WO2013051338A1 - 放射線発生装置及び放射線発生方法 - Google Patents

放射線発生装置及び放射線発生方法 Download PDF

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WO2013051338A1
WO2013051338A1 PCT/JP2012/070227 JP2012070227W WO2013051338A1 WO 2013051338 A1 WO2013051338 A1 WO 2013051338A1 JP 2012070227 W JP2012070227 W JP 2012070227W WO 2013051338 A1 WO2013051338 A1 WO 2013051338A1
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liquid
fuel particles
pressure
radiation
jet
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威士 渡利
西原　功修
勝 高木
仲弘 佐藤
利幸 川嶋
菅　博文
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浜松ホトニクス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B3/00—Low temperature nuclear fusion reactors, e.g. alleged cold fusion reactors
    • G21B3/006—Fusion by impact, e.g. cluster/beam interaction, ion beam collisions, impact on a target
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/06—Generating neutron beams
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • H05G2/005—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas containing a metal as principal radiation generating component
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
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    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • H05G2/006—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas details of the ejection system, e.g. constructional details of the nozzle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to a radiation generation apparatus and a radiation generation method.
  • Radiation such as X-rays, gamma rays, and neutrons is generated in the minute region where fusion occurs.
  • a point radiation source is provided. Therefore, an apparatus for generating various types of radiation by irradiating a fuel particle, which is a fusion fuel, with a laser has been studied.
  • Such a radiation generator includes, for example, a device that generates neutrons using a high-intensity proton accelerator.
  • a device that generates neutrons using a high-intensity proton accelerator there is also an apparatus for generating neutrons by irradiating a plastic thin film in which hydrogen is replaced with deuterium with a laser beam. Further, there is an apparatus that generates protons having high energy by irradiating laser light to particles or thin films containing hydrogen.
  • Patent Document 1 describes an apparatus for generating neutrons.
  • micro droplets formed by liquid deuterium are used as fusion fuel.
  • liquid deuterium is first ejected from a nozzle to generate liquid deuterium droplets.
  • the droplet is decomposed into fine droplets.
  • the fine droplets are irradiated with a femtosecond laser to ionize the droplets, and neutrons are generated by colliding the ions.
  • a device for generating neutrons using a high-intensity proton accelerator is a very large device, and the device configuration is complicated.
  • an apparatus for generating neutrons by irradiating a plastic thin film with laser light there is a problem that the generation efficiency of neutrons is suppressed when generation of neutrons is repeated.
  • an apparatus that generates protons by irradiating a thin film containing hydrogen with laser light there is a problem that the generation efficiency of protons is suppressed.
  • an object of the present invention is to provide a radiation generation apparatus and a radiation generation method capable of simplifying the configuration of the apparatus and improving the radiation generation efficiency, for example.
  • a radiation generator stores a fuel storage unit that stores a liquid and a mixed liquid in which a liquefied gas is mixed with a suspension containing a plurality of fuel particles dispersed in the liquid, and the fuel storage unit stores the fuel storage unit.
  • a pressure applying unit that applies pressure to the mixed liquid, a jet forming part that forms a jet of the mixed liquid by injecting the mixed liquid to which the pressure is applied from a small hole, a reaction unit that forms a jet, and a reaction
  • a pressure adjusting unit that sets the pressure in the unit to be lower than the internal pressure of the jet forming unit, and a light source unit that irradiates a particle group composed of a plurality of fuel particles with laser light. Irradiation generates desired radiation, and in the reaction section, a plurality of fuel particles move along the direction of the jet, and the liquefied gas and liquid move in a direction away from the plurality of fuel particles.
  • a group is formed.
  • a mixed liquid in which a liquefied gas is mixed with a suspension is jetted from a jet forming section to a reaction section.
  • the reaction part is set lower than the internal pressure of the jet forming part.
  • the liquefied gas in the jet of the mixed liquid is rapidly vaporized and expanded, and the liquid component of the suspension is scattered. Accordingly, the liquefied gas and the liquid are removed from the jet of the mixed liquid. Since the fuel particles have the kinetic energy given when they are injected from the jet forming part, they go straight in a predetermined direction to form a particle group.
  • the particle group is irradiated with laser light to generate desired radiation.
  • a particle group is formed by the structure which injects the liquid mixture containing a fuel particle, the structure of an apparatus can be simplified.
  • particles such as liquid and gas are reduced in the particle group irradiated with the laser beam, scattering of the laser beam is suppressed. Therefore, since the laser beam is suitably irradiated to the particle group, the generation efficiency of radiation can be improved.
  • the radiation generator includes a fuel storage unit that stores a liquid and a suspension containing a plurality of fuel particles dispersed in the liquid, and a pressure applied to the suspension stored in the fuel storage unit.
  • a pressure application unit that applies a pressure
  • a jet formation unit that forms a jet of the suspension by injecting the suspension to which the pressure is applied, and a plurality of liquids by exhausting the vaporized liquid in the suspension
  • the fuel particles generate desired radiation by being irradiated with laser light.
  • the suspension is injected from the jet forming part to the exhaust part.
  • liquid gas and liquid components are removed from the suspension jet.
  • the fuel particles have the kinetic energy given when they are injected from the jet forming part, they go straight from the exhaust part to the reaction part to form a particle group.
  • the particle group is irradiated with laser light to generate desired radiation.
  • the particle group comprised by the several fuel particle is formed by the structure which injects the suspension liquid containing a fuel particle, the structure of an apparatus can be simplified. Further, since particles such as liquid are reduced in the particle group irradiated with the laser beam, scattering of the laser beam is suppressed. Therefore, since the laser beam is suitably irradiated to the particle group, the generation efficiency of radiation can be improved.
  • the radiation generator further includes a measurement unit that obtains a measurement value corresponding to the number of fuel particles per unit volume in the particle group. According to such a configuration, a measurement value corresponding to the number density of fuel particles can be obtained. And based on this measured value, control which irradiates a laser beam with the optimal timing with respect to a particle group can be performed. Therefore, the radiation generation efficiency can be further improved.
  • the fuel particles contain deuterium and generate neutrons when irradiated with laser light.
  • deuterium ions are generated when the fuel particles are irradiated with laser light. Since this deuterium ion causes a deuterium fusion reaction, neutrons are generated. Therefore, it is possible to efficiently generate neutron rays as radiation.
  • the fuel particles contain hydrogen, and protons are generated when irradiated with laser light. According to such a configuration, when the fuel particles are irradiated with laser light, hydrogen ions are generated. Protons are generated because hydrogen fusion reactions occur due to the hydrogen ions. Therefore, it is possible to efficiently generate proton beams that are radiation.
  • the fuel particles contain atoms having a predetermined energy resonance line, and electromagnetic radiation corresponding to the energy resonance line is generated by being irradiated with laser light. According to such a configuration, when the fuel particles are heated by irradiating the fuel particles with laser light, electromagnetic radiation corresponding to the energy resonance lines of predetermined atoms is generated. Therefore, desired electromagnetic radiation can be generated efficiently.
  • the radiation generating method includes a storing step of storing in a fuel storage unit a liquid mixture in which a liquefied gas is mixed with a liquid and a suspension containing fuel particles dispersed in the liquid; A pressure applying step for applying pressure to the mixed liquid stored in the unit, a jet forming step for forming a jet of the mixed liquid in the reaction unit by injecting the mixed liquid to which the pressure has been applied from a small hole, and a plurality of fuel particles A radiation generation step of generating radiation by irradiating the particle group constituted by the laser beam, and before the jet formation step, the pressure in the reaction portion where the mixed liquid is jetted is set to the internal pressure of the jet formation portion.
  • the pressure adjustment step is set to be lower than that, the fuel particles generate desired radiation by being irradiated with laser light, and the particles are vaporized in the reaction part by liquefied gas and liquid being vaporized. Liquid by gas In the reaction section formed by being removed from the jet of the mixed liquid, the plurality of fuel particles move along the direction of the jet, and the liquefied gas and the liquid move in a direction away from the plurality of fuel particles. Particle groups are formed.
  • the liquid component of the suspension is scattered by vaporizing the liquefied gas mixed in the suspension.
  • grains by which liquefied gas and the liquid were removed from the jet of the liquid mixture can be formed.
  • the particle group of fuel particles irradiated with the laser light since mixing of liquid and gas is reduced, scattering of the laser light is suppressed. Therefore, since it is possible to irradiate a laser beam suitably to a particle group, radiation can be obtained efficiently.
  • a radiation generation method including a fuel storage unit storing a liquid and a suspension containing a plurality of fuel particles dispersed in the liquid, and a pressure applied to the suspension stored in the fuel storage unit.
  • a pressure applying step for applying a pressure a jet forming step for forming a jet of the suspension by injecting the suspension to which the pressure is applied from a small hole, and exhausting the liquid in the jet of the suspension.
  • the liquid component is removed from the suspension jet in the exhaust process.
  • grains from which the liquid was removed from the jet of suspension can be formed. Since the mixing of the liquid or the like is reduced in the fuel particle group irradiated with the laser light, the scattering of the laser light is suppressed. Therefore, since it is possible to irradiate a laser beam suitably to a particle group, radiation can be obtained efficiently.
  • the configuration of the apparatus can be simplified and the generation efficiency of effective radiation can be improved.
  • the radiation includes an electron beam, an ion beam, a neutron beam, an X-ray, a soft X-ray, and extremely short ultraviolet rays.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a radiation generating apparatus 1A according to the first embodiment.
  • the radiation generator 1A is a device that generates neutrons that are radiation. 1 A of radiation generators are provided with the pressure application part 10, the fuel storage part 20, the jet flow formation part 30, the chamber 40, and the main control part 50.
  • the chamber 40 is provided with an exhaust device 41 (pressure adjusting unit), a pressure gauge 42, and input / output terminals 43a to 43c.
  • a reaction vessel 44, a laser light source 45 (light source unit), and a measuring unit 46 are arranged in the inner region 40 a of the chamber 40.
  • the pressure application unit 10 includes a high-pressure gas tank 11.
  • the high pressure gas tank 11 is connected to the fuel storage unit 20 via the gas pipe 12.
  • This high-pressure gas tank 11 stores therein a high-pressure gas maintained at 5 to 10 atmospheres (5 to 10 atmospheres).
  • Pressure (back pressure) is applied to the fuel storage unit 20 using high-pressure gas.
  • the gas pipe 12 is provided with a valve 13. By adjusting the valve 13, pressure is applied to the fuel storage unit 20.
  • the valve 13 has a configuration that is electromagnetically opened and closed and can be repeatedly operated.
  • the high-pressure gas for example, a fluorocarbon gas or a hydrocarbon gas is used.
  • the fluorocarbon-based gas and the hydrocarbon-based gas are liquefied and turned into a liquefied gas when a pressure of 5 to 10 atm (5 to 10 atm) is applied.
  • the liquefied fluorocarbon gas and hydrocarbon gas are vaporized explosively in a reduced pressure atmosphere.
  • the fluorocarbon-based gas is so-called Freon gas.
  • the fluorocarbon-based gas is a gas composed of an organic compound having a carbon-hydrogen bond, or a mixed gas containing a gas composed of these organic compounds.
  • the fluorocarbon-based gas examples include HCFC-22, HCFC-123, HCFC-141b, HCFC-142b, HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-143a, and HFC-152a.
  • the hydrocarbon-based gas is a gas composed of an organic compound having a carbon-hydrogen bond or a mixed gas containing a gas composed of these organic compounds. Examples of the hydrocarbon gas include propane and butane.
  • the fuel storage unit 20 includes a storage container 21 and a stirring device 26.
  • the fuel storage unit 20 is provided with an input unit 22a, a discharge unit 22b, a storage region 23, and a fuel supply unit 24.
  • a gas pipe 12 connected to the high-pressure gas tank 11 is connected to the input unit 22a.
  • a discharge pipe 25 connected to the jet forming part 30 is connected to the discharge part 22b.
  • the mixed solution 61 is stored in the storage area 23, the mixed solution 61 is stored.
  • the liquid mixture 61 is supplied from the fuel supply unit 24.
