JPH03501422A

JPH03501422A - 電子、イオンまたはプラズマ冷却方法および装置

Info

Publication number: JPH03501422A
Application number: JP63509188A
Authority: JP
Inventors: シュイ　‐　イン，ロ
Original assignee: アプリコット　ソシエテ　アノニム
Priority date: 1987-10-01
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1991-03-28
Also published as: AU2780889A; US5059866A; WO1989003164A1; KR890702413A; GB2229570A; GB9006477D0

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】

電子、イオンまたはプラズマ冷却方法および装置発明の背景（ｉ）発明の分野本発明は電子、イオンまたはプラズマの冷却用方法および装置に関する。（ｉｉ）従来の技術地球上で我々を囲む自然物のほとんど全ては中性でかつ荷電状態では見いだされない、電子、イオンまたはプラズマのような荷電粒子を得るためには、エネルギーを供給して原子内の原子核から電子を分離することが必要である。例えば水素ガスを電子と陽子にイオン化するに必要なエネルギーは原子当り１３．６ｅＶである。プラズマを生成するためには、電子および陽子からの構成はある方法でこのエネルギーを供給することを要求する。該エネルギーは静または交流電場のいずれかによって供給され得る。静電場に関しては、陽極および陰極の構成が必要である。交流電場に関しては、該エネルギーはラジオ周波数（ＲＦ）発振器またはマイクロ波源によって供給可能である。該ガスがイオン化された後、該イオンはイオン化ガスに高電圧を加えることによって抽出可能である。通常、プラズマを生成するに際し、ガスは激しく擾乱され、極高温プラズマが生成される。プラズマ温度は単位がｅＶ（１電子ボルト＝　１．２　ＸＩＯ’ケルビン）であるエネルギー広がりΔＥで特性を表す。デュオプラズマイオン源に関して、エネルギー広がりは１５　６５ｅＶの範囲にある。マイクロ波生成イオン源に関して、エネルギー広がりは１ｅＶのオーダである。最小エネルギー広がりはコル−トロン（Ｃｏｌｕｔｒｏｎ）イオン源Δ二０．２ｅＶによって達成される。この装置はコルートロンリサーチコーポレション５４２０アラバオエ（Ａｒａｐａｈｏｅ）、ボルダ（Ｂｏｕｌｄｅｒ）、コロラド、８０３０３、アメリカ合衆国によって商業的に製造されている。さらなる減少はプラズマを生成するのに必要である（０．１ｅＶまたは１００ＯＫ）熱温度−によって制限される。そのためエネルギー広がりを０．１ｅＶ以下に減少させることは一般に非常に困難である。このオーダまたはそれ以下のエネルギー広がりに冷却することは「過冷却」と称する。本発明の簡単な要約本発明の一つの特徴によれば、中性ガスとともにプラズマを生成するイオン源と、実質的に減圧排気可能なプラズマ膨張部屋と、該膨張部屋を実質的に減圧排気する手段とを含み、該膨張部屋がイオン源へ供給されて、イオン源で生成されるプラズマおよび中性ガスが冷却をもたらすために、実質的に減圧排気される部屋へ向けられまたその内で膨張するプラズマ冷却用装置が設けられる。一般には、イオン源はプラズマおよび中性ガスの双方を生成するが、この明細書で使用される用語「イオン源」は源の一部がプラズマを生成しまた別の部分が中性ガスを分離して生成する構成を包含するを目的としている。本発明は中性ガスとともにプラズマを実質的に減圧排気されるプラズマ膨張部屋へ向けて、プラズマおよび中性ガスがその内で膨張することを含むプラズマ冷却方法を提供する。本発明の方法または装置を用いて、プラズマ温度は１°Ｋ（１０−’ｅＶまたはこれ以下のエネルギー広がりに相当する）のオーダへ減少可能である。実質的に空であるプラズマ膨張部屋内の膨張期間中に、プラズマと同様に中性ガス温度は１０°Ｋから１°Ｋに減少可能である。プラズマは交流磁場をもつ直列のソレノイドを通過してさらに低温に冷却可能になる。荷電粒子の温度は、ミリデグリ（１０−’χ）もしくはマイクロブグリ（１０−”Ｋ）　（７）オーダへまたはＡ ’ｌ？１０−’ｅＶもしくは１０−１°ｅＶの相当エネルギー広がりへ減少する。膨張によるプラズマ冷却は知られている。また膨張による中性ガス冷却は知られている。軸磁場下の一次元膨張による純粋電子プラズマ温度はり、Ｈ。Ｅ、ドウプリン（Ｄｕｂｌｉｎ）およびＴ、ｌ’１．Ｏネイル（Ｎｅｉｌ）、’ 強関係純粋電子プラズマの断熱膨張（Ａｄｉａｂａｔｉｃ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ａＳｔｒｏｎｇｌｙ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｐｕｒｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｐｌａｓｍａ）　Ｊ　Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ。Ｌｅｔｔ　５６，７２８（１９８６）によって考察された。しかしながら、本発明では、磁場の影響下の膨張を介したプラズマ冷却は中性ガスの膨張とともになされる。この手段によって、プラズマ横温度は膨張段階期間中に、中性ガス分子の衝突を経て減少する。もし中性ガスがともに膨張しないならば、プラズマ横温度はほとんど減少しないであろう。４、

