核反応の誘起方法および核反応誘起装置
【課題】原子炉や加速器など大型装置を利用することなく簡便に核反応を誘起する装置を提供する。
【解決手段】照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に瞬間的に照射（ステップＳ１）して高エネルギー粒子を発生させ（ステップＳ２）、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射（ステップＳ３）して核反応を誘起する（ステップＳ４）ので、原子炉や加速器と異なり取り扱いが容易で、低コストで核反応を誘起することが可能となる。
【解決手段】照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に瞬間的に照射（ステップＳ１）して高エネルギー粒子を発生させ（ステップＳ２）、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射（ステップＳ３）して核反応を誘起する（ステップＳ４）ので、原子炉や加速器と異なり取り扱いが容易で、低コストで核反応を誘起することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核反応の誘起方法および核反応誘起装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、レーザ光線を用いた核反応の誘起方法および核反応誘起装置に関するものであって、医療、材料検査、設備診断、核種消滅、核反応シミュレータへの利用に適した簡便な核反応の誘起方法および核反応の誘起装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核反応を起こさせるためには、中性子、水素原子核等の荷電粒子、電磁波（光子）等の粒子に大きな運動エネルギーを与えてターゲットとなる原子核に衝突等させる必要がある。従来、大きな運動エネルギーを有する粒子を得るために、原子炉や加速器等の特別の設備機器類を利用したり、あるいは放射性同位体の核崩壊現象を利用していた（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０９４５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の方法では、核管理上の問題が有ったり、高価かつ大型の装置が必要となり、簡便な方法とは言い難い。
【０００５】
本発明は、簡便に核反応を誘起できる核反応の誘起方法および核反応誘起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】
かかる目的を達成するために請求項１記載の核反応の誘起方法は、レーザ光線照射手段から照射された照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に瞬間的に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起するものである。
【０００７】
高エネルギーのパルスレーザ光線を照射部材に照射すると、高エネルギー粒子が発生する。この高エネルギー粒子はターゲット材に衝突し、ターゲット材中の原子核に核反応を生じさせる。
【０００８】
また、請求項２記載の核反応の誘起方法は、レーザ光線が、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線である。したがって、レーザ光線のピークパワーを増加させることができる。また、レーザ光線の照射領域の原子核が拡散し始める前に照射が終了するので、原子核を加速して高エネルギー化させる電界の形成に有利になる。
【０００９】
また、請求項３記載の核反応の誘起方法のように、ターゲット材と照射部材は同一部材であっても良く、請求項４記載の核反応の誘起方法のように、ターゲット材は、照射部材と異なる部材であっても良い。
【００１０】
また、請求項５記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子を１００キロ電子ボルト以上の運動エネルギーに加速できる大きさのエネルギーを有するレーザ光線を照射部材に照射するものである。したがって、高エネルギー粒子によって核反応を誘起することができる。
【００１１】
また、請求項６記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子を、電子、電磁波、正イオンのうち少なくともいずれか一つとしている。なお、これらの高エネルギー粒子のうち主に発生する粒子の選択は、ターゲット材の選択によって可能である。例えば、ターゲット材として、ガスなどを用いれば電子が、薄膜を用いれば正イオンが、厚い金属ターゲットを用いれば電磁波（γ線レベルの電磁波）を選択的に発生させることができる。
【００１２】
また、請求項７記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子を照射部材のレーザ照射面に対して垂直かつレーザの照射源から離れる方向に加速するようにしても良い。
【００１３】
また、請求項８記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子は、水素原子核、重水素原子核、三重水素原子核のうち少なくともいずれか一つであり、当該高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核融合反応を誘起するようにしても良い。
【００１４】
また、請求項９記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１１を含むターゲット材に照射し、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１５】
また、請求項１０記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１６】
また、請求項１１記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体であるベリリウム−７が製造される。
【００１７】
また、請求項１２記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子を、炭素−１２を含むターゲット材に照射し、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である窒素−１３が製造される。
【００１８】
また、請求項１３記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものであるしたがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１９】
また、請求項１４記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材に照射し、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である窒素−１３が製造される。
【００２０】
また、請求項１５記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である酸素−１５が製造される。
【００２１】
また、請求項１６記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材に照射し、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である酸素−１５が製造される。
【００２２】
また、請求項１７記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材に照射し、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８が製造される。
【００２３】
また、請求項１８記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材に照射し、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、放射性同位体であるフッ素−１８が製造される。
【００２４】
また、請求項１９記載の核反応の誘起方法は、核反応による生成物の半減期よりも短い間隔で前記レーザ光線の照射を繰り返し行うものである。したがって、半減期の短い生成物が蓄積される。
