特表 2022-529986 イオン源および中性子発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-27

(54)【発明の名称】イオン源および中性子発生装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/26 20060101AFI20220620BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20220620BHJP

   H05H 6/00 20060101ALI20220620BHJP

   H05H 3/06 20060101ALI20220620BHJP

   G21K 5/08 20060101ALI20220620BHJP

【ＦＩ】

H01J27/26

H01J37/08

H05H6/00

H05H3/06

G21K5/08 N

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021562130

(86)(22)【出願日】2019-09-06

(85)【翻訳文提出日】2021-11-29

(86)【国際出願番号】 US2019050060

(87)【国際公開番号】W WO2020214197

(87)【国際公開日】2020-10-22

(31)【優先権主張番号】62/836,481

(32)【優先日】2019-04-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521456645

【氏名又は名称】シャイン テクノロジーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100102978

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 初志

(74)【代理人】

【識別番号】100102118

【弁理士】

【氏名又は名称】春名 雅夫

(74)【代理人】

【識別番号】100160923

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 裕孝

(74)【代理人】

【識別番号】100119507

【弁理士】

【氏名又は名称】刑部 俊

(74)【代理人】

【識別番号】100142929

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100148699

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 利光

(74)【代理人】

【識別番号】100128048

【弁理士】

【氏名又は名称】新見 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100129506

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 智彦

(74)【代理人】

【識別番号】100205707

【弁理士】

【氏名又は名称】小寺 秀紀

(74)【代理人】

【識別番号】100114340

【弁理士】

【氏名又は名称】大関 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100121072

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 和弥

(72)【発明者】

【氏名】ピーファー グレゴリー

(72)【発明者】

【氏名】シソン リチャード

【テーマコード（参考）】

2G085

5C101

【Ｆターム（参考）】

2G085BA02

2G085BA06

2G085BA17

2G085DA03

5C101DD09

5C101DD14

5C101DD25

5C101DD30

5C101DD33

(57)【要約】

核反応発生装置は、ガスを収容しかつ標的を含むように構成されたチャンバを含む。核反応発生装置はまた、チャンバ内に設けられたフィラメントと、チャンバに対する第１の正電圧をフィラメントに印加するように構成された電圧源とを含む。第１の正電圧は、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度にフィラメントを加熱するように構成され、複数の熱イオンは、ガスをイオン化してチャンバ内に陽イオンを発生させるように構成される。標的は、陽イオンが標的と相互作用したときに核反応が発生するように構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを収容するように構成されたチャンバと、
前記チャンバ内に設けられたフィラメントと、
前記チャンバに対する第１の正電圧を前記フィラメントに印加するように構成された電圧源と
を含む、イオン源であって、
前記第１の正電圧は、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度に前記フィラメントを加熱するように構成され、
前記複数の熱イオンは、前記ガスをイオン化して陽イオンを発生させるように構成される、
前記イオン源。

【請求項2】

前記イオン源が、前記フィラメントに囲まれた加速グリッドを含み、
前記電圧源が、前記チャンバに対する第２の正電圧を前記加速グリッドに印加するように構成され、前記第２の正電圧が、前記第１の正電圧よりも大きい、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項3】

フィラメントガイドをさらに含み、前記フィラメントが、フィラメント間隔を維持するために、前記フィラメントガイドに通されるか、または前記フィラメントガイドの周りに巻かれるように構成される、請求項１に記載のイオン源。

【請求項4】

前記フィラメントまたは前記加速グリッドのうちの少なくとも１つがタングステンまたはタングステン合金を含み、前記フィラメントガイドが非導電性耐火素材を含む、請求項２に記載のイオン源。

【請求項5】

前記非導電性耐火素材がセラミックを含む、請求項４に記載のイオン源。

【請求項6】

前記フィラメントおよび加速グリッドを取り囲む抑制グリッドを含み、前記電圧源が、前記抑制グリッドに第３の負電圧を印加するように構成される、請求項２～５のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項7】

前記加速グリッドおよび前記抑制グリッドがそれぞれ、陽イオンがそこを通過することを可能にするように構成された複数の開口部を含み、
前記加速グリッドと前記抑制グリッドとの間の電位差のために、前記加速グリッドを通過する前記陽イオンが、前記抑制グリッドに向かって加速するように構成される、請求項６に記載のイオン源。

【請求項8】

前記チャンバが１ミリトール未満の圧力を維持するように構成される、請求項１～７のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項9】

前記チャンバが０．１ミリトール未満の圧力を維持するように構成される、請求項１～７のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項10】

ガスを収容するように構成され、かつ標的を含むチャンバと、
前記チャンバ内に設けられたフィラメントと、
前記チャンバに対する第１の正電圧を前記フィラメントに印加するように構成された電圧源と
を含む、核反応発生装置であって、
前記第１の正電圧は、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度に前記フィラメントを加熱するように構成され、
前記複数の熱イオンは、前記ガスをイオン化して前記チャンバ内に陽イオンを発生させるように構成される、
前記核反応発生装置。