【図面の簡単な説明】

本発明は以下の添付図面を参照して例によってさらに説明する。第１図は本発明を実施するのに有用な装置の一つの形態の図である；第２図は本発明によって構成される他の装置の図である；第３および４図は本発明によって構成される他の装置を示す図である。詳細な説明ガスが断熱膨張するときに、その温度、圧力および密度が下記式によって関連していることが熱力学上知られている。ここでＴ、、Ｐ、、ρ。はイオン源におけるガスの温度、圧力および密度であり、またＴ、Ｐ、ρはガス膨張部屋におけるものである。Ｔは理想単原子ガスに対して５／３また二原子ガスに対して１．４０に等しい熱容量比ＣＩ、／Ｃｖである。そのため膨張部屋におけるヘリウム（γ＝　５／３）のような単原子の急、速膨張に対して、温度の降下は水素ガスまたは重水素ガスのような二原子ガスの膨張よりもはるかに大きい。ヘリウムガスに関して、Ｐ　０＝　１　ａｔ（１ａｔ＝１０”　）−ル（Ｔｏｒｒ）　）、Ｔ　、　＝　１０００６におよびＰ　＝１０−６）−ルの条件下で始まるならば膨張後の最終温度はＴ　＝　２．４　Ｘｌ０−”Ｔ、になる。水Ｘマｔ、−ハ重水素ガスニ関して、Ｐ　＝　１　ｓｔ、　Ｔ、＝１０００６におよびＰ　＝１０−ｂトールの条件下で始まるならば、最終温度はＴ＝２．５Ｘ１０弓、Ｔ、＝２．５°Ｋになる。もし、プラズマおよびガスがともに膨張するならば、プラズマは類似方法で冷却される。第１図はイオン源を形成するプラズマ発生器１０およびプラズマ膨張部屋１２を概略的に示す。プラズマ発生器１０から出現するプラズマおよび中性ガスが１セツトのスキマ（ｓｋｉｍｍｅｒ）１４によってコリメートされることによって、大きな横速度を存する粒子は結果として生じるプラズマ／イオンビーム１６から除外される。プラズマ膨張部屋１２において、拡散ポンプ（図示しない）が圧力を低下させるために動作される。数ポンピング段が１から例えば１０−”　）−ルヘ圧力を低下させるのに必要であってもよい。プラズマ膨張部屋の磁場は電流が流れるソレノイドコイルまたは円筒形対称構造に配列される永久磁石のいずれかによって生成される。磁場方向がプラズマビームの方法になることによって、荷電粒子は磁界によって前方進行方向の移動では妨げられない。磁場は粒子を前方に強制的に移動させるのに役立つため、プラズマ膨張部屋１２において中性ガスは吸出され他方プラズマは失われない。このようにして、中性ガスの密度は減少するが、他方プラズマの密度は膨張期間中に減少しない。ソレノイド長は任意の目的を適合させるために調整可能である。最大数の荷電粒子を得るために、ソレノイドはガスおよびプラズマが現われるプラズマ生成器のノズルから始まるべきである。このようにして実質的に全プラズマは前方へ進行するように磁場によって捕えられる。非常にクリーンなプラズマに関して、ソレノイドが第１図に示されるスキマ１４のセットの後に始まるようにすることも可能である。ソレノイドの対称軸が中性ガスジェットの方向から数度だけずれるように配列されるので、プラズマジェットは双極磁石で横方向の磁場を加えることによって中性ガスジェットから分離可能である。プラズマイオンビームの抽出において中性ガスビームは容易に除去可能である。冷プラズマビームが膨張部屋１２で形成された後に、プラズマは該部屋の外側を直接に通過可能である。