CN103858176A - 放射线产生装置以及放射线产生方法 - Google Patents
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Abstract
具备：储存混合液（61）的燃料储存部（20）、对混合液（61）施加压力的压力施加部（10）、形成混合液（61）的喷流（61a）的喷流形成部（30）、形成混合液（61）的喷流（61a）的反应部（44）、将反应部（44）中的压力设定成比喷流形成部（30）的内部压力低的压力调整部（41）、以及对颗粒群（63a）照射激光（L1）的光源部（45）。燃料颗粒（63）通过被照射激光（L1）从而产生所期望的放射线。在反应部（44a）中，多个燃料颗粒（63）沿着喷流（61a）的方向移动，液化气体和液体在与多个燃料颗粒（63）分离的方向上移动，由此形成颗粒群（63a）。
Description
技术领域
本发明涉及放射线产生装置以及放射线产生方法。
背景技术
在核聚变产生的微小区域中，会产生X射线、γ射线、中子射线等放射线。通过利用这种现象，从而提供点状的放射线源。因此，对核聚变燃料即燃料颗粒照射激光来产生各种各样的放射线的装置正在被研究。
在这样的放射线产生装置中，例如有使用大强度质子加速器来产生中子的装置。另外，有对将氢置换成氘的塑料薄膜照射激光来产生中子的装置。此外，还有对包含氢的颗粒或者薄膜照射激光来产生具有高能量的质子的装置。
在专利文献1中，记载了产生中子的装置。在该装置中，将由液体氘所形成的微小液滴作为核聚变燃料。该装置首先使液体氘从喷嘴喷射而生成液体氘的液滴。通过对该液滴照射激光，从而分解成微细的液滴。然后，对于被微细化的液滴照射飞秒激光，使液滴离子化，并使该离子碰撞，由此产生中子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2002-514740号公报
非专利文献
非专利文献1：高分子论文集，Vol.64,pp.147-154（2007）
非专利文献2：高分子论文集，Vol.48,pp.41-45（1991）
非专利文献3：J.Vac.Sci.Technol.A10,239-242（1992）
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，使用大强度质子加速器来产生中子的装置是非常巨大的装置，装置结构复杂。另外，在对塑料薄膜照射激光来产生中子的装置中，在重复中子的产生时存在中子的产生效率被抑制的问题。此外，在对包含氢的薄膜等照射激光来产生质子的装置中，存在质子的产生效率被抑制的问题。
另外，在专利文献1所记载的中子产生装置中，为了使用液体氘，需要用于将装置整体保持在低温的冷冻机。另外，需要用于对从喷嘴喷射的液滴进行微颗粒化的激光光源。因此，中子产生装置组合多个装置而构成，因而装置结构恐怕会变得复杂。此外，激光吸收被存在于氘液滴周围的蒸气阻碍，有可能中子的产生效率会降低。
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于，提供例如能够使装置变得简易的结构且能够提高放射线的产生效率的放射线产生装置以及放射线产生方法。
解决技术问题的手段
本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置具备储存在包含液体和分散于液体中的多个燃料颗粒的悬浊液中混合有液化气体的混合液的燃料储存部、对储存于燃料储存部的混合液施加压力的压力施加部、使被施加压力的混合液从小孔喷射并形成混合液的喷流的喷流形成部、形成有喷流的反应部、将反应部中的压力设定成比喷流形成部的内部压力低的压力调整部、以及对由多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光的光源部，燃料颗粒通过被照射激光而产生所期望的放射线，在反应部中，多个燃料颗粒沿着喷流的方向移动，液化气体和液体在与多个燃料颗粒分离的方向上移动，由此形成颗粒群。
根据该放射线产生装置，在悬浊液中混合有液化气体的混合液从喷流形成部喷射至反应部。反应部设定成比喷流形成部的内部压力低。混合液的喷流中的液化气体急剧气化并膨胀，使悬浊液的液体成分飞散。因此，从混合液的喷流中除去液化气体和液体。燃料颗粒由于具有在从喷流形成部喷射时被赋予的动能，因此在规定的方向上前进并形成颗粒群。对颗粒群照射激光并产生所期望的放射线。如此，通过使包含燃料颗粒的混合液喷射的结构来形成颗粒群，因而能够使装置的结构。变得简易。此外，由于减少液体和气体等混入到照射有激光的颗粒群，因此激光的散射被抑制。因此，对颗粒群适当地照射激光，因此能够提高放射线的产生效率。
另外，本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置具备储存包含液体和分散于液体中的多个燃料颗粒的悬浊液的燃料储存部、对储存于燃料储存部的悬浊液施加压力的压力施加部、使被施加压力的悬浊液从小孔喷射并形成悬浊液的喷流的喷流形成部、通过对悬浊液中的气化后的液体实施排气从而形成由多个燃料颗粒构成的颗粒群并将其排出的排气部、排出由多个燃料颗粒构成的颗粒群的反应部、以及对颗粒群照射激光的光源部，燃料颗粒通过被照射激光而产生所期望的放射线。
