JP2020106279A - 電子ビーム照射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水中の対象物に対しても電子ビームを照射可能な電子ビーム照射装置を提供する。【解決手段】加速管１１が、電子銃１２で生成された電子ビームを加速するよう設けられた加速空間２１と、加速空間２１で加速された電子ビームを外部に照射可能に設けられた照射口２２とを有している。水素ガス３２供給手段１３が、加速空間２１に、所定の圧力の水素ガス３２を供給可能に設けられている。水素ガス３２供給手段１３から加速空間２１に供給された水素ガス３２を照射口２２から放出すると共に、照射口２２から照射される電子ビームが照射口２２から放出される水素ガス３２中を通過するよう構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム照射装置に関する。
従来、一般的な電子ビーム照射装置は、電子ビームを生成する電子銃などの電子線源と、生成された電子ビームを加速するための加速管とを有している（例えば、特許文献１参照）。また、ドライエッチングなどに使用するために、電子ビームを用いてプラズマを生成する装置が開発されている（例えば、非特許文献１または２参照）。
２００５−３３１４１８号公報
原 民夫、「電子ビームによるプラズマ生成」、プラズマ・核融合学会誌、1993年6月、第69巻、第6号、p.647-655 原 民夫、「電子ビーム励起プラズマエッチング装置の開発」、理研ニュース、July 1992、No.132、p.1-5
電子ビーム（電子線）は、水をほとんど透過できないため、特許文献１、非特許文献１および２のような、従来の電子ビーム照射装置では、水中の対象物に対して電子ビームを照射することはできないという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、水中の対象物に対しても電子ビームを照射可能な電子ビーム照射装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電子ビーム照射装置は、電子ビームを生成する電子銃と、前記電子銃で生成された前記電子ビームを加速するよう設けられた加速空間と、前記加速空間で加速された前記電子ビームを外部に照射可能に設けられた照射口とを有する加速管と、前記加速空間に、所定の圧力の水素ガスを供給可能に設けられた水素ガス供給手段とを有し、前記水素ガス供給手段から前記加速空間に供給された前記水素ガスを前記照射口から放出すると共に、前記照射口から照射される前記電子ビームが前記照射口から放出される前記水素ガス中を通過するよう構成されていることを特徴とする。
本発明に係る電子ビーム照射装置は、電子銃で生成され、加速管の加速空間で加速された電子ビームにより、水素ガス供給手段から加速空間に供給された水素ガスのうち、電子ビームが通過する部分の水素ガスを次々に電離して、プラズマ化することができる。発生したプラズマに継続して電子ビームを照射することにより、プラズマを加熱することができるため、同じ圧力の下では、プラズマを膨張させて密度を低下させることができる。これにより、密度に反比例する電子ビーム透過距離を長くすることができる。
また、本発明に係る電子ビーム照射装置は、加速空間の外部でも同様に、電子ビームが照射口から外部に放出される水素ガス中を通過するため、通過する部分の水素ガスを電離してプラズマ化することができる。このため、電子ビームを継続して照射することにより、プラズマを高温にして膨張させ、電子ビームの透過を容易にすることができる。こうして、本発明に係る電子ビーム照射装置は、照射口の外部の対象物に向かって、電子ビームを照射することができる。
本発明に係る電子ビーム照射装置では、水素ガスのプラズマ化により二次電子が発生するが、その二次電子も電子ビームとともに加速することができる。電子ビームの前方には常に水素ガスが流入するため、二次電子の雪崩現象が発生し、大電流で電子ビームを照射することができる。なお、水素ガスのプラズマ化により発生した陽子は、加速空間の内壁などに接触して電子を受け取り、水素ガスに戻る。