【請求項11】

前記陽イオンが前記標的と相互作用すると核反応が起こるように、前記標的が構成される、請求項１０に記載の核反応発生装置。

【請求項12】

前記標的が、前記チャンバの壁の内面に配置されるか、前記チャンバの壁の外面に配置されるか、または前記チャンバの壁に統合されるかの少なくとも１つである、請求項１０または１１に記載の核反応発生装置。

【請求項13】

前記フィラメントを取り囲む加速グリッドを含み、
前記電圧源が、前記チャンバに対する第２の正電圧を加速グリッドに印加するように構成され、
前記第２の正電圧が、第１の正電圧よりも大きい、
請求項１０～１３のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項14】

前記フィラメントおよび加速グリッドと同心でありかつそれを取り囲む抑制グリッドを含み、
前記電圧源が、前記チャンバに対する第３の負電圧を前記抑制グリッドに印加するように構成される、
請求項１３に記載の核反応発生装置。

【請求項15】

前記加速グリッドおよび前記抑制グリッドがそれぞれ、陽イオンがそこを通過することを可能にするように構成された複数の開口部を含み、
前記加速グリッドと前記抑制グリッドとの間の電位差のために、イオン化領域から前記加速グリッドを通過する前記陽イオンが、前記抑制グリッドに向かって加速するように構成される、
請求項１４に記載の核反応発生装置。

【請求項16】

前記標的が固体の金属水素化物形成素材から構成される、請求項１０～１５のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項17】

前記固体の金属水素化物形成素材がチタンまたはチタン合金である、請求項１６に記載の核反応発生装置。

【請求項18】

前記標的がチタンまたはチタンの合金を含む、請求項１０～１７のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項19】

前記標的が、前記チャンバの内面または前記チャンバの内面に設けられる低水素溶解度金属上に提供される層を含む、請求項１０～１８のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項20】

前記標的がチタンまたはチタンの合金を含み、前記チャンバの内面または前記低水素溶解度金属の少なくとも１つがステンレス鋼を含む、請求項１９に記載の核反応発生装置。

【請求項21】

前記チャンバが１ミリトール未満の圧力を維持するように構成されている、請求項１０～２０のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項22】

前記チャンバが０．１ミリトール未満の圧力を維持するように構成されている、請求項１０～２１のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項23】

前記フィラメントまたは前記加速グリッドの少なくとも１つがタングステンまたはタングステン合金を含み、前記フィラメントガイドが非導電性耐火素材を含む、請求項１０～２２のいずれか一項に記載の核反応発生装置。

【請求項24】

前記非導電性耐火素材がセラミックを含む、請求項２３に記載の核反応発生装置。

【請求項25】

イオンを発生させるための方法であって、
ガスを収容するチャンバ内にフィラメントを提供することと、
熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度に前記フィラメントを加熱するために、前記チャンバに対する第１の正電圧を前記フィラメントに印加することと、
前記ガスをイオン化して、前記チャンバのイオン化領域で陽イオンを発生させることと
を含む、前記方法。

【請求項26】

前記フィラメントに囲まれた加速グリッドを前記チャンバ内に提供することと、
前記チャンバに対する第２の正電圧を前記加速グリッドに印加することであって、前記第２の正電圧が前記第１の正電圧よりも大きい、前記印加することと
を含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

前記第１の正電圧を印加するステップと前記第２の正電圧を印加するステップとが同時である、請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

前記チャンバ内の圧力を１ミリトール未満に維持することを含む、請求項２５～２７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項29】

前記チャンバ内の圧力を０．１ミリトール未満に維持することを含む、請求項２５～２８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項30】

核反応を発生させるための方法であって、
ガスを収容するチャンバ内にフィラメントを提供し、かつ前記チャンバに前記フィラメントを取り囲む標的を提供することと、
熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度に前記フィラメントを加熱するために、前記チャンバに対する第１の正電圧を前記フィラメントに印加することと、
前記ガスをイオン化して、前記チャンバのイオン化領域で陽イオンを発生させることと
を含む、前記方法。

【請求項31】

前記フィラメントに囲まれた加速グリッドを前記チャンバ内に提供することと、
前記チャンバに対する第２の正電圧を前記加速グリッドに印加することであって、前記第２の正電圧が前記第１の正電圧よりも大きい、前記印加することと
を含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記第１の正電圧を印加するステップと前記第２の正電圧を印加するステップとが同時である、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記加速グリッドと前記標的との間に配置された前記抑制グリッドに、前記チャンバに対する負電圧を印加することをさらに含む、請求項３１または３２に記載の方法。

【請求項34】

前記第１の正電圧を印加するステップ、前記第２の正電圧を印加するステップ、および前記負電圧を印加するステップが同時である、請求項３３に記載の方法。

【請求項35】

前記加速グリッドおよび前記抑制グリッドがそれぞれ、陽イオンがそこを通過することを可能にするように構成された複数の開口部を含み、
前記方法が、
前記加速グリッドと前記抑制グリッドとの間の電位差を使用して、前記加速グリッドを通過して前記抑制グリッドに向かう陽イオンを加速させること
をさらに含む、
請求項３３または３４に記載の方法。

