JP2002257993A - 中性子源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大量の中性子を生成することができるように
する。 【解決手段】 環状をなす管状の陽極１０と、陽極１０
の管内部に配設された陰極２０と、陽極１０の管内部
に、陽極１０の環周方向の電場を付与する電場付与機構
（鉄心３０及びコイル３２）と、陽極１０の管内部に、
陽極１０の環周方向の磁場を付与する磁場付与機構（コ
イル１２）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、中性子を生成す
るための中性子源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の中性子源として、次のように、グ
ロー放電を利用した構造のものがある。図６に示すよう
に、その中性子源は、球殻状の陽極１１０を有し、陽極
１１０は接地されている。球殻状の陽極１１０の内部
（中心部分）には、グリッド状の中空球状の陰極１２０
が設けられている。陰極１２０には、直流電源１２２に
よって負の高電圧が印加される。陽極１１０と陰極１２
０との間の空間には、重水素分子（Ｄ₂ ）が充填されて
いる。

【０００３】そして、陽極１１０と陰極１２０との間で
グロー放電が行われることによって、陰極１２０から陽
極１１０へと走行する電子（ｅ^- ）が重水素分子
（Ｄ₂ ）に対して衝突し、重水素イオン（Ｄ⁺ ）が生成
される。そして、その重水素イオン（Ｄ⁺ ）は陰極１２
０に向かって走行し、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士が衝突
することによって核融合反応が生じ、中性子（ｎ）が生
成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に核融合反応が生じて中性子（ｎ）が生成されるために
は、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士は高速で衝突する必要が
ある。ここで、重水素イオン（Ｄ⁺ ）は、陽極１１０・
陰極１２０間の電位差（正確には、それに基づく電場）
に基づいて作用する静電気力によって加速される。この
ため、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士が高速で衝突するため
には、重水素イオン（Ｄ⁺ ）が生成されてから重水素イ
オン（Ｄ⁺ ）同士が衝突するまでの間において、静電気
力を十分受ける必要がある。すなわち、重水素イオン
（Ｄ⁺ ）が生成された位置から重水素分子（Ｄ₂ ）と衝
突する位置までの距離（その平均距離を平均自由行程と
いうこととする）が長い方が、より高速で重水素イオン
（Ｄ⁺）と衝突することとなる。

【０００５】一方、中性子（ｎ）が多く生成されるため
には、重水素イオン（Ｄ⁺ ）が多い方が良い。そして、
上述のように重水素分子（Ｄ₂ ）に対して電子（ｅ^- ）
が衝突することによって重水素イオン（Ｄ⁺ ）が生成さ
れることから、重水素イオン（Ｄ⁺ ）を多く生成させる
ためには、陽極１１０・陰極１２０間に多くの重水素分
子（Ｄ₂ ）が存在する方が好ましいこととなる。

【０００６】しかしながら、陽極１１０・陰極１２０間
に多くの重水素分子（Ｄ₂ ）が存在すると、重水素イオ
ン（Ｄ⁺ ）が十分に高速となって他の重水素イオン（Ｄ
⁺ ）と衝突する前の時点で重水素分子（Ｄ₂ ）と衝突す
る確率が高くなってしまう。すなわち、上述の平均自由
行程が短くなってしまい、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士が
高速で衝突することが阻害されてしまうのである。

【０００７】以上のように、大量の中性子（ｎ）を生成
させるためには、重水素イオン（Ｄ ⁺ ）が多く、重水素
分子（Ｄ₂ ）が少ない方が良い。しかし、従来の中性子
源では、上述のようにその両者は相矛盾するものであ
り、十分な量の中性子を生成することは不可能である。

【０００８】ここで、中性子源が、中性子計測器の校正
用に使用されたり放射性同位元素製造装置に適用される
ためには、所定以上（例えば、１０⁸ 個／秒）の大量の
中性子が生成される必要がある。しかしながら、前述の
従来の中性子源では、１０⁵ 個／秒程度の中性子しか生
成されず、そのような利用はできない。

