ビームダンプ
【課題】荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶融したり、ダンプターゲットが載置される床が劣化したりすることのないビームダンプを提供する。
【解決手段】本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプ１０，１０’，３０であって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１，３２と、ダンプターゲット１１，３２が載置される金属製架台１２，３１と、金属製架台１２，３１に取り付けられる冷却手段１３，３３，３４とを備えていることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプ１０，１０’，３０であって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１，３２と、ダンプターゲット１１，３２が載置される金属製架台１２，３１と、金属製架台１２，３１に取り付けられる冷却手段１３，３３，３４とを備えていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器等で加速されて照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陽子や電子などを加速して高エネルギーの荷電粒子ビームを取り出すリニアックやシンクロトロン等の加速器を備えた施設において、加速器で加速された荷電粒子ビームのエネルギーをダンプターゲットに衝突させて崩壊、除去させるためにビームダンプが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３１は従来のビームダンプの一例を示しており、このビームダンプ１は、立方体又は直方体形状の金属製（例えば、鉄製）のダンプターゲット２が建屋内の鉄筋コンクリート製の床に載置されて構成されており、このダンプターゲット２の内部には荷電粒子ビームの入射軸に沿って円柱形状を成す入射凹部３が形成されている。
【０００４】
そして、この入射凹部３に入射した高速の荷電粒子ビームは、ダンプターゲット２に衝突する際に熱エネルギーに変換され、この時に発生した熱はダンプターゲット２の内部を熱伝導し、ダンプターゲット２の外表面から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出され、これにより、ダンプターゲット２は熱的に安定状態を保つようになっている。
【特許文献１】特開平７−３３５３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のビームダンプでは、荷電粒子ビームのエネルギーの増大に伴い、ダンプターゲットが融点以上の高温となり、溶融するおそれがあるといった問題があった。
【０００６】
特に、上記した図３１に示す従来のビームダンプ１では、入射凹部３が荷電粒子ビームの入射軸に沿って円筒形状を成しているため、荷電粒子ビームの入射面が二次元平面（底面４）に集中する上、熱伝導が三次元方向に拡散する（図３１中の矢印参照）。したがって、エネルギー密度が高い状態のまま荷電粒子ビームが熱変換され、入射凹部３の底面４付近が融点以上の高温になり易く、溶融し易いといった問題があった。さらにまた、このビームダンプ１では、ダンプターゲット２が鉄筋コンクリート製の床に載置されているため、ダンプターゲット２の熱が床に伝導し、床が耐熱温度以上となり、劣化するおそれがあるといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶融したり、ダンプターゲットが載置される床が劣化したりすることのないビームダンプを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットと、該ダンプターゲットが載置される金属製架台と、該金属製架台に取り付けられる冷却手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明床スラブの下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるビームダンプであって、前記金属製架台は前記床スラブを貫通し、該金属製架台と前記床スラブとの間には熱緩衝体が設けられ、前記冷却手段は、前記二重ピット内に貯留された冷却水に浸水可能なように前記金属製架台から下方に延出する放熱フィンを備えていてもよい。
【００１０】
さらに、本発明は、前記金属製架台は建屋の床スラブに載置され、前記金属製架台の冷却手段は、一端が該金属製架台に接続されるヒートパイプと、該ヒートパイプの他端に設けられる放熱フィンとを備えていてもよい。
【００１１】
さらに、前記ダンプターゲットの外表面には放熱フィンが設けられているのがよい。
【００１２】
さらに、前記ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されているのがよい。
【００１３】
さらに、前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されているのがよい。
【００１４】
さらに、前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されているのがよく、また、前記入射凹部は円錐形状を成していてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属製架台に冷却手段が取り付けられているため、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によってダンプターゲットが溶融したり、床スラブが劣化したりするおそれがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す側面図、図２は同ビームダンプの正面図である。
【００１８】
本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０は、図示を省略する加速器から加速された荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１と、ダンプターゲット１１が載置される金属製架台１２と、金属製架台１２に取り付けられる冷却手段である下部放熱フィン１３とを備えており、鉄筋コンクリート製の床スラブ１４の下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるようになっている。
【００１９】
ダンプターゲット１１は、立方体又は直方体形状を成し、前記荷電粒子ビームが入射する中心部１５と、中心部１５の周囲に形成される周囲部１６とを備えて構成されている。中心部１５は、直方体形状を成し、周囲部１６より融点の高い材質、例えば鉄（融点１５３５℃、熱伝導率８０．２Ｗ／ｍＫ）により構成されている。また、中心部１５の内部には、中心部１５の一側面１７から荷電粒子ビームの入射軸に沿って水平方向に角柱形状の入射凹部１８が形成されている。
【００２０】
ダンプターゲット１１の周囲部１６は、中心部１５が嵌合可能な通孔１９が形成された直方体形状を成しており、中心部１５より熱伝導率の高い材質、例えば銅（融点１０８４℃、熱伝導率４０１Ｗ／ｍＫ）により構成されている。
【００２１】
なお、ダンプターゲット１１の中心部１５と周囲部１６の材質は、上記した鉄と銅の組合せに限定されるものではなく、例えば、中心部１５をステンレス鋼で構成し、周囲部１６をアルミニウムで構成する等、鉄と銅以外の他の金属の組合せを選択することも可能である。
【００２２】
