特許 6037658 中性子発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6037658

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】中性子発生装置

(51)【国際特許分類】

   G21K 1/093 20060101AFI20161128BHJP

   H05H 3/06 20060101ALI20161128BHJP

   G21K 5/02 20060101ALI20161128BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   G21K1/093 F

   H05H3/06

   G21K5/02 N

   G21K5/04 D

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-118986(P2012-118986)

(22)【出願日】2012年5月24日

(65)【公開番号】特開2013-246006(P2013-246006A)

(43)【公開日】2013年12月9日

【審査請求日】2015年4月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】309036221

【氏名又は名称】三菱重工メカトロシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】久利 修平

(72)【発明者】

【氏名】松下 出

(72)【発明者】

【氏名】堀池 寛

(72)【発明者】

【氏名】帆足 英二

(72)【発明者】

【氏名】村田 勲

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 幸子

(72)【発明者】

【氏名】加藤 逸郎

【審査官】 後藤 孝平

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２４９４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１８２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭４９−０４６３９８（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開平１０−３２１５３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ １／０９３

Ｇ２１Ｋ ５／０２

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ｇ２１Ｋ ５／０８

Ｈ０５Ｈ ３／０６

Ｈ０５Ｈ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加速器から輸送された陽子ビームを液体金属ターゲットに対して照射して中性子を発生させる中性子発生装置であって、
液体金属ターゲットと陽子ビームとが反応する領域を区画形成する反応槽と、
反応槽に接続され且つ陽子ビームを反応槽内に導くビームダクトと、
ビームダクトの周囲に設けた前記陽子ビームを集束させる電磁石と、
ビームダクトと反応槽との間に設けられると共に集束前の陽子ビームの径より小さな径であって且つ前記電磁石により集束した集束部が通過し得る大きさを有する入射孔を設けたオリフィス板と、
前記オリフィス板と加速器との間であり、かつ、前記ビームダクトの外周面に配置され、前記ビームダクトを冷却する冷却手段と、
を備えたことを特徴とする中性子発生装置。

【請求項2】

更に、前記反応槽又はビームダクトに真空ポンプを接続した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】

更に、前記オリフィス板をビームダクト内に複数設け、当該オリフィス板で区画した空間の一部又は全部に前記真空ポンプを設けた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】

更に、前記オリフィス板の入射孔の径を、前記電磁石により集束させた集束部の形状に合わせて設定したことを特徴とする請求項３に記載の中性子発生装置。

【請求項5】

更に、前記オリフィス板で区画した空間にガスを導入するガス導入手段を設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の中性子発生装置。

【請求項6】

前記オリフィス板を加熱する加熱手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の中性子発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体金属に陽子ビームを照射して中性子を発生させる中性子発生装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

現在、ホウ素中性子捕捉療法（Boron neutron capture therapy; BNCT）が癌細胞を選択的に殺傷できる技術として注目されている。ＢＮＣＴでは、ターゲットとして液体リチウム等の液体金属を用い、このターゲットに陽子を照射することで中性子を発生させる中性子発生装置が用いられる。このような中性子発生装置として特許文献１に記載された技術が知られている。

【0003】

図６は、従来の中性子発生装置の一例を示す構成図である。この中性子発生装置５００は、液体リチウムを流す反応槽５０２に対してビームダクト５０３を接続した構成である。反応槽５０２の内部には湾曲したバックウォール５０１が形成され、その上部に設けたノズル５１１から液体リチウムを噴出してその遠心力でバックウォール５０１に液体リチウム膜のターゲットＴを形成する。ビームダクト５０３内には、所定径の入射孔５０８を有する３枚のオリフィス板５０７が設けられる。真空ポンプ５０５は、オリフィス板５０７で区画された空間５３１毎に設けられる。

【0004】

係る構成によれば、オリフィス板５０７による排気抵抗により反応槽５０２内の真空度がビームダクト５０３内より低くなるので、ターゲットＴの沸点温度が上昇する。これにより、反応槽５０２内の真空度が高くなる事を防止できる為、液体リチウムが沸騰し難くなり、蒸発した液体リチウムがビームダクト５０３を通じて加速器に流れ込むのを防止できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７−２４９４９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の中性子発生装置５００では、陽子ビームＢの径が大きくなると、これに伴いオリフィス板５０７の入射孔５０８の径を大きくしなければならない。このため、反応槽５０２とビームダクト５０３との間のコンダクタンスを小さくできず、反応槽５０２及びビームダクト５０３の真空度の設定が上手くできないという問題点がある。この発明はかかる問題点を解決するためになされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の発明に係る中性子発生装置は、陽子ビームを液体金属ターゲットに対して照射して核反応により中性子を発生させる中性子発生装置であって、液体金属ターゲットと陽子ビームとが反応する領域を区画形成する反応槽と、反応槽に接続され且つ輸送されてきた陽子ビームを反応槽内に導くビームダクトと、ビームダクトの周囲に設けた前記陽子ビームを集束させる電磁石と、ビームダクトと反応槽との間に設けられると共に輸送されてきた陽子ビームの径より小さな径であって且つ前記電磁石により集束した集束部を通過し得る大きさを有する入射孔を設けたオリフィス板と、反応槽及びビームダクトに接続した真空ポンプとを備えたことを特徴とする。

