核物質の能動的検出用小型中性子発生装置
【解決手段】小型中性子発生装置は、移動可能な検出システムを用いて、高濃縮ウランの能動検出に用いられる。サイズが小さく、軽量で、電力消費量が少なく、操作及びメンテナンスが容易である。検出器は、簡素化されたイオン源及びイオン輸送システムに基づいている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年６月２９日出願の米国仮特許出願６０／６９５３６８号の優先権を主張し、その開示全体は、引用を以て本願に組み入れられるものとする。
本発明は、移動可能な検出システムを用いて、高濃縮ウラン(Highly Enriched Uranium;ＨＥＵ)の能動的検出に用いられる小型中性子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国土安全保障における最も難しい問題の１つは、大量破壊及びその他禁制品に対する検出技術である。この発明は、核物質、特にＨＥＵのように兵器に使用可能な物質及び兵器級プルトニウム(Weapon Grade Plutonium;ＷＧＰｕ)の検出を行なうのに有望な技術に関する。
【発明の開示】
【０００３】
可動検出システムを用いて、高濃縮ウラン(ＨＥＵ)の能動的検出を行なうには、小型で軽量の中性子発生装置及び検出器が必要である。
【０００４】
この小型中性子発生装置は、移動可能な検出システムを用いて、ＨＥＵの能動的検出を行なうことを目的とする。小型で、軽量で、電力消費量の少ない中性子発生装置であり、操作及びメンテナンスを容易に行なうことができる。検出器は、簡易なイオン源及びイオン輸送システムに基づいている。
【０００５】
本発明の一態様において、中性子発生装置は、重水素ガスが充填されたチャンバーと、高電圧電力源と、電界イオン化イオン源と、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はマルチピンタングステンの少なくとも１種のアノードと、カソードとを含んでいる。
【０００６】
本発明の他の態様において、中性子発生装置は、重水素ガスが充填されたチャンバーと、１２５〜１５０ｋＶの高電圧電力源と、タングステンチップを有するイオン化源と、アノードと、トリチウムが担持されたチタンの厚いターゲットとを含んでおり、発生装置の重量は、１０キログラムよりも少ない。
【０００７】
本発明のさらなる他の態様は、ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、高電圧電界により重水素の電界イオン化を生成し、イオン電流を供給し、イオンを加速してターゲットに衝突させて、重水素−トリチウム反応を生成し、データの収集及び分析を行なうものである。
【０００８】
本発明のさらなる他の態様は、ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド又はマルチピンタングステンアノードのうちの少なくとも１種を用いて高電圧電界を発生させ、電界イオン化源を用いてイオン電流を供給し、イオン電流を１２５〜１５０ｋＶまで加速し、イオン電流をターゲットに衝突させて重水素−トリチウム中性子を発生させ、データの収集及び分析を行なうものである。
【０００９】
本発明において、小型中性子発生装置は、１０9ｎ／秒の中性子を生成できるように作られている。中性子発生装置のイオン源は、電界イオン化イオン源である。カーボンナノチューブ(ＣＮＴ)又はナノロッド(ＮＲ)又は金属マルチチップからなるアノードは、重水素ガスが充填されたチャンバーの中で１ミリアンペア以上までのイオンビーム生成に用いられる。トリチウム担持チタン(Ｔ−Ｔｉ)の厚いターゲット(thick target)は、チャンバーの他端に、カソードとして配置される。高電圧(ＨＶ)電力源は、アノードとカソードの間に印加される。この明細書で用いられる“高電圧”という語は、１２０〜１５０ｋＶを意味する。この発明では、１２Ｖ又は２４ＶのＤＣ電源を必要とするだけである。１つの高電圧電力源は、中性子発生装置の唯一の電源である。重水素(Ｄ)イオンは、１２０〜１５０ｋＶに加速され、トリチウムターゲット(T-target)に照射される。核反応により、高速中性子(約１４ＭｅＶ)が生成される。ミリアンペアレベルの重水素イオンビームは、１０9ｎ／秒までの中性子を生成することができる。
【００１０】
