CN101507371B - 产生高能粒子脉冲流的方法以及根据该方法操作的粒子源 - Google Patents

Abstract

一种用于产生高能粒子脉冲流的方法，包括如下步骤：在真空腔室(110)中的第一电极(111)处激发等离子体，并且使得所述等离子体能够朝着在所述真空腔室中的第二电极(112)发展；在所述等离子体处于离子或电子的空间分布距所述第二电极有一段距离的过渡状态时，在所述电极之间施加短的高电压脉冲，从而使所述分布的离子或电子朝着第二电极加速，从而产生高能带电粒子流，同时克服了常规的真空二极管的空间电荷电流限制；以及在所述第二电极(112)处产生所述高能粒子。还公开了一种粒子源。具体应用于产生极短的脉冲中子。

Description

产生高能粒子脉冲流的方法以及根据该方法操作的粒子源

技术领域

本发明涉及一种用于产生高能粒子流的方法，以及根据该方法操作的高能粒子源。

高能粒子可以是例如中子、离子、电子、x射线光子或其它类型的高能粒子。

背景技术

例如中子源这样的源在本领域中是已知的，并且一种具体的已知类型的中子源被称作“中子管”。

在此类型源中，离子源被加速到高能量以撞击靶。典型地使用彭宁离子源。靶为嵌入金属衬底中的氘(deuterium)D或氚(tritium)T化学物质，金属衬底典型地为钼(molybdenum)或钨(tungsten)。离子被加速到大约100kV以冲击到靶上。通过D-D或D-T反应产生中子。

D-T反应产生14.1MeV的中子。

D-D反应产生2.45MeV的中子，但是其横截面比D-T反应产生的中子的横截面小约100倍，即中子流小的多。

因此，通常优选地用基于氚的靶以获得高中子流。

中子产额(neutron yield)由被加速的离子射束的能量和电流、嵌入靶中的氘或氚的数量，以及靶上的功率耗散确定。

这样的中子管的限制在于，在10微秒脉冲内，从D-T反应得到的中子产生率一般被限制在10E4到10E5个中子之间。

这样的源的氘核射束电流I_D一般在小于10mA的量级。

此外，为了安全原因，严格限制靠近氚，这当然也是商业利用这样的源的一个问题。

而且，在这样的源中使用的氚材料是放射性的，因此需要非常特殊的安全手段。

另外，这样的源在其脉冲持续时间方面也是受限的。

实际上，为了一些应用，期望能获得极短的脉冲(即，仅仅是几个纳秒量级的脉冲)，并且用如上所述的源，一般不可能在这样特极短的脉冲内获得足够的粒子流。

已知可以利用加速器来生成这样的中子短脉冲。已经提出了基于D-Be反应的系统。来自离子源喷射器的氘核在回旋加速器中被加速到9MeV，然后被引导到Be靶上以产生中子。然而，这样的系统电流低，大并且复杂。

因此，现有的用于产生粒子脉冲束(或更一般地，粒子脉冲流)的源存在一些限制。

此外，现有的源暴露出其它重要的限制。

实际上，为了加速两个电极之间的带电粒子，基于两个电极之间的脉冲电压而操作的源暴露出蔡尔德-朗缪尔定律(Child-Langmuirlaw)导致的严重的限制。

此定律限制了电极之间的带电粒子流，这是电极之间的这些带电粒子堆积的结果。

此现象一般被称作“空间电荷”现象。其构成了限制现有的源的操作的屏障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生高能粒子脉冲流(例如中子、离子、电子、x射线光子等)的方法，以及实现该方法的源，其克服了上述限制。

更具体地，本发明的目的在于在极短的脉冲中产生具有很高电流密度的高能带电粒子流。

“很高电流密度”意味着电流密度在1kA/cm²或更高的数量级。

“超短脉冲”的定义是持续时间在几纳秒左右的脉冲。

本发明的另一个目的在于产生一种粒子流，该粒子流具有比在真空中由蔡尔德-朗缪尔定律限制的极限高的电流密度。

本发明的又一个目的在于提供一种高能粒子源，其能够被容易地投入使用，即可以在各种场所应用，尤其相当地小型化并且可运输。

因此，根据第一方面，本发明提供了一种用于产生高能粒子脉冲流的方法，包括如下步骤：

-在真空腔室中在第一电极处激发等离子体，并且使得所述等离子体能够朝着在所述真空腔室中的第二电极发展，

-在所述等离子体处于过渡状态，即离子或电子的空间分布距所述第二电极有一段距离时，在所述电极之间施加短的高电压脉冲，以便使所述分布的离子或电子朝着第二电极加速，从而产生高能带电粒子流，同时克服了常规的真空二极管的空间电荷电流限制，以及

