イオン発生装置および中性子発生装置
【課題】単位時間当たりの中性子発生量を増加することができるイオン発生装置および中性子発生装置を提供すること。
【解決手段】中性子発生装置１は、イオン発生装置２を備え、このイオン発生装置２は、重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管２１と、イオン発生管２１の外部に配置され、このイオン発生管２１に磁界を発生させる磁石２３と、イオン発生管２１の外部に配置され、このイオン発生管２１に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナ２２と、プラズマ発生用アンテナ２２に高周波電力を供給する高周波電源２４と、を備える。高周波電源２４は、イオン発生管２１においてプラズマの非定常状態を繰り返し発生するように、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力をパルス制御して供給する。
【解決手段】中性子発生装置１は、イオン発生装置２を備え、このイオン発生装置２は、重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管２１と、イオン発生管２１の外部に配置され、このイオン発生管２１に磁界を発生させる磁石２３と、イオン発生管２１の外部に配置され、このイオン発生管２１に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナ２２と、プラズマ発生用アンテナ２２に高周波電力を供給する高周波電源２４と、を備える。高周波電源２４は、イオン発生管２１においてプラズマの非定常状態を繰り返し発生するように、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力をパルス制御して供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン発生装置および中性子発生装置に関し、さらに詳しくは、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させるイオン発生装置および重水素または三重水素の核融合反応により中性子を発生する中性子発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１，２に示すように、重水素イオンビームまたは三重水素イオンビームを重水素または三重水素を吸蔵したターゲットに照射し、重水素または三重水素の核融合反応により中性子を発生させる中性子発生装置がある。この中性子発生装置が発生した中性子が検出対象物に衝突すると、この検出対象物からγ線が放射される。この放射されたγ線の種類や強度によって、検出対象物を特定することができる。従って、この中性子発生装置は、石油等の地下資源の探査や、地雷や空港での手荷物中の火薬等の検査、治療用中性子源などに幅広く利用されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３１２２０８１号公報
【特許文献２】特開平１１−１３１１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、検出対象物が放出するγ線を確実にかつ短時間に検出するためには、この検出対象物に衝突する中性子の量を増加することが必要である。しかしながら、上記従来の特許文献１，２に示す中性子発生装置では、重水素−重水素反応の場合、中性子発生量が毎秒１０の６乗個程度が上限であった。これは、重水素イオン（三重水素イオン）を発生するイオン発生装置から引き出されるイオンの数、すなわちイオン電流が低いことが要因の１つとしてあげられていた問題であった。なお、重水素−三重水素反応の場合における中性子発生量は、毎秒１０の８乗個程度であった。
【０００５】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができるイオン発生装置および中性子発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるイオン発生装置では、重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管と、前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に磁界を発生させる磁石と、前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナと、前記プラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、を備えるイオン発生装置において、前記高周波電源は、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるように、前記プラズマ発生用アンテナに、高周波電力を供給することを特徴とする。
【０００７】
また、この発明では、前記高周波電源は、前記プラズマ発生用アンテナに、間欠的に高周波電力を供給し、かつ１回の高周波電力を供給する期間を前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とすることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、例えば、１回の高周波電力を供給する期間をイオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とし、間欠的にプラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給することで、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるようにし、単位時間当たりにプラズマ生成時の非定常状態を多くイオン発生管に発生させることができる。ここで、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値は、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高いものである。従って、単位時間当たりにプラズマの非定常状態を多くイオン発生管に発生・維持させることで、プラズマの定常状態をイオン発生管に保持させた場合よりも、イオン電流よりも増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【０００９】
また、この発明によれば、プラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させるので、プラズマの定常状態を発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させる場合と比較して、イオン発生装置に発生する熱を著しく減少させることができる。従って、イオン発生装置に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をさらに増加させることができる。
【００１０】
また、この発明では、前記イオン発生管は、内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。
【００１１】
この発明よれば、イオン発生管の内径Ｄを小さくするので、イオン発生管に発生する熱による応力を減少させることができる。従って、イオン発生管の損傷を抑制することができる。
【００１２】
また、イオン発生管の内径Ｄを小さくするので、プラズマ発生用アンテナによりイオン発生管に発生させる電界の強度を増加することができる。従って、イオン発生管の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をさらに増加することができる。
【００１３】
