JP3867972B2

JP3867972B2 - Inertial electrostatic confinement fusion device

Info

Publication number: JP3867972B2
Application number: JP2002294696A
Authority: JP
Inventors: 潔吉川
Original assignee: 潔吉川
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004132718A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子や荷電粒子を発生するために用いられる慣性静電閉じ込め核融合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中性子や荷電粒子を発生させる装置として、慣性静電閉じ込め核融合装置と呼ばれるものが従来より知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１など参照）。慣性静電閉じ込め核融合装置の一例としては、陽極を兼ねた球形状の真空容器内の中心に、同心球状に高い幾何学的透過率を有する格子状の陰極を配置した構成を有する。そして、その真空容器内でグロー放電などによって重水素イオンを生成するとともに、陽極と陰極との間に数ｋＶ〜１００ｋＶ程度の高電圧を印加し、その電場によって重水素イオンを陰極に向けて加速させる。加速された重水素イオンの多くは陰極内に入り、そこで重水素イオン同士が衝突することで核融合反応が起き、それによって中性子や荷電粒子（陽子、ヘリウムイオンなど）が発生する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３３５７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−６２３８８号公報
【非特許文献１】
井本雅規、外４名、“イオン源を用いた慣性静電閉じ込め核融合装置における性能改善に関する研究”、第４回核融合エネルギー連合講演会予稿集、平成１４年６月１３日〜１４日、ｐ．１８９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１や非特許文献１に記載されているように、従来の慣性静電閉じ込め核融合装置では、重水素イオンの発生源（つまりイオン源）として主としてグロー放電が利用されている。一般に、安定したグロー放電を生じさせるには、放電雰囲気の真空度（ガス圧）、放電電流、及び印加電圧といった放電条件を適切に設定する必要がある。
【０００５】
上記のような慣性静電閉じ込め核融合装置においては、真空容器内の残留ガス分子が多いと、イオン源で発生したイオンが陰極に到達するまでに残留ガス分子に衝突する機会が増え、中性子化したり、或いは飛行途中でイオンがエネルギーを失ったりしてしまう。そのため、核融合反応に寄与するイオンの割合が少なくなるとともに、充分な加速エネルギーが獲得できなくなるため、核融合反応による中性子や荷電粒子の発生率が低くなる。従って、中性子や荷電粒子の発生効率を高めるには、イオン源で発生したイオンができるだけ多く陰極まで到達するように真空度を高くすることが好ましい。しかしながら、イオン源でのグロー放電に必要な真空度は比較的低いため、真空度を高くしようとするとグロー放電が安定して行われなくなりイオンの生成効率が低下してしまう。
【０００６】
このように、グロー放電によるイオン源を用いた慣性静電閉じ込め核融合装置では、イオン源におけるイオン生成効率とイオン源から陰極までのイオンの到達効率とは相反するものであるため、陰極での核融合反応の発生率を高め中性子や荷電粒子の発生量を増加させることは困難であった。こうしたことから、従来、陽極を兼ねる真空容器の外部にイオン源を設け、そのイオン源で発生させたイオンを真空容器内に導入する構成も提案されている（特許文献２参照）。このような構成では、イオンが陰極まで到達するために最適な条件（例えば真空容器内の真空度）と、イオン源でのイオン生成に最適な条件（例えばグロー放電の真空雰囲気の真空度）とを独立に設定できるため、核融合反応の効率の向上が達成できる。しかしながら、こうした構成ではイオン源を真空容器の内部に設ける場合と比べて装置が格段に複雑となり、装置のコストが高くなるとともに小形化も困難となる。
【０００７】
従来、中性子や荷電粒子の発生源として使用されている装置はかなり大形であるため、装置の小形・軽量化は強く要望されているところであるが、上記のように外部にイオン源を設ける構成では、そうした小形・軽量化の達成はきわめて困難である。
【０００８】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、陰極へのイオンの到達効率を犠牲にすることなくイオン源でのイオンの生成効率を向上させることによって、中性子や荷電粒子の発生量を大幅に増加することができる慣性静電閉じ込め核融合装置を提供することにある。また、本発明の他の目的とするところは、陽極を兼ねる真空容器の内部にイオン源を設けることによって小形・軽量化を達成しつつ、中性子や荷電粒子の発生効率を高めることができる慣性静電閉じ込め核融合装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、真空雰囲気中に中空体である主陽極を配置し、該主陽極の内部空間に幾何学的透過性が高い中空体である主陰極を配置し、該真空雰囲気中に導入されたイオン種分子を前記主陽極と主陰極との間の空間でイオン化し、該イオンを該主陽極と前記主陰極との間の電位差によって該主陰極に向けて加速して該主陰極の内部空間に導入し、そこで核融合反応を生じさせて中性子又は荷電粒子を発生させる慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記主陽極を兼ねた真空容器の内部に前記主陰極が配設され、
前記イオンを発生させるためのイオン源は、前記主陽極と前記主陰極との間の空間で磁場を発生させるべく前記真空容器の外側に配置された磁石である磁場発生手段と、前記磁石によって前記真空容器内部に形成される磁場を横切るように電場を発生させるべく前記真空容器の内側に配設されたイオン生成用の副陰極及び副陽極である電場発生手段とを含み、前記磁場発生手段及び前記電場発生手段による電磁場で生じるマグネトロン放電によってイオン種分子をイオン化することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態、及び効果】
本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置では、磁場発生手段によって真空雰囲気中に形成される磁場と、電場発生手段によって上記磁場中の磁束を横切るように発生する電場とによる電磁場中でマグネトロン放電が生じ、それによって真空雰囲気中に導入された重水素などのイオン種分子がイオン化される。すなわち、従来、一般的に用いられていたグロー放電に代わってマグネトロン放電によるイオン源が用いられる。この場合、放電で生じたプラズマ中で電子がトロコイド運動して効率良くイオンを生成するため、グロー放電に比べて真空雰囲気の真空度が高い状態でも効率良くイオンが生成される。また、イオン源でのイオン生成に適切な電場の条件とは独立に、主陰極と主陽極との間に印加する電圧及び両極間に流す電流とを定めることができる。
【００１１】
従って、本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置によれば、イオン源でのイオン生成効率を最適又はそれに近い状態に保ったまま、発生したイオンを高い効率で主陰極まで導くことができる。それにより、主陰極内での核融合反応の発生率が向上し、中性子や荷電粒子の発生量を増加させることができる。また、本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置では、イオン源を外部ではなく主陽極と主陰極との間に設けるため、装置の構成が簡単であって、小形・軽量化を容易に達成することができる。
【００１２】
また特に、主陽極を兼ねた真空容器の内部に主陰極が配設され、磁場発生手段は真空容器の外側に配置された磁石であり、電場発生手段は、その磁石によって真空容器内部に形成される磁場を横切るように電場を発生させるべく真空容器の内側に配設されたイオン生成用の副陰極及び副陽極である構成とされているため、装置の構成部材が少なくて済み、コストの低減が可能であるとともに小形・軽量化に有利である。
【００１３】
また、この場合、イオン生成用の副陽極及び副陰極は上記電場条件を満たす範囲で様々な位置に設けることができるが、好ましくは、副陽極又は副陰極は真空容器の内壁面から所定距離離間した空間に設置され、副陽極又は副陰極の他の一方が上記副陽極又は副陰極と主陰極との間の空間に設置される構成とするとよい。
【００１４】
すなわち、副陽極、副陰極を共に真空容器つまり主陽極から離すことによって、副陽極と副陰極とによって形成される電場が空間的に広がり、イオンが生成され易くなるとともに主陰極による電場が作用し易くなって加速が適切に行われる。そのため、主陰極での中性子や荷電粒子の発生率を高めることができる。
また、副陰極と副陽極との間のマグネトロン放電領域で発生するイオンは副陰極に誘引されるように移動するため、副陽極を真空容器の内壁面から所定距離離間した空間に設置し、副陰極を上記副陽極と主陰極との間の空間に設置する構成とすれば、上記イオンの誘引方向が主陰極及び主陽極によるイオンの加速方向とほぼ一致する。そのため、発生したイオンが無駄になることを軽減でき、発生したイオンを効果的に加速して主陰極まで導くことができる。それによって、主陰極での中性子や荷電粒子の発生率を一層高めることができる。