-在所述第二电极产生所述高能粒子。

根据第二方面，本发明提供了一种高能粒子源，包括：

-真空腔室，其包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成了能够产生等离子体并且使该等离子体在所述腔室中朝着所述第二电极发展的等离子体离子源，

-离子源驱动器，其连接到所述第一电极，用于为所述等离子体离子源提供能量，

-高电压发生器，其连接在所述第一和第二电极之间，以及

-控制和监控单元，其响应于所述离子源驱动器对所述等离子体离子源的激活，在离子或电子的空间分布距所述第二电极有一段距离，即在所述等离子体处于过渡状态时，在所述第一和第二电极之间施加短的高电压脉冲，以便使所述分布的离子或电子朝着第二电极加速，并且产生高能带电粒子流，同时克服了常规的真空二极管的空间电荷电流限制。

本发明优选地但非受限的方面如下：

*通过所述加速离子或电子与所述第二电极之间的射束/靶的核或电磁反应来产生所述高能粒子。

*所述第二电极是半透明栅格结构，并且所述高能粒子由穿过所述第二电极的等离子体离子或电子本身构成。

*所述预定时间是从等离子体发生开始的时间延迟，所述延迟至少由脉冲的电压水平、电极的几何特性以及其相互距离，以及腔室压力确定。

*所述第一电极包括一对形成了等离子体放电离子源的电极部件。

附图说明

参照附图，根据下述对优选的但非受限的实施例的说明，本发明的其它方面、目的和优点将更加清楚地呈现，其中：

·图1为根据本发明的粒子源的概要图，

·图2a到2b描述了根据本发明的粒子产生的基本原理，

·图3a到3c概要地描述了三个实施例，其分别对应于三种粒子类型的产生。

具体实施方式

现在参照附图，图1概要地给出了根据本发明的粒子P的源10。

所述粒子可以是不同类型，并且在参照图3a到3c时将提到一些特定例子。

现在参照图1来描述中子源的特定例子。

源的总体说明

图1中所示的源10包括如下主要部分：

·中子管110，其包括充满低压气体(这里低压的意思是接近真空的气压，典型地在1-10Pa范围内)的腔室，并且包含：

第一电极111，其用于产生等离子体并且形成等离子体离子源；此第一电极111也被称为“发射”电极，

第二电极112，其形成靶，当靶被来自第一电极111产生的等离子体的带电粒子冲击时，从所述冲击产生高能粒子P，

第一和第二电极分别对应于阳极和阴极，或者相反，这取决于源的应用。

·中子瞄准仪120，其设置在中子管的下游，用于通过窗口121来接收由靶电极112产生的高能粒子P，并且用于将高能粒子流校准到所述粒子P的射束内。

·脉冲供电单元130，其主要包括：

离子源驱动器131，其连接到发射电极111上，用于给所述电极供电，并且使得等离子体在中子管110的腔室中激发。

高压(HV)电脉冲发生器132，其连接到电极111、112，用于在它们之间建立脉冲高电压(用于中子源的典型地为500kV或更高)，第一电极111或第二电极112一个保持在恒定电压(典型地，接地)，而另一个处于高电位；这些高电压脉冲与等离子体的激发同步产生。

·控制和监控单元140，其连接到脉冲供电单元130和中子管110，用于控制源的各种参数，特别是如下参数：

气体控制(即，控制中子管腔室110中的合成物和气压)，

高压充电(即，控制被HV脉冲发生器132释放的电压脉冲)，

对发射器132射出的HV脉冲的控制，以及通过离子源驱动器对第一电极111的供电的控制，

这进一步确保了“安全互锁”，即防止产生HV脉冲，除非已经首先由离子源在第一电极111建立了合适的等离子体，并且这监控了操作。

这里应注意的是，第一电极111可以具有不同的实施例。在这些实施例的第一个中，其包括由从离子源驱动器收到的电流供电的一组两个电极部件。在第二实施例中，由直射到第一电极111上的激光束激发等离子体。当然，其它的实施例也是可能的。