本発明の中性子発生装置は、高温カソード又は低温カソードのイオン源での電子イオン化の代わりに電界イオン化(field ionization)を用いるものであり、無線周波数ＲＦ(Radio-Frequency)源でのＲＦイオン化を用いるものである。一実施例において、重水素の電界イオン化に必要な高電界を生成するのに、ＣＮＴ又は他のナノロッドが用いられる。他の実施例において、重水素の気相電界イオン化に必要な高電界を生成するのに、タングステンマルチチップが用いられる。本発明にあっては、ＣＮＴ、ＮＲ又はマルチピンタングステンのうちの少なくとも１つのアノードが用いられる。タングステンチップは、シャンク径が約８０マイクロメータであり、チップ半径は約１００ナノメータ(ｎｍ)である。タングステンチップを用いたこの種の電界イオン化が、質量分析及びデスクトップ型フュージョン装置用のｎＡレベルのイオン源として用いられる。本発明のイオン源構造において、ＣＮＴ、ＮＲ又はマルチチップ電界イオン化が、ミリアンペアレベルのイオン電流に用いられ、１２５〜１５０ｋＶに加速され、トリチウムターゲットで重水素−トリチウム(Ｄ−Ｔ)フュージョン反応が行われる。１０9ｎ／ｓの中性子を生成することは、商業的に入手できるこれまでの中性子管のレベルである。
【００１１】
１つの高電圧電源が、イオンの生成及び加速の両方に用いられる。加速プロセスでは、いかなる集束及びビーム輸送システムをも使用しない。開放型ジオメトリ(open geometry)では、イオンビームを、トリチウムターゲットに照射することができる。このシンプルな加速器は、２つの利点をもたらす。１つは、ビーム光学に追加の電源が不要となることであり、もう１つはトリチウムターゲットのビーム電力密度を低減できることである。その結果、ビーム加熱が緩和され、中性子発生装置の寿命が増加する。このように、トリチウムターゲットの電力密度が低下するので、商業的に入手可能な中性子管よりもはるかに寿命が長くなる。
【００１２】
本発明の幾つかの実施例において、発生装置は、遠隔制御部を具えている。具体的実施例において、遠隔制御部は、データの収集及び分析を行なう検出システムと一体に設けられている。
【００１３】
小型中性子発生装置は、サイズは小さいが、商業的に入手可能な中性子管と同等の１０9ｎ／秒の中性子を生成することができる。発生装置は、サイズが小さく、軽量で、電力消費量が少なく、操作及びメンテナンスが簡単で、低コストである。一実施例において、小型中性子発生装置は、書類かばんの大きさであり、重さは１０ｋｇよりも少なく、バッテリー電源は１２又は２４ボルトである。このため、装置の持ち運びは容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の小型中性子発生装置の概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年６月２９日出願の米国仮特許出願６０／６９５３６８号の優先権を主張し、その開示全体は、引用を以て本願に組み入れられるものとする。
本発明は、移動可能な検出システムを用いて、高濃縮ウラン(Highly Enriched Uranium;ＨＥＵ)の能動的検出に用いられる小型中性子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国土安全保障における最も難しい問題の１つは、大量破壊及びその他禁制品に対する検出技術である。この発明は、核物質、特にＨＥＵのように兵器に使用可能な物質及び兵器級プルトニウム(Weapon Grade Plutonium;ＷＧＰｕ)の検出を行なうのに有望な技術に関する。
【発明の開示】
【０００３】
可動検出システムを用いて、高濃縮ウラン(ＨＥＵ)の能動的検出を行なうには、小型で軽量の中性子発生装置及び検出器が必要である。
【０００４】
この小型中性子発生装置は、移動可能な検出システムを用いて、ＨＥＵの能動的検出を行なうことを目的とする。小型で、軽量で、電力消費量の少ない中性子発生装置であり、操作及びメンテナンスを容易に行なうことができる。検出器は、簡易なイオン源及びイオン輸送システムに基づいている。
【０００５】
本発明の一態様において、中性子発生装置は、重水素ガスが充填されたチャンバーと、高電圧電力源と、電界イオン化イオン源と、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はマルチピンタングステンの少なくとも１種のアノードと、カソードとを含んでいる。
