JPH0213900A - 密封高ビーム束中性子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガス状重水素−三重水素混合物を含み、その
イオンにより高エネルギービームを発生し、このビーム
をターゲットに照射してこれに中性子を放出する核融合
反応を生ぜしめるようにした密封高ビーム束中性子管に
関するものである。

（従来の技術） 密封高束中性子管は高速中性子、熱中性子、エビサーマ
ル中性子、または冷（低温）中性子によって材料の検査
を行うために用いられている。

現在用いられているこの種の中性子管の有効寿命は種々
の核技術、即ち、中性子学、放射線分析、中性子の非弾
性分布またはラジイオアクティブ捕獲、分布のγスペク
トルによる分析、で全効率を達成するに要する放出のレ
ベルにおいて不適当である。

通常、１４ＭｅＹの中性子を放出する反応Ｔ　（ｃｌ　
ｎ）　’Ｈｅはその比較的低い中性子エネルギーの高効
率断面のために、主として用いられるが、他の適当な断
面も用いられる。

しかし、反応の型に関係無く、ビームの変化の単位当た
りに得られる中性子の数は厚いターゲットに向かうイオ
ンのエネルギーが増大するにつれて増大し、この現象は
、現在得られ、高電圧（ＴＨＴ）が給電される密封管に
得られるイオンエネルギーを著しく越えるようになる。

この高電圧は密封管の規格の理由で、または高電圧発生
器および接続部材の信頼性の理由でほぼ２００ｋＶ以上
となる。

中性子管の有効寿命を制限する最も重要な現象は入射イ
オンおよび中性子管の絶縁壁の金属化によってターゲッ
トへの照射が失敗することである。

ビーム自体の強度が高くなるにつれてこれら２つの現象
が一層著しくなるため、このパラメータを最大値に制限
すること、従って、所定の中性子放出に対し高い加速電
圧を用いるのが重要である。

従来の密封中性子管における真空管（例えば、Ｘ線管）
に対しては、実際上真空管の直径を増大させることはで
きない。その理由は中性子の収量を低くし、低圧範囲に
おけるパッシェンの法則に従って放電点弧を生ぜしめる
ようになるからである。

ガス中における放電点弧の他の危険性は、高電界に曝さ
れる電極の表面効果に依存する。この効果は、正電位を
搬送する陽極として作用する真空管の他の部分に対向し
、負電位を搬送すると共に陰極として作用する真空管の
一部分によって放出する電気粒子によって生じるように
なる。これは、イオン源の例えば陽極および陰極のよう
な同一の種類のものを支持する真空管の部分とは矛盾す
る。

これらの粒子はガス内または電極上の材料の他の分子を
衝撃して２次放出により放出を所定に増倍し従って真空
管の絶縁部分の表面または真空管自体のガススペースを
横切る周囲の誘電体質を妨害することによりブレークダ
ウンを生せしめるに充分な大きさの電流を徐々に形成し
得るようにする。

上述した反応Ｔ（ｄ、　ｎ）　’Ｈｅを用いる場合には
、三重水素のエミッタβ−が存在することにより、核反
応（ｘ、α、γ＋　ｎ　）に関連し、また、その結果（
真空管自体またはその周囲の中性子放射化により誘起さ
れる放射線）に関連する種々のイオン化放射線のような
この危険を更に増大するようになる。

例えば、Ｘ−線管のような真空管においては、絶縁体の
表面のブレークダウン特性は、電極の間隔を増大すると
共に真空管を夫々陽極および陰極を構成する２部分に細
分割して真空管の各部分の平均電位を減少し得るように
し、かつ、電界の方向に適合された絶縁部分に傾斜を与
えるようにして改善し得るようにする（例えば、フィリ
ップステクニカルレビュー第４１巻、第１号、１９８３
／１９８４年、第２４−２９頁、Ｗ、ハース等が発表し
た論文“金属／セラミックＸ−線管の非破壊試験”参照
）。

電極間隔との積Ｐｄがパッシェンの曲線の左側にあるよ
うなガス入り管である。この場合放電現象はタウンゼン
トアバランシェ型のものが発生し得るがこれは電極間隔
を減少することによって防止できる。しかし、これはフ
ォウレルーフルドハイムの法則（Ｆ−Ｎ）に従って電子
の強い冷陰極放出の発生スレシホルドによって制限され
るようになる。

