特開 2020-38780 中性子発生装置、中性子発生システム、医療用中性子照射装置、中性子ラジオグラフィ装置、製薬用中性子照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-38780(P2020-38780A)

(43)【公開日】2020年3月12日

(54)【発明の名称】中性子発生装置、中性子発生システム、医療用中性子照射装置、中性子ラジオグラフィ装置、製薬用中性子照射装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 3/06 20060101AFI20200214BHJP

   G21K 1/00 20060101ALI20200214BHJP

   G21K 1/04 20060101ALI20200214BHJP

   G21K 5/02 20060101ALI20200214BHJP

   G01T 1/29 20060101ALI20200214BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20200214BHJP

【ＦＩ】

   H05H3/06

   G21K1/00 N

   G21K1/04 S

   G21K5/02 N

   G01T1/29 D

   A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2018-165078(P2018-165078)

(22)【出願日】2018年9月4日

(71)【出願人】

【識別番号】504300181

【氏名又は名称】国立大学法人浜松医科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】谷 重喜

【テーマコード（参考）】

2G085

2G188

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085BA17

2G085BD03

2G085BE03

2G085BE07

2G085BE08

2G085CA05

2G085CA22

2G085CA26

2G085EA07

2G188AA25

2G188AA27

2G188BB09

2G188CC08

2G188DD22

4C082AA01

4C082AC07

4C082AE01

4C082AG06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】小型かつ簡単な構成で装置の取扱性にも優れ、水素同位体ガスの無駄を減らして使用量を最小限に抑制できる中性子発生装置の提供。
【解決手段】中性子発生装置２１は、炉心ユニット２２と格納容器２３とを備える。炉心ユニット２２は、陽極４６を兼ねる真空容器４１、中空状の負極４２、ガス収容体４３、常閉の開放弁４４を有する。真空容器４１は、減圧状態の内部空間４５を有する。負極４２は、真空容器４１内に配置され高負電圧が印加される。ガス収容空間には水素同位体ガスが充填される。内部空間４５とガス収容空間とは流体的に接続される。開放弁４４は内部空間４５とガス収容空間とを繋ぐ流路５５上に設けられ、装置外部から開放操作が可能である。格納容器２３は、真空容器４１、ガス収容体４３、流路５５及び開放弁４４を全体的に覆うように格納する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素同位体ガス存在下での高電圧印加により核融合反応を誘起して中性子を発生する中性子発生装置であって、
減圧状態の前記水素同位体ガスがあらかじめ充填された内部空間を有するとともに陽極を兼ねる真空容器と、
前記真空容器内に配置され、高負電圧が印加される中空状の負極と
を有する炉心ユニットと、
中性子取出口を有するとともに、前記炉心ユニットのうち少なくとも前記真空容器を全体的に覆うように格納する格納容器と
を備えたことを特徴とする中性子発生装置。

【請求項2】

水素同位体ガス存在下での高電圧印加により核融合反応を誘起して中性子を発生する中性子発生装置であって、
減圧状態または減圧可能な状態の内部空間を有するとともに陽極を兼ねる真空容器と、
前記真空容器内に配置され、高負電圧が印加される中空状の負極と、
ガス収容空間に前記水素同位体ガスがあらかじめ充填され、前記真空容器の前記内部空間と前記ガス収容空間とが流体的に接続されたガス収容体と、
前記内部空間と前記ガス収容空間とを繋ぐ流路上に設けられ、装置外部から開放操作が可能な常閉の開放弁と
を有する炉心ユニットと、
中性子取出口を有するとともに前記炉心ユニットのうち少なくとも前記真空容器、前記ガス収容体、前記流路及び前記開放弁を全体的に覆うように格納する格納容器と
を備えたことを特徴とする中性子発生装置。

【請求項3】

前記ガス収容体は、前記真空容器の外部に配置されるとともに前記真空容器に対して着脱可能に取り付けられたガスカートリッジであ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】

１つの前記格納容器内に前記炉心ユニットが複数収容されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。

【請求項5】

前記格納容器は、前記炉心ユニット全体またはその一部を構成する前記ガスカートリッジを出し入れ可能な開閉構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の中性子発生装置。

【請求項6】

前記真空容器は、筒体の一方の開口に第１蓋体を溶接接続し、他方の開口に第２蓋体を溶接接続してなるものであり、
前記ガス収容体は、前記真空容器よりも容積が小さく、
前記第１蓋体側から前記負極に繋がる給電構造部が引き出され、前記第２蓋体の外側に前記ガス収容体、前記流路及び前記開放弁が配置されている
ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の中性子発生装置。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、
前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、
前記高圧電源と電気的に接続された制御装置と
を備え、前記制御装置は、前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御を行う
ことを特徴とする中性子発生システム。

【請求項8】

請求項２乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、
前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、
前記高圧電源及び前記開放弁を駆動制御すべくそれらと電気的に接続された制御装置と
を備え、前記制御装置は、
前記開放弁を駆動して開放状態とすることにより、前記流路を介して前記ガス収容体内の前記水素同位体ガスを前記真空容器内に導入させる制御と、
前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御と
を行う
ことを特徴とする中性子発生システム。

【請求項9】

請求項２乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、
前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、
前記真空容器内の空気を排出するポンプと、
前記高圧電源、前記ポンプ及び前記開放弁を駆動制御すべくそれらと電気的に接続された制御装置と
を備え、前記制御装置は、
前記ポンプを駆動して前記真空容器内を減圧させる制御を行った後、
前記開放弁を駆動して開放状態とすることにより、前記流路を介して前記ガス収容体内の前記水素同位体ガスを前記真空容器内に導入させる制御と、
前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御と
を行う
ことを特徴とする中性子発生システム。

【請求項10】

前記中性子取出口に設けられ、中性子を検知する中性子センサと、
前記中性子取出口に設けられ、前記中性子取出口から外部に放出される中性子の量を調整するシャッター装置と
をさらに備え、
前記中性子センサ及び前記シャッター装置は、前記制御装置に対してそれぞれ電気的に接続され、
前記制御装置は、前記中性子センサによる中性子の検知結果に基づいて前記シャッター装置の開度を変更する制御を行う
ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の中性子発生システム。

【請求項11】

前記シャッター装置は、減速材として作用する流体を溜めるための減速材貯留空間を含んで構成されるとともに、前記減速材貯留空間内における前記流体の量を増減することによって開度変更が可能であることを特徴とする請求項１０に記載の中性子発生システム。

【請求項12】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする医療用中性子照射装置。

【請求項13】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする中性子ラジオグラフィ装置。

【請求項14】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする、中性子捕捉療法に用いる薬剤を製造するための製薬用中性子照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中性子発生装置、中性子発生システム、医療用中性子照射装置、中性子ラジオグラフィ装置、製薬用中性子照射装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

手術の困難な頭部や臓器内部にできる悪性腫瘍、転移性が高いメラノーマを治療する手法として、中性子捕捉療法(Neutron capture therapy:以下「NCT」)が近年提案されている。NCTは、ホウ素（同位体¹⁰B、以下ホウ素と略す。）化合物と中性子との核反応で生じる高LET(Linear Energy Transfer)放射線であるα粒子（ヘリウムイオン）を用いて癌細胞のみを破壊する放射線治療である。ホウ素と中性子との反応で発生するα粒子の組織内での飛程は約１０μｍ〜１４μｍであり、この長さは癌細胞一個の直径にほぼ相当する。このため、癌細胞に特異的に集積するホウ素化合物を用いることにより、癌細胞のみにエネルギーを集中させて癌細胞を選択的に殺傷することが可能な治療が可能であると考えられている。

【0003】

このようなホウ素中性子捕捉療法（BNCT: Boron Neutron Capture Therapy）は、悪性腫瘍に対する新たな放射線療法として期待されているが、治療技術としてはまだ臨床研究の途上にある。その大きな理由としては、現状では中性子を得るために大型の実験型原子炉や加速器（サイクロトロン）などを用いざるを得なく、他に小型で簡便な中性子発生装置が存在しないことが挙げられる。

