中性子発生装置について

(1)

Vo 1.2

，

(1963)

〔資料〕

中性子発生装置について

一木良太，荒木等

The Neutron G e n e r a t o r

I

緒言

1920年，イギリスの壬立学会でE.Rutherfordが原子核内に中性粒子の存在を予言して10年後の 1930 年，ドイツの W.BotheとH.Beckerが，軽い元素，特に Li，Be， Bなどに

P O

のα粒子をあてると，極めて透過力の強い放射線が発生する乙とを見出した。その後1932年に，イギ、リスの Chadwickによって，乙れが中性子であることが確められた。

中性子は電荷をもたないため，原子核内に容易に入りとみ，核反応を起すことができる。中性子による原子核人工変換は， 1934年，イタリアの

E .

Fermiらによって発見されて以来，多くの元素に対して精力的な研究が行われ，今日の原子力利用の基礎となったウラ

ンの核分裂反応の発見へと発展したのである。

中性子による核反応の実験には，当初

P O

やRaなどの天然放射性物質から出るα粒子を用いて中性子を発生させる方法が用いられていたが，荷電粒子を人工的に加速して原子核の人工変換を行おうとする実験も間もなく開始され， 1931年にはアメリカの Vande Graaff によってベソレト式静電高圧発電機が，1932年にはイギリスのCockcroftとWaltonによっていわゆる Cockcroft‑Walton型加速装置が発明され，

その後も数多くの種類の加速器が考案され，原子核反応の研究に用いられている。

一方化学の分野でも，中性子による核反応は放射化分析という新しい分析の手段をもたらした。放射化分析は， HevesyとLeviが1935年に， Ra‑Be中性子源を用いて， Y酸化物中のDyおよびGd中のEuを分析したのが最初であるが，従来の化学的分析法では極めて困難な微量元素の分析が，迅速かっ高感度で行える可能性が注目された。しかしながら強力な中性子源が当時は容易にえられなかったため，放射化分析法が実用的に行われるようになったのは，原子炉の出現

Ryota Miki and Hitoshi Araki

以降のことである。

1942年，シカゴ大学の校庭の一隅につくられた最初の原子炉は，その後短時日の聞に飛躍的に強力な中性子源をわれわれに提供してくれた。乙の強力な中性子源を利用して，中性子物理をはじめ，放射化分析，中性子の生物学的作用などの研究は，画期的に発展し，

多くの新しい知識をもたらすに至った。

原子炉は，中性子源として今日えられる最も強力なものであり，その利用価値も極めて大きいが，本質的に，あるいは実用的に都合の悪い面も少くない。すなわち原子炉内では，中性子と共に強力なY線が存在している。中性子のエネノレギーが熱中性子領域から数 Mevの広い範囲にわたり，エネノレギー・スペクトルも炉の種類，炉内の位置で大幅に異なる。建設・運転・

管理に巨額の経費を要する。任意の場所で随時手軽に利用するととができないといった短所も算えられる。

乙うして原子炉の出現によって本格的となった中性子利用の需要が，今度は新しい中性子源，すなわちγ線を伴わず，必要があれば単一エネルギーの中J性子を比較的高出力で発生させることができ，しかも設置・運転・利用が簡単で経費もそれほど要しない中性子発生装置を要求することになった。

幸い戦時中の原子力開発に伴って，重水素と三重水素が手軽に入手できるようになっていたので，以前から知られていたT‑dおよびD‑d反応による速中性子の発生を利用した低加速電圧 (T‑d反応の反応断面積は後述のように約100KeVのと・乙ろに共鳴ピークがあり，約5barnという大きな値をもっている)の中性子発生装置が， 1950年ごろから開発され， 1958"‑'9年には実用化された製品が市販された。おもなものとして，次の3つのタイプのものが良く知られている。

(1) Cockcroft‑Walton型。 TexasNuc1ear Corp.

，

Kaman Nuc1ear Corp. (米国)。

(国産に東芝，目立など)

(2)

(2) Van de Graaff型。 High‑Vol tage Engineering Corp. (米国〉

( 3) Electrosta tic型。 SAMES.(仏国) その他，中性子出力の低い点には眼を閉じ，小型可搬性，価格の低廉に重点をおいた SealedTube型のものも，海外では数社から市販されている。

これらの開発により，放射化分析を各工場での生産ラインのコントローノレにさえ使用できるようになりつつあるし，原子炉ではできなかった純粋の速中性子による軽元素の放射化分析も可能になった。また，乙れらの加速器で手近に短寿命の核種をっくり出す乙とが可能なため， Tracerとして従来長寿命の核種を用いていたことによる手続のわずらわしさや最終製品中の RIの処置の問題なども解決された。また，乙の種の加速器の開発によってパノレス中性子が容易にえられるため，炉物理方面において中性子の新しい利用法も生ずるに至っている。乙れらの新しく開発された装置は中性子の出力，価格，大きさ，その他の点、において天然の放射線源と原子炉との中間的な性質をもっている。

近畿大学原子力研究所年報

である。以下ζl本器を中心として中性子発生装置について簡単に説明する。

I 中性子発生装置の原理

最近一般に使用されている中性子発生装置は，本研究所が今度購入したTNCの中性子発生装置と同じく D‑d反応かT‑d反応を用いたものがほとんどであるので，とれを中心にして中性子が発生するまでの過程を簡単にのべる。各装置によって部分的には異なるところもあるが，その各部の役割はすべて同じである。

中性子発生装置は次の6つの基本的な部分からできている。

1 )イオン発生装置 2)加速管 3)ターゲット 4)高電圧電源 5)真空ポンプ 6)遠隔制御装置

まず重水素ガスがイオン発生装置でイオン化され重それらの比較を Table

1

IL:示す。水素核となる〈とのイオン化の方法にはいろいろある

Table 1 中性子発生装置並びに他の中性子源の特性

Neutr

十 m l …

^{I A}⁽^p^I⁽^prox‑Cost

Type Source (kv) or Yield EnMeerVg) y Flux nstalled) Souru Kindl Reaction (n/sec)

I

(Mev) l(n/cm²

・

^s^e^c⁾ ^X¹⁰³^$)

Sealed Tube Source 100‑150 T(d， n)4He 10⁷‑10⁸ '"'‑'14 104‑106 '"'‑'3.5‑12.0 SAMES Electro‑static Generator 150 // 6x 10⁹ // 21

400 ^/^/ 2 X 10¹⁰ // 2 X 10⁷ 20 Van de Graaff // 9 X 10¹⁰ // 3 X 10⁸

1300 38.5

tlBe(d， n)IOB '"'‑'5まで 5 X 10⁸

Cockcroft‑Wa1ton 150 T(d， n

戸

He '"'‑'14 5 X 10⁷ 22.5 Small Reactor Fission 10¹² 150

Ra‑Be

。

^B^e⁽^α，n)12C 17x 106

13まで 1 X 10⁵ /curie

Po‑Be ¹^/ 3x 106

(平11均ま4で) 2 X 104 O.8/curie Radioactive Source /curie

RaD‑Be 1/ 2.5×/1c0u6 r

le

Pu‑Be ¹^/ 1.4×/1内0竹0 0.7/curie

lp.