根据该放射线产生装置，悬浊液从喷流形成部喷射至排气部。在排气部中从悬浊液的喷流除去液化气体和液体成分。燃料颗粒由于具有在从喷流形成部喷射时被赋予的动能，因此从排气部前进至反应部并形成颗粒群。对颗粒群照射激光，产生所期望的放射线。如此，通过使包含燃料颗粒的悬浊液喷射的结构来形成由多个燃料颗粒构成的颗粒群，因而能够使装置的结构变得简易。此外，由于减少液体等混入到被激光照射的颗粒群，因此激光的散射被抑制。因此，对颗粒群适当地照射激光，因而能够提高放射线的产生效率。
另外，放射线产生装置还具备得到与颗粒群中的每单位体积的燃料颗粒的数量相对应的测量值的测量部。根据这样的结构，能够得到与燃料颗粒的数密度相对应的测量值。而且，能够基于该测量值进行对颗粒群在最合适的时刻照射激光的控制。因此，能够进一步提高放射线的产生效率。
另外，在放射线产生装置中，燃料颗粒包含氘，并通过被照射激光来产生中子。根据这样的结构，若对燃料颗粒照射激光，则产生氘离子。由于通过该氘离子产生氘核聚变反应，因此产生中子。因此，能够有效地产生放射线即中子射线。
另外，在放射线产生装置中，燃料颗粒包含氢，并通过被照射激光来产生质子。根据这样的结构，若对燃料颗粒照射激光，则产生氢离子。由于通过该氢离子产生氢核聚变反应，因此产生质子。因此，能够有效地产生放射线即质子射线。
另外，在放射线产生装置中，燃料颗粒包含具有规定能量共振线的原子，并通过被照射激光来产生与能量共振线相对应的电磁辐射线。根据这样的结构，若通过对燃料颗粒照射激光而对燃料颗粒加热，则产生与规定的原子所具有的能量共振线相对应的电磁辐射线。因此，能够有效地产生所期望的电磁辐射线。
另外，本发明的一个侧面所涉及的放射线产生方法具备将在包含液体和分散于液体中的燃料颗粒的悬浊液中混合有液化气体的混合液储存于燃料储存部的储存工序、对储存于燃料储存部的混合液施加压力的压力施加工序、使被施加压力的混合液从小孔喷射并在反应部形成混合液的喷流的喷流形成工序、以及对由多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光并产生放射线的放射线产生工序，在喷流形成工序之前，具有将混合液被喷流的反应部中的压力设定成比喷流形成部的内部压力低的压力调整工序，燃料颗粒通过被照射激光来产生所期望的放射线，颗粒群由如下方式形成，即在反应部内液化气体和液体被气化且通过由气化后的液化气体从混合液的喷流除去液体而形成的反应部中，多个燃料颗粒沿着喷流方向移动且液化气体和液体在与多个燃料颗粒分离的方向上移动，由此形成有颗粒群。
根据该放射线产生方法，能够通过使混合于悬浊液的液化气体气化来使悬浊液的液体成分飞散。由此，能够形成从混合液的喷流除去液化气体和液体的由多个燃料颗粒构成的颗粒群。由于减少液体和气体等混入到该被激光照射的燃料颗粒的颗粒群，因此激光的散射被抑制。因此，可以对颗粒群适当地照射，因而能够有效地得到放射线。
另外，本发明的一个侧面所涉及的放射线产生方法具备储存包含液体和分散于液体中的多个燃料颗粒的悬浊液的燃料储存部、对储存于燃料储存部的悬浊液施加压力的压力施加工序、使被施加压力的悬浊液从小孔喷射并形成悬浊液的喷流的喷流形成工序、通过对悬浊液的喷流中的液体实施排气从而形成由多个燃料颗粒构成的颗粒群并将其排出的排气工序、以及对由多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光并产生放射线的放射线产生工序，燃料颗粒通过被照射激光来产生所期望的放射线。
根据本发明的一个侧面所涉及的放射线产生方法，在排气工序中从悬浊液的喷流除去液体成分。由此，能够形成从悬浊液的喷流除去液体的由多个燃料颗粒构成的颗粒群。由于减少液体等混入到该照射有激光的燃料颗粒的颗粒群中，因此激光的散射被抑制。因此，可以对颗粒群适当地照射激光，因而能够有效地得到放射线。
发明的效果
根据本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置以及放射线方生方法，例如能够使装置的结构变得简易，能够提高放射线的产生效率。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式所涉及的放射线产生装置的结构的图。
图2是用于说明燃料颗粒的图。
图3是表示第1实施方式的放射线产生方法的主要工序的流程图。
图4是用于说明第1实施方式所涉及的放射线产生装置的动作的图。
图5是用于说明第2实施方式所涉及的放射线产生装置的结构的图。
图6是表示第2实施方式的放射线产生方法的主要工序的流程图。
图7是用于说明第2实施方式所涉及的放射线产生装置的变形例的图。
符号说明：