また、この発明にかかる中性子発生装置では、上記イオン発生装置と、前記イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給する原料ガス供給装置と、前記イオン発生装置に対向して配置され、かつ重水素または三重水素を吸蔵したターゲットと、前記イオン発生装置と前記ターゲットとの間に配置され、かつ加速電源により電圧が印加された加速電極を有する加速装置と、前記加速装置内を真空にする真空排気装置と、前記イオン発生装置と前記加速装置との間に配置され、引き出し電源により電圧が印加された引き出し電極と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、上述のように、単位時間当たりのイオン電流を増加することができるので、ターゲットに衝突する重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することにより、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【００１５】
また、この発明では、前記引き出し電源は、前記イオン発生管の内径Ｄが小さくなるほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする。
【００１６】
また、この発明では、前記引き出し電源は、前記高周波電力が増加するほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする。
【００１７】
これらの発明では、イオン発生装置に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの増加に応じて、引き出し電圧を増加する。従って、増加した重水素イオンまたは三重水素イオンを効率良くイオン発生装置から引き出すことができる。これにより、単位時間当たりの中性子発生量を確実に増加することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明にかかるイオン発生装置および中性子発生装置は、イオン発生管にプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるので、単位時間当たりのイオン電流を増加することができ、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２０】
図１は、この発明にかかるイオン発生装置を備える中性子発生装置の構成例を示す図である。図２は、高周波電力の供給方法を示す図である。図３は、プラズマの非定常状態を示す図である。図４は、イオン電流と引き出し電圧との関係を示す図である。
【００２１】
中性子発生装置１は、図１に示すように、イオン発生装置２と、原料ガス供給装置３と、加速装置４と、真空排気装置５と、引き出し電極６と、引き出し電源７とにより構成されるものである。この中性子発生装置１は、例えば地面１００に埋め込まれている石油等の地下資源や、地雷などの爆発物などの検出対象物２００に中性子を衝突させるものである。なお、検出対象物２００に中性子が衝突し、この検出対象物２００から放出されたγ線を検出する検出装置は、この中性子発生装置１と一体に構成されても良いし、別個に構成しても良い。
【００２２】
イオン発生装置２は、重水素または三重水素からプラズマを発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを生成するものである。このイオン発生装置２は、イオン発生管２１と、磁石２２と、プラズマ発生用アンテナ２３と、ＲＦ電源２４とにより構成されている。
【００２３】
イオン発生管２１は、原料ガス供給装置３から重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるものであり、この重水素ガスまたは三重水素ガスを充填し、プラズマを発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを生成するものである。このイオン発生管２１は、円筒形状であり、一方の端部が原料ガス供給装置３と接続され、他方の端部が引き出し電極６を介して加速装置４と接続されている。なお、このイオン発生管２１の長さ（軸方向長さ）は、特に規定しないが、中性子発生装置１の小型化を考慮すると３００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
このイオン発生管２１の内径Ｄは、１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。このイオン発生管２１の内径Ｄが１５ｍｍ未満であると、原料ガス供給装置３から重水素ガスまたは三重水素ガスが供給され難くなり、イオン発生管２１の内部を重水素ガスまたは三重水素ガスにより十分に充填することが困難となるためである。また、このイオン発生管２１の内径Ｄが２５ｍｍを超えると、プラズマ発生用アンテナ２３によりイオン発生管２１に発生させる電界の強度を増加することが困難となるためである。なお、イオン発生管２１の内径Ｄは、１８ｍｍ以上２２５ｍｍ以下の範囲であることがさらに好ましい。
【００２５】
磁石２３は、イオン発生管２１に磁界を発生させるものである。この磁石２３は、イオン発生管２１の外部に配置されている。この実施例では、磁石２３は、永久磁石であり、イオン発生管２１の外周を覆うように配置されている。なお、この磁石２３は、電磁石などであっても良い。
【００２６】
プラズマ発生用アンテナ２３は、ＲＦ電源２４から供給された高周波電力により、イオン発生管２１に電界を発生させるものである。このプラズマ発生用アンテナ２３は、イオン発生管２１の外部に配置されている。この実施例では、プラズマ発生用アンテナ２３は、ヘリコン波アンテナであり、イオン発生管２１と磁石２３との間に、このイオン発生管２１の外周を覆うように配置されている。
【００２７】
ＲＦ電源２４は、高周波電源であり、プラズマ発生用アンテナ２３に高周波電力を供給するものである。ここで、高周波電力とは、プラズマ発生用アンテナ２３に供給することで、この実施例ではヘリコン波を発生することができる周波数である。例えば、数〜十数ＭＨＺで数ＫＷの高周波電力である。この実施例では、このＲＦ電源２４は、図２に示すように、高周波電力をパルス制御して、プラズマ発生用アンテナ２３に供給する。つまり、ＲＦ電源２４は、間欠的に高周波電力をプラズマ発生用アンテナ２３に供給する。
【００２８】
原料ガス供給装置３は、イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給するものである。この原料ガス供給装置３は、原料ガスタンク３１と、ガス供給調整バルブ３２と、供給管３３とにより構成されている。
【００２９】
原料ガスタンク３１は、イオン源となる重水素ガスまたは三重水素ガスを貯留するものである。この原料ガスタンク３１は、供給管３３を介してイオン発生管２１に接続されている。
【００３０】
ガス供給調整バルブ３２は、イオン発生管２１に供給される重水素ガスまたは三重水素ガスの供給量を調整するものである。このガス供給調整バルブ３２は、供給管３３の途中に設けられている。ガス供給調整バルブ３２により、供給量を調整することにより、イオン発生管２１の内部をプラズマが発生しやすい濃度とすることができる。
【００３１】
加速装置４は、イオン発生装置２により発生した重水素イオンまたは三重水素イオンを加速して重水素イオンビームまたは三重水素イオンビームとするものである。この加速装置４は、金属管４１と、加速電極４２と、加速電源４３と、分岐管４４とにより構成されている。
【００３２】
金属管４１は、円筒形状であり、一方の端部が引き出し電極６を介してイオン発生管２１に接続され、他方の端部が閉塞されている。この金属管４１には、加速電極４２とターゲット８が収納されている。
【００３３】
加速電極４２は、電圧が印加されることで、イオン発生管２１から金属管４１内に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンを加速するものである。この加速電極４２は、円筒形状であり、イオン発生装置２とターゲット８との間に配置される。
【００３４】
