JP2006338945A

JP2006338945A - Neutron generation tube

Info

Publication number: JP2006338945A
Application number: JP2005160063A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takeishi; 雅之武石; Masanori Shimazaki; 正則島崎; Tadashi Hasegawa; 正長谷川; Masahito Shima; 正仁嶋; Kazuya Nishimura; 和哉西村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a neutron generation tube having sufficient cooling performance for a target although it is a large-power neutron generation tube and reduced in size and weight. <P>SOLUTION: This neutron generation tube 10 is provided with: an ion source 16 for ionizing deuterium gas; an acceleration electrode arranged oppositely to the ion source and charged with a high voltage; a target 20 arranged in the acceleration electrode with deuterium or tritium stored therein; and is used for generating neutrons by accelerating deuterium ions generated in the ion source 16 to make them collide with the target 20 and thereby generating a nuclear fusion reaction. The neutron generation tube is so structured that a cooling body formed with a heat pipe 30 surrounded by a heat conducting material is arranged below the target 20; and an insulating heat conductor 21 is interlaid between the cooling body and the target 20. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン源から放出される重水素イオン又は三重水素イオンを加速電極にて加速させ、該加速したイオンビームを重金属製のターゲットに入射させて核融合反応を起こさせ、中性子を発生させる中性子発生管に関し、特にイオンビームの衝突により発熱するターゲットを冷却するための冷却構造を備えた中性子発生管に関する。 In the present invention, deuterium ions or tritium ions emitted from an ion source are accelerated by an acceleration electrode, and the accelerated ion beam is incident on a heavy metal target to cause a fusion reaction and generate neutrons. More particularly, the present invention relates to a neutron generator tube having a cooling structure for cooling a target that generates heat by collision of an ion beam.

高エネルギーのイオンビームを重金属製のターゲットに照射して、核融合により高密度の中性子を発生させる中性子発生管は、石油等の地下資源の探査、地雷や空港での手荷物中の火薬等の検査、治療用中性子源などに幅広く利用されている。
従来の中性子発生管の構造を図９に示す。特許文献１（特許第３１２２０８１号公報）に記載されるように図９に示した中性子発生管５１は、金属管７０と、金属管に封入され重水素ガスをイオン化するイオン源５５と、イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極５４と、加速電極５４の中に配設され三重水素等を吸蔵したターゲット５３とを備える。外壁７０を金属管とし、その内側にセラミック製の絶縁体６１が設けられ、この絶縁体６１により加速電極５４を保持するので、中性子発生管５１の外壁の耐衝撃性能が向上する。また、加速電極内に永久磁石６０を配設するので、ターゲットと加速電極入口の間に磁場（横磁場）が形成される。その結果ターゲット５３から放射される２次電子の飛跡は曲げられて、加速電極外への放射が防止される構造となっている。 A neutron generator tube that irradiates a heavy metal target with a high-energy ion beam and generates high-density neutrons by nuclear fusion. Exploration of underground resources such as petroleum, inspection of landmines and explosives in baggage at airports. It is widely used for therapeutic neutron sources.
The structure of a conventional neutron generator tube is shown in FIG. As described in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3120881), the neutron generating tube 51 shown in FIG. 9 includes a metal tube 70, an ion source 55 enclosed in the metal tube and ionizing deuterium gas, and an ion source. And an accelerating electrode 54 charged at a high voltage, and a target 53 disposed in the accelerating electrode 54 and storing tritium or the like. Since the outer wall 70 is a metal tube and a ceramic insulator 61 is provided on the inside, and the acceleration electrode 54 is held by the insulator 61, the impact resistance performance of the outer wall of the neutron generating tube 51 is improved. Further, since the permanent magnet 60 is disposed in the acceleration electrode, a magnetic field (transverse magnetic field) is formed between the target and the acceleration electrode entrance. As a result, the track of the secondary electrons emitted from the target 53 is bent, and the radiation to the outside of the acceleration electrode is prevented.

前記中性子発生管は、ターゲットに加速された重水素や三重水素のイオンビームが衝突して発熱する。このため、ターゲットを冷却しないとターゲット表面に蒸着した水素吸蔵合金に重水素や三重水素が吸蔵されなくなり、核融合反応が起きなくなってしまい、中性子を発生しなくなる。また、この発熱によりターゲットの劣化が進行するという問題もあった。
従来の中性子発生管では、ターゲットを収容する金属管の外部から空冷等により冷却する方法が主であった。
しかし近年、従来の中性子発生管に比べて、１０倍以上の大出力を有する中性子発生管が研究、開発されている。このような大出力を有する装置の場合、ターゲットの発熱も従来より大幅に増大し、金属管外部からの冷却のみでは十分な冷却効果が得られないという問題が発生した。 The neutron generator tube generates heat when a deuterium or tritium ion beam accelerated by a target collides with it. For this reason, unless the target is cooled, deuterium and tritium will not be occluded in the hydrogen occlusion alloy deposited on the target surface, the fusion reaction will not occur, and neutrons will not be generated. Further, there is a problem that the deterioration of the target proceeds due to this heat generation.
In the conventional neutron generating tube, the method of cooling by air cooling or the like from the outside of the metal tube accommodating the target has been mainly used.
However, in recent years, neutron generator tubes having a power output of 10 times or more that of conventional neutron generator tubes have been researched and developed. In the case of a device having such a large output, the heat generation of the target is greatly increased as compared with the conventional device, and there is a problem that a sufficient cooling effect cannot be obtained only by cooling from the outside of the metal tube.

