JP2017091710A - 核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧導入部を小型化しつつ陽極と高電圧導入部との沿面放電を抑制することができる核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法を提供する。【解決手段】イオン化した燃料ガスを加速させて核融合反応を起こさせる核融合中性子発生装置であって、真空容器１１は、陽極ＴＪａを有する。陰極１２は、真空容器１１と電気的に絶縁され、真空容器１１の内部に設けられる。高電圧導入部１３は、真空容器１１と電気的に絶縁され、高電圧印加手段１４から供給された電力を陰極１２に与えることにより陰極１２に負電位を生じさせる。絶縁体構造物１５は、真空容器１１の内側面の少なくとも一部を構成する絶縁体構造物であって、高電圧導入部１３側の三重点と陽極ＴＪａ側の三重点との沿面距離が空間距離よりも長い距離を有するように真空容器１１の内側面側に設けられた遮蔽物１６を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、本発明の実施形態は、核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法に関する。

核融合中性子発生装置としては、慣性静電閉じ込め式核融合を用いた装置が知られている。慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた装置は、たとえば陽極を兼ねる球形状の真空容器の中心に、同心球に格子状の陰極を配置した構造を有する。

この種の装置では、真空容器内に重水素等の燃料ガスを充填し、陽極と陰極との間に数ｋＶから１００ｋＶ程度の高電圧を印可することで、放電によって重水素イオン等が発生する。発生したイオンは電極間の電場によって中心に向かって加速収束される。陰極が格子状になっているため、大部分のイオンは陰極に衝突せず陰極内部に到達し、陰極内部から外側に飛び出し、電場によって再び中心に向かって加速収束される。

球中心部で高密度となったイオンが相互に衝突し、燃料ガスと衝突し、あるいは陰極や陽極に埋め込まれた燃料ガスの粒子に衝突することにより、核融合反応が発生して中性子や荷電粒子が生成される。また、慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた核融合中性子発生装置の構造は、たとえば陽極と陰極を円筒形状にし、同軸上に配置した構造であってもよい。この種の核融合中性子発生装置は、高電圧導入部を介して陰極に高電圧を印加するよう構成される。

特許第３８６７９７２号公報 特許第３７００４９６号公報 特開２００４−３１１１５２号公報 特開２００８−２０２９４２号公報

核融合中性子発生装置で得られる中性子や荷電粒子は、核物質探知、火薬探知、非破壊検査への応用が期待されている。このため、たとえば屋外等の現場での使用の利便性を高めるよう、装置の小型化が求められている。

一方、中性子の発生量は、陰極への印加電圧に応じて大きくなるため、より高い電圧を陰極に印加することが、高出力な中性子発生を得るために有効である。しかし、高電圧導入部を介して陰極に高電圧を印加すると、たとえば真空容器の接地部などの陽極と高電圧導入部との位置関係によっては沿面放電が発生してしまう場合がある。

そこで、従来の核融合中性子発生装置は、陰極用の高電圧導入部の軸方向に沿う方向に延びる絶縁体構造物を高電圧導入部に設けることにより、陽極と陰極用の高電圧導入部との沿面距離、絶縁距離をかせいでいる。しかし、高電圧導入部の軸方向に沿う方向に沿面距離、絶縁距離をかせぐように絶縁体構造物を設けると、高電圧導入部のサイズが大型化してしまう。このため、装置が大型化、複雑化し、屋外などでの現場での使用が制限されてしまっていた。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、高電圧導入部を小型化しつつ陽極と高電圧導入部との沿面放電を抑制することができる核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る核融合中性子発生装置は、上述した課題を解決するために、イオン化した燃料ガスを加速させて核融合反応を起こさせる核融合中性子発生装置であって、真空容器、陰極、高電圧導入部および絶縁体構造物を備える。真空容器は、陽極を有し、大気圧より低い圧力に保たれる。陰極は、真空容器と電気的に絶縁され、真空容器の内部に設けられる。高電圧導入部は、真空容器と電気的に絶縁され、陽極と陰極間の電界によってイオン化した燃料ガスを加速させるよう、電圧印加手段から供給された電力を陰極に与えることにより陰極に負電位を生じさせる。絶縁体構造物は、真空容器の内側面の少なくとも一部を構成する絶縁体構造物であって、高電圧導入部側の三重点と陽極側の三重点との沿面距離が空間距離よりも長い距離を有するように真空容器の内側面側に設けられた遮蔽物を有する。

