CN102113418A - 中性粒子发生器 - Google Patents

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Abstract

一种中性粒子发生器，包括一容器，该容器容纳处于至少部分等离子状态的材料，例如，氘等离子体。在一种方式中，第一阴极被定位在该容器中，并且产生远离该第一阴极定向的第一中性粒子束。可选地，第二阴极也被定位在该容器内，并且产生远离该第二阴极定向的第二中性粒子束，并且/或者一目标物也被定位在该容器内。在一种方式中，第一阴极和第二阴极直线地相对，以便第一中性粒子束和第二中性粒子束相互作用/碰撞，从而导致至少一些的中性粒子发生聚变反应，因此，这导致产生发射中子。

Description

中性粒子发生器
技术领域
本发明通常涉及用于产生中子或聚变处理的中子产生和/或聚变装置和方法。本发明也涉及用于产生一个或多个中性粒子束的装置和方法及其应用。
背景技术
已知多种类型的中子发生器可以作为中子源。典型地，中子源可以分为小型号便携式中子源(例如，这类中子源可以手提的且易于移动)，中型号中子源(例如，占用一个房间的粒子加速器)或大型号中子源(例如，大的聚变和裂变反应装置)。并且，一般认为存在两类小型号中子源。第一类是基于诱发或自发裂变，然而，这类小型号中子源的一个主要缺点是这种中子源不能关机并且要持续发射中子。第二类小型号中子源是基于聚变。这类中子源能被开机和关机，可以使得子源或发生器适用于多种应用。
中子发生器的多种应用(较大的依靠发射中子的能量和流量)包括核武器和化学武器的安全维护检查，地质分析，邮寄炸弹检测，中子放束照相术，地雷探测，包裹检查和医学成像，等等。
氢的同位素(例如氘和氚)的聚变过程是公知的。在氘或氚的聚变的情况中，形成氦并且高能量的中子被发射。
一种公知的中子发生器如图1所示。示出的电子管中子发生器100包括一离子源110，一加速区域120和一阴极130。天线140与调配网络150结合，使得圆柱体160中的气体离子化。典型地，电子管中子发生器100具有大概10厘米(cm)的直径。磁铁170被布置在圆柱形阳极180周围以便限制自由电子，其进一步电离化气体以在圆柱体阳极180中产生更多的离子。这些离子没有被限制在圆柱体阳极180中而是被吸引到出射(exit)阴极190，该出射阴极190具有一相对小的孔，该孔用于离子从圆柱体阳极180射出而进入加速区域120。加速区域120可以具有一排其它的阴极，以便逐步增加从圆柱体阳极180发射出来的离子的能量，也可以将离子束聚焦而撞击目标物130，目标物典型地可以是连接高压供电源的加速阴极布置。正常地，阴极目标物130被偏压超过100KV，在许多设计配置中，目标物阴极130需要必要的冷却，例如通过水冷却系统。阴极目标物130被电偏压且典型地由具有表面薄层的金属制造而成，表面薄层具有用于帮助聚变反应的燃料材料。离子撞击阴极目标物130导致聚变反应而产生中子发射。
静电场约束(Inertial Electrostatic Confinement，IEC)是一种公知的技术，其用于采用静电场控制等离子体的离子，经常用于实现控制核聚变。典型地，球形或圆柱形的几何体用于产生静电场，该静电场径向向内加速离子以便明显地在IEC设备的中心区域中增加离子的密度和能量。例如，IEC圆柱形类型的设备是德国的NSD Fusion GmbH公司销售的中子发生器。NSD Fusion GmbH公司的中子发生器采用由圆柱形阳极环绕的圆柱形网栅(grid)阴极。离子被吸引至所述圆柱形网栅阴极并且能经由网栅表面穿过所述圆柱形阴极内部。NSD Fusion GmbH公司声称，离子能被限制在圆柱形网栅阴极的中心区域内，从而导致离子密度集中于这个区域，因此导致由于在圆柱形网栅阴极内的被限制的离子撞击而聚变。在圆柱形网栅阴极内发生的聚变反应的结果是中子发射。因此，在NSD Fusion GmbH公司的中子发生器中，中子是由于被限制的离子撞击圆柱形网栅阴极内的背景等离子而产生出来的。没有采用聚变材料的固体目标物。