【請求項36】

前記標的に陽イオンを衝突させることをさらに含み、
衝突する前記陽イオンが、前記標的に注入されるか、または以前に注入されたイオンに衝突して核融合中性子を発生させる、
請求項２８～３３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項37】

以前に注入されたイオンを衝突イオンで衝突させた結果として、前記標的から二次電子を放出することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。

【請求項38】

前記抑制グリッドに印加された前記負電圧の結果として、前記抑制グリッドから前記標的に向かって前記二次電子を反射させることを含む、請求項３４または３５に記載の方法。

【請求項39】

前記チャンバ内の圧力を１ミリトール未満に維持することを含む、請求項３０～３８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項40】

前記チャンバ内の圧力を０．１ミリトール未満に維持することを含む、請求項３０～３９のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願との相互参照
本出願は、２０１９年４月１９日に出願された米国仮出願第６２／８３６，４８１号の優先権の利益を主張するものであり、その内容は、その全体が本明細書に組み込まれる。

【0002】

分野
本技術は、一般に、同じ物理的空間を共有するイオン源および加速器、ならびにイオンを発生させ、それらのイオンをイオン源で加速するための方法に関する。いくつかの態様において、イオン源からのイオンは標的に向かって加速し、核反応を起こして中性子を発生させ得る。したがって、本技術は、イオン源で核反応を起こすためのシステムおよび方法にも関連し得る。

【背景技術】

【0003】

背景
この項は、特許請求の範囲に記載された発明の背景または文脈を提供することを意図している。本明細書における説明は、追及され得るが、必ずしも以前に想起または追及されているものではない概念を含み得る。したがって、本明細書で別段の指示がない限り、この項に記載されていることは、本出願の説明および請求項の先行技術ではなく、かつこの項に含めることによって先行技術であると認められるものではない。

【0004】

イオン源は、一般に、イオン化を起こすチャンバ、チャンバ内に供給されるガス、およびイオン化エネルギー源を含む。従来の高電流イオン発生というアプローチは、一般に、ＲＦ励起、アーク放電、またはフィラメント補助放電の使用によるプラズマ発生に限定されており、これらは、操作および保守が困難な複雑な電子、磁気、および高真空の配置を必要とする。プラズマを発生させるためのこれらのアプローチは、一般に、チャンバ内に比較的高いガス圧を必要とし、これは、ソースによって発生させたイオンが、それらが発生したと同じ空間体積内で加速される必要がある場合に問題となる可能性がある。

【0005】

イオン源によって発生させたイオンは、質量分析、医療機器および診断、および半導体製造で使用される粒子加速器を含むが、これらに限定されない様々な用途で使用することができる。イオン源によって発生させたイオンは、標的に向かって加速することができ、中性子発生を含む核反応を起こすために使用され得る。従来の中性子源は、イオン化、加速、およびイオン化された種の標的融合のために個別の装置を採用している。これらの中性子源には、様々なイオン発生アプローチの適用、およびイオン抽出、イオン加速、ビーム集束、ビームステアリング、ビーム停止などの粒子加速器に固有の機能が含まれ得る。中性子源は、中性子ラジオグラフィ、材料科学、物性物理学、および材料の非破壊検査と評価など、様々な用途向けに開発されてきた。これらの装置には多くの欠点があり、利用可能なイオン電流が制限されて多くのアプリケーションに不十分な中性子収量が生じるか、または非常に複雑であるため、構築、保守、および操作が困難で費用がかかる。

【0006】

１つの例では、中性子は、重水素、トリチウム、またはこれらの組み合わせのイオンを発生させ、以下の反応のいずれかによって重水素および／またはトリチウムを含有させた水素化物標的にこれらのイオンを加速することによって発生させることができる。
Ｄ＋Ｔ→ｎ＋^４Ｈｅ Ｅ_ｎ＝１４．１ＭｅＶ（１）
Ｄ＋Ｄ→ｎ＋^３Ｈｅ Ｅ_ｎ＝２．５ＭｅＶ（２）
反応（１）および（２）に基づく中性子源は、従来、輸送中にかなりのイオン損失をもたらす単一ビームの線形静電デバイスであり、過度の加熱が発生し、中性子収量が減少する。

【0007】

重要なメンテナンスやサポート機器なしで、イオン収量の増加と長期間の連続操作が可能になるような、イオン源に関連する技術の改善と、低いバックグラウンド圧力で高率のイオンを発生させる方法が必要とされる。

【発明の概要】

【0008】

概要
一態様では、イオン源は、ガスを収容するチャンバ、チャンバの中心近くに設けられているフィラメント、フィラメントに囲まれた加速グリッド、および第１の正電圧をフィラメントに印加し、第２の正電圧を加速グリッドに印加するように構成された電圧源を含む。フィラメントに印加される第１の正電圧は、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度にフィラメントを加熱するように構成される。第２の正電圧は、第１の正電圧よりも高い（より正である）。複数の熱イオンは、ガスをイオン化して、イオン化領域、例えば、フィラメントと加速グリッドとの間の領域を含む、チャンバ内の任意の場所で陽イオンを発生させるように構成される。第１および第２の正電圧は、接地電位に保持され得るチャンバの壁の電圧よりも実質的に上に保持される。これにより、装置の中心で電子が前後に振動する再循環電子トラップが作成され、低圧バックグラウンドガスのイオン化が発生する。この領域で発生したイオンは、電界構成により、構造の壁に向かって外側に加速する。いくつかの実施形態では、チャンバ内の圧力は１ミリトール未満であり得る。他の実施形態では、チャンバ内の圧力は、０．１ミリトール未満であり得る。