本発明の第１実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 本発明の第１実施形態に係る核融合中性子発生装置の他の例を示す構成図。 従来の核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 絶縁距離と沿面放電電圧との関係の一例を示す説明図。 第１実施形態に係る絶縁体構造物および遮蔽物を真空容器内部から見た様子の一例を示す説明図。 （ａ）は、従来の遮蔽物がない場合の陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離の一例を示す説明図であり、（ｂ）は、第１実施形態に係る遮蔽物が設けられた場合の陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離の一例を示す説明図。 （ａ）は第１実施形態に係る遮蔽物の第１変形例を示す説明図、（ｂ）は第１実施形態に係る遮蔽物の第２変形例を示す説明図。 本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置の他の例を示す構成図。 本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置の変形例を示す構成図。 本発明の第３実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 第３実施形態に係る遮蔽物が有する傾斜により沿面で発生した２次電子雪崩の進展を抑制する様子の一例を示す説明図。 （ａ）は、第３実施形態に係る遮蔽物の変形例を示す説明図であり、（ｂ）は、第３実施形態に係る遮蔽物の傾斜角θを接触角φから求める例を示す説明図。 本発明の第４実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 本発明の第５実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 （ａ）は第５実施形態に係る電荷逃し手段の第１例を示す説明図、（ｂ）は電荷逃し手段の第２例を示す説明図、（ｃ）は電荷逃し手段の第３例を示す説明図。 本発明の第６実施形態に係る核融合中性子発生装置の一例を示す構成図。 （ａ）は真空容器の形状が円錐台である場合の一例を示す説明図、（ｂ）は六角錐台である場合の一例を示す説明図、（ｃ）は高電圧導入部側を底とする円錐体である場合の一例を示す説明図、（ｄ）は真空容器の形状が円筒であるとともに絶縁体構造物がなす真空容器の内側面が曲面である場合の一例を示す説明図、（ｅ）真空容器が球状である場合の一例を示す説明図、（ｆ）は真空容器の形状が高電圧導入部を頂点とする円錐体であるとともに真空容器の側面が絶縁体構造物により構成される場合の一例を示す説明図。

本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態に係る核融合中性子発生装置は、少なくとも真空容器の内側面の一部を構成する絶縁体構造物であって、絶縁体構造物に設けられた遮蔽物により陰極側の三重点と陽極側の三重点との沿面距離を空間距離よりも長くすることにより、高電圧導入部の軸方向に沿う方向に延びるように絶縁体構造物を設けることなく高電圧導入部との沿面放電を抑制するものである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の他の例を示す構成図である。図１および図２には、真空容器１１が円筒形状を有する場合における、円筒の軸に平行な面で切った真空容器１１の断面図の一例を概略的に示した。

核融合中性子発生装置１０は、図１に示すように、陽極を兼ねた真空容器１１、真空容器１１の内部に配置された陰極１２、陰極１２に所定の高電圧を印加するための高電圧導入部１３および高電圧印加手段１４、および少なくとも真空容器１１の内側面の一部を構成するとともに真空容器１１のフランジを兼ねる絶縁体構造物１５を有する。

真空容器１１は、大気圧より低い圧力に保たれ、内部に重水素、３重水素、またはこれらの混合ガスから構成された燃料ガスが導入されている。真空容器１１の形状は、球形、円筒形、６面体など任意の形状が選択可能である。真空容器１１は、たとえばアルミニウムやＳＵＳ３０４などのステンレス、チタンなどの導電性の物質で構成されてもよいし、ガラスなどの絶縁性の物質で構成されていてもよい。

陽極は、真空容器１１の内壁と陰極１２との間に設けられ、導電性の物質により構成される。陽極の形状は、陰極１２の形状に応じて任意に選択可能である。真空容器１１の内壁がアルミニウム、ステンレスまたはステンレスなどの導電性の物質である場合、真空容器１１は陽極を兼ねることができる。

以下の説明では、真空容器１１が円筒形状を有し、真空容器１１の内壁がＳＵＳ３０４などの導電性の物質で構成され、真空容器１１の内壁が陽極を兼ねる場合の例について示す。

陰極１２は、陽極を兼ねた真空容器１１と電気的に絶縁されるように陽極の内側に設けられ、導電性の材質により構成されたかご状の電極である。かご状の陰極１２の幾何学的透過率は、９０％以上であることが好ましい。また陰極１２の形状は、円筒形状や球形状、リング形状などの形状とすることが可能である。陰極１２の材質としては、チタンやタンタルなどの導電性があり高融点の材質であれば、各種の材質を用いることができる。以下の説明では、陰極１２が純タングステンにより構成され、幾何学的透過率９５％の円筒形状を有する場合の例について示す。すなわち、以下では、陽極を兼ねた円筒形状の真空容器１１と、円筒形状の陰極１２とが同心軸状に設けられており、電圧を印加した際に、周方向に対称な電場分布となる場合の例について説明する。

なお、陽極と陰極１２との間には、導電性の材質からなるかご状の電極である中間電極を設けてもよい。この場合、かご状の中間電極の幾何学的透過率は、９０％以上であることが好ましい。また、中間電極の形状は円筒形状や球形状、リング形状などの形状とすることが可能である。中間電極は、陽極と陰極１２との間の空間に少なくとも１個以上配置可能である。