电子管中子发生器的缺陷包括：相对复杂的离子源需要磁场布置；需要在相对低的背景气体压力(例如，大约2毫托(mTorr)的压力)下工作以允许离子在加速区域中相对不受限的加速；以及需要对目标物进行冷却。该申请人也认为基于IEC技术的、采用球形或圆柱形网栅阴极的中子发生器(例如NSD Fusion GmbH的中子发生器)具有其固有的缺陷，例如依赖于在设备中心区域限制离子的能力并且依赖于离子-背景气体的撞击而产生聚变反应。
这就需要一种产生中子的中子方式装置或方法，和/或一种用于产生一个或多个中性粒子束的装置或方法，其具有多种应用，能解决或至少改善现有技术中存在的一个或多个问题。
任何现有技术出版物(或者来自现有技术出版物的信息)或者任何已知事物在本说明书中的引入不被并且不应该被作为一种承认或认可或任何形式的建议，现有技术出版物(或者来自现有技术出版物的信息)或者已知事物在本说明书相关领域形成公知常识。
发明内容
在第一种广泛的方式中，本发明提供一种中子发生器或中子源。在第二种广泛的方式中，本发明提供一种产生中子的方法。在第三种广泛的方式中，本发明提供一种中性粒子发生器或中性粒子源。在第四种广泛的方式中，本发明提供一种产生中性粒子的方法。
在特定的方式中，中性原子、分子和/或粒子束被形成、产生或创造，其能与一个或多个背景气体(background gas)/等离子、一固体目标物和/或第二中性原子、分子和/或粒子束碰撞。在另外一种实例方式中，所产生的中性原子、分子和/或粒子束在一些应用中不需要碰撞。
根据第一实施方式，提供一种中性粒子发生器，包括一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；第一阴极，用于产生第一中性粒子束；和，第二阴极，用于产生第二中性粒子束。优选地，尽管不是必须的，但是所述第一阴极和第二阴极被定位为在工作时第一束和第二束相互作用而产生中子。
在一个特定的非限制的实例中，所述容器的至少一部分作为阳极。
在进一步的特定实例中，所述第一束和第二束基本上是定向束。
在进一步的特定实例中，所述第一束和第二束包括材料的中性原子、分子和/或粒子。
在另一个实例方式中，所述容器包含处于至少部分等离子状态的多于一种的材料，所述第一束包括所述多于一种的材料的中性粒子，所述第二束包括所述多于一种的材料的中性粒子。
可选地，但不是必须的，所述材料至少部分是氢、氘、氚或它们的混合物。
根据另一可选的方面，仅仅通过如下的方式提供：
所述第一阴极和/或第二阴极是中空的，并设置有至少一个孔；
所述第一阴极和/或第二阴极是中空的，并设置有两个孔；
所述第一阴极和/或第二阴极具有从截锥体，圆柱体，椭圆体，球状体构成的组中选择的几何形状；
所述第一阴极和/或第二阴极具有不对称的几何形状；
所述第一阴极和/或第二阴极是空心截顶圆锥体；
所述第一阴极或第二阴极是空心圆锥形双截锥体；
所述第二阴极具有与第一阴极相同的几何形状。
在进一步的实例中，所述第一阴极和第二阴极的外表面设置有电绝缘部。可选地，所述电绝缘部是陶瓷的，例如陶瓷外壳。
优选地，所述容器中的气态材料的压力在1至几百个毫托的范围内。
在一特定的实例方式中，所述第一阴极和第二阴极被定位为直线地相对。
根据一进一步的实例方式，提供一种中性粒子发生器，其进一步包括多个其它的位于所述容器内的阴极，以便产生所述材料的其它的中性粒子束，每个所述其它的束远离产生每个所述其它的束的相应的每个所述阴极；其中，所述第一阴极、第二阴极和所述其它的阴极以基本上圆形或球形的布置定位；并且其中，所述第一束、第二束和其它的束朝向所述圆形或球形布置的中心区域定向。
根据第二实例方式，提供一种中性粒子发生器，包括：一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；一阴极，用于产生中性粒子束，该中性粒子束远离该阴极定向；和定位在该容器内的目标物。优选地，所述阴极和目标物被定位为在工作时所述束被定向为与目标物碰撞。在具体实例应用中，束与目标物的碰撞可以用于产生中子，以便用粒子涂覆所述目标物的表面或者用粒子蚀刻所述目标物的表面。
优选地地，尽管不是必须的，所述目标物相对于所述阴极不是电偏压的。也优选地，尽管不是必须的，所述目标物包括具有(enriched)聚变反应加强材料(例如，氘和/或氚原子)的表面区域。
