JPH02276198A - 中性子管 - 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、低圧気体重水素−トリチウム混合物入中性子
管であって、陽極と陰極とを有するイオン源が前記の混
合物からイオン化ガスを形成し、このイオン化ガスは磁
界発生手段により生ぜしめられる規制磁界により案内さ
れ、前記のイオン源は前記の陰極に形成された放出路を
介してイオンビームを放出し、当該イオンビームは抽出
−加速電極を横切って高エネルギーでターゲット電極上
に照射され、このターゲット電極で融合反応を生ぜしめ
て中性子を放出せしめるようにした中性子管に関するも
のである。

（従来の技術） 上述した種類の中性子管は、高速中性子、熱中性子、熱
外中性子或いは高速冷中性子により物質を検査する技術
、すなわぢニュートロノグラフィ、放射化による分析、
中性子の拡散、非弾性拡散又は放射性捕獲の分光測定に
よる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
する検出レベルに対し管寿命を長くする必要がある。

１４　ＭｅＶの中性子を供給する核融合反応ｄ（３ｎ４
□）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
位電荷光たり得られる中性子の数は、厚いターゲットに
指向されたイオンエネルギーの増加に比例して、即ち、
主として現在人手でき、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。

イオン衝撃によるターゲットの浸食は中性子管の有効寿
命を制限する主要因の１つである。

この浸食はターゲットの化学的特性と、その構成の関数
となり、又衝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。

殆どの場合、ターゲットはその機械的強度に殆ど影響を
与えることなく、多量の水素を結合及び遊離し得る水素
化合物（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、その全体の束縛量はタ
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薄肉層の形態で堆積され、そ
の）￥さはこの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。例えばターゲットの浸食を明止す
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
活性層の各々の厚さはターゲットを衝撃する重水素（ジ
ューチリウム）イオンの浸透深さ程度とする。

ターゲットを保護する、従って中性子管の有効寿命を増
大させる他の方法はイオン衝撃面におけるイオン密度分
布特性を改善するようにイオンビームを制御することに
ある。ターゲット上の全イオン電流が一定で、これによ
り中性子放出を一定にする場合には、イオン衝撃が行な
われるターゲット表面全体に亘るイオン電流密度分布を
できるだけ均一にすることにより改善が行なわれる。

密封した中性子管では、一般にイオンはペニング型のイ
オン源により供給される。このイオン源は、丈夫であり
、冷陰極を有しく従って有効寿命が長＜）、低圧力で大
きな（１０Ａ／トル程度）放電電流を生じ、抽出量が高
＜（２０〜４０％）、寸法が小さいという利点を有する
。

（発明が解決しようとする課題） しかし、この種類のイオン源は、イオン化室の軸線に平
行な１０００ガウス程度の磁界を用いる必要があり、こ
れにより放電内部で且つ電界及びイオン源の共通軸線に
沿って取った抽出レベルにおいてイオン電流の密度がほ
ぼ横方向で不均一となるという欠点を有する。

また、抽出され且つターゲットの方向に加速されたイオ
ンが一次の一定圧力で中性子管中に入れられているガス
分子と反応してイオン化、解離及び電荷交換現象を生ぜ
しめ、これによりターゲット上のエネルギーを減少せし
める。すなわち中性子の生成を減少せしめるとともに、
イオン及び電子を形成し、その後これらのイオン及び電
子がイオン源或いは中性子管の電極を衝撃するように加
速されるという事実により他の欠点を生ぜしめる。

すなわち、上述したことにより、モリブデン或いはステ
ンレス鋼のような電極材料の温度を高めるエネルギー溜
を生じる。これらの材料が加熱されることによりこれら
材料に含まれる酸化炭素のような不純物を離脱させ、こ
れにより中性子管内部の雰囲気の品質を劣化させる。中
性子管中に形成される不純物イオン、例えば　ＣＯｏが
重水素−ナトリウムイオンの粉砕係数よりも高い１０”
〜１０’の粉砕係数でターゲットを衝撃し、従ってター
ゲットの浸食を著しく増大させる。これらの現象は中性
子管中の動作圧力が高くなるにつれて大きくなる。