【０００９】そこで、本発明は、大量の中性子を生成す
ることができる中性子源を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に係る発明は、環状をなす管状の陽極
と、前記陽極の管内部に配設された陰極と、前記陽極の
管内部に前記陽極の環周方向の電場を付与する電場付与
機構とを有する中性子源である。

【００１１】「管内部」とは、陽極の管としての内部の
ことをいう。「環周方向」とは、陽極の環としての周方
向のことをいう。

【００１２】この発明の中性子源では、陽極内（正確に
は、陽極と陰極との間の空間内）に重水素（又は、重水
素及び三重水素）が充填されることによって、次の作用
が生ずる。すなわち、陰極から放出された電子は、電場
付与機構によって付与された陽極の環周方向の電場によ
って、陽極の環周方向に周回する。その電子が重水素
（又は三重水素）と衝突することによって、重水素イオ
ン（又は三重水素イオン）及び電子が生成される。生成
された電子も、陽極の環周方向に周回する。そして、そ
の重水素イオン（及び三重水素イオン）は、陽極と陰極
との間の電位差に基づく電場によって陰極に向かって走
行し、その重水素イオン同士（又は、重水素イオンと三
重水素イオン）が衝突することによって、中性子が生成
される。

【００１３】以上のように、この発明の中性子源では、
重水素イオン等の生成にあたって、電子は、陽極に引き
寄せられつつ、陽極の環周方向の電場によって陽極の環
周方向に周回することから、電子が陽極に到達するまで
に重水素分子等に衝突する確率が高くなる。このため、
重水素分子等が相対的に少なくても、大量の重水素イオ
ン等が生成されることになる。このため、重水素イオン
等が陰極に向かって走行する際に重水素分子と衝突する
確率が低くなり、重水素イオンの平均自由行程が長くな
り、大量の中性子が生成されることになる。

【００１４】なお、陰極は、陽極の管内部のほぼ中心位
置において、陽極の環周方向に沿って環状をなす連続的
な線状のものでもよいし、陽極の環周方向に沿って断続
的又は点在的に存在するものでもよい。

【００１５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明の中性子源であって、前記陰極は、前記陽極の管内部
のほぼ中心位置に配設されている、中性子源である。

【００１６】この発明の中性子源では、陰極が陽極の管
内部のほぼ中心位置に位置するため、陽極の管周方向
（管としての周方向）における各点と陰極との間の距離
がほぼ均等となる。このため、陽極と陰極との間の空間
内において生成された複数の重水素イオン（及び三重水
素イオン）が陰極に向かって走行する際において、その
走行の各始点から陰極に向かう方向のばらつきが大きく
なる。このため、この発明の中性子源では、重水素イオ
ン同士（又は重水素イオンと三重水素イオン）が衝突す
る際の相対速度が大きなものとなり、この点でも大量の
中性子が生成されることになる。

【００１７】請求項３に係る発明は、請求項１又は請求
項２に係る発明の中性子源であって、前記陽極の管内部
に前記陽極の環周方向の磁場を付与する磁場付与機構を
有する、中性子源である。

【００１８】この発明の中性子源では、磁場付与機構に
よって、陽極の環周方向に磁場が付与される。そして、
その環周方向の磁場によって、前述のように環周方向に
周回する電子に対して、陽極の環周方向から外れないよ
うに閉じ込める閉じ込め効果が作用する。このようにし
て、この発明の中性子源では、陽極・陰極間の電子が陽
極と接触して消滅することが防止される。このため、電
子が陽極の環周方向にほぼ無限に周回することがより有
効に担保され、より大量の中性子が生成されることにな
る。

【００１９】また、環周方向の磁場がない場合には、プ
ラズマの遮蔽効果によって、電場は陽極及び陰極の近傍
に局在することとなり、重水素イオン等に対して陰極方
向へ作用する加速力は、その分減殺されてしまう。しか
しながら、この発明では、環周方向の磁場が存在するた
め、プラズマの遮蔽効果が抑制され、陽極・陰極間の全
般にわたって電場が生ずる。このため、重水素イオン等
に対して陰極方向への加速力が有効に作用し、重水素イ
オン等がより高速で衝突することとなり、その点でもよ
り大量の中性子が生成されることになる。

