JPH04147099A - 中性子発生装置 - 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］ 本発明は中性子を発生する中性子発生装置に関する。

［従来の技術］ 中性子発生装置は、例えば、水素を含む物質を探知する
中性子式探知装置の中性子発生源として、利用される。

中性子は、水素を含む物質には吸収されるが、その他の
物質は透過するという性質をもっている。中性子式探知
装置は、この性質を利用して、水素を含む被探知物に中
性子を照射し、この被探知物を撮像する。

最近、このような中性子式探知装置は、プラスチックが
水素を含むことを利用し、プラスチック爆弾の空港での
検出に使用されており、その中性子発生源として、コン
パクトな中性子発生装置が望まれている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来、この種の中性子発生装置は、Ｈｅの原子核（即ち
、α線）からなるイオンを加速する線型加速器を有し、
該線型加速器により加速されたイオンをベリリウム等に
衝突させて、中性子を発生している。この線型加速器は
、一般に３ｍ長を有し、大型であり、しかも高価である
。

従って、本発明の課題は、コンパクトで安価な中性子発
生装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、 中心軸を有する真空容器と、 該真空容器内に前記中心軸に沿って延在するプラズマ柱
を発生するプラズマ柱手段と、該プラズマ柱に重水素を
注入し、イオン化重水素とする重水素注入手段と、 前記中心軸に沿う磁場であって、磁場強度分布が前記中
心軸から離れるに従って単調減少する、前記中心軸に対
して軸対称の前記磁場を、前記真空容器内に発生する磁
場発生手段と、 前記中心軸から、該中心軸に対して実質的に直交した方
向に向かう、前記中心軸に対して軸対称の高周波電場で
あって、前記イオン化重水素の前記磁場中におけるサイ
クロトロン周波数に同期した周波数を有する前記高周波
電場を、前記真空容器内に発生し、前記イオン化重水素
を、前記プラズマ柱に直交する面内て加速し、加速され
たイオン化重水素とする高周波電場発生手段とを有し、
前記磁場発生手段は、前記加速されたイオン化重水素に
、前記プラズマ柱に直交する市内で、らせん運動させ、
前記加速されたイオン化重水素を繰り返し前記プラズマ
柱に戻し、前記加速されたイオン化重水素同士の核融合
を起こして、中性子を発生させることを特徴とする中性
子発生装置か得られる。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図及び第２図を参照すると、本発明の一実施例によ
る中性子発生装置は、重水素（ｈｅａｖｙｈｙｄｒｏｇ
ｅ口）である、ジューチリウム（ｄｅｕｔｅｒｉｕｓ＋
Ｈ２，以下、これをＤと略称する。）或いはトリチウム
（ｔｒｉ−ｔｉｕｓ　　Ｈ’　、以下、これをＴと略称
する。）の核融合により多量の中性子を発生する。

この中性子発生装置は、中心軸１０を有する真空容器１
１を有する。真空容器１１は電磁波共振器を兼ねている
。なお、ｌｌａは、排気口である。

陽極１２及び陰極１３は、真空容器１１内に、中心軸１
０に沿って延在する、アーク放電によるプラズマ柱１４
を発生するプラズマ柱手段として動作するものである。

ＤやＴの重水素は、重水素注入口１５からプラズマ柱１
４に注入され、イオン化重水素とされる。

即ち、重水素注入口１５等は、ＤやＴの重水素をプラズ
マ柱１４に注入し、イオン化重水素とする重水素注入手
段として作用する。

電磁波が電磁波供給口１６から真空容器１１内に供給さ
れ、この電磁波によって、真空容器１１内には電気力線
１７で示された高周波電場の定在波が発生される。該高
周波電場は、中心軸１０から、中心軸１０に対して実質
的に直交した方向に向かう、中心軸１０に対して軸対称
の電場であって、前記イオン化重水素の後述の磁場中に
おけるサイクロトロン周波数に同期した周波数を有する
。

