JP2011529612A - 中性粒子発生器 - Google Patents

Abstract

デュートリウムプラズマ等の、少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を容れるコンテナを含む中性粒子発生器が開示される。ある態様では、コンテナ内に配置され、第１の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第１のカソードを設ける。オプションとして、コンテナ内に配置され、第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードが設けられてもよく、および／または、コンテナ内に配置されるターゲットが設けられてもよい。ある態様では、第１のカソードおよび第２のカソードは、線上に対向するよう配置されることで、第１の中性粒子ビームを第２の中性粒子ビームと相互作用／衝突させ、該中性粒子の少なくとも一部を融合反応させて、放出される中性子を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して中性子発生および／または融合装置、および、中性子発生方法または融合プロセスに関する。本発明は更に、概して１以上の中性粒子ビームを生成する様々な装置および方法、並びにそれらの用途に係る。

中性子源としても知られている様々な種類の中性子発生器が現在公知である。通常、中性子源は、小型の可搬式中性子源（携帯型のもの、または移動が容易なもの等）、中型の中性子源（一部屋を占めるような粒子加速器等）、あるいは、大型の中性子源（核融合または核分裂反応炉などの大型施設等）に分類可能である。更に、大まかに言って小型の中性子源には２種類あると考えられる。第１の種類は、誘導核分裂または自発核分裂に基づいており、この小型の種類の中性子源の大きな欠点は、中性子源が停止不可能であり、絶えず中性子を放出する点である。第２の種類の小型の中性子源は核融合に基づいており、この種類の中性子源は始動停止の切り替えができ、これら中性子源または中性子発生装置は多くの用途に利用可能である。

中性子発生器に基づいており、放出される中性子エネルギーおよび中性子束に大きく依存する用途としては、核兵器および化学兵器の安全性調査、地質学的分析、郵便爆弾検知技術、中性子ラジオグラフィー、地雷検知技術、包装検査、および医療撮像技術がほんの数例として挙げられる。

デュートリウムおよびトリチウム等の水素アイソトープの融合プロセスは公知である。デュートリウムまたはトリチウムの融合の場合には、ヘリウムが形成されて、高エネルギーの中性子が放出される。

図１は、公知の標準的な中性子発生器を示す。図示されている管状の中性子発生器１００は、イオン源１１０、加速領域１２０、およびカソード１３０を含む。アンテナ１４０は、整合ネットワーク１５０と協働して、シリンダ１６０内のガスをイオン化する。通常、管状の中性子発生器１００の直径は約１０ｃｍである。磁石１７０は、シリンダ状のアノード１８０の周りに配置されて自由電子を閉じ込め、これにより更に気体がイオン化され、シリンダ状のアノード１８０内に更に多くのイオンを生成する。イオンはシリンダ状のアノード１８０には閉じ込められず、出口カソード１９０に引き付けられ、出口カソード１９０の比較的小さい孔を通ってシリンダ状のアノード１８０から放出されたり、加速領域１２０に入ったりする。加速領域１２０は、シリンダ状のアノード１８０から放出されたイオンビームのエネルギーを徐々に上げて衝突ターゲット１３０に焦合させる更なるカソードを有する構成（通常、高電圧電源に繋がれる加速カソード構成）を有してもよい。通常、カソードターゲット１３０は１００ｋＶを超えるバイアスを印加されるので、多くの設計構成において、例えば水冷却式システム等によりターゲットカソード１３０を冷却する必要がある。カソードターゲット１３０は、電気バイアスを印加され、通常は、融合反応を助ける燃料材料を豊富に含む表面薄膜を有する金属から形成される。カソードターゲット１３０に衝突したイオンには融合反応が起こり、中性子が放出される。

慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）はプラズマのイオンを、静電界を用いて閉じ込める公知の技術であり、多くの場合、制御された核融合を行うことを目的としている。通常は球状またはシリンダ状の形状を用いて静電界を生成して、これにより、イオンを半径方向内向きに加速してＩＥＣ装置の中央領域のイオン密度およびエネルギーを劇的に増加させる。ＩＥＣのシリンダ型装置の一例は、ドイツのＮＳＤ−Ｆｕｓｉｏｎ ＧｍｂＨ社から販売されている中性子発生器である。ＮＳＤ−Ｆｕｓｉｏｎ ＧｍｂＨ社の中性子発生器は、シリンダ状のアノードで囲われたシリンダ状のグリッドカソードを用いている。イオンはシリンダ状のグリッドカソードに引き付けられ、グリッドの表面を通りシリンダ状のカソードを通過することができる。ＮＳＤ−Ｆｕｓｉｏｎ ＧｍｂＨ社によれば、イオンがシリンダ状のグリッドカソードの中央領域に閉じ込められ、この領域でイオン密度が高まり、シリンダ状のグリッドカソード内に閉じ込められたイオン間の衝突により融合が行われる、とのことである。中性子は、シリンダ状のグリッドカソード内に生じる融合反応の結果放出される。従ってＮＳＤ−Ｆｕｓｉｏｎ ＧｍｂＨ社の中性子発生器では、シリンダ状のグリッドカソード内で、閉じ込められたイオンが背景のプラズマと衝突した結果生成されることになり、融合材料の固体ターゲットは利用されていない。

