JP2003270400A - 中性子発生管用ｐｉｇ型負イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 小形で強力かつ安定して長時間中性子を発生
させ得る信頼性の高い中性子発生管を提供する。 【解決手段】 ＰＩＧ型負イオン源から発生する負イオ
ンを加速し、ターゲット５を正極性の高電位にすること
で、ファラデーカップ１５の汚れによるターゲットから
の重元素イオン放出を防止する。又水素の分子イオンを
加速しないため、加速電源２５の負荷を軽減し、これに
より暗電流による絶縁破壊や重イオン加速によるターゲ
ットの消耗を軽減する。ＰＩＧ型負イオン源より負イオ
ンと同時に加速される電子を除去するため、直交する磁
場をもつ１組のダイポール磁界又はそれぞれが９０°づ
つずれた直交する４個のダイポール磁石６をＰＩＧ負イ
オン源の下流に配設し、負イオンのみを加速して中性子
の発生効率を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】中性子発生源としては原子
炉、加速器、アイソトープ等がある。これらは強力な中
性子源であるが高価で移動が困難である。可搬型の強力
な中性子源により、地下資源の探査、治療用中性子源、
地雷や空港での手荷物中の火薬や麻薬の検査等が簡便に
できる。

【０００２】

【従来の技術】従来の密封中性子発生管（特願平１０−
３３４２１７）の加速方式は接地側に配設されたＰＩＧ
イオン源で重陽子イオン叉は三重水素イオンをつくり、
これをイオン源に対して負の高電圧（−６０ｋＶ〜−１
２０ｋＶ）にある重水素叉は三重水素を含んだ金属ター
ゲットに向けて加速し、Ｄ−Ｄ叉はＤ−Ｔ核融合反応を
生じしめ中性子を発生する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は可搬型密封中性子発生管において高密度中性子を安定
して必要な時に必要な時間放出することにある。従来方
式では金属管として密封真空容器壁として使用し、ター
ゲットに負極性の高電圧を与える。この場合ビーム加速
中にターゲットを包み込む静電遮蔽（ファラデーカッ
プ）電極表面に電子の電界放射点が形成され易く、そこ
から電子電流が器壁に向って際限なく流れ始めるのが一
般的である。今日の技術でこの暗電流を阻止する有効な
手立てが見出されていない。

【０００４】 類の分子イオンも生成され、原子イオンに混在してして
加速される。これら分子イオンは陽子当たりのエネルギ
ーが原子イオン加速に比べて１／２叉は１／３となるた
め、中性子収量の寄与率は極めて小さい。さらに炭素、
酸素等イオン源電極内に含まれる重元素も正イオンとし
て加速される。これ等イオンは中性子収量に全く寄与し
ないばかりでなく、ターゲットに衝突して水素吸蔵箔膜
を激しくスパッターしターゲットを消耗させ、ターゲッ
トの寿命を短くし中性子収量を激減させる。

【０００５】負イオン加速の場合に懸念されることは負
イオンに随伴して電子が加速されることである。電子線
の加速は中性子の発生には全く寄与しなく電源の負荷が
増すばかりで電子線を除去しなくてはならない。

【０００６】ダイポール磁界はイオンビーム軌道と形状
に若干の影響を与える。イオン源から放出された円径断
面を持つイオンビームは一つのダイポール磁界領域を通
過するとローレンツ力により軌道が偏向する。偏向と同
時にイオンビームの断面形状は円形から偏向方向を短軸
とする楕円に変形する。イオンビームの走行距離が長く
なる程、この楕円の短軸対長軸の長さ比が拡大してく
る。このことはターゲットにビームが均一密度で当たら
ないためターゲットの寿命は短くなり、同時にターゲッ
ト周縁電極にもストレービームが当たり易く、真空内高
電圧破壊を誘起し易くなる。

【課題を解決するための手段】

【０００７】上記の問題点を解決するために、本発明で
は加速イオンを負イオンにすることでターゲットに印加
する高電圧の極性を正にすることができる。正極性の電
極表面からは電界電子放射が起こり得ない、イオン電界
放射はそれに必要な電界強度が電子放射の場合に比べて
少なくとも２〜３桁の強さである。従って実質的にイオ
ン電界放射は起こり得ない。

【０００８】負イオン加速の場合、負の水素分子イオン
は存在せず、中性子生成のビーム利用率は１００％であ
る。叉重元素の負イオン生成量も小さく、ターゲットの
スパッター損傷寿命も著しく長くなる。