該高周波電場によって、前記イオン化重水素は、プラズ
マ柱１４に直交する面内て加速され、加速されたイオン
化重水素とされる。このように電磁波供給口１６等は、
前記高周波電場を発生する手段として作用する。なお、
１８は前述の電磁波の磁力線である。

コイル１９は、磁力線２０て示された、中心軸１０に沿
う磁場を真空容器１１内に発生する。この磁場は、中心
軸１０に対して軸対称であって、磁場強度分布が中心軸
１０から離れるに従って単調減少するものである。

この磁場は、前記加速されたイオン化重水素に、プラズ
マ柱１４に直交する面内で、第３図に参照符号２１や２
２で示すように、らせん運動させ、前記加速されたイオ
ン化重水素を繰り返しプラズマ柱１４に戻し、前記加速
されたイオン化重水素同士の核融合を起こして、中性子
を発生させる。

このように、コイル１９は、前述の磁場を真空容器１１
内に発生し、前記加速されたイオン化重水素に、プラズ
マ柱１４に直交する面内で、らせん運動させ、前記加速
されたイオン化重水素を繰り返しプラズマ柱１４に戻し
、前記加速されたイオン化重水素同士の核融合を起こし
て、中性子を発生する磁場発生手段として動作する。

第２図を参照して、中性子はあらゆる方向に均一に発生
するので、必要方向２３以外の中性子は、例えばパラフ
ィンのように、水素を含む物質からなる中性子吸収体２
４で遮蔽する。必要方向２３の中性子は、中性子吸収体
２４の開口２５を通って外部に射出される。

以上の中性子発生装置は、直径０．５ｍ、高さ０．５ｍ
程度の大きさで実現でき、コンパクトとなり、安価とな
る。

以下、第１図乃至第３図を参照して、上述の中性子発生
装置の作用を詳細に説明する。

１）上述の核融合反応は以下の式（１）又は（２）で表
される。

Ｄ　＋　Ｔ−４Ｈｅ’　＋　ｎ　＋　１７．５８　Ｍｅ
Ｖ　　　（１）Ｄ　＋　Ｄ−４Ｈｅ’　＋　ｎ　＋　３
．２７　ＭｅＶ　　　　（２）ここで、Ｈｅはヘリウム
、ｎは中性子、１７．５８　ＭｅＶ及び３．２７　Ｍｅ
Ｖは核融合反応で発生するエネルギである。

ＤやＴの粒子のエネルギが５０ＫｅＶ程度の低エネルギ
で、必要量の中性子を得るためには、高密度のＤやＴの
粒子群を確保し、これら粒子群の互いの衝突確率をあげ
ることが必要である。

２）高密度のＤやＴの粒子群を得るために、上記実施例
では、アーク放電によるプラズマ流１４を作る。このプ
ラズマ流１４により、外部から供給されるＤやＴを電離
させて、イオンＤ“やＴ“を含む荷電粒子群を得る。前
記プラズマ流１４内は、電極材料の一部が蒸発して気体
となって、種の導体状となっており、イオンＤ７やＴ“
は内部の流れは別にプラズマ中から外部に容易に飛び出
し得る状態となっている。

実際上、初期運動エネルギにより絶えずイオンＤ１やＴ
ｏが飛び出していると考えられる。

３）この発明は、外部へ飛び出すイオンＤ“やＴｏのエ
ネルギを増大させつつ、それをもとのプラズマ流１４内
のイオンＤ＋やＴ′″と衝突させるような軌跡を形成し
て核融合をおこそうというものである。

４）外部へ飛び出すイオンＤ＋やＴ“のエネルギを増大
させるために、サイクロトロンの加速原理を用いる。即
ち、所定の交流電磁場を作り、それとイオンＤ゛やＴ＋
の電荷との電磁力を利用して加速させる。ここでは、陽
極１２及び陰極１３の全体をサイクロトロンのいわゆる
キャビティ（これは真空容器１１内の空間に対応する。

