CN111091917B - 聚变装置以及中子发生器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种聚变装置和中子发生器。一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。

Description

聚变装置以及中子发生器

技术领域

本公开涉及聚变装置以及中子发生器。

背景技术

惯性静电约束(IEC)等离子体反应器被人们用来产生中子或质子，或者发射相关的粒子或等离子体射流。惯性静电约束等离子体反应器具有作为阳极或阴极的格栅中心电极，其通常是球形、类球形伸长的形状或者圆柱形，格栅中心电极在反应器结构的反应室内部同轴对称布置。惯性静电约束等离子体反应器能够使低原子数原子核在非点状的球形或伸长的碰撞区中发生聚变反应。

商用的中子发生器的用户遍布许多领域，例如中子物理学教学、暗物质检测实验系统的校准、行李安检应用、新的核裂变染料的质量筛选、废旧裂变反应堆控制棒的放射线断层成像、以及在线矿物分析等。

典型的聚变反应包括但不限于以下方式：

a)₁D²+₁D²→₂He³(0.82MeV)+₀n¹(2.45MeV)

b)₁D²+₁D²→₁T³(1.01MeV)+₁p¹(3.02MeV)

c)₁D²+₁T³→₂He⁴(3.5MeV)+₀n¹(14.1MeV)

d)₁D²+₂He³→₂He⁴(3.6MeV)+₁p¹(14.7MeV)

取决于混合物，上述聚变反应都可能发生。此外，还可能存在其它聚变反应物，例如₂He³被添加到上述混合物中或者作为基础反应物。实验表明，将氦3作为添加剂可以将反应速度提高10倍。氦3作为非中子聚变燃料是已知的。氢和硼聚变是另一组聚变反应物。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构的朝着所述阳极电极结构的表面不被所述第一涂层覆盖。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构由金属材料制成。

在根据本公开的一些实施例中，所述金属材料包括不锈钢。

在根据本公开的一些实施例中，所述不锈钢为316L不锈钢或EN1.4571不锈钢。

在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层为陶瓷膜。

在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层为金属膜。

在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层由选自以下组的材料制成：CeO₂、Y₂O₃-ZrO₂和La₂Zr₂O₇。

在根据本公开的一些实施例中，所述聚变装置还包括：第二涂层，布置在所述阴极电极结构和所述第一涂层之间，并且被构造成增强所述第一涂层与所述阴极电极结构之间的粘接性。

在根据本公开的一些实施例中，所述第二涂层包括YZO。

在根据本公开的一些实施例中，所述聚变装置还包括：第三涂层，布置在所述第一涂层之上并且被构造成保护所述第一涂层。

在根据本公开的一些实施例中，所述第三涂层由包含钇的陶瓷材料制成。

在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料选自包括以下材料的组：氧化钇、Y₂O₃-ZrO₂固溶物、YAG和YF₃。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构为网状或笼状。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构为球形或圆柱形。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构包含多个扁平部件，所述扁平部件的表面平行于电场的方向，所述电场在所述阳极电极结构和所述阴极电极结构之间产生。

在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构的热发射率为0.7-1.0。

根据本公开的另一个方面，提供了一种中子发生器，包括上面根据本公开所述的聚变装置。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1例示了根据本公开的一个实施例的惯性静电约束装置的阴极电极结构。

图2例示了根据本公开的另一个实施例的惯性静电约束装置的阴极电极结构。

图3例示了图2所示的阴极电极结构的一部分。

具体实施方式

为了理解本公开的上述目的、特征和优点，将参照附图和具体实施例进一步详细描述本公开。

与惯性静电约束型设备相关联的一个限制是负面的热效应。由于各种原因导致阴极格栅电极变热，例如由于电流导致的欧姆电阻性加热以及更显著地由于辉光放电中的离子的轰击等。通过施加静电场和加热，使得阴极发射电子。大约1帕斯卡的低气压提供了足够的真空度。可以观察到电子的冷发射，其作为电流由高压电源单元指示。在大块金属和一些大块晶状固体中，可以通过量子隧穿理论解释这种电子发射。所施加的电压可以达到150kV或更高，如果各个部件能够承受电场强度的话。阴极和阳极之间的距离可以为几十毫米。电子的场致发射是由施加的静电场导致的。随着离子轰击导致的电极温度升高，出现电子的热发射。但是这种电子发射是多余且不期望的，因为对于固定的输入功率，如果电子电流增大，则用于聚变反应的期望的离子电流将减小。

