KR20240046484A - 입자 생성 장치 - Google Patents
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Abstract
입자 생성 장치 및 이를 포함하는 시스템이 제공된다. 관성 정전기 가둠 유형의 입자 생성 장치는 용기, 애노드 구조 및 캐소드 구조를 포함하고, 애노드 구조 및 캐소드 구조가 용기 내에 위치된다. 입자 생성 장치는 융합 가능한 동위원소 종이 농축된 제1 농축 표면을 더 포함하며, 제1 농축 표면은 애노드 구조 표면 또는 캐소드 구조 표면의 적어도 일부이다.
Description
본 개시는 특히 애노드 구조, 캐소드 구조 및 제1 농축 표면을 갖는 관성 정전기 가둠 유형의 입자 생성 장치로서, 제1 농축 표면은 융합 가능한 동위원소 종으로 농축되고, 제1 농축 표면은 애노드 구조의 표면 또는 캐소드 구조의 표면의 적어도 일부인 입자 생성 장치에 관한 것이다.
인공 핵융합에서, 융합 가능한 동위원소 종(FIS)에 적절한 운동 에너지를 부여하기 위해 힘을 활용한다. FIS는 수소(수소, 중수소, 삼중수소) 동위원소와 각각 중성자 및 양성자 생성을 위한 헬륨-3으로 구성된다. 앞서 언급한 동위원소와 함께 붕소 및 리튬과 같은 대체 FIS를 사용할 수도 있다. 힘들은 자기 플라즈마 가둠, 입자 빔 가속기, 펄스 레이저 가열 및 전자기 가둠장들의 모든 조합의 형태를 취하는 힘들을 사용하여 이온을 충돌 영역으로 집중시킨다. 최초로 상용화에 성공한 핵융합 기반 기술은 관성-정전기 가둠(IEC) 중성자 발생기이다. IEC에서는 원자로 용기의 중앙에 그물망 캐소드가 있고 내벽이 애노드 역할을 한다. 챔버는 FIS 가스로 채워져 있고 캐소드에 고전압이 가해지면 챔버 내에 강한 전기장이 생성되어 이온이 가속되고 캐소드 중앙에서 플라즈마가 점화되어 핵융합이 일어난다. IEC 중성자 발생기는 중수소-삼중수소 융합을 위해 초당 최대 5 ×109 중성자 플럭스를 거의 또는 전혀 유지보수 없이 수만 시간 동안 지속적으로 생산할 수 있는 신뢰할 수 있는 능력을 입증했다.
이온을 생성하고 손실만 일으키는 충돌을 완화하는 몇 가지 방법이 알려져 있다. 저에너지 이온을 생성하는 방법에는 하나 또는 두 개의 외부 그리드에 대해 진동할 수 있는 전자를 제공하는 전자 방출기 또는 디스펜서 캐소드가 포함된다. 애노드 벽에 가까운 외부 영역에서의 이온화로 인해 이온이 스포크 또는 빔으로 채널링하기 위한 "수용 영역"에 제공될 수 있다. 이로 인해 발생할 수 있는 디포커싱과 같은 손실에 대한 다소 의문이 있다. 그러나, 복잡성과 그에 따른 제조 비용이 성능 향상에 비해 너무 높다. 신뢰도 및 추가 절연체 스탠드오프의 수명, 섬세한 대형 그리드, 밀폐된 시스템의 관통부를 통한 추가 진공 전기 공급, 전자 방출기의 짧은 작동 수명, 디스펜서 캐소드에 대한 공격적인 수소 가스 플라즈마 대기의 유해 영향 등이 모두 보다 비용 효율적인 기술로 향하는 원동력이다. 또한, 전자 방출기는 작동 중인 IEC 환경의 대기에서 상당한 전력을 필요로 한다.
기존 IEC 방식은 2차 전자 방출 특성, 내열성, 저렴한 비용 및 제조 용이성을 위해 애노드에 알루미늄 또는 스테인리스강을, 캐소드에 몰리브덴 또는 텅스텐을 소재로 사용한다. 그러나, 높은 입자 생산 속도가 필요한 애플리케이션의 경우, 이러한 특성을 개선하고 입자 생산 속도를 높이기 위해 더 적합한 재료를 사용할 수 있다. 특히, 광이온을 고농도로 수용하고 상당한 2차 전자 방출을 나타내는 소재가 필요하다.
핵을 생성하기 위해 다양한 다입자 상호작용을 사용할 수 있다. 이러한 핵융합 반응과 생성된 입자 운동 에너지의 몇 가지 예는 다음과 같다:
1.
2.
3.
4.
여기서 중수소, 은 삼중수소, 은 헬륨, 은 중성자, 은 양성자이다.
위의 수식 1-4의 반응은 FIS의 혼합에 따라 사용 가능한 입자와 에너지의 다양성을 보여준다. 입자 발생기나 핵융합로와 같이 통제된 환경에서 핵융합을 생성할 수 있는 경우, 더 높은 에너지와 더 낮은 질량의 반응이 다양한 방식으로 시준되고 감쇠되어 사용될 수 있다. 특히, 수식 3과 4의 고에너지 중성자와 양성자는 핵융합 이외의 다른 방법으로는 생성하기 어렵거나 불가능하다는 점에서 독특하다. 수식 1과 2의 입자는 2.45MeV 중성자가 풍부한 핵분열 반응이나 양성자를 전자기장에 의해 3.02MeV까지 가속할 수 있는 입자가속기를 통해 생성될 수 있다.
중성자는 매우 유용하지만, 저렴하고 신뢰할 수 있으며 안전하고 온디맨드 방식으로 생산하기에는 어려움이 있다. 지금까지는, 캘리포늄-252 중성자 소스가 표준이었지만, 중성자의 지속적인 제어 불가능한 방출로 인해 복잡한 운영 안전 요건이 부과된다. 또한, 이 물질의 반감기가 2.5년으로 짧기 때문에 소스의 수명이 짧을 뿐만 아니라 그 자체로 폐기에 따른 복잡성과 비용이 발생한다.
현재 이용 가능한 대체 기술은 첨단 튜브 중성자 발생기 또는 소형 선형 가속기이다. 일반적으로, 이 기술은 중수소 이온 소스를 고체 또는 기체 삼중수소 타겟에 전기장에 의해 집중된 빔으로 선형 가속하여 핵융합 반응과 중성자 생성을 유도하는 형태를 취한다. 이러한 시스템은 상용화되었지만 막대한 초기 비용과 운영 비용으로 인해 사용이 제한적이다. 이는 주로 가속기를 작동하는 데 필요한 인프라, 미량의 에너지 중수소 플루언스로 인한 물질의 의도치 않은 활성화, 정기적인 교체가 필요한 삼중수소 타겟의 침식 또는 연소도 때문이다. 이는 또한 시스템이 장기간 연속적으로 작동할 수 없음을 의미한다.
입자 생성 장치가 WO03019996에 논의되어 있다. WO03019996의 발생기는 선형 지오메트리 장수명 플라즈마-가스 타겟 라인 소스 토폴로지 입자 생성 장치와의 차이점에 중점을 두고 설명한다.
WO03019996은 중성자 생산 속도가 낮고 신뢰성과 단순성이 높은 원통형 IEC 장치를 개시한다. 이 참조문헌은 또한 강렬한 자외선에 노출되면 전자를 방출하여 위에서 설명한 이온화 과정을 촉진하기 때문에 애노드 벽에 알루미늄을 사용할 것을 제안한다.
본 발명의 목표는 상기 단점을 개선한 입자 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면, 관성 정전기 가둠 유형의 입자 생성 장치로서, 용기; 애노드 구조; 캐소드 구조; 및 융합 가능한 동위원소 종이 농축되는 제1 농축 표면을 포함하고, 애노드 구조와 캐소드 구조가 용기 내에 위치하는 입자 생성 장치가 제공된다. 제1 농축 표면은 애노드 구조 표면 또는 캐소드 구조 표면의 적어도 일부이다. 농축 표면은 격자 가둠 융합을 촉발할 수 있다.
이 장치는 이온 및 중성 가스 혼합물을 포함하도록 구성될 수 있고, 작동 시, 이온 및 중성 가스 혼합물이 플라즈마를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 장치의 용기는 중심 축을 포함할 수 있다. 애노드 구조 및 캐소드 구조는 애노드 구조 및 캐소드 구조가 용기와 실질적으로 동축이 되도록 배치될 수 있으며, 애노드 구조는 중심 축으로부터의 평균 거리가 캐소드 구조의 중심 축으로부터의 평균 반경보다 더 클 수 있다. 애노드 및 캐소드 구조는 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 동심원일 수 있으며, 작동 시, 애노드 및 캐소드 구조 사이에 전기장이 제공되고 제1 농축 표면이 전자 스크리닝되도록 구성될 수 있다. 이러한 전자 스크리닝은 격자 가둠 융합을 촉진할 수 있다. 용기는 또한 캐소드 구조의 길이를 따라 동축으로 실질적으로 일정한 단면을 가질 수 있다. 애노드는 복수의 애노드 유닛으로 형성될 수 있다.
제1 농축 표면은 기본 금속 또는 전이 금속으로 형성될 수 있다. 이 금속은 원자 번호가 40보다 큰 원소일 수 있으며, 보다 구체적으로 티타늄, 지르코늄, 팔라듐 또는 에르븀 중 하나일 수 있다. 바람직하게는, 금속은 지르코늄일 수 있다. 대안으로, 제 1 농축 표면은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 이 반도체 물질은 CVD 다이아몬드일 수 있다.
제1 농축 표면은 애노드 구조 또는 캐소드 구조에 코팅으로 제공될 수 있다. 대안으로, 제1 농축 표면은 표면의 적어도 일부를 형성하는 전극과 일체적으로 형성될 수 있다.
장치는 작동 시, 장치가 핵자를 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 핵자는 중성자 또는 양성자일 수 있다.
작동 시, 장치가 양성자를 생성하도록 구성된 장치의 경우, 장치는 애노드 구조에 근접한 유체 전도 구조물을 더 포함할 수 있다. 이러한 유체 전도 구조는 금속 합금으로 구성될 수 있다. 또한, 이러한 유체 전도 구조는 유체 전도 구조의 길이를 따라 주름을 포함할 수 있다.
제1 농축 표면은 애노드 구조 또는 캐소드 구조의 표면적의 일부를 덮도록 구성될 수 있으며, 따라서 작동 시 생성된 입자가 미리 결정된 형상을 갖는 로컬화 플럭스를 갖도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 농축 표면은 애노드 구조의 표면의 적어도 일부를 형성할 수 있고, 제2 농축 표면은 캐소드 구조의 표면의 적어도 일부를 형성할 수 있으며, 제2 농축 표면은 융합 가능한 동위원소 종으로 농축될 수 있다.
본 개시에 따라, 복수의 입자 생성 장치를 포함하는 시스템으로서, 각 입자 생성 장치는 상술한 바와 같은 입자 생성 장치이고, 단일 전원 공급 장치가 여러 시스템에 서비스를 제공할 수 있도록 구성되는 시스템이 제공된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 개시를 보다 잘 이해하고, 본 개시가 어떻게 실행될 수 있는지를 보여주기 위해, 이제 첨부된 도면을 예시적으로 참조할 것이다:
도 1은 일부 실시예에 따른 관성 정전기-격자 가둠(IELC) 장치의 단면을 도시한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 IELC의 양성자 발생기 구성을 위한 애노드 및 캐소드의 기하학적 레이아웃의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 PET 방사성 동위원소의 생성을 위한 추가 양성자 발생기 IELC의 단면도를 보여준다.
도 4는 일부 실시예에 따른 의료용 동위원소 생산 구성을 위한 양성자 발생기 시스템 기능 개략도를 도시한다.
도 5는 일부 실시예에 따라 로컬화 애노드 농축을 포함하여 병렬로 배열된 다수의 유닛 구성을 예시한다.