【００２５】
また、請求項２０記載の核反応の誘起方法のように、照射部材を、薄膜またはガスジェットとしても良い。
【００２６】
また、請求項２１記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子をターゲット材に照射してターゲット材中の原子核を励起させるようにしても良い。
【００２７】
さらに、請求項２２記載の核反応誘起装置は、照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、前記高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えるものである。
【００２８】
したがって、レーザ照射手段からレーザ光線が照射部材に照射されると、高エネルギー粒子が発生する。この高エネルギー粒子はターゲット材に衝突し、ターゲット材中の原子核に核反応を引き起こさせる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の核反応の誘起方法では、照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に瞬間的に照射して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起するので、簡便に核反応を誘起することができる。すなわち、原子炉や加速器を使用して核反応を誘起する場合に比べて、取り扱いが容易で、しかも低コストで核反応を誘起することができる。このため、大型構造物の設備診断、医療応用などに使用される種々のＸ線、電子ビーム、イオンビーム、放射性同位体等を低コストで簡便に供給することができる。また、線源として放射性同位体を使用する必要がないので、放射線管理面でも有利である。
【００３０】
また、本発明の核反応誘起装置では、照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えているので、簡便な装置で核反応を誘起することができる。このため、低コストで放射性同位体や線源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る核反応の誘起方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る核反応誘起装置を示す概念図である。
【図３】レーザ光線の強さと発生するイオンの最大エネルギーとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
図１に本発明を適用した核反応の誘起方法を、図２に本発明を適用した核反応誘起装置をそれぞれ示す。核反応誘起装置は、照射部材１１と、該照射部材１１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に照射して高エネルギー粒子１９を発生させるレーザ光線照射手段１２と、高エネルギー粒子１９によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材１３を備えている。
【００３４】
照射部材１１は、例えば薄膜、より具体的には例えばマイラのフィルム１４に重水素置換プラスチックを塗布して重水素置換プラスチック層１５を形成したものである。フィルム１４の厚さは、例えば約１０μｍである。
【００３５】
レーザ光線照射手段１２は、例えば１０ＴＷの出力のハイブリッドチタン：サファイヤ／Ｎｄ：燐酸塩ガラスＣＰＡレーザ装置である。このレーザ装置は、例えばパルス幅４００フェムト秒で３ジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線１８を、例えば直径１０ミクロン程度の大きさに集光して照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射することができる。即ち、このレーザ装置では、発振器で発生させたレーザ光線をパルス幅拡張器でパルス幅の拡張を行った後、増幅器で増幅し、さらにパルス幅圧縮機でパルス幅を圧縮することでピークパワーを増加させている。そして、この様にして発生させた超短パルスでピークパワーの大きなレーザ光線を集光レンズによって集光し、照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射する。例えば、発振器で発生させたパルス時間幅が０．１ピコ秒、レーザエネルギーが１マイクロＪのレーザ光線をパルス幅拡張器によってパルス時間幅が１ナノ秒、レーザエネルギーが１０マイクロＪのレーザ光線にした後、増幅器でパルス時間幅が１ナノ秒、レーザエネルギーが１Ｊ以下のレーザ光線にし、さらにパルス幅圧縮器によってパルス時間幅が０．１ピコ秒、レーザエネルギーが１Ｊ以下のレーザ光線に変換する。このようにパルス時間幅を圧縮することで、レーザ光線１８のピーク出力を約１０テラＷにすることができる。
【００３６】
ターゲット材１３は、例えばボロン−１０を約９０パーセントまで濃縮したボロン片である。ターゲット材１３は、照射部材１１のレーザ光線１８が照射される部分の真後ろに、例えば８ｍｍ離して配置される。
【００３７】
なお、ターゲット材１３の後方には、ポリエチレンテレフタレートフィルムで構成されたフィルタ１６とモニタ１７が配置されている。これらは、ターゲット材１３に照射される高エネルギー粒子１９のエネルギーを推定するためのものである。即ち、フィルタ１６の厚さとこれを透過できる粒子の運動エネルギーとの間には一定の関係があるので、モニタ１７によってフィルタ１６を透過した粒子を検出することで、当該粒子が一定値以上の運動エネルギーを有していたことがわかる。例えば、水素イオンの場合、厚さ１０μｍのフィルタ１６を透過するためには１ＭｅＶ程度の運動エネルギーが必要であることから、モニタ１７によって水素イオン（水素原子核）が検出されると、その水素イオンは１ＭｅＶ程度以上の運動エネルギーを有していることがわかる。ただし、フィルム１６及びモニタ１７は必ず必要なものではなく、省略可能である。
【００３８】
核反応誘起装置の周囲は、図示しない遮蔽壁によって遮蔽されており、高エネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に照射することで発生した高エネルギー粒子１９や、核反応生成物から放出される放射線の漏れを防止している。
【００３９】
次に、核反応の誘起方法について説明する。この核反応の誘起方法は、照射部材１１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に瞬間的に照射（ステップＳ１）して高エネルギー粒子１９を発生させ（ステップＳ２）、この高エネルギー粒子１９をターゲット材１３に照射して（ステップＳ３）核反応を誘起する（ステップＳ４）ものである。
【００４０】
なお、照射するレーザ光線１８としてはパルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線の使用が好ましい。パルス幅が１０ピコ秒よりも長くなると、レーザ光線１８の照射時間が長くなることからレーザ光線１８によって電離された原子核の拡散が照射終了前に始まり、電荷分離領域の形成が不十分になって原子核を十分に加速するのが困難になるからである。また、同じエネルギーでもパルス幅を短くすることでピークパワーを高くすることができてレーザ光線１８の電界を大きくすることができ、より電荷分離領域の正負の差を大きくすることができるからである。
【００４１】
レーザ光線照射手段１２から、例えばパルス幅４００フェムト秒で３ジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線１８を直径１０ミクロン程度の大きさに集光して照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射する（ステップＳ１）と、レーザ光線１８の非常に高い電界や光圧力、レーザパルスにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界により、極微少な照射領域から電子が追い出され加速される。
【００４２】