加速電源４３は、加速電極４２に電圧を印加するものである。この電圧は、例えば数百ＫＶ程度である。また、その極性は、重水素イオンまたは三重水素イオンをイオン発生装置側からターゲット側に向かって加速させることができる極性である。つまり、加速電源４３により加速電極４２に電圧が印加されると、金属管４１内に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンは、この金属管４１内をターゲット８に向かって加速される。
【００３５】
分岐管４４は、一方の端部が真空排気装置５と接続されており、他方の端部が金属管４１と連通している。
【００３６】
真空排気装置５は、上記加速装置４内を真空にするものである。この真空排気装置５は、例えば図示しない排気ポンプなどにより構成されている。この図示しない排気ポンプを駆動することで、金属管４１内の気体が排気され、真空となる。なお、真空排気装置５は、金属管４１に接続されているイオン発生管２１も真空とすることができる。
【００３７】
引き出し電極６は、電圧が印加されることで、イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４に引き出すものである。この引き出し電極６は、イオン発生装置２と加速装置４との間に配置される。
【００３８】
引き出し電源７は、引き出し電極６に電圧を印加するものである。この電圧は、例えば数〜十数ＫＶ程度である。また、その極性は、重水素イオンまたは三重水素イオンをイオン発生装置から加速装置側に向かって移動させることができる極性である。つまり、引き出し電源７により引き出し電極６に電圧が印加されると、イオン発生管２１内に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンがイオン発生管２１から加速装置４に引き出される。
【００３９】
次に、この発明にかかるイオン発生装置２を備える中性子発生装置１の動作について説明する。まず、原料ガス供給装置３からイオン発生装置２に重水素または三重水素を供給する。このとき、真空排気装置５が駆動されており、加速装置４の金属管４１およびイオン発生管２１は、真空となっている。従って、原料ガスタンク３１内の重水素または三重水素は、ガス供給調整バルブ３２を開弁することで、この供給管３３により供給量が調整された状態で、イオン発生管２１に供給される。
【００４０】
次に、イオン発生管２１に供給された重水素または三重水素からプラズマを発生させる。プラズマは、磁石２２がイオン発生管２１に発生させる磁界およびＲＦ電源２４により高周波電力が供給されたプラズマ発生用アンテナ２３がイオン発生管２１に発生させる電界の力により、イオン発生管２１内の電子を高速運動させることで発生するものである。
【００４１】
ここで、このＲＦ電源２４は、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生できるように、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力を供給する。イオン発生管２１に発生するプラズマは、図３に示すように、非定常状態と定常状態（同図点線）とが存在する。プラズマ生成時の非定常状態は、プラズマ生成時の過渡的な応答であり、定常状態と比較して、最大イオン電流値が高い。つまり、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値は、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高いものである。ＲＦ電源２４は、同図に示すように、１回の高周波電力を供給する期間をこのプラズマ生成時の非定常状態が発生・保持することができる期間となるように、高周波電力をパルス制御して、プラズマ発生用アンテナ２２に供給する。具体的には、ＲＦ電源２４は、図２に示すように、高周波電力のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すためのパルス周波数と、１周期Ｔに対して高周波電力を供給する期間ｔの比であるパルスデューティーｔ／Ｔ×１００（％）とを調整することで、高周波電力を供給する期間ｔがプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間となるようにする。従って、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態がパルス周波数に応じて繰り返し発生する。つまり、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高い最大イオン電流値となるプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間をイオン発生管２１において単位時間当たりに多く発生させることができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をプラズマの定常状態をイオン発生管２１に保持させた場合よりも増加することができ、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４２】
ここで、イオン発生管２１においてプラズマの定常状態を保持させる期間が長ければ長いほど、イオン発生装置２、特にイオン発生管２１に発生する熱が増加する。しかしながら、この発明にかかるイオン発生装置２では、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間を繰り返し発生させるので、プラズマの定常状態を保持させる場合と比較して、イオン発生装置２に発生する熱を著しく減少させることができる。従って、イオン発生装置２に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４３】
なお、高周波電力を供給する期間ｔは、プラズマ生成時の非定常状態の期間と同一あるいは、ほぼ同一であることが好ましい。つまり、ＲＦ電源２４が高周波電力を供給する期間ｔの間、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力を供給することで、イオン発生管２１においてプラズマの定常状態が保持されないことが好ましい。
【００４４】
また、イオン発生管２１の内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であるため、内径Ｄが２５ｍｍを超えるイオン発生管と比べて、高周波電力が印加されたプラズマ発生用アンテナ２２によって、イオン発生管２１に発生させる電界の強度を増加することができる。従って、このイオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４５】
また、内径Ｄが２５ｍｍを超えるイオン発生管と比べて、イオン発生管２１に発生する熱による応力を減少することができる。従って、イオン発生管２１の損傷を抑制することができる。また、イオン発生管２１の内径Ｄが小さくなればなるほど、熱による応力を減少することができるので、イオン発生装置２に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４６】
次に、イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４に引き出す。ここでは、引き出し電源７により、引き出し電極６に電圧を印加する。イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンが電圧が印加された引き出し電極６に引き寄せられ、イオン発生管２１から加速装置４へ引き出される。ここで、イオン発生管２１に密度の低いプラズマや、少ないプラズマしか発生しなければ、すなわち引き出せる重水素イオンまたは三重水素イオンが少なければ、引き出し電極の電圧を上げても、イオン発生管２１に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの量以上は引き出すことができない。