従って、特許文献２（特開平１１−１３１１９９号公報）では、中性子を発生させるターゲット部において、重金属からなる複数の平板状ターゲットが陽子線の入射方向に所定の間隙を隔てて配置され、該間隙に平板状ターゲットを冷却する冷却材が流れるための冷却材流路を形成し、陽子線の入射位置からの距離が遠いほど平板状ターゲットの厚さを厚くし、各平板状ターゲットの中心温度が所定温度範囲となるように構成したターゲット構造が提案されている。 Therefore, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-131199), a plurality of flat targets made of heavy metal are arranged with a predetermined gap in the incident direction of the proton beam in the target portion for generating neutrons, and the gap The coolant flow path for the coolant that cools the flat target is formed on the plate, and the thickness of the flat target is increased as the distance from the incident position of the proton beam is increased. A target structure configured to be in a predetermined temperature range has been proposed.

特許第３１２２０８１号公報Japanese Patent No. 3120881 特開平１１−１３１１９９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-131199

上記したように、大出力の中性子発生管においては従来のように金属管外部からの冷却のみでは十分な冷却効果が得られないという問題があった。
また、特許文献２に記載されるように、ターゲット内部に冷却材流路を形成し、該冷却材流路に通流した冷却材によりターゲットを冷却する方法では、冷却材を循環させるためのポンプ等の循環系機器が必要となり、装置が大型化してしまう。中性子発生管は地下資源の探査等のように可搬性が求められており、装置が大型化することは好ましくない。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、大出力の中性子発生管であってもターゲットの十分な冷却性能を有し、コンパクト化且つ軽量化された中性子発生管を提供することを目的とする。 As described above, a high-power neutron generator tube has a problem that a sufficient cooling effect cannot be obtained only by cooling from the outside of the metal tube as in the conventional case.
In addition, as described in Patent Document 2, in the method of forming a coolant channel inside the target and cooling the target with the coolant passed through the coolant channel, a pump for circulating the coolant Such a circulation system device is required, and the apparatus becomes large. The neutron generator tube is required to be portable, such as for exploration of underground resources, and it is not preferable that the apparatus is enlarged.
Accordingly, in view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention has an object to provide a neutron generator tube that has sufficient cooling performance for a target even with a high-power neutron generator tube and is compact and lightweight. And

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置し、該冷却体と前記ターゲットとの間に絶縁性熱伝導体を介在させたことを特徴とする。
本発明によれば、前記ターゲットを前記絶縁性熱伝導材を介して直接冷却する構成としたため、大出力の中性子発生管においても冷却性能を高く維持することができる。また、前記冷却体としてヒートパイプを用いるようにしたため、冷却構造が簡単化され、ポンプなどの循環系機器が不要となり、コンパクト化且つ軽量化が可能である。 Therefore, in order to solve such a problem, the present invention provides an ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an acceleration electrode that is disposed opposite to the ion source and charged at a high voltage, A target disposed in an accelerating electrode and storing deuterium or tritium, and the ions generated by the ion source are accelerated to collide with the target, causing a fusion reaction to generate neutrons In the neutron generator tube,
A cooling body formed of a heat pipe is disposed below the target, and an insulating heat conductor is interposed between the cooling body and the target.
According to the present invention, since the target is directly cooled via the insulating heat conductive material, high cooling performance can be maintained even in a high-power neutron generating tube. In addition, since a heat pipe is used as the cooling body, the cooling structure is simplified, a circulation system device such as a pump is not required, and the size and weight can be reduced.

また、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの内部にヒートパイプで形成された冷却体を設けたことを特徴とする。
このように、前記ターゲット内部にヒートパイプを設けることにより、より一層の冷却性能の向上が期待できる。 In addition, an ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an accelerating electrode that is disposed opposite to the ion source and charged at a high voltage, and deuterium or tritium disposed in the accelerating electrode. A target that occludes hydrogen, and accelerates the ions generated in the ion source to collide with the target, causing a fusion reaction to generate neutrons,
A cooling body formed of a heat pipe is provided inside the target.
Thus, further improvement in cooling performance can be expected by providing the heat pipe inside the target.

