TWI758921B

TWI758921B - 中子產生方法及中子產生器

Info

Publication number: TWI758921B
Application number: TW109137299A
Authority: TW
Inventors: 李灝銘; 林廷諭; 張愛堂; 蘇偉誠; 陳孝輝
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-03-21
Also published as: TW202218489A

Abstract

本發明提供一種中子產生方法及中子產生器。中子產生器具有加速器及靶材。加速器用以產生帶電粒子束，靶材自加速器接收帶電粒子束。靶材包括開口及靶體。靶體自體圍繞成中空腔室。帶電粒子束通過開口以進入中空腔室，並與靶體的內表面層作用以產生第二中子流。

Description

中子產生方法及中子產生器

本發明涉及一種中子產生方法以及中子產生器，尤其是涉及一種增加中子產率的中子產生方法以及中子產生器。

習知技術的中子源主要包括同位素中子源、加速器型中子源及核子反應爐。加速器型中子源主要是利用線性加速器(linear accelerator)或迴旋加速器(cyclotron)加速氫/氘/氚離子或質子，使之撞擊含氫同位素、鋰、鈹等之靶材，以誘發核融合反應而產生中子。加速器型中子源相較於體積龐大的核子反應爐以及具有放射性的同位素中子源，是相對安全及機動性較高的中子源。

現有技術中並提供另一種加速型中子產生器，使用高密度電漿聚焦(Dense plasma focus)裝置產生並加速氘/氚電漿，利用電漿的磁性自束效應(magnetic self-pinching)，使電漿在捏縮點(pinch point)發生核融合反應產生中子。高密度電漿聚焦裝置的體積相較線性加速器及迴旋加速器更為精簡，然而中子產率(neutron yield)較低。因此，提高加速器型中子源的中子產率是目前本領域的其中之一重要目標。

緣此，本發明的主要目的之一是提供一種中子產生方法、中子產生器及其靶材，其利用三維結構的靶材以提高中子產率。

本發明的其中之一技術方案為提供一種靶材，用以自加速器接收帶電粒子束。靶材包括開口以及靶體。靶體自體圍繞成中空腔室，帶電粒子束通過開口以進入中空腔室，並與靶體之內表面層作用以產生第二中子流。

本發明的另外之一技術方案是提供一種中子產生器。中子產生器具有加速器用以產生帶電粒子束，以及上述靶材。

本發明的另外之一技術方案是提供一種中子產生方法，包括：通過加速器產生帶電粒子束；以及通過上述靶材接收帶電粒子束，以產生第二中子流。

為更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

Z:中子產生器

1:靶材

10:開口

11:靶體

11a~11f:內表面層

R1:中空腔室

D1:開口最小口徑

P:帶電粒子束

2:加速器

21:陽極

211:電漿生成端

212:電漿聚焦端

D2:開口與陽極距離

D3:陽極直徑

22:陰極

R2:電漿加速空間

23:絕緣體

A:軸線

R3:第一中子流產生區域

N1:第一中子流

N2:第二中子流

3:迴旋加速器

301:離子源

302:加速路徑

303:反應室

304a,304b:電極

圖1為本發明實施例的靶材的立體示意圖。

圖2為本發明實施例的中子產生方法的流程圖。

圖3為本發明實施例的中子產生器的側面剖視圖。

圖4為本發明實施例的中子產生器的立體示意圖。

圖5為使用圖4的中子產生器的中子產生方法。

圖6為本發明一變化實施例的中子產生器的示意圖。

以下通過特定的具體實施例並配合圖1至圖6說明本發明所公開的中子產生方法、中子產生器及其靶材，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。然而，以下所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍，在不悖離本發明構思精神的原則下，本領域技術人員可基於不同觀點與應用以其他不同實施例實現本發明。

請配合參閱圖1及圖2，本發明實施提供如圖1所示的靶材1以及如圖2所示的中子產生方法。靶材1用以自加速器接收帶電粒子束P。如圖1所示，靶材1包括開口10以及靶體11，靶體11自體圍繞成中空腔室R1。明確來說，本實施例的加速器為加速器型中子產生器的加速器，其中加速器可為高密度電漿聚焦裝置、線性粒子加速器或者迴旋加速器，本發明不以此為限。如圖2所示，本發明的中子產生方法包括步驟S100：通過加速器產生帶電粒子束P；以及步驟S102：通過靶材1接收帶電粒子束P以產生第二中子流N2。

