JP3696079B2 - 慣性静電閉じ込め装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速したイオンを静電的に閉じ込め、核融合により中性子を発生する慣性静電閉じ込め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトな構造の中性子源として、慣性静電閉じ込め装置が検討されている。慣性静電閉じ込め装置としては、たとえば、"Current Trends in International Fusion Reserch, Proceedings of the Second Symposium (1999), p.177-178" に記載されているように、米国イリノイ大学で研究開発された装置は、小型の球状真空容器内に高電圧の球状かご型電極を備えた簡単な構成になっている。この装置は真空容器壁を陽極（接地電位）、中心のかご型電極を陰極とし、陰極に−６５ｋＶの高電圧が印加できる構成になっている。陰極は１個の電流導入端子により、真空容器壁に固定されている。電流導入端子は、大気側および真空側で十分な高電圧に耐えるだけの耐電圧性能と真空容器の一部としての気密性を持っている。ガス供給系と真空ポンプにより真空容器内のガス圧が調整されている。この装置では、陽極と陰極の間に印加した高電圧により、この陰極・陽極間の空間でグロー放電を形成するとともに、グロー放電により生成されたイオンを同じ陰極・陽極間の空間で加速する。加速されたイオンはかご型の陰極を通り抜け、その後減速されながら反対側の陽極近傍まで進みそこで反転し、再度、陽極・陰極間で加速され．．．と、一部軌道を変えながら何度か往復運動をする。このように静電的に閉じ込められたイオンは、装置の構成上、球状かご型陰極の中心付近でその密度が最大になる。ガス種に重水素（Ｄ）や三重水素（Ｔ）を用いると、これらのイオン同士やイオンと中性ガスとの衝突の際に核融合（Ｄ−Ｄ反応またはＤ−Ｔ反応）がおこり、中性子が発生する。核融合反応の大部分は閉じ込めによりイオンの密度が高くなる球状かご型陰極の中心でおこる。
【０００３】
また、例えば、"18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering, Oct. 25-29, 1999, OA1-3" において、LANLが発表した装置では、直径約300mmの小型の球状真空容器内に備えた同心球状の陽極（外側）と陰極（内側）の間に75kVの高電圧を印加し、陽極外部で生成された低エネルギーのイオンを陽極・陰極間で加速する構成になっている。この装置では外側の球状陽極（接地電位）と球状真空容器壁（接地電位）の間にさらにかご型の球状電極（1kV以下の正電位を印加）を設け、真空容器壁と陽極の間の空間でグロー放電を形成し、これにより低エネルギーのイオンを生成している。さらにこのグロー放電を安定に形成するための手段として真空容器壁に６個の電子銃を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
加速されたイオンの衝突により核融合をおこし中性子を発生する反応断面積は、イオンの加速エネルギーに依存し、Ｄ−Ｄ反応、Ｄ−Ｔ反応いずれの場合も１００ｋｅＶ程度までは比例以上の関係で増加する。特に反応断面積が他より大きなＤ−Ｔ反応では１００ｋｅＶを少し超えたあたりにピークを有している。したがって、中性子の発生数を増やす一つの有効な方法は、陰極・陽極間に１００ｋＶ程度の高電圧を安定して印加できるようにすることである。
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術においては、陽極（低電圧：ここでは接地電位）と陰極（負極性高電圧）との間に印加される高電圧は設計仕様で６５ｋＶ〜７５ｋＶ、実験値で４０ｋＶ〜６０ｋＶにとどまっており、十分な中性子が発生できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加できる慣性静電閉じ込め装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、真空容器内に配置された球状陽極と、この球状陽極の内周側に同心的に配置されたかご型球状陰極と、上記球状陽極の外部の空間に設けられたプラズマ室と、上記陽極・陰極間に高電圧を印加する高電圧電源を有する慣性静電閉じ込め装置において、上記陽極と上記陰極の間の空間に同心的に配置されたかご型球状中間電極と、この中間電極に所定の高電圧の電位を与える高電圧印加手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記高電圧印加手段は、上記中間電極がない場合の中間電極の位置の電位の大きさ（絶対値）よりも大きい電位を上記中間電極に印加するようにしたものである。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、互いに同軸状の絶縁体と導電体とで構成するようにしたものである。
