(57)【要約】【課題】放電中に発生する熱の影響により、中性子発生率が低下するのを抑えることが可能な、中性子発生装置を提供する。【解決手段】本発明の中性子発生装置１００は、筒状の真空容器１０１と、真空容器１０１の軸方向Ｌにおいて、２つの端部にそれぞれ取り付けられた陽極１０２と、真空容器１０１の軸方向Ｌにおいて、中間部に取り付けられた陰極１０３と、２つの陽極１０２に設けられた冷却部１０４と、を有し、２つの陽極１０２、陰極１０３のそれぞれの少なくとも一部が、真空容器１０１の外部に露出している。【選択図】図２
2019197654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の真空容器と、
前記真空容器の軸方向において、２つの端部にそれぞれ取り付けられた陽極と、
前記真空容器の軸方向において、中間部に取り付けられた陰極と、
２つの前記陽極に設けられた冷却部と、を有し、
２つの前記陽極、前記陰極のそれぞれの少なくとも一部が、前記真空容器の外部に露出していることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項２】
前記冷却部が、前記陽極の内部に形成された冷却媒体の流路を有することを特徴とする請求項１に記載の中性子発生装置。
【請求項３】
前記冷却部が、前記陽極のうち、外部に露出している部分に形成された熱交換フィンを有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の中性子発生装置。
【請求項４】
前記陽極のうち、少なくとも前記真空容器の内部空間に接する部分が、タングステン、モリブデンの一方または両方を主成分として含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
【請求項５】
前記陽極が、前記陰極に向かって突出し、前記真空容器の中心軸を囲む筒状部を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の中性子発生装置。
【請求項６】
前記陽極が、径の異なる２つの前記筒状部を有し、
それらのうち、前記真空容器の中心軸から遠い側にある第一筒状部が、前記中心軸から近い側にある第二筒状部に比べて、前記陽極が取り付けられている前記端部から遠い位置まで突出していることを特徴とする請求項５に記載の中性子発生装置。
【請求項７】
前記第一筒状部、前記第二筒状部が、それぞれ、前記第一筒状部と前記第二筒状部の間に磁場を印加する磁場印加部を備えていることを特徴とする請求項６に記載の中性子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型化、低コスト化が可能であり、制御性に優れた中性子発生装置（中性子源）として、慣性静電閉じ込め式核融合装置（以下では、ＩＥＣ中性子源と呼ぶ）が知られている。ＩＥＣ中性子源は、重水素ガスを導入した真空容器内で、陽極と陰極の間に数ｋＶ〜数１００ｋＶ程度の高電圧を印加し、プラズマ化した重水素イオンを陰極に向けて加速し、互いに衝突させて核融合反応を起こすことによって、中性子を発生させるものである。
【０００３】
制御性が特に優れたＩＥＣ中性子源として、対向する一対の陽極と、その間に挟まれた陰極とを有し、それらが略直線状に並んで配置された直線型ＩＥＣ中性子源が挙げられる（特許文献１）。直線型のＩＥＣ中性子源は、軸方向および方位角方向の対称性が良い電界を利用できる点、陰極・陽極ともに直接冷却が可能である点、両陽極に補助イオン源を設置できる点で、他のタイプのものより有利であり、高出力動作を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０２９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
核融合反応中のＩＥＣ中性子源においては、放電に伴って生成される高エネルギー粒子によって、陽極表面に過大な熱が加わり、一部でスパッタリングや蒸発が起きることが、本発明者の研究によって明らかとなっている。生成されたスパッタリング粒子や金属蒸気は、不純物となって真空容器内に拡散するため、中性子生成の原料となる重水素ガスの純度が低下し、その影響で中性子の発生率が低下してしまう。また、拡散した不純物粒子の一部が陽極表面に再付着することにより、陽極の放電が不安定となり、その影響で中性子の発生率がさらに低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、放電中に発生する熱の影響により、中性子発生率が低下するのを抑えることが可能な、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】
