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JP2017003362A - Nuclear fusion neutron generator and nuclear fusion neutron generation method - Google Patents

Nuclear fusion neutron generator and nuclear fusion neutron generation method Download PDF

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JP2017003362A JP2015116070A JP2015116070A JP2017003362A JP 2017003362 A JP2017003362 A JP 2017003362A JP 2015116070 A JP2015116070 A JP 2015116070A JP 2015116070 A JP2015116070 A JP 2015116070A JP 2017003362 A JP2017003362 A JP 2017003362A
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啓 高倉
Kei Takakura
啓 高倉
加藤 昌代
Masayo Kato
昌代 加藤
中山 邦彦
Kunihiko Nakayama
邦彦 中山
黒田 英彦
Hidehiko Kuroda
英彦 黒田
晴夫 宮寺
Haruo Miyadera
晴夫 宮寺
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    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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Abstract

【課題】簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させる。【解決手段】実施形態によれば、核融合中性子発生装置100は、密閉容器である真空容器1と、真空容器1の中心近傍に設けられて流体が透過可能な陰極10と、真空容器1内の陰極10の外側に設けられて真空容器1内の陰極10の外側の空間を加速領域とイオン生成領域とに区分し真空容器1内の流体が透過可能な中間電極20と、真空容器1を接地電位、陰極10に負電位、中間電極20に負または正の電位を生じさせる電圧印加部40と、イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部80と、燃料ガス供給部50とを有する。【選択図】図1A fusion reaction rate in a fusion neutron generator is improved with a simple configuration. According to an embodiment, a fusion neutron generator 100 includes a vacuum vessel 1 that is a sealed vessel, a cathode 10 that is provided near the center of the vacuum vessel 1 and is permeable to fluid, An intermediate electrode 20 that is provided outside the cathode 10 and divides the space outside the cathode 10 in the vacuum vessel 1 into an acceleration region and an ion generation region and through which the fluid in the vacuum vessel 1 can pass, and the vacuum vessel 1 A voltage application unit 40 that generates a ground potential, a negative potential on the cathode 10 and a negative or positive potential on the intermediate electrode 20, a local electric field generation unit 80 that generates a local electric field in a part of the ion generation region, and a fuel gas And a supply unit 50. [Selection] Figure 1

Description

本発明の実施形態は、核融合により中性子を発生する装置および方法に関する。   Embodiments of the present invention relate to an apparatus and method for generating neutrons by fusion.

一般に、核融合中性子発生装置においては、慣性静電閉じ込め式核融合を用いた装置が知られている。慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた装置は、通常、陽極を兼ねる球形状の真空容器の中心に、同心球に格子状の陰極を配置した構造である。この真空容器内に重水素等の燃料ガスを充填し、陽極と陰極との間に数kVから100kV程度の高電圧を印可することにより、放電によって重水素イオン等が発生する。   In general, as a fusion neutron generator, an apparatus using inertial electrostatic confinement fusion is known. An apparatus using an inertial electrostatic confinement fusion reaction usually has a structure in which a grid-like cathode is arranged in a concentric sphere at the center of a spherical vacuum vessel that also serves as an anode. By filling the vacuum vessel with a fuel gas such as deuterium and applying a high voltage of about several kV to 100 kV between the anode and the cathode, deuterium ions and the like are generated by the discharge.

発生したイオンは電極間の電場によって中心に向かって加速収束される。陰極が格子状になっており、大部分のイオンは陰極に衝突せず陰極内部に到達し、陰極内部から外側に飛び出し、電場によって再び中心に向かって加速収束される。球中心部で高密度となったイオンが相互に衝突したり、燃料ガスと衝突したり、あるいは陰極や陽極に埋め込まれた燃料ガスの粒子に衝突することにより核融合反応が発生し、中性子や荷電粒子が生成される。   The generated ions are accelerated and converged toward the center by the electric field between the electrodes. The cathode has a lattice shape, and most ions reach the inside of the cathode without colliding with the cathode, jump out from the inside of the cathode, and are accelerated and converged toward the center again by the electric field. Fusion reactions occur when ions with high density at the center of the sphere collide with each other, collide with fuel gas, or collide with fuel gas particles embedded in the cathode or anode. Charged particles are generated.

また、陽極と陰極を円筒形状にし、同軸上に配置した装置もある。核融合中性子発生装置で得られる中性子や荷電粒子は、核物質探知、火薬探知、非破壊検査、核変換、アイソトープ生成、中性子捕獲療法等への応用が期待されており、核融合反応率の向上が求められている。   There is also an apparatus in which an anode and a cathode are formed in a cylindrical shape and arranged coaxially. Neutrons and charged particles obtained from fusion neutron generators are expected to be applied to nuclear material detection, explosives detection, nondestructive inspection, transmutation, isotope generation, neutron capture therapy, etc. Is required.

特許第3867972号公報Japanese Patent No. 3867972 特許第3700496号公報Japanese Patent No. 3700496 特開2004−31152号公報JP 2004-31152 A 特開2008−20094号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-20094

吉川潔,山本靖,増田開,督寿之,高松輝久,堀田栄喜,山内邦仁,大西正視,大沢穂高,代谷誠治,三澤毅,高橋佳之,多幾山憲,久保美和:”慣性静電閉じ込め核融合研究の現状”, J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.10, pp.795−811 (2007).Yoshikawa Kiyoshi, Yamamoto Satoshi, Masuda Kai, Toshiyuki Takamatsu, Teruhisa Takamatsu, Eiki Hotta, Kunihito Yamauchi, Masami Onishi, Hotaka Ohsawa, Seiji Yotani, Satoshi Misawa, Yoshiyuki Takahashi, Ken Ken Takuyama, Miwa Kubo: “Inertial electrostatic confinement fusion Current status of research ”, J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.10, pp.795-811 (2007).

上述した従来の核融合中性子発生装置においては、イオン生成領域とイオンの加速領域が重なっているため、イオンの密度、エネルギーが制約され、核融合の反応率が低いという課題があった。   In the conventional fusion neutron generator described above, the ion generation region and the ion acceleration region overlap, so that there is a problem that the density and energy of ions are restricted and the reaction rate of fusion is low.

またイオンの生成領域とイオンの加速領域との間に壁等を設けて、差動排気を行うことによりイオンの生成領域と加速領域を分離する方法や、真空容器の外側にECR(Electron Cyclotron Resonanse、電子サイクロトロン共鳴)やRF(Radio Frequency、高周波)、ヘリコン波等を利用した外部イオン源(イオン生成領域)を設けて、イオンの加速領域と分離する方法等が提案されているが、いずれも装置の構成が複雑化し、装置が大型になってしまうといった課題があった。   Further, a wall or the like is provided between the ion generation region and the ion acceleration region, and a method of separating the ion generation region and the acceleration region by performing differential evacuation, or an ECR (Electron Cyclotron Resonance) outside the vacuum vessel. , Electron cyclotron resonance (RF), radio frequency (RF), helicon wave and other external ion sources (ion generation regions) are provided to separate ions from the acceleration region. There has been a problem that the configuration of the apparatus becomes complicated and the apparatus becomes large.

本発明の実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることを目的とする。   Embodiments of the present invention have been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to improve the fusion reaction rate in a fusion neutron generator with a simple configuration.

上述の目的を達成するため、本実施形態は、燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生装置であって、大気圧より低い状態で用いられる密閉容器である真空容器と、前記真空容器の中心近傍に前記真空容器とは電気的に絶縁されるように設けられて内部に空間が形成され前記真空容器内の流体が透過可能な陰極と、前記真空容器内の前記陰極の外側に前記真空容器および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記真空容器内の前記陰極の外側の空間を内側の加速領域と外側のイオン生成領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な中間電極と、前記真空容器を接地電位とし、前記陰極に負電位、前記中間電極に負または正の電位を生じさせる電圧印加部と、前記イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部と、前記燃料ガスを前記真空容器内に供給する燃料ガス供給部と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, this embodiment is a fusion neutron generator that ionizes a fuel gas and generates neutrons by a nuclear fusion reaction, and is a vacuum vessel that is a sealed vessel used in a state lower than atmospheric pressure, A cathode provided in the vicinity of the center of the vacuum vessel so as to be electrically insulated from the vacuum vessel, a space is formed in the interior thereof, and the fluid in the vacuum vessel is permeable, and the cathode in the vacuum vessel The vacuum vessel and the cathode are provided outside so as to be electrically insulated, and a space outside the cathode in the vacuum vessel is divided into an inner acceleration region and an outer ion generation region. An intermediate electrode through which the fluid in the container can permeate; a voltage application unit for generating a negative potential at the cathode and a negative or positive potential at the intermediate electrode; and a part of the ion generation region. And a local electric field generator to produce a local electric field, characterized in that it comprises a fuel gas supply unit for supplying the fuel gas to the vacuum chamber.

また、本実施形態は、供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、陽極である真空容器の電位をゼロ、陰極の電位を負の状態とする初期設定ステップと、中間電極電圧印加部が中間電極に正の電位を与える中間電極正電圧発生ステップと、次に中間電極電圧印加部が中間電極に負の電位を与える中間電極負電圧発生ステップと、中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記中間電極正電圧発生ステップ以下を繰り返すことを特徴とする。   Further, the present embodiment is a fusion neutron generation method in which the supplied fuel gas is ionized and neutrons are generated by a fusion reaction, wherein the potential of the vacuum vessel as the anode is zero and the potential of the cathode is in a negative state. An initial setting step, an intermediate electrode positive voltage generating step in which the intermediate electrode voltage applying unit applies a positive potential to the intermediate electrode, and an intermediate electrode negative voltage generating step in which the intermediate electrode voltage applying unit applies a negative potential to the intermediate electrode. Whether or not neutron generation has ended is determined. If not, the intermediate electrode positive voltage generation step and subsequent steps are repeated.

