中性子発生源用ターゲット
【課題】高エネルギー、大電流の荷電粒子ビームが照射されるターゲットを確実に冷却し、ターゲットが破損した場合であっても真空破壊等の甚大な事故を引き起こすことがないこと。
【解決手段】荷電粒子ビーム２が照射されて中性子を発生するビーム照射部３を有するターゲット板１と、このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板５とを備えている。
さらにビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構９、１０とを備えていることを特徴とする。
【解決手段】荷電粒子ビーム２が照射されて中性子を発生するビーム照射部３を有するターゲット板１と、このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板５とを備えている。
さらにビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構９、１０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】
この発明は、高エネルギーの荷電粒子ビームをターゲットに照射して中性子を発生させる中性子発生源用ターゲットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の中性子発生源用ターゲットでは、ターゲットを真空装置内に設置し真空中を飛来する荷電粒子（例えば陽子）が照射する片面を真空中に保持し、反対側の片面に冷媒（例えば冷却水）が接触するように流して、高エネルギー陽子ビームがターゲット内部で損失するエネルギーによってターゲットに付与される熱量を取り除いていた。
【０００３】
ここでホウ素中性子補足療法（Boron neutron capture therapy; BNCT、腫瘍内部に選択的に留められたホウ素化合物に体外から中性子を照射することによりホウ素と核反応を生じさせ、核分裂したヘリウムとリチウム原子核により腫瘍細胞のＤＮＡのみ局部的に破壊するという治療方法）に必要な中性子線量は大きく、この線量を得るために陽子線は高エネルギー（例えば２０ＭｅＶ以上）かつ大電流（数１００μＡ）にてターゲットに照射する必要がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４７１１５（７−１４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
入射エネルギーが５０ＭｅＶ、電流が３００μＡの陽子ビームをターゲットに照射して、ターゲットを通過後２０ＭｅＶまで減速する場合、ターゲットでの発熱量は９ｋＷであり、陽子ビームの直径を５０ｍｍとしてこの円形領域に一様に照射されるとすると、単位面積あたりの発熱密度は〜４．６Ｗ／ｍｍ２にもなる。
このような高発熱密度の状態においても使用可能とするためには、耐熱温度の高いタングステンやタンタル等の高融点金属が選定されるが、このような場合であっても特許文献１に示すようにターゲットの反対側片面を直接水冷する必要があり、このような構成においてはターゲット自体が水と真空の隔壁となっている。
【０００６】
上記に示した構成の中性子発生源用ターゲットにおいては、繰り返し加えられる熱応力により金属疲労をおこしターゲットに亀裂を生じたり、あるいはターゲットを冷却する冷媒の流量が低下した場合にはターゲットが溶融したりすることにより、ターゲットが破損した場合には真空の隔壁が破壊されることになるため、ターゲットの反対側片面に残留している水が真空容器内に流れ込み、真空容器が水浸しになるという甚大な事故を引き起こす恐れがある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高エネルギー、大電流の荷電粒子ビームが照射されるターゲットを確実に冷却し、ターゲットが破損した場合であっても真空破壊等の甚大な事故を引き起こすことがない中性子発生源用ターゲットを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る中性子発生源用ターゲットは、荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有するターゲット板と、このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板とを備えている。
さらにビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板のビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構を備えているため、ビーム照射部の移動によりビームが照射される面積を実質的に拡大させることができて、単位面積あたりの発熱密度を低減させることができるのと同時に、このビーム照射部を吸熱板の対向位置に配置させることにより輻射を効率的に行うことができビーム照射部からの除熱を確実に行うことができる。
また、荷電粒子ビームが照射されるターゲット板と冷却構造を有する吸熱板とが間隔をおいて配置され別部品となっているため、ターゲット板が破損した場合でも冷媒の供給される吸熱板には影響を与えずに済むため、真空破壊等の甚大な事故を引き起こすこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が円板形状であるもの）の外形図である。
【図２】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が帯状形状であるもの）の外形図である。
【図３】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が円筒形状であるもの）の外形図である。
【図４】本発明の実施の形態２における、ベリリウムをターゲット板の材料に用いた場合の入射エネルギーとストッピングパワーとの関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態３における、ベリリウムをターゲット板の材料に用いた場合の入射エネルギーと中性子発生効率との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態３による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図９】本発明の実施の形態４による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図１０】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットの正面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットの平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板をエアロック室に退避した時の正面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板をエアロック室に退避した時の平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板を吊り下げ準備時の正面図である。
【図１５】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板を搬出する時の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態に係る中性子発生用ターゲットは６枚のターゲット板１をビーム進行方向に沿って順に並べて真空容器中に配置したものであり、その外形図を図１に示す（真空容器は本図において示していない）。ターゲット板１は陽子ビーム（荷電粒子ビーム）２が照射されるビーム照射部３を有し、陽子ビーム２がこのビーム照射部３に照射され、６枚のターゲット板１を通過する度にエネルギーを失い、その際にターゲット板１を構成する材料原子と核反応によって中性子４が発生する。
【００１２】
ターゲット板１の材料原子と核反応することによって発生した中性子４は、陽子ビーム２とターゲット板１の材料原子との衝突点を中心に全方向に広がるが、反射材（図示しない）を用いて中性子引き出し穴に集められ、減速材（図示しない）を用いて熱中性子レベルまで減速された上で、ＢＮＣＴ等の中性子利用に供される。この当たりの構成については、特許文献１に示されたものと同様である。
【００１３】
ターゲット板１と間隔をおいて吸熱板５が配置されており、この実施の形態では図１のＡ−Ａ断面に示すように吸熱板５の内部には水冷管６が蛇行して埋め込まれている。また、吸熱板５は図示しない真空容器中に固定設置されており、この真空容器の外部につながる配管により冷却水が供給されている。
【００１４】