【００２０】請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項
３のいずれかに係る発明の中性子源であって、前記陽極
の管外部のうち、中性子を放出させる中性子放出部以外
の部分が、中性子の透過を制限する遮蔽材によって遮蔽
されている、中性子源である。

【００２１】「管外部」とは、陽極の管としての外部の
ことをいう。「中性子の透過を制限する」には、中性子
の透過を完全に防止するものに限らず、中性子の透過を
低減化するものも含まれる。

【００２２】この発明の中性子源では、中性子放出部以
外の部分が中性子の透過を制限する遮蔽材によって遮蔽
されているため、陽極内（正確には、陽極・陰極間）で
生成された中性子は、中性子放出部から集中的に放出さ
れる。このため、生成された中性子を利用するのに便利
である。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施形態を図１
〜図５に基づいて説明する。図１〜図４に示すように、
この中性子源は、円環状をなす円管状の陽極１０を有し
ている。陽極１０はステンレスによって形成され、接地
されている。陽極１０の環としての中心から管としての
中心までの距離（すなわち、環としての半径）を大半径
といい、管としての中心から管としての壁面までの距離
（すなわち、管としての半径）を小半径ということとす
る。また、環としての周方向を環周方向といい、管とし
ての周方向を管周方向ということとする。環としての内
部を環内部といい、管としての内部を管内部ということ
とする。そして、例えば、大半径が０．４ｍであり、小
半径が０．１ｍである。

【００２４】図２〜図４に示すように、陽極１０の管内
部には、陰極２０が配設されている。陰極２０は、タン
グステン，モリブデン等の金属によって形成されてい
る。陰極２０は、円環状をなす線状をしている。そし
て、陰極２０は、陽極１０の管内部のほぼ中心位置にお
いて、陽極１０の環周方向に沿って延びている。陰極２
０には、直流電源２２によって負の高電圧（例えば、−
１０ｋＶ）が印加される。陽極１０の管内部（正確に
は、陽極１０と陰極２０との間の空間）には、重水素分
子（Ｄ₂ ）が充填される。例えば、重水素分子（Ｄ₂ ）
の密度は、１０¹⁶個／ｍ³ である。

【００２５】図１に示すように、陽極１０には鉄心３０
が鎖交しており、鉄心３０にはコイル３２が巻かれてい
る。コイル３２には、交流電源３４によって交流電流が
通電される。このため、コイル３２に流れる電流の変化
に基づいて、陽極１０の管内部には環周方向に交流電圧
が生ずる。この交流電圧を環周方向電圧Ｖｚということ
とする。

【００２６】図１及び図４に示すように、陽極１０の管
としての外側には、その管周方向に巻かれたコイル１２
が環周方向に沿って設けられている。このコイル１２に
直流電源１４に基づいて直流電流が通電されることによ
って、陽極１０の管内部には、環周方向に沿って磁場が
生ずる。この磁場を環周方向磁場Ｂｚということとす
る。

【００２７】次に、この中性子源の作用及び効果につい
て説明する。図３に示すように、陰極２０から陽極１０
・陰極２０間の空間に放出される電子（ｅ^- ）は、上述
のようにコイル３２によって生ずる環周方向電圧Ｖｚ
（正確には、それに基づく電場）に基づいて、環周方向
に静電気力を受ける。このため、その電子（ｅ^- ）は、
陽極１０に引き寄せられていくとともに、環周方向に沿
って周回する。なお、環周方向電圧Ｖｚは交流電圧のた
め、電子（ｅ^- ）は、正方向，逆方向の各環周方向に沿
って交互に周回する。

【００２８】このように電子（ｅ^- ）が環周方向に周回
する際、前述したようにコイル１２によって生ずる環周
方向磁場Ｂｚによって、 電子（ｅ^- ）に対して閉じ込
め効果が作用し、電子（ｅ^- ）は、陽極１０の管として
の内壁面に衝突することが防止される。なお、このこと
は、次述のようにして生成される重水素イオン（Ｄ⁺ ）
に対しても同様である。

