KR20210153668A

KR20210153668A - 이온 소스 및 중성자 발생기

Info

Publication number: KR20210153668A
Application number: KR1020217037260A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 파이퍼; 리차드 시슨
Original assignee: 샤인 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-12-17
Also published as: CA3137275A1; JP2022529986A; WO2020214197A1; US20220232692A1; AU2019441368A1; CN113841216A; EP3956918A1; EP3956918A4

Abstract

핵 반응 발생기는 가스를 함유하도록 구성되고 표적을 포함하는 챔버를 포함한다. 핵 반응 발생기는 또한 챔버 내부에 제공된 필라멘트 및 챔버에 대해 제1 양전압을 필라멘트에 인가하도록 구성된 전압 소스를 포함한다. 제1 양전압은 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성되며, 복수의 열이온은 가스를 이온화시켜 챔버에서 양이온을 생성하도록 구성된다. 표적은 양이온이 표적과 상호작용할 때 핵 반응이 발생하도록 구성된다.

Description

이온 소스 및 중성자 발생기

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 2019년 4월 19일에 출원된 미국 임시출원 제62/836,481호의 우선권의 이익을 주장하며, 이의 내용은 그 전체가 본원에 포함된다.

기술분야

본 기술은 일반적으로 동일한 물리적 공간을 공유하는 이온 소스와 가속기 및, 이온 소스와 함께 이온을 생성하고 이러한 이온을 가속화하는 방법에 관한 것이다. 일부 양태에서, 이온 소스로부터의 이온은 중성자 생성을 초래하는 핵 반응을 생성하기 위해 표적으로 가속화될 수 있다. 따라서, 본 기술은 또한 이온 소스와 핵 반응을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것일 수 있다.

본 섹션은 청구범위에 언급된 본 발명의 배경 또는 맥락을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본원에 기술된 설명은 추구될 수 있는 개념을 포함할 수 있지만, 반드시 이전에 인지되었거나 추구된 개념은 아니다. 따라서, 본원에서 달리 지시되지 않는 한, 본 섹션에 기술된 것은 본 출원의 설명 및 청구범위에 대한 선행 기술이 아니며 본 섹션에 포함됨으로써 선행 기술로 인정되지 않는다.

이온 소스는 일반적으로 이온화가 발생하는 챔버, 챔버에 제공된 가스, 및 이온화 에너지 소스를 포함한다. 기존의 고전류 이온 생성 접근법은 일반적으로 동작 및 유지가 어려운 복잡한 전자, 자기, 및 고진공 배열을 필요로 하는, RF 여기, 아크 방전, 또는 필라멘트 보조 방전을 사용하는 플라즈마 생성으로 제한되었다. 플라즈마를 생성하기 위한 이러한 접근법은 일반적으로 챔버에서 비교적 높은 가스 압력을 필요로 하며, 이는 소스에 의해 생성된 이온이 이들이 생성된 동일한 공간 부피 내에서 가속화되어야 하는 경우 문제가 될 수 있다.

이온 소스에 의해 생성된 이온은 비제한적으로 질량 분석법, 의료 장비 및 진단, 및 반도체 제조를 포함하여 다양한 응용분야에서 사용될 수 있다. 이온 소스에 의해 생성된 이온은 표적을 향해 가속화되어 중성자 생성 등 핵 반응을 생성하는데 사용될 수 있다. 기존의 중성자 소스는 이온화된 종의 이온화, 가속화 및 표적 융합을 위한 개별 장치를 사용한다. 이러한 중성자 소스는 다양한 이온 생성 접근법뿐만 아니라 이온 추출, 이온 가속화, 빔 포커싱, 빔 스티어링 및 빔 정지와 같은 입자 가속기의 고유한 특징의 적용을 포함할 수 있다. 중성자 소스는 예컨대 중성자 방사선촬영, 재료 과학, 응축 물질 물리학, 및 재료의 비 파괴 시험 및 평가와 같은 매우 다양한 응용분야를 위해 개발되어 왔다. 이러한 장치는 이용가능한 이온 전류를 제한하여 다양한 응용분야에서 중성자 수율이 불충분하거나, 매우 복잡하여 구축, 유지, 및 동작이 어렵고 비용이 많이 드는 단점을 가지고 있다.

일 예에서, 중성자는 중수소, 삼중수소 또는 이들의 조합의 이온을 생성하고, 다음의 반응식 중 하나에 따라 중수소 및/또는 삼중수소가 로딩된 수소화물 표적으로 이러한 이온을 가속화하여 생성될 수 있다:

반응식 (1) 및 (2)에 기초한 중성자 소스는 통상적으로 단일 빔, 선형 정전기 장치이며 이는 수송 동안 상당한 이온 손실을 유발하여 과도한 가열 및 감소된 중성자 수율을 초래한다.

상당한 유지보수 또는 지원 장비 없이 장기간 동안 이온 수율 및 연속 동작을 증가시킬 수 있는, 이온 소스와 관련된 개선된 기술 및 낮은 배경 압력에서 높은 이온 생성 속도를 생성하는 방법에 대한 요구가 존재한다.