また、好ましくは、ダンプターゲット１１の周囲部１６の下面を除く５つの外表面には、熱伝導率の高い材質、例えば銅製の上部放熱フィン２０が所定間隔で外方に向かって立設されているのがよい。
【００２３】
金属製架台１２は、熱伝導率の高い材質、例えば銅により構成されており、その外周部２１は階段状に形成されている。そして、金属製架台１２は床スラブ１４を貫通し、金属製架台１２の外周部２１と床スラブ１４との間には熱伝導率の低い材質から成る熱緩衝体、例えば耐熱レンガ２２が介装されている。
【００２４】
冷却手段である下部放熱フィン１３は、熱伝導率の高い材質、例えば銅製であり、金属製架台１２の下面に所定間隔で下方に延出して設けられており、二重ピット内に貯留された冷却水２３に浸水可能となっている。
【００２５】
次に、図３〜図１０を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０を設置する手順について説明する。
【００２６】
先ず、図３に示すように、建屋の杭２４、底盤２５、及び壁部２６のコンクリートを打設した後、図４に示すように、壁部２６の所要箇所に鉄骨梁２７を掛け渡し、この鉄骨梁２７に下部放熱フィン１３及び金属製架台１２を支持させ、ビームダンプ１０の下部構造を完成させる（図５参照）。
【００２７】
次いで、図６に示すように、金属製架台１２の外周部２１に耐熱レンガ２２を階段状に積重した上で、床スラブ１４のコンクリートを打設する。そして、図７に示すように、金属製架台１２の上にダンプターゲット１１の周囲部１６を構成する銅製ブロック片２８を積重すると共に、中心部１５を構成する鉄製ブロック片２９を積重し、金属製架台１２上にダンプターゲット１１を組立てる（図８参照）。
【００２８】
その後、このように組立てたダンプターゲット１１の外表面に上部放熱フィン２０を所定間隔で取り付け、ビームダンプ１０を完成させた後、二重ピット内に冷却水２３を貯留する。
【００２９】
このようにして完成させたビームダンプ１０を使用する場合、前記加速器で加速された高エネルギーの荷電粒子ビームを、図示を省略する粒子導入管を介してダンプターゲット１１に照射し、中心部１５の入射凹部１８に入射させる。そして、入射凹部１８に入射した荷電粒子ビームは、主に入射凹部１８の底面２３に衝突し、熱エネルギーに変換される。
【００３０】
次いで、この時に発生した熱は、ダンプターゲット１１の中心部１５内を三次元方向に拡散して熱伝導し、さらに、周囲部１６内を三次元方向に拡散して熱伝導する。そして、この熱はダンプターゲット１１の外表面及び上部放熱フィン２０から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出されると共に、金属製架台１２に熱伝導し、下部放熱フィン１３から熱伝達によって二重ピット内の冷却水に放出される。
【００３１】
この時、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によって中心部１５は最も高温になるが、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱の温度より融点の高い鉄によって中心部１５が構成されているため、この熱で中心部１５が溶融するおそれはない。また、この熱が中心部１５から周囲部１６に伝導した時にはこの熱の温度が周囲部１６の銅の融点以下まで低下しているため、周囲部１６が溶融するおそれもない。
【００３２】
また、この時、金属製架台１２と床スラブ１４との間に熱伝導率の低い耐熱レンガ２１が介装されており、この耐熱レンガ２１により金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導は大部分が遮断されるため、床スラブ１４の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００３３】
さらにまた、この時、ダンプターゲット１１から金属製架台１２に伝導した熱は、鉄骨梁２７に伝導した後に鉄筋コンクリート製の壁部２６にも伝導するが、壁部２５は冷却水２３により冷却されているため、壁部２６の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、壁部２６が劣化するおそれもない。
【００３４】
次に、図１、図２、及び図１１〜図２７を参照しつつ、従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプのそれぞれに対してコンピュータを使用して数値実験を行った検証結果について説明する。
【００３５】
図１１は数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図、図１２は同ビームダンプの計算モデルを示す正面図である。この従来のビームダンプ１の計算モデルでは、建屋内において、土中温度が１５℃の厚さ５ｍの土（Ｓｏｉｌ）５上に厚さ０．５ｍの鉄筋コンクリート（ＲＣ）製の床６を設け、さらに、この床６上に長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部３が形成された鉄製のダンプターゲット２を載置し、ダンプターゲット２の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット２から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００３６】
図１３は上記した従来のビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１４はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１５は同ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１６はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図１３〜図１６中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の領域をそれぞれ示している（図１１及び図１２参照）。
【００３７】
ビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１３から分かるように、ダンプターゲット２のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図１３中のＦｅ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット２が溶融するおそれはないが、図１４から分かるように、床スラブ６の温度が耐熱温度（図１４中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を超えるため、床スラブ６が劣化するおそれがある。
【００３８】
また、ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１５に示すように、ダンプターゲット２のＣＯＲＥの領域における最大温度が鉄の融点１５３５℃（図１５中のＦｅ−ＭＰ）を超えるため、ダンプターゲット２はＣＯＲＥの領域で溶融するおそれがあると共に、図１６に示すように、床スラブ６の温度が耐熱温度（図１４中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を超えるため、床スラブ６が劣化するおそれがある。
【００３９】