また、本実施形態は、供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、陽極である真空容器、陰極、および中間電極の電位を、ゼロの状態とする初期設定ステップと、タイミング調節器が、パルスバルブに所定の時間、開指令を出力するパルスバルブ開ステップと、タイミング調節器が、中間電極電圧印加部に、中間電極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する中間電極電圧発生ステップと、タイミング調節器が、陰極電圧印加部に、陰極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する陰極電圧発生ステップと、中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記パルスバルブ開ステップ以下を繰り返すことを特徴とする。   Further, the present embodiment is a fusion neutron generation method in which supplied fuel gas is ionized to generate neutrons by a nuclear fusion reaction, and the potentials of the vacuum vessel, the cathode, and the intermediate electrode that are anodes are set to zero. An initial setting step, a timing regulator for a predetermined time to the pulse valve, a pulse valve opening step for outputting an open command, and a timing regulator for the intermediate electrode voltage application unit, for a predetermined time to the intermediate electrode, An intermediate electrode voltage generation step for outputting a command to give a negative potential, a cathode voltage generation step for outputting a command for the negative voltage to be applied to the cathode for a predetermined time by the timing adjuster to the cathode voltage application unit, and a neutron Whether or not the generation has ended is determined. If the generation has not ended, the steps after the pulse valve opening step are repeated.

本発明の実施形態によれば、簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることができる。   According to the embodiment of the present invention, the fusion reaction rate in the fusion neutron generator can be improved with a simple configuration.

第1の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the composition of the fusion neutron generator concerning a 1st embodiment. 図1のII−II線矢視横断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1. 第1の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。It is a graph which shows the electric potential distribution of the radial direction in the fusion neutron generator which concerns on 1st Embodiment. イオンの陰極付近での振る舞いを概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the behavior near the cathode of ion. 第2の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the fusion neutron generator which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る核融合中性子発生装置の径方向の電位分布を示すグラフである。It is a graph which shows the electric potential distribution of the radial direction of the fusion neutron generator which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の中間電極の電位の時間的変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the electric potential of the intermediate electrode in the fusion neutron generator which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。It is a graph which shows the electric potential distribution of the radial direction in the fusion neutron generator which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布の変形例を示すグラフである。It is a graph which shows the modification of the electric potential distribution of the radial direction in the fusion neutron generator which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the fusion neutron generation method which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the fusion neutron generator which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the fusion neutron generation method which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る核融合中性子発生装置におけるパルス動作装置のタイミングチャートと付随反応プロセスの概念的時間変化を示すグラフであり、(a)は放電領域での導入燃料ガス量の時間変化、(b)は中間電極電位の時間変化、(c)は陰極電位の時間変化、(d)は加速領域でのイオン量の時間変化を示す。It is a graph which shows the timing chart of the pulse operation apparatus in the fusion neutron generator which concerns on 4th Embodiment, and the conceptual time change of an accompanying reaction process, (a) is the time change of the amount of introduced fuel gas in a discharge area, (B) shows the time change of the intermediate electrode potential, (c) shows the time change of the cathode potential, and (d) shows the time change of the ion amount in the acceleration region. 第5の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the fusion neutron generator which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る核融合中性子発生装置での発光強度および放出された燃料ガス量の時間変化を示すグラフであり、(a)はブレイクダウンプラズマの一般的な発光特性、(b)は放出された燃料ガス量の時間変化を示す。It is a graph which shows the time change of the emitted light intensity in the fusion neutron generator which concerns on 5th Embodiment, and the emitted fuel gas amount, (a) is a general light emission characteristic of breakdown plasma, (b) is The time change of the emitted fuel gas amount is shown.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る核融合中性子発生装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。   Hereinafter, a fusion neutron generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る核融合中性子発生装置100の構成を示す縦断面図である。また、図2は、図1のII−II線矢視横断面図である。核融合中性子発生装置100は、真空容器1とその内部の構成要素、電圧印加部40、燃料ガス供給部50およびガス圧調整部52を有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a fusion neutron generator 100 according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. The fusion neutron generator 100 includes a vacuum vessel 1 and its internal components, a voltage application unit 40, a fuel gas supply unit 50, and a gas pressure adjustment unit 52.

真空容器1は、円筒状の密閉容器であり、大気圧より低い状態で用いられる。真空容器1の材料は、たとえば、ステンレス鋼、チタンあるいはアルミニウムなどの導電性の物質である。真空容器1の内部には、陰極10および中間電極20が設けられている。   The vacuum container 1 is a cylindrical sealed container and is used in a state lower than atmospheric pressure. The material of the vacuum vessel 1 is, for example, a conductive substance such as stainless steel, titanium, or aluminum. A cathode 10 and an intermediate electrode 20 are provided inside the vacuum vessel 1.

陰極10は、円筒状であり、真空容器1と同軸になるように設けられている。陰極10の材料は導電性である。陰極の幾何学的透過率は、たとえば95%などと90%以上であることが望ましい。このため、陰極10は、図1および図2に示すように、複数本の陰極ロッド10aが円周上に配されたかご状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、かご状であることには限定されない。たとえば、網状、あるいは、多孔板の円筒などであってもよい。   The cathode 10 is cylindrical and is provided so as to be coaxial with the vacuum vessel 1. The material of the cathode 10 is conductive. The geometric transmittance of the cathode is desirably 90% or more, for example, 95%. Therefore, the cathode 10 has a cage shape in which a plurality of cathode rods 10a are arranged on the circumference, as shown in FIGS. In addition, in order to ensure geometric transmittance, it is not limited to a cage shape. For example, it may be net-like or a perforated plate cylinder.

陰極10は、陰極支持部11により支持されている。陰極支持部11は、真空容器1に取り付けられ真空容器1に支持されている。陰極支持部11は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、陰極10と真空容器1間を電気的に絶縁している。陰極支持部11の内外に導電性の高電圧導入端子12が貫通しており、陰極10と電気的に接続している。陰極支持部11と真空容器1の間、および陰極支持部11と高電圧導入端子12の間は、気密になっている。   The cathode 10 is supported by a cathode support portion 11. The cathode support portion 11 is attached to the vacuum vessel 1 and supported by the vacuum vessel 1. The cathode support portion 11 is made of an insulating material such as alumina, for example, and electrically insulates between the cathode 10 and the vacuum vessel 1. A conductive high voltage introduction terminal 12 penetrates the inside and outside of the cathode support portion 11 and is electrically connected to the cathode 10. The space between the cathode support portion 11 and the vacuum vessel 1 and the space between the cathode support portion 11 and the high voltage introduction terminal 12 are airtight.

中間電極20は、真空容器1内の陰極10の外側の空間に、真空容器1と同軸となるように設けられている。中間電極20の材料は導電性である。中間電極20の幾何学的透過率は、たとえば95%などと90%以上であることが望ましい。このため、中間電極20は、図1および図2に示すように、多孔板の円筒形状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、多孔板であることには限定されない。たとえば、かご状、あるいは網状などであってもよい。中間電極20が設けられていることにより、真空容器1内の陰極10の外側の空間は、中間電極20より外側のイオン生成領域1aと、中間電極20より中心側の加速領域1bとに区分される。   The intermediate electrode 20 is provided in the space outside the cathode 10 in the vacuum vessel 1 so as to be coaxial with the vacuum vessel 1. The material of the intermediate electrode 20 is conductive. The geometric transmittance of the intermediate electrode 20 is desirably 90% or more, for example, 95%. For this reason, the intermediate electrode 20 has a cylindrical shape of a perforated plate as shown in FIGS. 1 and 2. In addition, in order to ensure geometric transmittance, it is not limited to being a perforated plate. For example, a cage shape or a mesh shape may be used. By providing the intermediate electrode 20, the space outside the cathode 10 in the vacuum vessel 1 is divided into an ion generation region 1 a outside the intermediate electrode 20 and an acceleration region 1 b closer to the center than the intermediate electrode 20. The

中間電極20は、中間電極支持部21により支持されている。中間電極支持部21は、真空容器1に取り付けられ真空容器1に支持されている。中間電極支持部21は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、中間電極20と真空容器1間を電気的に絶縁している。中間電極支持部21の内外に導電性の高電圧導入端子22が貫通しており、中間電極20と電気的に接続している。中間電極支持部21と真空容器1間、および中間電極支持部21と高電圧導入端子22間は、気密になっている。   The intermediate electrode 20 is supported by the intermediate electrode support portion 21. The intermediate electrode support portion 21 is attached to the vacuum vessel 1 and supported by the vacuum vessel 1. The intermediate electrode support portion 21 is made of an insulating material such as alumina, for example, and electrically insulates the intermediate electrode 20 and the vacuum vessel 1 from each other. A conductive high voltage introduction terminal 22 penetrates the inside and outside of the intermediate electrode support portion 21 and is electrically connected to the intermediate electrode 20. The space between the intermediate electrode support portion 21 and the vacuum vessel 1 and the space between the intermediate electrode support portion 21 and the high voltage introduction terminal 22 are airtight.

中間電極20には、局所電界発生部80として複数の突起部60が取り付けられている。突起部60は、中間電極20から径方向外側に向かう方向に突起するように設けられている。突起部60は、導電性であり、突起部60の電位は中間電極20の電位と同レベルである。突起部60の材料としては、たとえば、タングステン、チタンあるいはタンタルなど、銅やアルミニウムあるいは鉄などより比較的融点の高い材料を用いる。   A plurality of protrusions 60 are attached to the intermediate electrode 20 as the local electric field generator 80. The protrusion 60 is provided so as to protrude from the intermediate electrode 20 in a direction toward the radially outer side. The protrusion 60 is conductive, and the potential of the protrusion 60 is at the same level as the potential of the intermediate electrode 20. As the material of the protrusion 60, for example, a material having a relatively higher melting point than copper, aluminum, iron, or the like, such as tungsten, titanium, or tantalum, is used.

突起部60の形状としては、たとえば、針状あるいは、円錐台形状などである。ただし、局所電界が大きくなりすぎるほど先端が尖っているとアーク放電が発生する可能性があるので、アーク放電が発生しないように、先端を丸めた形状などでもよい。ここで、突起部60の配置は、円筒形状の中間電極上において、中間電極20の軸方向の間隔および周方向の間隔がほぼ等しいように配列することが好ましい。   The shape of the protrusion 60 is, for example, a needle shape or a truncated cone shape. However, if the tip is sharp enough that the local electric field becomes too large, arc discharge may occur. Therefore, the tip may be rounded to prevent arc discharge. Here, it is preferable that the protrusions 60 are arranged on the cylindrical intermediate electrode so that the axial interval and the circumferential interval of the intermediate electrode 20 are substantially equal.