また、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを生成するイオン源と、該イオン源のイオン放出孔近傍に設けられ高電圧で充電された引出電極と、前記イオン源に対向配置される加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置するとともに、該ターゲットを電気的に接地したことを特徴とする。
本発明によれば、前記ターゲットを効果的に冷却できるとともに、該ターゲットの絶縁性を向上させることが可能である。 In addition, an ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an extraction electrode that is provided in the vicinity of an ion emission hole of the ion source and is charged at a high voltage, and is disposed opposite to the ion source. An acceleration electrode and a target that is disposed in the acceleration electrode and occludes deuterium or tritium, accelerates ions generated by the ion source to collide with the target, and causes a fusion reaction. In a neutron generator tube that generates neutrons,
A cooling body formed of a heat pipe is disposed below the target, and the target is electrically grounded.
According to the present invention, the target can be effectively cooled, and the insulation of the target can be improved.

さらに、前記冷却体を熱伝導材で被覆することが好ましい。これにより、前記ターゲットと前記ヒートパイプの間の熱伝導性を高く保持でき、冷却性能が向上できる。
さらにまた、前記絶縁性熱伝導体が、酸素が結合されていないセラミック体であることを特徴とする。これにより、確実に前記ターゲットの絶縁性が確保され、装置の不具合の発生を回避できる。
また、前記ヒートパイプが棒状体であり、前記ターゲットに沿って多数並行に配列されていることを特徴とする。
さらに、前記ヒートパイプが渦巻状体であり、前記ターゲットに沿って配設されていることを特徴とする。
これらの発明によれば、ターゲットへ均等に冷熱を供給することができ、また簡単な構成で以って冷却性能を向上させることが可能である。
また、前記ターゲット及び前記イオン源が金属管内に真空状態で封入されており、該金属管のうち前記ターゲットが固設される面の外表面に冷却用フィンを設けたことを特徴とする。これにより、より一層の冷却性能の向上が図れる。 Furthermore, it is preferable to coat the cooling body with a heat conductive material. Thereby, the heat conductivity between the target and the heat pipe can be kept high, and the cooling performance can be improved.
Furthermore, the insulating heat conductor is a ceramic body to which oxygen is not bonded. Thereby, the insulation of the target can be ensured reliably, and the occurrence of a malfunction of the apparatus can be avoided.
Further, the heat pipe is a rod-shaped body, and a large number of the heat pipes are arranged in parallel along the target.
Furthermore, the heat pipe is a spiral body, and is arranged along the target.
According to these inventions, it is possible to uniformly supply cold heat to the target, and it is possible to improve the cooling performance with a simple configuration.
The target and the ion source are sealed in a metal tube in a vacuum state, and cooling fins are provided on the outer surface of the surface of the metal tube on which the target is fixed. Thereby, the cooling performance can be further improved.

以上記載のごとく本発明によれば、ヒートポンプにて形成される冷却体によりターゲットを直接冷却する構成としたため、大出力の中性子発生管においても冷却性能を高く維持することができる。また、前記冷却体としてヒートパイプを用いるようにしたため、冷却構造が簡単化され、ポンプなどの循環系機器が不要となり、装置のコンパクト化及び軽量化が可能である。 As described above, according to the present invention, since the target is directly cooled by the cooling body formed by the heat pump, high cooling performance can be maintained even in a high-power neutron generator tube. In addition, since a heat pipe is used as the cooling body, the cooling structure is simplified, a circulation system device such as a pump is not required, and the device can be made compact and lightweight.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の実施例１に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図、図２は本実施例に係るターゲット部冷却構造を示す要部側断面図、図３は図２のヒートパイプの概略平面図、図４〜図６は夫々は本実施例に係るターゲット冷却構造の例を示す図、図７は本発明の実施例２に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
FIG. 1 is a side sectional view showing a schematic configuration of a neutron generating tube according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a side sectional view showing a main part cooling structure according to this embodiment, and FIG. FIG. 4 to FIG. 6 are diagrams each showing an example of a target cooling structure according to this embodiment, and FIG. 7 is a side cross-sectional view showing a schematic configuration of a neutron generating tube according to embodiment 2 of the present invention. FIG.

