JP6753627B1 - プラズマ加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電子ビームの照射により発生する熱を高温にすることができるプラズマ加熱装置を提供する。【解決手段】管状導体２がトーラス状の内面を有し、マイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜３ａで被覆される。入射管３が直管状でマイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜３ａで被覆される。入射管３は管状導体２の外側内面方向に伸び、一端に真空チャンバ１の内部に位置する入射口３ｂを有し、他端が管状導体２と結合して管状導体２の内部に連通する。タンク４が入射管３を通して管状導体２の内部に水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスを供給する。電子銃５が真空チャンバ１の内部で入射口３ｂから管状導体２の内部に電子ビーム５ａを入射して、マイナスに帯電した管状導体２で反射させ、タンク４から管状導体２の内部に供給されるガスをプラズマ化させる。冷却器６が管状導体２を包囲し、内部に流水経路を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、プラズマ加熱装置に関する。
従来、電子ビームを被加熱材料に照射して加熱蒸発させるプラズマ電子ビーム加熱装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に記載のプラズマ電子ビーム加熱装置では、電子ビームの照射により発生する熱を高温にしにく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、電子ビームの照射により発生する熱を高温にしやすいプラズマ加熱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、本発明に係るプラズマ加熱装置は、真空ポンプに接続された真空チャンバと、トーラス状の内面を有し、マイナスに帯電可能であって前記内面が絶縁体膜で被覆された管状導体と、直管状でマイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜で被覆され、前記管状導体の外側内面方向に伸び、一端に前記真空チャンバの内部に位置する入射口を有し、他端が前記管状導体と結合して前記管状導体の内部に連通する入射管と、前記入射管に連通し前記入射管を通して前記管状導体の内部に水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスを供給するタンクと、前記真空チャンバの内部で前記入射口から前記管状導体の内部に電子ビームを入射して、マイナスに帯電した前記管状導体で反射させ、前記タンクから前記管状導体の内部に供給されるガスをプラズマ化させる電子銃と、前記管状導体を包囲し、内部に流水経路を有する冷却器とを、有することを特徴とする。
本発明に係るプラズマ加熱装置は、電子銃により真空チャンバの内部の入射管の入射口から管状導体の内部に電子ビームを入射させる。入射した電子ビームは、マイナスに帯電した管状導体の内面で反射し、タンクから管状導体の内部に供給された水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスをプラズマ化させる。水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスのプラズマ化により、容易に高温を発生させることができる。管状導体の温度は、冷却器の流水経路を流れる水により下げることができる。流水経路を流れた高温の水は、発電や暖房などに利用することができる。
本発明に係るプラズマ加熱装置では、導体から成って前記入射口を動力により開閉可能なシャッタが設けられ、前記シャッタはマイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜で被覆されていることが好ましい。
本発明に係るプラズマ加熱装置は、前記管状導体の内部の温度を測定するための温度測定装置と、前記管状導体の内部で中性子線が発生した場合に中性子線を測定するための中性子線測定器とを、有することが好ましい。
本発明に係るプラズマ加熱装置は、前記管状導体の内部の温度を測定するための温度測定装置と、前記管状導体の内部で中性子線が発生した場合に中性子線を測定するための中性子線測定器とを、有することが好ましい。
本発明によれば、電子ビームの照射により発生する熱を高温にすることができるプラズマ加熱装置を提供することができる。
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は、本発明の実施の形態のプラズマ加熱装置を示している。
図１に示すように、プラズマ加熱装置は、真空チャンバ１と、管状導体２と、入射管３と、タンク４と、電子銃５と、冷却器６と、温度測定装置７と、中性子線測定器８とを有している。
図１は、本発明の実施の形態のプラズマ加熱装置を示している。
図１に示すように、プラズマ加熱装置は、真空チャンバ１と、管状導体２と、入射管３と、タンク４と、電子銃５と、冷却器６と、温度測定装置７と、中性子線測定器８とを有している。
真空チャンバ１は、真空ポンプ１１に接続され、内部を真空に減圧可能となっている。