【0009】

第２の態様において、中性子発生装置は、ガスを収容するチャンバ、チャンバの中心近くに設けられているフィラメント、フィラメントに囲まれた加速グリッド、フィラメントと同心でフィラメントを囲む抑制グリッド、標的、並びに第１の正電圧をフィラメントに、第２の正電圧を加速グリッドに、および第３の負電圧を抑制グリッドに印加するように構成された電圧源を含む。特に指定のない限り、本明細書における電圧は、チャンバと比較して印加／言及／測定等されたものであり、例えば、フィラメント（または他の構造）に印加される電圧は、フィラメントとチャンバとの間の差分を言及している。フィラメントに印加される第１の正電圧は、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度にフィラメントを加熱するように構成される。第２の正電圧は第１正電圧よりも大きい。複数の熱イオンは、ガスをイオン化して、フィラメントと加速グリッドとの間の領域を含む、チャンバ内のイオン化領域で陽イオンを発生させるように構成される。第１および第２の正電圧は、接地電位に保持され得るチャンバの壁の電圧よりも実質的に上に保持される。これにより、装置の中心で電子が前後に振動する再循環電子トラップが作成され、低圧バックグラウンドガスのイオン化が発生する。この領域で発生されたイオンは、電界構成により、構造の壁に向かって外側に加速する。抑制グリッドは、イオンのチャンバ壁との衝突から生じる二次電子がデバイスの中心に向かって加速するのを防ぎ、これは、電力を消費し、効率を低下させる効果である。

【0010】

第３の態様では、発生イオンの方法は、ガスを収容するチャンバにフィラメントとフィラメントによって囲まれた加速グリッドとを提供すること、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度にフィラメントを加熱するために、フィラメントに第１の正電圧を印加すること、第１の正電圧よりも大きい第２の正電圧を加速グリッドに印加すること、ガスをイオン化して、フィラメントと加速グリッドの間の領域を含む、チャンバ内のイオン化領域で陽イオンを発生させることを含む。熱イオンはイオン化領域に閉じ込められ得る。

【0011】

第４の態様では、中性子の発生方法は、ガスを収容するチャンバに、フィラメント、加速グリッド、抑制グリッド、および標的を提供すること、熱イオン放出を起こしかつ複数の熱イオンを発生させる温度にフィラメントを加熱するために、フィラメントに第１の正電圧を印加すること、第１の正電圧よりも大きい第２の正電圧を加速グリッドに印加すること、ガスをイオン化して、フィラメントと加速グリッドの間の領域を含む、チャンバ内のイオン化領域で陽イオンを発生させることを含む。第４の態様では、加速グリッドは、フィラメントと同心でありフィラメントによって囲まれ、抑制グリッドは、フィラメントと同心でありフィラメントを取り囲み、標的は、抑制グリッドと同心であり抑制グリッドによって取り囲まれている。本方法は、抑制グリッドに負電圧を印加することをさらに含み得る。本方法は、抑制グリッドを通過する陽イオンを標的に衝突させることをさらに含み得る。衝突する陽イオンは、標的に注入されるか、以前に注入されたイオンに衝突して核融合中性子を発生させる。さらに、以前に注入されたイオンを衝突イオンで衝突させた結果として、二次電子が標的から放出され得る。フィラメントと加速グリッドとの間の電位差により、熱イオンがその間に閉じ込められ得る。標的と負電圧が印加されたグリッドへの抑制との間の電位差により、二次電子が抑制グリッドから標的に向かって反射され得る。

【0012】

さらなる本開示の特徴、利点、および実施形態が、以下の発明を実施するための形態、図面、および特許請求の範囲の検討から説明され得る。さらに、本開示の前述の要約および以下の発明を実施するための形態は、両者ともに例示的なものであり、請求される本開示の範囲をさらに限定することなくさらなる説明を提供することを意図していることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0013】

本開示は、添付図面と併せて以下の発明を実施するための形態からより完全に明らかになるであろう。

【図1】イオン源および中性子発生装置の概略図を示している。

【図2A】フィラメントガイドを含む図１のイオン源および中性子発生装置の断面図を示している。

【図2B】図１のイオン源および中性子発生装置の三量体断面図を示している。

【図3】図１のイオン源の分解断面図を示している。

【図4】図１のイオン源の制御システムを示しており、制御システムは、コントローラおよび電圧源を含む。

【発明を実施するための形態】

【0014】

詳細な説明
具体的に例示的な実施形態を示す図面に移る前に、本出願は、明細書または図面に示される詳細または方法論に限定されないことを理解されたい。また、用語は説明のみを目的としており、限定的なものと見なされるべきではないことも理解されたい。