負の印加電圧がプラズマから正の荷電イオンビームを抽出するために使用可能である。正の印加電圧は電子ビームを交互にまたは付加的に抽出可能にする。もし、さらに冷却が要求されるならば、プラズマビームは第２図に示す変化する磁場を生成するために動作する直列のソレノイドを通過可能である。第１および２図において同一参照符号は同一構成要素を表す。オーストラリア特許出＠ＰＩ　１０５３２／８７の明細書で検討されているように、横運動エネルギー、Ｋ上、は下記割合によって減少する。 δに上　δＢ（ここにに上は横運動エネルギーであり、またＢは磁束密度である）各ソレノイドの磁場３の減少に類似する。ｎソレノイドに対する横エネルギー広がりの全減少は各ソレノイドの磁場変化のタイミングはプラズマの電子成分またはイオン成分が冷却されているか否かを決定するために重要である。同−縫エネルギーに関して電子は進行する。イオンより高速の因子ｍ−で、ここにＶ、、Ｖ。はそれぞれ電子およびイオンの速度でありまたｍｓ　、ｍｉはそれぞれ電子およびイオンの質量である。重陽子に関して１、Ｆπ７フ’ｍ、！６０−１ｍ４は重陽子質量である。この場合、磁場は、もしプラズマの電子成分が冷却されると、より速く変化しなければならない。冷却ソレノイドの端部で、正イオンは、非常に冷いイオンビームを生成するために負電位を印加することによって抽出され得る。もしプラズマの密度が十分に高ければ、スピンが整数である正電荷イオンはコヒーレントビームを形成可能になる。もし磁場変化のタイミングがプラズマビームの電子成分を冷却するために構成されるならば、非常に冷い電子ビームはソレノイドの端部に正バイアス電圧を加えることによって抽出され得る。電子ビームおよびイオンビーム、例えば重陽子ビームへのプラズマビームの分離はソレノイドの端部に磁場を印加することによって生じ得る。第３図は本発明によって構成される交流装置を示す。ここで、イオン源１０、膨張部屋１２ならびにスキマ１４およびソレノイド１８（もし設けられていれば）と一体である関連ソレノイドは第１および２図におけるように構成可能である。ここに、しかしながら、ガスおよびプラズマはイオン源から熱交換器２８を通過し、該熱交換器２８を経る液体ヘリウムのような冷却ガスの循環によって低温へ冷却される。このようにして、イオン源から現われる中性ガスおよびプラズマは膨張が生ずる前に例えば４°Ｋまでに冷却され、それゆえ、さらに該装置からの出現ビームのエネルギーの広がりを制限する。第４図は別の変形を示し、ここに冷却は例えば重水素ガスまたは例えば約７０″ Ｋまで冷却されるヘリウムガスとの直接熱交換によって同様にしてもたらされる。この場合には、イオン源１０からのプラズマおよび中性ガスはイオン源からヘリウムガスが逆流で通過する部屋３０を経てスキマ膨張部屋１２へ通過する。重水素ガスはイオン源自身へ引出すことによって除去される。スキマ１４は第３および４図に示されていないが、膨張部屋への入口前のような適当な場所に設けられてもよい。以上説明した構成はマイクロ波プラズマ発生器を用いるが、他のプラズマ発生器の形態がさらに採用されてもよい。例えば、上述したマイクロ波プラズマ発生器の代りに、レーザからプラズマを発生することが可能である。レーザプラズマ発生器に関して、最初に５’Ｋ　３Ｈｅガスのような非常に冷いガスを用いることが可能である。