도 6은 일부 실시예에 따라 로컬화 애노드 농축을 포함하여 직렬로 배열된 복수의 유닛 구성을 더 예시한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 관성 정전기-격자 가둠(IELC) 장치의 단면을 도시한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 IELC의 양성자 발생기 구성을 위한 애노드 및 캐소드의 기하학적 레이아웃의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 PET 방사성 동위원소의 생성을 위한 추가 양성자 발생기 IELC의 단면도를 보여준다.
도 4는 일부 실시예에 따른 의료용 동위원소 생산 구성을 위한 양성자 발생기 시스템 기능 개략도를 도시한다.
도 5는 일부 실시예에 따라 로컬화 애노드 농축을 포함하여 병렬로 배열된 다수의 유닛 구성을 예시한다.
도 6은 일부 실시예에 따라 로컬화 애노드 농축을 포함하여 직렬로 배열된 복수의 유닛 구성을 더 예시한다.
격자 가둠 융합(LCF)의 이론화와 측정을 통해 전자 스크리닝 조건 하에서 고체 금속에서 일어나는 융합 반응이 입증되었다. 여기서, 전도성 금속에 존재하는 음전하를 띤 전자 구름이 금속 격자 내에 있는 융합 가능한 이온의 양전하를 중화시킨다. 입사 가속된 이온들은 일반적으로 양전하를 띤 두 입자 사이에서 나타나는 정전기력에 의해 반발되지 않으므로, 아래에서 볼 수 있는 융합 반응이 더 적은 에너지로 더 빠른 속도로 일어날 수 있다. "Strong Screening by Lattice Confinement and Resultant Fusion Reaction Rates"(Prados-Estevez, F., Subashiev, A. 및 Nee, H.)는 특정 금속의 상위 10개 원자가 전자가 어떻게 융합 가능한 동위원소 종 사이의 쿨롱 전위를 무효화하여 융합 반응 단면을 증가시키고 고체 금속에서 빠른 속도로 융합할 수 있는지에 대해 설명한다. 포화 효과도 예상되며 실제로 발생하는 것으로 확인되었다.
LCF 효과는 FIS 또는 관련 반응 간에 거의 변하지 않지만 타고난 스크리닝 가능성으로 인해 호스트 금속에 따라 다르다. IELC 시스템의 경우, 고온 및 방사선이 있는 상태에서 주입된 수소 종의 안정성이 가장 중요하다. 이 때문에 적합한 후보 물질은 무엇보다도 팔라듐, 에르븀, 지르코늄으로 제한된다. 핵분열 원자로의 연료 피복 합금으로 사용되는 것과 관련하여 아연의 수화물 특성에 대한 광범위한 연구가 수행되었으며, 그 연구는 고온 및 고선량의 방사선이 존재할 때 안정성을 강조했다.
전기분해는 이온 빔이나 착화합물 야금을 사용하지 않고도 지르코늄 격자에 중수소 또는 삼중수소의 혼합물을 원자 퍼센트 수준에서 빠르고 효율적으로 적재할 수 있는 방법을 나타낸다. 이는 본 개시에 설명된 바와 같이 FIS 농축 캐소드 또는 FIS 농축 애노드용의 이용 가능한 제조 경로를 나타낸다.
또한, 캐소드 그리드의 전자 방출은 융합 속도에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 다른 금속으로 만들어진 동일한 기하학적 그리드를 사용하면 다른 모든 파라미터가 동일하더라도 융합 속도에 상당한 차이가 있다. 애노드 또는 캐소드에 유리한 재료 후보는 높은 전력 입력, 높은 열전도도, 높은 열 및 방사선 경도, 및 강력한 열전자 방출 특성을 띄는 단결정 또는 다결정 CVD 다이아몬드이다. 또한, 예를 들어, 물질을 FIS의 원자 퍼센트 농도로 농축시키는 중수소 및/또는 삼중수소 플라즈마 혼합물을 사용하여, 텅스텐에서 CVD 다이아몬드를 성장시킬 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 전위는 애노드에서 양이고 캐소드에서 음이므로 중성 가스가 이온화되면 애노드 표면에서 반발되고 캐소드 표면으로 끌어당겨져 플라즈마 쪽으로 가속되는 양이온이 된다. 열전 효과와 광전 효과의 조합을 통해, 캐소드 표면에서 전자 방출이 발생할 수 있다. 캐소드에서 방출된 전자는 음전하로 인해 캐소드에서 반발되어 애노드를 향해 가속된다. 이러한 고에너지 전자는 애노드 벽에서 중성 가스를 이온화하여 2차 전자를 발생시키고, 그런 후 양전하로 인해 캐소드를 향해 가속되어 플라즈마에 기여한다.
애노드 표면에서 생성된 이온은 전기장에 의해 캐소드 내부의 전위 우물로 더 먼 거리까지 가속되어 융합에 더 많은 기여를 할 수 있다. 애노드 또는 캐소드에 FIS가 풍부한 재료를 사용하면, 기존 IEC에 비해 재료의 격자 가둠 융합이 증가할 뿐만 아니라 적절한 온도에서 FIS가 원자로 챔버로 확산되어 이온화되고 시스템의 입자 생산 속도에 크게 기여할 수 있다. 정밀한 냉각을 통해 애노드의 온도를 주의 깊게 제어하면 챔버 내로 FIS의 방출을 제어할 수 있어 증가된 입자 생산 속도를 유지할 수 있다. 이는 안정적인 출력을 제공하기 위해 전력, 입자 생산 속도 및 온도를 관리하는 자동화된 시스템으로 관리될 수 있다.
잘 알려진 바와 같이, 모든 시스템은 입자 생산이 일정하게 유지되는 안정된 상태에서 포화 상태가 될 수 있다. 본 개시에서는, 포화는 주어진 온도에서 수소화물 표면층의 분해로 인한 이온의 지속적인 방출과 격자 벌크에 수소 동위원소의 동화 사이에 평형을 이루는 추가적인 이유 때문에 발생한다. 이 과정은 애노드과 캐소드에 사용되는 재료에 따라 입자 생산 속도에 도움이 될 수도 있고 해가 될 수도 있다. 어쨌든, 캐소드과 애노드 온도를 신중하게 제어하는 것이 시스템의 입자 생산 속도를 극대화하는 데 핵심이다. 1MW 핵분열로의 중성자 플럭스 밀도에 근접하는 매우 높은 입자 생산 속도의 경우, 극저온 시스템을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
본 개시의 실시예들의 특별한 장점은, 전술한 바와 같이 고정된 전력 입력에서 구동될 때 중성자 출력이 정상 상태에 도달할 때 매우 일관되게 형성될 수 있으며, 이는 본 개시의 실제 적용에서 적절한 노이즈 감쇄 과정을 통해 외부 노이즈 효과를 비교적 쉽게 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 개시의 실시예는 지정된 전압, 전류 및 온도 조건에서 측정 가능한 중성자 플럭스에 의해 정의되는 높은 안정성을 갖는 핵융합 반응 속도를 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
본 개시에 따르면, Zr 또는 CVD 다이아몬드와 같은 고수준의 융합 가능한 이온 종을 함유할 수 있는 물질은 LCF뿐만 아니라 2차 전자 방출을 촉진한다. 특히 자외선 영역에서 간접 밴드갭이 있지만 열적 특성이 훨씬 우수하고 공구 제조에 사용되는 복잡한 기하학적 표면에 적용하기 위한 기술이 비교적 쉬운 반도체인 CVD 다이아몬드의 경우 더욱 그렇다. 따라서, 애노드과 캐소드 재료 표면을 향상시켜 2차 전자 방출을 증가시키는 입자 생산 기술과 격자 가둠 융합을 짝지을 수 있다. 축방향 원통형 IELC 시스템도 융합 속도를 향상시킬 수 있다. 이러한 수단은 본 개시의 실시예에 통합될 수 있다.
전극은 이러한 재료로 만들어질 수도 있고, 대신 적절한 재료로 코팅될 수도 있다. 이러한 재료는 CVD 다이아몬드, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 기타 비금속 또는 전이 금속 원소, 잠재적으로 희토류 원소를 포함한다.
따라서, 본 개시의 실시예는 반응성 가스의 글로우 방전 분해에 의해 초기에 생성된 이온과 플라즈마 가스 혼합물에서의 이온 충격 및 전자 충격 공정과 더불어 애노드 벽에 또는 그 근처에 위치한 구조물에 고에너지 전자 및 이온을 충격시킨 후 추가 이온 생산에 적합한 저에너지의 2차 전자를 유리하게 생산하고 애노드 벽으로부터 FIS를 생산하는 관성 정전기 격자 가둠(IELC) 장치의 특성을 활용하여 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 이 두 가지 상보적인 현상이 입자 생성 속도를 높이는 역할을 한다:
1. 캐소드 표면에서, 재료 선택에 따라 증가되는, 2차 전자의 생성. 이 전자는 전기장에서 상당한 에너지를 얻고 애노드 벽으로 가속된다. 캐소드 재료는 또한 격자 가둠 융합 현상을 촉진하고 플라즈마 밀도를 높이기 위해 융합 가능한 종으로 풍부하게 만들 수 있다.
2. 티타늄, 지르코늄, 팔라듐, 에르븀과 같은 적절한 금속 또는 반도체 재료, 예를 들어, CVD 다이아몬드 내에서 애노드의 내부 표면을 용합 가능한 종들로 농축. 상기 반도체 재료는 전자 스크린되어, 격자 가둠 융합 현상을 유도하고 애노드에서 생성된 이온이 이온화되어 중앙 캐소드 영역 내의 입자 생성 속도에 기여할 수 있는 2차 전자를 생성한다.
애노드과 캐소드의 작동 온도는 일반적으로 입자 생산 속도를 증가시키는 능력과 관련이 있다.
도 1은 IELC 입자 생성 장치용 중성자 발생 구성의 단면도이다. 도 1은 다음과 같은 구성요소를 보여준다: 외부 챔버 벽(1), 고전압 스탠드오프 부품(15), 캐소드 어셈블리(17), 로컬화 융합 가능한 동위원소 종으로 농축된 내부 애노드 표면(34).
구체적으로, 도 1은 전압 피드스루를 포함하여 애노드 표면과 양쪽 끝에 부착된 세라믹 절연체를 포함하는 플랜지형 원통형 캐소드를 보여주는 IELC 단면을 도시한 것이다. 본 개시에서 언급되는 IELC 장치는 용합 가능한 이온 종 농축 애노드(34) 및/또는 캐소드(17) 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 지르코늄, 티타늄, 알루미늄, 기타 희토류 금속, 고엔트로피 합금 및 그와 관련된 산화물 및 수화물을 포함하되 이에 국한되지 않고, 안정성을 유지하면서 높은 수준의 유합 가능한 이온 종을 고온으로 유지하는 능력뿐만 아니라 2차 전자 방출 특성을 위해 선택될 수 있다. 도 1은 중수소 또는 삼중수소 가스 종들이 방출되어 밀폐된 용기 내의 게터 물질에 방출 및 저장되는 단순화된 중성자 발생기 구성을 나타낸다.
본 개시의 실시예는 소위 스타 작동 모드의 특성을 활용하여 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 스타 작동 모드는 장치 내부에서 플라즈마가 생성되는 작동 모드를 말한다. 그 결과, 장치가 이온 및 중성 가스 혼합물을 포함하도록 구성되고, 작동 시 이온 및 중성 가스 혼합물이 플라즈마를 형성하도록 하는 실시예가 고안된다.
또한, 본 개시의 실시예는 "수용 영역"이라고 하는 이온 포집 현상을 활용하여 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있는데, 여기서 각 스타 빔을 중심으로 하고 애노드 벽에서 가장 넓은 끝이 곡선형 깔때기 모양을 갖는 공간 영역은 상대적으로 낮은 운동 에너지로 생성된 이온이 가스 플라즈마, 애노드 및/또는 캐소드 표면으로부터 로컬 스타 빔으로 끌어들일 수 있는 영역을 정의한다.