阴极格栅能够达到的温度还受到冷却速率的影响。在真空或大约0.1帕斯卡的环境中，向更冷的反应室的热辐射是主要的冷却方式。

随着阴极格栅电极温度的升高，热电子发射也增大。这些电子被施加的几十千伏电压朝着周围的阳极加速。但是，这些电子对于气体的离子化基本上没有贡献。对于中性背景气体的离子化而言，低动能电子更加有效。当热发射电子的电流增大时，辉光放电的离子电流减小。该现象在更高的功率密度下出现，因为反应器设备被推向其材料设计极限。高温度导致了选择难熔金属，例如Ta、Mo或W等。其中，如果使用不锈钢，可以降低制造成本，但是会降低最大安全运行温度。因此，增加的功率输入并不会使得离子化和离子电流对应地增大，从而可能不会使得聚变反应速率增大。

有若干因素相互作用。本公开关注的因素之一是阴极格栅电极的平衡温度，这表示由于灰体(而不是黑体)、阴极表面及其周围环境之间流量的能量平衡导致的热力学平衡状态。

在本公开的一个实施例中，阴极格栅电极的表面可以覆盖有涂层，该涂层可以增加阴极电极结构的热发射率。

任何能够满足耐用性要求的涂层或薄膜都可以作为本公开实施例的候选。在一个实施例中，耐用性的要求之一是该涂层必须能够承受处于运行中的IEC反应室内的侵蚀环境。氢气氛具有化学还原性。所产生的粒子的动能给予它们较高的能力来通过轰击破坏表面，就像溅射处理那样。低气压或准真空环境与升高的温度共同通过气压扩散过程可以促进脱气或失去固态物质。阴极的反复扩张和收缩可以对涂层的粘性和内部结构产生应力，从而导致脱落。IEC反应室的运行产生的离子辐射可以向涂层沉积能量且导致原子位移，这会破坏涂层材料的晶体结构。在经过充分剂量的累积后，涂层材料的微结构和性质发生变化，使得涂层失效。中子捕获可以改变原子，从而导致晶体结构应力。

理想的涂层材料可能并不存在，但是可以采用在接近1000℃下具有高发射性的较高耐久性的材料。

根据本公开的一些实施例，涂层材料可以采用例如陶瓷材料或金属化材料。

陶瓷材料可以为A₂B₂O₆、A₂B₂O₇及其混合物，其中A、B为稀土元素或过渡金属元素。例如，陶瓷材料可以为氧化钇、氧化铪、、钇稳定氧化锆(例如钇全稳定氧化锆)、锆酸镧及其混合物等。

在根据本公开的一些实施例中，可以采用锆酸镧(La₂Zr₂O₇，简写为LZO)。锆酸镧是一种高耐熔性氧化物(熔点超过2200℃)，并且表现出良好的辐射耐受性，是一种良好的热障涂层材料。

图1示出了根据本公开的一个实施例的阴极格栅(阴极电极结构)。

如图1所示，阴极格栅为球形，并且由扁叶片3构成。为了增加阴极格栅的透明度，扁叶片3的表面与阳极和阴极格栅之间产生的电场的方向平行。对于惯性静电约束设备，球形的阴极格栅与围绕阴极格栅的阳极(例如反应室壁，未示出)通常为同心布置。当在阴极格栅和阳极之间施加电压差时，产生电场，该电场的方向为沿着球的半径指向球心。因此，在IEC设备中产生的正离子将沿着球的半径朝着球的中心飞行。采用扁叶片3构成阴极格栅，可以使得绝大多数离子穿过阴极格栅中的孔径或开口，而不会与扁叶片3发生碰撞。

