中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システム
【課題】ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させること。
【解決手段】この中性子発生装置１００は、２０ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ陽子が照射されて中性子を発生するターゲット１と、前記陽子の照射によって前記ターゲット１から発生した中性子を減速する中性子減速部３と、鉛で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部３へ導く反射体５と、を含んで構成される。陽子は、例えばサイクロトロン等の加速器により、ターゲット１へ照射される。
【解決手段】この中性子発生装置１００は、２０ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ陽子が照射されて中性子を発生するターゲット１と、前記陽子の照射によって前記ターゲット１から発生した中性子を減速する中性子減速部３と、鉛で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部３へ導く反射体５と、を含んで構成される。陽子は、例えばサイクロトロン等の加速器により、ターゲット１へ照射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子を発生する技術に関し、さらに詳しくは、ホウ素中性子補足療法に適した中性子を発生できる中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホウ素中性子補足療法（Boron Neutron Capture Therapy：ＢＮＣＴ）は、ホウ素化合物が癌細胞に集まることを利用して、ホウ素が中性子を吸収するときに生じる7Ｌｉやα粒子を用いて癌細胞を選択的に破壊し、治療する治療法である。ホウ素中性子補足療法（以下ＢＮＣＴという）では、患部に中性子を照射する必要があり、ＢＮＣＴを施術する際には、必ず中性子照射設備が必要である。ＢＮＣＴに用いる中性子照射設備に関して、例えば特許文献１には、熱外スペクトラムの中性子を低エネルギー中性子ビームから特定のエネルギーにまでろ過するフィルタを備えた中性子放射設備が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５２４２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来ＢＮＣＴでは、原子炉で発生する中性子が用いられてきた。しかし、燃料供給の問題、老朽化による原子炉の閉鎖により、中性子源として原子炉を利用することが困難な状況になりつつある。このような現状に対して、特許文献１には、中性子源として原子炉の他に加速器が開示されている。しかしながら、加速器を用いた場合における具体的な中性子の取り出し方には言及されておらず、加速器を用いた場合に、どのようにしてＢＮＣＴに適した中性子を安定して発生させるかは不明である。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＢＮＣＴの中性子源として加速器を用いた場合において、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることを達成できる中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る中性子発生装置は、高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００７】
この中性子発生装置は、高エネルギーの陽子（例えば２０ＭｅＶ以上）によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。
【０００８】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記ターゲットの厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【０００９】
この中性子発生装置は、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、陽子はターゲットを透過する。これにより、この中性子発生装置は、ターゲットの発熱を抑えて長時間の使用でも安定してＢＮＣＴに適した中性子を発生することができるとともに、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。
【００１０】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００１１】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、この中性子発生装置は、陽子をターゲットに長時間照射しても、安定して、効率よくＢＮＣＴに適した中性子を取り出すことができる。
【００１２】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
この中性子発生装置は、ターゲットを噴射冷却するので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、この中性子発生装置は、長時間にわたってターゲットに陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１４】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００１５】
この中性子発生装置は、リブにより仕切られた冷却流路を備えるターゲットを用いるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、この中性子発生装置は、長時間にわたってターゲットに陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１６】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする。
【００１７】
この中性子発生装置は、陽子線の断面積を広げてターゲットに照射することにより、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１８】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
このターゲットは、陽子が照射されて中性子を発生するに当たって、噴射冷却手段により冷却されるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００２０】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００２１】
このターゲットは、陽子が照射されて中性子を発生するにあたって、ターゲットに設けたリブにより仕切られる冷却流路により冷却されるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００２２】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【００２３】
このように、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子はターゲットを透過する。これにより、ターゲットの発熱が抑えられるので、長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００２４】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【００２５】
このように、リブ以外のターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子は、少なくともターゲットのリブ以外の部分では透過する。なお、前記リブにおいては陽子が停止して発熱することもあるが、複数のリブによって仕切られる冷却通路に冷却媒体を流すことにより、リブの両側面を冷却媒体が流れて前記リブは冷却される。これにより、ターゲットの発熱が抑えられるので、長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００２６】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００２７】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱密度分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００２８】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、少なくとも前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの厚さが大きくなることを特徴とする。
【００２９】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱密度分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００３０】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくするとともに、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００３１】
このような構成により、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子はターゲットを透過するとともに、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できる。これにより、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。その結果、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００３２】
次の本発明に係る中性子照射システムは、高エネルギーの陽子が照射されるターゲットと、前記陽子の照射により前記ターゲットから発生した中性子が導かれ、これを減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍して前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成される中性子発生装置と、前記中性子発生装置の前記ターゲットに、加速した陽子を照射する加速器と、を備え、前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を中性子照射対象に照射することを特徴とする。
【００３３】
この中性子照射システムは、高エネルギーの陽子（例えば２０ＭｅＶ以上）によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、ＢＮＣＴに適した熱外中性子を効率よく照射することができる。
【００３４】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、前記ターゲットに陽子が照射される面とは反対面に、冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００３５】
このように、ターゲットの冷却に噴射冷却を用いるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して、かつ効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を照射することができる。
【００３６】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００３７】
この中性子照射システムは、ターゲットに設けたリブにより仕切られる冷却流路に冷却媒体を流すことでターゲットを効率よく冷却する。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００３８】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする。
【００３９】
この中性子照射システムは、陽子線の断面積を広げてターゲットに照射するので、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【発明の効果】
【００４０】
この発明によれば、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００４２】
実施例１に係る中性子発生装置は、ＢＮＣＴに用いるものであり、加速器により２０ＭｅＶ以上に加速された陽子をターゲットに衝突させたときに得られる中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質を反射体として用いて反射するとともに増幅し、中性子減速部で減速して熱外中性子を取り出す点に特徴がある。
【００４３】
図１は、実施例１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。この中性子照射システム２００は、加速器２と、実施例１に係る中性子発生装置１００とを含んで構成される。加速器２から中性子発生装置１００へ陽子が照射されると、中性子発生装置１００はＢＮＣＴ治療室４の方向へ熱外中性子を発生する。ＢＮＣＴ治療室４内にはＢＮＣＴを受ける患者がおり、前記熱外中性子は患者の患部へ照射される。ここで、患部はホウ素化合物の集まった癌細胞であり、中性子照射対象である。加速器２は、例えばサイクロトロン等を使用することができ、実施例１ではサイクロトロンを用いる。
【００４４】
次に、実施例１に係る中性子発生装置１００について説明する。図２は、実施例１に係る中性子発生装置を示す説明図である。なお、図面中の符号ｐ（小文字）は陽子を、ｎ（小文字）は中性子を表す（以下同様）。この中性子発生装置１００は、ターゲット１と、中性子減速部３と、反射体５とを含んで構成される。ターゲット１、中性子減速部３、及び反射体５は、中性子減速材９ａ及び中性子遮蔽体９ｂ内に配置されており、中性子発生装置１００の外部に漏れる中性子量を極小にするように構成される。ここで、中性子減速材９ａは、例えばポリエチレンのような高分子で構成されており、中性子減速体９ｂは、例えばコンクリートにより構成される。また、中性子減速材９ａの外側には、減速された熱中性子を吸収するためにＬｉ層９ｄが配置される。
【００４５】