【００１５】
また、上記磁石は各種の形態をとることができるが、真空容器を略球形状とし、その真空容器の外周壁面に沿って略環状に磁石が配置されている構成とすると好ましい。この構成では、装置の小形化に一層有利である。なお、この略環状の磁石を複数設ける等、適宜の変形を行うことによって、イオンの生成効率を一層高めることができる。
【００１６】
また、上記構成では、イオン生成用の副陰極又は副陽極の具体的な形状としては、例えば、副陰極又は副陽極の少なくとも一方は、略環状に配置された磁石と略同一軸を有する円環形状である構成とすることができる。この構成によれば、上記磁石によって真空容器の内部に形成された磁場に対し、その磁場中の磁束を横切る方向に適切な電場を形成することができ、イオンの生成効率を高めることができる。
【００１７】
なお、イオン種分子としては、核融合反応によって主として中性子を得ることを目的とする場合には重水素、又は重水素と３重水素との組み合わせを用いればよく、主として陽子を得ることを目的とする場合には重水素とヘリウム３との組み合わせを用いればよい。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置の実施例について図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
まず、本発明の原理的構成を示す慣性静電閉じ込め核融合装置１について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１はこの慣性静電閉じ込め核融合装置１の要部の略縦断面図である。この装置１は、主陽極３を兼ねる球形状の真空容器２と、その真空容器２の中心に同心球状に配置された主陰極４と、主陽極３と主陰極４との間に高電圧Ｖ１を印加するための主電源部６と、真空容器２内で重水素、三重水素、ヘリウムなどをイオン化するイオン源８とを備える。なお、上述したように真空容器２と主陽極３とは実体は同じであるが、ここでは理解を容易にするために、真空容器２と主陽極３とを分けて説明を行う。
【００２０】
真空容器２（主陽極３）は導電性物質から成る内径が３４０mm程度の球形状中空体であって、ここでは材質は３mm厚のステンレスであるが、アルミニウムやチタン等の磁場を妨げない材料であれば各種の材料を用いることができる。但し、好ましくはそれ自体が放射化しにくい物質であるとよい。一方、主陰極４はタンタルから成る外径約６０mm、内径約５０mmの格子状の球形状中空体であって、その幾何学的透過効率は９６％程度である。ここで、主陰極４の材質は高融点金属であれば各種の材料を用いることができる。この主陰極４は、真空容器２外部との電気的導通を確保するための引き出し部５によって、真空容器２内部の中心に保持されている。
【００２１】
イオン源８は、真空容器２に設けられた電極引き出し部２ａを取り囲むように周回して配設された磁石アレイ９と、その磁石アレイ９と所定距離ｄ１離間して真空容器２の内部に配設された円環状の副陽極（アノード）１０と、その副陽極１０と真空容器２との間に電圧Ｖ２を印加するとともに電流Ｉ２を流す副電源部１１とを含む。副陽極１０は電極引き出し部２ａを介して真空容器２の外部に引き出される導線によって副電源部１１に接続されている。
【００２２】
図２は磁石アレイ９を構成する１個の永久磁石９ａの外観斜視図、図３は本真空容器２を電極引き出し部２ａの上方から見たときの要部の外観図である。
【００２３】
１個の永久磁石９ａは直方体形状を有しており、対向する両端面部がそれぞれＮ極とＳ極とになっている。この永久磁石９ａの磁力は強いほど好ましく、ここではコバルトサマリウム磁石で磁力が最大３０００ガウスのものを使用しているが、これに限るものではない。本例では、１個の永久磁石９ａのサイズは長さ：５０mm、幅：１５mm、厚さ：５mmであり、それを２個合わせて１組とし、図３に示すように６組の永久磁石対を内周が六角形になるように連ねてアレイ状に配置している。それによって、磁石アレイ９の内周径は約１０５mm、外周径は１３５mmとなっている。一方、副陽極１０は１mmφのタンタル線を１２０mm径の円環状に加工したものであって、その中心軸が磁石アレイ９の中心軸とほぼ一致するように設置される。
【００２４】
真空容器２には排気口２ｂ及びガス供給口２ｃも設けられている。排気口２ｂには真空ポンプ７が接続され、真空容器２内部のガスを外部に排出する。一方、ガス供給口２ｃには図示しないガス貯留容器などが接続され、真空容器２内部に重水素ガス、３重水素ガス、ヘリウムガス、又はそれらの混合ガスなど、イオン種となるガスが導入される。
【００２５】
なお、図示していないが、真空容器２内部のガス圧を微調整するために、真空容器２内部に露出してチタン合金内に埋設したフィラメントを配設している。チタンは重水素を吸収する性質を有しており、且つその吸収特性は温度依存性を有しているため、上記フィラメントに流す加熱電流を制御することによって重水素の吸収度を変え、真空容器２内部のガス圧を調整することができる。
【００２６】
上記構成を有する慣性静電閉じ込め核融合装置１の動作を説明する。まず、真空ポンプ７の動作により真空容器２内の不所望のガスを排出し、所定の真空度に維持する。そして、ガス供給口２ｃから真空容器２内に重水素ガスなどのイオン種ガスを導入する。なお、真空容器２内の真空度については後で詳述する。
【００２７】
主電源部６により主陽極３と主陰極４との間に電圧Ｖ２（数十〜１００kV程度）の高電圧を印加する一方、副電源部１１により副陽極１０に電圧Ｖ１（数百Ｖ程度）を印加する。ここでは主陽極３が接地されているので、主陰極４にはマイナス数十〜マイナス１００kV程度の電圧が印加され、副陽極１０にはプラス数百Ｖ程度の電圧が印加される。これら電圧値についても後で詳述する。
【００２８】
磁石アレイ９によって、真空容器２の内側には図１中に矢印Ｂで示す方向に磁束を有する磁場が形成される。これに対し、副陽極１０とマグネトロン放電用の副陰極として機能する主陽極３との間の電位差Ｖ２によって、図１中に矢印Ｅで示すように磁場とほぼ直交する電場が発生する。このときに副陰極として機能する主陽極３から飛び出した電子は上記のような直交電磁場に捕捉され、主陽極３付近をトロコイド運動することにより、主陽極３近傍の空間でバックグラウンドガスを電離して高密度のプラズマを形成する。つまり、副陽極１０とこれに近接する主陽極３との間でマグネトロン放電が生じる。
【００２９】
すなわち、図１中のイオン生成領域Ａ付近に発生したプラズマ中でイオン種である重水素分子はイオン化され、重水素イオンが発生する。このうちいくらかの割合の重水素イオンは主陽極３と主陰極４との電位差Ｖ１によって主陰極４に向かって加速され、加速されたイオンの多くは主陰極４の格子の隙間を通り抜けて主陰極４内部に突入する。そして、主陰極４内部で重水素イオン同士が衝突することによって核融合反応を引き起こす。２個の重水素イオン（Ｄ）同士が衝突した場合の反応は、次のようになる。
Ｄ＋Ｄ→Ｔ＋ｐ又は ³Ｈｅ＋ｎ
ここでＴは３重水素、ｐは陽子、ｎは中性子である。
【００３０】
このようにして主陰極４内部では、核融合反応によって中性子や陽子が発生する。発生した中性子は真空容器２の壁面を通り抜けて外部へと放出される。また、陽子は真空容器２の内壁に衝突する。従って、真空容器２のほぼ全周面から外側に向かって中性子が放出されるとともに、陽子は真空容器２の内壁にほぼ均一に衝突する。なお、例えば真空容器２の内壁に高エネルギー陽子が透過可能な程度に肉薄のパイプを張り巡らし、そのパイプ中に所定元素を流すと、上記陽子はその元素と反応し有用な同位体元素を製造することができる。
【００３１】
上記慣性静電閉じ込め核融合装置１において、上述したような動作を行う際の設定条件の具体例について説明する。
【００３２】
本願発明者らは、まず上記構成の装置において、主陰極４への印加電圧（主陰極電圧）Ｖ１をゼロとした場合のイオン源８のみのマグネトロン放電条件を調べた。図４は安定にマグネトロン放電が生じるときのガス圧Ｐと放電電圧Ｖ２との関係を放電電流Ｉ２（３００mA、１００mA）をパラメータとして表したグラフ、図５は同じく安定にマグネトロン放電が生じるときの放電電流Ｉ２と放電電圧Ｖ２との関係をガス圧Ｐ（１０mTorr、１５mTorr）をパラメータとして表したグラフである。図４によれば、最低１０mTorrのガス圧でマグネトロン放電が維持されることが判る。また、より低いガス圧でマグネトロン放電を維持するには、放電電流Ｉ２を大きくする必要があることが判る。一方、図５によれば、放電電圧Ｖ２は殆どガス圧Ｐに依存しないこと、そして、マグネトロン放電を維持するには充分な放電電流Ｉ２が必要であることが判る。
【００３３】
主陽極３と主陰極４との間に主陰極電圧Ｖ１を印加して主陰極電流Ｉ１を流すと、これによって真空容器２内には低密度のプラズマが発生する。このプラズマ中の電子は主陽極３に向かって飛行し、上記イオン生成領域Ａに到達するから、そこでのマグネトロン放電に影響を与える。そこで次に、主陰極４への電流Ｉ１を供給した場合のマグネトロン放電条件を調べた。図６は安定にマグネトロン放電が生じるときのガス圧Ｐと放電電圧Ｖ２との関係を電流Ｉ１（８０mA、３０mA）をパラメータとして表したグラフである。ここでは、放電電流Ｉ２は３００mA一定としている。図６によれば、マグネトロン放電の維持可能なガス圧は２．３mTorrまで下がっている（つまり真空度は上がる）ことが判る。これは、主陰極４への電流供給によって発生したプラズマ中の電子の寄与によって、マグネトロン放電が維持され易くなっているためであると考えられる。
【００３４】
