加速器中性子源及びこれを用いたホウ素中性子捕捉療法システム
【課題】金属ターゲットの除熱を良好に行い、安定して中性子を発生することができる。
【解決手段】ＲＦＱライナック２やドリフトチューブライナック３等の線形加速器により加速された陽子ビーム１０を用いて中性子を発生させる加速器中性子源６において、陽子ビーム１０が照射される板状の金属ターゲット１１と、冷却水流路１２ａ〜１２ｅをその内部に有し、金属ターゲット１１が一方側の面１３に接合され、その一方側の面１３が金属ターゲット１１との接合部１４の面積よりも大きな面積を有する冷却装置１５を備える。
【解決手段】ＲＦＱライナック２やドリフトチューブライナック３等の線形加速器により加速された陽子ビーム１０を用いて中性子を発生させる加速器中性子源６において、陽子ビーム１０が照射される板状の金属ターゲット１１と、冷却水流路１２ａ〜１２ｅをその内部に有し、金属ターゲット１１が一方側の面１３に接合され、その一方側の面１３が金属ターゲット１１との接合部１４の面積よりも大きな面積を有する冷却装置１５を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源、及びこの加速器中性子源を用いたホウ素中性子捕捉療法システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホウ素中性子捕捉療法は、Ｘ線、荷電粒子線等の放射線療法と異なり、予め投与されて腫瘍内部に局在するホウ素（10Ｂ）と、外部から照射した中性子との核反応（10Ｂ(ｎ,α)7Ｌｉ）によって発生するα線とリチウム原子核（7Ｌｉ）とを腫瘍細胞の殺傷に利用する治療方法である。α線とリチウム原子核（7Ｌｉ）の飛程は、細胞１個分程度であることから、正常細胞を傷つけることなく腫瘍を殺傷することができる。このようなホウ素中性子捕捉療法を行うシステムとして、原子炉から発生する中性子を用いるシステムがある（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、原子炉の新設は困難であり、また既設の原子炉を用いる場合でも原子炉の利用にはさまざまな規制が伴うことから、治療を実施する医師に多大な負担を強いるという問題があった。
【０００３】
そこで、加速器を用いた安価で簡易なホウ素捕捉療法用の加速器システムが望まれている。この加速器システムでは、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる。ホウ素捕捉療法用の加速器としては、従来より、リチウム（7Ｌｉ）をターゲットに用い7Ｌｉ(ｐ,ｎ)7Ｂｅ反応を利用した陽子の加速エネルギーが２．５ＭｅＶ程度以下のもの、又はタングステン若しくはタンタル等をターゲットに用いそれらの核破砕反応を利用した陽子の加速エネルギーが５０ＭｅＶ以上のもの等が提唱されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかし、前者のリチウムを用いた加速器においては、7Ｌｉの融点が１７９℃と低いために加速陽子による熱負荷に耐えることが困難であるという問題があった。また、後者のタングステン及びタンタル等を用いた加速器においては、核破砕反応により高エネルギーの中性子が発生してしまい、その減速又は遮蔽に大量の減速材及び遮蔽材が必要であることから、装置全体が大きく高価なものとなってしまうという問題があった。
【０００４】
このような観点から、近年、高融点材のベリリウム（9Ｂｅ：融点１２８７℃）をターゲットに用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより中性子を発生させる加速器システムが提唱されている。
【０００５】
【非特許文献１】社団法人電気学会、「先端放射医療技術と計測」、初版、株式会社コロナ社、２００１年１１月１５日、ｐ．４０−５７
【非特許文献２】井上 信、“中性子捕捉医療用加速器”、[online]、１９９６年９月１８日、[２００４年１２月５日]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.rada.or.jp:8180/member/detail/040016.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記ベリリウムをターゲットとした加速器システムを用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより発生する中性子をホウ素中性子捕捉療法に適用しようとする場合、必要な入射陽子ビームの出力は約３０ｋＷもの大きな値になることが試算される。このとき、陽子ビームの直径はせいぜい５０〜６０ｍｍであるので、ビーム出力密度は約１０ＭＷ／ｍ2となる。このようにターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2にもなると、通常の冷却水を用いた簡単なヒートシンク程度では直ちに冷却水自体が沸騰し、除熱が困難となる。その結果、安定して中性子を発生することができなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定して中性子を発生することができる加速器中性子源及びこれを用いたホウ素中性子捕捉療法システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本願第１発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる加速器中性子源において、前記荷電粒子ビームが照射される板状の金属ターゲットと、冷却水流路をその内部に有し、前記金属ターゲットが一方側の面に接合され、前記一方側の面が前記金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本実施形態の加速器中性子源においては、加速器により加速された荷電粒子ビームを板状の金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる。この金属ターゲットは、冷却水流路をその内部に有する冷却装置によって冷却される。
【００１０】
ここで、荷電粒子ビームとして例えば陽子を、金属ターゲットとして例えばベリリウム（9Ｂｅ）を用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより中性子を発生させようとした場合、必要な入射陽子ビームの出力は約３０ｋＷもの大きな値になることが試算される。このとき、通常、陽子ビームの直径はせいぜい５０〜６０ｍｍであるので、ビーム出力密度は約１０ＭＷ／ｍ2となる。このように金属ターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2にもなると、通常の冷却水を用いた簡単なヒートシンク程度では直ちに冷却水自体が沸騰し、除熱が困難となる。その結果、安定して中性子を発生することができなくなるという問題があった。
【００１１】
これに対し、本発明においては、冷却水流路をその内部に有し、金属ターゲットが一方側の面に接合され、その一方側の面が金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置を用いて金属ターゲットを冷却する。このような構造とすることにより、冷却装置内の冷却水流路の表面積のうち金属ターゲットと対向する側の表面積（すなわち有効伝熱面積）を、冷却装置の一方側の面（すなわち金属ターゲットと接合される側の面）の面積と略同等又はそれ以上とすることが可能である。これにより、従来に比べ有効伝熱面積を大幅に増大することができ、上記のように金属ターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2のような状態であっても良好に除熱を行うことができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００１２】
（２）本願第２発明は、上記第１発明において、前記冷却水流路は、その表面積のうち前記金属ターゲットと対向する側の表面積が前記冷却装置の一方側の面の面積と略同等又はそれよりも大きくなるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