【０００６】
本発明の他の態様において、中性子発生装置は、重水素ガスが充填されたチャンバーと、１２５〜１５０ｋＶの高電圧電力源と、タングステンチップを有するイオン化源と、アノードと、トリチウムが担持されたチタンの厚いターゲットとを含んでおり、発生装置の重量は、１０キログラムよりも少ない。
【０００７】
本発明のさらなる他の態様は、ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、高電圧電界により重水素の電界イオン化を生成し、イオン電流を供給し、イオンを加速してターゲットに衝突させて、重水素−トリチウム反応を生成し、データの収集及び分析を行なうものである。
【０００８】
本発明のさらなる他の態様は、ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド又はマルチピンタングステンアノードのうちの少なくとも１種を用いて高電圧電界を発生させ、電界イオン化源を用いてイオン電流を供給し、イオン電流を１２５〜１５０ｋＶまで加速し、イオン電流をターゲットに衝突させて重水素−トリチウム中性子を発生させ、データの収集及び分析を行なうものである。
【０００９】
本発明において、小型中性子発生装置は、１０9ｎ／秒の中性子を生成できるように作られている。中性子発生装置のイオン源は、電界イオン化イオン源である。カーボンナノチューブ(ＣＮＴ)又はナノロッド(ＮＲ)又は金属マルチチップからなるアノードは、重水素ガスが充填されたチャンバーの中で１ミリアンペア以上までのイオンビーム生成に用いられる。トリチウム担持チタン(Ｔ−Ｔｉ)の厚いターゲット(thick target)は、チャンバーの他端に、カソードとして配置される。高電圧(ＨＶ)電力源は、アノードとカソードの間に印加される。この明細書で用いられる“高電圧”という語は、１２０〜１５０ｋＶを意味する。この発明では、１２Ｖ又は２４ＶのＤＣ電源を必要とするだけである。１つの高電圧電力源は、中性子発生装置の唯一の電源である。重水素(Ｄ)イオンは、１２０〜１５０ｋＶに加速され、トリチウムターゲット(T-target)に照射される。核反応により、高速中性子(約１４ＭｅＶ)が生成される。ミリアンペアレベルの重水素イオンビームは、１０9ｎ／秒までの中性子を生成することができる。
【００１０】
本発明の中性子発生装置は、高温カソード又は低温カソードのイオン源での電子イオン化の代わりに電界イオン化(field ionization)を用いるものであり、無線周波数ＲＦ(Radio-Frequency)源でのＲＦイオン化を用いるものである。一実施例において、重水素の電界イオン化に必要な高電界を生成するのに、ＣＮＴ又は他のナノロッドが用いられる。他の実施例において、重水素の気相電界イオン化に必要な高電界を生成するのに、タングステンマルチチップが用いられる。本発明にあっては、ＣＮＴ、ＮＲ又はマルチピンタングステンのうちの少なくとも１つのアノードが用いられる。タングステンチップは、シャンク径が約８０マイクロメータであり、チップ半径は約１００ナノメータ(ｎｍ)である。タングステンチップを用いたこの種の電界イオン化が、質量分析及びデスクトップ型フュージョン装置用のｎＡレベルのイオン源として用いられる。本発明のイオン源構造において、ＣＮＴ、ＮＲ又はマルチチップ電界イオン化が、ミリアンペアレベルのイオン電流に用いられ、１２５〜１５０ｋＶに加速され、トリチウムターゲットで重水素−トリチウム(Ｄ−Ｔ)フュージョン反応が行われる。１０9ｎ／ｓの中性子を生成することは、商業的に入手できるこれまでの中性子管のレベルである。
【００１１】
１つの高電圧電源が、イオンの生成及び加速の両方に用いられる。加速プロセスでは、いかなる集束及びビーム輸送システムをも使用しない。開放型ジオメトリ(open geometry)では、イオンビームを、トリチウムターゲットに照射することができる。このシンプルな加速器は、２つの利点をもたらす。１つは、ビーム光学に追加の電源が不要となることであり、もう１つはトリチウムターゲットのビーム電力密度を低減できることである。その結果、ビーム加熱が緩和され、中性子発生装置の寿命が増加する。このように、トリチウムターゲットの電力密度が低下するので、商業的に入手可能な中性子管よりもはるかに寿命が長くなる。
【００１２】
本発明の幾つかの実施例において、発生装置は、遠隔制御部を具えている。具体的実施例において、遠隔制御部は、データの収集及び分析を行なう検出システムと一体に設けられている。