일 양태에서, 이온 소스는 가스를 포함하는 챔버; 챔버 중앙 부근에 제공된 필라멘트; 필라멘트로 둘러싸인 가속 그리드; 및 제1 양전압을 필라멘트에 인가하고 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하도록 구성된 전압 소스를 포함한다. 필라멘트에 인가되는 제1 양전압은 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성된다. 제2 양전압은 제1 양전압보다 더 크다(더 양성임). 복수의 열이온은 이온화 영역, 예컨대 필라멘트와 가속 그리드 사이의 영역을 포함하여, 챔버의 임의의 곳에서 양이온을 생성하기 위해 가스를 이온화하도록 구성된다. 제1 및 제2 양전압은 대지 전위(ground potential)에서 유지될 수 있는 챔버의 벽의 전압보다 실질적으로 높게 유지된다. 이는 장치의 중앙에서 전자가 앞뒤로 진동하는 재순환 전자 트랩을 생성하여, 저압 배경 가스의 이온화를 유발한다. 이러한 영역에서 생성된 이온은 전기장 구성으로 인해 구조물의 벽을 향해 바깥쪽으로 가속화된다. 챔버의 압력은 일부 실시형태에서 1 밀리토르 미만일 수 있다. 다른 실시형태에서, 챔버의 압력은 0.1 밀리토르 미만일 수 있다.

제2 양태에서, 중성자 발생기는 가스를 포함하는 챔버; 챔버 중앙 부근에 제공된 필라멘트; 필라멘트로 둘러싸인 가속 그리드; 필라멘트와 동심이고 필라멘트를 둘러싸는 억제 그리드; 표적; 및 제1 양전압을 필라멘트에 인가하고, 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하고, 제3 음전압을 억제 그리드에 인가하도록 구성된 전압 소스를 포함한다. 달리 명시되지 않는 한, 본원의 전압은, 예컨대 필라멘트(또는 다른 구조)에 인가된 전압이 필라멘트와 챔버 사이의 차이를 나타내도록, 챔버에 대해 인가되며/참조되고/측정(등)된다. 필라멘트에 인가되는 제1 양전압은 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성된다. 제2 양전압은 제1 양전압보다 더 크다. 복수의 열이온은 필라멘트와 가속 그리드 사이의 영역을 포함하여, 챔버의 이온화 영역에서 양이온을 생성하기 위해 가스를 이온화하도록 구성된다. 제1 및 제2 양전압은 대지 전위에서 유지될 수 있는 챔버의 벽의 전압보다 실질적으로 높게 유지된다. 이는 장치의 중앙에서 전자가 앞뒤로 진동하는 재순환 전자 트랩을 생성하여, 저압 배경 가스의 이온화를 유발한다. 이러한 영역에서 생성된 이온은 전기장 구성으로 인해 구조물의 벽을 향해 바깥쪽으로 가속된다. 억제 그리드는 용기 벽과의 충격으로 인한 2차 전자가 장치 중앙을 향해 가속되는 것을 방지하며 이러한 가속은 전력을 소비하고 효율성을 감소시킨다.

제3 양태에서, 이온 생성 방법은 가스를 포함하는 챔버에 필라멘트 및 가속 그리드를 제공하는 단계로서, 상기 가속 그리드는 필라멘트에 의해 둘러싸인 것인 단계; 제1 양전압을 필라멘트에 인가하여 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하는 단계; 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하는 단계로서, 상기 제2 양전압은 제1 양전압보다 큰 것인 단계; 및 필라멘트와 가속 그리드 사이의 영역을 포함한, 챔버 내의 이온화 영역에서 가스를 이온화하여 양이온을 생성하는 단계를 포함한다. 열이온은 이온화 영역에 트랩핑될 수 있다.

제4 양태에서, 중성자를 생성하는 방법은 가스를 포함하는 챔버에 필라멘트, 가속 그리드, 억제 그리드, 및 표적을 제공하는 단계; 제1 양전압을 필라멘트에 인가하여 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하는 단계; 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하는 단계로서, 상기 제2 양전압은 제1 양전압보다 큰 것인 단계; 및 필라멘트와 가속 그리드 사이의 영역을 포함한, 챔버 내의 이온화 영역에서 가스를 이온화하여 양이온을 생성하는 단계를 포함한다. 제4 양태에서, 가속 그리드는 필라멘트와 동심이고 필라멘트에 의해 둘러싸여 있으며, 억제 그리드는 필라멘트와 동심이고 필라멘트를 둘러싸고 있으며, 표적은 억제 그리드와 동심이고 억제 그리드를 둘러싸고 있다. 상기 방법은 음전압을 억제 그리드에 인가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 표적 상에 억제 그리드를 통과하는 양이온을 충돌시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 충돌하는 양이온은 표적에 주입되거나 이전에 주입된 이온에 충돌하여 융합 중성자를 생성한다. 또한, 이전에 주입된 이온과 충돌하는 이온을 충돌시킨 결과로서 표적으로부터 2차 전자가 방출될 수 있다. 필라멘트와 가속 그리드 사이의 전위차로 인해, 열이온은 이들 사이에 트랩핑될 수 있다. 표적과 음전압이 인가된 억제 그리드 사이의 전위차로 인해, 2차 전자가 억제 그리드로부터 표적을 향해 반사될 수 있다.

본 개시내용의 추가 특징, 이점, 및 실시형태가 이하의 상세한 설명, 도면, 및 청구범위를 고려하여 제시될 수 있다. 또한, 본 개시내용의 전술된 요약 및 다음의 상세한 설명 모두는 예시적이며 청구된 본 개시내용의 범주를 추가로 제한하지 않고 추가 설명을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.