次に高出力パルスＣｏｚレーザはプラズマに高熱を加えるのに用いられ、さらに連続低出力（１００ワツトから１ｋＷ）　Ｃｏｚレーザは安定プラズマを受け得る小領域に集中する光を放出する。レーザプラズマ発生器はマイクロ波プラズマ発生器にまさるいくつかの利益を有する：（１）イオン密度はより高い。例えば、一つの実験“（Ｎ、Ｓ。発生器等、ソビエトフイジックスＪＥＴＰ　３４．７６３（１９７２）で、Ｎｉ　：５　ＸＩＯ”／ｃ＋ｆｆの値であって、マイクロ波プラズマ発生器によって通常得られるものよりも１０５倍高いものが報告されている。（２）ガス圧は非常に高くなることが可能ですくなくとも１６倍の大気圧（２１０４トール）またはそれ以上になる。通常、マイクロ波発生器はより低圧力で動作する。（３）プラズマ領域は小さくまたそれゆえ中性ガスは冷い状態を維持可能である。膨張前の初期温度はマイクロ波プラズマ発生器の場合のように１０００＠によりもむしろ例えば５°にで出発可能である。そのためレーザ発生プラズマの後に膨張が続くので３Ｈｅ＋イオンのコヒーレントビームを発生することが可能になる。上述のスキマおよび膨張部屋はドナルド（Ｄｏｎａｌｄ）Ｈ，レヴイ（Ｌｅｖい、Ａｎｎ、Ｒｅｖ、Ｐｈｙｓ、Ｃｈｅｍ、１９８０．３１　：　１９７−２２５（１９８０）によって説明される方法で形成可能である。膨張部屋からのビーム出口は１０μｍから１ｎｎｎ直径の範囲のノズルを経て達成される。かくして、膨張部屋に関連するポンプは入口に相当するにも拘わらずノズルを経て、部屋からガス減圧排気を確保するに十分な能力を有するべきである。もし、本発明の方法および装置がコヒーレント粒子ビームを生成しようとすれば、イオン源は荷電ボソンを生成しなければならない。しかしながら本発明の装置および方法はボソンでない冷たい粒子、例えば電子および陽子に対して有用である。本発明を実施するに際し、イオンを生成するのに用いられるガスは重水素、ヘリウム、希ガス、リジウム、リジウム、セシウムを包含する。一般には荷電ボソン（すなわち整数スピンを有する荷電粒子）を生成する任意のイオン源が用いられ得る。本発明は重水素および／またはトリチウムのように核融合を受けることが可能な物質に一つまたはそれ以上のビームを向けることを必要とする核融合過程によってエネルギーを生成するために使用可能である。この応用では、本発明によって形成されるビームは、そのように向ける前に従来の加速器の使用によって加速してもよい。ビームが向けられる物質は、例えば知られているようにペレットの形をしていてもよく、また、いくつかのビームは異なる方向から同時に向けられてもよい。この応用では、ビームまたは複数のビームはボソンを含むのが好ましく、コヒーレントビームを含むのがより好ましい。上述構成は説明のためにのみ提供したが、多くの変形はここに開示されるあらゆる新規な特徴および新規な特徴の組み合せを包含する本発明の精神および範囲から離れることなしになされろる。 λ堂佃ズ’Ｋ）フ江り打ｍごコＸＳ＋ジσ１０を疋ンゴびＯＩＩマＴＥＲＮ八ゴへ（ａｔ、ＡＰＰＬＩＷＣＮ　Ｎｏ、ＰＣ’ｒ／Ａｔｌ　８８　００３８３？　２６２０１２　花　２６０４０５０　コ　６３０７２１００λυ１７６４９／８８ＥＰ２９５７５２ＧＢ８７１３９８６■ＯＦ入堂任ズ