最近，近畿大学原子力研究所では， Texas Nucle‑ がこれについては後節でのべる)。乙の重水素核は引 ar Corp.製のパノレス中性子発生装置を購入した。こき出し電圧により加速管へと引きだされ，静電レンズれは Cockcroft‑Wal ton型の加速器をコンパクトでfocusされ，ビームとなって加速管中を走り，ドリに改良した Plate1および Fig.31乙示すようなものフト管を通ってターゲットにあたる。この加速管の両

‑104‑

(3)

mwuo

EFihhNVEEEl

←←1‑J9

pj'‑ト

Fドト

レ~:庖

^信¹¹¹^ド

~J，

ト

トト1‑‑‑1ートl

〆〆ト1‑1‑1‑1‑1‑1ーl

和のグラフを Fig.1， Fig.2 !(示す。

30

ORU

J ω

目中性了発生装l司の概要

一般IYjなrlJ'ド1:.寸充':I

: i t

i?i:の主な*Jl

i

成要来ζlは，イオン充 ~I.:出t，加:Ìili{ì"f，ターゲット，~'+j'電圧電源，真空談iF[，遠隔i;1l附ILL‑iFl'などがある。 Plate.1に TNC 中性子充生装i円の本体を.Fig.3!とその断面図を示す。?キ豆i主についての一般的な説明を以下に簡単に述べる。

200 300， "Ed.K. ev 400 500

D‑d rcactio11 cross sectio11.は〉

ot‑ i∞

Fig.2.

~;MIζ は，ドリフト管側をアースとして高電圧電源によ

り (TNCの中性子発生装置ではO"‑'150kv)加速電圧がかかり，加速系は真空ポンプで"‑'10‑⁵mmHg(動作

nのになるように排気されている。

ターゲッ卜にあたった主水素岐Dは，ターゲット中の三宝水系核Tまたは宝水系核と次の反応を起し，中性子を発生する。なお，小型のSealedTube加速{~

も動作原理は全く同じである。また中性子から運転者を守るために操作はすべて遮蔽ぽの外から速隔制御装前で行われる。

(1) T+d→11十品目e十17.577MeV (2) D+d→11十3He+3.267MeV

乙の中性子エネノレギーはエネルギー及び、運動量保存則[とより次の式で与えられる。

(1)では，

一 ̲v

冗

" ̲ ̲ ̲ n

^t /2Ed̲̲̲.^r^. ^t4¹^'1'¥^t1

v&;

一一一一COSθ+1.'V /←25 CO‑‑拘‑.. 5 十 (，Q ~ ‑• ト2 E'l) Vo1. 2， (1963)

l. T ARGET 2. SUPPRESSOR 3. BELLOWS 4. CHOPPING SU T 5. DEUTERIUM SUPPLY GAUGE

CONTROLS 6. DEUTERIUM SUPPLY BOTTLE 7. ACCELERA TING TUBE AND RESISTER RACK 8. TERMINAL DOME 9. PUMP OUT VALVE 10. W ATER MANIFOLD 11. ION PUMP

Plate 1. NEUTRON GENERATOR ( 2)では，

̲ v

^京マ ^/^E^r^t ~~r.2'LL 3 ((¥ ^.^l^.1 V E"一一一一COSIJ

ト

..._'_V 8/.G~t cos_‑_‑‑..²H+ ~ ₄(_'Q _~+ _' ₃~ Eυ

中性子エネルギー.E" 力11辿屯水系核エ不ノレギー

"

，性寸ーのJj!l.i'1¥jJJ.Q;反応エネノレギー残りのエネルギーは He核{ζ与えられる。尖!漂{ζ

は，力IlJiliビーム白身[とエネノレギーの拡がりがあるし，

また

m

^{水系肢がタ}^ーゲッ ^トに入って減辿されるまでのすべてのエネノレギーに対して反応が起るので，発生す

る111'tt.J'のエネルギーには，ある程度の拡がりが生ず

る。 T‑d反応の場合{ζは反応断面杭が 106KeV什近で勾なピークをイIしているので比較的単色[ζ近いl仲:.1

干のq~Jられる。

その他水やパラフィンのような適当な減辿材でターゲッ卜の四りをかとむと，熱中性子としてとりだすこ

ともできる。 T‑d反応，

E ，，̲

。

¥

出品川二

^一^{ーコー丹十}

3トー

入

卜汁

3 \ 71dd.~T~Pi，\NGT~RRogiTsEclI0N L ̲

5。

三?コ制険トトFづμ ^c^‑^t^‑^‑^.^. ^〆^一¹¹¹，TTARGE1 r‑‑‑'‑‑

¥ 「ー』町戸.j.....

1

芹

』

4

51‑'"

: l = f

^ム^斗^下^、^ー^、

トト

)~ .nn ，、，、内 d、，、内 .nn onn

Terminal r‑f Source

Drift t ube D‑d反応の入射エネルギ一対反応断面

帥巴﹄

国一山4 w‑4WCO

口町ん駆的

"

ω

O﹄U

50

︒ ︒

もJ

今 ︐

L内︐ι

From i011 source to target.

1. イオング[~I.:;'lj;[

ζれは加辿しようとする気休をイオン化して原子核 Fig.3.

‑105‑

EιK.

T‑d reactio11 cross section. (生〉

Fig.1.

