(57)【要約】【課題】  大出力の中性子発生管であってもターゲットの十分な冷却性能を有し、且つコンパクト化及び軽量化された中性子発生管を提供する。【解決手段】  重水素ガスをイオン化するイオン源１６と、該イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲット２０と、を備え、前記イオン源１６にて発生した重水素イオンを加速させて前記ターゲット２０に衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管１０において、前記ターゲット２０の下方に、熱伝導材で囲繞したヒートパイプ３０で形成された冷却体を配置し、該冷却体と前記ターゲット２０との間に絶縁性熱伝導体２１を介在させた構造とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置し、該冷却体と前記ターゲットとの間に絶縁性熱伝導体を介在させたことを特徴とする中性子発生管。
【請求項２】
重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの内部にヒートパイプで形成された冷却体を設けたことを特徴とする中性子発生管。
【請求項３】
重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを生成するイオン源と、該イオン源のイオン放出孔近傍に設けられ高電圧で充電された引出電極と、前記イオン源に対向配置される加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置するとともに、該ターゲットを電気的に接地したことを特徴とする中性子発生管。
【請求項４】
前記冷却体を熱伝導材で被覆したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の中性子発生管。
【請求項５】
前記絶縁性熱伝導体が、酸素が結合されていないセラミック体であることを特徴とする請求項１記載の中性子発生管。
【請求項６】
前記ヒートパイプが棒状体であり、前記ターゲットに沿って多数並行に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の中性子発生管。
【請求項７】
前記ヒートパイプが渦巻状体であり、前記ターゲットに沿って配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の中性子発生管。
【請求項８】
前記ターゲット及び前記イオン源が金属管内に真空状態で封入されており、該金属管のうち前記ターゲットが固設される面の外表面に冷却用フィンを設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の中性子発生管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源から放出される重水素イオン又は三重水素イオンを加速電極にて加速させ、該加速したイオンビームを重金属製のターゲットに入射させて核融合反応を起こさせ、中性子を発生させる中性子発生管に関し、特にイオンビームの衝突により発熱するターゲットを冷却するための冷却構造を備えた中性子発生管に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーのイオンビームを重金属製のターゲットに照射して、核融合により高密度の中性子を発生させる中性子発生管は、石油等の地下資源の探査、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。
従来の中性子発生管の構造を図９に示す。特許文献１（特許第３１２２０８１号公報）に記載されるように図９に示した中性子発生管５１は、金属管７０と、金属管に封入され重水素ガスをイオン化するイオン源５５と、イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極５４と、加速電極５４の中に配設され三重水素等を吸蔵したターゲット５３とを備える。外壁７０を金属管とし、その内側にセラミック製の絶縁体６１が設けられ、この絶縁体６１により加速電極５４を保持するので、中性子発生管５１の外壁の耐衝撃性能が向上する。また、加速電極内に永久磁石６０を配設するので、ターゲットと加速電極入口の間に磁場（横磁場）が形成される。その結果ターゲット５３から放射される２次電子の飛跡は曲げられて、加速電極外への放射が防止される構造となっている。
【０００３】
前記中性子発生管は、ターゲットに加速された重水素や三重水素のイオンビームが衝突して発熱する。このため、ターゲットを冷却しないとターゲット表面に蒸着した水素吸蔵合金に重水素や三重水素が吸蔵されなくなり、核融合反応が起きなくなってしまい、中性子を発生しなくなる。また、この発熱によりターゲットの劣化が進行するという問題もあった。