본 개시내용은 첨부의 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 것이다:
도 1은 이온 소스 및 중성자 발생기의 개략도를 예시한다.
도 2a는 필라멘트 가이드를 포함하여 도 1의 이온 소스 및 중성자 발생기의 단면도를 예시한다.
도 2b는 도 1의 이온 소스 및 중성자 발생기의 삼각투상 절단도를 예시한다.
도 3은 도 1의 이온 소스의 분해 측면도를 예시한다.
도 4는 도 1의 이온 소스에 대한 제어 시스템을 예시하며, 상기 제어 시스템은 제어기 및 전압 소스를 포함한다.

예시적인 실시형태를 상세하게 예시하는 도면으로 돌아가기 전에, 본 출원은 설명에 제시되거나 도면에 예시된 세부사항 또는 방법론으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는 것으로 이해해야 한다.

일 양태에서, 이온 소스는 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 및 가스가 제공되는 챔버를 포함한다. 또 다른 양태에서, 중성자 발생기는 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 억제 그리드(4), 표적(5) 및 가스가 제공되는 챔버를 포함한다. 즉, 표적(5)(및, 일부 실시형태에서, 억제 그리드(4))은 이온 소스(즉, 필라멘트(2) 및 가속 그리드(3))에 추가되어 중성자 발생기가 형성될 수 있다. 이온 소스 및 중성자 발생기 둘 모두가 본 개시내용의 범주 내에 있다. 본원에 기술된 임의의 이온 소스가 본원에 기술된 중성자 발생기에서 사용될 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 또한 이온 소스 및 발산 가속기로서 또는 융합 반응기로서 기술될 수 있다.

이온 소스의 일 예에서, 필라멘트(2)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성되고 가속 그리드(3)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성된다. 중성자 소스의 일 예에서, 필라멘트(2)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성되고 가속 그리드(3)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성되고, 억제 그리드(4)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성되고, 표적(5)은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 구성된다(그리고 선택적으로 스테인리스 강과 같은 낮은 수소 용해도 금속으로 백킹(backing)됨). 다양한 기타 재료 및 재료의 바람직한 특성이 하기 상세하게 제공되어 있다.

도 1 및 2a에 예시된 바와 같이, 이온 소스 및/또는 중성자 발생기의 챔버는 원형-단면을 갖는다(즉, 챔버는 원통형 또는 구형일 수 있음).

도 2b는 원통형을 갖는 실시형태에서, 즉 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 억제 그리드(4), 및/또는 표적(5)이 각각 원통형으로 형성되는 실시형태의 이온 소스 및/또는 중성자 발생기의 삼각투상 절단도를 도시한다. 그러나, 챔버의 기하학적 구조는 이와 관련하여 다른 실시형태에서 제한되지 않는다. 다른 예에서(예시되지 않음), 챔버는 정육면체, 직육면체, 피라미드, 원뿔 등의 형상을 가질 수 있다. 챔버의 기하학적 구조는 이온 소스가 사용되는 특정 적용에 적합하도록 맞춤화될 수 있다. 일부 예에서, 챔버는 이의 중심 축에 대해 대칭일 수 있다. 다른 예에서, 챔버는 이의 중심 축에 대해 대칭이 아닐 수 있다. 이온 소스(10)는 기존의 이온 소스보다 구성이 더 쉽고 대체가 더 간단하다.

필라멘트

필라멘트(2)는 이온 소스 및/또는 중성자 발생기의 챔버의 중앙 부근에 제공된다. 필라멘트(2)는 필라멘트(2)에 양성의 사전결정된 전압을 인가하도록 구성된 전압 소스(20)에 연결되어(하기에서 보다 더 상세히 설명됨), 이에 따라 필라멘트(2)를 가열한다. 필라멘트(2)는 도시된 실시형태에서의 고전류 열이온 방출기이다. 일부 실시형태에서, 열이온 방출 외에 또는 열이온 방출 대신 전계 방출(예컨대, 균일 전계 방출)이 사용된다. 열이온 방출에서, 필라멘트(2)는 전자가 필라멘트(2)에 전자를 유지하는 인력을 극복하는데 필요한 최소 에너지로 공급되도록 가열되어, 필라멘트(2)로부터 전자(열이온)가 방출된다. 최소 에너지(즉, 일(work) 함수)는 전자를 고체 표면(즉, 필라멘트(2))에서 필라멘트(2) 바로 외부의 챔버 내 지점까지 전자를 제거하는데 필요한 최소 열역학적 일(work)로서 정의된다. 일 함수는 필라멘트(2)의 재료 특성과 필라멘트(2) 표면 상의 오염 상태이다. 필라멘트(2)는 용융되지 않고 최소 에너지로 전자를 공급하기 위해 가열될 수 있는 임의의 재료로 제조된다. 바람직하게는, 필라멘트(2)는 다수의 열이온이 방출되도록 하는 낮은 일 함수를 갖는 재료로 제조된다. 예컨대, 필라멘트(2)는 금속(예컨대, 텅스텐 또는 텅스텐 합금)으로 제조될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 필라멘트(2)의 재료는 높은 전자 방사율, 낮은 증기압, 높은 용융 온도, 및 삭마 및 스퍼터링에 대한 내성을 특징으로 한다. 필라멘트(2)는 다양한 실시형태에서 란탄 헥사보라이드, 세륨 헥사보라이드, 토리에이티드 텅스텐, 바륨 알루미네이트, 또는 이들의 임의의 2개 이상의 혼합물로 구성될 수 있다.

