JPH02144900A - 高中性子束中性子管におけるイオン抽出兼加速装置 - 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〕 本発明はイオン化ガスを用いてイオンビームを供給する
イオン源を具え、加速電極によってイオンビームを高エ
ネルギーで抽出すると共に加速し、このイオンビームを
ターゲット電極上に投射させて、前記イオン源と前記タ
ーゲット電極との間における大きな電位差の関数として
の中性子を放出させる核融合反応を前記ターゲット電極
に発生させる高中性子束中性子管におけるイオン抽出兼
加速装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の高中性子束中性子管は高中性子、熱中性子、熱
外中性子及び冷中性子によって物質を検査する技術二二
ュートロノグラフィ、放射化分析、中性子の拡散或いは
その非弾性拡散又は放射性捕捉のスペクトル分析等に用
いられる。

これら核技術をできるだけ有効に用いるためには、対応
する放出レベルに対し管寿命を長くする必要がある。

１４ＭｅＶの中性子を供給する核融合反応ｄ　（３，。

４□）ｎは最も普通に用いられている。その理由は、比
較的低いイオンエネルギーに対する有効断面が大きいか
らである。しかし、使用する反応に関係なく、ビームの
単位電荷当り得られる中性子の数は、厚いターゲットに
向けられるイオンエネルギーの増加に比例して、即ち、
主として現在用いられ、２５０ｋＶ以下の高電圧が供給
される密封管で得られるイオンエネルギー以上の増加に
比例して増大するのが普通である。

イオン衝撃によりターゲットが浸蝕することは中性子管
の有効寿命を制限する主要因の１つである。

この浸蝕はターゲットの化学的特性と、その構成の関数
となり、又１！？撃表面の入射イオンエネルギー及びそ
の密度分布特性の関数ともなる。

はとんどの場合、ターゲットは機械的強度にほとんど影
響を与えることなく、多量の水素を結合及び遊離し得る
水素化物（チタニウム、スカンジウム、ジルコニウム、
エルビウム、等）によって形成され、その総体的結合量
はターゲットの温度の関数及び管内の水素圧の関数とな
る。使用するターゲット材料は、その厚さが層の基板へ
の接着により課せられる問題によって制限される薄層の
形態で堆積される。例えばターゲットの浸蝕を阻止する
方法の１つは拡散障壁により互いに分離された同一層の
堆積体として吸収活性層を構成することである。この活
性層の各厚さはターゲットを衝撃するシュチリウムイオ
ンの浸透深さ程度とする。

ターゲットを保護し、従って管の有効寿命を高める他の
方法は、衝撃面におけるイオンビームの密度分布特性を
改善するようにイオンビームを調整する方法であるター
ゲットにおける全イオン電流を一定として、中性子の放
出を一定とするには、イオン衝撃に曝される全ターゲツ
ト面の電流密度分布をできるだけ均一にする。

〔発明が解決しようとする課題〕

イオン衝撃密度分布が不均一となる主たる原因の１つは
、１４ＭｅＶの高い中性子発生電場を得るためには管の
電極間に高電圧（１００〜４００ｋＶ）を印加しなけれ
ばならいことに起因している。現状のイオン光学系によ
ってイオンを抽出すると共にこれらのイオンを加速する
のに上述したような高電圧を印加するには、管のイオン
ビーム放出個所にグリッドか、又は深いチャネルを設け
て、これによりイオン源内への電界の浸透を制限する必
要がある。

従来の構成のグリッドは熱の制約があるために使用でき
ず、又深い放射チャネルに浸透する等電位線のパターン
はビームを相当不均一にする。こうした合成収差のため
に、イオン化ガスと、これから抽出されたイオンビーム
との間の界面領域は曲率半径が可変の彎曲面となるため
、イオン源から出るビームは収束しているも、コアとハ
ローを伴う非積層タイプのものとなる。これによりター
ゲット上のビーム軸の個所の衝撃密度が過度になってい
る。

本発明の目的は前記ビームの不均一性を軽減するように
チャネル内部の等電位線の形状を変更する手段を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は冒頭にて述べた高中性子東中性子管におけるイ
オン抽出兼加速装置において、当該装置が抽出−予備加
速電極も具え、該電極を前記イオン源と前記加速電極と
の間に配置し、前記抽出−予備加速電極の電位を前記イ
オン源の電位と前記加速電極の電位との間の値の電位と
してイオン抽出機能とイオン加速機能とを切り離して、
イオン化ガスとイオンビームとの間の界面形状が、理想
的な平面形状からほぼ一定の曲率半径の彎曲面となる制
御された形状となるようにして球面収差を最小とし、且
つ前記ビームがほぼ積層化するようにしたことを特徴と
する。

実際上、放射チャネルの開口は十分太き（して、十分大
きな抽出電流が得られるようにする必要があり、これが
ため抽出−予備加速電極には少なくとも放射チャネルの
開口と同等の孔口を設けるべきである。放射チャネルの
遮蔽効果並びに抽出及び加速空間における等電位線の固
定化を維持するためには、後に詳述するように種々の方
法で行うことができる。

