CN101978429A - 寿命长的高效中子发生器 - Google Patents

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Abstract

论述了一种紧凑、高效、高通量能力的紧凑加速器聚变中子发生器(FNG)。FNG能够用在各种工业分析应用中来替代对终端用户和国家安全具有更高风险的放射性同位素的使用。通过创新的靶材和离子源技术，实现高效、长寿命和高功率处理能力。该设备能够针对中子射线照相应用按比例扩大或针对钻孔分析或其他紧凑应用按比例缩小。能够兼容诸如定制中子输出能谱、脉冲调制和相关粒子成像之类的先进技术。

Description

寿命长的高效中子发生器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于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，所有这些临时专利申请通过引用毫无排除地全文合并于此，无论在此具体引用还是通过其他方式引用。
背景技术
放射性核源目前在工业中用在各个场合，包括采矿、煤、水泥进料以及地下扫描(例如，土壤组成分析和地雷探测)的现场元素分析。传统的核源已知为诸如252Cf或Am-Be的放射性同位素。放射性同位素总是处于放射性状态，需要屏蔽，限制了分析类型(例如，无脉冲或飞行时间)，并在制造和装配期间造成人员危险，以及由于所谓的“脏弹”的威胁而造成安全危险。中子也可以利用传统的加速技术得以生成，但这些系统具有大的尺寸和能量消耗要求。具有紧凑且有效的聚变中子发生器(FNG)由于在解决与放射性同位素相关的问题的同时避免使用复杂的大型加速器，因而将会直接有益于许多产业。
新型紧凑加速器中子源的基本布局显示在图1中。标准硬件包括：高压发电机1(约100kV)、金属氢化物靶材2(通常为钛)、一个或多个加速器栅格3、离子源组件4(彭宁或射频)以及常使用氢吸气剂的气体控制储存器5。操作如下进行：纯氘(DD系统)或氘氚(DT系统)气体混合物(T高达10Ci)在大约10毫托的压力下被引导到该系统；生成等离子体，以提供从源区被提取并被加速到约100keV的离子；这些离子轰击靶2，在此可与嵌入在靶2中的其他氢同位素进行聚变反应。DD聚变反应生成2.45MeV中子，而DT反应形成14MeV中子。示例性系统能够连续操作或脉冲操作以进行飞行时间测量。
有多个重要的非放射性中子发生器供应商，所有这些供应商均使用加速器靶构造。标价为85-350千美元，其中成本最高的部件为高压电源、电馈件和中继馈件。寿命通常受限于靶材和绝缘体涂层的退化，其中最好的供应商报告：对于1×106DD n/s和1×108DT n/s的标称输出水平，寿命约为1000小时；替换靶单元为每个在5-50千美元。目前，没有供应商具有经济有效的高输出(＞1E8n/s)的DD系统。
用于工业上放射性同位素替代的中子发生器常使用DD聚变反应，这是因为2.45-MeV DD中子更容易应用于使用Cf252的现有应用，其具有2.1MeV的平均中子能量。仅基于聚变截面和反应结合，DT发生器具有的中子生产率为DD发生器的中子生产率的约100倍。然而，与2.45-MeV中子相比，对14.1-MeV DT生成中子的屏蔽和减速要求更为严格，这使得DD对许多市场应用而言更有吸引力。
发明内容
本发明的各方案包括一种用于紧凑、高效、寿命长的聚变中子发生器(FNG)的高创新性方式，用于例如以下应用中：增强的中子射线照相、无损检测、块材料扫描，其中使用已知为瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)的检测方法、其他NAA方法、以及其他使用中子的分析方法。诸如252Cf的放射性同位素目前用于学术研究和工业市场中，但由于国土安全问题而受到越来越多的检查。多种FNG技术在市场上可得，但受阻于高成本、大尺寸、低效率和短寿命，常使其不适于广泛使用。
如图2所概示，对设备的创新总体上源于长寿命和高效的可再生低Z(低原子序数)靶与允许长寿命的紧凑易用热管理的RF离子源的组合。这些因素相结合以增大产量和减少成本。更高的效率和更好的热性能允许源尺寸减小，从而允许其用于需要小源的应用，例如小直径的钻孔(＜2英寸)。这种紧凑且廉价的源还能够用于地质科学的实验室和学术设定以及其他无损检测应用，例如，现场块材料分析(例如用于煤和水泥采矿)、土壤分析、钻孔测井分析、安全排查系统以及其他。这些创新将使业界的放射性中子源在多种广泛应用中被FNG取代，由此提高安全性并拓宽可实现的分析类型。另外，创新设计已经实现以高效和经济有效的方式使必要部件与FNG子系统相结合。