【００４７】
しかしながら、この発明にかかるイオン発生装置２では、プラズマ発生用アンテナ２２に供給する高周波電力が増加するほど、イオン発生観２１の内径Ｄを小さくするほどイオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、多くのプラズマを発生することができる。つまり、引き出せる重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することができる。従って、引き出し電源７は、イオン発生管２１の内径Ｄが小さくなるほど、引き出し電極６に印加する電圧を増加する。また、引き出し電源７は、プラズマ発生用アンテナ２２に供給される高周波電力が増加するほど、引き出し電極６に印加する電圧を増加する。つまり、イオン発生装置２に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの増加に応じて、引き出し電圧を増加することで、増加した重水素イオンまたは三重水素イオンを効率良くイオン発生装置２から引き出すことができる。
【００４８】
例えば、図４に示すように、イオン発生管２１の内径Ｄを３０ｍｍで、ＲＦ電源２４がプラズマ発生用アンテナ２２に供給する高周波電力ＲＦをＮ（ｋＷ）とすると、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をあげても、イオン電流（ｍＡ）がほとんど増加しない（同図点線）。しかしながら、内径Ｄを３０ｍｍで、高周波電力ＲＦをＮ（ｋＷ）から２Ｎ（ｋＷ）とすると、高周波電力が増加しているため、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をあげることでイオン電流（ｍＡ）を増加することができる（同図実線）。しかし、高周波電力を増加しただけでは、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をある程度あげると、イオン電流（ｍＡ）がほとんど増加しなくなる。
【００４９】
そこで、イオン発生管２１の内径Ｄを３０ｍｍから２０ｍｍとし、高周波電力ＲＦを２Ｎ（ｋＷ）とすると、内径Ｄを小さくしたことで、イオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができるため、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をさらにあげることで、イオン電流（ｍＡ）を増加さらに増加することができる（同図黒丸）。さらに、内径Ｄを小さくしたことで、イオン発生管２１に発生する熱による応力を減少することができるため、高周波電力ＲＦを増加しても、イオン発生２１が破損することはない。従って、高周波電力ＲＦを２Ｎ（ｋＷ）から４（ｋＷ）とし、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をさらにあげることでイオン電流（ｍＡ）が増加する（同図黒丸）。
【００５０】
この発明にかかる中性子発生装置１では、イオン発生管２１の内径Ｄを２０ｍｍ、高周波電力ＲＦを３．７ｋＷ、引き出し電圧を６．０ｋＶ、パルス周波数を２０００Ｈｚ、パルスデューティーを１０％とした際に、ピークイオン電流７８ｍＡとすることができる。
【００５１】
次に、イオン発生管２１から引き出し電極６により引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４により加速する。ここでは、加速電源４３により、加速電極４２に電圧を印加する。加速装置４に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンは、電圧が印加された加速電極４２に引き寄せられ、この加速電極４２内をターゲット８に向かって加速する。
【００５２】
次に、加速装置４により加速された重水素イオンまたは三重水素イオンをイオンビームとしてターゲット８に衝突させる。イオンビームとして重水素イオンまたは三重水素イオンがターゲット８に衝突すると、ターゲット８に吸蔵されている重水素または三重水素と核融合反応を起こし、中性子が等方的に放射される。この中性子が地面１００に埋め込まれている検出対象物２００に衝突する。検出対象物２００は、中性子が衝突すると、検出対象物２００の物性に応じたガンマ線を放出する。放出したγ線を図示しない検出装置により検出することで、地面１００に同様な検出対象物２００が埋まっているかを判断することができる。
【００５３】
以上のように、この発明にかかる中性子発生装置１では、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる、すななわち、重水素イオンまたは三重水素イオンを多く発生させ、引き出すことができるので、ターゲットに衝突する重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することでき、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、この発明にかかるイオン発生装置および中性子発生装置は、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生するイオン発生装置および重水素または三重水素から中性子を発生する中性子発生装置に有用であり、特に、単位時間当たりの中性子発生量を増加するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この発明にかかるイオン発生装置を備える中性子発生装置の構成例を示す図である。
【図２】高周波電力の供給方法を示す図である。
【図３】プラズマの非定常状態を示す図である。
【図４】イオン電流と引き出し電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 中性子発生装置
２ イオン発生装置
２１ イオン発生管
２２ 磁石
２３ プラズマ発生用アンテナ
２４ ＲＦ電源（高周波電源）
３ 原料ガス供給装置
３１ 原料ガスタンク
３２ ガス供給調整バルブ
３３ 供給管
４ 加速装置
４１ 金属管
４２ 加速電極
４３ 加速電源
４４ 分岐管
５ 真空排気装置
６ 引き出し電極
７ 引き出し電源
１００ 地面
２００ 検出対象物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン発生装置および中性子発生装置に関し、さらに詳しくは、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させるイオン発生装置および重水素または三重水素の核融合反応により中性子を発生する中性子発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１，２に示すように、重水素イオンビームまたは三重水素イオンビームを重水素または三重水素を吸蔵したターゲットに照射し、重水素または三重水素の核融合反応により中性子を発生させる中性子発生装置がある。この中性子発生装置が発生した中性子が検出対象物に衝突すると、この検出対象物からγ線が放射される。この放射されたγ線の種類や強度によって、検出対象物を特定することができる。従って、この中性子発生装置は、石油等の地下資源の探査や、地雷や空港での手荷物中の火薬等の検査、治療用中性子源などに幅広く利用されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３１２２０８１号公報
【特許文献２】特開平１１−１３１１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、検出対象物が放出するγ線を確実にかつ短時間に検出するためには、この検出対象物に衝突する中性子の量を増加することが必要である。しかしながら、上記従来の特許文献１，２に示す中性子発生装置では、重水素−重水素反応の場合、中性子発生量が毎秒１０の６乗個程度が上限であった。これは、重水素イオン（三重水素イオン）を発生するイオン発生装置から引き出されるイオンの数、すなわちイオン電流が低いことが要因の１つとしてあげられていた問題であった。なお、重水素−三重水素反応の場合における中性子発生量は、毎秒１０の８乗個程度であった。