）内に設置するような構造となっており、外部より電磁
波を供給され、真空容器１１内には、軸対称の交流電磁
場が発生している。その電磁波形は第１図の１７のよう
に定在波となるようにキャビティの寸法と電界を定める
。

５）電磁波中で加速され、うまく共振軌道にのったイオ
ンＤ“やＴ９は徐々に加速され、プラズマ流１４と交差
軌道を描き、これらは式（１）或いは（２）の反応を起
こして中性子を発生させる。

６）しかも、この場合、加速されつつ戻るイオンＤ゛や
Ｔｏの軌道は徐々にプラズマ１４の内部へと浸透してい
き、イオンＤ＋やＴ″″は高エネルギになるにつれ、高
密度のイオンＤ″″やＴ＋と交差することとなる。これ
により、中性子の発生確率が上昇し、実用的な中性子発
生源となり得る。

７）共振器としての真空容器１１内に発生する電磁場は
、Ｔ２Ｏ波で、第１図に示したＺ−ｒ座標系において、
高周波電場Ｅ「は中心軸１ｏより外方に向いて、略、式
（３）で示される。

ｃｉ下弦日 ｉ：ｒ−ｉ：ｒｏ　　（ｒｏ／ｒ） ｃｏｓ　　（２ｙｔ　　（Ｚ／λ））　　・ｓｉｎ　　
（２π　ｆ　　ｔ）なお、ｔは時間である。ここで、ス
は電磁波の波長、ｆは電磁波の周波数で、Ｃを光速度と
すると、λｆｍｃの関係がある。周波数ｆは共振の条件
を満たすように選ばれる。Ｅｒｏはｒ−ｒｏにおける電
場の最大強さになっている。即ち、ｒ＜ｒ。

では電界はプラズマ１４中であるため実際は存在しない
ので、結局ｒ−ｒ。が最大強さとなる。

また、高周波磁場Ｂｒは式（４）で示される。

Ｂｅ　＝　　Ｂｅ　ｏ　　（ｒｏ　／ｒ）ｓｉｎ　　（
２π（Ｚ／λ）　ｌ　　・ｃｏｓ　　（２πｆ　ｔ）た
だし、Ｂｅ　ｏ　”　（１７Ｃ）　Ｅ　ｒ。

第１図のＡ−Ａ断面は磁場中立面となっており、式（３
）で２−０の面となっている。この面上では磁場２０は
、 Ｂｚ＝Ｂｚｏ−ｇ　（ｒ、　　ｚ）　　　　　　（５）
Ｂ　ｒｍＺ　串Ｂｚｏ　ｅ　ｄｇ／ｄ　ｒ　　　　　（
Ｂ）の分布をしている。ここで、ｇ　（ｒ）はｒについ
て単調減少関数で、ｇ　（０，０）　−１とする。この
ような分布になるように、コイル１９を設計する。

質量ｍ、重電荷のイオンの磁場Ｂ中のサイクロトロン周
波数ｆｃは ｆｃ−（ｅ／２πｍ）−ｓ て与えられる。高周波電場の周波数ｆがｆｃの整数倍の
場合、プラズマ１４の近傍で発生したイオンは式（３）
の高周波電場により、加速されて式（５）の磁場の中で
次第に大きな円軌道を描いていく。磁場分布が式（５）
及び（６）で与えられる場合、円軌道が大きくなるにつ
れてＢが小さくなるので、ｆｃが小さくなり、高周波電
場の振動と位相が合わなくなるので、途中で減速位相に
入り、円軌道は次第に小さくなり、ついには静止する。

次に再び加速され始める。イオンはこの繰り返し運動を
する。

イオンのＺ方向運動は式（６）の磁場により、Ｆｚ−ｖ
ａ　　・Ｚ−Ｂｚｏ−ｄｇ／ｄｒ　　　（７）で表され
る２方向の力Ｆｚを受ける。ここで、■、はイオンのθ
方向速度で、Ｚ軸に近い側の円弧の部分ではＦｚは正と
なり、Ｚ軸から遠い円弧部分ではＦｚは負となる。全体
としてはＺ−Ｏの面に向かって収束力が働くので、イオ
ンは磁場中立面近傍に止まる。