诸如彭宁离子源之类的传统离子源使用活化丝或多个接触等离子体的电极来形成电离。这些部件最终磨损，由此导致系统失效并限制寿命。本发明的各方案包括射频(RF)或微波离子源，其不使用电极并具有生成高比例单原子离子的优点。RF离子源使用在系统壁/绝缘体外侧的卷绕或成形的带、天线，其将电磁能沉积到气体中，从而导致电离、离解和等离子体的维持。尽管目前的FNG将其靶偏置到大的负电压来形成加速场，但本发明的各方案使用RF离子源的另一固有优点，并在将RF硬件和靶维持在接地电位或接近于接地电位的同时升高等离子体的电压。这是可能的，因为RF通过电磁场而不是与等离子体接触的物理电极来耦合其能量。使用接地靶解决了多个设计问题，例如靶热控和靶诊断。这具有另外的益处：由于不需要高压隔离硬件而允许中子源(靶)更靠近被分析的材料，使得对于相同源输出在所关注材料处产生更高的中子通量。RF或微波离子源还允许相对容易的多源构造，其中多个离子束能够从共同的等离子体区域引出而产生多点中子源。
除了连续工作以外，对于脉冲工作还存在多种选择。一种选择是对引出电极进行脉冲调制。这具有的益处是需要相对较低电压脉冲，但仍需要高压脉冲整形网络。另一选择是使用脉冲变压器直接对高压功率进行脉冲调制。基于变压器的脉冲系统的简单示意图显示于图7。该示例性方法具有的优点是允许使用低电压脉冲整形网络元件和低电压(较低成本)DC电源。使用聚束电极能够进一步将系统的脉冲缩短至纳秒级。对脉冲技术的选择取决于成本、尺寸和终端用户需要。所有这些技术能够根据脉冲系统的占空比通过相应的宽范围的重复率来实现0.1-10,000微秒范围内的脉冲宽度。
在此描述的进一步的示例性系统能够与相关粒子成像(API)技术集成。
附图说明
图1为根据本发明方案的示例性新型紧凑加速器中子源的示意图；
图2为图示根据本发明方案的示例性系统的不同部件的性能的图表；
图3为根据本发明方案的示例性中子发生器的方框图；
图4为根据本发明方案的示例性中子发生器；
图5为根据本发明方案的具有射频离子源的示例性中子发生器；
图6为根据本发明方案的对ECR离子源改进的示例性中子发生器；以及
图7为根据本发明方案的示例性功率脉冲发生器的示意图。
具体实施方式
图3显示本发明通用实施例的“中子管”芯的布局。真空器皿10形成主结构。其内部有三个主电极：离子源(阳极)11、中子生成靶(阴极)12、以及电子抑制电极13。离子源电源14根据所使用的离子源11的类型形成AC、DC或射频/微波功率。不易蒸发的吸气剂15用于通过加热而控制气体压力。
在图4中所示的一个可行实施例中，真空器皿10为由导体和绝缘体的组合物制成的密封管。如果中子管的一端处于低电压，则其能够由导电材料容易地制成，以便于电馈件的制造和安装。所用导电体主要包括铝、不锈钢、铜和科瓦铁镍钴合金。不锈钢和铁被最少化以减少NAA应用中的伽玛信号。玻璃、石英或氧化铝(或类似的陶瓷)能够用于绝缘、高压区域。这种类型的真空器皿10的外径能够从0.25英寸到12英寸变动。如图4中可见，作为中子管的辅助，诊断压力计30、例如电离压力计可连接到真空器皿10。电馈件31、32、33、34和35允许电压被施加到离子源37、抑制器13、靶12、诊断热电偶37和吸气剂15并从中读数，还控制其他诊断和内部系统。为了清空器皿，包括由铜修整管、玻璃管或机械阀38制成的泵出端口16。为了使这些特征在空间约束范围内，可使用真空兼容管件39。泵出端口15可被连接到器皿的金属或绝缘体部分。在系统完全装配于真空环境的情况下，可以不需要泵出端口。真空器皿10的主体包括预制的玻璃-金属或陶瓷-金属的密封件，所述密封件能够利用标准金属加工或玻璃加工技术被硬焊或熔焊到一起，和/或具有通过真空法兰40彼此固定以易于装配/拆卸、直径通常从1-1/3英寸到12英寸的两个部分。在装配期间，器皿10被预加载以合适量的氘和/或氚气体。对于所关注问题是多个中子产生反应导致氦累积的输出和寿命构造的系统而言，离子泵型的设备还能够被连接到器皿，以在吸气剂15被暂时泵离工作气体之后将氦和其他污染物泵离。
离子源36为系统的阳极11，其产生被加速进入到靶12中的多个离子。离子束43从离子源36被引出，经过抑制器13中的开口，最后撞击在靶12上。引出电流的量应从10nA/cm2到1kA/cm2变动。位于离子源36前方的是引出面41(其具有的开口直径通常在1mm到离子源36的直径的80％之间)和电极形体42的组合，用于定制被引出离子束43的聚焦，从而覆盖大多数或全部靶12。根据等离子体性能，引出面41可包含或可不包含栅格引出网，该网具有高百分比开口面积和通常在20英寸到150英寸之间的栅格间隔。该系统可具有或可不具有位于离子源36与抑制电极13之间以有助于引出离子流的引出偏置电极(未示出)。离子束43被构建为使得撞击在靶12上的能力密度基本一致。这有益于功率/加热处理、中子产生效率和靶12的寿命。所使用的离子源36的类型可以是但不限于：使用RF天线44和匹配网络系统45的射频(RF)、使用微波发生器70以形成微波能量71的电子回旋共振(ECR)、彭宁(冷阴极)4、场致电离或火花隙。真空中的阳极11的区域可长1英寸到12英寸，部分填充或完全填充将其容纳的真空器皿10的直径。