【００１０】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、上記球状陽極およびかご型球状陰極の中心に対して互いに対向する位置に配置するようにしたものである。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、１個の高電圧電源と抵抗分圧器から構成するようにしたものである。
【００１２】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、絶縁変圧器と、その２次側に接続される複数個の電源を出力側で直列接続するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成を示す断面図である。
【００１４】
慣性静電閉じ込め装置１は、球状の真空容器２内に、大半径Ｒａの球状陽極３と、この陽極３と同心で小半径Ｒｋのかご型球状陰極４とを備えている。陽極３には、イオンを引き出すための複数の開口部３ａ，３ｂ，…，３ｆが設けられている。さらに、本実施形態においては、陽極３と陰極４の間の空間に、陽極３および陰極４と同心で、陽極３の半径Ｒａより小さく、陰極４の半径Ｒｋより大きい半径Ｒｍをもつ１個のかご型球状中間電極５を備えている。ここで、陰極４や中間電極５の形状である「かご型球状」とは、具体的には、金属ワイヤや金属パイプあるいは金属板をリング状に整形したものを数本組み合わせて外形がほぼ球状のかごを形成するようにしたものである。特に、陰極４には、高融点材のタンタルやタングステンを用いている。なお、陽極３，陰極４，中間電極５は、同心状に配置されているものとしているが、各球状電極の中心は、少し（例えば、１０％程度）ずれていても良いものである。このように、少しずれたものも含めて、陽極３，陰極４，中間電極５は、同心的に配置されていると称するとともに、以下の各実施形態についても同様である。また、各電極の形状は、球状に限らず、楕円体形状でもよいものである。
【００１５】
さらに、真空容器２の壁を貫通するように、同軸状の高電圧電流導入端子６を備えている。導入端子６は、直線状中心導体６０の外側に設けられたアルミナセラミック等の円筒状絶縁体６２と、絶縁体６２の外側に設けられた銅またはステンレス鋼等の円筒状導体６１と、導体６１の外側に設けられた円筒状絶縁体６３とが同軸状に構成されたものである。導入端子６は、大気―真空容器間の気密を保つとともに、陰極４や中間電極５を構造的に支持し、陰極４や中間電極５に独立に電位を与えることができる。すなわち、導入端子６の構成においては、陽極３，陰極４，中間電極５は、互いに電気的に絶縁され得る。
【００１６】
真空容器２の外部には、２個の高電圧電源７，８が備えられている。高電圧電源７，８のそれぞれの出力端子７ｋ，８ｍは、同軸状導入端子６の接続端子６ｋ，６ｍにそれぞれ接続され、陰極４および中間電極５に所定の電位を与えている。導入端子６の絶縁体の大気側の外面は、沿面の耐電圧をあげるために、図示は省略しているが、ひだ状に構成されている。
【００１７】
また、真空容器２の内部の空間で陽極３の外側の空間には、プラズマ室１０を設けている。プラズマ室１０にはフィラメント１１を配置し、これを外部の電源１２により加熱し、熱電子を発生させている。さらに、プラズマ室１０には、かご型の球状電極１３を配置し、抵抗１４を介して電源１５に接続している。
【００１８】
核融合反応に必要な重水素等の原料ガスは、外部のガスボンベ２０およびバルブ２１等のガス流量調整手段からなるガス供給系により、プラズマ室１０を経て真空容器２の内部に導入し、真空容器２に連通する真空ポンプ２２により排気する。これらのガス供給系およびガス排気系を適切に設定することにより、真空容器内のガス圧を所要の値に設定する。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布の説明図である。
【００２０】
本実施形態による慣性静電閉じ込め装置１において、陽極３を接地電位とし、陰極４に負極性の高電圧、たとえば−１００ｋＶを印加する。中間電極５には、絶縁耐圧の範囲内で任意の高電圧を印加することができるが、本実施形態では−５０ｋＶを印加している。
【００２１】
真空容器２の内部全体が、理想的な真空状態，すなわちガスが存在せず、したがってプラズマも存在しない場合、陰極・陽極間の電位分布は、図２の実線Ａのようになる。一方、比較のために、同一条件で中間電極がない場合の陰極・陽極間の電位分布は、図２の一点鎖線Ｂのようになる。
【００２２】
中間電極がない場合には、一点鎖線Ｂに示すように、電位の傾き，すなわち、電界強度（絶対値）は、外側の陽極部（Ｒ＝Ｒａ）でもっとも小さく、球の中心部の陰極に近づくにつれ次第に強くなり、陰極部（Ｒ＝Ｒｋ）で最大となる。従って、陽極・陰極間に１００ｋＶの高電圧を印加すると、陰極部の電界強度が大きく成りすぎるため、絶縁破壊を生じることとなり、あまり高電圧を印加することができないものである。
【００２３】
