CN113728400A - 射束靶和射束靶系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于照射从射束产生源得到的射束来产生核反应产物的射束靶，具备：圆锥体，具有越往前端直径越小的锥形状的内侧面；以及供给单元，向所述圆锥体的内侧面供给液体金属，在所述内侧面形成所述液体金属的液膜。能在圆锥体表面形成液体金属的液膜来增大射束的照射面积，并且能在圆锥体的周围配置LLFP等对象物质，因此能高效地利用通过向液体金属的射束照射而产生的核反应产物(例如中子)。
Description
技术领域
本发明涉及射束靶和射束靶系统。
背景技术
射束靶系统例如用于对靶金属等照射高强度的带电粒子射束来产生中子。产生的中子用于长寿命裂变产物(LLFP：Long Lived Fission Products)的核嬗变、核聚变反应堆材料的评估、硼中子俘获疗法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)、非破坏检查等。此外，射束靶系统还用于通过带电粒子射束的照射来产生像作为α射线内用疗法用RI(放射性同位素：Radioactive Isotope)而被期待的砹－211那样的核反应产物。
当照射的射束的强度变大时，射束靶上的热负荷成为问题。在专利文献1中，提出了在容器中使液体金属循环，去除产生的热。不过，在该方法的情况下，经由容器的射束窗(固体)照射射束，因此存在射束窗损伤的问题。
对此，在非专利文献1中，提出了使液体金属沿着弯曲的板流动，产生通过自由表面流动而生成的液膜，并对那里直接照射射束。由于液体金属的流路弯曲，因此液体的压力因离心力而上升，能防止在液体金属液膜内部的沸腾。此外，为了增大照射面积，还提出了使液膜相对于射束照射方向倾斜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－72211号公报
非专利文献
非专利文献1：Kondo,H.,et al."IFMIF/EVEDA lithium test loop:design andfabrication technology of target assembly as a key component."Nuclear Fusion51.12(2011):123008.
发明内容
发明所要解决的问题
在使用使射束撞击靶而产生的核反应产物(例如中子)的情况下，重要的是，能在靶附近高效地配置核反应产物的照射对象(例如LLFP、检查/治疗部位)。在非专利文献1的方法中，仅能将核反应产物的照射对象物设置于弯曲板的背后，效率不高。在将液膜设为倾斜而使用的情况下，配置照射对象物的空间也被限定，效率不高。
考虑到这样的问题，本发明的目的在于提供一种能承受高强度的射束的射束靶和能高效地利用产生的核反应产物的射束靶系统。
用于解决问题的方案
本发明的一个方案是用于照射从射束产生源得到的射束来产生核反应产物的射束靶，其特征在于，具备：
圆锥体，具有越往前端直径越小的锥形状的内侧面；以及
供给单元，向所述圆锥体的内侧面供给液体金属，在所述内侧面形成所述液体金属的液膜。
通过由供给单元供给的液体金属在圆锥体的内侧面(内壁)来螺旋状地流动来形成液膜。形成的液膜优选其表面设为圆锥状。因此，圆锥体以距射束接受侧远的一方为前端，具有越往前端部直径越小的锥形状的内侧面。圆锥体的内侧面大致为圆锥台状，但更严格来说，锥形角度可以不固定，也可以是锥形角渐渐变缓的锥形状、锥形角渐渐变陡的锥形状。圆锥体的内侧面在最前端也可以为圆柱状。此外，圆锥体的整体形状没有特别限定，但在外部利用通过向液体金属的射束照射而产生的中子的情况下，优选形成得较薄，以不阻挡中子。
根据本方案的射束靶，在具有锥形状或者圆锥台状的内侧面的圆锥体的表面形成液体金属的液膜，因此能在使射束靶的长度保持得短的同时增大射束所照射的液膜的表面积(以下，称为照射面积)。需要说明的是，即使使液体金属在倾斜的平板流动，也能增大射束的照射面积，但靶的全长变长。本方案的射束靶能在使全长短的同时增大射束的照射面积。
此外，在本方案的射束靶中，液体金属在圆锥体的内部流动，因此在圆锥体外部的任何位置都能配置其他物体。在将通过向液体金属的射束照射而产生的核反应产物(例如中子)照射于射束靶外部的物质的用途中，能在圆锥体的周围整体配置对象物，因此能提高核反应产物的利用效率。例如，在利用通过对液体金属的射束照射而产生的中子来对LLFP等进行核嬗变的情况下，能将照射中子来进行核嬗变的对象的物质(例如，LLFP)保持在圆锥体的周围。