1A、1B、1C…放射线产生装置、10…压力施加部、11…高压储气罐、12…气管、13…阀、20…燃料储存部、21…储存容器、22a…输入部、22b…排出部、23…储存区域、24…燃料供给部、25…排出管、26…搅拌装置、27…主体部、28…连结部、29…搅拌部、30…喷流形成部、31…阀室、32…探针、32a…尖端、33…喷嘴、33a…小孔、34…喷射控制部、40…腔室、40a…内部区域、41…排气装置（压力调整部）、42…压力计、43c…输入输出端子、44…反应容器、44a…反应部、44b～44e…孔、45…激光光源（光源部）、46…测量部、46a…测量光源、46b…受光部、50…主控制部、61…混合液、61a,61b…喷流、62…悬浊液、63…燃料颗粒、63a…颗粒群、78、80…排气部、71a～71c、83a～83c…小腔室、72a～72c,84a～84c…节流孔（orifice）、74a～74c…排气管、81…护罩、82…排气管、D…直径、DT…延迟时间、G1…曲线、K1～K3…区间、L1…激光、L2…探测激光、P1…阀室压力、P2…内部压力、S1…储存工序、S3,S4…压力施加工序、S5…压力调整工序、S7…喷流形成工序、S8…排气工序、S9…放射线产生工序、ST…时间差（阈值）、ΔT…时间差。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边详细地说明本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置以及放射线产生方法的实施方式。另外，在图面的说明过程中对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。再有，在本实施方式中所谓放射线是包括电子射线、离子束、中子射线、X射线、软X射线以及超短紫外线。
图1是用于说明第1实施方式所涉及的放射线产生装置的结构的图。放射线产生装置1A是产生放射线即中子的装置。放射线产生装置1A具备压力施加部10、燃料储存部20、喷流形成部30、腔室40、以及主控制部50。此外，在腔室40中设置有排气装置41（压力调整部）、压力计42、以及输入输出端子43a～43c。再者，在腔室40的内部区域40a配置有反应容器44、激光光源45（光源部）、以及测量部46。
压力施加部10具备高压储气罐11。高压储气罐11通过气管12与燃料储存部20相连接。该高压储气罐11在内部储存被保持在5～10大气压（5大气压以上且10大气压以下）的高压气体。使用高压气体对燃料储存部20施加压力（背压）。在气管12中设置有阀13。通过调整该阀13，对燃料储存部20施加压力。阀13具有电磁开闭的结构，可以反复动作。
作为高压气体，使用例如碳氟化合物（fluorocarbon）类气体或者烃类气体。碳氟化合物类气体和烃类气体在被施加5～10大气压（5大气压以上且10大气压以下）的压力时液化而成为液化气体。液化后的碳氟化合物类气体和烃类气体在减压氛围气下爆发性地气化。在此，碳氟化合物类气体是所谓的氯氟烃（fron gas）。碳氟化合物类气体是由具有碳氢键的有机化合物构成的气体或者包含由这些有机化合物构成的气体的混合气体。对于碳氟化合物类气体来说例如有HCFC-22、HCFC-123、HCFC-141b、HCFC-142b、HFC-23、HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-143a、HFC-152a。另外，烃类气体是由具有碳-氢键的有机化合物构成的气体或者包含由这些有机化合物构成的气体的混合气体。对于烃类气体来说例如有丙烷、丁烷。
燃料储存部20具备储存容器21以及搅拌装置26。在燃料储存部20中设置有输入部22a、排出部22b、储存区域23、以及燃料供给部24。在输入部22a连接有连接于高压储气罐11的气管12。在排出部22b连接有连接于喷流形成部30的排出管25。在储存区域23储存有混合液61。混合液61从燃料供给部24提供。混合液61经由排出管25而排出至喷流形成部30。
在此，就混合液61作说明。混合液61是混合了液化气体的悬浊液62。在液化气体中使用了碳氟化合物类气体或者烃类气体。悬浊液62包含规定的液体以及分散于该液体中的燃料颗粒63。该悬浊液62是使燃料颗粒悬浊的胶体溶液。规定的液体在喷流形成部30形成有混合液61的喷流61a时，对燃料颗粒63传递动能。作为规定的液体，选择容易气化且不使燃料颗粒63溶解的液体。作为规定液体，例如使用是醇类的甲醇或者乙醇。
接着，就燃料颗粒63作说明。燃料颗粒63是通过由激光照射等来提供能量而产生规定的放射线的颗粒。图2是用于说明燃料颗粒63的图。燃料颗粒63由氘化塑料（以下也称为“CD”）所构成。氘化塑料是指塑料中的氢原子被置换成氘原子的塑料。再有，在使用烃类气体作为高压气体时，可以使用难溶性的交联性聚合物。另外，燃料颗粒63是实心球体。燃料颗粒63的直径D使用公知的方法来控制。例如，由非专利文献1所记载的方法来控制。本实施方式的燃料颗粒63具有被控制在100～500nm（100nm以上且500nm以下）的直径D。
是氘化塑料的球体的燃料颗粒63使用公知的方法来制作。例如，由非专利文献2所记载方法来制作。在该方法中，将市售的氘单体进行聚合来制作氘化塑料的球体。
另外，燃料颗粒63包含氚（T）。即，燃料颗粒63是由在氘化塑料涂覆有氚的氘-氚化塑料（以下也称为“CDT”）所构成的球体。由氘-氚化塑料构成的球体即燃料颗粒63使用公知的方法来制作。例如，由非专利文献3所记载的方法来制作。在该方法中，在氚（tritium）气氛围气下通过紫外线切断氘化塑料的碳-氘键。在切断后的部位通过将氘置换成氚，从而制作氘-氚化塑料的球体。