【0008】

本発明の中性子発生装置は、陽子ビームを電磁石で集束させ、その集束部が通過し得る径の入射孔を有するオリフィス板により反応槽とビームダクトとを仕切るため、反応槽とビームダクトとの間のコンダクタンスを小さくできる。このため、反応槽及びビームダクトの真空度の設定の自由度を高めることができる。なお、前記入射孔には、孔のみならず管状パイプにより形成する場合も含まれる。また、前記入射孔の径は、当該入射孔が円形である場合には直径、楕円形である場合には短径、長方形である場合には短辺長、多角形の場合には内接円の直径を意味するものとする。

【0009】

また、上記発明において、更に、反応槽又はビームダクトに真空ポンプを接続するのが好ましい。

【0010】

ビームダクトに真空ポンプを接続することでビームダクトと反応槽との間に十分な差圧が確保できる。特に、前記真空ポンプを反応槽に接続した場合、オリフィス板の入射孔の付近に液体金属が付着し難くなる。

【0011】

また、上記発明において、更に、前記オリフィス板をビームダクト内に複数設け、当該オリフィス板で区画した空間の一部又は全部に前記真空ポンプを設けるのが好ましい。

【0012】

反応槽とビームダクトとの間にオリフィス板による空間を形成することで、当該反応槽とビームダクトとの間でより自由に真空度を設定できるようになる。

【0013】

また、上記発明において、更に、前記オリフィス板の入射孔の径を、前記電磁石により集束させた集束部の形状に合わせて設定するのが好ましい。

【0014】

集束部の形状に合わせるとは、陽子ビームの集束部は電磁石により左右に末広がりの円錐形状となるので、入射孔の径を各オリフィス板の位置において係る陽子ビームが通過し得る寸法とすることである。これにより、陽子ビームの通過に必要な寸法のみをオリフィスとできるので、反応槽とビームダクトとの間のコンダクタンスをより小さくでき、真空度設定の自由度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】この発明の実施の形態１にかかる中性子発生装置を示す構成図である。

【図2】図１に示した中性子発生装置の変形例を示す説明図である。

【図3】図１に示した中性子発生装置の変形例を示す説明図である。

【図4】この発明の実施の形態２に係る中性子発生装置を示す構成図である。

【図5】図４に示した中性子発生装置の変形例を示す説明図である。

【図6】従来の中性子発生装置の一例を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる中性子発生装置を示す構成図である。この中性子発生装置１００は、ターゲット形成部１が内設され且つ液体金属ターゲットＴと陽子ビームＢとが反応する領域を区画形成する反応槽２と、反応槽２に対して接続され且つ加速器（図示省略）から輸送される陽子ビームＢを前記反応槽２に導くビームダクト３と、ビームダクト３の周囲に設けた電磁石４と、ビームダクト３及び反応槽２に設けた真空ポンプ５，６とを有する。

【0017】

ターゲット形成部１は、陽子ビームＢの照射領域を横切るように液体金属を平面的に噴射するノズル１１と、噴射された液体金属を受けるディフューザからなる受け部１２とから構成される。ターゲット形成部１は、配管を介してクエンチタンク、電磁ポンプ、熱交換器と接続され全体として液体金属ループを構成している（いずれも図示省略）。液体金属は、例えば液体リチウムである。なお、ターゲット形成部１は、図４に示したような湾曲したバックウォール上に液体リチウムを流す構造であっても良い（図示省略）。

【0018】

ビームダクト３の端部３ａには、円形の入射孔８を設けたオリフィス板７が設けられている。オリフィス板７は、フェライト鋼或いはステンレス鋼等である。オリフィス板７の入射孔８の直径は、陽子ビームＢを集束させたときの集束部Ｂｓの最小径（陽子ビームが最もくびれた部分の径）より若干大きく設定する。また、オリフィス板７の厚さを大きくすることで反応槽２とビームダクト３との間のコンダクタンスを更に小さくできる。