従来の中性子発生管では、ターゲットを収容する金属管の外部から空冷等により冷却する方法が主であった。
しかし近年、従来の中性子発生管に比べて、１０倍以上の大出力を有する中性子発生管が研究、開発されている。このような大出力を有する装置の場合、ターゲットの発熱も従来より大幅に増大し、金属管外部からの冷却のみでは十分な冷却効果が得られないという問題が発生した。
【０００４】
従って、特許文献２（特開平１１−１３１１９９号公報）では、中性子を発生させるターゲット部において、重金属からなる複数の平板状ターゲットが陽子線の入射方向に所定の間隙を隔てて配置され、該間隙に平板状ターゲットを冷却する冷却材が流れるための冷却材流路を形成し、陽子線の入射位置からの距離が遠いほど平板状ターゲットの厚さを厚くし、各平板状ターゲットの中心温度が所定温度範囲となるように構成したターゲット構造が提案されている。
【０００５】
【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】
【０００６】
上記したように、大出力の中性子発生管においては従来のように金属管外部からの冷却のみでは十分な冷却効果が得られないという問題があった。
また、特許文献２に記載されるように、ターゲット内部に冷却材流路を形成し、該冷却材流路に通流した冷却材によりターゲットを冷却する方法では、冷却材を循環させるためのポンプ等の循環系機器が必要となり、装置が大型化してしまう。中性子発生管は地下資源の探査等のように可搬性が求められており、装置が大型化することは好ましくない。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、大出力の中性子発生管であってもターゲットの十分な冷却性能を有し、コンパクト化且つ軽量化された中性子発生管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】
【０００７】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置し、該冷却体と前記ターゲットとの間に絶縁性熱伝導体を介在させたことを特徴とする。
本発明によれば、前記ターゲットを前記絶縁性熱伝導材を介して直接冷却する構成としたため、大出力の中性子発生管においても冷却性能を高く維持することができる。また、前記冷却体としてヒートパイプを用いるようにしたため、冷却構造が簡単化され、ポンプなどの循環系機器が不要となり、コンパクト化且つ軽量化が可能である。
【０００８】
また、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源に対向配置され高電圧で充電された加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの内部にヒートパイプで形成された冷却体を設けたことを特徴とする。
このように、前記ターゲット内部にヒートパイプを設けることにより、より一層の冷却性能の向上が期待できる。
【０００９】
また、重水素ガス又は三重水素ガスからプラズマ状態のイオンを生成するイオン源と、該イオン源のイオン放出孔近傍に設けられ高電圧で充電された引出電極と、前記イオン源に対向配置される加速電極と、該加速電極の中に配置され重水素又は三重水素を吸蔵したターゲットと、を備え、前記イオン源にて発生させたイオンを加速させて前記ターゲットに衝突させ、核融合反応を起こして中性子を発生させる中性子発生管において、
前記ターゲットの下方にヒートパイプで形成された冷却体を配置するとともに、該ターゲットを電気的に接地したことを特徴とする。
本発明によれば、前記ターゲットを効果的に冷却できるとともに、該ターゲットの絶縁性を向上させることが可能である。
【００１０】
さらに、前記冷却体を熱伝導材で被覆することが好ましい。これにより、前記ターゲットと前記ヒートパイプの間の熱伝導性を高く保持でき、冷却性能が向上できる。
さらにまた、前記絶縁性熱伝導体が、酸素が結合されていないセラミック体であることを特徴とする。これにより、確実に前記ターゲットの絶縁性が確保され、装置の不具合の発生を回避できる。
また、前記ヒートパイプが棒状体であり、前記ターゲットに沿って多数並行に配列されていることを特徴とする。
さらに、前記ヒートパイプが渦巻状体であり、前記ターゲットに沿って配設されていることを特徴とする。
これらの発明によれば、ターゲットへ均等に冷熱を供給することができ、また簡単な構成で以って冷却性能を向上させることが可能である。