（３）本願第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記冷却水流路は、前記金属ターゲットとの最小距離が前記金属ターゲットの厚み程度となるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
一般に、金属ターゲットと冷却水流路との距離は小さいほど冷却効率は向上する。しかしながら、距離をゼロとして金属ターゲットを直接冷却水で冷却する場合には冷却水による金属ターゲットの腐食が懸念され、また金属ターゲットを支持するための強度も必要であることから、金属ターゲットと冷却水流路との間にはある程度の厚み（距離）が必要となる。
【００１５】
本発明においては、冷却水流路を、金属ターゲットとの最小距離が金属ターゲットの厚み程度となるように冷却装置内に設ける。これにより、上記した支持強度の確保と冷却効率とのバランスを適切にとることができ、冷却水による腐食を防止できると共に支持強度を確保でき、その上で冷却効率を良好に維持することが可能である。
【００１６】
（４）本願第４発明は、上記第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームの前記金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい厚みを有することを特徴とする。
【００１７】
金属ターゲットは、その厚みがあまり大きい場合には加速器中性子源の大型化につながり、また冷却効率も低下するため、できるだけ薄い方が好ましい。しかしながら、例えば、金属ターゲットの厚みが荷電粒子ビームの金属ターゲット中における飛程よりも薄い場合には、金属ターゲットに照射された荷電粒子ビームの一部が核反応に用いられずに金属ターゲットを通過して中性子発生量が減少してしまう。
【００１８】
本発明においては、金属ターゲットの厚みを、荷電粒子ビームの金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度とする。これにより、加速器中性子源の大型化及び冷却効率の低下を最小限に抑制しつつ、金属ターゲットに照射された荷電粒子ビームのほぼ全てを核反応に用い、中性子を有効に取り出すことができる。
【００１９】
（５）本願第５発明は、上記第１乃至第４発明のいずれかにおいて、前記金属ターゲットと前記冷却装置とは、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合されていることを特徴とする。
【００２０】
このような接合方式とすることにより、高熱負荷に対しても十分対応できる。特に高温等方加圧接合では、高温ロウ付けに比べ、耐熱性だけでなく、接合面の一様性にすぐれ、接合面で気泡等が発生しにくいという効果がある。
【００２１】
（６）本願第６発明は、上記第１乃至第５発明のいずれかにおいて、前記荷電粒子ビームは陽子ビームであり、前記金属ターゲットはベリリウム（9Ｂｅ）であることを特徴とする。
【００２２】
（７）上記目的を達成するために、本願第７発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源において、前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームが照射される側の面に前記荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、荷電粒子ビームの照射される側の面に荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有する金属ターゲットを用いる。このように、照射側に荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有する金属ターゲットを用いることにより、実効的な照射面積を増大することができる。これにより、実効的な熱負荷を低減することができるので、内部に有する冷却水流路により金属ターゲットの熱を良好に除熱することができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００２４】
（８）本願第８発明は、上記第７発明において、前記金属ターゲットは複数のピースに分割可能であることを特徴とする。
【００２５】
（９）上記目的を達成するために、本願第９発明は、荷電粒子を生成する荷電粒子源と、前記荷電粒子源で生成された前記荷電粒子を加速する加速器と、前記加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系により輸送された前記荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の加速器中性子源とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明のホウ素中性子捕捉療法システムにおいては、上記（１）〜（８）において説明したように、安定して中性子を発生することができる加速器中性子源を備える結果、安定した治療を長時間にわたって実施することが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、金属ターゲットの除熱を良好に行い、安定して中性子を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の加速器中性子源及びこれを用いたホウ素中性子捕捉療法システムの一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態のホウ素中性子捕捉療法システムの全体概略構造を表す図である。
【００３０】
この図１において、イオン源（荷電粒子源）１で生成された陽子（荷電粒子）は、ＲＦＱライナック（加速器）２やドリフトチューブライナック（加速器）３等の線形加速器で順次加速される。これにより、ＭｅＶ級以上の高エネルギーに加速された陽子ビーム１０（後述の図２参照）は、各種磁場コイルからなるビーム調整器４等のビーム輸送系を経て、ターゲットシステム５内の加速器中性子源６（後述の図２参照）に備えられる金属ターゲット（ここではベリリウム（9Ｂｅ））１１（後述の図２参照）に入射し、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより高速中性子を発生する。発生した高速中性子は、ターゲットシステム５内においてさらにモデレータ（図示せず）により減速され、治療に必要な熱外中性子あるいは熱中性子が生成され、ベッド７上の患者８の患部（例えば頭部脳内腫瘍）に照射される。なお、加速器２，３の周辺、ターゲットシステム５の周辺、及び患者８の周辺等には、それぞれのレベルを考慮した図示しない遮蔽構造が施されている。
【００３１】
図２は、上記ターゲットシステム５内に設けた加速器中性子源６の全体構造を表す斜視図である。
【００３２】
この図２において、加速器中性子源６は、上記イオン源１で生成されＲＦＱライナック２及びドリフトチューブライナック３等の線形加速器で加速された陽子ビーム１０が照射される板状の金属ターゲット１１と、複数（本実施形態では５本）の冷却水流路１２ａ〜１２ｅをその内部に有し、金属ターゲット１１が一方側の面（この図２では上側の面）１３に接合されたヒートシンク（冷却装置）１５とを備えている。
【００３３】
金属ターゲット１１は上記したようにベリリウム（9Ｂｅ）により構成され、その板厚Ｄｔは、照射される陽子の金属ターゲット１１中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度である。例えば、１１ＭｅＶの陽子のベリリウム中での飛程は０．９４ｍｍであるので、この場合の金属ターゲット１１の板厚は１ｍｍ〜２ｍｍとすればよい。
【００３４】
金属ターゲット１１の裏面（照射される面と反対側の面。この図２では下側の面）に接合された上記ヒートシンク１５は、熱伝導性にすぐれた金属（例えば銅）により構成され、ブロック形状をしている（なお、他の形状であってもよい）。このヒートシンク１５内には、上記したように５本の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅが形成されている。それぞれの冷却水流路１２ａ〜１２ｅには、図示しない強制循環ポンプ、冷却機(チラー)、流量調整バルブ、流量計等からなる冷却系補機により、必要な流量の冷却水が強制循環されている。なお、この冷却水の流れ方向は、図２に示すように並列方向となっている。また、金属ターゲット１１とヒートシンク１５との接合部１４は、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により形成されている。