管状の中性子発生器の欠点には、磁界の配置を必要とする比較的複雑なイオン源、加速領域において加速を比較的制約せずに行うべく、比較的低い背景ガス圧（例えば約２ｍＴｏｒｒの圧力）で動作する必要があること、および、ターゲットを冷却する必要があること、等が挙げられる。更に出願人は、装置の中央領域にイオンを閉じ込めることに基づいており、且つ、融合反応を起こすのにイオンと背景ガスとの衝突を利用する、という点が、ＮＳＤ−Ｆｕｓｉｏｎ ＧｍｂＨ社の中性子発生器等の、球状またはシリンダ状のグリッド状のカソードを利用するＩＥＣ技術に基づく中性子発生器における潜在的な欠点であると考える。

先行技術が潜在的にもっている１以上の問題を解決する、あるいは少なくとも軽減することのできる、様々な用途を持つ、中性子発生装置または中性子発生方法、および／または、１以上の中性粒子のビームを生成する装置または方法が望まれている。

本明細書で先行技術文献（あるいは先行技術文献から得た情報）、または任意の公知の事柄について参照している場合であっても、それは、その先行技術文献（あるいは先行技術文献から得た情報）、または任意の公知の事柄が、本明細書が関連を持つ技術分野の一般的な知識の一部であると認識、自認、または示唆したわけではないし、そうみなされるべきではないことに留意されたい。

第一に広義には、本発明は中性子発生器または中性子発生源を提供する。第二に広義には、本発明は中性子発生方法を提供する。第三に広義には、本発明は中性粒子発生器または中性粒子発生源を提供する。第四に広義には、本発明は中性粒子発生方法を提供する。

具体的には、中性原子、分子、および／または、粒子ビームを発生、生成、または作成して、これを、背景ガス／プラズマ、固体ターゲット、および／または、第２の中性原子、分子、および／または、粒子ビームのうち１以上と衝突させることができる。他の具体例において、用途によっては、発生させた中性原子、分子、および／または、粒子ビームを衝突させなくてもよい。

第１の例示的な態様では、少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、第１の中性粒子ビームを生成する第１のカソードと、第２の中性粒子ビームを生成する第２のカソードとを備える中性粒子発生器が提供される。必須ではないが好適には、第１のカソードおよび第２のカソードは、動作中に第１の中性粒子ビームが第２の中性粒子ビームと相互作用することで中性子を生成するように配置される。

具体的且つ非制限的な例では、コンテナの少なくとも一部がアノードとして動作する。

さらなる具体例では、第１の中性粒子ビームおよび第２の中性粒子ビームは、実質的に指向性ビームである。

さらなる具体例では、第１の中性粒子ビームおよび第２の中性粒子ビームは、材料の中性原子および／または分子を含む。

また別の態様例では、コンテナは、少なくとも部分的にプラズマ状態の１を超える数の材料を含み、第１の中性粒子ビームは１を超える数の材料の中性粒子から形成され、第２の中性粒子ビームは１を超える数の材料の中性粒子から形成される。

オプションであり必須ではないが、材料は、少なくとも部分的に水素、デュートリウム、トリチウム、またはこれらの混合物である。

さらなるオプション的な例によれば、第１のカソードおよび／または第２のカソードは中空であり、少なくとも１つの孔が設けられ、第１のカソードおよび／または第２のカソードは２つの孔が設けられ、第１のカソードおよび／または第２のカソードは、錐台、シリンダ、楕円、および、球状からなる群から選択された形状であり、第１のカソードおよび／または第２のカソードは、非対称形状であり、第１のカソードおよび／または第２のカソードは中空の円錐台形状であり、第１のカソードおよび／または第２のカソードは一対の中空の円錐台（a hollow conical bifrustum）であり、および／または、第２のカソードは、第１のカソードと同じ形状である。

更なる例では、第１のカソードおよび第２のカソードの外面には電気絶縁体が設けられる。オプションとして、電気絶縁体はセラミック製のスリーブである。

好適には、コンテナ内のガス材料の圧力は、約１から数百ｍＴｏｒｒの範囲である。

特定の態様例では、第１のカソードおよび第２のカソードは、線上に対向するよう配置される。

さらなる態様例では、複数の更なるカソードを更に備え、複数の更なるカソードは、コンテナ内に配置され、材料から更なる中性粒子ビームを生成し、各更なる中性粒子ビームは、当該更なる中性粒子ビームを発生させた更なるカソードから放出され、第１のカソード、第２のカソード、および複数の更なるカソードは、実質的に円形配置または球状配置され、第１の中性粒子ビーム、第２の中性粒子ビーム、および更なる中性粒子ビームは、円形配置または球状配置の中央領域に向けて放出される。