ここで、中間電極６に印加する電圧は、次のようにしている。即ち、一点鎖線Ｂで示す中間電極が無い場合、球中心からの距離Ｒｍ（実線Ａにおける中間電極６の位置）での電位は−２０ｋＶである。そこで、本実施形態では、陽極３に対する中間電極６の電位の大きさ（絶対値：５０ｋＶ）が、他は同一条件で中間電極６がない場合のその位置での電位の大きさ（絶対値：２０ｋＶ）よりも大きくなるように設定している。ちなみに、図２において、球中心からの距離Ｒｍ’（Ｒｋ＜Ｒｍ’＜Ｒｍ）に中間電極６を配置し、−５０ｋＶを印加すれば、曲線Ａは曲線Ｂと一致するようになる。図２から明らかなように、本実施形態（実線Ａ）では陰極近傍での電界強度は、中間電極がない場合（一点鎖線Ｂ）も小さくなる。したがって、本実施形態では、陰極４の近傍における絶縁破壊がおこりにくく、十分な高電圧（−１００ｋＶ）を、陰極に安定して印加することができる。
【００２４】
プラズマ室１０で生成されたイオンは、陽極３に設けられた複数の開口部３ａ，…，３ｆを通って加速空間（陽極３−中間電極５−陰極４）へ引き出され、加速された後、陽極・陰極間で往復運動（加速または減速）を繰り返しながら互いに衝突し、核融合反応をおこし中性子を発生する。本実施形態（実線Ａ）では陽極付近での電界強度が、中間電極がない場合（一点鎖線Ｂ）に比べて強くなるので、プラズマ室１０からのイオンの引き出しが容易になる。
【００２５】
ここで、図３を用いて、重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係について説明する。
図３は、重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係の説明図である。
【００２６】
図３において、横軸は重水素エネルギー（ｋｅＶ）を示し、縦軸は核融合反応断面積（ｂａｒｎｓ）を示している。加速されたイオンの衝突により核融合をおこし中性子を発生する反応断面積は、イオンの加速エネルギーに依存し、Ｄ−Ｄ反応、Ｄ−Ｔ反応いずれの場合も１００ｋｅＶ程度までは比例以上の関係で増加する。特に反応断面積が他より大きなＤ−Ｔ反応では１００ｋｅＶを少し超えたあたりにピークを有している。したがって、陰極・陽極間に１００ｋＶ程度の高電圧を安定して印加できれば、中性子の発生数を増やすことができる。
【００２７】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加できるので、従来装置に比べ、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
【００２８】
次に、図４を用いて、本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００２９】
本実施形態では、分圧用抵抗７０，８０を備えている。高電圧電源７から供給される高電圧は、抵抗７０，８０によって抵抗分圧され、陰極４には端子６ｋから、例えば，−１００ｋＶが印加され、中間電極５には端子８ｍから、例えば，−５０ｋＶが印可される。
【００３０】
各分圧抵抗７０，８０は、分担すべき高電圧に十分耐えるとともに、抵抗への分流電流がビーム電流に比べ十分低くなるように設定されている。たとえば、１００ｍＡのビーム電流に対しては、５０ｋＶの分担電圧に対して１ｍＡ以下の漏れ電流になるように、抵抗値は５０ＭΩ以上が設定されている。
【００３１】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、高電圧電源を１個とすることができ、装置コストを低減することができる。
【００３２】
次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３３】
本実施形態では、陰極３と陽極４の間の加速空間に、２つの中間電極５Ａ，５Ｂを配置している。また、電源として、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１１０，１２０，１３０を備えている。第１中間電極５Ｂには、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１１０から、端子６ｎを介して、−３０ｋＶの電圧が印加される。第２中間電極５Ａには、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１２０から、端子６ｍを介して、−６０ｋＶの電圧が印加される。陰極３には、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１３０から、端子６ｋを介して、−９０ｋＶの電圧が印加される。
【００３４】
本実施形態によれば、効率的な核融合反応が起きる約９０ｋＶの高電圧の加速電圧を安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、約９０ｋＶの高電圧を汎用の３０ｋＶ小型電源の組合せで安定して得ることができる。３０ｋＶ級電源は１００ｋＶ級電源に比べ大電流化が各段に容易であるので、ビームの大電流化が容易に実現できる。
したがって、加速エネルギーとビーム電流の両面から中性子の増大を図ることができる。
【００３５】
次に、図６を用いて、本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３６】