(4)

を作る装置であるが，イオン化の方法には次のような種類がある。

Cold‑ca thode canal ra y tu be(5¥ Hot‑ca‑

thode arc ion source(6¥ Capillary arc ion source⁽⁷⁾^， Magnetic ion source(8)^，Spark dis‑ charge ion source(9¥ Duoplasmatron ion source(10)

，

Electron oscillation ion source (P. 1. G or Penning source)(l1)， Radiofre‑

quency discharge ion source(12).

イオン化は，電子が原子または分子の軌道電子をはじきだす乙とによって生ずるのであるが，気体の圧力が低い場合には，乙の衝突までの距離が非常に長くなる。したがって圧力の低い加速管内でイオン化を起すためには気体をイオン発生源の中に圧縮し，外部からなんらかの手段で電子を振動させたりスパイラノレ運動させたりして，電子の実際的な飛程を長くするようにしている。またイオン化によって生じた正イオンの中には原子イオンと分子イオンとが共存するので，加速粒子として有効な原子イオンの成分をます工夫もしなければならない。このような点から中性子発生装置のイオン発生源としては，上にあげた Sourceのうち終りの3つが一般的に用いられている。乙れらについて簡単な説明を加える。

( 1) Duo‑plasma tron ion source

乙れは Fig.4~L示すように Ho トcathode 型に磁場を加えて改良したものである。

Water ー +

cooling

Filamentleads ( ー100volts)

(‑70 volts)

Brass (Ovolts)

Fig.4. Duo‑plasmatron ion source. (0) フィラメントから出た電子は磁場によりExithole の付近に集中されそこでは低電圧でアーク放電が生ずる。したがってプラズマは有効な領域においてのみ形成されイオンの密度が大きい。

動作条件としては，アーク電圧70"‑'120V，陰極電圧120"‑'750V，磁場5000"‑'16000Gauss，加速器にとりつけて使用するとビーム電流は1"‑'10mAがとれ，

そのうちの60%以上が原子イオンであり，ガス効率も 60~ち以上である。しかしフィラメントの消耗があり，

数百時間の運転後にはとりかえが必要である。

(2) Electron oscillation ion source F. Penning によってその原理が考えだされ，最初にPhilipsLa bora tories Ioniza tion Ga uge によって利用されたためP.1. G ion sourceともいう。

Fig.5からわかるように円筒形の陽極の上下に各々陰

Gas

Cathode Anode

o

i scharge chamber Cathode Probe

Fig.5. Electron oscil1ation ion source. ^(l!) 極があり，電子は磁場によりその聞をスパイラノレ運動

しながらかっ上下運動する。その際に電子はイオン化して5........，10個のイオン対をつくるが，できたイオン対のうち二次電子はエネノレギ{が小さくてイオン化作用はなく，正イオンが加速されて陰極に衝突し，その際数個の電子をたたきだす。この電子がまたイオン化の働きをする。

動作条件としては磁場 1000Ga uss，陰陽両極間電圧数百V，ビーム電流は連続運転で200μA，また乙れはパノレス運転に適しておりピーク電流5"‑'50mAがとれる.しかし原子イオンの比がやや悪く50%以下である。ガス効率は次のR‑Fsourceよりややよい程度であるが，陰極は熱陰極でないのでとりかえの必要がなく，かっ全体が金属で回路も簡単であるためトラブノレが少く最も確実性がある。

‑106‑

(5)

Vo

I .

2， (1963)

(3) Radio frequency discharge ion 容量結合された 20""'‑'100Mcの高周波電場lとよりイオ source ン化される。すなわち Bottleの囲りにおいたソレノ乙れは電極を用いず高周波電場で気体をイオン化すイド・コイノレによる磁場の作用も加わって，電子は上るものである。 Fig.6はTNC中性子発生装置に用い下かっ円運動を行い，従って衝突の確率が増加しイオ PROBE 0‑5KV (POSITIVE) ン化が効率良く行われる。乙のときの原子イオン濃度

TO OSCILLATOR PLATE COIL

LENS lFOCUSl O‑12KV (NEG"ATIVE)

Fig.6. Radiofrequency discharge ion

は 90~ちと非常に高い。分子イオンが多いとビーム電流

の浪費になるのみならず，ターゲットをいたずらに熱して三重水素の損失をまねしこの分子イオンをイオンビームからとりのぞくために特別に磁場を加えたものもある。 Bottleをpyrexガラスで作ったのは，器壁の再結合係数を小さくして原子イオン濃度をますためである。しかし数百時間運転後には， Bottle内の金属部から，金属がガラス壁に sputterして，再結合係数が増す傾向があるから清浄する必要がある。

正イオンを加速管へと引き出すために， Bottleの先からでているタングステンの Probeに 0""'‑'5KV の引き出し電圧をかける。との電圧により正イオンは Bottleの出口へと加速されるが，乙のときアノレミニ source. (12) ウムの Canaltipとその上にかぶせた石英スリープられているイオン源で，この型は ORNLで開発されとの聞には適当なレンズが形成されているため，ソレた。とのタイプは性能，寿命，電力消費，大きさなどノイドによる圧縮効果も加わって，正イオンは Ca‑

の点において加速器用としては他のイオン源よりすぐ nal に平行なビームとなり，有効にひきだされる。まれているので最近よく用いられている。た石英スリーブは，レンズの役目の他にアノレミニウム正イオン発生から加速管への引き出しまでの過程ををおおって，再結合係数を小さくするとともにアノレミ簡単に説明する。まず気体を Fig.7 ~と示すパラジウニウムがBottle中へ sputterするのをふせぐ。ーム・リークに導く。ノfラジウムは加熱するとH2，D2，方引きだし電圧により逆方向へ加速された電子がPr‑

TO POWER

SUPPLY ENVELOPE

obe電極をとわすおそれがあるので，その前方に pyrexガラスの Shieldがおいてある。

GLASS INSULATOR

TUBE イオンビームは Ionbottleから引きだされた後 Focuslens

J

L . L ‑ . J ムHEATING COIL 'TO GAS RESERVOIR

(0""'‑'10kv)により適当にしぼられ，ターゲットにおけるビーム径は5mm""'‑'25mmとなる。 Bottle 内の圧力は，‑...，1O‑³mmHgで，毎時 "‑'20ccの重水素を消費し，ビーム電流は 0"‑'1.5mAが得られ (AT EARTH GROUNO)

Fig 7. Palladium leak assembly.