図１において、中性子発生管１０は、外壁として円筒状の金属管１１を備えており、この金属管１０の中に、プラズマ状態のイオンビームを生成するイオン源１６と、高電圧で充電された加速電極により前記イオンビームを加速する加速胴２５と、前記加速電極の中に設けられたターゲット２０とが真空状態で封入された構成となっている。
前記イオン源１６は、前記金属管１１の長手方向に沿って配設されたセラミック体１５と、該金属管１１の横断面方向に沿って配設されたカーボン体１７によって区画されており、重水素ガス又は三重水素ガスをイオン化するイオン発生部１３と、前記金属管１１の外側に設けられた永久磁石１２と、前記セラミック体１５と前記金属管１１の間に配設されたヘリコン波アンテナ１４とを備えている。前記イオン源１６では、前記永久磁石１２にて生成された磁界が前記アンテナ１４により高周波変調され、前記イオン発生部１３にて発生した重水素イオン（又は三重水素イオン）がプラズマ状態となり、前記加速胴２５側へ案内される。
また、前記中性子発生管１０は、前記イオン源１６にて発生させたイオンを前記カーボン体１７に形成されたイオン放出孔より放出させる引出電極１８と、高電圧で充電された加速電極２４と、重水素又は三重水素を吸蔵した平板円形状のターゲット２０と、を備えている。該ターゲット２０は、銅基板上にＴｉ膜が被覆された構造となっている。前記ターゲット２０の端部は、高電圧導入用の金属棒である高電圧導入部２３に接続され、また金属管１１及び加速電極２４との間を絶縁されている。 In FIG. 1, a neutron generating tube 10 includes a cylindrical metal tube 11 as an outer wall, and the metal tube 10 is charged with an ion source 16 that generates an ion beam in a plasma state at a high voltage. An accelerating body 25 for accelerating the ion beam with an accelerating electrode and a target 20 provided in the accelerating electrode are sealed in a vacuum state.
The ion source 16 is partitioned by a ceramic body 15 disposed along the longitudinal direction of the metal tube 11 and a carbon body 17 disposed along the transverse cross-sectional direction of the metal tube 11. An ion generator 13 for ionizing hydrogen gas or tritium gas, a permanent magnet 12 provided outside the metal tube 11, and a helicon wave antenna 14 disposed between the ceramic body 15 and the metal tube 11. And. In the ion source 16, the magnetic field generated by the permanent magnet 12 is high-frequency modulated by the antenna 14, and deuterium ions (or tritium ions) generated by the ion generation unit 13 become a plasma state, and the acceleration Guided to the barrel 25 side.
The neutron generating tube 10 includes an extraction electrode 18 that discharges ions generated by the ion source 16 from an ion emission hole formed in the carbon body 17, an acceleration electrode 24 that is charged at a high voltage, And a flat plate-shaped target 20 storing deuterium or tritium. The target 20 has a structure in which a Ti film is coated on a copper substrate. An end portion of the target 20 is connected to a high voltage introducing portion 23 that is a metal rod for introducing a high voltage, and the metal tube 11 and the acceleration electrode 24 are insulated from each other.

また、前記中性子発生管１０は前記ターゲット２０の冷却構造を備えている。前記ターゲット２０の下方には、ヒートシンク２２で囲繞されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置されており、該冷却体と前記ターゲット２０との間には絶縁性熱伝導体２１が介装されている。前記ヒートパイプ３０は金属管１１の外部まで延設され、その先端には冷却用フィン３１が接続されている。該冷却用フィン３１は自然冷却によりヒートパイプ３０を冷却するようになっている。 The neutron generating tube 10 includes a cooling structure for the target 20. A cooling body composed of a heat pipe 30 surrounded by a heat sink 22 is disposed below the target 20, and an insulating heat conductor 21 is interposed between the cooling body and the target 20. Yes. The heat pipe 30 extends to the outside of the metal tube 11, and a cooling fin 31 is connected to the tip of the heat pipe 30. The cooling fins 31 cool the heat pipe 30 by natural cooling.

このように構成された中性子発生管１０による中性子の発生原理は、イオン発生部１３で生成された重水素イオンは、イオン源１３にて永久磁石１２により生成された磁場によって案内されるとともに、ヘリコン波アンテナより発生される高周波によりプラズマ化され、プラズマ状態のイオンは引出電極１８により加速胴２５に放出される。該加速胴２５では、前記プラズマ状態のイオンは加速電極２４とイオン源１３の間に形成された電場にて加速されたイオンビームとなり、ターゲット２０に衝突する。そして、この衝突により、ターゲット２０に吸蔵された三重水素又は重水素と、衝突した重水素イオン又は三重水素イオンとの間で核融合反応が生じ、その結果中性子が発生する。 The principle of neutron generation by the neutron generating tube 10 configured in this way is that deuterium ions generated by the ion generating unit 13 are guided by the magnetic field generated by the permanent magnet 12 in the ion source 13 and the helicon. Plasma is generated by the high frequency generated from the wave antenna, and ions in the plasma state are emitted to the acceleration cylinder 25 by the extraction electrode 18. In the acceleration cylinder 25, the ions in the plasma state become an ion beam accelerated by an electric field formed between the acceleration electrode 24 and the ion source 13 and collide with the target 20. This collision causes a fusion reaction between the tritium or deuterium occluded in the target 20 and the collided deuterium ion or tritium ion, resulting in the generation of neutrons.

