JP3285150B2 - クラスタを形成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明者は、米国特許出願第169,648号および第112,842
号において質量を有するボソンのコヒーレントなビーム
またはコヒーレントなクラスタ・ビームを形成する方法
を教示している。参考のために、ここに含めるそれらの
出願においては、それらのビームを帯電粒子にさらし、
つまり印加電圧により加速することにより、ビームを帯
電させることができることが開示されている。ガス、過
飽和させられたガスおよび超流動ヘリウムからのクラス
タ形成と、ヘリウムの可干渉性（ヘリウムが質量を有す
るボソンで構成されている）と、粒子の加速とはこの技
術において周知である。米国特許第4,755,344号、フリ
ードマン（Friedman）、1988年７月５日、「クラスタ衝
撃融解（Cluster−Impact Fusion）」、エケニク（P.
M.Echenique）、マウシン（J.R.Mausin）、リッチャー
（R.H.Ritcher）、「フィジカル・レビユー・レタース
（Physical Review Letters）」、第64巻、第12号、1
990年、３月19日、第1413〜1416ページ；「捕らえられ
て冷却されたイオンの雲が凝縮して結晶になる（Clouds
of Trapped Cooled Ions Condense Into Cryst
als）」、フィジックス・トデイ（Physics Today）、1
988年９月、第17〜22ページ；「クラスタ衝撃融解（Clu
ster−Impact Fusion0、ビューラー（R.J.Beuhler）、
フリードランダー（J.Friedlander）、およびフリード
マン（L.Friedman）、「フィジカル・レビユー・レター
ス（Physical Review Letters）」、第63巻、第32
号、1989年９月18日、第1292〜1295ページ；「ノズル・
ビーム源を用いた場合のクラスタ形成の位相線図考察
（Phase−Daiagram Considerations of Cluster Fo
rmation When Using Nozzle−Beam Sources）」、
クヌス（E.L.Knuth）、リ（W.Li）、トウニース（J.P.T
oenies）、著作権所有1989年、アメリカン・インスチチ
ュート・オブ・エアロノーティックス・アンド・アスト
ロノーティックス社（American Institute of Aeron
autics and Astronautics,Inc.）、「稀薄にされた気
体の力学についての国際シンポジウム（International
Symposium on Rarefied Gas Dynamics）、第239
ページ、サマーフィールド（M.Summerfield）編；「低
温度における自由ジェット膨張プロセス中のクラスタ・
イオン形成（Cluster Ion Formation in Free Jet
Expansion Process at Low Temperatures）」、
ビューラー（R.J.Beuhler）、フリードマン（L.Friedma
n）、著作権所有Verlog Chemie（mbh,D−6940 Weinhe
im,1984）「稀薄にされた気体の力学についての国際シ
ンポジウム（International Symposium on Rarefied
Gas Dynamics）；「350−KeV水素クラスタ・イオン
による運動量移動への表面粗さの影響（Influence of
Surface Roughness on the Momentum Transfer
by 350−KeV Hydrogen−Cluster Ions）」；ケラ
ー（W.Keller）、クリンゲルホファー（R.Klingelhofe
r）、クレベ（B.Krevet）、モザー（H.O.Moser）、およ
びリース（R.Ries）、Rev.Sci.Instrum.55（４）、1984
年４月、第468〜471ページ；「新しい種類の集団加速
（New Type of Collective Accelerations）」、チ
ャールス・ダブリュー・ハートマン（Charles W.Hartm
an）、ジェームス・エイチ・ハマー（James H.Hamme
r）、「フィジカル・レビユー・レタース（Physical R
eview Letters）」、第48巻、第14号、1982年４月５
日、第929〜932ページ；「磁気で閉じ込めたプラズマ・
リングの加速および集束の実験的証明（Experimental
Demonstration of Acceleration and Focusing of
Magnetically Confined Plasma Rings）」、ハニ
バー（J.H.Haniver）、チャールス・ダブリュー・ハー
トマン・ジュニア（Charles W.Hartman,Jr.）、エッド
ルマン（L.Eddleman）、「フィジカル・レビユー・レタ
ース（Physical Review Letters）」、第61巻、第25
号、1988年12月19日、第2843〜2846ページ；特開昭60−
200448号、株式会社日立製作所、1985年９月10日；「稀
薄にされた気体の力学」についての会議議事録（Confer
ence on “Rarefied Gas Dynamics"）バッケナウ
（H.Bachenau）、ゴッチング（R.Gotting）、シャイデ
マン（A.Scheidemann）、トウニース（J.P.Toenies）、
（1986）第15回 稀薄にされた気体の力学についての国
際シンポジウム（15th International Symposium on
Rarefied Gas Dynamics）、第II巻、第197ページ
（1986）、ボッフィ（V.Boffi）、セラグナミ（L.Cerag
nami）編；および「ヘリウム・クラスタにおける原子衝
突の力学（dynamics of Atomic Collions on Heli
um Clusters）」、ジャーゲン・グスパン（Jurgen Gs
pann）、リース（R.Ries）（1986年10月28日）小さいク
ラスタの物理学および化学（Physics and Chemistry
of Small Clusters）ジェナ（P.Jenna）、ラオ（B.
K.Rao）、およびカンナ（S.N.Khanna）編、ナトー・エ
イエスアイ・シリーズ（Nato ASI Series）158、1986
年、第199ページ、を読者は参照されたい。

流体中への帯電粒子の導入についての考察において、
ここで電界放出の原理について考える。

電界放出の原理は、曲率が「ｒ」で半径が「ａ」であ
る曲面の、電位がＶの時には電界ＥはV/rと定義される
から、十分に小さい半径、たとえば、ｒ＝１μｍで、電
位が1kVの場合には、電界は10⁷V/cmである。原子の外の
このように大きい電界では、電子は核の電位障壁をトン
ネル効果で容易に通り抜けて自由になることができる、
ということである。この技術は、透過型電子顕微鏡にお
いて非常に高い輝度の電子源を発生させるために用いら
れてきた。それらの装置においては、陰極が半径１μｍ
のタングステン線で製作され、それから半径が100nmま
たはそれ以下の極めて細い先端部をその線へ電解エッチ
ングしていた。この技術の簡単な説明については、たと
えば、ライナー（L.Reiner）著： 透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Micros
cope）、第２版、Springer Valley（1989）を参照され
たい。

電子源の特性は下記の通りである： 電界の強さ 10⁷V/cm 面積 10^-12m² 電流密度 100A/cm² 電流 １〜10μＡ 立体角 0.1ラジアン 現在まで、電界放出技術は電子の発生のために用いら
れてきた。今開示するのは気体はもちろん液体も、すな
わち、流体、に帯電させ、強く結合されている電荷また
はコヒーレントなクラスタ、あるいは液体ジェットを帯
電させるために電界放出技術を用いることである。

発明の概要 本発明に従って、ノズル口を形成し、かつ流体を第１
の圧力に維持するノズルの中へ流体を通す過程と、負に
帯電された粒子または正に帯電された粒子の一方を電界
放出または電界イオン化のいずれかにより、クラスタの
強い結合を破壊しないように流体中へ導く過程と、帯電
された流体をノズル口からより低い圧力の第２の領域中
へ向け、帯電クラスタを生成する過程とを備えた、強く
結合された帯電クラスタを形成する方法が得られる。

さらに本発明に従って、ノズル口を形成し、かつ液体
を第１の圧力に維持するノズルの中へ液体を通す過程
と、負に帯電された粒子または正に帯電された粒子の一
方を電界放出または電界イオン化のいずれかにより、コ
ヒーレンシーを破壊しないように液体中へ導く過程と、
帯電された液体をノズル口から、第１の領域より低い圧
力の第２の領域中へ向け、帯電されたコヒーレントなク
ラスタを生成する過程とを備えた、コヒーレントな帯電
クラスタを形成する方法が得られる。

さらにまた本発明に従って、第１の圧力の領域から、
第１の圧力より低い第２の圧力の領域へ液体を通す過程
と、第１の圧力の領域から第２の圧力の領域へと液体を
通す前にその液体を、第１の圧力の領域から第２の圧力
の領域へと通す間にクラスタを形成するときにコヒーレ
ンシーを破壊しないように帯電させる過程とを備えた、
液体からクラスタを形成する方法が得られる。

さらにまた本発明に従って、第１の圧力の領域から、
第１の圧力より低い第２の圧力の領域へ気体を通す過程
と、第１の圧力の領域から第２の圧力の領域へと気体を
通す前にその気体を、第１の圧力の領域から第２の圧力
の領域へと通す間にクラスタを形成するときにコヒーレ
ンシーを破壊しないように帯電させる過程とを備えた、
気体からクラスタを形成する方法が得られる。