第２の態様例では、少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、中性粒子ビームを生成して、自身から放出するカソードと、コンテナ内に配置されたターゲットとを備える中性粒子発生器が提供される。好適には、カソードおよびターゲットは、動作中にビームがターゲットと衝突するよう方向付けられるよう配置される。具体的な用途例としては、ビームをターゲットに衝突させることで中性子を発生させ、ターゲットの表面を粒子でコーティングしたり、あるいは、ターゲットの表面を、粒子を利用してエッチングしたりすることができる。

必須ではないが、ターゲットはカソードに対して電気的にバイアスされないことが好適である。またこれも必須ではないが、ターゲットは、デュートリウムおよび／またはトリチウム原子等の融合反応促進材料を豊富に含む表面領域を含むことが好適である。

さらなるオプションの実施形態では、中性粒子発生器は、第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードを更に備え、第２のカソードおよびターゲットは、動作中に第２の中性粒子ビームがターゲットと衝突するように方向付けられるよう配置される。

さらなるオプションの実施形態では、中性粒子発生器は、第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードと、コンテナ内に配置された第２のターゲットとを更に備え、第２のカソードおよび第２のターゲットは、動作中に第２の中性粒子ビームが第２のターゲットと衝突するように方向付けられるよう配置される。

第３の態様例では、少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、少なくとも１つの孔を有し、コンテナ内に配置される中空カソードとを備え、動作中に中空カソードに対して負のバイアスを印加した場合、材料から中性粒子ビームが生成され、少なくとも１つの孔から放出される中性粒子発生器が提供される。

好適には、中性粒子ビームは、材料の中性原子、分子、および／または粒子を含む。

第４の態様例では、少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用して、カソードの内部領域にプラズマ材料のイオンを生成することで、カソード内に仮想アノードを形成する工程と、イオンの少なくとも一部を仮想アノードにより追い出し、中空カソード内のプラズマ材料により荷電交換過程を行うことで、中性粒子ビームを形成して少なくとも１つの孔から放出させる工程と、中性粒子ビームを他の粒子と衝突させることで、中性粒子ビームの少なくとも一部と、他の粒子の少なくとも一部とを融合反応させて中性子を生成する工程とを備える中性子発生方法が提供される。

具体的且つ非制限的な態様では、内部領域にプラズマ材料のイオンを生成する工程により、中空カソードの内面に対してイオン衝突を生じさせて、カソード内の電子密度を高める。その結果、さらなるイオン化が生じ、中空カソードの中央に、あるいは中央の近傍に、比較的高いイオン密度が形成され、本明細書ではこれを「仮想アノード」と称する。

オプションとしては、他の粒子は、同じ方法で生成される第２の中性粒子ビームの一部である。さらなるオプションとしては、他の粒子は、ターゲット材料の一部である。 さらなるオプションとしては、他の粒子は、プラズマ材料の一部である。

第５の態様例では、材料をコーティングする中性粒子を生成する方法であって、少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用して、カソードの内部領域にプラズマ材料のイオンを生成することで、カソード内に仮想アノードを形成する工程と、イオンの少なくとも一部を仮想アノードにより追い出し、中空カソード内のプラズマ材料により荷電交換過程を行うことで、中性粒子ビームを形成して少なくとも１つの孔から放出させる工程と、中性粒子ビームを表面に衝突させることで、中性粒子の表面をコーティングまたはエッチングする工程とを備える方法が提供される。

第６の態様例では、電子ビームの生成方法であって、少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用してカソードの内部領域にプラズマ材料のイオンと電子とを生成することにより、イオンは、電子を追い出す電位を形成して、電子ビームを形成して少なくとも１つの孔から放出する工程を備える方法が提供される。

以下の記載から例示的な実施形態が明らかとなり、これらは好適であるが非制限的な実施形態の例示を目的として提供されており、添付図面を参照して記載される。

標準的な管状の中性子発生器を示す。

ダブルカソード中性粒子発生器の断面図である。

マルチカソード中性粒子発生器の断面図である。

球状のマルチカソード中性粒子発生器の断面図である。

ダブルカソード‐シングルターゲット中性粒子発生器の断面図である。

シングルカソード‐ダブルターゲット中性粒子発生器の断面図である。

マルチカソード‐マルチターゲット中性粒子発生器の断面図である。

例示のみを目的とする以下の態様は、好適な１または複数の実施形態の主題をより正確に理解する助けとなる。

図面では、例示的な実施形態の特徴を示すべく、同様の参照番号を用いて図面間における同様の部材を示している。

図２は、中性子発生器として利用可能な中性粒子発生器２００を示す。コンテナ２１０または他の種類の反応チャンバまたはエンクロージャは、コンテナ２１０内の少なくとも部分的にプラズマ状態のガス材料２２０を実質的に含む、あるいは保持する。コンテナ２１０は、様々な形状または配置（shapes or geometries）であってよく、大きなエンクロージャまたは複数のエンクロージャまたは複数の領域のなかの１つのコンポーネント部材またはセクションであってもよい。

材料２２０は、部分的または実質的に完全にイオン化されたガスまたはガスの混合物として、材料２２０が、プラズマ状態の原子、分子、化学物質、アイソトープ、イオン、電子等の各々、またはこれらの任意の組み合わせを含むようにすると好適である。１以上の他の種類の材料（例えば異なる化学元素、アイソトープ、または分子）を利用することもできる。