  • the liquid mixture 61 is discharged to the jet forming unit 30 through the discharge pipe 25.
  • the mixed solution 61 is a suspension 62 in which liquefied gas is mixed.
  • a fluorocarbon-based gas or a hydrocarbon-based gas is used.
  • the suspension 62 includes a predetermined liquid and fuel particles 63 dispersed in the liquid.
  • This suspension 62 is a colloidal solution in which the fuel particles 63 are suspended.
  • the predetermined liquid transmits kinetic energy to the fuel particles 63 when the jet 61 a of the mixed liquid 61 is formed in the jet forming unit 30.
  • a liquid which is easily vaporized and does not dissolve the fuel particles 63 is selected.
  • methanol or ethanol which is alcohol is used as the predetermined liquid.
  • the fuel particles 63 are particles that generate predetermined radiation when energy is given by irradiation with laser light or the like.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the fuel particles 63.
  • the fuel particles 63 are made of deuterated plastic (hereinafter also referred to as “CD”).
  • a deuterated plastic is one in which hydrogen atoms in the plastic are replaced with deuterium atoms.
  • a hydrocarbon gas is used as the high pressure gas, a hardly soluble crosslinkable polymer can be used.
  • the fuel particles 63 are solid spheres.
  • the diameter D of the fuel particles 63 is controlled using a known method. For example, it is controlled by the method described in Non-Patent Document 1.
  • the fuel particles 63 of the present embodiment have a diameter D controlled to 100 to 500 nm (100 nm to 500 nm).
  • the fuel particles 63 which are deuterated plastic spheres, are produced using a known method. For example, it is produced by the method described in Non-Patent Document 2. In this method, commercially available deuterium monomers are polymerized to produce deuterated plastic spheres.
  • the fuel particle 63 contains tritium (T). That is, the fuel particles 63 are spheres made of deuterium-tritium plastic (hereinafter also referred to as “CDT”) in which deuterated plastic is doped with tritium.
  • CDT deuterium-tritium plastic
  • the fuel particles 63, which are spheres made of deuterium-tritiated plastic, are produced using a known method. For example, it is produced by the method described in Non-Patent Document 3. In this method, the carbon-deuterium bond of the deuterated plastic is broken by ultraviolet rays in a tritium gas atmosphere. Deuterium-tritiated plastic spheres are produced by replacing deuterium with tritium at the cut site.
  • the stirring device 26 uniformly mixes the liquid, the fuel particles 63, and the liquefied gas contained in the mixed liquid 61.
  • the stirring device 26 includes a main body portion 27, a connecting portion 28, and a stirring portion 29.
  • the main body part 27 and the stirring part 29 are connected via a connecting part 28.
  • the main body 27 has a motor and the like, and applies a rotational force to the connecting portion 28. This rotational force is transmitted to the stirring unit 29 via the connecting unit 28.
  • the stirring unit 29 is submerged in the mixed solution 61. As the stirring unit 29 rotates in the mixed solution 61, the liquid, the fuel particles 63, and the liquefied gas contained in the mixed solution 61 are uniformly mixed.
  • the jet forming unit 30 includes a valve chamber 31, a needle 32, a nozzle 33, and an injection control unit 34.
  • the jet forming unit 30 forms a jet 61 a of the mixed liquid 61.
  • the jet forming unit 30 converts the pressure applied to the mixed liquid 61 into kinetic energy by ejecting the mixed liquid 61 from the small holes 33a.
  • the operation of the injection control unit 34 is controlled by the main control unit 50.
  • a nozzle 33 is disposed at one end of the valve chamber 31.
  • a small hole 33 a is formed in the nozzle 33.
  • the small hole 33 a has a diameter formed smaller than the width of the valve chamber 31.
  • a needle 32 is disposed at the other end opposite to the one end where the nozzle 33 is disposed.
  • the needle 32 functions as a lid for the small hole 33 a of the nozzle 33.
  • the needle 32 extends from one end side of the valve chamber 31 toward the other end side.
  • the other end of the needle 32 extends to the outside of the valve chamber 31, and the other end is connected to the injection control unit 34.
  • the tip of the needle 32 on one end side of the valve chamber 31 has a tapered shape. This tip abuts on the small hole 33 a of the nozzle 33.
  • the jet 61a is not formed, that is, the closed state.
  • the tip 32a contacts the small hole 33a, the jet 61a is not formed, that is, the closed state.
  • the tip 32a is separated from the small hole 33a, a gap is formed between the small hole 33a and the needle 32.
  • the liquid mixture 61 is injected from this gap. This state is an open state.
  • the injection amount of the mixed liquid 61 is controlled.
  • the timing which injects the liquid mixture 61 is controlled based on the timing which moves the needle 32.
  • the movement amount and timing of the needle 32 are controlled by the injection control unit 34.
  • the injection control unit 34 controls the movement amount and timing of the needle 32 based on the control signal transmitted from the main control unit 50.
  • the mixed liquid 61 is injected into the chamber 40 from the small hole 33 a of the nozzle 33.
  • the chamber 40 is configured to be depressurized.
  • the inner region 40 a of the chamber 40 is adjusted to a predetermined pressure by the exhaust device 41.
  • the pressure in the inner region 40 a is adjusted to be lower than the valve chamber pressure P ⁇ b> 1 in the valve chamber 31 of the jet forming unit 30.
  • the internal pressure P2 in the internal region 40a is set based on the intensity of the laser light L1 emitted from the laser light source 45. That is, the pressure is set to a level that does not cause breakdown due to the laser beam L1. For example, when the intensity of the laser beam L1 is 10 18 W / cm 2 , the internal pressure P2 is 1 Pa or less.
  • a turbo molecular pump which is a vacuum pump, or the like is used for the exhaust device 41.
  • a reaction vessel 44, a laser light source 45, and a measuring unit 46 are disposed in the decompressed internal region 40a.
  • the reaction vessel 44 is made of deuterated plastic, and a reaction portion 44a is set inside the vessel.
  • the reaction portion 44a is a region where the jet 61a of the mixed liquid 61 is formed and a region where the particle group 63a of the fuel particles 63 is irradiated with the laser light L1 to generate neutrons.
  • the reaction vessel 44 is provided with a hole 44b through which the jet 61a passes, a laser light incident hole 44c through which laser light passes, and holes 44d and 44e through which the probe laser light L2 of the measuring unit 46 passes. Since the reaction vessel 44 is provided with holes 44b to 44e, the inside of the reaction vessel 44 is equal to the internal pressure P2 of the chamber 40.
  • the laser light source 45 emits a laser beam L1 that irradiates the particle group 63a.
  • the laser beam L1 is irradiated in a direction intersecting the direction 61b of the jet 61a of the mixed liquid 61.
  • the laser beam L1 has an intensity capable of generating a fusion reaction in the particle group 63a.
  • the laser beam L1 is an ultrashort pulse laser beam, and the pulse width is about femtosecond or picosecond.
  • the operation of the laser light source 45 is controlled by the main control unit 50. Based on the control signal output from the main controller 50, the intensity and emission timing of the laser light L1 are controlled.
  • the reaction cross section takes a peak value. . Therefore, ions having this energy are generated.
  • the energy of ions generated by the Coulomb explosion is determined based on the intensity of the laser beam L1 and the diameter D of the fuel particles 63. For example, when the diameter D of the fuel particles 63 is 300 to 400 nm (300 nm or more and 400 nm or less), the intensity of the laser beam L1 is approximately 10 18 W / cm 3 .
  • the measurement unit 46 obtains a measurement value corresponding to the number of fuel particles 63 per unit volume (hereinafter also referred to as “number density”). Based on this measured value, the injection timing of the mixed liquid 61 in the injection control unit 30 or the emission timing of the laser light L1 is controlled.
  • a Mie scattering measuring device is used for the measuring unit 46.
  • the Mie scattering measurement device is a measurement device that uses a light scattering phenomenon caused by fuel particles 63 that are spheres having a size approximately equal to the wavelength of the probe laser beam.
  • the measurement unit 46 includes a measurement light source 46a and a light receiving unit 46b.
  • the measurement light source 46a and the light receiving unit 46b are arranged so that the probe laser light L2 emitted from the measurement light source 46a passes through the region where the particle group 63a is formed and reaches the light receiving unit 46b.
  • a laser light source is used as the measurement light source 46a.
  • a photodiode which is an optical element, is used for the light receiving unit 46b.
  • a measurement value corresponding to the number density of the fuel particles 63 is obtained based on the intensity of the probe laser light L2 received by the light receiving unit 46b.
  • a voltage value is obtained as a measurement value. The obtained voltage value is output to the main control unit 50 via the input / output terminal 43c.
  • the number density of the fuel particles 63 is set to a predetermined value. For example, when the diameter D of the fuel particles 63 is 400 nm and the Rayleigh length of the laser light L1 is 2 mm, the number density of the fuel particles 63 is 10 10 to 10 12 cm ⁇ 3 (10 10 cm ⁇ 3 to 10 12 cm ⁇ 3 or less). The number density of the fuel particles 63 is realized by optimizing the injection timing of the mixed liquid 61 and the irradiation timing of the laser light L1.
  • the main control unit 50 is hardware including a CPU, a ROM, and the like, and comprehensively controls various devices constituting the radiation generating apparatus 1A.
  • the main controller 50 controls all the components for irradiating the particle group 63a with the laser beam L1 at the optimum timing. For example, opening / closing of the valve 13, irradiation control of the laser light L ⁇ b> 1 from the laser light source 45, control of the measurement unit 46, analysis of the measurement result of the measurement unit 46, and control of the pressure applied to the liquid mixture 61 are executed.
  • the main controller 50 receives the measurement values output from the measuring unit 46 and the pressure gauge 42. Further, the main control unit 50 outputs control signals for controlling the laser light source 45, the measurement light source 46a, the exhaust device 41, and the injection control unit 34.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the main steps of the radiation generating method according to the first embodiment.
  • the radiation generating method of the first embodiment includes a storing step S1, a pressure applying step S3, a pressure adjusting step S5, a jet forming step S7, and a radiation generating step S9.
  • the storage step S ⁇ b> 1 is a step in which the suspension 62 is prepared and stored in the storage container 21 of the fuel storage unit 20.
  • fuel particles 63 are prepared.
  • the fuel particles 63 are spheres made of deuterated plastic containing deuterium, and are produced using a known method.
  • a suspension 62 is prepared.
  • a suspension 62 is obtained by suspending the fuel particles 63 in a liquid which is ethanol or methanol.
  • the fuel particles 63 having a weight of 10 to 50% (10% or more and 50% or less) with respect to the weight of the liquid are suspended.
  • the prepared suspension 62 is stored in the storage area 23 from the fuel supply unit 24 of the storage container 21.
  • the valve 13 is in a closed state and no pressure is applied from the high-pressure gas tank 11.
  • the ratio of the fuel particles 63 in the suspension 62 is proportional to the number density of the particle group 63a. Therefore, the maximum value of the number density of the particle group 63a increases as the ratio of the fuel particles 63 increases.
  • the suspension 62 contains the fuel particles 63 having a weight ratio of about 10 to 50% based on the weight of the liquid.
  • ⁇ Stable injection of the mixed liquid 61 that does not cause clogging and high number density of the fuel particles 63 are achieved at the same time.
  • the ratio of the fuel particles 63 that satisfy these two conditions is considered to be determined by the diameter D of the fuel particles 63, but the optimal ratio varies depending on the specifications of the nozzle 33 and the like, and is determined by actual measurement each time.
  • the pressure application step S3 is performed.
  • the pressure application step S ⁇ b> 3 is a step of applying pressure to the suspension 62 stored in the storage container 21.
  • the valve 13 of the gas pipe 12 connected to the storage container 21 is opened, and high pressure gas is introduced from the high pressure gas tank 11 into the storage area 23.
  • the high-pressure gas is a fluorocarbon-based gas or a hydrocarbon-based gas pressurized to 5 to 10 atmospheres (5 to 10 atmospheres) and liquefied.