【0015】

一態様では、イオン源は、フィラメント２、加速グリッド３、およびガスが供給されるチャンバを含む。別の態様では、中性子発生装置は、フィラメント２、加速グリッド３、抑制グリッド４、標的５、およびガスが供給されるチャンバを含む。すなわち、標的５（および、いくつかの実施形態では、抑制グリッド４）をイオン源（すなわち、フィラメント２および加速グリッド３）に追加して、中性子発生装置を形成することができる。イオン源と中性子発生装置の両方が本開示の範囲内にある。本明細書に記載されるすべてのイオン源を、本明細書に記載の中性子発生装置で使用することができる。本明細書に開示されるシステムはまた、イオン源および発散加速器として、または核融合炉として説明され得る。

【0016】

イオン源の一例では、フィラメント２は、タングステンまたはタングステン合金から構成され、加速グリッド３は、タングステンまたはタングステン合金から構成される。中性子源の一例では、フィラメント２はタングステンまたはタングステン合金で構成され、加速グリッド３はタングステンまたはタングステン合金で構成され、抑制グリッド４はタングステンまたはタングステン合金で構成され、標的５はチタンまたはチタン合金で構成されている（任意で、ステンレス鋼などの水素溶解度の低い金属で裏打ちされている）。様々な他の素材および素材の好ましい特性を以下に詳細に提供する。

【0017】

図１および２Ａに示されるように、イオン源および／または中性子発生装置のチャンバは、円形断面を有する（すなわち、チャンバは、円筒形または球形であり得る）。図２Ｂは、実施形態における円形形状を有するイオン源および／または中性子発生装置の斜方断面図を示しており、すなわち、実施形態においてフィラメント２、加速グリッド３、抑制グリッド４、および／または標的５はそれぞれ円筒形に形成されている。しかしながら、チャンバの形状は、他の実施形態においてこのように限定されるものではない。他の例（図示せず）では、チャンバは、立方体、直方体、角錐、円錐などの形状を有し得る。チャンバの形状は、イオン源が使用される特定の用途に適合するようにカスタマイズされ得る。いくつかの例では、チャンバは、その中心軸に関して対称であり得る。他の例では、チャンバは、その中心軸に関して対称ではない場合がある。イオン源１０は、構築が容易であり、従来のイオン源よりも交換が簡単である。

【0018】

フィラメント
フィラメント２は、イオン源および／または中性子発生装置の室の中央付近に設けられている。フィラメント２は、フィラメント２に正の所定の電圧を印加するように構成された電圧源２０に接続され（以下でさらに詳細に説明される）、それによってフィラメント２を加熱する。フィラメント２は、示される実施形態における大電流熱イオンエミッタである。いくつかの実施形態では、電界による放出（例えば、均等電界による放出）が、熱イオン放出に加えて、またはその代わりに使用される。熱イオン放出では、フィラメント２が加熱されて、電子をフィラメント２に保持する引力に打ち勝つために必要な最小エネルギーを有する電子が供給され、その結果、フィラメント２から電子（熱イオン）が放出される。最小エネルギー（すなわち、仕事関数）は、固体表面（すなわち、フィラメント２）からフィラメント２のすぐ外側のチャンバ内の点まで電子を除去するために必要な最小の熱力学的仕事として定義される。仕事関数は、フィラメント２の素材特性およびフィラメント２の表面の汚染状態に依存する。フィラメント２は、溶融することなく最小のエネルギーで電子を供給するために加熱することができる任意の素材で作ることができる。好ましくは、フィラメント２は、多数の熱イオンが放出されるように仕事関数が低い素材から作られている。例えば、フィラメント２は、金属（例えば、タングステンまたはタングステン合金）製であり得る。様々な実施形態において、フィラメント２の素材は、高い電子放射率、低い蒸気圧、高い溶融温度、およびアブレーションおよびスパッタリングに対する耐性によって特徴付けられる。フィラメント２は、様々な実施形態において、六ホウ化ランタン、六ホウ化セリウム、トリエーテッドタングステン、アルミン酸バリウム、またはそれらの任意の２つ以上の混合物から構成され得る。

【0019】

図２Ａ～２Ｂに示されるように、イオン源および／または中性子発生装置のいくつかの例では、フィラメント２は任意選択的に、フィラメント間隔を維持し、装置の全長にわたりフィラメント２を静止させる機械的支持を提供するように構成される１つ以上のフィラメントガイド２ａに提供される。一例では、フィラメントガイド２ａは、フィラメント２の一部をその中に受け入れるように構成された複数の開口部２ｂ（例えば、穴、スロットなど）を含み得る（例えば、フィラメント２は、開口部にねじ込まれ、開口部からねじ出される）。この例では、開口部２ｂは、開口部を備えたフィラメントガイド２ａに沿って均一または不均一なスペースであり得、フィラメント２は、開口部２ｂのすべてまたは一部で受け入れられ得る。開口部２ｂを備えたフィラメントガイド２ａは、非導電性の耐火素材製である。いくつかの実施形態では、非導電性耐火素材は、セラミックであり得る。例示的なガラスには、ガラス、粘土、および金属酸化物が含まれる。特定の例として、フィラメント２はタングステンまたはタングステン合金であり得、フィラメントガイドはセラミックでできていてもよい。

