(57)【要約】【課題】 従来のイオンを指向性をもって放出する装置においては、別の装置であらかじめ発生させたイオンを利用するため、放出されるイオンの効率が悪い。また、筒周辺にイオンのみが存在することによって、絶縁体である筒の内壁にイオンの付着による正の電荷が蓄積され、動作の不安定性を引き起こす。【解決手段】 高アスベクト比の筒内での圧力勾配を利用して、筒の両端に印加した電圧によって気体及び液体を効率よく電離し、同じ電圧によって電離の結果生じたイオンを加速し、指向性をもって効率よくイオンを放出する装置。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中における筒状の構造体のコンダクタンスが筒穴の直径の３乗に比例し筒の長さの１乗に反比例するという真空工学の基本原理に基づいて作製された、十分に小さな筒穴で、ある程度長い筒状の構造体によって、気体または液体の供給側と排気側とを仕切ることによって生じる筒内での気体の圧力勾配を、特定の圧力範囲において気体の電離が促進される電離気体の基本原理と組み合わせて、筒内での気体の電離を容易にする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、筒内で気体を電離させるために、同構造体を絶縁体で構成し、仕切っている両面に導電性物質を付けることによって、筒の両端に気体の電離および電離の結果生じたイオンを加速するための電圧を印加する装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、排気側に電子を発生させることによって、電子が電場によって筒内に引き込まれ、筒内での電離を引き起こす装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、排気側の導電性物質の上に金などの仕事関数が小さく光電子を発生しやすい物質を付加することによって、排気側の筒穴の近傍に光電子を発生させて筒内での電離に利用する装置。
【請求項５】
請求項２又は請求項３、請求項４に記載の装置において、筒の内壁にイオンや電子が接触することによって、筒を構成する絶縁体表面に電荷が蓄積され、電場を乱すことにより電離の不安定性を生じるのを防ぎ、また、空間電荷効果を緩和したり、電離およびイオンの加速を分割された電圧によって制御するため、絶縁体の表面から適当な距離に導電性物質の層を１つ又は複数設け、両面にかかる電圧を分割して印加する装置。
【請求項６】
請求項１又は請求項２、請求項３、請求項４、請求項５に記載の装置において、排気側から放出されるのは、筒に対して十分に平行なイオンであり、それらイオンは電離により発生してから筒穴から放出されるまでの間に印加電圧による加速を受けていることを利用して、電離によって生じたイオンを、指向性の高いイオンビームとして取り出す装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置に、重水素ガスまたは重水を供給することによって、指向性を持った重水素イオンビームを発生させる装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置を、重水素イオンビームが互いに衝突するように対向して配置して、核融合反応を引き起こす装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置の、対向する２つのビームを発生する装置の間に、導電性物質でできた大きな開口率を有する板又は網を挿入して、重水素イオンを静電的に蓄積し、核融合反応が起こる確率を向上させる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工技術によって製作した高アスペクト比の筒内で、ある程度の圧力勾配を利用し、気体又は液体から指向性イオンビームを発生する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微細加工技術によって製作した高アスペクト比の筒状構造体を応用した装置には、気体分子又はあらかじめ発生させておいたイオンを、指向性をもって放出するものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、真空中における筒のコンダクタンス（分子又は流体の伝達し易さ）が筒穴の直径の３乗に比例し筒の長さの１乗に反比例するという真空工学の基本原理は、広く知られている（例えば、非特許文献１参照。）。電離気体工学と原子核物理学の境界領域においては、重水素イオンを静電力と慣性力をもって閉じ込めることで核融合を引き起こすことに成功し、中性子源として学術研究・産業への応用を進めている（例えば、非特許文献２参照）。中性子放出率を従来より大きくするために、重水素ガスを核融合装置に直接供給していたものを、核融合装置とは別の装置から重水素イオンの形で供給することが試みられている。重水素ビーム同士を衝突させて核融合を引き起こす装置も計画されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】「イオンガス発生装置」, 浜松ホトニクス株式会社, 特開平07-006860、図3,http://www.hpk.co.jp/Jpn/products/ETD/pdf/Capillary_TMCP1017J03.pdf