本発明の目的は上述した欠点を軽減しうるイオン源を有
する中性子管を提供せんとするにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、低圧気体重水素−トリチウム混合物人中性子
骨であって、陽極と陰極とを有するイオン源が前記の混
合物からイオン化ガスを形成し、このイオン化ガスは磁
界発生手段により生ぜしめられる規制磁界により案内さ
れ、前記のイオン源は前記の陰極に形成された放出路を
介してイオンビームを放出し、当該イオンビームは抽出
−加速電極を横切って高エネルギーでターゲット電極上
に照射され、このターゲット電極で融合反応を生ぜしめ
て中性子を放出せしめるようにした中性子管において、
前記のイオン源を複数個のペニング型のセルの構造体よ
り成るマルチセル型とし、この構造体はこれらのセルす
べてに対して陰極空所を有し、この陰極空所内には多孔
の陽極が配置され、この陽極のこれらの孔の軸線が前記
の放出路の対応する軸線と整列され、これらの孔の個数
は抽出イオンビームを前記のイオン源の等価有効範囲に
対して広げるのに最適な個数とし、前記の孔の形状、寸
法及び位置のいずれか１つ又はこれらの任意の組合せを
前記の磁界のトポロジに適合させたことを特徴とする。

必要とする全体の放電電流利得はマルチセルイオン源の
構造体の長さを増大させることにより得ることができる
ことに注意すべきである。この利得は２とすることがで
きる。

イオン源をこの新たな構造とすることにより得られる電
流の増大は中性子管の動作圧力を低減させたり、有害な
イオン−ガス反応の発生を制限したりするのに用いるこ
とができる。

マルチセル型のイオン源の構造体を使用可能にするため
には、特に磁気誘導と多孔の陽極の孔の半径との間の関
係に関して磁界をペニング構造の適切な動作に適合させ
る必要がある。

磁力線の形状に応じたそのレベルでの磁界の変化は、前
記の半径を増大させることにより補正でき、このことは
陽極構造体の孔の半径を変化させるということを意味す
る。陽極の形状を磁力線に一層良好に適合させるために
は、横断面が円形成いは方形の柱状の孔（陽極の孔）の
代りに、先広がり構造の孔を用い、これらの孔の母線（
これらの孔の輪郭）が磁力線と一致するようにする。

上述した種々の構造体によるイオンの放出は、放出電極
として作用する陰極に形成したイオン放出路を経て行な
われる。セルの個数と同一の個数のイオン放出路はセル
とイオン放出路とで同し対称軸線に沿って配置する。陽
極構造体の孔の横断面が円形である場合には、その直径
は供給される電界及び電極の厚さの関数となる。

本発明の変形例では、陰極の下側に拡張室を加え、セル
の配置と殆ど無関係にしうる開口を通って行なわれる放
出の付近におけるイオン密度の均一性を高めるようにす
る。

本発明による中性子管では、抽出−加速電極を、ｎ個の
セルの軸線に相当する軸線を有するｎ個の開口を有する
電極を以って構成するか、或いはｎ個のセルの個数より
も少ないｊ個の個数の開口を有し、従ってこれら開口の
直径がイオン放出路の直径よりも大きく、これら開口の
配置によってビームのいかなる遮断も行なわないように
した電極を以って構成することができる。

この抽出−加速電挽の厚さは、機械的な強度を改善する
とともに液体の強制循環によりこの電極を冷却しうるよ
うにするために増大させることができる。

（実施例） 以下、図面につき説明するに、第１図は、イオン化すべ
き低圧気体混合物、例えば重水素−トリチウムを入れた
密封中性子管の基本素子を示しており、この中性子管は
イオン源１と抽出−加速電極２とを具えており、これら
イオン源１及び抽出加速電極２間には、イオンビーム３
を抽出ｕつ加速するとともにこのイオンビームをクーゲ
ラ１−４上に照射させる極めて大きな電位差が存在して
おり、このターゲット４で例えば１４Ｍｅνの中性子を
放出せしめる融合反応が行なわれる。

イオン源１は高圧電力供給コネクタ（図示せず）の通路
に対する絶縁体５と一体となっており、このイオン源は
例えば、円筒状陽極６と、この円筒状陽極の軸線の付近
にイオン化ガス９を規制（制御）する軸線方向の磁界を
有する磁石８を収容した陰極空所７とより成るペニング
型のイオン源であり、磁力線１０は所定の発散を呈する
。イオン放出路１２は円筒状陽極６に面するように前記
の陰極空所に形成されている。

第２図の線図はターゲットの浸食効果を示す。

第２ａ図は任意の径方向Ｏｒにおけるイオン衝撃の密度
分布Ｊを、ターゲットの表面上のビームの中心軸線の衝
突点０から開始して示す。この分布形状は、中央部分に
おける極めて高い密度が周辺方向に向うにつれて急激に
減少するビームの不均一特性を示している。

第２ｂ図は、浸食をイオン衝撃密度の関数として示して
おり、基板Ｓ上に堆積された厚さｅの水素化合物層全体
が重水素−ナトリウム混合物で飽和されている。破線で
示す高エネルギーの重水素トリチウムイオンの浸透深さ
はこのエネルギーの関数として深さＰｌに等しい。