【0020】

いくつかの例では、イオン源１０は、唯一つのフィラメント２を含む。他の例では、イオン源１０は、フィラメントガイドに沿って間隔を置いて支持されている複数のフィラメント２を含み得る。他の実施形態では、チャンバ内で電子を放出するための他のアプローチおよび／または構造を使用することができ、本明細書のシステムおよび方法は、それに応じて適合させることができる。

【0021】

加速グリッド
フィラメント２によって少なくとも部分的に囲まれた加速グリッド３。フィラメント２および加速グリッド３は同心であり得るが、それは必須ではない。いくつかの例では、加速グリッド３は、その長さ方向に沿って間隔を置いて提供される複数の開口部（すなわち、穴、スロットなど）を含む固体素材であり得る。他の例では、加速グリッド３は、第１の方向（例えば、チャンバの長さに沿って）に延びる素材の平行なストリップまたは糸の第１のセット、および第１のセットと第２のセットとの間に開口が提供されるように、平行ストリップの第１のセットと交差し、横切る素材のストリップまたは糸の第２のセットを含むフレームワークまたはメッシュであり得る。開口部は、イオン化領域（例えば、加速グリッド３とフィラメント２との間）で発生された陽イオン（例えば、水素イオン）が、収集される加速グリッド３（イオン源）を通過する、または抑制グリッド４と標的５（中性子発生装置）に向かって加速することを可能にするように構成される。

【0022】

いくつかの例では、加速グリッド３は、フィラメント２と同じ素材でできている。他の例では、加速グリッド３は、フィラメント２とは異なる素材でできている。加速グリッド３は導電性素材でできており、イオン損傷に耐性であり得る。加速グリッド３は、アブレーションおよびスパッタリングに耐性のある高融点金属、例えば、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、またはそれらの任意の２つ以上の混合物または合金でできていてもよい。

【0023】

加速グリッド３は、加速グリッド３に正の所定電圧を印加するように構成された電圧源２０に接続されている。加速グリッド３の電位は、フィラメント２の電位よりも高い（より正である）。例えば、加速グリッドに印加される所定の電圧は、＋１００１００Ｖであり、一方で、フィラメント２に印加される所定の電圧は＋１０００００Ｖであり得る。電位差（電圧バイアス）により、フィラメント２によって放出された熱イオンは加速グリッド３に向かって外側に加速する。フィラメント２と加速グリッド３の配置と電圧バイアスは、フィラメント２の熱イオン放出によって発生したエネルギーの高い熱イオン（電子）を閉じ込める低電位領域を作り出す。熱イオンはフィラメント２によって再吸収される可能性があるが、十分なエネルギーを有するものは捕捉される（フィラメント２と加速グリッド３の間に閉じ込められる）。捕捉されたエネルギーの高い熱イオンは、次の反応に従って、低密度の中性ガス分子に衝突するのに十分な時間、イオン化領域を循環する。
Ｍ＋ｅ^－→Ｍ^＋・＋２ｅ^－（３）
式中、Ｍはガス分子であり、ｅ^－は、ガス分子と相互作用し、電子がガス分子から吐出されるように（電子イオン化）分子のイオン化エネルギーよりも大きいエネルギーを転送する電子（熱イオン）である。

【0024】

別の言い方をすれば、上記のように、電圧源は、第１の正電圧をフィラメントに印加し、第２の正電圧を加速グリッドに印加するように構成することができる。フィラメントに印加される第１の正電圧は、フィラメントから熱イオン放出が起こり、複数の熱イオンを発生させる温度に加熱するように構成される。第２の正電圧は、第１の正電圧よりも大きい（より正である）。複数の熱イオンは、ガスをイオン化して、フィラメントと加速グリッドとの間の領域を含む、チャンバ内のイオン化領域で陽イオンを発生させるように構成される。第１および第２の正電圧は、接地電位に保持され得るチャンバの壁の電圧よりも実質的に高く保持される。これにより、装置の中心で電子が前後に振動する再循環電子捕捉が形成され、低圧バックグラウンドガスのイオン化が発生する。この領域で発生されたイオンは、電界構成により、構造の壁に向かって外側に加速する。

【0025】

イオン化領域内の高エネルギー熱による衝撃によってイオン化されるガス状分子（例えば、水素）は、イオン化領域に正電荷を与え、それにより、熱イオン電流によって発生される蓄積された電子空間電荷の負電荷を低減する。加速領域３内の真空レベルは、外部真空源によって発生され、イオン化領域内の中性粒子との衝突の可能性を低減するレベルに維持される。例えば、イオン化領域内のガス圧は、１０ミリトール以下、例えば、５ミリトール以下、または１ミリトール以下であり得る。イオン化領域のガス圧が低いと、イオンが収集前または標的５に衝突して中性子を発生する前にガス分子と衝突する可能性が低くなるため、イオン収量または中性子収量が増加する。