これに対して、図１７は上部放熱フィン２０のないタイプの本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’の計算モデルを示す断面図、図１８は同ビームダンプ１０’の計算モデルを示す正面図である。このビームダンプ１０’の計算モデルでは、長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部１８が形成された鉄製の中心部１５と銅製の周囲部１６とを備えたダンプターゲット１６を厚さ０．５ｍの金属製架台１２の上に載置し、金属製架台１２の下面に高さ２ｍ（その内の１．５ｍが冷却水２３に浸水）、厚さ２ｃｍの下部放熱フィン１３を取り付け、冷却水２３の温度を１０℃、下部放熱フィン１３から冷却水２３への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋ、ダンプターゲット１１の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット１１から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００４０】
図１９は本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２０はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２１は同ビームダンプ１０’に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２２はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図１９〜図２２中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの中心部１５の領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の周囲部１６の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の周囲部１６の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の周囲部１６の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の周囲部１６の領域をそれぞれ示している。
【００４１】
ビームダンプ１０’に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１９から分かるように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃を下回るため、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、図２０から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度を下回るため、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４２】
また、ビームダンプ１０’に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２１に示すように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃を下回るため、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、図２２から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２２中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４３】
次に、図２３は上部放熱フィン２０を設けたタイプの本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０の計算モデルを示す断面図、図２４は同ビームダンプ１０の計算モデルを示す正面図である。このビームダンプ１０の計算モデルでは、長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部１８が形成された鉄製の中心部１５と銅製の周囲部１６とを備えたダンプターゲット１６を厚さ０．５ｍの金属製架台１２の上に載置し、金属製架台１２の下面に高さ２ｍ（その内の１．５ｍが冷却水２３に浸水）、厚さ２ｃｍの下部放熱フィン１３を取り付け、冷却水２３の温度を１０℃、下部放熱フィン１３から冷却水２３への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋ、ダンプターゲット１１の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット１１から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００４４】
図２５は本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２６はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２７は同ビームダンプ１０に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２８はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図２５〜図２８中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの中心部１５の領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の周囲部１６の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の周囲部１６の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の周囲部１６の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の周囲部１６の領域をそれぞれ示している。
【００４５】
ビームダンプ１０に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２５から分かるように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図２５中のＦｅ−ＭＰ）を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃（図２５中のＣｕ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット１１’が溶融するおそれはない。また、図２６から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２６中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４６】
また、ビームダンプ１０に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２７に示すように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図２７中のＦｅ−ＭＰ）を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃（図２７中のＣｕ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット１１’が溶融するおそれはない。また、図２８から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２８中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４７】