次に、図２を参照してターゲット２０及び冷却構造の具体的構造につき説明する。同図に示されるように、ターゲット２０の下方にはヒートシンク２２で被覆されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置され、該ターゲット２０と前記冷却体は不定形の絶縁性熱伝導体２１で接合されている。前記ターゲット２０と前記金属管１１の間の空間は真空が保たれている。
前記ターゲット２０は、例えば銅基板２０２にＴｉ膜２０１が被膜された構造を有する。
前記絶縁性熱伝導体２１は、酸素が結合されていないセラミック体であることが好ましく、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。
前記ヒートシンク２２は、低融点合金等の熱伝導性材料で形成され、接触熱抵抗によるヒートパイプ中の媒体の沸騰を抑制する機能を有する。
前記ヒートパイプ３０も同様に熱伝導性を有する材質で形成され、好適には銅であると良い。 Next, the specific structure of the target 20 and the cooling structure will be described with reference to FIG. As shown in the figure, a cooling body comprising a heat pipe 30 covered with a heat sink 22 is disposed below the target 20, and the target 20 and the cooling body are joined by an insulative insulating heat conductor 21. Has been. A vacuum is maintained in the space between the target 20 and the metal tube 11.
For example, the target 20 has a structure in which a Ti film 201 is coated on a copper substrate 202.
The insulating heat conductor 21 is preferably a ceramic body to which oxygen is not bonded, and examples thereof include silicon nitride and aluminum nitride.
The heat sink 22 is formed of a heat conductive material such as a low melting point alloy and has a function of suppressing boiling of the medium in the heat pipe due to contact thermal resistance.
Similarly, the heat pipe 30 is made of a material having thermal conductivity, and preferably copper.

図３に前記ヒートパイプ３０の構成を示す。図３（ａ）は棒状のヒートパイプ３０Ａを間隙を存して複数並行に前記ターゲット２０に沿って配列した構成である。また、（ｂ）は同様に棒状のヒートパイプ３０Ｂを密に複数本並行に配列しており、さらに、（ｃ）は渦巻状のヒートパイプ３０Ｃを前記ターゲット２０に沿って配設している。何れのヒートパイプも金属管１１外部へ延設された端部に冷却用ファン３１が接続されている。
このような形状とすることにより、ターゲット２０へ均等に冷熱を供給することができ、また簡単な構成で以って冷却性能を向上させることが可能である。 FIG. 3 shows the configuration of the heat pipe 30. FIG. 3A shows a configuration in which a plurality of rod-like heat pipes 30A are arranged along the target 20 in parallel with a gap. Similarly, (b) is a dense arrangement of a plurality of rod-like heat pipes 30B in parallel, and (c) is a spiral heat pipe 30C arranged along the target 20. In any heat pipe, a cooling fan 31 is connected to an end portion extending to the outside of the metal tube 11.
By adopting such a shape, cold heat can be supplied to the target 20 evenly, and the cooling performance can be improved with a simple configuration.

図４〜図６に、本実施例に係る冷却構造の例を示す。各図において、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図を示す。
図４は外部熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の下方にヒートパイプ３０を配置し、該ヒートパイプとターゲット２０の間には絶縁性熱伝導体２１を介在させるとともに、金属管底部１１ａの外表面に冷却用フィン３５を形成した構成となっている。前記冷却用フィン３５は熱伝導体で形成される。この冷却用フィン３５により外部空気との熱交換、若しくは該冷却用フィン３５に接するように外部に設けられたヒートパイプとの熱交換により前記ターゲット２０が冷却される。前記冷却用フィン３５には、例えば銅等のような熱伝導体が好適に用いられる。
このように、前記冷却用フィン３５を併用することにより、より一層効果的にターゲット２０を冷却することができる。 4 to 6 show examples of the cooling structure according to the present embodiment. In each figure, (a) is a cross-sectional plan view with the accelerating cylinder as a cut surface, (b) is a side cross-sectional view, and (c) is a cross-sectional view with a heat pipe as a cut surface.
FIG. 4 shows an external heat exchange type target cooling structure. In this type of cooling structure, a heat pipe 30 is disposed below the target 20, and an insulating heat conductor 21 is interposed between the heat pipe and the target 20. In addition, the cooling fins 35 are formed on the outer surface of the metal tube bottom 11a. The cooling fins 35 are formed of a heat conductor. The cooling fin 35 cools the target 20 by heat exchange with external air or heat exchange with a heat pipe provided outside so as to be in contact with the cooling fin 35. For the cooling fin 35, a heat conductor such as copper is preferably used.
Thus, by using the cooling fins 35 in combination, the target 20 can be cooled more effectively.