ターゲット１は、タンタル（Ｔａ）やタングステン（Ｗ）等の重核核種である。加速器２によって加速された陽子は、真空の陽子通路８を通ってターゲット１へ照射されて、ターゲット１から中性子が発生する。発生した中性子は中性子減速部３へ導かれ、ここで減速されてエネルギーが４ｅＶ〜４０ｋｅＶ程度の熱外中性子となる。この熱外中性子は、患部以外の部分へ照射される量をできるだけ低減するため、コリメータ７によって絞られるとともに中性子の方向を定められ、照射対象の癌細胞へ照射される。
【００４６】
前記中性子減速部３は、例えば、鉄（Ｆｅ）３ａとフッ素化合物３ｆとから構成することができる。そして、ターゲット１から発生した中性子は、鉄３ａ、次いでフッ素化合物３ｆにより減速されて、熱外中性子となる。フッ素化合物３ｆとしては、例えば、ＡｌＦ3（６９重量％）−Ａｌ（３０重量％）−ＬｉＦ（１重量％）を用いることができる（Ｌｉの組成は限定されない）。この中性子減速部３により、ターゲット１で発生した中性子から、高い熱外中性子束を取り出すことができる。なお、ターゲット１から発生するγ線やその他の部分から発生する２次γ線を遮蔽する目的で、中性子減速部３の熱外中性子出射側にはビスマス（Ｂｉ）層９ｃが配置されている。
【００４７】
実施例１において、中性子減速部３へ導かれる中性子は、陽子の進行方向（陽子線の方向）Ｘに対して９０度近傍、あるいは９０度近傍よりも大きい角度の方向に発生する中性子とすることが好ましい。この理由について説明する。図３−１は、減速材出口での陽子の進行方向Ｚと中性子の発生方向との関係を示す概念図である。図３−２は、中性子の収率と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。ターゲット１から発生した中性子の発生方向（中性子線の方向）は、陽子の進行方向Ｚに対する傾き角度で表す（図３−１参照）。なお、陽子の進行方向Ｚが０度を意味する。
【００４８】
図３−２から分かるように、１０7ｅＶ程度の高いエネルギーを持つ高速中性子の収率は、陽子の進行方向Ｚに対して傾き角度が９０度近傍に発生する中性子が最も少ない（図３−２中、Ａで示す部分）。したがって、前記傾き角度が９０度近傍に発生する中性子を中性子減速部３へ導けば、中性子発生装置１００からＢＮＣＴ治療室４側へ透過する高速中性子の量を低減することができるので、ＢＮＣＴに際して有利となる。
【００４９】
前記高速中性子の透過量を低減するため、中性子減速部３へ導くための中性子を取得する方向は、ターゲット１から発生した中性子の発生方向と陽子の進行方向Ｚとの傾き角度は、９０度−０、＋９０度内が好ましい。また、図３−１に示すように、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けて配置することが好ましい。これは、ターゲット１からの高速中性子の含有率を低下させるともに、陽子線に対するターゲット１の照射面積を増加させ、ターゲット１の熱負荷を下げるためである。
【００５０】
すなわち、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交して配置されていると、陽子の進行方向Ｚに対して傾き角度が９０度近傍に発生する中性子は、中性子減速部３へ到達するまでにターゲット１中を進行して減衰する。その結果、熱外中性子として取り出すことのできる中性子数が低減するからである。ターゲット１を陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けて配置すれば、中性子がターゲット１中を進む距離を短くできるので、それだけ効率よく中性子減速部３へ発生した中性子を導くことができる。
【００５１】
また、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交して配置されていると、陽子がターゲットに衝突したときの形状は略円形であるが、陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けてターゲット１を配置すると、陽子がターゲットに衝突したときの形状は楕円形になる。これにより、陽子がターゲット１に衝突したときの面積を大きくできるので、ターゲット１の発熱密度を低くできる。その結果、例えば同じ冷却能の冷却媒体を用いれば、ターゲット１の冷却がより容易になる。
【００５２】
したがって、上記観点からは、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｚに対して傾けて配置することが好ましい。しかし、ターゲット傾き角度βが大きくなると、ターゲット１内を進行する陽子の距離が大きくなり、陽子がターゲット１中で完全停止してしまうおそれがある。陽子がターゲット１中で完全停止すると、ターゲット１の発熱量が極めて大きくなるため、ターゲット傾き角度βは陽子の完全停止距離ｔｃよりも小さくする必要がある。したがって、陽子の進行方向Ｚに対するターゲット厚さｔｐは（＝ｔ／ｃｏｓβ）＜ｔｃの関係を満たす。
【００５３】
ターゲット１から発生した中性子は中性子減速部３の方向のみならず、ターゲット１に陽子が照射される部分を中心として３６０度すべての方向へ向かう。このため、ターゲット１から発生した中性子をより効率的に中性子減速部３へ導くため、ターゲット１は反射体５の内部に配置される。実施例１において、反射体５は、中性子を反射する際に（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成される。（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質は、重核種であるとともに、中性子の照射により分裂反応を起こさない核種を含む物質であることが必要で、例えば、鉛（Ｐｂ）や鉄（Ｆｅ）等を用いることができる。特に、鉛はγ線の遮蔽機能も備えているので、鉛を反射体５に使用すれば、ターゲット１へ陽子が衝突した際に僅かながら発生するγ線を遮蔽することもでき、好ましい。
【００５４】
このような物質で構成される反射体５は、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射することにより得られた中性子を反射する際に、単に中性子を反射するのみでなく、１個の中性子を反射するとともに、ｘ個の中性子を新たに発生する。すなわち、反射体５は、ターゲット１で発生した中性子を反射するのみならず、前記中性子を増倍させることができる。その結果、実施例１に係る中性子発生装置１００は、より多くの中性子を中性子減速部３へ導いて、高い中性子束で熱外中性子を発生させることができる。
【００５５】
ここで、高エネルギーの陽子とは、２０ＭｅＶ以上５００ＭｅＶ以下に加速された陽子をいう。そして、このような陽子をターゲット１に照射して得られる中性子が（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質へ入射したときに、（ｎ、ｘｎ）反応が生ずる。このように、実施例１に係る中性子発生装置では、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射して中性子を発生させるとともに、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる反射体５を用いて、発生した中性子を増倍させる。これにより、中性子減速部３から出射する熱外中性子の量を、（ｎ、ｘｎ）反応を生じない反射体を用いた場合と比較して１桁程度多くすることができる。その結果、より多くの中性子を中性子減速部３へ導くことができるので、効率的に熱外中性子を得ることができる。
【００５６】
陽子の照射を受けるターゲット１は、そのエネルギーにより温度が上昇する。このため、中性子発生装置１００の稼動中においては、水（Ｈ2Ｏ）や液体金属（例えば水銀（Ｈｇ））等の冷却媒体によりターゲット１を冷却する。実施例１の中性子発生装置１００では、加速器２により加速された陽子がターゲット１に照射される面とは反対側の面から、ターゲット１を冷却する。より具体的には、ターゲット１の陽子照射面１ｐの反対側に設けられる伝熱面１ｈに冷却媒体を接触させて、ターゲット１を冷却する。昇温した冷却媒体は、中性子発生装置１００の外へ取り出された後、熱交換器５０により温度を下げられて、ポンプ５２により再びターゲット１へ送られる。
【００５７】
図４−１は、実施例１に係るターゲットを示す断面図である。図４−２は、実施例１に係るターゲットを示す平面図である。図４−１の点線は、加速器２から照射される陽子の進行方向に垂直な断面における、前記陽子の強度分布を示している。このように、加速器２から照射される陽子の強度は、ターゲット１の場所によって異なる。このため、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおいて、陽子の強度が強くなる部分（図４−１、図４−２中Ｈで示す部分）は、それだけターゲット１の発熱量が大きくなる。そして、陽子の強度が弱くなる部分（図４−１、図４−２中Ｌで示す部分）は、前記部分と比較してターゲット１の発熱量が小さくなる。すなわち、加速器２から照射される陽子の強度が強くなるにしたがってターゲット１の発熱量が大きくなり、前記陽子の強度が弱くなるにしたがってターゲット１の発熱量が小さくなる。なお、陽子の強度とは、単位面積、単位時間当たりに到達する陽子数をいう。
【００５８】
ここで、陽子が衝突したターゲット１の発熱について説明する。図５−１は、ターゲットの発熱密度とターゲットの厚さとの関係を示す説明図である。図５−２は、ターゲットの厚さをパラメータとした場合における中性子の収率とエネルギーとの関係を示す説明図である。ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１の内部を進行する過程でターゲット１にエネルギーを与え、これによりターゲット１は発熱する。
【００５９】
陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃ（タンタルの場合、約２．８ｍｍ）よりも小さい場合、ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１を透過して陽子の衝突面とは反対側の面からターゲット１の外へ出射する。そして、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃになると、ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１内で停止する。この閾値ｔｃを、陽子の飛程という。なお、図４−１に示す例においては、陽子の進行方向Ｚに対してターゲット１の陽子照射面１ｐは直交しているので、ターゲット１の実厚さｔと陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐとは一致する。
【００６０】
陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが前記閾値ｔｃを超えると、陽子はターゲット１内で停止する。そして、陽子の全エネルギーはターゲット１に与えられるので、ターゲット１の発熱は大きくなる。図５−１に示すように、ターゲットの発熱密度は、ターゲット１の陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが前記閾値ｔｃに近づくにしたがって急激に上昇することが分かる。なお、図５−１のデータは、タンタルをターゲット１として用いたものであるが、タングステンをターゲットに用いても同様の結果を示す。
【００６１】
このように、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃを超えると、ターゲット１に照射された陽子はターゲット１内で停止する結果、ターゲット１の発熱量が極めて増大する。この発熱の増大は、ブラッグピークと呼ばれる。このブラッグピークを避けるため、実施例１の中性子発生装置１００で用いるターゲット１は、図４−１に示すように、ターゲット１に陽子が照射される領域内において、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが最も大きい部分を、前記閾値ｔｃよりも小さくしてある。図４−１に示すターゲット１では、ターゲット１の端縁部の厚さが最も大きいが、この部分の厚さｔｐmaxをｔｃよりも小さくする。
【００６２】
このような構成により、ターゲット１に衝突した陽子を透過させ、ターゲット１内で陽子が停止することを防止する。そして、ターゲット１から出射した陽子は、出射面（伝熱面１ｈ）を流れる冷却媒体により冷却して、ターゲット１の発熱を抑制する。これにより、ターゲット１の耐久性を向上させることができる。なお、図５−２に示すように、陽子をターゲット１内で停止させた場合と透過させた場合とでは、発生する中性子数にほとんど変化はない。なお、図５−２のデータは、タングステンをターゲットとして用いたものであるが、タンタルをターゲットに用いても同様の結果を示す。
【００６３】
また、図４−１に示すように、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおいて、陽子の強度が強くなる部分（図４−１中Ｈで示す部分）のターゲット１の実厚さｔHを、陽子の強度が弱くなる部分（図４−１中Ｌで示す部分）の実厚さｔLよりも薄くする。すなわち、陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ（この例では実厚さｔ）を厚くする。
【００６４】
例えば、実施例１のターゲット１では、ｔH＝＜ｔLとする。そして、ｔHからｔLに向かっては、陽子の強度に反比例させてターゲット１の実厚さｔを変化させたり、２次、３次、あるいはそれ以上の次数の多項式で近似した曲線で伝熱面１ｈを形成したりする。このような構成によって、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおける陽子照射領域内の発熱分布を均一化できる。その結果、ターゲット１の熱歪を抑制して、ターゲット１の耐久性を向上させることができる。これにより、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置１００から熱外中性子を取り出すことができる。なお、実施例１に係る中性子発生装置１００は、厚さが一定のターゲットを用いることを排除するものではない。
【００６５】
ここで、中性子の発生効率という観点からは、陽子がターゲット１通過する距離を２．０〜２．２ｍｍ程度とするようにターゲット１の実厚さｔを決定することが好ましい。なお、タンタルやタングステンをターゲット１として用いる場合、陽子がターゲット１を通過する距離が２．０〜２．２ｍｍ程度の場合に、ターゲット１からは最も効率よく中性子が発生する。
【００６６】
図６−１、図６−２は、実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。図６−１に示すターゲット１では、ターゲット１の伝熱面１ｈ側を凹状に形成することによって、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ（この例ではターゲットの実厚さｔ）を、陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって厚くしている。しかし、図６−１に示すように、陽子照射面１ｐ側を凹状に形成してもよいし、図６−２に示すように、陽子照射面１ｐ及び伝熱面１ｈの両方を凹状に形成してもよい。