本実施の形態におけるターゲット板１は薄肉のものを想定しているため、機械的な強度を保つために比較的肉厚の円板形状を有する支持板７の外周部にリング状に取り付けられているが、強度的に成立するのであればターゲット板１自体が円板形状のものを用いても良い。各支持板７の中心部に回転軸８が貫通して取り付けられており、この回転軸８は歯車９によって方向を転換して駆動軸１０に連結されている。駆動軸１０を図示しないモータ等の動力により回転することにより回転軸８及び支持板７とターゲット板１を回転することができる。
【００１５】
吸熱板５は陽子ビーム２をターゲット板１のビーム照射部３に照射させるように切り欠き部１１が形成されているため、ターゲット板１を回転しない状態においてはビーム照射部３は吸熱板５と対向する位置に配置されていないが、上述のターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）によってビーム照射部３を吸熱板５に対向する位置に移動させることができる。
【００１６】
以下に本実施の形態において、陽子ビーム２がターゲット板１に照射される場合について熱計算を行う。５０ＭｅＶ、３００μＡの陽子ビーム２が６枚のターゲット板１を通過後２０ＭｅＶまで減速するとすると、ターゲット板１に付与されるエネルギーは前述のとおり９ｋＷとなる。
ここで、ターゲット板１をターゲット駆動機構によって回転することによりビーム照射面積を実質的に拡大することができる。この計算においては、陽子ビーム２の直径Ｄ＝５０ｍｍ、陽子ビーム２の中心が回転軸８からｒ＝４００ｍｍのところに照射されるとすると、ビーム照射面積は２πｒ・Ｄとなる。
【００１７】
ターゲット板１は陽子ビーム２からの入熱により温度が上昇するが、回転軸８を介しての熱伝導による冷却の寄与は小さく、また真空容器中に配置されているため対流による熱伝達も期待できず、主としてターゲット板１から吸熱板５に対する輻射によって冷却されることとなる。前記ビーム照射面積のうち、輻射の対象となる面積は、吸熱板５に切り欠き部１１が設けられているためこの部分はターゲット板１に対向する吸熱板５が存在しないため、この部分の面積を減じて、（２πｒ−Ｄ）・Ｄ＝０．１２３ｍ２となる。図１に示すとおりターゲットを６枚構成とすると、輻射による除熱能力が９ｋＷ／０．１２３ｍ２／６＝１２．２ｋＷ／ｍ２以上であれば冷却可能であることとなる。尚、吸熱板５は水冷管６による水冷方式を採用しているため、上記の発熱程度であれば吸熱板５自体の温度上昇が問題となることはない。
【００１８】
下記の単位面積あたりの熱輻射に関する（式１）を用いて、ターゲット板１の温度がどの程度まで上昇すれば上記の除熱能力を確保できるかを求める。
Ｑ＝σ（Ｔ１４−Ｔ２４） （式１）
ここで、σ（ステファンボルツマン定数）＝５．６６８７×１０−８（Ｗ／ｍ２・Ｋ４）
Ｔ１：高温（ターゲット板１）側の温度（Ｋ）
Ｔ２：低温（吸熱板５）側の温度（Ｋ）
Ｔ２を常温（２５＋２７３Ｋ）とすると、Ｔ１＝６８７Ｋ（４１４℃）であり、これは高融点材料としてタングステン（融点：３４２２℃）、タンタル（融点：２９９０℃）などの融点よりも十分低いことは言うまでもなく、低エネルギーの陽子ビーム２に対しても中性子発生効率の高いベリリウム（融点：１３００℃）よりも低く、これらの材料をターゲット板１として使用する上で全く問題ない。
【００１９】
なお、図１にはターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）によって円板形状のターゲット１を回転軸８の周りに回転させることにより、ビーム照射面積を実質的に拡大させ、またビーム照射部３を吸熱板５の対向位置に配置させることにより、輻射を効率的に行うこととしてきたが、図２や図３に示すような別の形態においても同様な機能を発揮することができる。
【００２０】
図２に示す中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１ａは帯状形状であり、ターゲット駆動機構は、このターゲット板１ａを巻き取るローラ１２を有しており、このローラ１２を回転することにより吸熱板５ａの切り欠き部１１ａにおけるビーム照射部３ａを吸熱板５ａに対向する位置に移動させることにより、輻射を効率的に行うことができる。
【００２１】
また、図３に示す中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１ｂは円筒形状であり、ターゲット駆動機構は、このターゲット板１ｂの中心軸周りに回転させる図示しない回転駆動機構を有しており、ターゲット板１ｂを回転することにより吸熱板５ａの穴部１１ｂにおけるビーム照射部３ｂを吸熱板５ｂに対向する位置に移動させることにより、輻射を効率的に行うことができる。
【００２２】
以上のとおり本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１のビーム照射部３を吸熱板５に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）を備えているため、ビーム照射部３の移動によりビームが照射される面積を実質的に拡大させることができて、単位面積あたりの発熱密度を低減させることができるのと同時に、このビーム照射部３を吸熱板５の対向位置に配置させることにより輻射を効率的に行うことができビーム照射部３からの除熱を確実に行うことができる。
また、荷電粒子ビームが照射されるターゲット板１と冷却構造６を有する吸熱板５とが間隔をおいて配置され別部品となっているため、ターゲット板１が破損した場合でも冷却水の供給される吸熱板５には影響を与えずに済むため、真空破壊等の甚大な事故を引き起こすこともない。
実施の形態２．
【００２３】
図４は、ベリリウムをターゲット板１の材料として使用した場合に、横軸にターゲット板１に入射する陽子ビーム２のエネルギー（単位：ＭｅＶ）、縦軸に単位厚み当たりのエネルギー損失量であるストッピングパワー（阻止能、単位：ＭｅＶ／ｍｍ）をプロットして示したものである。図４から判るとおり、入射エネルギーが高くなるほどストッピングパワーが小さく、逆に入射エネルギーが低いほどストッピングパワーが大きくなる。従って、図１に示すようにターゲット板１を複数枚ビーム進行方向に沿って配置した場合には、最上流に配置されたターゲット板１は入射エネルギーが高いため、ストッピングパワーが小さく、最下流に配置されたターゲット板１ほどストッピングパワーが大きいということになる。
【００２４】
上記から、ターゲット板１の厚みを全て均等にすると、最下流に配置されたものほどビームエネルギーの損失量、すなわちターゲット板１における発熱量が大きいものとなるため、最下流のターゲット板１の許容温度上昇によって荷電粒子ビーム強度及び中性子発生量が制約されてしまうこととなる。本実施の形態２に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されるとなっていることを特徴とする。このことにより、各ターゲット板１に入射する荷電粒子ビームのエネルギーに対応するストッピングパワーの相違によって、発熱量、及び温度上昇値にばらつきが生じるのを低減することができる。
【００２５】
更に望ましくは、各ターゲット板１での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例してターゲット板１の厚みを定めるようにすればよい。
例えば、３０ＭｅＶの陽子ビーム１を６ＭｅＶまでを図５に示すように３枚のターゲット板１（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）でエネルギーを減衰させる場合、各ターゲット１でのエネルギー減衰範囲を、
ターゲットＴａ：３０〜２２ＭｅＶ
ターゲットＴｂ：２２〜１４ＭｅＶ
ターゲットＴｃ：１４〜６ＭｅＶ
のように定める。
【００２６】
この場合、各ターゲットにおける平均ストッピングパワーは、
Ｅａ＝３．１ＭｅＶ／ｍｍ
Ｅｂ＝４．２ＭｅＶ／ｍｍ
Ｅｃ＝７．６ＭｅＶ／ｍｍ
となるので、ターゲット板１の厚みを、
ｔａ＝（３０−２２）／３．１＝２．５８ｍｍ
ｔｂ＝（２２−１４）／４．２＝１．９０ｍｍ
ｔｃ＝（１４−６）／７．６＝１．０５ｍｍ
と設定すれば、各ターゲット板１における発熱、及び温度上昇をほぼ等しくすることができる。
【００２７】
以上のとおり、図５に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されるとなっているため、各ターゲット板１に入射する荷電粒子ビームのエネルギーに対応するストッピングパワーの相違によって、発熱量、及び温度上昇値にばらつきが生じるのを低減することができる。
更に、ターゲット板１は、各ターゲット板１での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例してターゲット板１の厚みが定められているため、各ターゲット板１における発熱、及び温度上昇をほぼ等しくすることができる。