図７は安定にマグネトロン放電が生じるときの放電電流Ｉ２と主陰極電圧Ｖ１との関係を主陰極電流Ｉ１（８０mA、６０mA、４０mA、２０mA）をパラメータとして表したグラフである。このときのガス圧は１０mTorrである。この結果によれば、放電電流Ｉ２を下げるほど主陰極電圧Ｖ１は増加することが判る。主陰極電流Ｉ１はほぼイオン源８のマグネトロン放電によってのみ流れるから、イオン生成領域Ａから主陰極４までのイオンの到達効率は主陰極電流Ｉ１の放電電流Ｉ２に対する比（＝Ｉ１／Ｉ２）で表される。上記結果によれば、この到達効率は０．３５〜０．４である。このイオン到達効率は、主陰極４内で核融合反応を安定的に生じさせるには必ずしも充分ではない。
【００３５】
すなわち、図１の構成による装置１は原理的には本発明で意図するところの動作を達成し得るが、マグネトロン放電によって生成したイオンを核融合反応に充分に活用しきれない。これは、上記構成では、副陽極１０に対して副陰極（上記構成では主陽極３）が主陰極４とは反対方向に位置しており、その主陽極３の近傍、つまり真空容器２の内壁面近傍で２次電子を発生させるためにイオン生成領域Ａで発生したイオンが主陽極３へと向かうように電圧条件等を定める必要があるためである。そのため、イオン生成領域Ａで発生したイオンが、主陽極３と主陰極４との間の電位差によっても必ずしも適切に加速されず、主陰極４へ到達することを難しくしている。
【００３６】
そこで、こうしたことを考慮して構成された、本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置の好ましい実施例の要部の縦断面図を図８に示す。図８では図１に示した装置と同一の構成要素には同一符号を付して、特に必要でない限り説明を省略する。
【００３７】
この好ましい実施例による慣性静電閉じ込め核融合装置では、イオン源８において、副陽極１０は磁石アレイ９から距離ｄ２だけ離間した位置に設置し、更に副陽極１０と同様に円環形状である副陰極１２を、主陰極４に近づく方向に副陽極１０から所定距離ｄ３離間した位置に配置している。一例としては、ｄ２、ｄ３は共に５mmである。また、ここでは永久磁石９ａの磁力を７０００ガウスとしている。
【００３８】
この構成では、磁石アレイ９によって真空容器２内に形成される磁場の方向は同一であるが、副陽極１０と副陰極１２との間に印加される放電電圧Ｖ２によって形成される電場は、その向きが図１の構成とほぼ反対向き、つまり全般的には主陰極４を向く方向になる。すなわち、イオン生成領域Ａから見て主陰極４側に副陰極１２が存在しているため、マグネトロン放電によってイオン生成領域Ａで発生したイオンが副陰極１２へと向かうと、副陰極１２の近傍で２次電子を発生させた後、今度は主陽極３と主陰極４との間の電位差によって加速されて主陰極４へと向かう。そのため、マグネトロン放電で生成された重水素イオンがあまり無駄にならず、高い効率で主陰極４へと到達する。
【００３９】
この実施例による慣性静電閉じ込め核融合装置について、上記と同様にマグネトロン放電条件などを調べた。図９は、電圧Ｖ１がゼロであるときに、安定にマグネトロン放電が生じるときのガス圧Ｐと放電開始電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。図９によれば、マグネトロン放電が維持可能なガス圧Ｐは０．０７mTorrまで下がり、真空度が非常に低い状態でマグネトロン放電が可能であることが判る。図１０は、ガス圧Ｐを１mTorrとした状態で、安定にマグネトロン放電が生じるときの電流Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４と放電電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。図１０によれば、放電電圧Ｖ２が大きくなるに従い、電流Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４が増加することが判る。
【００４０】
図１１は、ガス圧Ｐを１０mTorrとし、主陰極電流Ｉ１を１０mAとした場合、安定にマグネトロン放電が生じるときの放電電圧Ｖ２と電流Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４及び電圧Ｖ１との関係を示すグラフである。上記と同様に、放電電圧Ｖ２が大きくなるに従い、電流Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は増加するが、主陰極電圧Ｖ１は反対に減少する。これは、マグネトロン放電で発生したプラズマ中のイオンが主陰極４へと到達し易くなり、より低い主陰極電圧Ｖ１で同じ主陰極電流Ｉ１が得られるようになるからであると想定される。
【００４１】
図１２は、放電電圧Ｖ２を１５００Ｖ、主陰極電流Ｉ１を１０mAとした場合、マグネトロン放電及びグロー放電が生じるときのガス圧Ｐと主陰極電圧Ｖ１との関係を示すグラフである。図１２で明らかなように、同一の主陰極電圧Ｖ１及び主陰極電流Ｉ１においては、マグネトロン放電では従来イオン源として用いられていたグロー放電と比較して、ガス圧Ｐを大幅に減少させることができる。すなわち、この実施例の慣性静電閉じ込め核融合装置によれば、従来のグロー放電によるイオン源を用いた装置に比べて、高い真空度条件下で高い効率で重水素イオンなどを発生させることができるため、該イオンを主陰極４まで到達させる途中で他のガス分子に衝突する可能性が低く、主陰極４へのイオンの到達効率を上げることができる。そのため、主陰極４内での核融合反応の発生率が高く、その分だけ多量の中性子や陽子を発生することができる。
【００４２】
以上のように上記実施例による慣性静電閉じ込め核融合装置によれば、主陽極３の内側で重水素イオンを発生させつつ、中性子や荷電粒子の発生量を大きく増やすことができる。従って、小形・軽量で、且つ中性子や陽子の発生量の多い中性子源又は荷電粒子源を得ることができる。こうした中性子源又は荷電粒子源は各種の装置に利用することができるが、小形化、携帯性、低コスト化などの要求の強い分野において特に有用である。
【００４３】
そうした本慣性静電閉じ込め核融合装置の利用可能な装置について説明する。こうした中性子源（又は陽子源）を必要とする分野の１つは、医療用検査装置、地雷探査装置、石油などの鉱物資源探査装置、飛行場などの手荷物検査装置などである。
【００４４】
例えば、近年、医療用検査装置として陽電子断層撮影法（ＰＥＴ＝Positron Emission Tomography）検査用の装置が知られている。ＰＥＴでは、半減期の非常に短い放射性同位元素（ＲＩ）で標識された薬剤を注射や吸入によって患者に投与し、その薬剤が患者の体内を移動して脳や心臓などの各種臓器、或いは癌のある部位などに集まる過程を、放射線を検出することによって画像化する。従来、ＰＥＴ用放射性標識化合物を製造する放射性薬剤製造装置では、サイクロトロンで高エネルギーの荷電粒子線を発生し、これを所定材料に照射することによって短半減期の放射性同位元素を発生させる。これをＰＥＴ検査用薬剤に化合する。
【００４５】
サイクロトロンは直流磁場と高周波電場とを利用して荷電粒子を加速するものであるが、一般に非常に大形であって、例えば小形と言われているものでも数ｍ四方の接置面積を必要とする。これに対し、上記慣性静電閉じ込め核融合装置を荷電粒子源として利用すれば、格段の小型化が可能である。
【００４６】
例えば放射性薬剤を製造するための放射性同位元素発生装置では、図１３に示す構成とすることができる。すなわち、上述したように、放射性同位体と成る元の元素を含む材料を流通させるパイプ２０を球形状の真空容器２の内壁に張り巡らせる構造とする。これによって、主陰極４からあらゆる方向に進行する荷電粒子（陽子）線を無駄なく材料に照射して、効率良く放射性同位元素を製造することができる。その場合、材料を流通させるパイプ２０の肉厚はできるだけ薄くして陽子が透過し易くし、且つ真空容器２の外側には該真空容器２壁面を透過してくる中性子線などを遮蔽するために遮蔽体２１を設けることが好ましい。なお、真空容器２の外部で陽子を必要とする場合には、真空容器２の内部に連通するように真空に近いノズルを設け、該ノズルを介して外部へと陽子を引き出すようにすればよい。
【００４７】
また、上記のような慣性静電閉じ込め核融合装置を中性子発生源とし、これから放出される中性子線を利用すると、従来、困難であったプラスチックを筐体とする地雷の探査が可能な地雷探知装置を構成することができる。その検知原理は次の通りである。
【００４８】
地雷に使用される爆薬は例えばＴＮＴ火薬を始めいくつかの種類が存在するが、各爆薬中の元素の原子数比は定まっている。中性子源から放出された中性子線が地中を通過する際に減速及び熱化されて熱中性子線に変化し、地中に埋設されている地雷に当たると、爆薬中の成分は熱中性子を捕獲して各成分に特有の反応を起こしγ線（これを中性子捕獲γ線と呼ぶ）を放出する。γ線のエネルギー（γ線量）はその反応に依存し、例えば水素Ｈに対する反応によるγ線のエネルギーは２．２２MeV、窒素Ｎに対する反応によるγ線のエネルギーは１０．８３MeVである。従って、このγ線量を測定することにより、爆薬の種類を特定することができる。一般に、爆薬の種類は地雷の種類に依存しているため、地雷の種類の特定が可能となる。
【００４９】
一方、γ線への変換反応ではなく単なる中性子の散乱反応においては、爆薬に含まれる水素Ｈの散乱反応断面積は大きい。そのため、中性子源から放出された中性子線が直接地中の地雷に当たり、爆薬中の水素Ｈの散乱反応によって地中から放出される後方散乱中性子線は中性子捕獲γ線に比べると容易に検出できる。そこで、この後方散乱中性子線を検出することにより、爆薬の種類は特定できなくとも地雷の有無を効果的に判定することができる。
【００５０】