在根据本公开的一些实施例中，阴极格栅的扁叶片3可以由不锈钢制成。选择不锈钢作为阴极格栅的材料是为了降低材料的成本。例如，可以采用1.4571不锈钢或者316L不锈钢，它们都是具有低碳浓度的奥氏体。采用不锈钢带来的一个问题是其易于吸收氢同位素，从而导致脆化。在IEC反应器中数万小时的长期使用是可以的，但是可以通过涂层的氢阻挡效应进一步改善。

在根据本公开的另一些实施例中，阴极格栅还可以由耐熔金属(例如Ta、Mo或W)制成。

阴极格栅的电极或扁叶片3可以单独制造，然后组装起来，以形成阴极格栅。在组装各个扁叶片3之前，可以对扁叶片3进行处理，以得到高抛光度的表面。在各个部件由316L不锈钢或者EN 1.4571不锈钢制成的情况下，可以通过以下方式处理扁叶片的表面：使用颗粒度为180至1000目的SiC砂纸打磨，然后通过颗粒尺寸3μm和0.25μm的金刚石研磨膏进行抛光。经过抛光的部件在丙酮中超声清洗，然后干燥。接下来，各个扁叶片3被组装到一起。例如，把各个扁叶片3焊接到一起，然后进行局部研磨或修挫，以去除多余的焊接材料。在焊接位置2反复进行抛光处理。然后，进行进一步的超声清洗，以去除与指纹相关的污染。

在图1中，还示出了电耦接到电源以向阴极格栅提供电压的轴1。

然后，在阴极格栅上形成涂层。该涂层可以包括一个或多个层。根据本公开的一些实施例，该涂层可以包括第一层，该第一层的材料可以提高阴极格栅的热发射性，例如CeO₂，Y₂O₃-ZrO₂和La₂Zr₂O₇等。

在本公开的另一个实施例中，该涂层还可以包括缓冲层(第二层)，用于适应金属基底的热膨胀系数。例如，该缓冲层可以布置在阴极栅格和第一层之间。该缓冲层的材料可以为例如钇稳定的氧化锆(YSZ)。YSZ是一种陶瓷，其中通过添加氧化钇使得二氧化锆的晶体结构稳定，以避免在室温和高温下的体积变化。这些氧化物通常被称为氧化锆(ZrO₂)和氧化钇(Y₂O₃)。

缓冲层和第一层都可以通过溶胶-凝胶过程来形成。溶胶-凝胶过程是一种用于从小分子产生固体物质的方法。该方法可以用于产生金属氧化物。溶胶-凝胶过程包括将单体转换成胶体溶液(sol)，其作为离散的颗粒或网络聚合物的集成网络(gel)的前驱体。在根据本公开的一些实施例中，该金属氧化物是氧化锆和氧化钇，氧化钇可以稳定氧化锆晶体结构，避免体积变化以及由此导致的高内部应力。前驱体可以为例如金属醇盐。

用于形成YSZ涂层的主要处理步骤作为示例给出，用于阐述和理解该本公开的技术。本领域技术人员应当理解，上述处理过程可以对各个参数和细节进行各种变化。

例如，溶胶可以使用丁醇锆(zirconium(IV)butoxide)作为前驱体，添加乙酸钇水合物，使用异丙醇作为溶剂，乙酰基丙酮(acetlacetone)作为螯合剂，添加硝酸作为催化剂。可以通过受控实验确定溶胶中各个反应物的摩尔比。通过实验还可以确定形成溶胶的其它过程和参数。这取决于工业环境下常规的化学实验设施的具体配置。