T2などに対しては多孔質となるので，その温度を変える乙とによって通過する気体の量を容易に調節する乙とができる。気体の供給方法としてはこのパラジウム・リークによる以外に，金属にあらかじめその気体を吸収させておいてそれを熱したり(13)，またはspa‑

rkをとばしたりしてゆ)放出する方法もある。

このようにしてpyrexガラス製の Ionbottleへ導かれてきた気体は 2つのアノレミニウム・リングで

る。この時の加速管内の真空度は"‑'lO‑^ommHgである。

2. 加速管

T.N.Cの加速管は Fig.8に示すように外径 11.5 cm，内径7.3cm，長さ46.5cmの円筒で， Cup状の10個のアルミニウム電極とそれぞれの聞にはさまれた11個の円筒形磁器とからなっている。そして各電極はFig.9 ~と示すような 20個の抵抗(各 10Mil ， 10W)

‑107

一

(6)

ALUM¥NUM ELECTRODES lとすると各電極はビームの一様な加速作用の他に集束作用も行う乙とができるoすなわち電極間隙の横方向の電界のために，入口では集束され，

出口では発散されるが，入口の方の速度がおそいので，結局全体では集束されるのである。

ー一一

TOPFLANGE BOTTOM FLANGE

一一+

また電極が絶縁物をおおう

ような形状にしておくと，放電やビームを曲げる原因となるような電荷が，絶縁物の表面につくのを防ぐこともできる。

Fig.8. Accelerating tube.

Fig. 9. Resistor rack. の各連結点とつながっており，両端に150KVをかけた場合，ビーム電流は各電極を通過する毎に15KVの電位圧により加速される。

加速管でまず問題となるのは耐電圧で一般の加速器の到達エネルギーは加速管の耐圧できまるといってもよい。絶縁体の耐圧は局部的lζ電界の強いと亡ろがあると，そこだけで全体の耐圧がきまってしまうから，

加速管の外壁に沿った絶縁破壊を防ぐには数個のフープを適当な間隔でならべて外壁の電圧分布が一様になるようにしてやらねばならない。乙のフープの数は，

普通内部の電極数に等しいか 2倍になっており，各々の対応する電極と同電位につないである.また各フープの聞にはコロナ放電をとばすための適当な針をつけるか抵抗で連結する。

一方，加速管の内部は真空であるから，耐圧は電極間の電圧によってきまる。従って電極数を多くするとともに，電極の形状はFig.8のように絶縁物をおおうようにする。

絶縁物の絶縁破壊は，種々のよごれによっても起るのはいうまでもないから(乙れらは後にのべる二次電子発生の原因ともなる)，組立てる前に加速管の内外壁ともよくふきとらなければならない。加速管を多段式

PLEX¥GLASS D¥V¥DER

加速管の Topflan~e は

Gap lensとIonbottleとにつながっており， Bottom flange はBaseplate ζ と1

りつけられている。Basepl‑ ateとターゲットの聞には，

排気口，ゲートパノレブ，偏向管，

Beam viewer， Bellow， Electron suppressorなどがある (Fig.10)。ゲートパノレプはターゲットの部分を本体ときりはなして

Fig.10. Neutron generator assembly accelerating tube‑target.

作業する場合に用いられ，偏向管にはパルス中性子発生のための偏向電極がは入っている(後述)0 Beam viewerは45。のChupper面にタンタル板をはり，

ビームがこの面にあたって発する光から，ビームの大きさ，位置，強度を見る装置で，このChopperは前後の出入， 360⁰ 回転が自由にでき，beam による熱は水で冷却するようになっている。 Suppressorri‑ ngは，ビームがターゲットに衝突する際に発生する

‑‑108ー

(7)

あいてしまうおそれがある(高々数μAまでしか流せない)。このビームによる熱を冷却して，ビーム電流をますためlζ窓を二重にし，その聞に冷却用の気体を流す方法もとられている(14)。気体ターゲットには乙れらの本質的な欠陥がある反面，いろいろな長所もそなえ

8 10 12 16 20 0.4

h、 r目、¥ト¥

¥ ご ¥ 卜¥ k

、

、 l、、、

ト ¥ ¥ ¥￨ ¥ ¥ ト、、、、、、 ¥ ¥

P . T

、、、、_{¥ 、、}

¥ 示代 ¥I「Z3r D ¥ ¥卜、

¥ ¥ ¥ N

\TiDI~←ヘ~

卜 ¥ ¥ ¥ ト、 ¥ '

h

卜 ¥ ¥ パ D 2 ¥ V J P

ト

、、 ¥

て ¥

¥

凡

~2/β てトートー

¥ 、

「

、

PROTON ENERGY，Mev Molecular stopping cross section per deuteron f or various type of deuterium (ortritium) targe

t .

(ω1印5

ている。すなわち1原子あたりの阻止断面積が小さいため乙lに (Fi培g.l1ο)，ビーム電流あたりの中性子収量が大きく (Fig.12) ，したがってビーム電流が小さな加速器に適しているし，加速粒子が500KeV以上の時には固体ターゲットより中性子のエネノレギーの拡がりも小さい。またBackirigplateがないために，中性子の散乱吸収がなく，.熱によるターゲツιトからの Tや Dの損失やターゲツ^lト中にもぐったDに由来する D (d，n)反応からのbackground中性子も発生しな

団体ターゲットには D20または T20を冷却して氷にしたものと，金属中に吸着させたものとがある。

アイス・ターゲットは， D20またはT20を真空系内へ蒸発させ，液体窒素などで冷却した金属板の上に凍結させてつくる(17)。アイス・ターゲットはビームの熱により‑100⁰C以上になると蒸発し始めるので，流

0.2

Fig.11.