根据进一步可选实施例，提供一种中性粒发生器，也包括：第二阴极，用于产生第二中性粒子束，该第二中性粒子束远离该第二阴极；其中，所述第二阴极和所述目标物被设置为在工作时所述第二束被定向为与目标物碰撞。
根据一进一步的可选实施例，提供一种中性粒发生器，也包括：所述第二阴极，用于产生第二中性粒子束，该第二中性粒子束远离该第二阴极；定位在该容器内的第二目标物；其中，所述第二阴极和第二目标物被定位为在工作时所述第二束被定向为与所述第二目标物碰撞。
根据第三实例方式，提供一种中性粒子发生器，包括：一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；一中空阴极，具有至少一个孔并且被定位在所述容器内；其中，在工作时，当所述中空阴极负偏压时，产生所述材料的中性粒子束，所述束远离所述至少一个孔定向。
优选地，所述束包括材料的中性原子、分子和/或粒子。
根据第四实例方式，提供一种产生中子的方法，包括：
使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生等离子体材料的离子，从而在所述阴极内形成一虚拟阳极；
允许至少一些离子被所述虚拟阳极排斥并且与所述等离子体材料在所述中空阴极内进行电荷交换过程，从而形成远离所述至少一个孔定向的中性粒子束；
使得所述中性粒子束与其它的粒子碰撞，以在所述束的至少一些中性粒子和至少一些其它的粒子之间发生聚变反应而产生中子。
在特定但非限制的方式中，在内部区域中产生等离子材料的离子的步骤导致离子轰击中空阴极的内表面并增大所述阴极内的电子密度。结果，进一步的离子化发生并相对高的离子密度在所述中空阴极的中心或靠近中心处形成，因此，这里可以成为“虚拟阳极”。
优选地，所述其它的粒子是通过同样的方法而产生的第二中性粒子束的一部分。也可选地，所述其它的粒子是目标材料的一部分。也可选地，所述其它的粒子是所述等离子体材料的一部分。
根据第五实例方式，提供一种产生用于涂覆材料的中性粒子的方法，包括：使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生等离子体材料的离子，从而在所述阴极内形成一虚拟阳极；允许至少一些离子被所述虚拟阳极排斥并且与所述等离子体材料在所述中空阴极内进行电荷交换过程，从而形成远离所述至少一个孔定向的中性粒子束；使得所述中性粒子束与一表面碰撞，以用所述中性粒子涂覆或蚀刻所述表面。
根据第六实例方式，提供一种产生电子束的方法，包括：使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生电子和等离子体材料的离子，所述离子形成排斥所述电子的电势，从而形成远离所述至少一个孔定向的电子束。
附图说明
结合附图，根据以下至少一个优选但并不限制的实施例的描述，实施例将变得显而易见，其仅仅是作为实例示出。
图1(现有技术)示出一种标准的电子管中性粒子发生器；
图2示出一种双阴极中性粒子发生器的截面图；
图3示出一种多阴极中性粒子发生器的截面图；
图4示出一种圆形或球形多阴极中性粒子发生器的截面图；
图5示出一种双阴极-单目标物的中性粒子发生器；
图6示出一种单阴极-双目标物的中性粒子发生器；
图7示出一种多阴极-多目标物的中性粒子发生器。
具体实施方式
仅以实例的方式描述以下实施例，以便更准确地理解优选实施例的主题。
结合附图以便示出实施例中的特征，相同的标号用于表示附图中的相同部件。
参考图2，示出一种中性粒子发生器200，它能用作中子发生器。一容器210，或者其它类型的反应腔或容器，基本上包含或容纳气态材料220，以至少部分等离子态存在于所述容器210中。应当注意，所述容器210可以是多种形状或几何形状，并可以是一个大容器或多个容器或区域的组件部分或部件。
材料220优选地是部分或全部电离的气体或气体混合物，以便材料220能包括原子，分子，化学物，同位素，离子，电子等等，它们独立地或结合地以等离子态存在。一种或多种不同类型的材料，例如不同化学元素，同位素或分子能被利用。
第一阴极230被定位在所述容器210。所述第一阴极230用于产生所述材料220的第一中性粒子束240，其可以被认为包括与来自所述材料220的粒子不同的中性粒子，例如，如果所述中性粒子是一种利用材料220的反应物粒子的化学反应和/或物理反应而得到的产物。
