用于中子發(fā)生的緊湊式高電壓等離子體源的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于中子發(fā)生的緊湊式高電壓等離子體源
對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求對(duì)2013年3月15日提交的、名稱(chēng)為“緊湊式高電壓等離子體源”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/793，327的優(yōu)先權(quán)，所述美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容(包括其中包含的任何參考文獻(xiàn)的內(nèi)容和教示)通過(guò)整體引用被明確包括在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及緊湊式等離子體源，且更具體地涉及可通過(guò)初級(jí)天線和次級(jí)天線的組合將電磁能量耦合其中的緊湊式等離子體源。
【背景技術(shù)】
[0003]基于中子發(fā)生器的加速器具有廣泛的多種應(yīng)用，包括醫(yī)藥、安全和油氣勘探?；谥凶影l(fā)生器的加速器提取在離子源產(chǎn)生的離子，并通過(guò)加速器管將其朝向標(biāo)靶加速，在標(biāo)靶處的撞擊產(chǎn)生聚變反應(yīng)以產(chǎn)生中子。一些基于中子發(fā)生器的加速器利用射頻(RF)驅(qū)動(dòng)的等離子體離子源。一些這樣的RF驅(qū)動(dòng)的等離子體源依靠將通過(guò)RF天線產(chǎn)生的RF能量耦合到等離子體源中以驅(qū)動(dòng)等離子體的產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在此描述一種設(shè)備，用于在真空腔中生成等離子體離子源，該設(shè)備包括:
等離子體離子源電介質(zhì)(dielectric)，其被構(gòu)造以封裝所述真空腔；
次級(jí)天線，其位于所述等離子體離子源電介質(zhì)的外表面之外，并被構(gòu)造為將電磁(EM)輻射耦合到所述真空腔中的等離子體離子源中；和初級(jí)天線，其與所述次級(jí)天線電隔離，并被構(gòu)造為將電磁(EM)輻射傳送到所述次級(jí)天線；
其中，所述等離子體離子源腔室、所述等離子體離子源電介質(zhì)、所述次級(jí)天線相對(duì)于所述初級(jí)天線以正電勢(shì)偏置。
[0005]在此描述一種方法，用于生成等離子體離子源，該方法包括:
由初級(jí)天線輻射電磁(EM)能量；
將由所述初級(jí)天線輻射的電磁能量耦合到次級(jí)天線；
由所述次級(jí)天線輻射電磁能量；
通過(guò)設(shè)置在所述次級(jí)天線與一等離子體之間的等離子體離子源電介質(zhì)，將由所述次級(jí)天線輻射的電磁能量耦合到所述等離子體中；和
在所述初級(jí)天線與所述等離子體離子源腔室、所述等離子體離子源電介質(zhì)、和所述次級(jí)天線中的每個(gè)之間保持電勢(shì)差。
【附圖說(shuō)明】
[0006]本發(fā)明將在下文中基于示例性附圖進(jìn)行更詳細(xì)的描述。本發(fā)明不限于示例性實(shí)施例。在此描述和/或例示的所有特征可單獨(dú)使用，或者可按照不同實(shí)施例的不同組合而結(jié)合使用。通過(guò)閱讀以下參照附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，各種實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，附圖中例示如下:
[0007]圖1圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的等離子體離子源中子發(fā)生器，其采用初級(jí)共振器和次級(jí)共振器的組合將電磁能量耦合到等離子體中；
[0008]圖2圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的次級(jí)天線構(gòu)造，用于通過(guò)共振耦合將電磁能量耦合到等離子體離子源中；
[0009]圖3圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的次級(jí)天線構(gòu)造，用于通過(guò)電容耦合將電磁能量耦合到等離子體離子源中；
[0010]圖4圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的次級(jí)天線構(gòu)造，用于通過(guò)電感耦合將電磁能量耦合到等離子體離子源中；
[0011]圖5圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于生成等離子體離子源的設(shè)備，其包括初級(jí)天線，初級(jí)天線被構(gòu)造為通過(guò)電感耦合將電磁能量耦合到次級(jí)天線；和
[0012]圖6圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的初級(jí)天線構(gòu)造，用于通過(guò)電容耦合將電磁能量耦合到次級(jí)天線。