図面の説明 図１は帯電ビームを形成するための低温槽およびノズ
ルの断面図である。

図２は図１のタングステンチップと、ノズル・マウン
トと、スキマーとの線図表現である。

図3a〜3kは図１に示すような装置における電界放出を
示すコンピュータ・シミュレーションのグラフである。

図４は、タングステン線を光電装置で置き換えた、本
発明のノズル部分の第２の実施例の線図である。

図５はタングステン線をタングステン箔と電子銃で置
き換えた、本発明のノズル部分の第３の実施例の線図で
ある。

図６は液体中に浸されているタングステン線が示され
ている、図１に類似する図である。

図７は中性ビームを形成するための装置の線図であ
る。

図7aは中性ビームを形成するための装置の線図であ
る。

図8a〜8dは液体ジェットを帯電させるためのノズルの
線図である。

図９は液体ジェットを帯電させるためのノズルの正面
図である。

発明の詳細な説明 理論的背景 読者が本発明をより良く理解することを助けるため
に、クラスタ・ビームおよび液体ビームの発生を含んで
いる技術の理論的な説明をまず行う。

1.強く結合されたクラスタすなわちコヒーレントなクラ
スタのビーム 帯電させられているコヒーレントなクラスタで構成さ
れた２種類のビームがある。中性のコヒーレント・クラ
スタでは任意の２つのクラスタの間にどのような相互作
用も存在しない。しかし、クラスタが帯電させられる
と、クラスタはクーロン力を介して相互作用する。その
ようなビームにおいては、 Γ＝P.E./K.E. ＝（Ze）²/aT （１） として定められるクラスタの結合率（Γ）により、クラ
スタの結合を弱く結合されたクラスタと、強く結合され
たクラスタとに分離することができる。ここに、 ａ＝クラスタの間の平均距離 Ｚ＝クラスタの電荷 Ｔ＝クラスタ・ビームの温度 ｅ＝電子の電荷 である。そうすると、帯電粒子は次のように挙動する。

Γ≪１ 気体状 Γ≒１ 液体状 Γ≫１ 超流動体または固体 （２） 表Ｉに、ある電荷を持つクラスタの結合を示す。

クラスタの間の平均距離（ａ）は ４πa³n/3＝１ により定められる。表Ｉから、Ｚ＝１で単一に帯電させ
られたクラスタの場合には、0.4ケルビン度、密度ｎ≒1
0¹⁶〜10⁹において結合係数（Γ）は１〜７の範囲である
から、帯電したクラスタは液体状であることがわかる。
結晶状のクラスタ・ビームを得るためには、各クラスタ
ごとに多数の帯電クラスタ、例えば、Ｚ＝10を持つと便
利である。

強く結合されたクラスタ・ビームの安定性を考慮する
際に重要である次の３つの結合エネルギーが存在する。

（１） 原子に対する電子またはイオンの結合エネルギ
ー、 （２） クラスタ中の原子（分子９と別の原子（分子）
との結合エネルギー、および （３） 帯電クラスタの間の電位エネルギー。

それら３つのエネルギーが、外部加速電位から、また
はクラスタ・ビーム内部の電荷の間のクーロン反発から
のような擾乱源より強いとすると、クラスタ・ビームは
それの特性を保持する。さもないと、クラスタ・ビーム
はある定性的な変化を行う。それらの結合エネルギーと
クーロン力について、１度に１つずつ説明することにす
る。

上の説明は主としてクラスタに関するものであるが、
中性液体中の電荷に関する応用、とくに上記の変形につ
いての類似の考察をそのような場合に応用することがで
きる。

2.結合エネルギー （ｉ）原子（または分子）、電子およびイオンの結合エ
ネルギー。

H^-およびH₂ ^-を形成するためのＨまたはH₂への電子の
結合エネルギーは0.75eVである。これは中性水素分子に
おける電子の結合エネルギーの約20分の１である。

（ii）クラスタ中の原子（分子）の結合エネルギー。

ここでは、結合エネルギーを蒸発熱から求める。液体
酸素の気化熱は6812.3ジュール／モルである。分子によ
れば、結合エネルギー（Ｂ）は である。ここに、O₂は酸素であり、６×10²³はアボガド
ロ数である。この結合エネルギーは水素原子に対する電
子の結合エネルギーの10分の１である。ヘリウムの場合
には、気化熱は圧力に応じて14〜22カロリー／モルであ
り、液体ヘリウム原子の結合エネルギーは B_He＝（6.1〜9.6）×10^-4eV である。

クラスタ・ビーム内部の隣接する２つの帯電クラスタ
の間の電位エネルギーは eV_c＝z²e²/a ＝1.46×10^-3eV （５） （Ｚ＝１、ａ＝１μｍの場合） ここに、再びＶは電位、Ｚはクラスタ電荷、ａはクラス
タの間の平均距離である。したがって、隣接する２つの
帯電クラスタの間の電位エネルギーはクラスタの結合エ
ネルギーより小さい（ヘリウム・クラスタの場合を除
く）。そうすると、下記の不等式をもつことになる。

B_e＞B_o2＞V_c （６） したがって、強く結合されている結晶固体クラスタの
結晶構造を破壊することなくそのクラスタを加速するた
めの条件は、 eV/l＜eV_c/a （７） である。ここに、 eV_c＝２つの電極の間の電位差 ｌ＝２つの電極の間の距離 eV＜eV_c である。したがって、 eV_c＝1.46×10^-3ボルト、ａ＝１μｍであると、 Ｚ＝１に対して eV＜14.6ボルト Ｚ＝10に対して eV＜1.46 である。結晶帯電クラスタ・ビームを通常のイオン・ビ
ームのそれから分離する、それを加速するための２つの
重要な特徴がある。

（１）総合的なビーム強度が大幅に強められる。クラス
タ・ビーム中のクラスタのサイズは任意の単一クラスタ
において原子がＡ＝100からＡ＝5,000個またはそれ以上
の範囲のことがある。各クラスタ中の電荷はＺ＝１から
Ｚ＝10またはそれ以上まで変えることができる。一定
数、たとえば、200個の原子と、一定数の電荷、たとえ
ば、Ｚ＝１、を持つクラスタを選択するものとすれば、
われわれはクラスタ・ビーム中の全てのクラスタの非常
に小さい部分を持つだけである。しかし、クラスタが強
く結合されていなければ、同じＡとＺを持つクラスタを
与えられた電位で加速できるだけである。異なるＡとＺ
を持つクラスタは異なる速さで進む。加えられた電界に
よる加速の結果としてのクラスタ・ビームは、弱く結合
されているクラスタ・ビームに対して非常に弱いビーム
である。

（２）加速された結晶クラスタ・ビームのエネルギーの
広がりΔＥは非常に小さい。それはクラスタの温度Ｔに
等しいだけである。

ΔＥ≒Ｔ 膨張中にこの温度まで冷却されたヘリウム・クラスタ
に対するＴ≒10^-4eV、すなわち、クラスタ・ビームの最
後のエネルギーＥの百分率としてのエネルギーの広がり
は極めて小さいから、 Ｅ＝1keVに対してΔE/E＝T/E＝10^-7である。非常に高
い質のビームが発生される。帯電結晶固体が強く結合さ
れたクラスタの発生は有利であることが明らかである。
発明者の初めに述べた出願を参考のために全てここに含
めたが、それらはコヒーレントなクラスタを形成する手
段を開示している。それらは、それら自体の内部および
それら自体の間でコヒーレントであるクラスタである。
上記のように、それらのクラスタへの電荷を加えること
は極めて有利であり、いま開示するのはこの作業を行う
詳細な方法である。この方法はクラスタの可干渉性を破
壊するものではなく、またクラスタを構成する流体を不
当に加熱するものでもない。アーク放電（上記フリード
マン特許におけるような）、マイクロ波または加熱ガス
が用いられる場合にはそれは真実ではない。

3.強く結合されたクラスタを発生するための帯電粒子の
発生方法 発明者は、参考のためにここに含めた上記特許出願に
おいてコヒーレントなクラスタを形成する方法を教示し
ている。それらは、質量を持つボソン（ヘリウムのよう
な）をより高い圧力のノズルを通じてより低い圧力の領
域（真空のような）へ送ることにより形成される。この
方法においては、より高い密度のボソンを有し、温度を
室温またはそれより低く維持すると有利である。コヒー
レントなヘリウムおよびヘリウム・クラスタを形成する
ことはこの技術において周知である。クラスタ発生法
は、本発明においては、質量を持つボソンがノズル口か
らより低い圧力の領域内へ出る直前に、そのボソンを帯
電させることにより修正される。この点において電荷を
提供し、かつそれを遅く、低いエネルギーで提供するこ
とにより、質量を持つボソンが加熱することを阻止し、
したがって、流体の不当な加熱を阻止する。それは強く
結合されているどのような粒子またはクラスタ、すなわ
ちコヒーレントであるどのような粒子またはクラスタの
破壊も阻止または最少にする。また、ここで明らかに教
示されるものは、気体はもちろん液体からクラスタを形
成することである。

4.液体ジェット・プラズマおよび液体内の分子結合力中
性液体ジェット中にはその液体を形成している分子の間
に分子結合力が存在する。それらの結合力は液体全体に
わたって凝集力を与える。その凝集力は液体特性へ分子
を調和させる。