如图所示，第一中性粒子束240远离所述第一阴极230定向。类似地，所述第二阴极250被定位在所述容器210内，并且产生材料220的中性粒子的或者来自所述材料的第二中性粒子束260。也如图所示，所述第二束260远离所述第二阴极250定向。第一阴极230和第二阴极250被定位为当发生器200工作时，第一束240和第二束260相互作用，例如来自每个束240，260的至少一些中性粒子发生碰撞。从而，束240，260的相互作用导致由于束240，260的中性粒子的碰撞所发生的聚变反应产生中子。根据可选择的实施例，并不要求束240，260发生碰撞。
所述容器210的至少一部分可选地可以作为一个或多个阳极。在一种方式中，容器210的所有部分作为阳极。这有助于从所述容器210的壁排斥离子并且吸引电子，以便支持上述发生在所述阴极中的物理过程。由于第一阴极230和第二阴极250的几何形状以及发生在所述阴极230，250中的物理过程，所述第一束240和第二束260基本上形成定向束。所述第一束240和第二束260包括来自所述材料220的中性原子和/或分子。
在一特定实例中，材料220至少部分地是氢，氘，氚，或者它们的混合物。因此，容器210可以包含多于一种类型的材料220，所述材料以至少部分等离子态存在(例如，等离子/气体混合)，以便于第一束240可以包含多于一种材料的中性粒子，并且所述第二束260可以包含多于一种材料的中性粒子。应当注意，所述第一束240和第二束260可以包含特定化学元素和/或分子的不同同位素的中性粒子。
在特定的实例中，所述容器210(例如，腔室或反应器)是由不锈钢制成的密封的圆柱形真空容器。应当注意，还可以广泛的应用其它材料制成，例如，其它金属。容器210的尺寸是广泛的，但是，优选的腔室长度可以在40至60厘米范围内，并且优选的腔室直径可以在15至20厘米范围内。
用于填充容器210的气体可以是纯氘。但是，氘和氚的混合物(例如1∶1比例)是更优选地，以便提高聚变反应速度。优选地，但不是必须地，背景气体压力可以在1至几百毫托(mTorr)范围内，例如，100-400mTorr。但是，应当注意，发生器200可以在该压力范围以外工作。
第一阴极230和第二阴极250采用不锈钢制成，且由其它材料制成也是可行的，例如，钛或者其它金属。第一阴极230和第二阴极250都具有围绕纵向轴线对称的截头圆锥体形状，并且该截头圆锥体在其两端开口，因此在圆锥体的每个末端处形成孔。作为特别地而非限定地实例，圆锥体230，250的长度优选地是在5至10厘米的范围内，在截头端的小直径是在1至2厘米的范围，在另一截头端的直径是3至5厘米的范围。第一阴极230和第二阴极250分离放置，例如，距离容器210的壁至少5厘米且优选地它们彼此之间相距至少15厘米。第一阴极230和第二阴极250是中空的且阴极230，250的壁的厚度可以具有很宽的范围，但举例来说可以是1毫米(mm)。
应当注意，阴极230，250的几何形状可以有很多种，本发明并不限于采用截头圆锥体(不管具有圆形还是多边形基面，或者不管是直角的还是斜的)或其它特定几何形状。因此，阴极230，250能具有不对称的几何形状。其它类型的可选几何形状包括第一阴极和/或第二阴极是中空的且是截锥体、圆柱体、椭圆体和/或球体形状。在双阴极或多阴极设备中，不同的阴极优选地是具体同样的几何形状，但这并不是必须的，不同的阴极可以具有不用的几何形状。
所述第一阴极230和第二阴极250的外部表面设置有电绝缘部。例如，陶瓷外壳270被用于第一阴极230与外部电绝缘，陶瓷外壳280被用于第二阴极250与外部电绝缘。陶瓷外壳270，280使得阴极230，250的外表面和容器210内的材料220电绝缘。如图所示，陶瓷外壳270，280能够是外部为圆柱形形状且在内部被加工，以容纳圆锥体形状的阴极230，250，或者是内部为圆柱形形状以包含圆柱形的阴极，其中将阴极内部加工为中空圆锥体。电穿通连接(electrical feed-throughs)285，290分别经过陶瓷外壳270，280以便固定至阴极230，250。电穿通连接285，290也可以分别安装有陶瓷绝缘层287，292，还可以使用其它形式的绝缘材料。电穿通连接285，290通过所述容器210外部以便固定至高压电连接装置(connection)295。