【非特許文献１】「真空ハンドブック」、日本真空技術株式会社編集、株式会社オーム社発行、1992年、ISBN 4-274-08637-2、p. 35
【非特許文献２】"Status of the Cylindrical IECF experiments at Kyoto University", T. Higashi et al., Proceedings of Fifth US-Japan Workshop on Inertial Electrostatic Confinement Fusion, Madison Wisconsin, Oct 9-10th 2002, http://fti.neep.wisc.edu/iecworkshop/PDF/TECHNICAL_TALKS/higashi.pdf
【非特許文献３】"Colliding Beam Fusion Reactor", N. Rostoker et al., SCIENCE, vol. 278, pp. 1419-1422, 1997,http://fusion.ps.uci.edu/papers/cbfr-sci.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の気体分子又はあらかじめ発生させておいたイオンを指向性をもって放出する装置においては、別の装置であらかじめ発生させたイオンを利用するため、指向性をもって放出されるイオンの効率が悪い。また、筒周辺にイオンのみが存在することによって、絶縁体で製作した筒の内壁にイオンの衝突による正の電荷が蓄積され、動作の不安定性を引き起こす。なお、筒そのものを金属などの導電体で製作することは、微細加工の点から困難であることと、筒の両端に電場を印加してイオンを誘導することができなくなることから、行われていない。
【０００５】
一方で、慣性静電閉じ込め核融合においては、従来用いられてきたECRプラズマイオン源などに代わる、より効率がよく簡便な重水素イオン源が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明（請求項１）は、真空中における筒状の構造体のコンダクタンスが筒穴の直径の３乗に比例し筒の長さの１乗に反比例するという真空工学の基本原理に基づいて作製された、十分に小さな筒穴である程度長い筒状の構造体によって、気体または液体の供給側と排気側とを仕切ることによって生じる筒内での気体の圧力勾配を、特定の圧力範囲において気体の電離が促進される電離気体の基本原理と組み合わせて、筒内での気体の電離を容易にする装置である。
【０００７】
本発明（請求項２）は、本発明（１）の装置において、筒内で気体を電離させるために、同構造体を絶縁体で構成し、仕切っている両面に導電性物質を付けることによって、筒の両端に気体の電離および電離の結果生じたイオンを加速するための電圧を印加する装置である。
【０００８】
本発明（請求項３）は、本発明（２）の装置において、排気側に電子を発生させることによって、電子が電場によって筒内に引き込まれ、筒内での電離を引き起こす装置である。
【０００９】
本発明（請求項４）は、図３に示されるように、本発明（３）の装置において、排気側の導電性物質の上に金などの仕事関数が小さく光電子を発生しやすい物質を付加することによって、排気側の筒穴の近傍に光電子を発生させて筒内での電離に利用する装置である。
【００１０】
本発明（請求項５）は、本発明（２）又は本発明（３）、本発明（４）の装置において、筒の内壁にイオンや電子が接触することによって、筒を構成する絶縁体表面に電荷が蓄積され、電場を乱すことにより電離の不安定性を生じるのを防ぎ、また、空間電荷効果を緩和したり、電離およびイオンの加速を分割された電圧によって制御するため、図４に示されるように、絶縁体の表面から適当な距離に導電性物質の層を１つ又は複数設け、両面にかかる電圧を分割して印加する装置である。
【００１１】
本発明（請求項６）は、本発明（１）又は本発明（２）、本発明（３）、本発明（４）、本発明（５）の装置において、排気側から放出されるのは、筒に対して十分に平行なイオンであり、それらイオンは電離により発生してから筒穴から放出されるまでの間に印加電圧による加速を受けていることを利用して、電離によって生じたイオンを、指向性の高いイオンビームとして取り出す装置である。
【００１２】
本発明（請求項７）は、本発明（６）の装置に、重水素ガスまたは重水を供給することによって、指向性を持った重水素イオンビームを発生させる装置である。
本発明（請求項８）は、図５に示されるように、本発明（７）の装置を、重水素イオンビームが互いに衝突するように対向して配置して、核融合反応を引き起こす装置である。
【００１３】
本発明（請求項９）は、図６に示されるように、請求項８の装置の、対向する２つのビームを発生する装置の間に、導電性物質でできた大きな開口率を有する板又は網を挿入して、重水素イオンを静電的に蓄積し、核融合反応が起こる確率を向上させる装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によって、従来の別の装置であらかじめ発生させたイオンを利用して指向性をもって放出する装置に対して、放出する装置の内部で気体の圧力勾配を利用して効率のよい電離を引き起こすことができる。これは、特定の圧力範囲においては、電離によって生じた電子が、圧力によって決まる平均自由行程を進む間に、電場によって運動エネルギーを得て、さらなる電離に寄与するという、気体による電子増倍の効果を利用することである。圧力勾配が存在することにより、電子増倍を容易に生じさせることができる。