分子の運動エネルギーが増加したとすれば、結合力が
打ち負かされて液体は個々の気体粒子へ分離するであろ
う。これは上記のように結合係数（Γ）から一般に分か
る。

液体を構成している分子または粒子が帯電させられて
液体ジェット中に入れられると、それらの分子／粒子間
のクーロン反発が、ジェットの直径と共に、液体ジェッ
ト中の分子結合力が勝るか、液体の個々の分子が分離し
てクラスタまたは気相を形成するかを判定する際の関連
する要因になる。

電荷密度n_-が低く、ビーム直径が大きくないとすれ
ば、電界は液体中の分子間結合力を圧倒するほど十分に
は強くない。液体ジェットは液体ジェットのままであろ
う。電荷密度n_-高くなるとすると、ビーム中の負電荷の
間のクーロン反発からの電界が分子間の付着力を圧倒す
るであろう。液体ジェットは帯電クラスタへ分解するで
あろう。

円筒の周囲の電界は により与えられる。ここに、ｒは円筒の半径、n_-は円筒
内部の電荷密度である。

この電界による電荷ｅに対する反発力F_rは である。ここに、Ｒは中性密度と電荷密度の比であり、 と表され、ａは１個の分子により占有される体積の半径
であり、 という関係がある。

この反発力は分子の間の吸引力 により平衡させられる。ここにε_Ｍ＝分子結合エネルギ
ー＝58meV（液体窒素の場合）である。

クーロン反発によって破壊されることがない液体ジェ
ットに対しては、われわれは、 F_r≦F_a （６） または を求める。ここに、 e_B＝α/a ε_b/ε_Ｍ≒10^-2（LN₂に対して） （８） ビーム半径がｒである円筒形液体ジェット・ビームを考
えないとすると、数値係数（2/3）は１まで減少させら
れるが、球面状液体は半径ｒで低下する。液体窒素に対
する典型的な値を下記の表（１）にまとめて示す。横断
面内の全ての分子結合を破壊することが必要であるとみ
なすならば、式（７）を変形して、 にする。ここにN_c ^2/3は結合を解かねばならない分子の
数である。

である。

5.液体ジェットの形成 液体ジェットを形成するためには、噴霧または乱流を
形成することなしに液体を通さなければならない適当な
ノズルすなわち孔を持つ必要がある。定量的には、最も
重要な液体ジェットの形成を決定する最も重要な尺度変
数は、 R₀＝uD/ν により定められるそれのレイノルズ数である。ここに、
ｕは液体ジェットの速度、Ｄはノズルまたは孔の直径、
νは液体の動粘性である。速度は次式により圧力に関連
させられる。

である。レイノルズ数が最小数より小さいとすると、す
なわち、R₀/R_0minとすると、液体は丁度しみ出してしず
くを形成する。また、レイノルズ数がある最大数より大
きい、すなわち、R₀＞R_0maxとすると、乱流が生じてそ
れ自身で拡大するから、安定なジェットを形成すること
ができない。おそらく、噴霧型構造が生ずるであろう。
範囲R_0min＜R₀＜R_0maxにおいて液体ジェットを得る。

直径Ｄ＝５μm,厚さが20μｍであるノズルを通る液体
ジェットは範囲 250＜R₀＜1200 内の液体ジェットを形成するであろう、ということがフ
ァウベル（M.Faubel）、シュルンマ（S.Schlemma）、ト
ウニース（J.P.Tounnies）、Ｚ−Phys.D−アトムス、分
子およびクラスタス（Ｚ−Phys.D−Atoms,Molecules a
nd Clusters）10、269〜277（1988）により見出されて
いる。

上限は実験的に見出だされるだけであって、この特定
の実験の構成に特定なものである。レイノルズ数が非常
に大きいとすると、ノズル中で、とくにレイノズル数が
50,000である長いパイプ内で、層流が観察される。詳細
な説明については、ランダウ（L.D.Landau）、リフシッ
ツ（E.M.Lifshitz）著、流体力学（Fluid Mechanic
s）、パーガモン・プレス（Pergamon Press）、1959、
第111〜114ページを参照されたい。そこでの記述も無限
長のパイプについて言及している。本発明においては、
ノズルの長さを直径と同じ程度にすることができる。

ここで、液体窒素の場合と、液体ヘリウムの場合との
２つの場合について説明する。

（１） 液体窒素： 液体の動粘性は ν＝0.0272cm²/sec （液体窒素） ＝0.010 （水） ＝0.022 （アルコール） 種々の圧力におけるレイノズル数を、ノズル直径Ｄ＝
50μｍの場合について表２に示す。

圧力は２つの源から得ることができる： ｐ＝p₀＋p_- ここに、p₀は液体窒素へ外部から、たとえば、窒素ガス
タンクを通じて加えられる圧力、p_-は p_-/n₀＝eV/R Ｒ＝n_-/n₀ n₀＝1.74×10²²/cm³ （液体窒素に対して） により与えられる外部から加えられた電界により先端部
からノズルまで加速される電荷による圧力である。ここ
で、Ｖ＝5kVとすると、種々の電荷密度n_-に対して、p₀
＝０、ｐ＝p_-とすることによりp_-からn_-を計算する。こ
のようにして得られた帯電された密度の値を表（２）の
最後の列に示す。

（２） 液体ヘリウム 動粘性は温度により変化する： 作表のために、 を表現する事を選択する。ここに、νは、Ｔ＝1.0〜2.1
゜Kの範囲内で１のオーダである。ノズル直径がＤ＝５
μｍの場合には、レイノルズ数R⁰を計算し、それを表
（３）に示す。

6.帯電液体ジェットを発生するために帯電粒子を発生す
る方法 強く結合されたクラスタを発生するために帯電粒子を
発生する方法と同様に、帯電液体ジェットを発生する方
法は、液体ジェットを形成する分子または原子がノズル
口を出てより低い圧力の領域に入る前に、それらの分子
または原子を帯電させることにより容易に得られる。こ
の点において電荷を遅く、かつ低エネルギーの態様で供
給することにより、分子の加熱を阻止し、従って液体の
不当な加熱を阻止する。それは、液体を構成している分
子の間に存在する分子結合力の消失を阻止または最小に
もする。

強く結合されたクラスタ・ビームすなわち液体ジェッ
ト・ビームを形成するべく、流体の帯電を容易にするた
めに用いられる装置を図１に示す。低温槽（100）がそ
れ自体の内部に液体窒素を保持するタンク（102）が設
けられる。液体窒素の代わりに極低温に冷却するための
別の要素を使用することもできる。それらのもののある
ものが液体ヘリウム、液体水素などである。低温槽（10
0）の頂部に入り口パイプ（104）と出口／ポンプ送り連
結部（106）が設けられる。その入り口パイプを通って
液体窒素がタンク（102）に入れられる。その出口／ポ
ンプ送り連結部はタンク（102）に連通する。チューブ
（108）も設けられる。そのチューブは低温槽（100）と
タンク（102）を貫通する。ノズル流で帯電させるべき
流体を通すものはそのチューブ（108）である。この流
体は通常は気体の態様で、低温槽（100）の頂部の近く
でチューブ（108）内に入れられる時には精製した気体
が好ましい。しかし、気体がチューブ（108）つまりタ
ンク（102）を通って下降するにつれて、チューブ（10
8）を囲んでいる液体窒素により冷却され、液体にな
る。ここで意図する液体は、水、水素、窒素、重水、ヘ
リウム等のような、質量を有するボソンで構成される。
低温槽（100）はアタッチメント手段（110）を介してノ
ズルセル（112）に連結される。そのノズルセルは液体
を低圧領域中へ噴霧するために用いられるノズルの一部
分を構成する。チューブ（108）は低温槽（100）と、ア
タッチメント手段（110）を通って、ノズルセル（112）
により構成されている空所に入る。ここで気体は液体に
なる。その液体はチューブ（108）を通って、からにな
る。ノズルセル（112）の後部がプラグ（114）に取り付
けられる。そのプラグの電線が「ａ」と「ｂ」で線図的
に示されている。ノズルセル（112）の外側において線
（ａ、ｂ）の一端が電圧源装置（図示せず）に取り付け
られる。線（ａ、ｂ）の他端部はプラグ（114）を通っ
て、調整可能な取り付け機構（116）内に保持されてい
るタングステン線（122）に電気的に接続される。ねじ
（118）その他の調整手段が調整可能な取り付け機構（1
16）内に示されており、調整可能な取り付け機構（11
6）をノズル面（120）に取り付ける。ねじ（118）の調
整により調整可能な取り付け機構（116）と、タングス
テン線（122）と、それの先端部（124）とをノズルセル
（112）とノズル面（120）の後部に関して移動させるこ
とを可能にする。図１から分かるように、ノズル面（12
0）はノズルセル（112）の反対側のノズルセル（112）
に連結される。タングステン線（122）およびそれの先
端部（124）についての詳細のいくらかを発明の背景の
部分において説明したので、読書はその部分を再び参照
されたい。先端部（124）は、ノズル面（120）に形成さ
れているノズル口（126）の後ろの中央に配置すること
が好ましい。先端部（124）とノズル口（126）の間の距
離と、先端部（124）の寸法は得られる結果に関して重
要である。それについてはここで更に詳しく説明する。