从容器210外部供应所要求的电压和电流，例如，可以使用交流或直流的高压电源。较宽范围的电压和电流的供应依靠所用材料和特定的要求。举例说明，应用到阴极230，250的电压可以是-40至-100千伏(KV)且供应至阴极230，250的电流可以是毫安到几千安培。发生器200能在直流和非交流模式下工作，在这种情况下，所供应的电流通常(但非必须)是十几毫安。
在特定的实例中，仅用于示范性而不是限定本发明的范围，可以在容器210中引入氘，且背景压力大概为10毫托(mTorr)。施加到阴极230，250的电压可以是20KV，并且所供应的直流电流可以是40毫安。设置这些参数以便产生至少为104至105中子/每秒的发射中子量。通过采用氘和氚气体的混合物可以将中子增大大约两个数量级。通过采用高电压和电流，中子发生器200分别在直流和交流时能够产生期望的大约1011和1014的中子/秒。
本领域的技术人员将会意识到，发生器200可以不需要网孔或网栅类型的阴极，或者环绕一大的球形或圆柱形阳极网孔或网栅，如同典型地在静电场约束(Inertial Electrostatic Confinement，IEC)设备中所要求的那样。IEC方法依赖于如下的假设，来自背景等离子的离子被球形或圆柱形的网孔或网栅阴极从所有方向吸引，以便于离子向着阴极的中心区域加速并在所述阴极内发生碰撞而导致聚变反应。这种IEC方法依赖于离子在网孔或网栅阴极内的限制。相反地，发生器200并不基于典型的IEC方法。在发生器200中，离子被阴极230，250中的虚拟阳极区域排斥且与背景气体发生电荷交换过程，从而导致阴极230，250发射中性粒子束240，260(它不依靠网孔或网栅阴极且不必须依靠阴极230，250的特定形状)。这就允许发生器200作为多阴极设备工作，其将一个或多个中性粒子束朝向彼此定向或朝向特定的固体目标物定向。提供的优点是束-束和束-目标物的聚变反应导致发射中子。
现在讨论产生中性粒子束240，260的过程。当发生器200开机时，由于静电场吸引，材料220的离子会被吸引到阴极230，250的内表面。由于离子轰击内表面，从阴极230，250的内表面会发射出电子。这导致较高密度的离子化气体形成于阴极230，250中。由于离子和电子的动态自身构造，离子在阴极230，250的中空区域内的聚集导致阴极230，250内形成一定程度的虚拟阳极。
由于物理阴极230，250内的内部虚拟阳极，这导致阴极230，250内的一定比例的离子会被排斥。至少一些被排斥的粒子朝向阴极230，250的小直径孔定向。由于与没有被电离的背景材料220的中性粒子发生碰撞，这些初始离子(precursor ions)进行电荷交换过程。这种电荷交换过程导致材料220中的激活的中性粒子被产生，其与附带的初始离子经过相同的方向并远离所述阴极。
结果，激活的中性粒子没有被阴极或虚拟阳极的电场影响，激活的中性粒子继续作为远离阴极的中性束。实际电荷交换的碰撞会发生在阴极或阴极的孔附近中，也可以发生在阴极的外部。因此，可以从阴极的内部区域产生和/或排斥离子，并加速向外远离所述阴极中心区域，同时，离子位于阴极内。电荷交换过程的发生导致中性粒子束继续不受约束地、电性地远离所述阴极。该实例中，发生器200的工作方法不同于IEC设备。
参考图3示出了一种中性粒子发生器300，其具有多阴极。容器310充分地含有处于至少部分等离子状态的气态材料320，类似于材料220的描述。可以使用第一阴极230和第二阴极250，或者类似设备。额外地，使用具有绝缘层340的另一阴极330。设置电穿通连接350连接至高压线295。
一种示出的实例中，所述另一阴极330被放置在第一阴极230和第二阴极250之间。所述另一阴极330可以具有背靠背放置的截头圆锥体，或者可替换地可以集中形成为双截锥体。所述另一阴极330的工作类似于所描述的阴极230，250。这导致材料320的或来自材料的另一中性粒子束360，370。中性粒子束360因此被定向为与第一束240相互作用，并且中性粒子束370被定向为与第二束260相互作用。阴极230，250和330被定位为基本呈直线以使得相应中性粒子束的相互作用/碰撞。如前所述，可以使用中性粒子的碰撞来产生中子。