【０００５】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができるイオン発生装置および中性子発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるイオン発生装置では、重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管と、前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に磁界を発生させる磁石と、前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナと、前記プラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、を備えるイオン発生装置において、前記高周波電源は、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるように、前記プラズマ発生用アンテナに、高周波電力を供給することを特徴とする。
【０００７】
また、この発明では、前記高周波電源は、前記プラズマ発生用アンテナに、間欠的に高周波電力を供給し、かつ１回の高周波電力を供給する期間を前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とすることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、例えば、１回の高周波電力を供給する期間をイオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とし、間欠的にプラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給することで、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるようにし、単位時間当たりにプラズマ生成時の非定常状態を多くイオン発生管に発生させることができる。ここで、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値は、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高いものである。従って、単位時間当たりにプラズマの非定常状態を多くイオン発生管に発生・維持させることで、プラズマの定常状態をイオン発生管に保持させた場合よりも、イオン電流よりも増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【０００９】
また、この発明によれば、プラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させるので、プラズマの定常状態を発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生させる場合と比較して、イオン発生装置に発生する熱を著しく減少させることができる。従って、イオン発生装置に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をさらに増加させることができる。
【００１０】
また、この発明では、前記イオン発生管は、内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。
【００１１】
この発明よれば、イオン発生管の内径Ｄを小さくするので、イオン発生管に発生する熱による応力を減少させることができる。従って、イオン発生管の損傷を抑制することができる。
【００１２】
また、イオン発生管の内径Ｄを小さくするので、プラズマ発生用アンテナによりイオン発生管に発生させる電界の強度を増加することができる。従って、イオン発生管の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をさらに増加することができる。
【００１３】
また、この発明にかかる中性子発生装置では、上記イオン発生装置と、前記イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給する原料ガス供給装置と、前記イオン発生装置に対向して配置され、かつ重水素または三重水素を吸蔵したターゲットと、前記イオン発生装置と前記ターゲットとの間に配置され、かつ加速電源により電圧が印加された加速電極を有する加速装置と、前記加速装置内を真空にする真空排気装置と、前記イオン発生装置と前記加速装置との間に配置され、引き出し電源により電圧が印加された引き出し電極と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、上述のように、単位時間当たりのイオン電流を増加することができるので、ターゲットに衝突する重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することにより、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【００１５】
また、この発明では、前記引き出し電源は、前記イオン発生管の内径Ｄが小さくなるほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする。
【００１６】
また、この発明では、前記引き出し電源は、前記高周波電力が増加するほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする。
【００１７】
これらの発明では、イオン発生装置に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの増加に応じて、引き出し電圧を増加する。従って、増加した重水素イオンまたは三重水素イオンを効率良くイオン発生装置から引き出すことができる。これにより、単位時間当たりの中性子発生量を確実に増加することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明にかかるイオン発生装置および中性子発生装置は、イオン発生管にプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるので、単位時間当たりのイオン電流を増加することができ、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２０】
図１は、この発明にかかるイオン発生装置を備える中性子発生装置の構成例を示す図である。図２は、高周波電力の供給方法を示す図である。図３は、プラズマの非定常状態を示す図である。図４は、イオン電流と引き出し電圧との関係を示す図である。
【００２１】
中性子発生装置１は、図１に示すように、イオン発生装置２と、原料ガス供給装置３と、加速装置４と、真空排気装置５と、引き出し電極６と、引き出し電源７とにより構成されるものである。この中性子発生装置１は、例えば地面１００に埋め込まれている石油等の地下資源や、地雷などの爆発物などの検出対象物２００に中性子を衝突させるものである。なお、検出対象物２００に中性子が衝突し、この検出対象物２００から放出されたγ線を検出する検出装置は、この中性子発生装置１と一体に構成されても良いし、別個に構成しても良い。
【００２２】
イオン発生装置２は、重水素または三重水素からプラズマを発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを生成するものである。このイオン発生装置２は、イオン発生管２１と、磁石２２と、プラズマ発生用アンテナ２３と、ＲＦ電源２４とにより構成されている。
【００２３】