ノズル口（126）の寸法は約５ミクロンから１ミリメ
ートルの範囲にすべきである。ノズル口（126）の近く
に配置されて、それから出ているスキマー（128）が可
変位置マウント（130）に取り付けられる。可変位置マ
ウント（130）は、スキマー（128）をノズル口（126）
に対して相対的に動かすことができるようにするため
に、ノズル面（120）に調整可能に連結される。スキマ
ー（128）はノズル面（120）に間接的に連結されている
が、スキマー（128）とノズル口（126）の間の電圧を変
化できるように、それらは絶縁される。図１において
は、絶縁されている要素（132）が可変位置マウント（1
30）の部分として示され、同様に可変位置マウント（13
0）の部分である導電要素（134）がスキマー（128）を
充電するために電圧源手段（図示せず）に接続される。
スキマー（128）とノズル口（126）への電気的接続は示
されていないが、それを行うやり方はこの技術分野にお
いて知られており、前記電圧変化を行うためにここで意
図されるものである。同様に、先端部（124）は調整可
能なマウント（116）によりノズル面（120）に間接的に
連結されるが、先端部（124）とノズル口（126）の間の
電圧差が再び可能であるように、それは絶縁される。

ノズルセル（112）中の圧力は１つのレベルであり、
スキマー（128）の周囲の圧力は別のレベルであること
を理解すべきである。この例においては、スキマー（12
8）は真空室内部に配置され、ノズルセル（112）内部の
圧力はより高いレベルにある。

図１の装置では、チューブ（108）を通じてノズルセ
ル（112）の中に入れられた流体はノズル口（124）を通
って、真空室のような低い圧力の領域に入る。しかし、
出る前は、気体になった液体はタングステン線（122）
の先端部からの非常に低い電圧により充電される。先端
部はそのときは１つの電圧レベルにあり、ノズル口（12
6）は別の電圧レベルにあり、スキマー（128）はノズル
口（126）の電圧レベルとは異なる電圧レベルにある。
図２を参照することはこの場合には有用である。

図２においては、先端部（124）は負の15キロボルト
の電荷を放出する。ノズル口（126）はアース電位にあ
り、スキマー（128）は正の５キロボルトにある。ある
いは、先端部（124）を正の５キロボルトにし、ノズル
口（126）をアース電位にし、スキマー（128）は負の５
キロボルトにできる。

先端部（124）の近くでノズルセル（112）中の液体が
先端部（124）からゆっくり放出される電子により帯電
させられると、帯電した液体は正のバイアスされている
ノズル口（126）へ向かって引き付けられ、およびそれ
の内部で加速される。電子のあるものは液体中の分子に
組合わされて、N₂ ^-のような負イオンを形成する。電子
を含んでいる液体はノズル口（126）を通って、スキマ
ー（128）が設けられている真空室に入る。先端部（12
4）における電圧が正であるように、ノズル口（126）に
関して、例えば、５キロボルト反転されると、先端部
（124）の表面近くの強い正の電界が液体中の分子また
は原子をイオン化する。電子はタングステン線（122）
へ流れ込み、イオンH⁺、N⁺、d⁺またはHe⁺のような正イ
オン（液体が水素、窒素、重水、またはヘリウムで構成
されているならば）が相対的に負にバイアスされている
ノズル口（126）へ向かって進む。そうすると、それら
の正に帯電しているイオンを含んでいる液体は真空室へ
流れ込む。

先端部（124）はノズルセル（112）と、クラスタに形
成すべき液体との内部に置くことが好ましい。

液体中の電子またはイオンを注入する電界放出が用い
られるものとすると、帯電粒子の移動度が低いために、
それらはゆっくり進む。実際に、速度（ｕ）は ＝μ （９） である。ここに、μは移動度、Ｅはその点における電界
強度である。先端部（124）が中心にあり、そこに電位
Ｖが加えられるような球面対称の場合には、液体中の電
荷からの寄与を考慮に入れない時の外部から加えられた
電位による電界は 1/r²として降下する。ここにｒは中
心からの距離である。したがって、液体中の帯電イオン
は外部電界のみの作用の下にあるものとすると、それら
のイオンは先端部（124）から更に動くにつれてより低
い速さで進むであろう。これは真空中の場合とは全く異
なる。しかし、電荷は先端部（124）から連続的に放出
されるから、クーロン反発力が帯電イオンを押してそれ
らのイオンを先端部からより速く移動させる。液体中の
帯電粒子の挙動を支配する３つの式は下記の連続方程
式、ポアッソン方程式、およびローレンツ力方程式であ
る。

▽・（nu）＝０ （10） ▽^２φ＝４πen （11） ｅ（−▽φ）＝μｕ （12） ここに ｎ＝電荷密度 φ＝電位 ▽＝傾き ｕ＝速度 μ＝移動度 ｅ＝電子の電荷 である。

それらを球面対称の場合について解くと、半径方向の
速度だけが残る。すなわち、 ｕ_θ＝u_g＝０ （13） 連続方程式は ポアッソン方程式は となる。ローレンツ方程式は である。（16）式を（14）式へ代入すると または が得られる。ここにc₁は定数である。

（15）式と共に、電荷密度 を解くことができる。ここに、n₀は先端部の表面ｒ＝r₀
における電荷密度である。ｒ＝r₀においては、電界はE₀
である。（18）式から n₀＝−c₁/（γ₀ ²μE₀） （20） を得る。また、外部表面ｒ＝Ｒにおいては、電界はＥ
（Ｒ）である。そうすると、 ｎ（Ｒ）＝−c/（R²μＥ（Ｒ）） （21） である。（19）式を形成するこの式は にも等しい。式（21）と（22）を等しいと置くと、c₁に
ついて解くことができる。

それらの方程式を解くために数値法を使用することが
できる。先端部（124）の半径の現実的な値は100nmであ
るから、先端部（124）とノズル口（126）の間の距離は
1mmであり、先端部（124）とノズル口（126）の間の電
圧は2kV、電流密度は負に帯電させた場合の３×10⁵amp/
cm²の４倍であることが見出されている。ノズル口（12
6）の中心における電流密度は４×10¹⁵/cm³であって、
ノズル口（126）の縁部近くでは10¹⁴/cm³まで減少す
る。図3aないし3kはこれを示す。それらのグラフにおい
ては、この説明のように、 ａ＝先端部寸法 ｂ＝先端部とノズル口との間の距離 mu＝移動度 E_f＝フェルミエネルギー、タングステンの特性 Ｗ＝仕事関数、タングステンの特性 J₀＝電子電流密度 E₀＝電界 n₀＝電荷密度 ｒ（ｍ）＝先端部から被測定領域（電界、電流密度、
電位等）までの距離 を持つ。

図3aは、先端部（124）における電荷密度（l/m³）
を、先端部（124）とノズル口（126）の間のバイアス電
圧（ボルト）の関数として示している。最高密度cnaは
（５×10²⁴）/m³のように高い。

図3bには、先端部（124）における電流密度J₀が、先
端部（124）とノズル口（126）の間のバイアス電圧の関
数として示されている。それは約10⁹から約10¹¹amp/cm²
の範囲である。

図3cには、先端部（124）の表面における電界がバイ
アス電圧の関数として示されている。それは基本的には
２×10⁹ボルト/mであって、バイアス電圧には敏感では
ない。

先端部（124）とノズル口（126）の間の距離を100マ
イクロメートルまで変更でき、電荷密度、電流密度、お
よび電界をバイアス電圧の関数として計算することがで
きる。これは発明者により行われており、結果が図3d〜
3fに見出される。

また、先端部の寸法（ａ）と、先端部（124）とノズ
ル口（126）の間の距離（ｂ）を変更することもでき、
変更された結果を見ることができる。これも発明者によ
り行われており、図3g〜3iに示されている。それらの図
は、先端部（124）が0.5ミクロンで、先端部とノズル口
の間の距離が１ミリメートルである場合の、その先端部
の表面における電荷密度、電流密度、および電界を示
す。図3jおよび図3kにおいては、先端部の寸法は100ナ
ノメートルまで増大され、先端部とノズル口の間の距離
は１ミリメートルに保たれる。電荷密度および電位は先
端部（124）の表面からの距離ｒの関数として示されて
いる。

真空領域内のノズル面（124）の外部でビームが形成
されるから、それはそれの内部の過剰な電子により負に
帯電させられる。

放出される電流を増加するために、先端部（124）へ
接続されているタングステン線（122）に電流を流すこ
とによりそれを加熱することが有利である。これはそれ
を取り囲んでいる液体を全体的に蒸発させて、それの周
囲に蒸気の薄膜を形成する。しかし、その蒸気は多すぎ
る熱が液体へ伝わる事を阻止する絶縁体として作用す
る。電力は0.1ワットまたはそれ以下のオーダーであ
る。