操作原理

源10的操作利用了过渡期，所述过渡期紧跟在等离子体在第一电极111处激发之后。

在图示的实施例中，由第一电极111的供电来激发等离子体(即，正和负电荷贮存器)，等离子体从所述第一电极111逐渐增多地产生。

然后等离子体从第一电极111扩散，其中等离子体温度小于1eV(1eV＝11604°K)并且扩散速度典型地小于1cm/微秒。

根据上述的等离子体激发和扩散，上面所谈到的“过渡期”对应于等离子体的激发和所述等离子体在腔室110内扩散并且到达第二电极112的时刻之间的时间段。

在这个时候，两个电极之间的空间在发射电极111附近具有高电荷(离子和电子)浓度，并且在另一个电极112的附近具有低得多的电荷浓度。此情况是因为在发射电极111产生的等离子体的有限扩散速度和等离子体离子和电子的速度分布。

如图2a中所示，在过渡期期间，对应于等离子体包络的等离子体边缘1101从发射电极111发展并且朝着第二电极112行进。包含在等离子体中的阳性和阴性带电粒子在图2a中表示为“+”或“-”符号。

等离子体的过渡期用于将HV脉冲的供给同步到靶电极112。更具体地，在过渡期期间的预定时间在电极111和112之间供给脉冲高电压，这将在下面描述。

基于等离子体的激发时间，由控制和监控单元140监控高电压的触发时间。

这里应观察到，在过渡期间触发HV脉冲引起初始电荷射束从发射电极111朝着靶电极112加速，如图2b所示。因此，在下面的说明书中HV脉冲可被称为“加速脉冲”。

被加速以形成此初始射束的电荷为“靶电荷”，即当靶电极被HV脉冲供电时，极性与靶电极的极性相反的初始等离子体的电荷。它们可以是离子或电子。

然后，这些被加速的电荷冲击到靶电极112上，之后靶电极112产生高能粒子P的射束。

此高能粒子的产生可以通过多种方法实现，如图3a-3c中所示，更具体地：

·通过射束靶的核或电磁反应，如图3a和3b中所示，或

·通过提取流经栅格结构的离子流，如图3c中所示。

已经在前面说明了等离子激发和加速脉冲触发是同步的。这是通过以预定的延迟跟随等离子体激发之后的加速脉冲来实现，所述预定延迟的值尤其取决于施加到第一电极111的电压水平、电极111和112的几何特性(这些电极形成了其行为取决于所述几何特性的二极管)、电极111和112两端的电压水平，以及腔室中的压力。

此延迟被设置为，使得在施加产生靶电荷加速的HV脉冲之前，在发射电极111和靶电极112之间的空间内获得合适的电荷密度分布环境。

所述合适环境为，当具有与靶电极的极性相反的极性的电荷已经发展到足够的密度时，前面1101仍与靶电极有一定距离。

在过渡期期间在发射电极111和靶电极112之间发展出来的等离子体在克服本说明书中的背景技术中所提到的空间电荷限制(即指出了空间电荷受限的电流流动的蔡尔德-朗缪尔定律)方面起到重要作用。

实际上，空间电荷现象将真空二极管中的电流限制到最大值，所述最大值只取决于二极管几何特性和电压，并且这反过来限制了可以在以适当功率运行的真空管中流动的最大电流。

电流密度表示为J ∝V^3/2/d²，其中V是二极管两端的电压，d是在1维平面描述中阳极和阴极之间的距离。

在高脉冲功率下，当在二极管两端施加脉冲电压时，在电压脉冲期间通常会出现电流，而在二极管两端测量的电压V在同一时间同时降落，表现为驱动电路的二极管阻抗Z＝V/I持续减小。在足够高的电流水平处，二极管两端的电压几乎降落到零，二极管事实上变成短路(即阻抗失效)。