実施の形態３．
【００２８】
図６には、ベリリウムをターゲット板１の材料として用いた場合に、横軸に陽子ビーム２の入射エネルギー（単位：ＭｅＶ）を取り、縦軸にはベリリウムと陽子ビーム１との衝突によって中性子４が発生する核反応の断面積（単位：ｍｂ）を取って示したものであり、陽子ビーム２の入射エネルギーによって中性子の発生効率がどのような変化をするかを読み取ることができる。本図から陽子ビーム２の入射エネルギーが約５ＭｅＶ以上の場合には中性子発生効率はほぼ一定であるが、約５ＭｅＶ以下の場合に急激に低減することが判る。
【００２９】
一方、高融点金属であるタングステンやタンタルについては、陽子ビーム２の入射エネルギーが約２０ＭｅＶ以下の領域において中性子発生効率が大きく低減することが知られている。ここで、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、図７に示すような例えば２枚のターゲット板１から構成されており、高エネルギー（例えば２０ＭｅＶ以上）の陽子ビーム２が入射するターゲットＴａについては、タングステン又はタンタル等の高融点金属を用い、ターゲットＴａにおいて減速されたエネルギー（例えば５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満）の陽子ビーム２が入射するターゲットＴｂについては、ベリリウムを用いている。
【００３０】
なお、ビーム進行方向の最下流側に配置された１３はターゲット板１ではなくビームストッパである。前述のとおり陽子ビーム２のエネルギーが５ＭｅＶ以下まで減速された場合には比較的中性子発生効率の高いベリリウムを使用しても効率的に中性子を発生することは困難である。このため、５ＭｅＶ以下のエネルギーまで減速された陽子ビーム２に対しては、より高温まで加熱でき、輻射伝熱を効率よく利用できる材料として、タングステンやタンタル等の高融点金属、又はグラファイトを用いることにより、効率よくビームを停止することができる。ちなみに、吸熱板５のうち最下流に配置された１枚は、その上流側に配置されたビームストッパ１３により陽子ビーム２は止められ、陽子ビームが通過することはなく、また、吸熱板５とビームストッパ１３との対向面積を増やして輻射効率を上げることができるため、陽子ビーム通過用の切り欠き１１を設けない方がよい。
【００３１】
以上のとおり、図７に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板は、各ターゲット板に入射する陽子ビーム２のエネルギーが２０ＭｅＶ以上の高エネルギーの場合にはタングステン又はタンタルを用いているため、ターゲット板１が高温状態になるまで使用することができ、輻射熱量を大きくすることができる。従って、ターゲット板１の１枚あたりの冷却効率をアップすることができ、ターゲット総枚数を低減することができる。
また、各ターゲット板に入射する陽子ビーム２のエネルギーが５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満の比較的低エネルギーの場合にはベリリウムを用いているため、中性子発生効率を増大することができ、逆にベリリウムを用いない場合と比較すると同じ中性子量を得るのに陽子ビーム２の電流を下げることができ、冷却条件を緩和することができる
実施の形態４．
【００３２】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１又は吸熱板５の表面には、輻射伝熱の効率を上げるために黒化処理により黒化膜１４を形成したものである。黒化処理は、例えばニッケルメッキ、クロムメッキ等により行うことができるが、表面に無反射の黒化膜１４を形成できればこれ以外の方法であってもかまわない。実施の形態１の図１に示すようにターゲット板１の内周側に支持板７を備えた構成の場合には、支持板７の表面にも黒化膜１４を形成したほうが良い。このことによりターゲット板１から熱伝導により伝わった熱を支持板７の表面からも輻射により放熱することができ、更に効率的なターゲット板１の冷却が可能となる。
黒化処理は、輻射側のターゲット板１及び支持板７と被輻射側の吸熱側５の両方に施すのが最も輻射熱量を大きくすることができるが、少なくともいずれかにおいて黒化処理が施されていれば輻射効率を上げることが期待される。
【００３３】
なお、実施の形態３に記載したとおり、陽子ビーム２のエネルギーが２０ＭｅＶ未満に減速された下流側のターゲット板１の材料としては低エネルギー領域における中性子発生効率のよいベリリウムを用いることがある。ベリリウムは比較的融点が低くターゲット板１におけるエネルギー損失を低く抑えるためには、ターゲット板１の厚みを薄くする必要があるため、黒化膜１４の厚みとターゲット板１の厚みとが大差のない状況となりえる。
このような場合には中性子を発生することができない黒化膜１４を施しても発熱のみが増えるばかりで、肝心の中性子線量を増やすことができなくなるため、図８に示すように下流側のベリリウムのターゲット板１には黒化処理を施さない方が良い。
【００３４】
以上のとおり、図８に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１又は吸熱板５の少なくとも一方は黒化処理が施されているため、更に効率的なターゲット板１の冷却が可能となる。
実施の形態５．
【００３５】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、図９に示すように陽子ビーム２に対して振動磁場を印加することにより、ターゲット板１におけるビーム照射部３の位置を振動させる振動磁場発生装置１５を備えている。実施の形態１の図１に示すように、ターゲット板１は回転軸８を中心として回転しているため、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーは前述のとおり、切り欠き部１１を考慮しなければおおよそビーム照射部３の中心軌跡長（２πｒ）とビーム照射部３の直径（Ｄ）とを乗じた面積（２πｒ・Ｄ）に分散されることとなる。
【００３６】
ここで、本実施の形態においては、振動磁場発生装置１５によって、ビーム照射部３の位置が半径方向に振動されることになるため、ビーム照射部の中心軌跡は半径ｒの円軌道を中心として振動するものとなり、中心軌跡長は振動しない場合と比べて長くなる。従って、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーはより大きな面積に分散されることとなる。なお、本実施の形態においては、振動磁場発生装置１５を用いて陽子ビーム２に対して振動磁場を印加したが、振動電場発生装置を用いて陽子ビーム２に振動電場を印加しても同様な効果をえることができることは言うまでもない。
【００３７】
以上のとおり、図９に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、荷電粒子ビームに対して振動磁場を印加することにより、ビーム照射部３の位置を振動させる振動磁場発生装置１５を備えているため、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーをより大きな面積に分散させることができる。従って、単位面積あたりの発熱密度を更に低減させることができるのと同時に、ビーム照射部３と吸熱板５との対向面積も増やすことができるため、輻射による除熱を更に効率的に行うことができる。
実施の形態６．
【００３８】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットの正面図を図１０に、平面図を図１１に各々示す。真空容器１６はターゲット板１や吸熱板５を収納して陽子ビーム２により照射が行われる照射室１７と、ターゲット板１を交換するためにこれを一時的に退避させるためのエアロック室１８の２室から構成され、照射室１６とエアロック室１７との間には両室を仕切る第１のゲートバルブ１９が、エアロック室１７の上部にはエアロック室１７と真空容器１６の外部との間を仕切る第２のゲートバルブ２０が各々設けられている。２１はエアロック室の真空排気を行うための真空ポンプである。
【００３９】
エアロック室１８側の真空容器１６の外部からシャフト２２が挿入されており、第１のゲートバルブ１９を介して照射室１７の内部へ挿抜自在に構成されている。実施の形態１の図１に示したように、ターゲット板１は円板形状であり中心部には回転軸８を有しているが、この回転軸８はシャフト２２の軸支持部２３に設けられたボールベアリング２４（軸受部）によって回転自在に支持されている。また、ビーム進行方向の最上流側と最下流側に配置された吸熱板５に取り付けられた軸固定部２５に対して、シャフト２２を押し込むことにより軸支持部２３を介してボールベアリング２４を押し付けており、ボールベアリング２４は軸支持部２３と軸固定部２５の間に挟みこまれるようにして固定されるため、ターゲット板１は回転軸８の周りを安定して回転することができる。