抽出−予備加速電極の孔口には透明度の高い厚いグリッ
ドを設けるのが好適であり、このグリッドの方向は、そ
れがビームに対して平行に延在するような方向とする。

グリッドに用いる材料は耐火性で、イオン衝撃の影響下
での微粉砕に耐え、しかも高い熱伝導性を呈するもの（
モリブデン、タングステン、熱分解カーボン等）とする
。

イオン源には多数の孔口を設け、これらの孔口の大きさ
と抽出−予備加速電極の孔口の大きさを同程度として、
イオンが抽出−予備加速電極にて遮断されることなくマ
ルチビームのアセンブリが得られるようにする。抽出−
予備加速電極の孔口の寸法を小さくすればグリッドのよ
うに等電位線の浸透に対して遮蔽することができる。

〔実施例〕

以下図面を参照して実施例につき説明する。なお、各図
において同一部分を示すものには同一参照符号を付して
示しである。

第１図は密閉中性子管１１０基本的な要素を示しており
、この中性子管１１はイオン化すべき低圧ガス混合物、
例えばシュウチリウム−トリチウムを含有しており、又
イオン源１と加速電極２とを具えており、これらの間に
は極めて高い電位差を与えて、イオンビーム３を抽出す
ると共に加速して、このイオンビームをターゲット電極
４上に投射させて、そこに例えば１４ＭｅＶの中性子を
放射させる核融合反応を起こさせることができる。

イオン源１は高圧電源コネクタ（図示せず）を通す絶縁
体５と一体とし、これは例えばペニング−タイプのもの
とし、このイオン源を円筒陽極６と磁石８を内蔵する陰
極構体７とで構成する。磁石８の軸方向磁界はイオン化
ガス９を陽極円筒の軸線付近にとどめ、又磁石８の磁力
線１０は所定の発散をする。陰極構体７には陽極に対向
するようにイオン放射チャネル１２を形成する。

第２図はターゲット浸蝕作用を説明するためのものであ
り、第２ａ図は標準のイオン光学系用の単一電極から成
るターゲット電極の表面上におけるビーム中心軸の衝突
点０から出発して任意半径方向０．へのイオン衝撃の密
度分布特性Ｊを示す。

この特性図の形状が示すように上記ビームの密度分布特
性は不均一であり、中心部における極めて高い密度は周
辺部に向かって急速に低下している。

第２ｂ図は浸蝕度を衝撃密度の関数として示したもので
あり、基板Ｓ上に厚さｅに堆積した水素化合物全体はシ
ュウチリウム−トリチウム混合物で飽和される。エネル
ギッシュなシュウチリウム−トリチウムイオンの浸透深
さ（破線にて示す）は、このエネルギーの関数として深
さ１１　に等しい。

第２Ｃ図ではイオン衝撃の最も大きい部分にて浸透深さ
β２が厚さｅよりも大きくなり、即ちイオンの一部が基
板内に伝撤し、シュウチリウム−トリチウム原子が極め
て急速に過飽和となる。

第２ｄ図ではシュウチリウムとトリチウム原子が集まっ
て気泡を形成し、これらの気泡が破裂時にクレータ−を
形成すると共にターゲットを深さ１３にまで極めて迅速
に浸蝕させる。

このような浸蝕は、（気泡の破裂による超微粒子の存在
で）ブレークダウンを著しく早めるか、又は入射イオン
のエネルギーを吸収する微粉砕原子によるターゲット表
面の汚染をまねて管のターゲット電極表面寿命を急速に
早める。

第１図に示したペニング−タイプのイオン源では、円筒
陽極６を接続する電位点の電圧を陰極７の電圧よりも約
４ｋＶ高くし、陰極７を管の容器に対して正の例えば２
５０にνの極めて高い電圧に接続する。

プラズマイオンは大地電位０に接続した抽出−加速電極
２によって陰極７の放射チャネル１２を経てイオン源か
ら抽出される。従って、陰極７は放射電極として作用す
る。斯くして形成されたイオンビーム３はターゲット４
　（このターゲットも接地する）を衝撃する。

放射電極と抽出−加速電極との間における電位差を大き
くすると放射孔口（放射チャネル）１２内への等電位線
の浸透度が深くなる。従って、イオン化ガスとイオンビ
ームとの間の界面における放射メニスカスは局部曲率半
径が可変の彎曲面形状となる。これにより、ビームのイ
オンが抽出される空間レベルに収差を来すため、必ずし
も全てのイオンがビームの軸線上の同じ点に集束せずに
、所定の範囲Δｒにわたり分布する連続点に集束するよ
うになり、従ってターゲットを不均一に衝撃することに
なる。

このようなイオンビームの不均一性の原因をなくすため
に、第３図に示す本発明の概念は、イオン源１と加速電
極２との間に抽出−予備加速電極１３を挿入して、この
電極１３を放射電極の電位に近い電位、例えば＋２３５
　ｋＶに接続するものである。

この２つの電極間の僅か１５　ｋＶの電位差によって放
射孔口内への等電位線の浸透作用は強力に減衰され、殆
ど浸透しなくなる。従って、イオンはビームの軸線に対
して平行、即ち理論的には電極間に準平面及び平行表面
を形成する等電位線に対して垂直の方向に抽出される。