所述阻抗失效或者二极管闭合得自于全导等离子体在二极管的阳极和阴极的发展，这花费了被称为过渡期的有限时间，如前所述。

通过在此过渡期结束之前来触发HV脉冲，可以通过发展出来的等离子体来加速靶电荷，避免了由于阻抗失效造成的电压降低障碍。

在此方面，等离子体起到了避免其包含的电荷的扩散的保留屏障的作用。

另一方面，在二极管区域内的弱等离子体(即，在进行中但还未全导电)的出现足够为加速的射束提供电荷中和，并且防止空间电荷的形成，其中如果带电粒子的射束被加速通过真空区域，空间电荷将出现。此中和能够获得远远超过蔡尔德-朗缪尔定律所设定的极限的射束电流。

因此在初始电极放电和加速脉冲之间的同步和延迟使得在二极管区域可发展足够的等离子体密度，以为加速的带电粒子射束提供电荷中和。

可以看出，加速脉冲的触发时间是根据第一脉冲放电产生的等离子体的激发时间而确定的。

加速脉冲的持续时间也是源操作的时间参数，并且受二极管闭合时间限制。

在常规的真空二极管类型的粒子源中，源的控制设备避免了可能导致阻抗失效的所有可能性，并且在中到高的真空(小于0.1Pa)中操作二极管。

更具体地，在常规中子管中，其中氘核的射束被加速越过二极管以撞击靶以产生中子，然后空间电荷电流的限制将二极管中的电流降限制到典型地0.3A/cm²，使氘核射束以100kV加速电压越过2cm的二极管间隙。在实际中，所使用的射束电流比此值低很多，典型地小于1mA。这限制了中子在这样的设备(例如热电公司(Thermo Electron，Corp)的型号P325的中子发生器，具有100kV的加速电压，0.1mA的最大射束电流，3×10⁸n/s的中子产额以及2.5μs的最小脉冲宽度)中产生的影响。

在本发明中，二极管在低动态压力范围下运行，典型地为0.1-10Pa。

用在发射电极激发的等离子体来操作二极管，并且可以以500kV的加速电压和1cm的二极管间隙，加速几kA的空间电荷中子化射束越过二极管间隙。

射束的持续时间(即加速电压的持续时间)典型地在10ns左右。

在本发明的情况中，可以在单个脉冲内获得实质上更高的等效通量率(每个10ns脉冲10⁸n产生10¹⁶n/s的等效通量率)。这里将意识到源的操作原理，即通过将极短高电压脉冲直接施加到电极上来制造高能带电粒子流，其中等离子体在所述电极之间处于过渡状态，能够克服常规的真空二极管的空间电荷电流限制。例如，可以产生短脉冲(＜10ns)，高电流(＞kA)，高能量(＞700keV)的带电粒子射束。

优选实施例的附加说明

如上所述，根据本发明的具体实施例的源用于产生氘核的初始射束，该射束撞击阴极靶112以产生中子射束。

在此情况下，用氘(至少大部分)来制造腔室的低压大气。

为了能够在公共环境中使用所述源，期望能够避免使用任何放射性材料，特别是用于靶电极的放射材料。

考虑到这一点，可以选择天然的锂来作为靶材料，可以通过7Li(d，n)8Be反应来产生具有高达14MeV的最大能量的高能中子的宽频谱。

利用7Li作为靶材料要求氘核具有比如果使用氚靶所需要的能量(后者只需要约120keV的能量)高的多的能量(典型地在500keV以上)，因此在这样的实施例中需要更高的加速。

另外，因为纯Li是具有低熔点的金属，且可以很容易地被氧化，优选地，可以使用含7Li的化合物。

这里所述的具体实施例中，通过将短的高电压脉冲直接施加在等离子体离子二极管的两端来产生高能氘核。

此方法克服了真空二极管的空间电荷电流限制，并且使得能够产生短脉冲(＜10ns)，高电流(＞kA)，高能量(＞500keV)的氘核射束。

这样的高能氘核射束冲击到含锂靶上导致具有高强度和能量的中子脉冲。

中子脉冲基于命令触发器由“需要”产生。在所有其它时间，整个系统处于“关闭”状态。因此不可能有意外的中子产生。

HV脉冲发生器132优选地包括一系列电压倍增和脉冲压缩模块。首先利用常规的电子反相器单元来将电压从开始的供给电压(例如220V)增加到30kV。此电压用于供给四级马克思(Marx)电路。