こうした地雷探知装置などの中性子発生源として上記慣性静電閉じ込め核融合装置を利用する場合、目標とする物体の方向にのみ中性子線を放出する必要があり、一例として図１４に示す構成とすることができる。すなわち、装置１の真空容器２の周囲を遮蔽体２２で取り囲み、真空容器２の壁面を透過してくる中性子線のうち不要な方向に向かうものを遮蔽する。そして、遮蔽体２２に設けた通過開口２３を通して、特定方向に進む中性子線だけを外部へと取り出す。高エネルギー中性子線を遮蔽するにはかなりの厚さの遮蔽体２２が必要となる（図１３でも同様）が、本装置１ではそもそも主陽極やそれに付随する外部回路が非常に小さいので、従来に比べて遙かに小形化が可能であって携帯性に富む。
【００５１】
なお、こうした地雷の探索に要求される中性子発生率はパルス状で１０⁸n/sであるが、本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置によれば、小形・軽量性を達成しつつ、こうした性能上の要求を充分に満たすことができる。
【００５２】
また、上記説明した実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行えることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成を示す慣性静電閉じ込め核融合装置の要部の略縦断面図。
【図２】図１の装置における磁石アレイを構成する１個の永久磁石の外観斜視図。
【図３】図１の装置における真空容器を電極引き出し部の上方から見たときの要部の外観図。
【図４】図１の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図５】図１の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図６】図１の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図７】図１の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図８】本発明の好ましい実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の要部の略縦断面図。
【図９】図８の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図１０】図８の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図１１】図８の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図１２】図８の装置を用いた実証実験の結果を示すグラフ。
【図１３】本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置を荷電粒子発生源として利用する場合の一形態を示す概略図。
【図１４】本発明に係る慣性静電閉じ込め核融合装置を中性子発生源として利用する場合の一形態を示す概略図。
【符号の説明】
１…慣性静電閉じ込め核融合装置
２…真空容器
２ａ…電極引き出し部
２ｂ…排気口
２ｃ…ガス供給口
３…主陽極
４…主陰極
５…引き出し部
６…主電源部
７…真空ポンプ
８…イオン源
９…磁石アレイ
９ａ…永久磁石
１０…副陽極
１１…副電源部
１２…副陰極
２０…パイプ
２１、２２…遮蔽体
２３…開口
Ａ…イオン生成領域
Ｂ…磁場方向
Ｅ…電場方向[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inertial electrostatic confinement fusion apparatus used for generating neutrons and charged particles.
[0002]
[Prior art]
As an apparatus for generating neutrons and charged particles, what is called an inertial electrostatic confinement fusion apparatus is conventionally known (see Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, etc.). An example of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus has a configuration in which a lattice-like cathode having a high geometrical transmittance is arranged concentrically at the center of a spherical vacuum vessel that also serves as an anode. Then, deuterium ions are generated in the vacuum vessel by glow discharge or the like, and a high voltage of several kV to 100 kV is applied between the anode and the cathode, and the deuterium ions are accelerated toward the cathode by the electric field. Let Most of the accelerated deuterium ions enter the cathode, where deuterium ions collide with each other to cause a fusion reaction, thereby generating neutrons and charged particles (protons, helium ions, etc.).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-133570 A
[Patent Document 2]
JP 2002-62388 A
[Non-Patent Document 1]
Masanori Imoto, 4 others, “Study on performance improvement in inertial electrostatic confinement fusion device using ion source”, Proceedings of the 4th Fusion Energy Union Lecture Meeting, June 13-14, 2002, p. 189
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in the conventional inertial electrostatic confinement fusion apparatus, glow discharge is mainly used as a deuterium ion generation source (that is, an ion source). Generally, in order to generate a stable glow discharge, it is necessary to appropriately set discharge conditions such as a degree of vacuum (gas pressure), a discharge current, and an applied voltage of a discharge atmosphere.
[0005]
In the inertial electrostatic confinement fusion device as described above, if there are many residual gas molecules in the vacuum vessel, the chance that the ions generated in the ion source will collide with the residual gas molecules by the time they reach the cathode increases. Or ions lose energy during the flight. For this reason, the proportion of ions contributing to the fusion reaction is reduced, and sufficient acceleration energy cannot be obtained, so that the generation rate of neutrons and charged particles due to the fusion reaction is lowered. Therefore, in order to increase the generation efficiency of neutrons and charged particles, it is preferable to increase the degree of vacuum so that as many ions generated from the ion source as possible reach the cathode. However, since the degree of vacuum required for glow discharge in the ion source is relatively low, if the degree of vacuum is increased, glow discharge is not stably performed, and ion generation efficiency is reduced.