図５は中間熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の下方に絶縁性熱伝導体２１を配置し、該絶縁性熱伝導体２１の内部に媒体流路を形成し、ガス熱交換を行う構成となっている。この媒体流路がヒートパイプ３０と接続され、ヒートパイプの一部の役割を担うようになっている。前記ヒートパイプ３０は前記ターゲット２０を収容する金属管１１を貫通しており、該ヒートパイプ３０と金属管１１との間には絶縁ガラス３６が介装されている。
このように、絶縁性熱伝導体２１の内部にヒートパイプ３０を設ける構成とすることにより、装置の小型化、簡易化が図れる。
図６は内部熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の銅基板内に媒体流路を形成し、ガス熱交換を行う構成となっている。この媒体流路がヒートパイプ３０と接続され、ヒートパイプの一部の役割を担うようになっている。また、図５と同様に前記ヒートパイプ３０と金属管１１の間には絶縁ガラス３６が介装されている。また、前記ターゲット２０と金属管底部１１ａの間には絶縁体２６が設けられている。
このように、前記ターゲット２０をヒートパイプ３０により直接冷却することにより、より効果的な冷却性能が得られる。 FIG. 5 shows an intermediate heat exchange type target cooling structure. In this type of cooling structure, an insulating heat conductor 21 is disposed below the target 20, and a medium flow path is formed inside the insulating heat conductor 21. In addition, gas heat exchange is performed. This medium flow path is connected to the heat pipe 30 so as to play a part of the heat pipe. The heat pipe 30 passes through the metal tube 11 that accommodates the target 20, and an insulating glass 36 is interposed between the heat pipe 30 and the metal tube 11.
Thus, by adopting a configuration in which the heat pipe 30 is provided inside the insulating heat conductor 21, the apparatus can be reduced in size and simplified.
FIG. 6 shows an internal heat exchange type target cooling structure. In this type of cooling structure, a medium flow path is formed in the copper substrate of the target 20 to perform gas heat exchange. This medium flow path is connected to the heat pipe 30 so as to play a part of the heat pipe. As in FIG. 5, an insulating glass 36 is interposed between the heat pipe 30 and the metal tube 11. An insulator 26 is provided between the target 20 and the metal tube bottom 11a.
Thus, more effective cooling performance can be obtained by directly cooling the target 20 with the heat pipe 30.

ここで、図８を参照して、本実施例に係る中性子発生管１０におけるターゲット２０の熱伝導率につき示す。一例として図８に示されるように、径φ３２（ｍｍ）、肉厚２０（ｍｍ）のターゲット２０を例に挙げて説明する。ターゲット２０の表面積、即ち核融合反応にて発生する加熱部の表面積は、下記式（１）で表される。
加熱部表面積Ａ＝πＤ^２／４
＝８．０３８４（ｃｍ^２）・・・（１）
また、ターゲット２０の加熱容量は、下記式（２）で表される。
加熱容量Ｗ＝４００（Ｗ）・・・（２）
さらに、ターゲット２０の熱流束は、式（１）及び式（２）より下記式（３）で表される。
熱流束ｑ＝Ｗ／Ａ
＝４９．７６（Ｗ／ｃｍ^２）
＝４９７６００（Ｗ／ｍ^２）・・・（３） Here, with reference to FIG. 8, it shows about the thermal conductivity of the target 20 in the neutron generating tube 10 which concerns on a present Example. As an example, as shown in FIG. 8, a description will be given by taking a target 20 having a diameter φ32 (mm) and a thickness 20 (mm) as an example. The surface area of the target 20, that is, the surface area of the heating part generated by the nuclear fusion reaction is represented by the following formula (1).
Heating unit surface area A = πD ^2/4
= 8.0384 (cm ² ) (1)
Moreover, the heating capacity of the target 20 is represented by the following formula (2).
Heating capacity W = 400 (W) (2)
Furthermore, the heat flux of the target 20 is represented by the following formula (3) from the formulas (1) and (2).
Heat flux q = W / A
= 49.76 (W / cm ² )
= 497600 (W / m ² ) (3)

従って、総括熱伝達率Ｕは、以下のように求められる。
総括熱伝達率Ｕ＝ｑ／ΔＴ
ΔＴ＝２００Ｋの時（例えば１５０℃→−５０℃）
Ｕ＝２４８８（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
ΔＴ＝１２０Ｋの時（例えば１５０℃→３０℃）
Ｕ＝４１６６（Ｗ／ｍ^２Ｋ） Accordingly, the overall heat transfer coefficient U is obtained as follows.
Overall heat transfer coefficient U = q / ΔT
When ΔT = 200K (for example, 150 ° C → -50 ° C)
U = 2488 (W / m ² K)
When ΔT = 120K (eg 150 ° C → 30 ° C)
U = 4166 (W / m ² K)

