本公開涉及一種慣性靜電約束型的粒子產(chǎn)生裝置，特別是一種具有陽極結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和第一富集表面的粒子產(chǎn)生裝置，該第一富集表面富集有可聚變同位素物質(zhì)，其中該第一富集表面是陽極結(jié)構(gòu)的表面或陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分。

背景技術(shù)：

1、在人造聚變中，其利用了力來向可聚變同位素物質(zhì)（fis）傳遞恰當?shù)膭幽堋is由氫同位素（氕、氘和氚）以及氦-3組成，其分別以產(chǎn)生中子和質(zhì)子為目的?？商娲膄is是可能的，例如硼和鋰與前述同位素的結(jié)合。力采用磁性等離子體約束、粒子束加速器、脈沖激光加熱和電磁約束場的任意組合的形式，用于將離子聚焦到?jīng)_撞區(qū)域中。第一個成功商用的基于聚變的技術(shù)是慣性靜電約束（iec）中子發(fā)生器。在iec中，反應(yīng)堆容器的中心含有網(wǎng)狀陰極并且其內(nèi)壁作為陽極。腔室充滿fis氣體，并向陰極施加高電壓，在腔室內(nèi)產(chǎn)生強電場來加速離子，在生成聚變的陰極中心激發(fā)等離子體。iec中子發(fā)生器展現(xiàn)出了可靠的能力：連續(xù)數(shù)萬小時地產(chǎn)生高達每秒中子的中子通量，用于氘-氚聚變，而很少甚至無需維護。

2、產(chǎn)生離子以及減輕僅造成損失的沖撞的手段已知有數(shù)個。產(chǎn)生低能離子的方法包含電子發(fā)射器或分散器陰極，其提供能夠關(guān)于一個或兩個外部柵極振蕩的電子。陽極壁附近的外部區(qū)域中的離子化有助于離子進入“接受區(qū)域”以引導到條或束中。其對于可能引入的例如散焦的損失，有著一些問題。而對于性能的收益來說，復雜性和結(jié)果上的制造成本太高。額外絕緣體阻斷的可靠性和壽命、精密的大型柵極、通過密封系統(tǒng)中的穿透的額外真空電力供應(yīng)、加之以電子發(fā)射器的短運行壽命以及侵蝕性氫氣等離子體環(huán)境對分散器陰極的有害影響都是朝著更具成本效益的技術(shù)的驅(qū)使力。此外，電子發(fā)射器在iec操作環(huán)境中需要相當大的功率。

3、現(xiàn)有的iec布置為了次級電子發(fā)射性質(zhì)、耐熱性、低成本和易于制造，使用鋁或不銹鋼作為陽極材料，使用鉬或鎢作為陰極材料。然而，對于需要高粒子產(chǎn)生速率的應(yīng)用，可以使用更適合的材料來改善這些性質(zhì)，并因而增加粒子產(chǎn)生速率。特別是，對能夠容納高濃度輕離子并體現(xiàn)出實質(zhì)性的次級電子發(fā)射的材料有需求。

4、許多不同的多粒子相互作用可用于發(fā)生核子。這種聚變反應(yīng)和產(chǎn)生的粒子動能的一些例子是：

5、

6、

7、

8、

9、其中，是氘、是氚、是氦、是中子并且是質(zhì)子。

10、以上的等式1-4中的反應(yīng)展示了依據(jù)于fis的混合可用粒子和能量的變化。當聚變可以在例如粒子發(fā)生器或聚變反應(yīng)器的受控環(huán)境中產(chǎn)生時，較高能量和較低質(zhì)量的反應(yīng)可以被準直和衰減而以許多不同的方式使用。特別是，等式3和4中的較高能量的中子和質(zhì)子是獨特的，因為它們很難或不可能通過聚變以外的方式產(chǎn)生。等式1和2中的粒子可以通過其中有大量2.45mev中子的裂變反應(yīng)或通過其中質(zhì)子可以通過電磁場加速到3.02mev的粒子加速器所發(fā)生。

11、雖然中子明顯是有用的，但圍繞其廉價、可靠、安全以及按需產(chǎn)生則有著困難。在歷史上，锎-252中子源已經(jīng)是標桿，但持續(xù)不可控的中子發(fā)射則強加之以復雜的操作安全要求。另外，該材料的半衰期為2.5年，意味著該源的壽命短以及固有的處置復雜性和成本。