格栅电极或扁叶片可以被浸入凝胶中。可以通过机械装置还执行该处理过程，以确保均匀性和可重复性。该浸入处理要求在扁叶片上所有位置处都保持几乎均匀的涂层厚度。所使用的浸入涂层机构可以保持扁叶片的每个表面浸入凝胶相同时间段，以确保表面浸湿。图1中的扁叶片的轴1可以被浸入涂层机构保持，以旋转扁叶片。然后，旋转扁叶片，利用离心效应去除多余的凝胶。

从溶胶池中取出后，经过涂覆的扁叶片可以在环境室温条件下进行干燥30-60分钟，然后在大约100-150℃下进一步干燥大约1-2小时。为了增加凝胶涂层的厚度，可以多次重复进行浸入、旋转和干燥的过程。

在空气中于400℃-800℃下加热可以使得挥发性有机物从凝胶中除去。锆和钇发生氧化反应，从而形成具有Y₂O₃的ZrO₂纳米晶格。在Zr主要浓度转变成Fe和Cr主要浓度处出现扩散结合。在例如100nm厚涂层中还发生烧结。对于缓冲层，可以减小其厚度。

在溶胶凝胶过程中，由于复杂的试剂例如硝酸、氨、乙二胺或三乙醇胺的存在，前驱体溶液中的金属离子均匀地分散并且保持在溶液中。可以通过改变化学计量来改变前驱体溶液的成分。所得到的凝胶可以用来涂覆各种形状的长基底，可以使用各种涂覆技术，例如浸入涂覆、喷墨涂覆、旋转涂覆、或狭缝模具式涂覆(slot-die coating)。出了上面提及的试剂之外，也可以使用其它可获得的用于制备印刷油墨的前驱体。溶胶凝胶过程合成的锆酸镧具有所谓的烧绿石晶体结构，其描述了A₂B₂O₆和A₂B₂O₇类型的材料，其中A和B通常为稀土元素或过渡金属元素，例如，Y₂Ti₂O₇等。在初始沉积了粘稠的凝胶后，多余的凝胶被去除。对于阴极格栅电极，可以通过使电极围绕一个或多个轴旋转来加速去除。该处理过程需要注意确保剩余涂层的厚度是均匀的。根据粘度的不同，可以控制旋转速率，使得扁叶片保持稳定。在根据本公开的一个实施例中，在空气中于200℃下进行干燥后，可以加热到例如超过800℃进行煅烧。形成凝胶的有机化合物被去除。煅烧有助于形成精细的纳米尺度的晶体结构。当在电极基底上原位进行该处理时，还可以通过扩散促进与基底的结合。

然后，可以通过类似的溶胶凝胶处理过程施加一层锆酸镧(LZO)(第一层)。

为了避免与湿法化学处理相关联的质量控制、存储、搅拌设施成本和风险，还可以采用其它处理方式。溶胶-凝胶混合物具有时间依赖性或保存期因素，电极的生产量可能较小且不是频繁的批量生产，锆酸镧的干原料是具有吸引力的，如果其能够以可控制的均匀厚度形成牢固粘合的涂层。可以通过按比例增大溶胶凝胶处理过程来生产高纯度的固态形式的LZO。将LZO煅烧成固态盘状，作为溅射的标靶。直径可以为例如50mm至100mm。溅射是依靠等离子体(通常为惰性气体，例如氩气)每次从标靶上打下一些原子。这些原子以有序的晶体排列的原子层方式逐层沉积在基底上。此外，还可以通过例如化学气相沉积或者物理沉积的方式进行这种外延涂层的处理，其中原料被溅射到气相中，并且通过射频RF能量(例如13.8MHz)将该气体及其载气离子化。利用基底上适当的偏压，可以沉积一层材料。该处理较慢，但是能够较好地控制，以便改变构成成分的化学计量比。目标可以被保持在较低的温度，因为该处理并不是进行蒸发，使得该处理成为最灵活的沉积技术之一。该处理对于复合物或混合物特别有用，否则不同的成分将以不同的速率蒸发。溅射覆盖范围几乎是共形的。在光学介质中也广泛使用。但是，对于诸如阴极格栅电极这样复杂对象的溅射涂覆可能存在问题。在阴极上原本要辅助沉积的偏压可能建立起静电场，该静电场会导致不均匀的沉积。由于该偏压远远小于IEC设备的正常工作电压，更接近于辉光放电表面清洁电压范围，涂层的不均匀性风险可能扩大。因此，使用诸如钇稳定的氧化锆(YSZ)作为缓冲层可以改善烧绿石晶体矩阵的沉积。