管状導体２は、円をその直径と平行の回転軸線２１から所定の距離をあけて回転軸線２１を中心として１周回転させた立体形状であるトーラス状の内面を有し、高圧電源に接続されてマイナスに帯電可能である。管状導体２の内面は、絶縁体膜２ａ（強誘電体）で被覆されている。管状導体２の電圧は、電子銃５の電子ビーム５ａが絶縁体膜２ａに到達しないよう電子ビーム強度より高い電圧にコントロールされる。
管状導体２は、円をその直径と平行の回転軸線２１から所定の距離をあけて回転軸線２１を中心として１周回転させた立体形状であるトーラス状の内面を有し、高圧電源に接続されてマイナスに帯電可能である。管状導体２の内面は、絶縁体膜２ａ（強誘電体）で被覆されている。管状導体２の電圧は、電子銃５の電子ビーム５ａが絶縁体膜２ａに到達しないよう電子ビーム強度より高い電圧にコントロールされる。
入射管３は、直管状で、管状導体２を介して高圧電源に接続されてマイナスに帯電可能であって、内面が絶縁体膜３ａで被覆されている。入射管３は、トーラス回転軸線２１に対しねじれの位置にあり、管状導体２のトーラス回転軸線２１の垂直面に沿って管状導体２の最大径の外側内面方向に伸びている。入射管３は、一端に真空チャンバ１の内部に位置する入射口３ｂを有し、他端が管状導体２と結合して管状導体２の内部に連通している。入射管３は、入射口３ｂを動力により開閉可能なシャッタ３ｃを有している。シャッタ３ｃは、マイナスに帯電可能であって、入射口３ｂ側の内面が絶縁体膜で被覆されている。シャッタ３ｃは、電子ビーム５ａ照射時のみ開閉するようになっている。
タンク４は、入射管３に連通し、入射管３を通して管状導体２の内部に水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスを供給するようになっている。電子銃５は、真空チャンバ１の内部で入射口３ｂから管状導体２の内部に電子ビーム５ａを入射して、マイナスに帯電した管状導体２で電子ビーム５ａを反射させ、タンク４から管状導体２の内部に供給されるガスをプラズマ化させるようになっている。電子銃５により照射される電子ビーム５ａは、５００ｍＡの１ｋｅＶから５０ｋｅＶ程度で、連続照射が可能であることが好ましい。
冷却器６は、管状導体２を包囲している。冷却器６は、注水口６ａと排水口６ｂとを有している。冷却器６は、内部に循環する流水経路を有している。循環する流水は、純水Ｗから成る。
温度測定装置７は、温度測定用Ｘ線カメラから成り、入射口３ｂから入射管３を通して管状導体２の内部で発生するX線を捉え、管状導体２の内部の温度を測定するようになっている。中性子線測定器８は、管状導体２の内部で中性子線が発生した場合に中性子線を測定するようになっている。
温度測定装置７は、温度測定用Ｘ線カメラから成り、入射口３ｂから入射管３を通して管状導体２の内部で発生するX線を捉え、管状導体２の内部の温度を測定するようになっている。中性子線測定器８は、管状導体２の内部で中性子線が発生した場合に中性子線を測定するようになっている。
次に、作用について説明する。
プラズマ加熱装置は、電子銃５により真空チャンバ１の内部の入射管３の入射口３ｂから管状導体２の内部に電子ビーム５ａを入射させる。管状導体２の内部には、タンク４から水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスが供給されている。入射口３ｂは、シャッタ３ｃにより電子ビーム５ａ照射時のみ開くので、管状導体２の内部から真空チャンバ１の内部にガスが漏れ出ることはない。
プラズマ加熱装置は、電子銃５により真空チャンバ１の内部の入射管３の入射口３ｂから管状導体２の内部に電子ビーム５ａを入射させる。管状導体２の内部には、タンク４から水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスが供給されている。入射口３ｂは、シャッタ３ｃにより電子ビーム５ａ照射時のみ開くので、管状導体２の内部から真空チャンバ１の内部にガスが漏れ出ることはない。
入射した電子ビーム５ａは、マイナスに帯電した管状導体２の内面で反射する。反射した電子ビーム５ａは、管状導体２の内部の水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスをプラズマ化させる。電極面の電場によって反射した電子ビーム５ａは、他の電極面の間を頻回に反射を繰り返すことになるが、入射口３ｂの方向には向かず、すべての電子ビーム５ａエネルギーはガスのプラズマ化や輻射熱を含む熱エネルギーに変換される。
高温化に伴いプラズマ化した水素などのガスは管状導体２の外部に飛び出そうとするが、管状導体２はマイナス帯電するように印加されており、その内面は絶縁体膜２ａ（強誘電体）で覆われている。そのため、プラズマ化したガスの陽子などの軽い陽イオンは陰極の管状導体２に引き寄せられ絶縁体膜２ａの内部に侵入することになるが、その速度によりそれぞれ一定の飛程で停止するブラッグピークを形成し、その部分の絶縁体基質を集中的に電離し、二次電子を放出させる。そのため、十分なガスがあれば、低電圧での電子ビーム５ａ照射により絶縁体膜２ａから浅い位置に絶縁体を構成する原子からなる重い陽イオン層を作ることができる。