12、目前可用的可替代技術(shù)是先進的管中子發(fā)生器或緊湊型直線加速器。通常，這采用了氘離子源的形式，其以電場作線性加速成為集中束來進入固態(tài)或氣態(tài)氚目標，以引發(fā)聚變反應(yīng)和中子產(chǎn)生。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)商用化，但由于大的前期和運營成本，其使用受到限制。這主要是由于運營加速器所需的基礎(chǔ)設(shè)施、雜散高能氘注量的材料的意外活化以及需要定期更換的氚目標的侵蝕或燒毀。這也意味著系統(tǒng)不是可長時間連續(xù)運行的。

13、現(xiàn)有技術(shù)

14、wo03019996中討論了粒子發(fā)生器設(shè)備。wo03019996中的發(fā)生器集中說明了與線性幾何長壽命等離子體-氣體目標線源拓撲粒子發(fā)生設(shè)備的差異。

15、wo03019996公開了一種中子產(chǎn)生速率低、可靠性高且簡單的柱狀iec設(shè)備。此文件還建議使用鋁來作為陽極壁，因為當暴露于強烈的紫外線輻射時它發(fā)射電子，其促進了以上論述的離子化過程。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)本公開的一些實施方式，提供了一種慣性靜電約束型的粒子發(fā)生裝置，包括：容器；陽極結(jié)構(gòu)；陰極結(jié)構(gòu)，其中陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)位于容器內(nèi)；以及第一富集表面，該第一富集表面富集有可聚變同位素物質(zhì)。第一富集表面是陽極結(jié)構(gòu)的表面或陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分。該富集表面可以促進晶格約束聚變。

2、此裝置可被配置為含有離子和中性氣體混合物，并且在操作中使該離子和中性氣體混合物形成等離子體。

3、所述裝置的容器可包括中心軸。陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)可定位成使得陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)與容器是實質(zhì)性地同軸的，陽極結(jié)構(gòu)具有的距中心軸線的平均距離大于距陰極結(jié)構(gòu)的中心軸線的平均半徑。該陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)可以沿著它們的長度的至少一部分是實質(zhì)性地同心的，并且被配置為使得在操作中，在陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)之間提供電場并且該第一富集表面被電子屏蔽。此電子屏蔽可以鼓勵晶格約束聚變。該容器還可以具有沿著該陰極結(jié)構(gòu)的長度同軸的實質(zhì)性地恒定的截面。該陽極可以由多個陽極單元所形成。

4、該第一富集表面可以由堿性金屬或過渡金屬所形成。此金屬可以是原子序數(shù)大于40的元素，且更具體地可以是鈦、鋯、鈀或鉺之一。優(yōu)選地，該金屬可以是鋯。可替代地，第一富集表面可以由半導體材料形成。此半導體材料可以是cvd金剛石。

5、第一富集表面可以作為陽極結(jié)構(gòu)或陰極結(jié)構(gòu)上的涂層而提供?？商娲兀谝桓患砻婵梢耘c電極一體地形成，該電極形成該表面的至少一部分。

6、該裝置可以被配置為使得在操作中該裝置產(chǎn)生核子。這些核子可以是中子或質(zhì)子。

7、對于被配置成使得在操作中該裝置產(chǎn)生質(zhì)子的裝置，該裝置可以進一步包括靠近于陽極結(jié)構(gòu)的流體傳導結(jié)構(gòu)。這些流體傳導結(jié)構(gòu)可以由金屬合金構(gòu)成。另外，這些流體傳導結(jié)構(gòu)可以包括沿著該流體傳導結(jié)構(gòu)的長度的波紋。

8、該第一富集表面可被配置為覆蓋該陽極結(jié)構(gòu)或該陰極結(jié)構(gòu)的表面區(qū)域的一部分，使得在操作中所產(chǎn)生的粒子具有有著預(yù)定幾何形狀的局部通量。

9、在一些實施例中，該第一富集表面可形成該陽極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分，并且第二富集表面可形成該陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分，該第二富集表面富集有可聚變同位素物質(zhì)。

10、根據(jù)本公開，提供了一種包括多個粒子產(chǎn)生裝置的系統(tǒng)，其中，每個粒子產(chǎn)生裝置是如上所述的粒子產(chǎn)生裝置，其被配置為使得單個電源可服務(wù)于數(shù)個系統(tǒng)。