在RF离子源的情况下，离子源36包括：真空器皿10内(与钢或氧化铝容器相比以，减少溅射、污染和离子-电子再结合的量)的玻璃容器46(以相对于石英或氧化铝而增大单原子态粒子分数)；RF天线44(以0.5到10匝按柱形缠绕真空器皿10)；磁体47(以在离子源36内形成强度为10高斯到10000高斯的强的基本均匀的轴向磁场，从而使等离子体壁相互作用的功率损耗最小)；和RF匹配网络45。玻璃容器46可集成到真空器皿10(例如，见真空器皿72)。输入到离子源36的RF功率可从0.1W到10,000W变动。RF频率可在0.1MHz到1GHz的范围内。匹配网络45包含能够具有固定和/或可调值、以“L”或“pi”构造而布置的电容器和/或电感器。上述部件可具有出厂的固定值或可在操作期间通过步进马达或类似系统而可调节。为了进一步微调被装配系统中的匹配状况，RF发生器14的工作频率能够以足够小的增量进行调节。上述部件被选择、布置、调整、并以类似于图4所示的相对布置而固定就位，以激励一个或多个模式，从而形成且最大化等离子体密度和可引出电流的量、使离子束43中的单原子态粒子分数最大、并优化RF功率的使用。使用ECR离子源(见图6)能够甚至更为有效地实现这些目标。典型的频率值可从200MHz到20GHz变动。微波能量可通过外部施加器被施加到离子源，外部施加器包括但不限于波导、介质窗、或天线发射结构。构建磁场以形成电子回旋共振区。离子源11能够被升高到正电压，或在接地电位时工作。选择构造以适应脉冲调制、功率电平、尺寸和寿命的要求。对于图4中的实施例，靶12接近于接地电位，而离子源36被升高到高的正DC电压。
电子抑制电极13与离子源引出光学器件41、42一起工作以构建离子束43。电子抑制电极13应以从0V到10,000V的量相对于靶(阴极)电极12被偏置为负。电子抑制电极13能够通过分离的电源21被偏置，或利用连接到靶12的电阻器或稳压二极管系统被偏置。电子抑制电极13的尺寸和形状使得高压梯度的场致发射得以避免。抑制器13的外径应基本填充真空器皿10的内径，中心处的开口应足够大以允许离子束43不受阻碍地穿过，同时不能过大以致于在抑制器13与靶12之间需要相当大电压差来有效抑制由于撞击离子所致的从靶发出的二次电子。一个或多个电极被布置为构建电位，以使来自离子源的离子的相当大的部分与靶碰撞，从而减少对于阳极电极的电子损耗。
固态靶(阴极)电极12由经由冷却剂连接部33(在被施加偏置电压时还用作电馈件)的冷却金属基体构成，通常为不锈钢、镍、铜或钼，其涂覆有吸氢材料层，例如锂、钛、或用以实现有用的中子产生反应的其他材料。低原子序数的材料通常是优选的，用于增大效率。靶材可具有以下性能中的至少一种：靶材的平均或有效原子序数在1到21之间；靶材能够原位再生；靶材能够原位沉积；靶材有能力引起产生截面大于1微靶的二次中子产生反应。上述靶可包括氢同位素、锂、锂同位素、包括LiD、LiAlD4和LiBD4在内的锂化合物、锂合金、和它们的任意混合物或组合物。靶12能够被保持处于接地电位或通过外部电源17被偏置为负。而且，在抑制器与靶之间的偏置电压能够通过将抑制器连接到负电压、或将其接地、以及利用稳压二极管、电阻器或其他电压调整器件将靶连接到抑制器而得以保持。靶12的尺寸能够被选择为适合于所需的应用、功率负荷和寿命。基本平坦的圆形形状为优选，但也可使用诸如倾斜、锥形或柱形之类的其他形状控制溅射材料的量和位置(在源和目的地的量和位置)和提供独特的中子源发射区域/容积。设备的这种类型的圆形靶12的直径可从0.1英寸到12英寸变动。在离子源任一侧上具有两个或更多靶的中子管10能够使得两个或更多中子源位于一个设备内。在真空器皿10、72内有意使用溅射和蒸发对系统的寿命和效率具有许多益处。连接的热电偶37或其他温度测量装置能够在工作期间用于诊断。靶12的冷却系统18能够与真空器皿10、72电隔离，以测量落在靶12上的离子束43的电流和用于其他诊断目的。通过嵌在靶中的通道33实现的主动液体冷却可用于高功率应用，其中利用环境或主动冷却流体。还可以使用散热器，将热排放到环境中。靶的位置可在离子束43的路径中的超过抑制电极13的任何地方，即，接近系统的最末端，从而增大所测试相邻材料的中子通量。靶12的表面材料能够原位3沉积和/或再生。靶12的寿命能够通过使用再生得以延长。靶12的材料还能够被仔细选择以规定中子输出能谱，而同时仍使用氘和/或氚作为工作燃料。这包括在不使用放射性氚气体的情况下使系统成为快中子源(＞2.5MeV)。