（発明が解決しようとする課題） 所定の電位差に対し、フォウレルーノルド／％イムの式
により計算された冷陰極放出電流密度値によって電極の
表面状態に応じて所定電位差に対するこの電流密度の高
い増幅率を発生し得るようになる。これがため僅かな電
圧変化によってこの変化の方向に依存して電流を強く増
大または減少し得るようになる。質的には、電流対電圧
のかかる強い感度は電極間に電流を生ぜしめる寄生現象
の全部に対し見られるようになる。

これがため、所定電圧スレシホルドを越えると、高電界
に曝される電極の表面効果によっておよび電界を減少す
るために絶縁距離を増大する際、ガス分子とイオンとの
衝突によってガスの点弧を防止するのが困難になってく
る。

本発明は、２００ｋＶよりも著しく高い電圧で給電する
と共に上述した有効寿命を増大し、しかも満足し得る信
頼性を保持し得るようにした上述した種類の密封高ビー
ム束中性子管を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明はガス状重水素−三重水素混合物を含み、そのイ
オンにより高エネルギービームを発生し、このビームを
ターゲットに照射してこれに中性子を放出する核融合反
応を生ぜしめるようにしてを効寿命および信頼性を改善
するようにした密封高ビーム束中性子管において、前記
中性子管は加速電極によって互いに分離された第１部分
および第２部分を具え、該加速電極は前記第１部分およ
び第２部分間に遮蔽部材を形成し、前記第１部分は可調
整正電位点に接続されイオン源を含み、前記第２部分は
、一体に構成された中性子管の導電性材料より成る外匣
を経て接地された前記加速電極の電位の零値に対し調整
可能な電位点に接続されたターゲットを含むようにした
ことを特徴とする。

従って、同一の中性子放出レベルに対してイオンビーム
の強度は、イオンおよびガス分子の衝突によって重水素
−三重水素混合物の点弧の危険性を増大することな（、
イオン源およびターゲット間の電位差を２倍にし得るよ
うにして減少させることができる。その理由は前記遮蔽
部材による中性子管の２部分への細分割によってイオン
により移動すべき距離を前記第１部分および第２部分の
各々内に保持するからである。かかる配置とすることに
よって電極に隣接する電気力線に沿って前記積Ｐｄの臨
界値を著しく減少させることができることは明らかであ
る。

中性子管の冷陰極放出電流の形成処理中、前記外匣およ
びイオン源によって中性子管の第１部分の陰極および陽
極を夫々形成し、かつ、前記ターゲットおよび外匣によ
って中性子管の第２部分の陰極および陽極を夫々形成す
る。中性子管の前記第１部分および第２部分の各々の対
向電極の表面効果により生じる冷陰極放出電流を電極の
特性および表面状態に依存して著しく　、１０”程度減
少する。

その理由はイオンビームを加速するに要する電位差が前
記中性子管の前記第１部分および第２部分間で１／２と
なるからである。

中性子管の全電位差のこの分布は、供給電圧および電極
を分離する幾何学的距離により中性子管の２部分間で非
対称となり、これにより分離電極およびイオン源間およ
び同一電極およびターゲット間で加速スペースを変化さ
せ、かくしてイオンビームの収束制御を改善し、中性子
管の有効寿命を増大し得るようにする。

（実施例） 図面につき本発明を説明する。

第１図に示す既知の中性子管の第１例では、中性子管は
リザーバ２から生ずる重水素および三重水素のガス混合
物を含む外匣１を具える。このガス混合物は接地されて
いるイオン源３でイオン化される。このイオン源からタ
ーゲット６と一体に構成され負の極めて高い電圧点（−
ＴＨＴ）に接続された加速電極５によって取出す。加速
スペースと対向する壁部７は絶縁材料で造る必要がある
。イオン源からの金属粉雪流の通路によって金属化され
た壁部の領域８を画成し、これが第１例の主な欠点を示
す。

第２図に示す既知の中性子管の第２例では、イオン源９
はケーブル１０を経て正の極めて高い電圧源＋ＴＩＴに
接続し、このケーブルＩＯの一端を絶縁スリーブ１１お
よび１２によって囲み、これらスリーブ間に絶縁冷却流
体を循環させるスペースを形成する。加速電極１３は領
域１４で冷却系によって冷却すると共に接地点に接続し
て金属壁部１５と一体に形成し得るようにする。この配
置によって中性子管の絶縁部分での金属粉雪流を防止し
得るようにすると共にことにより従来技術の最新の状態
を表わし得るようにする。