本実施形態では、２段の高電圧電流導入端子の円筒状絶縁体６６，６７が直列に配置されている。２段の絶縁物６６，６７の連結部６ｍから、中間電極５に接続される中間電極支持用円筒状導体６１が同軸状に配置されている。陰極支持用中心導体６０および中間電極電極支持用円筒状導体６１間の絶縁は、真空ギャップの絶縁による。
【００３７】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、高絶縁性の媒体である真空ギャップにより、各電極支持導体間の絶縁をとっているので、高電圧をより安定に印加できる。
【００３８】
次に、図７を用いて、本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図７は、本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３９】
本実施形態では、陰極４に接続する高電圧電流導入端子６００と、中間電極５に接続する高電圧電流導入端子６１０は、装置の中心を挟んで互いに対向する位置に配置されている。高電圧電流導入端子６００と、高電圧電流導入端子６１０とは、独立して設けられるため、陰極への高電圧印加が安定にできる。なお、見かけ上加速空間が減少するが、導入端子が１個の場合も導入端子軸方向には１パスを超える加速の往復運動が不可能なので中性子発生に対する実質的な影響は小さいものである。
【００４０】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、導入端子を対向して独立させたので、導入端子の真空側の耐電圧設計が容易になる。
【００４１】
次に、図８を用いて、本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図８は、本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００４２】
本実施形態では、イオンビーム加速用の中間電極５の他に、陰極４のごく近傍に別の中間電極５１を配置している。中間電極５１には、陰極４より絶対値がわずかに高い高電圧を印加する。その差電圧は、１〜２ｋＶ程度が好適である。具体的には、例えば、陰極４に−９９ｋＶ、陰極近傍中間電極５１に−１００ｋＶを印加する。本実施形態では、陰極４の近傍で発生した電子（主として陰極４から飛び出す熱電子もしくは２次電子で、そのエネルギーは１ｋｅＶ以下）に対して、陽極方向に減速電界を形成することができる。一般に、イオンの加速空間は逆向きの電子の加速空間であり、この空間に熱電子または２次電子が大量にはいりこむとそのまま加速されて陽極を衝撃し、不要なＸ線を発生することになるが、減速電界を備えることにより、陰極に電子が衝突するのを防止して、不要なＸ線発生を防止することができる。
【００４３】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、不要なＸ線の発生を低減することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布の説明図である。
【図３】重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…慣性静電閉じ込め装置
２…真空容器
３…陽極
３ａ，…，３ｆ…開口
４…陰極
５…中間電極
６…高電圧電流導入端子
６ｋ，６ｍ，６ｎ…端子
７，８…高電圧電源
７ｋ，８ｍ…端子
９…高電圧絶縁変圧器
１０…プラズマ室
１１…フィラメント
１２，１５…電源
１３…放電用電極
１４…抵抗
２０…ガスボンベ
２１…バルブ
２２…真空ポンプ
６０，６１，６４…導体
６２，６３，６５…絶縁体
１１０，１２０，１３０…高電圧電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速したイオンを静電的に閉じ込め、核融合により中性子を発生する慣性静電閉じ込め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトな構造の中性子源として、慣性静電閉じ込め装置が検討されている。慣性静電閉じ込め装置としては、たとえば、"Current Trends in International Fusion Reserch, Proceedings of the Second Symposium (1999), p.177-178" に記載されているように、米国イリノイ大学で研究開発された装置は、小型の球状真空容器内に高電圧の球状かご型電極を備えた簡単な構成になっている。この装置は真空容器壁を陽極（接地電位）、中心のかご型電極を陰極とし、陰極に−６５ｋＶの高電圧が印加できる構成になっている。陰極は１個の電流導入端子により、真空容器壁に固定されている。電流導入端子は、大気側および真空側で十分な高電圧に耐えるだけの耐電圧性能と真空容器の一部としての気密性を持っている。ガス供給系と真空ポンプにより真空容器内のガス圧が調整されている。この装置では、陽極と陰極の間に印加した高電圧により、この陰極・陽極間の空間でグロー放電を形成するとともに、グロー放電により生成されたイオンを同じ陰極・陽極間の空間で加速する。加速されたイオンはかご型の陰極を通り抜け、その後減速されながら反対側の陽極近傍まで進みそこで反転し、再度、陽極・陰極間で加速され．．．と、一部軌道を変えながら何度か往復運動をする。このように静電的に閉じ込められたイオンは、装置の構成上、球状かご型陰極の中心付近でその密度が最大になる。ガス種に重水素（Ｄ）や三重水素（Ｔ）を用いると、これらのイオン同士やイオンと中性ガスとの衝突の際に核融合（Ｄ−Ｄ反応またはＤ−Ｔ反応）がおこり、中性子が発生する。核融合反応の大部分は閉じ込めによりイオンの密度が高くなる球状かご型陰極の中心でおこる。