液体金属(靶材)可以根据用途来进行适当选择，例如能例示出液体锂、液体铋、液体钠、液体汞、液体铅铋。此外，为了容易地进行在圆锥体的内侧面整体的液体金属的液膜形成，也可以设置多个供给单元。
此外，液体金属螺旋状地流动，因此液体金属液膜的内部的压力因离心力而增加，还能防止伴随射束照射的沸腾。由于是螺旋流，因此与使液体金属在弯曲板上流动相比，能得到更大的离心力，防止沸腾的效果也变得更好。
此外，在本方案中，圆锥体也可以由核嬗变对象物质(例如，93Zr)构成。在此，所谓的由核嬗变对象物质构成的意思是在构成圆锥体的材料中含有核嬗变对象物质，不排除含有其他材料。此外，在本方案中，供给单元所供给的液体金属中也可以含有核嬗变对象物质的粉体。中子是通过向液体金属的射束的照射而产生的，因此通过将核嬗变对象物质配置于液体金属内或者圆锥体内，能使核嬗变对象物质与中子的产生位置非常接近，能提高核嬗变的效率。
此外，在本方案中，也可以在圆锥体的内侧面设置螺旋状的槽。通过螺旋状的槽，能使液体金属的流动稳定化。
本发明的其他方案是一种射束靶系统，其特征在于，具备：
上述的射束靶；
照射单元，将从射束产生源得到的射束照射至所述液膜。
照射单元例如构成为包括：射束窗(例如，等离子帘(plasma curtain)、液体金属窗)；偏转单元，使从作为射束产生源的加速器得到的射束偏转并将该射束引导至射束靶；调整单元，调整射束径。
此外，在本方案中，还可以具备：保持部，将利用中子来进行核嬗变的对象的物质(例如，LLFP)保持在圆锥体的周围，所述中子通过对液体金属的射束的照射而产生。如上所述，能在圆锥体的周围配置核嬗变对象物质，因此，能提高中子的利用效率。例如，通过用核嬗变对象物质覆盖圆锥体整体，能更高效地利用在射束靶产生的中子。
本方案中的射束靶系统还可以具备：输出单元，将通过对液体金属的射束的照射而产生的中子向与射束的照射方向正交的方向输出。此外，也可以具备多个这样的输出单元。在将产生的中子用于非破坏检查、BNCT的用途的情况下，能提高对象物设置的灵活性，并且能对多个对象同时照射中子。
发明效果
根据本发明，能提供能承受高强度的射束的射束靶和能高效地利用产生的核反应产物的射束靶系统。
附图说明
图1是表示用于LLFP的核嬗变的射束靶系统(第一实施方式)的整体结构的图。
图2的A－图2的C是对圆锥体的形状和向圆锥体的液体金属供给进行说明的图。
图3是对圆锥体的内侧面形状的设计方法进行说明的图。
图4的A－图4的C是对在实施方式中能增大对靶的射束照射面积进行说明的图。
图5的A－图5的D是表示求出第一实施方式中的氘核射束和产生的中子的飞行轨迹，以及伴随射束照射的发热量的模拟结果的图。
图6的A、图6的B是对用于评估第一实施方式中的LLFP的核嬗变效率的模拟进行说明的图。
图7是表示用于多患者型BNCT治疗系统的射束靶系统(第二实施方式)的整体结构的图。
图8是表示用于砹－211的大量产生系统的射束靶系统(第三实施方式)的整体结构的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的具体实施方式进行说明，但本发明不限于此。以下说明的各实施方式的构成要素能进行适当组合。
＜第一实施方式＞
本实施方式是用于长寿命裂变产物(LLFP)的核嬗变的射束靶系统100。射束靶系统100通过将由加速器加速的氘核射束(例如，每个核子100MeV左右)照射于液体锂来产生中子，利用产生的中子对LLFP进行核嬗变而无害化。
【结构】
图1是表示射束靶系统100的整体结构的图。如图所示，射束靶系统100具备射束窗101、偏转电磁铁102、射束径调整电磁铁103、圆锥体104、液体金属供给部105、LLFP保持部106。
射束窗101是将加速器侧的高真空与射束靶系统侧隔开的装置，由等离子帘、液体金属窗构成。
偏转电磁铁102改变氘核射束的行进方向。在本实施方式中，将水平方向的氘核射束变为朝下。射束径调整电磁铁103将氘核射束的射束径调整为希望的大小。在本实施方式中，将射束径设为直径40cm。
圆锥体104的内侧面大致为越往射束行进方向直径越小的圆锥台状，最前端侧为圆柱状。需要说明的是，圆锥体104的内侧面严格来说并非圆锥台状，而是越往前端则锥形角越缓的锥形状。关于圆锥体104的内侧面形状的详细情况，稍后将利用图3进行详细说明。