气体储存器15能够是简单的钛丝或是不易蒸发的吸气剂泵，用于增强真空器皿10、72的真空质量。气体储存器15能够位于低压区域，例如，在靶12后方、靶12侧方、或在离子源区域36后方或离子源区域36中。外部电源19使交流电流或直流电流经由电馈件35通过该设备，以加热气体储存器15并控制其温度，由此控制真空器皿10、72中的工作气体的压力。气体储存器15被加载以适量的氘或氚气体，以实现10-5托到10-2托的工作压力，同时保持足够的气体储存量以随着时间补偿污染物和放射性衰变的影响。24
高压电源17、20用于通过从10kV到大于500kV的聚变相关电压而将离子源(阳极)11、36与靶(阴极)12分离。这可通过连接到阳极11、36的正电压源20、连接到阴极12的负电压源17、或正电压源20和负电压源17来实现。高电压可通过各种方式生成，例如通过传统的Cockcrof-Walton倍压器73、压电晶体变压器或通过热电晶体技术生成。高电源的生成能够在邻近中子管10的生成器系统中完成，或者，高电压能够经由连接电缆48被传递到中子管。为了有助于稳定该系统和减少意外的高电压电弧、过电流的影响或其他问题，可使用镇流电阻49，其数值能够从10kΩ到10MΩ变动。
外封闭体50容纳中子管10和相关的馈件、电子器件和电源。外封闭体50由诸如铝或不锈钢之类的结构导电材料构成，以在整个系统周围提供安全接地屏蔽并防止RF噪声影响其他设备。为了高压隔离和冷却，接地的封闭体50被填充以绝缘流体51，例如矿物油、变压器油、SF6气体或例如Fluoinert之类的全氟化的绝缘流体，绝缘流体51通过密封件52围绕中子管10密封。
在示例性系统中可包括控制台，其包含在用于保护设备的封闭体或支架中大多数或所有的所需支撑设备，并使用户可访问以设定和监控工作参数。系统控制器应装容于此，其可包括个人电脑、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他定制或标准电路。模拟的和数字的输入和输出允许控制系统与设备的其他零件通讯，所述其它零件即：离子源电源(RF或微波放大器)14、如图3所示的其他电源、气体储存器15、和任何可用的冷却系统18。本发明的各方案可包括多个诊断传感器，且诊断传感器选自包括以下装置的组中：粒子探测器、电流探测器、电压探测器、电阻监控器、压力计、热电偶和溅射计。另外，对于接地靶，对于给定的中子管直径，电极区域可以被最大化以提高耐久性和管的寿命。控制台经由成束的同轴电缆、引线和管件被连接到中子管10。
在图5中详细示出优选实施例。真空壳是小直径绝缘管72，其使用具有磁材料47的RF动力离子源36。通过电源20(图示为定制结构和尺寸的Cockcroft-Walton倍压器73，其邻近中子管10定位，从而不需要高电压连接电缆48，并通过嵌入真空器皿72中的馈件74馈送到真空器皿72中以偏置束形电极(41、42))被提升到高电压，并且扁平圆形的靶12处于接地电位。抑制器13经由嵌入真空器皿72中的馈件75而被偏置。高级吸气剂材料15被加载以D和/或T，并使用闭环控制系统19维持真空器皿72中的稳定气体压力。靶12包括薄锂层以使效率2最大化并定制中子能谱5，位于由诸如镍或钼之类的材料制成的冷却基体上，并能够通过来自离子束43的热量且通过无需中子管72打开的原位蒸发过程3而再生4。靶12位于系统的极端附近，从而使所测试物体上的中子通量最大。对于必需靶热管理的苛刻应用，例如钻孔油井测量，接地靶12能够直接散热到外封闭体50，从而将由于离子束与靶互相作用而产生的热量有效地传到周围环境。外封闭体50由铝制成，以使NAA信号最小化；类似地，碳钢和不锈钢的使用通常被最小化。外封闭体50以全氟化的绝缘和冷却流体填充和密封，以避免中子减速和氢吸收。28
图6显示使用ECR型离子源36而改进的优选实施例，ECR型离子源36利用微波发生器70来形成微波能量71、激发气体分子来形成电离。辅助于中子管(10、72)的各部件的基本布局能够针对该设备而容易地调节，以在给定应用的尺寸和形状约束范围内进行匹配。
本发明的各方案包括具有RF离子源的中子发生器。为了在这样的中子发生器中实现较高原子分数(例如＞50％)，经常使用感应耦合等离子体放电。传统上，由于等离子体中的氢离子的高移动性，对于氢放电而言这需要千瓦级的功率。结果，强加热和热学冷却的问题使在工程上紧凑的设备难以实现且昂贵。例如，现有技术使用具有专用冷却结构的蓝宝石窗来管理多千瓦级和钼表面以维持高的热负荷。
本发明的各方案包括一种方法，其中，设计等离子体源空腔来促进氢气分子通过等离子体相互作用而离解，同时为了后续的电离保持等离子体区域内的高程度的原子氢俘获或约束。这可通过使用暴露于等离子体的低再结合率的表面材料以及等离子体源区域的高几何俘获设计而实现。另外，表面可通过各种技术(包括但不限于化学蚀刻、材料沉积、烘焙、涂覆和等离子体处理等技术)进行处理，以减少其表面复合性能。
在一实施例中，等离子体源区域被精制而具有低再结合材料表面和出口孔，使得离解的氢原子将在等离子体源容积内以高程度的约束而弹跳，直到在出口孔附近发生电离以进行离子束引出。优化该中性原子俘获可通过构建离子源而实现。