本発明に係る電子ビーム照射装置は、前記照射口を水中に配置したとき、水中の所定の位置に配置された対象物に向かって、前記水素ガスを放出し、前記電子ビームを照射可能に設けられていることが好ましい。この場合、水中に配置された対象物に、電子ビームを照射することができる。すなわち、本発明に係る電子ビーム照射装置は、水素ガス供給手段で加速空間に供給する水素ガスの圧力を、照射口の外部の水圧と同程度以上にすることにより、水素ガスを照射口から水中に放出することができる。このため、水中に配置された対象物に向かって水素ガスを放出することにより、その水素ガス中を通過する電子ビームを対象物に照射することができる。
また、この場合、水流を発生可能に設けられた水流発生手段を有し、前記対象物は液体、気体またはプラズマから成り、前記水流発生手段で発生した水流により、前記対象物を水中の前記所定の位置に留めるよう構成されていてもよい。これにより、対象物が液体、気体またはプラズマから成っていても、その対象物を水中に拡散させることなく、電子ビームを照射することができる。
本発明によれば、水中の対象物に対しても電子ビームを照射可能な電子ビーム照射装置を提供することができる。
本発明の実施の形態の電子ビーム照射装置を示す縦断面図である。 図１に示す電子ビーム照射装置の、水中で使用するときの変形例を示す縦断面図である。 図２に示す電子ビーム照射装置の、核融合発電に利用したときの使用状態を示す縦断面図である。
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の電子ビーム照射装置を示している。
図１に示すように、電子ビーム照射装置１０は、加速管１１と電子銃１２と水素ガス供給手段１３とを有している。
加速管１１は、筒状を成し、内部が加速空間２１を成している。加速管１１は、一方の端面１１ａが塞がれており、他方の端面１１ｂの中央部に照射口２２を有している。加速管１１は、長さ方向に沿ってほぼ等間隔に、側壁１１ｃを貫通して外側面から加速空間２１に突出するよう設けられた複数の電極２３と、各電極２３に接続された高圧電源２４とを有している。各電極２３は、中心に穴２３ａを有する円環状を成し、中心軸と加速空間２１の中心線とが一致するよう取り付けられている。高圧電源２４は、加速管１１の一方の端面１１ａ側の電極２３から他方の端面１１ｂ側の電極２３に向かって電位が高くなるよう、隣り合う電極２３間に電圧を印加可能に設けられている。また、加速管１１は、一方の端面１１ａ側の側面に、ガス供給口２５を有している。なお、図１に示す具体的な一例では、電極２３は５つから成っている。
電子銃１２は、加速管１１の一方の端面１１ａの加速空間２１側の中心部に配置され、加速空間２１に向かって電子ビームを生成可能に設けられている。電子ビーム照射装置１０は、高圧電源２４で各電極２３に電圧を加えることにより、電子銃１２で生成された電子ビーム３１を、加速空間２１で加速するよう構成されている。すなわち、電子ビーム照射装置１０は、電子ビーム３１を、各電極２３間の電位差で加速しながら、各電極２３の中心の穴２３ａを通って、他方の端面１１ｂの照射口２２に向かって加速するようになっている。また、電子ビーム照射装置１０は、加速空間２１で加速された電子ビーム３１を、照射口２２から外部に照射可能になっている。
水素ガス供給手段１３は、加速管１１のガス供給口２５に接続され、加速空間２１に所定の圧力の水素ガスを供給可能に設けられている。なお、水素ガスは、気体の中でも密度が小さく、電離に必要なエネルギーも、一原子当たり１３．６ｅＶと小さい。
電子ビーム照射装置１０は、水素ガス供給手段１３から加速空間２１に所定の圧力の水素ガスを供給することにより、供給された水素ガスを照射口２２から放出可能になっている。これにより、電子ビーム照射装置１０は、照射口２２から照射される電子ビーム３１が照射口２２から放出される水素ガス３２の中を通過するよう構成されている。
次に、作用について説明する。