【００４０】
ターゲット板１は長期間にわたる陽子ビーム２の照射による照射損傷や、高温状態と低温状態との繰り返しの熱応力による機械的な損傷を受けるため、定期的に交換を行う必要がある。以下にターゲット板１の交換手順について説明する。
まず、シャフト２２をエアロック室１８の方に引き抜くと、軸支持部２３に保持されたボールベアリング２４が軸固定部２５から離れ、ターゲット板１を軸支持部２３に載せたままエアロック室１８に退避させることができる。この状態で第１のゲートバルブ１９を閉とする。また、このとき吸熱板１や駆動軸１０等のターゲット駆動機構については照射室１６に固定され、残留したままである（図１２、図１３参照）。
【００４１】
その後、エアロック室１８に空気が導入され、エアロック室１８の内部が大気圧になったときに、第２のゲートバルブ２０を開とする。第２のゲートバルブ２０を介してターゲット板１の搬出装置であるフック２６をエアロック室１８内まで降下させ、フック２６を回転軸８の真下の位置に配置する（図１４）。フック２３を上昇させることにより、ターゲット板１を真空容器１６から取り出すことができる（図１５）。
【００４２】
新しいターゲット板１をセットする場合には、基本的には上記とは逆の手順にて行えばよい。
すなわち、（１）ターゲット板１をフック２６により降下、軸支持部２３にて保持、（２）第２のゲートバルブ２０を閉、（３）真空ポンプ２１によりエアロック室１８の内部を真空排気、（４）第１のゲートバルブ１９を開、（５）シャフト２２を照射室１７内に挿入、（６）ボールベアリング２４を軸固定部２５に押し付けて固定、という手順で行う。
【００４３】
ここで、上記手順（６）においては回転軸８と駆動軸１０に設けられた歯車９が互いに噛み合うように、駆動軸８を若干回転させる必要がある点に注意する。また、フック２６、回転軸８、軸支持部２３の各々に図示されていないガイドを設けておけば、フック２６と回転軸８の間、及び回転軸８と軸支持部２３の間で容易に位置決めが行えるようになるため、一層ターゲット板１の交換作業を迅速に行うことができる。
【００４４】
以上のとおり、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、真空容器１６の内部へ挿抜自在に構成されたシャフト２２とを備えており、回転軸８を中心部に有する円板形状のターゲット板１がシャフト２２に設けられた軸受部２４によって回転自在に支持されているため、陽子ビーム２の照射により高度に放射化したターゲット板１に直接手を触れないで照射室１７から退避させることができ、ターゲット１の交換のための準備作業において作業者の被曝量を低減することができる。
【００４５】
更に、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、真空容器１６は照射室１７とエアロック室１８とを有し、照射室１７とエアロック室１８との間を仕切る第１のゲートバルブ１９と、エアロック室１８と真空容器１６の外部との間を仕切る第２のゲートバルブ２０と、前記エアロック室１８から前記第１のゲートバルブ１９を介して前記照射室の内部へ挿抜自在に構成されたシャフト２２とを備えており、回転軸８を中心部に有する円板形状のターゲット板１がシャフト２２に設けられた軸受部２４によって回転自在に支持されているため、陽子ビーム２の照射により高度に放射化したターゲット板１に直接手を触れないで照射室１７からエアロック室１８に退避させることができ、ターゲット１の交換のための準備作業において作業者の被曝量を低減することができると同時に、照射室１７内の真空を保持したままターゲット板１を搬出することが可能となるため、陽子ビーム２を照射するための起動に要する時間を短縮できるという利点もある。
【符号の説明】
【００４６】
１、１ａ、１ｂ ターゲット板
２、２ａ、２ｂ 陽子ビーム
３、３ａ、３ｂ ビーム照射部
４ 中性子
５、５ａ、５ｂ 吸熱板
６ 水冷管
７ 支持板
８ 回転軸
９ 歯車
１０ 駆動軸
１１、１１ａ 切り欠き
１１ｂ 穴
１２ ローラ
１４ 黒化膜
１５ 振動磁場発生装置
１６ 真空容器
１７ 照射室
１８ エアロック室
１９ 第１のゲートバルブ
２０ 第２のゲートバルブ
２２ シャフト
２４ ボールベアリング
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高エネルギーの荷電粒子ビームをターゲットに照射して中性子を発生させる中性子発生源用ターゲットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の中性子発生源用ターゲットでは、ターゲットを真空装置内に設置し真空中を飛来する荷電粒子（例えば陽子）が照射する片面を真空中に保持し、反対側の片面に冷媒（例えば冷却水）が接触するように流して、高エネルギー陽子ビームがターゲット内部で損失するエネルギーによってターゲットに付与される熱量を取り除いていた。
【０００３】
ここでホウ素中性子補足療法（Boron neutron capture therapy; BNCT、腫瘍内部に選択的に留められたホウ素化合物に体外から中性子を照射することによりホウ素と核反応を生じさせ、核分裂したヘリウムとリチウム原子核により腫瘍細胞のＤＮＡのみ局部的に破壊するという治療方法）に必要な中性子線量は大きく、この線量を得るために陽子線は高エネルギー（例えば２０ＭｅＶ以上）かつ大電流（数１００μＡ）にてターゲットに照射する必要がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４７１１５（７−１４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
入射エネルギーが５０ＭｅＶ、電流が３００μＡの陽子ビームをターゲットに照射して、ターゲットを通過後２０ＭｅＶまで減速する場合、ターゲットでの発熱量は９ｋＷであり、陽子ビームの直径を５０ｍｍとしてこの円形領域に一様に照射されるとすると、単位面積あたりの発熱密度は〜４．６Ｗ／ｍｍ２にもなる。
このような高発熱密度の状態においても使用可能とするためには、耐熱温度の高いタングステンやタンタル等の高融点金属が選定されるが、このような場合であっても特許文献１に示すようにターゲットの反対側片面を直接水冷する必要があり、このような構成においてはターゲット自体が水と真空の隔壁となっている。
【０００６】
上記に示した構成の中性子発生源用ターゲットにおいては、繰り返し加えられる熱応力により金属疲労をおこしターゲットに亀裂を生じたり、あるいはターゲットを冷却する冷媒の流量が低下した場合にはターゲットが溶融したりすることにより、ターゲットが破損した場合には真空の隔壁が破壊されることになるため、ターゲットの反対側片面に残留している水が真空容器内に流れ込み、真空容器が水浸しになるという甚大な事故を引き起こす恐れがある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高エネルギー、大電流の荷電粒子ビームが照射されるターゲットを確実に冷却し、ターゲットが破損した場合であっても真空破壊等の甚大な事故を引き起こすことがない中性子発生源用ターゲットを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る中性子発生源用ターゲットは、荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有するターゲット板と、このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板とを備えている。
さらにビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板のビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構を備えているため、ビーム照射部の移動によりビームが照射される面積を実質的に拡大させることができて、単位面積あたりの発熱密度を低減させることができるのと同時に、このビーム照射部を吸熱板の対向位置に配置させることにより輻射を効率的に行うことができビーム照射部からの除熱を確実に行うことができる。
また、荷電粒子ビームが照射されるターゲット板と冷却構造を有する吸熱板とが間隔をおいて配置され別部品となっているため、ターゲット板が破損した場合でも冷媒の供給される吸熱板には影響を与えずに済むため、真空破壊等の甚大な事故を引き起こすこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が円板形状であるもの）の外形図である。