  • liquefied gas is introduced into the storage area 23. Since the gas is liquefied and in a liquid state, it is mixed with the suspension 62 to form a mixed solution 61.
  • the pressure adjustment step S5 is performed.
  • the pressure adjustment step S5 is a step of adjusting the internal pressure P2 in the internal region 40a of the chamber 40.
  • a control signal is transmitted from the main controller 50 to the exhaust device 41, and the exhaust device 41 that has received the control signal decompresses the chamber 40.
  • the internal pressure P2 in the chamber 40 is obtained by a pressure gauge 42. Based on the internal pressure P ⁇ b> 2 output from the pressure gauge 42, the exhaust device 41 is controlled by the main control unit 50.
  • the jet forming step S7 is a step of injecting the pressurized mixed liquid 61 from the small hole 33a of the nozzle 33 to form the jet 61a in the reaction part 44a.
  • the tip 32a of the needle 32 is in contact with the small hole 33a.
  • the injection control unit 34 controls the position of the needle 32 to separate the tip 32a of the needle 32 from the small hole 33a for a predetermined time.
  • the pressurized mixed liquid 61 is ejected from the gap between the small hole 33a and the tip 32a of the needle 32.
  • the injection control unit 34 controls the position of the needle 32 and again brings the tip 32a of the needle 32 into contact with the small hole 33a, thereby stopping the injection of the mixed liquid 61.
  • the radiation generation step S9 is a step of irradiating the particle group 63a composed of the fuel particles 63 formed from the jet 61a of the mixed liquid 61 with the laser light L1.
  • the radiation generation step S9 is a step of irradiating the particle group 63a composed of the fuel particles 63 formed from the jet 61a of the mixed liquid 61 with the laser light L1.
  • the fuel particles 63 in the mixed liquid 61 move along the direction 61b of the jet 61a. That is, since the fuel particles 63 in the mixed liquid 61 have kinetic energy given when injected from the jet flow forming unit 30, they advance straight from the nozzle 33 to the reaction unit 44a to form the particle group 63a.
  • the laser light source 45 which received the control signal from the main control part 50 irradiates the particle group 63a with the laser beam L1.
  • a Coulomb explosion occurs in the particle group 63a, and ions are generated.
  • This ion is a deuterium nucleus released by a Coulomb explosion. Since this deuterium ion causes a deuterium fusion reaction (DD reaction), neutrons are generated.
  • DD reaction deuterium fusion reaction
  • neutrons are generated.
  • a sphere made of deuterium-tritiated plastic is used as the fuel particle 63, neutrons are generated by a deuterium-tritium fusion reaction (DT reaction) reaction.
  • the laser beam L1 is applied to the particle group 63a when the number density of the fuel particles 63 in the particle group 63a is the highest. That is, the laser beam L1 is irradiated to the particle group 63a when the light receiving unit 46b has the largest attenuation due to scattering.
  • a process for irradiating the laser beam L1 at an optimal timing will be described.
  • an irradiation signal is transmitted to the laser light source 45 to irradiate the laser light L1.
  • the laser beam L1 and the probe laser beam L2 are received by the light receiving unit 46b.
  • the light receiving unit 46b outputs a time history of a voltage corresponding to the intensity of the received light. This voltage is input to the main controller 50 via the input / output terminal 43c. From this voltage time history, a time T1 when the number density of the particle group 63a is highest and a time T2 when the laser beam L1 is irradiated are obtained.
  • a time difference ⁇ T between the time T1 when the number density of the particle group 63a is the highest and the time T2 when the laser beam L1 is irradiated is acquired as a feedback signal. It is determined whether or not the time difference ⁇ T is within a range of the time difference ST that is a set threshold value.
  • the value of the delay time DT is changed.
  • the value of the delay time DT is changed by changing the timing of injecting the mixed liquid 61.
  • the liquid mixture 61 is jetted and the laser beam L1 is irradiated, and a voltage time history corresponding to the number density of the fuel particles 63 is acquired.
  • the time difference ⁇ T is calculated from the time change of the voltage obtained by the measurement.
  • the time difference ⁇ T is compared with the threshold value ST. The above process is repeated until the time difference ⁇ T satisfies the threshold value ST.
  • the main control unit 50 obtains the value of the time T1 when the number density of the particle group 63a is the highest and the value of the time T2 irradiated with the laser light L1, the calculation of the time difference ⁇ T, and the comparison between the time difference ⁇ T and the threshold ST. It is executed by.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a time history of voltage acquired by the light receiving unit 46b.
  • a graph G1 in FIG. 4 shows a time history of the voltage output from the light receiving unit 46b.
  • the probe laser light L2 emitted from the measurement light source 46a is not scattered.
  • the intensity of the probe laser light L2 received by the light receiving unit 46b gradually attenuates (section K2). Since the laser beam L1 is emitted from the laser light source 45 at the most attenuated timing, the intensity of the light received by the light receiving unit 46b instantaneously increases (section K3). According to the graph G1, it can be seen that the laser beam L1 is irradiated when the intensity of the probe laser beam L2 received by the light receiving unit 46b is the lowest.
  • a radiation generator that generates desired radiation by irradiating a fuel particle with high-intensity laser light.
  • the electrons of the fuel particles are peeled off by laser light to generate ions. Since this ion causes a Coulomb explosion, high-energy ions can be obtained.
  • the type of radiation generated is determined by the type of reaction generated by the high energy ions. For example, when generating a neutron beam, the generation efficiency of the neutron beam controls the intensity of the laser beam and the diameter of the fuel particles to optimum values. Further, in order to increase the generation efficiency of radiation, it is required that the fuel particles exist independently without agglomeration when the laser beam is irradiated. Furthermore, an environment in which gas or dust that inhibits absorption of laser light does not exist is required around the fuel particles. In addition, a laser beam is irradiated at an optimum timing to a particle group having a sufficient number density.
  • the mixed liquid 61 in which the liquefied gas is mixed with the suspension 62 is jetted from the jet forming section 30 to the reaction section 44a.
  • the internal pressure P2 of the reaction unit 44a is set lower than the valve chamber pressure P1 of the jet forming unit 30.
  • the liquefied gas in the jet 61a of the mixed liquid 61 is rapidly vaporized and expanded, and the liquid of the suspension 62 is scattered. Therefore, the liquefied gas and the liquid are removed from the jet 61a of the mixed liquid 61.
  • the fuel particles 63 Since the fuel particles 63 have the kinetic energy given when they are injected from the jet forming part 30, they travel straight in the predetermined direction 61b to form the particle group 63a.
  • the particle group 63a is irradiated with the laser beam L1, and desired radiation is generated.
  • the particle group 63a is formed by the structure which injects the liquid mixture 61 containing the fuel particle 63, the structure of an apparatus can be simplified.
  • the particle group 63a irradiated with the laser beam L1 is reduced from being mixed with liquid, gas, etc., scattering of the laser beam L1 is suppressed. Therefore, since the laser beam L1 is suitably irradiated to the particle group 63a, the generation efficiency of neutron beams can be improved.
  • the radiation generating apparatus 1A of the present embodiment includes the measuring unit 46, the number density of the fuel particles 63 in the particle group 63a can be obtained. And the suitable timing which irradiates the laser beam L1 from the number density of the fuel particles 63 is obtained. This makes it possible to control the energy of deuterium ions generated by Coulomb explosion caused by laser irradiation so that the generation efficiency of neutrons becomes the highest. Therefore, since the energy conversion efficiency from the laser beam L1 to deuterium is improved, the generation efficiency of the neutron beam can be further improved.
  • the fuel particles 63 contain deuterium.
  • deuterium ions are generated. Since this deuterium ion causes a deuterium fusion reaction, neutrons are generated. Therefore, the generation efficiency of neutron beams can be improved.
  • the reaction unit 44a is covered with the reaction vessel 44.
  • the reaction vessel 44 is made of deuterated plastic. According to such a configuration, neutrons are generated by deuterium ions generated by irradiation with the laser light L ⁇ b> 1 colliding with the reaction vessel 44. Therefore, it is possible to efficiently generate neutron rays as radiation.
  • the diameter D of the fuel particles 63 is controlled in the range of 100 to 500 nm (100 nm to 500 nm). With such a configuration, the energy of ions generated by the Coulomb explosion is suitably controlled. Therefore, it is possible to efficiently generate neutron rays as radiation.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the radiation generating apparatus 1B.
  • the radiation generator 1B is different from the radiation generator 1A in that it includes an exhaust part 70. Moreover, it differs from the radiation generator 1A in that nitrogen gas is used as the high-pressure gas for applying pressure to the suspension 62. Other configurations are the same as those of the radiation generating apparatus 1A.
  • the exhaust part 70 will be described in detail.
  • the exhaust unit 70 is an exhaust device based on a so-called differential exhaust system.
  • the exhaust unit 70 has a plurality of small chambers 71a to 71c.
  • the small chambers 71a to 71c are arranged along the direction 62b in which the particle group 63a travels.
  • the small chamber 71a is arranged on the most upstream side.
  • One end of the small chamber 71 a is connected to the nozzle 33 of the jet forming unit 30.
  • the small chamber 71c is arranged on the most downstream side.
  • One end of the small chamber 71 c is connected to the reaction vessel 44.
  • the small chamber 71b is disposed between the small chamber 71a and the small chamber 71c.
  • the small chambers 71a to 71c are separated by orifices 72a to 72c. That is, the orifice 72a is disposed between the small chamber 71a and the small chamber 71b. An orifice 72b is disposed between the small chamber 71b and the small chamber 71c. An orifice 72 c is disposed between the small chamber 71 c and the reaction vessel 44.
  • the exhaust chambers 74a to 74c are connected to the small chambers 71a to 71c, respectively. That is, the exhaust pipe 74a is connected to the small chamber 71a, the exhaust pipe 74b is connected to the small chamber 71b, and the exhaust pipe 74c is connected to the small chamber 71c. The other ends of the exhaust pipes 74a to 74c are connected to the exhaust device 41.
  • the internal pressure of the small chamber 71b is set to be smaller than the internal pressure of the small chamber 71a.
  • the internal pressure of the small chamber 71c is set to be smaller than the internal pressure of the small chamber 71b.
  • the exhaust part 70 includes a plurality of small chambers in which the degree of vacuum, which is the internal pressure, is increased stepwise.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the main steps of the radiation generation method of the present embodiment.
  • the radiation generating method of this embodiment includes a storing step S1, a pressure applying step S4, a pressure adjusting step S5, a jet forming step S7, an exhausting step S8, and a radiation generating step S9.
  • the radiation generating method of the present embodiment is different from the radiation generating method of the first embodiment in the pressure applying step S4 and the exhausting step S8.
  • the other storage step S1, pressure adjustment step S5, jet forming step S7, and radiation generation step S9 are the same as the radiation generation method of the first embodiment.
  • the pressure application step S4 and the exhaust step S8 will be described in detail.
  • the pressure application step S4 is a step of applying pressure to the suspension 62 stored in the storage container 21.
  • the pressure application step S4 of this embodiment is different from the pressure application step S3 of the first embodiment in that pressure is applied to the suspension 62 using nitrogen gas.
  • the valve 13 of the gas pipe 12 connected to the storage container 21 is opened, and high pressure gas is introduced from the high pressure gas tank 11 into the storage area 23.
  • the high-pressure gas is nitrogen gas pressurized to 5 to 10 atmospheres (5 to 10 atmospheres).
  • nitrogen gas is introduced into the storage area 23.
  • the suspension 62 is jetted from the jet forming part 30 to the small chamber 71a.
  • the internal pressure of the small chamber 71a is set to be lower than the valve chamber pressure P1 of the valve chamber 31 of the jet flow forming unit 30. For this reason, a part of the liquid contained in the suspension 62 injected into the small chamber 71a is vaporized.
  • the vaporized liquid passes through the exhaust pipe 74a and is exhausted.
  • the jet 62a from which a part of the liquid has been removed moves to the small chamber 71b.
  • the internal pressure of the small chamber 71b is set to be lower than the internal pressure of the small chamber 71a. For this reason, a part of the liquid contained in the suspension 62 is further vaporized.