如图4所述，示出了一种球形或圆形布置得多中性束发生器400。多个阴极230能以二维圆形结构进行布置，或者以三维圆形结构进行布置。所述多个阴极230布置在容器410内，同样地可以呈圆柱形或球形扩展。所述多个电穿通连接285将所述多个阴极230中的每个连接至高压线295。多个中性粒子束240由包含在所述容器410中的一种或多种材料420形成或者来自包含在所述容器410中的一种或多种材料420。
所述多个中性粒子束朝向中心区域430定向，其中束240相互作用/碰撞导致高比例的聚变反应并因此导致增大中子产生率。所述多个阴极230中的阴极对优选地径向相对以便更好地对准中性粒子束碰撞。
如图5所示，一种中性粒子发生器500，包括一目标物510。类似于所述中性粒子发生器200，第一阴极230产生第一中性粒子束240和第二阴极250产生第二中性粒子束260。在第一阴极230和第二阴极250之间设有目标物510，以便于第一束240从第一侧撞击目标物510，并且第二束260从第二侧撞击目标物510。
优选地，目标物510为固体目标物且基本上(但不是必须的)是平面的。在目标物510的一个或两个表面上可装备或覆盖有聚变协助材料或聚变材料，例如氘和/或氚。束240，260分别与目标物510的相应表面碰撞，所述束240，260的核(nuclei)可与目标物510的核发生聚变反应。
重要地，应当注意，所述目标物510优选地相对于阴极230，250不被电偏压。提供一种设置，其中目标物510并不需要被偏压，这相对于公知设备提供更好的优点，其中，要求离子被加速以撞击用作目标物的电偏压电极。在设备500中，由于目标物510未被偏压，这简化了设备500的结构，并减少复杂化，例如，如果使用高电压，对于目标物510就有电弧。这也进一步简化了设备510的构造，因为不需要使用多于一个的电源或复杂的电子设备来分担不同阴极和目标物之间的供电电压。
根据可替换的一种应用，设备500能用于涂覆或蚀刻目标物510而不是产生中子。来自束240，260的粒子用于涂覆目标物510的表面或者蚀刻目标物510。
参照图6，示出了一中性粒子发生器600，其具有多个目标物。阴极330被定位在容纳有一种或多种处于至少部分等离子状态的材料620的容器610中。如前所述，阴极330产生材料620的另一中性粒子束360，370或来自材料620的另一中性粒子束360，370。束360被定向为与目标物630进行碰撞，并且束370被定向为与目标物640进行碰撞。目标物630，640可以类似于前述描述的目标物510。目标物630，640用于产生中子或被来自束360，370的粒子涂覆或蚀刻。
参照图7，示出了一种中性粒子发生器700，其在容纳材料720的容器710中具有多个阴极330和多个目标物630，640。该布置导致多个束360，370，730，740，750，760被被定向为与目标物630或640进行碰撞。通过多个束与多个目标物的碰撞，发射的中子的产生率能充分增大。应当注意到，也可使用多种其它配置，例如可以使用多个不同形状的阴极和多个目标物，另外可以使用多种不同形状的容器。
应该注意到，前述中性粒子或中子发生器设备能够按比例增加至更大，例如，增加到房间大小。在特定的实例中，阴极具有的直径等级为数十厘米以便产生较高的发射中子速度(rate)，虽然进行了适当防护，但仍需提供阴极冷却系统和高电流容量的电源。
同时，也要注意，产生中性粒子束的单阴极能用于表面的中性粒子涂覆、蚀刻和/或注入。在该单阴极构造中，所述设备能够被认为是用于涂覆或蚀刻表面的中性粒子发生器。所述中性粒子发生器包括中空阴极，该中空阴极具有至少一个孔，这导致背景材料的中性粒子束产生，该束远离所述至少一个孔定向。在这些情况中，聚变反应和随后的中子产生是不被期望的，可以使用多种背景气体，例如，用于涂覆某些材料的气体。
在其它实施例中，当所述设备用于产生中性粒子束时可以有多种应用，例如，作为离子/中性粒子枪，或作为空间动力装置或空间站的推进器，等等。