【００６７】
図６−３〜図６−５は、陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。例えば、加速器２の陽子出射部分で陽子の進行方向（Ｚ軸とする）に対して垂直な方向（Ｘ軸又はＹ軸）に磁界又は電界をかければ、陽子の進行方向を変化させることができる。例えば、図６−３に示すように、水平及び垂直ワブラー電磁石（Wobbler Magnet；以下ワブラー電磁石６０という）とで陽子線Ｂｐ1をスイープすることによって、ターゲットに照射される陽子線Ｂｐ1の断面積を拡大することができる。この方法はワブラー（Wobbler）法と呼ばれ、高エネルギーの陽子の場合には、ワブラー電磁石６０と、鉛等の重金属で作られる板からなる散乱体を用いる方法がある。
【００６８】
ワブラー法では、陽子線を平行にスイープしてその断面積を拡大する他（図６−３、矢印Ｊ1）、コントローラ６１によりワブラー電磁石６０の振幅を連続的に変化させ、陽子線Ｂｐ1をらせん状にスイープしてその断面積を拡大する方法（図６−４、矢印Ｊ2）がある。これらの方法により、陽子線Ｂｐ1単体での断面積（図６−３等の領域７０）を拡大して（図６−３の領域７１）、ターゲットに照射することができる。
【００６９】
また、図６−５に示すように、４重極電磁石（以下Ｑマグネット：Quadruple Magnet）６２を用いる方法もある。Ｑマグネットは、陽子線Ｂｐ1の進行方向をＺ方向としたときに、Ｘ方向に収束作用（凸レンズ）があるものは、Ｙ方向には発散作用（凹レンズ）があり、逆にＸ方向に発散作用があるものは、Ｙ方向に収束作用がある。焦点距離が同じ凹凸光学レンズを組み合わせると弱い収束レンズとなるように、凹凸のＱマグネット６２を組み合わせて用いることにより、Ｘ−Ｙ両方向に収束作用を与えることができる。このＱマグネット６２により、オーバーフォーカスさせることで、図６−５に示すように、陽子線Ｂｐ1を適度に広げて照射することができる（図６−５中の照射領域７２）。上記の方法により、陽子線Ｂｐ1の断面積を広げてターゲット１に照射して、ターゲット１の単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置１００から熱外中性子を取り出すことができる。
【００７０】
図７−１は、ターゲットが陽子の進行方向に直交する方向に対して傾いている場合を説明する断面図である。図７−２は、図７−１に示すＢ領域の拡大図である。ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対してターゲット傾き角度βだけ傾いている場合、ターゲット１の実厚ｔさと、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐとは異なる。より具体的には、ｔｐ＝ｔ／ｃｏｓβとなる。したがって、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに対して直交するターゲット傾き角度βだけ傾いている場合には、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ、すなわちｔ／ｃｏｓβが上述した関係を満たすように、ターゲット１の実厚さｔを決定する。
【００７１】
［評価例］
表１に、実施例１に係る中性子発生装置１００の中性子減速部３の出口における中性子強度の分布を評価した一例を示す。この評価は、中性子減速部３を３次元モデル化し、５０ＭｅＶ、３００μＡで加速した陽子をタンタルのターゲットに照射した場合を想定して、中性子減速部３の出口における中性子スペクトルをモンテカルロシミュレーションにより求めたものである。ここで、１時間のＢＮＣＴを想定すると、１．００×１０9（ｎ／ｃｍ2／ｓｅｃ．）程度の中性子束が必要である。
【００７２】
【表１】
【００７３】
表１から分かるように、エネルギーが４ｅＶ〜４０ｅＶでの中性子の中性子束割合が全体の約９０％である中性子束が、１．８×１０9（ｎ／ｃｍ2／ｓｅｃ．）得られた。このように、実施例１の中性子発生装置１００によれば、ＢＮＣＴに適した熱外中性子が９割程度得られることが分かった。これにより、実施例１に係る中性子発生装置１００及びこれを備える中性子照射システム２００（図１参照）を用いれば、ＢＮＣＴに適した熱外中性子が効率よく得られるので、効率のよいＢＮＣＴが実現できる。また、この程度のエネルギー及び中性子束の熱外中性子を得ることができれば、脳の深部約８ｃｍ程度まで、治療が可能となる。その結果、従来であれば開頭手術が必要な場合でも、これが不要になる可能性が高い。
【００７４】
（変形例）
実施例１の変形例に係る中性子発生装置は、実施例１に係る中性子発生装置と略同様の構成であるが、陽子照射面の反対面に、隔壁で仕切られた冷却流路を備えるターゲットを用いるとともに、ブロードビームの陽子ビームをターゲットに照射する点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成に対しては同一の符号を付す。なお、この変形例において、中性子照射システムについては説明しないが、実施例１に係る中性子照射システム２００（図１参照）が備える放射性発生装置を、この変形例に係る中性子発生装置に置換できることはいうまでもない。
【００７５】
図８は、実施例１の変形例に係るターゲット及び冷却系を示す説明図である。図９−１は、図８のＸ−Ｘ断面図である。図９−２は、図８のＹ−Ｙ断面図である。図１０−１は、実施例１の変形例に係るターゲットを示す平面図である。図１０−２は、図１０−１のＺ−Ｚ断面図である。図８に示すように、ターゲット１ａは、タンタルで製造されるとともに、バックプレート３０に取り付けられて陽子通路８の一端に支持される。また、ターゲット１ａは、中性子発生装置内へ、陽子の進行方向Ｚに直行する方向に対して傾けて配置される（この変形例では４５度）。このため、ターゲット１ａの平面形状は、図１０−１に示すように、楕円形状となっている。
【００７６】
図８に示すように、ターゲット１ａには、上述したワブラー電磁石６０により、陽子線Ｂｐ1の断面積が拡大された陽子線Ｂｐ2が照射される。陽子線Ｂｐ1の直径ｄは数ｍｍ程度であるが、陽子線Ｂｐ2の直径Ｄは、ワブラー電磁石６０によって拡大される（この例の場合、直径８ｃｍ）。ワブラー電磁石６０は、コントローラ６１により制御される。このように、陽子線Ｂｐ1の断面積を広げてターゲット１ａに照射するので、ターゲット１ａの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。
【００７７】
図１０−１、図１０−２に示すように、ターゲット１ａの陽子照射面に対する反対側の面には、複数のリブ４１が設けられている。リブ４１は、例えば、タンタルの板を切削加工することにより、ターゲット１ａと一体で製造される。上述したように、ターゲット１ａは楕円形状であり、リブ４１は、楕円の長辺と平行に形成されている。図１０−２に示すように、ターゲット１ａの厚さｔは、陽子の飛程ｔｐと、ｔｐ＝ｔ／ｃｏｓβ（図７−１、図７−２）の関係にある。この変形例において、ターゲット傾き角度βは４５度であり、また、ｔｐを２．６ｍｍ（ブラッグピークを避けるための大きさ；図５−１参照）とすると、ｔは１．８ｍｍ程度になる。また、リブ４１の幅Ｗと、高さｈとは、ターゲット１ａの強度や発熱等を考慮して決定される。
【００７８】
図８に示すように、バックプレート３０と、ターゲット１ａに陽子が照射される面の反対側の面との間には空間が形成される。そして、図１０−１、図１０−２に示すように、ターゲット１ａに設けられる前記リブ４１で仕切られる前記空間が、それぞれ冷却通路４０となる。この冷却通路４０に冷却媒体（この例では水）が流れることによって、ターゲット１ａが冷却される。また、リブ４１により、ターゲット１ａ全体の強度を向上させることができる。
【００７９】
図８に示すように、バックプレート３０の内部には、冷却媒体を貯留して分配する第１ヘッダ３１、及び、冷却流路４０を通過した冷却媒体を貯留してバックプレート３０内から排出するための第２ヘッダ３２が設けられている。図８、図１０−１に示すように、第１ヘッダ３１には、冷却媒体供給管３３が接続されており、ここから冷却媒体が第１ヘッダ３１へ供給される。第１ヘッダ３１へ供給された冷却媒体は、第１ヘッダ３１に設けられた各分配孔３１ｎから各冷却通路４０へ流入して、ターゲット１ａを、その陽子照射面とは反対側の面から冷却する。ターゲット１を冷却した後の冷却媒体は、第２ヘッダ３２へ流れ込み、ここに取り付けられる冷却媒体排出管３４からバックププレート３０の外に取り出される。
【００８０】
実施例１の変形例に係る中性子発生装置が備えるターゲット１ａを評価した。評価は、冷却流路４１を含む冷却部を簡易流動解析して、ターゲット１ａの温度分布及び応力を求めた。その結果、中性子発生装置によれば、ターゲット１ａの温度、熱応力及び冷却媒体の圧力に対する応力いずれも十分に余裕があることが分かった。このように、ターゲット１ａに照射する陽子線の断面積を広げるとともに、ターゲット１ａに設けた冷却流路により積極的にターゲット１ａを冷却することにより、ターゲット１ａの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。そして、ターゲット１ａに陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。
【００８１】
以上、実施例１及びその変形例によれば、高エネルギーの陽子によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。また、実施例１に係るターゲットは、最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、ターゲットの発熱を抑えて長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００８２】
また、実施例１では、ターゲットに照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、ターゲットの厚さが大きくなるようにしてある。これにより、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置からＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００８３】
さらに、実施例１の変形例では、ターゲットに照射する陽子線の断面積を広げるとともに、ターゲットに設けた冷却流路により積極的にターゲットを冷却することにより、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。これにより、ターゲットに陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例に対しても適宜適用でき、また、実施例１及びその変形例に開示した構成と同一の構成を備えていれば、実施例１及びその変形例と同様の作用・効果を奏する。
【実施例２】
【００８４】
実施例２に係る中性子発生装置１０１は、実施例１に係る中性子発生装置１００（図２参照）と略同一の構成であるが、ターゲットの冷却に噴射冷却を利用する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施例２において、中性子照射システムについては説明しないが、実施例１に係る中性子照射システム２００（図１参照）が備える放射性発生装置を、実施例２に係る中性子発生装置１０１に置換できることはいうまでもない。
【００８５】
図１１は、実施例２に係る中性子発生装置を示す説明図である。図１１に示すように、ターゲット１は、中性子発生装置１０１内へ、陽子の進行方向に直行する方向に対して傾けて配置される。なお、ターゲット１は、厚さが一定のものを用いてもよい。この構成は実施例１に係る中性子発生装置１００（図２参照）と同様である。陽子の衝突により発熱したターゲット１は、陽子が照射される面の反対側の面から冷却媒体が噴射されて冷却される。ターゲット１を冷却した冷却媒体は、熱交換器５０で冷却されて、ポンプ５２により再びターゲット１の冷却に用いられる。次にターゲット１の冷却手段について説明する。
【００８６】
図１２−１、図１２−２は、実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。この中性子発生装置１０１のターゲット１が備える冷却手段１０は、導管１１によって冷却媒体を導き、ターゲット１の伝熱面１ｈへ噴射するものである。冷却媒体を噴射する部分は、伝熱面１ｈの中心Ｃ近傍であり、この反対側は、照射される陽子の強度が最も大きい部分である。すなわち、ターゲット１の発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射する。これにより、ターゲット１を効率的に冷却することができる。ターゲット１の伝熱面１ｈへ衝突した冷却媒体は、冷却媒体ガイド１２と伝熱面１ｈとの間の冷却媒体通路１３を流れる。その過程で、冷却媒体はターゲット１全体を冷却する。
【００８７】
図１２−２に示すように、冷却媒体ガイド１２とターゲット１の伝熱面１ｈとの間隔ｓは、冷却媒体通路１３の入口１３ｉから出口１３ｏに向かって小さくなるように形成される（ｓｉ＞ｓｒ＞ｓｏ）。伝熱面１ｈへ噴射された冷却媒体は、冷却媒体通路１３の入口１３ｉから出口１３ｏに向かって放射状へ流れるため、前記間隔ｓが一定だと冷却媒体の流速が低下して伝熱効率が低下する。このため、上記構成によって、冷却媒体の流速低下を抑制して、伝熱効率の低下を抑制する。
【００８８】
前記間隔ｓは、半径ｒが異なるそれぞれの位置において、冷却媒体通路１３の通路断面積が略等しくなるように構成することが好ましい。すなわち、２×π×ｒo×ｓo≒２×π×ｒ×ｓr≒２×π×ｒi×ｓiとなるように構成することが好ましい。このようにすれば、冷却媒体通路１３の全領域にわたって、冷却媒体の流速を略一定にできる。なお、冷却媒体の昇温や、冷却媒体通路１３内の圧力損失等を考慮して、半径ｒが異なるそれぞれの位置において、冷却媒体通路１３の通路断面積が変化するように構成してもよい。
【００８９】
実施例２に係るターゲット１が備える冷却手段１０によれば、ターゲット１の発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射するので、この部分を効率的に冷却することができる。また、噴射冷却を利用するので、強制対流熱伝達と比較して高い伝熱効率を得ることができる。これらの作用により、ターゲット１を効率よく冷却することができる。また、冷却媒体通路１３を流れる冷却媒体の流速低下を抑制できるので、ターゲット１全体を効率よく冷却できる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲット１の昇温を抑えて安定して中性子発生装置１０１から熱外中性子を取り出すことができる。