この装置ではすべての電磁場はＺ軸について回転対称で
ある。このため、２方向の角運動量は加速、減速の過程
で保存され、必ず中心部へ戻る運動をする。このことは
運動方程式を式（８）のようにラグランジアン形式で表
せば理解できる。

Ｌ■−ｍｃ２ｘ ［１−（１／ｃ２）　　　（（ｄｒ／ｄｔ）’＋ｒ２（
ｄθ／ｄｔ）”　＋　（ｄＺ／ｄｔ）２）］　’・２＋
ｅＡ、ｒ　（ｄθ／ｄｔ）＋ｅＡｚ　（ｄＺ／ｄｔ）−
ｅψ　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）ここで
、Ａ、は式（５）及び（８）の磁場を与えるベクトルポ
テンシャル、ＡＺ及びψは式（３）及び（４）の電磁場
を与えるベクトル及びスカラーポテンシャルで、各々次
のように与えられる。

以下依臼 Ａ　＃ （ｒ。

Ａｚ　　（ｒ、　　ｚ）　　＝Ｂａｏｒｏ　　ｌｏｇ　
　、　　（ｒ／　ｒｏ　　）・ｓｉｎ　　（２ｙｒ　　
（Ｚ　／　λ）　　ｌ　　・ｅｏｓ　　（２ｙｒ　　ｆ
　　ｔ）（ｌＯ） ψ　（ｒ、　　ｚ）　　−−Ｅ、ｏｒｏ　　ｌｏｇ　　
＊　　（ｒ／　ｒｏ　　）−ｃｏｓ　　ｌ’２π（Ｚ／
ス）　ｌ　　・ｓｊｎ　　（２ｙｒ　ｆ　ｔ）Ｚ方向の
角運動ｌ　Ｍ　ｚは Ｍｚ−，９Ｌ／　（、Ｐ（ｄθ／ｄｔ））−ｍｒ２（ｄ
θ／ｄ　ｔ）　−７＋ｅ　ｒＡａ　　　　　　　（１２
）で与えられる。ここて、γは式（１３）で与えられる
。

γ　１ ［１−（１／ｃ２）　　　ｆ（ｄｒ／ｄｔ）２＋ｒ２　
（ｄθ／ｄｔ）２ ＋　（ｄＺ／ｄ　ｔ）　２１　］　−１／２＝　［１−
（ｖ２／ｃ２）］　−””　　　　　（１３）なお、■
は粒子の速度とした。

Ｍｚの時間変化は ｄＭｚ／ｄ　ｔ　−ａＬ／　ａθ−０（１４となり、保
存量であることが分かる。

動径方向の運動ＩＰｒは、 Ｐ　ｒ　−′ａＬ／　（ａ（ｄ　ｒ／ｄ　ｔ）　］　　
　　（１５）同様にＺ方向運動量Ｐｚは Ｐｚ−ｍγ・　（ｄＺ／ｄ　ｔ）＋ｅ、Ａｚ　（−一定
）（１Ｂ） となる。ハミルトニアンＨは Ｈ−Ｐ　ｒ　（ｄ　ｒ／ｄ　ｔ）　十Ｍ、　　（ｄθ／
ｄｔ）＋Ｐ　ｚ　（ｄ　Ｚ　／　ｄ　ｔ　）　−Ｌ　−
ｍ　ｃ　２７　＋ｅψ　（１７）となる。エネルギはハ
ミルトニアンに等しく、時間変化は式（１Ｂ）のように
なる。