高電圧導入部１３は、導電性材料により構成され、陰極１２を支持する。高電圧導入部１３は、陽極を兼ねた真空容器１１と電気的に絶縁され、ケーブル１４ａを介して真空容器１１の外側にある高電圧印加手段１４から供給された電力を陰極１２に与えることにより、陰極１２に負電位を生じさせる。高電圧導入部１３は、図１の断面図に示すように、周囲を絶縁体構造物１５で囲まれており、この絶縁体構造物１５により真空容器１１と陰極１２とは電気的に絶縁されている。高電圧導入部１３は、真空に関しても、真空容器１１の外側（大気圧側）と内側（真空側）とをシールしている。また、図２に示すように、高電圧導入部１３は、たとえばアルミナなどの絶縁性の材料で囲ってもよい。

高電圧印加手段１４は、高電圧導入部１３を介して陰極１２に負極性の高電圧を印可するための電源である。

ここで、核融合中性子発生装置１０における核融合反応発生の流れについて簡単に説明する。まず、高電圧印加手段１４により、陽極を兼ねた真空容器１１と陰極１２との間に負極性の電圧を印加する。なお、真空容器１１は接地されている。陰極１２と陽極を兼ねた真空容器１１との間の負の電圧によって、円筒形状の真空容器１１の円径方向内向きの電場が生じる。この電場により、陽極を兼ねた真空容器１１と陰極１２との間でグロー放電が生じ、燃料ガスイオンが生成される。陰極１２と真空容器１１との間の空間で生成されたイオンは、陰極１２に向かって加速される。加速されたイオンは、かご状の陰極１２の隙間を通過して陰極１２の内側に収束される。そして加速、収束されたイオンどうしによる衝突や、イオンと燃料ガスとの衝突等によって核融合反応が生じる。たとえば、燃料ガスに重水素を用いた場合、核融合反応によって中性子や陽子が発生する。

絶縁体構造物１５は、絶縁性の材料により構成される。絶縁体構造物１５は、真空容器１１と高電圧導入部１３とが交わる面に設けられるとともに、真空容器１１の内側面の少なくとも一部を構成する。絶縁体構造物１５の形状は、真空容器１１の形状に応じて任意に選択可能である。たとえば、真空容器１１が円筒形状である場合は、絶縁体構造物１５は、図１に示すように円柱形状を有する。また、絶縁体構造物１５は、真空容器１１のフランジを兼ねてもよい。もちろん、別途任意の材質のフランジと絶縁体構造物１５とを組み合わせて使用することも可能である。

絶縁体構造物１５と高電圧導入部１３とが接触する位置は、真空雰囲気とともに三重点（トリプルジャンクション）を形成する。絶縁体構造物１５と陽極を兼ねた真空容器１１とが接触する位置もまた、真空雰囲気とともに三重点（トリプルジャンクション）を形成する。以下の説明では、絶縁体構造物１５と高電圧導入部１３との接合部に形成される高電圧導入部１３側の三重点を陰極側三重点ＴＪｃといい、絶縁体構造物１５と陽極を兼ねた真空容器１１との接合部の三重点を陽極側三重点ＴＪａという。図１に示す例では、陰極側三重点ＴＪｃはおよび陽極側三重点ＴＪａは、それぞれ真空容器１１の円筒の軸を中心とする円形状を有する。

絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側には、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離が、空間距離よりも長い距離を有するように、遮蔽物１６が設けられる。一方、絶縁体構造物１５の真空容器１１の外側面側、すなわち大気圧側の面は、任意の形状を選択可能である。絶縁体構造物１５と遮蔽物１６とは、同一の絶縁性材料から構成されてたとえば一体的に形成されてもよいし、それぞれ異なる絶縁性材料により構成されてもよい。

また、この遮蔽物１６を有する絶縁体構造物１５は、真空容器１１内の電界分布を均一化するように、高電圧導入部１３と真空容器１１の中心を結ぶ直線に垂直（たとえば円筒形状の真空容器１１の軸に垂直）かつ真空容器１１の中心を通る面に対して絶縁体構造物１５と対称となるように、絶縁体構造物１５に対向する真空容器１１の内側面にさらに設けられてもよい（図２の下側参照）。

次に、本実施形態に係る核融合中性子発生装置１０および核融合中性子発生方法の動作の一例について説明する。

真空中での絶縁物沿面放電は、三重点（トリプルジャンクション）と呼ばれる導体、絶縁体構造物、真空の３者の接合部からの電子放出が起点となって発生する。トリプルジャンクションでは電界強度が高くなり、電子が電界放出される。トリプルジャンクションから放出された２次電子は、絶縁体構造物表面に衝突し、２次電子を発生させる。この２次電子が絶縁体構造物表面で二次電子雪崩を引き起こし、沿面放電（絶縁破壊）を発生させてしまう。

