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中性子発生器は、小型線形粒子加速器を含む中性子源装置であり、水素の同位体を融合させることで中性子を生成します。これらの装置では、重水素、三重水素、またはこれら2つの同位体の混合物を、同じく重水素、三重水素、またはこれらの同位体の混合物を含む金属水素化物ターゲットに加速することで、核融合反応が起こります。重水素原子の核融合（D + D）では、ヘリウム3イオンと運動エネルギー約2.5 MeVの中性子が生成されます。重水素と三重水素原子の核融合（D + T）では、ヘリウム4イオンと運動エネルギー約14.1 MeVの中性子が生成されます。中性子発生器は、医療、セキュリティ、材料分析などの分野で応用されています。[ 1 ]
核融合の基本概念は、1930年代初頭にキャベンディッシュ研究所のアーネスト・ラザフォードのチームによって初めて開発されました。マーク・オリファントは、コッククロフト・ウォルトン発生器で駆動される線形加速器を用いて、重水素イオンを重水素を注入した金属箔に照射する実験を行い、これらの粒子のごく一部がアルファ粒子を放出することを発見しました。これは核融合の最初の実証であり、これらの反応で生成されるヘリウム3とトリチウムの最初の発見でもありました。新しい電源の導入により、これらの装置のサイズは、オリファントの実験室の隅を占めていたものから、持ち運びが容易な現代の装置へと、絶えず小型化されてきました。1960年代以降、このような小型で比較的安価なシステムが何千台も製造されています。
中性子発生器は核融合反応を起こすものの、これらの反応を引き起こす加速イオンの数は非常に少ない。これらの反応によって放出されるエネルギーは、イオンを加速するために必要なエネルギーよりもはるかに少ないことが容易に証明できるため、これらの装置を用いて正味の核融合発電を行うことは不可能である。関連する概念である衝突ビーム核融合は、2つの加速器を互いに向け合うことでこの問題を解決しようとするものである。
重水素（D、水素-2、2H）と三重水素（T、水素-3、3H）の核融合反応を利用した小型中性子発生装置は、放射性同位体とは対照的に、加速器をベースとした中性子源として最も一般的です。これらのシステムでは、重水素、三重水素、または重水素と三重水素のイオンを生成し、これらを重水素、または重水素と三重水素を充填した水素化物ターゲットに加速することで中性子を生成します。DT反応はDD反応よりも収率が50～100倍高いため、DD反応よりも多く利用されています。
D + T → n + 4 He E n = 14.1 MeV
D + D → n + 3 He E n = 2.5 MeV
DD反応およびDT反応によって生成される中性子は、標的からやや異方的に放出され、前方（イオンビームの軸方向）方向にわずかに偏っている。DD反応およびDT反応からの放出中性子の異方性は、これらの反応が運動量中心座標系（COM）では等方的であるが、COM座標系から実験室座標系への変換でこの等方性が失われることに起因する。どちらの座標系においても、He原子核は放出された中性子とは逆方向に反跳し、運動量保存の法則と一致する。
中性子管のイオン源領域のガス圧は、一般的に0.1～0.01 mm Hgの範囲である。電離を実現するには、電子の平均自由行程が放電空間よりも短くなければならない（圧力の下限）。同時に、電極間に印加される高抽出電圧で放電が発生しないように、圧力を十分に低く保たなければならない。しかし、加速領域の圧力は、高電圧電極間の放電を防ぐために電子の平均自由行程が長くなければならないため、はるかに低くなければならない。[ 2 ]
イオン加速器は通常、円筒対称の複数の電極で構成され、アインツェルレンズとして機能します。これにより、イオンビームをターゲット上の小さな点に集束させることができます。加速器は通常、100～500 kVの電源を必要とします。通常、複数のステージがあり、電界放出を防ぐためにステージ間の電圧は200 kVを超えません。[ 2 ]
放射性核種中性子源と比較して、中性子管ははるかに高い中性子束を生成でき、一貫した（単色）中性子エネルギー スペクトルを得ることができます。中性子生成率も制御できます。[ 2 ]
中性子発生器の中心となるのは、粒子加速器本体であり、中性子管とも呼ばれます。中性子管は、イオン源、イオン光学素子、ビームターゲットなど複数の構成要素から成り、これらはすべて真空密閉容器内に収められています。管内のイオン光学素子間の高電圧絶縁は、ガラスおよび／またはセラミック絶縁体によって行われます。中性子管は、さらに金属製の筐体である加速器ヘッドに収められており、加速器ヘッド内には誘電体が充填され、管内の高電圧要素を動作領域から絶縁しています。加速器とイオン源の高電圧は、外部電源によって供給されます。制御コンソールにより、オペレーターは中性子管の動作パラメータを調整できます。電源装置と制御装置は、実験室用装置では通常、加速器ヘッドから3～10メートル（10～30フィート）以内に設置されますが、坑井検層装置では数キロメートル離れた場所に設置される場合もあります。