図７に本発明の実施例２に係る中性子発生管を示す。尚、本実施例２において、前記実施例１と同様の構成についてはその詳細な説明を省略する。
同図において中性子発生管１０は、外壁である円筒状の金属管１１と、イオン発生部１３と永久磁石１２とヘリコン波アンテナ１４を備えたイオン源１６と、該イオン源１６にて生成したプラズマ状態の重水素イオン又は三重水素イオンを放出させる引出電極１８と、加速電極１９と、重水素又は三重水素を吸蔵したターゲット２０と、を備えている。該ターゲット２０は、銅基板上にＴｉ膜が被覆された構造となっている。前記引出電極１８には高電圧導入部２３が接続され、該引出電極１８に高電圧を印加して加速胴２５に電場を形成し、前記イオン源１３で生成したイオンビームを加速する。 FIG. 7 shows a neutron generating tube according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment, detailed description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
In the figure, a neutron generating tube 10 includes a cylindrical metal tube 11 as an outer wall, an ion generating unit 13, a permanent magnet 12, an ion source 16 having a helicon wave antenna 14, and plasma generated by the ion source 16. An extraction electrode 18 that releases deuterium ions or tritium ions in a state, an acceleration electrode 19, and a target 20 that occludes deuterium or tritium are provided. The target 20 has a structure in which a Ti film is coated on a copper substrate. A high voltage introducing portion 23 is connected to the extraction electrode 18, and a high voltage is applied to the extraction electrode 18 to form an electric field in the acceleration cylinder 25, and the ion beam generated by the ion source 13 is accelerated.

また、前記中性子発生管１０は前記ターゲット２０の冷却構造を備え、該ターゲット２０の下方には、ヒートシンク２２で囲繞されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置されている。前記ヒートパイプ３０は金属管１１の外部まで延設され、その先端には冷却用フィン３１が接続されている。該冷却用フィン３１は自然冷却によりヒートパイプ３０を冷却する。また、前記ターゲット２０は、アース２８により電気的に接地されている。
本実施例によれば、イオン発生部１３で生成された重水素イオンは、イオン源１６にて永久磁石１２とヘリコン波アンテナ１４により高周波変調された磁界によりプラズマ化され、プラズマ状態のイオンは引出電極１８により加速胴２５に放出される。そして前記プラズマ状態の重水素イオン又は三重水素イオンは、前記加速胴２５に形成された電場で加速されたイオンビームとなり、ターゲット２０に衝突する。そして、この衝突により、ターゲット２０に吸蔵された三重水素又は重水素と、衝突した重水素イオンとの間で核融合反応が生じ、その結果中性子が発生する。 The neutron generating tube 10 includes a cooling structure for the target 20, and a cooling body including a heat pipe 30 surrounded by a heat sink 22 is disposed below the target 20. The heat pipe 30 extends to the outside of the metal tube 11, and a cooling fin 31 is connected to the tip of the heat pipe 30. The cooling fins 31 cool the heat pipe 30 by natural cooling. The target 20 is electrically grounded through a ground 28.
According to the present embodiment, the deuterium ions generated by the ion generator 13 are turned into plasma by the magnetic field modulated by the permanent magnet 12 and the helicon wave antenna 14 in the ion source 16, and the ions in the plasma state are extracted. It is emitted to the acceleration cylinder 25 by the electrode 18. The deuterium ions or tritium ions in the plasma state become an ion beam accelerated by an electric field formed in the acceleration cylinder 25 and collide with the target 20. This collision causes a fusion reaction between the tritium or deuterium occluded in the target 20 and the collided deuterium ions, resulting in the generation of neutrons.

本実施例ではターゲット２０をアース２８により電気的に接地し、イオン源１６の出口に高電圧を負荷する構成としたため、ターゲット２０の絶縁性を向上させることができる。
また、前記実施例１と同様に、ターゲット２０をヒートパイプ３０で形成される冷却体により冷却する構成としたため、高出力の中性子発生管であってもターゲット２０を効率的に冷却でき、且つ装置のコンパクト化及び軽量化が達成できる。 In this embodiment, since the target 20 is electrically grounded by the ground 28 and a high voltage is applied to the outlet of the ion source 16, the insulation of the target 20 can be improved.
Moreover, since it was set as the structure which cools the target 20 with the cooling body formed with the heat pipe 30 similarly to the said Example 1, even if it is a high output neutron generator tube, the target 20 can be cooled efficiently and apparatus. Can be reduced in size and weight.

本発明は、ターゲットを直接冷却する冷却構造を有し、該冷却構造をヒートパイプにより構成したため、簡単な装置構成とすることができるとともに、小型化且つ軽量化された中性子発生管とすることができ、例えば、石油探査等の地下資源の探査、航空機手荷物検査や地雷探査等の爆発物検知、コンクリート内部欠陥検査、水分計、医療用中性子源等の目的に幅広く利用可能である。 The present invention has a cooling structure that directly cools the target, and the cooling structure is configured by a heat pipe. Therefore, a simple device configuration can be obtained, and a neutron generator tube that is reduced in size and weight can be provided. For example, it can be widely used for exploration of underground resources such as oil exploration, explosives detection such as aircraft baggage inspection and landmine exploration, concrete internal defect inspection, moisture meter, medical neutron source and the like.