캐소드 그리드(17)의 형상은 스타 모드 빔의 형성 및 형상 특성 및 수용 영역이 전술한 핵융합 충돌을 위한 이온의 생산 및 활용을 최대화하거나 적어도 개선하도록 제어되게 조정될 수 있다. 그리드(17)는 패널로 구성될 수 있으며, 패널이 길이 방향으로 이어져 중공 실린더 또는 원통형 골격 프레임을 형성하도록 형상화될 수 있다. 캐소드 그리드(17)는 플랜지를 포함할 수 있고, 플랜지는 상기 패널로부터 제조될 수 있다. 이러한 플랜지는 전기장이 플랜지 근처에 집중되어 빔 또는 채널을 생성하도록 캐소드 그리드와 애노드 사이에 전기장을 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 채널은 이웃하거나 인접하거나 가까운 플랜지 사이에 형성될 수 있다. 이러한 빔 또는 채널은 전기장의 중앙 및/또는 빔 또는 채널이 교차하는 곳에 위치할 수 있는 플라즈마를 향해 생성된 이온의 가속을 개선할 수 있다. 이러한 전기장 채널은 수용 영역으로 간주될 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예들은, 생성된 핵자가 길쭉한 기원(origin) 구역으로부터 사방으로 밀봉된 장치로부터 빠져나갈 수 있고, 캘리포늄-252와 같은 방사성 중성자 방출 동위원소의 많은 개별적인 펠릿들로 이루어진 라인 소스 또는 포인트 소스 중성자 발생 장치와 같은 개별적인 포인트 소스를 대체할 수 있는 것이 제공된다.
따라서, 본 개시의 실시예들은, 중심선으로부터 애노드까지 연장되고, 내부 캐소드 및 상기 내부 캐소드(17)의 반경의 대략 절반의 반경 방향 거리만큼 내부 캐소드의 외부 공간뿐만 아니라 융합 가능한 동위원소 종으로 적절히 농축된 애노드(34)의 내부 표면 벽까지 연장되는 상술한 바와 같은 체적 또는 영역에서 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예는 원자로 용기 내의 곡선 형상의 경우, 길쭉한 구역 또는 복수의 구역 세그먼트에서 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 즉, 본 개시의 실시예는 원자로 용기의 중심선 축 또는 원통형 대칭의 선을 중심으로 한 체적에서 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
일반적인 선형 가속기와는 달리, 본 개시의 실시예에 의해 생성된 핵자는 다방향성을 가질 수 있다. 본 개시의 실시예는 입자 가속기 장치에 의해 생성된 가속된 에너지 양성자의 수 밀리미터 직경의 강렬한 단방향 빔이 타겟에 충돌하여 상대적으로 빠른 손상을 일으키는 것을 대체하고자 한다. 선형 가속기와 비교하여, 본 개시는 사용을 위해 순수한 동위원소를 용이하게 추출하도록 쉽게 처리될 수 있는 더 큰 전구체 물질 부피에 걸쳐 양성자 생산을 분산시킬 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 FIS 농축 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 원자로 챔버에 대한 유지보수가 거의 또는 전혀 없이 수천 시간 내지 수년 동안 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 본 개시의 실시예는 중앙 전극(17) 또는 관련 고전압 전원 입력 구조에 대한 유지보수가 거의 또는 전혀 없고, 내부에 장착된 반응기 챔버 가스 저장 및 압력 조절 장치에 대한 유지보수가 거의 또는 전혀 없으며, 및/또는 실질적 진공 용기 벽(1)과 일반적으로 얇은 호일 두께의 내부 대면 벽 사이의 수성 유체를 위한 내부 장착 도관 구조에 대한 유지보수가 거의 또는 전혀 없는 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 캐소드 및 애노드를 위해 선택된 재료는 2차 전자 방출, 열 손상에 대한 내성 및 격자 가둠 융합을 촉진하기 위해 선택될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 장치는 애노드 벽과 캐소드 그리드(17)의 둘레 사이의 수용 영역 내에서 생기거나 생성된 이온이 수용 영역이 실질적으로 중앙에 위치할 수 있고, 정전기장 내의 등전위 평면의 형상에 적합할 수 있는 캐소드 홀 윈도우 측면 세그먼트 곡률을 갖는 스타 모드 빔으로 끌려 들어갈 수 있어 수용 영역의 크기를 증가시킴으로써 애노드 벽(34) 근처의 2차 전자들과 중성자들의 상호작용에 의해 생성되는 대부분의 또는 실질적으로 모든 이온을 포집하도록 조정될 수 있다.
도 2는 통합 용기를 도시한다. 특히, 도 2는 IELC의 양성자 발생기 구성을 위한 애노드과 캐소드의 기하학적 레이아웃을 단면적으로 도시한다. 도 2는 다음과 같은 구성요소를 보여준다: 주름진 챔버 벽(2), 주름진 얇은 FIS 농축 애노드 표면(3), 외부 챔버 표면(4), 애노드 벽 구성요소(5), 애노드 지지 구조(6) 및 캐소드 어셈블리(17). 벽 및 열 전달 구성요소(1)는 제조 비용 절감의 이점을 제공할 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 유지보수가 적은 저비용 시스템과 호환되는 여러 가지 반응물 가스 이온화 향상으로 증가된 핵융합 반응 속도를 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 구성요소는 적절한 구멍을 통해 압출된 알루미늄과 같은 잘 알려진 수단에 의해 알루미늄 합금의 압출로 생산될 수 있다. 결합된 기능의 유체 또는 가스 도관 및 애노드 벽은 제조 가능성 및 기능을 달성하기 위해 스테인리스 스틸 또는 유사한 특성의 재료로 제작될 수 있다. 유리한 용기 토폴로지는 8면체 다각형 형태, 즉 팔각형 단면을 가진 형태이다. 이 토폴로지는 꼭지점 수가 많은 토폴로지에 비해 견고성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 꼭지점 수가 많은 단면은 더 높은 대칭도를 허용할 수 있으므로 유체 전도 구조들의 수를 늘릴 수 있다. 이러한 유체 전도 구조는 장치의 냉각 채널 역할을 할 수 있다. 그러나, 꼭지점 수가 많은 단면은 제작 비용이 더 많이 들고 견고성이 떨어질 수 있다. 꼭지점 수가 줄어든 단면은 유체 전도 구조의 수가 줄어들고 재료 불순물의 영향이 증가하기 때문에 온도 변화에 취약할 수 있다. 팔각형 단면은 이러한 두 극단 사이의 바람직한 절충안일 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 이동 차량에서의 작동을 위해 구조적으로 견고한 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 유사하게, 본 개시의 실시예는 고정 또는 이동 시스템의 병원 위치에서 작동하기 위해 구조적으로 견고한 중성자 또는 양성자 생성 핵융합 반응을 위한 장치를 제공할 수 있다.
중앙 캐소드(17), 애노드 구조(3/6) 및 외부 챔버 또는 용기(4)는 동축형일 수 있다. 구체적으로, 용기(4)는 중심 축을 포함할 수 있고, 애노드 및 캐소드 구조는 애노드 구조(3/6) 및 캐소드 구조(17)가 용기와 실질적으로 동축이 되도록 배치될 수 있다. 애노드 구조(3/6)는 캐소드 구조(17)의 중심 축으로부터의 평균 반경보다 큰 중심 축으로부터의 평균 거리를 가질 수 있으며, 애노드 및 캐소드 구조는 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 동심이고, 작동 시, 애노드 및 캐소드 구조 사이에 전기장이 제공되고 제1 농축 표면이 전자 스크린되도록 구성될 수 있다. 용기(4)는 캐소드 구조의 길이를 따라 동축으로 실질적으로 일정한 단면을 가질 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 조사될 특정 물체의 구배진 선형 형태에 순응할 수 있는 곡선형 소스 구성에서 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
외부는 원통형 하우징(4) 내에 들어갈 수 있는 크기의 통합 냉각 핀(2)을 가질 수 있다. 하우징(4)은 냉각수 유체(예를 들어, 공기)용 카울링 또는 덕트 역할을 할 수 있으므로, 핀(2)에서 지나가는 유체로의 열 전달이 용이하게 이루어질 수 있다. 더 큰 열 플럭스를 전달하기 위해 액체 냉각제를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 용기 벽(1)에 브레이징된 튜브 시스템에서 순환되는 물과 같은 액체 냉각제를 사용하는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 양성자 발생 모드에서, 애노드 벽은 전구체 유체용 도관을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 원자로의 전기 애노드 역할을 하는 내벽이 특징이다. 캐소드에 직접 노출되지 않는 도관의 측면은 구조적 기능을 가질 수 있다. 내벽은 본 개선의 의도된 기능에 중심이 되는 기능을 가질 수 있다.
도 2의 상세 삽입도 A(2:1)는 용기(1)의 내벽 표면에 위치할 수 있는 삽입된 유체 도관 및 농축된 애노드 벽 구성요소(5)의 예시적인 단면을 설명하기 위한 목적으로 도시한 것이다. 위에서 논의한 바와 같이, 저에너지 전자의 생산을 증가시키기 위해 이용될 수 있는 잘 알려진 현상들이 있다. 반응 기체 종(미도시)의 이온화는 용기 벽(1)과 만날 수 있는 고강도 UV 광자 플럭스를 제공할 수 있다. 본 개시의 강렬한 정전기장에 의해 가속된 고에너지 전자의 발생으로 저에너지의 2차 전자의 방출이 야기될 수 있다. 이러한 저에너지 전자는 수소 및 헬륨의 이온화에 매우 적합할 수 있다. 농축 애노드(1) 근처의 이온의 개체수가 크게 증가될 수 있다. 국부적인 방사형 방향으로 애노드를 향해 흐르는 고에너지 전자의 낮은 입사각을 증가시키기 위해, 표면은 주름(3)과 같이 형성될 수 있다. 피크의 높이는 가장 큰 이온화 효율을 달성할 수 있는 정전기장 전위 영역 내에 전자들을 유지하기 위해 낮을 수 있다. 사용 가능한 영역에 가능한 한 많이 맞추기 위해 리지(3)의 폭도 낮을 수 있다. 설계 고려 사항은 제조 비용의 영향을 받을 수 있다. 용기 벽(1) 및 애노드 구조(6)가 원통형 튜브 단면을 기반으로 하는 경우, 이온화 향상 리지(3)를 내벽 표면의 나사산 또는 나선형 튜브로 만드는 것도 허용될 수 있다. 이들은 압출된 형태의 경우와 같이 길이 방향이 아닌 원주 방향으로 이어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 애노드 구조(6)는 복수의 애노드 벽 구성요소(6)와 강화 융기부(3)로 형성될 수 있다. 즉, 애노드 구조(6)는 복수의 애노드 유닛으로 형성되고 하나 이상의 홀 및/또는 윈도우를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 애노드 벽과 결합된 캐소드 그리드의 홀 또는 윈도우는 동일한 정전기 전위를 갖는 평면을 결정하는 역할을 할 수 있다. 장치가 스타 모드에서 작동할 때 이온 및 전자의 전하 공간의 중첩으로 렌즈 효과가 생성될 수 있다. 정전기 렌즈 모양은 예를 들어 다음과 같이 애노드과 캐소드의 기하학적 형상을 바꿈으로써 변경될 수 있다:
a) 캐소드과 애노드의 실질적으로 동심원.
b) 애노드 내벽의 경우 다각형 형태의 규칙적인 짝수 면과 캐소드의 경우 그에 상응하는 수의 윈도우가 있으며 윈도우 면의 둘레는 일반적으로 다음과 같다:
1. 볼록
2. 평면
3. 오목
4. 위 세 가지의 복합 조합
및 각각은 곡률 반경과 원형 아크 세그먼트의 길이가 캐소드 그리드 셀의 스택 전체에 걸쳐 반복적으로 사용되도록 정의되어 형성되는 스타 빔이 애노드에서의 2차 전자 생성 및 캐소드 그리드 전극과의 이온 충돌 완화에 최적화되거나 적합할 수 있도록 한다.
캐소드의 3D 프린팅과 같은 기술은 투명성을 개선하고 전기장이 이온과 전자를 캐소드 표면에 충돌하도록 유도할 수 있다. 또한, 고온과 높은 2차 전자 수율을 처리하기 위한 바람직한 야금학적 특성은 애노드과 캐소드 표면을 CVD 다이아몬드로 처리하는 것이 용합 가능한 이온 종 농축과 함께 유리하다는 것을 의미한다.