電子ビーム照射装置１０は、電子銃１２で生成され、加速管１１の加速空間２１で加速された電子ビーム３１により、水素ガス供給手段１３から加速空間２１に供給された水素ガスのうち、電子ビーム３１が通過する部分の水素ガスを次々に電離して、プラズマ化することができる。このとき、水素ガスの電離により電子ビーム３１の運動エネルギーが吸収されるが、各電極２３間に電圧が印加されているため、電子ビーム３１は加速され続ける。発生したプラズマ３３に継続して電子ビーム３１を照射することにより、プラズマ３３を加熱することができるため、同じ圧力の下では、プラズマ３３を膨張させて密度を低下させることができる。これにより、電子ビーム３１の運動エネルギーの吸収を小さくすることができ、電子ビーム透過距離を長くすることができる。
また、電子ビーム照射装置１０は、加速空間２１の外部でも同様に、電子ビーム３１が照射口２２から外部に放出される水素ガス３２の中を通過するため、通過する部分の水素ガス３２を電離してプラズマ化することができる。このため、電子ビーム３１を継続して照射することにより、プラズマ３３を高温にして膨張させ、電子ビーム３１の透過を容易にすることができる。こうして、電子ビーム照射装置１０は、照射口２２の外部の対象物１に向かって、電子ビーム３１を照射することができる。
電子ビーム照射装置１０では、水素ガスのプラズマ化により二次電子が発生するが、その二次電子も電子ビーム３１とともに加速することができる。電子ビーム３１の前方には常に水素ガスが流入するため、二次電子の雪崩現象が発生し、大電流で電子ビーム３１を照射することができる。なお、水素ガスのプラズマ化により発生した陽子は、加速空間２１内の各電極２３や内壁などに接触して電子を受け取り、水素ガスに戻る。
なお、電子ビーム照射装置１０は、照射口２２から照射される電子ビーム３１の絞り込み、拡散、および／または、方向転換を可能に設けられた磁場印加手段を有していてもよい。この場合、照射口２２から照射される電子ビーム３１を制御することができ、対象物１に効率的に電子ビーム３１を照射することができる。
電子ビーム照射装置１０は、水中に配置された対象物１であっても、電子ビーム３１を照射することができる。すなわち、電子ビーム照射装置１０は、照射口２２を水中に配置したとき、水素ガス供給手段１３で加速空間２１に供給する水素ガスの圧力を、照射口２２の外部の水圧と同程度以上にすることにより、水素ガスを照射口２２から水中に放出することができる。このため、水中に配置された対象物１に向かって水素ガス３２を放出することにより、その水素ガス３２の中を通過する電子ビーム３１を対象物１に照射することができる。対象物１が固体であれば加工や溶接を行うことができ、対象物１が液体や気体、プラズマであれば電離や加熱を行うことができる。
例えば、水圧が１００気圧のとき、水素ガスの圧力も１００気圧とすると、水素ガスの密度は１気圧のときの１００倍の高密度になるが、電子ビーム３１で水素ガスを常温（約３００Ｋ）から３万Ｋまで加熱することにより、水素ガスの体積Ｖは１００倍になり、密度を１００分の１に下げることができる。これにより、高圧の水素ガス中であっても、電子ビーム３１の透過を容易にすることができる。
なお、図２に示すように、電子ビーム照射装置１０は、水中に配置された対象物１が液体、気体またはプラズマから成るとき、水流を発生可能に設けられた水流発生手段１４を有し、水流発生手段１４で発生した水流により、対象物１を水中の所定の位置に留めるよう構成されていてもよい。これにより、対象物１が液体、気体またはプラズマから成っていても、その対象物１を水中に拡散させることなく、電子ビーム３１を照射することができる。
図２に示す具体的な一例では、水流発生手段１４は、回転する水流を発生させるスクリューから成り、モータ１４ａで回転させることにより、照射口２２の外側で、加速空間２１の中心線を中心とした渦を発生可能になっている。この場合、渦の中心部の水圧が周囲より低くなるため、対象物１を渦内に閉じ込めることができる。なお、電子ビーム３１を照射する際、水素ガス３２も対象物１に当たり、渦に取り込まれるが、電子ビーム３１の照射後にスクリューを停止させることにより、浮力で水素ガスを上昇させて回収することができる。