一方、電子が追い出されて電離された原子核（正イオン）は電子に比べて質量が大きいため、レーザ光線１８の照射後しばらくの間はほとんど動かない。このため、極微少な照射領域が正イオンの高密度領域となり、その静電気力で正イオンは爆発的に加速され、例えば図３に示すような１０メガ電子ボルトに近い高エネルギーの正イオンが発生する（ステップＳ２）。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての正イオンを発生させることができる。ただし、必ずしも高エネルギー粒子１９のエネルギーを１０メガ電子ボルト近くまで高める必要はなく、例えば、１００キロ電子ボルト以上のエネルギーに高めることができれば良く、より好ましくは、核反応を誘起できる程度の大きさのエネルギーに高めることができれば良い。
【００４３】
ここで、レーザ光線１８の照射領域は一定の面積を有しているので、正イオンの高密度領域は直径数十μｍ、厚み１０μｍ以下程度のシート状のものとなり、平面的な電位分布が形成される。したがって、この電界によって加速される正イオンはレーザ光線１８の照射面に対して垂直で、かつレーザの照射源であるレーザ光線照射手段１２から離れる方向、即ち、照射部材１１の後方のターゲット材１３に向けて進む。なお、実験では、正イオンの流れであるイオンビームの方向は全角４０度程度の広がりがあった。
【００４４】
本実施形態では、レーザ光線１８を照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射しているので、高エネルギーの正イオンとして主に重水素イオンが発生する。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての重水素原子核を発生させることができる。この高エネルギーの重水素イオン（重水素原子核）はボロン片であるターゲット材１３に照射される（ステップＳ３）。したがって、ターゲット材１３では１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核反応が生じる（ステップＳ４）。このため、炭素−１１（１１Ｃ）と中性子（ｎ）を生産することができる。なお、核反応はターゲット材１３の表面から例えば１ｍｍの深さまでの領域１３ａで発生する。したがって、生成物である炭素−１１がターゲット材１３のどこに存在するかが明らかである。
【００４５】
なお、照射部材１１に重水素置換プラスチック層１５の形成を省略しても良く、また、ターゲット材１３としてはボロン−１０を濃縮していないものを使用しても良い。この場合には、高エネルギーの正イオンとして主に水素イオンが発生する。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての水素原子核を発生させることができる。この高エネルギーの水素イオン（水素原子核）がターゲット材１３に照射されると１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核反応が生じる。このため、炭素−１１と中性子を生産することができる。
【００４６】
炭素−１１は半減期２０分のほぼ純粋なポジトロン源であり、医療や材料の欠陥検査などに使用することができる。また、半減期が２０分と短いために一晩経過すると放射能が大きく減衰し、ナトリウム−２２などと比較すると放射性物質管理上大きなメリットがある。前述のレーザ出力では、レーザ光線１８の１パルスあたり２ナノキューリの炭素−１１を生成することが可能である。これを１０Ｈｚのパルス繰り返しのレーザ装置を用いて１時間程度照射を繰り返すことにより、１０マイクロキューリ以上の炭素−１１を得ることができる。この値は校正用線源などとして既に市販されているナトリウム−２２と同じレベルに相当する。
【００４７】
なお、レーザ光線１８の照射領域から追い出されて加速された電子は高エネルギーの電子であり、照射部材１１やその他の物質等を透過する際に主として制動輻射により高エネルギーのＸ線を発生させる。このＸ線は、高エネルギー電子が進んでいた方向に発生するので、レーザ光線１８の照射面に対して垂直で、かつレーザ光線照射手段１２から離れる方向に向けて発生する。
【００４８】
また、発生したＸ線のうち１．０２（＝０．５１×２）ＭｅＶよりも大きなエネルギーを有しているものは、他の物質との相互作用により電子対を生成させることもある。即ち、高エネルギーのポジトロン（陽電子）と電子の発生が可能である。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての電子、Ｘ線（電磁波）、陽電子を発生させることができる。
【００４９】
一方、レーザ光線１８の照射によって発生する高エネルギーの正イオンは照射部材１１中の他の物質との間で核融合反応や核分裂反応を起こさせることが可能である。そして、これらの反応で生じたγ線によって（γ，ｎ）反応などが引き起こされ、反応前元素の同位体と中性子が生成される。
【００５０】
照射部材１１とターゲット材１３の材料の組み合わせを変えることで、上述の１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃ反応、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃ反応の他にも種々の核反応を誘起することができる。例えば、照射部材１１として水素原子を含むものを使用することで、高エネルギーの正イオンとして主に水素原子核（ｐ）が発生するので、この高エネルギーの水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材１３に照射することで、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である炭素−１１とα粒子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材１３に照射することで、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である窒素−１３とα粒子を生成することができる。さらに、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材１３に照射することで、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８と中性子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材１３に照射することで、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるベリリウム−７とα粒子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材１３に照射することで、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である酸素−１５と中性子を生成することができる。
【００５１】
また、照射部材１１として重水素原子を含むものを使用することで、高エネルギーの正イオンとして主に重水素原子核（ｄ）が発生するので、この高エネルギーの重水素原子核を、炭素−１２を含むターゲット材１３に照射することで、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である窒素−１３と中性子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材１３に照射することで、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である酸素−１５と中性子を生成することができる。さらに、高エネルギー粒子１９として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材１３に照射することで、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８とα粒子を生成することができる。
【００５２】
さらに、上述の出力のレーザ光線１８の照射によって発生するＸ線、正イオン等の粒子のエネルギーは核分裂反応の閾値以上になるため、容易に核反応を誘起することができる。例えば、照射部材１１として水素原子を含むものを、ターゲット材１３としてウラン等を含むものを使用し、高エネルギー、例えば１０ＭｅＶ程度のエネルギーを持つ水素イオンをターゲット材１３に照射することでウラン等に核分裂反応を起こさせることが可能である。
【００５３】