第１のカソード２３０をコンテナ２１０内に配置する。第１のカソード２３０は、材料２２０の第１の中性粒子ビーム２４０の生成に利用される。中性粒子は、材料２２０由来の（derived）中性粒子を含むものとして考えられるべきである（ここで、中性粒子は、材料２２０の反応性粒子に関連する化学および／または物理反応した結果の生成物であってよい）。

図示されているように、第１の中性粒子ビーム２４０が第１のカソード２３０から放出される。同様に、第２のカソード２５０がコンテナ２１０内に配置されて、材料２２０から形成される、または材料２２０由来の第２の中性粒子ビーム２６０を生成する。更に図示されているように、第２のビーム２６０が第２のカソード２５０から放出される。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０は、生成器２００の動作中に、第１のビーム２４０が第２のビーム２６０と、例えば、各ビーム２４０、２６０からの中性粒子の少なくとも一部の衝突により、相互作用するよう配置される。ビーム２４０、２６０の相互作用により中性粒子ビーム２４０、２６０の衝突により起こる融合反応の結果、中性子が発生する。代替的な実施形態では、ビーム２４０、２６０を衝突させる必要がない場合もある。

任意で、コンテナ２１０の少なくとも一部を１以上のアノードとして利用することもできる。一態様では、全てのコンテナ２１０が１つのアノードとして動作してもよい。これにより、コンテナ２１０の側壁からイオンを跳ね返して電子を引き付けて、上述したカソード内の物理プロセスを維持するのを助ける。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０の形状、およびカソード２３０、２５０内の物理プロセスに応じて、第１のビーム２４０および第２のビーム２６０が、実質的にビームに向かうように形成される。第１のビーム２４０および第２のビーム２６０は、材料（１または複数）２２０から形成される中性原子および／または分子、または当該材料２２０由来の中性原子および／または分子を含む。

特定の例においては、材料２２０は、少なくとも部分的に水素、デュートリウム、トリチウム、またはこれらの混合物である。従って、第１のビーム２４０が１を超える材料の中性粒子から形成され第２のビーム２６０も同様に１を超える材料の中性粒子から形成されるよう、コンテナ２１０は、１を超える種類の材料２２０を少なくとも部分的なプラズマ状態（例えばプラズマ／ガスの混合物）で含むことができる。第１のビーム２４０および第２のビーム２６０は、特定の化学元素および／または分子の異なるアイソトープの中性粒子を含んでよい。

特定の例においては、コンテナ２１０（チャンバまたは反応器）は、ステンレス鋼からなる封止されたシリンダ状真空コンテナである。他の金属等、様々な材料を利用することもできる。コンテナ２１０の寸法については幅広い範囲が可能であるが、好適なチャンバの長さは、４０から６０ｃｍの範囲であってよく、好適なチャンバの直径は１５から２０ｃｍの範囲であってよい。

コンテナ２１０に充填するガスは純デュートリウムであってよい。しかし、融合反応レートを上げるには、例えば１：１の割合のデュートリウムおよびトリチウムの混合物がより好適であろう。背景ガス圧は、１から数百ｍＴｏｒｒの範囲（例えば１００から４００ｍＴｏｒｒ）が好適ではあるが、これは必須要件ではない。生成器２００は、この圧力の範囲外で動作することもできることに留意されたい。

第１のカソード２３０および第２のカソード２５０はステンレス鋼からなるが、チタンその他の金属等の幅広い範囲の他の材料の利用も可能である。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０の両方を、縦軸に対して対称であり両端部が開口している円錐形状とすることで、円錐の両端に孔を形成してよい。具体的且つ非制限的な例としては、円錐２３０、２５０の長さは好適には５から１０ｃｍの範囲であり、円錐台の端部のうち小さいほうの直径は１から２ｃｍの範囲であり、円錐台の他方の端部の大きいほうの直径は、３から５ｃｍの範囲である。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０は互いに離れて配置されており、例えばコンテナ２１０のそれぞれの側壁から少なくとも５ｃｍ離れて配置されており、好適には互いから１５ｃｍ離れて配置されている。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０は中空であり、カソード２３０、２５０の壁厚は幅広い範囲の値であってよいが、例えば１ｍｍの厚みとする。

カソード２３０、２５０は様々な形状が可能であり、本発明が円錐台（基底の形状は円形であっても、多角形であっても、直角であっても、斜（oblique）であってもよい）あるいはその他の特定の形状の利用に限定されないことを理解されたい。カソード２３０、２５０は、このように対称な形状を有することができる。他に利用可能な種類の形状としては、第１のカソードおよび／または第２のカソードが中空であり、錐台、シリンダ、楕円、および／または、球状が挙げられる。ダブルカソードデバイスまたはマルチカソードデバイスでは、異なるカソード同士が同じ形状であってもよいが、これは必ずしも必須要件ではなく、異なるカソード同士が異なる形状であってもよい。