【0004】

従来、小数回（多くは１回）の照射で治療に十分な量の熱中性子や熱外中性子を得るための手段としては、原子炉しか選択肢がなかった。しかし、原子炉施設は本来医療施設として設置されたものではないため、放射線被ばくや安全性の問題もあり、高度な放射線管理が維持されなければならないという特性上の制約があった。このため、患者は不便な場所に造られた原子炉施設までわざわざ赴いて治療を受ける必要があった。それゆえ、ＢＮＣＴの治療効果を確認することや、厳密な統計学的な臨床治験を行うことが困難な状況にあった。

【0005】

原子炉を利用したＢＮＣＴの困難さを少なくするために代替え利用の目的で考え出されたのが、加速器（サイクロトロン）を利用した治療法である。この加速器も従来は大型であったが、ＰＥＴ検査などの薬剤製造に利用される超小型加速器の登場により、施設規模は１００平米にまで縮小されてきている。また、装置の取り扱いも原子炉と比較して簡便化されてきている。しかしながら、加速器の導入はまだ日本の医療施設では数例にとどまっており、殆ど普及していないのが現状である。なお、加速器によるＢＮＣＴの検討がされているが、さらなる施設装置の小型化と装置価格とを含めた全般的な治療費の低額化が課題となっている。

【0006】

そこで近年では、慣性静電封じ込め核融合（IECF: Inertial-Electrostatic Confinement Fusion）を利用した小型の中性子発生装置がいくつか提案されるに至っている（例えば、特許文献１，２を参照）。これらの装置によれば、高電圧印加状態の真空容器内において希薄な重水素ガスをプラズマ化し、重水素原子同士の衝突により核融合反応を誘起することによって、中性子を発生させることができる。従って、これらの装置は、治療に直接必要となる中性子線源として、有効に利用することが可能である。そればかりでなく、これらの装置は、中性子捕捉療法に必要となるホウ素化合物製剤の開発・製造、多くの動物実験を通した新たな知見の集積、癌治療計画の多様化などにも貢献しうると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１６−１７７９３０号公報

【特許文献2】特開２０１３−１６０７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、慣性静電封じ込め核融合を利用した上記従来の中性子発生装置は、小型かつ簡単な構成であって比較的取扱性にも優れる一方で、次のような欠点を有する。

【0009】

上記従来の中性子発生装置は、中性子を遮断する格納容器内に炉心部分である真空容器を格納した構造を備えている。そしてこの真空容器に重水素ガスを供給するために、真空容器と重水素ガス供給源とがガス供給配管を介して流体的に接続される。しかしながら、重水素ガス供給源は一般的に装置外部の離れた場所に設置されていることが多く、重水素ガス供給源から真空容器に到るまでの経路を長いガス供給配管で繋ぐ必要がある。このため、その長いガス供給配管の分だけ中性子の発生に寄与しない無駄な重水素ガスの量が多くなり、結果として経済性が悪くなる。

【0010】

また、重水素ガスが引火性の高いガスであることを考えると、装置の取扱性の向上の観点から、真空容器内への供給量を必要最小限とし、格納容器内の中に閉じ込めておくことが望ましい。しかし、上記従来の装置では構造的にこのようなことができなかった。

【0011】

さらに、鉄などの金属材料を用いて形成された真空容器等の部品は、長時間装置を使用し続けることにより中性子に晒されて放射化する可能性がある。この場合、真空容器等の部品を取り外して廃棄し、新しいものと交換することが望ましい。ところが、上記従来の装置では構造的にガス供給配管の取り外しが不能あるいは困難であったため、装置の保守を簡便に行うことができなかった。

