[发明专利]寿命长的高效中子发生器

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2008年2月27日递交的美国临时专利申请61/031,899、2008年2月27日递交的美国临时专利申请61/031,908、2008年2月27日递交的美国临时专利申请61/031,912、2008年2月27日递交的美国临时专利申请61/031,916以及2008年2月27日递交的美国临时专利申请61/031,921的权益，所有这些临时专利申请通过引用毫无排除地全文合并于此，无论在此具体引用还是通过其他方式引用。

背景技术

放射性核源目前在工业中用在各个场合，包括采矿、煤、水泥进料以及地下扫描(例如，土壤组成分析和地雷探测)的现场元素分析。传统的核源已知为诸如²⁵²Cf或Am-Be的放射性同位素。放射性同位素总是处于放射性状态，需要屏蔽，限制了分析类型(例如，无脉冲或飞行时间)，并在制造和装配期间造成人员危险，以及由于所谓的“脏弹”的威胁而造成安全危险。中子也可以利用传统的加速技术得以生成，但这些系统具有大的尺寸和能量消耗要求。具有紧凑且有效的聚变中子发生器(FNG)由于在解决与放射性同位素相关的问题的同时避免使用复杂的大型加速器，因而将会直接有益于许多产业。

新型紧凑加速器中子源的基本布局显示在图1中。标准硬件包括：高压发电机1(约100kV)、金属氢化物靶材2(通常为钛)、一个或多个加速器栅格3、离子源组件4(彭宁或射频)以及常使用氢吸气剂的气体控制储存器5。操作如下进行：纯氘(DD系统)或氘氚(DT系统)气体混合物(T高达10Ci)在大约10毫托的压力下被引导到该系统；生成等离子体，以提供从源区被提取并被加速到约100keV的离子；这些离子轰击靶2，在此可与嵌入在靶2中的其他氢同位素进行聚变反应。DD聚变反应生成2.45MeV中子，而DT反应形成14MeV中子。示例性系统能够连续操作或脉冲操作以进行飞行时间测量。

有多个重要的非放射性中子发生器供应商，所有这些供应商均使用加速器靶构造。标价为85-350千美元，其中成本最高的部件为高压电源、电馈件和中继馈件。寿命通常受限于靶材和绝缘体涂层的退化，其中最好的供应商报告：对于1×10⁶DD n/s和1×10⁸DT n/s的标称输出水平，寿命约为1000小时；替换靶单元为每个在5-50千美元。目前，没有供应商具有经济有效的高输出(＞1E8n/s)的DD系统。

用于工业上放射性同位素替代的中子发生器常使用DD聚变反应，这是因为2.45-MeV DD中子更容易应用于使用Cf²⁵²的现有应用，其具有2.1MeV的平均中子能量。仅基于聚变截面和反应结合，DT发生器具有的中子生产率为DD发生器的中子生产率的约100倍。然而，与2.45-MeV中子相比，对14.1-MeV DT生成中子的屏蔽和减速要求更为严格，这使得DD对许多市场应用而言更有吸引力。

发明内容

本发明的各方案包括一种用于紧凑、高效、寿命长的聚变中子发生器(FNG)的高创新性方式，用于例如以下应用中：增强的中子射线照相、无损检测、块材料扫描，其中使用已知为瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)的检测方法、其他NAA方法、以及其他使用中子的分析方法。诸如²⁵²Cf的放射性同位素目前用于学术研究和工业市场中，但由于国土安全问题而受到越来越多的检查。多种FNG技术在市场上可得，但受阻于高成本、大尺寸、低效率和短寿命，常使其不适于广泛使用。

如图2所概示，对设备的创新总体上源于长寿命和高效的可再生低Z(低原子序数)靶与允许长寿命的紧凑易用热管理的RF离子源的组合。这些因素相结合以增大产量和减少成本。更高的效率和更好的热性能允许源尺寸减小，从而允许其用于需要小源的应用，例如小直径的钻孔(＜2英寸)。这种紧凑且廉价的源还能够用于地质科学的实验室和学术设定以及其他无损检测应用，例如，现场块材料分析(例如用于煤和水泥采矿)、土壤分析、钻孔测井分析、安全排查系统以及其他。这些创新将使业界的放射性中子源在多种广泛应用中被FNG取代，由此提高安全性并拓宽可实现的分析类型。另外，创新设计已经实现以高效和经济有效的方式使必要部件与FNG子系统相结合。