JPH01312500A - 長寿命ターゲットを備える高線束中性子発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、高い熱伝導率と低い揮発度とを有する金属
でつくった支持体層上に堆積させた高い水素吸収係数を
有する金属層よりなる構造を有し、水素同位体イオンビ
ームにより衝撃されるターゲットを備える高線束中性子
発生装置に関する。

この種類の発生装置は、例えば、高速中性子、熱中性子
、熱外中性子又は冷たい中性子による物質検査に使用す
ることができる。

（従来の技術） 中性子は、重水素同位体：シュウチリウム及びトリチウ
ムの核間の反応により発生される。これらの反応は、シ
ュウチリウム及びトリチウムを含むターゲットが高い電
位差の影響下に加速されたジュウテリウムイオン及びト
リチウムイオンのビームによる衝撃を受けるという事実
により起こる。

ジュウテリウムイオン及びトリチウムイオンは、シュウ
チリウム及びトリチウムのガス混合物がイオン化される
イオン源中で生成される。ジニウテリウム核とトリチウ
ム核との間の衝突が１４　ＭｅＶの結合エネルギーを有
する中性子及び３．６ＭｅＶの結合エネルギーを有する
。α粒子を生成する。

最大反応収率を得るためには、ターゲット核密度ができ
るだけ高くなければならない。水素同位体を有するこの
ようなターゲットを達成する従来の方法は、水素化可能
物質の結晶格子中に核を結合させることである。

これらの物質の内、チタンがその低い阻止能によるいっ
そう高い中性子収率のためにしばしば用いられる。しか
し、これらの物質は、水素濃度が高く、物質が「厚い層
」で設けられると直ちに機械的強度が不十分になるとい
う欠点を有する。

（核分裂現象がイオンビーム加速装置の電圧差維持に有
害な金属粒子の分散を起こす。）したがって、これらの
物質は、水素に対する低い吸収及び拡散係数、散逸エネ
ルギー除去を可能にする適当な熱伝導率及び冷却液に関
する高い耐食性を備えねばならない支持体又は基板上に
堆積させた薄層で使用しなければならない。例えば、銅
支持体は、これらの基準を一部満足するが、高いスパッ
タ係数（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎ
ｔ）を有する。チタンの線膨脹係数が銅とかなり異なる
ので：このような支持体によって適当な機械的強度を有
するターゲットを実現することは、困難である。

更に、不均一エネルギー密度を有するビームの場合、イ
オンビームの高密度領域でチタン層が浸食された後、支
持体の銅が周囲チタンの面上に迅速にスパッタされ、こ
れにより著しくイオンエネルギーを小さくし、したがっ
て吊性子収率を減少させる；更に支持体層も穴抜きされ
るという事実のためにターゲットの実用寿命が極めて低
い。

この現象を避ける一つの方法は、いっそう高いイオン浸
食抵抗を有し、水素及びその同位体に対する透過性の小
さい、モリブデンのような物質の中間層を支持体層と、
水素を吸収する金属表面層との間に挿入することである
。このようにして、表面層の水素イオン濃度がすみやか
に増加し前記表面層を透過する水素量と拡散によりそれ
から発散する水素量が等しくなる平衡状態が達成される
に至る。このようにしてトリチウム原子の最大濃度が薄
いチタン層で得られ、中性子収率が最高となる。

フランス国特許第７９２４１０６号（発行番号第２４３
８９５３号）明細書において線膨脹係数が支持体層と第
１中間層の間にあるバナジウムのような物質の第２中間
層の堆積が接触表面のいっそう良好な付着性を与える。

引用例に右けるターゲットの引き続く改良は、イオン衝
撃による基板の浸食を遅延させることによりターゲット
の実用寿命を長くすることである。

イオン源から取り出され加速後ターゲットに注入される
イオンがビーム核のためにターゲット核の消耗に至らな
いようにジニウテリウムとトリチウムの等モル混合物に
よりビームが形成されることに注目すべき、である。

この段階において、ビームのイオンインプランテーショ
ンが支持体材料層内で起こり、その阻止能が活性層より
はるかに高いので中性子放出の顕著な低下が起こりチュ
ーブの実用寿命が終了する。

（発明が解決しようとする課題） この発明の目的は、高強度イオンビームによる衝撃の影
響にさらされるターゲットの実用寿命が既知中性子発生
装置のターゲットの実用寿命より長い、水素イオンビー
ムにより衝撃されるターゲットを備える中性子発生装置
を提供することである。