発生される全電流を増加するために、タングステン線
122を加熱する代わりに、そのような先端部124を数多く
利用できる。二次元で配置されている有限数の先端部の
制限内において、くさび形構造の縁部のようなほぼ線状
の構造が形成されるであろう。したがって、縁部を単一
の先端部または複数の先端部の代わりに用いて、以下に
示すように高い電流密度で大きい電流を供給する。

空間電荷効果の無い、先端部における電界Ｅ_νは半径
r_tの球面から求めることができる。これは E_t＝Q/（４πε₀r_t ²）＝V/r_t Ｖ＝先端部の電位である 縁部における電位E_Wは半径がr_tのまっすぐな長い線の
それから求めることができる。半径ｒ、長さｌの閉じた
円筒面へガウスの法則を適用すると、、 E_W×２πrl＝Q/e₀ E_W＝Q/（２πe₀）・1/（rl） が得られる。半径r_Wの線の表面と半径r₂の陽極の間の電
位差は したがって、くさびの縁部表面における電界は 先端部の表面における電界と比較した縁部の表面にお
ける電界は、r_w＝r₁であるならば、対数ln（r₂/r_w）だ
け減少させられる。したがって、その減少は全く厳しく
はない。十分な電子を放出させるためにはE_w≧２×10⁷
ボルト/cmを持つことが必要である。縁部の厚さが2r_wで
ある場合には、高い電流密度の電流を放出させるために
求められる電圧を計算することができる。

r_w＝0.5μｍにおいて、 r₂＝2.5μｍのとき、Ｖ＝1.6kV r₂＝10μｍのとき、Ｖ＝3kV r₂＝25μｍのとき、Ｖ＝3.91kV ここで半径r₁の球面、および長さがｌ、半径がr_wであ
る長い線から放出される全電流を比較する。先端部から
の電流Ｉは、 I_t＝４πr_t ²j また、長い線からの電流は、 I_W＝２πr_Wlj である。増加量は R_w＝I_W/I_t＝1/（2r_Wr_t）＝r_W である。くさびの縁部が円弧として形成された、 ｌ＝1/2D（これは直径がＤである円の半分に等しい）と
すると、 R_w＝πD/（4r_W） を得る。ある数値は、 Ｄ＝10μｍ、r_W＝0.5μｍ、R_w＝15.7 Ｄ＝25μｍ、r_W＝0.5μｍ、R_w＝39.3 である。

流体がノズルを通るときにそれを帯電させるために、
そのような電界放出くさびをノズルセルに組み込むこと
ができる。これが図８に示されている。図8aにおいて、
われわれはノズル204からくる液体ジェット200の輪郭を
概略的に描く。図8bおよび図8cに示すように、ノズル20
4は絶縁体206により基本的に構成される。その絶縁体20
6にはモリブデン・タングステン、または銀のような金
属層すなわち金属縁部210が付着される。絶縁体206はガ
ラス、エポキシ、またはシリコンとすることができる。
金属層210は、図8bに示すようにセル202の内側、または
図8cに示すようにセルの外側に厚さ2r_Wで付着される。
図8dからわかるように、絶縁体206は金属層210により部
分的にだけ被覆される。この場合には、金属層210はノ
ズル孔212の周囲の半分だけ延長し、図示のようにノズ
ル204の左側を覆う。金属板または金属線214の態様の陽
極をノズル204の左側に取り付けて、板214と層210の間
に電位差を加えて金属層210から電界放出を引き起こす
ことができるようにする。電子が左側の金属層210から
放出されるにつれて、それらの電子はノズル孔212を横
切って右側へ進み、板214に達する前に電子の大部分が
流れ出る流体によりノズル204から運び出される。

より多くの電流が求められるとすると、金属層210の
縁部が延長する領域を、図９に示されている装置などに
より、最大にするように、代わりにノズル204を形成で
きる。この場合には、中心円板が陽極216を形成し、電
子が金属層210の、陽極216を同心状に囲むくさび形縁部
218から流れるであろう。陽極216と周囲の金属層210の
間に孔220を形成するように、陽極216は絶縁ブロック22
2により所定位置に固定される。電子がくさび形縁部218
から放出されて、孔222を横切って陽極216まで動かされ
るにつれて、それらは孔222を通って流れる流体により
ノズル204から運ばれる。

したがって、電界放出／イオン化くさびを含む蒸気ノ
ズル構造を用いて、ノズルを通る流体を、先端部から電
界放出を発生する以前に説明した方法よりも一層効率的
に帯電することができる。

ノズル口における電子密度は、ノズルセルを出る流体
を帯電する上記方法のいずれかに対して、 n_e＝j/（ev_e） （23） として与えられる。これは、分子結合を乱さないように
希望される電子速度v_eに逆比例する。電流密度（ｊ）が
保存されるから、下記の等式が成立する。

（ｊ）ノズル口の前＝（ｊ）ノズル口の後 （24） n_e′v_e′＝n_ev_e n_e′＝ノズル口の前の電子密度 n_e′＝ノズル口の前の電子の速度 n_e ＝ノズル口の後の電子密度 v_e ＝ノズル口の後の電子の速度 したがって、ノズルを出た後のビーム中の過剰な電子
の密度n_e′は、ノズルの前の液体中の電子の速度と、ノ
ズルを出た後の液体中の電子の速度との比v_e′/v_eの係
数だけ高くされる。この係数は10³のように大きくする
ことができる。

大きいn_eを持つためには、ノズル口の近くで電子をゆ
っくり放出させるのがよい。電子密度中性密度に対する
との比はR_eである。ここに R_e＝n_e/n₀ （25） で、n₀＝液体中の原子の密度≒２×10²³/cm³（He）であ
る。

ノズルを通った後の液体ジェット中の原子当りのエネ
ルギーE_aは、 E_a＝R_eeΦ_０ （26） により与えられる。ここに、Φはビームがノズルを出た
後の加速電圧である。ビームがクラスタで形成されてい
る場合における、原子当りのエネルギーのある値を下の
表に示す。

ここに V_eは膨脹後の電子の速度 n₀はノズル口における電子密度 R_eは電子密度と中性密度の比 E_eはノズル口を通って膨脹した後の原子当たりのエネ
ルギー である。

帯電粒子のビームの数がより多い場合には、中心に配
置された先端部（124）を複数個有する複数のノズル口
を１つのノズルセルに設けることができる。それらの先
端部（124）は相互に分離するのが好ましいが、共通液
体源のためのノズルセル（112）へ全て通じる。先端部
（124）の寸法を大きくすると電界放出効果が低下する
から、電流を増加する方法は、１つのノズル面（120）
に形成された多くのノズル口（126）を持つ多くの先端
部を有することである。

液体ジェットを形成するためにノズルが形成され、か
つ細い液体ジェットに対して、液体の結合力を破壊する
ためにクーロン力が十分ではないように、液体ジェット
中の中性と帯電の比Ｒが十分に小さい場合には、ビーム
は帯電液体ジェットを形成し、加速された電荷はジェッ
ト自体の加速に作用する。そのような加速の下において
は、ジェットは最終的にはより小さいしずくに分解す
る。それらのしずくは、真空中においては凍結して、直
径が10μｍのオーダーである固体のしずくすなわち微小
な粒子を形成する。それからそれらの粒子はビームを形
成する。Ｒ＝10⁷または電荷密度ｎ〜２×10¹⁵/cm³で、
中性密度n₀＝2.2×10²²であるとすると、半径が20μｍ
である液体窒素ビームが加速前の液体ジェットのままで
ある。通常は、高エネルギー加速器においては、イオン
ビームを形成するイオンは気体粒子のように挙動し、空
間電荷効果を避けるためには密度10³/cm³（または少な
くとも10¹⁰/cm³）を必要とする。帯電液体ジェットにお
いては、われわれは、 （１）帯電イオンビームの密度は通常のイオンビームの
密度より少なくとも５桁高い。

（２）中性イオンビームの密度n₀＝2.2×10²²/cm³はイ
オンビームの密度より10¹²倍すなわち１兆倍高い。

（３）それは帯電しているから、それをより高いエネル
ギーにまで加速することもできる。

帯電液体ジェットが形成される場合に、下記のパラメ
ータ・セットを源においてセットすることができる。

r_t＝５μｍ＝先端部の半径 l_g＝20μｍ＝先端部とノズルの間の間隙 V_a＝30tv＝先端部とノズルの間の電圧 Ｄ＝20μｍ＝ノズルの直径 結果としての先端部における電界Ｅ_ν、電流密度
ｊ_ν、電荷密度ｎ（ｒ_ν）、および電流Ｉは下記のよう
に計算される。