도 2a 내지 2b를 참조하면, 이온 소스 및/또는 중성자 발생기의 일부 예에서, 필라멘트(2)는 선택적으로, 필라멘트 간격을 유지하고 장치의 길이에 걸쳐 필라멘트(2)를 현수하기 위한 기계적 지지를 제공하도록 구성된 하나 이상의 필라멘트 가이드(2a)에 제공될 수 있다. 일 예에서, 필라멘트 가이드(2a)는 그 내부에 필라멘트(2)의 일부를 수용하도록 구성된 복수의 구멍(2b)(예컨대, 홀, 슬롯 등)을 포함할 수 있다(예컨대, 필라멘트(2)는 구멍의 안과 밖으로 나사결합됨). 이러한 예에서, 구멍(2b)은 구멍이 있는 필라멘트 가이드(2a)를 따라 균일하거나 불균일하게 이격될 수 있고, 필라멘트(2)는 구멍(2b)의 전체 또는 서브세트에 수용될 수 있다. 구멍(2b)이 있는 필라멘트 가이드(2a)는 비-전도성 내화 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 비-전도성 내화 재료는 세라믹일 수 있다. 예시적인 유리는 유리, 점토, 및 금속 산화물을 포함한다. 특정 예에서, 필라멘트(2)는 텅스텐 또는 텅스텐 합금일 수 있고 필라멘트 가이드는 세라믹으로 제조될 수 있다.

일부 예에서, 이온 소스(10)는 하나의 및 오직 하나의 필라멘트(2)를 포함한다. 다른 예에서, 이온 소스(10)는 필라멘트 가이드를 따라 이격되고 지지된 복수의 필라멘트(2)를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 챔버에서 전자를 방출하기 위한 다른 접근법 및/또는 구조가 사용될 수 있으며, 본원의 시스템 및 방법이 이에 따라 변경될 수 있다.

가속 그리드

가속 그리드(3)는 적어도 부분적으로 필라멘트(2)에 의해 둘러싸여 있다. 필라멘트(2) 및 가속 그리드(3)는 동심일 수 있지만, 반드시 그래야할 필요는 없다. 일부 예에서, 가속 그리드(3)는 이의 길이를 따라 간격을 두고 제공되는 복수의 구멍(즉, 홀, 슬롯 등)을 포함하는 고체 재료일 수 있다. 다른 예에서, 가속 그리드(3)는 제1 방향으로(예컨대, 챔버의 길이를 따라) 연장되는 재료의 평행한 스트립 또는 스레드의 제1 세트 및, 평행한 스트립의 제1 세트와 교차하여 교차되는 재료의 스트립 또는 스레드의 제2 세트를 포함하여 구멍이 제1 세트와 제2 세트 사이에 제공되도록 하는 프레임워크 또는 메시일 수 있다. 구멍은 이온화 영역(예컨대, 가속 그리드(3)와 필라멘트(2) 사이)에서 생성된 양이온(예컨대, 수소 이온)이 가속 그리드(3)를 통과하여 수집되거나(이온 소스) 억제 그리드(4) 및 표적(5)을 향해 가속화(중성자 발생기)될 수 있도록 구성된다.

일부 예에서, 가속 그리드(3)는 필라멘트(2)와 동일한 재료로 제조된다. 다른 예에서, 가속 그리드(3)는 필라멘트(2)와 상이한 재료로 제조된다. 가속 그리드(3)는 전도성 재료로 제조되며 이온 손상에 내성이 있을 수 있다. 가속 그리드(3)는 삭마 및 스퍼터링에 내성이 있는 내화성 금속, 예컨대 니오븀, 몰리브데늄, 탄탈룸, 텅스텐, 레늄, 또는 이들의 둘 이상의 혼합물 또는 합금으로 제조될 수 있다.

가속 그리드(3)는 가속 그리드(3)의 양성의 사전결정된 전압을 인가하도록 구성된 전압 소스(20)에 연결된다. 가속 그리드(3)의 전위는 필라멘트(2)의 전위보다 더 크다(보다 양성임). 예컨대, 가속 그리드에 인가되는 사전결정된 전압은 +100100 V일 수 있는 반면, 필라멘트(2)에 인가되는 사전결정된 전압은 +100000 V일 수 있다. 전위차(전압 바이어싱)으로 인해, 필라멘트(2)에 의해 방출되는 열이온은 가속 그리드(3)를 향해 바깥쪽으로 가속화된다. 필라멘트(2) 및 가속 그리드(3)의 배열 및 전압 바이어싱은 필라멘트(2)의 열이온 방출에 의해 생성되는 에너지 열이온(전자)을 속박하는, 낮은 전위 영역을 생성한다. 열이온은 필라멘트(2)에 의해 재흡수될 수 있지만, 충분한 에너지를 가진 것들은 트랩핑될 것이다(필라멘트(2)와 가속 그리드(3) 사이에 속박됨). 트랩핑된, 에너지 열이온은 다음의 반응식에 따라 저밀도 중성 가스 분자에 영향을 미치기에 충분히 긴 시간 동안 이온화 영역을 순환한다:

상기 식에서 M은 가스 분자이고 e^-는 가스 분자와 상호작용하고 분자의 이온화 에너지보다 큰 에너지를 전달하여 전자가 가스 분자로부터 방출되도록 하는(전자 이온화) 전자(열이온)이다.

