确定)的圆柱形中子发生器被配置成产生轴向对齐的、均匀的和各向同性的中子通量。组件的圆柱形布置允许中子发生器产生高离子电流密度，而不受空间电荷限制。

如各个示例性实施例中所示，离子源和/或中子发生器的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但在不实质上脱离所描述的主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，各个元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、朝向、图像处理和分割算法等的变化)。被示出为一体形成的元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，并且可以更改或改变分立元件或位置的性质或数量。根据可替代的实施例，可以改变或重新排序任何过程、逻辑算法或方法步骤的顺序或序列。在不脱离本发明的范围的情况下，还可以在各个示例性实施例的设计、操作条件和布置方面做出其它替代、修改、改变和省略。

如本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有与由本公开的主题所属的领域的普通技术人员常用和公认的用法相一致的广泛含义。对本公开进行审查的本领域技术人员应理解，这些术语旨在允许对描述和要求保护的某些特征进行说明，而不将这些特征的范围限于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为指示，对所描述和要求保护的主题的非实质性的或无关紧要的修改或改变被视为处于所附权利要求书中所述的本发明的范围内。

如本文所使用的，术语“耦接”、“连接”等意指两个构件直接或间接地相互连接。这种接合可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种接合可由两个构件或两个构件和任何额外的中间构件彼此整体地形成为单个一体式主体来获得，或由两个构件或两个构件或任何额外的中间构件彼此附接而获得。

本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述附图中各个元件的朝向。应当注意，根据其它示例性实施例，各个元件的朝向可以不同，并且此类变化旨在被本公开所涵盖。

关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据情况和/或应用在适当时将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清晰起见，本文可以清晰地阐述各种单数/复数的转换。

本说明书中描述的主题和操作的实施例(例如，电压控制)可以在数字电路系统中或在体现在有形介质、固件或硬件(包含本说明书中公开的结构及其结构等效物)上的计算机软件中或在它们中的一个或多个的组合中实施。本说明书中描述的主题的实施例可以实施为一或多个计算机程序，即在一个或多个计算机存储介质上编码以用于由数据处理设备执行或者以用于控制数据处理设备的操作的计算机程序指令的一个或多个模块。可替代地或另外，程序指令可以编码在人工生成的传播信号，例如机器生成的电信号、光学信号或电磁信号上，所述传播信号被生成以对用于传输到适合的接收器设备以供数据处理设备执行的信息进行编码。计算机存储介质可以是或者被包含在计算机可读存储装置、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或装置，或其中的一个或多个的组合中。而且，虽然计算机存储介质不是传播信号，但计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的来源或目的地。计算机存储介质还可以是或包含在一个或多个单独的组件或介质(例如，多个CD、盘、或其它存储装置)中。因此，计算机存储介质可以是有形的和非暂时性的。

本说明书中所描述的操作可以被实施为数据处理设备或处理电路对存储在一个或多个计算机可读存储装置上的或从其它来源接收的数据进行的操作。