また、原子核を励起することも可能である。即ち、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで発生する高エネルギー粒子１９によってターゲット材１３中の原子核を励起して核異性体を生成することができる。核異性体がより安定した核異性体に変化する核異性体転移現象では一定エネルギーのγ線が放出されるので、ラインスペクトルのγ線源を得ることができるとともに、γ線レーザへの展開が可能である。
【００５４】
本発明では、核反応を誘起する高エネルギー粒子１９を発生させるために超短パルスのレーザ光線１８を使用しているので、原子炉や加速器等を使用して核反応を誘起する場合に比べて、装置を大幅に小型化することができるとともに、遮蔽設備を簡単なものにすることができる。このため、核反応を利用して製造される放射性同位体等を低コストで提供することができる。また、放射線の管理が容易になる。さらに、放射線医療施設等の放射性同位体の消費場所により近い場所で放射性同位体の製造が可能になり、特に半減期の短い放射性同位体の製造に適している。
【００５５】
また、本発明はレーザ光線１８を照射することで核反応を誘起するので、核反応の制御が簡単である。つまり、レーザ光線１８のオン・オフによって核反応を誘起したり停止させたりすることができる。また、レーザ光線１８の照射密度や出力等によって発生させる高エネルギー粒子１９のエネルギーを調整することができ、核反応の量を制御することができる。
【００５６】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、照射部材１１とターゲット材１３を異なる部材としていたが、これらを同一部材としてレーザ光線１８を照射した部材に含まれる原子核に核反応を誘起するようにしても良い。この場合には、核反応の起きる範囲をレーザ光線１８の照射領域の近傍に限定することができる。
【００５７】
また、上述の説明では、高エネルギー粒子１９が主に水素原子核又は重水素原子核である場合について説明したが、例えば主に三重水素原子核であっても良く、さらには、これらが混じったものであっても良い。
【００５８】
また、核反応による生成物の半減期よりも短い間隔でレーザ光線１８の照射を繰り返し行うようにしても良い。この様にすることで、半減期の短い生成物を蓄積することができる。
【００５９】
さらに、上述の説明では、照射部材１１を薄膜としていたが、ガスジェットでも良い。即ち、例えばガスの高速流にレーザ光線１８を照射するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１１ 照射部材
１２ レーザ光線照射手段
１３ ターゲット材
１８ レーザ光線
１９ 高エネルギー粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核反応の誘起方法および核反応誘起装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、レーザ光線を用いた核反応の誘起方法および核反応誘起装置に関するものであって、医療、材料検査、設備診断、核種消滅、核反応シミュレータへの利用に適した簡便な核反応の誘起方法および核反応の誘起装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核反応を起こさせるためには、中性子、水素原子核等の荷電粒子、電磁波（光子）等の粒子に大きな運動エネルギーを与えてターゲットとなる原子核に衝突等させる必要がある。従来、大きな運動エネルギーを有する粒子を得るために、原子炉や加速器等の特別の設備機器類を利用したり、あるいは放射性同位体の核崩壊現象を利用していた（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０９４５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の方法では、核管理上の問題が有ったり、高価かつ大型の装置が必要となり、簡便な方法とは言い難い。
【０００５】
本発明は、簡便に核反応を誘起できる核反応の誘起方法および核反応誘起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】
かかる目的を達成するために請求項１記載の核反応の誘起方法は、レーザ光線照射手段から照射された照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に瞬間的に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起するものである。
【０００７】
高エネルギーのパルスレーザ光線を照射部材に照射すると、高エネルギー粒子が発生する。この高エネルギー粒子はターゲット材に衝突し、ターゲット材中の原子核に核反応を生じさせる。
【０００８】
また、請求項２記載の核反応の誘起方法は、レーザ光線が、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線である。したがって、レーザ光線のピークパワーを増加させることができる。また、レーザ光線の照射領域の原子核が拡散し始める前に照射が終了するので、原子核を加速して高エネルギー化させる電界の形成に有利になる。
【０００９】
また、請求項３記載の核反応の誘起方法のように、ターゲット材と照射部材は同一部材であっても良く、請求項４記載の核反応の誘起方法のように、ターゲット材は、照射部材と異なる部材であっても良い。
【００１０】
また、請求項５記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子を１００キロ電子ボルト以上の運動エネルギーに加速できる大きさのエネルギーを有するレーザ光線を照射部材に照射するものである。したがって、高エネルギー粒子によって核反応を誘起することができる。
【００１１】
また、請求項６記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子を、電子、電磁波、正イオンのうち少なくともいずれか一つとしている。なお、これらの高エネルギー粒子のうち主に発生する粒子の選択は、ターゲット材の選択によって可能である。例えば、ターゲット材として、ガスなどを用いれば電子が、薄膜を用いれば正イオンが、厚い金属ターゲットを用いれば電磁波（γ線レベルの電磁波）を選択的に発生させることができる。
【００１２】
また、請求項７記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子を照射部材のレーザ照射面に対して垂直かつレーザの照射源から離れる方向に加速するようにしても良い。
【００１３】
また、請求項８記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子は、水素原子核、重水素原子核、三重水素原子核のうち少なくともいずれか一つであり、当該高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核融合反応を誘起するようにしても良い。
【００１４】
また、請求項９記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１１を含むターゲット材に照射し、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１５】
また、請求項１０記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１６】
また、請求項１１記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体であるベリリウム−７が製造される。
【００１７】
また、請求項１２記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子を、炭素−１２を含むターゲット材に照射し、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である窒素−１３が製造される。
【００１８】
また、請求項１３記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起するものであるしたがって、短寿命放射性同位体である炭素−１１が製造される。
【００１９】
また、請求項１４記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材に照射し、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である窒素−１３が製造される。
【００２０】