図３は、従来の核融合中性子発生装置１００の一例を示す構成図である。また、図４は、絶縁距離と沿面放電電圧との関係の一例を示す説明図である。

図４に示すように、絶縁距離、すなわち接地部と高電圧部との沿面距離が大きいほど、沿面放電電圧が高くなることが知られている。このため、従来の核融合中性子発生装置１００は、高電圧印加手段１０４から陰極１０２に電圧を印加するための高電圧導入部１０３と、陽極を兼ねた真空容器１０１との沿面距離をかせぐため、陰極１０２用の高電圧導入部１０３の軸方向に沿う方向に延びる絶縁体構造物１０５を高電圧導入部１０３に設けている。

しかし、高電圧導入部１０３の軸方向に沿う方向に沿面距離、絶縁距離をかせぐように絶縁体構造物１０５を設けると、真空容器１０１から絶縁体構造物１０５が大きく突出してしまい、核融合中性子発生装置１００は大型化してしまう。

そこで、本実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、高電位部である陰極１２および高電圧導入部１３と、接地電位である真空容器１１との間に絶縁体構造物１５を設けるとともに、絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側に遮蔽物１６を設ける。

図５は、第１実施形態に係る絶縁体構造物１５および遮蔽物１６を真空容器１１内部から見た様子の一例を示す説明図である。図５には、遮蔽物１６が陰極側三重点ＴＪｃを囲むように真空容器１１の内側面から突出した円環状のひだである場合の例を示した。図５に示すように、陰極側三重点ＴＪｃはおよび陽極側三重点ＴＪａは、それぞれ真空容器１１の円筒の軸を中心とする円形状を有する。

図６（ａ）は、従来の遮蔽物１６がない場合の陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０の一例を示す説明図であり、（ｂ）は、第１実施形態に係る遮蔽物１６が設けられた場合の陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０の一例を示す説明図である。

陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０が空間距離よりも長い距離を有するように絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側に遮蔽物１６を設けることにより（図６（ｂ）参照）、遮蔽物１６を設けない場合（図６（ａ）参照）と比較して実効的な沿面距離２０を長くとることができ、絶縁電圧を向上させることができる。

図７（ａ）は第１実施形態に係る遮蔽物１６の第１変形例を示す説明図であり、（ｂ）は第１実施形態に係る遮蔽物１６の第２変形例を示す説明図である。

第１実施形態に係る遮蔽物１６は、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０が空間距離よりも長い距離を有するように設けられればよく、その形状および配置位置は、複数の円形の島や（図７（ａ）参照）円形の溝、複数の長円の島（図７（ｂ）参照）や長円の溝、あるいは陰極側三重点ＴＪｃを囲むように絶縁体構造物１５の内側面をくぼませた円環状の溝など、様々な形状および配置位置を採用することができる。

第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、高電圧導入部１３と陽極を兼ねた真空容器１１との間に絶縁体構造物１５を設けるとともに、絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側に、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０が空間距離よりも長い距離を有するように遮蔽物１６を設ける。このため、高電圧導入部１３の軸方向に沿う方向に沿面距離、絶縁距離をかせぐように絶縁体構造物１５を設けることなく、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの間での沿面放電を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る核融合中性子発生装置１０によれば、高電圧導入部１３の軸方向に沿う方向に設けられる絶縁体構造物を排して高電圧導入部１３をたとえば数ｃｍ程度まで小型化しつつ、陽極と高電圧導入部１３との沿面放電を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の第２実施形態について説明する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。また、図９は、本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の他の例を示す構成図である。

第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、電界強度が高いトリプルジャンクション近傍の電界を緩和する点で第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、たとえば陰極側三重点ＴＪｃの近傍と、陽極側三重点ＴＪａの近傍と、の少なくとも一方を、ひだ状形状を有する遮蔽物１６で遮蔽する。三重点を遮蔽するようにひだ状形状を有する遮蔽物１６を配置することで、三重点の電界強度を緩和することができるとともに、陰極側三重点ＴＪｃからの電気力線の浸みだしを抑制することができる。

また、図９に示すように、第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、高電圧導入部１３の周辺の絶縁体構造物１５の内側面をくぼませて、遮蔽物１６として円環状の溝３１を設けることにより、円環状の溝３１に陰極側三重点ＴＪｃを内包させてもよい。この場合、陰極側三重点ＴＪｃは、円環状の溝３１により遮蔽される。なお、くぼみの深さは任意の値を選択可能である。

円環状の溝３１によっても、陰極側三重点ＴＪｃを遮蔽することができ、陰極側三重点ＴＪｃの電界強度を緩和することができるとともに陰極側三重点ＴＪｃからの電気力線の浸みだしを抑制することができる。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の変形例を示す構成図である。