[0006]
As described above, in an inertial electrostatic confinement fusion apparatus using an ion source by glow discharge, the ion generation efficiency in the ion source and the arrival efficiency of ions from the ion source to the cathode are contradictory. It has been difficult to increase the rate of fusion reactions and increase the generation of neutrons and charged particles. For this reason, conventionally, a configuration has also been proposed in which an ion source is provided outside a vacuum vessel that also serves as an anode, and ions generated by the ion source are introduced into the vacuum vessel (see Patent Document 2). In such a configuration, the optimum conditions for the ions to reach the cathode (for example, the degree of vacuum in the vacuum vessel), the optimum conditions for the ion generation in the ion source (for example, the degree of vacuum in the glow discharge vacuum atmosphere), The efficiency of the fusion reaction can be improved. However, in such a configuration, the apparatus becomes much more complicated than the case where the ion source is provided inside the vacuum vessel, which increases the cost of the apparatus and makes it difficult to reduce the size.
[0007]
Conventionally, the devices used as neutron and charged particle generation sources are quite large, so there is a strong demand for smaller and lighter devices. Therefore, achieving such a small size and weight is extremely difficult.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to improve neutron generation efficiency by improving ion generation efficiency in the ion source without sacrificing the arrival efficiency of ions to the cathode. It is another object of the present invention to provide an inertial electrostatic confinement fusion apparatus capable of greatly increasing the amount of generated charged particles. Another object of the present invention is to provide an inertial static generator that can increase the generation efficiency of neutrons and charged particles while achieving a reduction in size and weight by providing an ion source inside a vacuum vessel that also serves as an anode. The object is to provide an electric confinement fusion device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a main anode that is a hollow body in a vacuum atmosphere, and a main cathode that is a hollow body having high geometric permeability in the internal space of the main anode. The ion species molecules introduced into the vacuum atmosphere are ionized in a space between the main anode and the main cathode, and the ions are directed to the main cathode by a potential difference between the main anode and the main cathode. In an inertial electrostatic confinement fusion apparatus for accelerating and introducing into the inner space of the main cathode, where a nuclear fusion reaction occurs to generate neutrons or charged particles,
  The main cathode is disposed inside a vacuum vessel that also serves as the main anode,
  The ion source for generating the ions includes the main anode andAboveGenerate a magnetic field in the space between the main cathodeTherefore, it is a magnet arranged outside the vacuum vessel.Magnetic field generating means;A sub-cathode and a sub-anode for generating ions arranged inside the vacuum vessel so as to generate an electric field across the magnetic field formed inside the vacuum vessel by the magnet;Electric field generating means,By the magnetic field generating means and the electric field generating meansIt is characterized by ionizing ion species molecules by magnetron discharge generated in an electromagnetic field.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention, a magnetron discharge is generated in an electromagnetic field by a magnetic field formed in a vacuum atmosphere by the magnetic field generating means and an electric field generated by the electric field generating means so as to cross the magnetic flux in the magnetic field. As a result, ionic species such as deuterium introduced into the vacuum atmosphere are ionized. That is, an ion source based on a magnetron discharge is used in place of a conventionally used glow discharge. In this case, electrons are generated efficiently by trochoidal movement in the plasma generated by the discharge, so that ions are efficiently generated even in a state where the degree of vacuum in the vacuum atmosphere is higher than that of the glow discharge. In addition, the voltage applied between the main cathode and the main anode and the current flowing between the two electrodes can be determined independently of the conditions of the electric field appropriate for ion generation in the ion source.
[0011]
Therefore, according to the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention, the generated ions can be guided to the main cathode with high efficiency while the ion generation efficiency in the ion source is maintained at or near the optimum state. As a result, the rate of fusion reaction in the main cathode is improved, and the amount of neutrons and charged particles generated can be increased. In addition, in the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention, since the ion source is provided between the main anode and the main cathode instead of the outside, the structure of the apparatus is simple, and a reduction in size and weight is easily achieved. can do.
[0012]
  In particular,Vacuum vessel that also serves as the main anodeThe main cathode is insideArranged,The magnetic field generating means is a magnet arranged outside the vacuum vessel, and the electric field generating means is arranged inside the vacuum vessel so as to generate an electric field across the magnetic field formed inside the vacuum vessel by the magnet. A structure which is a sub-cathode and a sub-anode for generating ionsBecauseThe number of constituent members of the apparatus is small, the cost can be reduced, and it is advantageous for reduction in size and weight.
[0013]
In this case, the sub-anode and the sub-cathode for ion generation can be provided at various positions within the range satisfying the above electric field condition. Preferably, the sub-anode or the sub-cathode is separated from the inner wall surface of the vacuum vessel by a predetermined distance. The other side of the sub-anode or the sub-cathode is preferably installed in the space between the sub-anode or the sub-cathode and the main cathode.
[0014]
That is, by separating the sub-anode and the sub-cathode from the vacuum vessel, that is, the main anode, the electric field formed by the sub-anode and the sub-cathode is spatially expanded, ions are easily generated, and the electric field by the main cathode acts. It becomes easy and acceleration is performed appropriately. Therefore, the generation rate of neutrons and charged particles at the main cathode can be increased.
In addition, since ions generated in the magnetron discharge region between the sub-cathode and the sub-anode move so as to be attracted to the sub-cathode, the sub-anode is installed in a space separated from the inner wall surface of the vacuum vessel by a predetermined distance. If the cathode is arranged in the space between the sub-anode and the main cathode, the attracting direction of the ions substantially coincides with the acceleration direction of the ions by the main cathode and the main anode. Therefore, it is possible to reduce the waste of generated ions, and the generated ions can be effectively accelerated and guided to the main cathode. Thereby, the generation rate of neutrons and charged particles at the main cathode can be further increased.
[0015]
Moreover, although the said magnet can take various forms, it is preferable when a vacuum vessel is made into a substantially spherical shape and it is set as the structure by which a magnet is arrange | positioned substantially cyclically along the outer peripheral wall surface of the vacuum vessel. This configuration is more advantageous for downsizing of the apparatus. It should be noted that ion generation efficiency can be further increased by performing appropriate modifications such as providing a plurality of substantially annular magnets.
[0016]
In the above configuration, as a specific shape of the sub-cathode or sub-anode for generating ions, for example, at least one of the sub-cathode or sub-anode is a ring having substantially the same axis as the magnet arranged in a substantially ring shape. It can be set as the structure which is a shape. According to this configuration, an appropriate electric field can be formed in the direction crossing the magnetic flux in the magnetic field with respect to the magnetic field formed inside the vacuum vessel by the magnet, and the ion generation efficiency can be increased.
[0017]
As the ionic species molecule, deuterium or a combination of deuterium and deuterium may be used for the purpose of mainly obtaining neutrons by fusion reaction, and the purpose is mainly to obtain protons. In this case, a combination of deuterium and helium 3 may be used.
[0018]
【Example】
Embodiments of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
First, an inertial electrostatic confinement fusion apparatus 1 showing the basic configuration of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a main part of the inertial electrostatic confinement fusion apparatus 1. The apparatus 1 includes a spherical vacuum vessel 2 also serving as a main anode 3, a main cathode 4 arranged concentrically in the center of the vacuum vessel 2, and a high voltage V 1 between the main anode 3 and the main cathode 4. And an ion source 8 that ionizes deuterium, tritium, helium, and the like in the vacuum vessel 2. As described above, the vacuum vessel 2 and the main anode 3 have the same substance, but here, in order to facilitate understanding, the vacuum vessel 2 and the main anode 3 will be described separately.