【０００７】
本発明は、本発明者の研究によって見出された上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【０００８】
（１）本発明の一態様に係る中性子発生装置は、筒状の真空容器と、前記真空容器の軸方向において、２つの端部にそれぞれ取り付けられた陽極と、前記真空容器の軸方向において、中間部に取り付けられた陰極と、２つの前記陽極に設けられた冷却部と、を有し、２つの前記陽極、前記陰極のそれぞれの少なくとも一部が、前記真空容器の外部に露出している。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の中性子発生装置において、前記冷却部が、前記陽極の内部に形成された冷却媒体の流路を有していてもよい。
【００１０】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の中性子発生装置において、前記冷却部が、前記陽極のうち、外部に露出している部分に形成された熱交換フィンを有していてもよい。
【００１１】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の中性子発生装置において、前記陽極のうち、少なくとも前記真空容器の内部空間に接する部分が、タングステン、モリブデンの一方または両方を主成分として含むことが好ましい。
【００１２】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の中性子発生装置において、前記陽極が、前記陰極に向かって突出し、前記真空容器の中心軸を囲む筒状部を少なくとも１つ有していてもよい。
【００１３】
（６）上記（５）に記載の中性子発生装置において、前記陽極が、径の異なる２つの前記筒状部を有し、それらのうち、前記真空容器の中心軸から遠い側にある第一筒状部が、前記中心軸から近い側にある第二筒状部に比べて、前記陽極が取り付けられている前記端部から遠い位置まで突出していることが好ましい。
【００１４】
（７）上記（６）に記載の中性子発生装置において、前記第一筒状部、前記第二筒状部が、それぞれ、前記第一筒状部と前記第二筒状部の間に磁場を印加する磁場印加部を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の中性子発生装置は、陽極に冷却部を備えているため、放電中に発生する熱が陽極に加わったとしても、過度の温度上昇を抑えることができ、熱の影響による陽極のダメージを軽減することができる。また、陽極の内部に冷却部を備えることによって、加熱部分をより近い位置で冷却することができるため、真空容器の外から間接的に冷却する場合に比べて、高い冷却効果が得られる。したがって、放電中の陽極表面のスパッタリングや蒸発を抑えることができ、それらに伴って発生する不純物の影響に起因する、中性子の発生率の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る中性子発生装置の斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る中性子発生装置の断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る中性子発生装置の断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る中性子発生装置の断面図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る中性子発生装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１８】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る中性子発生装置１００の構成を、模式的に示す斜視図である。図２は、図１の中性子発生装置１００を、軸方向Ｌに平行に切断した場合の断面図である。
【００１９】
中性子発生装置１００は、筒状の真空容器１０１と、真空容器の軸方向（長さ方向）Ｌにおいて、２つの端部１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ取り付けられた陽極１０２と、真空容器１０１の軸方向Ｌにおいて、中間部に取り付けられた陰極１０３と、２つの陽極１０２に設けられた冷却部１０４と、を有する。（図１では、冷却部１０４の図示を省略している。）
【００２０】