【００３５】
ここで、本実施形態の特徴として、冷却装置１５の一方側の面１３が金属ターゲット１１との接合部１４の面積よりも大きな面積を有するように構成したことがあげられる。すなわち、次式（１）を満たすように構成されている。
【００３６】
Ｓｈ＝ｋ１・Ｓｔ（ｋ１＞１）・・・（１）
なお、Ｓｈは冷却装置１５の一方側の面１３の面積、Ｓｔは接合部１４の面積、ｋ１は倍率定数である。この倍率定数ｋ１の値は２〜４が好ましい。
【００３７】
２つ目の特徴として、ヒートシンク１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面積（すなわち伝熱可能面積）のうち、金属ターゲット１１（言い換えれば熱源）と対向する側の表面積Ｓｗ（以下、有効伝熱面積Ｓｗと称する。本実施形態のような構造である場合、通常、伝熱可能面積の４０〜６０％程度である）が、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈとほぼ等しいか、又は大きくなるように構成したことがあげられる。すなわち、次式（２）を満たすように構成されている。
【００３８】
Ｓｗ＝ｋ２・Ｓｈ（ｋ２＝１〜１．２）・・・（２）
なお、ｋ２は倍率定数であるが、有効伝熱面積Ｓｗは、図２に示すように冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅが円柱状の場合には、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面積（すなわち伝熱可能面積）の約１／２とみなすことができるので、冷却水流路間のギャップを考慮しても１〜１．２程度が期待できる。
【００３９】
３つ目の特徴として、金属ターゲット１１と冷却装置１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅとの最小距離Ｌｔｗを、ターゲット板厚Ｄｔ程度に設定したことがあげられる。
【００４０】
以上のように構成された本実施形態では、次のような効果を得ることができる。以下、その項目ごとに説明する。
【００４１】
（i）ターゲットの除熱機能向上効果
すなわち、本実施形態では、上述したように熱源となる金属ターゲット１１のビーム照射面積（接合部１４の面積Ｓｔに等しい）に比べ、ヒートシンク１５の一方側の面１３の面積Ｓｈが十分大きいこと、さらにヒートシンク１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗがヒートシンク１５の一方側の面１３の面積Ｓｈとほぼ同程度に大きいことから、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗを、従来考えられていたものに比べ一桁程度大きくとることができる。その結果、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面（伝熱面）上において離散的に気泡が発生する核沸騰状態が安定的に維持され、熱伝達率を増大することができる。これにより、金属ターゲット１１の熱負荷が大きい場合であっても良好に除熱を行うことができ、その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００４２】
上記した除熱機能の向上効果を以下に具体的に検証する。
冷却水による強制対流冷却における熱入力Ｐｅ(ｋＷ)と、冷却水の有効伝熱面積Ｓｗ(ｍ2)と冷却水界面における温度Ｔｗ（Ｋ）、冷却水平均温度Ｔｃ（Ｋ）、冷却水の熱伝達係数α（ｋＷ／ｍ2Ｋ）との関係は次式（３）で与えられる。
【００４３】
Ｐｅ＝α・Ｓｗ・（Ｔｗ-Ｔｃ）・・・（３）
なお、熱伝達係数αは、流速が十分大きい乱流領域では冷却水の流速ｖ（ｍ/ｓ）の０．８乗に比例する形で増大することが知られている(Dittus−Boelterの式)。
【００４４】
図３は上記式に基づく計算結果である。この図３により、例えば直径１ｃｍの冷却水流路において冷却水の流速５ｍ／ｓではα＝２７ｋＷ／ｍ2Ｋが得られることがわかる。ここで、Ｐｅ＝３０ｋＷであるとき、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅ内の冷却水が膜沸騰（蒸気膜により伝熱面と冷却水が直接触れ合わない沸騰状態）しない温度条件として、おおまかにΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｃ＜５０Ｋと考えると、上記式（３）よりＳｗ＞２２０ｃｍ2となり、有効伝熱面積Ｓｗを２２０ｃｍ2程度にすればよいことがわかる。
【００４５】
すなわち、本実施形態によれば、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈを２２０ｃｍ2≒１５ｃｍ×１５ｃｍ程度とし、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗを２２０ｃｍ2程度以上とすることによって、前述したように金属ターゲット１１の熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2となるような状態であっても良好に除熱を行うことができる。
【００４６】
（ii）中性子の発生効率向上効果
金属ターゲット１１は、その厚みＤｔがあまり大きい場合には加速器中性子源６の大型化につながり、また冷却効率も低下するため、できるだけ薄い方が好ましい。しかしながら、例えば、金属ターゲット１１の厚みＤｔが陽子ビームの金属ターゲット１１中における飛程よりも薄い場合には、金属ターゲット１１に照射された陽子ビームの一部が核反応に用いられずに金属ターゲット１１を通過して中性子発生量が減少してしまう。
【００４７】
本実施形態においては、前述したように金属ターゲット１１の厚みＤｔを陽子の飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度とする。これにより、上記した加速器中性子源６の大型化及び冷却効率の低下を最小限に抑制しつつ、金属ターゲット１１に照射された陽子ビームのほぼ全てを核反応に用い、中性子を有効に取り出すことができるという効果を得る。
【００４８】
（iii）金属ターゲットの腐食防止、支持強度の確保、及び冷却効率向上効果
一般に、金属ターゲット１１と冷却水流路１２との距離は小さいほど冷却効率は向上する。しかしながら、その距離をゼロとして金属ターゲット１１を直接冷却水で冷却する構造の場合には、冷却水による金属ターゲット１１の腐食が懸念される。また、金属ターゲット１１を支持するための強度も必要であるため、金属ターゲット１１と冷却水流路１２との間にはある程度の厚み（距離）が必要となる。
【００４９】
本実施形態においては、前述したように冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅと金属ターゲット１１との最小距離Ｌｔｗが金属ターゲット１１の厚みＤｔ程度となるように構成する。これにより、上記した支持強度の確保と冷却効率とのバランスを適切にとることができ、冷却水による金属ターゲット１１の腐食を防止できると共に金属ターゲット１１の支持強度を確保し、その上で冷却効率を良好に維持することが可能である。その結果、金属ターゲット１１の表面温度及び裏面温度（すなわち接合部１４の温度）を、金属ターゲット１１の融点（9Ｂｅの融点：１２８７℃）に比べ十分低く抑えることができる。
【００５０】
（iv）接合方式による効果
本実施形態では、上述したように、金属ターゲット１１と冷却装置１５の一方側の面１３とを高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合する。これらの接合方式は、耐熱温度が高い（高温等方加圧接合は耐熱温度約８００℃、高温ロウ付け接合は耐熱温度約５００℃）ので、高熱負荷に対しても十分対応できる。特に高温等方加圧接合を用いた場合には、高温ロウ付けに比べ、耐熱性だけでなく、接合面の一様性にすぐれ、接合面で気泡等が発生しにくいという効果がある。
【００５１】
（v）治療の安定性向上効果