第１のカソード２３０および第２のカソード２５０の外面には電気絶縁体を設ける。例えば、セラミック製のスリーブ２７０で第１のカソード２３０の外部を電気的に絶縁して、セラミック製のスリーブ２８０で第２のカソード２５０の外部を電気的に絶縁する。セラミック製のスリーブ２７０、２８０は、カソード２３０、２５０の外面を、コンテナ２１０内の材料２２０から電気的に絶縁する。図の例に示すように、セラミック製のスリーブ２７０、２８０は、外形をシリンダ状として、内部を、円錐形状のカソード２３０、２５０を内包することができるような円錐形状にマシニングする、あるいは、内部を、シリンダ形状のカソードを内包することができるようなシリンダ状の形状とすることができ、中空の円錐をカソードにマシニングすることができる。電気フィードスルー２８５、２９０は、それぞれセラミック製のスリーブ２７０、２８０を通り、カソード２３０、２５０に取り付けられる。電気フィードスルー２８５、２９０は、それぞれセラミック絶縁体２８７、２９２に取り付けられるが、様々な他の形態の絶縁材料を利用することもできる。電気フィードスルー２８５、２９０は、コンテナ２１０の外部を通り、高電圧電気接続２９５に取り付けられる。

例えばパルス状の、または連続高電圧電源を利用して、必要な電圧および電流をコンテナ２１０の外部から供給する。用いる材料および具体的な要件に応じて、幅広い範囲の供給電圧および電流が可能である。一例としては、カソード２３０、２５０に印加される電圧は、−４０から−１００ｋＶの範囲であり、カソード２３０、２５０に供給される電流は、１ミリアンペアから数千アンペア（milli to thousands of amperes）の範囲であってよい。生成器２００は、連続（あるいは非パルス）モードで動作することができ、この場合の供給電流は、通常数１０ミリアンペア（tens of milli-amps）のオーダであるが、必ずしもこれに限定はされない。

例示に過ぎず本発明の範囲を限定する意図は持たない特定の例においては、デュートラムは約１０ｍＴｏｒｒの背景圧力でコンテナ２１０に導入することができる。カソード２３０、２５０に印加される電圧は２０ｋＶであってよく、供給される連続電流は４０ｍＡであってよい。これらのパラメータによって、少なくとも１０^４から１０^５個／秒のオーダの放出中性子が生成されることが分かった。デュートリムとトリチウムのガス混合物を利用することで、中性子の個数を２オーダ程度も増加させることができる。これより高い電圧および電流を用いる場合には、中性子発生器２００は、連続モードおよびパルスモードそれぞれにおいて、約１０１１および約１０１４個／秒のオーダの中性子を生成すると予期されている。

当業者であれば、生成器２００は、慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置で通常必要であるメッシュ状のカソードまたはグリッドタイプのカソードを設けたり、あるいは、より大きな球状またはシリンダ状のアノードのメッシュまたはグリッドで囲ったりする必要がないことを理解する。ＩＥＣ法は、背景プラズマからのイオンが、球状またはシリンダ状のメッシュまたはグリッドカソードに全方向から引き付けられて、イオンがカソードの内部領域へと加速されて、カソードの内部で衝突して融合反応を起こす、ということを前提としている。このＩＥＣ法は、メッシュまたはグリッドカソード内にイオンを閉じ込めることに基づいている。これとは対照的に、生成器２００はこの典型的なＩＥＣ法に基づいていない。生成器２００では、イオンがカソード２３０、２５０内の仮想アノード領域から追い出されて、背景ガスを用いる荷電交換過程を経て、カソード２３０、２５０が中性粒子ビーム２４０、２６０を放出する（これはメッシュまたはグリッドカソードを利用する必要がなく、必ずしもカソード２３０、２５０が特定の形状を有する必要もない）。これにより、生成器２００は、１以上の中性粒子ビームを、互いに対してまたは特定の固体ターゲットに対して方向付けるマルチカソード装置として機能することができる。これにより、ビーム対ビーム、および、ビーム対ターゲットの融合反応が起こり、中性子が放出され、好適である。

以下に中性粒子ビーム２４０、２６０を生成するプロセスについて説明する。生成器２００はＯＮ（始動状態）にされると、材料２２０のイオンは、静電気引力により、カソード２３０、２５０の内面に引き付けられる。電子は、内面のイオン衝突により、カソード２３０、２５０の内面から放出される。これにより、高密度のイオン化ガスがカソード２３０、２５０内に形成される。カソード２３０、２５０の中空領域内で増大したイオンは、イオンおよび電子の動的自己組織化により、幾らかがカソード２３０、２５０内で仮想アノードになる。

これにより、物理的なカソード２３０、２５０内の内部仮想アノードにより追い出されたイオンが一定の割合でカソード２３０、２５０内に生じることになる。追い出されたイオンの少なくとも一部は、カソード２３０、２５０のより小さな直径の孔に向かって方向付けられる。これら前駆体イオンは、イオン化されていない背景材料の中性粒子２２０との衝突により、荷電交換過程を経る。この荷電交換過程により、材料２２０から形成され、エネルギーを有する（energetic）中性粒子が生成され、これがカソードから離れた位置で、入射してくる前駆体イオンと同じ方向に移動する。