真空容器１０１は、円筒、矩形筒等の一方向に延在する筒状であればよいが、放電による加熱が偏らないように、軸対称の形状であることが好ましい。真空容器１０１は、例えば、セラミック、石英ガラス、エポキシガラス等の絶縁体で構成される。真空容器１０１の軸方向の機械的強度を考慮すると、側壁の厚さ１０１Ｔは、概ね５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
真空容器１０１の軸方向Ｌにおける両端部１０１ａ、１０１ｂは開口しており、それらを塞ぐように、陽極１０２が取り付けられている。陽極１０２は、例えば、ステンレス、タングステン、モリブデン等の導電体で構成される。２つの陽極１０２は、それぞれ、少なくとも一部が真空容器１０１の外部に露出しており、他の少なくとも一部は、真空容器１０１の内部空間１０１Ｓと接している。
【００２２】
図１、２では、柱状の陽極１０２を用いる場合を例示しているが、陽極１０２の形状についての制限はなく、真空容器１０１の端部に取り付けられるものであればよい。陽極１０２は、露出部分を多くする観点から、真空容器１０１の外部に突出するように取り付けられていることが好ましい。図１、２では、軸方向Ｌに沿って突出させている場合について例示しているが、軸方向Ｌに垂直に突出させてもよいし、軸方向Ｌに対して斜めの方向に突出させてもよい。突出方向および突出長さについては、周囲の構成に応じて決定される。
【００２３】
陰極１０３は、真空容器１０１の軸方向Ｌに貫通孔１０３Ｈを有する導電部材である。陰極１０３は、２つの陽極１０２に挟まれた中間部において、少なくとも一部が真空容器１０１の外部に露出するように、真空容器１０１の側壁に沿って取り付けられている。図１では、陰極１０３の形状をリング状に簡略化して示しているが、より詳細には、図２に示すように、長さの異なる３つの筒状部（ここでは、第一筒状部１０３Ａ、第二筒状部１０３Ｂ、第三筒状部１０３Ｃと呼ぶ）が連結（一体化）されてなる。３つの筒状部の軸の位置は、いずれも真空容器１０１の軸（中心軸）１０１Ｃの位置と略一致している。
【００２４】
第一筒状部１０３Ａは、真空容器１０１の外側において、真空容器１０１の外壁面に取り付けられている。第二筒状部１０３Ｂは、真空容器１０１の側壁を厚さ方向に貫いており、その外壁面が、第一筒状部１０３Ａの内壁面に連結されている。第三筒状部１０３Ｃは、真空容器１０１の内部空間に配され、その外壁面が、第二筒状部１０３Ｂの内壁面に連結されている。第三筒状部１０３Ｃの内壁面で囲まれた領域（貫通孔１０３Ｈ）は、重水素イオンの核融合反応が主として行われる領域となる。
【００２５】
本実施形態では、第二筒状部１０３Ｂが、真空容器１０１の側壁を全周にわたって貫いている場合を例示しており、真空容器１０１は一体ではなく、２つの部分１０１Ａ、１０１Ｂに分割可能な構成となっている。つまり、真空容器１０１は、陰極１０３を挟んで２つの部分１０１Ａ、１０１Ｂが連結してなる。
【００２６】
真空容器１０１と陽極１０２の境界、真空容器１０１と陰極１０３の境界は、銅等で構成されるガスケットを挟んだり、ろう付けしたりして、封止されている。
【００２７】
冷却部１０４は、放電中に発生する熱が陽極に加わった際に、陽極の過度の温度上昇を抑える機能を有するものである。本実施形態では、冷却部１０４が、第一の冷却手段として、陽極の内部に形成された冷却媒体（冷媒）の流路１０５を有する場合について例示している。冷却媒体としては、例えば、水、フッ素系不活性液体（フロリナート（登録商標））、絶縁油等が用いられる。
【００２８】
流路１０５は、同じ冷却媒体が循環するように閉じていてもよいし、１回の冷却のたびに、冷却媒体が入れ替わるように開いていてもよい。流路１０５が閉じている場合には同じ冷却媒体を使用し続けることができ、冷却媒体を新たに加える必要がない分、コストを抑えることができる。流路１０５が開いている場合には、冷却媒体を再使用しないため、温度上昇した冷却媒体を冷却する設備が不要となる分、コストを抑えることができる。
【００２９】
冷却媒体の流路１０５による冷却効果は、加熱部分と接する流路１０５の表面積に比例して高くなる。加熱部分は、主に陰極１０３と対向する側に広がって分布するため、流路１０５は、この分布に沿って延在するように形成されていることが好ましい。
【００３０】
流路１０５の側壁との摩擦による圧力損失が大きいと、冷却媒体の流れが滞って冷却効率が低くなるため、流路１０５の最小幅は２ｍｍ以上であることが好ましい。また、屈曲部等で発生する渦による圧力損失が大きくても、同様にして冷却効率が低くなるため、流路１０５の曲がりを少なくすることが好ましい。例えば、冷却媒体の制御手段を、軸方向Ｌにおいて陽極１０２と重なる位置に設ける場合には、図２に示すような略Ｕ字状の流路が好ましい。