また、請求項１５記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である酸素−１５が製造される。
【００２１】
また、請求項１６記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材に照射し、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体である酸素−１５が製造される。
【００２２】
また、請求項１７記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材に照射し、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８が製造される。
【００２３】
また、請求項１８記載の核反応の誘起方法は、高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材に照射し、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起するものである。したがって、放射性同位体であるフッ素−１８が製造される。
【００２４】
また、請求項１９記載の核反応の誘起方法は、核反応による生成物の半減期よりも短い間隔で前記レーザ光線の照射を繰り返し行うものである。したがって、半減期の短い生成物が蓄積される。
【００２５】
また、請求項２０記載の核反応の誘起方法のように、照射部材を、薄膜またはガスジェットとしても良い。
【００２６】
また、請求項２１記載の核反応の誘起方法のように、高エネルギー粒子をターゲット材に照射してターゲット材中の原子核を励起させるようにしても良い。
【００２７】
さらに、請求項２２記載の核反応誘起装置は、照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、前記高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えるものである。
【００２８】
したがって、レーザ照射手段からレーザ光線が照射部材に照射されると、高エネルギー粒子が発生する。この高エネルギー粒子はターゲット材に衝突し、ターゲット材中の原子核に核反応を引き起こさせる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の核反応の誘起方法では、照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に瞬間的に照射して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起するので、簡便に核反応を誘起することができる。すなわち、原子炉や加速器を使用して核反応を誘起する場合に比べて、取り扱いが容易で、しかも低コストで核反応を誘起することができる。このため、大型構造物の設備診断、医療応用などに使用される種々のＸ線、電子ビーム、イオンビーム、放射性同位体等を低コストで簡便に供給することができる。また、線源として放射性同位体を使用する必要がないので、放射線管理面でも有利である。
【００３０】
また、本発明の核反応誘起装置では、照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を照射部材に照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えているので、簡便な装置で核反応を誘起することができる。このため、低コストで放射性同位体や線源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る核反応の誘起方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る核反応誘起装置を示す概念図である。
【図３】レーザ光線の強さと発生するイオンの最大エネルギーとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
図１に本発明を適用した核反応の誘起方法を、図２に本発明を適用した核反応誘起装置をそれぞれ示す。核反応誘起装置は、照射部材１１と、該照射部材１１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に照射して高エネルギー粒子１９を発生させるレーザ光線照射手段１２と、高エネルギー粒子１９によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材１３を備えている。
【００３４】
照射部材１１は、例えば薄膜、より具体的には例えばマイラのフィルム１４に重水素置換プラスチックを塗布して重水素置換プラスチック層１５を形成したものである。フィルム１４の厚さは、例えば約１０μｍである。
【００３５】
レーザ光線照射手段１２は、例えば１０ＴＷの出力のハイブリッドチタン：サファイヤ／Ｎｄ：燐酸塩ガラスＣＰＡレーザ装置である。このレーザ装置は、例えばパルス幅４００フェムト秒で３ジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線１８を、例えば直径１０ミクロン程度の大きさに集光して照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射することができる。即ち、このレーザ装置では、発振器で発生させたレーザ光線をパルス幅拡張器でパルス幅の拡張を行った後、増幅器で増幅し、さらにパルス幅圧縮機でパルス幅を圧縮することでピークパワーを増加させている。そして、この様にして発生させた超短パルスでピークパワーの大きなレーザ光線を集光レンズによって集光し、照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射する。例えば、発振器で発生させたパルス時間幅が０．１ピコ秒、レーザエネルギーが１マイクロＪのレーザ光線をパルス幅拡張器によってパルス時間幅が１ナノ秒、レーザエネルギーが１０マイクロＪのレーザ光線にした後、増幅器でパルス時間幅が１ナノ秒、レーザエネルギーが１Ｊ以下のレーザ光線にし、さらにパルス幅圧縮器によってパルス時間幅が０．１ピコ秒、レーザエネルギーが１Ｊ以下のレーザ光線に変換する。このようにパルス時間幅を圧縮することで、レーザ光線１８のピーク出力を約１０テラＷにすることができる。
【００３６】
ターゲット材１３は、例えばボロン−１０を約９０パーセントまで濃縮したボロン片である。ターゲット材１３は、照射部材１１のレーザ光線１８が照射される部分の真後ろに、例えば８ｍｍ離して配置される。
【００３７】
なお、ターゲット材１３の後方には、ポリエチレンテレフタレートフィルムで構成されたフィルタ１６とモニタ１７が配置されている。これらは、ターゲット材１３に照射される高エネルギー粒子１９のエネルギーを推定するためのものである。即ち、フィルタ１６の厚さとこれを透過できる粒子の運動エネルギーとの間には一定の関係があるので、モニタ１７によってフィルタ１６を透過した粒子を検出することで、当該粒子が一定値以上の運動エネルギーを有していたことがわかる。例えば、水素イオンの場合、厚さ１０μｍのフィルタ１６を透過するためには１ＭｅＶ程度の運動エネルギーが必要であることから、モニタ１７によって水素イオン（水素原子核）が検出されると、その水素イオンは１ＭｅＶ程度以上の運動エネルギーを有していることがわかる。ただし、フィルム１６及びモニタ１７は必ず必要なものではなく、省略可能である。
【００３８】
核反応誘起装置の周囲は、図示しない遮蔽壁によって遮蔽されており、高エネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に照射することで発生した高エネルギー粒子１９や、核反応生成物から放出される放射線の漏れを防止している。
【００３９】
次に、核反応の誘起方法について説明する。この核反応の誘起方法は、照射部材１１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線１８を照射部材１１に瞬間的に照射（ステップＳ１）して高エネルギー粒子１９を発生させ（ステップＳ２）、この高エネルギー粒子１９をターゲット材１３に照射して（ステップＳ３）核反応を誘起する（ステップＳ４）ものである。
【００４０】