第２ｃ図は、浸透深さ２ｚが最も激しいイオン衝ｌ域で
水素化合物層の厚さｅよりも大きくなり、入射イオンの
一部が基板中に浸入し、重水素及びトリチウム原子が極
めて迅速に過飽和するように水素化合物層を浸食するう
よにした場合を示す。

第２ｄ図では、重水素及びトリチウム原子が集中し、泡
を形成し、これらの泡が破裂するとクレータを形成し、
ターゲットの浸食を深さＰｌまで極めて迅速に増大させ
る。

これにより、ブレークダウン（泡の破裂によっ′で生じ
る微粒子の存在）を著しく増大させるか或いは入射イオ
ンのエネルギーを著しく吸収する粉砕原子によりターゲ
ットの表面を汚染させ、中性子管の有効寿命を終了させ
る。

第３図は陰極空所７と多孔の陽極６とより成るペニング
型のマルチセルイオン源を有する中性子管を線図的に示
しており、陽極６は、例えば２５０ＫＶの極めて高い電
圧に接続された陰極空所の電圧よりも４〜８　ＫＶだけ
高い電位を有する。

磁石８はイオン化ガスを規制するための１０００ガウス
程度の磁界を形成する。

本発明によれば磁気型の規制を行なうマルチセル放電構
造の特性を用いる。すなわち、マルチセルイオン源構造
で陽極断面積を同じにした場合、放電電流とこの放電電
流から抽出されるイオンビーム電流とがモノセル構造の
場合に得られるこれらの電流に比べて大きくなるという
事実を用いる。

更に、ｎ＞ｍの場合、ｎ個の陽極孔を有するマルチセル
構造を用いる方が、ｍ個の陽極孔を有するマルチセル構
造を用いるよりも有利である。この場合、ｎ個の孔を有
する構造の名札の断面積はｍ個の孔を有する構造の名札
の断面積よりも小さくなるが、これらの構造に対して陽
極の断面積を同しに保った場合のみ、上述した利点が達
成され、気体混合物の圧力を減少させ、従ってイオン−
ガス反応の可能性を低減せしめることができる。

本発明によれば、ｎ個の孔６１，６□ｌ　’−’−・、
６７を有する多孔の陽極６と、ｎ個のイオンビームを抽
出するイオン放出路７１＋　　７２＋　’−”−・−’
−’＋７ｎを陽極の孔に対向して配置した陰極７とを有
する新たなｎセル構造を形成する。これら多重ビーム３
は、これらビームの個数に等しい個数の多数の開口２７
．２□ｌ　’−”’ｌ　　２ｎを有する抽出−加速電極
２によりターゲット４上に照射される。これらの開口は
イオン放出路と同じ軸線に沿って配置する。

第４図に示す中性子管の他の実施例では、抽出−加速電
極に形成する開口の個数をイオン源によって放出せしめ
られるビームの個数よりも少なくする。例えば、電極２
の各開口に図示のようにイオン源からの２つのビームを
通過させるようにする。

マルチセルイオン源構造では、磁界の磁力線の発散は、
この磁界が中央領域が極めて強（周辺に向うにつれて徐
々に極めて低い値まで減少するということを示している
。この変化を補償するために、第５図に示すように、陽
極の孔６．’、６□・−’＋Ｌ′を磁気誘導に対して逆
方向に変化する半径を有するように構成し、磁気誘導と
陽極の孔の半径との積がほぼ一定となるようにする。こ
の構成によりイオン電流密度の均一性を高める。

第６図に示す装置では、陽極の孔５．Ｚ５□″・−，６
１１′が磁界の磁力線の形状を殆ど追従する先広がり（
拡開）となっている為に著しい改善を得られる。

第７図では、陰極の下側に拡張室１４を配置し、イオン
密度の均一性を高めている。イオン放出Ｇ↓開口１５を
経て行なわれるも、これらの開口の個数は多孔の陽極の
孔の個数に無関係とうしる。

本発明によるマルチセルイオン源構造によって達成され
る、ビーム強度と中性子管の圧力との比の改善は種々に
用いることができる。すなわち、イオン通路を同一とす
る場合、イオンビームの通路に沿って形成されるイオン
／電子の対の個数が少なくなり、再加速電子によりイオ
ン源中に蓄積されるエネルギーが少なくなり、イオン源
の加熱が少なくなり、従って、構成材料の脱ガスが゛減
少される。このような脱ガスにより生じる重イオンは少
なく、これら重イオンがターゲットの浸食に与える寄与
は小さい。しかし、重水素−トリチウムイオンの平均エ
ネルギーが増大し、これにより管電流を減少せしめる。