搅拌装置26均匀地混合混合液61中所含的液体、燃料颗粒63以及液化气体。搅拌装置26具备主体部27、连结部28以及搅拌部29。主体部27与搅拌部29经由连结部28连结。主体部27具有电机等，给连结部28提供旋转力。该旋转力经由连结部28而传递至搅拌部29。搅拌部29下沉到混合液61。通过搅拌部29在混合液61中进行旋转，混合液61中所含的液体、燃料颗粒63以及液化气体被均匀地混合。
喷流形成部30具备阀室31、探针（needle）32、喷嘴33、以及喷射控制部34。喷流形成部30形成混合液61的喷流61a。喷流形成部30通过从小孔33a喷射混合液61，从而将施加于混合液61的压力转换成动能。喷射控制部34的动作由主控制部50控制。
在阀室31的一端配置有喷嘴33。在喷嘴33，形成有小孔33a。小孔33a具有形成得比阀室31的宽度小的直径。在位于配置有喷嘴33的一端的相反侧的另一端配置有探针32。探针32具有作为喷嘴33的小孔33a的盖子的功能。探针32从阀室31的一端侧向另一端侧延伸。探针32的另一端延伸至阀室31的外部，另一端连接于喷射控制部34。阀室31的一端侧即探针32的尖端具有尖细的形状。该尖端抵接于喷嘴33的小孔33a。
当尖端32a抵接于小孔33a时为不形成喷流61a的状态即关闭状态。另一方面，当使尖端32a与小孔33a分离时形成有小孔32a与探针32之间的间隙。混合液61从该间隙喷射。该状态是开启状态。基于探针32的移动量，混合液61的喷射量得以控制。另外，基于移动探针32的时刻，喷射混合液61的时刻得以控制。探针32的移动量以及时刻被喷射控制部34控制。喷射控制部34基于从主控制部50发送的控制信号控制探针32的移动量以及时刻。混合液61从喷嘴33的小孔33a喷射到腔室40内。
腔室40构成为可减压。腔室40的内部区域40a通过排气装置41调整到规定的压力。内部区域40a的压力以比喷流形成部30的阀室31中的阀室压力P1低的方式进行调整。另外，内部区域40a的内部压力P2基于从激光光源45照射的激光L1的强度来设定。即，设定为不产生由激光L1引起的故障（breakdown）的程度的压力。例如，在激光L1的强度为1018W/cm2时，内部压力P2为1Pa以下。在排气装置41中使用是真空泵的涡轮分子泵等。
在减压后的内部区域40a，配置有反应容器44、激光光源45、以及测量部46。反应容器44由氘化塑料所构成，在容器内部设定有反应部44a。反应部44a是形成有混合液61的喷流61a的区域，并且是对燃料颗粒63的颗粒群63a照射激光L1而产生中子的区域。在反应容器44，设置有使喷流61a通过的孔44b、使激光通过的激光入射用的孔44c、以及使测量部46的探测激光L2通过的孔44d,44e。由于在反应容器44设置有孔44b～44e，因此反应容器44的内部与腔室40的内部压力P2相等。
激光光源45射出照射于颗粒群63a的激光L1。激光L1照射于与混合液61的喷流61a的方向61b相交叉的方向。该激光L1具有在颗粒群63a中可产生核聚变反应的强度。激光L1是超短波脉冲激光，脉冲宽度为飞秒或者皮秒左右。激光光源45的动作被主控制部50控制。基于从主控制部50输出的控制信号，控制激光L1的强度以及出射时刻得以控制。
本实施方式的情况是氘彼此的核聚变反应（D-D反应），因而离子能量在质心系为2～3MeV（2MeV以上且3MeV以下）时，反应截面积取得峰值。因此，可以产生具有该能量的离子。由库仑爆炸产生的离子能量基于激光L1的强度以及燃料颗粒63的直径D而决定。例如，在燃料颗粒63的直径D为300～400nm（300nm以上且400nm以下）时，激光L1的强度约为1018W/cm3。
测量部46得到与每单位面积的燃料颗粒63的颗粒数（以下也称为“数密度”）相对应的测量值。基于该测量值，喷射控制部30中的混合液61的喷射时刻、或者激光L1的射出时刻得以控制。在该测量部46中，使用米氏（Mie）散射测量装置。米氏散射测量装置是利用了由于探测激光的波长左右大小的球体即燃料颗粒63所引起的光的散射现象的测量装置。测量部46具备测量光源46a以及受光部46b。测量光源46a以及受光部46b以从测量光源46a射出的探测激光L2通过形成有颗粒群63a的区域而到达受光部46b的方式配置。在测量光源46a，使用激光光源。另外，在受光部46b，使用是光学元件的光电二极管。基于在受光部46b被接受的探测激光L2的强度，得到与燃料颗粒63的数密度相对应的测量值。在本实施方式中，得到电压值作为测量值。所得到的电压值经由输入输出端子43c而输出至主控制部50。
再有，当激光L1照射于颗粒群63a时，激光L1的光点（spot）全部被多个燃料颗粒63覆盖，并且燃料颗粒63彼此不相互凝聚。为了满足这样的条件，通过将燃料颗粒63的数密度设定成规定值来实现。例如，当燃料颗粒63的直径D为400nm且激光L1的瑞利长度（Rayleighlength）为2mm时，燃料颗粒63的数密度为1010～1012cm-3（1010cm-3以上且1012cm-3以下）的范围。该燃料颗粒63的数密度通过将混合液61的喷射和激光L1的照射时刻最优化来实现。
主控制部50是具备了CPU和ROM等的硬件，统括性地控制构成放射线产生装置1A的各种各样的装置。用于在最恰当的时刻将激光L1照射于颗粒群63a的所有构成要素受该主控制部50控制。例如，实行阀13的开闭、来自激光光源45的激光L1的照射控制、测量部46的控制、测量部46的测定结果的解析、施加于混合液61的压力的控制。从测量部46以及压力计42输出的测定值被输入到该主控制部50。另外，从主控制部50输出用于控制激光光源45、测量光源46a、排气装置41、喷射控制部34的控制信号。