【0026】

抑制グリッド
中性子発生装置では、抑制グリッド４はフィラメント２を少なくとも部分的に囲んでいる。抑制グリッド４、フィラメント２、および加速グリッド３は同心である。抑制グリッド４は、加速グリッド３と同じ素材でできている。加速グリッド３のように、いくつかの例では、抑制グリッド４は、その長さ方向に沿って間隔を置いて提供される複数の開口部（すなわち、穴、スロットなど）を含む固体素材であり得る。他の例では、抑制グリッド４は、第１の方向（例えば、チャンバの長さに沿って）に延びる素材の平行なストリップまたは糸状の第１のセット、および第１のセットと第２のセットとの間に開口が提供されるように、平行ストリップの第１のセットと交差し、横切る素材のストリップまたは糸状の第２のセットを含むフレームワークまたはメッシュであり得る。抑制グリッド４の開口の位置は、加速グリッド３の開口の位置に対応する。抑制グリッド４の開口部は、イオン化領域から加速グリッド３を通過する陽イオンが抑制グリッド４を通過し、標的５に向かって加速することを可能にするように構成される。

【0027】

抑制グリッド４は、電圧源２０に接続されており、電圧源２０は、負の所定の電圧を抑制グリッド４に印加するように構成されている（以下でさらに詳細に説明する）。加速グリッド３とフィラメント２との間の領域内の陽イオンが加速グリッド３の近くにドリフトすると、それらは、加速グリッド３と抑制グリッド４との間の電位差によってイオン化領域から加速される。他の実施形態では、磁界を使用して、抑制グリッド４によって提供されるものと同様の効果を達成することができる。

【0028】

抑制グリッド４は、導電性素材からなり、イオン損傷に対して耐性であり得、例えば高質量の金属である。抑制グリッド４は、アブレーションおよびスパッタリングに耐性のある高融点金属、例えば、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、またはそれらの任意の２つ以上の混合物または合金でできていてもよい。

【0029】

標的
中性子発生装置において、標的５は、抑制グリッド４を少なくとも部分的に取り囲んでいる（例えば、標的５は、抑制グリッド４の上および／または下の領域を取り囲んでいない可能性がある）。標的５、抑制グリッド４、および加速グリッド３は同心である。標的５は、固体の金属水素化物形成素材でできていてもよい。標的５の素材は、完全に装填されたときに、標的５に提供される水素と標的５が作られる素材との間に１：１から２：１の比率が存在するように選択され得る。標的５の素材は、水素を吸収するのに親和性のある導電性金属または半金属、好ましくは核相互作用断面積が非常に小さい低質量素材であり得る。例えば、標的５は、炭素、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、イットリウム、スカンジウム、エルビウムまたはその任意の２つ以上の混合物または合金でできていてもよい。

【0030】

いくつかの例では、標的５は、チャンバ自体の壁である（またはそれに一体化されている）。他の例では、標的５は、チャンバの内面またはチャンバの外面に提供される層である。標的５が層である例では、標的５は、任意選択で、低水素溶解度金属によって裏打ちされ得るか、または低水素溶解度金属がチャンバ自体の壁を形成し得る。低水素溶解度の金属はステンレス鋼であり得る。

【0031】

標的５は、電圧源２０に接続されておらず、接地電位（実質的に０Ｖ）に保持されている。加速グリッド３および抑制グリッド４の開口を通って外向きに移動した後、陽イオンは、抑制グリッド４と標的５との間の領域に入る。この領域では、陽イオンは加速を停止し、弾道的に移動して標的５に衝突する。衝突するイオンは、標的５に注入されるか、または以前に注入されたイオンに衝突して核融合中性子を発生させる。イオン化エネルギーで発生される陽イオンが水素同位体である中性子発生装置の例では、上記の反応（１）および（２）による水素同位体が標的５上の別の水素同位体と衝突して中性子を発生する可能性があるように、水素濃度が標的５上に蓄積する。

【0032】

エネルギーの高いイオンが標的５に衝突すると、約２～３個の二次電子が標的５の表面から放出される可能性があり、これは抑制グリッド４の電位よりわずかに高い電位に保持される。標的５と抑制グリッド４との間の電位差により、二次電子は反射されて標的５に戻り、加速グリッド３の電子加熱を低減し、加速グリッド３とフィラメント２との間に提供されるイオン化領域における不要な電子電流を防止する。他の実施形態では、磁界を使用して、抑制グリッド４によって提供されるものと同様の効果を達成することができる。

【0033】

電圧源とコントローラ
電圧源２０は、チャンバの外部に提供される。電圧源２０は、任意の既知の電圧源であり得る。コントローラ３０が提供され、フィラメント２、加速グリッド３、および抑制グリッド４のそれぞれに供給される電圧を独立して制御するようにプログラムされ得る。コントローラ３０は、フィラメント２、加速グリッド３、および抑制グリッド４のそれぞれに供給される電圧を変化させて、システムを調整するか、またはイオンまたは中性子の収量を変化させることができる。フィラメント２、加速グリッド３、および抑制グリッド４のそれぞれに供給される個々の異なる電圧をユーザが選択できるようにするために、制御パネルまたはディスプレイが提供され得る。

