JPH02276199A - 静電イオン源を有する中性子管 - 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、イオンビームを発生するための低圧ガス状ジ
ュテリウム−トリチウム混合物室と、ターゲット電極で
融合反応を起して中性子を放出させるために該ターゲッ
ト電極にイオンビームを高エネルギで投射するための加
速電極とを有する中性子管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、エビサー
マル中性子または冷たい中性子による物体の検査すなわ
ちニュートロノグラフィ（ｎｅｕｔｒ。

ｎｏｇｒａｐｂｙ）　、放射化による分析、非弾性拡１
１父のスペクトルによる分析または放射性捕獲、中性子
の拡散等による物体の検査に対する技術に用いられてい
る。

これ等の核技術をできるだけ効率的にするために、対応
する放出レベルに対してより長い管の有効寿命が必要と
される。

１４ＭｅＶニュートロンを供給する融合反応ｄ（３Ｈ４
、）ｎは、比較的低イオンエネルギに対するその大きな
有効断面のために最も普通に使用されている。けれども
、使用される反応とは無関係に、ビーム中の単位電荷当
り得られる中性子の数は厚いターゲットに向けられたイ
オンのエネルギーの増加に常に比例して増加する、すな
わち大部分は、例えば現在入手可能で且つ２５０ｋｖ以
下の高電圧で付勢される密封形管で得られるイオンエネ
ルギを越える。

イオンボンバードメントによるターゲットの腐食は中性
子管の動作寿命を制限する主なファクターの一つである
。

この腐食は、一方においてはターゲットの化学的性質と
構造の関数であり、また他方にといては、進入イオンの
エネルギと衝撃面におけるその密度分布プロファイの関
数である。

多くの場合、ターゲットは、その機械的強度に実質上影
響を及ぼすことなしに多量の水素を結合および遊離する
ことのできる水素化物（チタン、スカンジウム、ジルコ
ニウム、エルビウム等）で形成される。結合される全体
量は、ターゲットの温度および管内の水素圧の関数であ
る。使用されるターゲット材料は薄い層の形で堆積され
、その厚さは、その基板への層の付着により生じる問題
によって制限される。ターゲットの腐食を遅らせる一つ
の方法は、例えば、吸収活性層を、拡散パノヤーによっ
て互に分離された同じ層の積重ねとして構成することで
ある。各活性層の厚さは、ターゲットを打つシュチリウ
ムイオンの進入深さ（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｄｅｐ
ｔｈ　）の大きさのオーダーである。

ターゲットを保護しかくし、て管の有効寿命を増す池の
方法は、衝撃面の密度分布プロファイルを改良するよう
にイオンビームに影響を与えることである。一定の中性
子放出をきたすターゲット電極上の一定の全イオン電流
に対し、この改良は、イオンボンバードメントにさらさ
れる全ターゲット表面を横切る電流のできる限り均一な
分布から生じる。

公知の中性子管は一般にペニング（Ｐｅｎｎｉｎｇ　）
−タイプのイオン源を使用しているが、このイオン源は
、丈夫で、冷陰極（したがって長い有効寿命）を有し、
低圧に対して大きな放電電流（ＩＯＡ／１ｏｒｒのオー
ダー）を供給し、高い抽出歩留り（ｅｘｔｒａ＋Ｌｉｏ
ｎ　ｙｉｅｌｄ）　　（１０から４０％）と小さな寸法
を有するという利点を呈する。

けれどもこのタイプのイオン源は、放電内にイオン密度
の著しい不均質を生しる１０００ガウスのオーダーのイ
オン閉じ込め磁界の使用を必要とするという欠点を有す
る。その上、この磁界を発生ずる磁石システムは複雑で
重い。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、安価で軽量な簡Ｃ１ｉなイオン源を得
ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明は次の特徴を有す
るものである。すなわち、イオン源は、冷陰極と、カソ
ード空洞に面する弱い抽隼面を有する該カソード空洞内
に位置されたアノードをそなえた、電子によるイオン化
のための静電的手段とを有し、前記カソード空洞内で、
カソードにより放出されまたはカソード空洞内でつくら
れ且つアノードによる捕獲の確立が著しく低減された電
子が、アノードの周囲を比較的長い通路に沿って振動し
てイオン化ジュテリウム−トリチウムガスの生成を可能
にし、該カソード空洞より、イオンが、ターゲット電極
に面するカソード壁に形成された少なくとも一つの放出
オリフィスを経て抽出加速システムによって取出される
。