【図２】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が帯状形状であるもの）の外形図である。
【図３】本発明の実施の形態１による中性子発生源用ターゲット（ターゲット板が円筒形状であるもの）の外形図である。
【図４】本発明の実施の形態２における、ベリリウムをターゲット板の材料に用いた場合の入射エネルギーとストッピングパワーとの関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態３における、ベリリウムをターゲット板の材料に用いた場合の入射エネルギーと中性子発生効率との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態３による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図９】本発明の実施の形態４による中性子発生源用ターゲットのターゲット板部の部分拡大図である。
【図１０】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットの正面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットの平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板をエアロック室に退避した時の正面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板をエアロック室に退避した時の平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板を吊り下げ準備時の正面図である。
【図１５】本発明の実施の形態５による中性子発生源用ターゲットにおいて、ターゲット板を搬出する時の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態に係る中性子発生用ターゲットは６枚のターゲット板１をビーム進行方向に沿って順に並べて真空容器中に配置したものであり、その外形図を図１に示す（真空容器は本図において示していない）。ターゲット板１は陽子ビーム（荷電粒子ビーム）２が照射されるビーム照射部３を有し、陽子ビーム２がこのビーム照射部３に照射され、６枚のターゲット板１を通過する度にエネルギーを失い、その際にターゲット板１を構成する材料原子と核反応によって中性子４が発生する。
【００１２】
ターゲット板１の材料原子と核反応することによって発生した中性子４は、陽子ビーム２とターゲット板１の材料原子との衝突点を中心に全方向に広がるが、反射材（図示しない）を用いて中性子引き出し穴に集められ、減速材（図示しない）を用いて熱中性子レベルまで減速された上で、ＢＮＣＴ等の中性子利用に供される。この当たりの構成については、特許文献１に示されたものと同様である。
【００１３】
ターゲット板１と間隔をおいて吸熱板５が配置されており、この実施の形態では図１のＡ−Ａ断面に示すように吸熱板５の内部には水冷管６が蛇行して埋め込まれている。また、吸熱板５は図示しない真空容器中に固定設置されており、この真空容器の外部につながる配管により冷却水が供給されている。
【００１４】
本実施の形態におけるターゲット板１は薄肉のものを想定しているため、機械的な強度を保つために比較的肉厚の円板形状を有する支持板７の外周部にリング状に取り付けられているが、強度的に成立するのであればターゲット板１自体が円板形状のものを用いても良い。各支持板７の中心部に回転軸８が貫通して取り付けられており、この回転軸８は歯車９によって方向を転換して駆動軸１０に連結されている。駆動軸１０を図示しないモータ等の動力により回転することにより回転軸８及び支持板７とターゲット板１を回転することができる。
【００１５】
吸熱板５は陽子ビーム２をターゲット板１のビーム照射部３に照射させるように切り欠き部１１が形成されているため、ターゲット板１を回転しない状態においてはビーム照射部３は吸熱板５と対向する位置に配置されていないが、上述のターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）によってビーム照射部３を吸熱板５に対向する位置に移動させることができる。
【００１６】
以下に本実施の形態において、陽子ビーム２がターゲット板１に照射される場合について熱計算を行う。５０ＭｅＶ、３００μＡの陽子ビーム２が６枚のターゲット板１を通過後２０ＭｅＶまで減速するとすると、ターゲット板１に付与されるエネルギーは前述のとおり９ｋＷとなる。
ここで、ターゲット板１をターゲット駆動機構によって回転することによりビーム照射面積を実質的に拡大することができる。この計算においては、陽子ビーム２の直径Ｄ＝５０ｍｍ、陽子ビーム２の中心が回転軸８からｒ＝４００ｍｍのところに照射されるとすると、ビーム照射面積は２πｒ・Ｄとなる。
【００１７】
ターゲット板１は陽子ビーム２からの入熱により温度が上昇するが、回転軸８を介しての熱伝導による冷却の寄与は小さく、また真空容器中に配置されているため対流による熱伝達も期待できず、主としてターゲット板１から吸熱板５に対する輻射によって冷却されることとなる。前記ビーム照射面積のうち、輻射の対象となる面積は、吸熱板５に切り欠き部１１が設けられているためこの部分はターゲット板１に対向する吸熱板５が存在しないため、この部分の面積を減じて、（２πｒ−Ｄ）・Ｄ＝０．１２３ｍ２となる。図１に示すとおりターゲットを６枚構成とすると、輻射による除熱能力が９ｋＷ／０．１２３ｍ２／６＝１２．２ｋＷ／ｍ２以上であれば冷却可能であることとなる。尚、吸熱板５は水冷管６による水冷方式を採用しているため、上記の発熱程度であれば吸熱板５自体の温度上昇が問題となることはない。
【００１８】
下記の単位面積あたりの熱輻射に関する（式１）を用いて、ターゲット板１の温度がどの程度まで上昇すれば上記の除熱能力を確保できるかを求める。
Ｑ＝σ（Ｔ１４−Ｔ２４） （式１）
ここで、σ（ステファンボルツマン定数）＝５．６６８７×１０−８（Ｗ／ｍ２・Ｋ４）
Ｔ１：高温（ターゲット板１）側の温度（Ｋ）
Ｔ２：低温（吸熱板５）側の温度（Ｋ）
Ｔ２を常温（２５＋２７３Ｋ）とすると、Ｔ１＝６８７Ｋ（４１４℃）であり、これは高融点材料としてタングステン（融点：３４２２℃）、タンタル（融点：２９９０℃）などの融点よりも十分低いことは言うまでもなく、低エネルギーの陽子ビーム２に対しても中性子発生効率の高いベリリウム（融点：１３００℃）よりも低く、これらの材料をターゲット板１として使用する上で全く問題ない。
【００１９】
なお、図１にはターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）によって円板形状のターゲット１を回転軸８の周りに回転させることにより、ビーム照射面積を実質的に拡大させ、またビーム照射部３を吸熱板５の対向位置に配置させることにより、輻射を効率的に行うこととしてきたが、図２や図３に示すような別の形態においても同様な機能を発揮することができる。
【００２０】
図２に示す中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１ａは帯状形状であり、ターゲット駆動機構は、このターゲット板１ａを巻き取るローラ１２を有しており、このローラ１２を回転することにより吸熱板５ａの切り欠き部１１ａにおけるビーム照射部３ａを吸熱板５ａに対向する位置に移動させることにより、輻射を効率的に行うことができる。
【００２１】
また、図３に示す中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１ｂは円筒形状であり、ターゲット駆動機構は、このターゲット板１ｂの中心軸周りに回転させる図示しない回転駆動機構を有しており、ターゲット板１ｂを回転することにより吸熱板５ａの穴部１１ｂにおけるビーム照射部３ｂを吸熱板５ｂに対向する位置に移動させることにより、輻射を効率的に行うことができる。
【００２２】
以上のとおり本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１のビーム照射部３を吸熱板５に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構（歯車９、駆動軸１０）を備えているため、ビーム照射部３の移動によりビームが照射される面積を実質的に拡大させることができて、単位面積あたりの発熱密度を低減させることができるのと同時に、このビーム照射部３を吸熱板５の対向位置に配置させることにより輻射を効率的に行うことができビーム照射部３からの除熱を確実に行うことができる。
また、荷電粒子ビームが照射されるターゲット板１と冷却構造６を有する吸熱板５とが間隔をおいて配置され別部品となっているため、ターゲット板１が破損した場合でも冷却水の供給される吸熱板５には影響を与えずに済むため、真空破壊等の甚大な事故を引き起こすこともない。