【０００３】
また、例えば、"18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering, Oct. 25-29, 1999, OA1-3" において、LANLが発表した装置では、直径約300mmの小型の球状真空容器内に備えた同心球状の陽極（外側）と陰極（内側）の間に75kVの高電圧を印加し、陽極外部で生成された低エネルギーのイオンを陽極・陰極間で加速する構成になっている。この装置では外側の球状陽極（接地電位）と球状真空容器壁（接地電位）の間にさらにかご型の球状電極（1kV以下の正電位を印加）を設け、真空容器壁と陽極の間の空間でグロー放電を形成し、これにより低エネルギーのイオンを生成している。さらにこのグロー放電を安定に形成するための手段として真空容器壁に６個の電子銃を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
加速されたイオンの衝突により核融合をおこし中性子を発生する反応断面積は、イオンの加速エネルギーに依存し、Ｄ−Ｄ反応、Ｄ−Ｔ反応いずれの場合も１００ｋｅＶ程度までは比例以上の関係で増加する。特に反応断面積が他より大きなＤ−Ｔ反応では１００ｋｅＶを少し超えたあたりにピークを有している。したがって、中性子の発生数を増やす一つの有効な方法は、陰極・陽極間に１００ｋＶ程度の高電圧を安定して印加できるようにすることである。
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術においては、陽極（低電圧：ここでは接地電位）と陰極（負極性高電圧）との間に印加される高電圧は設計仕様で６５ｋＶ〜７５ｋＶ、実験値で４０ｋＶ〜６０ｋＶにとどまっており、十分な中性子が発生できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加できる慣性静電閉じ込め装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、真空容器内に配置された球状陽極と、この球状陽極の内周側に同心的に配置されたかご型球状陰極と、上記球状陽極の外部の空間に設けられたプラズマ室と、上記陽極・陰極間に高電圧を印加する高電圧電源を有する慣性静電閉じ込め装置において、上記陽極と上記陰極の間の空間に同心的に配置されたかご型球状中間電極と、この中間電極に所定の高電圧の電位を与える高電圧印加手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記高電圧印加手段は、上記中間電極がない場合の中間電極の位置の電位の大きさ（絶対値）よりも大きい電位を上記中間電極に印加するようにしたものである。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、互いに同軸状の絶縁体と導電体とで構成するようにしたものである。
【００１０】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、上記球状陽極およびかご型球状陰極の中心に対して互いに対向する位置に配置するようにしたものである。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、１個の高電圧電源と抵抗分圧器から構成するようにしたものである。
【００１２】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、絶縁変圧器と、その２次側に接続される複数個の電源を出力側で直列接続するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成を示す断面図である。
【００１４】
慣性静電閉じ込め装置１は、球状の真空容器２内に、大半径Ｒａの球状陽極３と、この陽極３と同心で小半径Ｒｋのかご型球状陰極４とを備えている。陽極３には、イオンを引き出すための複数の開口部３ａ，３ｂ，…，３ｆが設けられている。さらに、本実施形態においては、陽極３と陰極４の間の空間に、陽極３および陰極４と同心で、陽極３の半径Ｒａより小さく、陰極４の半径Ｒｋより大きい半径Ｒｍをもつ１個のかご型球状中間電極５を備えている。ここで、陰極４や中間電極５の形状である「かご型球状」とは、具体的には、金属ワイヤや金属パイプあるいは金属板をリング状に整形したものを数本組み合わせて外形がほぼ球状のかごを形成するようにしたものである。特に、陰極４には、高融点材のタンタルやタングステンを用いている。なお、陽極３，陰極４，中間電極５は、同心状に配置されているものとしているが、各球状電極の中心は、少し（例えば、１０％程度）ずれていても良いものである。このように、少しずれたものも含めて、陽極３，陰極４，中間電極５は、同心的に配置されていると称するとともに、以下の各実施形態についても同様である。また、各電極の形状は、球状に限らず、楕円体形状でもよいものである。