以上（i）〜（iv）において説明したような効果が得られる結果、本実施形態のホウ素中性子捕捉療法システムによれば、安定した所要の中性子を長時間にわたって発生することができ、安定した治療を長時間にわたって実施できる。
【００５２】
なお、上記実施形態は、上記以外にも、その趣旨と技術思想の範囲を逸脱しない範囲でさらに種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順次説明する。
【００５３】
（１）冷却水の流れを直列とした構造
図４は、本変形例における加速器中性子源６Ａの全体構造を表す上面図である。この図４に示すように、上記実施形態ではヒートシンク１５内の複数の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅ内の冷却水の流れ方向を並列方向としたのに対し、本変形例ではこれらの流れ方向を直列方向にしている。これにより、すべての冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅにおける冷却水の流速が同一になり、各流路間で流速がばらつく恐れがある上記実施形態の問題点を改善できるという効果がある。
【００５４】
（２）冷却水の流れ方向を部分的に直列方向とした構造
図５は、本変形例における加速器中性子源６Ｂの各冷却水流路の流れに関する情報のみを示した図である。この図５に示すように、中央の冷却水流路入口Ｃ１から流入した冷却水は出口Ｃ２でＢ２及びＤ２へ分岐し、以後はそれぞれ直列方向に流れる。Ｃ２で分岐したあとの流路が流れ方向反転を含む圧力損失の大きい流路になっているので、分岐時の流量バランスは、全流路並列の上記実施形態の場合よりも良好である。また一部並列流路を形成しているので、全流路並列の上記変形例（１）よりも循環ポンプに与える負担は小さくなるという効果がある。
【００５５】
（３）金属ターゲットを冷却装置の凹部にはめ込んだ構造
特に図示して詳細に説明はしないが、上記実施形態では冷却装置１５の一方側の面１３上に金属ターゲット１１を載せた形で接合するようにしたが、これに限らず、冷却装置１５の一方側の面１３に金属ターゲット１１に合わせた形状の凹部を形成し、そこに金属ターゲット１１をはめ込んだ形で接合してもよい。なおこのとき、金属ターゲット１１の上面は冷却装置１５の一方側の面１３より出っ張る（又は凹む）ようにしてもよいし、一方側の面１３と同一平面上となるようにしてもよい。この場合、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈは、金属ターゲット１１の周囲部分の面積に凹部の底の面積を加えた面積となる。本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。
【００５６】
（４）分割可能な金属ターゲットが内部に冷却水流路を有する構造
図６は、本変形例における加速器中性子源６Ｃの全体構造を表す側面図である。この図６に示すように、本変形例では、金属ターゲット１６は分割可能に構成され、分割された各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄがそれぞれその内部に冷却水流路１７a、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを有している。また、各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、底角θのほぼ三角柱の形状であり、それぞれのビーム照射面（傾斜面）１８はビーム入射方向に対して所定の角度（傾斜）を有し、実効的な照射面積は対応するビーム断面積よりも大きくなるように設定されている。なお、各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、例えばボルト締め等の機械的締付により、ターゲット支持板１９に接続されている。
【００５７】
以上のように構成された本変形例では、実効的なビーム照射面積を対応するビーム断面積の１／ｃｏｓθとすることができる。例えばθ＝６０度のときは、実効的な照射面積はビーム断面積の２倍になる。このように、実効的な熱負荷を低減することができるので、内部に有する冷却水流路１７a、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄにより金属ターゲット１６の熱を良好に除熱することができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のホウ素中性子捕捉療法システムの一実施の形態の全体概略構造を表す図である。
【図２】本発明の加速器中性子源の一実施の形態の全体構造を表す斜視図である。
【図３】冷却水の熱伝達係数と流速との関係を表す図である。
【図４】冷却水の流れ方向を直列方向とした場合の変形例における加速器中性子源の全体構造を表す上面図である。
【図５】冷却水の流れ方向を部分的に直列方向とした場合の変形例における加速器中性子源の各冷却水流路の流れに関する情報のみを示した図である。
【図６】分割可能な金属ターゲットが内部に冷却水流路を有する変形例における加速器中性子源の全体構造を表す側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ イオン源（荷電粒子源）
２ ＲＦＱライナック（加速器）
３ ドリフトチューブライナック（加速器）
４ ビーム調整器（ビーム輸送系）
６ 加速器中性子源
６Ａ 加速器中性子源
６Ｂ 加速器中性子源
６Ｃ 加速器中性子源
１１ 金属ターゲット
１２ 冷却水流路
１３ 一方側の面
１４ 接合部
１５ ヒートシンク（冷却装置）
１６ 金属ターゲット
１７ 冷却水流路
１８ ビーム照射面（傾斜面）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源、及びこの加速器中性子源を用いたホウ素中性子捕捉療法システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホウ素中性子捕捉療法は、Ｘ線、荷電粒子線等の放射線療法と異なり、予め投与されて腫瘍内部に局在するホウ素（10Ｂ）と、外部から照射した中性子との核反応（10Ｂ(ｎ,α)7Ｌｉ）によって発生するα線とリチウム原子核（7Ｌｉ）とを腫瘍細胞の殺傷に利用する治療方法である。α線とリチウム原子核（7Ｌｉ）の飛程は、細胞１個分程度であることから、正常細胞を傷つけることなく腫瘍を殺傷することができる。このようなホウ素中性子捕捉療法を行うシステムとして、原子炉から発生する中性子を用いるシステムがある（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、原子炉の新設は困難であり、また既設の原子炉を用いる場合でも原子炉の利用にはさまざまな規制が伴うことから、治療を実施する医師に多大な負担を強いるという問題があった。
【０００３】
そこで、加速器を用いた安価で簡易なホウ素捕捉療法用の加速器システムが望まれている。この加速器システムでは、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる。ホウ素捕捉療法用の加速器としては、従来より、リチウム（7Ｌｉ）をターゲットに用い7Ｌｉ(ｐ,ｎ)7Ｂｅ反応を利用した陽子の加速エネルギーが２．５ＭｅＶ程度以下のもの、又はタングステン若しくはタンタル等をターゲットに用いそれらの核破砕反応を利用した陽子の加速エネルギーが５０ＭｅＶ以上のもの等が提唱されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかし、前者のリチウムを用いた加速器においては、7Ｌｉの融点が１７９℃と低いために加速陽子による熱負荷に耐えることが困難であるという問題があった。また、後者のタングステン及びタンタル等を用いた加速器においては、核破砕反応により高エネルギーの中性子が発生してしまい、その減速又は遮蔽に大量の減速材及び遮蔽材が必要であることから、装置全体が大きく高価なものとなってしまうという問題があった。
【０００４】
このような観点から、近年、高融点材のベリリウム（9Ｂｅ：融点１２８７℃）をターゲットに用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより中性子を発生させる加速器システムが提唱されている。
【０００５】
【非特許文献１】社団法人電気学会、「先端放射医療技術と計測」、初版、株式会社コロナ社、２００１年１１月１５日、ｐ．４０−５７