なお、照射するレーザ光線１８としてはパルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線の使用が好ましい。パルス幅が１０ピコ秒よりも長くなると、レーザ光線１８の照射時間が長くなることからレーザ光線１８によって電離された原子核の拡散が照射終了前に始まり、電荷分離領域の形成が不十分になって原子核を十分に加速するのが困難になるからである。また、同じエネルギーでもパルス幅を短くすることでピークパワーを高くすることができてレーザ光線１８の電界を大きくすることができ、より電荷分離領域の正負の差を大きくすることができるからである。
【００４１】
レーザ光線照射手段１２から、例えばパルス幅４００フェムト秒で３ジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線１８を直径１０ミクロン程度の大きさに集光して照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射する（ステップＳ１）と、レーザ光線１８の非常に高い電界や光圧力、レーザパルスにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界により、極微少な照射領域から電子が追い出され加速される。
【００４２】
一方、電子が追い出されて電離された原子核（正イオン）は電子に比べて質量が大きいため、レーザ光線１８の照射後しばらくの間はほとんど動かない。このため、極微少な照射領域が正イオンの高密度領域となり、その静電気力で正イオンは爆発的に加速され、例えば図３に示すような１０メガ電子ボルトに近い高エネルギーの正イオンが発生する（ステップＳ２）。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての正イオンを発生させることができる。ただし、必ずしも高エネルギー粒子１９のエネルギーを１０メガ電子ボルト近くまで高める必要はなく、例えば、１００キロ電子ボルト以上のエネルギーに高めることができれば良く、より好ましくは、核反応を誘起できる程度の大きさのエネルギーに高めることができれば良い。
【００４３】
ここで、レーザ光線１８の照射領域は一定の面積を有しているので、正イオンの高密度領域は直径数十μｍ、厚み１０μｍ以下程度のシート状のものとなり、平面的な電位分布が形成される。したがって、この電界によって加速される正イオンはレーザ光線１８の照射面に対して垂直で、かつレーザの照射源であるレーザ光線照射手段１２から離れる方向、即ち、照射部材１１の後方のターゲット材１３に向けて進む。なお、実験では、正イオンの流れであるイオンビームの方向は全角４０度程度の広がりがあった。
【００４４】
本実施形態では、レーザ光線１８を照射部材１１の重水素置換プラスチック層１５に照射しているので、高エネルギーの正イオンとして主に重水素イオンが発生する。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての重水素原子核を発生させることができる。この高エネルギーの重水素イオン（重水素原子核）はボロン片であるターゲット材１３に照射される（ステップＳ３）。したがって、ターゲット材１３では１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核反応が生じる（ステップＳ４）。このため、炭素−１１（１１Ｃ）と中性子（ｎ）を生産することができる。なお、核反応はターゲット材１３の表面から例えば１ｍｍの深さまでの領域１３ａで発生する。したがって、生成物である炭素−１１がターゲット材１３のどこに存在するかが明らかである。
【００４５】
なお、照射部材１１に重水素置換プラスチック層１５の形成を省略しても良く、また、ターゲット材１３としてはボロン−１０を濃縮していないものを使用しても良い。この場合には、高エネルギーの正イオンとして主に水素イオンが発生する。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての水素原子核を発生させることができる。この高エネルギーの水素イオン（水素原子核）がターゲット材１３に照射されると１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核反応が生じる。このため、炭素−１１と中性子を生産することができる。
【００４６】
炭素−１１は半減期２０分のほぼ純粋なポジトロン源であり、医療や材料の欠陥検査などに使用することができる。また、半減期が２０分と短いために一晩経過すると放射能が大きく減衰し、ナトリウム−２２などと比較すると放射性物質管理上大きなメリットがある。前述のレーザ出力では、レーザ光線１８の１パルスあたり２ナノキューリの炭素−１１を生成することが可能である。これを１０Ｈｚのパルス繰り返しのレーザ装置を用いて１時間程度照射を繰り返すことにより、１０マイクロキューリ以上の炭素−１１を得ることができる。この値は校正用線源などとして既に市販されているナトリウム−２２と同じレベルに相当する。
【００４７】
なお、レーザ光線１８の照射領域から追い出されて加速された電子は高エネルギーの電子であり、照射部材１１やその他の物質等を透過する際に主として制動輻射により高エネルギーのＸ線を発生させる。このＸ線は、高エネルギー電子が進んでいた方向に発生するので、レーザ光線１８の照射面に対して垂直で、かつレーザ光線照射手段１２から離れる方向に向けて発生する。
【００４８】
また、発生したＸ線のうち１．０２（＝０．５１×２）ＭｅＶよりも大きなエネルギーを有しているものは、他の物質との相互作用により電子対を生成させることもある。即ち、高エネルギーのポジトロン（陽電子）と電子の発生が可能である。つまり、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで、高エネルギー粒子１９としての電子、Ｘ線（電磁波）、陽電子を発生させることができる。
【００４９】
一方、レーザ光線１８の照射によって発生する高エネルギーの正イオンは照射部材１１中の他の物質との間で核融合反応や核分裂反応を起こさせることが可能である。そして、これらの反応で生じたγ線によって（γ，ｎ）反応などが引き起こされ、反応前元素の同位体と中性子が生成される。
【００５０】
照射部材１１とターゲット材１３の材料の組み合わせを変えることで、上述の１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃ反応、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃ反応の他にも種々の核反応を誘起することができる。例えば、照射部材１１として水素原子を含むものを使用することで、高エネルギーの正イオンとして主に水素原子核（ｐ）が発生するので、この高エネルギーの水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材１３に照射することで、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である炭素−１１とα粒子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材１３に照射することで、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である窒素−１３とα粒子を生成することができる。さらに、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材１３に照射することで、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８と中性子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材１３に照射することで、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるベリリウム−７とα粒子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材１３に照射することで、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である酸素−１５と中性子を生成することができる。
【００５１】