使用磁镜构造，RF能量能够利用磁镜效应被有效地传递到出口孔附近的等离子体。RF等离子体的泵送能够将电子驱动到高磁场位置并将轴向能量转换成径向能量。尽管低的轴向速度增大了高B场区域中的局部密度，不过具有高径向能量的电子使氢快速电离和离解并产生高质量的离子束。RF天线位于较低磁场的区域中，使得电子通过RF或电磁场被加速到更高B的区域中。所采用的RF频率能够被调节，以针对在RF天线区域与高场区域之间的电子弹跳频率使高场区域中的等离子体功率沉积最大化。离子源出口孔位于该区域附近，以获得高电流。与低再结合材料和几何俘获相结合，高原子氢离子分数和射束电流能够通过低输入功率水平而获得。对于1英寸直径的管，在良好的原子-分子分数下，对于小于5W的功率水平已获得超过1mA的电流。
磁镜、B场形状、等离子体源容积以及离子束引出孔的设计可针对不同的中子发生器应用进行优化，例如，对于油井测量应用的小直径、对于中子射线照相或货物检查应用的大电流，等等。调节源的轮廓影响投射到靶上的射束轮廓。这对加热目的较为重要，并且需要具有均匀的靶负载。在一个实施例中，调节磁镜，使得离子源出口孔的磁场接近于RF源区域中的磁场，从而在靶位置处产生高度均匀的射束。
本发明的另一实施例可包括一个离子源，该离子源生成的离子被加速且与位于不同靶位置的一个或多个靶材碰撞。进一步的实施例可包括负离子源。
现有技术水平的使用螺旋波RF等离子体的高效离子源，对于每瓦特RF功率6.5微安的效率而利用1.24kW的RF功率产生8.1mA的离子流。本发明的方案产生每瓦特RF功率至少10微安的离子流。通过增强离子源中的中性原子态粒子俘获，还能获得每瓦特RF功率10微安的原子离子流。
在此引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，均通过引用合并于此，如同每一参考文献被单独且具体指明通过引用被合并于此和全文陈述于此。
在描述本发明的各处表述中(特别是在以下权利要求书的各处表述中)使用的术语“一”、“一个”、“所述”以及类似指代，被视为覆盖单数和复数，除非在此另有说明或与上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被视为开放式术语(即，意思是“包括”但“不限于”)，除非另有注明。在此列举数值范围仅意在用作分别指代落在该范围内的每一独立值的简述方法，除非在此另有说明，并且每一独立值被包括在申请文件中，如同其在此被单独引用。在此描述的所有方法能够按照任何合适的顺序执行，除非在此另有说明或与上下文明显矛盾。使用在此提供的任意和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)，仅意在更好地阐释本发明，而并非限制本发明的范围，除非另有要求。申请文件中的语言应被视为并未指示将任何未以权利要求限定的因素作为实施本发明的必要因素。
在此描述本发明的优选实施例，包括发明人已知的对实现本发明的最佳实施模式。通过阅读以上描述，这些优选实施例的各变例对本领域技术人员而言可变得明显。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这些变例，并且，发明人希望本发明能够以不同于在此具体所述的其他方式进行实施。因此，本发明包括适用法律所允许的、在此所附权利要求书中陈述主题的所有改进和等同设置。而且，上述各因素按照其所有可能变例的任意组合也包括在本发明内，除非在此另有说明或与上下文明显矛盾。

Claims (52)

1.一种用于生成中子的系统，该系统包括：
中子管，离子在其中被产生、加速、和致使与位于至少一个靶位置处的至少一个靶材碰撞；
真空器皿，其被容纳在所述中子管内，用于接收氢同位素气体；
气体储存器，其连接到所述真空器皿，其中所述气体储存器容纳所述氢同位素气体；
气体储存器控制器，用于控制被释放到所述真空器皿中的所述氢同位素气体的压力；
离子源，其位于所述中子管内，所述离子源具有一个或多个表面，以减少由所述离子源生成的原子态粒子发生表面复合；所述离子源进一步具有一定几何形状，以通过提供缩窄孔以限制来自所述离子源的中性原子态粒子的流动而增大中性原子态粒子俘获，所述离子源被配置为构建一磁场，以促进等离子体约束、对等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近的等离子体密度增大，从而增强电流和射束质量；
至少一个阳极电极，其中所述阳极电极相对于位于所述至少一个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到正电压；