【００１５】
さらに、真空容器２の壁を貫通するように、同軸状の高電圧電流導入端子６を備えている。導入端子６は、直線状中心導体６０の外側に設けられたアルミナセラミック等の円筒状絶縁体６２と、絶縁体６２の外側に設けられた銅またはステンレス鋼等の円筒状導体６１と、導体６１の外側に設けられた円筒状絶縁体６３とが同軸状に構成されたものである。導入端子６は、大気―真空容器間の気密を保つとともに、陰極４や中間電極５を構造的に支持し、陰極４や中間電極５に独立に電位を与えることができる。すなわち、導入端子６の構成においては、陽極３，陰極４，中間電極５は、互いに電気的に絶縁され得る。
【００１６】
真空容器２の外部には、２個の高電圧電源７，８が備えられている。高電圧電源７，８のそれぞれの出力端子７ｋ，８ｍは、同軸状導入端子６の接続端子６ｋ，６ｍにそれぞれ接続され、陰極４および中間電極５に所定の電位を与えている。導入端子６の絶縁体の大気側の外面は、沿面の耐電圧をあげるために、図示は省略しているが、ひだ状に構成されている。
【００１７】
また、真空容器２の内部の空間で陽極３の外側の空間には、プラズマ室１０を設けている。プラズマ室１０にはフィラメント１１を配置し、これを外部の電源１２により加熱し、熱電子を発生させている。さらに、プラズマ室１０には、かご型の球状電極１３を配置し、抵抗１４を介して電源１５に接続している。
【００１８】
核融合反応に必要な重水素等の原料ガスは、外部のガスボンベ２０およびバルブ２１等のガス流量調整手段からなるガス供給系により、プラズマ室１０を経て真空容器２の内部に導入し、真空容器２に連通する真空ポンプ２２により排気する。これらのガス供給系およびガス排気系を適切に設定することにより、真空容器内のガス圧を所要の値に設定する。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布の説明図である。
【００２０】
本実施形態による慣性静電閉じ込め装置１において、陽極３を接地電位とし、陰極４に負極性の高電圧、たとえば−１００ｋＶを印加する。中間電極５には、絶縁耐圧の範囲内で任意の高電圧を印加することができるが、本実施形態では−５０ｋＶを印加している。
【００２１】
真空容器２の内部全体が、理想的な真空状態，すなわちガスが存在せず、したがってプラズマも存在しない場合、陰極・陽極間の電位分布は、図２の実線Ａのようになる。一方、比較のために、同一条件で中間電極がない場合の陰極・陽極間の電位分布は、図２の一点鎖線Ｂのようになる。
【００２２】
中間電極がない場合には、一点鎖線Ｂに示すように、電位の傾き，すなわち、電界強度（絶対値）は、外側の陽極部（Ｒ＝Ｒａ）でもっとも小さく、球の中心部の陰極に近づくにつれ次第に強くなり、陰極部（Ｒ＝Ｒｋ）で最大となる。従って、陽極・陰極間に１００ｋＶの高電圧を印加すると、陰極部の電界強度が大きく成りすぎるため、絶縁破壊を生じることとなり、あまり高電圧を印加することができないものである。
【００２３】
ここで、中間電極６に印加する電圧は、次のようにしている。即ち、一点鎖線Ｂで示す中間電極が無い場合、球中心からの距離Ｒｍ（実線Ａにおける中間電極６の位置）での電位は−２０ｋＶである。そこで、本実施形態では、陽極３に対する中間電極６の電位の大きさ（絶対値：５０ｋＶ）が、他は同一条件で中間電極６がない場合のその位置での電位の大きさ（絶対値：２０ｋＶ）よりも大きくなるように設定している。ちなみに、図２において、球中心からの距離Ｒｍ’（Ｒｋ＜Ｒｍ’＜Ｒｍ）に中間電極６を配置し、−５０ｋＶを印加すれば、曲線Ａは曲線Ｂと一致するようになる。図２から明らかなように、本実施形態（実線Ａ）では陰極近傍での電界強度は、中間電極がない場合（一点鎖線Ｂ）も小さくなる。したがって、本実施形態では、陰極４の近傍における絶縁破壊がおこりにくく、十分な高電圧（−１００ｋＶ）を、陰極に安定して印加することができる。
【００２４】
プラズマ室１０で生成されたイオンは、陽極３に設けられた複数の開口部３ａ，…，３ｆを通って加速空間（陽極３−中間電極５−陰極４）へ引き出され、加速された後、陽極・陰極間で往復運動（加速または減速）を繰り返しながら互いに衝突し、核融合反応をおこし中性子を発生する。本実施形態（実線Ａ）では陽極付近での電界強度が、中間電極がない場合（一点鎖線Ｂ）に比べて強くなるので、プラズマ室１０からのイオンの引き出しが容易になる。
【００２５】
ここで、図３を用いて、重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係について説明する。
図３は、重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係の説明図である。
【００２６】