従来の中性子管と比較して、密閉型中性子管は動作に真空ポンプやガス源を必要としません。そのため、より持ち運びやすくコンパクトであると同時に、耐久性と信頼性にも優れています。例えば、密閉型中性子管は、現代の核兵器の爆縮する炉心に中性子パルスを供給する際に、放射性変調中性子点火装置に取って代わりました。
中性子管のアイデアの例は、核兵器以前の1930年代にまで遡り、ドイツの科学者が1938年にドイツ特許（1938年3月、特許番号261,156）を出願し、米国特許（1941年7月、USP番号2,251,190）を取得しています。現在の最先端技術の例としては、ニュートリスター[ 3 ]のような開発が挙げられます。これは、ニューメキシコ州アルバカーキのサンディア国立研究所で発明された、コンピュータチップに似たほぼ固体デバイスです。[ 4 ]一般的な密閉型設計はパルスモードで使用され[ 5 ]、イオン源と装填されたターゲットの寿命に応じて、異なる出力レベルで動作させることができます。[ 6 ]
優れたイオン源は、ガスをあまり消費せずに強力なイオンビームを生成できるはずです。水素同位体の場合、原子イオンは衝突時に中性子収量が高いため、分子イオンよりも原子イオンの生成が優先されます。イオン源で生成されたイオンは、電場によって加速器領域に引き出され、ターゲットに向かって加速されます。ガスの消費は主に、イオン生成空間とイオン加速空間の間の圧力差によって生じ、この圧力差を維持する必要があります。10 mAのイオン電流は、 40 cm 3 /時間でガス消費量で達成可能です。[ 2 ]
密閉型中性子管の場合、理想的なイオン源は、低ガス圧を使用し、原子イオンの割合が高い高イオン電流を生成し、ガス浄化が少なく、低消費電力で、高い信頼性と長寿命を持ち、構造がシンプルで堅牢であり、メンテナンス要件が低いものである必要がある。[ 2 ]
ガスは、ジルコニウム線でできた電気加熱コイルである補充装置に効率的に貯蔵することができる。このコイルの温度によって金属による水素の吸収／脱着速度が決まり、それによって密閉空間内の圧力が調整される。
ペニングイオン源は、低ガス圧の冷陰極イオン源であり、交差する電場と磁場を利用します。イオン源の陽極は、陰極に対して直流またはパルス状の正の電位を持ちます。イオン源の電圧は通常2～7キロボルトです。永久磁石によって、イオン源軸に平行な磁場が生成されます。陽極軸に沿ってプラズマが形成され、電子を捕捉し、それがイオン源内のガスをイオン化します。イオンは出口陰極から引き出されます。通常の動作では、ペニングイオン源で生成されるイオン種の90%以上が分子イオンです。しかし、この欠点は、システムの他の利点によって補われます。
陰極の一つは、放電空間の大部分を囲む軟鉄製のカップである。カップの底には穴があり、生成されたイオンの大部分は磁場によって加速空間に放出される。軟鉄は加速空間を磁場から遮蔽し、絶縁破壊を防ぐ。[ 2 ]
出口陰極から放出されたイオンは、出口陰極と加速電極間の電位差によって加速されます。図に示すように、出口陰極は接地電位、ターゲットは高（負）電位になっています。これは多くの密閉型中性子管発生器に共通する構成です。しかし、試料に最大の中性子束を照射したい場合は、ターゲットを接地し、中性子源を高（正）電位に浮遊させた状態で中性子管を運転することが望ましいです。加速電圧は通常80～180キロボルトです。
加速電極は、細長い中空円筒形をしている。イオンビームはわずかに発散角（約0.1ラジアン）を持つ。電極の形状とターゲットからの距離を調整することで、ターゲット表面全体にイオンを照射することができる。最大200kVの加速電圧を 実現可能である。
イオンは加速電極を通過して標的に衝突します。イオンが標的に衝突すると、二次電子放出によってイオン1個あたり2～3個の電子が生成されます。これらの二次電子がイオン源に逆加速されるのを防ぐため、加速電極は標的に対して負のバイアス電圧が印加されます。この電圧はサプレッサ電圧と呼ばれ、最低でも500ボルト、場合によっては数キロボルトに達することもあります。サプレッサ電圧が失われると、中性子管に損傷が生じ、場合によっては壊滅的な損傷につながる可能性があります。
一部の中性子管には、ターゲット上のビームスポットのサイズを制御するために、焦点電極または抽出電極と呼ばれる中間電極が組み込まれています。線源内のガス圧は、ガス貯蔵要素を加熱または冷却することによって調整されます。