【非特許文献２】井上 信、“中性子捕捉医療用加速器”、[online]、１９９６年９月１８日、[２００４年１２月５日]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.rada.or.jp:8180/member/detail/040016.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記ベリリウムをターゲットとした加速器システムを用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより発生する中性子をホウ素中性子捕捉療法に適用しようとする場合、必要な入射陽子ビームの出力は約３０ｋＷもの大きな値になることが試算される。このとき、陽子ビームの直径はせいぜい５０〜６０ｍｍであるので、ビーム出力密度は約１０ＭＷ／ｍ2となる。このようにターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2にもなると、通常の冷却水を用いた簡単なヒートシンク程度では直ちに冷却水自体が沸騰し、除熱が困難となる。その結果、安定して中性子を発生することができなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定して中性子を発生することができる加速器中性子源及びこれを用いたホウ素中性子捕捉療法システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本願第１発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる加速器中性子源において、前記荷電粒子ビームが照射される板状の金属ターゲットと、冷却水流路をその内部に有し、前記金属ターゲットが一方側の面に接合され、前記一方側の面が前記金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本実施形態の加速器中性子源においては、加速器により加速された荷電粒子ビームを板状の金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる。この金属ターゲットは、冷却水流路をその内部に有する冷却装置によって冷却される。
【００１０】
ここで、荷電粒子ビームとして例えば陽子を、金属ターゲットとして例えばベリリウム（9Ｂｅ）を用い、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより中性子を発生させようとした場合、必要な入射陽子ビームの出力は約３０ｋＷもの大きな値になることが試算される。このとき、通常、陽子ビームの直径はせいぜい５０〜６０ｍｍであるので、ビーム出力密度は約１０ＭＷ／ｍ2となる。このように金属ターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2にもなると、通常の冷却水を用いた簡単なヒートシンク程度では直ちに冷却水自体が沸騰し、除熱が困難となる。その結果、安定して中性子を発生することができなくなるという問題があった。
【００１１】
これに対し、本発明においては、冷却水流路をその内部に有し、金属ターゲットが一方側の面に接合され、その一方側の面が金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置を用いて金属ターゲットを冷却する。このような構造とすることにより、冷却装置内の冷却水流路の表面積のうち金属ターゲットと対向する側の表面積（すなわち有効伝熱面積）を、冷却装置の一方側の面（すなわち金属ターゲットと接合される側の面）の面積と略同等又はそれ以上とすることが可能である。これにより、従来に比べ有効伝熱面積を大幅に増大することができ、上記のように金属ターゲットの熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2のような状態であっても良好に除熱を行うことができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００１２】
（２）本願第２発明は、上記第１発明において、前記冷却水流路は、その表面積のうち前記金属ターゲットと対向する側の表面積が前記冷却装置の一方側の面の面積と略同等又はそれよりも大きくなるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
（３）本願第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記冷却水流路は、前記金属ターゲットとの最小距離が前記金属ターゲットの厚み程度となるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
一般に、金属ターゲットと冷却水流路との距離は小さいほど冷却効率は向上する。しかしながら、距離をゼロとして金属ターゲットを直接冷却水で冷却する場合には冷却水による金属ターゲットの腐食が懸念され、また金属ターゲットを支持するための強度も必要であることから、金属ターゲットと冷却水流路との間にはある程度の厚み（距離）が必要となる。
【００１５】
本発明においては、冷却水流路を、金属ターゲットとの最小距離が金属ターゲットの厚み程度となるように冷却装置内に設ける。これにより、上記した支持強度の確保と冷却効率とのバランスを適切にとることができ、冷却水による腐食を防止できると共に支持強度を確保でき、その上で冷却効率を良好に維持することが可能である。
【００１６】
（４）本願第４発明は、上記第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームの前記金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい厚みを有することを特徴とする。
【００１７】
金属ターゲットは、その厚みがあまり大きい場合には加速器中性子源の大型化につながり、また冷却効率も低下するため、できるだけ薄い方が好ましい。しかしながら、例えば、金属ターゲットの厚みが荷電粒子ビームの金属ターゲット中における飛程よりも薄い場合には、金属ターゲットに照射された荷電粒子ビームの一部が核反応に用いられずに金属ターゲットを通過して中性子発生量が減少してしまう。
【００１８】
本発明においては、金属ターゲットの厚みを、荷電粒子ビームの金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度とする。これにより、加速器中性子源の大型化及び冷却効率の低下を最小限に抑制しつつ、金属ターゲットに照射された荷電粒子ビームのほぼ全てを核反応に用い、中性子を有効に取り出すことができる。
【００１９】
（５）本願第５発明は、上記第１乃至第４発明のいずれかにおいて、前記金属ターゲットと前記冷却装置とは、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合されていることを特徴とする。
【００２０】
このような接合方式とすることにより、高熱負荷に対しても十分対応できる。特に高温等方加圧接合では、高温ロウ付けに比べ、耐熱性だけでなく、接合面の一様性にすぐれ、接合面で気泡等が発生しにくいという効果がある。
【００２１】
（６）本願第６発明は、上記第１乃至第５発明のいずれかにおいて、前記荷電粒子ビームは陽子ビームであり、前記金属ターゲットはベリリウム（9Ｂｅ）であることを特徴とする。
【００２２】
（７）上記目的を達成するために、本願第７発明は、加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源において、前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームが照射される側の面に前記荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、荷電粒子ビームの照射される側の面に荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有する金属ターゲットを用いる。このように、照射側に荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有する金属ターゲットを用いることにより、実効的な照射面積を増大することができる。これにより、実効的な熱負荷を低減することができるので、内部に有する冷却水流路により金属ターゲットの熱を良好に除熱することができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００２４】