E_t＝1.67×10⁷V/cm j_t＝2.28×20³Amp/cm³ n_-（r_t）＝1.06×10¹⁷/cm³ n_-（lg）＝2/5×20¹⁶/cm³＝ノズルにおける電荷密度 Ｉ＝0.9mA Ｒ＝ｎ（lg）/n_-（lg）＝10⁶ 液体ジェットの帯電したしずく、すなわち微小な粒子
を線型加速器によりeV₀＝10GeVまで更に加速することが
できる。そのような１つのビームにおける電力は、 P₁＝IV₀＝10⁷ワット である。磁気融解のための要求は Ｐ＝50〜70MW である。液体ジェット・ビームの数は、 N_b＝P/P₁＝ビーム７本 である。それらのN_b本ビームはN_b個の先端部とN_b個のノ
ズルを設けることにより容易に形成することができる。
ビームは線型加速器の同じ空胴内で一緒に加速される。
線型加速器の長さｌは加速電位の傾きE₀に依存する。E₀
＝20MeV/mであるとすると、 ｌ＝V₀/E₀＝500メートル である。加速の終りにおける窒素分子当たりのエネルギ
ーE_mは E_m＝eV₀/r＝10keV である。

より多数の液体ジェットを形成するためには、中心に
配置された先端部（124）を複数個有する複数のノズル
口（126）を１つのノズルセルに設けることができる。
それらの先端部（124）は相互に分離する事が好ましい
が、共通液体源のためのノズルセル（112）へ全て通じ
る。先端部（124）の寸法を大きくすると電界放出効果
が低下するから、電流を増加する方法は、１つのノズル
面（120）に形成された多くのノズル口（126）を持つ多
くの先端部を有することである。

次に、本発明の第２の実施例が示されている図４を参
照する。このグラフ表示においては、簡単にするために
低温層（100）とアタッチメント手段（110）は省いてあ
る。そのかわりに、ノズルセル（112）に入るところの
チューブ（108）を示す。この実施例においては、ノズ
ルセル（112）はノズル面（120）とノズル口（126）を
再び含む。より低い圧力の領域内にスキマー（128）が
線図で示されている。ノズル口（126）の寸法は上記し
たものと同じである、すなわち、約５ミクロンから１ミ
リメートルである。図４に無いものはプラグ（114）
と、調整可能な取り付け機構（116）と、タングステン
線（122）およびそれの先端部（124）とである。それら
は今説明する光電装置で置き換えられている。

ノズル口（126）に全体として垂直で、それから絶縁
されてそれに連結されているのが光電面（140）であ
る。この陰極はノズルセル（112）の内部でノズル口（1
26）から内側へ向かって延長していることが分かる。光
電面（140）に光ファイバ（142）が接続される。この光
ファイバはノズルセル（112）の外側から導入さされ
て、光源（146）からレンズ（144）を通って来た光波を
受ける。図４においては、スキマー（128）が設けられ
る低圧領域中へノズルから液体が出る前に、光電面（14
0）を囲んでいる液体を帯電させるために光電効果が用
いられる。液体を帯電させるこの手段は低温度で使用で
きるから有利である。これは液体を低温に維持するのが
容易であり、かつ、多数の放出電子を発生するから、大
きい電流が得られる結果となる。市販されているこの種
の陰極は下記のトラック性を有する。

しかし、セシウム（Cs）は液体中の酸素のような不純
物により容易に損傷を受ける。より丈夫な陰極は、セシ
ウムの仕事関数φ＝2.14eVと比較して大きい仕事関数φ
＝4.5eVを有するタングステン箔であろう。図４に示さ
れている光源はレーザ源または紫外線を発生する水銀灯
が良い。この源はパルス動作させることができ、または
陰極上で連続しているのが示されている。タングステン
の量子効率はCsのそれより何桁も低いから、タングステ
ン箔が用いられるならばはるかに強力なレーザパルスを
必要とする。レーザ・ビームの強さは箔物質および希望
の強い結合度により決定される。好ましくは、これは10
0ワットまたはそれ以上のオーダーでなければならな
い。

陰極から放出された電子は、フォトン・エネルギー と金属の仕事関数の差に等しい運動エネルギーＴを一般
に有する。

したがって、フォトン・エネルギーが仕事関数のすぐ
上に調整されるのでなければ、電子の運動エネルギーは
一般に1eVのオーダである。図４に示すように光電面（1
40）がヘリウムのような液体中に浸されたとすると、電
子をその液体の温度まで直ちに冷却することができる。
液体のほんの小さい部分がノズルへ加えられる圧力によ
りしぼられている間に、電子の運動エネルギーは液体全
体に分布される。電圧（Ｖ）実より加えられる外部電界
により電子はノズル口（126）へ更に引き付けられる。
これが図４に示されている。ノズル口（126）における
最高電荷密度は n_max＝I/（πd²v/4） （28） Ｉ＝光電効果からの電流 ｄ＝ノズル口の寸法 ｖ＝ノズル口におけるクラスタの速度 である。これは、全ての電子が最終的にノズル口（12
6）だけを通ってノズルから出ることを仮定することに
より得られる。ノズル口（126）における電子の速度は
液体、たとえば、ヘリウム、へ加えられる圧力に依存す
る。ｖ＝10³cm/sec、ｄ＝５μｍ、Ｉ＝1mAをとるものと
すると、可能な最高電子密度はn^max＝3.2×10¹⁹/cm³で
ある。これはまったく大きな数である。液体ヘリウム温
度がＴ＝10^-4eVにおいては、結合Γは7.5×10³である。
したがって、ノズルの外部でビームが形成されるものと
すると、ビームが液体ジェットである場合には分子結合
はクーロン反発より大きいか、あるいはビームがクラス
タ・ビームである場合にはクラスタが強く結合されたク
ラスタであることを予測すべきである。光電効果は電子
のみを発生でき、正に帯電しているイオンを発生するこ
とはできない。

次に図５を参照する。ここでは図４におけるように、
簡単にするために低温層（100）とアタッチメント手段
（110）は省いている。最初は気体、好ましくは精製さ
れた気体、を充填されていたチューブ（108）が、低温
層（100）の上でノズルセル（112）へ連結されている様
子が再び示されている。その点において気体は凝縮され
て液体となり、ノズルセル（112）内へ入る。ノズル面
（120）がノズルセル（112）へ連結されて、前と同様に
ノズル口（126）を形成する。ノズル口（126）の寸法は
上記寸法と同じである。図４におけるように、図５には
プラグ（114）と、調整可能な取り付け機構（116）と、
タングステン線（122）と、先端部（124）とは示されて
いない。その代わりに、図５はノズルセル（112）中の
液体を帯電させるための電子を示す。これについてはい
ま説明する。電子ビームの代わりにイオンビームを使用
することができる。

反対側のノズル口（126）はタングステン箔である。
これはノズルセル（112）の分割壁を形成する。ノズル
セル（112）とタングステン箔すなわちタングステン膜
（150）へ真空トンネル（152）が連結される。図５から
分かるように、ノズルセル（112）中の圧力が真空トン
ネル（152）中の真空により影響されないように、真空
トンネル（152）はノズルセル（112）から分離される。
当業者になじみの電子銃（154）が真空トンネル（152）
へ結合されて、それに通じる。電子が電子銃（154）か
らパルス状または連続的にタングステン箔（150）へ照
射される。電子は真空チューブ（152）によりノズルセ
ル（112）から絶縁される。液体がノズルセル（112）を
通ってノズル口（126）からポンプ送りにより、スキマ
ー（126）が設けられている真空領域内へ送り込まれ
る。ノズル口（126）は既知の手段により再び正にバイ
アスされる。電圧源へスキマー（128）を接続すること
も再び意図される。

活動的な電子ビーム（He＋またはAr＋のイオンビーム
で置き換える事ができる）が電子銃において発生され、
薄いタングステン膜（150）を貫通して、ヘリウムのよ
うな液体中に注入される。真空チューブ（152）を分離
するためにタングステン膜（150）に類似する丈夫な薄
い金属膜を必要とする。電子は液体ヘリウムに到達する
ためにはその金属膜を透過せねばならない。電子／イオ
ンビームの運動エネルギーは、タングステン膜（150）
を透過するために十分に高くなければならない。電子の
範囲は により与えられる。ここに、ａ、Ａ、Ｂ、Ｃは「粒子特
性の再考（Review of Particle Properties）」Phys
ic.Letters Vol.170B、1986年４月、に見出すことがで
きる。

数値的にはそれらは次の値をとることができる。

厚さｄ＝５μｍ、密度が4.5mg/cm³のタングステン箔で
は範囲は2.25mg/cm²である。したがって、40keVの電子
ビームは５μｍのタングステン箔を貫通でき、しかも液
体ヘリウムをイオン化して電子とHe⁺を発生できる。電
界が電圧（Ｖ）により加えられるものとすると、イオン
か過程から発生された電子と正イオンHe⁺は再結合しな
いであろう。非常に活動的な各電子の場合には、液体ヘ
リウム温度において２個以上の電子とイオンを発生でき
る。