控制台，用于控制所述系统，其中所述至少一个靶材具有从包括以下特性的组中选出的一种或多种特性：平均或有效原子序数在1到21之间；具有原位再生的能力；具有原位沉积的能力；有能力引起截面大于1微靶的二次中子产生反应，并且其中被加速的离子与在所述真空器皿中和存储在所述靶材内的氢同位素气体相互作用；
至少一个抑制电极，其相对于位于所述至少一个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到负电压，以减少朝向阳极电极的电子流动；以及
一个或多个靶电极，其包括靶基体，所述靶基体通过将离子束热负载传送而远离所述靶材来冷却所述靶材。
2.一种用于生成中子的系统，该系统包括：
中子管，离子在其中被产生、加速、和致使与位于至少一个靶位置处的至少一个靶材碰撞；
真空器皿，其被容纳在所述中子管内，用于接收氢同位素气体；
气体储存器，其连接到所述真空器皿，其中所述气体储存器容纳所述氢同位素气体；
气体储存器控制器，用于控制被释放到所述真空器皿中的所述氢同位素气体的压力；
离子源，其位于所述中子管内，并具有一定几何形状以增大中性原子态粒子俘获；
至少一个阳极电极，其中所述阳极电极相对于位于所述至少一个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到正电压；以及
用于控制所述系统的控制台；
其中被加速的离子与在所述真空器皿中和存储在所述靶材内的氢同位素气体相互作用。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，至少一个表面被处理以减少氢同位素气体的再结合。
4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括充气端口和密封装置，二者均被连接到所述气体储存器，其中，所述真空器皿被气密性密封，并且所述气体储存器保持所述真空器皿中的真空。
5.根据权利要求2所述的系统，进一步包括多个诊断传感器，所述诊断传感器选自包括以下装置的组中：粒子探测器、电流探测器、电压探测器、电阻监控器、压力计、热电偶、和溅射计。
6.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：
多个电极，其包括阳极电极、引出电极、抑制电极和靶电极中的至少两种；
其中，一个或多个阳极电极相对于位于每个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到正电压，从而使离子朝向位于所述靶位置处的所述靶材加速；
其中，一个或多个引出电极用于构建和改进离子束加速特性；
其中，通过使所述一个或多个抑制电极相对于位于所述靶位置处的所述靶材被偏置到负电压，所述一个或多个抑制电极减少朝向所述阳极电极流动的电子，其中，一个或多个靶电极包括靶基体，所述靶基体通过将离子束热负载传输而远离所述靶材来冷却所述靶材。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，施加到所述一个或多个抑制电极的所述负电压在-0V到-10,000V的范围内。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述离子源为射频离子源，该射频离子源包括：
空腔，在其中生成等离子体，所述空腔通过至少一个引出口连接到所述阳极电极；
磁场产生结构，其包括磁体或电磁体中的至少一种，其中所述磁场产生结构产生磁场，该磁场促进电离和离解碰撞并减少等离子体壁损耗；以及
其中，所述离子源的激发频率从0.1MHz到1GHz，并且磁场感应从10高斯到10,000高斯。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括为了电流和射束质量而构建一磁场，以促进等离子体约束、对等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近的等离子体密度增大。
10.根据权利要求8所述的系统，进一步包括设置射频天线和磁镜的尺寸并将二者分开，从而与电子镜像弹跳频率共振将能量有效地传递到所述等离子体。
11.根据权利要求2所述的系统，其中，所述离子源进一步包括天线结构和阻抗匹配网络，用于在所述天线结构上产生电流和电压波形，从而激励一个或多个模式以形成、加热和维持等离子体。
12.根据权利要求2所述的系统，其中，所述离子源为微波离子源，该微波离子源包括：
空腔，在其中生成等离子体，所述空腔通过至少一个引出口连接到所述阳极电极；
磁场产生结构，其包括磁体或电磁体中的至少一种，其中所述磁场产生结构产生磁场，该磁场促进电离和离解碰撞并减少等离子体壁损耗；以及
其中，所述离子源的激发频率从200MHz到20GHz，并且磁场感应从10高斯到10,000高斯。
13.根据权利要求12所述的系统，进一步包括用于从外部源注入微波能量的波导或微波施加器。