電圧印加部40は、陽極電圧印加部41、陰極電圧印加部42および中間電極電圧印加部43を有する。陽極電圧印加部41は、陽極である真空容器1に接続され、真空容器1に陽極としての電位を与える。具体的には、真空容器1を接地する。すなわち、陽極電圧印加部41は接地電極である。なお、陽極電圧印加部41は接地電極に限定されず、設置電位相当の電位を与える電源でもよい。   The voltage application unit 40 includes an anode voltage application unit 41, a cathode voltage application unit 42, and an intermediate electrode voltage application unit 43. The anode voltage application unit 41 is connected to the vacuum vessel 1 serving as an anode, and applies a potential as an anode to the vacuum vessel 1. Specifically, the vacuum vessel 1 is grounded. That is, the anode voltage application unit 41 is a ground electrode. The anode voltage application unit 41 is not limited to the ground electrode, and may be a power source that applies a potential corresponding to the installation potential.

陰極電圧印加部42は、陰極10の高電圧導入端子12に接続され、陰極10に負の電位を与える。また、中間電極電圧印加部43は、中間電極20の高電圧導入端子22に接続され、中間電極20に、陽極である真空容器1の電位と陰極10の電位の中間の電位を与える。   The cathode voltage application unit 42 is connected to the high voltage introduction terminal 12 of the cathode 10 and applies a negative potential to the cathode 10. The intermediate electrode voltage application unit 43 is connected to the high voltage introduction terminal 22 of the intermediate electrode 20, and applies an intermediate potential between the potential of the vacuum vessel 1 serving as the anode and the potential of the cathode 10 to the intermediate electrode 20.

なお、中間電極電圧印加部43として電源等を用いて強制的に電圧を印加する方法の他に、中間電極20に片端が設置された抵抗を接続し、抵抗に流れ込む放電電流によって抵抗間に電圧(自己バイアス)を発生させて、中間に電圧を印加する方法や、中間電極を浮遊電位にする方法でもよい。   In addition to a method of forcibly applying a voltage using a power source or the like as the intermediate electrode voltage application unit 43, a resistor having one end is connected to the intermediate electrode 20, and a voltage between the resistors is generated by a discharge current flowing into the resistor. A method of generating a voltage (self-bias) and applying a voltage in the middle or a method of setting the intermediate electrode to a floating potential may be used.

燃料ガス供給部50は、真空容器1内に、核融合反応の反応物質となる重水素、三重水素、ヘリウムまたはこれらの混合ガスを導入する。燃料ガス供給部50は、供給源からの燃料ガスを移送する配管を有し、配管が真空容器1の側壁に設けられた開口に気密に接続している。すなわち、燃料ガス供給部50の配管は真空容器1中のイオン生成領域1aに接続されている。このため、燃料ガスはイオン生成領域1aに供給される。   The fuel gas supply unit 50 introduces into the vacuum vessel 1 deuterium, tritium, helium, or a mixed gas thereof as a reactant for the fusion reaction. The fuel gas supply unit 50 has a pipe for transferring fuel gas from a supply source, and the pipe is airtightly connected to an opening provided on the side wall of the vacuum vessel 1. That is, the piping of the fuel gas supply unit 50 is connected to the ion generation region 1 a in the vacuum vessel 1. For this reason, fuel gas is supplied to the ion production | generation area | region 1a.

なお、燃料ガス供給部50はイオン生成領域1aに接続されるのが好ましいが、これに限定されない。真空容器1の他の部分でもイオン生成領域1aには燃料ガスは供給されるので、配置上の制約等が有る場合も含め、真空容器1の他の部分に接続されることでもよい。   In addition, although it is preferable that the fuel gas supply part 50 is connected to the ion production | generation area | region 1a, it is not limited to this. Since the fuel gas is supplied to the ion generation region 1a also in other parts of the vacuum vessel 1, it may be connected to other parts of the vacuum vessel 1 even when there are restrictions on the arrangement.

燃料ガス供給部50の真空容器1への開放部分に図示しないノズルを設けて、燃料ガスを真空容器1中に浸透させるようにしてもよい。燃料ガス供給部50は、具体的には、たとえば、ニードル弁とマスフローコントローラとを用いることができる。   A nozzle (not shown) may be provided at a portion where the fuel gas supply unit 50 is open to the vacuum container 1 so that the fuel gas penetrates into the vacuum container 1. Specifically, for example, a needle valve and a mass flow controller can be used for the fuel gas supply unit 50.

水素のイオン化エネルギーは約13eVであり、比較的高いエネルギーレベルである。そこで、13eVよりも低いイオン化エネルギーを持つ原子をガス化し、燃料ガスと混合したものを燃料ガスとすることもできる。添加ガスとしては、ナトリウム(Na)やカリウム(K)などのアルカリ金属類、あるいは遷移金属類を、加温蒸気化あるいは化合物ガス化したものを用いることができる。   The ionization energy of hydrogen is about 13 eV, which is a relatively high energy level. Therefore, it is possible to gasify atoms having an ionization energy lower than 13 eV and mix the fuel gas with the fuel gas. As the additive gas, an alkali metal such as sodium (Na) or potassium (K), or a transition metal obtained by heating or vaporizing a compound can be used.

ガス圧調整部52は、燃料ガス供給部50の動作と相俟って真空容器1内の圧力を、たとえば数Pa以下の一定圧力となるように調整する。ガス圧調整部52は配管を有し、配管が真空容器1の加速領域1bに面した端面に設けられた開口に気密に接続している。すなわち、ガス圧調整部52の配管は真空容器1中の加速領域1bに接続されている。ガス圧調整部52で用いられる調整手段としては、具体的には、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ、電離真空計、隔膜式真空計などを用いることができる。典型的には到達真空度0.01Pa〜10Pa程度の範囲に調整可能に真空排気される。真空排気は、例えば、ターボ分子ポンプとロータリーポンプとを組み合わせた真空排気系を構成でき、その排気速度はターボ分子ポンプの回転数を調整することで制御可能である。   The gas pressure adjusting unit 52 adjusts the pressure in the vacuum vessel 1 so as to be a constant pressure of, for example, several Pa or less in combination with the operation of the fuel gas supply unit 50. The gas pressure adjusting unit 52 includes a pipe, and the pipe is airtightly connected to an opening provided on an end surface facing the acceleration region 1 b of the vacuum vessel 1. That is, the piping of the gas pressure adjusting unit 52 is connected to the acceleration region 1 b in the vacuum vessel 1. Specifically, as the adjusting means used in the gas pressure adjusting unit 52, a turbo molecular pump, a rotary pump, an ionization vacuum gauge, a diaphragm type vacuum gauge, or the like can be used. Typically, the vacuum is evacuated so that the ultimate degree of vacuum is within a range of about 0.01 Pa to 10 Pa. For example, a vacuum pumping system combining a turbo molecular pump and a rotary pump can be configured for vacuum pumping, and the pumping speed can be controlled by adjusting the rotational speed of the turbo molecular pump.

図3は、第1の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。横軸は、真空容器1の中心軸から径方向の距離である。縦軸は、径方向の距離に応じたそれぞれの位置における電位である。実線で示す曲線Aは本実施形態による電位分布を示し、破線で示す曲線Bは中間電極20が設けられていないとした場合の電位分布を示す。   FIG. 3 is a graph showing a radial potential distribution in the fusion neutron generator according to the first embodiment. The horizontal axis is the radial distance from the central axis of the vacuum vessel 1. The vertical axis represents the potential at each position according to the radial distance. A curve A indicated by a solid line indicates a potential distribution according to the present embodiment, and a curve B indicated by a broken line indicates a potential distribution when the intermediate electrode 20 is not provided.

曲線Aで示す本実施形態の場合は、陽極である真空容器1の電位が0、陰極10の電位が負の電位V1、中間電極20の電位がV2となっている。陰極10と中間電極20間の電位分布、中間電極20と陽極である真空容器1間の電位は、真空容器1等が円筒形状であることから、いずれも横軸の距離に対してほぼ対数形状の分布となる。   In the case of the present embodiment indicated by the curve A, the potential of the vacuum vessel 1 as an anode is 0, the potential of the cathode 10 is a negative potential V1, and the potential of the intermediate electrode 20 is V2. The potential distribution between the cathode 10 and the intermediate electrode 20 and the potential between the intermediate electrode 20 and the vacuum vessel 1 as the anode are substantially logarithmic with respect to the distance on the horizontal axis since the vacuum vessel 1 and the like are cylindrical. Distribution.

電界強度は電位分布曲線の傾きに対応するが、図3は、真空容器1内のマクロな電位分布を示すものである。中間電極20に設けられた局所電界発生部80としての突起部60の周辺においては、強い電界が生じている。すなわち、局所電界発生部80としての突起部60の周辺の電界強度は、図3のイオン生成領域の電位分布曲線(実線A)の点a2における傾きであるマクロな電界強度に比べて十分に大きな値となっている。   Although the electric field intensity corresponds to the slope of the potential distribution curve, FIG. 3 shows a macro electric potential distribution in the vacuum vessel 1. A strong electric field is generated around the protrusion 60 as the local electric field generator 80 provided in the intermediate electrode 20. That is, the electric field intensity around the protrusion 60 as the local electric field generator 80 is sufficiently larger than the macro electric field intensity that is the slope at the point a2 of the potential distribution curve (solid line A) of the ion generation region in FIG. It is a value.