如圖1所示，帶電粒子束P通過開口10進入中空腔室R1，與靶體11的內表面層(11a、11b、11c...11f)作用而產生第二中子N2。舉例而言，本實施例中，帶電粒子束P可為經加速的氘離子束，而靶體11的內表面層(11a、11b、11c...11f)具有氘或氚的化合物。氘與氘碰撞，以及氘與氚碰撞皆可產生核融合反應而生成中子，因此本發明藉由中空的靶材1接收帶電粒子束P，使帶電粒子束P中的氘離子與靶體11包含氘或氚之三維內表面層碰撞而產生第二中子流N2。本發明不限於上述；在其他實施例中，帶電粒子束P可包含氚離子而靶體11內表面層(11a、11b、11c...11f)可包含氘化物，或者兩者皆同時包含氘及氚。

藉由上述技術手段，相較於習知中的加速器型中子產生器所使用的平面靶材，本發明實施例以具有中空腔室R1的靶材1接收帶電粒子束P，使靶體11的三維內表面層(11a、11b、11c...11f)與帶電粒子束P產生碰撞，以增加中子的產率。此外，圖1中的靶材1示例為立體矩形，然而，圖1僅為示例說明，本發明不限制靶材1的形狀。例如，在其他實施例中，靶體11可以是自體圍繞出中空腔室R1的立體圓形、正立方體等其他立體形狀。

請配合參閱圖3及圖4。圖3顯示本發明一實施例的中子產生器Z的側面剖視圖，其包括加速器2以及如圖1的靶材1。明確來說，本實施例使用高密度電漿聚焦裝置(Dense Plasma Focus,DPF)作為加速器2，其包括陽極21、圍繞陽極21設置的陰極22以及絕緣體23。陽極21與陰極22同軸設置，即陰極22圍繞陽極21的軸線A排列，以在與陽極21之間形成電漿加速空間R2。陽極21沿其軸線A延伸，且在平行於軸線A的兩端分別具有電漿生成端211以及電漿聚焦端212，在垂直於軸線A的方向上具有直徑D3。絕緣體23設置於電漿加速空間R2中鄰近於電漿生成端211之處。在一實施例中，絕緣體23例如設置於陽極鄰近電漿生成端211的底座而延伸進入電漿加速空間R2。圖4為圖3的加速器2的立體示意圖，為方便示意，僅繪示陽極21與陰極22，其他元件予以省略。本實施例中，陽極21與陰極22皆為圓柱狀，且陰極22包括複數個圓柱體。然而，圖3及圖4僅為電漿聚焦裝置的其中一種實施樣態；本發明不限制陽極21與陰極22的形狀以及陰極22的數量。例如在其他實施例中，陽極21可為中空環狀或圓錐狀，而陰極22可以為一體成形之中空環形體，與陽極21同軸設置。

圖5顯示使用圖3及圖4中的中子產生器Z的中子產生方法，請配合參閱圖3、圖4及圖5，本實施例的中子產生方法包括步驟S200：將靶材1設置於陽極21之軸線A上，靶材1的開口10對應於電漿聚焦端212；步驟S202：通過加速器2同時產生帶電粒子束P及第一中子流N1；以及步驟S204：靶材1接收帶電粒子束P以產生第二中子流N2。實際應用中，圖3中的加速器2設置於真空殼體中，其中例如充入氘氣。舉例而言，在步驟S200中，本發明的中子產生方法將靶材1設置於軸線A上，開口10朝向陽極21且對應電漿聚焦端212；在步驟S202中，當電漿聚焦裝置的陽極21與陰極22與電源S接通，所充入的氘氣將在電漿加速空間R1中靠近電漿生成端211之處解離成電漿，而電漿本身的電流會因電流磁效應而產生磁場。氘電漿在此磁場中因受羅倫茲力(Lorentz force)沿軸線A朝向電漿聚焦端212加速。當電漿到達電漿聚焦端212，電漿將衝出電漿加速空間R2，而由於上述羅倫茲力在靠近陽極21處較靠近陰極22處為強，因此衝出電漿加速空間R2的氘離子電漿在軸線A上的第一中子流產生區域R3發生捏縮效應(pinch effect)而發生核融合，進而產生第一中子流N1。上述核融合反應會一併產生帶電粒子束對，其中帶負電荷的粒子束沿軸線A朝入射陽極21的方向射出；帶正電荷的粒子束P沿軸線A朝遠離陽極21的方向射出。