したがって、図２９において従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０の検証結果を比較して示すように、従来のビームダンプでは、５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合にダンプターゲットがＣＯＲＥの領域で溶融するおそれがあるのに対して、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０では、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、従来のビームダンプでは、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、床スラブが劣化するおそれがあるのに対して、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０では、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、床スラブ１４が劣化するおそれがない。
【００４８】
このように本発明の実施の形態に係るビームダンプによれば、荷電粒子ビームのエネルギーが増大しても、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶融するおそれがないため、ビームダンプの用途の拡大化を図ることが可能となる。
【００４９】
また、金属製架台１２に取り付けられた下部放熱フィン１３が二重ピット内の冷却水２３によって冷却されると共に、金属製架台１２と床スラブ４との間に介装された耐熱レンガ２１により金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断されるため、床スラブ１４の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、床スラブ１４が劣化するおそれもない。
【００５０】
なお、金属製架台の冷却手段は、上記した下部放熱フィン１３等に限定されるものではなく、例えば、図３０に示すように、建屋の床スラブ上に載置した金属製架台３１の上にダンプターゲット３２が載置されるビートダンプ３０において、一端が金属製架台３１に接続されるヒートパイプ３３と、ヒートパイプ３３の他端に設けられる放熱フィン３４とを備えるように構成する等、各種変形が可能である。
【００５１】
また、ダンプターゲット１１の入射凹部１８の内面には、入射凹部１８が奥行き方向に向かって先細り形状（例えば、円錐形状）となるように三次元曲面の入射面を傾斜して形成してもよい。これにより、荷電粒子ビームがこの入射面に衝突した際に発生する熱エネルギーはダンプターゲット１１内を入射軸に対して放射線状に広範囲に分散するため、入射面の単位面積当たりのエネルギー密度が低下し、入射面の表面温度を一層低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図１１】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図１２】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図１３】従来のビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１４】従来のビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１５】従来のビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１６】従来のビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１７】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図１８】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２３】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す側面図である。
【図２４】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図２５】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２９】従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプの検証結果を比較して示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態に係るビームダンプの変形例を示す斜視図である。
【図３１】従来のビームダンプのダンプターゲットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，１０’ ビームダンプ
１１ ダンプターゲット
１２ 金属製架台
１３ 下部放熱フィン（冷却手段）
１４ 床スラブ
１５ 中心部
１６ 周囲部
１８ 入射凹部
２０ 上部放熱フィン
２２ 耐熱レンガ（熱緩衝体）
２３ 冷却水
３０ ビームダンプ
３１ 金属製架台
３２ ダンプターゲット
３３ ヒートパイプ
３４ 放熱フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器等で加速されて照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陽子や電子などを加速して高エネルギーの荷電粒子ビームを取り出すリニアックやシンクロトロン等の加速器を備えた施設において、加速器で加速された荷電粒子ビームのエネルギーをダンプターゲットに衝突させて崩壊、除去させるためにビームダンプが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３１は従来のビームダンプの一例を示しており、このビームダンプ１は、立方体又は直方体形状の金属製（例えば、鉄製）のダンプターゲット２が建屋内の鉄筋コンクリート製の床に載置されて構成されており、このダンプターゲット２の内部には荷電粒子ビームの入射軸に沿って円柱形状を成す入射凹部３が形成されている。
【０００４】
そして、この入射凹部３に入射した高速の荷電粒子ビームは、ダンプターゲット２に衝突する際に熱エネルギーに変換され、この時に発生した熱はダンプターゲット２の内部を熱伝導し、ダンプターゲット２の外表面から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出され、これにより、ダンプターゲット２は熱的に安定状態を保つようになっている。
【特許文献１】特開平７−３３５３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のビームダンプでは、荷電粒子ビームのエネルギーの増大に伴い、ダンプターゲットが融点以上の高温となり、溶融するおそれがあるといった問題があった。
【０００６】