（８）本願第８発明は、上記第７発明において、前記金属ターゲットは複数のピースに分割可能であることを特徴とする。
【００２５】
（９）上記目的を達成するために、本願第９発明は、荷電粒子を生成する荷電粒子源と、前記荷電粒子源で生成された前記荷電粒子を加速する加速器と、前記加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系により輸送された前記荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の加速器中性子源とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明のホウ素中性子捕捉療法システムにおいては、上記（１）〜（８）において説明したように、安定して中性子を発生することができる加速器中性子源を備える結果、安定した治療を長時間にわたって実施することが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、金属ターゲットの除熱を良好に行い、安定して中性子を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の加速器中性子源及びこれを用いたホウ素中性子捕捉療法システムの一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態のホウ素中性子捕捉療法システムの全体概略構造を表す図である。
【００３０】
この図１において、イオン源（荷電粒子源）１で生成された陽子（荷電粒子）は、ＲＦＱライナック（加速器）２やドリフトチューブライナック（加速器）３等の線形加速器で順次加速される。これにより、ＭｅＶ級以上の高エネルギーに加速された陽子ビーム１０（後述の図２参照）は、各種磁場コイルからなるビーム調整器４等のビーム輸送系を経て、ターゲットシステム５内の加速器中性子源６（後述の図２参照）に備えられる金属ターゲット（ここではベリリウム（9Ｂｅ））１１（後述の図２参照）に入射し、陽子とベリリウムとの核反応9Ｂｅ(ｐ,ｎ)9Ｂにより高速中性子を発生する。発生した高速中性子は、ターゲットシステム５内においてさらにモデレータ（図示せず）により減速され、治療に必要な熱外中性子あるいは熱中性子が生成され、ベッド７上の患者８の患部（例えば頭部脳内腫瘍）に照射される。なお、加速器２，３の周辺、ターゲットシステム５の周辺、及び患者８の周辺等には、それぞれのレベルを考慮した図示しない遮蔽構造が施されている。
【００３１】
図２は、上記ターゲットシステム５内に設けた加速器中性子源６の全体構造を表す斜視図である。
【００３２】
この図２において、加速器中性子源６は、上記イオン源１で生成されＲＦＱライナック２及びドリフトチューブライナック３等の線形加速器で加速された陽子ビーム１０が照射される板状の金属ターゲット１１と、複数（本実施形態では５本）の冷却水流路１２ａ〜１２ｅをその内部に有し、金属ターゲット１１が一方側の面（この図２では上側の面）１３に接合されたヒートシンク（冷却装置）１５とを備えている。
【００３３】
金属ターゲット１１は上記したようにベリリウム（9Ｂｅ）により構成され、その板厚Ｄｔは、照射される陽子の金属ターゲット１１中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度である。例えば、１１ＭｅＶの陽子のベリリウム中での飛程は０．９４ｍｍであるので、この場合の金属ターゲット１１の板厚は１ｍｍ〜２ｍｍとすればよい。
【００３４】
金属ターゲット１１の裏面（照射される面と反対側の面。この図２では下側の面）に接合された上記ヒートシンク１５は、熱伝導性にすぐれた金属（例えば銅）により構成され、ブロック形状をしている（なお、他の形状であってもよい）。このヒートシンク１５内には、上記したように５本の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅが形成されている。それぞれの冷却水流路１２ａ〜１２ｅには、図示しない強制循環ポンプ、冷却機(チラー)、流量調整バルブ、流量計等からなる冷却系補機により、必要な流量の冷却水が強制循環されている。なお、この冷却水の流れ方向は、図２に示すように並列方向となっている。また、金属ターゲット１１とヒートシンク１５との接合部１４は、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により形成されている。
【００３５】
ここで、本実施形態の特徴として、冷却装置１５の一方側の面１３が金属ターゲット１１との接合部１４の面積よりも大きな面積を有するように構成したことがあげられる。すなわち、次式（１）を満たすように構成されている。
【００３６】
Ｓｈ＝ｋ１・Ｓｔ（ｋ１＞１）・・・（１）
なお、Ｓｈは冷却装置１５の一方側の面１３の面積、Ｓｔは接合部１４の面積、ｋ１は倍率定数である。この倍率定数ｋ１の値は２〜４が好ましい。
【００３７】
２つ目の特徴として、ヒートシンク１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面積（すなわち伝熱可能面積）のうち、金属ターゲット１１（言い換えれば熱源）と対向する側の表面積Ｓｗ（以下、有効伝熱面積Ｓｗと称する。本実施形態のような構造である場合、通常、伝熱可能面積の４０〜６０％程度である）が、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈとほぼ等しいか、又は大きくなるように構成したことがあげられる。すなわち、次式（２）を満たすように構成されている。
【００３８】
Ｓｗ＝ｋ２・Ｓｈ（ｋ２＝１〜１．２）・・・（２）
なお、ｋ２は倍率定数であるが、有効伝熱面積Ｓｗは、図２に示すように冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅが円柱状の場合には、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面積（すなわち伝熱可能面積）の約１／２とみなすことができるので、冷却水流路間のギャップを考慮しても１〜１．２程度が期待できる。
【００３９】
３つ目の特徴として、金属ターゲット１１と冷却装置１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅとの最小距離Ｌｔｗを、ターゲット板厚Ｄｔ程度に設定したことがあげられる。
【００４０】
以上のように構成された本実施形態では、次のような効果を得ることができる。以下、その項目ごとに説明する。
【００４１】
（i）ターゲットの除熱機能向上効果
すなわち、本実施形態では、上述したように熱源となる金属ターゲット１１のビーム照射面積（接合部１４の面積Ｓｔに等しい）に比べ、ヒートシンク１５の一方側の面１３の面積Ｓｈが十分大きいこと、さらにヒートシンク１５内の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗがヒートシンク１５の一方側の面１３の面積Ｓｈとほぼ同程度に大きいことから、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗを、従来考えられていたものに比べ一桁程度大きくとることができる。その結果、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの表面（伝熱面）上において離散的に気泡が発生する核沸騰状態が安定的に維持され、熱伝達率を増大することができる。これにより、金属ターゲット１１の熱負荷が大きい場合であっても良好に除熱を行うことができ、その結果、安定して中性子を発生することができる。
【００４２】
上記した除熱機能の向上効果を以下に具体的に検証する。
冷却水による強制対流冷却における熱入力Ｐｅ(ｋＷ)と、冷却水の有効伝熱面積Ｓｗ(ｍ2)と冷却水界面における温度Ｔｗ（Ｋ）、冷却水平均温度Ｔｃ（Ｋ）、冷却水の熱伝達係数α（ｋＷ／ｍ2Ｋ）との関係は次式（３）で与えられる。
【００４３】
Ｐｅ＝α・Ｓｗ・（Ｔｗ-Ｔｃ）・・・（３）