（課題を解決するための手段） この発明に従う前記種類の中性子発生装置は、高い水素
吸収係数を有する活性層を拡散遮断層により互いに隔離
した同一層の積み重ねにより形成し、高い吸収係数を有
する前記層の厚さを例えばターゲットを衝撃するジュウ
テリウムイオンの透過深さに等しくしたことを特徴とす
る。この厚さは、加速電圧に依存し、例えば２５０ＫＶ
で約４ミクロンである。

これにより深い層の水素化は、衝撃による浸食の影響下
に拡散遮断層の穴抜きの間に段階的にのみ起こる。した
がって、単一活性層を備えるのみの既知ターゲットの実
用寿命をこの発明に従うターゲットにおいては重ね合わ
せた活性層の数の倍数だけ長くすることができる。

更に、トリチウムの拡散が一層の厚さに限定されるので
、ターゲット核の濃度は、ビームの透過帯域を越えて減
少しない；これは、ターゲットの浸食が促進されること
及び中性子収率が改善されることという二重の利点を与
える。

他の利点は、チューブの作動に必要なシュウチリウム及
びトリチウムの混合物の全量の低減、これに関する限り
、特に逐次Ｈｅ、に崩壊し、相関的にチューブ内の残留
圧力を増加させるトリチウム量の減少に存する。

水素に対し高度に透過性である層の金属は、チタン、ジ
ルコニウム、スカンジウム、エルビウム、イツトリウム
及びランタニドよりなる群に属し、支持体層用金属は、
モリブデン、タングステン、タンクノペクロム及びニオ
ブよりなる群に属する。

拡散遮断層は、反応性プラズマ中の窒化（例：窒化チタ
ン）、酸化による不動態化（例：酸化チタン）のような
化学的方法により、又は適当な金属層（例ニアルミニウ
ム又はタングステン）堆積方法、イオンインプランテー
ション（例：窒素）等のような物理的方法により堆積さ
せることができる。遮断層の代表的厚さは、１００〜１
０００オングストロームである。

次に、この発明を添付図面によって詳細に説明する。

第１ａ図に示す中性子発生装置においてエンベロープ１
は、１０００分のいくつの水銀ｍａ＋程度の圧力下に等
部のシュウチリウム及びトリチウムのガス混合物を含む
。このガス混合物は、圧力調整機２を経て供給される。

ガス圧力は、イオン化マノメーター３によって制限され
る。シュウチリウム及びトリチウムの混合物は、イオン
源４中でイオン化され、エンベロープ１と一体であって
水流により領域６で冷却される加速装置電極５を経てそ
こから取り出される。電極５に関して陽極７は極めて高
い正電位 （＋ＶＨＶ）を有する。

また、ペニング型（Ｐｅｎｎｉｎｇ−ｔｙｐｅ）イオン
源４は、陽極７に関して５ｋＶ程度の同じ負電位を有す
る２個の陰極８及び９並びに軸方向磁界をつくり磁器回
路がイオン源４を囲む強磁性体ケーシング１１により閉
じられる永久磁石ｌＯをも備える。正の高電圧＋ＷＨＶ
が端部が絶縁スリーブ１３及び１４により囲まれるケー
ブル１２を経てイオン源に印加される。

イオンビームは、抑制電極１５を通過し、水流により領
域１７で冷却されるターゲット１６を衝撃する。

このターゲットの一部を拡大して第１ｂ図に示す。

ターゲット１６は、支持体層を形成するモリブデン基板
１８の上にチタン層１９を堆積して形成される。

この発明に従って、最初の水素拡散遮断層２ｏ、続いて
チタン層２１を、そして拡散遮断層２２．２４及び２６
を同じ厚さのチタン層２３．２５及び２７とそれぞれ交
互に逐次堆積させる。

前記層の厚さは、該層内で、注入トリチウムイオンとの
衝突により１．４　ＭｅＶの中性子放出を発生させるよ
うにチタンターゲットをＩＮ’１Ｈするジュウテリウム
イオンの透過深さに従って選択される。これは、いっそ
う厚い層の内部へのトリチウムの拡散から起こるであろ
うターゲットのトリチウム核の表面濃度の低下を防止す
る。

ターゲットのトリチウム核の再生は、第１図の中性子チ
ューブ内の混合物がジニウテリウムとトリチウムの環部
からなる場合、適当に保証される。

２８で示すイオンビームの不均一密度分布のために、ビ
ームの中心部により衝撃されるターゲット帯域にいっそ
う大量のトリチウムが注入され、したがってチタンの第
１層２７の浸食が２９で示すように前記中心部からの距
離が短いほど顕著である。