イオンは高周波電磁場内で生成された電子によって生成されます。放電は電極間に配置された管内、またはコイル内部で発生します。90%以上の原子イオンを生成することが可能です。[ 2 ]
中性子発生器で使用されるターゲットは、チタン、スカンジウム、ジルコニウムなどの金属の薄膜で、銀、銅、またはモリブデンの基板上に成膜されます。チタン、スカンジウム、ジルコニウムは、水素またはその同位体と結合すると、金属水素化物と呼ばれる安定な化合物を形成します。これらの金属水素化物は、金属原子1個あたり2個の水素（重水素または三重水素）原子から構成されており、ターゲットに極めて高い水素密度を持たせることができます。これは、中性子管の中性子収量を最大化するために重要です。ガス貯蔵要素にも、活性材料として金属水素化物（例えば、水素化ウラン）が使用されます。
チタンはジルコニウムよりも高温（200 ℃）に耐えることができ、ジルコニウムよりも重水素をよりよく捕獲するため、中性子収量が高くなるため、ジルコニウムよりも好ましい。ターゲットに許容される最高温度は、水素同位体が脱離して材料から逃げ出すため、ターゲットの表面単位あたりのイオン電流を制限する。そのため、わずかに発散するビームが使用される。200 kV で加速された1マイクロアンペアのイオンビームを チタン-トリチウムターゲットに照射すると、毎秒最大10⁸個の中性子を生成できる。中性子収量は主に加速電圧とイオン電流レベルによって決まる。[ 2 ]
トリチウムターゲットの使用例としては、厚さ0.2mmの銀ディスクの表面に 1マイクロメートルのチタン層を堆積させたものがあり、その後、チタンにトリチウムを飽和させる。 [ 2 ]
水素拡散が十分に低い金属は、金属が飽和するまで重水素を照射することで重水素ターゲットに変えることができます。このような条件下では、金ターゲットはチタンよりも4倍高い効率を示します。水素拡散率の低い基板（例えば銀）上に高吸収・高拡散率の金属（例えばチタン）の薄膜を作製したターゲットでは、水素が最上層に集中し、材料の内部に拡散しないため、さらに優れた結果が得られます。重水素-三重水素混合ガスを使用することで、自己補充型DTターゲットを作製できます。このようなターゲットの中性子収量は、重水素ビーム中の三重水素飽和ターゲットよりも低いですが、寿命がはるかに長く、中性子生成レベルが一定であるという利点があります。自己補充型ターゲットは、高温ベークアウトにも耐性があります。これは、水素同位体による飽和がベークアウトとチューブの封止後に行われるためです。[ 2 ]
中性子管内でイオンを加速するために必要な高電圧場を生成する一つの方法は、焦電結晶を使用することです。2005年4月、UCLAの研究者らは、熱サイクルさせた焦電結晶を用いて中性子発生器で高電界を生成することを実証しました。2006年2月、レンセラー工科大学の研究者らは、この用途に反対極性の2つの結晶を使用することを実証しました。これらのローテク電源を使用することで、加速ギャップ全体に十分な高電界 勾配を生成し、重水素イオンを重水素化ターゲットに加速してD + D核融合反応を起こすことが可能です。これらの装置は、通常コッククロフト・ウォルトン 型の高電圧電源を使用する従来の密閉管中性子発生器と動作原理が似ています。このアプローチの斬新さは、高電圧源のシンプルさにあります。残念ながら、焦電結晶が生成できる加速電流が比較的低いことと、達成できるパルス周波数が控えめであること（毎分数サイクル）により、今日の市販製品と比較して、その短期的な応用は制限されます（下記参照）。焦電核融合も参照してください。[ 7 ]
上記で説明した従来の中性子発生器の設計に加えて、電気システムを用いて中性子を生成する他のいくつかの方法も存在する。
もう一つの革新的な中性子発生器は、慣性静電閉じ込め核融合装置です。この中性子発生器は、スパッタリングによって絶縁表面が金属化される固体ターゲットを使用しないため、固体ターゲット内の反応ガスの枯渇も回避されます。これにより、はるかに長い動作寿命が実現されます。元々はフューザーと呼ばれ、フィロ・ファーンズワースによって発明されました。
中性子発生器は、科学研究、産業、原子力工学において小型の中性子源として広く使用されています。最も一般的な用途は中性子放射化分析であり、鉱物、鉱石、工業製品、環境試料などの物質の元素組成を決定するために使用されます。また、工業プロセス監視、石油・鉱物探査、セキュリティおよび核保障措置、考古学、文化遺産研究、医学研究にも使用されています。さらに、中性子発生器は材料科学や中性子検出システムの試験および校正にも使用されています。[ 8 ]
近年の発展により、中性子発生器は国土安全保障、核保障措置、核不拡散のための能動的調査システムでの利用が拡大しており、特殊核物質やその他の隠匿物質の検出と特性評価に用いられている。小型加速器技術の進歩により、現場検査や非破壊評価用の携帯型中性子源も実現した。[ 9 ]