Claims

【特許請求の範囲】

１．中性ガスと共にプラズマを生成するイオン源と、実質的に減圧排気可能なプラズマ膨張部屋と、該膨張部屋を実質的に減圧排気する手段とを含み、該膨張部屋がイオン源へ結合されて、前記イオン源で生成されるプラズマおよび中性ガスが実質的に減圧排気される部屋に向けられ、その内で膨張してその冷却をもたらすプラズマ冷却用装置。
２．前記膨張部屋がそこからの膨張プラズマ出口用の出口手段を備える請求項１記載の装置。
３．前記膨張部屋を介してプラズマの移動方向に向けられる該膨張部屋の磁場を生成する手段を包含して、膨張プラズマが前記磁場を受けて該膨張部屋から出現するプラズマから少なくとも部分的排除をもたらす請求項２記載のプラズマ冷却用装置。
４．実質的に横速度を有するイオンを、該イオン源から該膨張部屋への通過から排除するように配設されるスキマを包含する請求項１、請求項２または請求項３のいずれかに記載のプラズマ冷却用装置。
５．プラズマおよび中性ガスが膨張前に熱交換によって予冷却される請求項１、請求項２または請求項３記載のプラズマ冷却用装置。
６．プラズマおよび中性ガスが膨張前に熱交換によって予冷却される請求項４記載のプラズマ冷却用装置。
７．プラズマおよび中性ガスを共に実質的に減圧排気されるプラズマ膨張部屋へ向けることを含み、プラズマおよび中性ガスがその内で膨張するプラズマ冷却方法。
８．前記膨張部屋から冷却プラズマを排出することを含む請求項７記載のプラズマ冷却方法。
９．前記膨張部屋のプラズマが磁場を受けて該膨張部屋から出現するプラズマから少なくとも中性ガスの部分排除をもたらす請求項８記載のプラズマ冷却方法。
１０．前記膨張に入ることから大きな横速度を有するイオンを排除するために、イオン源からスキマを経てイオンを通過させることを包含する請求項７、請求項８、または請求項９のいずれかに記載のプラズマ冷却方法。
１１．プラズマが冷却されて、コヒーレントビームを形成する請求項７，８および９のいずれか一つに記載のプラズマ冷却方法。
１２．プラズマが冷却されて、コヒーレントビームを形成する請求項１０に記載のプラズマ冷却方法。
１３．プラズマが前記膨張に先立って、熱交換によって冷却される請求項７，８および９のいずれか一つに記載のプラズマ冷却方法。
１４．プラズマが前記膨張に先立って、熱交換によって冷却される請求項１０〜１３のいずれか一つに記載のプラズマ冷却方法。
１５．中性ガスと共にプラズマを生成するイオン源と、実質的に減圧排気可能なプラズマ膨張部屋と、該膨張部屋を実質的に減圧排気する手段とを含み、該膨張部屋がイオン源へ結合されて該イオン源に生成されるプラズマおよび中性ガスが冷却をもたらすために実質的に減圧排気される部屋へ向けられまたその内で膨張するプラズマ冷却用装置と、プラズマから粒子ビームを加速しまた核融合を受けることが可能な物質に対してこれを向ける加速器および方向器手段とを含む融合反応器。
１６．プラズマおよび中性ガスを形成することによって粒子ビームを形成すること、プラズマおよび中性ガスをともに実質的に減圧排気されるプラズマ膨張部屋へ向けて、プラズマおよび中性ガスが前記ビームを形成するためにその内で膨張すること、前記ビームを加速しさらに核融合を受けることが可能な物質に対してビームを向けることを含み、その融合および前記エネルギー生成を生じさせる核融合によるエネルギー生成方法。