14.根据权利要求12所述的系统，进一步包括为了电流和射束质量而构建一磁场，以促进等离子体约束、形成用于电子回旋共振的区域、促进对所述等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近增大等离子体密度。
15.根据权利要求2所述的系统，其中所述靶材包括从包括以下材料的组中选出的一种或多个材料：氢同位素、锂、锂同位素、包括LiD、LiAlD4和LiBD4在内的锂化合物、锂合金、和它们的任意混合物或组合物。
16.根据权利要求2所述的系统，其中所述靶材利用原位沉积工艺沉积。
17.根据权利要求2所述的系统，其中所述靶材利用原位再生工艺再生。
18.根据权利要求2所述的系统，其中，供应到所述离子源或者一个或多个电极的功率进行脉冲调制，以按照可选择的脉冲间隔和时序产生中子群。
19.根据权利要求2所述的系统，其中，所述离子源和阳极电极在正电压下工作，使得所述靶电极能够接地并紧邻中子管仪器的边缘定位，从而在应用中使该边缘处的中子通量最大化。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述靶电极为了足够的冷却能力而直接散热到热管理系统或中子管边界中的至少一个。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，对于给定的真空封闭体，所述靶电极的区域被最大化，以改进耐久性和管的寿命。
22.根据权利要求2所述的系统，其中，所述氢同位素种类选自包括氘和氚离子和中性粒子的组。
23.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一个或多个电极被设置以构建一电位，以使来自所述离子源的大部分离子与所述靶碰撞，从而减少对于阳极电极的电子损耗。
24.一种用于生成中子的系统，该系统包括：
中子管，离子在其中被产生、加速、和致使与位于至少一个靶位置处的至少一个靶材碰撞；
真空器皿，其被容纳在所述中子管内，用于接收氢同位素气体；
气体储存器，其连接到所述真空器皿，其中所述气体储存器容纳所述氢同位素气体；
气体储存器控制器，用于控制被释放到所述真空器皿中的所述氢同位素气体的压力；
离子源，其位于所述中子管内；
至少一个阳极电极，其中所述阳极电极相对于位于所述至少一个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到正电压；以及
用于控制所述系统的控制台；
其中被加速的离子与在所述真空器皿中和存储在所述靶材内的氢同位素气体相互作用靶材；并且
靶材所述至少一个靶材具有从包括以下特性的组中选出的一种或多种特性：平均或有效原子序数在1到21之间；具有原位再生的能力；具有原位沉积的能力；有能力引起截面大于1微靶的二次中子产生反应。
25.根据权利要求24所述的系统，其中至少一个表面被处理以减少氢同位素气体的再结合。
26.根据权利要求245所述的系统，进一步包括充气端口和密封装置，二者均被连接到所述气体储存器，其中，所述真空器皿被气密性密封，并且所述气体储存器保持所述真空器皿中的真空。
27.根据权利要求24所述的系统，进一步包括多个诊断传感器，所述诊断传感器选自包括以下装置的组中：粒子探测器、电流探测器、电压探测器、电阻监控器、压力计、热电偶、和溅射计。
28.根据权利要求24所述的系统，进一步包括：
多个电极，其包括阳极电极、引出电极、抑制电极和靶电极中的至少两种；
其中，一个或多个阳极电极相对于位于每个靶位置处的所述至少一个靶材被偏置到正电压，从而使离子朝向位于所述靶位置处的所述靶材加速；
其中，一个或多个引出电极用于构建和改进离子束加速特性；
其中，通过使所述一个或多个抑制电极相对于位于所述靶位置处的所述靶材而偏置到负电压，所述一个或多个抑制电极减少朝向所述阳极电极流动的电子，其中，一个或多个靶电极包括靶基体，所述靶基体通过将离子束热负载传输而远离所述靶材来冷却所述靶材。
29.根据权利要求24所述的系统，其中，施加到所述一个或多个抑制电极的所述负电压在-0V到-10,000V的范围内。
30.根据权利要求24所述的系统，其中，所述离子源为射频离子源，该射频离子源包括：
空腔，在其中生成等离子体，所述空腔通过至少一个引出口连接到所述阳极电极；
磁场产生结构，其包括磁体或电磁体中的至少一种，其中所述磁场产生结构产生磁场，该磁场促进电离和离解碰撞并减少等离子体壁损耗；以及
其中，所述离子源的激发频率从0.1MHz到1GHz，并且磁场感应从10高斯到10,000高斯。
31.根据权利要求30所述的系统，进一步包括为了电流和射束质量而构建一磁场，以促进等离子体约束、对等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近的等离子体密度增大。