【０００９】負イオン加速において懸念される問題は、
負イオンに随伴して同時加速されるプラズマ電子であ
る。これは加速電流の大半を占めるため、加速前に電子
を負イオンと完全に分離し除去しなければならない。こ
の目的にはイオン源出口に加速軸に直交するダイポール
磁界を配置して電子をこの磁界の中に捕捉することによ
り除去することが考えられる。捕捉磁界強度はビーム軸
上で百ガウスから数百ガウスの値を持つ。この強度の磁
界はプラズマ電子或いは加速前のビーム随伴電子を除去
するのに充分な強さである。

【００１０】イオン源から放出されるプラズマジェット
に触れる電極（ビーム形成電極、パルスグリッド、チョ
ッピングプレート等）は全てダイポール磁界中に置く
か、その手前に配置しなければならない。即ちプラズマ
ジェット叉は低速イオンビームが電極に衝突するとその
衝突点より２次電子を叩き出し、ダイポール磁界が無い
場合、２次電子はイオンビームに混在してターゲットに
向けて加速されるからである。この２次電子電流強度は
加速電流強度の大部分を占めることもある。

【００１１】この問題を回避するには複数個の磁石を使
い、それが作るダイポール磁界の向きをビーム軸と直交
する方向にずらせば良い。そのずらす角度と磁石の数
（ダイポール磁界の数）及びその磁界強度はダイポール
磁界群を通過したイオンビーの偏向による集束角度がビ
ーム軸に垂直な面上で互いに直角な任意な方向で等しく
なるような値である。但し各磁石の作るビーム軸の磁界
強度はプラズマ電子のサイクロトロン直径が磁石の厚さ
（ダイポール磁界がビーム軸方向に対する厚さ）よりも
小さくなる値に設定しておかなければならない。

【００１２】

【発明の実施の形態】ＰＩＧ型負イオン源を装備した密
封金属管に、１０^−２〜１０^−３トール程度に重水素を
装填し、ＰＩＧ放電を点火し、引出し電極で負の重水素
イオンを引き出し正電圧を印加したチタニューム薄膜に
含侵したトリチューム・ターゲットに重水素イオンを衝
撃することでＤ＋Ｔ→Ｈｅ^４＋ｎの核融合反応で１４．
１ＭｅＶの中性子を発生させる。

【００１３】負イオンに随伴して加速される電子線は２
つ以上の偶数個のダイポール磁場を直角に印加すること
で電子を除去し電源負荷を軽くすることで安定した長寿
命の密封・可搬型中性子発生管を提供する。

【００１４】引き出し電極と電子線除去磁場の間にパル
スグリッド又はチョッピング電極を配設し正のパルス電
圧を印加することで可搬型ＰＩＧ負イオン源搭載パルス
中性子発生管となる。

【００１５】電子除去用ダイポール磁場の入り口又はダ
イポール磁場内にビーム成型グリッドを配設することで
ビーム形状を整えることができる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明実施のＰＩＧ型負イオン源を搭
載した密封型パルス中性子発生管の一実施例を示す。負
イオン源部内に配設されたＰＩＧ放電部１でプラズマを
生成させ、プラズマ引出し電極部２に正のパルス電圧を
印加することで負イオンをＰＩＧ放電部から引き出し、
プラズマ電子除去部１２で負イオンと一緒に加速される
電子のみを除去し、加速部４で重水素イオンを加速して
正の電圧を印加したターゲット部５で核融合反応を起し
中性子を発生する。

【００１７】重水素ガスは金属ケースで密閉された真空
管１４の中に置かれた水素吸蔵合金２０に溜めてある。
ターゲット５の表面にはトリチュームを吸蔵したチタニ
ューム金属薄膜を銅のバッキングプレートに接合しファ
ラデーカップ１５内に設置してある。誘電体１７で絶縁
し電位連結棒１６により真空管１３の外部に電気的に取
り出し、加速電源２５で正の電圧を印加する。

【００１８】重水素ガスの圧力制御はリザーバー電源２
３の電流をリザーバー電流導入端子１９で真空管１４内
に導入し、水素吸蔵合金２０の温度を変えることで真空
管内のガス圧を変え負イオン源１の負イオン発生量を制
御する。