重水素および三重水素のガス混合物を圧力調整器１６を
経て供給する。この場合のガス圧はイオン化マノメータ
１７によって制御する。この例ではイオン源９は、ペニ
ング型（しかし、本発明による型とは相違する）とし、
電圧子ＴＨＴを供給する陽極１８とこの陽極に対し５ｋ
Ｖの同一の負の電位点に接続された２つの陰極１９およ
び２０と、軸線方向の磁界を発生し、その磁気回路がイ
オン源９を囲む強磁性外匣２２によって囲まれた永久磁
石２１とを具える。

イオン源から取出したイオンビーム２３は抑圧電極２４
を通過し、領域２Ｇで液体流により冷却されたターゲッ
ト２５に衝突する。これと同種類の中性子発生器は、フ
ランス国特許第２．４３８．１５３号明細書に詳細に記
載されている。

ブレークダウン現象は電極間に供給される高電圧の影響
の下でガス入り管ないに発生する。第２図に示す中性子
管の初期作動は次の通りである。

磁気回路２２により形成されるイオン源９の外匣は零、
即ち、接地電位にある中性子管の外匣１５の電位に対し
正の極めて高い電位を有する。これがため、イオン源の
外匣は陽極として作動し、中性子管の外匣は巨視的電界
が発生する陰極として作動する。

この陽極の表面の微視的凹凸面によってその幾何学的形
状に従ってこの電界値を微視的に増幅する。

これがため、冷陰極電子放出が可能となる。この電流に
よっても中性子管に含まれるガス分子をイオン化する。

従って、不慮の短絡を生じ、電極間をブレークダウンす
るアバランシェ効果が生じるようになる。

前記フォウレルーノルドハイムの式を簡単化することに
よって冷陰極放出電流密度を決めることができる。この
式はガスの存在により何等増幅率を考慮することなく、
真空中で得ると次式で表わすことができる。

ここにＥは微視的電界（Ｖ／ａｍ）。

Ｅ、は巨視的電界（Ｖ／ｃｍ）。

βは微視的凹凸性の幾何学的形状に依存する増幅率。

Ｗは固体（仕事関数）の表面から除去するために電子が
必要とするエネルギー。この量は電極の材料の特性およ
び表面不純物にのみ依存する。

Ｊは冷陰極放出電流密度（Ａ／ｃｍす。

増幅率βは微視的凹凸（球面、楕円面）の端部の形状お
よび電極の表面上の高さｈに起因し、曲線に基づいて推
測することができる。この増幅率は、比ｈ／ｒ＝１（１
”に対しβ＃１０３となる。ここにｒは端部が球面状と
なる微視的凹凸の半径である。

冷陰極放出電流密度Ｊは、１．６〜５ｅＶ変化する仕事
関数Ｗの種々の値に対し微視的電界Ｅの関数として与え
られる。

表面にアルカリ金属不純物を有する電極に対しては、仕
事関数は２．５ｅＶとなる。通常の中性子管では巨視的
電界は２・１０５程度となる。微視的凹凸が存在するこ
とにより生じる１０”程度の利得が得られる場合には、
冷陰極放出電流密度は４・１０３μＡ／μｍ２となる。

ｆＱ’Ｖ／ｃｍ、即ち、１／２に減少した巨視的電界に
対し、冷陰極放出電流密度はほぼ３・１０−３μＡ／μ
ｆｆ＋１となり、従って、これはほぼ１０＠に減少する
。

実際、この著しい減少によって電極間のＦ−Ｎオリジン
のブレークダウンの危険性を除去することができ、従っ
て中性子管の信頼性を高めることができる。

しかし、イオンビームの強度を減少することにより中性
子管の有効寿命を長（゛する場合にはイオン源およびタ
ーゲット間に供給される電位差を増大させる必要があり
、従って、はぼ２００ｋＶの極めて高い電圧を越えてブ
レークダウンの危険性が著しく増大するようになる。絶
縁距離を増大させて電界を減少させるようにするた場合
には、ガスのイオンおよび分子の衝突によりガスの点弧
する確率が極めて大きくなる。

本発明装置によれば、イオンビームに対し加速電圧を増
大し、しかも、中性子管の電極間の電界を許容値に保持
しながら中性子管の有効寿命および信頼性をできるだけ
良好に折衷することができる。