なお、熱伝達係数αは、流速が十分大きい乱流領域では冷却水の流速ｖ（ｍ/ｓ）の０．８乗に比例する形で増大することが知られている(Dittus−Boelterの式)。
【００４４】
図３は上記式に基づく計算結果である。この図３により、例えば直径１ｃｍの冷却水流路において冷却水の流速５ｍ／ｓではα＝２７ｋＷ／ｍ2Ｋが得られることがわかる。ここで、Ｐｅ＝３０ｋＷであるとき、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅ内の冷却水が膜沸騰（蒸気膜により伝熱面と冷却水が直接触れ合わない沸騰状態）しない温度条件として、おおまかにΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｃ＜５０Ｋと考えると、上記式（３）よりＳｗ＞２２０ｃｍ2となり、有効伝熱面積Ｓｗを２２０ｃｍ2程度にすればよいことがわかる。
【００４５】
すなわち、本実施形態によれば、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈを２２０ｃｍ2≒１５ｃｍ×１５ｃｍ程度とし、冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅの有効伝熱面積Ｓｗを２２０ｃｍ2程度以上とすることによって、前述したように金属ターゲット１１の熱負荷が１０ＭＷ／ｍ2となるような状態であっても良好に除熱を行うことができる。
【００４６】
（ii）中性子の発生効率向上効果
金属ターゲット１１は、その厚みＤｔがあまり大きい場合には加速器中性子源６の大型化につながり、また冷却効率も低下するため、できるだけ薄い方が好ましい。しかしながら、例えば、金属ターゲット１１の厚みＤｔが陽子ビームの金属ターゲット１１中における飛程よりも薄い場合には、金属ターゲット１１に照射された陽子ビームの一部が核反応に用いられずに金属ターゲット１１を通過して中性子発生量が減少してしまう。
【００４７】
本実施形態においては、前述したように金属ターゲット１１の厚みＤｔを陽子の飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい程度とする。これにより、上記した加速器中性子源６の大型化及び冷却効率の低下を最小限に抑制しつつ、金属ターゲット１１に照射された陽子ビームのほぼ全てを核反応に用い、中性子を有効に取り出すことができるという効果を得る。
【００４８】
（iii）金属ターゲットの腐食防止、支持強度の確保、及び冷却効率向上効果
一般に、金属ターゲット１１と冷却水流路１２との距離は小さいほど冷却効率は向上する。しかしながら、その距離をゼロとして金属ターゲット１１を直接冷却水で冷却する構造の場合には、冷却水による金属ターゲット１１の腐食が懸念される。また、金属ターゲット１１を支持するための強度も必要であるため、金属ターゲット１１と冷却水流路１２との間にはある程度の厚み（距離）が必要となる。
【００４９】
本実施形態においては、前述したように冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅと金属ターゲット１１との最小距離Ｌｔｗが金属ターゲット１１の厚みＤｔ程度となるように構成する。これにより、上記した支持強度の確保と冷却効率とのバランスを適切にとることができ、冷却水による金属ターゲット１１の腐食を防止できると共に金属ターゲット１１の支持強度を確保し、その上で冷却効率を良好に維持することが可能である。その結果、金属ターゲット１１の表面温度及び裏面温度（すなわち接合部１４の温度）を、金属ターゲット１１の融点（9Ｂｅの融点：１２８７℃）に比べ十分低く抑えることができる。
【００５０】
（iv）接合方式による効果
本実施形態では、上述したように、金属ターゲット１１と冷却装置１５の一方側の面１３とを高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合する。これらの接合方式は、耐熱温度が高い（高温等方加圧接合は耐熱温度約８００℃、高温ロウ付け接合は耐熱温度約５００℃）ので、高熱負荷に対しても十分対応できる。特に高温等方加圧接合を用いた場合には、高温ロウ付けに比べ、耐熱性だけでなく、接合面の一様性にすぐれ、接合面で気泡等が発生しにくいという効果がある。
【００５１】
（v）治療の安定性向上効果
以上（i）〜（iv）において説明したような効果が得られる結果、本実施形態のホウ素中性子捕捉療法システムによれば、安定した所要の中性子を長時間にわたって発生することができ、安定した治療を長時間にわたって実施できる。
【００５２】
なお、上記実施形態は、上記以外にも、その趣旨と技術思想の範囲を逸脱しない範囲でさらに種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順次説明する。
【００５３】
（１）冷却水の流れを直列とした構造
図４は、本変形例における加速器中性子源６Ａの全体構造を表す上面図である。この図４に示すように、上記実施形態ではヒートシンク１５内の複数の冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅ内の冷却水の流れ方向を並列方向としたのに対し、本変形例ではこれらの流れ方向を直列方向にしている。これにより、すべての冷却水流路１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｅにおける冷却水の流速が同一になり、各流路間で流速がばらつく恐れがある上記実施形態の問題点を改善できるという効果がある。
【００５４】
（２）冷却水の流れ方向を部分的に直列方向とした構造
図５は、本変形例における加速器中性子源６Ｂの各冷却水流路の流れに関する情報のみを示した図である。この図５に示すように、中央の冷却水流路入口Ｃ１から流入した冷却水は出口Ｃ２でＢ２及びＤ２へ分岐し、以後はそれぞれ直列方向に流れる。Ｃ２で分岐したあとの流路が流れ方向反転を含む圧力損失の大きい流路になっているので、分岐時の流量バランスは、全流路並列の上記実施形態の場合よりも良好である。また一部並列流路を形成しているので、全流路並列の上記変形例（１）よりも循環ポンプに与える負担は小さくなるという効果がある。
【００５５】
（３）金属ターゲットを冷却装置の凹部にはめ込んだ構造
特に図示して詳細に説明はしないが、上記実施形態では冷却装置１５の一方側の面１３上に金属ターゲット１１を載せた形で接合するようにしたが、これに限らず、冷却装置１５の一方側の面１３に金属ターゲット１１に合わせた形状の凹部を形成し、そこに金属ターゲット１１をはめ込んだ形で接合してもよい。なおこのとき、金属ターゲット１１の上面は冷却装置１５の一方側の面１３より出っ張る（又は凹む）ようにしてもよいし、一方側の面１３と同一平面上となるようにしてもよい。この場合、冷却装置１５の一方側の面１３の面積Ｓｈは、金属ターゲット１１の周囲部分の面積に凹部の底の面積を加えた面積となる。本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。
【００５６】
（４）分割可能な金属ターゲットが内部に冷却水流路を有する構造
図６は、本変形例における加速器中性子源６Ｃの全体構造を表す側面図である。この図６に示すように、本変形例では、金属ターゲット１６は分割可能に構成され、分割された各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄがそれぞれその内部に冷却水流路１７a、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを有している。また、各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、底角θのほぼ三角柱の形状であり、それぞれのビーム照射面（傾斜面）１８はビーム入射方向に対して所定の角度（傾斜）を有し、実効的な照射面積は対応するビーム断面積よりも大きくなるように設定されている。なお、各小ターゲット１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、例えばボルト締め等の機械的締付により、ターゲット支持板１９に接続されている。
【００５７】