【００１５】
イオンを放出する装置の内部で生成することのもう一つの利点は、イオンが電離によって発生した直後で速度が十分に遅い時点で、イオンを放出する向きに真っ直ぐに強い電場が印加されているので、イオンが筒の内壁に衝突して失われる割合が小さい。従来の装置で、イオンが筒の内壁に衝突して失われる割合を小さくするためには、電場の歪みを引き起こす他の導体から十分遠ざけて、イオンの発生する空間に大きな電圧を印加する必要であり、非常に能率が低かった。イオンが筒の内壁に衝突して失われる割合が小さいということは、筒の内壁の絶縁体表面への電荷の蓄積も小さいことを意味し、また、筒の逆方向から導入される電子も同様に内壁に衝突するので、互いに中和され、電荷の蓄積による動作の不安定性が改善される。
【００１６】
一方で、慣性静電閉じ込め核融合においては、従来用いられてきたECRプラズマイオン源よりも、本装置の方が重水素イオンの供給効率がよく、簡便である。また十分に指向性が高い装置を、大きな面積に並べて製作することによって、本装置を対向させることで核融合を引き起こせる可能性もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、微細加工技術によって製作した筒状の絶縁構造体で、効率のため大きな面積に並べて製作することが望ましいので、キャピラリープレートを用いることが有効である（上記、特許文献１で用いられているもの）。金属電極をつける場合、筒内への電極材料の入り込みが問題となるが、キャピラリープレートの両面に十分に高い精度で金属電極をつける技術が確立され、市販されている。
【００１８】
１本の円筒のみについてみると、図１に示すように、気体分子11は、円筒12の内部に圧力勾配を生じさせる。図２に示すように、円筒の両端に電極を付加して高電圧を印加し、円筒の排気側から紫外線による光電効果などによって電子を生成して入射する。電子は円筒内に入った当初は、圧力が低く平均自由行程が長いので、電場によって強く加速される。やがて、円筒の内部を電場に導かれて進むにつれて、気体の圧力が上昇していき、加速された電子は気体分子に衝突して電離を引き起こす。電離の結果生じるイオンは、電場によって円筒の排気側に向かって加速され、指向性をもったイオンビームとして放出される。電離の結果、イオンと対になって、いわゆる二次電子が生じて、この電子もまた電場によって加速されて、さらなる電離を引き起こす。そうした電子増倍の効果によって、円筒内のある特定の圧力の部分で最も頻繁に電離が引き起こされるが、気体の圧力が高くなりすぎると電子の平均自由行程が短くなり、電場によって十分に加速される前に気体分子に衝突して電離を引き起こすことなく運動エネルギーを失う。したがって、圧力勾配の中の特定の圧力の部分で、激しい電離が効率よく引き起こされ、円筒内の圧力の低い側は電子を電場によって加速するために利用される領域として、円筒内の圧力の高い側は気体分子を供給する領域として機能する。
【００１９】
さらに、請求項５に示したような、絶縁層と導電層を多層にした高度な構造を製作するには、6〜12keV程度の硬X線を用いたディープ・リソグラフィー（パターニングを深く行う印刷技術）及びLIGAが有望であり、SPring-8（財団法人高輝度光科学研究センター）における放射光利用の価値に十分値するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
イオン源としての利用が考えられる。大きな面積に並べて製作することにより、効率のよいイオンプレーティング、高アスペクト比のイオンエッチングに応用可能である。
中性子源としての利用が考えられる。利用方法としては、X線透過診断に似た形で、X線よりも物質を透過する性質の高い中性子の特徴を利用して、X線が透過しにくい物体（地中内部や岩盤を含む）の内部を調査するといった応用が主になると思われる。中性子源としての性能が向上すれば、最終的には、核融合による熱エネルギー源としての利用が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明における気体の圧力勾配を示した説明図である。
【図２】本発明における気体の電離と電子増倍を示した説明図である。
【図３】本発明における、導電性物質をイオンビームが互いに衝突するように配置した図である。
【図４】本発明のおける、導電性物質の層を設けて電圧を分割する場合を示す図である。
【図５】本発明における、イオンビームが互いに衝突するように導電性物質を配置した図である。
【図６】本発明における、重水素イオンを静電的に蓄積し、核融合反応を起こる確率を向上させる図である。
【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】
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【図６】
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