むしろ磁界を含まないこの静電イオン源は、ペニング−
タイプイオン源よりも簡単な設計と応用を有する。

本発明の好ましい一実施例では、アノードは、カソード
空洞の軸に沿っておよび／またはこの軸のまわりに円形
状に対称的に配設される。

本発明の別の実施例では、イオン源は多重セルタイプで
ある。

アノードは、カソードの軸のまわりにリング状とし、小
さな寸法の断面を有することができる。

アノードは、冷却液が通るように中空とすることができ
る。

（実施例） 以下に本発明を添付の図面を参照して実施例により更に
詳しく説明する。

第１図は密封形中性子管１１の基本的な構成要素を示し
たもので、この中性子管は、例えばシュウチリウム−ト
リチウムのようなイオン化される低圧ガス状混合物を含
み、イオン源ｌと加速電極２とを有し、この間には、イ
オンビーム３の抽出および加速とターゲット電極４への
該イオンビームの投射を可能にする非常に高い電位差が
存し、前記のターゲット電極では、例えば１４ＭｅＶの
中性子の放出を生ずる融合反応が起きる。

イオン源ｌは高電圧給電コネクタ（図示せず）の通路に
対する絶縁体５と一体で、例えば、円筒状アノード６と
、イオン化されたガス９をアノード円筒の軸の近くに閉
じ込め且つその力線１０が所定の発散を示す軸方向磁界
を有する磁石８を内蔵したカソード構造７とで形成され
たペニング−タイプイオン源である。イオン放出チャネ
ル１２が、アノードに面するように前記のカソード構造
内に形成されている。

第２図はターゲット腐食の影響を図解したものである。

第２ａ図は、単一電極を有する標準イオン光学システム
に対するターゲット電極の表面のビーム中心軸の衝突点
０より始まって、任意の径方向Ｏｒにおけるイオンボン
バードメントの密度のプロファイルＪを示す。このプロ
ファイルの形は、中心部における非常に大きな密度が周
囲に向って急速に減少する場合のこのビームの不均質特
性を示す。

第２ｂ図はボンバードメント密度の関数としての腐食を
示し、厚さｅを有し且つ基板Ｓ上に堆積された全水素化
物層はジュテリウム−トリチウム混合物で飽和されてい
る。破線で示したエネルギを有するジュテリウム−トリ
チウムの進入深さはこのエネルギの関数として深さ１１
に等しい。

第２ｃ図では、層の腐食は、進入深さ２□が、最も強く
ボンバードされる領域において厚さｅよりも大きいよう
なものである。進入イオンの一部は基板内で生長（ｐｒ
ｏρａｇａｔｅ　）　Ｌ／、シュチリウムおよびトリチ
ウム原子は非常に速く過飽和される。

第２ｄ図では、シュチリウムおよびトリチウム原子は集
まり、バーストによりクレータを形成し且つ深さ１３で
ターゲットの腐食を非常に速く増加する気はう（ｂｕｂ
ｂｌｅｓ　）を形成する。

この後者のプロセスは直ちに管の有効寿命に先立ち、こ
の場合、ブレークダウンの激しい増加（気はうのバース
トに基く微粒子の存在）かまたは入ってきたイオンのエ
ネルギを吸収した微粉原子（ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ　ａ
ｔｏｍｓ）によるターゲット表面の汚染を生じる。

第３．４および５図では、同一構成要素は対応した符号
で示しである。

第３図の実施例は、アノード１４、カソード１５より成
る静電閉じ込めを有するタイプのイオン源１３を有し、
イオンは、適当な電位を有する加速電極１７を経てター
ゲラ目６に投射される。

カソード１５は、ターゲット１６ニ対しテ＋２５０ｋＶ
に接続された円筒状空洞として形成されている。

アノード１４はこの空洞の軸に沿って配設され、絶縁通
路１８を通ってカソード構造を横ぎり、非常に小さな直
径を有し且つカソードに対して５から１０ｋＶの正電位
に接続された円筒状のロンドで形成されている。

カソードより生じた或はカソード空洞の容積内につくら
れた電子はアノードにより加速されるが、このアノード
は非常に小さな寸法なので８１のような電子の捕獲の確
率は著しく減少され、このためｅ２のようなこの場合ア
ノードを外れた電子の大部分がアノードのまわりに非常
に長い通路をたどり、この間に、これ等電子は、低圧下
で中性子管内に封入されたガス状ジュテリウム−トリチ
ウム混合物をイオン化し、かくしてイオン化ガスを形成
する。

イオンが、かくしてイオン化されたガスから、カソード
の壁に形成された放出オリフィス１９を経て抽出され、
ここよりイオンビーム２２が加速電極１７により高エネ
ルギをもってターゲラ）１６に投射される。