イオン発生管２１は、原料ガス供給装置３から重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるものであり、この重水素ガスまたは三重水素ガスを充填し、プラズマを発生させ、重水素イオンまたは三重水素イオンを生成するものである。このイオン発生管２１は、円筒形状であり、一方の端部が原料ガス供給装置３と接続され、他方の端部が引き出し電極６を介して加速装置４と接続されている。なお、このイオン発生管２１の長さ（軸方向長さ）は、特に規定しないが、中性子発生装置１の小型化を考慮すると３００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
このイオン発生管２１の内径Ｄは、１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。このイオン発生管２１の内径Ｄが１５ｍｍ未満であると、原料ガス供給装置３から重水素ガスまたは三重水素ガスが供給され難くなり、イオン発生管２１の内部を重水素ガスまたは三重水素ガスにより十分に充填することが困難となるためである。また、このイオン発生管２１の内径Ｄが２５ｍｍを超えると、プラズマ発生用アンテナ２３によりイオン発生管２１に発生させる電界の強度を増加することが困難となるためである。なお、イオン発生管２１の内径Ｄは、１８ｍｍ以上２２５ｍｍ以下の範囲であることがさらに好ましい。
【００２５】
磁石２３は、イオン発生管２１に磁界を発生させるものである。この磁石２３は、イオン発生管２１の外部に配置されている。この実施例では、磁石２３は、永久磁石であり、イオン発生管２１の外周を覆うように配置されている。なお、この磁石２３は、電磁石などであっても良い。
【００２６】
プラズマ発生用アンテナ２３は、ＲＦ電源２４から供給された高周波電力により、イオン発生管２１に電界を発生させるものである。このプラズマ発生用アンテナ２３は、イオン発生管２１の外部に配置されている。この実施例では、プラズマ発生用アンテナ２３は、ヘリコン波アンテナであり、イオン発生管２１と磁石２３との間に、このイオン発生管２１の外周を覆うように配置されている。
【００２７】
ＲＦ電源２４は、高周波電源であり、プラズマ発生用アンテナ２３に高周波電力を供給するものである。ここで、高周波電力とは、プラズマ発生用アンテナ２３に供給することで、この実施例ではヘリコン波を発生することができる周波数である。例えば、数〜十数ＭＨＺで数ＫＷの高周波電力である。この実施例では、このＲＦ電源２４は、図２に示すように、高周波電力をパルス制御して、プラズマ発生用アンテナ２３に供給する。つまり、ＲＦ電源２４は、間欠的に高周波電力をプラズマ発生用アンテナ２３に供給する。
【００２８】
原料ガス供給装置３は、イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給するものである。この原料ガス供給装置３は、原料ガスタンク３１と、ガス供給調整バルブ３２と、供給管３３とにより構成されている。
【００２９】
原料ガスタンク３１は、イオン源となる重水素ガスまたは三重水素ガスを貯留するものである。この原料ガスタンク３１は、供給管３３を介してイオン発生管２１に接続されている。
【００３０】
ガス供給調整バルブ３２は、イオン発生管２１に供給される重水素ガスまたは三重水素ガスの供給量を調整するものである。このガス供給調整バルブ３２は、供給管３３の途中に設けられている。ガス供給調整バルブ３２により、供給量を調整することにより、イオン発生管２１の内部をプラズマが発生しやすい濃度とすることができる。
【００３１】
加速装置４は、イオン発生装置２により発生した重水素イオンまたは三重水素イオンを加速して重水素イオンビームまたは三重水素イオンビームとするものである。この加速装置４は、金属管４１と、加速電極４２と、加速電源４３と、分岐管４４とにより構成されている。
【００３２】
金属管４１は、円筒形状であり、一方の端部が引き出し電極６を介してイオン発生管２１に接続され、他方の端部が閉塞されている。この金属管４１には、加速電極４２とターゲット８が収納されている。
【００３３】
加速電極４２は、電圧が印加されることで、イオン発生管２１から金属管４１内に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンを加速するものである。この加速電極４２は、円筒形状であり、イオン発生装置２とターゲット８との間に配置される。
【００３４】
加速電源４３は、加速電極４２に電圧を印加するものである。この電圧は、例えば数百ＫＶ程度である。また、その極性は、重水素イオンまたは三重水素イオンをイオン発生装置側からターゲット側に向かって加速させることができる極性である。つまり、加速電源４３により加速電極４２に電圧が印加されると、金属管４１内に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンは、この金属管４１内をターゲット８に向かって加速される。
【００３５】
分岐管４４は、一方の端部が真空排気装置５と接続されており、他方の端部が金属管４１と連通している。
【００３６】
真空排気装置５は、上記加速装置４内を真空にするものである。この真空排気装置５は、例えば図示しない排気ポンプなどにより構成されている。この図示しない排気ポンプを駆動することで、金属管４１内の気体が排気され、真空となる。なお、真空排気装置５は、金属管４１に接続されているイオン発生管２１も真空とすることができる。
【００３７】
引き出し電極６は、電圧が印加されることで、イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４に引き出すものである。この引き出し電極６は、イオン発生装置２と加速装置４との間に配置される。
【００３８】
引き出し電源７は、引き出し電極６に電圧を印加するものである。この電圧は、例えば数〜十数ＫＶ程度である。また、その極性は、重水素イオンまたは三重水素イオンをイオン発生装置から加速装置側に向かって移動させることができる極性である。つまり、引き出し電源７により引き出し電極６に電圧が印加されると、イオン発生管２１内に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンがイオン発生管２１から加速装置４に引き出される。
【００３９】
次に、この発明にかかるイオン発生装置２を備える中性子発生装置１の動作について説明する。まず、原料ガス供給装置３からイオン発生装置２に重水素または三重水素を供給する。このとき、真空排気装置５が駆動されており、加速装置４の金属管４１およびイオン発生管２１は、真空となっている。従って、原料ガスタンク３１内の重水素または三重水素は、ガス供給調整バルブ３２を開弁することで、この供給管３３により供給量が調整された状態で、イオン発生管２１に供給される。
【００４０】
次に、イオン発生管２１に供給された重水素または三重水素からプラズマを発生させる。プラズマは、磁石２２がイオン発生管２１に発生させる磁界およびＲＦ電源２４により高周波電力が供給されたプラズマ発生用アンテナ２３がイオン発生管２１に発生させる電界の力により、イオン発生管２１内の電子を高速運動させることで発生するものである。
【００４１】
