JPH02148700A - 高中性子束中性子管のイオン引き出し兼加速装置 - 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】 本発明は低圧重水素−トリチウムガス混合物を含み、イ
オン源により１以上のイオンビームを発生させ、該ビー
ムをイオン引き出し兼加速電極系により高エネルギーで
引き出し加速してターゲット！極上に衝突させ、そこで
核融合反応を生じさせて中性子を放射させる高中性子束
中性子管のイオン引き出し兼加速装置に関するものであ
る。

（従来の技術） この種の中性子管は、高速中性子、熱中性子、中速中性
子又は冷温中性子による物質の検査技術、即ちニュート
ロノグラフィ、活性化分析、中性子の拡散、非弾性拡散
又は放射捕獲の分光分析等に用いられている。

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

１４ＭｅＶの中性子を発生する核融合反応ｄ　（３，。

４□）ｎが最も一般に使われており、これはこの反応が
比較的低いイオンエネルギーに対して大きな実効断面積
を有するためである。しかし、使用する反応と無関係に
、ビーム内の単位電荷につき得られる中性子の数は厚い
ターゲットに指向するイオンのエネルギーの増大に常に
比例して、即ち現在入手し得る封入中性子管（２５０ｋ
ｖ以下の高圧で附勢される）内に得られるイオンエネル
ギーを上まわって増大する。

イオン衝撃によるターゲットの侵食が中性子管の寿命を
制限する主な要因の１つである。

侵食は一方ではターゲットの化学的性質及び構造の関数
であり、他方ではターゲット表面に衝突する入射イオン
のエネルギー及びそれらの密度分布の関数である。

殆んどの場合、このターゲットは、機械的強度に殆んど
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）により形成され、その総合拘束量はター
ゲットの温度及び管内の水素圧の関数である。使用する
ターゲット材料は基板上に薄い層の形態に堆積され、そ
の厚さは基板への接着に課される問題により制限される
。

ターゲットの侵食を阻止する１つの方法は、例えば吸収
活性層を拡散障壁により互いに分離された同一の層の積
層体として構成することにある。この各活性層の厚さは
ターゲットを衝撃する重水素イオンの浸透深さ程度にす
る。

ターゲットを保護し、管の寿命を長くする他の方法は、
イオンビームを制御して衝撃表面上のその密度分布を改
善することにある。ターゲット電極上の総合イオン電流
を一定にし一定の中性子放射を得る改善は、イオン衝撃
にさらされる全ターゲット表面に亘ってイオン衝撃密度
をできるだけ均一にすることにより得られる。

最大イオン衝撃密度を低減する１つの方法はビームの集
中点とターゲットとの間の空間内におけるビームの発散
を利用するものである。この空間内においてイオンビー
ムの通路をＸ倍にすると最大衝撃イオン密度は１／Ｘ２
倍に低減する。

（発明が解決しようとする課Ｂ） 封入中性子管においてはイオン流を得るに必要な重水素
−トリチウム混合物の圧力が最も重要であり、管全体に
亘って同一圧力にする。これがため、ターゲットに向け
引き出され加速されたイオンはガス分子と反応してイオ
ン化作用、解離作用及び電荷交換作用を発生し、その結
果として一方ではターゲット上のイオンの平均エネルギ
ーの低下を生じ、即ち中性子の発生の低下を生じ、他方
ではイオン及び電子を発生し、これらが管のイオン源又
は電極に向け加速されこれに衝突する。

これらの衝突点はエネルギー蓄積点になり、モリブデン
又はステンレススチール又は熱分解カーボンのような電
極材料の温度を上昇する。これらの材料の加熱はこれら
の材料に含まれる炭素酸化物のような不純物を放出させ
、管内の雰囲気の質を低下させる。管内に形成されたこ
れら不純物のイオン、例えばＣＯ゛は重水素−トリチウ
ムイオンの粉砕係数の１０２〜１０’倍の粉砕係数を有
し、ターゲットを衝撃して侵食の大きな増大を生ずる。

これらの作用は動作圧力が高いほど及びイオン経路が長
いほど大きくなる。これがため、イオン経路を増大させ
ることにより実現し得るターゲットの不均一衝撃の補正
は、イオン−ガス反応の増大のために有効ではない。