【0012】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、小型かつ簡単な構成であって装置の取扱性にも優れるとともに、水素同位体ガスの無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができる中性子発生装置及びそれを備えた中性子発生システム等を提供することにある。また、本発明の別の目的は、保守を簡便に行うことができる中性子発生装置及びそれを備えた中性子発生システム等を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するための手段を下記［１］〜［１４］に列挙する。
［１］水素同位体ガス存在下での高電圧印加により核融合反応を誘起して中性子を発生する中性子発生装置であって、減圧状態の前記水素同位体ガスがあらかじめ充填された内部空間を有するとともに陽極を兼ねる真空容器と、前記真空容器内に配置され、高負電圧が印加される中空状の負極とを有する炉心ユニットと、中性子取出口を有するとともに、前記炉心ユニットのうち少なくとも前記真空容器を全体的に覆うように格納する格納容器とを備えたことを特徴とする中性子発生装置。従って、手段１に記載の発明によると、減圧状態の水素同位体ガスが内部空間に存在する真空容器と中空状の負極との間に高負電圧を印加することにより、真空容器内にプラズマが発生し、水素同位体原子同士の核融合反応が誘起される。この核融合反応の結果、真空容器内にて中性子が発生し、中性子取出口を介してその中性子を格納容器の外部に取り出すことができる。また、真空容器は格納容器により全体的に覆われて格納されるばかりでなく、その内部空間には減圧状態の水素同位体ガスがあらかじめ充填されているため、装置外部の離れた場所にある水素同位体ガス供給源から長いガス供給配管を介して水素同位体ガスを供給する必要がない。このため、ガス供給配管の省略により装置構成をより小型化、簡略化することができるとともに、水素同位体ガスの無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができる。また、中性子発生の前後にわたり、反応性の高い水素同位体ガスを格納容器に格納された真空容器内に閉じ込めておくことが可能なため、装置の取扱性に優れたものとなる。
［２］水素同位体ガス存在下での高電圧印加により核融合反応を誘起して中性子を発生する中性子発生装置であって、減圧状態または減圧可能な状態の内部空間を有するとともに陽極を兼ねる真空容器と、前記真空容器内に配置され、高負電圧が印加される中空状の負極と、ガス収容空間に前記水素同位体ガスがあらかじめ充填され、前記真空容器の前記内部空間と前記ガス収容空間とが流体的に接続されたガス収容体と、前記内部空間と前記ガス収容空間とを繋ぐ流路上に設けられ、装置外部から開放操作が可能な常閉の開放弁とを有する炉心ユニットと、中性子取出口を有するとともに前記炉心ユニットのうち少なくとも前記真空容器、前記ガス収容体、前記流路及び前記開放弁を全体的に覆うように格納する格納容器とを備えたことを特徴とする中性子発生装置。従って、手段２に記載の発明によると、開放弁の開放操作により、ガス収容体側から真空容器側へ水素同位体ガスが供給され、真空容器の内部空間が減圧状態の水素同位体ガスで満たされる。この状態で真空容器と中空状の負極との間に高負電圧を印加することにより、真空容器内にプラズマが発生し、水素同位体原子同士の核融合反応が誘起される。この核融合反応の結果、真空容器内にて中性子が発生し、中性子取出口を介してその中性子を格納容器の外部に取り出すことができる。また、真空容器、ガス収容体、流路及び開放弁は格納容器により全体的に覆われて格納されており、水素同位体ガスは格納容器の内部かつ真空容器の直近の位置から供給される。そのため、装置外部の離れた場所にある水素同位体ガス供給源から長いガス供給配管を介して水素同位体ガスを供給する必要がない。このため、ガス供給配管の省略により装置構成をより小型化、簡略化することができるとともに、水素同位体ガスの無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができる。また、中性子発生の前後にわたり、反応性の高い水素同位体ガスを格納容器内に閉じ込めておくことが可能なため、装置の取扱性に優れたものとなる。
［３］前記ガス収容体は、前記真空容器の外部に配置されるとともに前記真空容器に対して着脱可能に取り付けられたガスカートリッジであることを特徴とする手段２に記載の中性子発生装置。従って、手段３に記載の発明によると、例えば使用済みのガスカートリッジを取り外して新しいものに取り換えることができる。そのため、炉心ユニットにおけるガスカートリッジ以外の部分を再使用することができ、経済性が向上するとともに装置の保守を簡便に行うことができる。
［４］１つの前記格納容器内に前記炉心ユニットが複数収容されていることを特徴とする手段１乃至３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。従って、手段４に記載の発明によると、炉心ユニットが１つの場合に比べて、多くの中性子を発生させたり、中性子を長時間にわたって発生させたりすること等が可能となる。
［５］前記格納容器は、前記炉心ユニット全体またはその一部を構成する前記ガスカートリッジを出し入れ可能な開閉構造を有することを特徴とする手段１乃至４のいずれか１項に記載の中性子発生装置。従って、手段５に記載の発明によると、例えば格納容器を開き、その中にある放射化した炉心ユニット全体を取り出して廃棄する一方で、炉心ユニットを新しいものと交換して格納容器を再使用することが可能となる。あるいは、格納容器を開き、その中にある使用済みのガスカートリッジを取り出して新しいものと交換することが可能となる。よって、ガス供給配管の取り外しが不能あるいは困難な従来装置に比べて、装置の保守を簡便に行うことができる。
［６］前記真空容器は、筒体の一方の開口に第１蓋体を溶接接続し、他方の開口に第２蓋体を溶接接続してなるものであり、前記ガス収容体は、前記真空容器よりも容積が小さく、前記第１蓋体側から前記負極に繋がる給電構造部が引き出され、前記第２蓋体の外側に前記ガス収容体、前記流路及び前記開放弁が配置されていることを特徴とする手段２乃至５のいずれか１項に記載の中性子発生装置。従って、手段６に記載の発明によると、筒体と一対の蓋体とを溶接接続することで構成された比較的単純な構造の真空容器を用いることで、炉心ユニットを簡単にかつ安価に製造することができる。また、軸線方向に直交する方向から見たときに、炉心ユニット全体をコンパクトなものにしやすくなる。よって、格納容器の限られたスペースに複数の炉心ユニットを配置するのに有利なものとなる。
［７］手段１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、前記高圧電源と電気的に接続された制御装置とを備え、前記制御装置は、前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御を行うことを特徴とする中性子発生システム。従って、手段７に記載の発明によると、制御装置により高圧電源が駆動される結果、陽極を兼ねる真空容器と中空状の負極との間に高負電圧が印加され、真空容器内にプラズマが発生する。そしてそこに減圧状態の水素同位体ガスが内部空間に存在していると、水素同位体原子同士の核融合反応が誘起され、中性子を発生させることができる。
［８］手段２乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、前記高圧電源及び前記開放弁を駆動制御すべくそれらと電気的に接続された制御装置とを備え、前記制御装置は、前記開放弁を駆動して開放状態とすることにより、前記流路を介して前記ガス収容体内の前記水素同位体ガスを前記真空容器内に導入させる制御と、前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御とを行うことを特徴とする中性子発生システム。従って、手段８に記載の発明によると、制御装置により開放弁及び高圧電源が駆動される結果、水素同位体ガスが真空容器の内部空間に導入され、かつ陽極を兼ねる真空容器と中空状の負極との間に高負電圧が印加されて真空容器内にプラズマが発生する。すると、水素同位体原子同士の核融合反応が誘起され、中性子を発生させることができる。
［９］手段２乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置と、前記負極に高負電圧を印加する高圧電源と、前記真空容器内の空気を排出するポンプと、前記高圧電源、前記ポンプ及び前記開放弁を駆動制御すべくそれらと電気的に接続された制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ポンプを駆動して前記真空容器内を減圧させる制御を行った後、前記開放弁を駆動して開放状態とすることにより、前記流路を介して前記ガス収容体内の前記水素同位体ガスを前記真空容器内に導入させる制御と、前記高圧電源を駆動して前記負極に高負電圧を印加することにより、プラズマを発生させる制御とを行うことを特徴とする中性子発生システム。従って、手段９に記載の発明によると、まず制御装置によりポンプが駆動される結果、真空容器内の空気が排出されて真空容器内が減圧状態となる。次に、制御装置により開放弁及び高圧電源が駆動される結果、水素同位体ガスが減圧状態の真空容器の内部空間に導入され、かつ陽極を兼ねる真空容器と中空状の負極との間に高負電圧が印加されて真空容器内にプラズマが発生する。すると、水素同位体原子同士の核融合反応が誘起され、中性子を発生させることができる。
［１０］前記中性子取出口に設けられ、中性子を検知する中性子センサと、前記中性子取出口に設けられ、前記中性子取出口から外部に放出される中性子の量を調整するシャッター装置とをさらに備え、前記中性子センサ及び前記シャッター装置は、前記制御装置に対してそれぞれ電気的に接続され、前記制御装置は、前記中性子センサによる中性子の検知結果に基づいて前記シャッター装置の開度を変更する制御を行うことを特徴とする手段７乃至９のいずれか１項に記載の中性子発生システム。従って、手段１０に記載の発明によると、高圧電源等を駆動して中性子の発生を開始させた後、例えば、中性子センサによって中性子の強さが所定値よりも強いことが検知された場合には、制御装置によりシャッター装置の開度を小さく変更して所定値を超えないようにする制御を行うことができる。また、中性子の発生量が所定値を超えたことが検知された場合には、制御装置によりシャッター装置の開度をゼロに変更して中性子が格納容器から放射されないようにする制御を行うことができる。よって、開度を適宜調整することにより、必要なときだけ中性子を外部に出力させることができる。
［１１］前記シャッター装置は、減速材として作用する流体を溜めるための減速材貯留空間を含んで構成されるとともに、前記減速材貯留空間内における前記流体の量を増減することによって開度変更が可能であることを特徴とする手段１０に記載の中性子発生システム。従って、手段１１に記載の発明によると、例えば、減速材貯留空間内における流体の増量に伴い中性子が減速されやすくなり、中性子取出口を通り抜ける中性子の量が少なくなる。よって、シャッター装置の開度が小となる。逆に、減速材貯留空間内における流体の減量に伴い中性子が減速されにくくなり、中性子取出口を通り抜ける中性子の量が多くなる。よって、シャッター装置の開度が大となる。この構成であると、比較的単純な機構により開度変更を実現することができる。
［１２］手段１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする医療用中性子照射装置。
［１３］手段１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする中性子ラジオグラフィ装置。
［１４］手段１乃至６のいずれか１項に記載の中性子発生装置を備えたことを特徴とする、中性子捕捉療法に用いる薬剤を製造するための製薬用中性子照射装置。

【発明の効果】

【0014】

以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、小型かつ簡単な構成であって取扱性にも優れるとともに、水素同位体ガスの無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができる中性子発生装置を提供することができる。特に請求項３，５に記載の発明によると、保守を簡便に行うことができる中性子発生装置を提供することができる。請求項７〜１４に記載の発明によると、上記の優れた中性子発生装置を備えていることから、小型、簡便かつ低価格であって、実用的な中性子発生システム、医療用中性子照射装置、中性子ラジオグラフィ装置、製薬用中性子照射装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明を具体化した第１実施形態の医療用中性子照射装置の概略図。

【図2】第１実施形態の医療用中性子照射装置における炉心ユニットの概略図。

【図3】（ａ）〜（ｅ）は第１実施形態の医療用中性子照射装置の動作手順の一例を説明するための中性子発生装置の概略図。

【図4】本発明を具体化した第２実施形態の医療用中性子照射装置における中性子発生装置の概略図。

【図5】第２実施形態の医療用中性子照射装置における炉心ユニットの概略図。

【図6】本発明を具体化した第３実施形態の製薬用中性子照射装置の概略図。

【図7】第３実施形態の製薬用中性子照射装置における炉心ユニットの概略図。

【図8】本発明を具体化した第４実施形態の医療用中性子照射装置における炉心ユニットの概略図。

【図9】本発明を具体化した第５実施形態の中性子ラジオグラフィ装置の概略図。

【図10】本発明を具体化した第６実施形態の中性子ラジオグラフィ装置の概略図。

【図11】別の実施形態の中性子発生装置の概略図。

【図12】別の実施形態の中性子発生装置の概略図。

【図13】別の実施形態の中性子発生装置の概略図。

【図14】別の実施形態の中性子発生装置の概略図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

［第１の実施の形態］
以下、本発明の中性子発生システムを具体化した第１実施形態の医療用中性子照射装置１１を図１〜図３に基づき詳細に説明する。

【0017】

図１に示されるように、本実施形態の医療用中性子照射装置１１は、中性子発生装置２１、高圧電源１２、制御装置１３、ポンプ１４、中性子センサ１７、シャッター装置１６等を備えている。

【0018】

この中性子発生装置２１は、水素同位体ガス存在下での高電圧印加によりプラズマを発生し、核融合反応を誘起して中性子Ｎ１を発生するための装置であって、炉心ユニット２２と格納容器２３とを備えている。