DEUTERON ENERGY， Mev

︒ 針 ︒

0 0 0 0 8 6 5 4 3 2 8 6 5 4 3

ph u'

旬 ︑J S H 守内 4J内︐ι︐hE

nu nu nv nu

内U

N E U

﹀白山

{! o‑ LO

∞H

一

Z2‑50

ト

︿口広凶牛

zg﹂

FU 凶的ののo zu cz

一門

_E

D

いの

。

O . 0.1

二次電子が，逆方向へ加速されるのをふせぐための電極で， ‑90Vがかけられている。もしこの二次電子がそのままIonbottleの方へ逆に加速されれば，衝突によって真空内部の装置の損傷を生ずるとともに強い

x

一線を発生する。乙のX一線は人体に危険であるのみならずIonsource付近の気体のion化を起こし，更に二次電子発生の原因ともなる。

3. ターゲット

中性子発生装置用としてのターゲットの一般的に望ましい特性には次のような事柄が考えられる。

1 )中性子収量が高いこと。

2)良い中性子の角度分布が得られるようターゲット自体の大きさが小さいこと。

3)放出角による中性子エネノレギーの差が小さい乙と。

4)別の核反応lとより中性子を生ずるような原子核を含んでいないこと。

5)発生した中性子をみだす物質がなるだけ近くにないこと。

6)寿命が長い乙と。

7)取替え，取扱いが容易なこと。

今までにいろいろな種類のターゲットがつくられているが，その状態から分類すると一般に用いられているのは気体と国体で，液体ターゲットは蒸発が大きいためにあまり用いられていない。中性子の発生にあずかる原子核の種類から考えると，加速粒子を重水素核とすれば

T

，

D

，Li，

C

，Be，

N

，などがあげられるが，

加速粒子のエネノレギー，反応断面積，発生中性子のエネノレギー，製作上の問題なと、の点から，小型の加速器には， T と D をのぞく他の原子核はあまり利用されていない。ここでは T(d，n)4He， D(d， n)3He反応による中性子発生装置用のターゲットについて簡単にのベる。

Tや D を気体ターゲットとして用いるには，真空の一部にこれらの気体をなんらかの方法でとじ乙めなければならない。その方法として Differential pump により真空部へ拡散するのをふせいだり，気体をジェット流として流すととなどが考えられているが，高収量の中性子発生装置のターゲットとしてはあまり適当ではない。実際的なのはうすい窓でしきる方法で，その窓の材料としては Al，Ni， Moなどがあ

り，厚さは1O-1~数 mg/cm²である。乙の窓の種類や厚さによって中性子収量に大きな差があるのはいうまでもない。あまり厚いとビームが阻止されて収量がへるし，反対にうすすぎるとビームの熱によって穴が

Vol. 2， (1963)

(8)

げだすのでBackingpla teの背面に冷却材を流して冷却する)，またなるべく中性子の backgroundを発生しない材質がのぞましい。

TiまたはZr層をBackingplate上に作るのには，一般に蒸着法を用いるが，その他に溶融したり，

懸濁液から作ったりする方法もある。加速重水素核が 500kev以下ではZrはTiより阻止断面積が小さいが，

製作上Tiを用いる場合が多い。 T.2またはD.2を乙の層中に吸着させるには，蒸着層を施した Backing plateをあらかじめ真空中でよく排気してから， T2 . またはD.2ガ〉スをその真空中に満たし， Backing pl‑ ateを 400⁰C以上に熱した後冷却すると，だいたい Tiまたは Zr1原子あたり TまたはDl原子の割合で吸着される。

この金属ターゲットの長所及び短所を2，3次にあげ 20

?口

{VAU4﹃E︼ι・D

罰ト

︿

O

︿匡凶ド的

E凶ιのZCEトコ凶

Z D l o n x u F h u n J ι

︽川υ

' t目

・

︐

s

n x u p h v

凋Uマ

m p m

寸

10

/イム，

l 7 1 / l / 1 J

/

イ

^I^D²

. . ， /

y

¹ ¹

^， ^/ /

1 I ^イ ^/ / 1 I μ ^{少わプ}

￨/レヲ _I;~>x

j/ レ /

E ノ~

/

r︑Jvaa︐

? c

‑ x U 4_ベ

恒凶牛

・

0

∞ ト

︿

04E

凶

﹄的巴凶 ι ω Z 年OLFコ凶Zトーロ

る。

1 )熱伝導率が高くかっ安定しているのでこわれやすい窓のある気体ターゲットや蒸発しやすいアイス・ターゲットより大きなビーム電流が使用でき石。

2) 1原子あたりの阻止断面積は氷の約3倍，気体の約9倍主高いので(Fig.l1)ビーム電流あたりの収量が少い (Fig.12)。

3) Backing plate により中性子が散乱し，吸収されるのでターゲット面に対して接線方向の中性子束は10‑‑‑.:...20必も少い。

4) T(d，n)反応の場合，ビーム中のDイオンがターゲット中のTと入れかわって TiまたはZr 層中に入り乙み， D (d， n)反応が起るようにな

る(Fig.13)。長時間使用したターゲットでは約 10%ぐらいのDがTとおきかわっている。ビームは Tiまたは Zr層中で散乱されるので T (d，n)反応が起る時にDイオンの入射方向が変わって，ある方向に放出される中性子のエネルギーに拡がりが生ずる。

その他乙のターゲットには老化現象という重要な問題がある。中性子収量が1桁下がるまでの時間を通常ターゲットの寿命と呼んでいるが， Total neutron γieldで表わすと寿命は10¹³""'10¹⁵neutronsである。 1例を Fig.14に示めす。乙れによると最初の収量は表面効果のために大きいが，ビーム電流と時間の積が 1mA‑hrまでは急速に減少して約巧となる。その後 50~ぢ/mA-hr の割合でゆるやかに減少する。乙の減少はビームの熱による T.2の放出， TとDとのおさかわりなどのためである。そこでターゲット寿命を 600

Comparison of D (d

，

n) and T (d，n) neutron yield at 90 degrees from three types of thick targets; gaseous， ice， and hydrogen‑in‑zirconium. (16)

500 100 200 300 400

DEUTERON ENERGY Kev Fig.12.