以上のように構成された本変形例では、実効的なビーム照射面積を対応するビーム断面積の１／ｃｏｓθとすることができる。例えばθ＝６０度のときは、実効的な照射面積はビーム断面積の２倍になる。このように、実効的な熱負荷を低減することができるので、内部に有する冷却水流路１７a、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄにより金属ターゲット１６の熱を良好に除熱することができる。その結果、安定して中性子を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のホウ素中性子捕捉療法システムの一実施の形態の全体概略構造を表す図である。
【図２】本発明の加速器中性子源の一実施の形態の全体構造を表す斜視図である。
【図３】冷却水の熱伝達係数と流速との関係を表す図である。
【図４】冷却水の流れ方向を直列方向とした場合の変形例における加速器中性子源の全体構造を表す上面図である。
【図５】冷却水の流れ方向を部分的に直列方向とした場合の変形例における加速器中性子源の各冷却水流路の流れに関する情報のみを示した図である。
【図６】分割可能な金属ターゲットが内部に冷却水流路を有する変形例における加速器中性子源の全体構造を表す側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ イオン源（荷電粒子源）
２ ＲＦＱライナック（加速器）
３ ドリフトチューブライナック（加速器）
４ ビーム調整器（ビーム輸送系）
６ 加速器中性子源
６Ａ 加速器中性子源
６Ｂ 加速器中性子源
６Ｃ 加速器中性子源
１１ 金属ターゲット
１２ 冷却水流路
１３ 一方側の面
１４ 接合部
１５ ヒートシンク（冷却装置）
１６ 金属ターゲット
１７ 冷却水流路
１８ ビーム照射面（傾斜面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器により加速された荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる加速器中性子源において、
前記荷電粒子ビームが照射される板状の金属ターゲットと、
冷却水流路をその内部に有し、前記金属ターゲットが一方側の面に接合され、前記一方側の面が前記金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置とを備えたことを特徴とする加速器中性子源。
【請求項２】
前記冷却水流路は、その表面積のうち前記金属ターゲットと対向する側の表面積が前記冷却装置の一方側の面の面積と略同等又はそれよりも大きくなるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の加速器中性子源。
【請求項３】
前記冷却水流路は、前記金属ターゲットとの最小距離が前記金属ターゲットの厚み程度となるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の加速器中性子源。
【請求項４】
前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームの前記金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい厚みを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項５】
前記金属ターゲットと前記冷却装置とは、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームは陽子ビームであり、前記金属ターゲットはベリリウム（9Ｂｅ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項７】
加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源において、
前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームが照射される側の面に前記荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有することを特徴とする加速器中性子源。
【請求項８】
前記金属ターゲットは複数のピースに分割可能であることを特徴とする請求項７に記載の加速器中性子源。
【請求項９】
荷電粒子を生成する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源で生成された前記荷電粒子を加速する加速器と、
前記加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の加速器中性子源とを備えたことを特徴とするホウ素中性子捕捉療法システム。
【請求項１】
加速器により加速された荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる加速器中性子源において、
前記荷電粒子ビームが照射される板状の金属ターゲットと、
冷却水流路をその内部に有し、前記金属ターゲットが一方側の面に接合され、前記一方側の面が前記金属ターゲットとの接合部の面積よりも大きな面積を有する冷却装置とを備えたことを特徴とする加速器中性子源。
【請求項２】
前記冷却水流路は、その表面積のうち前記金属ターゲットと対向する側の表面積が前記冷却装置の一方側の面の面積と略同等又はそれよりも大きくなるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の加速器中性子源。
【請求項３】
前記冷却水流路は、前記金属ターゲットとの最小距離が前記金属ターゲットの厚み程度となるように、前記冷却装置内に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の加速器中性子源。
【請求項４】
前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームの前記金属ターゲット中における飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きい厚みを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項５】
前記金属ターゲットと前記冷却装置とは、高温等方加圧接合又は高温ロウ付け接合により接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームは陽子ビームであり、前記金属ターゲットはベリリウム（9Ｂｅ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の加速器中性子源。
【請求項７】
加速器により加速された荷電粒子ビームを金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させる加速器中性子源において、
前記金属ターゲットは、前記荷電粒子ビームが照射される側の面に前記荷電粒子ビームの進行方向に対して傾斜した傾斜面を有し、内部に冷却水流路を有することを特徴とする加速器中性子源。
【請求項８】
前記金属ターゲットは複数のピースに分割可能であることを特徴とする請求項７に記載の加速器中性子源。
【請求項９】
荷電粒子を生成する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源で生成された前記荷電粒子を加速する加速器と、
前記加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記荷電粒子ビームを用いて中性子を発生させる、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の加速器中性子源とを備えたことを特徴とするホウ素中性子捕捉療法システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１９６３５３（Ｐ２００６−１９６３５３Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７７４２（Ｐ２００５−７７４２）
【出願日】平成１７年１月１４日（２００５．１．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１４日（２００５．１．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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