[0020]
The vacuum vessel 2 (main anode 3) is a spherical hollow body made of a conductive material and having an inner diameter of about 340 mm. Here, the material is stainless steel with a thickness of 3 mm, but it is a material that does not disturb the magnetic field, such as aluminum or titanium. Various materials can be used as long as they are present. However, it is preferable that the substance itself is difficult to be activated. On the other hand, the main cathode 4 is a lattice-shaped spherical hollow body made of tantalum having an outer diameter of about 60 mm and an inner diameter of about 50 mm, and its geometric transmission efficiency is about 96%. Here, if the material of the main cathode 4 is a refractory metal, various materials can be used. The main cathode 4 is held at the center inside the vacuum vessel 2 by a lead-out portion 5 for ensuring electrical continuity with the outside of the vacuum vessel 2.
[0021]
The ion source 8 includes a magnet array 9 disposed so as to surround the electrode lead-out portion 2a provided in the vacuum vessel 2, and a magnet array 9 spaced from the magnet array 9 by a predetermined distance d1 and disposed inside the vacuum vessel 2. An annular sub-anode (anode) 10 provided, and a sub-power supply unit 11 that applies a voltage V2 between the sub-anode 10 and the vacuum vessel 2 and flows a current I2 are included. The sub-anode 10 is connected to the sub-power supply unit 11 by a lead wire that is led out of the vacuum vessel 2 through the electrode lead-out unit 2a.
[0022]
FIG. 2 is an external perspective view of one permanent magnet 9a constituting the magnet array 9, and FIG. 3 is an external view of the main part when the vacuum vessel 2 is viewed from above the electrode lead portion 2a.
[0023]
One permanent magnet 9a has a rectangular parallelepiped shape, and both opposing end face portions are an N pole and an S pole, respectively. The permanent magnet 9a is preferably as strong as possible. Here, a cobalt samarium magnet having a maximum magnetic force of 3000 gauss is used, but the present invention is not limited to this. In this example, the size of one permanent magnet 9a is 50 mm in length, 15 mm in width, and 5 mm in thickness. Two of them are combined into one set, and six sets of permanent magnets as shown in FIG. The pairs are arranged in an array so that the inner circumference is a hexagon. As a result, the inner diameter of the magnet array 9 is about 105 mm and the outer diameter is 135 mm. On the other hand, the sub-anode 10 is obtained by processing a 1 mmφ tantalum wire into a 120 mm-diameter annular shape, and is installed so that the central axis thereof substantially coincides with the central axis of the magnet array 9.
[0024]
The vacuum vessel 2 is also provided with an exhaust port 2b and a gas supply port 2c. A vacuum pump 7 is connected to the exhaust port 2b to discharge the gas inside the vacuum vessel 2 to the outside. On the other hand, a gas storage container or the like (not shown) is connected to the gas supply port 2c, and a gas serving as an ion species such as deuterium gas, deuterium gas, helium gas, or a mixed gas thereof is introduced into the vacuum container 2. The
[0025]
Although not shown, in order to finely adjust the gas pressure inside the vacuum vessel 2, a filament that is exposed inside the vacuum vessel 2 and embedded in the titanium alloy is disposed. Titanium has the property of absorbing deuterium, and its absorption characteristic is temperature-dependent. Therefore, the absorption of deuterium is changed by controlling the heating current passed through the filament, and the vacuum vessel The gas pressure inside 2 can be adjusted.
[0026]
The operation of the inertial electrostatic confinement fusion apparatus 1 having the above configuration will be described. First, an undesired gas in the vacuum vessel 2 is discharged by the operation of the vacuum pump 7 to maintain a predetermined degree of vacuum. Then, an ionic species gas such as deuterium gas is introduced into the vacuum vessel 2 from the gas supply port 2c. The degree of vacuum in the vacuum container 2 will be described in detail later.
[0027]
While the main power supply unit 6 applies a high voltage V2 (about several tens to 100 kV) between the main anode 3 and the main cathode 4, the sub power supply unit 11 applies the voltage V1 (about several hundreds V) to the sub anode 10. Is applied. Here, since the main anode 3 is grounded, a voltage of about minus several tens to minus 100 kV is applied to the main cathode 4, and a voltage of about several hundred volts is applied to the sub-anode 10. These voltage values will be described later in detail.
[0028]
The magnet array 9 forms a magnetic field having a magnetic flux in the direction indicated by arrow B in FIG. On the other hand, an electric field substantially orthogonal to the magnetic field is generated as shown by an arrow E in FIG. 1 due to the potential difference V2 between the sub-anode 10 and the main anode 3 functioning as a sub-cathode for magnetron discharge. At this time, electrons ejected from the main anode 3 functioning as the sub-cathode are captured by the orthogonal electromagnetic field as described above, and the background gas is ionized in the space near the main anode 3 by trochoidal movement in the vicinity of the main anode 3. High density plasma. That is, magnetron discharge is generated between the sub-anode 10 and the main anode 3 adjacent thereto.
[0029]
That is, deuterium molecules as ion species are ionized in plasma generated in the vicinity of the ion generation region A in FIG. 1, and deuterium ions are generated. Some of these deuterium ions are accelerated toward the main cathode 4 by the potential difference V1 between the main anode 3 and the main cathode 4, and most of the accelerated ions pass through the gaps in the lattice of the main cathode 4 to enter the main cathode. 4 rush into the interior. A deuterium ion collides inside the main cathode 4 to cause a fusion reaction. The reaction when two deuterium ions (D) collide with each other is as follows.
D + D → T + p or^ThreeHe + n
Here, T is deuterium, p is proton, and n is neutron.
[0030]
Thus, neutrons and protons are generated in the main cathode 4 by the nuclear fusion reaction. The generated neutron passes through the wall surface of the vacuum vessel 2 and is emitted to the outside. Protons collide with the inner wall of the vacuum vessel 2. Accordingly, neutrons are emitted outward from almost the entire circumferential surface of the vacuum vessel 2 and protons collide with the inner wall of the vacuum vessel 2 almost uniformly. For example, if a thin pipe is stretched around the inner wall of the vacuum vessel 2 so that high-energy protons can permeate, and a predetermined element flows through the pipe, the proton reacts with that element to produce a useful isotope element. can do.
[0031]
In the inertial electrostatic confinement fusion apparatus 1, a specific example of setting conditions when performing the above-described operation will be described.
[0032]
The inventors of the present application first investigated the magnetron discharge conditions of only the ion source 8 when the applied voltage (main cathode voltage) V1 to the main cathode 4 was set to zero in the apparatus having the above configuration. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the gas pressure P and the discharge voltage V2 when the magnetron discharge is stably generated with the discharge current I2 (300 mA, 100 mA) as a parameter, and FIG. 5 is also the discharge when the magnetron discharge is stably generated. 6 is a graph showing the relationship between current I2 and discharge voltage V2 with gas pressure P (10 mTorr, 15 mTorr) as a parameter. According to FIG. 4, it can be seen that the magnetron discharge is maintained at a gas pressure of at least 10 mTorr. It can also be seen that the discharge current I2 needs to be increased in order to maintain the magnetron discharge at a lower gas pressure. On the other hand, FIG. 5 shows that the discharge voltage V2 hardly depends on the gas pressure P, and that a sufficient discharge current I2 is necessary to maintain the magnetron discharge.
[0033]
When a main cathode voltage V1 is applied between the main anode 3 and the main cathode 4 to cause the main cathode current I1 to flow, low-density plasma is generated in the vacuum vessel 2. The electrons in the plasma fly toward the main anode 3 and reach the ion generation region A, thereby affecting the magnetron discharge there. Then, next, the magnetron discharge conditions when the current I1 was supplied to the main cathode 4 were examined. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the gas pressure P and the discharge voltage V2 when the magnetron discharge is stably generated, with the current I1 (80 mA, 30 mA) as a parameter. Here, the discharge current I2 is constant at 300 mA. According to FIG. 6, it can be seen that the gas pressure capable of maintaining the magnetron discharge is lowered to 2.3 mTorr (that is, the degree of vacuum is increased). This is presumably because the magnetron discharge is easily maintained by the contribution of electrons in the plasma generated by the current supply to the main cathode 4.