ここで、このＲＦ電源２４は、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生できるように、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力を供給する。イオン発生管２１に発生するプラズマは、図３に示すように、非定常状態と定常状態（同図点線）とが存在する。プラズマ生成時の非定常状態は、プラズマ生成時の過渡的な応答であり、定常状態と比較して、最大イオン電流値が高い。つまり、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値は、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高いものである。ＲＦ電源２４は、同図に示すように、１回の高周波電力を供給する期間をこのプラズマ生成時の非定常状態が発生・保持することができる期間となるように、高周波電力をパルス制御して、プラズマ発生用アンテナ２２に供給する。具体的には、ＲＦ電源２４は、図２に示すように、高周波電力のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すためのパルス周波数と、１周期Ｔに対して高周波電力を供給する期間ｔの比であるパルスデューティーｔ／Ｔ×１００（％）とを調整することで、高周波電力を供給する期間ｔがプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間となるようにする。従って、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態がパルス周波数に応じて繰り返し発生する。つまり、プラズマの定常状態が保持される期間における最大イオン電流値よりも高い最大イオン電流値となるプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間をイオン発生管２１において単位時間当たりに多く発生させることができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流をプラズマの定常状態をイオン発生管２１に保持させた場合よりも増加することができ、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４２】
ここで、イオン発生管２１においてプラズマの定常状態を保持させる期間が長ければ長いほど、イオン発生装置２、特にイオン発生管２１に発生する熱が増加する。しかしながら、この発明にかかるイオン発生装置２では、イオン発生管２１においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間を繰り返し発生させるので、プラズマの定常状態を保持させる場合と比較して、イオン発生装置２に発生する熱を著しく減少させることができる。従って、イオン発生装置２に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマ生成時の非定常状態が保持される期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４３】
なお、高周波電力を供給する期間ｔは、プラズマ生成時の非定常状態の期間と同一あるいは、ほぼ同一であることが好ましい。つまり、ＲＦ電源２４が高周波電力を供給する期間ｔの間、プラズマ発生用アンテナ２２に、高周波電力を供給することで、イオン発生管２１においてプラズマの定常状態が保持されないことが好ましい。
【００４４】
また、イオン発生管２１の内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であるため、内径Ｄが２５ｍｍを超えるイオン発生管と比べて、高周波電力が印加されたプラズマ発生用アンテナ２２によって、イオン発生管２１に発生させる電界の強度を増加することができる。従って、このイオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４５】
また、内径Ｄが２５ｍｍを超えるイオン発生管と比べて、イオン発生管２１に発生する熱による応力を減少することができる。従って、イオン発生管２１の損傷を抑制することができる。また、イオン発生管２１の内径Ｄが小さくなればなるほど、熱による応力を減少することができるので、イオン発生装置２に発生する熱を増加させる高周波電力を増加することができ、プラズマの非定常状態の期間における最大イオン電流値を増加することができる。これにより、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる。
【００４６】
次に、イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４に引き出す。ここでは、引き出し電源７により、引き出し電極６に電圧を印加する。イオン発生管２１に発生したプラズマから重水素イオンまたは三重水素イオンが電圧が印加された引き出し電極６に引き寄せられ、イオン発生管２１から加速装置４へ引き出される。ここで、イオン発生管２１に密度の低いプラズマや、少ないプラズマしか発生しなければ、すなわち引き出せる重水素イオンまたは三重水素イオンが少なければ、引き出し電極の電圧を上げても、イオン発生管２１に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの量以上は引き出すことができない。
【００４７】
しかしながら、この発明にかかるイオン発生装置２では、プラズマ発生用アンテナ２２に供給する高周波電力が増加するほど、イオン発生観２１の内径Ｄを小さくするほどイオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができ、多くのプラズマを発生することができる。つまり、引き出せる重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することができる。従って、引き出し電源７は、イオン発生管２１の内径Ｄが小さくなるほど、引き出し電極６に印加する電圧を増加する。また、引き出し電源７は、プラズマ発生用アンテナ２２に供給される高周波電力が増加するほど、引き出し電極６に印加する電圧を増加する。つまり、イオン発生装置２に発生した重水素イオンまたは三重水素イオンの増加に応じて、引き出し電圧を増加することで、増加した重水素イオンまたは三重水素イオンを効率良くイオン発生装置２から引き出すことができる。
【００４８】
例えば、図４に示すように、イオン発生管２１の内径Ｄを３０ｍｍで、ＲＦ電源２４がプラズマ発生用アンテナ２２に供給する高周波電力ＲＦをＮ（ｋＷ）とすると、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をあげても、イオン電流（ｍＡ）がほとんど増加しない（同図点線）。しかしながら、内径Ｄを３０ｍｍで、高周波電力ＲＦをＮ（ｋＷ）から２Ｎ（ｋＷ）とすると、高周波電力が増加しているため、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をあげることでイオン電流（ｍＡ）を増加することができる（同図実線）。しかし、高周波電力を増加しただけでは、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をある程度あげると、イオン電流（ｍＡ）がほとんど増加しなくなる。
【００４９】
そこで、イオン発生管２１の内径Ｄを３０ｍｍから２０ｍｍとし、高周波電力ＲＦを２Ｎ（ｋＷ）とすると、内径Ｄを小さくしたことで、イオン発生管２１の中央に発生するプラズマの密度を向上することができるため、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をさらにあげることで、イオン電流（ｍＡ）を増加さらに増加することができる（同図黒丸）。さらに、内径Ｄを小さくしたことで、イオン発生管２１に発生する熱による応力を減少することができるため、高周波電力ＲＦを増加しても、イオン発生２１が破損することはない。従って、高周波電力ＲＦを２Ｎ（ｋＷ）から４（ｋＷ）とし、引き出し電極６の電圧（ｋＶ）をさらにあげることでイオン電流（ｍＡ）が増加する（同図黒丸）。
【００５０】
この発明にかかる中性子発生装置１では、イオン発生管２１の内径Ｄを２０ｍｍ、高周波電力ＲＦを３．７ｋＷ、引き出し電圧を６．０ｋＶ、パルス周波数を２０００Ｈｚ、パルスデューティーを１０％とした際に、ピークイオン電流７８ｍＡとすることができる。
【００５１】
次に、イオン発生管２１から引き出し電極６により引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンを加速装置４により加速する。ここでは、加速電源４３により、加速電極４２に電圧を印加する。加速装置４に引き出された重水素イオンまたは三重水素イオンは、電圧が印加された加速電極４２に引き寄せられ、この加速電極４２内をターゲット８に向かって加速する。