生じたエネルギーを有する中性粒子は、カソードまたは仮想アノードの電界の影響を受けないので、エネルギーを有する中性粒子は、カソードから離れた位置にある中性ビームとして保たれる。実際の荷電交換衝突は、カソード内で、または、カソードの孔の近傍において生じる可能性があり、これはカソードの外部でもありうる。従って、イオンはカソードの内部領域で生成され、および／または、内部領域から追い出されて、イオンがカソード内にある間、カソードの中央から外部へと向かうにつれて加速される。そして荷電交換過程が起こり、これにより、カソードから電気的に影響されない中性粒子ビームが生じる。これは、ＩＥＣ装置と異なる生成器２００の動作方法の一例である。

図３は、複数のカソードを有する中性粒子発生器３００を示す。コンテナ３１０は、材料（１または複数）２２０同様に、少なくとも部分的にプラズマ状態のガス材料（１または複数）３２０を含む。第１のカソード２３０および第２のカソード２５０、または類似した装置を利用することができる。加えて、絶縁体３４０を有する更なるカソード３３０が利用される。高電圧線２９５に接続する電気フィードスルー３５０が提供される。

図の例では、第１のカソード２３０と第２のカソード２５０との間に、更なるカソード３３０が設けられる。更なるカソード３３０は、互いに背中合わせに配置された中空の円錐台であっても、中空の両円錐台（a hollow conical bifrustum）に一体化されたものであってもよい。更なるカソード３３０は、上述したカソード２３０、２５０同様に動作する。これにより、材料３２０から形成される、または材料３２０由来の中性粒子の更なるビーム３６０、３７０が形成される。中性粒子ビーム３６０は、このようにして第１のビーム２４０と相互反応するよう方向付けられ、中性粒子ビーム３７０は、このようにして第２のビーム２６０と相互反応するよう方向付けられる。カソード２３０、２５０、および３３０は、中性粒子ビームそれぞれの相互作用／衝突のために実質的に線上に配置される。前述したように、中性ビーム間の衝突により中性子を発生させることができる。

図４は、球状または円状に配置された複数の中性ビーム生成器４００を示す。複数のカソード２３０が二次元円状構成または三次元球状構成に配置されてよい。複数のカソード２３０はコンテナ４１０内に配置され、同様なシリンダ形状または球状であってよい。複数の電気フィードスルー２８５は、複数のカソード２３０各々を高電圧線２９５に接続する。複数の中性粒子ビーム２４０が、コンテナ４１０内に含まれる１以上の材料４２０から形成されても、当該材料４２０由来であってもよい。

複数の中性粒子ビーム２４０は、中央領域４３０へと方向付けられて、互いに相互作用／衝突し、高い比率で融合反応して、結果として高い割合で中性子が生成される。複数のカソード２３０は、各対が直径方向に対向配置されると、中性粒子ビームの各衝突位置がよく揃うので、好適である。

図５は、ターゲット５１０を含む中性粒子発生器５００を示す。中性粒子生成器２００の場合と同様に、第１のカソード２３０が、第１の中性粒子ビーム２４０を生成し、第２のカソード２５０が、第２の中性粒子ビーム２６０を生成する。第１のカソード２３０と第２のカソード２５０との間にはターゲット５１０が配置され、第１のビーム２４０を第１側からターゲット５１０に衝突させ、第２のビーム２６０を第２側からターゲット５１０に衝突させる。

好適には、ターゲット５１０は固体ターゲットであり、実質的には平面形状であるが、これが必須要件ではない。ターゲット５１０の片面または両面は、デュートリウムおよび／またはトリチウム等の、融合を助ける材料または融合材料で強化される、またはこれら材料をコーティングされる。ビーム２４０、２６０は、ターゲット５１０の各表面に衝突し、ビーム２４０、２６０の核がターゲット５１０の核と融合反応してよい。

重要なことは、好適にはターゲット５１０が、カソード２３０、２５０に対して電気的にバイアスされないということである。ターゲット５１０をバイアスする必要がない構成の提供は、イオンを加速させて、電気的にバイアスされた電極であるターゲットに衝突させる必要のある公知の装置に比べた場合に有利である。装置５００では、ターゲット５１０が電気的にバイアスされないので、装置５００の構成が簡略化され、高電圧の利用が必要となる場合であっても、ターゲット５１０への電弧（electric arcing）等の複雑な問題が生じる可能性が低減される。これにより、１を超える数の電源または複雑な電子素子を利用して異なるカソードおよびターゲット間の供給電圧を分割する必要がなくなるので、装置５００の構造は更に簡略化される。

別の用途においては、装置５００を、中性子の発生ではなくて、ターゲット５１０のコーティングまたはエッチング用に利用することもできる。ビーム２４０、２６０の粒子は、ターゲット５１０の表面のコーティングに利用されてもよく、ターゲット５１０内に埋め込まれてもよい。