【0019】

図１、図２に示されるように、格納容器２３は、余分な中性子Ｎ１が外部に漏れないように炉心ユニット２２を格納しておくための箱型の小容器であって、一辺が７０ｃｍ〜１００ｃｍ程度の立方体状の外形を有している。格納容器２３における１つの側面には、ユニット外部に中性子Ｎ１を取り出すための中性子取出口３１が設けられている。この格納容器２３は、下面側に開口３３を有する容器本体３２と、その開口３３を開閉可能に塞ぐべく容器本体３２の下面側に配置される蓋体３４とにより構成されている。また、容器本体３２及び蓋体３４は、いずれも中性子Ｎ１を透過しにくい材料（例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレス合金）からなる外壁３５及び内壁３６と、それらの間に形成された減速材収容室３７とを備えた構造を有している。減速材収容室３７内には遮蔽体である減速材３８が収容可能となっており、本実施形態では液体状の減速材（例えば重水など）が充填されている。蓋体３４は図示しない係止具により容器本体３２に対して着脱可能に係止されている。

【0020】

格納容器２３における中性子取出口３１の外側開口部には、中性子取出口３１から外部に放出される中性子Ｎ１の量を調整するシャッター装置１６と、中性子Ｎ１を検知する中性子センサ１７とが設けられている。シャッター装置１６としては、例えばカーボン板等の中性子遮蔽体を機械的に動かして中性子取出口３１の開度を変更することにより、中性子Ｎ１の量を調整するもの等が使用される。中性子センサ１７としては、例えば中性子サーベイメータや中性子カウンタ等が使用される。

【0021】

図１、図２に示されるように、炉心ユニット２２は、真空容器４１、負極４２、ガスカートリッジ（ガス収容体）４３、開放弁４４等を有している。この炉心ユニット２２は、格納容器２３内に収容されるべく、一辺が５０ｃｍ程度の立方体内に収まる容積を有したものとなっている。

【0022】

真空容器４１は、球状の外形を有する部材であって、減圧可能な状態の内部空間４５を有している。このような真空容器４１は、例えば放射化しにくいＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のような金属材料を用いて構成されており、具体的にはこの種の金属材料からなる２つの半球状部材同士をスポット溶接で接合して製造されている。なお、この真空容器４１は接地電極としての陽極４６を兼ねている。陽極４６である真空容器４１には導線４９（給電構造部）が電気的に接続されるとともに、その導線４９は真空容器４１の上側から格納容器２３の外部に引き出されて高圧電源１２に電気的に接続されている。

【0023】

負極４２は、真空容器４１における内部空間４５の中心部に配置され、高負電圧が印加される。この負極４２は中空状をなしており、例えば複数の高融点金属製リング（例えばタングステン製リング）を溶接することで構成されている。負極４２には導線４９が電気的に接続されている。この導線４９は、真空容器４１の上側中央部に設けられた碍子４７に包囲された状態で格納容器２３の外部に引き出されて、高圧電源１２に電気的に接続されている。負極４２には高圧電源１２によって高負電圧が印加される。

【0024】

陽極４６を兼ねる真空容器４１と負極４２との間には、球状の制御グリッド４８が配置されている。制御グリッド４８は、例えば放射化しにくいＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のような金属材料を用いて構成されている。制御グリッド４８には導線４９が電気的に接続されるとともに、格納容器２３の上側から外部に引き出されて高圧電源１２に電気的に接続されている。なお、制御グリッド４８には、接地電位である０ボルトから、負極４２に印加される高負電位（例えば−５０キロボルト〜−１００キロボルト）までの任意の電位が印加される。そして、制御グリッド４８に印加する電位の値を適宜変更することにより、発生する中性子Ｎ１の量が制御可能となっている。このように制御グリッド４８による制御が行われることで、装置を安定的に動作させることができる。

【0025】

真空容器４１の上側には、内部空間４５の空気を真空引きによって排出するための減圧ポート５１が設けられている。この減圧ポート５１は、常閉の弁体５２を介して真空引き用配管５３に流体的に接続されている。弁体５２としては、外部からの作動信号により駆動可能なノーマルクローズ形の電磁弁が使用されている。真空引き用配管５３は、格納容器２３の外部に引き出されるとともに、ポンプ１４に流体的に接続されている。ポンプ１４としては、例えばターボ分子ポンプやロータリーポンプ等が使用される。これらポンプは併用されてもよい。

【0026】

真空容器４１の下側には、流路としてのガス供給配管５５の一端が設けられている。そのガス供給配管５５の他端には、図示しない管継手等を用いてガスカートリッジ４３が着脱可能に取り付けられている。ガスカートリッジ４３は、真空容器４１の下側に位置しており、格納容器２３において中性子取出口３１が設けられた箇所を避けた位置に配置されている。その結果、ガスカートリッジ４３が中性子Ｎ１の通り道を邪魔せず、発生した中性子Ｎ１を中性子取出口３１から効率よく外部に取り出しやすいようになっている。

【0027】

ガス収容体としてのガスカートリッジ４３は内部にガス収容空間５４を有しており、そのガス収容空間５４内には重水素ガスＧ１（水素同位体ガス）があらかじめ充填されている。このガスカートリッジ４３は真空容器４１よりも小さく形成されたステンレス合金製の容器であり、真空容器４１の数分の１程度の容積を有している。そのなかには、比較的低圧の重水素ガスＧ１が少量充填されている。具体的には、ほぼ真空状態の内部空間４５内に充填したときに１パスカル程度の圧力となる分量の重水素ガスＧ１が充填されている。ガス供給配管５５の途上には、装置外部から開放操作が可能な常閉の開放弁４４が設けられている。このような開放弁４４としては、外部からの作動信号により駆動可能なノーマルクローズ形の電磁弁が使用されている。

【0028】

この開放弁４４が閉状態のときには、真空容器４１の内部空間４５とガスカートリッジ４３のガス収容空間５４との流路が遮断される。一方、開状態のときには、上記流路が連通されることで内部空間４５とガス収容空間５４とが流体的に接続され、ガス収容空間５４側から内部空間４５側へ重水素ガスＧ１が流入するようになっている。つまり、この炉心ユニット２２は、真空容器４１と重水素ガス供給用の手段とがいわば一体となった構造を有しており、真空容器４１から離間していないごく近い位置から、短い流路を介して重水素ガスＧ１が供給可能となっている。

【0029】

そして、この中性子発生装置２１では、格納容器２３が、炉心ユニット２２における真空容器４１、負極４２、ガスカートリッジ４３、開放弁４４、碍子４７、制御グリッド４８、減圧ポート５１、弁体５２、ガス供給配管５５を全体的に覆うように格納している（図１参照）。

【0030】

次に、この医療用中性子照射装置１１における電気的構成について説明する。 図１に示されるように、中性子発生装置２１の外部には、制御装置としてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）１３が設けられている。ＰＣ１３は図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えている。このＰＣ１３には、高圧電源１２、ポンプ１４、中性子センサ１７、シャッター装置１６、開放弁４４、弁体５２がそれぞれ電気的に接続されている。

【0031】

高圧電源１２は、負極４２に高負電圧を印加し、真空容器４１内にプラズマを発生させるべく、ＰＣ１３によって駆動制御される。ポンプ１４は、真空容器４１内の空気を排出して真空に近い状態まで減圧させるべく、ＰＣ１３によって駆動制御される。中性子センサ１７は、中性子Ｎ１の量を検知してその結果をＰＣ１３に出力する。シャッター装置１６は、中性子センサ１７による中性子Ｎ１の検知結果に基づいて開度を変更するべく、ＰＣ１３によって駆動制御される。開放弁４４は、ガス供給配管５５を介してガスカートリッジ４３内の重水素ガスＧ１を減圧状態の真空容器４１の内部空間４５に導入させるべく、ＰＣ１３によって開状態となるように駆動制御される。弁体５２は、減圧ポート５１とポンプ１４とを真空引き用配管５３を介して連通状態または非連通状態とするべく、ＰＣ１３によって駆動制御される。

【0032】

次に、図３に基づきこの医療用中性子照射装置１１の動作手順の一例について説明する。

【0033】

図１には、遮蔽壁６１を介して治療台６２が配置され、その治療台６２上に照射対象である患者６３を寝かした状態が示されている。ここでは、脳に悪性腫瘍がある患者６３の頭頂部が医療用中性子照射装置１１側（具体的には中性子取出口３１側）に向けられている。患者６３にはあらかじめホウ素中性子捕捉療法に必要となるＢＮＣＴ製剤が投与されており、脳の癌細胞にはＢＮＣＴ製剤中のホウ素化合物が特異的に集積している。