基于来自单元140的命令触发器，Marx电路产生120kV的脉冲电压。然后此电压用于为脉冲形成线电路充电以产生120kV的5ns脉冲。

此脉冲形成电路的输出连接到6倍脉冲变压器，提供720kV的最大终端电压脉冲。然后通过特定的绝缘高压耦合级将此高电压脉冲供给到中子靶固定器。

高电压发生器被浸入到高电压绝缘油中，这使得能够设计出非常紧凑的单元。

由产生氘核的离子源111由氘的单独放电供给。单独的高电压离子源驱动器131响应于用于同步高电压脉冲发生器的控制信号，用来给离子源供电。

离子源被设置为等离子体二极管的阳极111，以含锂中子靶作为阴极112。通过施加高电压脉冲，具有＞1kA电流的氘核射束可以被高电压加速以冲击到阴极靶上，因而产生高能量中子。

整个发生器在专用控制台的控制下运行，该专用控制台是控制和监控单元140的一部分，并且提供中子发生器的所有模块的控制和状态信息。单元140也连接到一组安全传感器上以确保中子发生器系统的安全连接和合适的运行。

通过小的涡轮分子泵将中子管腔室110排空到通常的小于0.1Pa。基于产生中子脉冲的命令，氘气通过离子源的放电电极被注入到腔室中，将腔室压力提高到大约10Pa。然后离子源驱动器被供电以产生第一瞬时等离子体。在预定时间延迟(其对应于瞬时等离子体的产生和所述等离子体扩充到足够提供电荷中和之间的时间)之后，控制和监控单元140确认离子源正在正确地运行，然后发出命令来启动高电压脉冲发生器，基于此将产生高能氘核射束以撞击到中子靶上，并且将产生极短的中子脉冲。

在脉冲的结尾，腔室被再次排空到0.1Pa以下，为下一个脉冲作好准备。

中子一般被同向性地发射。为了产生用于目标的局部分析或“询问”的特定射束，基于例如CH₂的富氢物质的中子瞄准仪被用于将射束频谱限定在前进方向上。瞄准仪有效地缓和并加热中子。热的中子比原始脉冲慢得多地到达被询问的目标，并且提供附加的信息通道。

利用3维蒙特卡洛(Monte-Carlo)码MCNP4B，在根据本发明的模型中的良好信噪比的情况下，针对＜1m的附近区域目标，大规模数值建模建立了10⁴中子/cm²的通量。

此数据没有考虑到利用先进的信号处理算法在检测器性能方面的可能的改进。如果靶表面离中子源1m远，假定等方向发射，那么中子源强度一定是4п×10⁸的中子总量。

所述原型通过7Li(d，n)8Be反应能够产生10⁹个中子的5ns脉冲。

7Li+d→8Be+n+15.02Mev

此反应发出热量并且剩余的核子可以处于很多不同的激发状态，甚至是对于不太高的氘核能量。因此产生的中子具有宽的能量范围，能量可以高达14MeV。

为了解决中子能量频谱的可再现性，通过如下两个参数来控制中子源强度：

·Marx单元的操作电压，以及因此的加速脉冲的数量，

·以及驱动器的阻抗，

这两个参数一起控制离子射束电流。

在5ns脉冲内产生10⁹个中子表示了每秒2×10¹⁷个中子的非常高的中子速率。然而，因为发生器被设计在大约1Hz的重复率下操作，占空比非常低而且平均中子源速率只有每秒10⁹个中子。这对于用于公开操作的个人安全考虑来说非常重要。