【００１９】図２はダイポール磁界を通過するイオン源
からのビーム軸に平行に走るプラズマジェトが磁界の作
用で跳ね返される電子と負イオンに分離される軌道を示
したものである。この場合負イオンの断面形状はその磁
界領域を通過することによって歪みを受け円径から楕円
へと変化する。ダイポール磁石６ａのダイポール磁場Ｂ
内をプラズマビームが通過した場合、負イオンＤ⁻に混
在する電子は捕獲さる。負イオンビーム形状は通過前の
円形断面７ａが通過後楕円７ｂに変形する。

【００２０】図３はさらにもう一つのダイポール磁界を
ビーム軸と直角になるように２つのダイポール磁石を配
置した場合のビーム断面形状を示す。この場合２つのダ
イポール磁界を通過したビームは通過前と相似な形状を
保ったまま縮小される。２つのダイポール磁石を９０度
ずらして円形の負イオン７ａを入射すると２つのダイポ
ール磁石の境界面で楕円７ｃになり、２つの磁石を通過
すると７ａと合同７ｂになる。

【００２１】図４は図３のダイポール磁界にその磁界の
向きを逆転したダイポール磁界をもう１組付け加えたも
のである。４個のダイポール磁石は磁界の向きが互いに
９０°づつずれた配置となっている。この配置で４つの
ダイポール磁界を通過したビーム形状は通過前の形状７
ａと合同７ｂとなりビーム軸も共有する。４つのダイポ
ール磁石４に円形の負イオンαを入射すると２つのダイ
ポール磁界境界面上（６ｂと６ｂの境界）のビーム断面
は楕円７ｃとなり、２つのダイポール磁界６ｃを通過後
のビーム断面は通過前と合同７ｂとなる。

【００２２】ＰＩＧ型負イオン源１はターゲットカソー
ド８とアノード電極９と軸方向の磁界を持つ筒状磁石１
０でＰＩＧ放電を発生し、プラズマ引き出し電極部２か
ら負イオンを引き出し，パルサー電源２４からパルスグ
リッド電流導入端子２１で真空管１３内に導入され、パ
ルスグリッド又はチョッピンググリッド９でパルス化さ
れた負イオンビームを引き出す。プラズマ電子除去部Ｄ
内にはイオンの進行方向に垂直な磁場をもつ電子トラッ
プ筒状永久磁石６で電子を負イオンから分離し、負イオ
ンをビーム成型グリッド１３で成型して加速部４に導
く。アノード電源２２からの出力電流はアノード電流導
入端子１８を経由して真空管１４内に導入される。

【００２３】動作ガスは重水素で圧力は１×１０^−４〜
５×１０^−３Ｔｏｒｒである。圧力の調整は水素吸蔵合
金の通電過熱によって調整される。ＰＩＧ放電部から引
き出されたプラズマジェットはパルス化グリッド又はチ
ョッピングプレート１１にパルス電圧を供給してパルス
化された後、永久磁石６によって作られた電子トラップ
磁界へと進む。

【００２４】永久磁石６は同形同強度の磁界を作る二つ
の永久磁石で構成され、プラズマジェットから電子を奪
い取る働きをする。その際の磁石は２つの働きを持つ。
１つはビーム形状を円形に保つ。これは２つの磁石が磁
界の向きを互いに９０度ずらすことで実現される。もう
１つの働きは両磁石の中間に設けた金属製のビーム形成
グリッド１３にプラズマイオンが衝突して発生する２次
電子を除去する。この永久磁石を通過した負イオンビー
ムは通過前の形状よりも若干程度縮小される。またビー
ム軌道も加速軸から少々偏差を受ける。加速ギャップが
小さい場合この偏差量は小さく、実用に殆ど問題となら
ない。

【００２５】ビーム形成グリット１３は外部加速電場が
チョッピングプレートに到来して加速ビーム形状を歪ま
せる働きを防止することとビーム形状を整えるために必
要である。ビーム成形グリット１３を通過した重水素の
負イオンはファラデーカップ１５に向けて加速され、重
水素或いは三重水素を吸蔵したターゲット５に衝突して
核融合反応を起こし、その場所で中性子が発生する。

【発明の効果】

【００２６】ターゲット及びファラデーカップ系には、
正イオン加速に必要な２次電子抑止磁石や自己バイアス
機構を持たせるための高抵抗体や絶縁スペーサーを全く
必要としない。これはターゲットに衝突して発生した２
次電子はターゲット自身が周囲に対して正極性の高電圧
になっているためにターゲットに全て引き戻されるから
である。