また、図２に示すように、電子ビーム照射装置１０は、水中の所定の位置に向かって対象物１を注入可能、かつ、その所定の位置から電子ビーム３１の照射後の対象物１を回収可能に設けられた供給回収管１５を有していてもよい。
また、電子ビーム照射装置１０は、超臨界水を利用した核融合発電に利用することができる。すなわち、図３に示すように、２２０気圧以上、５００℃程度の超臨界水５１を満たした高圧容器５２の内部で、重水素と三重水素とから成る水素ガス３２を噴射するとともに、その水素ガス３２を通して超臨界水５１を対象物１として電子ビーム３１を照射する。電子ビーム３１の照射を続けることにより、水分子、それに混入した重水素、三重水素が分解され、最終的に裸の酸素原子核と陽子、重陽子、三重陽子、電子になる。これらの荷電粒子は、高速でも殆ど水を透過できないが、近傍の超臨界水５１を電離しプラズマ化する。その結果、周囲に生じた裸の酸素原子核に衝突した陽子、重陽子、三重陽子は、殆どその運動エネルギーを失うことなく跳ね返る。また、衝突された裸の酸素原子核は、跳ね返されることなく周囲にとどまり、陽子、重陽子などの跳ね返りに寄与することになる。
超臨界水５１は、熱伝導率が例えば０．１Ｗ／ｍＫ程度と小さいため、十分な量の超臨界水５１を用い、熱拡散量を上回る発熱が得られるよう、大出力の電子ビーム３１の照射を続けることにより、極めて高密度の水素、重水素、三重水素から成るプラズマ３３を、高温の状態に長時間維持することができる。プラズマ温度を３０００万Ｋ程度まで上昇させれば、ローソン図から、自己点火条件を達成することができ、Ｄ−Ｔ反応核融合を起こすことができる。このとき、水流発生手段１４のスクリューによる下降流や渦流により、高温のプラズマ３３および噴射された水素ガス３２を所定の位置に留めるとともに、核融合により発生した熱エネルギーを熱交換器５３に運ぶことができる。熱交換器５３で熱エネルギーを回収し、タービン５４を回転させることにより、発電を行うことができる。
１ 対象物
１０ 電子ビーム照射装置
１１ 加速管
１１ａ 一方の端面
１１ｂ 他方の端面
１１ｃ 側壁
２１ 加速空間
２２ 照射口
２３ 電極
２３ａ 穴
２４ 高圧電源
２５ ガス供給口
１２ 電子銃
１３ 水素ガス供給手段

１４ 水流発生手段
１４ａ モータ
１５ 供給回収管

３１ 電子ビーム
３２ （照射口から放出された）水素ガス
３３ プラズマ

５１ 超臨界水
５２ 高圧容器
５３ 熱交換器
５４ タービン

Claims (3)

  1. 電子ビームを生成する電子銃と、
    前記電子銃で生成された前記電子ビームを加速するよう設けられた加速空間と、前記加速空間で加速された前記電子ビームを外部に照射可能に設けられた照射口とを有する加速管と、
    前記加速空間に、所定の圧力の水素ガスを供給可能に設けられた水素ガス供給手段とを有し、
    前記水素ガス供給手段から前記加速空間に供給された前記水素ガスを前記照射口から放出すると共に、前記照射口から照射される前記電子ビームが前記照射口から放出される前記水素ガス中を通過するよう構成されていることを
    特徴とする電子ビーム照射装置。
  2. 前記照射口を水中に配置したとき、水中の所定の位置に配置された対象物に向かって、前記水素ガスを放出し、前記電子ビームを照射可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム照射装置。
  3. 水流を発生可能に設けられた水流発生手段を有し、
    前記対象物は液体、気体またはプラズマから成り、
    前記水流発生手段で発生した水流により、前記対象物を水中の前記所定の位置に留めるよう構成されていることを
    特徴とする請求項２記載の電子ビーム照射装置。
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