【００９０】
［変形例］
図１３−１は、実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。図１３−２は、図１３−１を矢印Ｄ方向から見た平面図である。図１３−３は、ターゲットの伝熱面に衝突する冷却媒体を示す説明図である。この変形例に係るターゲット１が備える冷却手段１０ａは、ターゲット１の中心軸Ｚｔに対して冷却手段１０ａが可動する構成になっており、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心をターゲット１の伝熱面１ｈに対して変化できるように構成される点に特徴がある。図１３−１に示すように、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃは、ターゲット１の中心軸Ｚｃに対してΔｒ離れて配置されている。
【００９１】
図１３−２に示すように、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃはターゲット１の中心軸Ｚｔの周囲を旋回する。これにより、冷却手段１０ａは、ターゲット１の中心軸Ｚｔの周囲を旋回運動するので、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心（冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致）は常に変動する。冷却媒体の噴射中心が、常に伝熱面１ｈの同じ場所に位置すると、図１３−３に示すように、伝熱面１ｈには冷却媒体Ｊのよどみ点Ｓｔが生ずることがある。よどみ点Ｓｔでは、伝熱効率が低下するので、この部分が昇温する危険性がある。
【００９２】
この変形例に係るターゲットの冷却手段１０ａでは、冷却媒体の噴射中心がターゲット１の伝熱面１ｈに対して常に変化するので、前記伝熱面１ｈへのよどみ点Ｓｔの発生を抑制することができる。これにより、ターゲット１の局所的な昇温を抑えることができるので、このターゲット１を備える中性子発生装置１０１は、長時間の運転でも安定して熱外中性子を発生することができる。次に、冷却媒体の噴射中心を変化させる構成についてより詳細に説明する。
【００９３】
図１４−１は、実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。図１４−２は、実施例２の変形例に係る回転体を陽子の照射方向から見た平面図である。この冷却手段１０ａは、本体１５と、回転体２０とで構成される。本体１５の内部には導管１１が形成される。また、本体１５の導管出口１１ｏが開口する面には、冷却媒体ガイド１２が形成される。冷却媒体ガイド１２が形成される面の反対側には突起部１４が設けられる。この突起部１４は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心とする円柱である。
【００９４】
回転体２０には凹部２１が形成されており、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心としている。この凹部２１の、回転体２０の中心軸に垂直な断面内形状は円形であり、本体に設けられる突起部１４がこの凹部２１へはめ込まれる。凹部２１の中心は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致している。すなわち、円柱で構成された前記突起部１４の中心とも一致している。このため、突起部１４を凹部２１へはめ込むと、突起部１４は凹部２１内を自由に回転でき、本体１５は回転体２０に対して冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心として自由に回転できる。
【００９５】
回転体２０の凹部２１が形成された側とは反対側には、回転軸２２が設けられる。図１４−２に示すように、この回転軸２２は、その回転中心Ｚｒが冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃに対してオフセットして設けられる。回転軸２２はベルト２３を介して、駆動手段であるモータ２４によって回転させられる。これにより、回転体２０は、回転軸２２の回転中心Ｚｒを中心に偏心して回転するので、回転体２０に取り付けられた本体１５も回転体２０とともに偏心して回転する。すなわち、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃは、回転軸２２の回転中心Ｚｒの周囲を回転することになる。
【００９６】
ここで、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致するので、冷却媒体の噴射中心も回転中心Ｚｒの周囲を回転することになる。これにより、冷却媒体の噴射中心をターゲット１の伝熱面１ｈに対して常に変化させることができるので、前記伝熱面１ｈへのよどみ点Ｓｔの発生を抑制することができる。その結果、ターゲット１の局所的な昇温を抑えて、安定して中性子発生装置１０１を運転することができる。
【００９７】
以上、実施例２及びその変形例によれば、ターゲットを噴射冷却により冷却するので、強制対流熱伝達と比較して高い伝熱効率を得ることができる。また、ターゲットの発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射するので、この部分を効率的に冷却することができる。これらの作用により、ターゲットを効率よく冷却することができる。また、冷却媒体通路を流れる冷却媒体の流速低下を抑制できるので、ターゲット全体を効率よく冷却できる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、中性子発生装置から安定してＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００９８】
なお、実施例２及びその変形例に係る冷却手段は、中性子発生手段に関わらず適用することができる。実施例２では、２０ＭｅＶ以上の高エネルギーの陽子をタンタルやタングステンのターゲットへ照射することによって中性子を発生させる。しかし、これに限られず、２．５ＭｅＶ程度の低エネルギー陽子をＬｉのターゲットに照射して中性子を発生させる場合にも、実施例２及びその変形例に係る冷却手段を適用することができる。低エネルギー陽子をＬｉに照射する場合、電流値は２５ｍＡ程度必要になるので、ターゲットの発熱量は高エネルギーの陽子を照射する場合以上になる。このような場合に、実施例２及びその変形例に係る冷却手段を用いれば、ターゲットを効率的に冷却して、長時間の運転でも安定して中性子を取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上のように、本発明に係る中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムは、ＢＮＣＴに有用であり、特に、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】実施例１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。
【図２】実施例１に係る中性子発生装置を示す説明図である。
【図３−１】減速材出口での陽子の進行方向と中性子の発生方向との関係を示す概念図である。
【図３−２】中性子の収率と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。
【図４−１】実施例１に係るターゲットを示す断面図である。
【図４−２】実施例１に係るターゲットを示す平面図である。
【図５−１】ターゲットの発熱密度とターゲットの厚さとの関係を示す説明図である。
【図５−２】ターゲットの厚さをパラメータとした場合における中性子の収率とエネルギーとの関係を示す説明図である。
【図６−１】実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。
【図６−２】実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。
【図６−３】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図６−４】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図６−５】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図７−１】ターゲットが陽子の進行方向に直交する方向に対して傾いている場合を説明する断面図である。
【図７−２】図７−１に示すＢ領域の拡大図である。
【図８】実施例１の変形例に係るターゲット及び冷却系を示す説明図である。
【図９−１】図８のＸ−Ｘ断面図である。
【図９−２】図８のＹ−Ｙ断面図である。
【図１０−１】実施例１の変形例に係るターゲットを示す平面図である。
【図１０−２】図１０−１のＺ−Ｚ断面図である。
【図１１】実施例２に係る中性子発生装置を示す説明図である。
【図１２−１】実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。
【図１２−２】実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。
【図１３−１】実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。
【図１３−２】図１３−１を矢印Ｄ方向から見た平面図である。
【図１３−３】ターゲットの伝熱面に衝突する冷却媒体を示す説明図である。
【図１４−１】実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。
【図１４−２】実施例２の変形例に係る回転体を陽子の照射方向から見た平面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１ａ ターゲット
１ｈ 伝熱面
１ｐ 陽子照射面
２ 加速器
３ 中性子減速部
４ 治療室
５ 反射体
１０、１０ａ 冷却手段
１１ 導管
１２ 冷却媒体ガイド
１３ 冷却媒体通路
１００、１０１ 中性子発生装置
２００ 中性子照射システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子を発生する技術に関し、さらに詳しくは、ホウ素中性子補足療法に適した中性子を発生できる中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホウ素中性子補足療法（Boron Neutron Capture Therapy：ＢＮＣＴ）は、ホウ素化合物が癌細胞に集まることを利用して、ホウ素が中性子を吸収するときに生じる7Ｌｉやα粒子を用いて癌細胞を選択的に破壊し、治療する治療法である。ホウ素中性子補足療法（以下ＢＮＣＴという）では、患部に中性子を照射する必要があり、ＢＮＣＴを施術する際には、必ず中性子照射設備が必要である。ＢＮＣＴに用いる中性子照射設備に関して、例えば特許文献１には、熱外スペクトラムの中性子を低エネルギー中性子ビームから特定のエネルギーにまでろ過するフィルタを備えた中性子放射設備が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５２４２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来ＢＮＣＴでは、原子炉で発生する中性子が用いられてきた。しかし、燃料供給の問題、老朽化による原子炉の閉鎖により、中性子源として原子炉を利用することが困難な状況になりつつある。このような現状に対して、特許文献１には、中性子源として原子炉の他に加速器が開示されている。しかしながら、加速器を用いた場合における具体的な中性子の取り出し方には言及されておらず、加速器を用いた場合に、どのようにしてＢＮＣＴに適した中性子を安定して発生させるかは不明である。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＢＮＣＴの中性子源として加速器を用いた場合において、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることを達成できる中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る中性子発生装置は、高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００７】
この中性子発生装置は、高エネルギーの陽子（例えば２０ＭｅＶ以上）によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。
【０００８】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記ターゲットの厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【０００９】
この中性子発生装置は、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、陽子はターゲットを透過する。これにより、この中性子発生装置は、ターゲットの発熱を抑えて長時間の使用でも安定してＢＮＣＴに適した中性子を発生することができるとともに、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。
【００１０】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００１１】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、この中性子発生装置は、陽子をターゲットに長時間照射しても、安定して、効率よくＢＮＣＴに適した中性子を取り出すことができる。
【００１２】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
この中性子発生装置は、ターゲットを噴射冷却するので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、この中性子発生装置は、長時間にわたってターゲットに陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１４】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００１５】
この中性子発生装置は、リブにより仕切られた冷却流路を備えるターゲットを用いるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、この中性子発生装置は、長時間にわたってターゲットに陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１６】