32.根据权利要求30所述的系统，进一步包括设置射频天线和磁镜的尺寸并将二者分开，从而与电子镜像弹跳频率共振将能量有效地传递到所述等离子体。
33.根据权利要求24所述的系统，其中，所述离子源进一步包括天线结构和阻抗匹配网络，用于在所述天线结构上产生电流和电压波形，从而激励一个或多个模式以形成、加热和维持等离子体。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述离子源为微波离子源，该微波离子源包括：
空腔，在其中生成等离子体，所述空腔通过至少一个引出口连接到所述阳极电极；
磁场产生结构，其包括磁体或电磁体中的至少一种，其中所述磁场产生结构产生磁场，该磁场促进电离和离解碰撞并减少等离子体壁损耗；以及
其中，所述离子源的激发频率从200MHz到20GHz，并且磁场感应从10高斯到10,000高斯。
35.根据权利要求33所述的系统，进一步包括用于从外部源注入微波能量的波导或微波施加器。
36.根据权利要求33所述的系统，进一步包括为了电流和射束质量而构建一磁场，以促进等离子体约束、形成用于电子回旋共振的区域、促进对所述等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近增大等离子体密度。
37.根据权利要求24所述的系统，其中所述靶材包括从包括以下材料的组中选出的一种或多个材料：氢同位素、锂、锂同位素、包括LiD、LiAlD4和LiBD4在内的锂化合物、锂合金、和它们的任意混合物或组合物。
38.根据权利要求24所述的系统，其中所述靶材利用原位沉积工艺沉积。
39.根据权利要求24所述的系统，其中所述靶材利用原位再生工艺再生。
40.根据权利要求24所述的系统，其中，供应到所述离子源或者一个或多个电极的功率进行脉冲调制，以按照可选择的脉冲间隔和时序产生中子群。
41.根据权利要求24所述的系统，其中，所述离子源和阳极电极在正电压下工作，使得所述靶电极能够接地并紧邻中子管仪器的边缘定位，从而在应用中使该边缘处的中子通量最大化。
42.根据权利要求41所述的系统，其中，所述靶电极为了足够的冷却能力而直接散热到热管理系统或中子管边界中的至少一个。
43.根据权利要求41所述的系统，其中，对于给定的真空封闭体，所述靶电极的区域被最大化，以改进耐久性和管的寿命。
44.根据权利要求24所述的系统，其中，所述氢同位素种类选自包括氘和氚离子和中性粒子的组。
45.根据权利要求24所述的系统，其中，所述一个或多个电极被设置以构建一电位，以使来自所述离子源的大部分离子与所述靶碰撞，从而减少对于阳极电极的电子损耗。
46.一种用于优化在中子发生器中产生离子的离子源的方法，该方法包括：
处理所述离子源的一个或多个表面，以减少由所述离子源产生的原子态粒子的表面复合。
构建所述离子源的几何形状，以通过提供缩窄孔以限制来自所述离子源的中性原子态粒子的流动而增大中性原子态粒子俘获；以及
为了电流和射束质量而构建磁场，以促进等离子体约束、对等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近的等离子体密度增大。
47.根据权利要求46所述的方法，进一步包括设置射频天线和磁镜的尺寸并将二者分开，从而与电子镜像弹跳频率共振将能量有效地传递到所述等离子体。
48.根据权利要求47所述的方法，进一步包括为了电流和射束质量而构建一磁场，以促进等离子体约束、形成用于电子回旋共振的区域、促进对所述等离子体的能量传递、和在一个或多个离子束引出位置附近增大等离子体密度。
49.根据权利要求46所述的方法，进一步包括在0.1W到10kW的RF功率范围内产生足以提供每瓦特RF功率至少10微安离子流的离子源等离子体。
50.根据权利要求46所述的方法，进一步包括在0.1W到10kW的RF功率范围内产生足以提供每瓦特RF功率至少10微安原子离子流的离子源等离子体。
51.一种用于在中子发生器中产生中子的方法，该方法包括：
加热一气体储存器，以允许气体进入到真空器皿中；
对离子源施加能量，以产生和维持含有离子的等离子体；
对一个或多个电极施加电压，以产生电位而使所述离子中的至少一些加速到靶材中；
通过构建所述电位以使大部分离子与所述靶碰撞并使向上游的电子流动最小化，减少对于阳极电极的电子损耗；
将离子注入到所述靶材中，由此将易熔的靶装载到所述靶材中；以及
通过调节所述系统中的所述离子源和电极的电流和电压，产生中子；
其中，被加速的离子与在所述真空器皿中和存储在所述靶材内的氢同位素气体相互作用。
52.一种根据权利要求51所述的方法，其中，所述靶材具有下列特性中的至少一种：所述靶材的平均或有效原子序数在1到21之间；所述靶材能够原位再生；所述靶材能够原位沉积；所述靶材有能力引起截面大于1微靶的二次中子产生反应。
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