[0034]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the discharge current I2 and the main cathode voltage V1 when the magnetron discharge is stably generated, using the main cathode current I1 (80 mA, 60 mA, 40 mA, 20 mA) as a parameter. The gas pressure at this time is 10 mTorr. According to this result, it can be seen that the main cathode voltage V1 increases as the discharge current I2 decreases. Since the main cathode current I1 flows almost only by the magnetron discharge of the ion source 8, the arrival efficiency of ions from the ion generation region A to the main cathode 4 is expressed by the ratio (= I1 / I2) of the main cathode current I1 to the discharge current I2. Is done. According to the above result, this reaching efficiency is 0.35 to 0.4. This ion arrival efficiency is not always sufficient to stably cause a fusion reaction in the main cathode 4.
[0035]
That is, the apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 1 can achieve the operation intended in the present invention in principle, but the ions generated by the magnetron discharge cannot be fully utilized for the fusion reaction. In the above configuration, the sub-cathode (the main anode 3 in the above configuration) is positioned in the opposite direction to the main cathode 4 with respect to the sub-anode 10, and in the vicinity of the main anode 3, that is, inside the vacuum vessel 2. This is because it is necessary to determine voltage conditions and the like so that ions generated in the ion generation region A are directed to the main anode 3 in order to generate secondary electrons in the vicinity of the wall surface. For this reason, ions generated in the ion generation region A are not necessarily accelerated properly even by the potential difference between the main anode 3 and the main cathode 4, making it difficult to reach the main cathode 4.
[0036]
Therefore, FIG. 8 shows a longitudinal sectional view of an essential part of a preferred embodiment of the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention configured in consideration of the above. In FIG. 8, the same components as those in the apparatus shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted unless particularly necessary.
[0037]
In the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to this preferred embodiment, in the ion source 8, the secondary anode 10 is installed at a position separated by a distance d 2 from the magnet array 9, and the secondary anode 10 is in the shape of a ring like the secondary anode 10. The cathode 12 is arranged at a position separated from the sub-anode 10 by a predetermined distance d3 in a direction approaching the main cathode 4. As an example, d2 and d3 are both 5 mm. Here, the magnetic force of the permanent magnet 9a is set to 7000 gauss.
[0038]
In this configuration, the direction of the magnetic field formed in the vacuum vessel 2 by the magnet array 9 is the same, but the electric field formed by the discharge voltage V2 applied between the sub-anode 10 and the sub-cathode 12 is The direction is substantially opposite to the configuration of FIG. 1, that is, generally toward the main cathode 4. That is, since the sub-cathode 12 is present on the main cathode 4 side when viewed from the ion generation region A, when ions generated in the ion generation region A by the magnetron discharge are directed to the sub-cathode 12, near the sub-cathode 12. After generating secondary electrons, this time it is accelerated by the potential difference between the main anode 3 and the main cathode 4 and heads toward the main cathode 4. Therefore, deuterium ions generated by the magnetron discharge are not wasted so much and reach the main cathode 4 with high efficiency.
[0039]
For the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to this example, the magnetron discharge conditions and the like were examined in the same manner as described above. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the gas pressure P and the discharge start voltage V2 when the magnetron discharge is stably generated when the voltage V1 is zero. According to FIG. 9, the gas pressure P at which the magnetron discharge can be maintained decreases to 0.07 mTorr, and it can be seen that the magnetron discharge can be performed in a state where the degree of vacuum is very low. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the currents I2, I3, I4 and the discharge voltage V2 when the magnetron discharge is stably generated with the gas pressure P being 1 mTorr. As can be seen from FIG. 10, the currents I2, I3, and I4 increase as the discharge voltage V2 increases.
[0040]
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the discharge voltage V2 and the currents I2, I3, I4 and the voltage V1 when the magnetron discharge is stably generated when the gas pressure P is 10 mTorr and the main cathode current I1 is 10 mA. . Similarly to the above, as the discharge voltage V2 increases, the currents I2, I3, and I4 increase, but the main cathode voltage V1 decreases on the contrary. This is assumed to be because ions in plasma generated by magnetron discharge easily reach the main cathode 4 and the same main cathode current I1 can be obtained at a lower main cathode voltage V1.
[0041]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the gas pressure P and the main cathode voltage V1 when magnetron discharge and glow discharge occur when the discharge voltage V2 is 1500 V and the main cathode current I1 is 10 mA. As can be seen from FIG. 12, at the same main cathode voltage V1 and main cathode current I1, the gas pressure P can be greatly reduced in the magnetron discharge as compared with the glow discharge conventionally used as an ion source. it can. That is, according to the inertial electrostatic confinement fusion apparatus of this embodiment, deuterium ions and the like can be generated with high efficiency under a high vacuum condition as compared with a conventional apparatus using an ion source based on glow discharge. Therefore, the possibility of colliding with other gas molecules during the arrival of the ions to the main cathode 4 is low, and the arrival efficiency of ions to the main cathode 4 can be increased. For this reason, the rate of fusion reaction in the main cathode 4 is high, and a large amount of neutrons and protons can be generated accordingly.
[0042]
As described above, according to the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the above embodiment, the generation amount of neutrons and charged particles can be greatly increased while generating deuterium ions inside the main anode 3. Therefore, it is possible to obtain a neutron source or a charged particle source that is small and lightweight and has a large amount of neutrons and protons generated. Such a neutron source or charged particle source can be used in various devices, but is particularly useful in fields where there are strong demands such as miniaturization, portability, and cost reduction.
[0043]
An apparatus that can be used for the inertial electrostatic confinement fusion apparatus will be described. One of the fields that require such a neutron source (or proton source) is a medical inspection device, a landmine exploration device, a mineral resource exploration device such as petroleum, a baggage inspection device such as an airfield.
[0044]
For example, in recent years, an apparatus for positron emission tomography (PET) inspection is known as a medical inspection apparatus. In PET, a drug labeled with a radioisotope (RI) with a very short half-life is administered to a patient by injection or inhalation, and the drug moves through the patient's body to cause various organs such as the brain and heart, or cancer. The process of gathering at a certain site or the like is imaged by detecting radiation. Conventionally, in a radiopharmaceutical production apparatus for producing a radiolabeled compound for PET, a high energy charged particle beam is generated by a cyclotron, and a predetermined material is irradiated with this to generate a radioisotope having a short half-life. This is combined with a drug for PET examination.
[0045]
A cyclotron uses a DC magnetic field and a high-frequency electric field to accelerate charged particles. However, it is generally very large, and even if it is said to be small, for example, it requires a contact area of several meters square. To do. On the other hand, if the inertial electrostatic confinement fusion device is used as a charged particle source, the size can be significantly reduced.
[0046]
For example, a radioisotope generator for producing a radiopharmaceutical can be configured as shown in FIG. That is, as described above, the pipe 20 through which the material containing the original element that becomes the radioisotope is circulated is stretched around the inner wall of the spherical vacuum vessel 2. As a result, the radioactive isotopes can be efficiently produced by irradiating the material with charged particle (proton) rays traveling in all directions from the main cathode 4 without waste. In that case, the thickness of the pipe 20 through which the material is circulated is made as thin as possible so that protons can easily pass therethrough, and the outside of the vacuum vessel 2 is shielded from neutron rays passing through the wall of the vacuum vessel 2. A shield 21 is preferably provided. In addition, when a proton is required outside the vacuum vessel 2, a nozzle close to vacuum may be provided so as to communicate with the inside of the vacuum vessel 2, and the proton may be drawn out through the nozzle. .
[0047]
In addition, if the inertial electrostatic confinement fusion device as described above is used as a neutron source, and a neutron beam emitted from the device is used, a landmine detection device capable of exploring landmines using a plastic housing that has been difficult in the past. Can be configured. The detection principle is as follows.