또한, 애노드 벽은 스타 모드 글로우 방전 이온화 작동 중에 있는 가해진 정전기장에 의해 가속된 상대적으로 높은 에너지 전자가 애노드 벽의 표면에 부딪힐 때 반응성 기체 종 동위원소를 가장 쉽게 이온화할 수 있는 상대적으로 낮은 에너지 전자의 다중 방출 생산을 촉진하는 수동적 수단으로 처리될 수 있다. 이러한 수동적 수단에는 기판 금속에 희토류 원소 또는 유익한 특성을 가진 CVD 다이아몬드를 코팅하고/하거나 2차 전자의 생성을 촉진하는 텍스처 또는 마이크로 기하학적 형상을 가진 표면 마감을 부과하는 것이 포함될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 애노드 및/또는 캐소드는 전기분해를 통해 융합 가능한 동위원소 종으로 농축하는 동안 챔버를 충분히 (중수소화된 및/또는 삼중수소화된) 중수로 채우고 전극을 삽입한 후 내부 표면에 충분한 전류 밀도를 가하여 가수분해를 촉진함으로써 전극 역할을 할 수도 있다. 이렇게 하면 내부 애노드 벽에 농축된 수소화물 층이 형성된다. 그런 다음 중수소 및/또는 삼중수소 가스 혼합물을 사용하여 CVD 플라즈마로 처리하여 재료 표면에 수 미크론의 다이아몬드를 성장시킬 수 있다.
위의 방법과 달리, 전기분해를 위해 반응기 용기에 전도성 염을 함유한 중수소 또는 삼중수소 중수 용액을 채우는 가수분해를 통해 FIS 농축 애노드 및/또는 캐소드 재료를 제조할 수도 있다. 거즈 망에 백금과 같은 재료로 만들어진 또 다른 캐소드를 용기에 삽입하여 전압이 가해졌을 때 내부 전기장이 균등하게 분산되어 수화물이 고르게 형성되도록 할 수 있다. 가수분해 전에 표면 산화물을 제거하기 위한 화학적 에칭을 수행할 수 있다. 이 공정은 동일한 전원 공급 장치를 사용하여 여러 개의 반응기를 병렬로 연결하여 수행할 수 있으며, 전원 공급 장치는 전기분해 용액의 전도도에 대한 가열의 악영향을 제한하기 위해 반응기 용기에 액체 냉각이 이점적일 수 있는 수 kW의 용량이 필요할 수 있다. 전이 금속 수소화물은 캐소드 재료에도 가능하며, 이 경우 동일한 목적을 위해 주변에 백금 거즈가 있는 적절한 반응 용기에서 동일한 공정이 수행된다. 또한, 본 개시의 실시예는 표면적 증가를 통해 LCF 효과를 극대화하기 위해 와이어 메쉬를 필요로 할 수 있으며, 이 경우 와이어는 적절한 속도 및 인가 전압으로 U자형 백금 거즈 메쉬를 통해 스레딩되는 동안 연속적으로 전기분해를 수행할 수 있다. 스레딩 속도와 인가 전압을 제어함으로써, 수소화물 층을 전체 길이에 걸쳐 균일하게 만들 수 있다.
절연 표면의 모든 금속 코팅의 고장 모드는 가스 원자, 분자 및 금속 입자의 이온화 및 중성 입자 모두의 전체적 방사형 궤적을 제공함으로써 비전기 전도성 전극 지지 구조가 위치한 전극 스택의 양쪽 끝으로 금속 원자가 이동되어 고장모드가 방지되거나 적어도 감소되도록 완화될 수 있다.
주름진 농축 애노드 벽은 농축 애노드의 표면적을 증가시키는 이차적인 효과를 가질 수 있으며, 이는 장치에 더 많은 용합 가능한 이온 종을 적재할 수 있다. 이는 애노드에서 생성되는 이온의 수를 증가시켜 입자 생성 속도를 더욱 증가시키는 부가적인 효과를 가질 수 있다. 더 높은 표면적을 산출할 수 있는 대안적인 설계가 가능하기 때문에 본 개시에서는 도시된 구조에 국한되지 않으며, 표면적 증가에 따른 복잡성 증가 및 비용 증가와 상충 관계가 있을 수 있다.
주름진 농축 애노드 벽(3)은 유체의 분자 또는 도관(5) 내에 포함된 용질 분자에 통합된 지정된 타겟 핵자와 양성자의 상호작용에 대해 잔류 에너지가 최적인지 확인하기 위해 허용되는 에너지 양성자의 에너지 손실에 의해 결정되는 두께를 가질 수 있다. 이 벽 두께는 0.01 내지 0.5mm 범위일 수 있다.
애노드, 2차 전자 생산 수단, 용기 벽 및 외부 열 전달 핀 등은 장치의 비용 절감 구성요소를 제조하기 위해 압출 또는 3D 프린팅 공정에 의해 제조에 적합한 단면 형태로 통합될 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 유지보수가 적은 저비용 시스템과 호환되는 여러 가지 반응물 가스 이온화 향상으로 증가된 핵융합 반응 속도를 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
도 2에 도시된 실시예를 포함하는 실시예에서, 도관 농축 애노드 벽(5)은 스테인리스강 백 플레이트 및 스테인리스강 또는 기타 금속성 FIS 농축된 주름진 전면 벽의 제작에 의해 제조될 수 있다. 백 플레이트는 기계 가공 또는 밀링 가공될 수 있어 최소 2mm의 일반적인 벽 두께를 만든다. 농축 애노드 벽(3)은 공차 범위 내에서 원하는 벽 두께의 원하는 주름을 압연 또는 압착하는 잘 알려진 기술을 사용하여 처리될 수 있다. 이러한 공정은 작동 압력 차로 인한 변형에 대응하기 위해 선택적 보강 스트립을 사용하여 설계 옵션을 제공할 수 있다. 애노드 벽 유체 도관 서브 어셈블리(6)를 형성하기 위해 재료가 전자 빔, 레이저 또는 기타 집중된 에너지 용접 기법과 호환되는 경우, 두 구성요소가 함께 용접될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 이러한 서브 어셈블리는 용기 벽(1) 내의 위치로 미끄러져 들어갈 수 있다.
실시예에서, 유체 도관 구조는 실질적 용기 벽 내부의 압출 슬롯과 호환되는 단면 프로파일을 갖는 밀링된 강철 백 플레이트 및 웨이브 프로파일 애노드 벽으로 프레스되거나 다른 방식으로 형성되는 얇은 시트로부터 제작될 수 있으며, 두 구성요소는 초고진공 호환 밀봉을 달성하기 위해 함께 용접된다.
본 개시의 실시예에서, 유체 도관 애노드 벽 구조는 0.05 mm 내지 0.5mm 범위의 특징적인 두께를 갖는 비교적 얇은 애노드 벽을 가질 수 있다. 이러한 두께는 잔류 에너지 범위가 유체 내에 집중되어야 하는 특정 동위원소와의 핵 상호작용에 충분하도록 허용되는 14.7 MeV 양성자의 운동 에너지의 감소에 의해 결정될 수 있으며, 또한 90도 입사각이 아닌 다른 입사각에서 애노드 벽을 통과하는 양성자의 통과 경로 길이에 적용될 수 있다. 여기에는 내부 표면 곡률로부터 방출을 나타낼 수 있는 격자 가둠 융합을 통해 애노드 벽에서 생성된 양성자가 포함될 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 도관 구조의 얇은 애노드 벽은 스타 모드 빔의 충돌에 의해 부과되는 열 스트레스에 더 잘 저항하기 위해, FIS에서 농축될 수도 또는 농축되지 않을 수도 있는 보강재 피처들이 캐소드 그리드 셀과 정렬되는 복잡한 화학적으로 에칭된 표면을 가질 수 있다.
도관 구조의 얇은 애노드 벽은 화학적 에칭 및 보호 마스킹과 같은 잘 알려진 기술을 통해 달성할 수 있으므로, 필요하다고 판단되는 경우, 도관 구조의 애노드 벽에 구조적 보강재 피처들과 상대적으로 얇은 윈도우를 정의하고 생성할 수 있다. 화학적 에칭은 애노드 벽을 얇게 만드는 데 사용할 수 있지만, 가수분해 공정을 도와 애노드 표면 순도를 높이고 융합 가능한 동위원소 종 농축을 극대화할 수 있는 추가적인 이점이 있다.
도 3은 본 개시의 실시예의 반응 챔버 및 통합 유체 도관 서브 시스템 어셈블리를 도시한다. 구체적으로, 도 3은 PET 방사성 동위원소의 생성을 위한 양성자 발생기 IELC의 단면을 나타낸 것이다. 레이블이 붙은 구성요소는 다음과 같다: 외부 챔버 벽(1), 애노드 지지 구조물(6), 유체 도관 터미네이션 블록(7), 연결 스터브 튜브(8), 매니폴드 어셈블리(9), 파이프 조인트 피팅(10), 전구체 유체 입구/출구(11), 엔드 캡 어셈블리(12), 가스 공급 엔드 캡 어셈블리(13), 실 개스킷(14), 고전압 스탠드오프 구성요소(15), FIS 가스 피팅 플랜지(16) 및 캐소드 어셈블리(17). 반응 챔버의 양단이 한 페이지에 나타날 수 있도록 길이가 도식적으로 잘려져 있다. 전체 길이는 1-2m 범위일 수 있다. 용기 벽(1)은 8개의 농축 애노드 벽 유체 도관 어셈블리(6)를 수용할 수 있으며, 그 중 2개가 단면에 도시되어 있다. 중앙 캐소드 어셈블리(17)가 상징적으로 도시되어 있다. 각 단부의 내부 피처들은 유체 도관 어셈블리의 더 나은 접근 및 수용을 제공하기 위해 밀링될 수 있다. 각 유체 도관은 누출이 없거나 초고진공 표준 밀봉을 달성하기 위해 브레이징 또는 다른 방식으로 부착될 수 있는 터미네이션 블록(7)과 스터브 튜브(8)로 구성된 터미네이션 어셈블리를 가질 수 있다. 스터브 튜브(8)는 챔버(1)의 양단에서 매니폴드 어셈블리(9)에 삽입될 수 있다. 각 스터브 튜브의 고진공 밀봉 연결은 스테인리스강 매니폴드(9)에 용접될 수 있는 용접 피팅 타입의 적절한 파이프 피팅(10)에 의해 달성될 수 있다.
입구 및 출구(11)는 용접된 튜브 조인트 피팅(10)에 의해 유사하게 구현될 수 있다.
매니폴드(9)는 엔드 캡 어셈블리(13)에 의해 폐쇄될 수 있다. 엔드 캡 어셈블리(12)를 통한 고전압 공급으로 고진공 밀봉이 제공될 수 있고, 가스 공급 엔드 캡 어셈블리(13)로도 또한 고진공 밀봉이 제공될 수 있다. 밀봉 개스킷(14)은 "금속 오링" 장치일 수 있다. 특정 변형 및 고진공 밀봉을 달성하기 위해 플랜지 면을 "금속 오링" 밀봉에 대해 클램핑하기 위해, 도시되지 않은, 플랜지에 대해 작동하는 클램핑 스크류 어레이가 제공될 수 있다.
가스 공급 엔드 캡 어셈블리(13)는 각 반응성 가스 유형에 대해 별도의 가스 압력 조절기로서 또는 헬륨-3용 가스 압력 조절기와 중수소용 게터 펌프의 조합으로서 구현될 수 있는 가스 관리 서브시스템에 연결될 수 있다. 가스 공급 엔드 캡 어셈블리(13)는 메인 챔버와 가스 포트(16) 사이에서 가스의 자유로운 이동을 허용하는 고전압 스탠드오프 구성요소(15)를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예는 유체, 애노드 벽 및 관련 원자로 용기 구조의 필요한 냉각을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 새로 형성된 생성물 동위원소 함유 화합물을 화학적 추출 및 농축 수단이 폐쇄된 재순환 회로 내에 위치될 수 있는 외부 위치로 전달할 수 있도록 핵융합 연료가 적재된 애노드 벽 구성요소의 도관 구조를 통해 타겟 유체를 순환시키는 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 타겟 유체는 양성자 포획 영역을 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
원형 또는 다각형 반응 챔버는 또한 유체 도관(6)이 도 3의 평면으로부터 돌출되어 나란히 수용되는 유체 도관(6)의 수에 의해 임의의 실제 폭이 결정될 수 있는 2개의 평행 평면에 배열되는 넓은 챔버를 생성하도록 변경될 수 있다. 그러나, 이로 인해 유체 도관(6)의 양성자 포획 영역이 감소될 수 있다.