実施の形態２．
【００２３】
図４は、ベリリウムをターゲット板１の材料として使用した場合に、横軸にターゲット板１に入射する陽子ビーム２のエネルギー（単位：ＭｅＶ）、縦軸に単位厚み当たりのエネルギー損失量であるストッピングパワー（阻止能、単位：ＭｅＶ／ｍｍ）をプロットして示したものである。図４から判るとおり、入射エネルギーが高くなるほどストッピングパワーが小さく、逆に入射エネルギーが低いほどストッピングパワーが大きくなる。従って、図１に示すようにターゲット板１を複数枚ビーム進行方向に沿って配置した場合には、最上流に配置されたターゲット板１は入射エネルギーが高いため、ストッピングパワーが小さく、最下流に配置されたターゲット板１ほどストッピングパワーが大きいということになる。
【００２４】
上記から、ターゲット板１の厚みを全て均等にすると、最下流に配置されたものほどビームエネルギーの損失量、すなわちターゲット板１における発熱量が大きいものとなるため、最下流のターゲット板１の許容温度上昇によって荷電粒子ビーム強度及び中性子発生量が制約されてしまうこととなる。本実施の形態２に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されるとなっていることを特徴とする。このことにより、各ターゲット板１に入射する荷電粒子ビームのエネルギーに対応するストッピングパワーの相違によって、発熱量、及び温度上昇値にばらつきが生じるのを低減することができる。
【００２５】
更に望ましくは、各ターゲット板１での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例してターゲット板１の厚みを定めるようにすればよい。
例えば、３０ＭｅＶの陽子ビーム１を６ＭｅＶまでを図５に示すように３枚のターゲット板１（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）でエネルギーを減衰させる場合、各ターゲット１でのエネルギー減衰範囲を、
ターゲットＴａ：３０〜２２ＭｅＶ
ターゲットＴｂ：２２〜１４ＭｅＶ
ターゲットＴｃ：１４〜６ＭｅＶ
のように定める。
【００２６】
この場合、各ターゲットにおける平均ストッピングパワーは、
Ｅａ＝３．１ＭｅＶ／ｍｍ
Ｅｂ＝４．２ＭｅＶ／ｍｍ
Ｅｃ＝７．６ＭｅＶ／ｍｍ
となるので、ターゲット板１の厚みを、
ｔａ＝（３０−２２）／３．１＝２．５８ｍｍ
ｔｂ＝（２２−１４）／４．２＝１．９０ｍｍ
ｔｃ＝（１４−６）／７．６＝１．０５ｍｍ
と設定すれば、各ターゲット板１における発熱、及び温度上昇をほぼ等しくすることができる。
【００２７】
以上のとおり、図５に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されるとなっているため、各ターゲット板１に入射する荷電粒子ビームのエネルギーに対応するストッピングパワーの相違によって、発熱量、及び温度上昇値にばらつきが生じるのを低減することができる。
更に、ターゲット板１は、各ターゲット板１での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例してターゲット板１の厚みが定められているため、各ターゲット板１における発熱、及び温度上昇をほぼ等しくすることができる。
実施の形態３．
【００２８】
図６には、ベリリウムをターゲット板１の材料として用いた場合に、横軸に陽子ビーム２の入射エネルギー（単位：ＭｅＶ）を取り、縦軸にはベリリウムと陽子ビーム１との衝突によって中性子４が発生する核反応の断面積（単位：ｍｂ）を取って示したものであり、陽子ビーム２の入射エネルギーによって中性子の発生効率がどのような変化をするかを読み取ることができる。本図から陽子ビーム２の入射エネルギーが約５ＭｅＶ以上の場合には中性子発生効率はほぼ一定であるが、約５ＭｅＶ以下の場合に急激に低減することが判る。
【００２９】
一方、高融点金属であるタングステンやタンタルについては、陽子ビーム２の入射エネルギーが約２０ＭｅＶ以下の領域において中性子発生効率が大きく低減することが知られている。ここで、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、図７に示すような例えば２枚のターゲット板１から構成されており、高エネルギー（例えば２０ＭｅＶ以上）の陽子ビーム２が入射するターゲットＴａについては、タングステン又はタンタル等の高融点金属を用い、ターゲットＴａにおいて減速されたエネルギー（例えば５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満）の陽子ビーム２が入射するターゲットＴｂについては、ベリリウムを用いている。
【００３０】
なお、ビーム進行方向の最下流側に配置された１３はターゲット板１ではなくビームストッパである。前述のとおり陽子ビーム２のエネルギーが５ＭｅＶ以下まで減速された場合には比較的中性子発生効率の高いベリリウムを使用しても効率的に中性子を発生することは困難である。このため、５ＭｅＶ以下のエネルギーまで減速された陽子ビーム２に対しては、より高温まで加熱でき、輻射伝熱を効率よく利用できる材料として、タングステンやタンタル等の高融点金属、又はグラファイトを用いることにより、効率よくビームを停止することができる。ちなみに、吸熱板５のうち最下流に配置された１枚は、その上流側に配置されたビームストッパ１３により陽子ビーム２は止められ、陽子ビームが通過することはなく、また、吸熱板５とビームストッパ１３との対向面積を増やして輻射効率を上げることができるため、陽子ビーム通過用の切り欠き１１を設けない方がよい。
【００３１】
以上のとおり、図７に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板は、各ターゲット板に入射する陽子ビーム２のエネルギーが２０ＭｅＶ以上の高エネルギーの場合にはタングステン又はタンタルを用いているため、ターゲット板１が高温状態になるまで使用することができ、輻射熱量を大きくすることができる。従って、ターゲット板１の１枚あたりの冷却効率をアップすることができ、ターゲット総枚数を低減することができる。
また、各ターゲット板に入射する陽子ビーム２のエネルギーが５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満の比較的低エネルギーの場合にはベリリウムを用いているため、中性子発生効率を増大することができ、逆にベリリウムを用いない場合と比較すると同じ中性子量を得るのに陽子ビーム２の電流を下げることができ、冷却条件を緩和することができる
実施の形態４．
【００３２】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、ターゲット板１又は吸熱板５の表面には、輻射伝熱の効率を上げるために黒化処理により黒化膜１４を形成したものである。黒化処理は、例えばニッケルメッキ、クロムメッキ等により行うことができるが、表面に無反射の黒化膜１４を形成できればこれ以外の方法であってもかまわない。実施の形態１の図１に示すようにターゲット板１の内周側に支持板７を備えた構成の場合には、支持板７の表面にも黒化膜１４を形成したほうが良い。このことによりターゲット板１から熱伝導により伝わった熱を支持板７の表面からも輻射により放熱することができ、更に効率的なターゲット板１の冷却が可能となる。
黒化処理は、輻射側のターゲット板１及び支持板７と被輻射側の吸熱側５の両方に施すのが最も輻射熱量を大きくすることができるが、少なくともいずれかにおいて黒化処理が施されていれば輻射効率を上げることが期待される。
【００３３】
なお、実施の形態３に記載したとおり、陽子ビーム２のエネルギーが２０ＭｅＶ未満に減速された下流側のターゲット板１の材料としては低エネルギー領域における中性子発生効率のよいベリリウムを用いることがある。ベリリウムは比較的融点が低くターゲット板１におけるエネルギー損失を低く抑えるためには、ターゲット板１の厚みを薄くする必要があるため、黒化膜１４の厚みとターゲット板１の厚みとが大差のない状況となりえる。
このような場合には中性子を発生することができない黒化膜１４を施しても発熱のみが増えるばかりで、肝心の中性子線量を増やすことができなくなるため、図８に示すように下流側のベリリウムのターゲット板１には黒化処理を施さない方が良い。
【００３４】
以上のとおり、図８に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、ターゲット板１又は吸熱板５の少なくとも一方は黒化処理が施されているため、更に効率的なターゲット板１の冷却が可能となる。
実施の形態５．