この軸方向イオン源構造は［オービトロン（ｏｒｂｉＬ
ｒｏｎ）　Ｊタイプと呼ばれる。

第４図は中性子管の別の実施例を示すもので、この中性
子管は、やはり静電閉じ込め形ではあるがイオンの軸方
向抽出を可能にする環状（ｔｏｒｉｃ　）アノード２１
を有するイオン源２０を有する。

前と同様に、このタイプのイオン源では、カソード１５
は、その対称軸が、非常に小さな断面を有する環状アノ
ード２１の対称軸と同じである円筒状空洞で形成される
。アノードは、冷却液が通るように中空とすることがで
き、その位置と寸法は最適にされねばならない。

イオンは、この場合放出電極として役立つカソードに形
成されたオリフィス１９から、ターゲットのように電位
０に接続された加速電極１７によって抽出される。

放出オリフィスは放電の均質な領域内に形成され、以て
均質なイオンビームがそこより抽出されるようにする。

このように状態下にあって、ターゲットを衝撃するイオ
ンビームは均質で、管の有効寿命は長くなる。

性質の面から云えば、動作原理は、第３図に示した軸方
向アノードを有する装置と同じである。

第５図は、２１ａ、　２１ｂおよび２１ｃのような環状
アノードタイプのイオン源と１９ａ、　ｌ°９ｂおよび
１９ｃのような対応したオリフィスとの配置を有する多
重セル構造２３をもったイオン源の断面図である。アノ
ード環状体は、カソード壁を通って延在する２４ａ２４
ｂのような連結部によって互に連結されている。

磁気閉じ込めを有するイオン源とくらべると、静電閉じ
込めを有するイオン源は、両タイプの構造共丈夫でまた
両者共冷陰極の原理を使用するとして、実質的に同じ有
効寿命に対して軽く、複雑でなくまた安価で、かくして
良好な有効寿命を保証するという利点を有する。令名こ
のタイプの構造は、最適化のためペニング−タイプの磁
石構造はど徹底的に未だ研究されていないので現在では
放出歩留りは同じ比率のペニング構造のそれよりも僅か
に魅力に乏しいが、一方においては重量とコスト間の最
適な妥協点を今なお見出さねばならず、他方においては
アノードとカソード室の寸法、形状および位置の最適化
がこの構造の真の競争への道を開くであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の密封形中性子管の略断面図、第２ａ図は
単一電極を有する標準イオン光学システムのターゲット
表面における密度プロファイルを示す線図、 第２ｂ図から第２ｄ図は層の腐食の異なる状態を夫々説
明するグラフ、 第３図は本発明の中性子管のイオン源の一実施例の略断
面図、 第４図は別の実施例の略断面図、 第５図は更に別の実施例の略断面図である。 １３、２０．２３・・・イオン源 １４・・・アノード １５・・・カソード １６・・・ターゲット １７・・・加速電極 １９、１９ａ、　１９ｂ、　１９ｃ　−放出オリフィス
２１、２１ａ、　２１ｂ、　２１ｃ　−−−環状アノー
ド２２・・・イオンビーム ２４ａ、　２４ｂ・・一連結部 手 続 書（方式） １、事件の表示 平成　１、 発明の名称 特 平成　２年　５月１７日 文　　毅　　殿 静電イオン源を有する中性子管 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　エヌ　ベー　フィリップス フルーイランペンファブリケン ４、代理人 ６、補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオンビームを発生するための低圧ガス状ジュテリ
   ウム−トリチウム混合物室と、ターゲット電極で融合反
   応を起して中性子を放出させるために該ターゲット電極
   にイオンビームを高エネルギで投射するための加速電極
   とを有する中性子管において、 イオン源は、冷陰極と、カソード空洞に面 する弱い捕集面を有する該カソード空洞内に位置された
   アノードをそなえた、電子によるイオン化のための静電
   的手段とを有し、前記カソード空洞内で、カソードによ
   り放出されまたはカソード空洞内でつくられ且つアノー
   ドによる捕獲の確立が著しく低減された電子が、アノー
   ドの周囲を比較的長い通路に沿って振動してイオン化ジ
   ュテリウム−トリチウムガスの生成を可能にし、該カソ
   ード空洞より、イオンが、ターゲット電極に面するカソ
   ード壁に形成された少なくとも一つの放出オリフィスを
   経て抽出−加速システムによって取出されることを特徴
   とする中性子管。 ２、アノードは、カソード空洞の軸に沿っておよび／ま
   たはこの軸のまわりに円形状に対称的に配設された請求
   項１記載の中性子管。 ３、イオン源は多重セルタイプである請求項１または２
   記載の中性子管。