図３において、横軸は重水素エネルギー（ｋｅＶ）を示し、縦軸は核融合反応断面積（ｂａｒｎｓ）を示している。加速されたイオンの衝突により核融合をおこし中性子を発生する反応断面積は、イオンの加速エネルギーに依存し、Ｄ−Ｄ反応、Ｄ−Ｔ反応いずれの場合も１００ｋｅＶ程度までは比例以上の関係で増加する。特に反応断面積が他より大きなＤ−Ｔ反応では１００ｋｅＶを少し超えたあたりにピークを有している。したがって、陰極・陽極間に１００ｋＶ程度の高電圧を安定して印加できれば、中性子の発生数を増やすことができる。
【００２７】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加できるので、従来装置に比べ、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
【００２８】
次に、図４を用いて、本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００２９】
本実施形態では、分圧用抵抗７０，８０を備えている。高電圧電源７から供給される高電圧は、抵抗７０，８０によって抵抗分圧され、陰極４には端子６ｋから、例えば，−１００ｋＶが印加され、中間電極５には端子８ｍから、例えば，−５０ｋＶが印可される。
【００３０】
各分圧抵抗７０，８０は、分担すべき高電圧に十分耐えるとともに、抵抗への分流電流がビーム電流に比べ十分低くなるように設定されている。たとえば、１００ｍＡのビーム電流に対しては、５０ｋＶの分担電圧に対して１ｍＡ以下の漏れ電流になるように、抵抗値は５０ＭΩ以上が設定されている。
【００３１】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、高電圧電源を１個とすることができ、装置コストを低減することができる。
【００３２】
次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３３】
本実施形態では、陰極３と陽極４の間の加速空間に、２つの中間電極５Ａ，５Ｂを配置している。また、電源として、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１１０，１２０，１３０を備えている。第１中間電極５Ｂには、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１１０から、端子６ｎを介して、−３０ｋＶの電圧が印加される。第２中間電極５Ａには、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１２０から、端子６ｍを介して、−６０ｋＶの電圧が印加される。陰極３には、高電圧絶縁変圧器９と、３０ｋＶ級電源１３０から、端子６ｋを介して、−９０ｋＶの電圧が印加される。
【００３４】
本実施形態によれば、効率的な核融合反応が起きる約９０ｋＶの高電圧の加速電圧を安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、約９０ｋＶの高電圧を汎用の３０ｋＶ小型電源の組合せで安定して得ることができる。３０ｋＶ級電源は１００ｋＶ級電源に比べ大電流化が各段に容易であるので、ビームの大電流化が容易に実現できる。
したがって、加速エネルギーとビーム電流の両面から中性子の増大を図ることができる。
【００３５】
次に、図６を用いて、本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３６】
本実施形態では、２段の高電圧電流導入端子の円筒状絶縁体６６，６７が直列に配置されている。２段の絶縁物６６，６７の連結部６ｍから、中間電極５に接続される中間電極支持用円筒状導体６１が同軸状に配置されている。陰極支持用中心導体６０および中間電極電極支持用円筒状導体６１間の絶縁は、真空ギャップの絶縁による。
【００３７】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、高絶縁性の媒体である真空ギャップにより、各電極支持導体間の絶縁をとっているので、高電圧をより安定に印加できる。
【００３８】
次に、図７を用いて、本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図７は、本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００３９】
本実施形態では、陰極４に接続する高電圧電流導入端子６００と、中間電極５に接続する高電圧電流導入端子６１０は、装置の中心を挟んで互いに対向する位置に配置されている。高電圧電流導入端子６００と、高電圧電流導入端子６１０とは、独立して設けられるため、陰極への高電圧印加が安定にできる。なお、見かけ上加速空間が減少するが、導入端子が１個の場合も導入端子軸方向には１パスを超える加速の往復運動が不可能なので中性子発生に対する実質的な影響は小さいものである。
【００４０】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、導入端子を対向して独立させたので、導入端子の真空側の耐電圧設計が容易になる。
【００４１】