図１０に示すように、高電圧導入部１３を囲むように、かつ一端が陰極１２と接し他端が絶縁体構造物１５と接し、かつ陰極１２の外径Ｌ２より小さい外径Ｌ１を有する導電性材料３２を設けてもよい。この導電性材料３２は、擬似的な陰極１２として機能し、陰極側三重点ＴＪｃの電界強度を緩和することができる。

図５に示したひだ形状の遮蔽物１６、図７（ａ）、（ｂ）に示した遮蔽物１６などの第１実施形態に係る遮蔽物１６と、三重点近傍のひだ形状の遮蔽物１６、溝３１、導電性材料３２は、適宜組み合わせて用いることができる。

第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。また、第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、三重点での電界強度を緩和することで、沿面放電のきっかけとなる三重点からの電子放出を抑制することができる。また、陰極側三重点ＴＪｃからの電気力線の浸みだしを抑制することにより、接地部と高電圧部との間での局所的な気中放電発生を抑制できる。このため、第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０によれば、真空容器１１の内部での沿面放電および局所的な気中放電発生を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の第３実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。

第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、絶縁体構造物１５のひだ沿面での二次電子増幅を低減するよう、ひだ状形状の沿面に傾斜を持たせた点で第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と異なる。他の構成および作用については図８−１０に示す第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図１１に示すように、第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、ひだ形状の遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃに対向する側の沿面が、たとえば図１１に示す例では真空容器１１の円筒の軸に平行な面に対する角度θがマイナス９０度以上プラス４５度以内の傾斜を有する。ここで、角度θは、絶縁体構造物１５がなす真空容器１１の内側面に垂直な面から、ひだ形状の遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃに対向する側の沿面の図１１の下側（真空容器１１の中心側）が陽極側三重点ＴＪａに近づく向きをプラスの向きとする。

図１２は、第３実施形態に係る遮蔽物１６が有する傾斜により沿面で発生した２次電子雪崩の進展を抑制する様子の一例を示す説明図である。図１２に示すように、ひだ形状の遮蔽物１６の沿面の傾斜と絶縁体構造物１５のなす角度θをプラス４５度以下とすることで、遮蔽物１６が陰極側三重点ＴＪｃから生じた電子を止める壁として機能するとともに、絶縁体構造物１５の沿面で発生した２次電子雪崩の進展を抑制することができる。

図１３（ａ）は、第３実施形態に係る遮蔽物１６の変形例を示す説明図であり、（ｂ）は、第３実施形態に係る遮蔽物１６の傾斜角θを接触角φから求める例を示す説明図である。図１３（ａ）に示すように、第３実施形態に係る遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃに対向する側の沿面の形状は、くぼんだ形状であってもよい。また、図１３（ｂ）に示すように、沿面が平面的でない場合は、遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃ側の接触角φを９０度から減じた角度をθとしてもよい。

第１実施形態に係る遮蔽物１６と、第２実施形態に係る三重点近傍のひだ形状の遮蔽物１６、溝３１、導電性材料３２と、第３実施形態に係る傾斜した遮蔽物１６とは、適宜組み合わせて用いることができる。

第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第１実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。また、第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第２実施形態に係る三重点近傍のひだ形状の遮蔽物１６、溝３１、導電性材料３２またはこれらの組み合わせを用いることができ、この場合は第２実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。

また、第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、ひだ形状の遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃ側の沿面を傾斜させることにより、遮蔽物１６が陰極側三重点ＴＪｃから生じた電子を止めることができるともに、絶縁体構造物１５の沿面で発生した２次電子雪崩の進展を抑制することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の第４実施形態について説明する。

図１４は、本発明の第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。

第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、絶縁体構造物１５の表面のチャージアップを抑制するために、絶縁体構造物１５上に荷電粒子収集用の導体４１を設けた点で図１１に示す第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と異なる。他の構成および作用については図１１に示す第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

荷電粒子収集導体４１としては、たとえばチタンやタンタルなどの導電性の金属などを用いることができる。なお、荷電粒子収集導体４１の形状は、球形状、リング形状など、遮蔽物１６や真空容器１１の形状に応じた任意の形状とすることが可能である。本実施形態では、図１４に示すように、第３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、ひだ形状の遮蔽物１６の陰極側三重点ＴＪｃに対向する側の沿面に固設された荷電粒子収集導体４１を有する。ひだ形状の遮蔽物１６が陰極側三重点ＴＪｃを囲むように設けられていることに伴い、荷電粒子収集導体４１は、陰極側三重点ＴＪｃを囲む円筒形状を有する。

円筒形状の荷電粒子収集導体４１の内側面は、陰極側三重点ＴＪｃに対向し、導体が露出している。一方、円筒形状の荷電粒子収集導体４１の外側面は、陰極側三重点ＴＪｃに背を向けており、絶縁体構造物１５のひだ形状の遮蔽物１６の沿面に埋め込まれて固設され、導体面が露出しないように配置されている。なお円筒形状の荷電粒子収集導体４１は絶縁体構造物１５のひだ形状の遮蔽物１６の個数に応じて任意の数を配置可能である。荷電粒子収集導体４１は、各々が電気的に絶縁されているとともに、陽極および陰極１２に対しても電気的に絶縁されている。