[0048]
There are several types of explosives used for landmines, including TNT explosives, but the atomic ratio of elements in each explosive is fixed. When a neutron beam emitted from a neutron source passes through the ground, it is decelerated and heated to change into a thermal neutron beam, and when it hits a land mine buried in the ground, the components in the explosive capture thermal neutrons. Thus, a reaction peculiar to each component is caused and γ rays (this is called neutron capture γ rays) are emitted. The energy of γ rays (γ dose) depends on the reaction. For example, the energy of γ rays due to the reaction to hydrogen H is 2.22 MeV, and the energy of γ rays due to the reaction to nitrogen N is 10.83 MeV. Therefore, the type of explosive can be specified by measuring this γ dose. Generally, since the type of explosive depends on the type of landmine, the type of landmine can be specified.
[0049]
On the other hand, in the mere neutron scattering reaction rather than the conversion reaction to γ rays, the cross-sectional area of the scattering reaction of hydrogen H contained in the explosive is large. Therefore, the neutron beam emitted from the neutron source directly hits the underground landmine, and the backscattered neutron beam emitted from the ground by the scattering reaction of hydrogen H in the explosive can be detected more easily than the neutron capture γ-ray. Therefore, by detecting this backscattered neutron beam, it is possible to effectively determine the presence or absence of a landmine even if the type of explosive cannot be specified.
[0050]
When using the inertial electrostatic confinement fusion device as a neutron generation source such as such a landmine detection device, it is necessary to emit a neutron beam only in the direction of the target object, and the configuration shown in FIG. 14 is taken as an example. Can do. That is, the surroundings of the vacuum vessel 2 of the apparatus 1 are surrounded by the shield 22, and neutron beams that pass through the wall surface of the vacuum vessel 2 are shielded in an unnecessary direction. Then, only the neutron beam traveling in a specific direction is taken out through the passage opening 23 provided in the shield 22. In order to shield the high energy neutron beam, the shield 22 having a considerable thickness is necessary (the same applies to FIG. 13). However, in the present apparatus 1, the main anode and the external circuit associated therewith are very small in the first place. Compared to this, it can be much smaller and more portable.
[0051]
It should be noted that the neutron generation rate required for searching for such landmines is 10 pulses.⁸Although it is n / s, the inertial electrostatic confinement fusion device according to the present invention can sufficiently satisfy these performance requirements while achieving small size and light weight.
[0052]
In addition, the above-described embodiment is merely an example of the present invention, and it is obvious that changes and modifications can be made as appropriate within the scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a main part of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus showing a principle configuration of the present invention.
2 is an external perspective view of one permanent magnet constituting the magnet array in the apparatus of FIG.
FIG. 3 is an external view of a main part when the vacuum container in the apparatus of FIG. 1 is viewed from above the electrode lead-out part.
FIG. 4 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
FIG. 5 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
6 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
FIG. 7 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
FIG. 8 is a schematic longitudinal sectional view of a main part of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus which is a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
10 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
FIG. 11 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
12 is a graph showing the results of a verification experiment using the apparatus of FIG.
FIG. 13 is a schematic view showing an embodiment in which the inertial electrostatic confinement fusion device according to the present invention is used as a charged particle generation source.
FIG. 14 is a schematic view showing an embodiment when the inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to the present invention is used as a neutron generation source.
[Explanation of symbols]
1 ... Inertial electrostatic confinement fusion device
2 ... Vacuum container
2a ... Electrode lead part
2b ... Exhaust port
2c ... Gas supply port
3 ... Main anode
4 ... Main cathode
5 ... drawer part
6 ... Main power supply
7 ... Vacuum pump
8 ... Ion source
9 ... Magnet array
9a ... Permanent magnet
10 ... Sub anode
11 ... Sub power supply
12 ... Secondary cathode
20 ... pipe
21, 22 ... Shield
23 ... Opening
A ... Ion generation region
B ... Magnetic field direction
E ... Electric field direction

Claims

真空雰囲気中に中空体である主陽極を配置し、該主陽極の内部空間に幾何学的透過性が高い中空体である主陰極を配置し、該真空雰囲気中に導入されたイオン種分子を前記主陽極と主陰極との間の空間でイオン化し、該イオンを該主陽極と前記主陰極との間の電位差によって該主陰極に向けて加速して該主陰極の内部空間に導入し、そこで核融合反応を生じさせて中性子又は荷電粒子を発生させる慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記主陽極を兼ねた真空容器の内部に前記主陰極が配設され、
前記イオンを発生させるためのイオン源は、
前記主陽極と前記主陰極との間の空間に磁場を発生させるべく前記真空容器の外側に配置された磁石である磁場発生手段と、
前記磁石によって前記真空容器内部に形成される磁場を横切るように電場を発生させるべく前記真空容器の内側に配設されたイオン生成用の副陰極及び副陽極である電場発生手段と、を含み、前記磁場発生手段及び前記電場発生手段による電磁場で生じるマグネトロン放電によってイオン種分子をイオン化することを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。A main anode that is a hollow body is arranged in a vacuum atmosphere, a main cathode that is a hollow body having high geometric permeability is arranged in the internal space of the main anode, and ionic species molecules introduced into the vacuum atmosphere are arranged. Ionized in the space between the main anode and the main cathode, the ions are accelerated toward the main cathode by the potential difference between the main anode and the main cathode, and introduced into the internal space of the main cathode, Therefore, in an inertial electrostatic confinement fusion device that generates a neutron or charged particle by causing a fusion reaction,
The main cathode is disposed inside a vacuum vessel that also serves as the main anode,
The ion source for generating the ions is:
A magnetic field generating means is a magnet which is disposed outside the vacuum container so as to generate a magnetic field in the space between the main cathode and the main anode,
An electric field generating means which is a sub-cathode for generating ions and a sub-anode disposed inside the vacuum vessel so as to generate an electric field across the magnetic field formed inside the vacuum vessel by the magnet , An inertial electrostatic confinement fusion apparatus characterized in that ion species molecules are ionized by magnetron discharge generated in an electromagnetic field generated by the magnetic field generation means and the electric field generation means .

請求項１に記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン生成用の副陽極又は副陰極は前記真空容器の内壁面から所定距離離間した空間に設置され、前記副陽極又は副陰極の他の一方は前記副陽極又は副陰極と前記主陰極との間の空間に設置されることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。In nuclear fusion apparatus confinement inertial electrostatic according to claim 1, wherein the auxiliary anode or vice cathode for ion generation is installed in the space by a predetermined distance apart from the inner wall surface of the vacuum vessel, the other of said sub-anode or vice cathode one of the inertial electrostatic confinement fusion apparatus characterized by being installed in the space between the main cathode and auxiliary anode or vice cathode.

請求項２に記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記副陽極は前記真空容器の内壁面から所定距離離間した空間に設置され、前記副陰極は該副陽極と前記主陰極との間の空間に設置されることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。In the inertial electrostatic confinement fusion device according to claim 2, wherein the auxiliary anode is installed in a space separated by a predetermined distance from the inner wall surface of the vacuum vessel, the auxiliary cathode between the main cathode and the sub anode An inertial electrostatic confinement fusion device characterized by being installed in a space.

請求項１〜３のいずれかに記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記真空容器は略球形状であって、前記磁石は該真空容器の外周壁面に沿って略環状に配置されていることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the vacuum vessel has a substantially spherical shape, and the magnet is arranged in a substantially annular shape along an outer peripheral wall surface of the vacuum vessel. An inertial electrostatic confinement fusion device characterized by that.

請求項４に記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、イオン生成用の前記副陰極又は副陽極の少なくとも一方は、前記略環状に配置された磁石と略同一軸を有する円環形状であることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。5. The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to claim 4 , wherein at least one of the sub-cathode or the sub-anode for generating ions has an annular shape having substantially the same axis as the substantially annular magnet. Inertial electrostatic confinement fusion device characterized by

請求項１〜５のいずれかに記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン種分子として重水素を用いることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein deuterium is used as the ion species molecule.

請求項１〜５のいずれかに記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン種分子として重水素と３重水素との組み合わせを用いることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein a combination of deuterium and deuterium is used as the ion species molecule.

請求項１〜５のいずれかに記載の慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン種分子として重水素とヘリウム３との組み合わせを用いることを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein a combination of deuterium and helium 3 is used as the ionic species molecule.