特に、上記した図３１に示す従来のビームダンプ１では、入射凹部３が荷電粒子ビームの入射軸に沿って円筒形状を成しているため、荷電粒子ビームの入射面が二次元平面（底面４）に集中する上、熱伝導が三次元方向に拡散する（図３１中の矢印参照）。したがって、エネルギー密度が高い状態のまま荷電粒子ビームが熱変換され、入射凹部３の底面４付近が融点以上の高温になり易く、溶融し易いといった問題があった。さらにまた、このビームダンプ１では、ダンプターゲット２が鉄筋コンクリート製の床に載置されているため、ダンプターゲット２の熱が床に伝導し、床が耐熱温度以上となり、劣化するおそれがあるといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶融したり、ダンプターゲットが載置される床が劣化したりすることのないビームダンプを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットと、該ダンプターゲットが載置される金属製架台と、該金属製架台に取り付けられる冷却手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明床スラブの下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるビームダンプであって、前記金属製架台は前記床スラブを貫通し、該金属製架台と前記床スラブとの間には熱緩衝体が設けられ、前記冷却手段は、前記二重ピット内に貯留された冷却水に浸水可能なように前記金属製架台から下方に延出する放熱フィンを備えていてもよい。
【００１０】
さらに、本発明は、前記金属製架台は建屋の床スラブに載置され、前記金属製架台の冷却手段は、一端が該金属製架台に接続されるヒートパイプと、該ヒートパイプの他端に設けられる放熱フィンとを備えていてもよい。
【００１１】
さらに、前記ダンプターゲットの外表面には放熱フィンが設けられているのがよい。
【００１２】
さらに、前記ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されているのがよい。
【００１３】
さらに、前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されているのがよい。
【００１４】
さらに、前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されているのがよく、また、前記入射凹部は円錐形状を成していてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属製架台に冷却手段が取り付けられているため、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によってダンプターゲットが溶融したり、床スラブが劣化したりするおそれがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す側面図、図２は同ビームダンプの正面図である。
【００１８】
本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０は、図示を省略する加速器から加速された荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１と、ダンプターゲット１１が載置される金属製架台１２と、金属製架台１２に取り付けられる冷却手段である下部放熱フィン１３とを備えており、鉄筋コンクリート製の床スラブ１４の下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるようになっている。
【００１９】
ダンプターゲット１１は、立方体又は直方体形状を成し、前記荷電粒子ビームが入射する中心部１５と、中心部１５の周囲に形成される周囲部１６とを備えて構成されている。中心部１５は、直方体形状を成し、周囲部１６より融点の高い材質、例えば鉄（融点１５３５℃、熱伝導率８０．２Ｗ／ｍＫ）により構成されている。また、中心部１５の内部には、中心部１５の一側面１７から荷電粒子ビームの入射軸に沿って水平方向に角柱形状の入射凹部１８が形成されている。
【００２０】
ダンプターゲット１１の周囲部１６は、中心部１５が嵌合可能な通孔１９が形成された直方体形状を成しており、中心部１５より熱伝導率の高い材質、例えば銅（融点１０８４℃、熱伝導率４０１Ｗ／ｍＫ）により構成されている。
【００２１】
なお、ダンプターゲット１１の中心部１５と周囲部１６の材質は、上記した鉄と銅の組合せに限定されるものではなく、例えば、中心部１５をステンレス鋼で構成し、周囲部１６をアルミニウムで構成する等、鉄と銅以外の他の金属の組合せを選択することも可能である。
【００２２】
また、好ましくは、ダンプターゲット１１の周囲部１６の下面を除く５つの外表面には、熱伝導率の高い材質、例えば銅製の上部放熱フィン２０が所定間隔で外方に向かって立設されているのがよい。
【００２３】
金属製架台１２は、熱伝導率の高い材質、例えば銅により構成されており、その外周部２１は階段状に形成されている。そして、金属製架台１２は床スラブ１４を貫通し、金属製架台１２の外周部２１と床スラブ１４との間には熱伝導率の低い材質から成る熱緩衝体、例えば耐熱レンガ２２が介装されている。
【００２４】
冷却手段である下部放熱フィン１３は、熱伝導率の高い材質、例えば銅製であり、金属製架台１２の下面に所定間隔で下方に延出して設けられており、二重ピット内に貯留された冷却水２３に浸水可能となっている。
【００２５】
次に、図３〜図１０を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０を設置する手順について説明する。
【００２６】
先ず、図３に示すように、建屋の杭２４、底盤２５、及び壁部２６のコンクリートを打設した後、図４に示すように、壁部２６の所要箇所に鉄骨梁２７を掛け渡し、この鉄骨梁２７に下部放熱フィン１３及び金属製架台１２を支持させ、ビームダンプ１０の下部構造を完成させる（図５参照）。
【００２７】
次いで、図６に示すように、金属製架台１２の外周部２１に耐熱レンガ２２を階段状に積重した上で、床スラブ１４のコンクリートを打設する。そして、図７に示すように、金属製架台１２の上にダンプターゲット１１の周囲部１６を構成する銅製ブロック片２８を積重すると共に、中心部１５を構成する鉄製ブロック片２９を積重し、金属製架台１２上にダンプターゲット１１を組立てる（図８参照）。
【００２８】
その後、このように組立てたダンプターゲット１１の外表面に上部放熱フィン２０を所定間隔で取り付け、ビームダンプ１０を完成させた後、二重ピット内に冷却水２３を貯留する。
【００２９】
このようにして完成させたビームダンプ１０を使用する場合、前記加速器で加速された高エネルギーの荷電粒子ビームを、図示を省略する粒子導入管を介してダンプターゲット１１に照射し、中心部１５の入射凹部１８に入射させる。そして、入射凹部１８に入射した荷電粒子ビームは、主に入射凹部１８の底面２３に衝突し、熱エネルギーに変換される。
【００３０】
次いで、この時に発生した熱は、ダンプターゲット１１の中心部１５内を三次元方向に拡散して熱伝導し、さらに、周囲部１６内を三次元方向に拡散して熱伝導する。そして、この熱はダンプターゲット１１の外表面及び上部放熱フィン２０から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出されると共に、金属製架台１２に熱伝導し、下部放熱フィン１３から熱伝達によって二重ピット内の冷却水に放出される。
【００３１】
この時、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によって中心部１５は最も高温になるが、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱の温度より融点の高い鉄によって中心部１５が構成されているため、この熱で中心部１５が溶融するおそれはない。また、この熱が中心部１５から周囲部１６に伝導した時にはこの熱の温度が周囲部１６の銅の融点以下まで低下しているため、周囲部１６が溶融するおそれもない。
【００３２】