【0034】

この状態でオペレータは、ＰＣ１３を操作してまず弁体５２を開状態にするとともにポンプ１４を駆動させる。すると、減圧ポート５１とポンプ１４とが真空引き用配管５３を介して連通状態となるとともに、ポンプ１４によって真空容器４１の内部空間４５の空気が排出されて減圧される（図３（ａ）参照）。真空容器内２２が１パスカル程度のごく低圧の状態となった後、ＰＣ１３は弁体５２を閉状態にするとともにポンプ１４を停止させる。

【0035】

次に、ＰＣ１３は、高圧電源１２を駆動して負極４２に高負電圧を印加した後（図３（ｂ）参照）、さらに開放弁４４を開放状態にしてガスカートリッジ４３内の重水素ガスＧ１を真空容器４１内に導入させる（図３（ｃ）参照）。すると、真空容器４１の内部空間４５がごく低圧の重水素ガスＧ１で満たされる。このとき、陽極４６を兼ねる真空容器４１と中空状の負極４２との間には、高負電圧が印加されているので、電極間にグロー放電が生じ、多量の重水素イオンや電子が生成される。つまり、真空容器４１内にプラズマが発生する。生成された重水素イオンは、電極間にて加速され中空状の負極４２の方向に移動する。そして、殆どの重水素イオンは、中空状の負極４２を通り抜けて中心部に収束し、ヘッドオン衝突により核融合反応が誘起され、その結果として中性子Ｎ１が発生する。

【0036】

なお、開放弁４４を開放状態にしてガスカートリッジ４３内の重水素ガスＧ１を真空容器４１内に導入させた後（図３（ｅ）参照）、高圧電源１２を駆動して負極４２に高負電圧を印加してもよい（図３（ｃ）参照）。

【0037】

ＰＣ１３は、高圧電源１２等を駆動して中性子Ｎ１の発生を開始させた後、中性子センサ１７からの出力信号に基づいて中性子Ｎ１の量を常時検知する。このとき、シャッター装置１６はまだ閉じているため、中性子取出口３１のある方向に進んだ中性子Ｎ１はシャッター装置１６により阻まれることとなり、中性子取出口３１を介して装置外部に放射されることはない。なお、中性子取出口３１のある方向以外の方向に進んだ中性子Ｎ１の殆どは、格納容器２３の減速材収容室３７に充填された減速材３８により捕捉される。よって、中性子取出口３１以外の部位から中性子Ｎ１が格納容器２３の外部に漏出することはない。中性子Ｎ１の発生を開始してから所定時間が経過して安定してきたら、ＰＣ１３はシャッター装置１６を開くようにする（図３（ｄ）参照）。すると、中性子取出口３１を介して中性子Ｎ１が装置外部に放射され、患者６３の頭部に中性子Ｎ１を照射することができる。ＢＮＣＴ製剤中に含まれるホウ素化合物（正確にはホウ素の同位体である^１０Ｂを含む化合物）は、患者６３の脳における正常細胞には集積しておらず、癌細胞のみに集積している。よって、中性子Ｎ１がホウ素化合物に捕捉されると、中性子Ｎ１とホウ素との核反応によって高ＬＥＴ放射線であるα粒子が発生する。組織内でのα粒子の飛程は約１０μｍ〜１４μｍであって、これは癌細胞１個の直径にほぼ相当する。よって、正常細胞にα粒子の影響を与えずに、癌細胞のみにエネルギーを集中させて、癌細胞を選択的に殺傷することができる。

【0038】

このような治療を行っている間、中性子Ｎ１の強さが所定値よりも強いことが検知された場合には、ＰＣ１３によりシャッター装置１６の開度を小さく変更して所定値を超えないように制御してもよい。そして、中性子Ｎ１の発生量が所定値に達したことが検知された場合には、ＰＣ１３によりシャッター装置１６の開度をゼロに変更して中性子Ｎ１が格納容器２３から放射されないようにする。その結果、患者６３への中性子Ｎ１の照射を停止し、治療を終了する。

【0039】

続いて、この医療用中性子照射装置１１の保守作業の方法について説明する。１回目の中性子照射が終了後、２回目の中性子照射に備えて次のような作業を行う。まず、容器本体３２の開口３３を塞いでいる蓋体３４を取り外すことで、格納容器２３を開放し、炉心ユニット２２を露出させる。ガスカートリッジ４３は炉心ユニット２２を構成する真空容器４１の下部に配置されているため、開口３３を介して直接操作可能な状態にある。次に、使用済みのガスカートリッジ４３をガス供給配管５５から取り外して格納容器２３から取り出し、その代わりに、重水素ガスＧ１が充填されている新しいガスカートリッジ４３を取り付ける。そして、最後に蓋体３４で再び容器本体３２の開口３３を塞いで、格納容器２３内に炉心ユニット２２を格納する。その結果、中性子発生装置２１が再使用可能な状態となる。

【0040】

また、中性子発生装置２１を繰り返して使用した場合、その使用の回数が多くなると、炉心ユニット２２を構成する部品が放射化する可能性がある。この場合には、上記の方法にて格納容器２３を開き、その中にある炉心ユニット２２全体を取り出して廃棄する一方で、炉心ユニット２２を新しいものと交換して格納容器２３を再使用することが可能となる。なお、放射化する前にこのような交換作業を行うことで、使用済みの古い炉心ユニット２２を放射線廃棄物としてではなく通常の廃棄物として処理することができる。

【0041】

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

【0042】

（１）本実施形態の医療用中性子照射装置１１における中性子発生装置２１は、上記のような構成の炉心ユニット２２と格納容器２３とを備えている。従って、開放弁４４の開放操作により、ガスカートリッジ４３側から真空容器４１側へ重水素ガスＧ１が供給され、真空容器４１の内部空間４５が減圧状態の重水素ガスＧ１で満たされる。この状態で陽極４６を兼ねる真空容器４１と中空状の負極４２との間に高負電圧を印加することにより、真空容器４１内にプラズマが発生し、重水素原子同士の衝突によって核融合反応が誘起される。この核融合反応の結果、真空容器４１内にて中性子Ｎ１が発生し、中性子取出口３１を介してその中性子Ｎ１を格納容器２３の外部に取り出すことができる。上記のとおりこの中性子発生装置２１は、慣性静電封じ込め核融合を利用したものであるため、原子炉設備や加速器を利用するものとは異なり、小型かつ簡単な構成であって比較的取扱性にも優れている。

【0043】

（２）本実施形態の中性子発生装置２１の場合、真空容器４１、ガスカートリッジ４３、ガス供給配管５５及び開放弁４４が格納容器２３により全体的に覆われて格納されている。また、重水素ガスＧ１は格納容器２３の内部かつ真空容器４１の直近の位置から供給される。そのため、装置外部の離れた場所にある重水素ガス供給源から長いガス供給配管を介して重水素ガスＧ１を供給する必要がない。このため、装置外部におけるガス供給配管の省略により装置構成をより小型化、簡略化することができるとともに、重水素ガスＧ１の無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができる。また、中性子発生の前後にわたり、反応性の高い重水素ガスＧ１を格納容器２３内に閉じ込めておくことが可能なため、装置の取扱性に優れたものとなる。しかも、使用する重水素ガスＧ１についても低圧・小容量で済むため、原子炉設備のような大掛かりな放射線遮蔽用の設備が不要である。従って、本実施形態の中性子発生装置２１は、設置場所に対する制約が小さくなり、一般の医療施設に設置可能なものとなるため、治療目的専門の装置とすることができる。加えて、本実施形態の中性子発生装置２１は、上記のとおり重水素ガスＧ１の無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができるため、経済性に優れたものとすることができる。以上の結果、上記の優れた中性子発生装置２１を備えた医療用中性子照射装置１１は、小型、簡便かつ低価格であって、実用的なものとすることができる。