【００１３】
小型中性子発生装置は、サイズは小さいが、商業的に入手可能な中性子管と同等の１０9ｎ／秒の中性子を生成することができる。発生装置は、サイズが小さく、軽量で、電力消費量が少なく、操作及びメンテナンスが簡単で、低コストである。一実施例において、小型中性子発生装置は、書類かばんの大きさであり、重さは１０ｋｇよりも少なく、バッテリー電源は１２又は２４ボルトである。このため、装置の持ち運びは容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の小型中性子発生装置の概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重水素ガスが充填されたチャンバーと、
高電圧電力源と、
電界イオン化イオン源と、
カーボンナノチューブ、ナノロッド又はマルチピンタングステンのうちの少なくとも１種のアノードと、
カソードと、を具えている中性子発生装置。
【請求項２】
高電圧電力源は、アノードとカソードの間に電力を供給する請求項１の発生装置。
【請求項３】
カソードは、トリチウム担持チタンの厚いターゲットである請求項１の発生装置。
【請求項４】
電界イオン化源は、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はタングステンマルチチップのうちの少なくとも１種を具えており、これらは高電界を発生できるように構成されている請求項１の発生装置。
【請求項５】
タングステンチップは、シャンク径が約８０マイクロメータ、チップ半径が約１００ナノメータである請求項４の発生装置。
【請求項６】
イオン化源は、ＲＦイオン化源である請求項１の発生装置。
【請求項７】
遠隔制御部をさらに具えている請求項１の発生装置。
【請求項８】
遠隔制御部は、データの収集及び分析を行なう検出システムと一体に設けられている請求項７の発生装置。
【請求項９】
発生装置の重量は、１０ｋｇ未満である請求項１の発生装置。
【請求項１０】
重水素ガスが充填されたチャンバーと、
１２５〜１５０ｋＶの高電圧電力源と、
タングステンチップを有するイオン化源と、
アノードと、
トリチウム担持チタンの厚いターゲットと、を具えており、
発生装置の重量は１０ｋｇ未満である中性子発生装置。
【請求項１１】
ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、
高電圧電界により、重水素の電界イオン化を生成し、
イオン電流を供給し、
イオンを加速してターゲットに衝突させ、重水素−トリチウム反応を生成し、
データを収集し、
データを分析する、ステップを有している方法。
【請求項１２】
イオンビームは、１２５〜１５０ｋＶまで加速される請求項１１の方法。
【請求項１３】
イオンビームは、１２５〜１５０ｋＶまで加速される請求項１１の方法。
【請求項１４】
高電圧電界は、高電圧電力源を用いて生成される請求項１１の方法。
【請求項１５】
高電界は、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はタングステンチップのうちの少なくとも１種を用いて生成される請求項１１の方法。
【請求項１６】
イオン電流は、電界イオン化を用いて供給される請求項１１の方法。
【請求項１７】
中性子の発生は、１０9ｎ／秒以下である請求項１１の方法。
【請求項１８】
ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、
カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド又はマルチピンタングステンアノードのうちの少なくとも１種を用いて高電圧電界を発生させ、
電界イオン化源を用いてイオン電流を供給し、
イオン電流を１２５〜１５０ｋＶまで加速し、イオン電流をターゲットに衝突させて重水素−トリチウム中性子を生成し、
データを収集し、
データを分析する、ことを含んでいる方法。
【請求項１】
重水素ガスが充填されたチャンバーと、
高電圧電力源と、
電界イオン化イオン源と、
カーボンナノチューブ、ナノロッド又はマルチピンタングステンのうちの少なくとも１種のアノードと、
カソードと、を具えている中性子発生装置。
【請求項２】
高電圧電力源は、アノードとカソードの間に電力を供給する請求項１の発生装置。
【請求項３】