펄스 전력 모드에서 작동하면 입자 생산 속도에 이점이 있다. 이는 격자 가둠 융합, 수반되는 전자 스크리닝 효과 및 2차 전자 방출의 조합으로 인한 것일 수 있다. 주기적으로 전압을 완화하면 더 높은 농도의 원자가 전자가 표면으로 잠시 돌아와 2차 전자 수율을 증가시키고 더 강력한 전자 스크리닝 효과를 통해 격자 가둠 융합을 증가시킬 수 있다. 따라서, 펄스 모드에서 작동하여 이득을 극대화하려면, 펄스 주파수가 광범위한 이온화 후 전자가 농축된 표면을 다시 채우는 데 걸리는 이완 시간과 일치해야 한다. 따라서, 본 개시의 실시예는 펄스 동안 전류가 수 암페어에서 수십 암페어에 이르는 펄스 전력 입력을 이용하여, 인가된 전류와 초선형 비례의 관찰된 융합 속도 향상 특성을 이용할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
도 4는 시스템 기능 회로도를 보여준다. 특히, 도 4는 의료용 동위원소 생산 구성을 위한 양성자 발생기 시스템 기능 개략도를 도시한다. 레이블이 붙은 구성요소는 다음과 같다: 고전압 전원 공급 장치(18), 저전압 펄스 드라이버(19), 가스 관리 매니폴드 서브시스템(20), 헬륨-3 저장소(21), 터보 분자 진공 펌프(22), 잔류 저장소(23), 1차 진공 펌프(24), 게터 펌프(25), 밀봉 용기(26), 캐소드 어셈블리(27), 매니폴드 어셈블리(28), 열교환기(29), 동위원소 추출 시스템(30), 유체 흐름 회로 펌프(31), 헬륨-3 도징 밸브(32) 및 제어 컴퓨터 시스템(33).
본 개시의 실시예는 효과적인 작동을 위해 주변 기능들이 인터페이스될 수 있다. 중요한 주변 장치는 일반적으로 고전압 변압기 섹션(18) 및 저전압 펄스 드라이버 섹션(19)으로 구성되는 초고압 펄스 전류 전원 공급 장치일 수 있다. 종래 기술에 설명된 바와 같은 IEC 장치의 경우, 생성되는 입자의 수는 전력 입력에 따라 선형적으로 확장된다. 이와는 대조적으로, 본 개시의 실시예는 전력 공급 요건을 낮추면서 종래 기술과 같은 동등한 IEC 시스템보다 입자 생산 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 더 적은 전력 입력으로 많은 수의 입자를 생산할 수 있으므로, 높은 와트의 전원 공급 장치를 지원하는 데 필요한 주변 지원 장비가 더 이상 필요하지 않다. 본 개시의 실시예는 최소 또는 감소된 양의 주변 지원 장비 기능들로 증가된 핵융합 반응 속도를 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
게터 펌프 어셈블리(25)는 도 4의 반응 챔버 어셈블리의 외부에 위치할 수 있으며, 경계선(20) 내에 상징적으로 표시된 매니폴드 어셈블리 내에 있을 수 있다. 비증발 게터 펌프는 전원 공급 장치, 히터 소자 및 온도 측정 회로(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 전원 공급 장치는 게터 펌프 게터 재료 내에 내장될 수 있는 히터 소자에 전원을 공급하기에 충분한 전압 및 전류를 제공할 수 있다. 히터는 게터 재료를 400℃ 내지 600℃ 범위의 온도까지 올릴 수 있다. 히터는 게터 재료가 일정한 온도를 유지하도록 제어될 수 있다. 용기(26)는 물과 같은 잔류 휘발성 물질을 제거하기 위해 올바르게 베이크 아웃된 후 밀봉 및 배기될 수 있다. 적절한 재료의 조건부 게터는 수소 또는 그 동위원소를 방출하여 분압이 상술한 온도 범위에 있을 때 5×10-3 mbar 내지 5×10-1 mbar의 수준으로 상승할 수 있도록 할 수 있다. 특정 일정한 온도에서, 분압은 또한 일정할 수 있다. 일정한 온도에서 게터 펌프는 압력 소스 및 고정밀 압력 레귤레이터 역할을 할 수 있다. 아주 미세한 압력 변동으로 인해 스타 모드 발광 방전 전압이 크게 벗어날 수 있다. 압력 조절은 개방형 블리드 밸브와 터보 분자 진공 펌프 구성으로도 충분히 미세하게 조절할 수 있지만, 게터 펌프는 밀폐형 구성의 IELC 장치에 더 우수한 가압 수단을 제공할 수 있다.
반응성 가스(중수소)를 저장하는 게터 펌프(25)의 용량은 밀폐형 원자로 챔버의 최대 작동 시간을 결정하는 요인이 될 수 있다. 실제 구성에서는 초당 최대 1×1014회의 핵융합 속도로 10년 동안 중수소를 지속적으로 소비할 수 있다. 이러한 기간 동안, 밀폐형 원자로의 출력은 반응물의 혼합 비율이 변화함에 따라 매우 느리게 변화할 것으로 예상할 수 있다. D-He3 실시예에서, 일부 DD 융합 반응이 발생할 수 있다. 양성자(수소) 뿐만 아니라 삼중수소 및 헬륨-3도 생성될 수 있다. 헬륨-3 및 삼중수소는 해당 핵융합 반응에서 축적되거나 소비될 수 있다. 이러한 부반응의 기여도는 실제로 미미할 수 있다. 본 실시예에서의 융합 속도는 융합 가능한 종의 농축 수준에 따라 초당 1×1010 내지 1×1014가 될 수 있다. 도 2, 3의 내벽 표면(3 및 1)에 내장된 휘발성 종의 아웃개싱을 유도하기 위해 게터 펌프를 가열하여 가스를 추출하고 챔버를 베이킹하여 충전 및 배기 포트(미도시)를 개방함으로써 밀봉된 챔버에서 유지보수를 수행하는 것이 가능하다. 삼중수소 취급에는 안전 규정이 적용될 수 있다. 그러나, 본 개시를 구현하는 잘 사용되는 D-He3 원자로에 축적될 수 있는 삼중수소의 양은 대부분의 국가에서 취급 및 운송에 대한 최저 안전 기준치보다 낮을 것으로 예상된다. 가스 관리 매니폴드 서브시스템(20)은 또한 압력 용기(21)에 헬륨-3의 저장소를 포함할 수 있다. 서비스 작업이 실행될 때, 반응 챔버는 최소한의 실제 압력 레벨로 배기된다. 헬륨-3의 높은 비용 때문에, 터보 분자 진공 펌프(22)가 초기 분압이 1-5×10-2 mbar일 수 있는 잔류 헬륨-3을 재사용을 위해 저장소(23)로 보내는 청소 시스템이 필요할 수 있다.
헬륨-3의 이용을 위해 구성된 실시예는 중수소 가스를 위한 게터 펌프 이외에, 헬륨-3을 저장 및 조절하고, 최종적으로 헬륨-4를 처리 및 분리하는 외부 수단을 가질 수 있다.
전체 가스 매니폴드 서브 시스템은 초기 배기 및 후속 작동 절차의 지원을 위한 1차 진공 펌프(24)를 포함할 수 있다. 자동화된 구성 제어 구현을 지원하기 위해 다수의 도징 밸브 및 차단 밸브(일반적으로 도시됨)가 포함될 수 있다.
농축된 애노드 및 용기 벽은 결합된 기능 요소를 포함할 수 있으며, 핀 또는 다른 구조물 또는 표면 위로 열 전달 유체, 일반적으로 냉각 유체의 흐름을 통해 열 전달을 위한 외부 핀 또는 다른 열 전달 구조물 또는 표면을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 동위원소 생산을 위한 실시예는 용기 벽 또는 애노드 벽에 유체 도관 어셈블리(27)가 라이닝될 수 있는 챔버 어셈블리(26)를 가질 수 있으며, 그 중 실시예에는 8개가 있다. 이들은 포함된 수성 유체가 반응 챔버의 진공과 같은 환경으로부터 밀폐되도록 하기 위해 각 단부에서 매니폴드 어셈블리(28)에 연결될 수 있다. 매니폴드 어셈블리에는 유체 흐름 회로가 구성될 수 있도록 포트가 구비될 수 있다. 유체 흐름 회로는 고전압 전원 공급 장치에 의해 챔버로 전달되는 열의 상당 부분을 제거하기 위한 열 교환기(29)의 주요 기능적 특징을 포함할 수 있다. 유체 회로의 추가적인 기능적 특징들은 P.E.T. 동위원소(30)를 추출하는 수단 및 미립자 여과 시스템일 수 있다. 유체 흐름 회로는 펌프(31)에 의해 완성될 수 있다. 모든 구성요소는 의료 장비 표준이어야 할 수 있다.
본 실시예의 목적상, 고전압 전원 공급 장치(18, 19)가 제공할 수 있는 글로우 방전 전압, 펄스 전류 및 펄스 듀티 사이클을 제어하는 소프트웨어가 있을 수 있다. 전압은 챔버(26) 내의 가스 압력에 의해 결정될 수 있다. 가스 압력은 온도 측정 회로에 의해 측정되어 소프트웨어로 전송될 수 있는 게터 펌프 온도에 의해 결정될 수 있다. 게터 펌프 온도는 중수소 분압을 결정할 수 있다. 소프트웨어는 게터 펌프 온도를 유지하기 위해 게터 펌프 히터 전원 공급 장치에 더 많거나 적은 전력을 공급하도록 명령할 수 있다. 또한 소프트웨어는 도징 서보 밸브 제어 장치에 압력을 유지하도록 명령할 수 있다. 이 소프트웨어 기능은 게터 펌프(25)와 헬륨-3 도징 밸브(32)에 의해 결정되는 중수소의 분압을 제어하여 두 기체 원소의 혼합 비율이 원자 수 측면에서 동일하도록 할 수 있다. 원자로가 최적의 동위원소 생산에 필요한 파라미터에서 또는 그에 매우 근접하게 작동하도록 필요한 서브 시스템에 명령 또는 제어 신호가 발행될 수 있다. 제어 알고리즘은 몇 가지 비선형 특성으로 인해 간단하지 않지만, 응답 시간이 충분히 길어서 필요한 입력 및 출력 포트를 갖는 일반적인 컴퓨터 또는 전용 마이크로 프로세서 제어 컴퓨터(33)가 주기적인 모니터링 및 제어 작업에 쉽게 대처할 수 있을 것이다. 최종 결과, 안정된 양성자 생산 속도가 달성될 수 있다.
본 개시의 또 다른 특징은 모든 프로세스를 자동화하고 높은 신뢰성, 중복성 및 안전 표준을 보장할 수 있다는 것이다. 도 4에 도시된 보조 장비는 중앙 제어 유닛(33) 컴퓨터 시스템에 의해 모니터링 및 제어될 수 있다. 이러한 시스템은 예를 들어, 자격을 갖춘 운영자가 PET 동위원소 생산 시스템을 감독하고 높은 수준의 명령을 내릴 수 있도록 사용자 인터페이스를 가질 수 있다. 중앙 제어 유닛(33)은 궁극적으로 안전 인터록, 시동 및 셧다운 시퀀스, 일반 정상상태 작동 파라미터, 경미한 이상 및 주요 이상 관리를 감독하는 소프트웨어 프로그램에 의해 자동으로 구동될 수 있다. 또한 운영자는 특정 제어 파라미터를 입력하고 양성자 발생기 시스템에 예열 모드 시작, 양성자 발생 모드 시작, 양성자 발생 모드 중지 또는 대기 모드 전환, 양성자 발생 모드 재개, 최종적으로 시스템 전체 셧다운을 명령할 수 있다. 유체 순환 서브 시스템의 제어도 제어할 수 있지만, 반응실 냉각 기능을 지원하기 위해 자동화하는 것이 유리할 수 있다. 동위원소 필터(30) 작동과 관련된 서브 세트의 기능들이 있을 수 있다.