【0034】

上記のように、標的５は接地電位に保持され、抑制グリッド４は接地電位に対してわずかに負電圧に保持される。加速グリッド３は、接地電位に対して高い正電圧に保持され、フィラメント２は、加速グリッド３の電圧に対してわずかに正電圧に保持される。この電子配置は、不要な電気アークの可能性を低減し、アークまたは高エネルギー電子電流による損傷からフィラメント２を保護する。

【0035】

チャンバが円筒形である中性子発生装置の例では、（特定の用途によって決定される）所定の長さの円筒形中性子発生装置は、軸方向に整列され、均一で、等方性の中性子束を発生するように構成される。コンポーネントの円筒形の配置により、中性子発生装置は空間電荷の制限なしに高いイオン電流密度を発生することができる。

【0036】

様々な例示的な実施形態に示すようなイオン源および／または中性子発生装置の構成は、単なる例示である。本開示では少数の実施形態のみが詳細に説明されているが、多くの改変が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率、パラメータの値、取り付け配置、素材の使用、色、本明細書に記載の主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、方向付け、画像処理およびセグメンテーションアルゴリズムなど）。一体的に形成されたものとして示されるいくつかの要素は、複数の部品または要素から構成され得、要素の位置は逆もあり得、変更することも可能であり、そして離散要素または位置の性質または数は改変または変化し得る。任意のプロセス、論理アルゴリズム、または方法ステップの順序または順序は、代替の実施形態に従って変更または再順序付けすることができる。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、好ましい、および他の例示的な実装形態の設計、動作条件、および配置において、他の置換、改変、変更、および省略を行うことができる。

【0037】

本明細書で使用される、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、「実質的に」という用語、および類似の用語は、本開示の主題が関係する、当業者による共通かつ許容された使用法と調和した広い意味を有することが意図される。本開示を考察する当業者であれば、これらの用語は、これらの特徴の範囲を、提供された正確な数値範囲に限定することなく、記載され請求された特定の特徴の説明を可能にすることを意図していることを理解する筈である。したがって、これらの用語は、記載され請求された主題の非実質的または重要でない改変または変更が、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内にあるとみなされることを示すと解釈されるべきである。

【0038】

本明細書で使用される場合、「結合された」「接続された」という用語は、２つの部材を互いに直接的または間接的に接合することを意味する。このような接合は、静止（例えば、永久的）または移動可能（例えば、取り外し可能または解放可能）であり得る。このような接合は、２つの部材、もしくは２つの部材およびいずれかの追加の中間部材が互いに単一の一体として、または２つの部材、もしくは２つの部材およびいずれかの追加の中間部材が互いに接着して達成され得る。

【0039】

本明細書における要素の位置（例えば、「上（ｔｏｐ）」、「下（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」など）への言及は、図中の様々な要素の方向を説明するために単に使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態に従って異なり得、そのような変形は、本開示に含まれることが意図されることに留意されたい。

【0040】

本明細書の実質的に任意の複数形および／または単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈および／または用途に適切であるように、複数形から単数形および／または単数形から複数形に直すことができる。明確にするために、様々な単数形／複数形の置換が明示的に示され得る。

【0041】

本明細書に記載の主題および動作（例えば、電圧制御）の実施形態は、デジタル電子回路、または本明細書に開示される構造およびそれらの構造的同等物、またはそれらの１つ以上の組み合わせを含む、有形媒体、ファームウェア、またはハードウェア上に具体化されるコンピュータソフトウェアに実装することができる。本明細書に記載の主題の実施形態は、１つ以上のコンピュータプログラム、すなわち、データ処理装置による実行のために、またはデータ処理装置の動作を制御するために、１つ以上のコンピュータ記憶媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュールとして実装することができる。あるいは、またはさらに、プログラム命令は、人工的に発生させた伝搬信号、例えば、データ処理装置による実行のために適切な受信機装置に送信するための情報を符号化するために発生させる機械発生させた電気、光、または電磁信号に符号化することができる。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読記憶装置、コンピュータ可読記憶基板、ランダムまたはシリアルアクセスメモリアレイまたは装置、あるいはそれらの１つ以上の組み合わせであり得るか、またはそれらに含まれ得る。さらに、コンピュータ記憶媒体は伝搬信号ではないが、コンピュータ記憶媒体は、人工的に発生させた伝搬信号に符号化されたコンピュータプログラム命令のソースまたは宛先であり得る。コンピュータ記憶媒体はまた、１つ以上の別個の構成要素または媒体（例えば、複数のＣＤ、ディスク、または他の記憶装置）であり得るか、またはそれらに含まれ得る。したがって、コンピュータ記憶媒体は、有形で非一時的であり得る。

【0042】

本明細書に記載の操作は、データ処理装置、または１つ以上のコンピュータ可読記憶装置に格納されるか、もしくは他のソースから受信したデータの処理回路により実行するように実装することができる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】