  • the vaporized liquid passes through the exhaust pipe 74b and is exhausted. Then, the jet 62a from which a part of the liquid is removed moves to the small chamber 71c.
  • the internal pressure of the small chamber 71c is set to be lower than the internal pressure of the small chamber 71b. For this reason, a part of the liquid contained in the suspension 62 is further vaporized.
  • the vaporized liquid passes through the exhaust pipe 74c and is exhausted. Through these steps, the liquid is removed from the jet 62a of the suspension 62, and the particle group 63a of the fuel particles 63 is formed.
  • the particle group 63 a passes through the small hole of the orifice 72 c and is moved into the reaction vessel 44.
  • the suspension 62 is jetted from the jet forming part 30 to the exhaust part 70.
  • the liquid component is removed from the jet 62 a of the suspension 62.
  • the fuel particles 63 have the kinetic energy given when they are injected from the jet forming part 30, they go straight from the exhaust part 70 to the reaction part 44a to form the particle group 63a.
  • the particle group 63a is irradiated with the laser beam L1, and desired radiation is generated.
  • the particle group 63a of the fuel particles 63 is formed by the configuration in which the suspension 62 containing the fuel particles 63 is injected, the configuration of the apparatus can be simplified.
  • the particle group 63a of the fuel particles 63 irradiated with the laser beam L1 liquid mixture is reduced. For this reason, scattering of the laser beam L1 is suppressed. Therefore, since the laser beam L1 is suitably irradiated to the particle group 63a, the generation efficiency of neutron beams can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a configuration of a radiation generation apparatus 1C which is a modification of the radiation generation apparatus 1B.
  • the radiation generator 1 ⁇ / b> C is different from the radiation generator 1 ⁇ / b> B in that it includes an exhaust unit 80 having a configuration different from that of the exhaust unit 70.
  • Other configurations are the same as those of the radiation generation apparatus 1B.
  • the exhaust part 80 will be described in detail.
  • the exhaust unit 80 is an exhaust device based on a so-called differential exhaust system.
  • the exhaust part 80 has a shroud 81.
  • the shroud 81 is connected to the exhaust device 41 via the exhaust pipe 82.
  • Small chambers 83 a to 83 c are arranged inside the shroud 81.
  • the small chambers 83a to 83c are arranged along the direction in which the particle group 63a travels.
  • the small chamber 83a is disposed on the most upstream side.
  • One end of the small chamber 83 a is connected to the nozzle 33 of the jet forming unit 30.
  • the small chamber 83c is disposed on the most downstream side.
  • One end of the small chamber 83 c is connected to the reaction vessel 44.
  • the small chamber 83b is disposed between the small chamber 83a and the small chamber 83c.
  • the small chambers 83a to 83c are separated by orifices 84a to 84c. That is, the orifice 84a is disposed between the small chamber 83a and the small chamber 83b.
  • An orifice 84b is disposed between the small chamber 83b and the small chamber 83c.
  • An orifice 84 c is disposed between the small chamber 83 c and the reaction vessel 44.
  • the small chambers 83a to 83c are provided with exhaust windows 85a to 85c, respectively.
  • the exhaust unit 80 removes the liquid in the suspension 62 by differential exhaust provided with a plurality of orifices 84a to 84c.
  • This radiation generation method is different from the radiation generation method of the first embodiment in that the type of radiation to be generated is various radiations different from neutron beams.
  • the atoms contained in the fuel particles used for generating radiation are different from the fuel particles 63 of the first embodiment. Any of the radiation generators 1A to 1C described above can be used as the radiation generator.
  • a mode for generating proton beams will be described.
  • fuel particles made of a compound containing hydrogen are used. That is, hydrogenated plastic spheres (CH spheres) are used instead of deuterated plastic spheres (CD spheres).
  • Fuel particles that are hydrogenated plastic spheres are made using known methods. For example, it is produced by the method described in Non-Patent Document 2. In this method, commercially available hydrogen monomers are polymerized to produce hydrogenated plastic spheres. The diameter of the fuel particles is 100 nm or more. The suspension in which the fuel particles are suspended is ejected to the reaction portion 44a to form a particle group.
  • This particle group is irradiated with a laser beam having a laser beam intensity of 10 18 W / cm 2 or more.
  • Coulomb explosion occurs in the particle group irradiated with laser light. By this phenomenon, protons accelerated to energy of several tens MeV or more are generated.
  • the energy of the proton beam is controlled based on the diameter of the fuel particles and the intensity of the laser beam applied to the particle group. According to such a form, by using the fuel particles in which the mixing ratio of hydrogen and other atoms is controlled, the energy of the proton beam to be generated can be controlled, and the proton beam can be generated efficiently. it can.
  • a mode for generating electromagnetic radiation will be described.
  • fuel particles containing atoms having energy resonance lines corresponding to the energy of the desired electromagnetic radiation are used.
  • tin (Sn) is used when the desired electromagnetic radiation is ultrashort ultraviolet rays.
  • the desired electromagnetic radiation is soft X-ray having energy of 0.1 to 2 keV (0.1 keV or more and 2 keV or less)
  • zinc (Zn) or copper (Cu) is used.
  • titanium (Ti) is used when the desired electromagnetic radiation is an X-ray having an energy of 2 to 20 keV (2 keV or more and 20 keV or less).
  • a mode for generating an electron beam will be described.
  • a fuel particle made of, for example, gold, which is a substance containing a lot of electrons, is used. With such a configuration. A large amount of electron beams can be generated efficiently.