ｄＨ／ｄｔ−−ａＬ／　３ｔ−ｅａψ／ａｔ　　（１８
）動径方向の運動方程式は、 ｄＰ　ｒ／ｄ　ｔ−ａＬ／　□ｒ−ｍ７　ｒ　・（ｄθ
／ｄ　ｔ）　２＋ｅＢｚ−ｒ　（ｄθ／　ｄ　ｒ　）−
ｅＢ、（ｄＺ／ｄｔ）＋ｅＥｒ　　　　　　（１９）同
様に ｄ　Ｐ　ｚ／ｄ　ｔ　−ａＬ／　９ｚ−ｅ　Ｂ　ｒ　・
　「　（ｄ　θ／　ｄ　　ｒ　）＋ｅ・（９Ａｚ／θＺ
）　　　（ｄＺ／ｄ　ｔ）−ｅ　・　（Ｄψ／９Ｚ） この式に式（１６）を代入すると、 ｍ（ｄγ／ｄｔ）　　　（ｄＺ／ｄｔ）−−ｅＢｒ・ｒ
　（ｄθ／ｄｒ）十ｅＢｓ　　（ｄｒ／ｄｔ）　　（２
０）これらの運動方程式を厳密に解くためには、計算機
による数値計算に頼ることになる。しかし、初期条件を
単純化すれば、プラズマ１４表面から引き出されたイオ
ンは加速されても必ずプラズマ中に戻り、しかもプラズ
マ中心へ軌道が浸透するという性質を解析的に示せる。

本発明はこの重要な性質に基づいており、以下、これに
ついて説明する。

初期条件を Ｚ−ｄＺ／ｄｔ−０（２１） ｒ−ｒｏ（ｄ　ｒ／ｄ　ｔ）　＝０　　　　　（２２）
とする。「。はプラズマ１４表面の半径とする。

ｚ−０でＢｒ−Ｂｓ−０であるから２式（２０）により
、ｄＺ／ｄｔ−０となり、ｚ！０となる。また、角運動
量は保存するから、 ｍｒｒ２　（ｄθ／ｄ　ｔ）＋ｅ　ｒＡａ　　（ｒ）＝
ｅ　ｒｏ　Ａａ　　（ｒｏ　）　　　　　　　　　　　
　（２３）これよりｄθ／ｄｔを求めて式（Ｉ９）に代
入すると、ｄＰｒ／ｄｔ　−（ｅ２／ｍγ）　　　（１
／ｒ’）ｆｒｏ　Ａｍ　（ｒｏ　）　　ｒＡａ　（ｒ）
　十ｒ２Ｂｚ　（ｒ）ｌ　　　（ｒｏ　Ａｍ　　（ｒｏ
　）ｒＡａ　　（ｒ）　）　＋ｅＥ　ｒ　　　　　　　
　　　（２４）となる。ここで、 ｑ　（ｒ）＝　（ｅ２／ｒ３）　　　（ｒｏ　Ａａ　　
（ｒｏ　）−ｒＡａ　　（ｒ）　＋ｒ２Ｂｚ　（ｒ）１
（ｒｏ　　Ａａ　　（ｒｏ　）　　　ｒＡａ　　（ｒ）
　　ｌ　　　　（２５）として、式り２４）の両辺にｍ
γｄ　ｒ／ｄ　ｔを掛けて積分すると、式（２７）を得
る。

（１／２）　　・Ｐ　ｒ２−−Ｑ　（ｒ）＋ｍｆＥｒ （「。

ｔ　） γ （ｄｒ／ｄｔ） ｄ　　ｔ　　（２７） 式（９） を式（２５）に代入すれば、 （ｒ）は ＜ｒ＞ （ｅ　　Ｂ　　Ｚ　Ｏ）　　２／　ｒ　’［ｆｒｏｇ （Ｘ） ｄｘ ＩＩ　ｆ２ｇ　　（ｒ）　　−ｇ　　（ｘ）ｌ　　ｘｄ
ｘ］　　ｘ（ｆ”ｇ　（ｘ）　ｘ　ｄ　ｘ） と表せる。ここで、ｇ　（ｘ）は単調減少関数であるこ
とに注意して、「３を ｇ（ｒ”）−１／２　　　（但し、ｒ　ＩＩがｒ。