また、この時、金属製架台１２と床スラブ１４との間に熱伝導率の低い耐熱レンガ２１が介装されており、この耐熱レンガ２１により金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導は大部分が遮断されるため、床スラブ１４の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００３３】
さらにまた、この時、ダンプターゲット１１から金属製架台１２に伝導した熱は、鉄骨梁２７に伝導した後に鉄筋コンクリート製の壁部２６にも伝導するが、壁部２５は冷却水２３により冷却されているため、壁部２６の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、壁部２６が劣化するおそれもない。
【００３４】
次に、図１、図２、及び図１１〜図２７を参照しつつ、従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプのそれぞれに対してコンピュータを使用して数値実験を行った検証結果について説明する。
【００３５】
図１１は数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図、図１２は同ビームダンプの計算モデルを示す正面図である。この従来のビームダンプ１の計算モデルでは、建屋内において、土中温度が１５℃の厚さ５ｍの土（Ｓｏｉｌ）５上に厚さ０．５ｍの鉄筋コンクリート（ＲＣ）製の床６を設け、さらに、この床６上に長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部３が形成された鉄製のダンプターゲット２を載置し、ダンプターゲット２の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット２から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００３６】
図１３は上記した従来のビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１４はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１５は同ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１６はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図１３〜図１６中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の領域をそれぞれ示している（図１１及び図１２参照）。
【００３７】
ビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１３から分かるように、ダンプターゲット２のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図１３中のＦｅ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット２が溶融するおそれはないが、図１４から分かるように、床スラブ６の温度が耐熱温度（図１４中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を超えるため、床スラブ６が劣化するおそれがある。
【００３８】
また、ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１５に示すように、ダンプターゲット２のＣＯＲＥの領域における最大温度が鉄の融点１５３５℃（図１５中のＦｅ−ＭＰ）を超えるため、ダンプターゲット２はＣＯＲＥの領域で溶融するおそれがあると共に、図１６に示すように、床スラブ６の温度が耐熱温度（図１４中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を超えるため、床スラブ６が劣化するおそれがある。
【００３９】
これに対して、図１７は上部放熱フィン２０のないタイプの本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’の計算モデルを示す断面図、図１８は同ビームダンプ１０’の計算モデルを示す正面図である。このビームダンプ１０’の計算モデルでは、長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部１８が形成された鉄製の中心部１５と銅製の周囲部１６とを備えたダンプターゲット１６を厚さ０．５ｍの金属製架台１２の上に載置し、金属製架台１２の下面に高さ２ｍ（その内の１．５ｍが冷却水２３に浸水）、厚さ２ｃｍの下部放熱フィン１３を取り付け、冷却水２３の温度を１０℃、下部放熱フィン１３から冷却水２３への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋ、ダンプターゲット１１の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット１１から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００４０】
図１９は本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２０はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２１は同ビームダンプ１０’に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２２はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図１９〜図２２中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの中心部１５の領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の周囲部１６の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の周囲部１６の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の周囲部１６の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の周囲部１６の領域をそれぞれ示している。
【００４１】
ビームダンプ１０’に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図１９から分かるように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃を下回るため、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、図２０から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度を下回るため、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４２】
また、ビームダンプ１０’に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２１に示すように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃を下回るため、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、図２２から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２２中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４３】