箔（150）はノズル口（126）にできるだけ接近させ
て、それらの間の間隔を約30ミクロンから1mmにすべき
である。箔（150）とノズル口（126）の間隔（間隔
（ｇ））は、それの間に存在する液体が、箔（150）か
ら出た電子が停止する事なしにノズル口（126）から出
ることがないように、電子を停止できるために十分広く
なければならない。

ｇ＞（Ｒ−R_W）／ρ （30） ここに R_W＝タングステンによる距離の減少 ρ＝液体ヘリウムの密度 Ｒ＝電子の距離 上で与えられた数値例では、ｇ＞30マイクロメートルで
ある。そうすると、全ての電子はノズル口（126）と箔
（150）の間で停止させられるであろう。電子とイオン
も、箔から放出されると、ノズル口（126）に非常に接
近する。

たとえば、5keVまたはそれ以上の外部電圧がノズル口
（126）とタングステン箔（150）の間で維持される。ノ
ズル口（126）がタングステン箔（150）に関して正電圧
に維持されるものとすると、電子はノズル口（126）へ
向かって引き付けられる。ノズル口（126）を越えて形
成されたビームは過剰な電子を含み、負に帯電させられ
る。ノズル口（126）が箔（150）に対して負であるよう
に極性が反転させられると、イオンはノズル口（126）
へ向かって引き付けられる。ビームは正に帯電させられ
るであろう。

電子ビームをイオンビームで置き換えると、同じ種類
の効果を得ることができる。一般に、電子ビームの強さ
は少なくとも１マイクロAmpから１ミリAmpでなければな
らず、箔の上に１ミリメートルより小さくない点に集束
すべきである。ビームの正確な強さは電子間の希望の種
類の結合に依存する。ビームが強いほど結合は強い。

液体を帯電する別の方法が図６に示されている。ここ
では熱電子放出が用いられる。液体がノズル口（126）
を通る前に、液体中に電子を発生するためにタングステ
ン線（122）が用いられる。この場合には、厚さが約
０。005″のタングステン線（122）が液体窒素のような
液体中に浸される。それから電流がその線（122）に流
されることにより熱が発生されて線（122）を加熱す
る。液体窒素の伝導度は低いから、線（122）の周囲の
液体は加熱され、線の周囲に気泡が発生される。そうす
ると気泡と周囲の液体窒素の間に温度勾配が存在する。
通常の熱電子放出により電子が発生され、それらの電子
はノズル口（126）に維持されている正にバイアスされ
ている電位によって引き付けられる。この方法のため
に、図１に示されている構成を一般に応用することがで
き、タングステン先端部（124）と調整可能な取り付け
機構（116）の代わりに簡単な非絶縁タングステン線（1
22）を用いる。１マイクロアンペアの総電流を生ずるた
めに熱電子放出が超流動ヘリウム中で作用する事が示さ
れている。Phys.Rev.Lett.V.20,1229（1968）所載の
「浸されているタングステン・フィラメントから地獄へ
の電子の注入（Injection of electrons into Hell
from an Immersed Tungsten Filament）」と題す
るグレン・イー・スパングラー（Gren E.Spangler），
ヒヤフォード（F.L.Hereford）の論文を読者が読まれる
ことを希望する。

ノズルセル112中の液体が先端部124により帯電させら
れ、ノズル口126を通って真空中へ押し込まれて液体ジ
ェットすなわちビームを形成するように、またはクラス
タ・ビームを形成するように、上記方法は実用的であ
る。しかし、真空は重要な構成要素ではなく、大気圧が
ノズルセル112中に存在する圧力より低ければ、代わり
に液体をノズル口126を通って大気中へ放出させること
ができる。

液体ジェットまたはクラスタを形成する上記方法を用
いると、それから形成された液体のしずくまたは微小粒
子の逆極性に帯電させられたジェットすなわちビーム、
またはクラスタ・ビームを組合わせて、図７に示すよう
な中性ビームを形成することが可能である。図７におい
ては、セルは前記セルに類似する。簡単にするために、
ノズルとスキマーが示す部分だけが示されている。

たとえば、先端部158から電界放出により発生された
正イオンを、ノズル162を通ってセル165から出る流体中
へ導入して、正に帯電されたビーム150を形成すること
により、逆極性に帯電されたビームを形成できる。以前
の実施例において用いられているセルに類似する別のセ
ル167を用いて、負に帯電したビーム152を発生できる。
２つのビーム150、1512はスキマー154と156をそれぞれ
通る。

帯電させられた一連の素子170と、別の帯電させられ
た素子172とによりビーム150、152の経路を変更するこ
とができる。素子170、172は、セル165、167から離れる
帯電ビーム150、152の運動を維持しながら、それらのビ
ームを集束させるようにビームを導くのに効果的であ
る。１つのビームに関連する電荷が、他のビームに関連
する逆極性の電荷により打ち消されるから、組合わせて
中性ビーム180が生ずる結果となる。

結果としてのビーム180は中性であるから、それを加
速することはできず、従ってビーム180へ組合わせる前
に、求められているエネルギーまで個々の帯電ビームを
加速する必要がある。

あるいは、ビームの極性とは逆極性の電荷を有する低
エネルギーイオンをビーム中に導入することにより、電
荷ビームを中性にすることができる。この方法が図7aに
示されている。この方法においては、ノズルセル184を
通った後で電荷ビーム182を真空186中で形成する。イオ
ン発生器188は低エネルギー電子を放出する加熱される
素子192の態様とすることができる。電子は電極190へ向
かって加速される。発生器が電子を放出する場合には、
その電極は陽極である。この場合にはビーム182は正に
帯電され、発生器188から加速された電子がビーム182中
へ入ることができるように発生器188と、素子192とはビ
ーム182の周囲に配置される。ビーム182においては、電
子の負電荷がビーム182の対応する正電荷を打ち消す。
このようにして、ビーム182中に十分な電子を導入する
と、ビームの中性化が行われる結果となる。

ビームを中性化する上記方法は、ビームが負に帯電し
ている場合にも、ビーム中に導入する正イオンを発生す
るイオン発生器を設けることにより応用することができ
る。

また、真空中で帯電ビームが加速されるものとする
と、組合わせの前には流体の固体化が生じないようにす
る事も望ましい。これは、加速領域内部を低圧にして、
流体から加熱蒸発させられる速さを低下させ、それによ
り流体を固体まで冷却するのではなくて流体状態のまま
に維持することができる。

ノズルセルに液体ヘリウムを使用するものとすると、
液体ジェットを超流体ヘリウムで形成しコヒーレントな
機構により核融解を進行することができる。

ここで説明しているように、液体ジェットおよび結果
としてのビーム核融合プロセスにおいて使用できる。こ
れは、レーザと重水素との相互作用の結果として加速さ
れた電子が存在しないから、現在のレーザによる爆発技
術および重水素ターゲットを予熱しない慣性閉じ込め融
合（ICF）よりも有利である。重水素−重水素衝突は緩
い電子を引き離さず、イオン化されたプラズマを生じな
い。非常に高い圧力を受けている重水全体が一緒に断熱
加熱される場合のみ電子はイオン化される。

更に、液体ジェットは極めて強いから、トカマクのよ
うな磁気閉じ込め技術における核融合プロセスを支援す
るために単独でそれを使用できる。

ここで説明している帯電クラスタで発生されたビーム
には３つの異なる応用がある。すなわち、 （１）鋼鉄その他の堅い物体の切断。ノズルセルに液体
窒素が用いられると、ある圧力が加えられたとき、その
液体窒素は通常の大気環境中へ膨張させることができ
る。窒素原子当たりのエネルギーが0.1eV（これは10³゜
Kに等しい）より高いとすると、窒素クラスタはあらゆ
る種類の物体、金属、鋼鉄、岩石、人体組織またはダイ
ヤモンドでさえ、切断できる。電力消費量は少ない。電
流は1mAで、印加電圧φ_０＝10kVの場合には必要な電力
は10ワットである。これを、キロワット、またはkW以
上、の電力を消費するレーザと対比されたい。液体窒素
は容易に入手でき、非常に経済的である。液体窒素は低
温でもある。

炎、イオン、プラズマで構成されているような高温ビ
ームを避けなければならない多くの応用の場合には、こ
の方法は有用である。

（２）原子当たりのエネルギーE_aが6eV（これは停止さ
れた時の2MBの圧力に等しい）以上である場合には、金
属水素を形成するために液体水素クラスタを使用でき
る。６本の液体水素ビームを一緒に固体水素の立方体へ
向けて照射できる。それらの６本のビームからの極めて
高い圧力の下にあるその立方体は金属水素を形成する。
金属水素は室温において超伝導である。

（３）原子当たりのエネルギーE_aが100eV、および好ま
しくは1keV以上の場合には、液体重水素から形成された
重水素クラスタビーム、または液体ヘリウムから形成さ
れたヘリウム・クラスタビームを用いて核融合を行わせ
ることができる。重水素の立方体に照射させるために６
本のビームを配置できる。

