[发明专利]用于在等离子体离子源腔室中产生等离子体离子源的装置和方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求对2013年3月15日提交的、名称为“紧凑式高电压等离子体源”的美国临时专利申请No.61/793,327的优先权，所述美国临时专利申请的内容(包括其中包含的任何参考文献的内容和教示)通过整体引用被明确包括在本文中。

技术领域

本发明涉及紧凑式等离子体源，且更具体地涉及可通过初级天线和次级天线的组合将电磁能量耦合其中的紧凑式等离子体源。

背景技术

基于中子发生器的加速器具有广泛的多种应用，包括医药、安全和油气勘探。基于中子发生器的加速器提取在离子源产生的离子，并通过加速器管将其朝向标靶加速，在标靶处的撞击产生聚变反应以产生中子。一些基于中子发生器的加速器利用射频(RF)驱动的等离子体离子源。一些这样的RF驱动的等离子体源依靠将通过RF天线产生的RF能量耦合到等离子体源中以驱动等离子体的产生。

发明内容

在此描述一种设备，用于在真空腔中生成等离子体离子源，该设备包括：

等离子体离子源电介质(dielectric)，其被构造以封装所述真空腔；

次级天线，其位于所述等离子体离子源电介质的外表面之外，并被构造为将电磁(EM)辐射耦合到所述真空腔中的等离子体离子源中；和

初级天线，其与所述次级天线电隔离，并被构造为将电磁(EM)辐射传送到所述次级天线；

其中，所述等离子体离子源腔室、所述等离子体离子源电介质、所述次级天线相对于所述初级天线以正电势偏置。

在此描述一种方法，用于生成等离子体离子源，该方法包括：

由初级天线辐射电磁(EM)能量；

将由所述初级天线辐射的电磁能量耦合到次级天线；

由所述次级天线辐射电磁能量；

通过设置在所述次级天线与一等离子体之间的等离子体离子源电介质，将由所述次级天线辐射的电磁能量耦合到所述等离子体中；和

在所述初级天线与所述等离子体离子源腔室、所述等离子体离子源电介质、和所述次级天线中的每个之间保持电势差。

附图说明

本发明将在下文中基于示例性附图进行更详细的描述。本发明不限于示例性实施例。在此描述和/或例示的所有特征可单独使用，或者可按照不同实施例的不同组合而结合使用。通过阅读以下参照附图进行的详细描述，各种实施例的特征和优点将变得明显，附图中例示如下：

图1图示出根据本发明实施例的等离子体离子源中子发生器，其采用初级共振器和次级共振器的组合将电磁能量耦合到等离子体中；

图2图示出根据本发明实施例的次级天线构造，用于通过共振耦合将电磁能量耦合到等离子体离子源中；

图3图示出根据本发明实施例的次级天线构造，用于通过电容耦合将电磁能量耦合到等离子体离子源中；

图4图示出根据本发明实施例的次级天线构造，用于通过电感耦合将电磁能量耦合到等离子体离子源中；

图5图示出根据本发明实施例的用于生成等离子体离子源的设备，其包括初级天线，初级天线被构造为通过电感耦合将电磁能量耦合到次级天线；和

图6图示出根据本发明实施例的初级天线构造，用于通过电容耦合将电磁能量耦合到次级天线。

具体实施方式

可能难以有效地将电磁能量、例如射频(RF)能量耦合到紧凑式等离子体源的限定几何形状中。有效的RF能量耦合常常需要RF天线位于等离子体源的紧邻处。典型地，紧凑式RF驱动的等离子体源利用直接耦合到和安装到等离子体源腔的单一的EM共振器(例如RF天线)。

为了从等离子体源提取离子束(例如用于中子发生器应用)，具有充分离子加速量级的电势梯度必须在等离子体源与标靶之间形成和保持。许多中子发生器通过使EM共振器和等离子体源保持在接地电势并向标靶供应极低电压电势而形成适合于离子加速的电势梯度。能够提供必要电隔绝水平以使标靶保持在足够低电压的包壳对于标靶热管控(例如冷却)、对于标靶与被分析对象之间的距离、对于标靶与分析探测器之间的距离施加限制。因此，利用这样的发生器实施各种探测方案和应用受到限制。另外，这种方式要求机载高电压动力供应器位于标靶近处，由此进一步限制这种发生器的使用。不过，通过使等离子体源保持在接地电势，这样的构造不需要电隔绝EM共振器和其它电子部件，也不用与使用能够在大量级电压下操作的专用电子部件相关联的更多费用。