このようにして、層２７の穴抜きが同じ中心部で起こり
、次いで拡散遮断層２６の浸食及びこれに続く穴抜きが
起こる。この場合、層２７及び遮断層２６の浸食帯域を
通過したイオンにより既に部分的に含浸されたチタン層
２５が直接ビームにより含浸され、遮断層２４が水素イ
オンの拡散を制限する保護体として作用し、すぐ上の層
の場合とほぼ同じレベルで水素イオン濃度を維持する。

このようにして、拡散遮断層が穴抜きされるごとに下の
チタン層が含浸され、次の遮断層がそのたびにトリチウ
ムイオンの下層への拡散を防止する。その結果、続くチ
タン層の水素イオン濃度、したがって中性子放出レベル
が引き続く層の浸食中はぼ一定に保たれる。

ターゲットの構成は、五つの活性層までに限られ、約５
倍の実用寿命の延長を可能にする。前記値を超える暦数
の増加は、克服することがいっそう困難な問題の危険性
を生じる。

この発明に従うターゲットは、次の段階よりなる陰極ス
パッタ法によって実現することができる：（１）陰極が
チタンターゲットにより形成されるスパッタ装置の陽極
を構成するモリブデン基板上へのチタン層の堆積。この
ターゲットを高いスパッタ係数を有するアルゴンのよう
な中性の重いガスのイオンにより衝撃する。その後、所
望厚さに達するまでイオン化アルゴン原子を基板に適用
する。

（２）アルゴンを真空排気し、これをより軽くて中性で
ない窒素で置換し、下のチタン層の上面上に拡散遮断層
を形成する窒化チタン層を堆積させる。

（３）窒素を真空排気し、これをアルゴンに代え次のチ
タン層を堆積させるようにする。

（４）スパッタ系にアルゴンと窒素を交互に導入して所
望回だけ段階２及び３を繰り返し、堆積工程を中断する
必要はない。

反応性プラズマ中での窒化による拡散遮断層の形成方法
は、限定されるものでない。

これが酸化のような任意の他の化学的方法若しくは金属
中間！の堆積のような物理的方法により得られる遮断層
又はイオンインプランテーションにより実現される遮断
層の使用を排除しないことは、明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、この発明に従うターゲットを備える中性子
発生装置の縦断面略図、 第１ｂ図は、第１ａ図に示す発生装置のターゲットの拡
大部分断面図である。 １・・・エンベロープ　　２・・・圧力調整機３・・・
イオン化マノメーター ４・・・イオン源　　　　５・・・加速装置電極７・・
・陽極　　　　　　８，９・・・陰極１０・・・永久磁
石 １１・・・強磁性体ケーシング １２・・・ケーブル　　　　１３．１４・・・絶縁スリ
ーブ１５・・・抑制電極　　　　１６・・・ターゲット
１Ｂ・・・モリブデン基板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高い熱伝導率と低い揮発度とを有する金属でつくっ
   た支持体層上に堆積させた高い水素吸収係数を有する金
   属層よりなる構造を有し、水素同位体イオンビームによ
   り衝撃されるターゲットを備える中性子発生装置におい
   て、高い水素吸収係数を有する層を拡散遮断層により互
   いに隔離した同一層の積み重ねにより形成し、高い吸収
   係数の層の厚さをターゲットを衝撃するジュウテリウム
   イオンの透過深さに合わせたことを特徴とする長寿命タ
   ーゲットを備える高線束中性子発生装置。 ２、高い吸収係数を有する前記層の金属がチタン、ジル
   コニウム、スカンジウム、イットリウム、エルビウム及
   びランタニドよりなる群から選ばれた金属であり、支持
   体層用金属がモリブデン、タングステン、タンタル、ク
   ロム及びニオブよりなる群から選ばれた金属である請求
   項１記載の中性子発生装置。 ３、高い吸収係数を有する前記層の各の厚さが数ミクロ
   ンの程度である請求項１又は請求項２記載の中性子発生
   装置。 ４、前記拡散遮断層が例えば反応性プラズマ中での窒化
   若しくは酸化による不動態化層の堆積により、化学的に
   堆積され、又は例えば、タングステン又はアルミニウム
   のような適当な金属層の堆積、イオンインプランテーシ
   ョン等のような物理的方法により堆積される請求項１な
   いし請求項３のいずれか一つの項に記載の中性子発生装
   置。 ５、請求項１ないし請求項４のいずれか一つの項に記載
   の中性子発生装置に使用するためのターゲット。