中間電極20が設けられていない場合の電位分布曲線(破線B)では、傾きすなわち電界強度が最大となるのは、点b1である。すなわち、中間電極20が設けられていない場合には陰極10において電界強度が最大となる。このため、主として陰極10においてグロー放電が生じ、グロー放電によるイオン生成が行われる。イオンが発生する場所が陰極10の近傍であるため、正のイオンの場合、陰極10に到達するまでの加速領域が短く、十分なエネルギーが付与されないままに陰極10に到達すること、発生したイオンが燃料ガス分子が充満する領域内で加速され陰極10に到達する割合が減少する等の懸念がある。   In the potential distribution curve (broken line B) in the case where the intermediate electrode 20 is not provided, the slope, that is, the electric field strength has the maximum at the point b1. That is, when the intermediate electrode 20 is not provided, the electric field strength is maximum at the cathode 10. For this reason, glow discharge occurs mainly at the cathode 10, and ions are generated by glow discharge. Since the location where ions are generated is near the cathode 10, in the case of positive ions, the acceleration region until reaching the cathode 10 is short, and it reaches the cathode 10 without being given sufficient energy. However, there is a concern that the rate of accelerating in the region filled with fuel gas molecules and reaching the cathode 10 decreases.

一方、本実施形態の場合は、局所電界発生部80としての突起部60の周辺が、最も電界強度が大きい場所であるため、イオン生成領域1aにおける突起部60と陽極である真空容器1との間でコロナ放電が発生する。コロナ放電によりイオン生成領域1a内の燃料ガスがプラズマ化され、イオンが生成される。なお、局所電界発生部80としての突起部60は中間電極20のイオン生成領域1a側に設けられ、径方向外側を向いていることから、突起部60と陰極10との間でアーク放電が生ずる可能性は小さい。   On the other hand, in the case of the present embodiment, the periphery of the protrusion 60 as the local electric field generator 80 is a place where the electric field strength is the highest, so the protrusion 60 in the ion generation region 1a and the vacuum container 1 as the anode Corona discharge occurs between them. By the corona discharge, the fuel gas in the ion generation region 1a is turned into plasma and ions are generated. Note that the protrusion 60 as the local electric field generator 80 is provided on the ion generation region 1a side of the intermediate electrode 20 and faces radially outward, so that arc discharge occurs between the protrusion 60 and the cathode 10. The possibility is small.

図3に示すように電位分布は、真空容器1の中心に向かって(図3の左側方向)下がることから、電界の方向は真空容器1の中心に向かう方向である。したがって、イオン生成領域1aで生成されたプラスのイオンは、中間電極20の通過孔を通ってイオン生成領域1aから加速領域1bに流入し、陰極に向かって加速される。   As shown in FIG. 3, the electric potential distribution decreases toward the center of the vacuum vessel 1 (leftward direction in FIG. 3), so that the direction of the electric field is a direction toward the center of the vacuum vessel 1. Therefore, positive ions generated in the ion generation region 1a flow into the acceleration region 1b from the ion generation region 1a through the passage hole of the intermediate electrode 20, and are accelerated toward the cathode.

図4は、イオンの陰極付近での振る舞いを概念的に示す図である。実線Tはイオン生成領域1aから中間電極20を通過して加速領域1bに流入した正のイオンの軌跡を概念的に示している。イオン生成領域1aで生成されたたとえばD(重水素イオン)、T(3重水素イオン)などの正のイオンは、陰極10に引かれて、陰極10に向かって飛翔する。 FIG. 4 is a diagram conceptually showing the behavior of ions near the cathode. A solid line T conceptually shows a locus of positive ions that have passed from the ion generation region 1a through the intermediate electrode 20 and flowed into the acceleration region 1b. Positive ions such as for example D + generated in the ion generation region 1a (deuterium ion), T + (3 deuterium ions) are drawn to the cathode 10 and flies toward the cathode 10.

陰極10の幾何学的透過率はたとえば95%と大きいため、大部分の正のイオンは、陰極ロッド10aの間を通り抜けて、減速しながら陰極10の領域外の点P1の位置まで移動する。点P1の位置で停止した後に、反転して陰極10に引かれ点P1よりは陰極に近い点P2で反転、さらに反転して陰極10に引かれ点P2よりは陰極に近い点P3で反転するという過程を繰り返す。この間に他の正のイオンや燃料ガス分子と衝突し、核融合反応を起こす。   Since the geometrical transmittance of the cathode 10 is as large as 95%, for example, most of the positive ions pass between the cathode rods 10a and move to the position of the point P1 outside the area of the cathode 10 while decelerating. After stopping at the position of the point P1, it is inverted and drawn to the cathode 10 and inverted at the point P2 closer to the cathode than the point P1, and further inverted and drawn to the cathode 10 and inverted at the point P3 closer to the cathode than the point P2. Repeat the process. During this time, it collides with other positive ions and fuel gas molecules, causing a fusion reaction.

ここで、陰極の幾何学的透過率を大きくするために、陰極ロッド10aの本数を減らした場合を考える。この場合、電界は陰極ロッド10aのそれぞれの周囲に強く形成されるので、陰極10全体の周囲の電界は歪むことになる。したがって、陰極10を通過して停止する点は、図4の点P1からずれて、反転しても陰極の中心方向には戻らない状態が生ずる。このような状況では、陰極における核融合反応に寄与するイオンの量が減少することになる。したがって、陰極10の幾何学的透過率を大きくしすぎることは好ましくない。   Here, consider a case where the number of cathode rods 10a is reduced in order to increase the geometrical transmittance of the cathode. In this case, since the electric field is strongly formed around each cathode rod 10a, the electric field around the entire cathode 10 is distorted. Therefore, the point of stopping after passing through the cathode 10 deviates from the point P1 in FIG. 4 and does not return to the center direction of the cathode even if it is reversed. In such a situation, the amount of ions contributing to the fusion reaction at the cathode is reduced. Therefore, it is not preferable to increase the geometric transmittance of the cathode 10 too much.

一方、幾何学的透過率が小さくなると、陰極10により吸引されるイオンが陰極ロッド10aに衝突する割合が大きくなり、核融合反応に寄与するイオンの量が減少することになる。したがって、陰極10の幾何学的透過率を小さくしすぎることは好ましくない。前述の、90%以上たとえば95%程度の幾何学的透過率は、このような理由による。   On the other hand, when the geometric transmittance is reduced, the rate at which ions attracted by the cathode 10 collide with the cathode rod 10a increases, and the amount of ions contributing to the fusion reaction decreases. Therefore, it is not preferable to make the geometric transmittance of the cathode 10 too small. The above-described geometric transmittance of 90% or more, for example, about 95% is for this reason.

陰極10での核融合反応は、たとえば、次のように、中性子あるいは陽子の発生をもたらす。
D + D → He + n
D + D → T + p
D + T → He + n
ただし、Dは重水素、Tは三重水素、nは中性子、pは陽子、Heはヘリウムを示す。
The fusion reaction at the cathode 10 generates neutrons or protons, for example, as follows.
D + D → 3 He + n
D + D → T + p
D + T → 4 He + n
However, D is deuterium, T is tritium, n is neutron, p is proton, and He is helium.

以上のように、本実施形態によれば、中間電極20に局所電界発生部80として突起部60を設けた簡易な構成により、核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the fusion reaction rate in the fusion neutron generator can be improved with a simple configuration in which the protrusion 60 is provided as the local electric field generator 80 on the intermediate electrode 20.

[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は第1の実施形態の変形であり、核融合中性子発生装置100は、調整電極30を有する。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the fusion neutron generator according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment, and the fusion neutron generator 100 has an adjustment electrode 30.

調整電極30は、円筒形状であり、真空容器1内の加速領域1bの空間に、真空容器1と同軸となるように設けられている。調整電極30の材料は導電性である。調整電極30の幾何学的透過率は、たとえば95%などと90%以上であることが望ましい。このため、調整電極30は、図5に示すように、多孔板の円筒形状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、多孔板であることには限定されない。たとえば、かご状、あるいは網状などであってもよい。真空容器1内の加速領域1bの空間は、調整電極30が設けられていることにより、調整電極30より内側の領域と、調整電極30より外側の領域とに区分される。   The adjustment electrode 30 has a cylindrical shape, and is provided in the space of the acceleration region 1 b in the vacuum vessel 1 so as to be coaxial with the vacuum vessel 1. The material of the adjustment electrode 30 is conductive. The geometric transmittance of the adjusting electrode 30 is desirably 90% or more, for example, 95%. For this reason, the adjustment electrode 30 has a cylindrical shape of a perforated plate as shown in FIG. In addition, in order to ensure geometric transmittance, it is not limited to being a perforated plate. For example, a cage shape or a mesh shape may be used. The space of the acceleration region 1 b in the vacuum vessel 1 is divided into a region inside the adjustment electrode 30 and a region outside the adjustment electrode 30 due to the provision of the adjustment electrode 30.

調整電極30は、調整電極支持部31により支持されている。調整電極支持部31は、真空容器1に取り付けられ真空容器1により支持されている。調整電極支持部31は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、調整電極30と真空容器1の間を電気的に絶縁している。調整電極支持部31の内外に導電性の高電圧導入端子32が貫通しており、調整電極30と電気的に接続しており、調整電極電圧印加部44により電位を与えられる。調整電極支持部31と真空容器1の間、および調整電極支持部31と高電圧導入端子32の間は、気密になっている。   The adjustment electrode 30 is supported by the adjustment electrode support portion 31. The adjustment electrode support portion 31 is attached to the vacuum vessel 1 and supported by the vacuum vessel 1. The adjustment electrode support portion 31 is made of an insulating material such as alumina, for example, and electrically insulates between the adjustment electrode 30 and the vacuum vessel 1. A conductive high voltage introduction terminal 32 penetrates inside and outside of the adjustment electrode support portion 31, is electrically connected to the adjustment electrode 30, and is given a potential by the adjustment electrode voltage application portion 44. The space between the adjustment electrode support 31 and the vacuum vessel 1 and the space between the adjustment electrode support 31 and the high voltage introduction terminal 32 are airtight.

図6は、第2の実施形態に係る核融合中性子発生装置の径方向の電位分布を示すグラフである。破線で示す曲線Aは第1の実施形態の場合、すなわち調整電極が設けられていない場合の電位分布である。実線で示す曲線Cは本実施形態の場合、すなわち調整電極30が設けられている場合の電位分布である。陰極10と中間電極20間の加速領域1bにおける電位分布は、曲線Cの方が曲線Aに比べて、点a1と点a2とを結ぶ直線により近い。すなわち、本実施形態の方が第1の実施形態に比べて電界強度の分布がより平坦であることがわかる。   FIG. 6 is a graph showing the radial potential distribution of the fusion neutron generator according to the second embodiment. A curve A indicated by a broken line is a potential distribution in the case of the first embodiment, that is, in the case where no adjustment electrode is provided. A curve C indicated by a solid line is a potential distribution in the case of the present embodiment, that is, when the adjustment electrode 30 is provided. Regarding the potential distribution in the acceleration region 1b between the cathode 10 and the intermediate electrode 20, the curve C is closer to the straight line connecting the points a1 and a2 than the curve A. That is, it can be seen that the distribution of the electric field intensity is more flat in the present embodiment than in the first embodiment.