次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする。
【００１７】
この中性子発生装置は、陽子線の断面積を広げてターゲットに照射することにより、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００１８】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
このターゲットは、陽子が照射されて中性子を発生するに当たって、噴射冷却手段により冷却されるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００２０】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００２１】
このターゲットは、陽子が照射されて中性子を発生するにあたって、ターゲットに設けたリブにより仕切られる冷却流路により冷却されるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００２２】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【００２３】
このように、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子はターゲットを透過する。これにより、ターゲットの発熱が抑えられるので、長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００２４】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする。
【００２５】
このように、リブ以外のターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子は、少なくともターゲットのリブ以外の部分では透過する。なお、前記リブにおいては陽子が停止して発熱することもあるが、複数のリブによって仕切られる冷却通路に冷却媒体を流すことにより、リブの両側面を冷却媒体が流れて前記リブは冷却される。これにより、ターゲットの発熱が抑えられるので、長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００２６】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００２７】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱密度分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００２８】
次の本発明に係るターゲットは、前記ターゲットにおいて、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、少なくとも前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの厚さが大きくなることを特徴とする。
【００２９】
このような構成により、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱密度分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００３０】
次の本発明に係るターゲットは、加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくするとともに、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする。
【００３１】
このような構成により、ターゲットの最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、中性子を発生させるために照射される陽子はターゲットを透過するとともに、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できる。これにより、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。その結果、このターゲットは陽子を長時間照射されても、安定して中性子を発生することができる。
【００３２】
次の本発明に係る中性子照射システムは、高エネルギーの陽子が照射されるターゲットと、前記陽子の照射により前記ターゲットから発生した中性子が導かれ、これを減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍して前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成される中性子発生装置と、前記中性子発生装置の前記ターゲットに、加速した陽子を照射する加速器と、を備え、前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を中性子照射対象に照射することを特徴とする。
【００３３】
この中性子照射システムは、高エネルギーの陽子（例えば２０ＭｅＶ以上）によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、ＢＮＣＴに適した熱外中性子を効率よく照射することができる。
【００３４】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、前記ターゲットに陽子が照射される面とは反対面に、冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする。
【００３５】
このように、ターゲットの冷却に噴射冷却を用いるので、ターゲットを効率よく冷却することができる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、安定して、かつ効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を照射することができる。
【００３６】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする。
【００３７】
この中性子照射システムは、ターゲットに設けたリブにより仕切られる冷却流路に冷却媒体を流すことでターゲットを効率よく冷却する。その結果、長時間にわたってこのターゲットに陽子を照射した場合でも、昇温を抑え、安定して中性子を発生することができる。
【００３８】
次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子照射システムにおいて、さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする。
【００３９】
この中性子照射システムは、陽子線の断面積を広げてターゲットに照射するので、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【発明の効果】
【００４０】
この発明によれば、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００４２】
実施例１に係る中性子発生装置は、ＢＮＣＴに用いるものであり、加速器により２０ＭｅＶ以上に加速された陽子をターゲットに衝突させたときに得られる中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質を反射体として用いて反射するとともに増幅し、中性子減速部で減速して熱外中性子を取り出す点に特徴がある。
【００４３】
図１は、実施例１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。この中性子照射システム２００は、加速器２と、実施例１に係る中性子発生装置１００とを含んで構成される。加速器２から中性子発生装置１００へ陽子が照射されると、中性子発生装置１００はＢＮＣＴ治療室４の方向へ熱外中性子を発生する。ＢＮＣＴ治療室４内にはＢＮＣＴを受ける患者がおり、前記熱外中性子は患者の患部へ照射される。ここで、患部はホウ素化合物の集まった癌細胞であり、中性子照射対象である。加速器２は、例えばサイクロトロン等を使用することができ、実施例１ではサイクロトロンを用いる。
【００４４】
次に、実施例１に係る中性子発生装置１００について説明する。図２は、実施例１に係る中性子発生装置を示す説明図である。なお、図面中の符号ｐ（小文字）は陽子を、ｎ（小文字）は中性子を表す（以下同様）。この中性子発生装置１００は、ターゲット１と、中性子減速部３と、反射体５とを含んで構成される。ターゲット１、中性子減速部３、及び反射体５は、中性子減速材９ａ及び中性子遮蔽体９ｂ内に配置されており、中性子発生装置１００の外部に漏れる中性子量を極小にするように構成される。ここで、中性子減速材９ａは、例えばポリエチレンのような高分子で構成されており、中性子減速体９ｂは、例えばコンクリートにより構成される。また、中性子減速材９ａの外側には、減速された熱中性子を吸収するためにＬｉ層９ｄが配置される。
【００４５】
ターゲット１は、タンタル（Ｔａ）やタングステン（Ｗ）等の重核核種である。加速器２によって加速された陽子は、真空の陽子通路８を通ってターゲット１へ照射されて、ターゲット１から中性子が発生する。発生した中性子は中性子減速部３へ導かれ、ここで減速されてエネルギーが４ｅＶ〜４０ｋｅＶ程度の熱外中性子となる。この熱外中性子は、患部以外の部分へ照射される量をできるだけ低減するため、コリメータ７によって絞られるとともに中性子の方向を定められ、照射対象の癌細胞へ照射される。
【００４６】
前記中性子減速部３は、例えば、鉄（Ｆｅ）３ａとフッ素化合物３ｆとから構成することができる。そして、ターゲット１から発生した中性子は、鉄３ａ、次いでフッ素化合物３ｆにより減速されて、熱外中性子となる。フッ素化合物３ｆとしては、例えば、ＡｌＦ3（６９重量％）−Ａｌ（３０重量％）−ＬｉＦ（１重量％）を用いることができる（Ｌｉの組成は限定されない）。この中性子減速部３により、ターゲット１で発生した中性子から、高い熱外中性子束を取り出すことができる。なお、ターゲット１から発生するγ線やその他の部分から発生する２次γ線を遮蔽する目的で、中性子減速部３の熱外中性子出射側にはビスマス（Ｂｉ）層９ｃが配置されている。
【００４７】
実施例１において、中性子減速部３へ導かれる中性子は、陽子の進行方向（陽子線の方向）Ｘに対して９０度近傍、あるいは９０度近傍よりも大きい角度の方向に発生する中性子とすることが好ましい。この理由について説明する。図３−１は、減速材出口での陽子の進行方向Ｚと中性子の発生方向との関係を示す概念図である。図３−２は、中性子の収率と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。ターゲット１から発生した中性子の発生方向（中性子線の方向）は、陽子の進行方向Ｚに対する傾き角度で表す（図３−１参照）。なお、陽子の進行方向Ｚが０度を意味する。
【００４８】
図３−２から分かるように、１０7ｅＶ程度の高いエネルギーを持つ高速中性子の収率は、陽子の進行方向Ｚに対して傾き角度が９０度近傍に発生する中性子が最も少ない（図３−２中、Ａで示す部分）。したがって、前記傾き角度が９０度近傍に発生する中性子を中性子減速部３へ導けば、中性子発生装置１００からＢＮＣＴ治療室４側へ透過する高速中性子の量を低減することができるので、ＢＮＣＴに際して有利となる。
【００４９】
前記高速中性子の透過量を低減するため、中性子減速部３へ導くための中性子を取得する方向は、ターゲット１から発生した中性子の発生方向と陽子の進行方向Ｚとの傾き角度は、９０度−０、＋９０度内が好ましい。また、図３−１に示すように、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けて配置することが好ましい。これは、ターゲット１からの高速中性子の含有率を低下させるともに、陽子線に対するターゲット１の照射面積を増加させ、ターゲット１の熱負荷を下げるためである。
【００５０】
すなわち、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交して配置されていると、陽子の進行方向Ｚに対して傾き角度が９０度近傍に発生する中性子は、中性子減速部３へ到達するまでにターゲット１中を進行して減衰する。その結果、熱外中性子として取り出すことのできる中性子数が低減するからである。ターゲット１を陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けて配置すれば、中性子がターゲット１中を進む距離を短くできるので、それだけ効率よく中性子減速部３へ発生した中性子を導くことができる。
【００５１】
また、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交して配置されていると、陽子がターゲットに衝突したときの形状は略円形であるが、陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対して傾けてターゲット１を配置すると、陽子がターゲットに衝突したときの形状は楕円形になる。これにより、陽子がターゲット１に衝突したときの面積を大きくできるので、ターゲット１の発熱密度を低くできる。その結果、例えば同じ冷却能の冷却媒体を用いれば、ターゲット１の冷却がより容易になる。
【００５２】
したがって、上記観点からは、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｚに対して傾けて配置することが好ましい。しかし、ターゲット傾き角度βが大きくなると、ターゲット１内を進行する陽子の距離が大きくなり、陽子がターゲット１中で完全停止してしまうおそれがある。陽子がターゲット１中で完全停止すると、ターゲット１の発熱量が極めて大きくなるため、ターゲット傾き角度βは陽子の完全停止距離ｔｃよりも小さくする必要がある。したがって、陽子の進行方向Ｚに対するターゲット厚さｔｐは（＝ｔ／ｃｏｓβ）＜ｔｃの関係を満たす。
【００５３】
ターゲット１から発生した中性子は中性子減速部３の方向のみならず、ターゲット１に陽子が照射される部分を中心として３６０度すべての方向へ向かう。このため、ターゲット１から発生した中性子をより効率的に中性子減速部３へ導くため、ターゲット１は反射体５の内部に配置される。実施例１において、反射体５は、中性子を反射する際に（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成される。（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質は、重核種であるとともに、中性子の照射により分裂反応を起こさない核種を含む物質であることが必要で、例えば、鉛（Ｐｂ）や鉄（Ｆｅ）等を用いることができる。特に、鉛はγ線の遮蔽機能も備えているので、鉛を反射体５に使用すれば、ターゲット１へ陽子が衝突した際に僅かながら発生するγ線を遮蔽することもでき、好ましい。