다른 식으로 말하면, 전술된 바와 같이, 전압 소스는 필라멘트에 제1 양전압을 인가하고 가속 그리드에 제2 양전압을 인가하도록 구성될 수 있다.

필라멘트에 인가되는 제1 양전압은 열이온 방출을 발생시켜 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성된다. 제2 양전압은 제1 양전압보다 크다(보다 양성임). 복수의 열이온은 필라멘트와 가속 그리드 사이의 영역을 포함하여, 챔버의 이온화 영역에서 양이온을 생성하기 위해 가스를 이온화하도록 구성된다. 제1 및 제2 양전압은 대지 전위에서 유지될 수 있는 챔버의 벽의 전압보다 실질적으로 높게 유지된다. 이는 장치의 중앙에서 전자가 앞뒤로 진동하는 전자를 가진 재순환 전자 트랩을 생성하여 저압 배경 가스의 이온화를 유발한다. 이러한 영역에서 생성된 이온은 전기장 구성으로 인해 구조의 벽을 향해 바깥쪽으로 가속화될 것이다.

이온화 영역 내의 에너지가 있는 열이온과의 충돌로 인해 이온화된 가스 분자(예컨대, 수소)는 이온화 영역에 양전하를 제공함에 따라 열이온 전류에 의해 생성된 축적된 전자 공간 전하의 음전위를 감소시킨다. 가속화 영역(3) 내의 진공 수준은 외부 진공 소스에 의해 생성되고 이온화 영역 내의 중성 입자와의 충돌 가능성을 감소시키는 수준으로 유지된다. 예컨대, 이온화 영역의 가스 압력은 10 밀리토르 이하, 예컨대 5 밀리토르 이하 또는 1 밀리토르 이하일 수 있다. 이온화 영역의 낮은 기체 압력은 수집 전 또는 중성자를 생성하기 위한 표적(5)에 충돌하기 전에 가스 분자와 충돌할 확률이 줄어들기 때문에, 이온 수율 또는 중성자 수율을 증가시킨다.

억제 그리드

중성자 발생기에서, 억제 그리드(4)는 필라멘트(2)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 억제 그리드(4), 필라멘트(2), 및 가속 그리드(3)는 동심이다. 억제 그리드(4)는 가속 그리드(3)와 동일한 재료로 제조된다. 가속 그리드(3)와 마찬가지로, 일부 예에서, 억제 그리드(4)는 이의 길이를 따라 간격을 두고 제공된 복수의 구멍(즉, 홀, 슬롯 등)을 포함하는 고체 재료일 수 있다. 다른 예에서, 억제 그리드(4)는 제1 방향으로(예컨대, 챔버의 길이를 따라) 연장되는 재료의 평행한 스트립 또는 스레드의 제1 세트 및 평행한 스트립의 제1 세트와 교차하여 교차되는 재료의 스트립 또는 스레드의 제2 세트를 포함하여 구멍이 제1 세트와 제2 세트 사이에 제공되도록 하는 프레임워크 또는 메시일 수 있다. 억제 그리드(4)에서 구멍의 위치는 가속 그리드(3)의 구멍의 위치에 상응한다. 억제 그리드(4)의 구멍은 가속 그리드(3)를 통과하는 양이온이 억제 그리드(4)를 통과하여 표적(5)을 향해 가속화되도록 구성된다.

억제 그리드(4)는 억제 그리드(4)에 음성의 사전결정된 전압을 인가하도록 구성된 전압 소스(20)에 연결된다(하기에서 보다 상세하게 설명됨). 가속 그리드(3)와 필라멘트(2) 사이의 영역 내의 양이온이 가속 그리드(3)에 가깝게 드리프트될 때, 이들은 가속 그리드(3)와 억제 그리드(4) 사이의 전위차에 의해 이온화 영역 밖으로 가속화된다. 다른 실시형태에서, 자기장이 억제 그리드(4)에 의해 제공되는 것과 유사한 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

억제 그리드(4)는 전도성 재료로 제조되며 이온 손상, 예컨대, 고질량 금속에 대해 내성이 있을 수 있다. 억제 그리드(4)는 삭마 및 스퍼터링에 내성이 있는 내화성 금속, 예컨대 니오븀, 몰리브데늄, 탄탈룸, 텅스텐, 레늄, 또는 이들의 둘 이상의 혼합물 또는 합금으로 제조될 수 있다.

표적

중성자 발생기에서, 표적(5)은 억제 그리드(4)를 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다(예컨대, 표적(5)은 억제 그리드(4)의 위 및/또는 아래 영역을 둘러쌀 수 없음). 표적(5), 억제 그리드(4), 및 가속 그리드(3)는 동심이다. 표적(5)은 고체, 금속-수소화물 형성 재료로 제조될 수 있다. 표적(5)의 재료는 완전히 로딩되었을 때 표적(5) 상에 제공된 수소와 표적(5)이 제조되는 재료 사이에 1:1 내지 2:1 비율이 존재하도록 선택될 수 있다. 표적(5)의 재료는 전도성 금속 또는 수소를 흡수하는 친화력을 가진 반-금속일 수 있으며, 바람직하게는 매우 작은 핵상 상호작용 단면이 있는 저질량 재료일 수 있다. 예컨대, 표적(5)은 탄소, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 지르코늄, 이트륨, 스칸듐, 에르븀, 또는 이들의 둘 이상의 혼합물 또는 합금으로 제조될 수 있다.