本発明の目的はこれらの反応が管の動作に悪影響を与え
ないようにした構造を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的のためにはビームイオンにより生起された電子
がイオン源に戻りそこに多量のエネルギーが蓄積される
こと、即ちこれらの電子の“戻り°′を阻止すれば十分
である。このためには、これらの電子をビームの集中点
とターゲットとの間の空間内に追い返しくこの空間内で
はこれら電子は低いエネルギーしか獲得できない）、こ
の空間を限界する電極に捕集させる必要がある。

この目的のために、本発明においては、前記イオン引き
出し兼加速電極系に、この電極系と前記ターゲット電極
との間の空間内において前記ビームの通路に沿ってガス
のイオン化により生起された二次電子がイオン源に向け
再加速されるのを制限する電位を与えた追加の電極を設
け、前記空間を大きくしてターゲットのイオン衝撃の不
均一性を著しく低減し得るようにしたことを特徴とする
。

本発明装置の一例では、ターゲットと同一の電位に接続
された最終加速電極を具え、前記追加の電極はこの最終
加速電極に対し負の電位を有する電子追い返し電極とし
て作用し、この追加の電極面を前記最終加速電極とター
ゲットとの間の等電位空間内の、最終加速電極の出射面
の下流に近接して位置させた構成にする。

本発明装置の他の例では、ターゲット電極に対し負電位
に接続し電子追い返し電極として作用するようにした最
終イオン加速電極を具えた構成にする。前記追加の電極
は前記最終イオン加速電極の出射面の下流にこれに近接
して配置し、ターゲットと同一の電位に接続する。電子
はターゲットと追加の電極により捕集される。

本発明装置は前記空間を大きくしても管の動作を大きく
劣化させない。

・高エネルギーイオンはイオン化衝突中及び電荷交換中
に極めて僅かのエネルギー（１０−’程度）を失うだけ
であり、これらイオンは入射イオンと同一のエネルギー
の高速中性子に変換される。

・前記空間内で形成された電子及びイオンは僅かなエネ
ルギーを有するだけであり、電極の電位を考えると、こ
れら電子及びイオンはこれら電極にＳ獲され、これら電
極に蓄積されるエネルギーが著しく減少する（ターゲッ
ト上で消散されるエネルギーの１％程度）、前記空間の
長さの増大は電極間電流（ターゲット／加速電極又は追
い返し電極／加速を極及びターゲット）を増大するだけ
であり、これは僅かな加熱として認められる。これがた
めこれらの電極は耐熱材料で造る。

図面につき本発明を説明する。

第１図はイオン化すべき低圧ガス混合物、例えば重水素
−トリチウムガス混合物を含む従来の封入中性子管１１
の基本構成を示し、斯る中性子管はイオン源１と加速電
極２を具え、これらの間に極めて高い電位差を存在させ
てイオンビームを引き出し集束させてターデッド４上に
衝突させ、ここで核融合反応を生じさせて例えば１４　
ＭｅＶの中性子放射を生じさせ得るようになっている。

イオン源１は高圧コネクタ（図示せず）の通路を与える
絶縁体５と一体であり、且つ例えばペニング型イオン源
であり、このイオン源は円筒陽極６と、イオン化された
ガス９を陽極円筒の軸線近くに閉じ込める磁界であって
磁力線１０が所定の発散を示す軸方向磁界を発生する磁
石８を具える陰極構体７とから成る。この陰極構体７に
はイオン放射口１２が陽極６に対向して形成される。

第２図はターゲットの侵食作用を示すものである。

第２ａ図は任意の半径方向０−ｒにおけるイオン衝撃の
密度分布Ｊを、単一の電極を具える標準光学系の場合に
ついてターゲット表面上のビームの中心軸の衝突点０か
ら出発して示したものである。

この密度分布の形状は、このビームが中心部の極めて高
い密度から周縁に向って急速に減少する不均一特性であ
ることを示している。

第２ｂ図はターゲットの侵食を衝撃密度の関数として示
すものであり、基Ｖｉ、Ｓ上に堆積された厚さｅの水素
化物は全体が重水素−トリチウム混合物で飽和される。

高エネルギー重水素−トリチウムイオンの侵入深さ（破
線で示す）はそのエネルギーの関数としての深さ２．に
等しい。

第２ｃ図の次の課程では、水素化物の層の最も強く衝撃
される区域においては侵食深さ１２がこの層の厚さｅよ
り大きくなり、入射イオンの一部分が基板内に侵入し、
重水素及びトリチウム原子が極めて急速に可飽和になる
。