【００５４】
このような物質で構成される反射体５は、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射することにより得られた中性子を反射する際に、単に中性子を反射するのみでなく、１個の中性子を反射するとともに、ｘ個の中性子を新たに発生する。すなわち、反射体５は、ターゲット１で発生した中性子を反射するのみならず、前記中性子を増倍させることができる。その結果、実施例１に係る中性子発生装置１００は、より多くの中性子を中性子減速部３へ導いて、高い中性子束で熱外中性子を発生させることができる。
【００５５】
ここで、高エネルギーの陽子とは、２０ＭｅＶ以上５００ＭｅＶ以下に加速された陽子をいう。そして、このような陽子をターゲット１に照射して得られる中性子が（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質へ入射したときに、（ｎ、ｘｎ）反応が生ずる。このように、実施例１に係る中性子発生装置では、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射して中性子を発生させるとともに、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる反射体５を用いて、発生した中性子を増倍させる。これにより、中性子減速部３から出射する熱外中性子の量を、（ｎ、ｘｎ）反応を生じない反射体を用いた場合と比較して１桁程度多くすることができる。その結果、より多くの中性子を中性子減速部３へ導くことができるので、効率的に熱外中性子を得ることができる。
【００５６】
陽子の照射を受けるターゲット１は、そのエネルギーにより温度が上昇する。このため、中性子発生装置１００の稼動中においては、水（Ｈ2Ｏ）や液体金属（例えば水銀（Ｈｇ））等の冷却媒体によりターゲット１を冷却する。実施例１の中性子発生装置１００では、加速器２により加速された陽子がターゲット１に照射される面とは反対側の面から、ターゲット１を冷却する。より具体的には、ターゲット１の陽子照射面１ｐの反対側に設けられる伝熱面１ｈに冷却媒体を接触させて、ターゲット１を冷却する。昇温した冷却媒体は、中性子発生装置１００の外へ取り出された後、熱交換器５０により温度を下げられて、ポンプ５２により再びターゲット１へ送られる。
【００５７】
図４−１は、実施例１に係るターゲットを示す断面図である。図４−２は、実施例１に係るターゲットを示す平面図である。図４−１の点線は、加速器２から照射される陽子の進行方向に垂直な断面における、前記陽子の強度分布を示している。このように、加速器２から照射される陽子の強度は、ターゲット１の場所によって異なる。このため、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおいて、陽子の強度が強くなる部分（図４−１、図４−２中Ｈで示す部分）は、それだけターゲット１の発熱量が大きくなる。そして、陽子の強度が弱くなる部分（図４−１、図４−２中Ｌで示す部分）は、前記部分と比較してターゲット１の発熱量が小さくなる。すなわち、加速器２から照射される陽子の強度が強くなるにしたがってターゲット１の発熱量が大きくなり、前記陽子の強度が弱くなるにしたがってターゲット１の発熱量が小さくなる。なお、陽子の強度とは、単位面積、単位時間当たりに到達する陽子数をいう。
【００５８】
ここで、陽子が衝突したターゲット１の発熱について説明する。図５−１は、ターゲットの発熱密度とターゲットの厚さとの関係を示す説明図である。図５−２は、ターゲットの厚さをパラメータとした場合における中性子の収率とエネルギーとの関係を示す説明図である。ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１の内部を進行する過程でターゲット１にエネルギーを与え、これによりターゲット１は発熱する。
【００５９】
陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃ（タンタルの場合、約２．８ｍｍ）よりも小さい場合、ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１を透過して陽子の衝突面とは反対側の面からターゲット１の外へ出射する。そして、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃになると、ターゲット１に衝突した陽子は、ターゲット１内で停止する。この閾値ｔｃを、陽子の飛程という。なお、図４−１に示す例においては、陽子の進行方向Ｚに対してターゲット１の陽子照射面１ｐは直交しているので、ターゲット１の実厚さｔと陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐとは一致する。
【００６０】
陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが前記閾値ｔｃを超えると、陽子はターゲット１内で停止する。そして、陽子の全エネルギーはターゲット１に与えられるので、ターゲット１の発熱は大きくなる。図５−１に示すように、ターゲットの発熱密度は、ターゲット１の陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが前記閾値ｔｃに近づくにしたがって急激に上昇することが分かる。なお、図５−１のデータは、タンタルをターゲット１として用いたものであるが、タングステンをターゲットに用いても同様の結果を示す。
【００６１】
このように、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが所定の閾値ｔｃを超えると、ターゲット１に照射された陽子はターゲット１内で停止する結果、ターゲット１の発熱量が極めて増大する。この発熱の増大は、ブラッグピークと呼ばれる。このブラッグピークを避けるため、実施例１の中性子発生装置１００で用いるターゲット１は、図４−１に示すように、ターゲット１に陽子が照射される領域内において、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが最も大きい部分を、前記閾値ｔｃよりも小さくしてある。図４−１に示すターゲット１では、ターゲット１の端縁部の厚さが最も大きいが、この部分の厚さｔｐmaxをｔｃよりも小さくする。
【００６２】
このような構成により、ターゲット１に衝突した陽子を透過させ、ターゲット１内で陽子が停止することを防止する。そして、ターゲット１から出射した陽子は、出射面（伝熱面１ｈ）を流れる冷却媒体により冷却して、ターゲット１の発熱を抑制する。これにより、ターゲット１の耐久性を向上させることができる。なお、図５−２に示すように、陽子をターゲット１内で停止させた場合と透過させた場合とでは、発生する中性子数にほとんど変化はない。なお、図５−２のデータは、タングステンをターゲットとして用いたものであるが、タンタルをターゲットに用いても同様の結果を示す。
【００６３】
また、図４−１に示すように、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおいて、陽子の強度が強くなる部分（図４−１中Ｈで示す部分）のターゲット１の実厚さｔHを、陽子の強度が弱くなる部分（図４−１中Ｌで示す部分）の実厚さｔLよりも薄くする。すなわち、陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ（この例では実厚さｔ）を厚くする。
【００６４】
例えば、実施例１のターゲット１では、ｔH＝＜ｔLとする。そして、ｔHからｔLに向かっては、陽子の強度に反比例させてターゲット１の実厚さｔを変化させたり、２次、３次、あるいはそれ以上の次数の多項式で近似した曲線で伝熱面１ｈを形成したりする。このような構成によって、ターゲット１の陽子照射面１ｐにおける陽子照射領域内の発熱分布を均一化できる。その結果、ターゲット１の熱歪を抑制して、ターゲット１の耐久性を向上させることができる。これにより、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置１００から熱外中性子を取り出すことができる。なお、実施例１に係る中性子発生装置１００は、厚さが一定のターゲットを用いることを排除するものではない。
【００６５】
ここで、中性子の発生効率という観点からは、陽子がターゲット１通過する距離を２．０〜２．２ｍｍ程度とするようにターゲット１の実厚さｔを決定することが好ましい。なお、タンタルやタングステンをターゲット１として用いる場合、陽子がターゲット１を通過する距離が２．０〜２．２ｍｍ程度の場合に、ターゲット１からは最も効率よく中性子が発生する。
【００６６】
図６−１、図６−２は、実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。図６−１に示すターゲット１では、ターゲット１の伝熱面１ｈ側を凹状に形成することによって、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ（この例ではターゲットの実厚さｔ）を、陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって厚くしている。しかし、図６−１に示すように、陽子照射面１ｐ側を凹状に形成してもよいし、図６−２に示すように、陽子照射面１ｐ及び伝熱面１ｈの両方を凹状に形成してもよい。
【００６７】
図６−３〜図６−５は、陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。例えば、加速器２の陽子出射部分で陽子の進行方向（Ｚ軸とする）に対して垂直な方向（Ｘ軸又はＹ軸）に磁界又は電界をかければ、陽子の進行方向を変化させることができる。例えば、図６−３に示すように、水平及び垂直ワブラー電磁石（Wobbler Magnet；以下ワブラー電磁石６０という）とで陽子線Ｂｐ1をスイープすることによって、ターゲットに照射される陽子線Ｂｐ1の断面積を拡大することができる。この方法はワブラー（Wobbler）法と呼ばれ、高エネルギーの陽子の場合には、ワブラー電磁石６０と、鉛等の重金属で作られる板からなる散乱体を用いる方法がある。
【００６８】
ワブラー法では、陽子線を平行にスイープしてその断面積を拡大する他（図６−３、矢印Ｊ1）、コントローラ６１によりワブラー電磁石６０の振幅を連続的に変化させ、陽子線Ｂｐ1をらせん状にスイープしてその断面積を拡大する方法（図６−４、矢印Ｊ2）がある。これらの方法により、陽子線Ｂｐ1単体での断面積（図６−３等の領域７０）を拡大して（図６−３の領域７１）、ターゲットに照射することができる。
【００６９】
また、図６−５に示すように、４重極電磁石（以下Ｑマグネット：Quadruple Magnet）６２を用いる方法もある。Ｑマグネットは、陽子線Ｂｐ1の進行方向をＺ方向としたときに、Ｘ方向に収束作用（凸レンズ）があるものは、Ｙ方向には発散作用（凹レンズ）があり、逆にＸ方向に発散作用があるものは、Ｙ方向に収束作用がある。焦点距離が同じ凹凸光学レンズを組み合わせると弱い収束レンズとなるように、凹凸のＱマグネット６２を組み合わせて用いることにより、Ｘ−Ｙ両方向に収束作用を与えることができる。このＱマグネット６２により、オーバーフォーカスさせることで、図６−５に示すように、陽子線Ｂｐ1を適度に広げて照射することができる（図６−５中の照射領域７２）。上記の方法により、陽子線Ｂｐ1の断面積を広げてターゲット１に照射して、ターゲット１の単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置１００から熱外中性子を取り出すことができる。
【００７０】
図７−１は、ターゲットが陽子の進行方向に直交する方向に対して傾いている場合を説明する断面図である。図７−２は、図７−１に示すＢ領域の拡大図である。ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに直交する方向に対してターゲット傾き角度βだけ傾いている場合、ターゲット１の実厚ｔさと、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐとは異なる。より具体的には、ｔｐ＝ｔ／ｃｏｓβとなる。したがって、ターゲット１が陽子の進行方向Ｚに対して直交するターゲット傾き角度βだけ傾いている場合には、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐ、すなわちｔ／ｃｏｓβが上述した関係を満たすように、ターゲット１の実厚さｔを決定する。
【００７１】
［評価例］
表１に、実施例１に係る中性子発生装置１００の中性子減速部３の出口における中性子強度の分布を評価した一例を示す。この評価は、中性子減速部３を３次元モデル化し、５０ＭｅＶ、３００μＡで加速した陽子をタンタルのターゲットに照射した場合を想定して、中性子減速部３の出口における中性子スペクトルをモンテカルロシミュレーションにより求めたものである。ここで、１時間のＢＮＣＴを想定すると、１．００×１０9（ｎ／ｃｍ2／ｓｅｃ．）程度の中性子束が必要である。
【００７２】
【表１】
【００７３】
表１から分かるように、エネルギーが４ｅＶ〜４０ｅＶでの中性子の中性子束割合が全体の約９０％である中性子束が、１．８×１０9（ｎ／ｃｍ2／ｓｅｃ．）得られた。このように、実施例１の中性子発生装置１００によれば、ＢＮＣＴに適した熱外中性子が９割程度得られることが分かった。これにより、実施例１に係る中性子発生装置１００及びこれを備える中性子照射システム２００（図１参照）を用いれば、ＢＮＣＴに適した熱外中性子が効率よく得られるので、効率のよいＢＮＣＴが実現できる。また、この程度のエネルギー及び中性子束の熱外中性子を得ることができれば、脳の深部約８ｃｍ程度まで、治療が可能となる。その結果、従来であれば開頭手術が必要な場合でも、これが不要になる可能性が高い。
【００７４】
（変形例）
実施例１の変形例に係る中性子発生装置は、実施例１に係る中性子発生装置と略同様の構成であるが、陽子照射面の反対面に、隔壁で仕切られた冷却流路を備えるターゲットを用いるとともに、ブロードビームの陽子ビームをターゲットに照射する点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成に対しては同一の符号を付す。なお、この変形例において、中性子照射システムについては説明しないが、実施例１に係る中性子照射システム２００（図１参照）が備える放射性発生装置を、この変形例に係る中性子発生装置に置換できることはいうまでもない。
【００７５】
図８は、実施例１の変形例に係るターゲット及び冷却系を示す説明図である。図９−１は、図８のＸ−Ｘ断面図である。図９−２は、図８のＹ−Ｙ断面図である。図１０−１は、実施例１の変形例に係るターゲットを示す平面図である。図１０−２は、図１０−１のＺ−Ｚ断面図である。図８に示すように、ターゲット１ａは、タンタルで製造されるとともに、バックプレート３０に取り付けられて陽子通路８の一端に支持される。また、ターゲット１ａは、中性子発生装置内へ、陽子の進行方向Ｚに直行する方向に対して傾けて配置される（この変形例では４５度）。このため、ターゲット１ａの平面形状は、図１０−１に示すように、楕円形状となっている。