【0044】

（３）上記の優れた中性子発生装置２１を備えた本実施形態の医療用中性子照射装置１１は、既存の原子炉や加速器に比べて中性子Ｎ１の発生数が少ない反面、システム自体が廉価であるという特徴がある。このため、システムの価格や安全性の観点から設備の利用回数に大きな制約を受ける（多くは１回）原子炉や加速器とは異なり、特に制約なく複数回利用することができる。よって、本実施形態の医療用中性子照射装置１１によれば、複数回の照射にて所望とする中性子照射量を得ることが可能となり、また、照射を複数回に分けることで一回の被ばく線量のリスクを軽減することが可能となる。

【0045】

（４）本実施形態の中性子発生装置２１では、ガス収容体として、真空容器４１の外部に配置されるとともに真空容器４１に対して着脱可能に取り付けられるガスカートリッジ４３を用いている。また、格納容器２３はガスカートリッジ４３を出し入れ可能な開閉構造を有している。従って、使用済みのガスカートリッジ４３を取り外して新しいものに取り換えることができる。そのため、炉心ユニット２２におけるガスカートリッジ４３以外の部分を再使用することができ、経済性が向上するとともに装置の保守を簡便に行うことができる。また、この格納容器２３は炉心ユニット２２全体についても出し入れ可能であるため、放射化した可能性のある炉心ユニット２２全体を取り出して廃棄する一方で、炉心ユニット２２を新しいものと交換して格納容器２３を再使用することが可能となる。従って、従来装置に比べて、装置の保守を簡便に行うことができる。

【0046】

［第２の実施の形態］
以下、本発明の中性子発生システムを具体化した第２実施形態の医療用中性子照射装置について詳細に説明する。図４は本実施形態の医療用中性子照射装置１１における中性子発生装置２１Ａの概略図であり、図５はその炉心ユニット２２Ａの概略図である。ここでは、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する一方、共通する部分については同じ部材番号を付すのみとして詳細な説明を省略する。

【0047】

図４、図５に示されるように、本実施形態の炉心ユニット２２Ａが有する真空容器４１Ａは、第１実施形態の真空容器４１と外形が異なっている。即ち、第１実施形態のものが球状を呈していたのに対し、本実施形態のものは円筒状を呈したものとなっている。この真空容器４１Ａは、断面円形状の筒体７１と、一対の蓋体７２、７３とによって構成されている。筒体７１及び一対の蓋体７２、７３は、いずれも放射化しにくいＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のような金属材料を用いて構成されている。この真空容器４１Ａは、筒体７１の一方の開口に第１蓋体７２をスポット溶接して接合し、他方の開口に第２蓋体７３をスポット溶接して接合することによって製造されている。なお、この真空容器４１Ａは接地電極としての陽極４６を兼ねている。陽極４６である真空容器４１Ａの上部にある第１蓋体７２には導線４９が電気的に接続されるとともに、その導線４９は格納容器２３の外部に引き出されて高圧電源１２に電気的に接続されている。また、負極４２及び制御グリッド４８にそれぞれ電気的に接続された導線４９も、第１蓋体７２側から引き出され、格納容器２３の外部にある高圧電源１２に電気的に接続されている。同様に第１蓋体７２側には減圧ポート５１及び弁体５２が設けられている。

【0048】

一方、第２蓋体７３の下方外側にはガスカートリッジ４３、ガス供給配管５５及び開放弁４４が配置されており、ガスカートリッジ４３はガス供給配管５５に対して着脱可能に取り付けられている。このガスカートリッジ４３は真空容器４１Ａよりも小さく形成されたステンレス合金製の容器であり、真空容器４１Ａの数分の１程度の容積を有している。なお、第１実施形態ではガスカートリッジ４３が横置きで配置されていたのに対し、本実施形態では真空容器４１Ａの中心軸線上において縦置きに配置されている。

【0049】

このように本実施形態の炉心ユニット２２Ａでは、筒体７１と一対の蓋体７２、７３とを溶接接続することで構成された比較的単純な構造の真空容器４１Ａを用いている。そのため、第１実施形態のような球状のものに比べて、炉心ユニット２２Ａを簡単にかつ安価に製造することができる。また、軸線方向に直交する方向から見たときに、炉心ユニット２２Ａ全体をコンパクトなものにしやすくなる。よって、格納容器２３の限られたスペースに複数の炉心ユニット２２Ａを配置するのに有利なものとなる。

【0050】

［第３の実施の形態］
以下、本発明の中性子発生システムを具体化した第３実施形態の製薬用中性子照射装置１１Ｂを詳細に説明する。図６は本実施形態の製薬用中性子照射装置１１Ｂの概略図であり、図７はその中性子発生装置２１Ｂにおける炉心ユニット２２Ｂの概略図である。ここでは、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する一方、共通する部分については同じ部材番号を付すのみとして詳細な説明を省略する。

【0051】

図６、図７に示されるように、本実施形態の炉心ユニット２２Ｂは、第１実施形態の真空容器４１と同じく球状の外形を呈する真空容器４１Ｂを有するが、いくつかの構成を有していない点で異なっている。即ち、この炉心ユニット２２Ｂにおいては、減圧ポート５１及び弁体５２をはじめ、ガス供給配管５５及び開放弁４４が省略されている。よって、真空容器４１の内部空間４５は流体的に何ら外部接続されておらず、閉じた状態となっている。そして、この真空容器４１の内部空間４５には、１パスカル程度に減圧された、希薄な状態の重水素ガスＧ１があらかじめ充填されている。

【0052】

なお、第１実施形態の格納容器２３が開閉可能な構造を有するものであったのに対し、本実施形態の格納容器２３Ｂは開閉可能な構造を有していない点で異なっている。そして、この中性子発生装置２１Ｂでは、格納容器２３Ｂが、炉心ユニット２２Ｂにおける真空容器４１Ｂ、負極４２、碍子４７及び制御グリッド４８を全体的に覆うように格納している（図６参照）。また、本実施形態の製薬用中性子照射装置１１Ｂの場合、真空引きを行う必要がないことから、ポンプ１４及び配管５３が省略されている。

【0053】

次に、この製薬用中性子照射装置１１Ｂの動作手順の一例について説明する。

【0054】

図６には、遮蔽壁６１を介して試料載置台６２Ａが配置され、その試料載置台６２Ａ上に照射対象である薬剤６６（具体的にはホウ素中性子捕捉療法に必要となるＢＮＣＴ製剤）が入った容器６７が載置されている。

【0055】

オペレータは、ＰＣ１３を操作してまず高圧電源１２を駆動し、負極４２に高負電圧を印加する。このとき、既に真空容器４１Ｂの内部空間４５がごく低圧の重水素ガスＧ１で満たされているため、陽極４６−負極４２間にグロー放電が生じ、多量の重水素イオンや電子が生成される。生成された重水素イオンは、電極間にて加速され中空状の負極４２の方向に移動する。そして、殆どの重水素イオンは、中空状の負極４２を通り抜けて中心部に収束し、ヘッドオン衝突により核融合反応が誘起され、その結果として中性子Ｎ１が発生する。

【0056】

ＰＣ１３は、中性子センサ１７からの出力信号に基づいて中性子Ｎ１の量を常時検知し、中性子Ｎ１の発生を開始してから所定時間が経過して安定してきたらシャッター装置１６を開くようにする。すると、中性子取出口３１を介して中性子Ｎ１が装置外部に放射され、容器６７内の薬剤６６に中性子Ｎ１を照射することができる。このような中性子Ｎ１の照射によって、例えば、ＢＮＣＴ製剤の開発・製造において必須となるホウ素化合物集積度評価を行うこと等が可能となる。

【0057】

以上説明したように、本実施形態の製薬用中性子照射装置１１Ｂの中性子発生装置２１Ｂは、小型かつ簡単な構成であって取扱性にも優れたものとなっている。また、この構成によれば、重水素ガスＧ１の無駄を減らして使用量を最小限に抑えることができるとともに、保守を簡便に行うことができる。さらに、上記の優れた中性子発生装置２１Ｂを備えた製薬用中性子照射装置１１Ｂは、小型、簡便かつ低価格であって、実用的なものとすることができる。特に本実施形態の中性子発生装置２１Ｂによると、あらかじめ重水素ガスＧ１を充填しておくことで炉心ユニット２２Ｂの構成を簡略化することができる。よって、第１、第２実施形態の装置よりもさらに小型化、構成簡略化、低コスト化等を達成しやすくなる。