次に、図８を用いて、本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の構成について説明する。
図８は、本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。また、図１に示した真空容器２や、プラズマ室１０，フィラメント１１，かご型の球状電極１３，抵抗１４，電源１５，ガスボンベ２０，バルブ２１，真空ポンプ２２については、同一の構成を備えているものであるが、ここでは、図示を省略している。
【００４２】
本実施形態では、イオンビーム加速用の中間電極５の他に、陰極４のごく近傍に別の中間電極５１を配置している。中間電極５１には、陰極４より絶対値がわずかに高い高電圧を印加する。その差電圧は、１〜２ｋＶ程度が好適である。具体的には、例えば、陰極４に−９９ｋＶ、陰極近傍中間電極５１に−１００ｋＶを印加する。本実施形態では、陰極４の近傍で発生した電子（主として陰極４から飛び出す熱電子もしくは２次電子で、そのエネルギーは１ｋｅＶ以下）に対して、陽極方向に減速電界を形成することができる。一般に、イオンの加速空間は逆向きの電子の加速空間であり、この空間に熱電子または２次電子が大量にはいりこむとそのまま加速されて陽極を衝撃し、不要なＸ線を発生することになるが、減速電界を備えることにより、陰極に電子が衝突するのを防止して、不要なＸ線発生を防止することができる。
【００４３】
本実施形態によれば、加速電圧が−１００ｋＶ程度まで安定して印加でき、中性子の発生が飛躍的に増大することができる。
また、不要なＸ線の発生を低減することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極・陽極間に中性子の発生に有効な１００ｋＶ級の高電圧を安定して印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による慣性静電閉じ込め装置における真空容器内部の電位分布の説明図である。
【図３】重水素エネルギーと核融合反応断面積の関係の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態による慣性静電閉じ込め装置の要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…慣性静電閉じ込め装置
２…真空容器
３…陽極
３ａ，…，３ｆ…開口
４…陰極
５…中間電極
６…高電圧電流導入端子
６ｋ，６ｍ，６ｎ…端子
７，８…高電圧電源
７ｋ，８ｍ…端子
９…高電圧絶縁変圧器
１０…プラズマ室
１１…フィラメント
１２，１５…電源
１３…放電用電極
１４…抵抗
２０…ガスボンベ
２１…バルブ
２２…真空ポンプ
６０，６１，６４…導体
６２，６３，６５…絶縁体
１１０，１２０，１３０…高電圧電源
Claims (6)
- 真空容器内に配置された球状陽極と、この球状陽極の内周側に同心的に配置されたかご型球状陰極と、上記球状陽極の外部の空間に設けられたプラズマ室と、上記陽極・陰極間に高電圧を印加する高電圧電源を有する慣性静電閉じ込め装置において、
上記陽極と上記陰極の間の空間に同心的に配置されたかご型球状中間電極と、
この中間電極に所定の高電圧の電位を与える高電圧印加手段を備えたことを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。 - 請求項１記載の慣性静電閉じ込め装置において、
上記高電圧印加手段は、上記中間電極がない場合の中間電極の位置の電位の大きさ（絶対値）よりも大きい電位を上記中間電極に印加することを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。 - 請求項１記載の慣性静電閉じ込め装置において、
上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、互いに同軸状の絶縁体と導電体とで構成されることを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。 - 請求項１記載の慣性静電閉じ込め装置において、
上記陰極及び中間電極に電位を与える電流導入端子は、上記球状陽極およびかご型球状陰極の中心に対して互いに対向する位置に配置されたことを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。 - 請求項１記載の慣性静電閉じ込め装置において、
上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、１個の高電圧電源と抵抗分圧器から構成されることを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。 - 請求項１記載の慣性静電閉じ込め装置において、
上記陰極に電位を与える上記電源と上記中間電極に電位を与える上記高電圧印加手段は、絶縁変圧器と、その２次側に接続される複数個の電源を出力側で直列接続したものであることを特徴とする慣性静電閉じ込め装置。
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