つまり、二次電子は管状導体２のマイナス電場により絶縁体膜２ａから離れるが、陽イオンは引き付けられて絶縁体膜２ａの表面付近にとどまる。この陽イオン層は電場の遮蔽効果を持つが、絶縁体膜２ａには高い陰電場がかかっていることにより、電子ビーム５ａが到達せず、絶縁体膜２ａが加熱されることがない。しかも、このプラズマ化により生成された陽子などの軽い陽イオンは絶縁体膜２ａに侵入するため、管状導体２の内部には電子しか残らなくなり、この余剰電子はシャッタ３ｃを開放することにより、管状導体２の陰電場に押されて入射口３ｂから排出され、アースする。しかし、その後新たに追加された重水素ガスは、さらに高電圧で加速された電子ビーム５ａが照射されることにより加熱される。
その結果、超高速となった陽子などはマイナスに帯電した管状導体２の内面に向かい、絶縁体膜２ａに再び侵入するが、表面付近にすでに形成されている重い陽イオン層に弾性衝突してラザフォード散乱により跳ね返され、ほとんど運動量や運動エネルギーを失うことなく、再び管状導体２の中央部に向かうことになる。このようにして継続した電子ビーム照射により、管状導体２の中央部の陽子などを極めて高温にすることができる。この時、制動輻射熱や陽子などの管状導体２の内面への衝突により、管状導体２への熱伝導が発生するので、管状導体２が過加熱により破損しないよう、管状導体２を冷却器６の水で冷却する。
水素ガスの密度は１気圧、２１℃では０．０５２ｋｇ／ｍ３であるが、重水素ガスであればこの２倍程度になるので、３０℃の場合、約０．１ｋｇ／ｍ３＝０．１ｍｇ/ｃｍ３と仮定する。管状導体２はトーラスの小円半径０．５ｃｍ、大円の円周４０ｃｍの場合、体積は約３１．４ｃｍ３である。１／１００，０００気圧の水素ガスの密度は約５.０×１０−7ｍｇ／ｃｍ３であり、重水素ガスの密度は１．０×１０−６ｍｇ／ｃｍ３となる。また、そのガスの重さはそれぞれ０．１ｍｇ×３１．４×１／１００，０００＝０．００００３１４ｍｇ及び０．００００６２８ｍｇであり、これらはいずれも１．５７×１０−８モルである。
この水素ガスや重水素ガスの電離に必要なエネルギーは、1モルあたり電離には１３１２ｋＪ、基底状態原子には２１８ｋＪ必要なので計０．２４Ｊである。そのため、この電離を１ｋｅＶ×５００ｍＡ＝５００Ｗの電子ビーム５ａ照射により行うとすれば０．００００４８秒かかり、さらに、この電離した水素ガス（陽子）を１．０ｋｅＶまで加熱するには１．０ｅＶ×１０００×１．６×１０−１９Ｊ×１．５７×１０−７モル×６．０×１０２３(アボガドロ定数)×２≒３ｊのエネルギーが必要であるが、出力５００Ｗの電子ビーム５ａ照射エネルギーのロスなく、すべてがこの加熱に変換できると仮定すると０．００６秒かかる。
初め、管状導体２には、例えば１／１００気圧程度の水素ガスを封入し、５００Ｗで十分な時間（６秒程度）の照射を続けて、入射管３および管状導体２の絶縁体膜３ａ、２ａの表面付近に陽イオン層を形成する。この時の管状導体２のマイナス帯電の電圧は１０００Ｖ程度以上にする。次に、１／１００，０００気圧の水素や重水素ガスを管状導体２に追加投入し、マイナス帯電電圧を５万Ｖ以上に上げるとともに、このプラズマを５０ｋｅＶ，５００ｍＡ、出力２５ｋＷの電子ビーム５ａを照射して加熱することにより、超高温にすることができる。ちなみに、1カロリーは４．２ジュールであるから、２５ｋＷがすべて熱に変換されると仮定しても、毎秒１０００ｍｌの水を６℃上げることができる程度である。このため、冷却器６の水流による冷却によって、管状導体２が加熱で破損しないように冷却することができる。
１ 真空チャンバ
２ 管状導体
３ 入射管
４ タンク
５ 電子銃
６ 冷却器
７ 温度測定装置
８ 中性子線測定器
１１ 真空ポンプ
２ 管状導体
３ 入射管
４ タンク
５ 電子銃
６ 冷却器
７ 温度測定装置
８ 中性子線測定器
１１ 真空ポンプ
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- 真空ポンプに接続された真空チャンバと、
トーラス状の内面を有し、マイナスに帯電可能であって前記内面が絶縁体膜で被覆された管状導体と、
直管状でマイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜で被覆され、前記管状導体の外側内面方向に伸び、一端に前記真空チャンバの内部に位置する入射口を有し、他端が前記管状導体と結合して前記管状導体の内部に連通する入射管と、
前記入射管に連通し前記入射管を通して前記管状導体の内部に水素ガス、重水素ガスまたはヘリウムガスを供給するタンクと、
前記真空チャンバの内部で前記入射口から前記管状導体の内部に電子ビームを入射して、マイナスに帯電した前記管状導体で反射させ、前記タンクから前記管状導体の内部に供給されるガスをプラズマ化させる電子銃と、
前記管状導体を包囲し、内部に流水経路を有する冷却器とを、
有することを特徴とするプラズマ加熱装置。 - 導体から成って前記入射口を動力により開閉可能なシャッタが設けられ、前記シャッタはマイナスに帯電可能であって内面が絶縁体膜で被覆されていることを、特徴とする請求項１記載のプラズマ加熱装置。
- 前記管状導体の内部の温度を測定するための温度測定装置と、
前記管状導体の内部で中性子線が発生した場合に中性子線を測定するための中性子線測定器とを、
有することを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ加熱装置。
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