  • the embodiment described above shows an example of a radiation generation apparatus and a radiation generation method according to one aspect of the present invention.
  • the radiation generation apparatus and the radiation generation method according to one aspect of the present invention are not limited to the above-described embodiment, and the radiation generation apparatus and the radiation generation according to the above-described embodiment are within the scope not changing the gist described in the claims.
  • the method can be modified or applied to others.
  • the radiation generators 1A to 1C are provided with the reaction vessel 44, but are not limited thereto.
  • the radiation generators 1A to 1C can be configured without the reaction vessel 44.
  • the configuration of the apparatus can be simplified and the generation efficiency of effective radiation can be improved.
  • exhaust device pressure adjusting unit
  • 42 pressure gauge
  • 43c input / output terminal
  • 44 Reaction vessel
  • 44a Reaction unit
  • 44b to 44e ... Hole
  • 45 Laser light source (light source unit), 46 ... Measurement unit, 46a ... Measurement light source, 46b ... Light receiving unit, 50 ... Main control unit, 61 ... Mixing Liquid, 61a, 61b ... jet, 62 ... suspension 63 ... Fuel particles, 63a ... Particle group, 70, 80 ... Exhaust part, 71a-71c, 83a-83c ... Small chamber, 72a-72c, 84a-84c ... Orifice, 74a-74c ...

Landscapes

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Abstract

混合液６１を格納する燃料格納部２０と、混合液６１に圧力を印加する圧力印加部１０と、混合液６１の噴流６１ａを形成する噴流形成部３０と、混合液６１の噴流６１ａが形成される反応部４４と、反応部４４における圧力を噴流形成部３０の内部圧力よりも低く設定する圧力調整部４１と、粒子群６３ａにレーザ光Ｌ１を照射する光源部４５とを備える。燃料粒子６３は、レーザ光Ｌ１が照射されることにより所望の放射線を発生させる。反応部４４ａでは、複数の燃料粒子６３が噴流６１ａの方向に沿って移動し、液化ガス及び液体が複数の燃料粒子６３から離間する方向に移動することにより粒子群６３ａが形成される。

Description

放射線発生装置及び放射線発生方法
　本発明は、放射線発生装置及び放射線発生方法に関する。
　核融合が生じている微小領域では、エックス線、ガンマ線、中性子線などの放射線が発生している。この現象を利用することにより、点状の放射線源が提供される。そこで、核融合燃料である燃料粒子にレーザを照射して種々の放射線を発生させる装置が研究されている。
　このような放射線発生装置には、例えば、大強度陽子加速器を用いて中性子を発生させる装置がある。また、水素を重水素に置換したプラスチック薄膜にレーザ光を照射して中性子を発生させる装置がある。さらに、水素を含む粒子や薄膜にレーザ光を照射して、高いエネルギーを有する陽子を発生する装置がある。
　特許文献１には、中性子を発生させる装置が記載されている。この装置では、液体重水素により形成された微小液滴を核融合燃料としている。この装置は、まず、液体重水素をノズルから噴射させて液体重水素の液滴を生成する。この液滴に赤外レーザ光を照射することにより、微細な液滴に分解する。そして、微細化された液滴に対してフェムト秒レーザを照射して液滴をイオン化し、このイオンを衝突させることで中性子を発生させる。
特表２００２―５１４７４０号公報
高分子論文集,Vol. 64,pp. 147-154 (2007) 高分子論文集,Vol. 48,pp. 41-45 (1991) J.Vac. Sci.Technol. A10, 239-242 (1992)
　しかし、大強度陽子加速器を用いて中性子を発生させる装置は非常に巨大な装置であり、装置構成は複雑である。また、プラスチック薄膜にレーザ光を照射して中性子を発生させる装置では、中性子の発生を繰り返したとき、中性子の発生効率が抑制される問題がある。さらに、水素を含む薄膜等にレーザ光を照射して陽子を発生させる装置では、陽子の発生効率が抑制される問題がある。
　また、特許文献１に記載された中性子発生装置では、液体重水素を用いるために、装置全体を低温に保つための冷凍機が必要である。また、ノズルから噴射された液滴を微粒子化するためのレーザ光源が必要である。このため、中性子発生装置は複数の装置を組み合わせて構成されるので、装置構成が複雑になるおそれがある。さらに、重水素の液滴の周囲に存在する蒸気によってレーザ吸収が阻害され、中性子の発生効率が低下する可能性がある。
　上記問題に鑑みて、本発明は、例えば、装置の構成を簡易にすることができ、且つ放射線の発生効率を向上させることができる放射線発生装置及び放射線発生方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る放射線発生装置は、液体及び液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液に液化ガスが混合された混合液を格納する燃料格納部と、燃料格納部に格納された混合液に圧力を印加する圧力印加部と、圧力が印加された混合液を小孔から噴射させて混合液の噴流を形成する噴流形成部と、噴流が形成される反応部と、反応部における圧力を噴流形成部の内部圧力よりも低く設定する圧力調整部と、複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射する光源部と、を備え、燃料粒子は、レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させ、反応部では、複数の燃料粒子が噴流の方向に沿って移動し、液化ガス及び液体が複数の燃料粒子から離間する方向に移動することにより、粒子群が形成される。
　この放射線発生装置によれば、懸濁液に液化ガスが混合された混合液が噴流形成部から反応部に噴射される。反応部は噴流形成部の内部圧力よりも低く設定されている。混合液の噴流おける液化ガスは急激に気化して膨張し、懸濁液の液体成分を飛散させる。よって、混合液の噴流から液化ガス及び液体が除去される。燃料粒子は噴流形成部から噴射されたときに与えられた運動エネルギーを有するため、所定の方向に直進して粒子群を形成する。粒子群にはレーザ光が照射されて、所望の放射線が発生する。このように、燃料粒子を含む混合液を噴射させる構成により粒子群が形成されるため、装置の構成を簡易にすることができる。さらに、レーザ光が照射される粒子群には、液体及びガス等の混入が低減されているので、レーザ光の散乱が抑制される。従って、粒子群にレーザ光が好適に照射されるため、放射線の発生効率を向上させることができる。
　また、本発明の一側面に係る放射線発生装置は、液体及び液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液を格納する燃料格納部と、燃料格納部に格納された懸濁液に圧力を印加する圧力印加部と、圧力が印加された懸濁液を小孔から噴射させて懸濁液の噴流を形成する噴流形成部と、懸濁液における気化した液体を排気することにより、複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成して排出する排気部と、複数の燃料粒子により構成された粒子群が排出される反応部と、粒子群にレーザ光を照射する光源部と、を備え、燃料粒子は、レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させる。
　この放射線発生装置によれば、懸濁液が噴流形成部から排気部に噴射される。排気部では、懸濁液の噴流から液体ガス及び液体成分が除去される。燃料粒子は噴流形成部から噴射されたときに与えられた運動エネルギーを有するため、排気部から反応部に直進して粒子群を形成する。粒子群にはレーザ光が照射されて、所望の放射線が発生する。このように、燃料粒子を含む懸濁液を噴射させる構成により、複数の燃料粒子により構成された粒子群が形成されるため、装置の構成を簡易にすることができる。さらに、レーザ光が照射される粒子群には、液体等の混入が低減されているので、レーザ光の散乱が抑制される。従って、粒子群にレーザ光が好適に照射されるため、放射線の発生効率を向上させることができる。
　また、放射線発生装置は、粒子群における単位体積あたりの燃料粒子の数に対応する計測値を得る計測部をさらに備える。このような構成によれば、燃料粒子の数密度に対応する計測値が得られる。そして、この計測値に基づいて粒子群に対して最適なタイミングでレーザ光を照射する制御を行うことができる。従って、放射線の発生効率をさらに向上させることができる。
　また、放射線発生装置では、燃料粒子が重水素を含み、レーザ光が照射されることにより中性子を発生させる。このような構成によれば、燃料粒子にレーザ光が照射されると、重水素イオンが発生する。この重水素イオンにより重水素核融合反応が生じるため、中性子が発生する。従って、放射線である中性子線を効率よく発生させることができる。
　また、放射線発生装置では、燃料粒子が水素を含み、レーザ光が照射されることにより陽子を発生させる。このような構成によれば、燃料粒子にレーザ光が照射されると、水素イオンが発生する。この水素イオンにより水素核融合反応が生じるため、陽子が発生する。従って、放射線である陽子線を効率よく発生させることができる。
　また、放射線発生装置では、燃料粒子が所定のエネルギー共鳴線を有する原子を含み、レーザ光が照射されることによりエネルギー共鳴線に対応する電磁放射線を発生する。このような構成によれば、燃料粒子にレーザ光が照射されることにより燃料粒子が加熱されると、所定の原子が有するエネルギー共鳴線に対応する電磁放射線が発生される。従って、所望の電磁放射線を効率よく発生させることができる。
　また、本発明の一側面に係る放射線発生方法は、液体及び液体中に分散した燃料粒子を含む懸濁液に液化ガスが混合された混合液を燃料格納部に格納する格納工程と、燃料格納部に格納された混合液に圧力を印加する圧力印加工程と、圧力が印加された混合液を小孔から噴射させて反応部に混合液の噴流を形成する噴流形成工程と、複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射して放射線を発生させる放射線発生工程と、を備え、噴流形成工程の前に、混合液の噴流がされた反応部における圧力を噴流形成部の内部圧力よりも低く設定する圧力調整工程を有し、燃料粒子は、レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させ、粒子群は、反応部内において液化ガス及び液体が気化され、気化された液化ガスにより液体が混合液の噴流から除去されることにより形成された反応部では、複数の燃料粒子が噴流の方向に沿って移動し、液化ガス及び液体が複数の燃料粒子から離間する方向に移動することにより、粒子群が形成される。
　この放射線発生方法によれば、懸濁液に混合した液化ガスを気化させることにより懸濁液の液体成分を飛散させる。これにより、混合液の噴流から液化ガス及び液体が除去された、複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成することができる。このレーザ光が照射される燃料粒子の粒子群には、液体及びガス等の混入が低減されているので、レーザ光の散乱が抑制される。従って、粒子群に好適にレーザ光を照射することが可能であるため、効率よく放射線を得ることができる。
　また、本発明の一側面に係る放射線発生方法は、液体及び液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液を格納する燃料格納部と、燃料格納部に格納された懸濁液に圧力を印加する圧力印加工程と、圧力が印加された懸濁液を小孔から噴射させて懸濁液の噴流を形成する噴流形成工程と、懸濁液の噴流における液体を排気することにより、複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成して排出する排気工程と、複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射して放射線を発生させる放射線発生工程と、を備え、燃料粒子は、レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させる。