【００３５】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットにおいては、図９に示すように陽子ビーム２に対して振動磁場を印加することにより、ターゲット板１におけるビーム照射部３の位置を振動させる振動磁場発生装置１５を備えている。実施の形態１の図１に示すように、ターゲット板１は回転軸８を中心として回転しているため、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーは前述のとおり、切り欠き部１１を考慮しなければおおよそビーム照射部３の中心軌跡長（２πｒ）とビーム照射部３の直径（Ｄ）とを乗じた面積（２πｒ・Ｄ）に分散されることとなる。
【００３６】
ここで、本実施の形態においては、振動磁場発生装置１５によって、ビーム照射部３の位置が半径方向に振動されることになるため、ビーム照射部の中心軌跡は半径ｒの円軌道を中心として振動するものとなり、中心軌跡長は振動しない場合と比べて長くなる。従って、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーはより大きな面積に分散されることとなる。なお、本実施の形態においては、振動磁場発生装置１５を用いて陽子ビーム２に対して振動磁場を印加したが、振動電場発生装置を用いて陽子ビーム２に振動電場を印加しても同様な効果をえることができることは言うまでもない。
【００３７】
以上のとおり、図９に示す本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、荷電粒子ビームに対して振動磁場を印加することにより、ビーム照射部３の位置を振動させる振動磁場発生装置１５を備えているため、ターゲット板１において損失される陽子ビーム２のエネルギーをより大きな面積に分散させることができる。従って、単位面積あたりの発熱密度を更に低減させることができるのと同時に、ビーム照射部３と吸熱板５との対向面積も増やすことができるため、輻射による除熱を更に効率的に行うことができる。
実施の形態６．
【００３８】
本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットの正面図を図１０に、平面図を図１１に各々示す。真空容器１６はターゲット板１や吸熱板５を収納して陽子ビーム２により照射が行われる照射室１７と、ターゲット板１を交換するためにこれを一時的に退避させるためのエアロック室１８の２室から構成され、照射室１６とエアロック室１７との間には両室を仕切る第１のゲートバルブ１９が、エアロック室１７の上部にはエアロック室１７と真空容器１６の外部との間を仕切る第２のゲートバルブ２０が各々設けられている。２１はエアロック室の真空排気を行うための真空ポンプである。
【００３９】
エアロック室１８側の真空容器１６の外部からシャフト２２が挿入されており、第１のゲートバルブ１９を介して照射室１７の内部へ挿抜自在に構成されている。実施の形態１の図１に示したように、ターゲット板１は円板形状であり中心部には回転軸８を有しているが、この回転軸８はシャフト２２の軸支持部２３に設けられたボールベアリング２４（軸受部）によって回転自在に支持されている。また、ビーム進行方向の最上流側と最下流側に配置された吸熱板５に取り付けられた軸固定部２５に対して、シャフト２２を押し込むことにより軸支持部２３を介してボールベアリング２４を押し付けており、ボールベアリング２４は軸支持部２３と軸固定部２５の間に挟みこまれるようにして固定されるため、ターゲット板１は回転軸８の周りを安定して回転することができる。
【００４０】
ターゲット板１は長期間にわたる陽子ビーム２の照射による照射損傷や、高温状態と低温状態との繰り返しの熱応力による機械的な損傷を受けるため、定期的に交換を行う必要がある。以下にターゲット板１の交換手順について説明する。
まず、シャフト２２をエアロック室１８の方に引き抜くと、軸支持部２３に保持されたボールベアリング２４が軸固定部２５から離れ、ターゲット板１を軸支持部２３に載せたままエアロック室１８に退避させることができる。この状態で第１のゲートバルブ１９を閉とする。また、このとき吸熱板１や駆動軸１０等のターゲット駆動機構については照射室１６に固定され、残留したままである（図１２、図１３参照）。
【００４１】
その後、エアロック室１８に空気が導入され、エアロック室１８の内部が大気圧になったときに、第２のゲートバルブ２０を開とする。第２のゲートバルブ２０を介してターゲット板１の搬出装置であるフック２６をエアロック室１８内まで降下させ、フック２６を回転軸８の真下の位置に配置する（図１４）。フック２３を上昇させることにより、ターゲット板１を真空容器１６から取り出すことができる（図１５）。
【００４２】
新しいターゲット板１をセットする場合には、基本的には上記とは逆の手順にて行えばよい。
すなわち、（１）ターゲット板１をフック２６により降下、軸支持部２３にて保持、（２）第２のゲートバルブ２０を閉、（３）真空ポンプ２１によりエアロック室１８の内部を真空排気、（４）第１のゲートバルブ１９を開、（５）シャフト２２を照射室１７内に挿入、（６）ボールベアリング２４を軸固定部２５に押し付けて固定、という手順で行う。
【００４３】
ここで、上記手順（６）においては回転軸８と駆動軸１０に設けられた歯車９が互いに噛み合うように、駆動軸８を若干回転させる必要がある点に注意する。また、フック２６、回転軸８、軸支持部２３の各々に図示されていないガイドを設けておけば、フック２６と回転軸８の間、及び回転軸８と軸支持部２３の間で容易に位置決めが行えるようになるため、一層ターゲット板１の交換作業を迅速に行うことができる。
【００４４】
以上のとおり、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、真空容器１６の内部へ挿抜自在に構成されたシャフト２２とを備えており、回転軸８を中心部に有する円板形状のターゲット板１がシャフト２２に設けられた軸受部２４によって回転自在に支持されているため、陽子ビーム２の照射により高度に放射化したターゲット板１に直接手を触れないで照射室１７から退避させることができ、ターゲット１の交換のための準備作業において作業者の被曝量を低減することができる。
【００４５】
更に、本実施の形態に係る中性子発生源用ターゲットによると、真空容器１６は照射室１７とエアロック室１８とを有し、照射室１７とエアロック室１８との間を仕切る第１のゲートバルブ１９と、エアロック室１８と真空容器１６の外部との間を仕切る第２のゲートバルブ２０と、前記エアロック室１８から前記第１のゲートバルブ１９を介して前記照射室の内部へ挿抜自在に構成されたシャフト２２とを備えており、回転軸８を中心部に有する円板形状のターゲット板１がシャフト２２に設けられた軸受部２４によって回転自在に支持されているため、陽子ビーム２の照射により高度に放射化したターゲット板１に直接手を触れないで照射室１７からエアロック室１８に退避させることができ、ターゲット１の交換のための準備作業において作業者の被曝量を低減することができると同時に、照射室１７内の真空を保持したままターゲット板１を搬出することが可能となるため、陽子ビーム２を照射するための起動に要する時間を短縮できるという利点もある。
【符号の説明】
【００４６】
１、１ａ、１ｂ ターゲット板
２、２ａ、２ｂ 陽子ビーム
３、３ａ、３ｂ ビーム照射部
４ 中性子
５、５ａ、５ｂ 吸熱板
６ 水冷管
７ 支持板
８ 回転軸
９ 歯車
１０ 駆動軸
１１、１１ａ 切り欠き
１１ｂ 穴
１２ ローラ
１４ 黒化膜
１５ 振動磁場発生装置
１６ 真空容器
１７ 照射室
１８ エアロック室
１９ 第１のゲートバルブ
２０ 第２のゲートバルブ
２２ シャフト
２４ ボールベアリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有するターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記ビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【請求項２】
ターゲット板は円板形状であり、中心部に回転軸を有し、
ターゲット駆動機構は、この回転軸を回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項３】
ターゲット板は帯状形状であり、
ターゲット駆動機構は、このターゲット板を巻き取るローラを有しており、このローラを回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項４】
ターゲット板は円筒形状であり、
ターゲット駆動機構は、このターゲット板の中心軸周りに回転させる回転駆動機構を有しており、前記ターゲット板を回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項５】
荷電粒子ビームの進行方向にターゲット板を複数備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項６】