ここで説明している強く結合されたクラスタビーム
は、慣性閉じ込め融合（ICF）におけるレーザ爆発技術
より優れている。その理由は、レーザー重水素相互作用
の結果としての加速された電子が存在しないから、それ
らのビームは重水素ターゲットを予熱しないからであ
る。重水素−重水素衝突は緩い電子を引き離さず、イオ
ン化されたプラズマを生じない。非常に高い圧力を受け
ている重水全体が一緒に断熱加熱される場合のみ電子は
イオン化される。

更に、強く結合されているクラスタビームの極めて高
い強度のために、トカマクにおけるような磁気閉じ込め
技術での核融合プロセスを支援するために単独で使用で
きる。

ノズルセル中の液体ヘリウムが超伝導ヘリウムである
とすると、ヘリウム・クラスタはコヒーレントなヘリウ
ムで構成され、コヒーレントな機構を用いて核融合を同
様に進めることができる。

強く結合され、または弱く結合され、コヒーレント
で、中性または帯電された、クラスタの形成を発明者は
教示する。それらのクラスタは液体または気体、すなわ
ち、流体、から形成される。この説明を通じて、液体と
言う用語を本発明を説明する際に最もしばしば使用する
が、本発明は気体へも等しく応用できる事を理解すべき
である。従来技術は液体からクラスタを形成することは
示しておらないこと、本発明が気体はもちろん液体から
クラスタを形成することを意図するという事実に読者の
注意をひくためにこの開示は書かれたにすぎない。両者
は全体として流体と呼ばれる。

発明者が知っている従来技術においては、とくに、フ
リードマン（Friedman）およびブルックヘブン（Brookh
aven）の実験により開示されている従来技術において
は、クラスタの形成のために液体を使用すること、およ
びクラスタの結合または可干渉性を破壊しないやり方
で、帯電クラスタの形成中より前に帯電クラスタを形成
することは開示されていない。既知の技術は気体、過飽
和気体、または超流動ヘリウムからクラスタを形成し、
形成後にクラスタを十分に帯電させ、または形成前にク
ラスタを帯電させるものとするとアーク放電によりクラ
スタを帯電させる。そのアーク放電はクラスタの結合を
乱す。出願により教示されているように、流体、すなわ
ち、液体または気体、を帯電させるために、クラスタの
結合が乱されないように、低い仕事関数の元素を用いて
希望の電荷をゆっくり放出させる。

クラスタを形成するために発明者が使用する流体のあ
るものは、水（H₂O）、重水（D₂O）、液体窒素、液体重
水素、液体ヘリウム、液体酸素、および液体水素であ
る。気体ではなくてそれらの各液体をクラスタへ形成す
ることの利点は、液体の密度（液体ヘリウムを除く）が
一般に、沸点において気体状態にある液体の密度の800
〜10,000倍であることである。したがって、ここで開示
しているように液体から形成されたクラスタは寸法が大
きく、数が多い。そのように増大すると、液体から形成
されたクラスタがノズル口から噴霧されるから、はるか
に強いクラスタが形成される。その噴霧からのクラスタ
ビームは原子当たり0.1eVの強さで測定されている。そ
の強さは何十キロバールすなわち10⁴気圧に等しい。液
体ヘリウムを除き、ノズルセル中の圧力は約１気圧また
はそれより高いことが必要なだけである。液体ヘリウム
の場合には、圧力は10〜100気圧またはそれより高くす
べきである。超流動ヘリウムからのヘリウム・クラスタ
の形成は技術において知られており、ここでは詳しくは
説明しない。

ａ）水 これは最も安く、最も容易に得ることができるもので
ある。水クラスタが分子当たりE_a＞0.1eVのエネルギー
まで加速されると、このようにして加速されたクラスタ
を用いて金属を切断し、または岩石に穴を開けることが
できる。更に、上記の例においてノズル口の外側で使用
される圧力は、ノズルセル中の水に加えられる最初の圧
力が１気圧より大幅に高い限りは、真空である必要はな
い。水は、ノズルセルから低い圧力の領域へ通るとき
に、室温またはそれより低くできる。水がノズル口（12
6）を詰まらせないように、水は純粋であることが好ま
しい。

ｂ）重水 水中の水素の代わりに重水素を用いると費用が極めて
増大する。しかし、十分に高いエネルギー、E_a＞300eV
においては、ブルックヘブン（Brookhaven）グループが
示したように、それらの重水クラスタは融合を点弧でき
る。また、上記のように、重水温度を室温またはそれ以
下にでき、スキマーの領域内のノズル口の外部の圧力は
真空圧である必要はない。

ｃ）液体窒素 液体窒素は水と比較して非常に冷たい。低温処理が好
ましい工業状況においては、水の代わりに液体窒素を使
用できる。液体窒素は依然として比較的安く、取扱いは
容易ではなくて極低温取扱い法に従って取り扱うことが
できる。窒素を低温に維持するために、ノズル口の外で
は真空圧を必要とする。

ｄ）液体水素 液体水素から形成された活性的な水素クラスタ（E_a＞
20eVまたは圧力＞2MB［メガバール」を用いて超伝導金
属水素を形成できる。ノズル口の外では真空圧を求めら
れる。

ｅ）液体重水素 液体重水素は重水素原子のみを含んでいるから重水よ
りはるかに純粋である。ある用途においては、液体重水
素から形成された純粋の重水素クラスタは核融合の点弧
のために好ましい。

ｆ）液体ヘリウム 源ノズルセル中の液体ヘリウムからコヒーレントなヘ
リウム・クラスタを得ることができるから、そのクラス
タは研究ツールとして、かつ工業的応用のために非常に
貴重である。

ここで開示したようにして形成された帯電クラスタビ
ームを外部電界により加速できる。この電界はクラスタ
の強い結合を破壊しない。結果は極めて強い、活動的
な、強く結合された低いエネルギー拡散を有するクラス
タビームである。

以上記述した装置は説明のみにより進められ、添付請
求の範囲で定められている発明の要旨および範囲を逸脱
する事なしに多くの変更をそれに対して行うことができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/08 G21B 1/02 H01J 27/08 H01J 27/24 H01J 27/26

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズル口を形成し、かつ流体を第１の圧力
   に維持するノズルの中へ流体を通す過程と、 負に帯電された粒子または正に帯電された粒子の一方を
   電界放出または電界イオン化のいずれかにより、クラス
   タの強い結合を破壊しないように流体中へ導く過程と、 帯電された流体を前記ノズル口からより低い圧力の第２
   の領域中へ向け、帯電クラスタを生成する過程と を備えた、強く結合された帯電クラスタを形成する方
   法。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載の方法であって、
   負に帯電された粒子または正に帯電された粒子の一方を
   導く過程は、低い仕事関数を持つ電気的要素により行わ
   れる方法。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項に記載の方法であって、
   負に帯電された粒子または正に帯電された粒子の一方を
   導く過程は、前記ノズル口に非常に近い所で起きる方
   法。
4. 【請求項４】ノズル口を形成し、かつ流体を第１の圧力
   に維持するノズルの中へ流体を通す過程と、 負に帯電された粒子または正に帯電された粒子の一方を
   電界放出または電界イオン化のいずれかにより、コヒー
   レンシーを破壊しないように流体中へ導く過程と、 帯電された流体を前記ノズル口から、第１の領域より低
   い圧力の第２の領域中へ向け、帯電されたコヒーレント
   なクラスタを生成する過程と を備えた、コヒーレントな帯電クラスタを形成する方
   法。
5. 【請求項５】少なくとも１気圧である第１の圧力の領域
   から、第１の圧力より低い第２の圧力の領域へ液体を通
   す過程と、 第１の圧力の領域から第２の圧力の領域へと液体を通す
   前にその液体を、第１の圧力の領域から第２の圧力の領
   域へと通す間にクラスタを形成するときにコヒーレンシ
   ーを破壊しないように帯電させる過程と を備えた、液体からクラスタを形成する方法。
6. 【請求項６】第１の圧力の領域から、真空である第２の
   圧力の領域へ液体を通す過程と、 第１の圧力の領域から第２の圧力の領域へと液体を通す
   前にその液体を、第１の圧力の領域から第２の圧力の領
   域へと通す間にクラスタを形成するときにコヒーレンシ
   ーを破壊しないように帯電させる過程と を備えた、液体からクラスタを形成する方法。
7. 【請求項７】請求の範囲第５項に記載の方法であって、
   前記第２の圧力の領域は真空である方法。
8. 【請求項８】第１の圧力の領域から、第１の圧力より低
   い第２の圧力の領域へ気体を通す過程と、 第１の圧力の領域から第２の圧力の領域へと気体を通す
   前にその気体を、第１の圧力の領域から第２の圧力の領
   域へと通す間にクラスタを形成するときにコヒーレンシ
   ーを破壊しないように帯電させる過程と を備えた、気体からクラスタを形成する方法。