絶縁体構造物１５は、三重点で発生した電子が流入し、二次電子発生により電子流出し、あるいは真空容器１１内で生成されるプラズマから電子が流入することによって、表面がチャージアップしてしまう。この絶縁体構造物１５の表面がチャージアップしてしまうと、沿面放電発生電圧が低下してしまう。

第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、荷電粒子収集導体４１を設けることにより、遮蔽物１６の沿面での電子の移動を容易とし、絶縁体構造物１５の表面のチャージアップを抑制することができる。また第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、荷電粒子収集導体４１の導体面を陰極側三重点ＴＪｃに対向する側にのみ配置し、陽極側三重点ＴＪａに対向する側には導体面を配置しない。このため、陰極側三重点ＴＪｃから流入した電子を荷電粒子収集導体４１で収集してしまうことができるとともに、陽極側三重点ＴＪａへの電子増幅を抑制することができる。さらに、陽極側三重点ＴＪａには導体面を設けないことにより、真空容器１１内で発生したイオンが荷電粒子収集導体４１や絶縁体構造物１５に衝突することで発生する二次電子雪崩増幅を低減することができる。

したがって、第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０によれば、絶縁体構造物１５の沿面での電子の移動を容易にしてチャージアップを抑制することができるため、沿面放電や局所的な気中放電発生を低減することができる。

また、第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第１実施形態に係る遮蔽物１６と、第２実施形態に係る三重点近傍のひだ形状の遮蔽物１６、溝３１、導電性材料３２と、第３実施形態に係る傾斜した遮蔽物１６と、を適宜組み合わせて用いることができ、第１−３実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。

（第５の実施形態）
次に、本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の第５実施形態について説明する。

図１５は、本発明の第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。

第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、荷電粒子収集導体４１の電荷を真空容器１１の外部に取り除く電荷逃し手段４２を備え点で図１４に示す第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と異なる。他の構成および作用については図１４に示す第４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図１５に示すように、第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、荷電粒子収集導体４１の電荷を真空容器１１の外部に逃す電荷逃し手段４２を備えている。

図１６（ａ）は第５実施形態に係る電荷逃し手段４２の第１例を示す説明図であり、（ｂ）は電荷逃し手段４２の第２例を示す説明図であり、（ｃ）は電荷逃し手段４２の第３例を示す説明図である。

電荷逃し手段４２は、電源Ｖ１−Ｖ３と抵抗Ｒ１−Ｒ３をそれぞれ組み合わせて荷電粒子収集導体４１のそれぞれに独立に設けられてもよい（図１６（ａ）参照）。また、電荷逃し手段４２は、抵抗により構成されて抵抗を介して荷電粒子収集導体４１どうしを電気的に接続してもよいし（図１６（ｂ）参照）、荷電粒子収集導体４１どうしを等電位に接続してもよい（図１６（ｃ）参照）。このように、電荷逃し手段４２としては抵抗や高電圧電源などの任意の手段を選択可能であり、たとえば高電圧電源を用いて、複数の抵抗に電圧印加、分圧して各荷電粒子収集導体４１に電圧を印加してもよい。

また、電荷逃し手段４２は、荷電粒子収集導体４１が複数ある場合はこれらの間や、陰極１２、真空容器１１との間で平等な電界を発生させるように、荷電粒子収集導体４１にかかる電位を調整するとよい。

たとえば、本実施形態では陰極１２が負電位、真空容器１１が接地電位のため、各荷電粒子収集導体４１には陰極１２に印加した電位よりも絶対値で小さな値の負電位を印加するとよい。この場合、発生する電場の向きは真空容器１１から陰極１２に向かう方向である。

第４実施形態に係る荷電粒子収集導体４１は、電位が浮遊電位となってしまい、任意の値に設定することができない。このため、各荷電粒子収集導体４１間や、陰極１２、真空容器１１との間で、局所的な電界が発生してしまう場合がある。局所的な電界が発生すると、電子雪崩が発生し、沿面放電や局所的な気中放電が生じる可能性がある。

一方、第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、電荷逃し手段４２を用いて、各荷電粒子収集導体４１の電位を任意の値に設定することができる。このため、局所的な電界発生を抑制し、各荷電粒子収集導体４１間や、陰極１２、真空容器１１との間で平等な電界を発生させることができる。したがって、第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０によれば、局所的な電界の発生を抑制することができ、電子雪崩発生による沿面放電や局所的な気中放電を低減することができる。

また、第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第１実施形態に係る遮蔽物１６と、第２実施形態に係る三重点近傍のひだ形状の遮蔽物１６、溝３１、導電性材料３２と、第３実施形態に係る傾斜した遮蔽物１６と、を適宜組み合わせて用いることができ、第１−４実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。