ターゲット板は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されることを特徴とする
請求項５に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項７】
ターゲット板は、前記各ターゲット板での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例して前記ターゲット板の厚みが定められたことを特徴とする
請求項６に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項８】
ターゲット板は、前記各ターゲット板に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが２０ＭｅＶ以上の場合にはタングステン又はタンタルを用い、５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満の場合にはベリリウムを用いたことを特徴とする
請求項５に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項９】
ターゲット板又は吸熱板の少なくとも一方は黒化処理が施されたものであることを特徴とする
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項１０】
荷電粒子ビームに対して振動磁場又は振動電場を印加することにより、ターゲット板におけるビーム照射部の位置を振動させる振動磁場発生装置又は振動電場発生装置を備えたことを特徴とする
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項１１】
真空容器と、
この真空容器の内部へ挿抜自在に構成されたシャフトと、
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有し、前記シャフトに設けられた軸受部によって回転自在に支持された回転軸を中心部に有する円板形状のターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて前記真空容器の内部に配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記回転軸を回転させることによりビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【請求項１２】
照射室とエアロック室とを有する真空容器と、
この照射室とエアロック室との間を仕切る第１のゲートバルブと、
前記エアロック室と前記真空容器の外部との間を仕切る第２のゲートバルブと、
前記エアロック室から前記第１のゲートバルブを介して前記照射室の内部へ挿抜自在に構成されたシャフトと、
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有し、前記シャフトに設けられた軸受部によって回転自在に支持された回転軸を中心部に有する円板形状のターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて前記照射室内に配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記回転軸を回転させることによりビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と、
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【請求項１】
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有するターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記ビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【請求項２】
ターゲット板は円板形状であり、中心部に回転軸を有し、
ターゲット駆動機構は、この回転軸を回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項３】
ターゲット板は帯状形状であり、
ターゲット駆動機構は、このターゲット板を巻き取るローラを有しており、このローラを回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項４】
ターゲット板は円筒形状であり、
ターゲット駆動機構は、このターゲット板の中心軸周りに回転させる回転駆動機構を有しており、前記ターゲット板を回転することによりビーム照射部を吸熱板に対向する位置に移動させることを特徴とする
請求項１に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項５】
荷電粒子ビームの進行方向にターゲット板を複数備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項６】
ターゲット板は、荷電粒子ビームが進行方向に進行するに従って厚みが低減されることを特徴とする
請求項５に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項７】
ターゲット板は、前記各ターゲット板での荷電粒子ビームのエネルギー減衰範囲における平均ストッピングパワーに反比例して前記ターゲット板の厚みが定められたことを特徴とする
請求項６に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項８】
ターゲット板は、前記各ターゲット板に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが２０ＭｅＶ以上の場合にはタングステン又はタンタルを用い、５ＭｅＶ以上２０ＭｅＶ未満の場合にはベリリウムを用いたことを特徴とする
請求項５に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項９】
ターゲット板又は吸熱板の少なくとも一方は黒化処理が施されたものであることを特徴とする
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項１０】
荷電粒子ビームに対して振動磁場又は振動電場を印加することにより、ターゲット板におけるビーム照射部の位置を振動させる振動磁場発生装置又は振動電場発生装置を備えたことを特徴とする
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の中性子発生源用ターゲット。
【請求項１１】
真空容器と、
この真空容器の内部へ挿抜自在に構成されたシャフトと、
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有し、前記シャフトに設けられた軸受部によって回転自在に支持された回転軸を中心部に有する円板形状のターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて前記真空容器の内部に配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記回転軸を回転させることによりビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【請求項１２】
照射室とエアロック室とを有する真空容器と、
この照射室とエアロック室との間を仕切る第１のゲートバルブと、
前記エアロック室と前記真空容器の外部との間を仕切る第２のゲートバルブと、
前記エアロック室から前記第１のゲートバルブを介して前記照射室の内部へ挿抜自在に構成されたシャフトと、
荷電粒子ビームが照射されて中性子を発生するビーム照射部を有し、前記シャフトに設けられた軸受部によって回転自在に支持された回転軸を中心部に有する円板形状のターゲット板と、
このターゲット板と間隔をおいて前記照射室内に配置され、冷却構造を有する吸熱板と、
前記回転軸を回転させることによりビーム照射部を前記吸熱板に対向する位置に移動させるターゲット駆動機構と、
を備えた中性子発生源用ターゲット。
【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】
【公開番号】特開２０１１−３３５１２（Ｐ２０１１−３３５１２Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８１２０５（Ｐ２００９−１８１２０５）
【出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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