【００５２】
次に、加速装置４により加速された重水素イオンまたは三重水素イオンをイオンビームとしてターゲット８に衝突させる。イオンビームとして重水素イオンまたは三重水素イオンがターゲット８に衝突すると、ターゲット８に吸蔵されている重水素または三重水素と核融合反応を起こし、中性子が等方的に放射される。この中性子が地面１００に埋め込まれている検出対象物２００に衝突する。検出対象物２００は、中性子が衝突すると、検出対象物２００の物性に応じたガンマ線を放出する。放出したγ線を図示しない検出装置により検出することで、地面１００に同様な検出対象物２００が埋まっているかを判断することができる。
【００５３】
以上のように、この発明にかかる中性子発生装置１では、単位時間当たりのイオン電流を増加することができる、すななわち、重水素イオンまたは三重水素イオンを多く発生させ、引き出すことができるので、ターゲットに衝突する重水素イオンまたは三重水素イオンを増加することでき、単位時間当たりの中性子発生量を増加することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、この発明にかかるイオン発生装置および中性子発生装置は、重水素イオンまたは三重水素イオンを発生するイオン発生装置および重水素または三重水素から中性子を発生する中性子発生装置に有用であり、特に、単位時間当たりの中性子発生量を増加するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この発明にかかるイオン発生装置を備える中性子発生装置の構成例を示す図である。
【図２】高周波電力の供給方法を示す図である。
【図３】プラズマの非定常状態を示す図である。
【図４】イオン電流と引き出し電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 中性子発生装置
２ イオン発生装置
２１ イオン発生管
２２ 磁石
２３ プラズマ発生用アンテナ
２４ ＲＦ電源（高周波電源）
３ 原料ガス供給装置
３１ 原料ガスタンク
３２ ガス供給調整バルブ
３３ 供給管
４ 加速装置
４１ 金属管
４２ 加速電極
４３ 加速電源
４４ 分岐管
５ 真空排気装置
６ 引き出し電極
７ 引き出し電源
１００ 地面
２００ 検出対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管と、
前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に磁界を発生させる磁石と、
前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナと、
前記プラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
を備えるイオン発生装置において、
前記高周波電源は、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるように、前記プラズマ発生用アンテナに、高周波電力を供給することを特徴とするイオン発生装置。
【請求項２】
前記高周波電源は、前記プラズマ発生用アンテナに、間欠的に高周波電力を供給し、かつ１回の高周波電力を供給する期間を前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
【請求項３】
前記イオン発生管は、内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン発生装置。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン発生装置と、
前記イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記イオン発生装置に対向して配置され、かつ重水素または三重水素を吸蔵したターゲットと、
前記イオン発生装置と前記ターゲットとの間に配置され、かつ加速電源により電圧が印加された加速電極を有する加速装置と、
前記加速装置内を真空にする真空排気装置と、
前記イオン発生装置と前記加速装置との間に配置され、引き出し電源により電圧が印加された引き出し電極と、
を備えることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項５】
前記引き出し電源は、前記イオン発生管の内径Ｄが小さくなるほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする請求項４に記載の中性子発生装置。
【請求項６】
前記引き出し電源は、前記高周波電力が増加するほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする請求項４または５に記載の中性子発生装置。
【請求項１】
重水素ガスまたは三重水素ガスが供給されるイオン発生管と、
前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に磁界を発生させる磁石と、
前記イオン発生管の外部に配置され、当該イオン発生管に電界を発生させるプラズマ発生用アンテナと、
前記プラズマ発生用アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
を備えるイオン発生装置において、
前記高周波電源は、前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態を繰り返し発生させるように、前記プラズマ発生用アンテナに、高周波電力を供給することを特徴とするイオン発生装置。
【請求項２】
前記高周波電源は、前記プラズマ発生用アンテナに、間欠的に高周波電力を供給し、かつ１回の高周波電力を供給する期間を前記イオン発生管においてプラズマ生成時の非定常状態が保持される期間とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
【請求項３】
前記イオン発生管は、内径Ｄが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン発生装置。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン発生装置と、
前記イオン発生装置に重水素ガスまたは三重水素ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記イオン発生装置に対向して配置され、かつ重水素または三重水素を吸蔵したターゲットと、
前記イオン発生装置と前記ターゲットとの間に配置され、かつ加速電源により電圧が印加された加速電極を有する加速装置と、
前記加速装置内を真空にする真空排気装置と、
前記イオン発生装置と前記加速装置との間に配置され、引き出し電源により電圧が印加された引き出し電極と、
を備えることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項５】
前記引き出し電源は、前記イオン発生管の内径Ｄが小さくなるほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする請求項４に記載の中性子発生装置。
【請求項６】
前記引き出し電源は、前記高周波電力が増加するほど、前記引き出し電極に印加する前記電圧を増加することを特徴とする請求項４または５に記載の中性子発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３２８９６５（Ｐ２００７−３２８９６５Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５７９５２（Ｐ２００６−１５７９５２）
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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