【００２９】そして、このように環周方向に周回する電
子（ｅ^- ）が重水素分子（Ｄ₂ ）と衝突し、次のように
して、重水素イオン（Ｄ⁺ ）及び電子（ｅ^- ）のプラズ
マが生成される。そして、その生成された電子（ｅ^- ）
も、環周方向に周回する。なお、重水素イオン（Ｄ⁺ ）
も、環周方向に（電子（ｅ^- ）とは反対方向）、電子
（ｅ^- ）よりも低速で周回する。電子（ｅ^- ）よりも質
量が大きいからである。

【００３０】

【化１】

【００３１】以上のようにして生成された重水素イオン
（Ｄ⁺ ）は、上述のように環周方向に周回しつつ、図４
に示すように、陽極１０・陰極２０間の電位差（正確に
は、それに基づく電場Ｅｒ）に基づく静電気力によっ
て、陰極２０に向かって走行する。こうして、陰極２０
に向かって高速で走行する重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士が
衝突し、次のように核融合反応が生じ、中性子（ｎ）が
生成される。

【００３２】

【化２】

【００３３】なお、陽極１０の管内部（正確には、陽極
１０と陰極２０との間の空間）には、重水素分子
（Ｄ₂ ）に加えて三重水素分子（Ｔ₂ ）が充填されても
よい。その際は、高速周回する電子（ｅ^- ）が三重水素
分子（Ｔ₂ ）と衝突することによって、次のように三重
水素イオン（Ｔ⁺ ）が生成される。

【００３４】

【化３】

【００３５】そして、重水素イオン（Ｄ⁺ ）と三重水素
イオン（Ｔ⁺ ）とが衝突し、次のように核融合反応が生
じ、中性子（ｎ）が生成される。

【００３６】

【化４】

【００３７】なお、重水素分子（Ｄ₂ ）及び三重水素分
子（Ｔ₂ ）のことを重水素分子（Ｄ ₂ ）等といい、重水
素イオン（Ｄ⁺ ）及び三重水素イオン（Ｔ⁺ ）のこと
を重水素イオン（Ｄ⁺ ）等ということとする。

【００３８】以上のように、この中性子源では、重水素
イオン（Ｄ⁺ ）等の生成が、環周方向に周回する電子
（ｅ^- ）によってなされ、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同士等
の高速衝突が、陽極１０・陰極２０間の電位差（それに
基づく電場）に基づいてなされる。

【００３９】すなわち、重水素イオン（Ｄ⁺ ）等の生成
にあたっては、電子（ｅ^- ）が陽極１０に引き寄せられ
つつ環周方向に周回することから、電子（ｅ^- ）が陽極
１０に到達するまでに重水素分子（Ｄ₂ ）等に衝突する
確率が高くなる。このため、逆にいうと、重水素分子
（Ｄ₂ ）等が少なくても、大量の重水素イオン（Ｄ⁺ ）
等が生成されることになる。

【００４０】以上のように、この中性子源では、陽極１
０・陰極２０間の空間には、重水素分子（Ｄ₂ ）等の数
が少なく、重水素イオン（Ｄ⁺ ）等の数が多く存在する
ことが可能となる。このため、重水素イオン（Ｄ⁺ ）同
士等が衝突する前に重水素イオン（Ｄ⁺ ）等が重水素分
子（Ｄ₂ ）等に衝突してしまう確率が低くなり、重水素
イオン（Ｄ ⁺ ）等の平均自由行程が長くなる。すなわ
ち、重水素イオン（Ｄ⁺ ）等が生成されてから他の重水
素イオン（Ｄ⁺ ）等と衝突するまでの距離が長くなり、
その間に十分に高速となって、核融合反応が生ずる確率
が高くなるのである。