接着，就放射线产生装置1A的动作作说明。图3是表示第1实施方式的放射线产生方法的主要工序的流程图。第1实施方式的放射线产生方法具有储存工序S1、压力施加工序S3、压力调整工序S5、喷流形成工序S7、以及放射线产生工序S9。
首先，实施储存工序S1。储存工序S1是准备悬浊液62并储存于燃料储存部20的储存容器21的工序。一开始，准备燃料颗粒63。燃料颗粒63是由含有氘的氘化塑料构成的球体，使用公知的方法制作。接着，准备悬浊液62。通过使燃料颗粒63悬浊于乙醇或者甲醇液体，得到悬浊液62。在该悬浊液62中，相对于液体的重量悬浊有10～50%（10%以上且50%以下）重量的燃料颗粒63。准备好的悬浊液62从储存容器21的燃料供给部24储存于储存区域23。再有，在将悬浊液62储存于储存容器21时，阀13为关闭状态且不施加来自高压储气罐11的压力。
再有，悬浊液62中的燃料颗粒63的比例处于与颗粒群63a的数密度成比例的关系。因此，燃料颗粒63的比例越大，颗粒群63a的比例就越大。若悬浊液62所含的燃料颗粒63的比例变大则可能成为喷嘴33堵塞的原因。因此，悬浊液62以液体的重量为基准包含重量比为10～50%左右的燃料颗粒63。
使不产生喷嘴堵塞的稳定的混合液61的喷射和高的燃料颗粒63的数密度得到兼顾。满足这2个条件的燃料颗粒63的比例可以考虑由燃料颗粒63的直径D来决定，但由于喷嘴33的规格也会导致最佳的比例发生变化，因此由每次实际测量来决定。
接着，实施压力施加工序S3。压力施加工序S3是对储存于储存容器21的悬浊液62施加压力的工序。打开连接于储存容器21的气管12的阀13，从高压储气罐11将高压气体导入到储存区域23。高压气体是加压至5～10大气压（5大气压以上且10大气压以下）的液化后的碳氟化合物类气体或者烃类气体。当打开阀13时，液化后的气体被导入到储存区域23。由于气体液化而为液体状态，因此与悬浊液62相混合而形成混合液61。
在此，实施压力调整工序S5。压力调整工序S5是调整腔室40的内部区域40a的内部压力P2的工序。控制信号从主控制部50发送至排气装置41，接受控制信号的排气装置41对腔室40内减压。腔室40内的内部压力P2由压力计42得到。基于从压力计42输出的内部压力P2，排气装置41被主控制部50控制。
接着，实施喷流形成工序S7。喷流形成工序S7是使加压后的混合液61从喷嘴33的小孔33a喷射并在反应部44a形成喷流61a的工序。探针32的尖端32a抵接于小孔33a。喷射控制部34在从主控制部50接受控制信号时，控制探针32的位置，使探针32的尖端32a与小孔33a正好分离规定时间。在分离期间，加压后的混合液61从小孔33a与探针32的尖端32a之间的间隙喷射。在经过规定时间后，喷射控制部34控制探针32的位置并再次使探针32的尖端32a抵接于小孔33a，停止混合液61的喷射。
然后，实施放射线产生工序S9。放射线产生工序S9是对由从混合液61的喷流61a形成的燃料颗粒63所构成的颗粒群63a照射激光L1的工序。当混合液61喷射至反应部44a时，混合液61中的液化气体急剧气化。由此，液化气体和液体在从燃料颗粒63分离的方向上移动。即，通过液化后的液化气体而使混合液61中的液体飞散。飞散后的液化气体和液体被排气装置41排放到腔室40的外部。另一方面，混合液61中的燃料颗粒63沿着喷流61a的方向61b移动。即，混合液61中的燃料颗粒63由于具有在从喷流形成部30喷射时被赋予的动能，因此从喷嘴33前进至反应部44a并形成颗粒群63a。然后，接受来自主控制部50的控制信号的激光光源45将激光L1照射于颗粒群63a。通过该激光L1，在颗粒群63a发生库仑爆炸，并产生离子。该离子是指氘的原子核因库仑爆炸而放出的离子。由于通过该氘离子产生氘核聚变反应（D-D反应），因此产生中子。再有，在使用由氘-氚化塑料构成的球体作为燃料颗粒63时，通过氘-氚核聚变反应（D-T反应）而产生中子。
在此，激光L1在颗粒群63a中的燃料颗粒63的数密度最高时照射于颗粒群63a。即，激光L1在受光部46中因散射引起的衰减最大时照射于颗粒群63a。以下，说明用于在最佳时刻照射激光L1的工序。
首先，在喷射信号发送至喷射控制部34后，经过预先设定的延迟时间DT后，将照射信号发送至激光光源45并照射激光L1。在该期间，激光L1和探测激光L2在受光部46b被接受。受光部46b输出与接受的光的强度相对应的电压的时间历程。该电压经由输入输出端子43c而输入到主控制部50。从该电压的时间历程求得颗粒群63a的数密度最高的时间T1、以及激光L1被照射的时间T2。然后，取得颗粒群63a的数密度最高的时间T1与激光L1被照射的时间T2的时间差ΔT作为反馈信号。判断该时间差ΔT是否在被设定的阈值即时间差ST的范围。
在时间差ΔT为被设定的时间差ST的范围外的情况下，变更延迟时间DT的值。在本实施方式中，通过变更混合液61的喷射时刻，从而变更延迟时间DT的值。接着，进行混合液61的喷射以及激光L1的照射，取得与燃料颗粒63的数密度相对应的电压的时间历程。接着，从由测定得到的电压的时间变化算出时间差ΔT。然后，进行时间差ΔT与阈值ST的比较。重复上述工序，直至时间差ΔT满足阈值ST。通过实施上述工序，能够得到照射激光L1的适当时刻。