次に、図２３は上部放熱フィン２０を設けたタイプの本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０の計算モデルを示す断面図、図２４は同ビームダンプ１０の計算モデルを示す正面図である。このビームダンプ１０の計算モデルでは、長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部１８が形成された鉄製の中心部１５と銅製の周囲部１６とを備えたダンプターゲット１６を厚さ０．５ｍの金属製架台１２の上に載置し、金属製架台１２の下面に高さ２ｍ（その内の１．５ｍが冷却水２３に浸水）、厚さ２ｃｍの下部放熱フィン１３を取り付け、冷却水２３の温度を１０℃、下部放熱フィン１３から冷却水２３への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋ、ダンプターゲット１１の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット１１から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００４４】
図２５は本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２６はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２７は同ビームダンプ１０に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図２８はその時における床スラブ１４の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図２５〜図２８中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの中心部１５の領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の周囲部１６の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の周囲部１６の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の周囲部１６の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の周囲部１６の領域をそれぞれ示している。
【００４５】
ビームダンプ１０に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２５から分かるように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図２５中のＦｅ−ＭＰ）を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃（図２５中のＣｕ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット１１’が溶融するおそれはない。また、図２６から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２６中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４６】
また、ビームダンプ１０に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、図２７に示すように、ダンプターゲット１１の中心部１５のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図２７中のＦｅ−ＭＰ）を下回ると共に、ダンプターゲット１１の周囲部１６のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃（図２７中のＣｕ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット１１’が溶融するおそれはない。また、図２８から分かるように、床スラブ１４の温度は耐熱温度（図２８中のＲＣ−ｔ−Ｌｉｍｉｔ）を僅かに超えているが、耐熱レンガ２２によって金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断され、床スラブ４の温度が耐熱温度を下回ると考えられるから、床スラブ１４が劣化するおそれはない。
【００４７】
したがって、図２９において従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０の検証結果を比較して示すように、従来のビームダンプでは、５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合にダンプターゲットがＣＯＲＥの領域で溶融するおそれがあるのに対して、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０では、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、ダンプターゲット１１が溶融するおそれはない。また、従来のビームダンプでは、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、床スラブが劣化するおそれがあるのに対して、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’，１０では、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、床スラブ１４が劣化するおそれがない。
【００４８】
このように本発明の実施の形態に係るビームダンプによれば、荷電粒子ビームのエネルギーが増大しても、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶融するおそれがないため、ビームダンプの用途の拡大化を図ることが可能となる。
【００４９】
また、金属製架台１２に取り付けられた下部放熱フィン１３が二重ピット内の冷却水２３によって冷却されると共に、金属製架台１２と床スラブ４との間に介装された耐熱レンガ２１により金属製架台１２から床スラブ１４への熱伝導の大部分が遮断されるため、床スラブ１４の温度が耐熱温度以上に上がることがなく、床スラブ１４が劣化するおそれもない。
【００５０】
なお、金属製架台の冷却手段は、上記した下部放熱フィン１３等に限定されるものではなく、例えば、図３０に示すように、建屋の床スラブ上に載置した金属製架台３１の上にダンプターゲット３２が載置されるビートダンプ３０において、一端が金属製架台３１に接続されるヒートパイプ３３と、ヒートパイプ３３の他端に設けられる放熱フィン３４とを備えるように構成する等、各種変形が可能である。
【００５１】
また、ダンプターゲット１１の入射凹部１８の内面には、入射凹部１８が奥行き方向に向かって先細り形状（例えば、円錐形状）となるように三次元曲面の入射面を傾斜して形成してもよい。これにより、荷電粒子ビームがこの入射面に衝突した際に発生する熱エネルギーはダンプターゲット１１内を入射軸に対して放射線状に広範囲に分散するため、入射面の単位面積当たりのエネルギー密度が低下し、入射面の表面温度を一層低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るビームダンプを示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るビームダンプを設置する手順を示す概略図である。