また、前記ターゲット及び前記イオン源が金属管内に真空状態で封入されており、該金属管のうち前記ターゲットが固設される面の外表面に冷却用フィンを設けたことを特徴とする。これにより、より一層の冷却性能の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１１】
以上記載のごとく本発明によれば、ヒートポンプにて形成される冷却体によりターゲットを直接冷却する構成としたため、大出力の中性子発生管においても冷却性能を高く維持することができる。また、前記冷却体としてヒートパイプを用いるようにしたため、冷却構造が簡単化され、ポンプなどの循環系機器が不要となり、装置のコンパクト化及び軽量化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の実施例１に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図、図２は本実施例に係るターゲット部冷却構造を示す要部側断面図、図３は図２のヒートパイプの概略平面図、図４〜図６は夫々は本実施例に係るターゲット冷却構造の例を示す図、図７は本発明の実施例２に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。
【実施例１】
【００１３】
図１において、中性子発生管１０は、外壁として円筒状の金属管１１を備えており、この金属管１０の中に、プラズマ状態のイオンビームを生成するイオン源１６と、高電圧で充電された加速電極により前記イオンビームを加速する加速胴２５と、前記加速電極の中に設けられたターゲット２０とが真空状態で封入された構成となっている。
前記イオン源１６は、前記金属管１１の長手方向に沿って配設されたセラミック体１５と、該金属管１１の横断面方向に沿って配設されたカーボン体１７によって区画されており、重水素ガス又は三重水素ガスをイオン化するイオン発生部１３と、前記金属管１１の外側に設けられた永久磁石１２と、前記セラミック体１５と前記金属管１１の間に配設されたヘリコン波アンテナ１４とを備えている。前記イオン源１６では、前記永久磁石１２にて生成された磁界が前記アンテナ１４により高周波変調され、前記イオン発生部１３にて発生した重水素イオン（又は三重水素イオン）がプラズマ状態となり、前記加速胴２５側へ案内される。
また、前記中性子発生管１０は、前記イオン源１６にて発生させたイオンを前記カーボン体１７に形成されたイオン放出孔より放出させる引出電極１８と、高電圧で充電された加速電極２４と、重水素又は三重水素を吸蔵した平板円形状のターゲット２０と、を備えている。該ターゲット２０は、銅基板上にＴｉ膜が被覆された構造となっている。前記ターゲット２０の端部は、高電圧導入用の金属棒である高電圧導入部２３に接続され、また金属管１１及び加速電極２４との間を絶縁されている。
【００１４】
また、前記中性子発生管１０は前記ターゲット２０の冷却構造を備えている。前記ターゲット２０の下方には、ヒートシンク２２で囲繞されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置されており、該冷却体と前記ターゲット２０との間には絶縁性熱伝導体２１が介装されている。前記ヒートパイプ３０は金属管１１の外部まで延設され、その先端には冷却用フィン３１が接続されている。該冷却用フィン３１は自然冷却によりヒートパイプ３０を冷却するようになっている。
【００１５】
このように構成された中性子発生管１０による中性子の発生原理は、イオン発生部１３で生成された重水素イオンは、イオン源１３にて永久磁石１２により生成された磁場によって案内されるとともに、ヘリコン波アンテナより発生される高周波によりプラズマ化され、プラズマ状態のイオンは引出電極１８により加速胴２５に放出される。該加速胴２５では、前記プラズマ状態のイオンは加速電極２４とイオン源１３の間に形成された電場にて加速されたイオンビームとなり、ターゲット２０に衝突する。そして、この衝突により、ターゲット２０に吸蔵された三重水素又は重水素と、衝突した重水素イオン又は三重水素イオンとの間で核融合反応が生じ、その結果中性子が発生する。
【００１６】
次に、図２を参照してターゲット２０及び冷却構造の具体的構造につき説明する。同図に示されるように、ターゲット２０の下方にはヒートシンク２２で被覆されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置され、該ターゲット２０と前記冷却体は不定形の絶縁性熱伝導体２１で接合されている。前記ターゲット２０と前記金属管１１の間の空間は真空が保たれている。
前記ターゲット２０は、例えば銅基板２０２にＴｉ膜２０１が被膜された構造を有する。