【具體實(shí)施方式】
[0013]可能難以有效地將電磁能量、例如射頻(RF)能量耦合到緊湊式等離子體源的限定幾何形狀中。有效的RF能量耦合常常需要RF天線位于等離子體源的緊鄰處。典型地，緊湊式RF驅(qū)動(dòng)的等離子體源利用直接耦合到和安裝到等離子體源腔的單一的EM共振器(例如RF天線)ο
[0014]為了從等離子體源提取離子束(例如用于中子發(fā)生器應(yīng)用)，具有充分離子加速量級(jí)的電勢(shì)梯度必須在等離子體源與標(biāo)靶之間形成和保持。許多中子發(fā)生器通過(guò)使EM共振器和等離子體源保持在接地電勢(shì)并向標(biāo)靶供應(yīng)極低電壓電勢(shì)而形成適合于離子加速的電勢(shì)梯度。能夠提供必要電隔絕水平以使標(biāo)靶保持在足夠低電壓的包殼對(duì)于標(biāo)靶熱管控(例如冷卻)、對(duì)于標(biāo)靶與被分析對(duì)象之間的距離、對(duì)于標(biāo)靶與分析探測(cè)器之間的距離施加限制。因此，利用這樣的發(fā)生器實(shí)施各種探測(cè)方案和應(yīng)用受到限制。另外，這種方式要求機(jī)載高電壓動(dòng)力供應(yīng)器位于標(biāo)靶近處，由此進(jìn)一步限制這種發(fā)生器的使用。不過(guò)，通過(guò)使等離子體源保持在接地電勢(shì)，這樣的構(gòu)造不需要電隔絕EM共振器和其它電子部件，也不用與使用能夠在大量級(jí)電壓下操作的專(zhuān)用電子部件相關(guān)聯(lián)的更多費(fèi)用。
[0015]可替代的方式是:使等離子體離子源電浮(electrically float)(和電隔離)高至發(fā)生器在大電介質(zhì)包殼中施加的電壓以實(shí)現(xiàn)接地標(biāo)靶。為在高電壓(例如大于50kV)下產(chǎn)生高質(zhì)量的等離子體，必須將極大量的RF能量供應(yīng)到大腔中，或者，用于驅(qū)動(dòng)等離子體的RF發(fā)生器必須也提升到高電壓。第一種選擇對(duì)許多應(yīng)用而言是無(wú)效的和禁用的，而后一種選擇導(dǎo)致非常笨重和昂貴的系統(tǒng)，這是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)必須封閉在電介質(zhì)中并隔離。
[0016]Thermo Fisher MF Physics銷(xiāo)售D711高輸出中子發(fā)生器，其具有的離子源電浮高至發(fā)生器在大電介質(zhì)包殼中施加的電壓以實(shí)現(xiàn)接地標(biāo)靶，用于將中子源安置在應(yīng)用緊鄰處。不過(guò)，為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要100kg的包殼，以SF6氣體加壓，直徑24英寸。
[0017]Starfire Industries在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)物N0.201 1/0044418中所公開(kāi)的方法和設(shè)備中，使用中間電介質(zhì)將RF或微波能量耦合到等離子體源中，其中，等離子體源相對(duì)于中子生成標(biāo)靶被提升到正電勢(shì)，所述電介質(zhì)對(duì)于電磁能量是透明的且同時(shí)提供充分隔絕以防止出現(xiàn)故障或與電磁能量源電接觸。這種方法允許永磁體提供適合于等離子體形成和提取的磁場(chǎng)。
[0018]限制等離子體源在高電壓下操作的另一因素是:需要包圍和限制等離子體源的磁場(chǎng)以利于等離子體生成和維持。磁體不僅占據(jù)空間，而且其常常必須安置在等離子體生成區(qū)域的近處以有效地起作用。由于磁體典型地是對(duì)高電壓隔絕和RF傳播構(gòu)成干擾的導(dǎo)體，因而要求其位于等離子體源腔的近處，對(duì)于將RF能量耦合到等離子體中存在又一障礙。
[0019]一些應(yīng)用，例如鉆井(wellbore)勘探，要求具有極小直徑的中子發(fā)生器。不過(guò)，現(xiàn)有技術(shù)的尺寸足夠小的中子發(fā)生器面臨多種限制。這樣的限制包括:減小的原子分?jǐn)?shù)(除非可增加動(dòng)力以進(jìn)行補(bǔ)償)，降低的中子產(chǎn)生效率，和由于增加輸出動(dòng)力以補(bǔ)償效率損失所導(dǎo)致的加熱。在等離子體與標(biāo)靶之間實(shí)現(xiàn)足夠的電勢(shì)間隔要求天線與等離子體之間的空間分離程度更大，這降低了耦合效率。
[0020]示例性實(shí)例設(shè)想出各種系統(tǒng)和方法，其中使用次級(jí)電磁(EM)天線，包括射頻(RF)和微波天線，以將由遠(yuǎn)程就位初級(jí)天線發(fā)射的EM能量耦合到緊湊式等離子體離子源。這種方法和系統(tǒng)的應(yīng)用包括:用于中子發(fā)生器的緊湊式高電壓等離子體源。其它應(yīng)用包括但不限于:用于空間推進(jìn)的等離子體推進(jìn)器、離子束輔助沉積和蝕刻源，和大氣壓放電(atmospheric pressure discharge)等離子體。這樣的系統(tǒng)和方法還能夠形成緊湊式中子發(fā)生器，其具有更小尺寸和改進(jìn)的耦合到等離子體中的電磁動(dòng)力。特別