【0058】

［第４の実施の形態］
以下、本発明の中性子発生システムを具体化した第４実施形態の医療用中性子照射装置１１を詳細に説明する。図８は本実施形態の医療用中性子照射装置１１の中性子発生装置２１Ｃの概略図である。ここでは、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する一方、共通する部分については同じ部材番号を付すのみとして詳細な説明を省略する。

【0059】

この中性子発生装置２１Ｃは、中性子取出口３１が下向きとなるように配置されるとともに、第１実施形態のものとは構造が異なるシャッター装置８１を下面側に備えたものとなっている。このシャッター装置８１は、減速材８６として作用する液体（例えばホウ酸水など）を溜めるための減速材貯留空間８３を有する装置本体８２を備えている。装置本体８２は例えばステンレス等の金属材料を用いて形成されていてもよいが、これに限定されるわけではない。装置本体８２には減速材供給配管８４が流体的に接続されており、その減速材供給配管８４には減速材８６が収容されている図示しないタンクが流体的に接続されている。また、減速材供給配管８４の途上には、電磁弁等の弁体８５が設けられている。なお、弁体８５はＰＣ１３に電気的に接続される。

【0060】

その動作について説明すると、ＰＣ１３は、高圧電源１２等を駆動して中性子Ｎ１の発生を開始させた後、中性子センサ１７からの出力信号に基づいて中性子Ｎ１の量を常時検知する。このとき、減速材貯留空間８３内にまだ減速材８６は溜められておらず、弁体８５も閉状態にあるため、シャッター装置８１はまだ閉じている。そのため、中性子取出口３１のある方向に進んだ中性子Ｎ１はシャッター装置１６により阻まれることなく、そこを通過した後に中性子取出口３１を介して装置外部に放射される。その結果、照射対象である患者６３の頭部に中性子Ｎ１を照射することができる。

【0061】

このような治療を開始した後、中性子Ｎ１の発生量が所定値に達したことが検知された場合、ＰＣ１３は弁体８５を駆動して開状態に切り替える。すると、減速材貯留空間８３内に減速材８６が流入し、シャッター装置８１が閉じた状態となる。このとき、中性子取出口３１のある方向に進んだ中性子Ｎ１は、減速材８６により捕捉されることでシャッター装置８１に阻まれ、中性子取出口３１を介して装置外部に放射されなくなる。その結果、患者６３への中性子Ｎ１の照射を停止し、治療を終了する。

【0062】

なお、中性子Ｎ１の照射を行っている間、例えば減速材貯留空間８３内における減速材８６を増量して減速材８６の深さ（厚さ）を大きくする。この場合、中性子Ｎ１が減速されやすくなり、中性子取出口３１を通り抜ける中性子Ｎ１の量が少なくなる結果、シャッター装置８１の開度が小となる。逆に、図示しない排出ポートから減速材８６を排出し、減速材貯留空間８３内における減速材８６を減量して減速材８６の深さ（厚さ）を小さくする。この場合、中性子Ｎ１が減速されにくくなり、中性子取出口３１を通り抜ける中性子Ｎ１の量が多くなる結果、シャッター装置８１の開度が大となる。以上の結果、中性子Ｎ１の照射量を適宜調整することもでき、必要なときだけ所定量の中性子Ｎ１を外部に出力させることができる。そして、上記のようなシャッター装置８１によると、比較的単純な機構により開度変更を実現することができる。

【0063】

［第５の実施の形態］
以下、本発明の中性子発生システムを具体化した第５実施形態の中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄを図９に基づいて詳細に説明する。

【0064】

この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄは、照射対象９１に中性子Ｎ１を照射するとともにそれを透過した中性子Ｎ１を検知して照射対象（撮像対象）９１の内部の様子をイメージングするための装置である。ここでは、上記照射対象９１として、例えば鉄筋等が埋設されたコンクリート構造物などが選択される。

【0065】

図９に示されるように、この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄは、中性子発生装置２１、中性子検出装置９２、回転駆動装置９３、ＰＣ１３、ディスプレイ９４などを備えている。中性子発生装置２１、中性子検出装置９２、回転駆動装置９３、ディスプレイ９４は、いずれも制御装置であるＰＣ１３に電気的に接続されている。なお、この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄは、ＰＣ１３に電気的に接続された高圧電源１２、ポンプ１４、中性子センサ１７及びシャッター装置１６も備えているが、これらは図面では省略されている。

【0066】

中性子発生装置２１は、照射対象９１の近傍にて中性子取出口３１を照射対象９１側に向けるようにして配置されている。中性子検出装置９２は、照射対象９１を中心として中性子発生装置２１と対峙するように配置されている。

【0067】

中性子検出装置９２は、照射対象９１を透過してきた中性子ビームの強度分布を可視化するために中性子Ｎ１を二次元的に検出する装置である。具体的にいうと、本実施形態では、中性子検出装置９２として、蛍光コンバータ、鏡、高感度テレビカメラ及び暗箱により構成された中性子テレビシステムが用いられている。このシステムでは、蛍光コンバータが中性子強度を可視光の強度に変換し、その可視光を高感度テレビカメラが撮像することで、撮像データをＰＣ１３に電気信号として出力するようになっている。

【0068】

ＰＣ１３は、中性子検出装置９２が得た撮像データに基づきイメージを生成するイメージ生成部を備えている。ＰＣ１３は生成されたイメージの表示データをディスプレイ９４に出力するとともに、ディスプレイ９４に中性子Ｎ１の強度分布画像を表示させる。

【0069】

回転駆動装置９３は、中性子発生装置２１及び中性子検出装置９２に対してそれぞれ連結されている。回転駆動装置９３は、図９のような中性子発生装置２１及び中性子検出装置９２の対峙関係を維持した状態で照射対象９１を中心としてこれらを同時に回転駆動させる。

【0070】

このように構成された中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄでは、中性子発生装置２１を駆動させて中性子Ｎ１を発生させた後、中性子発生装置２１及び中性子検出装置９２を回転駆動させながら複数の位置において撮像データを取得する。つまり、照射対象９１に対して様々な角度から中性子Ｎ１を照射し、撮像データを取得する。そして、この撮像データに基づきＰＣ１３がイメージの表示データを生成する結果、ディスプレイ９４に中性子Ｎ１の強度分布画像が表示され、その画像をもって照射対象９１の内部構造が把握できるようになっている。つまり、本実施形態においては、コンクリート構造物内に埋設された鉄筋の配設状態の良否や、コンクリート構造物内の欠陥などが把握可能となり、当該構造物の劣化を非破壊で検査することができる。以上説明したように、本実施形態の中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄは、上記の優れた中性子発生装置２１を備えたものであるため、小型、簡便かつ低価格であって、実用的なものとすることができる。

【0071】

［第６の実施の形態］
以下、本発明を具体化した第６実施形態の中性子ラジオグラフィ装置１１Ｅを図１０に基づいて詳細に説明する。ここでは、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する一方、共通する部分については同じ部材番号を付すのみとして詳細な説明を省略する。

【0072】

この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｅは、第５実施形態と同様に中性子検出装置９２、回転駆動装置９３、ＰＣ１３、ディスプレイ９４などを備えているほか、第５実施形態の中性子発生装置２１とは構成の異なる中性子発生装置２１Ｄを備えている。本実施形態の中性子発生装置２１Ｄにおける格納容器２３Ａは、平面視で円弧状をなしている。この格納容器２３Ａ内には、ガスカートリッジ４３及び開放弁４４を各々備えた第２実施形態の炉心ユニット２２Ａが複数個並べて収容されている。円弧状をなす格納容器２３Ａの内周面側には、複数の炉心ユニット２２Ａに対応して複数の中性子取出口３１が配置されている。なお、この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｅは、ＰＣ１３に電気的に接続された高圧電源１２、ポンプ１４、中性子センサ１７及びシャッター装置１６も備えているが、これらは図面では省略されている。