前記絶縁性熱伝導体２１は、酸素が結合されていないセラミック体であることが好ましく、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。
前記ヒートシンク２２は、低融点合金等の熱伝導性材料で形成され、接触熱抵抗によるヒートパイプ中の媒体の沸騰を抑制する機能を有する。
前記ヒートパイプ３０も同様に熱伝導性を有する材質で形成され、好適には銅であると良い。
【００１７】
図３に前記ヒートパイプ３０の構成を示す。図３（ａ）は棒状のヒートパイプ３０Ａを間隙を存して複数並行に前記ターゲット２０に沿って配列した構成である。また、（ｂ）は同様に棒状のヒートパイプ３０Ｂを密に複数本並行に配列しており、さらに、（ｃ）は渦巻状のヒートパイプ３０Ｃを前記ターゲット２０に沿って配設している。何れのヒートパイプも金属管１１外部へ延設された端部に冷却用ファン３１が接続されている。
このような形状とすることにより、ターゲット２０へ均等に冷熱を供給することができ、また簡単な構成で以って冷却性能を向上させることが可能である。
【００１８】
図４〜図６に、本実施例に係る冷却構造の例を示す。各図において、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図を示す。
図４は外部熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の下方にヒートパイプ３０を配置し、該ヒートパイプとターゲット２０の間には絶縁性熱伝導体２１を介在させるとともに、金属管底部１１ａの外表面に冷却用フィン３５を形成した構成となっている。前記冷却用フィン３５は熱伝導体で形成される。この冷却用フィン３５により外部空気との熱交換、若しくは該冷却用フィン３５に接するように外部に設けられたヒートパイプとの熱交換により前記ターゲット２０が冷却される。前記冷却用フィン３５には、例えば銅等のような熱伝導体が好適に用いられる。
このように、前記冷却用フィン３５を併用することにより、より一層効果的にターゲット２０を冷却することができる。
【００１９】
図５は中間熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の下方に絶縁性熱伝導体２１を配置し、該絶縁性熱伝導体２１の内部に媒体流路を形成し、ガス熱交換を行う構成となっている。この媒体流路がヒートパイプ３０と接続され、ヒートパイプの一部の役割を担うようになっている。前記ヒートパイプ３０は前記ターゲット２０を収容する金属管１１を貫通しており、該ヒートパイプ３０と金属管１１との間には絶縁ガラス３６が介装されている。
このように、絶縁性熱伝導体２１の内部にヒートパイプ３０を設ける構成とすることにより、装置の小型化、簡易化が図れる。
図６は内部熱交換式ターゲット冷却構造であり、この方式の冷却構造では、ターゲット２０の銅基板内に媒体流路を形成し、ガス熱交換を行う構成となっている。この媒体流路がヒートパイプ３０と接続され、ヒートパイプの一部の役割を担うようになっている。また、図５と同様に前記ヒートパイプ３０と金属管１１の間には絶縁ガラス３６が介装されている。また、前記ターゲット２０と金属管底部１１ａの間には絶縁体２６が設けられている。
このように、前記ターゲット２０をヒートパイプ３０により直接冷却することにより、より効果的な冷却性能が得られる。
【００２０】
ここで、図８を参照して、本実施例に係る中性子発生管１０におけるターゲット２０の熱伝導率につき示す。一例として図８に示されるように、径φ３２（ｍｍ）、肉厚２０（ｍｍ）のターゲット２０を例に挙げて説明する。ターゲット２０の表面積、即ち核融合反応にて発生する加熱部の表面積は、下記式（１）で表される。
加熱部表面積      Ａ＝πＤ２／４
＝８．０３８４（ｃｍ２）        ・・・（１）
また、ターゲット２０の加熱容量は、下記式（２）で表される。
加熱容量          Ｗ＝４００（Ｗ）                  ・・・（２）
さらに、ターゲット２０の熱流束は、式（１）及び式（２）より下記式（３）で表される。
熱流束            ｑ＝Ｗ／Ａ
＝４９．７６（Ｗ／ｃｍ２）
＝４９７６００（Ｗ／ｍ２）    ・・・（３）
【００２１】
従って、総括熱伝達率Ｕは、以下のように求められる。
総括熱伝達率      Ｕ＝ｑ／ΔＴ
ΔＴ＝２００Ｋの時（例えば１５０℃→−５０℃）
Ｕ＝２４８８（Ｗ／ｍ２Ｋ）
ΔＴ＝１２０Ｋの時（例えば１５０℃→３０℃）
Ｕ＝４１６６（Ｗ／ｍ２Ｋ）
【実施例２】
【００２２】
図７に本発明の実施例２に係る中性子発生管を示す。尚、本実施例２において、前記実施例１と同様の構成についてはその詳細な説明を省略する。