일부 예에서, 표적(5)은 챔버 자체의 벽이다(또는 이로 통합된다). 다른 예에서, 표적(5)은 챔버의 내부 표면 또는 챔버의 외부 표면 상에 제공된 층이다. 표적(5)이 층인 예에서, 표적(5)은 선택적으로, 낮은 수소 용해도 금속에 의해 선택적으로 백킹될 수 있거나 낮은 수소 용해도 금속은 챔버 자체의 벽을 형성할 수 있다. 낮은 수소 용해도 금속은 스테인리스 강일 수 있다.

표적(5)은 전압 소스(20)에 연결되지 않고, 대지 전위로 유지된다(실질적으로 0V). 가속 그리드(3) 및 억제 그리드(4)의 구멍을 통해 바깥쪽으로 이동한 후, 양이온은 억제 그리드(4)와 표적(5) 사이의 영역으로 들어간다. 이러한 영역에서, 양이온은 가속을 중단하고 탄도적으로 이동하여 표적(5)에 충돌한다. 충돌 이온은 표적(5) 내로 주입되거나, 이전에 주입된 이온과 충돌하여 융합 중성자를 생성한다. 이온화 에너지에서 생성된 양이온이 수소 동위원소인 중성자 발생기의 예에서, 수소 동위원소가 전술된 반응식 (1) 및 (2)에 따라 표적(5) 상의 또 다른 수소 동위원소와 충돌하여 중성자를 생성할 기회를 갖도록 표적(5) 상에 수소 농축물이 생성된다.

고에너지 이온이 표적(5)에 충돌할 때, 표적(5)의 표면으로부터 약 2 내지 3개의 2차 전자가 방출될 수 있으며, 이는 억제 그리드(4)의 전위보다 약간 더 높은 전위로 유지된다. 표적(5)과 억제 그리드(4) 사이의 전위차로 인해, 2차 전자는 표적(5) 내로 다시 반사되어, 가속 그리드(3)의 전자 가열을 감소시키고 가속 그리드(3)와 필라멘트(2) 사이에 제공된 이온화 영역에서 원치않는 전자 전류를 방지한다. 다른 실시형태에서, 자기장이 억제 그리드(4)에 의해 제공된 것과 유사한 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

전압 소스 및 제어기

전압 소스(20)는 챔버의 외부에 제공된다. 전압 소스(20)는 임의의 공지된 전압 소스일 수 있다. 제어기(30)는 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 및 억제 그리드(4) 각각에 인가된 전압을 독립적으로 제어하도록 제공되고 프로그램화될 수 있다. 제어기(30)는 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 및 억제 그리드(4) 각각에 공급된 전압을 변경하여 시스템을 조정하거나 이온 또는 중성자 수율을 변경할 수 있다. 사용자가 필라멘트(2), 가속 그리드(3), 및 억제 그리드(4) 각각에 공급될 개별적인 상이한 전압을 선택할 수 있도록 제어 패널 또는 디스플레이가 제공될 수 있다.

전술된 바와 같이, 표적(5)은 대지 전위로 유지되는 반면, 억제 그리드(4)는 대지 전위에 대해 약간 음전압으로 유지된다. 가속 그리드(3)는 대지 전위에 대해 높은 양전압으로 유지되고, 필라멘트(2)는 가속 그리드(3)의 전압에 대해 약간 양전압으로 유지된다. 이러한 전자 배열은 원치 않는 전기 아크의 가능성을 감소시키고, 아크 또는 고에너지 전자 전류로 인한 손상으로부터 필라멘트(2)를 보호한다.

챔버가 원통형인 중성자 발생기의 예에서, 사전결정된 길이(구체적인 응용에 따라 결정됨)의 원통형 중성자 발생기는, 축방향으로 정렬되고 균일하고 등방성인 중성자 플럭스를 생성하도록 구성된다. 구성요소의 원통형 배열은 중성자 발생기가 공간-전하 제한 없이 높은 이온-전류 밀도를 생성할 수 있도록 한다.

다양한 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 이온 소스 및/또는 중성자 발생기의 구조 및 배열은 단지 예시적이다. 본 개시내용에서 단지 몇몇 실시형태만이 상세하게 기술되었지만, 많은 변형(예컨대, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 재료 사용, 색상, 배향, 이미지 처리 및 분할 알고리즘 등의 변화)이 본원에 기술된 기술요지의 새로운 교시 및 이점에서 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다. 통합적으로 형성된 것으로 도시된 일부 요소는 다수의 부품 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 반전되거나 달리 변경될 수 있으며, 개별 요소 또는 위치의 성질 또는 수는 변경 또는 달라질 수 있다. 임의의 처리과정, 논리 알고리즘, 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시형태에 따라 변경되거나 재-시퀀스화될 수 있다. 다른 치환, 생략, 변화, 및 생략이 또한 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 동작 조건 및 배열에서 이루어질 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시내용의 기술요지가 속하는 분야의 통상의 전문가에 의해 통상적으로 수용되는 용법과 조화하여 넓은 의미를 갖도록 의도된다. 본 개시내용을 검토한 당업자라면, 이러한 용어는 제공된 정확한 수치 범위로 이들의 특징의 범위를 제한하지 않고 기재 및 청구된 특정한 특징들의 설명을 허용하기 위한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 용어는 기재 및 청구된 요지의 비실질적이거나 중요하지 않은 생략 또는 변형이 첨부된 청구범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

본원에서 사용된 용어 "결합된", "연결된" 등은 서로에 대해 직접적 또는 간접적인 2개의 부재의 결합을 의미한다. 이러한 결합은 고정식(예컨대, 영구적) 또는 이동식(예커대 제거가능 또는 해제 가능)일 수 있다. 이러한 결합은 2개의 부재 또는 2개의 부재와 임의의 추가의 중간 부재가 서로 단일체로 형성되거나 2개의 부재 또는 2개의 부재와 임의의 추가의 중간 부재가 서로 부착됨으로써, 달성될 수 있다.