技術(shù)特征：

1.一種慣性靜電約束型的粒子產(chǎn)生裝置，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述裝置被配置為含有離子和中性氣體混合物，并且在操作中使所述離子和中性氣體混合物形成等離子體。

3.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述容器具有沿著所述陰極結(jié)構(gòu)的長度同軸的基本上恒定的截面。

4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述陽極結(jié)構(gòu)由多個陽極單元所形成。

5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述第一富集表面由堿性金屬或過渡金屬所形成。

6.如權(quán)利要求5所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述金屬是原子序數(shù)大于或等于40的元素。

7.如權(quán)利要求6所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述元素是鋯、鈀或鉺之一。

8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述第一富集表面作為所述陽極結(jié)構(gòu)或所述陰極結(jié)構(gòu)上的涂層而提供。

9.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述第一富集表面與所述電極一體地形成，所述電極形成所述表面的至少一部分。

10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述裝置被配置為使得在操作中所述裝置產(chǎn)生核子。

11.如權(quán)利要求10所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述核子是中子。

12.如權(quán)利要求10所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述核子是質(zhì)子。

13.如權(quán)利要求12所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述裝置進一步包括靠近于所述陽極結(jié)構(gòu)的流體傳導結(jié)構(gòu)。

14.如權(quán)利要求13所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述流體傳導結(jié)構(gòu)由金屬合金構(gòu)成。

15.如權(quán)利要求13或14所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述流體傳導結(jié)構(gòu)包括沿著所述流體傳導結(jié)構(gòu)的長度的波紋。

16.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述第一富集表面覆蓋所述陽極結(jié)構(gòu)或所述陰極結(jié)構(gòu)的表面區(qū)域的一部分，使得在操作中所產(chǎn)生的粒子具有有著預(yù)定幾何形狀的局部通量。

17.如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，所述第一富集表面是所述陽極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分，并且第二富集表面是所述陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分，所述第二富集表面富集有可聚變同位素物質(zhì)。

18.一種包括多個粒子產(chǎn)生裝置的系統(tǒng)，其中，至少一個粒子產(chǎn)生裝置是如前述權(quán)利要求中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，所述系統(tǒng)被配置為使得單個電源能夠服務(wù)于數(shù)個粒子產(chǎn)生裝置。

19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，包括多個如權(quán)利要求1至17中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置，其中，每一個所述粒子產(chǎn)生裝置被布置為并聯(lián)配置，其中面向照射區(qū)域的內(nèi)陽極表面被富集，從而提供所述陽極的表面區(qū)域的一部分的局部富集，使得在操作中所產(chǎn)生的粒子具有有著預(yù)定幾何形狀的局部通量。

20.一種正電子發(fā)射斷層成像（pet）掃描儀，包括如前述權(quán)利要求1-10、12-19中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置。

21.一種如權(quán)利要求1-10或12-17中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置或者如權(quán)利要求18或19所述的系統(tǒng)的用途，其作為產(chǎn)生pet醫(yī)用放射性同位素的質(zhì)子發(fā)生器。

22.一種如權(quán)利要求1-11或13-17中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置或如權(quán)利要求18或19所述的系統(tǒng)的用途，其作為質(zhì)子發(fā)生器來用于：

23.一種制造如權(quán)利要求1-17中任一項所述的粒子產(chǎn)生裝置的方法，所述方法包括提供慣性靜電晶格約束式的粒子產(chǎn)生裝置，包括：

24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，使所述陽極結(jié)構(gòu)的表面或所述陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分富集有氘和/或氚的步驟包括：

25.如權(quán)利要求23或24所述的方法，其中，在所述富集的步驟之前對待富集的所述表面進行化學蝕刻。

技術(shù)總結(jié)
提供了粒子產(chǎn)生裝置及包含其的系統(tǒng)。慣性靜電約束型的粒子產(chǎn)生裝置，包括容器、陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)，其中陽極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)位于容器內(nèi)。該粒子產(chǎn)生裝置進一步包括富集有可聚變同位素物質(zhì)的第一富集表面，其中該第一富集表面是陽極結(jié)構(gòu)的表面或陰極結(jié)構(gòu)的表面的至少一部分。

技術(shù)研發(fā)人員：T·華萊士-史密斯,T·C·費爾斯通
受保護的技術(shù)使用者：星際中子能有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8