【００４１】また、この中性子源では、前述したように
環周方向磁場Ｂｚが存在しているため、次の効果もあ
る。すなわち、環周方向磁場Ｂｚがない場合には、プラ
ズマの遮蔽効果によって、電場は陽極１０及び陰極２０
の近傍に局在することとなり、重水素イオン（Ｄ⁺）等
に対して陰極２０方向へ作用する加速力は、その分減殺
されてしまう。しかしながら、この中性子源では環周方
向磁場Ｂｚが存在するため、そのプラズマの遮蔽効果が
抑制され、陽極１０・陰極２０間の全般にわたって電場
が生ずる。このため、重水素イオン（Ｄ⁺ ）等に対して
陰極２０方向への加速力が有効に作用する。このため、
重水素イオン（Ｄ⁺ ）等がより高速で衝突することとな
り、その点でも核融合反応が生ずる確率が高くなる。

【００４２】以上のようにして、この中性子源では、大
量の中性子（ｎ）を生成することができる。例えば、１
０¹⁰個／秒である。このため、この中性子源は、中性子
計測器の校正用に使用されたり、工業製品等の非破壊検
査に使用されたり、放射性同位元素製造装置に適用され
ることができるのである。

【００４３】実際に上記の用途に使用される際は、次の
ようにされる場合がある。すなわち、図５に示すよう
に、陽極１０（ステンレス）の管としての外側面がガド
リニウムの遮蔽材４０（ガドリニウムの多数の板片によ
って形成される）に覆われて遮蔽され、中性子の放出が
防止されるとともに、陽極１０の外側面の一部は、遮蔽
材４０によって覆われず、中性子放出部４２が形成され
る。中性子放出部４２は、陽極１０の環としての外周面
に、ほぼ等角度の間隔を隔てて、複数個（例えば８個）
形成される。

【００４４】中性子放出部４２は、陽極１０の外側面に
孔部４４が形成され、その孔部４４に対して石英ガラス
等による窓部材４６が嵌合されて形成されている。ガド
リニウムには中性子を透過させない性質があるととも
に、ステンレス（陽極１０）及び石英ガラス等には中性
子を透過させる性質があるからである。

【００４５】以上のため、陽極１０・陰極２０間の空間
内で発生した中性子は、中性子放出部４２のみから放出
され、前述した種々の用途に使用され得る。

【００４６】なお、遮蔽材４０は、ガドリニウムに限ら
ず、中性子を透過させない種々の材質のものが適用され
得る。また、窓部材４６は、石英ガラスに限らず、中性
子を透過させる種々の材質のものが適用され得る。ま
た、中性子放出部４２は、陽極１０に孔部４４が形成さ
れず、単に遮蔽材４０が覆われずに形成されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の中性子源を示す斜視図で
ある。

【図２】本発明の一実施形態の中性子源を示す横断面図
である。

【図３】本発明の一実施形態の中性子源の一部を示す拡
大横断面図である。

【図４】本発明の一実施形態の中性子源を示す拡大縦断
面図である。

【図５】本発明の一実施形態の中性子源の使用状態を示
す図である。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は横断面図
である。なお、（ｂ）においては、コイル１２や鉄心３
０等は省略してある。

【図６】従来の中性子源を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 陽極 １２ コイル（磁場付与機構） ２０ 陰極 ３０ 鉄心（電場付与機構） ３２ コイル（電場付与機構）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状をなす管状の陽極と、 前記陽極の管内部に配設された陰極と、 前記陽極の管内部に前記陽極の環周方向の電場を付与す
   る電場付与機構とを有する中性子源。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の中性子源であって、 前記陰極は、前記陽極の管内部のほぼ中心位置に配設さ
   れている、中性子源。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の中性子源
   であって、 前記陽極の管内部に前記陽極の環周方向の磁場を付与す
   る磁場付与機構を有する、中性子源。
4. 【請求項４】 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
   中性子源であって、 前記陽極の管外部のうち、中性子を放出させる中性子放
   出部以外の部分が、中性子の透過を制限する遮蔽材によ
   って遮蔽されている、中性子源。