本公开的另一个实施例使用电子束物理气相沉积(EBPVD)，其中在高真空下使用带电钨丝发出的电子束轰击标靶阳极。电子束使得标靶的原子变成气相。这些原子然后凝结成固体形成，使得真空室内的所有部件(视线内)都涂覆一薄层阳极物质。涂层构成可以为外延生长并且具有正确的化学计量。蒸汽压力高于上述化学气相沉积或物理沉积的实施例的压力。该处理方法适用于施加热控制涂层。高蒸汽压力有助于格栅电极的均匀涂覆。钨丝的退化可能会导致污染和不均匀的蒸发速率。在沉积过程中旋转电极可以改善涂层的均匀性。

本公开的另一个实施例中，适用所谓的等离子体喷涂或所谓的大气等离子体喷涂(APS)技术。精细的干粉末被注入到8000℃至12000℃的高温火焰射流中。通过电弧进行加热，使载气和粉末穿过该电弧。熔化的液体击中基底表面，变型并且冷却以形成“泼溅物”，其附着到基底上。在APS沉积前，LZO前驱体LaO和ZrO₂被混合成粉末。可以调节混合比例，以适合不同的蒸发速率。所得到的涂层具有期望的La₂Zr₂O₇成分。在沉积30nm-100nm厚度的涂层后，格栅电极被加热煅烧，使得晶体结构稳定。

另一个实施例使用悬浮等离子体喷涂(SPS)，这是一种大气等离子体喷涂的形式。其中在被注入大气等离子体射流之前，陶瓷原料被分散在液体悬浮液中。通过在液体中悬浮粉末，避免了普通的进料所带来的一些问题，允许通过使用更精细的粉末沉积更精细的微结构。在根据本公开的一个实施例中，烧绿石晶体矩阵的原料粉末可以为尺寸90μm的LZO。SPS设施为经过修改的APS系统。阴极格栅栅极经过打磨抛光和清洁后，进行SPS处理。SPS处理使用的火焰核心温度大约为例如10000℃。等离子体枪以大约1m/s的速度扫过目标格栅电极。等离子体枪的距离在大约30mm-50mm的量级，并且可以优化该距离以适合阴极格栅的几何形状。相对于阴极格栅的喷涂角度可以包含在扫描路径程序中，以确保覆盖扁叶片同时避免被核心火焰温度过度加热。应当理解，上面这些参数用于示例性说明本公开，对于给定的APS系统以及用于SPS处理的系统，可以通过实验优化这些处理参数。在SPS沉积之后，具有涂层的电极被加热到大约800℃或更高，进行煅烧，从而去除气体，例如氩气。

例如，在制备第一层时，为了避免上述溶胶凝胶处理的缺陷，例如需要有机溶剂，导致最终产品的不均匀性等，有机溶剂可以被替换成容易获得的氧化锆前驱体Tyzor ZEC，其确保化学反应在分子水平下进行，使得La₂Zr₂O₇均匀，以及后续加热处理期间形成的纳米尺寸的金属氧化物的优化的尺寸分布。在1200℃以上进行煅烧后可以得到期望的晶体结构，对于不锈钢材料作为基底的电极，1100℃以上也是足够的。所得到的锆酸镧是一种陶瓷，其密度大于90％。可以形成多个涂层以减小孔隙的密度。