せるビーム電流に制限がある。乙のためビームをぼかしたり，磁場でふらせたり，アイス・ターゲット自体を回転させたりしてなるだけ温度が上らないようにする。しかし長時間連続運転でなくパノレス運転するのには適している。またT.20アイス・ターゲット(18)は他の気体による汚染を受けやすく，かっ Tの戸線で分解も早く，それに蒸気などにするので取扱いは慎重を要する。

取扱い易いターゲットとして最も広く利用されているのは，金属にT.2または D.2を吸着させた型の固体ターゲットで， Graver等によって開発された。われわれも乙れを使用している。その構造はBacking金属板上にTiまたはZrを蒸着し，その蒸着層にT.2またはD.2を吸着させたものである。 backing金属円板としては，厚さ 0.lmm"'‑'0.6inm，直径約30mmの Mo， Pt， staInless stee ，lCu， W， Niなどが用いられ，その上の蒸着層の厚さは10μg/cm.2""'10mg/cm.2 で，その直径はBackingplateよりやや小さい。吸着させるT2またはD.2の量は， Tの放射能強度からいうと 0.1""'1.5curie/cm.2，われわれが使用しているのは1個当り約5curie (有効直径約2.5cm)である。

Backing plateは，ビームによる熱をすみやかにとりのぞくために熱伝導率が高いものがよく(250⁰C 以上になると吸着した T.2または D.2が蒸着層から逃

‑110

^ー

(9)

15に加速電圧と透過距離の関係を，

Fig.16 1乙加速電圧と中性子収量の関係、を示す。また泊拡散ポンプを使用している場合にはとれによる不純物がターゲットの表面に附着して収量が早く減少することがある。そのようなときには表面をCrocusc1o‑ thでふくと再び収量が回復する。

4. 高電圧電源

中性子発生装置を含む加速器類で最も重要な部分の一つは，粒子を加速するためのエネルギー源である。

TNC中性子発生装置ではPlate2. に示す泊絶縁タンクの中におさめら

p o

nU l vA nU

内Jム

(.)

P

、、

~

1 .5 xl OV∞ _z_:

Cコ

白 = ト・・

= 1 コ .0 xl0⁶~

EコーJ LふJ

05xlO" ;:

Eコ

10

300

20 Vol. 2， (1963)

Fig.13.

4

・

a

1

.0 15 COU LOM BS

Neutron yield versus accumulated deuteron beam current for several thick Zr targe

t .

The beam was composed of monatomic deuterons having 250 KeV energy. (19)

Zr TARGET. D‑D YJELD ZrTTARGET. D‑D YJELD

2.5 2.0 0.5

2.0xl0⁸

ιJ Z主

¥

~ 1.5)(10⁰

Cつ cr::

トー=

コ_{U . J 、}

三1.0)(10⁰

cコ

司J

Lふj

>‑

←0.5)( 10⁸

D

レ/

戸ー一ー

/ / ヲ

ど

メよ

妥

10

ト;

百 3

4

ト宝

2

I '‑'

三円￨よ

l

~ LI‑旦

Q.)

s:::

( L Fh da

﹃nq喝JV

円 /' ﹄ nH un Hu nH vn HU

400 600 800 .1000 .1200

A c c . v o l t a g e ( k v )

Penetration and accelerating vo

1 t

age or relation of deuteron beam for tritium in Ti target (21)

200 Ol.

d

E

‑

A川守口HM

b.

C o p p e r f o i l ( C u

⁶³

( n

，2ρ，)

C u 引

OBeam m o n i t o r LO

^I6

(刀~P) N

16]

40 60

L i f e ( m i n )

n ι

︐ 司 /

﹄

( Uω

的¥

NE U¥

∞CO

己主一

L E

﹂ち O

ωZ

Fig.15.

5 0 0

~ ‑ ‑ ‑ ‑ / /

/ r

白しvri

σb o

a

は

n

n U ι O

ゆ

nu h1 vt

4 v d g

抗

b R l e

t ‑ ‑ _︑

‑ u r

旧

e M e k g b r h

︐J.

︑ ︑

. a r E i y L︑J

︐

︐ 噌 EEA'A 'b IL

︑A 4 9 a

l'on

︿1JOc‑‑1

α v

a n

日

2 c d

広4

M M

抗心

M M d

対

ι

︐ 恥引

{e :f

¥

‑噌Ea‑‑m・

Y U T

( ∞

O

三

( き

で芸

)22E

︒ ﹄言

Z

o b

Fig.16. 20

T a r g e t

Target depletion with 150 KV power supply is 50%/ma‑hr after initial sudden decrease. (20)

Fig.14.

増すためにターゲットを回転させて使用したり(20)，重水素核と三重水素核の混合イオンを加速して，ターゲツトのTの量を一定に保つ方法などもとられている。

ターゲット寿命は現在数時間であるが，前者の方法によると20時間以上となり，ターゲットの利用率は40'"'‑' 70必改良される。われわれは加速管の出口の所に円筒形の磁石をおいてビーム通路をかえてターゲット面の効率良い利用を計っている。一方ビームの加速エネルギーや排気ポンプなどもターゲット寿命に影響を及ぼす。すなわちビームのエネルギーが大きいと，それだけ層の中にもぐる距離は長くなり，利用される層中のT または Dの量が多くなるからで 100"'‑'400KVの範囲では寿命はビーム・エネノレギーに比例している。 Fig.

(10)

議

Plate 2. H1GH VOLTAGE POWER SUPPLY れた組めてコンパクトな Cockcroft‑Wal ton型の

r'JJ電圧電泌を用いている。 CockcrofトWalton型とはFig.17 Iζ示すような倍電圧回路を杭みかさねたも

CR2 (v 2)

Fig.17. Full‑wave doubler circuit. ので，CockcroftとWaltonは乙の方法を用いて19 32年はじめての原子核人工破壊に成功している(2)nH

+~Li → ~He+~He) 。

Flate 3. 1NTERNAL COMPONENTS OF POWER SUPPL Y

近畿大学原子力研究所年制

絶縁タンクの内部の政子をPlate3 ζI示す。とζで用いている回路は Fig.18ζ1示すように倍電圧回路1

l l q ^{戸川 ⁝}

5 7

山川

f

Fig.18.

?ど〉

Schematie diagram of high vo1tage supply.