【0073】

このように構成された中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄでは、ＰＣ１３は中性子発生装置２１Ｄにおける炉心ユニット２２Ａのうち、一方の端にあるもの１つをまず駆動し、それに対応した中性子取出口３１から照射対象９１に向けて中性子Ｎ１を照射させる。このとき、ＰＣ１３はあらかじめ回転駆動装置９３を駆動させ、照射対象９１を中心として現在駆動中の炉心ユニット２２Ａと対峙する位置に、中性子検出装置９２を配置させておく。当該位置での照射及び撮像が終了したら、ＰＣ１３は次にそのすぐ隣の炉心ユニット２２Ａを駆動させるとともに、現在駆動中の炉心ユニット２２Ａと対峙する位置に中性子検出装置９２を移動させる。このような動作を順次行い、最終的に他方の端にある炉心ユニット２２Ａによる照射を行い、様々な角度からの中性子照射に基づく撮像データを取得する（図１０参照）。

【0074】

そして、この撮像データに基づきＰＣ１３がイメージの表示データを生成する結果、ディスプレイ９４に中性子Ｎ１の強度分布画像が表示され、その画像をもって照射対象９１の内部構造が把握できるようになっている。以上説明したように、本実施形態の中性子発生装置２１Ｄを備えた中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄは、小型、簡便かつ低価格であって、実用的なものとすることができる。特に本実施形態では、自身の移動を伴わずに照射対象９１に向けて複数の角度から中性子Ｎ１を照射可能な中性子発生装置２１Ｄを用いている。このため、中性子発生装置２１Ｄを回転駆動させる必要がなくなる結果、回転駆動装置９３の負荷が軽減され、回転駆動装置９３を小型化することが可能となる。また、この中性子発生装置２１Ｄの場合、１つの格納容器２３Ａ内に複数の炉心ユニット２２Ａが収容されているため、中性子Ｎ１を連続的に発生させることができる。

【0075】

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

【0076】

・図１１に示される別の実施形態の中性子発生装置２１Ｅのように、箱状をなす１つの格納容器２３内に複数の炉心ユニット２２Ａが縦置きで並べられた状態で収容されていてもよい。なお、この図では３個×３個で配置した状態が示されているが、これに限定されない。

【0077】

・上記実施形態では、基本的に１つの炉心ユニット２２、２２Ａにつきガスカートリッジ４３及びの開放弁４４を１つずつ設けたものを例示したが、１つの炉心ユニット２２、２２Ａにつきガスカートリッジ４３及び開放弁４４を複数個ずつ設けてもよい。例えば、図１２に示される別の実施形態の中性子発生装置の炉心ユニット２２Ａは、ガスカートリッジ４３及び開放弁４４を３つずつ備えたものとなっている。あるいは、複数の炉心ユニット２２、２２Ａにつき共通のガスカートリッジ４３を１つ設けたものとしてもよい。例えば、図１３に示される別の実施形態の中性子発生装置では、３つの炉心ユニット２２Ａにつき共通のガスカートリッジ４３が１つ使用されている。３つの炉心ユニット２２Ａを構成している各々の真空容器４１Ａと共通のガスカートリッジ４３とは、３つに分岐したガス供給配管５５を介して流体的に接続されている。このガス供給配管５５の分岐部分には、それぞれ開放弁４４が設けられている。

【0078】

・上記実施形態では、基本的に炉心ユニット２２、２２Ａを構成する１つの真空容器４１、４１Ａ、４１Ｂ（陽極４６）内に負極４２及び制御グリッド４８を１つずつ設けたものを例示したが、負極４２及び制御グリッド４８を複数個ずつ設けてもよい。例えば、図１３に示される別の実施形態の中性子発生装置の炉心ユニット２２Ａは、１つの真空容器４１Ａ（陽極４６）内に負極４２及び制御グリッド４８が３つずつ設けられている。なお、負極４２同士は互いに接続されている。制御グリッド４８同士も互いに接続されている。

【0079】

・上記実施形態では、格納容器２３の外壁３５及び内壁３６用の材料としてステンレス合金を使用したがこれに限定されず、例えば、鉄、鉛、カドミウム等といった金属材料を使用してもよい。

【0080】

・上記実施形態では、減速材収容室３７内に収容する液体状の減速材３８として重水を使用したが、これに代えて水、重水と水との混合液、ホウ酸水などを使用してもよいほか、黒鉛、パラフィン、コンクリート等のような固体状の減速材を使用することも可能である。また、上記第４実施形態では、減速材収容室３７内に収容する減速材３８としてホウ酸水を使用したが、これに代えて水、重水、重水と水との混合液などを使用してもよい。

【0081】

・上記実施形態では、重水素ガスＧ１を収容しておくためのガス収容体としてカプセル形状をなすガスカートリッジ４３を使用したが、ガスカートリッジ４３の形状はカプセル形状に限定されず、他の形状であってもよい。また、上記実施形態ではガス収容体を真空容器４１とは別に設けてそれらを流体的に接続したが、これに限定されない。例えば、真空容器４１の一部にガス収容体となる部分を設け、その部分と内部空間４５とを隔壁を介して隔てた構造としてもよい。

【0082】

・上記実施形態では、開放弁４４として、外部からの信号入力により容易に閉操作が可能な電磁弁を使用したがこれに限定されない。例えば、流体圧を利用した弁体や、機械的に駆動可能な弁体を開放弁４４として用いても勿論よい。

【0083】

・上記実施形態では、球状または筒状の真空容器４１、４１Ａを例示したが、このような形状のみに限定されず、他の形状であってもよい。

【0084】

・上記実施形態では、真空容器４１、４１Ａと負極４２との間に制御グリッド４８を配置したものを例示したが、制御グリッド４８は必須の構成ではないため省略されてもよい。

【0085】

・上記第５、第６実施形態では、中性子検出装置９２として中性子テレビシステムを用いたが、これに限定されない。例えば、中性子イメージングプレート等を用いても勿論よい。

【0086】

・上記第５、第６実施形態では、照射対象９１を固定状態とし、中性子発生装置２１や中性子検出装置９２を回転駆動装置９３によって回転させる構成としたが、これに限定されない。例えば、中性子発生装置２１や中性子検出装置９２を固定状態とし、照射対象９１を例えば回転駆動装置９３等により回転させるようにしてもよい。後者の構成の場合、前者の構成に比べて廉価な装置とすることができる。

【0087】

・上記実施形態では、水素同位体ガスとして重水素ガスＧ１を使用したがこれに限定されず、例えば三重水素ガスを用いてもよい。あるいは、重水素と三重水素ガスとを含むガスを用いても勿論よい。

【0088】

・上記実施形態では、医療用中性子照射装置１１を用いてＢＮＣＴを行う例を示したが、ＢＮＣＴ以外の放射線治療にこの医療用中性子照射装置１１を用いることも勿論可能である。また、上記実施形態では製薬用中性子照射装置１１Ｂを用いてＢＮＣＴ製剤を製造する例を示したが、ＢＮＣＴ製剤以外の薬品の製造や検査にこの製薬用中性子照射装置１１Ｂを用いることも勿論可能である。

【0089】

・上記実施形態では、中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄ、１１Ｅを用いてコンクリート構造物の非破壊検査を行う例を示したが、これに限定されない。例えば、この中性子ラジオグラフィ装置１１Ｄ、１１Ｅは、配管内部の状態検査、内燃機関内における燃料の輸送状況観察、航空機エンジンに代表される各種タービンブレードの検査、機体のハニカム構造材の腐食検査、燃料電池内における流体の移動状況の観察などに利用されてもよい。さらに、このような工業分野での利用以外にも、例えば美術品の内部検査などといった美術分野で利用されたり、土壌中における根の生育調査などといった農業分野で利用されたりすることが可能である。

【符号の説明】

【0090】

１１…医療用中性子照射装置
１１Ｂ…製薬用中性子照射装置
１１Ｄ、１１Ｅ…中性子ラジオグラフィ装置
１２…高圧電源
１３…制御装置としてのＰＣ
１４…ポンプ
１６…シャッター装置
１７…中性子センサ
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ…中性子発生装置
２２、２２Ａ、２２Ｂ…炉心ユニット
２３…格納容器
３１…中性子取出口
４１…真空容器
４２…負極
４３…ガス収容体としてのガスカートリッジ
４４…開放弁
４５…内部空間
４６…陽極
４９…給電構造部としての導線
５５…流路としてのガス供給配管
７１…筒体
７２…第１蓋体
７３…第２蓋体
８３…減速材貯留空間
８６…減速材
Ｇ１…水素同位体ガスとしての重水素ガス
Ｎ１…中性子

【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】