第２ｄ図の最後の課程では重水素イオンとトリチウムイ
オンが集まってバブルを形成し、これらバブルが破裂時
に噴火口になり、ターゲットの侵食を極めて象、速に深
さ！、に増大することを示す。

この最後の侵食課程になると直ちに管の寿命の終了に至
り、ターゲットの破壊（バブルの破裂による微粒子の存
在）の急激な増大、もしくは入射イオンを吸収する粉砕
原子によるターゲット表面の汚れの急激な増大を生ずる
。

第３ａ図はマルチセルマルチビーム方式のペニング型イ
オン源１２を具える中性子管を示し、このイオン源にお
いては円筒陽極６に、並置された複数の孔６ａ、　６ｂ
、−−−−６ｅを形成すると共に、この陽極にそれ自体
極めて高い電圧（例えば２５０ＫＶ　）に接続された陰
極７よりも約４ＫＶ高い電位を与える。

対応する陽極の孔と対向するように陰極７に形成された
放射孔？ａ、　７ｂ、　−−−−７ｅから放射するイオ
ンビーム３ａ、　３ｂ、　−−−−３ｅは加速電極２に
よりターゲット４上に投射する。

ターゲットによりさえぎられるビーム断面積はビームの
発散度及び特にターゲットとビーム集中点との距離によ
り決まる。

第３ａ図はこの特性をターゲットの位置の適切な選択に
基づいて説明するものである。

第３ａ図から明らかなように、位ｉＡではターゲット上
の各単位ビームの衝突断面が互に区別でき、各単位ビー
ムの密度分布Ｊは第３ｂ図に示すようになり、即ち高い
軸方向値を有し、これから両側に強く減少する分布にな
る。

ターゲット上の全ビームの衝突区域に一層一様な密度分
布を実現する１つの方法はターゲットとイオン源との間
の距離を増大させ、即ちターゲットを位置Ａから位置Ｂ
に移動させて、各単位ビームが互に重なり合うようにす
ることにある。

第３ｃ図から明らかなように、この場合には各単位ビー
ムの密度分布Ｊが幅広になると共にその軸方向値が小さ
くなる。更に各単位ビームの密度分布の重畳により略々
−様な合成密度分布を得ることができる。

しかし、あいにくこの理想的な結果は実際には達成する
ことができない。その理由は、従来の構造においてター
ゲットと加速電極との間の空間内のビーム通路の長さを
長くすると、ビームのイオンによるガスのイオン化が増
大するためである。

実際上、このようにして生起された電子は管のイオン源
及び電極の方向に再加速され、これらを加熱して不純物
の放出を生じさせ、重水素イオンの粉砕係数より１０”
〜１０３倍高い粉砕係数を有するＣＯｏのような不純物
イオンを生起するため、管内の雰囲気の質の重大な劣化
を生ずる。更に、イオンの入射によりターゲットから数
個のリズムで放出され、同様にイオン源に向け再加速さ
れる電子もイオン源を加熱し、これを破壊する。

本発明の装置によればターゲットにより放出された二次
電子並びにガスのイオン化により生起された電子を追い
返すことができる。この装置の第１の実施例は加速電極
とターゲットとの空間内に加速電極に近接して配置され
、即ちターゲットから十分遠く離して配置された適当な
電位を有する追加のｉｔ　掻１３を具える。この追加の
電極は、ターゲットと加速電極との間の空間内の電極間
電流による加熱に対抗するための耐熱材料から成り、大
地に接続される加速電極及びターゲットの電位に対し負
の電位（例えば−５にν）に接続する。