（第６の実施形態）
次に、本発明に係る核融合中性子発生装置および核融合中性子発生方法の第６実施形態について説明する。

図１７は、本発明の第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０の一例を示す構成図である。

第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、真空容器１１の外側の高電圧導入部１３を覆う絶縁物質５１を備え点で図１５に示す第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と異なる。他の構成および作用については図１５に示す第５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、図１７の破線で囲んだ円Ａに示すように、高電圧導入部１３のうち真空容器１１の外側に露出した部分と、高電圧導入部１３と高電圧印加手段１４との接合部と、絶縁物質５１で覆う。

図１７に示す例では、高電圧導入部１３と高電圧印加手段１４との接合箇所は、ケーブル１４ａと高電圧導入部１３としての金属端子との接続部分を指す。絶縁物質５１としては、たとえばアルミナなどのセラミックや絶縁油、絶縁性の樹脂など、任意の材料を用いることができる。絶縁物質５１は、印加する電圧に対して選択した材料が固体絶縁破壊を起こさないように、適切な厚みを有することが好ましい。たとえば、絶縁物質５１として絶縁性の樹脂を用いて高電位部をモールドする場合であって印加する電圧がマイナス１００ｋＶであれば、絶縁物質５１は数ｃｍ程度の厚みを有すればよく、装置の小型化にはほとんど影響しない。

第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、第１−５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と適宜組み合わせることが可能であり、第１−５実施形態に係る核融合中性子発生装置１０と同様の作用効果を奏する。

また、第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、真空容器１１の外側の高電位部を絶縁物質５１で覆い、高電位部が露出しないようにすることができる。このため、高電位部と真空容器１１の外側面との間の大気圧沿面放電や期中放電発生を未然に防ぐことができる。第６実施形態に係る核融合中性子発生装置１０は、絶縁物質５１の絶縁破壊電圧のみを考慮した絶縁設計を行えばよく、従来必要であった沿面放電、気中放電を防ぐための絶縁構造が不要となる。このため、大気圧側の高電圧導入部１３のサイズを小型にすることができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、高電圧導入部１３と陽極を兼ねた真空容器１１との間に絶縁体構造物１５が設けられるとともに、絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側に、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０が空間距離よりも長い距離を有するように遮蔽物１６が設けられる。このため、高電圧導入部１３の軸方向に沿う方向に沿面距離、絶縁距離をかせぐように絶縁体構造物１５を設けることなく、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの間での沿面放電を抑制することができる。したがって、高電圧導入部１３の軸方向に沿う方向に設けられる絶縁体構造物を排して高電圧導入部１３を小型化しつつ、陽極と高電圧導入部１３との沿面放電を抑制することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

たとえば、上記説明では真空容器１１が円筒形状を有する場合の例を示したが、真空容器１１の形状はこれに限られない。

図１８（ａ）は真空容器１１の形状が円錐台である場合の一例を示す説明図であり、（ｂ）は六角錐台である場合の一例を示す説明図であり、（ｃ）は高電圧導入部１３側を底とする円錐体である場合の一例を示す説明図である。

絶縁体構造物１５は、真空容器１１と高電圧導入部１３とが交わる面に設けられるとともに、真空容器１１の内側面の少なくとも一部を構成すればよい。また、たとえばひだ形状の遮蔽物１６は、陰極側三重点ＴＪｃと陽極側三重点ＴＪａとの沿面距離２０が空間距離よりも長い距離を有するように絶縁体構造物１５の真空容器１１の内側面側に設けられればよい。この限りにおいて、真空容器１１はさまざまな形状を取り得る（たとえば図１８（ａ）―（ｃ）参照）。

また、上記説明のように真空容器１１の形状が円筒である場合であっても、絶縁体構造物１５は上記説明のような平面に限られず、絶縁体構造物１５がなす真空容器１１の内側面は曲面であってもよい（図１８（ｄ）参照）。

また、真空容器１１は球状であってもよい。真空容器１１が球状である場合は、陰極１２の形状もまた球状であることが好ましい。この場合も、絶縁体構造物１５は、真空容器１１と高電圧導入部１３とが交わる面に設けられるとともに、真空容器１１の内側面の少なくとも一部を構成すればよい（図１８（ｅ）参照）。また、真空容器１１の側面が絶縁体構造物１５により構成されて、真空容器１１と高電圧導入部１３とが交わる面と真空容器１１の側面との両者を絶縁体構造物１５が兼ねてもよい（図１８（ｆ）参照）。

１０…核融合中性子発生装置、１１…真空容器、１２…陰極、１３…高電圧導入部、１４…高電圧印加手段、１５…絶縁体構造物、１６…遮蔽物、２０…沿面距離、３１…溝、４１…導体、４１…荷電粒子収集導体、４２…手段、５１…絶縁物質、ＴＪａ…陽極側三重点、ＴＪｃ…陰極側三重点。