このように、陰極10と中間電極20の間に調整電極30を設けることにより、加速領域1b内の電位分布を調整することができる。また、調整電極が1つの場合を示したが、必要に応じて、それぞれの領域を内側と外側とに区切る調整電極をさらに設けてもよい。   Thus, by providing the adjustment electrode 30 between the cathode 10 and the intermediate electrode 20, the potential distribution in the acceleration region 1b can be adjusted. Moreover, although the case where there was one adjustment electrode was shown, you may provide further the adjustment electrode which divides each area | region into the inner side and the outer side as needed.

なお、電位分布の調整は、平坦化には限らず、任意の電位分布を実現するために調整電極30を用いてもよい。   The adjustment of the potential distribution is not limited to flattening, and the adjustment electrode 30 may be used to realize an arbitrary potential distribution.

[第3の実施形態]
図7は、第3の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の中間電極の電位の時間的変化を示すグラフである。本実施形態は第1の実施形態の変形である。本実施形態においては、中間電極電圧印加部43(図1)は、図7に示すように、中間電極20の電位を時間的に正側と負側とに交互に変化させる。ここで、電圧の極性の切り替え時間は、アーク放電を誘起しにくくし、コロナ放電を安定化させるために、短く設定することが望ましい。電圧の極性の切り替え時の立ち上がり、立下り時間は、たとえば、ナノ秒ないしマイクロ秒程度である。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a graph showing temporal changes in the potential of the intermediate electrode in the fusion neutron generator according to the third embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the intermediate electrode voltage application unit 43 (FIG. 1) alternately changes the potential of the intermediate electrode 20 between the positive side and the negative side in terms of time. Here, it is desirable to set the voltage polarity switching time short in order to make it difficult to induce arc discharge and stabilize corona discharge. The rise and fall times when switching the polarity of the voltage are, for example, about nanoseconds to microseconds.

なお、波形は、図7で示すような波形に限らない。正側と負側とに交互に変化する波形であれば、たとえば、三角波、台形波、矩形波、あるいは正弦波などであってもよい。   The waveform is not limited to the waveform shown in FIG. For example, a triangular wave, a trapezoidal wave, a rectangular wave, or a sine wave may be used as long as the waveform changes alternately between the positive side and the negative side.

図8は、第3の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。実線で示す曲線Nは中間電極20の電位が負の場合、破線で示す曲線Pは中間電極20の電位が正の場合を示す。陰極10の電位はV3、陽極である真空容器1の電位は0で固定されている。図9は、電位分布の変形例を示すグラフである。陰極10の電位は、図9に示すように浮遊電位Vnとしてもよい。   FIG. 8 is a graph showing a radial potential distribution in the fusion neutron generator according to the third embodiment. A curve N indicated by a solid line indicates a case where the potential of the intermediate electrode 20 is negative, and a curve P indicated by a broken line indicates a case where the potential of the intermediate electrode 20 is positive. The potential of the cathode 10 is fixed at V3, and the potential of the vacuum vessel 1 as the anode is fixed at 0. FIG. 9 is a graph showing a modification of the potential distribution. The potential of the cathode 10 may be a floating potential Vn as shown in FIG.

中間電極20の電位が正負に変化する場合、加速領域1bにおける電位分布は、図8に示すように左下がりのままである。すなわち、電界はグラフの左方向、すなわち中間電極20から陰極10の方向のままである。一方、イオン生成領域1aにおける電位分布は、図8に示すように右下がりと右上がりを繰り返す。すなわち、グラフの左方向の電界と右方向の電界とを繰り返す。   When the potential of the intermediate electrode 20 changes between positive and negative, the potential distribution in the acceleration region 1b remains to the left as shown in FIG. That is, the electric field remains in the left direction of the graph, that is, in the direction from the intermediate electrode 20 to the cathode 10. On the other hand, the potential distribution in the ion generation region 1a repeats downward and upward as shown in FIG. That is, the electric field in the left direction and the electric field in the right direction of the graph are repeated.

図10は、本実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。まず、陽極電圧印加部41が真空容器1の電圧にゼロ電位を、また、陰極電圧印加部42が陰極10に負電位を付与する(ステップS01)。   FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the fusion neutron generation method according to this embodiment. First, the anode voltage application unit 41 applies a zero potential to the voltage of the vacuum vessel 1, and the cathode voltage application unit 42 applies a negative potential to the cathode 10 (step S01).

次に、中間電極電圧印加部43が、中間電極20に正の電位を付与する(ステップS02)。一般に、正のコロナ放電は、第1の実施形態においての突起部60に負の電位を印加して発生させる負のコロナ放電に比較して、正のイオンがより多く生成される。ここで、正のコロナ放電とは、突起部に正の電位を印加して発生させるコロナ放電を言う。中間電極20に正の電位が与えられると、陽極である真空容器1に対して正の電位となる。局所電界発生部80である突起部60近傍では電界強度が高いため、真空容器1との間で正のコロナ放電が発生する。このため、燃料ガスであるたとえば重水素は、正の重水素イオンとなる。中間電極20に正の電位が印加されている間は、正の重水素イオンは真空容器1の方向に加速される。   Next, the intermediate electrode voltage application unit 43 applies a positive potential to the intermediate electrode 20 (step S02). In general, more positive ions are generated in the positive corona discharge than in the negative corona discharge generated by applying a negative potential to the protrusion 60 in the first embodiment. Here, the positive corona discharge refers to corona discharge generated by applying a positive potential to the protrusion. When a positive potential is applied to the intermediate electrode 20, a positive potential is obtained with respect to the vacuum vessel 1 serving as an anode. Since the electric field strength is high in the vicinity of the protrusion 60 which is the local electric field generator 80, a positive corona discharge is generated between the vacuum vessel 1. For this reason, for example, deuterium as a fuel gas becomes positive deuterium ions. While a positive potential is applied to the intermediate electrode 20, positive deuterium ions are accelerated in the direction of the vacuum container 1.

次に、中間電極電圧印加部43は、中間電極20に負の電位を付与する(ステップS03)。中間電極20が負の電位に転じた後は、電界方向は反転し、正の重水素イオンは中間電極20方向に加速される。なお、次のサイクルで中間電極20が正の電位に転じるとイオン生成領域1a内は再び真空容器1の方向に電界が転じるが、この間に中間電極20を透過して加速領域1bに流入した重水素イオンは、陰極10方向に加速され、陰極10において核融合反応に寄与する。   Next, the intermediate electrode voltage application unit 43 applies a negative potential to the intermediate electrode 20 (step S03). After the intermediate electrode 20 changes to a negative potential, the electric field direction is reversed, and positive deuterium ions are accelerated toward the intermediate electrode 20. In the next cycle, when the intermediate electrode 20 changes to a positive potential, the electric field in the ion generation region 1a changes again in the direction of the vacuum vessel 1, but during this time the heavy electrode that has passed through the intermediate electrode 20 and has flowed into the acceleration region 1b. Hydrogen ions are accelerated toward the cathode 10 and contribute to the fusion reaction at the cathode 10.

次に、中間電極電圧印加部43は、核融合中性子発生装置100による中性子発生の終了か否かを判定し、終了とすべき(ステップS04 YES)であれば終了する。また、終了ではない場合(ステップS04 NO)は、ステップS02以降を繰り返す。終了の判定条件は、中間電極電圧印加部43への外部入力を可能に構成し、終了時刻、開始時刻からの中性子発生時間を予め中間電極電圧印加部43に指定しておくか、あるいは、終了時点となったら、その旨を中間電極電圧印加部43に入力することで行える。   Next, the intermediate electrode voltage application unit 43 determines whether or not the neutron generation by the fusion neutron generator 100 is finished, and if it should be finished (YES in step S04), the process is finished. If it is not the end (NO in step S04), step S02 and subsequent steps are repeated. The termination determination condition is configured such that external input to the intermediate electrode voltage application unit 43 is possible, and the neutron generation time from the end time and start time is specified in the intermediate electrode voltage application unit 43 in advance, or the end When the time comes, this can be done by inputting the fact to the intermediate electrode voltage application unit 43.

このように、中間電極20の電位を正の電位として効率よく燃料ガスの正のイオンをより多く生成させ、中間電極20の電位を負に転じて、生成された正のイオンを陰極10側に収集することにより、核融合反応効率を飛躍的に向上させることができる。   In this way, the potential of the intermediate electrode 20 is set to a positive potential to efficiently generate more positive ions of the fuel gas, the potential of the intermediate electrode 20 is turned negative, and the generated positive ions are moved to the cathode 10 side. By collecting, the fusion reaction efficiency can be dramatically improved.

また、中間電極20の極性を正負に交互に反転させることによって、コロナ放電の生成を安定化させることができる。   In addition, the generation of corona discharge can be stabilized by alternately inverting the polarity of the intermediate electrode 20 between positive and negative.

[第4の実施形態]
図11は、第4の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態における核融合中性子発生装置100は、ガスボンベ53、パルスバルブ54、パルスバルブ制御器55、およびタイミング調節器57を有する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the fusion neutron generator according to the fourth embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The fusion neutron generator 100 in this embodiment includes a gas cylinder 53, a pulse valve 54, a pulse valve controller 55, and a timing adjuster 57.