本発明の実施例１に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows schematic structure of the neutron generator tube which concerns on Example 1 of this invention. 本実施例に係るターゲット部冷却構造を示す要部側断面図である。It is principal part side sectional drawing which shows the target part cooling structure which concerns on a present Example. 図２のヒートパイプの概略平面図を示し、（ａ）は並行配列した図、（ｂ）は密に並行配列した図、（ｃ）は渦巻状に配設した図である。2A and 2B are schematic plan views of the heat pipes of FIG. 2, in which FIG. 2A is a diagram arranged in parallel, FIG. 2B is a diagram arranged densely in parallel, and FIG. 本実施例に係る外部熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。The external heat exchange type target cooling structure which concerns on a present Example is shown, (a) is a plane sectional view which used the acceleration cylinder as a cut surface, (b) is a sectional side view, (c) is a flat surface where the heat pipe was cut. It is sectional drawing. 本実施例に係る中間熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。The intermediate heat exchange type target cooling structure which concerns on a present Example is shown, (a) is a plane sectional view which used the acceleration cylinder as a cut surface, (b) is a sectional side view, (c) is a flat surface where the heat pipe was cut. It is sectional drawing. 本実施例に係る内部熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。The internal heat exchange type target cooling structure which concerns on a present Example is shown, (a) is a plane sectional view which used the acceleration cylinder as a cut surface, (b) is a sectional side view, (c) is a flat surface using the heat pipe as a cut surface. It is sectional drawing. 本発明の実施例２に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows schematic structure of the neutron generator tube which concerns on Example 2 of this invention. ターゲットの熱伝導率を説明する図である。It is a figure explaining the thermal conductivity of a target. 従来の中性子発生管の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional neutron generator tube.

Explanation of symbols

１０中性子発生管
１１金属管
１２永久磁石
１３イオン発生部
１４アンテナ体
１５セラミック体
１６イオン源
１７カーボン体
２０ターゲット
２１絶縁性熱伝導材
２２ヒートシンク
２３高電圧導入部
２５加速胴
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃヒートパイプ
３５冷却用フィン
２０１Ｔｉ膜
２０２銅基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Neutron generating tube 11 Metal tube 12 Permanent magnet 13 Ion generating part 14 Antenna body 15 Ceramic body 16 Ion source 17 Carbon body 20 Target 21 Insulating heat conduction material 22 Heat sink 23 High voltage introduction part 25 Accelerator cylinder 30, 30A, 30B, 30C heat pipe 35 cooling fin 201 Ti film 202 copper substrate

Claims

An ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an acceleration electrode that is disposed opposite to the ion source and charged at a high voltage, and deuterium or tritium disposed in the acceleration electrode. A neutron generating tube for accelerating ions generated in the ion source to collide with the target and causing a fusion reaction to generate neutrons.
A neutron generating tube, wherein a cooling body formed of a heat pipe is disposed below the target, and an insulating heat conductor is interposed between the cooling body and the target.

An ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an acceleration electrode that is disposed opposite to the ion source and charged at a high voltage, and deuterium or tritium disposed in the acceleration electrode. A neutron generating tube for accelerating ions generated in the ion source to collide with the target and causing a fusion reaction to generate neutrons.
A neutron generating tube, wherein a cooling body formed of a heat pipe is provided inside the target.

An ion source that generates ions in a plasma state from deuterium gas or tritium gas, an extraction electrode that is provided in the vicinity of an ion emission hole of the ion source and is charged at a high voltage, and an acceleration electrode that is disposed opposite to the ion source And a target that is disposed in the accelerating electrode and occludes deuterium or tritium, accelerates ions generated in the ion source to collide with the target, causes a fusion reaction, and causes neutrons. In the neutron generator tube that generates
A neutron generating tube characterized in that a cooling body formed of a heat pipe is disposed below the target, and the target is electrically grounded.

The neutron generator tube according to any one of claims 1 to 3, wherein the cooling body is covered with a heat conductive material.

The neutron generator tube according to claim 1, wherein the insulating heat conductor is a ceramic body to which oxygen is not bonded.

The neutron generator tube according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat pipe is a rod-like body, and a plurality of the heat pipes are arranged in parallel along the target.

The neutron generator tube according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat pipe is a spiral body and is disposed along the target.

The target and the ion source are sealed in a metal tube in a vacuum state, and a cooling fin is provided on an outer surface of a surface of the metal tube on which the target is fixed. 4. The neutron generator tube according to any one of 3.