段であって TransformerTlの inputは 115 VAC， Out put はContro1 panelのCoarsecon t‑ ro1 により，0~135VAC ， T5のOutputは75 KVACである。したがって Highvoltage out‑ putは0'"'‑'150KVDCとなるが，Fig.18からわかるよ

うに2本の Highvoltage ou tpu tの Cab1eのうち1本には，1: 1の絶縁トランス T6により 115 VACがのっており，乙れは Highvol tage termi‑

nal上の 10nsourceの電源となる。 TableI Iζ Sorensenの Mode12150‑5の特性を示す。乙の電掠には Overvoltage& Overcurren t relay， Zerostart interlock， Door interlock， Auto‑

ma tic voltage shortingその他種々の安全装白がほどとされている。

Ta ble O. Model 2150‑5特性

MODEL 2150‑5 1NPUT Vo1tage 117VAC 60 cps. POWER Current 15A

OUTPUT Voltage 0‑150KV POWER Current 5M A 1NTERNAL1MPEDANCE 7 Meg R1PPLE (~ó RMS) 3. 5

ト一一一一一一一一一一一一一

W 22 CONTROL I (Inches) ²³

y z

SECTION

I

D 18

一一ー‑1

Net (Lbs.) 140

(11)

Vo1. 2， (1963)

W 22 J1 H1GH Size

(Inches) H 27 VOLTAGE

SECT10N ^D 22 J1 Net (Lbs. ) 1000 1NSULAT10N Oil

中性子発生装[内用の河電圧'電源、としては Cock‑ croft‑Walton 型以外にも，低電流だが，:.~電圧がねー

られる Vande Graaff型 Sealedtubeのバノレス中性子発止に適した Pulse transformer型，比較的新しい SAMES型 (Fig.19)などがある。

しかし電圧は数百KVでよく (T‑d反応の最大断面私は 106Kev付近)，河電流が旬ーられ，しかも小型にできるなどの点から，中性子発生装間用としては普通 Cockcroft‑Walton型がよく用いられている。

4!圧調控訴励電機

30kV)

-ー:r;他 f'}~1(one polc pllch) を修鮎し人前向 I~Q jl1j回路 1-1且船占れる人的 ht111イ'fン化市憾C回転寸・の表白から止められる

Fig.19. SAMES elcctrostatic gencrator

5.212E袋内

10n bottleからターゲットまでイオン・ビームを空気分子と衝突させるととなく加速するには，力

n

.iili竹

内を ~':JJT 空に保たなければならない。大気 '1-'では数百

Kevの主水系肢は数m mもとぶことができない。したがって望ましい只空皮としては'"'‑'1O‑5m mHg以上が必要であるが，イオン・ビームを流しはじめるとイオン化されなかった主水京ガスも10nbottleから流出して真空度が下がる。従って.iD:水系ガスを入れる前の其空度は'"'‑'lO‑'mmHg程度が必要となる。

n

空ポンプには従来のロータリー・ポンプや

J

広放ポンプの他ζl比較的新しいイオンポンフ。(22)などがある。

Varian社製のイオン・ポンプ (Plate.4)について

次に簡単に説明する。

PIate 4. VAcIoN H1GH VACUUM PUMP

このポンプは Powersupply， Permanent mag‑

net， 2枚のCat hode pla te，その日J]にはさまれた Anode gridからなっており，その動作j京国は ion‑ ization， sputtering， chemical combination の3つの現象をうまく利

m

^したも^ので^，^Fⁱ^g^.²⁰^にそ

の過程を示す。まず1'1 山電子は強い磁場と而J~ffi~ 'dの電

日己

目 d 明

Fig.20. VacIon pump opcrating' principle.

圧により spiral迎到Jをするためその飛程が長くなりfE;子とガス分了ーとのig)f宍確率がjflす。乙のHji突でできた二次屯了は，ド，}び同じイオンイじにj川、られ，一方向fI!jに作られたlトionは Cathode pla te _{~ζ 衝突}_して Tiを sputterさせる。乙の Ti原子はAnode gridの上にdepositし，そとでl校本や笠木のような活れjj'スj京了と化作して，それらをとりのぞく。また化午1:1守に不出性なガスはCathode'‑]1へイオンとしてとらえられたり Anode上!とトラップされてとりのぞかれる。

このイオン・ポンプは到述民生皮も日く ('"'‑' 10‑⁹ mmHg)，かつ火定していて，次のような利々の長所をそなえている。

(12)

5)排気速度は広い範囲にわたって一定である。

(Fig.22)。

6) Elementの寿命は圧力に逆比例し.10‑⁶m m Hgの連続運転で20，000時間となっている。この Elementは容易にとりかえられうる。

このPumpを初めてスタートさせるときには，ちょっとやっかいで，内壁に吸着しているガスのため，かなり長い間過大電流が流れて，なかなかスタートできない。以下 startの手順を簡単に説明する。

1) Thermocouple power swi tchを"ON"にする。

2) Overload by‑pass smitchを"ON"にする。

3) Mechanical pumpをスタートさせ Fore‑

line valveをひらく。

4) Thermocouple moterが20μHg以下になったとき Foreline val veをとじ Mechani^‑'‑c cal pumpをうど、かしたままで Vacuum

selector swi tchを "5KV"にし，

Vo

c I

on pumpを "ON"にする。

1)拡散ポンフ。で必要であった油や水銀がいらないため，ターゲットや他の部分をそれらで汚染する心配がない。

2)また冷却剤， Baffle，も不要である。

3)ロータリー・ポンプはイオン・ポンプ。がスタートする 20，uHgまで必要で，その後はValveをしめて，停止してよい。したがって運転中は振動もないし，完全なclosedsystemであるから事故で排気作用が止まった場合でも急に真空が悪くな

ることもない。

4)ポンフ。の電、流はガス分子の密度lζ正比例しているから，電源部のミリアンメーターを，適当に較正する乙とによって直接真空計として用いられうる。ただし，乙れは20μHgまでは使えないので，

別に大気圧からlO‑^SmmHgまではかれる熱電対型真空計をとりつけている。真空度と電流との関係を Fig.21に示す。

トラップ，ヒーターなど

5) Thermocouple meterが 20μHg に上って， Va

c I

on pumpがスタートしそ乙ねたときには(最初は殆んどそうであるが)， Va

c I

on switchをきり，

Foreline val veをひらき.Mecha‑

nical pumpで再び 20μHg以下になるまでひく。イオン・ポンプがスタートするまでこれをくりかえす。(過大電流を流した状態を長くっつ、けると Pump elementを著しく消耗するから，注意が必要である)。

6) Va

c I

on switch を入れた状態で Thermocouple meterが20μHgよ

り更に下がりはじめ， Vacuum gauge の電圧が 500V以上にあがりはじめたら，ポンプはスタートしたのである。

7) Selector switch を次々にきりかえてゆき， 400mA以下になれば Over‑

load by‑passを"Off"にしてよい。

8) Thermocoupleをきり Mechanical pumpをとめる。(時々 Vacuumme‑

ter が 1~2KV の付近で止まるか，逆に下がり始めるときがあるが，その時は長くその状態をつづけないではじめからやりなおした方がよい。〉

6. 遠隔制御装置

発生する中性子線から運転者を守るために加速器本体と制御装置との聞には厚い遮蔽壁が設けられている。したがってすべての操作

刊明謝申南出国

戸﹁寸斗

1

茸ヰ

コ ↓ ↓

14

ヨヰ

﹁と

l

‑

↑I

JK EF と!