ガスボンベ53は燃料ガスであるたとえば重水素ガスあるいは三重水素ガスを収納する。パルスバルブ54は、圧力調整弁(図示せず)により減圧調整されたガスボンベ53からの燃料ガスをパルス状に真空容器1に導入する。真空容器1中のイオン生成領域1a内に燃料ガスを浸透できるように、パルスバルブ54の真空容器1への開放部分に図示しないノズルを設けてもよい。   The gas cylinder 53 stores fuel gas such as deuterium gas or tritium gas. The pulse valve 54 introduces the fuel gas from the gas cylinder 53 whose pressure is reduced by a pressure adjusting valve (not shown) into the vacuum vessel 1 in a pulse shape. A nozzle (not shown) may be provided at the open portion of the pulse valve 54 to the vacuum vessel 1 so that the fuel gas can penetrate into the ion generation region 1a in the vacuum vessel 1.

タイミング調節器57は、陰極電圧印加部42、中間電極電圧印加部43、およびパルスバルブ制御器55を介してパルスバルブ54のそれぞれに指令信号を出力し、これらの相互の時間関係を調節する。   The timing adjuster 57 outputs a command signal to each of the pulse valves 54 via the cathode voltage application unit 42, the intermediate electrode voltage application unit 43, and the pulse valve controller 55, and adjusts their mutual time relationship.

図12は、第4の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。また、図13は、パルス動作装置のタイミングチャートと付随反応プロセスの概念的時間変化を示すグラフであり、(a)は放電領域(イオン生成領域)での導入燃料ガス量の時間変化、(b)は中間電極電位の時間変化、(c)は陰極電位の時間変化、(d)は加速領域でのイオン量の時間変化を示す。以下、図12、図13を引用しながら、核融合中性子発生方法の手順および核融合中性子発生装置の作用を説明する。   FIG. 12 is a flowchart showing the procedure of the fusion neutron generation method according to the fourth embodiment. FIG. 13 is a graph showing a timing chart of the pulse operating device and a conceptual time change of the accompanying reaction process. (A) is a time change of the amount of introduced fuel gas in the discharge region (ion generation region). ) Shows the time change of the intermediate electrode potential, (c) shows the time change of the cathode potential, and (d) shows the time change of the ion amount in the acceleration region. Hereinafter, the procedure of the fusion neutron generation method and the operation of the fusion neutron generator will be described with reference to FIGS.

まず、陽極である真空容器1、陰極10、および中間電極20の電位は、ゼロの状態におく(ステップS11)。この状態において、まず、タイミング調節器57は、パルスバルブ54に開指令を出力する。パルスバルブ54は、所定の時間間隔だけ開いた後に閉鎖する(ステップS12)。この結果、図13(a)に示すように、時刻T1から時刻T3までの所定の時間間隔だけイオン生成領域1aに燃料ガスであるたとえば重水素ガスが注入される。図13(a)の縦軸は、イオン生成領域1a内の単位体積当たりの燃料ガス量、すなわち燃料ガスの濃度である。   First, the potentials of the vacuum vessel 1, the cathode 10, and the intermediate electrode 20 that are anodes are set to zero (step S11). In this state, first, the timing adjuster 57 outputs an open command to the pulse valve 54. The pulse valve 54 is opened after a predetermined time interval and then closed (step S12). As a result, as shown in FIG. 13A, for example, deuterium gas, which is a fuel gas, is injected into the ion generation region 1a for a predetermined time interval from time T1 to time T3. The vertical axis | shaft of Fig.13 (a) is the fuel gas amount per unit volume in the ion production area | region 1a, ie, the density | concentration of fuel gas.

詳細には、燃料ガスがイオン生成領域1aに注入されると、イオン生成領域1a内の燃料ガスの濃度は上昇した後、イオン生成領域1aと加速領域1bとの圧力差により、燃料ガスは加速領域1bに移動するため、イオン生成領域1a内の燃料ガスの濃度は低下する。したがって、燃料ガスがイオン生成領域1aに注入されることにより、イオン生成領域1a内の燃料ガスの濃度は、上昇後、ピークに達し、その後低下する。   Specifically, when the fuel gas is injected into the ion generation region 1a, the concentration of the fuel gas in the ion generation region 1a increases, and then the fuel gas accelerates due to the pressure difference between the ion generation region 1a and the acceleration region 1b. Since it moves to the region 1b, the concentration of the fuel gas in the ion generation region 1a decreases. Therefore, when the fuel gas is injected into the ion generation region 1a, the concentration of the fuel gas in the ion generation region 1a reaches a peak after increasing and then decreases.

なお、燃料ガスのイオン生成領域1aへの注入速度は、パルスバルブ54の開時間やその繰り返し周波数をタイミング調節器57からの制御信号により制御する。なお、必要に応じて、ガスボンベ53の図示しない圧力調整弁や、パルスバルブ54の図示しない喉部内径の調整や、ガス圧調整部52の排気速度の調整を同時に行い、イオン生成領域1aを燃料ガスで満たす時間を制御する。パルスバルブ54の設置個数は、出来るだけ短時間でイオン生成領域1aを燃料ガスで満たすという目的から、互いに近接して配置させることが好ましい。   The injection speed of the fuel gas into the ion generation region 1 a is controlled by a control signal from the timing adjuster 57 for the opening time of the pulse valve 54 and its repetition frequency. If necessary, the pressure adjustment valve (not shown) of the gas cylinder 53, the inner diameter of the throat portion (not shown) of the pulse valve 54, and the exhaust speed of the gas pressure adjustment unit 52 are adjusted at the same time, and the ion generation region 1a is made fuel. Control the time to fill with gas. The number of the installed pulse valves 54 is preferably arranged close to each other for the purpose of filling the ion generation region 1a with fuel gas in the shortest possible time.

タイミング調節器57は、パルスバルブ54に開指令を出力すると同時、あるいは出力した後に、中間電極電圧印加部43に中間電極20に負電位を与え、所定時間後に中間電極20にゼロ電位を与えるよう指令信号を出力する(ステップS13)。この所定の時間は、解析、あるいは試験などにより決定すればよい。   The timing adjuster 57 applies a negative potential to the intermediate electrode 20 to the intermediate electrode voltage application unit 43 at the same time or after outputting the opening command to the pulse valve 54, and applies a zero potential to the intermediate electrode 20 after a predetermined time. A command signal is output (step S13). The predetermined time may be determined by analysis or testing.

なお、ステップS12においてイオン生成領域1aが燃料ガスで満たされると、これに応じてイオン生成領域1aの圧力が局部的に上昇する。気体における放電開始電圧の気体の圧力への依存特性は、パッシェン曲線により与えられる。パッシェン曲線は、電極間距離を一定とした場合、圧力の上昇に従って放電開始電圧が低下し、その後、最小値に達した後に上昇するという特性を示す。この最小値を与える圧力は、体系の形状にも依存するが一般に十分に大きい。   In addition, if the ion production area | region 1a is satisfy | filled with fuel gas in step S12, the pressure of the ion production | generation area | region 1a will rise locally according to this. The dependence of the discharge start voltage on the gas pressure on the gas is given by the Paschen curve. The Paschen curve shows the characteristic that when the distance between the electrodes is constant, the discharge start voltage decreases as the pressure increases, and then increases after reaching the minimum value. The pressure giving this minimum value is generally large enough, depending on the geometry of the system.

核融合中性子発生装置の放電における、圧力範囲は一般的にこの最小値を与える圧力よりも低い圧力領域、すなわち圧力の上昇に従って放電開始電圧が低下する領域である。このため、本実施形態においては、圧力の上昇に対して放電開始電圧は低下するという特性となる。したがって、ステップS12でのイオン生成領域1aへの燃料ガスの注入により、イオン生成領域1aの圧力が上昇している間、中間電極20が負電位になっていることが重要である。   In the discharge of the fusion neutron generator, the pressure range is generally a pressure region lower than the pressure giving this minimum value, that is, a region where the discharge start voltage decreases as the pressure increases. For this reason, in this embodiment, it becomes the characteristic that a discharge start voltage falls with a raise of a pressure. Therefore, it is important that the intermediate electrode 20 is at a negative potential while the pressure in the ion generation region 1a is increased by the injection of the fuel gas into the ion generation region 1a in step S12.

このように、イオン生成領域1a内の燃料ガスの濃度がピークに達する前に、図13(b)に示すように、時刻T2から時刻T4までの時間にわたり、中間電極電圧印加部43が、電位がゼロであった中間電極20に負電位を与える。負電位は、たとえば、−10kV程度である。時刻T2は時刻T1ないし燃料ガスの濃度がピークに達する時刻の間のいずれかの時刻に設定される。また、時刻T4は時刻T3ないし時刻T3後の時刻に設定される。中間電極電圧印加部43に負電位が与えられることによって、イオン生成領域1bは放電領域となり、たとえば重水素イオンが高密度で発生する。   In this way, before the concentration of the fuel gas in the ion generation region 1a reaches the peak, as shown in FIG. 13 (b), the intermediate electrode voltage application unit 43 has the potential over the time from time T2 to time T4. A negative potential is applied to the intermediate electrode 20 in which is zero. The negative potential is, for example, about −10 kV. The time T2 is set to any time between the time T1 and the time when the concentration of the fuel gas reaches the peak. Time T4 is set to a time after time T3 to time T3. By applying a negative potential to the intermediate electrode voltage application unit 43, the ion generation region 1b becomes a discharge region, for example, deuterium ions are generated at a high density.

次に、タイミング調節器57は、中間電極20の電位が、負電位からゼロ電位に切り替わる時刻T4に、陰極電圧印加部42に、ゼロであった陰極10に負電位を与え、所定時間後に陰極10にゼロ電位を与えるよう指令信号を出力する(ステップS14)。陰極10は、図13(c)に示すように所定の時間の間、負電位となる。負電位は、たとえば、−100kV程度である。この所定の時間は、解析、あるいは試験などにより決定すればよい。   Next, the timing adjuster 57 applies a negative potential to the cathode 10 that was zero to the cathode voltage application unit 42 at time T4 when the potential of the intermediate electrode 20 switches from a negative potential to a zero potential, and after a predetermined time, A command signal is output so as to apply a zero potential to 10 (step S14). The cathode 10 has a negative potential for a predetermined time as shown in FIG. The negative potential is, for example, about −100 kV. The predetermined time may be determined by analysis or testing.