【0019】

前記電磁石４は、例えば四重極電磁石から構成する。陽子ビームＢを曲げる手段としては、電磁石４の他、公知の物を用いることができる。前記真空ポンプ５，６には、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ等を用いる。

【0020】

この中性子発生装置１００では、陽子ビームＢを電磁石４により集束させ、陽子ビームＢに集束部Ｂｓを形成させる。この集束部Ｂｓは、オリフィス板７の入射孔８の位置が最小径となるように調整される。入射孔８を通過した陽子ビームＢは末広がりの円錐状に進んで液体金属ターゲットＴに照射され、当該液体金属ターゲットＴの背後に中性子を発生させる。液体金属ターゲットＴに照射される際の陽子ビームＢのフラックス量は、液体金属が蒸発しない程度に抑える。このため、集束部Ｂｓの最小径に近い部分が液体金属ターゲットＴに照射されないように、入射孔８と電磁石４との距離と前記入射孔８と液体金属ターゲットＴとの距離とは、略同じとするのが好ましい。

【0021】

前記反応槽２及びビームダクト３内は、それぞれに接続した真空ポンプ５，６により所定の真空度になるまで差動排気される。この中性子発生装置１００では、陽子ビームＢを集束させてオリフィス板７の入射孔８を通過させるので、入射孔８を、前記加速器から輸送されてきた集束前の陽子ビームＢの径よりも小径とすることができる。このため、反応槽２及びビームダクト３の間のコンダクタンスが小さくなり、反応槽２及びビームダクト３の間で十分な差圧を確保できるようになる。

【0022】

差動排気により反応槽２内の圧力を高く設定することで液体金属の沸点温度を高くできる。例えば、反応槽２内の圧力は、１×１０^４Ｔｏｒｒ程度に設定し、ビームダクト３内の圧力は、１×１０^６Ｔｏｒｒ程度に設定し得る。このため、陽子ビームＢを照射することによる液体金属の蒸発が抑制される。また、液体金属が蒸発してもオリフィス板７の入射孔８が十分小さいので液体金属の蒸気がビームダクト３に流れ込み難い。なお、前記オリフィス板７の入射孔８の形状は円形に限定されず、例えば楕円形等でも良い。楕円形の場合、短径が集束部Ｂｓの最小径より若干大きくなるように設定する。長方形の場合、短辺長（便宜的に径という）が集束部Ｂｓの最小径より若干大きくなるように設定する。三角形、５角以上の多角形の場合、内接円の直径が集束部Ｂｓの最小径より若干大きくなるように設定する。また、真空ポンプ５とは別に真空ポンプ６を設けることで入射孔８の周囲に蒸発した液体金属が付着するのを防止できる。

【0023】

なお、図２（ａ）に示すように、入射孔８に直管状のオリフィスパイプ９を設けることで、コンダクタンスを更に小さくできる。オリフィスパイプ９の長さ及び内径は、電磁石４で形成する陽子ビームＢの集束部Ｂｓの形状に基づき決定する。また、図２（ｂ）に示すように、オリフィスパイプ１０は、陽子ビームＢの集束部Ｂｓの形状に合わせて、両側がラッパ形状となる筒状体としても良い。このようにすれば、コンダクタンスを更に小さくできる。

【0024】

また、上記実施の形態１に係る中性子発生装置の別の例として、図３に示すように、ビームダクト３の周囲に冷却手段５０を設けても良い。換言すれば、少なくともビームダクト３の加速器とオリフィス板７との間に冷却手段５０を設ける。冷却手段５０は、例えばビームダクト３の外周面に管を巻き付けて内部に冷却水を通す構成としても良いし、ペルチェ素子等の簡単な構造の冷却装置としても良い。

【0025】

蒸発した液体金属は温度が低いほど表面に吸着する傾向にあるので、ビームダクト３に冷却手段５０を設けて当該ビームダクト３の内面に積極的に吸着させる。これにより、入射孔８の周囲に蒸発した液体金属が付着して口径が小さくなるのを防止できる。蒸発して入射孔８を通過した液体金属の蒸気は、当該冷却手段５０により冷却されたビームダクト３の部分に吸着される。これにより、加速器側に蒸発した液体金属が移動するのを防止できる。

【0026】

また、オリフィス板７を加熱するためのヒーター等の加熱手段を当該オリフィス板７に設け、液体金属の付着を防止するようにしても良い（図示省略）。更に、設計条件から、オリフィス板７とビームダクト３との間に温度差を設け、ビームダクト３の温度がオリフィス板７より低くなるようにしても良い。