特定实施例的例子

如前所述的源可以用于产生不同种类的高能粒子。

如果发射电极被限定为阳极(通过加速脉冲的符号)并且低压气体例如为氘，那么阴极作为靶并且源可以用作中子源(参照图3a)。

如果发射电极是阴极并且低压气体为例如H₂或Ar，那么阳极用作靶并且源可以用作X射线光子源(参照图3b)。

源也可以被用作离子射束源，例如其中发射电极为阳极，且阴极被设置为加速后的正离子射束可以穿过的半透明栅格结构(参照图3c)。

粒子流在穿过所述阴极之后被提取。

相似地，源也可以用作电子射束或负离子源，例如其中发射电极为阴极，阳极被设置为加速后的负带电粒子射束可以穿过的栅格。

Claims (8)

1.一种用于产生高能粒子脉冲流的方法，包括如下步骤：

-在真空腔室(110)中的第一电极(111)处激发等离子体，并且使得所述等离子体能够朝着所述真空腔室中的第二电极(112)发展，

-在过渡期结束之前，在所述第一电极和所述第二电极之间施加短的高电压脉冲，以便使所述等离子体中的离子和电子朝着所述第二电极加速，从而产生高能带电粒子流，同时克服了常规的空间二极管的空间电荷电流限制，其中所述过渡期对应于通过对所述第一电极供电而实现的等离子体的激发和所述等离子体在所述真空腔室内扩散并且到达第二电极的时刻之间的时间段，在所述过渡期，在所述第一电极和所述第二电极之间的空间中，在所述第一电极的附近具有高的离子和电子浓度，且在所述第二电极附近具有低得多的离子和电子浓度，并且在所述过渡期，所述离子和电子与所述第二电极有一定距离，以及

-在所述第二电极(112)处产生所述高能粒子脉冲流；

其中在过渡期结束之前施加所述短的高电压脉冲的时间至少由所述短的高电压脉冲的电压水平、所述第一电极和所述第二电极(111，112)的几何特性及所述第一电极和所述第二电极的相互距离，以及所述真空腔室的压力确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过朝着所述第二电极加速的所述离子和电子产生的射束/靶的核反应或电磁反应来产生所述高能粒子脉冲流。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电极是半透明栅格结构，并且所述高能粒子脉冲流由穿过所述第二电极(112)的等离子体离子或电子本身构成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电极(111)包括一对形成了等离子体放电离子源的电极部件。

5.一种高能粒子源，包括：

-真空腔室(110)，其包括第一电极(111)和第二电极(112)，所述第一电极形成了能够使等离子体产生并在所述腔室中朝着所述第二电极发展的等离子体离子源，

-离子源驱动器(131)，其连接到所述第一电极，用于为所述等离子体离子源加载能量，

-高电压发生器(132)，其连接在所述第一和第二电极之间，以及

-控制和监控单元(140)，用于响应于所述离子源驱动器对所述等离子体离子源的激活，在所述等离子体所处于的过渡期结束之前，在所述第一和第二电极之间施加短的高电压脉冲，以便使所述等离子体中的离子和电子朝着所述第二电极加速，并且产生高能粒子脉冲流，同时克服了常规的空间二极管的空间电荷电流限制，其中所述过渡期对应于通过对所述第一电极供电而实现的等离子体的激发和所述等离子体在所述真空腔室内扩散并且到达第二电极的时刻之间的时间段，在所述过渡期，在所述第一电极和所述第二电极之间的空间中，在所述第一电极附件具有高的离子和电子浓度，且在所述第二电极附近具有低得多的离子和电子浓度，并且在所述过渡期，所述离子和电子与所述第二电极有一定距离；

其中所述控制和监控单元(140)能够在开始产生等离子体的预定时间延迟之后发射所述高电压脉冲；

其中所述预定时间延迟至少由所述短的高电压脉冲的电压水平、所述第一电极和所述第二电极的几何特性及所述第一电极和所述第二电极的相互距离，以及所述真空腔室的压力确定。

6.根据权利要求5所述的高能粒子源，其中通过朝着所述第二电极加速的所述离子和电子产生的射束/靶的核反应或电磁反应来产生所述高能粒子脉冲流。

7.根据权利要求5所述的高能粒子源，其中所述第二电极(112)是半透明栅格结构，并且所述高能粒子脉冲流由穿过所述第二电极(112)的等离子体离子或电子本身构成。

8.根据权利要求5所述的高能粒子源，其中所述第一电极(111)包括一对形成了等离子体放电离子源的电极部件。

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