本发明的可选实施例也可以单独的或总体地以两个或多个部件、元件或特征的任意或所有组合的方式包括本文指出或表示的部件、元件或特征，并且其中，在此可以涉及特定的整体，其在本发明相关的现有技术中具有已知的等同物，这种等同物被引入于此来单独描述。
尽管已经详细描述了优选实施例，但应当理解，本领域普通技术人员在没有超出本发明所保护的范围的情况下可以进行的各种变化、替代和变更。

Claims (37)

1.一种中性粒子发生器，包括：
一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；
第一阴极，定位在所述容器内，用于产生所述材料的第一中性粒子束，所述第一中性粒子束远离所述第一阴极定向；和
第二阴极，定位在所述容器内，用于产生所述材料的第二中性粒子束，所述第二中性粒子束远离所述第二阴极定向。
2.根据权利要求1所述的发生器，其中，所述第一阴极和第二阴极被定位为在工作时，所述第一束和第二束相互作用由此产生中子。
3.根据权利要求1或2所述的发生器，其中，所述容器的至少一部分作为阳极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发生器，其中，所述第一束和第二束基本上是定向束。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发生器，其中，所述第一束和第二束包括材料的中性原子和/或分子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发生器，其中，所述容器包含处于至少部分等离子状态的多于一种的材料，所述第一束包括所述多于一种的材料的中性粒子，并且所述第二束包括所述多于一种的材料的中性粒子。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发生器，其中，所述材料至少部分是氢、氘、氚或它们的混合物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极和第二阴极是中空的并设置有至少一个孔。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极和第二阴极是中空的并设置有两个孔。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极或第二阴极具有从截锥体、圆柱体、椭圆体、球状体构成的组中选择的几何形状。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极或第二阴极具有不对称的几何形状。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极或第二阴极是空心截顶圆锥体。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极或第二阴极是空心圆锥形双截锥体。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的发生器，其中，所述第二阴极具有与所述第一阴极相同的几何形状。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极和第二阴极的外表面设置有电绝缘部。
16.根据权利要求15所述的发生器，其中，所述电绝缘部是陶瓷外壳。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的发生器，其中，所述容器中的材料的压力在1至几百个毫托的范围内。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的发生器，其中，所述第一阴极和第二阴极被定位为直线地相对。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的发生器，进一步包括多个位于所述容器内的其它阴极，以便产生所述材料的其它的中性粒子束，每个所述其它的束远离产生每个所述其它的束的相应的每个所述阴极定向；
其中，所述第一阴极、所述第二阴极和所述其它阴极以基本上圆形布置的方式定位；