IELC의 고유한 기능은 저비용 확장성이다. 일반적으로, 투-포인트 소스를 사용하면 중성자 소스 비용이 두 배로 증가한다. 이는 Cf-252가 유일한 실용적인 소스인 일부 상업용 중성자 분석 시스템에서는 견딜 수 있는 수준이다. 그러나, 두 개의 중성자 발생 장치를 사용하는 중성자 응용 시스템에서는 더 문제가 된다. 각각의 중성자 발생 시스템은 원자로 장치, 고전압 전력 서브 시스템, 전자 제어기 서브 시스템 및 보조 냉각 서브 시스템으로 구성되기 때문에, 장비의 여러 복사본이 필요하다. 한 세트의 적절하게 지정된 보조 서브 시스템에 병렬로 연결된 두 개 이상의 밀폐형 튜브 장치를 작동하는 것은 두 개의 개별 밀폐형 튜브 중성자 발생기 세트에 비해 약간의 비용 절감 효과만 있는 것으로 보인다. IELC 시스템은 전기적으로 병렬로 연결할 수 있을 뿐만 아니라 연속 튜브를 통해 물리적으로 직렬로 연결할 수도 있다. 이를 통해 시스템의 고가 부품인 전원 공급 장치와 세라믹 절연체에서 상당한 비용을 절감할 수 있다. 이는 다른 가속기 기반 발전기와 달리 이러한 시스템을 확장할 때 비용을 절감할 수 있음을 의미한다. 또한, 이러한 기하학적 구성은 가속기 기반 시스템으로 유사한 플루언스를 복제하는 데 엄청난 비용이 드는 대용량 용기에서 핵융합 재료 테스트 또는 동위원소 생성을 위해 넓은 샘플 영역에 걸쳐 보다 균일한 중성자 플루언스를 제공한다.
바람직하게는, 장치는 "매크로" 선형 또는 곡선 형상으로 중성자를 생성하도록 조정될 수 있으며, "매크로"라는 표현은 방사성 동위원소의 단일 펠릿과 같은 상대적으로 작은 "마이크로" 크기의 중성자 소스 형상과 핵분열로 노심 또는 별과 같은 "메가" 크기의 중성자 소스를 구별하는 데 사용된다. 즉, "매크로"는 산업 응용 분야에 유용한 크기 또는 규모를 의미한다. 이는 의료용 중성자 빔 소스 애플리케이션의 경우 약 1cm의 라인 소스 길이부터 지뢰 탐지, 토양 분석 또는 기타 유사한 애플리케이션의 경우 수 미터에 이를 수 있다. 매크로 특성은 또한 매크로 스케일 장치가 마이크로 크기의 유닛들의 정렬된 집합으로 구축될 수 있음을 의미한다. 애노드 벽의 제어된 농축을 통해 매크로 시스템의 특정 영역에 입자 생산 속도를 가중시킬 수 있는 평행 또는 수직 정렬을 통해 더 높은 자속 밀도가 가능해진다. 이는 본 개시의 특정 실시예에서 마이크로 스타 빔 셀을 2개 이상의 셀, 일반적으로 수십 개의 셀로 구성될 수 있는 선형 배열로 효율적으로 적층하는 경우에 해당한다.
도 5는 소형, 대용량 방사성 동위원소 생산 또는 물질 조사를 위한 실시예를 나타내는 시스템(35)의 병렬 구성을 나타낸 것으로, 이로 인해 조사 영역을 향하는 내부 애노드 표면(34)이 국소적으로 FIS 농축되어 고 플럭스 조사 영역에 근접해 LCF 및 입자 생산을 촉진한다. 다음 레이블이 붙은 구성요소는 다음과 같다: 로컬화된 융합 가능한 동위원소 종으로 농축된 내부 애노드 표면(34), 외부 용기 벽(35), 및 캐소드 어셈블리(36). 이러한 기하학적 구성은 더 넓은 체적 영역에서 더 균일한 플럭스를 허용할 수 있으므로, 증식 블랭킷, 초전도 자석 및 열 추출 시스템과 같은 중요한 서브 시스템에 대한 핵융합 재료 테스트에 이상적이다. 따라서, 본 개시의 실시예는 대량 생산된 실시예에서 높은 속도 및 재현성의 핵융합 반응 속도를 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
유리하게는, 캐소드 구조 또는 캐소드 어셈블리(36)는 그 원주에 개방된 면을 가질 수 있고 애노드 및 용기 벽 구조에 의해 둘러싸일 수 있다. 캐소드 구조는 일반적으로 동일한 전극 구조를 갖는 프리즘 단부에서 프리즘 단부로 적층된 복수의 캐소드를 포함하여 일반적으로 방사상으로 진동하는 이온의 스타 모드 빔들이 애노드 전극의 내부 체적 공간과 용기의 내부 표면 또는 벽에 의해 정의된 영역에서 발생하는 적절한 중성자 감지 장비를 사용하여 외부 관찰자에게 탈출하는 중성자가 보일 수 있는 높은 핵융합 반응 확률을 발생시킬 수 있는 안정적인 플라즈마 가스 동적 구조를 스타 모드 작동에서 확립할 수 있는 세장형 어레이를 설정할 수 있다. 전극의 프리즘 단부는 전극을 기둥 모양, 예를 들어 원통형으로 형성할 때 전극 단부의 편평한 표면을 의미한다. 본 개시에서, 양성자는 유사하게 거동할 수 있지만 반응기 용기로부터 빠져나오지는 않는다. 따라서, 본 개시의 실시예는 반응기 용기 벽 내에 함유된 양성자 및 기타 반응 생성물을 생성하기 위한 핵융합 반응을 포함하기 위한 장치 및 세장형인 발생 구역으로부터 사방으로 밀봉된 장치로부터 탈출할 수 있는 상대적으로 작은 중성자 플럭스를 제공할 수 있다. 도 6은 고속으로 컨베이어 벨트 또는 트레인을 따라 이동하는 수화물 또는 운송 컨테이너 내의 물체와 같은 대형 이동 물체를 스캐닝하기 위한 실시예를 제공하는 시스템의 일련의 구성을 나타낸다. 즉, 도 6은 로컬화된 애노드 농축을 포함하여 직렬로 배열된 다중 유닛 구성을 보여준다. 다음 라벨이 붙은 구성요소는 다음과 같다: 로컬화된 융합 가능한 동위원소 종으로 농축된 내부 애노드 표면(37), 외부 용기 벽(38), 캐소드 어셈블리(39), 및 중앙 고속 조사 영역(40). 우선적으로 FIS가 농축된 내부 애노드 벽 표면(39)은 육각형 축 평면을 가로질러 집중되고 균질한 플럭스를 가능하게 할 수 있다. 직렬로 연결된 캐소드 구조(38)는 단락 아크 발생을 방지하기 위해 별도의 세라믹 절연체(40)와 중첩되는 고전압 피드스루를 포함할 수 있다.
직렬로 연결된 다중 캐소드 구조(38)를 개별적으로 캐소드 케이지 셀이라 한다. 따라서, 본 개시내용의 실시예는 길이가 단일 캐소드 케이지 셀 길이의 배수로 지정될 수 있는 구역에서 핵융합 반응을 생성하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
특성 치수의 가능한 실시예의 예시:
I. 애노드 및 용기 벽의 내경 8cm
II. 캐소드 그리드 전극의 직경 3cm
III. 캐소드 그리드 전극의 길이 80cm
IV. 양성자 라인 소스의 길이 80cm
V. 반응기 챔버의 전체 길이
VI. 및 전원 공급 장치 어셈블리 180cm
발생기로서 기능하는 본 발명의 실시예는 베릴륨, 니켈 또는 납을 슬롯-인 애노드 벽 구조에 형성되도록 배치하는 데 아주 적합하며, 이로 인해 생성된 중성자 또는 양성자가 추가 핵 입자를 생성하기 위해 원자로 챔버 벽에 유사하게 통합된 이들 요소 또는 다른 요소와 핵 상호작용을 할 수 있다.
양성자 발생기로서 기능하는 본 개시내용의 실시예는 양전자 방출 단층 촬영에 사용되는 방사성 동위원소의 생산에 매우 적합하다. 이는 중수소와 헬륨-3 핵융합 반응이 14.7MeV 에너지의 양성자를 방출하기 때문이다. P.E.T 동위원소인 플루오린-18을 생성하기 위해 산소-18과 반응하려면 8 내지 18MeV 범위의 양성자 에너지가 필요한 것으로 밝혀졌다. 금속으로 만들어진 막이나 호일을 통해 양성자가 통과하면 양성자의 운동 에너지가 감소하게 된다. 예를 들어, 특정 에너지의 양성자는 강철보다 알루미늄에 약 1.5배 더 깊이 침투할 수 있다. 실제로 14.7MeV 양성자를 사용하면 8MeV의 양성자 방출 에너지를 갖기 위해 애노드 벽 두께가 약 0.3mm보다 작아야 할 수도 있다. 더 얇은 애노드 벽 두께는 타겟 동위원소 핵과의 의도된 상호작용에 이용가능한 잔류 양성자 에너지를 높일 수 있다. 엔지니어링 평가를 통해 제작에 더 유리한 특성으로 인해 스테인리스강을 선택하는 경우, 일반적인 벽 두께는 0.05 내지 0.5mm 범위일 수 있으며 권장 값은 0.1mm이다.
P.E.T 스캐닝 시설은 활동적인 양성자를 생성하는 양성자 가속기와 같은 장치와 매우 가까운 곳에 위치해야 했다. 본 개선 사항은 환자의 P.E.T. 스캐닝 프로토콜을 지원할 수 있는 성능과 함께 제조 및 운영 비용을 상당히 낮출 수 있는 잠재력을 가진 에너지 양성자 소스 및 타겟 조사 장치를 제공할 수 있다. 필수 서브 시스템에는 핵융합로 용기, 소형 고전압 펄스 전원 공급 장치, 반응 가스 압력 조절 및 저장 시스템, 타겟 유체 순환 및/또는 냉각 시스템, 동위원소 회수, 분리 및 정제 시스템이 포함될 수 있다. .