図６は、複数のターゲットを有する中性粒子発生器６００を示す。カソード３３０は、１以上の材料６２０を少なくとも部分的にプラズマ状態で保持するコンテナ６１０内に設けられて利用されてよい。前述したように、カソード３３０は、材料６２０から形成される、または材料６２０由来の更なる中性粒子ビーム３６０、３７０を生成する。ビーム３６０は、ターゲット６３０と衝突するよう方向付けられて、ビーム３７０はターゲット６４０と衝突するよう方向付けられる。ターゲット６３０、６４０は、前述したターゲット５１０に類似したものであってよい。ターゲット６３０、６４０は、中性子の生成用に利用することもでき、ビーム３６０、３７０からの粒子でコーティングまたはエッチングすることもできる。

図７は、材料（１または複数）７２０を容れるコンテナ７１０内に複数のカソード３３０および複数のターゲット６３０、６４０を有する中性粒子発生器７００を示す。この配置により、複数のビーム３６０、３７０、７３０、７４０、７５０、７６０は、ターゲット６３０またはターゲット６４０に衝突するよう方向付けられる。複数のビームを複数のターゲットに衝突させることにより、放出される中性子の生成レートを実質的に上げることができる。複数の異なる形状のカソードおよび複数のターゲットが幅広く異なる形状のコンテナとともに利用される幅広い他の構成が可能であることを理解されたい。

前述した中性粒子または中性子の発生装置は、例えば一部屋のサイズ等の、実質的により大きなサイズの装置に拡大することもできる。特定の例においては、カソードは、数十センチメートルのオーダの直径を有して、放出される中性子のレートを上げることができるが、この場合には、適切な遮蔽部、カソード冷却システム、および高電流容量の電源が必要となろう。

単一の中性粒子ビームを生成する単一のカソードを利用して、中性粒子の表面へのコーティング、エッチング、および／または注入をすることも可能である点を理解されたい。この単一のカソード構成では、装置を、表面をコーティングまたはエッチングする中性粒子発生器として捉えることができる。中性粒子発生器は、少なくとも１つの孔を有する中空カソードを含み、背景材料の中性粒子ビームを発生させ、このビームが該少なくとも１つの孔から放出される。これらの場合において、融合反応および後続する中性子の製造が望ましくない場合には、例えば一定の材料をコーティングするのに適したガス等の、幅広く異なる背景ガスを利用することができる。

他の実施形態では、中性粒子ビームの生成に利用される際にも装置には様々な用途が可能である（例えば、イオン／中性粒子銃としての用途、または、宇宙空間推進またはステーション維持用のスラスターとしての用途）。

本発明の他の実施形態は、更に、本明細書で言及した、または示した部材、エレメント、および特徴を幅広く、個々に、またはまとめて、２以上の部材、エレメント、または特徴の任意のまたは全ての組み合わせに含め、本明細書では本発明が関連する技術分野で公知の均等物を有する特定の整数について言及するかもしれないが、公知の均等物は、個別に言及されているものとして本明細書に含まれるものとする。

好適な実施形態について詳述してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、代替例、および変更例について想到することであろう。

Claims (37)