【0027】

（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係る中性子発生装置を示す構成図である。この中性子発生装置２００は、実施の形態１と略同じ構成であるが、ビームダクト３にオリフィス板７１，７２，７３を複数設け、各オリフィス板７１，７２，７３で区画される空間３１，３２，ビームダクト３にそれぞれ真空ポンプ５１，５２，５３を設けた点が異なる。

【0028】

オリフィス板７１，７２，７３の入射孔８１，８２，８３は、陽子ビームＢを集束させたときの集束部Ｂｓの両末広がり形状に合わせて設定する。中央のオリフィス板７２の入射孔８２は、集束部Ｂｓの最小ビーム径を形成する部分に位置するので、当該ビーム径より若干大きく設定する。左右側のオリフィス板７１，７３の入射孔８１，８３は、当該オリフィス板７１，７３を設置した位置において陽子ビームＢが通過できる径とする。即ち、中央のオリフィス板７２の入射孔８２の径が左右のオリフィス板７１，７３の入射孔８１，８３の径より小さくなるので、反応槽２とビームダクト３との間のコンダクタンスが更に小さくなる。

【0029】

真空ポンプ５１，５２，５３は、反応槽２、第１オリフィス板７１と第２オリフィス板７２で区画した第１空間３１、第２オリフィス板７２と第３オリフィス板７３で区画した第２空間３２、及び、ビームダクト３にそれぞれ接続される。

【0030】

この中性子発生装置では、反応槽２、第１空間３１、第２空間３２、ビームダクト３の間で段階的に圧力差が生じることになり、反応槽２の真空度をビームダクト３の真空度より低くできる。また、液体金属が蒸発しても第１空間３１、第２空間３２によりビームダクト３に流れ込む蒸気を抑えることができる。このため加速器に液体金属の蒸気が流れ込むことを十分に防止できる。

【0031】

なお、左右側のオリフィス板７１，７３の一方を省略しても良い（図示省略）。その場合、ビームダクト３と反応槽２との間には１つの空間が形成される。また、真空ポンプ５１，５２，５３，６のいずれかを省略しても良い。例えば、第１空間３１、第２空間３２の全てに設けた真空ポンプ５１，５２のいずれか一方を省略して一部の空間のみに真空ポンプを設けても良い。

【0032】

また、上記実施の形態２に係る中性子発生装置２００において、冷却手段６０を、ビームダクト３の外側であって第１空間３１の周囲に設けても良い。これにより、第１空間内３１に侵入した蒸発した液体金属を、当該第１空間３１内で効果的にトラップできる。第１空間３１は、オリフィス板７１，７２により区画されているため金属蒸気が抜け難く且つ第１空間３１のビームダクト３の内面が冷却されているため当該内面に蒸発金属が吸着し易くなる。これにより、液体金属の蒸気が第１空間３１を抜けてビームダクト内３に侵入し難くなる。なお、冷却手段６０は、例えばビームダクト３の外周面に管を巻き付けて内部に冷却水を通す構成としても良いし、ペルチェ素子等の簡単な構造の冷却装置としても良い。また、当該冷却手段６０は、ビームダクト３の外側であって第２空間３２の周囲に設けても良い（図示省略）。この場合、液体金属の蒸気は第２空間３２内でトラップされる。更に、前記冷却手段６０は、ビームダクト３の外周の全長に渡って設けても良い（図示省略）。

【0033】

（実施の形態３）
また、図５は、実施の形態２に係る中性子発生装置の変形例を示す構成図である。この中性子発生装置２５０は、実施の形態２に係る中性子発生装置２００の第１空間３１にガス導入ダクト６５を設けて、ガス発生手段６６からヘリウム、アルゴン等のＬｉ分子の移動を阻害するガスを導入するようにした構成である。ガスの散乱により第１空間３１の圧力が高くなり、オリフィス板７１から液体金属の分子が侵入するのを防止できる。これにより、金属蒸気がビームダクト３の電磁石４側に移動し難くなる。また、第２空間３２にガス発生手段６６を設けることもできる。

【0034】

このガス導入手段（６５，６６）と前記冷却手段６０を併用すれば、液体金属がビームダクト３の上流や加速器に付着するのをより効果的に防止できる。

【符号の説明】

【0035】

１００ 中性子発生装置
１ ターゲット形成部
２ 反応槽
３ ビームダクト
４ 電磁石
５，６ 真空ポンプ
７ オリフィス板
８ 入射孔
Ｔ ターゲット
Ｂ 陽子ビーム
Ｂｓ 集束部

【図1】

【図3】

【図2】

【図4】

【図5】

【図6】