在根据本公开另一个实施例中，涂层可以包括位于第一层上的顶层(第三层)。该顶层可以保护第一层，免受残酷的外界环境的影响。例如，顶层可以由包含钇的陶瓷制成。这种材料能够抵抗IEC反应室中的还原性等离子体，例如氢同位素反应物。等离子体喷涂的含钇陶瓷(例如氧化钇、Y₂O₃-ZrO₂固溶物、YAG和YF₃)提供了低孔隙度涂层，其具有光滑紧致的表面。可以通过平均直径大约22μm至0.1μm的粉末原料进行喷涂得到这种陶瓷。

在涂覆步骤之后，经过涂覆的扁叶片可以被处理以使得外侧边缘暴露出金属基底。当扁叶片被组装成阴极格栅时，这些边缘将共同形成阴极格栅的面对阳极腔室的表面。

打磨处理可以包括人工使用砂纸进行打磨，或者使用机械打磨设备，例如砂轮或砂带。为了更高的产量，还可以使用其它装置，例如保持和定向设备，从而提供可重复的精确定位。在打磨去掉外边缘的大块涂层后，可以通过放大镜仔细检查。例如，格栅电极的扁叶片以及其它结构部件上从裸露的金属向涂层过度的所有位置都要检查是否存在凸起的陶瓷涂层或金属基底材料，并通过例如手工打磨操作将其去除。

然后，经过处理的扁叶片进行超声清洗，以去除表面附着的颗粒。然后进行例如空气干燥处理。接下来，可以把经过清洁的扁叶片放到无尘存储袋中，以便后续组装成阴极格栅。

在阴极格栅被组装到IEC反应室内之后，可能存在进一步的清洁处理，例如在高温下进行真空烘烤，该温度要适合其它材料，例如铝合金制成的反应室壁。通过残余气体分析仪监控排气可以看到大气污染物(例如水额一氧化碳)的减少。后续可以用氩气进行辉光放电清洁，从而调节阴极格栅的表面，使得操作IEC反应室逐步升高辉光放电电压时，减少电弧事件。在辉光放电清洁处理之后，可以进行另一个真空烘烤处理，以确保去除残留的氩气。然后，当被存储或非运行模式下，反应室内部被保持真空。

在上述各个实施例中，在扁叶片被组装成阴极格栅之前形成各个涂层。在根据本公开的另一些实施例中，可以在组装扁叶片之后形成各个涂层。

根据本公开的一个实施例，扁叶片被组装并焊接形成阴极格栅。阴极格栅被打磨、超声清洗和干燥。然后，进行悬浮等离子体喷涂(SPS)处理，其使用的火焰具有大约10000℃的核心温度。

如上所述，SPS处理是一种大气等离子体喷涂，其中陶瓷原料被分散在液体悬浮液中，然后被注射到大气等离子体射流中。

原料粉末可以为例如尺寸90μm的锆酸镧(La₂Zr₂O₇，LZO)或类似的A₂B₂O₇化合物，其中A和B可以为稀土元素或过渡金属元素。可以通过例如溶胶-凝胶处理制备原料粉末，该处理可以被放大以适于工业生产和经济性。得到的溶胶被煅烧和研磨，从而得到具有指定的颗粒尺寸和纯度的粉末。

可以修改大气等离子体喷涂设施以支持悬浮等离子体喷涂处理。包括等离子体喷头、位于液体馈送子系统中的粉末，以及流动控制子系统，其有助于减轻流体声学现象导致的不稳定性。通过把粉末分散在液体中，可以克服通常进料问题，允许通过使用更精细的粉末来沉积更精细的微结构。

等离子体枪可以大约1m/s的速度扫过目标叶片。等离子体枪的距离在大约30mm-50mm的量级，并且可以优化该距离以适合阴极格栅的几何形状。可以在扫描路径程序中包含相对于阴极格栅的喷涂角度，以确保覆盖叶片和其它支撑元件，而避免它们被具有更高温度的核心火焰温度过度加热。可以设置喷涂矢量，使得各个叶片的交叉部分的角部都被充分喷涂。在喷头前后扫描过程中，可以转动阴极格栅。