　本発明の一側面に係る放射線発生方法によれば、液体成分は排気工程において懸濁液の噴流から除去される。これにより、懸濁液の噴流から液体が除去された、複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成することができる。このレーザ光が照射される燃料粒子の粒子群には、液体等の混入が低減されているので、レーザ光の散乱が抑制される。従って、粒子群に好適にレーザ光を照射することが可能であるため、効率よく放射線を得ることができる。
　本発明の一側面に係る放射線発生装置及び放射線発生方法によれば、例えば、装置の構成を簡易にすることができ、且つ効放射線の発生効率を向上させることができる。
第１実施形態に係る放射線発生装置の構成を説明するための図である。 燃料粒子を説明するための図である。 第１実施形態の放射線発生方法の主要な工程を示すフロー図である。 第１実施形態に係る放射線発生装置の動作を説明するための図である。 第２実施形態に係る放射線発生装置の構成を説明するための図である。 第２実施形態の放射線発生方法の主要な工程を示すフロー図である。 第２実施形態に係る放射線発生装置の変形例を説明するための図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の一側面による放射線発生装置及び放射線発生方法の実施の形態を詳細に説明する。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本実施形態において放射線とは、電子線、イオンビーム、中性子線、Ｘ線、軟Ｘ線、及び極短紫外線を含む。
　図１は、第１実施形態に係る放射線発生装置１Ａの構成を説明するための図である。放射線発生装置１Ａは、放射線である中性子を発生させる装置である。放射線発生装置１Ａは、圧力印加部１０、燃料格納部２０、噴流形成部３０、チャンバ４０、及び主制御部５０を備えている。さらに、チャンバ４０には排気装置４１（圧力調整部）、圧力計４２、及び入出力端子４３ａ～４３ｃが設けられている。そして、チャンバ４０の内部領域４０ａには、反応容器４４、レーザ光源４５（光源部）、及び計測部４６が配置されている。
　圧力印加部１０は、高圧ガスタンク１１を備えている。高圧ガスタンク１１は、ガス管１２を介して燃料格納部２０と接続されている。この高圧ガスタンク１１は、内部に５～１０気圧（５気圧以上１０気圧以下）に保持された高圧ガスを収納している。高圧ガスを用いて燃料格納部２０に圧力（背圧）を印加する。ガス管１２には弁１３が設けられている。この弁１３を調整することにより、燃料格納部２０に圧力が印加される。弁１３は、電磁的に開閉される構成を有し、繰り返し動作が可能である。
　高圧ガスとして、例えばフルオロカーボン系ガス又はハイドロカーボン系ガスが用いられる。フルオロカーボン系ガス及びハイドロカーボン系ガスは、５～１０気圧（５気圧以上１０気圧以下）の圧力が印加されると液化して液化ガスになる。液化したフルオロカーボン系ガス及びハイドロカーボン系ガスは、減圧雰囲気下において爆発的に気化する。ここで、フルオロカーボン系ガスとはいわゆるフロンガスである。フルオロカーボン系ガスは、炭素―水素結合を有する有機化合物からなるガス、又はそれらの有機化合物からなるガスを含んだ混合ガスである。フルオロカーボン系ガスには、例えば、ＨＣＦＣ―２２、ＨＣＦＣ―１２３、ＨＣＦＣ―１４１ｂ、ＨＣＦＣ―１４２ｂ、ＨＦＣ―２３、ＨＦＣ―３２、ＨＦＣ―１２５、ＨＦＣ―１３４ａ、ＨＦＣ―１４３ａ、ＨＦＣ―１５２ａがある。また、ハイドロカーボン系ガスは、炭素―水素結合を有する有機化合物からなるガス、又はそれらの有機化合物からなるガスを含んだ混合ガスである。ハイドロカーボン系ガスには、例えば、プロパン、ブタンがある。
　燃料格納部２０は、格納容器２１及び攪拌装置２６を備えている。燃料格納部２０には、入力部２２ａ、排出部２２ｂ、格納領域２３、及び燃料供給部２４が設けられている。入力部２２ａには高圧ガスタンク１１に接続されたガス管１２が接続されている。排出部２２ｂには噴流形成部３０に接続された排出管２５が接続されている。格納領域２３には、混合液６１が格納されている。混合液６１は燃料供給部２４から供給される。混合液６１は、排出管２５を介して噴流形成部３０に排出される。
　ここで、混合液６１について説明する。混合液６１は、液化ガスを混合させた懸濁液６２である。液化ガスには、フルオロカーボン系ガス又はハイドロカーボン系ガスが用いられる。懸濁液６２は所定の液体及び該液体中に分散した燃料粒子６３を含んでいる。この懸濁液６２は、燃料粒子６３を懸濁させたコロイド溶液である。所定の液体は、噴流形成部３０において混合液６１の噴流６１ａが形成されたとき、燃料粒子６３に運動エネルギーを伝達する。所定の液体として、気化しやすく且つ燃料粒子６３を溶解させることがないものが選択される。例えば、所定の液体として、アルコール類であるメタノール又はエタノールが用いられる。
　次に、燃料粒子６３について説明する。燃料粒子６３は、レーザ光が照射などによりエネルギーが与えられることにより、所定の放射線を発生する粒子である。図２は、燃料粒子６３を説明するための図である。燃料粒子６３は、重水素化プラスチック（以下「ＣＤ」ともいう）からなる。重水素化プラスチックとは、プラスチック中の水素原子が重水素原子に置換されたものをいう。なお、高圧ガスとしてハイドロカーボン系ガスを用いるときには、難溶性の架橋性ポリマーを用いることができる。また、燃料粒子６３は中実の球体である。燃料粒子６３の直径Ｄは公知の方法を用いて制御される。例えば、非特許文献１に記載された方法により制御される。本実施形態の燃料粒子６３は、１００～５００ｎｍ（１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）に制御された直径Ｄを有する。
　重水素化プラスチックの球体である燃料粒子６３は、公知の方法を用いて作製される。例えば、非特許文献２に記載された方法により作製される。この方法では、市販されている重水素モノマーを重合して、重水素化プラスチックの球体を作製する。
　また、燃料粒子６３は、三重水素（Ｔ）を含む。すなわち、燃料粒子６３は、重水素化プラスチックに三重水素がドープされた重水素―三重水素化プラスチック（以下「ＣＤＴ」ともいう）からなる球体である。重水素―三重水素化プラスチックからなる球体である燃料粒子６３は、公知の方法を用いて作製される。例えば、非特許文献３に記載された方法により作製される。この方法では、三重水素（トリチウム）ガス雰囲気下において紫外線により重水素化プラスチックの炭素―重水素の結合を切断する。切断した箇所において、重水素を三重水素に置換することにより、重水素―三重水素化プラスチックの球体が作製される。
　攪拌装置２６は、混合液６１に含まれた液体、燃料粒子６３及び液化ガスを均一に混合する。攪拌装置２６は、本体部２７、連結部２８、及び攪拌部２９を備えている。本体部２７と攪拌部２９とは、連結部２８を介して連結されている。本体部２７はモータ等を有し、連結部２８に回転力を与える。この回転力は、連結部２８を介して攪拌部２９に伝達される。攪拌部２９は混合液６１に沈められている。攪拌部２９が混合液６１中において回転することにより、混合液６１に含まれた液体、燃料粒子６３及び液化ガスが均一に混合される。
　噴流形成部３０は、弁室３１、ニードル３２、ノズル３３、及び噴射制御部３４を備えている。噴流形成部３０は、混合液６１の噴流６１ａを形成する。噴流形成部３０は混合液６１を小孔３３ａから噴射させることにより、混合液６１に印加された圧力を運動エネルギーに変換する。噴射制御部３４の動作は、主制御部５０により制御される。
　弁室３１の一端にノズル３３が配置されている。ノズル３３には、小孔３３ａが形成されている。小孔３３ａは、弁室３１の幅よりも小さく形成された直径を有する。ノズル３３が配置された一端の反対側にある他端には、ニードル３２が配置されている。ニードル３２はノズル３３の小孔３３ａの蓋としての機能を有する。ニードル３２は、弁室３１の一端側から他端側に向かって延びている。ニードル３２の他端は弁室３１の外部まで延びており、他端は噴射制御部３４に接続されている。弁室３１の一端側にあるニードル３２の先端は、先細りした形状を有する。この先端は、ノズル３３の小孔３３ａに当接する。
　小孔３３ａに先端３２ａが当接したときは、噴流６１ａが形成されない状態すなわち閉状態である。一方、小孔３３ａから先端３２ａを離間させたときは、小孔３３ａとニードル３２との間に隙間が形成される。この隙間から混合液６１が噴射される。この状態は開状態である。ニードル３２の移動量に基づいて、混合液６１の噴射量が制御される。また、ニードル３２を移動させるタイミングに基づいて、混合液６１を噴射するタイミングが制御される。ニードル３２の移動量及びタイミングは、噴射制御部３４により制御される。噴射制御部３４は、主制御部５０から送信された制御信号に基づいて、ニードル３２の移動量及びタイミングを制御する。混合液６１は、ノズル３３の小孔３３ａからチャンバ４０内に噴射される。
　チャンバ４０は減圧可能に構成されている。チャンバ４０の内部領域４０ａは排気装置４１により所定の圧力に調整されている。内部領域４０ａの圧力は、噴流形成部３０の弁室３１における弁室圧力Ｐ１よりも低くなるように調整されている。また、内部領域４０ａの内部圧力Ｐ２は、レーザ光源４５から照射されるレーザ光Ｌ１の強度に基づいて設定される。すなわち、レーザ光Ｌ１によるブレークダウンが生じない程度の圧力に設定される。例えば、レーザ光Ｌ１の強度が１０１８Ｗ／ｃｍ２であるとき、内部圧力Ｐ２は１Ｐａ以下である。排気装置４１には、真空ポンプであるターボ分子ポンプ等が用いられる。
　減圧された内部領域４０ａには、反応容器４４、レーザ光源４５、及び計測部４６が配置されている。反応容器４４は、重水素化プラスチックからなり、容器内部には反応部４４ａが設定されている。反応部４４ａは、混合液６１の噴流６１ａが形成される領域であると共に、燃料粒子６３の粒子群６３ａにレーザ光Ｌ１を照射して中性子を発生させる領域である。反応容器４４には、噴流６１ａを通過させる孔４４ｂ、レーザ光を通過させるレーザ光入射用の孔４４ｃ、及び計測部４６のプローブレーザ光Ｌ２を通過させる孔４４ｄ、４４ｅが設けられている。反応容器４４には、孔４４ｂ～４４ｅが設けられているため、反応容器４４の内部は、チャンバ４０の内部圧力Ｐ２と等しい。
　レーザ光源４５は、粒子群６３ａに照射されるレーザ光Ｌ１を出射する。レーザ光Ｌ１は、混合液６１の噴流６１ａの方向６１ｂと交差する方向に照射される。このレーザ光Ｌ１は、粒子群６３ａにおいて核融合反応を発生可能な強度を有している。レーザ光Ｌ１は、超短波パルスレーザ光であり、パルス幅はフェムト秒或いはピコ秒程度である。レーザ光源４５の動作は、主制御部５０により制御される。主制御部５０から出力された制御信号に基づいて、レーザ光Ｌ１の強度及び出射タイミングが制御される。
　本実施形態の場合、重水素同士の核融合反応（Ｄ―Ｄ反応）であるため、イオンエネルギーが重心系において２～３ＭｅＶ（２ＭｅＶ以上３ＭｅＶ以下）のときに、反応断面積がピーク値をとる。そのため、このエネルギーを有するイオンを発生させる。クーロン爆発によって生じるイオンのエネルギーは、レーザ光Ｌ１の強度及び燃料粒子６３の直径Ｄに基づいて決定される。例えば、燃料粒子６３の直径Ｄが３００～４００ｎｍ（３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下）であるとき、レーザ光Ｌ１の強度はおよそ１０１８Ｗ／ｃｍ３である。
　計測部４６は、単位体積あたりの燃料粒子６３の粒子数（以下「数密度」ともいう）に対応する計測値を得る。この計測値に基づいて、噴射制御部３０における混合液６１の噴射のタイミング、或いはレーザ光Ｌ１の出射のタイミングが制御される。この計測部４６には、ミー散乱計測装置が用いられる。ミー散乱計測装置は、プローブレーザ光の波長程度の大きさの球体である燃料粒子６３による光の散乱現象を利用した計測装置である。計測部４６は、計測光源４６ａ及び受光部４６ｂを備えている。計測光源４６ａ及び受光部４６ｂは、計測光源４６ａから出射されたプローブレーザ光Ｌ２が粒子群６３ａが形成された領域を通過して受光部４６ｂに到達するように配置されている。計測光源４６ａには、レーザ光源が用いられる。また、受光部４６ｂには光学素子であるフォトダイオードが用いられる。受光部４６ｂにおいて受光されたプローブレーザ光Ｌ２の強度に基づいて、燃料粒子６３の数密度に対応する計測値が得られる。本実施形態では、計測値として電圧値が得られる。得られた電圧値は、入出力端子４３ｃを介して主制御部５０に出力される。
　なお、レーザ光Ｌ１が粒子群６３ａに照射されたとき、レーザ光Ｌ１のスポット全体が複数の燃料粒子６３により覆われると共に、燃料粒子６３同士が互いに凝集しない。このような条件を満たすためには、燃料粒子６３の数密度を所定の値に設定することにより実現される。例えば、燃料粒子６３の直径Ｄが４００ｎｍであり、レーザ光Ｌ１のレイリー長さが２ｍｍであるとき、燃料粒子６３の数密度は１０１０～１０１２ｃｍ－３（１０１０ｃｍ－３以上１０１２ｃｍ－３以下）の範囲である。この燃料粒子６３の数密度は、混合液６１の噴射とレーザ光Ｌ１の照射タイミングを最適化することにより実現される。
　主制御部５０は、ＣＰＵ及びＲＯＭ等を備えたハードウェアであり、放射線発生装置１Ａを構成する種々の装置を統括的に制御する。この主制御部５０により、最適なタイミングでレーザ光Ｌ１を粒子群６３ａに照射するためのあらゆる構成要素が制御される。例えば、弁１３の開閉、レーザ光源４５からのレーザ光Ｌ１の照射制御、計測部４６の制御、計測部４６の測定結果の解析、混合液６１に印加される圧力の制御が実行される。この主制御部５０には、計測部４６及び圧力計４２から出力された測定値が入力される。また、主制御部５０からは、レーザ光源４５、計測光源４６ａ、排気装置４１、噴射制御部３４を制御するための制御信号が出力される。