再有，颗粒群63a的数密度最高的时间T1以及激光L1被照射的时间T2的值的取得、时间差ΔT的计算、以及时间差ΔT与阈值ST的比较由主控制部50实行。
图4是表示在受光部46b所取得的电压的时间历程的一个例子的图。图4的曲线G1表示从受光部46b输出的电压的时间历程。在区间K1，由于在反应部44a不形成颗粒群63a，因此从测量光源46a射出的探测激光L2不会散射。若混合液61被喷射且形成有颗粒群63a，则在受光部46b被接受的探测激光L2的强度渐渐衰减（区间K2）。然后，由于在最衰减的时刻从激光光源45照射激光L1，因此在受光部46上被接受的光强度瞬间增加（区间K3）。根据曲线G1，可知在受光部46b上被接受的探测激光L2的强度最低时照射激光L1。
在此，研究了对燃料颗粒照射具有高强度的激光并产生所期望的放射线产生的放射线产生装置。在该方式中，通过激光来剥掉燃料颗粒的电子并产生离子。由于通过由该离子产生库仑爆炸，因此能够得到高能量离子。所产生的放射线的种类由产生高能量离子的反应种类决定。例如，在产生中子射线时，中子射线的产生效率将激光的强度和燃料颗粒的直径控制在最佳值。另外，为了提高放射线的产生效率，在激光照射时要求燃料颗粒不凝聚而独立存在。此外，在燃料颗粒的周围，要求不存在阻碍激光吸收的气体或者尘埃的环境。而且，对具有足够的数密度的颗粒群，在最佳时刻进行激光的照射。
根据本实施方式的放射线产生装置1A以及放射线产生方法，在悬浊液62混合有液化气体的混合液61从喷流形成部30喷射至反应部44a。反应部44a的内部压力P2设定成比喷流形成部30的阀室压力P1低。混合液61的喷流61a中的液化气体急剧气化并膨胀，使悬浊液62的液体飞散。因此，从混合液61的喷流61a除去液化气体和液体。燃料颗粒63由于具有在从喷流形成部30喷射时被赋予的动能，因此在规定的方向61b前进并形成颗粒群63a。对颗粒群63a照射激光L1，产生所期望的放射线。如此，由于由使包含燃料颗粒63的混合液61喷射的结构来形成颗粒群63a，因此能够使装置的结构变得简易。此外，由于减少液体和气体等混入到照射了激光L1的颗粒群63a，因此激光L1的散射被抑制。因此，由于对颗粒群63a适当地照射激光L1，因此能够提高中子射线的产生效率。
另外，本实施方式的放射线产生装置1A具备测量部46，因而能够得到颗粒群63a中的燃料颗粒63的数密度。然后，从燃料颗粒63的数密度求得照射激光L1的最佳时刻。由此，可以以中子的产生效率最高的方式控制在由激光照射而引起的库仑爆炸中所产生的氘离子的能量。因此，从激光L1到氘的能量转换效率提高，因而能够进一步提高中子射线的产生效率。
另外，本实施方式的放射线产生装置1A的燃料颗粒63包含氘。若对该燃料颗粒63照射激光L1，则产生氘离子。由于通过该氘离子产生氘核聚变反应，因此产生中子。因此，能够提高中子射线的产生效率。
另外，本实施方式的放射线产生装置1A的反应部44a被反应容器44覆盖。该反应容器44由氘化塑料所构成。根据这样的结构，通过由激光L1的照射而产生的氘离子与反应容器44碰撞，从而生成中子。因此，能够有效地产生放射线即中子射线。
另外，在本实施方式的放射线产生装置1A中，燃料颗粒63的直径D被控制在100～500nm（100nm以上且500nm以下）的范围。通过这样的结构，由库仑爆炸而产生的离子的能量被适当控制。因此，能够有效地产生放射线即中子射线。
接着，就第2实施方式的放射线产生装置1B作说明。图5是用于说明放射线产生装置1B的结构的图。放射线产生装置1B与放射线产生装置1A的不同点在于具备排气部70。另外，与放射线产生装置1A不同点在于使用氮气作为对悬浊液62施加压力的高压气体。其他结构与放射线产生装置1A同样。在此，就排气部70作详细说明。
排气部70是基于所谓差动排气方式的排气装置。排气部70具有多个小腔室71a～71c。小腔室71a～71c沿着颗粒群63a行进的方向62b配置。小腔室71a在配置在最上游侧。小腔室71a的一端连接于喷流形成部30的喷嘴33。小腔室71c配置在最下游侧。小腔室71c的一端连接于反应容器44。小腔室71b配置在小腔室71a与小腔室71c之间。各个小腔室71a～71c被节流孔（orifice）72a～72c隔开。即，在小腔室71a与小腔室71b之间配置有节流孔72a。另外，在小腔室71b与小腔室71c之间配置有节流孔72b。再者，在小腔室71c与反应容器44之间配置有节流孔72c。
排气管74a～74c分别连接于小腔室71a～71c。即，排气管74a连接于小腔室71a，排气管74b连接于小腔室71b，排气管74c连接于小腔室71b。排气管74a～74c的另一端连接于排气装置41。以小腔室71b的内部压力比小腔室71a的内部压力低的方式设定。此外，以小腔室71c的内部压力比小腔室71b的内部压力低的方式设定。如此，排气部70具备分阶段地提高内部压力即真空度的多个小腔室。