【００３１】
流路１０５は複数本形成されていてもよいし、１本の流路の途中で複数本に分岐していてもよい。それらの流路が中心軸１０１Ｃに対称に分布していれば、冷却による温度分布の均一性を高められるため、好ましい。
【００３２】
冷却部１０４は、第二の冷却手段として、陽極１０２のうち、外部に露出している部分に形成された熱交換フィン（冷却フィン）１０６を有していてもよい。熱交換フィン１０６は、陽極の露出面１０２ａから突出する単数または複数の板状部材で構成されている。熱交換フィン１０６を構成する板状部材は、大きい表面積を有することが好ましく、主面が露出面１０２ａに対して略垂直となるように、または傾斜するように立設されている。熱交換フィン１０６の材料としては、熱伝導率の高いものが好ましく、例えば、銅、アルミニウム等が挙げられる。
【００３３】
熱交換フィン１０６を有することにより、陽極１０２に加わった熱の放出面の面積が増加し、熱放出が効率的に行われるようになるため、陽極に対する冷却効果をさらに高めることができる。
【００３４】
中性子発生装置１００の動作について説明する。まず、液槽に収容したフッ素系不活性液体（フロリナート（登録商標））に浸漬された真空容器１０１内を、０．００１Ｐａ以下程度まで減圧し、そこに重水素ガスを導入する。フッ素系不活性液体に浸漬することにより、真空容器１００を外部から絶縁するとともに、冷却することができる。
【００３５】
次に、２つの陽極１０２を接地し、陰極１０３に対して−数ｋＶ〜−数１００ｋＶ程度の高い負電圧を印加することにより、陽極１０２と陰極１０３との間に電位差（電場）を生じさせ、重水素ガスをイオン化するとともに、正に帯電した重水素イオンを、陽極１０２側から陰極１０３側へ加速させる。
【００３６】
加速された重水素イオンは、陰極１０３の位置に達した後に、陰極１０３の近傍で細かく往復する運動（振動）を繰り返す。より詳細には、軸方向Ｌに沿って、陰極の貫通孔１０３Ｈを一旦通り抜けた重水素イオンが、逆方向の電場によって加速されて貫通孔１０３Ｈを反対方向に通り抜ける。その後、貫通孔１０３Ｈを、最初の加速方向に通り抜け、逆方向に通り抜ける運動を繰り返すことになる。この運動の間、重水素イオンは、同様の運動状態の他の重水素イオン、あるいはイオン化していない重水素ガスと衝突し、核融合反応を引き起こすことによって、中性子が生成される。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る中性子発生装置１００は、陽極１０２の内部に冷却部１０４を備えているため、放電中に発生する熱が陽極１０２に加わったとしても、過度の温度上昇を抑えることができ、熱の影響による陽極１０２のダメージを軽減することができる。また、陽極１０２の内部に冷却部を備えることによって、加熱部分をより近い位置で冷却することができるため、真空容器１０１の外から間接的に冷却する場合に比べて、高い冷却効果が得られる。したがって、放電中の陽極１０２表面のスパッタリングや蒸発を抑えることができ、それらに伴って発生する不純物の影響に起因する、中性子の発生率の低下を抑えることができる。
【００３８】
＜第二実施形態＞
図３は、本発明の第二実施形態に係る中性子発生装置１２０の構成を、模式的に示す断面図である。中性子発生装置１２０は、陽極１０２のうち、少なくとも真空容器の内部空間１０１Ｓに接する表層部分１０７が、高融点かつ高スパッタ耐性を有するタングステン、モリブデンの一方または両方を、主成分として５０％以上の割合で含む。ここでの表層部分１０７としては、内部空間１０１Ｓに接する最表面から０．０１ｍｍ程度の深さの部分が想定される。なお、表層部分１０７以外の部分に、タングステン、モリブデンの一方または両方を含んでいてもよい。
【００３９】
その他の構成については、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
タングステン、モリブデンは、熱伝導性およびスパッタリング耐性に優れているため、これらを含む陽極の表層部分１０７では、過度に温度上昇することがなく、スパッタリング不純物、金属蒸気が発生しにくくなっている。
【００４１】
＜第三実施形態＞
図４は、本発明の第三実施形態に係る中性子発生装置１３０の構成を、模式的に示す断面図である。中性子発生装置１３０では、陽極１０２が、真空容器の中心軸１０１Ｃと略平行に、陰極１０３に向かって突出し、真空容器の中心軸１０１Ｃを囲む筒状部を少なくとも１つ有する。
【００４２】