　次に、放射線発生装置１Ａの動作について説明する。図３は、第１実施形態の放射線発生方法の主要な工程を示すフロー図である。第１実施形態の放射線発生方法は、格納工程Ｓ１、圧力印加工程Ｓ３、圧力調整工程Ｓ５、噴流形成工程Ｓ７、及び放射線発生工程Ｓ９を有する。
　まず、格納工程Ｓ１を実施する。格納工程Ｓ１は、懸濁液６２を準備して燃料格納部２０の格納容器２１に格納する工程である。はじめに、燃料粒子６３を準備する。燃料粒子６３は、重水素を含んだ重水素化プラスチックからなる球体であり、公知の方法を用いて作製する。次に、懸濁液６２を準備する。エタノール或いはメタノールである液体に燃料粒子６３を懸濁させることにより懸濁液６２が得られる。この懸濁液６２では、液体の重量に対して１０～５０％（１０％以上５０％以下）の重量の燃料粒子６３が懸濁される。準備された懸濁液６２は、格納容器２１の燃料供給部２４から格納領域２３に格納する。なお、懸濁液６２を格納容器２１に格納するときには、弁１３は閉状態であり高圧ガスタンク１１からの圧力の印加はない。
　なお、懸濁液６２中の燃料粒子６３の割合は、粒子群６３ａの数密度と比例関係にある。そのため、燃料粒子６３の割合が大きいほど、粒子群６３ａの数密度の最大値が大きくなる。懸濁液６２に含まれる燃料粒子６３の割合が大きくなるとノズル３３の目詰まりの原因となり得る。そのため、懸濁液６２は、液体の重量を基準として重量比が１０～５０％程度の燃料粒子６３を含んでいる。
　目詰まりを発生させない安定した混合液６１の噴射と、高い燃料粒子６３の数密度を両立させる。この２つの条件を満たす燃料粒子６３の割合は、燃料粒子６３の直径Ｄによって決まると考えられるが、ノズル３３の仕様等によっても最適な割合は変化するため、その都度、実測により決定される。
　次に、圧力印加工程Ｓ３を実施する。圧力印加工程Ｓ３は、格納容器２１に格納された懸濁液６２に圧力を印加する工程である。格納容器２１に接続されたガス管１２の弁１３を開いて、高圧ガスタンク１１から高圧ガスを格納領域２３に導入する。高圧ガスは、５～１０気圧（５気圧以上１０気圧以下）に加圧され液化したフルオロカーボン系ガス又はハイドロカーボン系ガスである。弁１３を開くと、液化したガスが格納領域２３に導入される。ガスは液化して液体の状態であるので、懸濁液６２と混合して混合液６１が形成される。
　ここで、圧力調整工程Ｓ５を実施する。圧力調整工程Ｓ５は、チャンバ４０の内部領域４０ａの内部圧力Ｐ２を調整する工程である。主制御部５０から制御信号が排気装置４１に送信され、制御信号を受信した排気装置４１がチャンバ４０内を減圧する。チャンバ４０内の内部圧力Ｐ２は圧力計４２により得られる。圧力計４２から出力された内部圧力Ｐ２に基づいて、排気装置４１が主制御部５０により制御される。
　続いて、噴流形成工程Ｓ７を実施する。噴流形成工程Ｓ７は、ノズル３３の小孔３３ａから加圧された混合液６１を噴射させて、反応部４４ａに噴流６１ａを形成する工程である。小孔３３ａにはニードル３２の先端３２ａが当接している。噴射制御部３４は、主制御部５０から制御信号を受信すると、ニードル３２の位置を制御して、小孔３３ａからニードル３２の先端３２ａを所定時間だけ離間させる。離間している間に、小孔３３ａとニードル３２の先端３２ａとの隙間から加圧された混合液６１が噴射される。所定時間が経過した後に、噴射制御部３４はニードル３２の位置を制御して再び小孔３３ａにニードル３２の先端３２ａを当接させて、混合液６１の噴射を停止する。
　そして、放射線発生工程Ｓ９を実施する。放射線発生工程Ｓ９は、混合液６１の噴流６１ａから形成された燃料粒子６３により構成される粒子群６３ａにレーザ光Ｌ１を照射する工程である。混合液６１が反応部４４ａに噴射されると、混合液６１中の液化ガスが急激に気化する。これにより、液化ガス及び液体が燃料粒子６３から離間する方向に移動する。すなわち、気化した液化ガスにより混合液６１中の液体が飛散する。飛散した液化ガス及び液体は、排気装置４１によりチャンバ４０の外部へ排気される。一方、混合液６１中の燃料粒子６３は噴流６１ａの方向６１ｂに沿って移動する。すなわち、混合液６１中の燃料粒子６３は、噴流形成部３０から噴射されたときに与えられた運動エネルギーを有するため、ノズル３３から反応部４４ａに直進して粒子群６３ａを形成する。そして、主制御部５０からの制御信号を受信したレーザ光源４５がレーザ光Ｌ１を粒子群６３ａに照射する。このレーザ光Ｌ１により、粒子群６３ａにおいてクーロン爆発が生じ、イオンが発生する。このイオンとは、重水素の原子核がクーロン爆発によって放出されたものである。この重水素イオンにより重水素核融合反応（Ｄ―Ｄ反応）が生じるため、中性子が発生する。なお、燃料粒子６３として重水素―三重水素化プラスチックからなる球体を用いたときには、重水素―三重水素核融合反応（Ｄ―Ｔ反応）反応により中性子が発生する。
　ここで、レーザ光Ｌ１は、粒子群６３ａにおける燃料粒子６３の数密度が最も高いときに粒子群６３ａに照射される。すなわち、レーザ光Ｌ１は、受光部４６ｂにおいて散乱による減衰が最も大きいときに粒子群６３ａに照射される。以下、最適なタイミングにおいてレーザ光Ｌ１を照射するための工程を説明する。
　まず、噴射制御部３４に噴射信号が送信されてから、予め設定された遅延時間ＤＴの経過後に、レーザ光源４５に照射信号を送信してレーザ光Ｌ１を照射する。この期間において、レーザ光Ｌ１及びプローブレーザ光Ｌ２が受光部４６ｂで受光される。受光部４６ｂは、受光した光の強度に対応する電圧の時間履歴を出力する。この電圧は、入出力端子４３ｃを介して主制御部５０に入力される。この電圧の時間履歴から、粒子群６３ａの数密度が最も高くなった時間Ｔ１と、レーザ光Ｌ１が照射された時間Ｔ２とが求まる。そして、粒子群６３ａの数密度が最も高くなった時間Ｔ１とレーザ光Ｌ１が照射された時間Ｔ２との時間差ΔＴをフィードバック信号として取得する。この時間差ΔＴが設定された閾値である時間差ＳＴの範囲であるか否を判断する。
　時間差ΔＴが設定された時間差ＳＴの範囲外の場合、遅延時間ＤＴの値が変更される。本実施形態では、混合液６１の噴射するタイミングを変更することにより、遅延時間ＤＴの値が変更される。次に、混合液６１の噴射及びレーザ光Ｌ１の照射がなされ、燃料粒子６３の数密度に対応する電圧の時間履歴が取得される。続いて、測定により得られた電圧の時間変化から時間差ΔＴが算出される。そして、時間差ΔＴと閾値ＳＴとの比較がなされる。時間差ΔＴが閾値ＳＴを満足するまで上記工程が繰り返される。上記工程を実施することにより、レーザ光Ｌ１を照射する好適なタイミングを得ることができる。
　なお、粒子群６３ａの数密度が最も高くなった時間Ｔ１及びレーザ光Ｌ１が照射された時間Ｔ２の値の取得、時間差ΔＴの算出、及び時間差ΔＴと閾値ＳＴとの比較は、主制御部５０により実行される。
　図４は、受光部４６ｂで取得された電圧の時間履歴の一例を示す図である。図４のグラフＧ１は、受光部４６ｂから出力された電圧の時間履歴を示している。区間Ｋ１では、反応部４４ａに粒子群６３ａが形成されていないので、計測光源４６ａから出射されたプローブレーザ光Ｌ２の散乱はない。混合液６１が噴射され、粒子群６３ａが形成されると、受光部４６ｂにおいて受光されるプローブレーザ光Ｌ２の強度が徐々に減衰する（区間Ｋ２）。そして、最も減衰したタイミングにおいて、レーザ光源４５からレーザ光Ｌ１が照射されるので、受光部４６ｂにおいて受光される光の強度が瞬間的に増加する（区間Ｋ３）。グラフＧ１によれば、受光部４６ｂにおいて受光されるプローブレーザ光Ｌ２の強度が最も低くなったときに、レーザ光Ｌ１が照射されていることがわかる。
　ここで、燃料粒子に高い強度を有するレーザ光を照射して所望の放射線を発生させる放射線発生装置の研究がなされている。この方式では、レーザ光により燃料粒子の電子を剥ぎ取り、イオンを発生させる。このイオンによりクーロン爆発が発生するため、高エネルギーイオンを得ることができる。高エネルギーイオンが発生させる反応の種類により、発生する放射線の種類が決定される。例えば、中性子線を発生させるとき、中性子線の発生効率は、レーザ光の強度及び燃料粒子の直径を最適な値に制御する。また、放射線の発生効率を高めるためには、レーザ光の照射時に、燃料粒子が凝集せず独立して存在することが求められる。さらに、燃料粒子の周囲には、レーザ光の吸収を阻害するガス或いはダストが存在しない環境が求められる。その上、十分な数密度を有する粒子群に対して、最適なタイミングでレーザ光の照射を行う。
　本実施形態の放射線発生装置１Ａ及び放射線発生方法によれば、懸濁液６２に液化ガスが混合された混合液６１が噴流形成部３０から反応部４４ａに噴射される。反応部４４ａの内部圧力Ｐ２は噴流形成部３０の弁室圧力Ｐ１よりも低く設定されている。混合液６１の噴流６１ａにおける液化ガスは急激に気化して膨張し、懸濁液６２の液体を飛散させる。よって、混合液６１の噴流６１ａから液化ガス及び液体が除去される。燃料粒子６３は噴流形成部３０から噴射されたときに与えられた運動エネルギーを有するため、所定の方向６１ｂに直進して粒子群６３ａを形成する。粒子群６３ａにはレーザ光Ｌ１が照射されて、所望の放射線が発生する。このように、燃料粒子６３を含む混合液６１を噴射させる構成により粒子群６３ａが形成されるため、装置の構成を簡易にすることができる。さらに、レーザ光Ｌ１が照射される粒子群６３ａには、液体及びガス等の混入が低減されているので、レーザ光Ｌ１の散乱が抑制される。従って、粒子群６３ａにレーザ光Ｌ１が好適に照射されるため、中性子線の発生効率を向上させることができる。
　また、本実施形態の放射線発生装置１Ａは、計測部４６を備えているため、粒子群６３ａにおける燃料粒子６３の数密度が得られる。そして、燃料粒子６３の数密度からレーザ光Ｌ１を照射する好適なタイミングが求まる。これにより、レーザ照射によるクーロン爆発で生じる重水素イオンのエネルギーを中性子の発生効率が最も高くなるように制御することが可能となる。従って、レーザ光Ｌ１から重水素へのエネルギー変換効率が向上されるため、中性子線の発生効率をさらに向上させることができる。
　また、本実施形態の放射線発生装置１Ａは、燃料粒子６３が重水素を含んでいる。この燃料粒子６３に、レーザ光Ｌ１が照射されると、重水素イオンが発生する。この重水素イオンにより重水素核融合反応が生じるため、中性子が発生する。従って、中性子線の発生効率を向上させることができる。
　また、本実施形態の放射線発生装置１Ａは、反応部４４ａが反応容器４４に覆われている。この反応容器４４は重水素化プラスチックからなる。このような構成によれば、レーザ光Ｌ１の照射により発生した重水素イオンが反応容器４４に衝突することにより、中性子が生成される。従って、放射線である中性子線を効率よく発生させることができる。
　また、本実施形態の放射線発生装置１Ａでは、燃料粒子６３の直径Ｄが１００～５００ｎｍ（１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）の範囲に制御されている。このような構成により、クーロン爆発により発生するイオンのエネルギーが好適に制御される。従って、放射線である中性子線を効率よく発生させることができる。
　次に、第２実施形態の放射線発生装置１Ｂについて説明する。図５は放射線発生装置１Ｂの構成を説明するための図である。放射線発生装置１Ｂは、排気部７０を備えている点で放射線発生装置１Ａと相違する。また、懸濁液６２に圧力を印加する高圧ガスとして窒素ガスを用いる点で放射線発生装置１Ａと相違する。その他の構成は、放射線発生装置１Ａと同様である。ここでは、排気部７０について詳細に説明する。
　排気部７０は、いわゆる差動排気方式に基づく排気装置である。排気部７０は、複数の小チャンバ７１ａ～７１ｃ有している。小チャンバ７１ａ～７１ｃは、粒子群６３ａが進行する方向６２ｂに沿って配置されている。小チャンバ７１ａは最も上流側に配置されている。小チャンバ７１ａの一端は噴流形成部３０のノズル３３に接続されている。小チャンバ７１ｃは最も下流側に配置されている。小チャンバ７１ｃの一端は、反応容器４４に接続されている。小チャンバ７１ｂは小チャンバ７１ａと小チャンバ７１ｃとの間に配置されている。それぞれの小チャンバ７１ａ～７１ｃは、オリフィス７２ａ～７２ｃにより隔てられている。すなわち、小チャンバ７１ａと小チャンバ７１ｂとの間にはオリフィス７２ａが配置されている。また小チャンバ７１ｂと小チャンバ７１ｃとの間にはオリフィス７２ｂが配置されている。そして、小チャンバ７１ｃと反応容器４４との間にはオリフィス７２ｃが配置されている。
　小チャンバ７１ａ～７１ｃには、それぞれに排気管７４ａ～７４ｃが接続されている。すなわち、小チャンバ７１ａには排気管７４ａが接続され、小チャンバ７１ｂには排気管７４ｂが接続され、小チャンバ７１ｃには排気管７４ｃが接続されている。排気管７４ａ～７４ｃの他端は、排気装置４１に接続されている。小チャンバ７１ａの内部圧力よりも小チャンバ７１ｂの内部圧力が小さくなるように設定されている。さらに、小チャンバ７１ｂの内部圧力よりも小チャンバ７１ｃの内部圧力が小さくなるように設定されている。このように、排気部７０は、内部圧力である真空度を段階的に高めた複数の小チャンバを備えている。
　次に、本実施形態に係る放射線発生装置１Ｂを用いた、放射線発生方法について説明する。図６は、本実施形態の放射線発生方法の主要な工程を示すフロー図である。本実施形態の放射線発生方法は、格納工程Ｓ１、圧力印加工程Ｓ４、圧力調整工程Ｓ５、噴流形成工程Ｓ７、排気工程Ｓ８、及び放射線発生工程Ｓ９を備える。本実施形態の放射線発生方法は、圧力印加工程Ｓ４及び排気工程Ｓ８が第１実施形態の放射線発生方法と相違する。その他の格納工程Ｓ１、圧力調整工程Ｓ５、噴流形成工程Ｓ７、及び放射線発生工程Ｓ９は、第１実施形態の放射線発生方法と同様である。ここでは、圧力印加工程Ｓ４及び排気工程Ｓ８について詳細に説明する。
　圧力印加工程Ｓ４は、格納容器２１に格納された懸濁液６２に圧力を印加する工程である。本実施形態の圧力印加工程Ｓ４では、窒素ガスを用いて懸濁液６２に圧力を印加する点で第１実施形態の圧力印加工程Ｓ３と相違する。