接着，就使用了本实施方式所涉及的放射线产生装置1B的放射线产生方法作说明。图6是表示本实施方式的放射线产生方法的主要工序的流程图。本实施方式的放射线产生方法具备储存工序S1、压力施加工序S4、压力调整工序S5、喷流形成工序S7、排气工序S8、以及放射线产生工序S9。本实施方式的放射线产生方法的压力施加工序S4以及排气工序S8与第1实施方式的放射线产生方法不同。其他的储存工序S1、压力调整工序S5、喷流形成工序S7、以及放射线产生工序S9与第1实施方式的放射线产生方法同样。在此，就压力施加工序S4以及排气工序S8作详细说明。
压力施加工序S4是对储存于储存容器21的悬浊液62施加压力的工序。在本实施方式的压力施加工序S4中，与第1实施方式的压力施加工序S3不同点在于使用氮气对悬浊液62施加压力。
打开连接于储存容器21的气管12的阀13，从高压储气罐11将高压气体导入到储存区域23。高压气体是被加压到5～10大气压（5大气压以上且10大气压以下）的氮气。当打开阀13时，氮气被导入到储存区域23。
接着，就排气工序S8作说明。悬浊液62从喷流形成部30喷射到小腔室71a。小腔室71a的内部压力以比喷流形成部30的阀室31的阀室压力P1低的方式设定。因此，喷射到小腔室71a的悬浊液62中所含的液体一部分气化。气化后的液体通过排气管74a被排放。接着，液体的一部分被除去的喷流62a移动至小腔室71b。小腔室71b的内部压力以比小腔室71a的内部压力低的方式设定。因此，悬浊液62中所含的液体一部分进一步气化。气化后的液体通过排气管74b被排放。然后，液体一部分被除去的喷流62a移动至小腔室71c。小腔室71c的内部压力以比小腔室71b的内部压力低的方式设定。因此，悬浊液62中所含的液体一部分进一步气化。气化后的液体通过排气管74c被排放。通过经过这些工序，从而从悬浊液62的喷流62a除去液体，形成燃料颗粒63的颗粒群63a。颗粒群63a通过节流孔72c的小孔而移动至反应容器44的内部。
再有，在小腔室71a～71c中一部分燃料颗粒63与气化后的液体一起被排放。被排放的燃料颗粒63的量通过使喷嘴33的形状最优化来减少。
根据本实施方式的放射线产生装置1B，悬浊液62从喷流形成部30喷射至排气部70。在排气部70中，从悬浊液62的喷流62a除去液体成分。燃料颗粒63由于具有在从喷流形成部30喷射时被赋予的动能，因此从排气部70前进至反应部44a并形成颗粒群63a。对颗粒群63a照射激光L1，产生所期望的放射线。如此，通过使包含燃料颗粒63的悬浊液62喷射的结构而形成燃料颗粒63的颗粒群63a，因而能够使装置的结构变得简易。此外，照射激光L1的燃料颗粒63的颗粒群63a中，液体的混入被减少。因此，激光L1的散射被抑制。因此，对颗粒群63a适当地照射激光L1，因而能够提高中子射线的产生效率。
就放射线产生装置1B的变形例作说明。图7是用于说明放射线产生装置1B的变形例的放射线产生装置1C的结构的图。放射线产生装置1C与放射线产生装置1B的不同点在于具备具有与排气部70不同的结构的排气部80。其他结构与放射线产生装置1B同样。在此，就排气部80作详细说明。
排气部80是基于所谓差动排气方式的排气装置。排气部80具有护罩81。护罩81经由排气管82而与排气装置41相连接。在护罩81的内部配置有小腔室83a～83c。小腔室83a～83c沿着颗粒群63a行进的方向配置。小腔室83a配置在最上游侧。小腔室83a的一端连接于喷流形成部30的喷嘴33。小腔室83c配置在最下游侧。小腔室83c的一端连接于反应容器44。小腔室83b配置在小腔室83a与小腔室83c之间。各个小腔室83a～83c被节流孔84a～84c隔开。即，在小腔室83a与小腔室83b之间配置有节流孔84a。另外，在小腔室83b与小腔室83c之间配置有节流孔84b。然后，在小腔室83c与反应容器44之间配置有节流孔84c。在小腔室83a～83c分别设置有排气窗85a～85c。如此，排气部80通过设置了多个节流孔84a～84c的差动排气来除去悬浊液62中的液体。
接着，就第3实施方式的放射线产生方法作说明。在该放射线产生方法中，与第1实施方式的放射线产生方法不同点在于所产生的放射线的种类是与中子射线不同的各种各样的放射线。在第3实施方式的放射线产生方法中，放射线的产生所使用的燃料颗粒中所含的原子与第1实施方式的燃料颗粒63不同。再有，放射线产生装置可以使用上述的放射线产生装置1A～1C任一个。
接着，就产生质子射线的方式作说明。在产生质子射线时，使用由包含氢的化合物构成的燃料颗粒。即，不是使用氘化塑料的球体（CD球）而是使用氢化塑料的球体（CH球体）。氢化塑料的球体即燃料颗粒使用公知的方法来制作。例如，可以由非专利文献2所记载的方法来制作。在该方法中，将市售的氢单体聚合来制作氢化塑料的球体。该燃料颗粒的直径具有100mm以上的大小。将使该燃料颗粒悬浊的悬浊液喷出至反应部44a，形成颗粒群。对该颗粒群照射激光的强度为1018W/cm2以上的激光。在照射了激光的颗粒群中发生库仑爆炸。通过该现象而产生被加速至数十MeV以上的能量的质子。与使用第1实施方式的燃料颗粒63来产生中子时同样，基于燃料颗粒的直径以及照射到颗粒群的激光强度来控制质子射线的能量。根据这样的方式，通过使用控制了氢与其他原子的混合比的燃料颗粒，能够控制所产生的质子射线的能量，并且能够有效地产生质子射线