【００７６】
図８に示すように、ターゲット１ａには、上述したワブラー電磁石６０により、陽子線Ｂｐ1の断面積が拡大された陽子線Ｂｐ2が照射される。陽子線Ｂｐ1の直径ｄは数ｍｍ程度であるが、陽子線Ｂｐ2の直径Ｄは、ワブラー電磁石６０によって拡大される（この例の場合、直径８ｃｍ）。ワブラー電磁石６０は、コントローラ６１により制御される。このように、陽子線Ｂｐ1の断面積を広げてターゲット１ａに照射するので、ターゲット１ａの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。その結果、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。
【００７７】
図１０−１、図１０−２に示すように、ターゲット１ａの陽子照射面に対する反対側の面には、複数のリブ４１が設けられている。リブ４１は、例えば、タンタルの板を切削加工することにより、ターゲット１ａと一体で製造される。上述したように、ターゲット１ａは楕円形状であり、リブ４１は、楕円の長辺と平行に形成されている。図１０−２に示すように、ターゲット１ａの厚さｔは、陽子の飛程ｔｐと、ｔｐ＝ｔ／ｃｏｓβ（図７−１、図７−２）の関係にある。この変形例において、ターゲット傾き角度βは４５度であり、また、ｔｐを２．６ｍｍ（ブラッグピークを避けるための大きさ；図５−１参照）とすると、ｔは１．８ｍｍ程度になる。また、リブ４１の幅Ｗと、高さｈとは、ターゲット１ａの強度や発熱等を考慮して決定される。
【００７８】
図８に示すように、バックプレート３０と、ターゲット１ａに陽子が照射される面の反対側の面との間には空間が形成される。そして、図１０−１、図１０−２に示すように、ターゲット１ａに設けられる前記リブ４１で仕切られる前記空間が、それぞれ冷却通路４０となる。この冷却通路４０に冷却媒体（この例では水）が流れることによって、ターゲット１ａが冷却される。また、リブ４１により、ターゲット１ａ全体の強度を向上させることができる。
【００７９】
図８に示すように、バックプレート３０の内部には、冷却媒体を貯留して分配する第１ヘッダ３１、及び、冷却流路４０を通過した冷却媒体を貯留してバックプレート３０内から排出するための第２ヘッダ３２が設けられている。図８、図１０−１に示すように、第１ヘッダ３１には、冷却媒体供給管３３が接続されており、ここから冷却媒体が第１ヘッダ３１へ供給される。第１ヘッダ３１へ供給された冷却媒体は、第１ヘッダ３１に設けられた各分配孔３１ｎから各冷却通路４０へ流入して、ターゲット１ａを、その陽子照射面とは反対側の面から冷却する。ターゲット１を冷却した後の冷却媒体は、第２ヘッダ３２へ流れ込み、ここに取り付けられる冷却媒体排出管３４からバックププレート３０の外に取り出される。
【００８０】
実施例１の変形例に係る中性子発生装置が備えるターゲット１ａを評価した。評価は、冷却流路４１を含む冷却部を簡易流動解析して、ターゲット１ａの温度分布及び応力を求めた。その結果、中性子発生装置によれば、ターゲット１ａの温度、熱応力及び冷却媒体の圧力に対する応力いずれも十分に余裕があることが分かった。このように、ターゲット１ａに照射する陽子線の断面積を広げるとともに、ターゲット１ａに設けた冷却流路により積極的にターゲット１ａを冷却することにより、ターゲット１ａの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。そして、ターゲット１ａに陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。
【００８１】
以上、実施例１及びその変形例によれば、高エネルギーの陽子によって発生した中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質により反射するとともに増倍して減速するので、効率よくＢＮＣＴに適した熱外中性子を得ることができる。また、実施例１に係るターゲットは、最大厚さを陽子の停止距離よりも小さくしたので、ターゲットの発熱を抑えて長時間の使用でも安定して中性子を発生することができる。
【００８２】
また、実施例１では、ターゲットに照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、ターゲットの厚さが大きくなるようにしてある。これにより、陽子照射領域内におけるターゲットの発熱分布を均一化できるので、ターゲットの熱歪を抑制して、ターゲットの耐久性を向上させることができる。これにより、陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置からＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００８３】
さらに、実施例１の変形例では、ターゲットに照射する陽子線の断面積を広げるとともに、ターゲットに設けた冷却流路により積極的にターゲットを冷却することにより、ターゲットの単位面積当たりにおける熱負荷を低減することができる。これにより、ターゲットに陽子を長時間照射しても、安定して中性子発生装置から熱外中性子を取り出すことができる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例に対しても適宜適用でき、また、実施例１及びその変形例に開示した構成と同一の構成を備えていれば、実施例１及びその変形例と同様の作用・効果を奏する。
【実施例２】
【００８４】
実施例２に係る中性子発生装置１０１は、実施例１に係る中性子発生装置１００（図２参照）と略同一の構成であるが、ターゲットの冷却に噴射冷却を利用する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施例２において、中性子照射システムについては説明しないが、実施例１に係る中性子照射システム２００（図１参照）が備える放射性発生装置を、実施例２に係る中性子発生装置１０１に置換できることはいうまでもない。
【００８５】
図１１は、実施例２に係る中性子発生装置を示す説明図である。図１１に示すように、ターゲット１は、中性子発生装置１０１内へ、陽子の進行方向に直行する方向に対して傾けて配置される。なお、ターゲット１は、厚さが一定のものを用いてもよい。この構成は実施例１に係る中性子発生装置１００（図２参照）と同様である。陽子の衝突により発熱したターゲット１は、陽子が照射される面の反対側の面から冷却媒体が噴射されて冷却される。ターゲット１を冷却した冷却媒体は、熱交換器５０で冷却されて、ポンプ５２により再びターゲット１の冷却に用いられる。次にターゲット１の冷却手段について説明する。
【００８６】
図１２−１、図１２−２は、実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。この中性子発生装置１０１のターゲット１が備える冷却手段１０は、導管１１によって冷却媒体を導き、ターゲット１の伝熱面１ｈへ噴射するものである。冷却媒体を噴射する部分は、伝熱面１ｈの中心Ｃ近傍であり、この反対側は、照射される陽子の強度が最も大きい部分である。すなわち、ターゲット１の発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射する。これにより、ターゲット１を効率的に冷却することができる。ターゲット１の伝熱面１ｈへ衝突した冷却媒体は、冷却媒体ガイド１２と伝熱面１ｈとの間の冷却媒体通路１３を流れる。その過程で、冷却媒体はターゲット１全体を冷却する。
【００８７】
図１２−２に示すように、冷却媒体ガイド１２とターゲット１の伝熱面１ｈとの間隔ｓは、冷却媒体通路１３の入口１３ｉから出口１３ｏに向かって小さくなるように形成される（ｓｉ＞ｓｒ＞ｓｏ）。伝熱面１ｈへ噴射された冷却媒体は、冷却媒体通路１３の入口１３ｉから出口１３ｏに向かって放射状へ流れるため、前記間隔ｓが一定だと冷却媒体の流速が低下して伝熱効率が低下する。このため、上記構成によって、冷却媒体の流速低下を抑制して、伝熱効率の低下を抑制する。
【００８８】
前記間隔ｓは、半径ｒが異なるそれぞれの位置において、冷却媒体通路１３の通路断面積が略等しくなるように構成することが好ましい。すなわち、２×π×ｒo×ｓo≒２×π×ｒ×ｓr≒２×π×ｒi×ｓiとなるように構成することが好ましい。このようにすれば、冷却媒体通路１３の全領域にわたって、冷却媒体の流速を略一定にできる。なお、冷却媒体の昇温や、冷却媒体通路１３内の圧力損失等を考慮して、半径ｒが異なるそれぞれの位置において、冷却媒体通路１３の通路断面積が変化するように構成してもよい。
【００８９】
実施例２に係るターゲット１が備える冷却手段１０によれば、ターゲット１の発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射するので、この部分を効率的に冷却することができる。また、噴射冷却を利用するので、強制対流熱伝達と比較して高い伝熱効率を得ることができる。これらの作用により、ターゲット１を効率よく冷却することができる。また、冷却媒体通路１３を流れる冷却媒体の流速低下を抑制できるので、ターゲット１全体を効率よく冷却できる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲット１の昇温を抑えて安定して中性子発生装置１０１から熱外中性子を取り出すことができる。
【００９０】
［変形例］
図１３−１は、実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。図１３−２は、図１３−１を矢印Ｄ方向から見た平面図である。図１３−３は、ターゲットの伝熱面に衝突する冷却媒体を示す説明図である。この変形例に係るターゲット１が備える冷却手段１０ａは、ターゲット１の中心軸Ｚｔに対して冷却手段１０ａが可動する構成になっており、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心をターゲット１の伝熱面１ｈに対して変化できるように構成される点に特徴がある。図１３−１に示すように、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃは、ターゲット１の中心軸Ｚｃに対してΔｒ離れて配置されている。
【００９１】
図１３−２に示すように、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃはターゲット１の中心軸Ｚｔの周囲を旋回する。これにより、冷却手段１０ａは、ターゲット１の中心軸Ｚｔの周囲を旋回運動するので、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心（冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致）は常に変動する。冷却媒体の噴射中心が、常に伝熱面１ｈの同じ場所に位置すると、図１３−３に示すように、伝熱面１ｈには冷却媒体Ｊのよどみ点Ｓｔが生ずることがある。よどみ点Ｓｔでは、伝熱効率が低下するので、この部分が昇温する危険性がある。
【００９２】
この変形例に係るターゲットの冷却手段１０ａでは、冷却媒体の噴射中心がターゲット１の伝熱面１ｈに対して常に変化するので、前記伝熱面１ｈへのよどみ点Ｓｔの発生を抑制することができる。これにより、ターゲット１の局所的な昇温を抑えることができるので、このターゲット１を備える中性子発生装置１０１は、長時間の運転でも安定して熱外中性子を発生することができる。次に、冷却媒体の噴射中心を変化させる構成についてより詳細に説明する。
【００９３】
図１４−１は、実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。図１４−２は、実施例２の変形例に係る回転体を陽子の照射方向から見た平面図である。この冷却手段１０ａは、本体１５と、回転体２０とで構成される。本体１５の内部には導管１１が形成される。また、本体１５の導管出口１１ｏが開口する面には、冷却媒体ガイド１２が形成される。冷却媒体ガイド１２が形成される面の反対側には突起部１４が設けられる。この突起部１４は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心とする円柱である。
【００９４】
回転体２０には凹部２１が形成されており、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心としている。この凹部２１の、回転体２０の中心軸に垂直な断面内形状は円形であり、本体に設けられる突起部１４がこの凹部２１へはめ込まれる。凹部２１の中心は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致している。すなわち、円柱で構成された前記突起部１４の中心とも一致している。このため、突起部１４を凹部２１へはめ込むと、突起部１４は凹部２１内を自由に回転でき、本体１５は回転体２０に対して冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃを中心として自由に回転できる。
【００９５】
回転体２０の凹部２１が形成された側とは反対側には、回転軸２２が設けられる。図１４−２に示すように、この回転軸２２は、その回転中心Ｚｒが冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃに対してオフセットして設けられる。回転軸２２はベルト２３を介して、駆動手段であるモータ２４によって回転させられる。これにより、回転体２０は、回転軸２２の回転中心Ｚｒを中心に偏心して回転するので、回転体２０に取り付けられた本体１５も回転体２０とともに偏心して回転する。すなわち、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃは、回転軸２２の回転中心Ｚｒの周囲を回転することになる。
【００９６】
ここで、導管１１から噴射される冷却媒体の噴射中心は、冷却手段１０ａの中心軸Ｚｃと一致するので、冷却媒体の噴射中心も回転中心Ｚｒの周囲を回転することになる。これにより、冷却媒体の噴射中心をターゲット１の伝熱面１ｈに対して常に変化させることができるので、前記伝熱面１ｈへのよどみ点Ｓｔの発生を抑制することができる。その結果、ターゲット１の局所的な昇温を抑えて、安定して中性子発生装置１０１を運転することができる。
【００９７】
以上、実施例２及びその変形例によれば、ターゲットを噴射冷却により冷却するので、強制対流熱伝達と比較して高い伝熱効率を得ることができる。また、ターゲットの発熱量が最も多い部分へ冷却媒体を噴射するので、この部分を効率的に冷却することができる。これらの作用により、ターゲットを効率よく冷却することができる。また、冷却媒体通路を流れる冷却媒体の流速低下を抑制できるので、ターゲット全体を効率よく冷却できる。その結果、長時間にわたって陽子を照射した場合でも、ターゲットの昇温を抑えて、中性子発生装置から安定してＢＮＣＴに適した熱外中性子を取り出すことができる。