在SPS沉积后，可以把阴极格栅加热到800℃以上进行煅烧，从而去除处理过程中的气体，例如氩气。烧绿石晶体矩阵将保留在沉积于不锈钢基底上的LZO泼溅物上。

在煅烧处理后，叶片被处理以使得外侧或最外侧边缘暴露出金属基底。打磨处理与上述其它实施例类似，这里就不再重复描述。

图2示出了根据本公开的另一个实施例的阴极格栅的结构，图3示出了图2中的阴极格栅的一部分。

如图2和图3所示，阴极格栅为圆柱形。阴极格栅包括扁叶片20以及用于支撑叶片20的环状部30。阴极格栅还包括轴10和轴40。在根据本公开的一些实施例中，轴10可以被构造成向阴极格栅提供电压，轴40可以被构造成将阴极格栅固定在IEC设备的反应室内。

扁叶片20和环状部30被布置成增加阴极格栅的透明度，即允许离子飞行穿过阴极格栅并进入其内部空间。如图3所示，扁叶片20被布置成与圆柱形的阴极格栅的中心轴平行，并且扁叶片20和该中心轴在同一个平面上。扁平的环状物30垂直于中心轴。因此，扁叶片20和环状物30在入射离子的路径上具有最小的截面。

类似于上面球形阴极格栅的各个实施例，圆柱形阴极格栅也可以通过各种处理被涂覆涂层，例如溶胶凝胶处理，EBPVD处理，APS处理和SPS处理等。阴极格栅的外表面，即面对阳极的表面，不被涂层覆盖，从而允许从阴极格栅进行电子的场致发射。

此外，图2中所示的沿圆柱形轴向延伸的扁叶片20可以由多个子叶片构成，这些子叶片沿轴向拼接得到扁叶片20。在另一个实施例中，多个子叶片可以与环状物30构成一段阴极格栅，可以根据选择一段或几段，并沿轴向连接，构成完整的阴极格栅，从而提高了IEC设备的灵活性。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：

阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间，其中所述阴极电极结构由金属材料制成；以及

阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，

其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率，

所述聚变装置还包括：

第二涂层，布置在所述阴极电极结构和所述第一涂层之间，并且被构造成通过适应所述阴极电极结构的金属材料的热膨胀系数而增强所述第一涂层与所述阴极电极结构之间的粘接性，

第三涂层，布置在所述第一涂层之上并且被构造成保护所述第一涂层，

其中，所述第二涂层包括钇稳定的氧化锆，所述第三涂层由包含钇的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料选自包括以下材料的组：YAG和YF₃，

所述阴极电极结构为圆柱形，包括沿圆柱形的中心轴方向连接的一段或多段阴极格栅，每段阴极格栅包括中心轴方向延伸的多个子叶片和垂直于所述中心轴的环状物，所述环状物被构造成支撑所述子叶片，

所述阴极电极结构还包括：

第一轴，被构造成向所述阴极电极结构提供电压；以及

第二轴，被构造成将所述阴极电极结构固定在所述聚变装置中。

2.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构的朝着所述阳极电极结构的表面不被所述第一涂层覆盖。

3.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述金属材料包括不锈钢。

4.根据权利要求3所述的聚变装置，其中所述不锈钢为316L不锈钢或EN1.4571不锈钢。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层为陶瓷膜。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层为金属膜。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层由选自以下组的材料制成：CeO₂、Y₂O₃-ZrO₂和La₂Zr₂O₇。

8.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构为网状或笼状。

9.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构包含多个扁平部件，所述扁平部件的表面平行于电场的方向，所述电场在所述阳极电极结构和所述阴极电极结构之间产生。

10.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构的热发射率为0.7-1.0。

11.一种中子发生器，包括根据权利要求1-10中任一项所述的聚变装置。

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