[发明专利]长寿命核反应装置高效靶材的原位沉积和再生方法及系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于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，所有这些申请通过引用整个合并于此。

背景技术

基于中子的探询技术提供用于检查和验证与国土安全相关的特种核材料的控制、通过元素成分分析进行的爆炸物探测、以及通过受屏蔽容器进行的放射影像的特有能力。基于中子的元素分析允许在水泥和煤炭工业中执行工业过程控制，用于实时在线元素分析。然而，为这种分析产生足够的中子是困难的。放射性中子源当前在工业中用于各种地方，包括对采矿、煤炭和水泥原料、表层下扫描(例如，土壤成分分析和地雷探测)和放射成像的在线元素分析。传统中子源是放射性同位素例如²⁵²Cf或是镅-铍。放射性同位素总是要求屏蔽，限制分析的类型(例如，无脉冲或飞行时间)，在制造和组装期间对人员产生危险，以及由于所谓的“脏弹”会导致安全危险。中子还可通过常规的加速器技术产生，但是这些系统有大尺寸和大功率消耗的要求。紧凑和高效的中子发生器将通过解决与放射性同位素相关的问题并避免大型加速器的复杂性而直接有益于许多工业。

基于加速器的中子发生器使用电场将离子束加速而进入靶。来自束的离子与靶中的原子反应，并且进行核反应(包括但不限于核聚变)。通过离子和靶种类的适当选择，这些核反应提供了中子的来源。离子通常是，但不限于，氢(H)的同位素-氕(p或¹H)、氘(D或²H)，或者氚(T或³H)，由于一些原因，包括它们在返回气相之前至少短暂地保留在靶中的倾向。简单地说，氢可被使用是指这些同位素中的任意一种。燃料种类可以是任何化合物、原子、同位素、原子核或者亚原子颗粒的组合，它们如下反应：通过反应产物的进一步衰变或者任何其他方法使中子作为反应的直接产物释放出来。

图1中显示现代紧凑加速器中子源的基本布局。标准硬件包括：(1)高电压发生器(～100kV是常用加速电压)105；(2)由中子产生核反应中的一种或多种反应物或包含中子产生核反应中一种或多种反应物的靶(例如包含D或T的钛)110；(3)一个或多个加速器栅极；(4)离子源组件115；(5)通常使用吸气器120的气体控制储存器。另外的硬件可包括被连接到气体储存器120的气体压力控制器125、磁铁130、阳极源135和阴极源140。示例性中子源还可有高压绝缘体145和加速器透镜150。

典型的中子发生器的操作如下进行。纯氘(D-D系统)、纯氚(T-T系统)、或者氘-氚(D-T系统)的气体混合物(T达到10Ci)以约10mTorr的压力被引入系统。产生等离子体以提供被从源区分离出来并且加速到约100keV的离子。这些离子轰击靶，在靶处它们能够与嵌入靶中的其他氢同位素进行聚变反应。DD聚变反应产生2.45MeV的中子，TT反应产生高于9MeV的连续的中子谱，并且DT反应形成14MeV的中子。系统能够连续地工作或进行脉冲式工作以测量飞行时间。

典型的中子发生器常常具有最靠近靶的外加电极，其相对于靶成负偏压。这个“电子抑制电极”的作用是排斥在离子轰击期间从靶射出的带负电荷的电子。这减少了电源必须驱动的电流的量，因此增加了发生器的效率。

这些系统的关键特性是它们的紧凑尺寸。现代的紧凑型基于加速器的中子发生器的直径通常小于6英寸，并且适用于插入油井钻孔、交叉带分析系统和便携式爆炸物探测系统。非放射性中子发生器的几个主要供应商全部使用这种加速器-靶配置。标价在$85,000-$350,000之间，最高成本的部件是高压电源、电动进料器以及连接器。寿命由靶材和绝缘体涂层的退化限制，最佳的供应商报告了在1×10⁶DDn/s和1×10⁸DTn/s的额定输出水平时为约1000个小时，每个更换的靶单元为$5-50K范围。目前，没有供应商具有经济合算的高输出(＞1×10⁸n/s)DD系统，因而迫使终端用户采取更加昂贵和更大的立式(footprint)线性加速器和基于射频四极的系统，以实现检查和分析所需要的高输出。

靶的退化