また、照射部材１１として重水素原子を含むものを使用することで、高エネルギーの正イオンとして主に重水素原子核（ｄ）が発生するので、この高エネルギーの重水素原子核を、炭素−１２を含むターゲット材１３に照射することで、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である窒素−１３と中性子を生成することができる。また、高エネルギー粒子１９として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材１３に照射することで、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体である酸素−１５と中性子を生成することができる。さらに、高エネルギー粒子１９として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材１３に照射することで、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することができ、短寿命放射性同位体であるフッ素−１８とα粒子を生成することができる。
【００５２】
さらに、上述の出力のレーザ光線１８の照射によって発生するＸ線、正イオン等の粒子のエネルギーは核分裂反応の閾値以上になるため、容易に核反応を誘起することができる。例えば、照射部材１１として水素原子を含むものを、ターゲット材１３としてウラン等を含むものを使用し、高エネルギー、例えば１０ＭｅＶ程度のエネルギーを持つ水素イオンをターゲット材１３に照射することでウラン等に核分裂反応を起こさせることが可能である。
【００５３】
また、原子核を励起することも可能である。即ち、レーザ光線１８を照射部材１１に照射することで発生する高エネルギー粒子１９によってターゲット材１３中の原子核を励起して核異性体を生成することができる。核異性体がより安定した核異性体に変化する核異性体転移現象では一定エネルギーのγ線が放出されるので、ラインスペクトルのγ線源を得ることができるとともに、γ線レーザへの展開が可能である。
【００５４】
本発明では、核反応を誘起する高エネルギー粒子１９を発生させるために超短パルスのレーザ光線１８を使用しているので、原子炉や加速器等を使用して核反応を誘起する場合に比べて、装置を大幅に小型化することができるとともに、遮蔽設備を簡単なものにすることができる。このため、核反応を利用して製造される放射性同位体等を低コストで提供することができる。また、放射線の管理が容易になる。さらに、放射線医療施設等の放射性同位体の消費場所により近い場所で放射性同位体の製造が可能になり、特に半減期の短い放射性同位体の製造に適している。
【００５５】
また、本発明はレーザ光線１８を照射することで核反応を誘起するので、核反応の制御が簡単である。つまり、レーザ光線１８のオン・オフによって核反応を誘起したり停止させたりすることができる。また、レーザ光線１８の照射密度や出力等によって発生させる高エネルギー粒子１９のエネルギーを調整することができ、核反応の量を制御することができる。
【００５６】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、照射部材１１とターゲット材１３を異なる部材としていたが、これらを同一部材としてレーザ光線１８を照射した部材に含まれる原子核に核反応を誘起するようにしても良い。この場合には、核反応の起きる範囲をレーザ光線１８の照射領域の近傍に限定することができる。
【００５７】
また、上述の説明では、高エネルギー粒子１９が主に水素原子核又は重水素原子核である場合について説明したが、例えば主に三重水素原子核であっても良く、さらには、これらが混じったものであっても良い。
【００５８】
また、核反応による生成物の半減期よりも短い間隔でレーザ光線１８の照射を繰り返し行うようにしても良い。この様にすることで、半減期の短い生成物を蓄積することができる。
【００５９】
さらに、上述の説明では、照射部材１１を薄膜としていたが、ガスジェットでも良い。即ち、例えばガスの高速流にレーザ光線１８を照射するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１１ 照射部材
１２ レーザ光線照射手段
１３ ターゲット材
１８ レーザ光線
１９ 高エネルギー粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線照射手段から照射された照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に瞬間的に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起することを特徴とする核反応の誘起方法。
【請求項２】
前記レーザ光線は、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線であることを特徴とする請求項１記載の核反応の誘起方法。
【請求項３】
前記ターゲット材と前記照射部材は同一部材であることを特徴とする請求項１または２記載の核反応の誘起方法。
【請求項４】
前記ターゲット材は、前記照射部材と異なる部材であることを特徴とする請求項１または２記載の核反応の誘起方法。
【請求項５】
前記高エネルギー粒子を１００キロ電子ボルト以上の運動エネルギーに加速できる大きさのエネルギーを有するレーザ光線を前記照射部材に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項６】
前記高エネルギー粒子は、電子、電磁波、正イオンのうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項７】
前記高エネルギー粒子を前記照射部材のレーザ照射面に対して垂直かつレーザの照射源から離れる方向に加速することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項８】
前記高エネルギー粒子は水素原子核、重水素原子核、三重水素原子核のうち少なくともいずれか一つであり、当該高エネルギー粒子を前記ターゲット材に照射して核融合反応を誘起することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項９】
高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１１を含むターゲット材に照射し、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１０】
高エネルギー粒子として重水素原子を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１１】
高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１２】
高エネルギー粒子として重水素原子を、炭素−１２を含むターゲット材に照射し、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１３】
高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１４】
高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材に照射し、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１５】
高エネルギー粒子として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１６】
高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材に照射し、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１７】
高エネルギー粒子として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材に照射し、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１８】
高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材に照射し、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１９】
核反応による生成物の半減期よりも短い間隔で前記レーザ光線の照射を繰り返し行うことを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２０】
前記照射部材は、薄膜またはガスジェットであることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２１】