これによりイオン化ガスとイオンビームとの間の界面に
おける放射メニスカスの形状が平坦か、又は僅かに球状
をしたものとなる。この界面から出るビームは積層化さ
れ、即ちその界面のいずれの個所でも単一ビームだけが
放射される。この積層化特性は、ビームを抽出−予備加
速電極１３と加速電極２との間における大きな電位ギャ
ップの作用にて集束される場合に維持され、それはビー
ムをターゲット上に入射させる場合にも存続する。

より一般的に云えば、ビームを平行化するにはイオン源
により放出させることのできるイオンの１が、電極によ
り形成されるイオン光学系によりこれらの状態にて抽出
され、且つ加速され得るイオンの量に少なくともほぼ等
しくなるようにする必要がある。２つのイオン光学源要
素は周知の物理法則に従って互いに適当に適合させる必
要がある。通常の電流に対する斯様な適合化条件とは、
加速電圧が２００ｋＶ以上の場合に抽出−予備加速電極
とイオン源との間の電位差を数１０ｋＶとすることであ
る。

斯かる物理的な条件は放射孔口が大き過ぎる場合には実
現することができない。しかし、放射孔口を大きくする
ことは中性子管にとっては十分大きなイオン電流を得る
ために絶対に必要なことである。実際上、放射電極及び
抽出−予備加速電極における１〜２ｃｍ程度のチャネル
直径の場合に、後者の電極はその開放個所付近の加速電
界を最早有効に遮蔽しなくなるため、イオン源から抽出
されたビームに及ぼす影響が著しく低下してしまう。

このような欠点は種々の方法で軽減させることができる
。

例えば、第４図に示すように、静電遮蔽効果を得るため
に抽出−加速電極１３にグリッド１４を設けることがで
きる。しかし、このグリッドはイオン衝撃の影響で加熱
されるため、その熱伝導を改善するためには厚いグリッ
ドを用いる必要があり、又グリッドは耐火材料製とする
必要もある。斯かるグリッドはイオンの遮断が最小とな
るような方向、即ちグリッドの開口がビームに対して平
行に延在す・るように向ける。

第５図は他の解決法を示し、この場合にはイオン源１の
レベルに数ミリメートルの均一直径を有する多数の放射
孔口１５を配置すると共に抽出−予備加速電極１３に上
記放射孔口１５に対応して整列する孔口１６を設ける。

従って、この電極１３によるイオンの遮断、従ってこの
電極が加熱されなくなるが、この電極の遮蔽効果は維持
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の密封中性子管の一例を示す断面図； 第２図はイオン衝撃密度分布及びターゲットの浸蝕度を
示す説明図； 第３図は本発明によるイオン抽出兼加速装置の一例を示
す断面図； 第４及び５図は第３図の変形例をそれぞれ示す断面図で
ある。 ■・・・イオン源　　　　　２・・・抽出−加速電極３
・・・ビーム　　　　　　４・・・ターゲット電極５・
・・絶縁体　　　　　　６・・・円筒陽極７・・・陰極
　　　　　　　訃・・磁石９・・・イオン化ガス　　　
１０・・・磁力線１１・・・中性子管　　　　　１２・
・・イオン放出チャネル１３・・・抽出−予備加速電極 １４・・・グリッド　　　　　１５．１６・・・放射孔
口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化ガスを用いてイオンビームを供給するイオ
   ン源を具え、加速電極によってイオンビームを高エネル
   ギーで抽出すると共に加速し、このイオンビームをター
   ゲット電極上に投射させて、前記イオン源と前記ターゲ
   ット電極との間における大きな電位差の関数としての中
   性子を放出させる核融合反応を前記ターゲット電極に発
   生させる高中性子束中性子管におけるイオン抽出兼加速
   装置において、当該装置が抽出−予備加速電極も具え、
   該電極を前記イオン源と前記加速電極との間に配置し、
   前記抽出−予備加速電極の電位を前記イオン源の電位と
   前記加速電極の電位との間の値の電位としてイオン抽出
   機能とイオン加速機能とを切り離して、イオン化ガスと
   イオンビームとの間の界面形状が、理想的な平面形状か
   らほぼ一定の曲率半径の彎曲面となる制御された形状と
   なるようにして球面収差を最小とし、且つ前記ビームが
   ほぼ積層化するようにしたことを特徴とする高中性子束
   中性子管におけるイオン抽出兼加速装置。 ２、前記抽出−予備加速電極に透明度が高くて、厚いグ
   リッドを設け、該グリッドをそれがビームに対して平行
   に延在するように向けたことを特徴とする請求項１に記
   載の装置。 ３、前記グリッドに用いる材料をイオン衝撃に耐え、し
   かも適切な熱伝導性を有するモリブデン、タングステン
   、熱分解カーボン等のような材料とすることを特徴とす
   る請求項２に記載の装置。 ４、前記イオン源に多数の孔口を設け、これらの孔口を
   前記抽出−予備加速電極における対応する孔口に対して
   整列させたことを特徴とする請求項１及び２に記載の装
   置。