并且其中，所述第一束、所述第二束和所述其它的束朝向所述圆形布置的中心区域定向。
20.根据权利要求2所述的发生器，其中，所述中子通过所述第一束和第二束的中性粒子之间的碰撞产生。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的发生器，其中，目标材料定位在所述第一阴极和第二阴极之间。
22.一种中性粒子发生器，包括：
一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；
阴极，定位在所述容器内，用于产生所述材料的中性粒子束，所述中性粒子束远离所述阴极定向；和
目标物，定位在所述容器内。
23.根据权利要求22的所述发生器，其中，所述阴极和所述目标物被定位为在工作时，所述束被定向为与所述目标物碰撞以产生中子。
24.根据权利要求22或23所述的发生器，其中，所述目标物相对于所述阴极不是电偏压的。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的发生器，其中，所述目标物包括富含氘和/或氚原子的表面区域。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的发生器，还包括定位在所述容器内的第二阴极，用于产生所述材料的第二中性粒子束，所述第二中性粒子束远离所述第二阴极定向；
其中，所述第二阴极和所述目标物被定位为在工作时，所述第二束被定向为与所述目标物碰撞以产生中子。
27.根据权利要求22至25中任一项所述的发生器，还包括：定位在所述容器内的第二阴极，用于产生所述材料的第二中性粒子束，所述第二中性粒子束远离所述第二阴极定向；
定位在所述容器内的第二目标物；
其中，所述第二阴极和所述第二目标物被定位为在工作时，所述第二束被定向为与所述第二目标物碰撞以产生中子。
28.一种中性粒子发生器，包括：
一容器，用于基本上容纳处于至少部分等离子状态的材料；
一中空阴极，具有至少一个孔并且被定位在所述容器内；
其中，在工作时，当所述中空阴极负偏压时，产生所述材料的中性粒子束，所述束远离所述至少一个孔定向。
29.根据权利要求28所述的发生器，其中，所述束包括材料的中性原子和/或分子。
30.根据权利要求28或29所述的发生器，其中，所述发生器是推进器。
31.根据权利要求28或29所述的发生器，其中，所述发生器是中性粒子枪。
32.一种产生中子的方法，包括：
使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生等离子体材料的离子，从而在所述阴极内形成一虚拟阳极；
允许至少一些离子被所述虚拟阳极排斥并且与所述等离子体材料在所述中空阴极内进行电荷交换过程，从而形成远离所述至少一个孔定向的中性粒子束；
使得所述中性粒子束与其它的粒子碰撞，以在所述束的至少一些中性粒子和至少一些其它的粒子之间发生聚变反应而产生中子。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述其它的粒子是通过同样的方法而产生的第二中性粒子束的一部分。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述其它的粒子是目标材料的一部分。
35.根据权利要求32所述的方法，其中，所述其它的粒子是所述等离子体材料的一部分。
36.一种产生用于涂覆材料的中性粒子的方法，包括：
使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生等离子体材料的离子，从而在所述阴极内形成一虚拟阳极；
允许至少一些离子被所述虚拟阳极排斥并且与所述等离子体材料在所述中空阴极内进行电荷交换过程，从而形成远离所述至少一个孔定向的中性粒子束；
使得所述中性粒子束与一表面碰撞，以用所述中性粒子涂覆或蚀刻所述表面。
37.一种产生电子束的方法，包括：
使用具有至少一个孔的中空阴极，以便在所述阴极的内部区域中产生电子和等离子体材料的离子，所述离子形成排斥所述电子的电势，从而形成远离所述至少一个孔定向的电子束。
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