요소의 위치(예컨대, "상부", "하부", "위", "아래" 등)에 대한 본원의 참조는 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 기술하기 위해 사용된다. 다양한 요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변경은 본 개시내용에 포함되는 것으로 의도된다는 점에 유의해야 한다.

본원에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적합한 경우 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있다. 명료함을 위해 다양한 단수/복수 치환이 본원에 명시적으로 설명될 수 있다.

본 명세서에 기술된 기술요지 및 동작(예컨대, 전압 제어)의 실시형태는 디지털 전자 회로에서, 또는 본 명세서에 개시된 구조를 포함하는 유형 매체, 펌웨어, 또는 하드웨어에 구현된 컴퓨터 소프트웨어 및 이들의 구조적 등가물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 기술된 기술요지의 실시형태는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 즉, 데이터 처리 장치에 의해 실행되거나 데이터 처리 장치의 구동을 제어하기 위한 하나 이상의 컴퓨터 저장 매체에 코딩된, 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 프로그램 명령은 인공적으로 발생된 전파 신호, 예컨대 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위해 적합한 수신기 장치로의 전송을 위한 정보를 코딩하도록 생성된 기계적으로 생성된 전기, 광학, 또는 전자기 신호 상에 코딩될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터-판독가능 저장 장치, 컴퓨터-판독가능 저장 기판, 랜덤 또는 직렬 접근 메모리 어레이 또는 장치, 또는 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 저장 매체는 전파 신호가 아니지만, 컴퓨터 저장 매체는 인공적으로 생성된 전파 신호 상에 코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 소스 또는 목적지일 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 또한 하나 이상의 별개의 구성요소 또는 매체(예컨대, 다중 CD, 디스크, 또는 다른 저장 장치)일 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 따라서, 컴퓨터 저장 매체는 유형적이고 비-일시성일 수 있다.

본 명세서에 기술된 동작은 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 저장 장치에 저장되거나 소스로부터 수신된 데이터에 대해 데이터 처리 장치 또는 처리 회로에 의해 수행되는 동작으로 구현될 수 있다.