この結果、加速領域1bに、陽極である真空容器1と陰極10の外面とで挟まれる円環状の空間領域、すなわち、イオン生成領域1aおよび加速領域1bには、電界が生ずる。この電界により、イオン生成領域1aおよび加速領域1bには、中性の残留ガスが低減された状態でイオン加速がなされる領域となり、高効率で重水素イオンが高エネルギーに加速される作用が得られる。加速領域1bにおける単位体積当たりのイオン量は、図13(d)のように変化する。   As a result, an electric field is generated in the acceleration region 1b in the annular space region sandwiched between the vacuum vessel 1 serving as the anode and the outer surface of the cathode 10, that is, the ion generation region 1a and the acceleration region 1b. By this electric field, the ion generation region 1a and the acceleration region 1b become regions where ion acceleration is performed in a state where the neutral residual gas is reduced, and the deuterium ions are accelerated to high energy with high efficiency. It is done. The amount of ions per unit volume in the acceleration region 1b changes as shown in FIG.

次に、タイミング調節器57は、核融合中性子発生装置100による中性子発生の終了か否かを判定し、終了とすべき(ステップS15 YES)であれば終了する。また、終了ではない場合(ステップS15 NO)は、ステップS12以降を繰り返す。   Next, the timing adjuster 57 determines whether or not the neutron generation by the fusion neutron generator 100 is finished, and if it should be finished (step S15 YES), the timing regulator 57 is finished. If the process is not finished (NO in step S15), the processes in and after step S12 are repeated.

以上のように、本実施形態により、イオンの生成とイオンの加速を、空間的および時間的に分離することにより、核融合反応率の向上を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the fusion reaction rate by separating the generation of ions and the acceleration of ions spatially and temporally.

なお、本実施形態では、陰極10および中間電極20への印加電圧をそれぞれ負の電圧としたが、これには限定されない。陰極10および中間電極20への印加電圧をそれぞれ正の電圧としてもよく、同様の効果が得られる。また、イオン生成領域1aにおける放電も、コロナ放電には限定されない。たとえば、グロー放電でもよく、同様の効果が得られる。   In the present embodiment, the voltage applied to the cathode 10 and the intermediate electrode 20 is a negative voltage, but the present invention is not limited to this. The applied voltage to the cathode 10 and the intermediate electrode 20 may be a positive voltage, and the same effect can be obtained. Further, the discharge in the ion generation region 1a is not limited to the corona discharge. For example, glow discharge may be used, and the same effect can be obtained.

[第5の実施形態]
図14は、第5の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態による核融合中性子発生装置100は、局所電界発生部80である光入射装置をさらに有する。また、パルスバルブ54は、陽極である真空容器1の側壁に互いに軸方向および周方向に沿って互いに間隔をあけて複数設けられており、全てのパルスバルブ54が同時に開くことにより、それぞれの開放口に設けられた図示しないノズルからイオン生成領域1a内に一様に燃料ガスが噴霧される。
[Fifth Embodiment]
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the fusion neutron generator according to the fifth embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The fusion neutron generator 100 according to the present embodiment further includes a light incident device that is the local electric field generator 80. In addition, a plurality of pulse valves 54 are provided on the side wall of the vacuum vessel 1 serving as an anode at intervals from each other along the axial direction and the circumferential direction. Fuel gas is uniformly sprayed into the ion generation region 1a from a nozzle (not shown) provided in the mouth.

光入射装置は、真空容器1中のイオン発生領域1aに局所的な電場を形成させるために光のエネルギーを入射させる。局所的な電場を効率的に形成できるものとしては、具体的には、レーザ装置70がある。なお、局所的な電場を形成できるエネルギーをイオン発生領域1aに付与できれば、光入射装置は、レーザ装置に限らない。以下、レーザ装置を例に説明する。   The light incident device makes light energy incident on the ion generation region 1 a in the vacuum vessel 1 in order to form a local electric field. Specifically, there is a laser device 70 that can efficiently form a local electric field. In addition, if the energy which can form a local electric field can be provided to the ion generation area | region 1a, a light-injection apparatus will not be restricted to a laser apparatus. Hereinafter, a laser device will be described as an example.

レーザ装置70は、パルスレーザ発信器71、部分反射ミラー72、レンズ73、およびミラー74を有する。   The laser device 70 includes a pulse laser transmitter 71, a partial reflection mirror 72, a lens 73, and a mirror 74.

パルスレーザ発信器71は、パルス状にレーザを出力する。レーザとしては炭酸ガスレーザ、窒素ガスレーザ、Nd:YAG(Yttrium Aliminum Garnet)レーザ、ルビーレーザ、OPO(Optical Parameter Oscillation)レーザ、チタンサファイヤレーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ等が適用できる。レーザパルスは、たとえば、ナノ秒Nd:YAGレーザ、フェムト秒レーザなどのパルス幅が1μs以下の短いものが効率的であり望ましい。   The pulse laser transmitter 71 outputs a laser in pulses. As the laser, a carbon dioxide laser, a nitrogen gas laser, an Nd: YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser, a ruby laser, an OPO (Optical Parameter Oscillation) laser, a titanium sapphire laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like can be applied. A laser pulse having a short pulse width of 1 μs or less, such as a nanosecond Nd: YAG laser or a femtosecond laser, is desirable because it is efficient.

部分反射ミラー72は、入射したレーザ光を透過成分と反射成分とに分離する。レンズ73は、凸レンズであり入射したレーザ光を集光する。ミラー74は、入射したレーザ光を反射させる。   The partial reflection mirror 72 separates the incident laser light into a transmission component and a reflection component. The lens 73 is a convex lens and condenses incident laser light. The mirror 74 reflects the incident laser light.

タイミング調節器57は、ガスボンベ53、陰極電圧印加部42、中間電極電圧印加部43、パルスバルブ制御器55およびパルスレーザ発信器71に、それぞれの相互のタイミングを調整するように動作指令信号を発する。   The timing adjuster 57 issues an operation command signal to the gas cylinder 53, the cathode voltage application unit 42, the intermediate electrode voltage application unit 43, the pulse valve controller 55, and the pulse laser transmitter 71 so as to adjust the respective timings. .

以下、このように構成された本実施形態における作用のうち、レーザ装置70による作用について説明する。まず、タイミング調節器57は、各パルスバルブ54に開指令を出力する。各パルスバルブ54が開くことによって、ガスボンベ53から燃料ガスがイオン生成領域1aに注入される。また、タイミング調節器57は、各パルスバルブ54が開くと同時に、あるいは直後にレーザ装置70にレーザ照射を指令する。   Hereinafter, the operation of the laser device 70 among the operations in the present embodiment configured as described above will be described. First, the timing adjuster 57 outputs an open command to each pulse valve 54. When each pulse valve 54 is opened, fuel gas is injected from the gas cylinder 53 into the ion generation region 1a. The timing adjuster 57 instructs the laser device 70 to perform laser irradiation at the same time as or immediately after the opening of each pulse valve 54.

パルスレーザ発信器71より出力したパルスレーザ光は、部分反射ミラー72で方向を変えた後に、レンズ73により集光され、また、ミラー74により、燃料ガスに集光照射される。燃料ガスの分子は、レーザによる共鳴励起あるいは多光子吸収により電離され、プラズマ化することによって、イオン生成する。   The pulse laser beam output from the pulse laser transmitter 71 is changed in direction by the partial reflection mirror 72, then condensed by the lens 73, and focused on the fuel gas by the mirror 74. The fuel gas molecules are ionized by resonance excitation by laser or multiphoton absorption, and are ionized to generate plasma.

パルスバルブ54の開放タイミング、中間電極20の高電圧印加タイミング、レーザ装置70の照射タイミングは、タイミング調節器57により調整する。タイミング調節器57としては、例えば少なくとも3種以上のタイミングが異なるパルスを発生させることができるパルスジェネレータなどがある。   The timing adjuster 57 adjusts the opening timing of the pulse valve 54, the high voltage application timing of the intermediate electrode 20, and the irradiation timing of the laser device 70. Examples of the timing adjuster 57 include a pulse generator that can generate at least three types of pulses having different timings.

図15は、第5の実施形態に係る核融合中性子発生装置での発光強度および放出された燃料ガス量の時間変化を示すグラフであり、(a)はブレイクダウンプラズマの一般的な発光特性、(b)は放出された燃料ガス量の時間変化を示す。図15(a)に示すように、パルスレーザのパルス幅は、たとえば、Nd:YAGレーザでは10ns程度であり、燃料ガスの種類や燃料ガスの密度にもよるがプラズマの発光時間は数10μsに及ぶ。すなわちレーザ照射終了後もプラズマは成長を続け、数10μsを過ぎると減衰する。   FIG. 15 is a graph showing temporal changes in emission intensity and emitted fuel gas amount in the fusion neutron generator according to the fifth embodiment, and (a) is a general emission characteristic of breakdown plasma, (B) shows the time change of the amount of released fuel gas. As shown in FIG. 15A, the pulse width of the pulse laser is, for example, about 10 ns for the Nd: YAG laser, and the plasma emission time is several tens μs depending on the type of fuel gas and the density of the fuel gas. Reach. That is, the plasma continues to grow even after the laser irradiation ends, and attenuates after several tens of μs.

したがって、図15(b)に示すように、プラズマ継続時間に合わせて適切にパルスバルブ54の開放時間を設定することによって、効率よくイオンを生成させることができる。   Therefore, as shown in FIG. 15B, ions can be efficiently generated by appropriately setting the opening time of the pulse valve 54 in accordance with the plasma duration time.

なお、本実施形態においては、局所電界発生部80としての突起部60に加えて、局所電界発生部80としてのレーザ装置70をさらに有することにより、イオン生成領域1aにおいてのイオン生成効率をさらに向上させる場合を示したが、これには限定されない。すなわち、局所電界発生部80としてレーザ装置70のみを設ける場合でもよい。   In the present embodiment, in addition to the protrusion 60 as the local electric field generator 80, the laser device 70 as the local electric field generator 80 is further provided, thereby further improving the ion generation efficiency in the ion generation region 1a. However, the present invention is not limited to this. That is, only the laser device 70 may be provided as the local electric field generator 80.