전구체 융합 연료 가스는 일반적으로 유도되는 글로우 방전에 적합한 저압의 융합 가능한 동위원소로 구성될 수 있다. 낮은 분압(5×10-3mbar 내지 5×10-1mbar)은 게터 재료의 일정한 온도에 대해 일정한 수소 동위원소 분압을 생성하는 특성을 가질 수 있는 화학적 비증발식 게터 펌프와 호환될 수 있다. 게터 펌프는 밀폐된 챔버에서 가스 저장 및 압력 조절기 역할을 할 수 있으며 본 발명의 실제 산업 실시예에 유용할 수 있다. 게터 온도는 가스-플라즈마 압력에 의해 결정되는 전극 양단의 타겟 전압을 유지하기 위해 자동화된 수단에 의해 제어될 수 있다. 헬륨-3의 부분 압력은 중수소 게터 펌프와 결합된 마이크로 도즈 밸브의 폐쇄 루프 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 연료 소비율과 제품 가스 생산 속도에 따라, 가끔 퍼지 주기가 고안될 수 있다. 고전압 전원은 IELC 장치에 거의 일정한 전기 평균 전력 입력을 설정하는 데 사용될 수 있는 펄스 전류 성능을 갖는 것이 바람직하다. 이는 상응하는 안정적인 융합 속도와 동위원소 생산 속도를 얻을 수 있다. 펄스 지속 시간이 5 내지 100마이크로초인 펄스 작동은 아크 및 그에 따른 심각한 국부 가열의 원인으로 작용할 수 있는 캐소드의 국지적 핫스팟을 완화하는 데 최적인 것으로 간주된다. 반응기 챔버 어셈블리의 수명은 내부 절연체 표면에 금속이 증착되어 제한될 수 있다. 이를 방지하려면 세라믹 피드스루와 스탠드오프 절연체 표면으로의 금속 증기 이동을 완화하기 위해 마이크로 채널 빔 분포를 활용해야 한다. 캐소드의 크기는 복사열이 애노드 챔버 벽으로 효과적으로 전달된 다음 도관의 순환 유체를 통해 외부 냉각 시스템으로 전달되도록 할 수 있다. 이는 상당한 금속 증기압과 중수소 및/또는 삼중수소 함유 수소화물의 분해를 효과적으로 완화시키기 위해 캐소드 그리드의 작동 온도가 충분히 낮게 유지되는 것을 보장할 수 있다. 캐소드와 애노드에 CVD 다이아몬드 코팅의 사용을 통해, 열 스트레스와 금속 증발이 최소화될 수 있으며 2차 전자 방출이 촉진될 뿐만 아니라 플라즈마에 의한 표면 스퍼터링이 탄소 이온을 방출할 수 있음을 암시하며, 이는 자유 전자를 흡수하는 더 무거운 금속 이온에 비해 플라즈마의 에너지에 덜 유해하다.
중성자에 대한 전하가 없기 때문에, 본 발명은 대부분의 입자가 통과하고 측정된 섭동이 물질을 상대적으로 손상시키지 않는 경향이 있는 운동 탄성 상호작용으로부터 발생하기 때문에 조사 대상 물질이 조사 후 측정 가능한 손상을 거의 또는 전혀 경험하지 않는 고속 중성자 이미징 및 진단 기술에 적합하다. 이러한 탄성 상호작용은 동일한 원소의 동위원소들 간에 다르기 때문에 이 기술은 의심스러운 패키지, 귀중한 고고학 유물 또는 미확인 기술의 원자 구성을 조사하는 데 매우 유용하다. 총 선량(dose)이 적절한 수준 미만으로 유지되는 경우 생물학적 표적의 경우에도 마찬가지이다.
물질을 통과하는 동안, 중성자는 적절한 에너지에서 핵자가 잔류 핵종으로 분할되는 임계 반응이나 핵종을 다른 동위원소 또는 감마선과 같은 2차 입자를 방출하는 원소들로 변환하는 열 중성자 포획 이벤트를 통해 타겟 핵종과 핵 반응을 일으킬 수 있다. 중성자 포획 반응의 2차 감마 방출 스펙트럼은 잘 문서화되어 있으며 중성자 활성화 분석, 열 중성자 분석 및 신속한 감마 중성자 활성화 분석과 같은 응용 분야를 뒷받침한다. 1×109 ns-1의 낮은 중성자 생성률(NPR)을 갖는 입자 발생기의 경우에도, 질소-14나 우라늄-235와 같이 중성자 포획 단면적이 큰 동위원소들이 충분한 조사 시간 및 감마 검출 장비가 주어지면 쉽게 검출할 수 있다. 더 높은 NPR로 그리고 민감한 감마 검출 장비를 사용하면 물질을 광범위하게 조사할 수 있으며 원자 구성을 매우 정밀하게 평가할 수 있다. 본 개시 이전에는 이것이 핵분열 원자로 또는 값비싼 가속기의 사용을 통해서만 가능했다.
일부 응용 분야에서는 승인된 의료 요법의 일부로 일반적으로 받아들여지려면 중성자 플럭스를 정확하게 정의해야 한다. 가속기 소스 또는 밀봉된 튜브 중성자 발생기의 중성자 플럭스 품질은 이상적이지 않은 것으로 간주된다. 가속기 파쇄 중성자 소스는 다양한 중성자 에너지를 생성할 수 있으므로 단일 에너지 소스에 비해 중성자 에너지를 조절하고 열화(thermalise)하는 것이 더 어렵다. 밀봉된 튜브 장치는 단일 에너지 중성자를 제공하지만 가속기 파쇄 중성자 소스와 마찬가지로 중성자 출력의 신뢰도가 낮다. 이러한 장치가 사용하는 고체 타겟은 사용을 통해 발생하는 손상으로 인해 특성이 변경된다. 중성 가스와 이온 혼합 플라즈마의 융합 가능한 이온의 결합된 정전기 격자 가둠 융합은 손상이 애노드과 캐소드 표면에 분산되어 작동 중 확산 및 주입 공정이 평형에 도달하므로 타겟 성능 저하를 겪지 않는다. 또한, FIS는 안정적인 상태로 플라즈마에서 지속적으로 갱신된다. 반응 가스 오염을 완화하여 주어진 제어 가능한 작동 파라미터 세트에 대해 중성자 출력 품질을 일정하게 유지할 수 있다.
결합된 IELC(관성 정전기 격자 가둠) 융합 장치는 매우 다양한 입자 생성기를 나타내며, 선택된 동위원소 융합 종은 수식 1-4를 통해 볼 수 있는 에너지의 단일 에너지 입자 스펙트럼을 생성한다. 이러한 모드는 애노드의 작동 온도뿐만 아니라 직접 또는 펄스 구성의 전압 및 전류의 전력 입력과 같은 작동 조건을 변경하여 추가로 조정될 수 있다. 즉, 각 설정의 총 입자 생산 속도는 생성기가 만들어진 특정 응용 프로그램에 맞게 조정될 수 있다. IELC의 다양한 응용 예에는 PET 의료용 방사성 동위원소를 생산하기 위한 양성자 발생기, 진단 및 이미징 또는 중성자 활성화 응용 분야를 위한 중성자 발생기, 폭발물 및 핵분열성 물질 탐지를 위한 펄스 모드 중성자가 포함된다.
지속적인 중성자 출력 기능과 함께, 모든 전기 중성자 발생기가 제공해야 하는 장점은 펄스 작동 모드를 생성하기 위해 스위치를 반복적으로 켜고 끌 수 있는 기능이다. 펄스 모드 듀티 사이클의 범위는 ON 시간의 분 또는 초 및 유사한 OFF 시간 간격에서 밀리초, 마이크로초, 심지어 나노초까지일 수 있다. 모든 중성자 발생기에서 전체 펄스 듀티 사이클 범위를 제공하는 것은 필요하지 않거나 비용 효율적이지 않거나 실용적이지 않을 수 있다. 펄스 모드의 주요 장점은 고에너지 중성자 상호작용으로 인한 노이즈를 차단한 다음 열 중성자 또는 프롬프트 감마 광자가 순간적으로 방출되지 않는 기타 지연된 상호작용을 감지하는 것이다. Cf-252 또는 핵분열 기반 빔 홀 소스를 의사 펄스 중성자 소스로 만들기 위한 기계식 셔터의 구현은 실용적이지 않거나 비용 효과적이지 않다. 또한, 안전 관점에서 킬 스위치가 내장된 입자 발생기의 개념이 매우 매력적이다.
논포인트 소스 형상은 중성자 시준 시스템 설계에 유리할 수 있다. 그러한 주변 시스템은 시준된 중성자 플럭스의 평균 에너지를 감소시키기 위한 중성자 감속을 포함할 수 있다. 중성자 시준의 목적은 지정된 자속 밀도와 중성자 에너지 특성을 가진 중성자 빔을 구축하는 것이다. 중성자는 전하를 띤 입자가 아니기 때문에, 정전기장이나 자기장에 반응하지 않는다. 시준 장치는 중성자와 특정 물질의 상호작용에 의존하여 반사 및 굴절과 같은 속도 변화를 얻는다. 본 개시의 실시예는 특정 응용을 위한 중성자 소스 및 시준 시스템의 새로운 개념적 구성을 제공할 수 있다는 것이 예상될 수 있다. 베릴륨, 납 및 니켈은 중성자 시준을 위한 증배재, 감속재 및 반사체 역할을 할 수 있다. 중성자의 플루언스는 어느 정도 강제될 수 있으며, 마스킹되고 지향되어 다양한 목적을 위한 특정 플럭스 패턴을 생성할 수 있다. 핵융합 산업에서, 이는 반응기의 해당 지점에서 예상되는 플루언스가 마스킹, 조절 및 시준의 조합을 통해 재현될 수 있는 구성요소는 조사 테스트에 특히 유용하다.
밀봉된 튜브 중성자 발생기 기술은 본질적으로 고체 표적의 불가피한 침식으로 인해 수명이 본질적으로 제한된다. 이 구성요소는 삼중수소나 중수소 가스를 함침시킨 티타늄과 같은 금속이다. 입사된 고에너지 중수소가 타겟의 스퍼터 침식을 일으키는 효과가 있다. 스퍼터 제품은 밀봉된 튜브 장치의 내부 표면에 금속 필름으로 응축된다. 100킬로볼트 근처의 전압을 사용하면 금속 필름이 쌓이면서 단락 상태가 발생한다. 이러한 궁극적인 고장 모드 이전에도, 고도로 로컬화된 빔으로 인해 타겟 내에서 핫스팟 및 관련 가스 고갈이 발생된다. 다양한 중성자 수율 저하 완화 계획이 채택되었지만 밀봉된 튜브 중성자 발생기의 최상의 보장 수명은 4000시간에 불과하다는 사실이 남아 있다. 본 발명은 작동 중 열 및 방사선 손상을 애노드 및 캐소드의 더 넓은 표면적에 걸쳐 확산시키므로, 가속기 기반 경쟁업체에 비해 내구성에 있어서 고유한 이점을 가져온다.
일반적인 문제는 스테인레스 강 와이어 전극이 20 내지 60킬로볼트 범위의 전압과 대략 5 내지 30밀리암페어의 인가 전류에서 10 내지 20시간 작동 후 구조적 고장을 겪게 되는 실험 유닛들의 관찰을 기반으로 한 구형 및 원통형 IELC 장치의 수명에 관한 것이다. 고장 모드는 필연적으로 단락 조건을 초래하는 절연체 부품 표면의 금속 기화 또는 침식 및 증착이었다. 본 개시에 따른 시스템의 수명은 상업적인 밀봉된 튜브 빔-고체 타겟 중성자 발생기의 주장된 수명을 50% 초과할 수 있으며 무한정 실행될 수 있을 것으로 예상된다. 본 개시의 일부 실시예에 대해 20,000시간 이상의 평균 고장 간격이 예상될 수 있다.
상업적인 성공을 위해, 본 발명의 실시예는 어셈블리의 피스 부품 수 감소, 낮은 부품 제조 비용, 빠른 조립 및 저렴한 품질 보증 검사의 결과로 제조, 작동 및 유지 비용이 경쟁 가속기 기반 입자 발생기와 관련된 수명 주기 비용보다 낮을 수 있을 만큼 충분히 간단하다. 개별 구성요소 또는 서브 어셈블리는 본 개시의 실시예 내에서 의도된 기능에 있어서 높은 내구성을 갖는다. 서브 시스템과 그 기능의 조합은 바람직하게는 가변 파라미터의 작동 제어를 줄여 자동화 수준이 향상되어 적은 교육을 받은 직원이 시스템을 작동할 수 있게 한다.