第３図は加速電極１３および極めて高電圧の給電ケーブ
ル１０間に位置する第２図に示す中性子管の部分に類似
する２部分よりなるかかる装置の第１例を示す。これら
の部分のうちの一方の部分は常時外匣１５内にイオン源
１８．１９．２０．２１を含み、他方の部分は外匣１５
′内に抑圧電極２７およびターゲット２８を含む。これ
ら２部分は互いに膠着し、その対向面によってこれらが
共通に有する加速電極を表わすようにし、従って、これ
ら部分は電極の中央面に対し対称に配列されるようにな
る。

第３図において第２図に示すものと同一部分には同一符
号を付して示す。又、第１部分の素子に対し対称をなす
中性子管の第２部分の素子には同一符号にダッシュを付
して示す。即ち、ケーブルに対しては符号１０および１
０′、強磁性外匣に対しては２２および２２′を付して
示す。本例では圧力調整器１６およびイオン化マノメー
タ１７はターゲットを具える中性子管の第２部分の端部
に配列する。

第２図に示す配置によって中性子管に単一の正極性、即
ち、＋■の電圧を給電し得るようにしている。

しかし、第３図に示す配置によって２つの極性、即ち、
ケーブルＩＯを経てイオン源に供給される＋Ｖの電圧お
よびケーブル１０′を経てターゲットに供給される一■
の電圧を発生する電圧発生器を用いることができる。こ
れら２つの極性は接地点に対して規定され、これに前記
外匣１５および１５’と一体の加速電極１３を接続する
。これがため、加速を制御する電位差を２ｖとして前述
したようにターゲット電流を減少して中性子管の表面寿
命を増大し得るも、中性子管の第１部分の陰極１５のレ
ベルの電界および中性子管の第２部分の陰極２２′のレ
ベルの電界を許容し得る信頼性で折衷可能な値に保持す
る。

中性子管を給電するかかるモードによってイオンビーム
を２倍に加速する電位差が得られ、かくしてターゲット
電流のみを減少することによって生じる中性子放出の減
少を補償することができる。

本発明装置によれば信頼性の観点から追加の利点を提供
することができる。その理由はターゲット電流の減少が
動作圧力の減少によるイオン源の電流の相関的な減少に
より達成し得るからである。

この装置によってもイオン源から発生する金属粉雪原を
減少させると共にビーム通路における寄生イオン化によ
り生じる金属粉雪原をも減少させることができる。

更に、加速電極１３はイオン源およびターゲット間の“
遮蔽部材”として作用し、従って、ガス中のイオンの可
能な通路を著しく減少し、ブレークダウンの危険性を充
分減少し、信頼性を更に改善することができる。

中性子管を対称給電することにより他の有利な利点があ
る。即ち、中性子管の２つの部分間の加速スペースを変
化させ、これによりビームの集束を良好に制御し得るイ
オン光学系を得ることができる。これは、実際上、中性
子管の各部分の電界の値への応答に相当する。

これがため、中性子管の第１部分では陰極を外匣１によ
って形成する。この外匣は中性子管の外壁を形成すると
共にその曲率半径は大きく、電界Ｅ、はこの外匣と陽極
として作動するイオン源の外匣１１との間に発生する。

中性子管の第２部分では、ターゲットの外匣１１′は陰
極を構成する。この外匣の曲率半径を壁部の曲率半径よ
りも充分に小さ（する。その理由はこれが中性子管の内
側に位置するからであり、電界Ｅ、がこの外匣と陽極と
して作動する中性子管の外匣１′との間に発生するから
である。

イオン源およびターゲットを対称給電する場合上記電界
には不等式Ｅｔ＞Ｅ、が存在するようになる。

その理由は２つの電極のレベルでの曲率半径間の差が中
性子管の各部分において陰極として作用するからである
。

中性子管の各部分における作動を等価とするためには、
ターゲットに供給する電圧ＴＩＩＴの値を再調整して電
界（Ｅ、−Ｂ、）を再調整する必要がある。

本発明装置の他の例を第４図に示す。本例では中性子管
の絶縁壁の幾何学的形状を規定してこの絶縁壁に沿う“
フラッシュオーバ効果をできるだけ減少し得るようにす
る。このフラッシュオーバ効果は、絶縁体の表面に当た
る粒子の衝撃によりその表面に生じる連続２次電子放出
として明らかである。絶縁体に対しては表面損傷効果が
生じるが、これは絶縁体の表面を傾斜させて電界に対し
所定角度で囲み、リバウンドが防止されるようにして軽
減することができる。絶縁体の幾何学的形状は極性に従
って相違する。