請復參閱圖3、圖4及圖5，由於在步驟S200中，靶材1的開口10設置為對準電漿聚焦端212，因此在步驟S204中，帶電粒子束P能通過開口10而進入中空腔室R1，與靶體11的內表面層(圖3為剖面圖，以11a、11b、11c代表示意)作用而產生第二中子流N2。本實施例藉由上述手段，使中子產生器Z除了在第一中子流產生區域R3產生第一中子流N1，還可進一步藉由靶材1的設置而產生第二中子流N2，以增加中子產生器Z的中子產生率。

進一步來說，在一實施例中，靶體11包括儲氫材料，例如在內表面層(11a、11b...11f)可使用如金屬有機框架材料(Metal-organic frameworks)、奈米碳管、碳纖維管、鈦、鉻、鎂等易吸附氫氣的材料。或者在一實施例中，可使靶體11內表面層(11a、11b...11f)形成多孔儲氫結構。如此，在上述充入氘氣的步驟中，氘氣可吸附於靶體11的內表面層(11a、11b...11f)。藉此，帶電中子束P進入中空腔室R1後，可與帶電粒子束P反應而產生第二中子流N2。需要強調的是，本發明不限於上述；在其他實施例中，也可是在真空殼體內充入氚氣或氘氣和氚氣的混合氣體以使其部分吸附於儲氫材料的內表面層(11a、11b...11f)；或者在一實施例中，內表面層(11a、11b...11f)可直接使用含氘或氚的金屬化合物。

在本實施例中，靶材1的開口10與電漿聚焦端212之間的距離D2較佳為陽極21直徑D3的1至3倍。詳細來說，電漿聚焦裝置中的第一中子流產生區域R3與陽極聚焦端212之間距離一般來說約為陽極21直徑D3的一半，考量到靶材1與帶電粒子束P生成點須保持一定距離以避免影響第一中子流產生區域R3的核融合反應，且電漿在此區域發生核融合反應後所產生的帶電粒子束P約以20度的張角朝遠離陽極聚焦端212的方向射出，其通量將隨射出的距離增加而減少，故在本實施例中，靶材1的開口10與電漿聚焦端212之間的距離D2較佳為陽極21直徑D3的1至3倍。

進一步來說，本發明實施例不限制靶材1的開口10的形狀。圖1中的開口10示例為圓形，然而，在其他實施例中，也可以是其他幾何形狀。在圖3的實施例中，開口10的最小口徑D1較佳為開口10與電漿聚焦端212的距離D2的0.24至0.3倍。明確來說，依據第一中子流產生區域R3與陽極21的距離、開口10與電漿聚焦端212之間的較佳距離D2以及帶電粒子束P的張角，可得出最小口徑D1較佳為開口10與電漿聚焦端212的距離D2的0.24至0.3倍，以使帶電粒子束P經過距離D2抵達開口10時，其通量截面等於或小於開口10。如此，本實施例可提高帶電粒子束P的利用率與中子的產率。

圖3至圖5的實施例中，以電漿聚焦裝置作為提供靶材1帶電粒子束P的加速器。然而，本發明不限於此。請參閱圖6，在本發明另一實施例中，可使用迴旋加速器3提供帶電粒子束P給靶材1，以產生第二中子流N2。詳細來說，如圖6所示，在一實施例中，迴旋加速器3的離子源301所提供的帶電粒子在第一電極304a以及第二電極304b之間高頻的交流電壓下依加速路徑302加速，最後進入真空的反應室303。在本實施例中，將如圖1實施例的靶材1設置於反應室303中帶電粒子束P的行進路線，以使帶電粒子束P進入靶材1的中空腔室R1，與靶體11的內表面層(為方便示意，僅以11a標示其中之一內表面層作為代表)反應而產生第二中子流N2。

綜合上述，本發明實施例提供的中子產生方法、中子產生器及其靶材通過「靶材包括開口及圍繞成中空腔室的靶體」以及「靶材自加速器接收帶電粒子束」的技術手段，以使帶電粒子束與靶體三維的內表面層作用以產生第二中子流。藉此，本發明可提高中子產生器的產率。

上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均落入本發明的申請專利範圍內。