【図１１】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図１２】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図１３】従来のビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１４】従来のビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１５】従来のビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１６】従来のビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１７】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図１８】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２３】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す側面図である。
【図２４】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図２５】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時における床スラブの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図２９】従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプの検証結果を比較して示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態に係るビームダンプの変形例を示す斜視図である。
【図３１】従来のビームダンプのダンプターゲットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，１０’ ビームダンプ
１１ ダンプターゲット
１２ 金属製架台
１３ 下部放熱フィン（冷却手段）
１４ 床スラブ
１５ 中心部
１６ 周囲部
１８ 入射凹部
２０ 上部放熱フィン
２２ 耐熱レンガ（熱緩衝体）
２３ 冷却水
３０ ビームダンプ
３１ 金属製架台
３２ ダンプターゲット
３３ ヒートパイプ
３４ 放熱フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、
前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットと、
該ダンプターゲットが載置される金属製架台と、
該金属製架台に取り付けられる冷却手段と、
を備えていることを特徴とするビームダンプ。
【請求項２】
床スラブの下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるビームダンプであって、
前記金属製架台は前記床スラブを貫通し、該金属製架台と前記床スラブとの間には熱緩衝体が設けられ、前記冷却手段は、前記二重ピット内に貯留された冷却水に浸水可能なように前記金属製架台から下方に延出する放熱フィンを備えている請求項１に記載のビームダンプ。
【請求項３】
前記金属製架台は建屋の床スラブに載置され、前記金属製架台の冷却手段は、一端が該金属製架台に接続されるヒートパイプと、該ヒートパイプの他端に設けられる放熱フィンとを備えている請求項１に記載のビームダンプ。
【請求項４】
前記ダンプターゲットの外表面に放熱フィンが設けられている請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のビームダンプ。
【請求項５】
前記ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されている請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載のビームダンプ。
【請求項６】
前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されている請求項５に記載のビームダンプ。
【請求項７】
前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されている請求項５又は６に記載のビームダンプ。
【請求項８】
前記入射凹部は円錐形状を成している請求項７に記載のビームダンプ。
【請求項１】
照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、
前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットと、
該ダンプターゲットが載置される金属製架台と、
該金属製架台に取り付けられる冷却手段と、
を備えていることを特徴とするビームダンプ。
【請求項２】
床スラブの下方に二重ピット構造を有する建屋内に設けられるビームダンプであって、
前記金属製架台は前記床スラブを貫通し、該金属製架台と前記床スラブとの間には熱緩衝体が設けられ、前記冷却手段は、前記二重ピット内に貯留された冷却水に浸水可能なように前記金属製架台から下方に延出する放熱フィンを備えている請求項１に記載のビームダンプ。
【請求項３】
前記金属製架台は建屋の床スラブに載置され、前記金属製架台の冷却手段は、一端が該金属製架台に接続されるヒートパイプと、該ヒートパイプの他端に設けられる放熱フィンとを備えている請求項１に記載のビームダンプ。
【請求項４】
前記ダンプターゲットの外表面に放熱フィンが設けられている請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のビームダンプ。
【請求項５】
前記ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されている請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載のビームダンプ。
【請求項６】
前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されている請求項５に記載のビームダンプ。
【請求項７】
前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されている請求項５又は６に記載のビームダンプ。
【請求項８】
前記入射凹部は円錐形状を成している請求項７に記載のビームダンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２００９−２８９４４６（Ｐ２００９−２８９４４６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３７９１２（Ｐ２００８−１３７９１２）
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００１３１７）株式会社熊谷組 (551)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（３０７０２９３１９）エーテック株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００１３１７）株式会社熊谷組 (551)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（３０７０２９３１９）エーテック株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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