同図において中性子発生管１０は、外壁である円筒状の金属管１１と、イオン発生部１３と永久磁石１２とヘリコン波アンテナ１４を備えたイオン源１６と、該イオン源１６にて生成したプラズマ状態の重水素イオン又は三重水素イオンを放出させる引出電極１８と、加速電極１９と、重水素又は三重水素を吸蔵したターゲット２０と、を備えている。該ターゲット２０は、銅基板上にＴｉ膜が被覆された構造となっている。前記引出電極１８には高電圧導入部２３が接続され、該引出電極１８に高電圧を印加して加速胴２５に電場を形成し、前記イオン源１３で生成したイオンビームを加速する。
【００２３】
また、前記中性子発生管１０は前記ターゲット２０の冷却構造を備え、該ターゲット２０の下方には、ヒートシンク２２で囲繞されたヒートパイプ３０からなる冷却体が配置されている。前記ヒートパイプ３０は金属管１１の外部まで延設され、その先端には冷却用フィン３１が接続されている。該冷却用フィン３１は自然冷却によりヒートパイプ３０を冷却する。また、前記ターゲット２０は、アース２８により電気的に接地されている。
本実施例によれば、イオン発生部１３で生成された重水素イオンは、イオン源１６にて永久磁石１２とヘリコン波アンテナ１４により高周波変調された磁界によりプラズマ化され、プラズマ状態のイオンは引出電極１８により加速胴２５に放出される。そして前記プラズマ状態の重水素イオン又は三重水素イオンは、前記加速胴２５に形成された電場で加速されたイオンビームとなり、ターゲット２０に衝突する。そして、この衝突により、ターゲット２０に吸蔵された三重水素又は重水素と、衝突した重水素イオンとの間で核融合反応が生じ、その結果中性子が発生する。
【００２４】
本実施例ではターゲット２０をアース２８により電気的に接地し、イオン源１６の出口に高電圧を負荷する構成としたため、ターゲット２０の絶縁性を向上させることができる。
また、前記実施例１と同様に、ターゲット２０をヒートパイプ３０で形成される冷却体により冷却する構成としたため、高出力の中性子発生管であってもターゲット２０を効率的に冷却でき、且つ装置のコンパクト化及び軽量化が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、ターゲットを直接冷却する冷却構造を有し、該冷却構造をヒートパイプにより構成したため、簡単な装置構成とすることができるとともに、小型化且つ軽量化された中性子発生管とすることができ、例えば、石油探査等の地下資源の探査、航空機手荷物検査や地雷探査等の爆発物検知、コンクリート内部欠陥検査、水分計、医療用中性子源等の目的に幅広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。
【図２】本実施例に係るターゲット部冷却構造を示す要部側断面図である。
【図３】図２のヒートパイプの概略平面図を示し、（ａ）は並行配列した図、（ｂ）は密に並行配列した図、（ｃ）は渦巻状に配設した図である。
【図４】本実施例に係る外部熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。
【図５】本実施例に係る中間熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。
【図６】本実施例に係る内部熱交換式ターゲット冷却構造を示し、（ａ）は加速胴を切断面とした平断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）はヒートパイプを切断面とした平断面図である。
【図７】本発明の実施例２に係る中性子発生管の概略構成を示す側断面図である。
【図８】ターゲットの熱伝導率を説明する図である。
【図９】従来の中性子発生管の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    中性子発生管
１１    金属管
１２    永久磁石
１３    イオン発生部
１４    アンテナ体
１５    セラミック体
１６    イオン源
１７    カーボン体
２０    ターゲット
２１    絶縁性熱伝導材
２２    ヒートシンク
２３    高電圧導入部
２５    加速胴
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ    ヒートパイプ
３５    冷却用フィン
２０１  Ｔｉ膜
２０２  銅基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006338945.tif 000007
【図６】
2006338945.tif 000008
【図７】
2006338945.tif 000009
【図８】
2006338945.tif 000010
【図９】
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