第４図は第３図に示す装置のイオンビームの軸線に沿う
電位分布を示す。

ターゲットをイオン源から遠ざかる方向に移動配置する
代りに、固定のターゲットを用いると共にイオン源及び
電極を反対方向に移動させるものとする。

横軸上には中性子管の一構成例におけるターゲットＣ１
追い返し電極ＥＳＩ　、加速電極ＥＡＩ及びイオン源Ｓ
１の位置をプロットしであると共に、ターゲット及び加
速電極管の空間を２倍にした中性子管の他の構成例にお
ける追い返し電極ＥＳ２　、加速電極ＥＡ２及びイオン
源Ｓ２の位置も示しである。縦軸には追い返し電極の電
圧レベルｖＳをプロットしである。実線曲線及び−点鎖
線曲線はイオンビームの軸線に沿う電位■とそれぞれの
構成例のターゲットの電位ｖｃとの電位差を表わす。区
域Ｃ−Ｈ５Ｉ及びＣ−ＥＳ２におけるこの電位差の変化
及びその結果体ずる電界は追加の電極の゛追い返し゛°
効果を発生し、ターゲットにより放出された電子及びイ
オン化により生起された電子はターゲットにより捕集さ
れる。イオン加速区域ＥＳ−３ｌ及びＥＳ−５２内の上
記の電位変化は画構成例において同一であり、両中性子
管の動作は同一であり、この区域内で生起されイオン源
に向け加速される電子の束は同一に維持される。

第５図は本発明装置の第２の実施例を示し、本例ではタ
ーゲット４と同一の電位を有する井戸穴状、即ち有孔構
体のターゲット支持電極１４を加速電極とターゲットと
の間の空間内に、加速電極の近くに配置する。電子の追
い返しは加速電極をターゲットの電位に対し僅かに負の
電位ｖ１に接続することにより達成される。

この第２の実施例に対し、第４図のグラフと同様の第６
図のグラフによりイオンビームの軸線に沿う電位Ｖ−Ｖ
、の変化を示しである。横軸上には加速電極の近くに配
置されるターゲット支持電極の端縁の位置ＥＲＩ及びＥ
Ｒ２をプロットしである。第４図のグラフについて述べ
た考察がこの実施例にも同様に適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の封入中性子管の構成図、第２図は径方向
のイオン衝撃密度分布とターゲット侵食深さの関係を示
す図、 第３図は本発明装置の第１の実施例の構成を示す図、 第４図は第３図に示す装置のイオンビームの軸線に沿う
電位分布を示す図、 第５図は本発明装置の第２の実施例の構成を示す図、 第６図は第５図に示す装置のイオンビームの軸線に沿う
電位分布を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低圧重水素−トリチウムガス混合物を含み、イオン
   源により１以上のイオンビームを発生させ、該ビームを
   イオン引き出し兼加速電極系により高エネルギーで引き
   出し加速してターゲット電極上に衝突させ、そこで核融
   合反応を生じさせて中性子を放射させる高中性子束中性
   子管のイオン引き出し兼加速装置において、前記イオン
   引き出し兼加速電極系に、この電極系と前記ターゲット
   電極との間の空間内において前記ビームの通路に沿って
   ガスのイオン化により生起された二次電子がイオン源に
   向け再加速されるのを制限する電位を与えた追加の電極
   を設け、斯くしてターゲットのイオン衝撃の不均一性の
   著しい低減のために前記空間を増大し得るようにしたこ
   とを特徴とする高中性子束中性子管のイオン引き出し兼
   加速装置。 ２、前記イオン引き出し兼加速電極系は前記ターゲット
   電極と同一の電位に関する公称エネルギーをイオンに与
   える最終加速電極を具え、前記追加の電極は前記最終加
   速電極に対し負電位を有する電子追い返し電極として作
   用し、この追加の電極面は前記最終加速電極とターゲッ
   トとの間の等電位空間内の、最終加速電極の出射面の下
   流にこれに近接して位置させてあることを特徴とする請
   求項１記載の装置。 ３、前記イオン引き出し兼加速電極系は最終加速電極と
   、前記ターゲットと同一の電位に接続された前記追加の
   電極とを具え、この追加の電極面は前記最終加速電極と
   ターゲットとの間の空間内の、最終加速電極の出射面の
   下流にこれに近接して位置させ、前記最終加速電極が前
   記追加の電極とターゲット電極から成る組立体に対し負
   電位を有する電子追い返し電極として作用するようにし
   てあることを特徴とする請求項１記載の装置。 ４、１つの同一のイオン源又は数個のイオン源から放射
   され同一のターゲット電極を照射する数個の単位ビーム
   を形成し得るようにしてあることを特徴とする請求項１
   〜３の何れかに記載の装置。 ５、前記加速電極は耐熱導電材料で造られていることを
   特徴とする請求項２又は３記載の装置。 ６、前記追加の電極は耐熱材料で造られていることを特
   徴とする請求項２記載の装置。