より極めて大きいと仮定）　　　　　　　　　（２９）
となる半径とすると、 Ｑ＜　ｒ＜　ｒ。で、ｑ　（ｒ）　＞０ｒ−ｒ、で、ｑ
　（ｒ）　−０（３０）ｒ　ｏ　＜　ｒ　＜　ｒ　”で
、ｑ　（ｒ）　＜０となるので、Ｑ　（ｒ）は、第４図
のようになる。

式（２７）の右辺第２項はイオンを加速する項で、ある
時間（ｊ　＃　ｉ　０まで）加速して加速電場をオフに
すると、第４図の点ａから点すまでの周期運動になる。

但し、第４図のＵは とした。

′１ｓ４図から、加速によりＵが大きくなればなる程、
点ａはｒ−０の原点に近づき、常にｒ。より小さいこと
が分か・る。つまり、初期速度ゼロでプラズマ１４表面
から引き出された粒子は、加速電場Ｅｒが極端に強くな
い限り、必ずプラズマ１４中に戻り、加速されれば、さ
れる程中心に近づくことになる。

第３図はこの現象を描いたもので、プラズマ１４から引
き出されて比較的エネルギの低い加速の初期段階では軌
道２１のようにＺ軸より離れているが、加速されてエネ
ルギの増した粒子は軌道２２のように２軸に接近した軌
道を描くようになる。

この現象を利用すればプラズマ１４表面からイオンを引
き出し、重水素を核融合を起こしやすいエネルギまで加
速してやると、加速されたイオンがプラズマ１４中を通
過するとき、プラズマ密度により決まる確率で核融合反
応を起こすことになる。ジューチリウムＤとトリチウム
Ｔとの混合ガスで核融合を起こすためには、各々のサイ
クロトロン周波数の公倍数になる周波数で加速電場を加
えれば良い。これらの核融合により多量の中性子を発生
することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、大型でしかも高
価な線型加速器を用いることなく、中性子発生装置を実
現でき、コンパクトで安価な中性子発生装置が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による中性子発生装置の断面
図、第２図は第１図の中性子発生装置のラインＡに沿っ
て切った場合の断面図、第３図及び第４図は第１図の中
性子発生装置の作用を説明するための図である。 １１・・・真空容器、１２・・・陽極、１３・・・陰極
、１４・・・プラズマ柱、１５・・・重水素注入口、１
６・・電磁波供給口、１７・・・電磁波による電気力線
、１８・・・電磁波、１９・・・コイル、２０・・・コ
イル１９による磁力線、２４・・・中性子吸収体、２５
・・・中性子吸収体２４の開口。 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心軸を有する真空容器と、 該真空容器内に前記中心軸に沿って延在するプラズマ柱
   を発生するプラズマ柱手段と、 該プラズマ柱に重水素を注入し、イオン化重水素とする
   重水素注入手段と、 前記中心軸に沿う磁場であって、磁場強度分布が前記中
   心軸から離れるに従って単調減少する、前記中心軸に対
   して軸対称の前記磁場を、前記真空容器内に発生する磁
   場発生手段と、 前記中心軸から、該中心軸に対して実質的に直交した方
   向に向かう、前記中心軸に対して軸対称の高周波電場で
   あって、前記イオン化重水素の前記磁場中におけるサイ
   クロトロン周波数に同期した周波数を有する前記高周波
   電場を、前記真空容器内に発生し、前記イオン化重水素
   を、前記プラズマ柱に直交する面内で加速し、加速され
   たイオン化重水素とする高周波電場発生手段とを有し、
   前記磁場発生手段は、前記加速されたイオン化重水素に
   、前記プラズマ柱に直交する面内で、らせん運動させ、
   前記加速されたイオン化重水素を繰り返し前記プラズマ
   柱に戻し、前記加速されたイオン化重水素同士の核融合
   を起こして、中性子を発生させることを特徴とする中性
   子発生装置。