就产生电磁辐射线的方式作说明。在产生电磁辐射线时，使用包含具有与所期望电磁辐射线的能量相对应的能量共振线的原子的燃料颗粒。例如，在所期望的电磁辐射线是极短紫外线的情况下使用锡（Sn）。另外，在所期望的电磁辐射线是具有0.1～2keV（0.1keV以上且2keV以下）的能量的软X射线的情况下使用锌（Zn）或者铜（Cu）。此外，在所期望的电磁辐射线是具有2～20keV（2keV以上且20keV以下）能量的X射线的情况下使用钛（Ti）。根据这样的结构，若通过对燃料颗粒照射激光来加热燃料颗粒，则产生与规定的原子所具有的能量共振线相对应的电磁辐射线。因此，能够有效地产生高辉度的电磁辐射线。
就产生电子射线的方式作说明。在产生电子射线时，使用包含电子多的物质例如由金构成的燃料颗粒。通过这样结构，能够有效地产生大量的电子射线。
再有，上述的实施方式表示本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置以及放射线产生方法的一个例子。本发明的一个侧面所涉及的放射线产生装置以及放射线产生方法并不限定于上述实施方式，在不变更权利要求所记载的宗旨的范围内可以对上述实施方式的放射线产生装置以及放射线产生方法实施变形或者适用于其他地方。
在上述的实施方式中，放射线产生装置1A～1C具备反应容器44，但是并不限定于此。放射线产生装置1A～1C可以是不具备反应容器44的结构。
产业上的可利用性
根据放射线产生装置1A～1C以及放射线产生方法，能够使装置的结构变得简易，并且能够有效地提高放射线的产生效率。
Claims (8)
1.一种放射线产生装置，其特征在于：
具备：
燃料储存部，其储存在包含液体和分散于所述液体的多个燃料颗粒的悬浊液中混合有液化气体的混合液；
压力施加部，其对储存于所述燃料储存部的所述混合液施加压力；
喷流形成部，其使被施加压力的所述混合液从小孔喷射并形成所述混合液的喷流；
反应部，其形成有所述喷流；
压力调整部，将所述反应部中的压力设定成比所述喷流形成部的内部压力低；以及
光源部，其对由所述多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光；
所述燃料颗粒通过被照射所述激光来产生所期望的放射线，
在所述反应部中，所述多个燃料颗粒沿着所述喷流的方向移动，所述液化气体和所述液体在与所述多个燃料颗粒分离的方向上移动，由此形成所述颗粒群。
2.一种放射线产生装置，其特征在于：
具备：
燃料储存部，其储存包含液体和分散于所述液体中的多个燃料颗粒的悬浊液；
压力施加部，其对储存于所述燃料储存部的所述悬浊液施加压力；
喷流形成部，其使被施加压力的所述悬浊液从小孔喷射并形成所述悬浊液的喷流；
排气部，其通过对所述悬浊液中的气化后的所述液体实施排气，从而形成由所述多个燃料颗粒构成的颗粒群并将其排出；
反应部，其排出由所述燃料颗粒构成的所述颗粒群；以及
光源部，其对所述颗粒群照射激光；
所述燃料颗粒通过被照射所述激光来产生所期望的放射线。
3.如权利要求1或2所述的放射线产生装置，其特征在于：
还具备得到与所述颗粒群中的每单位体积的所述燃料颗粒的数量相对应的测量值的测量部。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的放射线产生装置，其特征在于：
所述燃料颗粒包含氘，并通过被照射所述激光来产生中子。
5.如权利要求1～3中的任一项所述的放射线产生装置，其特征在于：
所述燃料颗粒包含氢，并通过被照射所述激光来产生质子。
6.如权利要求1～3中的任一项所述的放射线产生装置，其特征在于：
所述燃料颗粒包含具有规定的能量共振线的原子，并通过被照射所述激光来产生与所述能量共振线相对应的电磁辐射线。
7.一种放射线产生方法，其特征在于：
具备：
储存工序，其将在包含液体和分散于所述液体中的多个燃料颗粒的悬浊液中混合有液化气体的混合液储存于燃料储存部；
压力施加工序，其对储存于所述燃料储存部的所述混合液施加压力；
喷流形成工序，其使被施加压力的所述混合液从小孔喷射并在反应部形成所述混合液的喷流；以及
放射线产生工序，其对由所述多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光并产生放射线；
在所述喷流形成工序之前，具有将进行过所述混合液的喷流的所述反应部中的压力设定成比喷流形成部的内部压力低的压力调整工序，
所述燃料颗粒通过被照射所述激光来产生所期望的放射线，
在所述反应部中，所述多个燃料颗粒沿着所述喷流方向移动，所述液化气体和所述液体在与所述多个燃料颗粒分离的方向上移动，由此形成所述颗粒群。
8.一种放射线产生方法，其特征在于：
具备：
燃料储存部，其储存包含液体和分散于所述液体中的多个燃料颗粒的悬浊液；
压力施加工序，其对储存于所述燃料储存部的所述悬浊液施加压力；
喷流形成工序，其使被施加压力的所述悬浊液从小孔喷射并形成所述悬浊液的喷流；
排气工序，其通过对所述喷流中的所述液体实施排气，从而形成由所述多个燃料颗粒构成的颗粒群并将其排出；以及
放射线产生工序，其对由所述多个燃料颗粒构成的颗粒群照射激光并产生放射线；
所述燃料颗粒通过被照射所述激光来产生所期望的放射线。
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