前記高エネルギー粒子を前記ターゲット材に照射して前記ターゲット材中の原子核を励起させることを特徴とする請求項１から７、１９、２０のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２２】
照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、前記高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えることを特徴とする核反応誘起装置。
【請求項１】
レーザ光線照射手段から照射された照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に瞬間的に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させ、この高エネルギー粒子をターゲット材に照射して核反応を誘起することを特徴とする核反応の誘起方法。
【請求項２】
前記レーザ光線は、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザ光線であることを特徴とする請求項１記載の核反応の誘起方法。
【請求項３】
前記ターゲット材と前記照射部材は同一部材であることを特徴とする請求項１または２記載の核反応の誘起方法。
【請求項４】
前記ターゲット材は、前記照射部材と異なる部材であることを特徴とする請求項１または２記載の核反応の誘起方法。
【請求項５】
前記高エネルギー粒子を１００キロ電子ボルト以上の運動エネルギーに加速できる大きさのエネルギーを有するレーザ光線を前記照射部材に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項６】
前記高エネルギー粒子は、電子、電磁波、正イオンのうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項７】
前記高エネルギー粒子を前記照射部材のレーザ照射面に対して垂直かつレーザの照射源から離れる方向に加速することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項８】
前記高エネルギー粒子は水素原子核、重水素原子核、三重水素原子核のうち少なくともいずれか一つであり、当該高エネルギー粒子を前記ターゲット材に照射して核融合反応を誘起することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項９】
高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１１を含むターゲット材に照射し、１１Ｂ（ｐ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１０】
高エネルギー粒子として重水素原子を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｄ，ｎ）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１１】
高エネルギー粒子として水素原子核を、ボロン−１０を含むターゲット材に照射し、１０Ｂ（ｐ，α）７Ｂｅで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１２】
高エネルギー粒子として重水素原子を、炭素−１２を含むターゲット材に照射し、１２Ｃ（ｄ，ｎ）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１３】
高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｐ，α）１１Ｃで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１４】
高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１６を含むターゲット材に照射し、１６Ｏ（ｐ，α）１３Ｎで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１５】
高エネルギー粒子として重水素原子核を、窒素−１４を含むターゲット材に照射し、１４Ｎ（ｄ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１６】
高エネルギー粒子として水素原子核を、窒素−１５を含むターゲット材に照射し、１５Ｎ（ｐ，ｎ）１５Ｏで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１７】
高エネルギー粒子として重水素原子核を、ネオン−２０を含むターゲット材に照射し、２０Ｎｅ（ｄ，α）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１８】
高エネルギー粒子として水素原子核を、酸素−１８を含むターゲット材に照射し、１８Ｏ（ｐ，ｎ）１８Ｆで表される核融合反応を誘起することを特徴とする請求項８記載の核反応の誘起方法。
【請求項１９】
核反応による生成物の半減期よりも短い間隔で前記レーザ光線の照射を繰り返し行うことを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２０】
前記照射部材は、薄膜またはガスジェットであることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２１】
前記高エネルギー粒子を前記ターゲット材に照射して前記ターゲット材中の原子核を励起させることを特徴とする請求項１から７、１９、２０のいずれかに記載の核反応の誘起方法。
【請求項２２】
照射部材と、該照射部材の電離が可能なエネルギーのレーザ光線を直接前記照射部材に照射して前記レーザ光線の電界及び光圧力とレーザパルスとにより誘起されたプラズマ波により生じた進行電界によって照射領域から電子を追い出し加速させ、前記電子が追い出されて電離された正イオンは前記電子と比べて質量が大きいことを利用して前記照射領域を前記正イオンの高密度領域として静電気力によって前記正イオンを加速して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、前記高エネルギー粒子によって核反応を誘起される原子核を含むターゲット材を備えることを特徴とする核反応誘起装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１０３２６０（Ｐ２０１２−１０３２６０Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７５７７４（Ｐ２０１１−２７５７７４）
【出願日】平成２３年１２月１６日（２０１１．１２．１６）
【分割の表示】特願２０００−２９５２０８（Ｐ２０００−２９５２０８）の分割
【原出願日】平成１２年９月２７日（２０００．９．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０００年３月２８日〜３１日 社団法人応用物理学会主催の「２０００年（平成１２年）春季第４７回応用物理学関係連合講演会」において文書をもって発表
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（５１００４１１４２）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン (20)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１６日（２０１１．１２．１６）
【分割の表示】特願２０００−２９５２０８（Ｐ２０００−２９５２０８）の分割
【原出願日】平成１２年９月２７日（２０００．９．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０００年３月２８日〜３１日 社団法人応用物理学会主催の「２０００年（平成１２年）春季第４７回応用物理学関係連合講演会」において文書をもって発表
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（５１００４１１４２）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン (20)
【Ｆターム（参考）】
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