第４図において、ターゲットを含む中性子管の第２部分
は第３図に示すものと同一である。イオン源を含む中性
子管の第１部分において、強磁性外匣１１の内容も第３
図に示すものと同一である。

しかし、中性子管の能動領域に相当する絶縁スリーブ１
２′および１２′の表面は矢印２９で示すイオンビーム
束の方向に対し所定角度で囲むように傾斜させることが
できる。

電圧ＴＩＴで陽極を給電するケーブル１０′のスリーブ
１１’の設計は、この配置に適合させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１および２図は従来の中性子管の夫々第１例および第
２例を示す縦断面図、 第３および４図は本発明による中性子管の第１例および
第２例を夫々示す縦断面図である。 ■　・・・　外匣、　２　・・・　リザーバ３　・・・
　イオン源、　４　・・・　イオンビーム５　・・・　
加速電極、　６　・・・　ターゲット７　・・・　壁部
、　８　・・・　領域９　・・・　イオン源、　１０　
　・・・　ケーブル１１、＋２　　・・・　絶縁スリー
ブ １３　　・・・　加速電極、　１４　　・・・　領域１
５　　・・・　金属壁部、　１６　　・・・　圧力調整
器１７　　・・・　イオン化マノメータ １８　　・・・　陽極、　１９．２０　　・・・　陰極
２１　　・・・　永久磁石、　２２　　・・・　強磁性
外匣ｚ３　　・・・　イオンビーム ２４．２７　　・・・　抑圧電極 ２５．２８　　・・・　ターゲット、２６　　・・・　
領域ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガス状重水素−三重水素混合物を含み、そのイオン
   により高エネルギービームを発生し、このビームをター
   ゲットに照射してこれに中性子を放出する核融合反応を
   生ぜしめるようにして有効寿命および信頼性を改善する
   ようにした密封高束中性子管において、前記中性子管は
   加速電極によって互いに分離された第１部分および第２
   部分を具え、該加速電極は前記第１部分および第２部分
   間に遮蔽部材を形成し、前記第１部分は可調整正電位点
   に接続されイオン源を含み、前記第２部分は、一体に構
   成された中性子管の導電性材料より成る外匣を経て接地
   された前記加速電極の電位の零値に対し調整可能な電位
   点に接続されたターゲットを含むようにしたことを特徴
   とする密封高ビーム束中性子管。 ２、前記イオン源および前記ターゲット間の電位差を２
   倍にし得るようにして、中性子放射レベルを一定に保持
   しながら、イオンビームの強度を減少し、従って、前記
   中性子管の前記遮蔽部材による２部分への分離により前
   記第１部分および第２部分の各々におけるイオンの移動
   距離の減少に起因してイオンおよびガス分子の衝突によ
   る前記重水素−三重水素混合物の点弧の危険性を増大す
   る事なく中性子管の有効寿命を増大するようにしたこと
   を特徴とする請求項１に記載の密封高ビーム束中性子管
   。 ３、前記外匣およびイオン源によって中性子管の第１部
   分の陰極および陽極を夫々形成し、前記ターゲットおよ
   び外匣によって中性子管の第２部分の陰極および陽極を
   夫々形成し、中性子管の前記第１部分および第２部分の
   各々の対向電極の表面効果の影響の下で生じる冷陰極放
   出電流を著しく減少し、これによりイオンビームを加速
   するに要する電位差が前記中性子管の前記第１部分およ
   び第２部分間で１／２となることにより信頼性を増大す
   るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の密封高
   ビーム束中性子管。 ４、前記中性子管の第１部分および第２部分の電界は、
   加速スペースを適宜調整して前記各部分におけるイオン
   ビームおよび／または前記冷陰極放出電流の収束を良好
   に制御し得るようにする場合、印加電位のため、または
   電極を分離する幾何学的距離のため、非対称に分布させ
   るようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかの
   項に記載の密封高ビーム束中性子管。 ５、前記中性子管の第１部分および第２部分は、前記遮
   蔽部分を形成する加速電極を通る２等分面に対し対称に
   配列するようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何
   れかの項に記載の密封高ビーム束中性子管。 ６、前記中性子管の第１部分および第２部分に互いに対
   応する絶縁壁の表面をイオンビームの方向に対し同一方
   向に傾斜させるようにしたことを特徴とする請求項１〜
   ４の何れかの項に記載の密封高ビーム束中性子管。