본 발명은 양전자 방출 단층 촬영(P.E.T.) 스캐닝과 같은 의료 또는 비생물학적 단층 촬영 스캐닝 프로세스에 사용되는 특정 동위원소 생산을 위한 소형 시스템의 핵심으로 구성될 수 있다. 이 양전자 방출 단층 촬영은 특정 방사성 동위원소 또는 불안정한 동위원소의 양전자(양전하 전자 또는 반물질 전자) 붕괴에서 발생하는 511keV 감마 광자 쌍을 활용하며, 양전자와 전자의 소멸이 나머지 질량(예를 들어, 2MeC2)을 정확히 반대 속도 벡터로 방출되는 일반적으로 2개의 감마선 광자로 변환시킨다. 감마 감지 센서들이 일반적으로 환자나 스캔할 대상이 통과되는 링에 배열된다. 충분한 양과 시간이 주어지면 감지된 511keV 방출을 매핑하여 스캔된 대상이나 환자의 내부 신체 구조에 대한 시각적 슬라이스나 3차원 모델로 나타낼 수 있는 단층 촬영 또는 3차원 데이터 필드를 구축할 수 있다. 다른 프로세스에서는 동일한 목적으로 유사한 에너지의 X선 또는 베타 입자 방출기를 사용하나 충실도가 낮은 이미지를 생성하거나 신체의 특정 부위에 방사선 요법을 전달하는 기술이 있다. 최근에는 베타 및 X선 방출 동위원소를 모두 갖고 있는 지르코늄과 같은 원소를 사용하여 암이 있는 신체 부위를 진단할 수 있을 뿐만 아니라 치료 진단학(Theragnostics)으로 알려진 효과적인 정확한 치료법으로 방사선 치료 도즈를 전달할 수 있다.
P.E.T에 사용될 수 있는 동위원소의 선택 스캔은 여기에서 유용한 논의를 하기에는 너무 복잡한 생의학적 고려사항에 의해 결정된다. 일반적으로 나열된 P.E.T. 동위원소, 반감기 및 세대 반응은 다음과 같다:
5.
20.4 분의 반감기
6.
109.8 분의 반감기
7.
10.0 분의 반감기
역사적으로 그러한 의료용 방사성 동위원소는 Mo-99와 같은 기존 동위원소의 긴 반감기로 인해 화학 처리 및 3 반감기 이내에 병원에 배달이 가능한 중앙 집중식 환경의 상업용 원자로 또는 가속기에서 생산되었다. 이는 영상 기술이 병원에 도착하기 위해 며칠을 이동한 저비활성 방사성 동위원소로 제한된다는 것을 의미한다. 탄소-11이나 질소-13과 같은 새로운 동위원소는 비활성도가 훨씬 높고 신체나 타겟 장기에 의해 수용되는 분자에 더 쉽게 통합되는 반면, 원자로나 가속기에 근접한 시설에서만 사용할 수 있다. 이로 인해 대형 가속기나 핵분열로를 감당할 수 있는 세계의 지역들로 국한시킨 잘 확립된 첨단 기술과 치료법의 채택과 사용이 방해를 받았다. 공급망의 고질적인 문제로 인해, 이러한 치료법의 혜택을 받을 환자에게는 이러한 치료법이 제공되지 않을 수 있다. 본 개시 내용은 동위원소를 사용하는 병원 내에서 대체 입자 생성 능력을 구축하는 데 드는 비용의 일부만으로 동위원소를 생산할 수 있게 해준다.
이들 동위원소를 생산하는 기존의 방법은 수성 용액과 같은 타겟 매질에서 소스 동위원소를 농축시키는 것이다. 타겟 용액은 장벽을 통과할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가진 강력한 양성자의 흐름에 의해 충격을 받고 원하는 동위원소를 형성하게 하는 핵 상호작용에 필요한 잔류 에너지를 여전히 가지고 있다. 벽 두께는 일반적으로 금속 호일의 두께(0.1 내지 5mm)이다.
양성자 소스는 일반적으로 사이클로트론 또는 선형 가속기 유형의 입자 가속기이며, 전달된 양성자 에너지는 일반적으로 5 MeV보다 크다. 일부 선형 가속기에 12MeV의 양성자 에너지가 제공된다. 양성자 빔 강도는 수 밀리미터 직경의 초점 특성 치수를 갖는 수 밀리암페어 전류이다. 이는 복사 및 열 발생이 강화된 지점을 구성한다. 이러한 유형의 PET 동위원소 생산 시스템 설계자가 직면한 엔지니어링 문제는 타겟 매질에서 생성되는 극도로 국지적이고 강렬한 열 에너지이다. 여기에는 가장 효율적인 양성자핵 충돌을 위해 물을 액체 형태로 유지하도록 가압이 필요한 물의 과열이 포함될 수 있다. 본 발명은 14 MeV 정도의 핵융합 입자를 생성하기 위해 이온은 단지 몇 100 keV의 에너지까지 가속을 필요로 하므로 운영 비용이 현저히 낮은 시스템을 제공한다. 또한, 장치와 전구체 동위원소를 포함하는 용기의 열 스트레스가 더 넓은 영역에 퍼져 있어 복잡성이 줄어들고 부품을 정기적으로 교체해야 하는 것을 의미한다. 가속기 기반 입자 발생기의 경우, 직접 가속을 통해서든 파쇄 핵융합 반응을 통해서든 양성자 빔을 넓은 영역에 확산시키는 것이 어렵다. 이로 인해, 이러한 시스템은 유지 관리 비용이 더 높고 스퍼터 침식 및 양성자 손상으로 인해 조사된 재료를 정기적으로 교체해야 하므로 지속적으로 운영하기가 어렵다.
그러므로, 본 발명은 결합된 입자 발생기와 타겟 서브시스템의 서비스 사이에 더 긴 간격으로 본질적으로 더 낮은 제조 비용을 제공한다. 양성자 빔을 사용하지 않기 때문에 타겟의 단위 면적 또는 단위 부피당 부과되는 열 플럭스가 훨씬 낮으며 양성자 플럭스가 원자로 챔버 벽의 전체 내부 표면적에 고르게 분포된다. 이는 냉각 서브 시스템과 관련된 복잡성과 비용을 더욱 줄여준다.
본 개시 내용은 집수 지역 내의 병원 클러스터에 대한 방사성 동위원소 요구를 충족시킬 수 있는 능력을 가지고 있다. 많은 병원 허브가 전 세계 도심에 있으며 각 병원은 물류 목적으로 서로 짧은 거리에 위치해 있다. 중수소-중수소 또는 중수소-삼중수소 중성자 모드의 시스템은 집수 지역의 다른 병원을 위해 Mo-99 및 Lu-177을 생산하기 위해 차폐 구역에 있는 한 병원의 지하에 설치될 수 있다. 대안으로, 중수소-헬륨-3 모드 양성자 생성 시스템을 보안 차량의 이동식 PET 스캐너와 결합할 수 있다. 이러한 시스템은 여러 동위원소를 동시에 생성하는 데 매우 적합하며 상기 시스템에서는 별도의 채널이 예를 들어 각각의 플로린-18 또는 질소-13을 생성하기 위해 산소-18 또는 산소-16 물을 포함한다. 각 동위원소는 필요에 따라 순환 유체에서 화학적으로 추출될 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예의 다양한 양태가 블록도, 흐름도 또는 일부 다른 도면 표현을 사용하여 도시되고 설명될 수 있지만, 여기에 설명된 이러한 블록, 장치, 시스템, 기술 또는 방법은, 비제한적인 예로서, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 특수 목적 회로 또는 논리, 범용 하드웨어 또는 컨트롤러 또는 기타 컴퓨팅 장치, 또는 이들의 일부 조합으로 구현될 수 있다는 것이 잘 이해된다.
본 개시 내용에서 "일 실시예", "실시예" 등에 대한 참조는 설명된 실시예가 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만 모든 실시예가 특정 특징, 구조, 특성을 포함할 필요는 없음을 나타낸다. 또한, 이러한 문구는 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것이 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성이 실시예와 관련하여 설명될 경우, 명시적으로 설명하든 아니든 간에 다른 실시예와 관련하여 그러한 특징, 구조 또는 특성을 구현하는 것은 당업자의 지식 내에 있는 것으로 제기된다.
본 명세서에서는 "제1", "제2" 등의 용어가 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 구성요소는 이러한 용어에 의해 국한되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 이 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데에만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 나열된 용어 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함하도록 되어 있다. 본 명세서에서 사용된 "구비하다", "구비하는", "갖는", "가지는", "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 언급된 특징, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 특정하나 하나 이상의 다른 특징, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 조합의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 더 이해될 것이다. 본 명세서에 사용된 "연결하다", "연결한다", "연결하는" 및/또는 "연결된"이라는 용어는 두 요소 사이의 직접적 및/또는 간접적인 연결을 포괄한다.
본 개시내용은 본 명세서에 명시적으로 또는 그의 임의의 일반화로 개시된 임의의 신규한 특징 또는 특징들의 조합을 포함한다. 첨부 도면과 함께 읽을 때, 본 개시의 전술한 예시적인 실시예에 대한 다양한 수정 및 적용이 전술한 설명의 관점에서 관련 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 수 있다. 그러나, 모든 수정은 여전히 본 개시의 비제한적이고 예시적인 실시예의 범위 내에 속할 것이다. 의심의 여지를 피하기 위해, 본 개시의 범위는 청구범위에 의해 정의된다.
Claims (22)
- 관성 정전기 가둠 유형의 입자 생성 장치로서,
용기;
애노드 구조;
캐소드 구조; 및
융합 가능한 동위원소 종이 농축되고, 애노드 구조 표면 또는 캐소드 구조 표면의 적어도 일부인 제1 농축 표면을 포함하고,
애노드 구조와 캐소드 구조가 용기 내에 위치하는 입자 생성 장치. - 제1항에 있어서,
장치는 이온과 중성 가스 혼합물을 함유하고, 작동 시, 이온과 중성 가스 혼합물이 플라즈마를 형성하도록 구성되는 입자 생성 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
용기는 중심축을 포함하고, 애노드 구조 및 캐소드 구조가 용기와 실질적으로 동축이 되도록 애노드 및 캐소드 구조가 위치되며, 애노드 구조는 중심축으로부터의 평균 거리가 캐소드 구조의 중심축으로부터의 평균 반경보다 크고, 애노드 및 캐소드 구조는 그 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 동심원이고, 작동 시, 전기장이 애노드와 캐소드 구조 사이에 제공되며 제1 농축 표면이 전자 스크리닝되도록 구성되는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
용기는 캐소드 구조의 길이를 따라 동축 방향으로 실질적으로 일정한 단면을 갖는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
애노드 구조는 복수의 애노드 유닛들로 형성되는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 농축 표면은 비금속 또는 전이 금속으로 형성되는 입자 생성 장치. - 제6항에 있어서,
금속은 원자번호 40 이상의 원소인 입자 생성 장치. - 제7항에 있어서,
원소는 티타늄, 지르코늄, 팔라듐 또는 에르븀 중 하나인 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 농축 표면은 반도체 재료로 형성되는 입자 생성 장치. - 제9항에 있어서,
반도체 재료는 CVD 다이아몬드인 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 에 있어서,
제1 농축 표면은 애노드 구조 또는 캐소드 구조의 코팅으로서 제공되는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 농축 표면은 표면의 적어도 일부를 형성하는 전극과 일체로 형성되는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
장치는 작동 중에 핵자를 생성하도록 구성되는 입자 생성 장치. - 제13항에 있어서,
핵자는 중성자인 입자 생성 장치. - 제13항에 있어서,
핵자는 양성자인 입자 생성 장치. - 제15항에 있어서,
장치는 애노드 구조에 근접한 유체 전도 구조를 더 포함하는 입자 생성 장치. - 제16항에 있어서,
유체 전도 구조는 금속 합금으로 구성되는 입자 생성 장치. - 제16항 또는 제17항에 있어서,
유체 전도 구조는 상기 유체 전도 구조의 길이를 따라 주름을 포함하는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 농축 표면은 작동 시 생성된 입자가 미리 결정된 기하학적 구조를 갖는 로컬화 플럭스를 갖도록 애노드 구조 또는 캐소드 구조의 표면적의 일부를 덮는 입자 생성 장치. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 농축 표면은 애노드 구조 표면의 적어도 일부이고, 제2 농축 표면은 캐소드 구조 표면의 적어도 일부이며, 제2 농축 표면은 융합 가능한 동위원소 종이 농축되어 있는 입자 생성 장치. - 복수의 입자 생성 장치를 포함하는 시스템으로서,
적어도 하나의 입자 생성 장치는 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 입자 생성 장치이고, 단일 전원 공급 장치가 여러 입자 생성 장치를 다룰 수 있도록 구성되는 시스템. - 제1항 내지 제13항 및 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 입자 생성 장치를 포함하는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 스캐너.
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