ビーム電流を同一とする場合、電極間の距離を増大せし
めることができ、従って電界を減少させて冷陰極放出（
電界放出）現象を減少せしめることができる。

（単位時間にわたる）積分ビーム電流を同一とする場合
、圧力の比Ｐ、、、／Ｐ　（ここにＰ　ｗａｘは中性子
管の動作モードを変えない、すなわち放出モードからア
ークモードに切換えない最大動作圧力である）でパルス
ｄモードで最大電流を増大せしめうる。

更に、イオン放出路のレベルでの放電が均一となり、且
つ単位ビームの数が増大する為にターゲット上での電流
分布が一層均一となる。これにより最大のイオン密度を
減少させるとともに、ビーム電流を同一とする場合には
中性子管の寿命を増大させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の密封中性子管を示す構成図、第２ａ〜
２ｄ図は、径方向のイオン衝撃密度分布及びターゲット
の深さ方向での浸食効果を示す線図、第３図は、ペニン
グ型のマルチセルイオン源と、セルの個数と同数の開口
を有する抽出−加速電極とを具える本発明による中性子
管の一例を示す線図、 第４図は、マルチセルイオン源と、セルの個数と同数の
開口を有する抽出−加速電極とを具える本発明による中
性子管の他の例を示す線図、第５図は、陽極の孔の大き
さが変化しているイオン源を有する本発明による中性子
管の更に他の例を示す線図、 第６図は、陽極の孔が拡開したイオン源を有する本発明
による中性子管の更に他の例を示す線図、第７図は、拡
張室を設けたイオン源を具える本発明による中性子管の
更に他の例を示す線図である。 ■・・・イオン源　　　　　　２・・・抽出−加速電極
３・・・イオンビーム ５・・・絶縁体 ９・・・イオン化ガス １２・・・イオン放出路 １５・・・開口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低圧気体重水素−トリチウム混合物入中性子管であ
   って、陽極と陰極とを有するイオン源が前記の混合物か
   らイオン化ガスを形成し、このイオン化ガスは磁界発生
   手段により生ぜしめられる規制磁界により案内され、前
   記のイオン源は前記の陰極に形成された放出路を介して
   イオンビームを放出し、当該イオンビームは抽出−加速
   電極を横切って高エネルギーでターゲット電極上に照射
   され、このターゲット電極で融合反応を生ぜしめて中性
   子を放出せしめるようにした中性子管において、前記の
   イオン源を複数個のペニング型のセルの構造体より成る
   マルチセル型とし、この構造体はこれらのセルすべてに
   対して陰極空所を有し、この陰極空所内には多孔の陽極
   が配置され、この陽極のこれらの孔の軸線が前記の放出
   路の対応する軸線と整列され、これらの孔の個数は抽出
   イオンビームを前記のイオン源の等価有効範囲に対して
   広げるのに最適な個数とし、前記の孔の形状、寸法及び
   位置のいずれか１つ又はこれらの任意の組合せを前記の
   磁界のトポロジに適合させたことを特徴とする中性子管
   。 ２、請求項１に記載の中性子管において、前記のイオン
   源の前記の陽極の孔の半径は、前記の磁界のトポロジを
   考慮するために、前記の構造体の中心からその周辺に向
   かうにつれて逐次増大していることを特徴とする中性子
   管。 ３、請求項１又は２項に記載の中性子管において、前記
   のイオン源の陽極の前記の孔は前記の磁界のトポロジに
   適合するように拡開形状となっていることを特徴とする
   中性子管。 ４、請求項１〜３のいずれか一項に記載の中性子管にお
   いて、前記のイオン源の下側に拡張室を配置し、開口を
   経て前記のターゲットに対向する当該拡張室の壁部に形
   成したイオン放出領域におけるイオン密度の均一性を高
   めるようにし、これら開口の配置及び個数は前記のセル
   の配置及び個数に殆ど依存していないことを特徴とする
   中性子管。 ５、請求項１〜４のいずれか一項に記載の中性子管にお
   いて、前記の抽出−加速電極は前記の陽極の孔の個数に
   等しい個数の開口を有し、これら開口は前記の放出路の
   それぞれの軸線に沿って配置されていることを特徴とす
   る中性子管。 ６、請求項１〜４のいずれか一項に記載の中性子管にお
   いて、前記の抽出−加速電極は前記の陽極の孔の個数よ
   りも少ない個数の開口を有し、この抽出−加速電極の開
   口の配置はビームを遮断しないような配置としたことを
   特徴とする中性子管。 ７、請求項５又は６に記載の中性子管において、前記の
   抽出−加速電極の厚さは、その機械的強度を改善すると
   ともに液体を強制的に循環させることにより電極を冷却
   しうるようにするために増大させたことを特徴とする中
   性子管。