【００２７】ターゲットを正極性にすることの利点は負
イオンがターゲットを叩いた時に出る２次電子が外部電
界の作用で自動的にファラデーカップ内に引き戻される
ことである。このため従来のようにファラデーカップ内
に２次電子抑止用の永久磁石やファラデーカップ／ター
ゲット内に自己バイアス用内部抵抗体を持ち込む必要が
無くなる。このことは中性子発生管を地下資源探査に使
用する場合にボーリング刃のすぐ後に配設され激しい震
動と衝撃にさらされる故、軽量化ができ有利となる。

【００２８】以上説明したように本発明のＰＩＧ型負イ
オン源搭載密封可搬型中性子発生管は暗電流が少なく、
かつ安定して高電圧イオン加速が行なえる。さらに重水
素の分子や負イオンは存在せず、かつ水素以外の重たい
イオン種の重イオンの加速が少ないためターゲットの寿
命が大幅に改善され長寿命の密封可搬型パルス中性子発
生管が実現する。この事は可搬用中性子発生管で従来方
式に比べて２桁高い１０^１０個／秒の高フラックス中性
子を発生でき、航空手荷物検査や地雷探査に応用でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】密封型パルス中性子発生管とＰＩＧ負イオン源
の一応用例。

【図２】１つのダイポール磁石６ａによる電子捕獲機構
とビーム軌道。

【図３】２つのダイポール磁石６ｂによる電子捕獲機構
とビーム軌道。

【図４】２つのダイポール磁石６ｂを磁場の方向が９０
度ずれるように配置した４ケのダイポール磁石６ｃ。

【符号の説明】

→ 磁場の方向 １． ＰＩＧ型負イオン発生部 ２． プラズマ引出し電極部 ３． プラズマ電子除去部 ４． 加速部 ５． ターゲット部 ６ａ． ダイポール磁石１ ６ｂ． ダイポール磁石１の磁場方向と直交するダイポ
ール磁石を組合わせた２個のダイポール磁石 ６ｃ． ２ケのダイポール磁石６ｂと１８０°ずらした
２つのダイポール磁石６ｂ ７ａ． ダイポール磁石に入射するビーム断面 ７ｂ ダイポール磁石通過後のビーム断面 ７ｃ． ２つのダイポール磁界境界面上でのビーム断面 ８． ターゲットカソード ９． アノード １０． イオン源筒状永久磁石（軸方向磁界） １１． パルスグリッド又はチョッピンググリット １２． 電子トラップチェンバー １３． ビーム形成グリット １４． 真空管 １５． ファラデーカップ １６． 電位連結棒 １７． 誘電体 １８． アノード電流導入端子 １９． リザーバー電流導入端子 ２０． 水素吸蔵合金 ２１． パルスグリット電流導入端子 ２２． アノード電源 ２３． リザーバー電源 ２４． パルサー電源 ２５． 加速電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 3/06 Ｈ０５Ｈ 3/06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密封した真空容器内で重水素Ｄ叉は三
   重水素Ｔを加速して中性子を発生するパルス中性子発生
   管においてＰＩＧ型負イオン源を具備して負イオンビー
   ムを加速し、ターゲット５に印加する電圧の極性を正に
   することを特徴とする小形中性子発生管。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する小形中性子発生管
   に使用するＰＩＧ型負イオン源の負イオン射出口の負イ
   オン走行方向に垂直なダイポール磁界を与える磁石６を
   複数個配置し、各磁石のダイポール磁石の方向は互いに
   直角を形成し、夫々のダイポール磁界強度は負イオン走
   行方向の有磁界領域にわたって積分したダイポール磁界
   が零となるように配設した中性子発生管用ＰＩＧ型負イ
   オン源。
3. 【請求項３】 請求項２において各ダイポール磁石は
   ビーム軸を共有する円形の孔を持った円盤状金属製磁石
   で仕切ることを特長とする負イオン加速用パルス中性子
   発生管。
4. 【請求項４】 イオン源プラズマ・ビームをパルス化
   するグリッド、チョッピングプレート１１及びビーム成
   形グリッド電極１３をイオン源プラズマ射出口とダイポ
   ール磁石の間叉はダイポール磁石群の中に配設した請求
   項１及び請求項２及び請求項３に記載のＰＩＧ型負イオ
   ン源を搭載したパルス中性子発生管用。