カソードは、トリチウム担持チタンの厚いターゲットである請求項１の発生装置。
【請求項４】
電界イオン化源は、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はタングステンマルチチップのうちの少なくとも１種を具えており、これらは高電界を発生できるように構成されている請求項１の発生装置。
【請求項５】
タングステンチップは、シャンク径が約８０マイクロメータ、チップ半径が約１００ナノメータである請求項４の発生装置。
【請求項６】
イオン化源は、ＲＦイオン化源である請求項１の発生装置。
【請求項７】
遠隔制御部をさらに具えている請求項１の発生装置。
【請求項８】
遠隔制御部は、データの収集及び分析を行なう検出システムと一体に設けられている請求項７の発生装置。
【請求項９】
発生装置の重量は、１０ｋｇ未満である請求項１の発生装置。
【請求項１０】
重水素ガスが充填されたチャンバーと、
１２５〜１５０ｋＶの高電圧電力源と、
タングステンチップを有するイオン化源と、
アノードと、
トリチウム担持チタンの厚いターゲットと、を具えており、
発生装置の重量は１０ｋｇ未満である中性子発生装置。
【請求項１１】
ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、
高電圧電界により、重水素の電界イオン化を生成し、
イオン電流を供給し、
イオンを加速してターゲットに衝突させ、重水素−トリチウム反応を生成し、
データを収集し、
データを分析する、ステップを有している方法。
【請求項１２】
イオンビームは、１２５〜１５０ｋＶまで加速される請求項１１の方法。
【請求項１３】
イオンビームは、１２５〜１５０ｋＶまで加速される請求項１１の方法。
【請求項１４】
高電圧電界は、高電圧電力源を用いて生成される請求項１１の方法。
【請求項１５】
高電界は、カーボンナノチューブ、ナノロッド又はタングステンチップのうちの少なくとも１種を用いて生成される請求項１１の方法。
【請求項１６】
イオン電流は、電界イオン化を用いて供給される請求項１１の方法。
【請求項１７】
中性子の発生は、１０9ｎ／秒以下である請求項１１の方法。
【請求項１８】
ターゲットの高濃縮ウランを検出する方法であって、
カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド又はマルチピンタングステンアノードのうちの少なくとも１種を用いて高電圧電界を発生させ、
電界イオン化源を用いてイオン電流を供給し、
イオン電流を１２５〜１５０ｋＶまで加速し、イオン電流をターゲットに衝突させて重水素−トリチウム中性子を生成し、
データを収集し、
データを分析する、ことを含んでいる方法。
【図１】
【公表番号】特表２００９−５００６４４（Ｐ２００９−５００６４４Ａ）
【公表日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３３３３２（Ｐ２００８−５３３３３２）
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２５６０７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３０２１２
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（５０８００００８７）ユニバーシティ オブ ヒューストン (5)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＨＯＵＳＴＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２５６０７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３０２１２
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（５０８００００８７）ユニバーシティ オブ ヒューストン (5)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＨＯＵＳＴＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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