本実施形態では、陽極１０２が、径の異なる２つの筒状部１０８、１０９（以下では、第一筒状部１０８、第二筒状部１０９と呼ぶ）を有しており、それらの中心軸は、真空容器の中心軸１０１Ｃと略一致している。真空容器の中心軸１０１Ｃから遠い側にある第一筒状部１０８が、中心軸１０１Ｃから近い側にある第二筒状部１０９に比べて、陽極１０２が取り付けられている端部１０１ａまたは端部１０１ｂから、遠い位置まで突出している。
【００４３】
その他の構成については、第二実施形態の構成と同様であり、第二実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第二実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
第一筒状部１０８、第二筒状部１０９が形成されていることにより、第一筒状部１０８と第二筒状部１０９の間、第二筒状部１０９の内側においてイオン生成が行われるようになる。
【００４５】
陽極１０２を筒状に突出させることにより、中心軸１０１Ｃに対する電位分布の対称性が高められ、それに伴って、重水素イオンの陰極１０３近傍での振動の軸対称性を高めることができる。
【００４６】
冷却効果を高めるために、冷却媒体の流路１０５を筒状部１０８、１０９内に延長させてもよい。その場合には、流路１０５のスペースを確保するため、第一筒状部１０８、第二筒状部１０９の厚さは、概ね５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４７】
第一筒状部１０８が、第二筒状部１０９より遠い位置まで突出していることにより、第一筒状部の突出先１０８ａから第二筒状部の突出先１０９ａに向かう電場が発生する。そのため、陰極１０３に近づくにつれて中心軸１０１Ｃ近傍に収束するように、重水素イオンを加速させることができる。したがって、加速された重水素イオンを陰極の貫通孔１０３Ｈ内に局在化させ、重水素イオン同士の衝突確率（核融合反応率）を高めることができ、その結果として、中性子の発生効率を高めることができる。
【００４８】
＜第四実施形態＞
図５は、本発明の第四実施形態に係る中性子発生装置１４０の構成を、模式的に示す断面図である。中性子発生装置１４０は、第三実施形態と同様に第一筒状部１０８、第二筒状部１０９を有しており、さらに、陽極の第一筒状部１０８と第二筒状部１０９の間（筒状陽極間）に磁場を印加する磁場印加部１１０を、第一筒状部１０８、第二筒状部１０９の内部に備えている。
【００４９】
その他の構成については、第三実施形態の構成と同様であり、第三実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第三実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
磁場印加部１１０としては、永久磁石を用いることができる。第一筒状部１０８内の永久磁石と第二筒状部１０９内の永久磁石とは、磁化の向きが互いに揃うように設置される。磁場印加部１１０は、第一筒状部１０８と第二筒状部１０９の間（筒状陽極間）における、重水素ガスのイオン化をアシストする機能を有する。具体的には、磁場印加部１１０は、放電で生じたプラズマ中の電子に磁場を作用させてサイクロイド運動させ、イオン化せずに残留している重水素ガスと衝突させることにより、重水素イオンを追加生成することができる。
【００５１】
したがって、本実施形態では、重水素イオンをより多く発生させ、重水素イオン同士の衝突確率（核融合反応率）を高めることができ、その結果として、中性子の発生効率を高めることができる。また、本実施形態の陽極１０２は、冷却部１０４を備えており、陽極の過度な温度上昇を抑える機能を有しているため、永久磁石がキュリー点を超える高温状態となって、電子に磁場を作用させることができなくなる問題を回避することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００、１２０、１３０、１４０・・・中性子発生装置
１０１・・・真空容器
１０１ａ、１０１ｂ・・・真空容器の端部
１０１Ａ、１０１Ｂ・・・２つに分かれた真空容器のそれぞれの部分
１０２・・・陽極
１０２ａ・・・陽極の露出面
１０３・・・陰極
１０３Ａ・・・陰極の第一筒状部
１０３Ｂ・・・陰極の第二筒状部
１０３Ｃ・・・陰極の第三筒状部
１０４・・・冷却部
１０５・・・流路
１０６・・・熱交換フィン
１０７・・・陽極の表層部分
１０８・・・陽極の第一筒状部
１０９・・・陽極の第二筒状部
１１０・・・磁場印加部
【図１】
2019197654.tif 000003
【図２】
2019197654.tif 000004
【図３】
2019197654.tif 000005
【図４】
2019197654.tif 000006
【図５】
2019197654.tif 000007