　格納容器２１に接続されたガス管１２の弁１３を開いて、高圧ガスタンク１１から高圧ガスを格納領域２３に導入する。高圧ガスは、５～１０気圧（５気圧以上１０気圧以下）に加圧された窒素ガスである。弁１３を開くと、窒素ガスが格納領域２３に導入される。
　次に、排気工程Ｓ８について説明する。噴流形成部３０から懸濁液６２が小チャンバ７１ａに噴射される。小チャンバ７１ａの内部圧力は、噴流形成部３０の弁室３１の弁室圧力Ｐ１よりも低くなるように設定されている。このため、小チャンバ７１ａに噴射された懸濁液６２に含まれた液体の一部が気化する。気化した液体は、排気管７４ａを通過して排気される。次に、液体の一部が除去された噴流６２ａが小チャンバ７１ｂに移動する。小チャンバ７１ｂの内部圧力は、小チャンバ７１ａの内部圧力よりも低くなるように設定されている。このため、懸濁液６２に含まれた液体の一部がさらに気化する。気化した液体は、排気管７４ｂを通過して排気される。そして、液体の一部が除去された噴流６２ａが小チャンバ７１ｃに移動する。小チャンバ７１ｃの内部圧力は、小チャンバ７１ｂの内部圧力よりも低くなるように設定されている。このため、懸濁液６２に含まれた液体の一部がさらに気化する。気化した液体は、排気管７４ｃを通過して排気される。これらの工程を経ることにより、懸濁液６２の噴流６２ａから液体が除去され、燃料粒子６３の粒子群６３ａが形成される。粒子群６３ａは、オリフィス７２ｃの小孔を通過して反応容器４４の内部に移動される。
　なお、小チャンバ７１ａ～７１ｃにおいて一部の燃料粒子６３は気化した液体と共に排気される。排気される燃料粒子６３の量は、ノズル３３の形状を最適化することにより低減される。
　本実施形態の放射線発生装置１Ｂによれば、懸濁液６２が噴流形成部３０から排気部７０に噴射される。排気部７０では、懸濁液６２の噴流６２ａから液体成分が除去される。燃料粒子６３は噴流形成部３０から噴射されたときに与えられた運動エネルギーを有するため、排気部７０から反応部４４ａに直進して粒子群６３ａを形成する。粒子群６３ａにはレーザ光Ｌ１が照射されて、所望の放射線が発生する。このように、燃料粒子６３を含む懸濁液６２を噴射させる構成により燃料粒子６３の粒子群６３ａが形成されるため、装置の構成を簡易にすることができる。さらに、レーザ光Ｌ１が照射される燃料粒子６３の粒子群６３ａは、液体の混入が低減されている。このため、レーザ光Ｌ１の散乱が抑制される。従って、粒子群６３ａにレーザ光Ｌ１が好適に照射されるため、中性子線の発生効率を向上させることができる。
　放射線発生装置１Ｂの変形例について説明する。図７は、放射線発生装置１Ｂの変形例である放射線発生装置１Ｃの構成を説明するための図である。放射線発生装置１Ｃは排気部７０と異なる構成を有する排気部８０を備える点で放射線発生装置１Ｂと相違する。その他の構成は、放射線発生装置１Ｂと同様である。ここでは、排気部８０について詳細に説明する。
　排気部８０は、いわゆる差動排気方式に基づく排気装置である。排気部８０はシュラウド８１を有している。シュラウド８１は、排気管８２を介して排気装置４１と接続されている。シュラウド８１の内部には、小チャンバ８３ａ～８３ｃが配置されている。小チャンバ８３ａ～８３ｃは、粒子群６３ａが進行する方向に沿って配置されている。小チャンバ８３ａは最も上流側に配置されている。小チャンバ８３ａの一端は噴流形成部３０のノズル３３に接続されている。小チャンバ８３ｃは最も下流側に配置されている。小チャンバ８３ｃの一端は、反応容器４４に接続されている。小チャンバ８３ｂは小チャンバ８３ａと小チャンバ８３ｃとの間に配置されている。それぞれの小チャンバ８３ａ～８３ｃは、オリフィス８４ａ～８４ｃにより隔てられている。すなわち、小チャンバ８３ａと小チャンバ８３ｂとの間にはオリフィス８４ａが配置されている。また小チャンバ８３ｂと小チャンバ８３ｃとの間にはオリフィス８４ｂが配置されている。そして、小チャンバ８３ｃと反応容器４４との間にはオリフィス８４ｃが配置されている。小チャンバ８３ａ～８３ｃには、それぞれに排気窓８５ａ～８５ｃが設けられている。このように、排気部８０は、複数のオリフィス８４ａ～８４ｃを設けた差動排気により懸濁液６２中の液体を除去する。
　次に、第３実施形態の放射線発生方法について説明する。この放射線発生方法では、発生させる放射線の種類が中性子線とは異なる種々の放射線である点で第１実施形態の放射線発生方法と相違する。第３実施形態の放射発生方法では、放射線の発生に用いる燃料粒子に含まれる原子が第１実施形態の燃料粒子６３と相違する。なお、放射線発生装置は、上述した放射線発生装置１Ａ～１Ｃのいずれを用いることができる。
　陽子線を発生させる形態について説明する。陽子線を発生させるときには、水素を含む化合物からなる燃料粒子を用いる。すなわち、重水素化プラスチックの球体（ＣＤ球）ではなく、水素化プラスチックの球体（ＣＨ球）を用いる。水素化プラスチックの球体である燃料粒子は、公知の方法を用いて作製される。例えば、非特許文献２に記載された方法により作製される。この方法では、市販されている水素モノマーを重合して、水素化プラスチックの球体を作製する。この燃料粒子の直径は１００ｎｍ以上の大きさを有する。この燃料粒子を懸濁させた懸濁液を反応部４４ａに噴出させ、粒子群を形成する。この粒子群に対して、レーザ光の強度が１０１８Ｗ／ｃｍ２以上であるレーザ光を照射する。レーザ光が照射された粒子群ではクーロン爆発が発生する。この現象により、数十ＭｅＶ以上のエネルギーに加速された陽子が発生する。第１実施形態の燃料粒子６３を用いて中性子を発生させるときと同様に、燃料粒子の直径及び粒子群に照射するレーザ光の強度に基づいて陽子線のエネルギーが制御される。このような形態によれば、水素と他の原子との混合比を制御した燃料粒子を用いることにより、発生させる陽子線のエネルギーを制御することができると共に、陽子線を効率よく発生させることができる。
　電磁放射線を発生させる形態について説明する。電磁放射線を発生させるときには、所望の電磁放射線のエネルギーに対応するエネルギー共鳴線を有する原子を含む燃料粒子を用いる。例えば、所望の電磁放射線が極短紫外線である場合はスズ（Ｓｎ）を用いる。また、所望の電磁放射線が０．１～２ｋｅＶ（０．１ｋｅＶ以上２ｋｅＶ以下）のエネルギーを有する軟Ｘ線である場合は亜鉛（Ｚｎ）又は銅（Ｃｕ）を用いる。さらに所望の電磁放射線が２～２０ｋｅＶ（２ｋｅＶ以上２０ｋｅＶ以下）のエネルギーを有するＸ線である場合はチタン（Ｔｉ）を用いる。このような構成によれば、燃料粒子にレーザ光が照射されることにより燃料粒子が加熱されると、所定の原子が有するエネルギー共鳴線に対応する電磁放射線が発生される。従って、高輝度の電磁放射線を効率よく発生させることができる。
　電子線を発生させる形態について説明する。電子線を発生させるときには、電子を多く含む物質である、例えば金からなる燃料粒子を用いる。このような構成により。大量の電子線を効率よく発生させることができる。
　なお、上述した実施形態は本発明の一側面に係る放射線発生装置及び放射線発生方法の一例を示すものである。本発明の一側面に係る放射線発生装置及び放射線発生方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲において、上述した実施形態の放射線発生装置及び放射線発生方法を変形し、又は他のものに適用したものであることができる。
　上述した実施形態では、放射線発生装置１Ａ～１Ｃは反応容器４４を備えていたが、これに限定されることはない。放射線発生装置１Ａ～１Ｃは反応容器４４を備えていない構成であることができる。
　放射線発生装置１Ａ～１Ｃ及び放射線発生方法によれば、装置の構成を簡易にすることができ、且つ効放射線の発生効率を向上させることができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…放射線発生装置、１０…圧力印加部、１１…高圧ガスタンク、１２…ガス管、１３…弁、２０…燃料格納部、２１…格納容器、２２ａ…入力部、２２ｂ…排出部、２３…格納領域、２４…燃料供給部、２５…排出管、２６…攪拌装置、２７…本体部、２８…連結部、２９…攪拌部、３０…噴流形成部、３１…弁室、３２…ニードル、３２ａ…先端、３３…ノズル、３３ａ…小孔、３４…噴射制御部、４０…チャンバ、４０ａ…内部領域、４１…排気装置（圧力調整部）、４２…圧力計、４３ｃ…入出力端子、４４…反応容器、４４ａ…反応部、４４ｂ～４４ｅ…孔、４５…レーザ光源（光源部）、４６…計測部、４６ａ…計測光源、４６ｂ…受光部、５０…主制御部、６１…混合液、６１ａ，６１ｂ…噴流、６２…懸濁液、６３…燃料粒子、６３ａ…粒子群、７０，８０…排気部、７１ａ～７１ｃ，８３ａ～８３ｃ…小チャンバ、７２ａ～７２ｃ，８４ａ～８４ｃ…オリフィス、７４ａ～７４ｃ…排気管、８１…シュラウド、８２…排気管、Ｄ…直径、ＤＴ…遅延時間、Ｇ１…グラフ、Ｋ１～Ｋ３…区間、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…プローブレーザ光、Ｐ１…弁室圧力、Ｐ２…内部圧力、Ｓ１…格納工程、Ｓ３，Ｓ４…圧力印加工程、Ｓ５…圧力調整工程、Ｓ７…噴流形成工程、Ｓ８…排気工程、Ｓ９…放射線発生工程、ＳＴ…時間差（閾値）、ΔＴ…時間差。

Claims (8)

  1. 　液体及び前記液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液に液化ガスが混合された混合液を格納する燃料格納部と、
    　前記燃料格納部に格納された前記混合液に圧力を印加する圧力印加部と、
    　圧力が印加された前記混合液を小孔から噴射させて前記混合液の噴流を形成する噴流形成部と、
    　前記噴流が形成される反応部と、
    　前記反応部における圧力を前記噴流形成部の内部圧力よりも低く設定する圧力調整部と、
    　前記複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射する光源部と、
    を備え、
    　前記燃料粒子は、前記レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させ、
    　前記反応部では、前記複数の燃料粒子が前記噴流の方向に沿って移動し、前記液化ガス及び前記液体が前記複数の燃料粒子から離間する方向に移動することにより、前記粒子群が形成される放射線発生装置。
  2. 　液体及び前記液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液を格納する燃料格納部と、
    　前記燃料格納部に格納された前記懸濁液に圧力を印加する圧力印加部と、
    　圧力が印加された前記懸濁液を小孔から噴射させて前記懸濁液の噴流を形成する噴流形成部と、
    　前記懸濁液における気化した前記液体を排気することにより、前記複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成して排出する排気部と、
    　前記燃料粒子により構成された前記粒子群が排出される反応部と、
    　前記粒子群にレーザ光を照射する光源部と、
    を備え、
    　前記燃料粒子は、前記レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させる放射線発生装置。
  3. 　前記粒子群における単位体積あたりの前記燃料粒子の数に対応する計測値を得る計測部をさらに備える請求項１又は２記載の放射線発生装置。
  4. 　前記燃料粒子は重水素を含み、前記レーザ光が照射されることにより中性子を発生させる請求項１～３の何れか一項記載の放射線発生装置。
  5. 　前記燃料粒子は水素を含み、前記レーザ光が照射されることにより陽子を発生させる請求項１～３の何れか一項記載の放射線発生装置。
  6. 　前記燃料粒子は所定のエネルギー共鳴線を有する原子を含み、前記レーザ光が照射されることにより前記エネルギー共鳴線に対応する電磁放射線を発生させる請求項１～３の何れか一項記載の放射線発生装置。
  7. 　液体及び前記液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液に液化ガスが混合された混合液を燃料格納部に格納する格納工程と、
    　前記燃料格納部に格納された前記混合液に圧力を印加する圧力印加工程と、
    　圧力が印加された前記混合液を小孔から噴射させて反応部に前記混合液の噴流を形成する噴流形成工程と、
    　前記複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射して放射線を発生させる放射線発生工程と、
    を備え、
    　前記噴流形成工程の前に、前記混合液の噴流がされた前記反応部における圧力を噴流形成部の内部圧力よりも低く設定する圧力調整工程を有し、
    　前記燃料粒子は、前記レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させ、
    　前記反応部では、前記複数の燃料粒子が前記噴流の方向に沿って移動し、前記液化ガス及び前記液体が前記複数の燃料粒子から離間する方向に移動することにより、前記粒子群が形成される放射線発生方法。
  8. 　液体及び前記液体中に分散した複数の燃料粒子を含む懸濁液を格納する燃料格納部と、
    　前記燃料格納部に格納された前記懸濁液に圧力を印加する圧力印加工程と、
    　圧力が印加された前記懸濁液を小孔から噴射させて前記懸濁液の噴流を形成する噴流形成工程と、
    　前記噴流における前記液体を排気することにより、前記複数の燃料粒子により構成された粒子群を形成して排出する排気工程と、
    　前記複数の燃料粒子により構成された粒子群にレーザ光を照射して放射線を発生させる放射線発生工程と、
    を備え、
    　前記燃料粒子は、前記レーザ光が照射されることにより所望の放射線を発生させる放射線発生方法。
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