【００９８】
なお、実施例２及びその変形例に係る冷却手段は、中性子発生手段に関わらず適用することができる。実施例２では、２０ＭｅＶ以上の高エネルギーの陽子をタンタルやタングステンのターゲットへ照射することによって中性子を発生させる。しかし、これに限られず、２．５ＭｅＶ程度の低エネルギー陽子をＬｉのターゲットに照射して中性子を発生させる場合にも、実施例２及びその変形例に係る冷却手段を適用することができる。低エネルギー陽子をＬｉに照射する場合、電流値は２５ｍＡ程度必要になるので、ターゲットの発熱量は高エネルギーの陽子を照射する場合以上になる。このような場合に、実施例２及びその変形例に係る冷却手段を用いれば、ターゲットを効率的に冷却して、長時間の運転でも安定して中性子を取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上のように、本発明に係る中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムは、ＢＮＣＴに有用であり、特に、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】実施例１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。
【図２】実施例１に係る中性子発生装置を示す説明図である。
【図３−１】減速材出口での陽子の進行方向と中性子の発生方向との関係を示す概念図である。
【図３−２】中性子の収率と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。
【図４−１】実施例１に係るターゲットを示す断面図である。
【図４−２】実施例１に係るターゲットを示す平面図である。
【図５−１】ターゲットの発熱密度とターゲットの厚さとの関係を示す説明図である。
【図５−２】ターゲットの厚さをパラメータとした場合における中性子の収率とエネルギーとの関係を示す説明図である。
【図６−１】実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。
【図６−２】実施例１に係るターゲットの他の例を示す断面図である。
【図６−３】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図６−４】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図６−５】陽子が照射される領域を拡大する例を示す説明図である。
【図７−１】ターゲットが陽子の進行方向に直交する方向に対して傾いている場合を説明する断面図である。
【図７−２】図７−１に示すＢ領域の拡大図である。
【図８】実施例１の変形例に係るターゲット及び冷却系を示す説明図である。
【図９−１】図８のＸ−Ｘ断面図である。
【図９−２】図８のＹ−Ｙ断面図である。
【図１０−１】実施例１の変形例に係るターゲットを示す平面図である。
【図１０−２】図１０−１のＺ−Ｚ断面図である。
【図１１】実施例２に係る中性子発生装置を示す説明図である。
【図１２−１】実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。
【図１２−２】実施例２に係る中性子発生装置が備えるターゲットの冷却手段を示す断面図である。
【図１３−１】実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。
【図１３−２】図１３−１を矢印Ｄ方向から見た平面図である。
【図１３−３】ターゲットの伝熱面に衝突する冷却媒体を示す説明図である。
【図１４−１】実施例２の変形例に係るターゲットの冷却手段を示す説明図である。
【図１４−２】実施例２の変形例に係る回転体を陽子の照射方向から見た平面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１ａ ターゲット
１ｈ 伝熱面
１ｐ 陽子照射面
２ 加速器
３ 中性子減速部
４ 治療室
５ 反射体
１０、１０ａ 冷却手段
１１ 導管
１２ 冷却媒体ガイド
１３ 冷却媒体通路
１００、１０１ 中性子発生装置
２００ 中性子照射システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、
前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、
（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、
を含んで構成されることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項２】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の中性子発生装置。
【請求項３】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする請求項２に記載の中性子発生装置。
【請求項４】
前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項５】
前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項６】
さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項７】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とするターゲット。
【請求項８】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とするターゲット。
【請求項９】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項７に記載のターゲット。
【請求項１０】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項８に記載のターゲット。
【請求項１１】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする請求項９に記載のターゲット。
【請求項１２】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、少なくとも前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの厚さが大きくなることを特徴とする請求項１０に記載のターゲット。
【請求項１３】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくするとともに、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とするターゲット。
【請求項１４】
高エネルギーの陽子が照射されるターゲットと、前記陽子の照射により前記ターゲットから発生した中性子が導かれ、これを減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍して前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成される中性子発生装置と、
前記中性子発生装置の前記ターゲットに、加速した陽子を照射する加速器と、を備え、
前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を中性子照射対象に照射することを特徴とする中性子照射システム。
【請求項１５】
前記ターゲットに陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の中性子照射システム。
【請求項１６】
前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする請求項１５に記載の中性子照射システム。
【請求項１７】
さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の中性子照射システム。
【請求項１】
高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、
前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、
（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、
を含んで構成されることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項２】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の中性子発生装置。
【請求項３】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする請求項２に記載の中性子発生装置。
【請求項４】
前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項５】
前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項６】
さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
【請求項７】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とするターゲット。
【請求項８】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とするターゲット。
【請求項９】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項７に記載のターゲット。
【請求項１０】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの最大厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくすることを特徴とする請求項８に記載のターゲット。
【請求項１１】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とする請求項９に記載のターゲット。
【請求項１２】
前記ターゲットに前記陽子が照射される領域は、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、少なくとも前記陽子の進行方向に対する前記リブ以外の部分での前記ターゲットの厚さが大きくなることを特徴とする請求項１０に記載のターゲット。
【請求項１３】
加速器により加速された陽子が照射されて中性子を発生するターゲットであり、
前記陽子が照射される領域においては、前記陽子の進行方向に対する厚さを前記陽子の停止距離よりも小さくするとともに、前記ターゲットに前記陽子が照射される領域においては、前記加速器から照射される陽子の強度が強い部分から弱い部分に向かって、前記陽子の進行方向に対する厚さが大きくなることを特徴とするターゲット。
【請求項１４】
高エネルギーの陽子が照射されるターゲットと、前記陽子の照射により前記ターゲットから発生した中性子が導かれ、これを減速する中性子減速部と、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成され、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍して前記中性子減速部へ導く反射体と、を含んで構成される中性子発生装置と、
前記中性子発生装置の前記ターゲットに、加速した陽子を照射する加速器と、を備え、
前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を中性子照射対象に照射することを特徴とする中性子照射システム。
【請求項１５】
前記ターゲットに陽子が照射される面とは反対側の面に対して冷却媒体を噴射する噴射冷却手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の中性子照射システム。
【請求項１６】
前記ターゲットは、前記陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブが設けられ、この複数のリブによって仕切られる冷却通路を備えることを特徴とする請求項１５に記載の中性子照射システム。
【請求項１７】
さらに、前記陽子からなる陽子線の断面積を拡大して前記ターゲットに照射する陽子線拡大手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の中性子照射システム。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４−１】
【図４−２】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図６−５】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１３−１】
【図１３−２】
【図１３−３】
【図１４−１】
【図１４−２】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４−１】
【図４−２】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図６−５】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１３−１】
【図１３−２】
【図１３−３】
【図１４−１】
【図１４−２】
【公開番号】特開２００６−４７１１５（Ｐ２００６−４７１１５Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２８６３８（Ｐ２００４−２２８６３８）
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年３月１１日 社団法人日本原子力学会発行の「日本原子力学会 ２００４年（第４２回）春の年会要旨集 第１分冊（総論、放射線工学と加速器・ビーム科学、核融合工学、保健物理と環境科学）」に発表
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年３月１１日 社団法人日本原子力学会発行の「日本原子力学会 ２００４年（第４２回）春の年会要旨集 第１分冊（総論、放射線工学と加速器・ビーム科学、核融合工学、保健物理と環境科学）」に発表
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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