1. 少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、
   前記コンテナ内に配置され、前記材料から第１の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第１のカソードと、
   前記コンテナ内に配置され、前記材料から第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードと
   を備える中性粒子発生器。
2. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードは、動作中に前記第１の中性粒子ビームが前記第２の中性粒子ビームと相互作用することで中性子を生成するように配置される請求項１に記載の中性粒子発生器。
3. 前記コンテナの少なくとも一部はアノードとして動作する請求項１または請求項２に記載の中性粒子発生器。
4. 前記第１の中性粒子ビームおよび前記第２の中性粒子ビームは、実質的に指向性ビームである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
5. 前記第１の中性粒子ビームおよび前記第２の中性粒子ビームは、前記材料の中性原子および分子の少なくとも一方を含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
6. 前記コンテナは、少なくとも部分的にプラズマ状態の１を超える数の材料を含み、前記第１の中性粒子ビームは前記１を超える数の材料の中性粒子から形成され、前記第２の中性粒子ビームは前記１を超える数の材料の中性粒子から形成される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
7. 前記材料は、少なくとも部分的に水素、デュートリウム、トリチウム、またはこれらの混合物である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
8. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードは中空であり、少なくとも１つの孔が設けられる請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
9. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードは中空であり、２つの孔が設けられる請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
10. 前記第１のカソードまたは前記第２のカソードは、錐台、シリンダ、楕円、および球状からなる群から選択された形状である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
11. 前記第１のカソードまたは前記第２のカソードは、非対称形状である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
12. 前記第１のカソードまたは前記第２のカソードは中空の円錐台形状である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
13. 前記第１のカソードまたは前記第２のカソードは中空の両円錐台（a hollow conical bifrustum）である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
14. 前記第２のカソードは、前記第１のカソードと同じ形状である請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
15. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードの外面には電気絶縁体が設けられている請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
16. 前記電気絶縁体はセラミック製のスリーブである請求項１５に記載の中性粒子発生器。
17. 前記コンテナ内の前記材料の圧力は、約１から数百ｍＴｏｒｒの範囲である請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
18. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードは、線上に対向するよう配置される請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
19. 複数の更なるカソードを更に備え、
    前記複数の更なるカソードは、前記コンテナ内に配置され、前記材料から更なる中性粒子ビームを生成し、各更なる中性粒子ビームは、当該更なる中性粒子ビームを発生させた更なるカソードから放出され、
    前記第１のカソード、前記第２のカソード、および前記複数の更なるカソードは、実質的に円形配置され、
    前記第１の中性粒子ビーム、前記第２の中性粒子ビーム、および前記更なる中性粒子ビームは、前記円形配置の中央領域に向けて放出される請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
20. 前記中性子は、前記第１の中性粒子ビームと前記第２の中性粒子ビームとの間の衝突の結果生成される請求項２に記載の中性粒子発生器。
21. 前記第１のカソードと前記第２のカソードとの間にターゲット材料が配置される請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
22. 少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、
    前記コンテナ内に配置され、前記材料から中性粒子ビームを生成して、自身から放出するカソードと、
    前記コンテナ内に配置されたターゲットと
    を備える中性粒子発生器。
23. 前記カソードおよび前記ターゲットは、動作中に前記ビームが前記ターゲットと衝突することで中性子を生成するように方向付けられるよう配置される請求項２２に記載の中性粒子発生器。
24. 前記ターゲットは、前記カソードに対して電気的にバイアスされない請求項２２または請求項２３に記載の中性粒子発生器。
25. 前記ターゲットは、デュートリウムおよびトリチウム原子の少なくとも一方を豊富に含む表面領域を含む請求項２２から請求項２４のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
26. 前記コンテナ内に配置され、前記材料から第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードを更に備え、
    前記第２のカソードおよび前記ターゲットは、動作中に前記第２の中性粒子ビームが前記ターゲットと衝突することで中性子を生成するように方向付けられるよう配置される請求項２２から請求項２５のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
27. 前記コンテナ内に配置され、前記材料から第２の中性粒子ビームを生成して、自身から放出する第２のカソードと、
    前記コンテナ内に配置された第２のターゲットと
    を更に備え、
    前記第２のカソードおよび前記第２のターゲットは、動作中に前記第２の中性粒子ビームが前記第２のターゲットと衝突することで中性子を生成するように方向付けられるよう配置される請求項２２から請求項２５のいずれか一項に記載の中性粒子発生器。
28. 少なくとも部分的にプラズマ状態の材料を実質的に含むコンテナと、
    少なくとも１つの孔を有し、前記コンテナ内に配置される中空カソードと
    を備え、
    動作中に前記中空カソードに対して負のバイアスを印加した場合、前記材料から中性粒子ビームが生成され、前記少なくとも１つの孔から放出される中性粒子発生器。
29. 前記中性粒子ビームは、前記材料の中性原子および／または分子を含む請求項２８に記載の中性粒子発生器。
30. スラスターである請求項２８または請求項２９に記載の中性粒子発生器。
31. 中性粒子銃である請求項２８または請求項２９に記載の中性粒子発生器。
32. 少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用して、前記カソードの内部領域にプラズマ材料のイオンを生成することで、前記カソード内に仮想アノードを形成する工程と、
    前記イオンの少なくとも一部を前記仮想アノードにより追い出し、前記中空カソード内の前記プラズマ材料により荷電交換過程を行うことで、中性粒子ビームを形成して前記少なくとも１つの孔から放出させる工程と、
    前記中性粒子ビームを他の粒子と衝突させることで、前記中性粒子ビームの少なくとも一部と、前記他の粒子の少なくとも一部とを融合反応させて中性子を生成する工程と
    を備える中性子発生方法。
33. 前記他の粒子は、同じ方法で生成される第２の中性粒子ビームの一部である請求項３２に記載の中性子発生方法。
34. 前記他の粒子は、ターゲット材料の一部である請求項３２に記載の中性子発生方法。
35. 前記他の粒子は、前記プラズマ材料の一部である請求項３２に記載の中性子発生方法。
36. 材料をコーティングする中性粒子を生成する方法であって、
    少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用して、前記カソードの内部領域にプラズマ材料のイオンを生成することで、前記カソード内に仮想アノードを形成する工程と、
    前記イオンの少なくとも一部を前記仮想アノードにより追い出し、前記中空カソード内の前記プラズマ材料により荷電交換過程を行うことで、中性粒子ビームを形成して前記少なくとも１つの孔から放出させる工程と、
    前記中性粒子ビームを表面に衝突させることで、前記中性粒子の前記表面をコーティングまたはエッチングする工程と
    を備える方法。
37. 電子ビームの生成方法であって、少なくとも１つの孔を有する中空カソードを利用して前記カソードの内部領域にプラズマ材料のイオンと電子とを生成することにより、前記イオンは、前記電子を追い出す電位を形成して、電子ビームを形成して前記少なくとも１つの孔から放出する工程を備える方法。

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