Claims (14)

1. イオン化した燃料ガスを加速させて核融合反応を起こさせる核融合中性子発生装置であって、
   陽極を有し、大気圧より低い圧力に保たれた真空容器と、
   前記真空容器と電気的に絶縁され、前記真空容器の内部に設けられた陰極と、
   前記真空容器と電気的に絶縁され、前記陽極と前記陰極間の電界によって前記イオン化した燃料ガスを加速させるよう、電圧印加手段から供給された電力を前記陰極に与えることにより前記陰極に負電位を生じさせる高電圧導入部と、
   前記真空容器の内側面の少なくとも一部を構成する絶縁体構造物であって、前記高電圧導入部側の三重点と前記陽極側の三重点との沿面距離が空間距離よりも長い距離を有するように前記真空容器の内側面側に設けられた遮蔽物を有する絶縁体構造物と、
   を備えた核融合中性子発生装置。
2. 前記絶縁体構造物は、
   前記遮蔽物として、前記高電圧導入部側の三重点を囲むように、前記絶縁体構造物がなす前記真空容器の内側面から突出した円環状のひだを少なくとも１つ有する、
   請求項１記載の核融合中性子発生装置。
3. 前記ひだの少なくとも１つは、
   前記高電圧導入部側の三重点に対向する側の沿面が、前記絶縁体構造物がなす前記真空容器の内側面に垂直な面から前記沿面の前記真空容器の中心側が前記陽極側の三重点に近づく向きをプラスとして、前記真空容器の内側面に垂直な面からマイナス９０度以上プラス４５度以内の傾斜を有する、
   請求項２記載の核融合中性子発生装置。
4. 前記ひだの少なくとも１つは、
   荷電粒子を収集するための荷電粒子収集導体を有する、
   請求項２または３に記載の核融合中性子発生装置。
5. 前記荷電粒子収集導体は、
   円環状の前記ひだの前記高電圧導入部側の三重点に対向する側の沿面に固設され、前記高電圧導入部側の三重点を囲む円筒形状を有する、
   請求項４記載の核融合中性子発生装置。
6. 前記荷電粒子収集導体により収集された電荷を外部に取り除く電荷逃し手段、
   をさらに備えた請求項４または５に記載の核融合中性子発生装置。
7. 前記電荷逃し手段は、
   前記陰極と前記荷電粒子収集導体と前記真空容器との間の電界が平等電界となるように、前記荷電粒子収集導体にかかる電位を調整する、
   請求項６記載の核融合中性子発生装置。
8. 前記絶縁体構造物は、
   前記遮蔽物として、前記高電圧導入部側の三重点を囲むように、前記絶縁体構造物がなす前記真空容器の内側面をくぼませた円環状の溝を少なくとも１つ有する、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載の核融合中性子発生装置。
9. 前記溝の少なくとも１つは、
   前記高電圧導入部側の三重点を内包するように設けられた、
   請求項８記載の核融合中性子発生装置。
10. 前記絶縁体構造物の前記遮蔽物は、
    少なくとも前記高電圧導入部側の三重点の近傍に設けられた、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の核融合中性子発生装置。
11. 前記絶縁体構造物の前記遮蔽物は、
    少なくとも前記陽極側の三重点の近傍に設けられた、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の核融合中性子発生装置。
12. 前記高電圧導入部のうち前記真空容器の外側に露出した部分と、前記高電圧導入部と前記電圧印加手段との接合部と、を覆う絶縁物質、
    をさらに備えた請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の核融合中性子発生装置。
13. 前記高電圧導入部と前記真空容器の中心を結ぶ直線に垂直かつ前記真空容器の中心を通る面に対して前記絶縁体構造物と対称となるように、前記絶縁体構造物が構成する前記真空容器の内側面の一部に対向する前記真空容器の内側面に、前記遮蔽物を有する前記絶縁体構造物、
    をさらに備えた請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の核融合中性子発生装置。
14. 陽極を有し大気圧より低い圧力に保たれた真空容器と電気的に絶縁され、前記真空容器の内部に設けられた陰極と、前記真空容器と電気的に絶縁され、イオン化した燃料ガスを前記陽極と前記陰極間の電界により加速させるよう、電圧印加手段から供給された電力を前記陰極に与えることにより前記陰極に負電位を生じさせる高電圧導入部と、を備え、イオン化した燃料ガスを加速させて核融合反応を起こさせる核融合中性子発生装置の核融合中性子発生方法であって、
    前記真空容器の内側面の少なくとも一部を構成するように絶縁体構造物を設けるステップと、
    前記高電圧導入部側の三重点と前記陽極側の三重点との沿面距離が空間距離よりも長い距離を有するように前記真空容器の内側面側に遮蔽物を設けるステップと、
    を有する核融合中性子発生方法。

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