Claims

가스를 함유하도록 구성된 챔버;
상기 챔버에 제공된 필라멘트; 및
상기 챔버에 대한 제1 양전압을 필라멘트에 인가하도록 구성된 전압 소스를 포함하며,
제1 양전압은 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성되고;
복수의 열이온은 가스를 이온화하여 양이온을 생성하도록 구성되는 것인 이온 소스.
제1항에 있어서, 이온 소스가 필라멘트에 의해 둘러싸인 가속 그리드를 포함하며, 전압 소스는 챔버에 대한 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하도록 구성되고, 제2 양전압은 제1 양전압에 비해 더 큰 것인 이온 소스.
제1항에 있어서, 필라멘트 가이드를 추가로 포함하며, 상기 필라멘트는 필라멘트 가이드를 통해 나사결합되거나 필라멘트 가이드 둘레에 권취되어 필라멘트 이격을 유지하도록 구성되는 것인 이온 소스.
제2항에 있어서, 필라멘트 또는 가속 그리드 중 적어도 하나가 텅스텐 또는 텅스텐 합금을 포함하고, 필라멘트 가이드가 비-전도성 내화 재료를 포함하는 것인 이온 소스.
제4항에 있어서, 비-전도성 내화 재료가 세라믹을 포함하는 것인 이온 소스.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트 및 가속 그리드를 둘러싸는 억제 그리드를 포함하며, 전압 소스는 제3 음전압을 억제 그리드에 인가하도록 구성되는 것인 이온 소스.
제6항에 있어서, 가속 그리드 및 억제 그리드 각각은 양이온이 통과할 수 있도록 구성된 복수의 구멍을 포함하고; 가속 그리드와 억제 그리드 사이의 전위차로 인해, 가속 그리드를 통과하는 양이온이 억제 그리드를 향해 가속화되도록 구성되는 것인 이온 소스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버가 1 밀리토르 미만의 압력을 유지하도록 구성되는 것인 이온 소스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버가 0.1 밀리토르 미만의 압력을 유지하도록 구성되는 것인 이온 소스.
가스를 함유하도록 구성되고 표적을 포함하는 챔버;
챔버 내부에 제공된 필라멘트; 및
챔버에 대한 제1 양전압을 필라멘트에 인가하도록 구성된 전압 소스를 포함하며,
제1 양전압은 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하도록 구성되고;
복수의 열이온은 가스를 이온화하여 챔버에서 양이온을 생성하도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제10항에 있어서, 표적은 양이온이 표적과 상호작용할 때 핵 반응이 발생하도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 또는 제11항에 있어서, 표적이 챔버 벽의 내부 표면 상에 위치하거나, 챔버 벽의 외부 표면 상에 위치하거나, 챔버 벽에 통합된 것 중 적어도 하나인 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트를 둘러싸는 가속 그리드를 포함하며,
전압 소스는 챔버에 대한 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하도록 구성되고;
제2 양전압은 제1 양전압보다 큰 것인 핵 반응 발생기.
제13항에 있어서, 필라멘트 및 가속 그리드와 동심이고 이를 둘러싸는 억제 그리드를 포함하며, 전압 소스는 챔버에 대한 제3 음전압을 억제 그리드에 인가하도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제14항에 있어서, 가속 그리드 및 억제 그리드 각각은 양이온이 통과할 수 있도록 구성된 복수의 구멍을 포함하고;
가속 그리드와 억제 그리드 사이의 전위차로 인해, 이온화 영역으로부터 가속 그리드를 통과하는 양이온이 억제 그리드를 향해 가속화되도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 표적이 고체, 금속-수소화물 형성 재료로 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제16항에 있어서, 고체, 금속-수소화물 형성 재료가 티타늄 또는 티타늄 합금인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 표적이 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 표적이 챔버의 내부 표면 상에 제공된 층, 또는 챔버의 내부 표면 상에 제공된 낮은 수소 용해도 금속 상에 제공된 층을 포함하는 것인 핵 반응 발생기.
제19항에 있어서, 표적이 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하고; 챔버의 내부 표면 또는 낮은 수소 용해도 금속 중 적어도 하나는 스테인리스 강을 포함하는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버가 1 미리토르 미만의 압력을 유지하도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버가 0.1 미리토르 미만의 압력을 유지하도록 구성되는 것인 핵 반응 발생기.
제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트 또는 가속 그리드 중 적어도 하나가 텅스텐 또는 텅스텐 합금을 포함하고, 필라멘트 가이드가 비-전도성 내화 재료를 포함하는 것인 핵 반응 발생기.
제23항에 있어서, 비-전도성 내화 재료가 세라믹을 포함하는 것인 핵 반응 발생기.
가스를 포함하는 챔버에 필라멘트를 제공하는 단계;
챔버에 대한 제1 양전압을 필라멘트에 인가하여 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하는 단계; 및
가스를 이온화하여 챔버의 이온화 영역에서 양이온을 생성하는 단계를 포함하는 이온 생성 방법.
제25항에 있어서,
필라멘트에 의해 둘러싸인 가속 그리드와 함께 챔버에 가속 그리드를 제공하는 단계;
챔버에 대한 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하는 단계로서, 제2 양전압이 제1 양전압보다 더 큰 것인 단계를 포함하는 것인 방법.
제26항에 있어서, 제1 양전압을 인가하는 단계 및 제2 양전압을 인가하는 단계가 동시에 진행되는 것인 방법.
제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버의 압력을 1 밀리토르 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버의 압력을 0.1 밀리토르 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 것인 방법.
가스를 포함하는 챔버에 필러멘트를 제공하고 챔버에 표적을 제공하는 단계로서, 표적이 필라멘트에 의해 둘러싸여 있는 것인 단계;
챔버에 대한 제1 양전압을 필라멘트에 인가하여 열이온 방출이 발생하고 복수의 열이온이 생성되는 온도로 필라멘트를 가열하는 단계; 및
가스를 이온화하여 챔버의 이온화 영역에서 양이온을 생성하는 단계를 포함하는, 핵 반응 생성 방법.
제30항에 있어서,
필라멘트에 의해 둘러싸인 가속 그리드와 함께 챔버에 가속 그리드를 제공하는 단계;
챔버에 대한 제2 양전압을 가속 그리드에 인가하는 단계로서, 제2 양전압이 제1 양전압보다 큰 것인 단계를 포함하는 것인 방법.
제31항에 있어서, 제1 양전압을 인가하는 단계 및 제2 양전압을 인가하는 단계가 동시에 진행되는 것인 방법.
제31항 또는 제32항에 있어서,
챔버에 대한 음전압을 가속 그리드와 표적 사이에 위치한 억제 그리드에 인가하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
제33항에 있어서, 제1 양전압을 인가하는 단계, 제2 양전압을 인가하는 단계, 및 음전압을 인가하는 단계가 동시에 진행되는 것인 방법.
제33항 또는 제34항에 있어서, 가속 그리드 및 억제 그리드 각각은 양이온이 통과할 수 있도록 구성된 복수의 구멍을 포함하며,
상기 방법은 가속 그리드와 억제 그리드 사이의 전위차를 이용하여 가속 그리드를 통과하는 양이온을 억제 그리드를 향해 가속화시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
제28항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 표적 상에 양이온을 충돌시키는 단계를 더 포함하며,
충돌하는 양이온은 표적 내로 주입되거나 이전에 주입된 이온과 충돌하여 융합 중성자를 생성하는 것인 방법.
제34항에 있어서, 충돌하는 이온과 이전에 주입된 이온의 충돌 결과로서, 표적으로부터 2차 전자가 방출되는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
제34항 또는 제35항에 있어서, 억제 그리드에 인가된 음전압의 결과로서 억제 그리드로부터 표적을 향해 2차 전자를 반사시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제30항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버의 압력을 1 밀리토르 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제30항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버의 압력을 0.1 밀리토르 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 것인 방법.