用于中子發(fā)生的緊湊式高電壓等離子體源的制作方法
【專利說明】用于中子發(fā)生的緊湊式高電壓等離子體源
對相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請要求對2013年3月15日提交的、名稱為“緊湊式高電壓等離子體源”的美國臨時專利申請N0.61/793，327的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時專利申請的內(nèi)容(包括其中包含的任何參考文獻的內(nèi)容和教示)通過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初級天線和次級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，并通過加速器管將其朝向標靶加速，在標靶處的撞擊產(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)動的等離子體離子源。一些這樣的RF驅(qū)動的等離子體源依靠將通過RF天線產(chǎn)生的RF能量耦合到等離子體源中以驅(qū)動等離子體的產(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；和初級天線，其與所述次級天線電隔離，并被構(gòu)造為將電磁(EM)輻射傳送到所述次級天線；
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)、所述次級天線相對于所述初級天線以正電勢偏置。
[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:
由初級天線輻射電磁(EM)能量；
將由所述初級天線輻射的電磁能量耦合到次級天線；
由所述次級天線輻射電磁能量；
通過設(shè)置在所述次級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)、和所述次級天線中的每個之間保持電勢差。
【附圖說明】
[0006]本發(fā)明將在下文中基于示例性附圖進行更詳細的描述。本發(fā)明不限于示例性實施例。在此描述和/或例示的所有特征可單獨使用，或者可按照不同實施例的不同組合而結(jié)合使用。通過閱讀以下參照附圖進行的詳細描述，各種實施例的特征和優(yōu)點將變得明顯，附圖中例示如下:
[0007]圖1圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例的等離子體離子源中子發(fā)生器，其采用初級共振器和次級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)明實施例的次級天線構(gòu)造，用于通過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)明實施例的次級天線構(gòu)造，用于通過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)明實施例的次級天線構(gòu)造，用于通過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)明實施例的用于生成等離子體離子源的設(shè)備，其包括初級天線，初級天線被構(gòu)造為通過電感耦合將電磁能量耦合到次級天線；和
[0012]圖6圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例的初級天線構(gòu)造，用于通過電容耦合將電磁能量耦合到次級天線。
【具體實施方式】
[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的電勢梯度必須在等離子體源與標靶之間形成和保持。許多中子發(fā)生器通過使EM共振器和等離子體源保持在接地電勢并向標靶供應(yīng)極低電壓電勢而形成適合于離子加速的電勢梯度。能夠提供必要電隔絕水平以使標靶保持在足夠低電壓的包殼對于標靶熱管控(例如冷卻)、對于標靶與被分析對象之間的距離、對于標靶與分析探測器之間的距離施加限制。因此，利用這樣的發(fā)生器實施各種探測方案和應(yīng)用受到限制。另外，這種方式要求機載高電壓動力供應(yīng)器位于標靶近處，由此進一步限制這種發(fā)生器的使用。不過，通過使等離子體源保持在接地電勢，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電壓下操作的專用電子部件相關(guān)聯(lián)的更多費用。
[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現(xiàn)接地標靶。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。第一種選擇對許多應(yīng)用而言是無效的和禁用的，而后一種選擇導(dǎo)致非常笨重和昂貴的系統(tǒng)，這是因為整個系統(tǒng)必須封閉在電介質(zhì)中并隔離。
[0016]Thermo Fisher MF Physics銷售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現(xiàn)接地標靶，用于將中子源安置在應(yīng)用緊鄰處。不過，為了實現(xiàn)此目標，需要100kg的包殼，以SF6氣體加壓，直徑24英寸。
[0017]Starfire Industries在美國專利申請公開物N0.201 1/0044418中所公開的方法和設(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，等離子體源相對于中子生成標靶被提升到正電勢，所述電介質(zhì)對于電磁能量是透明的且同時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。
[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，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:減小的原子分數(shù)(除非可增加動力以進行補償)，降低的中子產(chǎn)生效率，和由于增加輸出動力以補償效率損失所導(dǎo)致的加熱。在等離子體與標靶之間實現(xiàn)足夠的電勢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]示例性實例設(shè)想出各種系統(tǒng)和方法，其中使用次級電磁(EM)天線，包括射頻(RF)和微波天線，以將由遠程就位初級天線發(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:用于空間推進的等離子體推進器、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的耦合到等離子體中的電磁動力。特別