?十

ι￨ L芋羊十

↑

ヰナ

ヰヨ

手工

ーさ

↓ ↓

↓

日川町戸 R F

罷

肝白山川唱拝特什刊行1

品百持廿

弔問

U

一三ーコ

問団一端田開判明冊

一一三

i

コーヨヨ

一一一一一一 ‑ 霊ヰ ↓ ↓

i

￨干

^l

_F

4

︽HU1

̲10

::b.O :c E E

Q) t凶

'

"

~

10

u... c.. E ::>

a...

代3

~ 10‑⁷

= コιn v>

Q )

a...

仁

lamp

』

日

lma 10ma Pump Current

Pressure vs current of ionpum p. :キ二

‑ r ^二

100ma

干# H

L 100μa

昨

一十l'

10‑⁸

10‑‑⁹ 10μa

¥0‑⁵

‑114 一

Fig.21.

Fig.22.

¥0‑/ 10‑⁶ Pr!ssure (lIIillimeters 01 mercury)

Pumping speed vs pressure (Ion pump).

言500 包450

帥 4

∞

三350

司 3

∞

♂250

~2切望¥50

~

: : : F =

ニ

= f =

f=

F

=J I

∞

5卜ーート十ートー

; と

^̲̲LL

¥0‑'

(13)

Vo l.2， (1963)

は Plate.5 Iζ 示す屯気!'(J な辿|塙fl;ljf~IJ込山でやj' われねばならない。

乙の型社内のノマネノレ上のスイッチ並びに計器lζ は次のようなものがある。 Ion pump switch とその Vacuum gauge， Palladiu口1 leak， Pro be， Focus lensの科Motorswi tchと科々のMeter， R‑F source switch， Solenoid switch， Deut‑ eron beam meter，日電圧電似の Control knob とその Volt& Amp. meter， etc.

Plate 1 IL示すドームの部分は150KVの而電圧に保たれているからこのIIJに入っているIonbottle関係の種々の装I!J:を零屯位から操作するには，それだけの耐電圧をもった絶縁体などが必要である。ここでは Source bottleの直後で行うイオン似ノマノレス装置の光バノレスによる操作をのぞいて，すべて直径1.3cm長さ約 50cmのナイロン体で行っている。ノマラジウム

・リーク，Probe， Focus lensなどの制節は，乙のナイロン俸に述れli した 11f変抵抗~~や，スライダックを Fig.23 I L7J~ す Synchronous Motorで回すよ

うになっている。 R‑F sourceや Solenoidの Switch もやはりナイロン怖を屯隙石で動かすととによって "ON"，"OFF"すーる。

との中性子)[~二装 11\'1: の q';J'色の一つは j栄作が非常に容易であるということであるが以下にその探1'

: r

ilKiJJ‑::を簡単lζ 説明する。

1 )イオン・ポンフ3で}'L空系を約 1O‑7mmHg程度に排気する (T12装LIl'多照)。

2)ロータリー・ポンプで約5分I¥IJぐらい Deute‑ r i um gas lineを封￨去しする。

Fig.23. Synchronous motor.

3) Deuterium bottleのGaugeが約10p.s. i. g.になるまでValveを聞く。

4) ConsoleのTerminalpower keyを"ON"

にする。

5)約1分後にパラジウム・リークの Motorswi‑ tchをおし，n;空計を約 2x 10‑l'im mHg Iとする。

6) R‑F switchとSolenoidswi tchをおす。

7 )プラズマの色が亦色になってからFocusMo‑

torを約15回程まわす。

9) Control knob によりゆっくりと 150KVにあげる。

10) Extraction Motor をまわし，必要なビーム電流をうる。との場合ExtractionとFocus とは互いに関連をもっているが適当に調節することによってピーク電流がえられる。ただし Fo‑

cus lensであまりしぼりすぎるとターゲットにとって好ましくないので，直径2cmぐらいにぼかした方がよい。

7. パノレス偏向装置

中性子をパルス状lと発生させることができれば，利用面が一段と広くなる。その方法には，イオン源内でプラ、ズマ自身をノマノレス状に発生させたり，加速の途中でイオン・ビームをパノレス状の電場により断続させたりするやりかたなどがある。ととではTNCの中性子

10側SOijRC[PUlSl阿S D[FlECTOR PlAl(S

10制SOUIIC[ BAS[

Flg.24. Pre‑acceleration pulsing system.

中 性 子 発 生 装 置 に つ い て

，

〔 資 料 〕

中 性 子 発 生 装 置 に つ い て

The Neutron G e n e r a t o r

I

P O

E .

P O

，

1

十 m l …

I

・

戸

。

レ~:庖

: i t

i

一 ̲v

" ̲ ̲ ̲ n

v&;

̲ v

ト

m

。

出 品 川 二

卜汁

芹

4

: l = f

︒ ︒

，

o

I .

J

一

ー 一 一

一一+

P . T

\TiDI~←ヘ~

卜 ¥ ¥ パ D 2 ¥ V J P

、 、 ¥

~2/β てトートー

、

t .

︒ 針 ︒

一

一 門

。

x

T

D

C

N

m p m

l 7 1 / l / 1 J

/

イ

. . ， /

y

， / /

1

I イ / / 1 I μ 少 わ プ

￨/レヲ I;~>x

j/ レ /

E ノ~

，

‑110

、 、

・

t .

レ/

/ / ヲ

ど

メ よ

妥

ト;

ト 宝

三円￨よ

中性子発生装置について

〔資料〕

中性子発生装置について

出品川二

ー一一

、、 ¥

一門

^， ^/ /

I ^イ ^/ / 1 I μ ^{少わプ}

￨/レヲ _I;~>x

、、

メよ

ト宝

抗心

で芸

︒ ﹄言

l l q ^{戸川 ⁝}

日己

茸ヰ

ヨヰ

ヰナ

ヰヨ

手工

ーさ

日川町戸 R F

弔問

一三ーコ

問団一端田開判明冊

一一三

コーヨヨ

一一一一一一 ‑ 霊ヰ ↓ ↓

￨干

_F