[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、各実施形態では、真空容器の形状が円筒形の場合を示したが、これには限定されない。たとえば、球形あるいは多面体形状でもよい。この場合、中間電極および追加電極の形状も、それぞれの真空容器の形状とその中心の間の位置に電位を設定するのに適切な形状、たとえば、真空容器と相似な形状とすればよい。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. For example, in each embodiment, although the case where the shape of the vacuum vessel was cylindrical was shown, it is not limited to this. For example, it may be spherical or polyhedral. In this case, the shape of the intermediate electrode and the additional electrode may be an appropriate shape for setting a potential at a position between the shape of each vacuum vessel and its center, for example, a shape similar to the vacuum vessel.

真空容器の材料についても、各実施形態においては、導電性の物質を材料とする場合を示したが、これには限定されず、ガラスあるいはセラミックなどの絶縁性の物質の場合でもよい。この場合は、真空容器の内面に導電性の材料を用いた陽極を設け、真空容器を気密に貫通し陰極電圧印加部に接続するリード線を設ければよい。   Regarding the material of the vacuum vessel, in each embodiment, the case of using a conductive substance as a material has been described. However, the present invention is not limited to this, and an insulating substance such as glass or ceramic may be used. In this case, an anode using a conductive material may be provided on the inner surface of the vacuum vessel, and a lead wire penetrating the vacuum vessel hermetically and connected to the cathode voltage application unit may be provided.

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第4の実施形態による核融合中性子発生方法では、局所電界発生部80としては突起部60が設けられている場合であるが、これには限定されない。すなわち、第4の実施形態による核融合中性子発生方法と第5の実施形態によるレーザ装置を組み合わせた実施形態でもよい。   Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. For example, in the fusion neutron generation method according to the fourth embodiment, the local electric field generator 80 is provided with the protrusion 60, but is not limited thereto. That is, an embodiment in which the fusion neutron generation method according to the fourth embodiment and the laser apparatus according to the fifth embodiment are combined may be used.

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。   Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention.

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…真空容器、1a…イオン生成領域、1b…加速領域、10…陰極、10a…陰極ロッド、11…陰極支持部、12…高電圧導入端子、20…中間電極、21…中間電極支持部、22…高電圧導入端子、30…調整電極、31…調整電極支持部、32…高電圧導入端子、40…電圧印加部、41…陽極電圧印加部、42…陰極電圧印加部、43…中間電極電圧印加部、44…調整電極電圧印加部、50…燃料ガス供給部、52…ガス圧調整部、53…ガスボンベ、54…パルスバルブ、55…パルスバルブ制御器、57…タイミング調節器、60…突起部、70…レーザ装置、71…パルスレーザ発信器、72…部分反射ミラー、73…レンズ、74…ミラー、80…局所電界発生部、100…核融合中性子発生装置   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container, 1a ... Ion production | generation area | region, 1b ... Acceleration area | region, 10 ... Cathode, 10a ... Cathode rod, 11 ... Cathode support part, 12 ... High voltage introduction terminal, 20 ... Intermediate electrode, 21 ... Intermediate electrode support part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ... High voltage introduction terminal, 30 ... Adjustment electrode, 31 ... Adjustment electrode support part, 32 ... High voltage introduction terminal, 40 ... Voltage application part, 41 ... Anode voltage application part, 42 ... Cathode voltage application part, 43 ... Intermediate electrode Voltage application unit 44 ... Adjusting electrode voltage application unit 50 ... Fuel gas supply unit 52 ... Gas pressure adjusting unit 53 ... Gas cylinder 54 ... Pulse valve 55 ... Pulse valve controller 57 ... Timing controller 60 ... Projection part, 70 ... laser device, 71 ... pulse laser transmitter, 72 ... partial reflection mirror, 73 ... lens, 74 ... mirror, 80 ... local electric field generator, 100 ... fusion neutron generator

Claims (10)

燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生装置であって、
大気圧より低い状態で用いられる密閉容器である真空容器と、
前記真空容器の中心近傍に前記真空容器とは電気的に絶縁されるように設けられて内部に空間が形成され前記真空容器内の流体が透過可能な陰極と、
前記真空容器内の前記陰極の外側に前記真空容器および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記真空容器内の前記陰極の外側の空間を内側の加速領域と外側のイオン生成領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な中間電極と、
前記真空容器を接地電位とし、前記陰極に負電位、前記中間電極に負または正の電位を生じさせる電圧印加部と、
前記イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部と、
前記燃料ガスを前記真空容器内に供給する燃料ガス供給部と、
を備えることを特徴とする核融合中性子発生装置。
A fusion neutron generator that ionizes fuel gas and generates neutrons by a fusion reaction,
A vacuum vessel which is a sealed vessel used in a state lower than atmospheric pressure;
A cathode provided in the vicinity of the center of the vacuum vessel so as to be electrically insulated from the vacuum vessel, a space is formed therein, and a fluid in the vacuum vessel is permeable;
The vacuum vessel and the cathode are provided outside the cathode in the vacuum vessel so as to be electrically insulated from each other, and the space outside the cathode in the vacuum vessel is formed in the inner acceleration region and the outer ion generation. An intermediate electrode that is divided into regions and is permeable to fluid in the vacuum vessel;
A voltage application unit for setting the vacuum vessel to a ground potential, generating a negative potential on the cathode, and a negative or positive potential on the intermediate electrode;
A local electric field generator for generating a local electric field in a part of the ion generation region;
A fuel gas supply unit for supplying the fuel gas into the vacuum vessel;
A fusion neutron generator characterized by comprising:
前記真空容器内に前記真空容器、前記中間電極および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記中間電極と前記陰極との間の空間をさらに内側領域と外側領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な少なくとも一つの調整電極をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の核融合中性子発生装置。   The vacuum vessel, the intermediate electrode, and the cathode are provided in the vacuum vessel so as to be electrically insulated, and the space between the intermediate electrode and the cathode is further divided into an inner region and an outer region. The fusion neutron generator according to claim 1, further comprising at least one adjustment electrode through which the fluid in the vacuum vessel can pass. 前記局所電界発生部は、前記中間電極に取り付けられ前記中間電極と電気的に結合して前記中間電極から前記真空容器側に突出した複数の突起部を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の核融合中性子発生装置。   2. The local electric field generator includes a plurality of protrusions attached to the intermediate electrode and electrically coupled to the intermediate electrode and protruding from the intermediate electrode toward the vacuum vessel. Item 3. The fusion neutron generator according to Item 2. 前記局所電界発生部は、前記イオン生成領域に光照射可能な光入射装置を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。   The fusion neutron generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the local electric field generator includes a light incident device capable of irradiating the ion generation region with light. 前記光入射装置は、レーザ装置であることを特徴とする請求項4に記載の核融合中性子発生装置。   The fusion light neutron generator according to claim 4, wherein the light incident device is a laser device. 前記電圧印加部は、前記中間電極に、周期的に変化する電位を印加可能であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。   The fusion neutron generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the voltage application unit is capable of applying a periodically changing potential to the intermediate electrode. 前記燃料ガス供給部は、
前記イオン生成領域に前記燃料ガスをパルス状に供給可能なパルスバルブと、
前記パルスバルブによる前記燃料ガスの放出時点と前記電圧印加部が電圧を印加する時点とを調整するタイミング調節器と、
を有することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。
The fuel gas supply unit
A pulse valve capable of supplying the fuel gas in a pulsed manner to the ion generation region;
A timing adjuster that adjusts the time point at which the fuel gas is released by the pulse valve and the time point at which the voltage application unit applies voltage;
The fusion neutron generator according to any one of claims 1 to 6, characterized by comprising:
前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガスに、前記燃料ガスよりもイオン化ポテンシャルの低いガスを混合したガスを供給することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。   The nucleus according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel gas supply unit supplies a gas in which a gas having a lower ionization potential than the fuel gas is mixed with the fuel gas. Fusion neutron generator. 供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、
陽極である真空容器の電位をゼロ、陰極の電位を負の状態とする初期設定ステップと、
中間電極電圧印加部が中間電極に正の電位を与える中間電極正電圧発生ステップと、
次に中間電極電圧印加部が中間電極に負の電位を与える中間電極負電圧発生ステップと、
中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記中間電極正電圧発生ステップ以下を繰り返すことを特徴とする核融合中性子発生方法。
A fusion neutron generation method that ionizes supplied fuel gas and generates neutrons by a fusion reaction,
An initial setting step in which the potential of the vacuum vessel serving as the anode is zero and the potential of the cathode is in a negative state;
An intermediate electrode positive voltage generating step in which the intermediate electrode voltage application unit applies a positive potential to the intermediate electrode;
Next, an intermediate electrode negative voltage generation step in which the intermediate electrode voltage application unit applies a negative potential to the intermediate electrode,
A fusion neutron generation method characterized by determining whether or not neutron generation has ended, and repeating the intermediate electrode positive voltage generation step and subsequent steps if it has not ended.
供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、
陽極である真空容器、陰極、および中間電極の電位を、ゼロの状態とする初期設定ステップと、
タイミング調節器が、パルスバルブに所定の時間、開指令を出力するパルスバルブ開ステップと、
タイミング調節器が、中間電極電圧印加部に、中間電極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する中間電極電圧発生ステップと、
タイミング調節器が、陰極電圧印加部に、陰極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する陰極電圧発生ステップと、
中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記パルスバルブ開ステップ以下を繰り返すことを特徴とする核融合中性子発生方法。
A fusion neutron generation method that ionizes supplied fuel gas and generates neutrons by a fusion reaction,
An initial setting step in which the potentials of the vacuum vessel, the cathode, and the intermediate electrode, which are anodes, are set to zero;
A pulse valve opening step in which the timing controller outputs an opening command to the pulse valve for a predetermined time; and
An intermediate electrode voltage generation step in which a timing adjuster outputs a command to the intermediate electrode voltage application unit to apply a negative potential to the intermediate electrode for a predetermined time;
A cathode voltage generation step in which a timing controller outputs a command to the cathode voltage application unit to apply a negative potential to the cathode for a predetermined time; and
A fusion neutron generation method characterized by determining whether or not neutron generation has ended, and repeating the pulse valve opening step and subsequent steps if it has not ended.
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