圆锥体104的材料只要是不与液体金属(靶材)发生化学反应并具有强度的材料，则可以是任意材料，例如，可以采用不锈钢(SUS)。
液体金属供给部105(以下也简称为供给部105)以从圆锥体104的上侧沿着圆锥体104的内侧面，保留切线方向上的速度的方式供给液体金属(本实施方式中为液体锂)。由于是在切线方向上保留有速度的那样的液体金属的供给，因此也能表达为供给部105喷射液体金属。液体锂沿着圆锥体104的内侧面产生螺旋流，在内侧面形成薄的液膜110。在图1中，在圆锥体104的内侧面形成的液体金属的液膜(靶)以涂黑的方式表达。
为了使液体金属的螺旋流稳定，也可以在圆锥体104的内侧面设置沿着螺旋流路的槽。
圆锥体104的下端侧具有排出液体金属的排出口109，从液体金属出口107排出至圆锥靶的外部。排出的液体金属通过由热交换器121、杂质去除装置122、循环泵123等构成的循环系统120(参照图2的C)进行循环，从圆锥体104的上端侧的流体入口108再次被供给。
保持部106对作为利用产生的中子来进行核嬗变的对象的物质的LLFP进行保持。LLFP的例子可列举出：钯－107(107Pd)、铯－135(135Cs)、锆－93(93Zr)、硒－79(79Se)等。由保持部106保持的LLFP与圆锥体104的外侧面接触。
图2的A表示圆锥体104的垂直剖面形状，图2的B表示圆锥体104的俯视图。如上所述，圆锥体104的内侧面具有圆锥台状的部分和圆柱状的部分。此外，圆锥体104尽可能薄地形成，以不妨碍通过向液体金属的射束照射而产生的中子到达保持于保持部106的LLFP。需要说明的是，为了增加圆锥体104的强度和稳定性，也可以在若干部位设置加强环。供给部105设于圆锥体104的上端附近。图2的B中示出了每隔90度一个地设置四个供给部105的例子，但只要能在圆锥体104的内侧面的整体形成液膜，供给部105的数量为也可以为任意个。
图2的C是对使液体金属进行循环的循环系统120进行说明的图。经由圆锥体104的排出口109和液体金属出口107排出至外部的液体金属由循环泵123再次供给至液体金属入口108。循环时，液体金属由热交换器121冷却，由杂质去除装置122去除杂质。
图3是对圆锥体104的内侧面形状的设计方法进行说明的图。图3示出圆锥体104的垂直剖面形状310、上端部、中间部、下端部处的水平剖面图321、322、333。301表示圆锥体104的内侧面，302表示液体金属膜的表面。此外，V纵i表示沿着纵向的流体的速度，V横i表示沿着横向的流体的速度，Si表示各剖面处的流体的面积。
圆锥体104的内侧面的形状被设计为使由供给部105形成的液体金属的液膜表面成为圆锥状的形状。因此，首先求出液体金属的液膜表面的形状，更具体而言是求出其倾斜角度。这是由导入的射束的强度和液体金属的性质所决定的，以使液膜的每单位面积的射束的照射强度成为不会发生液体金属的沸腾那样的照射强度。
接着，以使各剖面处的V纵相等、S相等的方式来决定圆锥体104的内壁的形状(倾斜角度)。如图3所示，圆锥体104的内侧面的倾斜比靶(液膜)的倾斜更缓。此外，严格来说，圆锥体104的内侧面301是越往前端(下侧)直径越小的锥形状，但其锥形角越往前端越变缓。需要说明的是，此处是无视摩擦、重力的影响而设为各剖面处的V纵相等来进行计算的，但是更严格来说，基于考虑了这些影响的流速来对形状进行设计为好。
需要说明的是，将液体金属的液膜表面设为圆锥状是在射束强度的分布(profile)与距中心的距离无关而固定的情况。在射束强度具有距中心越远则越弱的分布的情况下，为了使液膜的每单位面积的射束强度固定，也可以采用液膜的表面的倾斜角度渐渐变陡的锥形状。相应地，圆锥体104的内侧面的形状也适当被确定。
【效果】
以下，对本实施方式的射束靶系统的有利效果进行说明。
图4的A～图4的C是对在本实施方式中能增大对靶的射束的照射面积进行说明的图。图4的A是使液体金属自由下落的情况，图4的B是使液体金属沿着倾斜的板流动的情况，图4的C是如本实施方式那样使液体金属沿着圆锥体104的内侧面螺旋状地流动的情况。若将照射的射束的直径设为d，则图4的A的情况下的照射面积为π(d/2)2。另一方面，图4的B、图4的C的情况下的照射面积均为π(d/2)2/sinθ。在此，θ为倾斜板和圆锥的倾斜角。
在使用倾斜板的情况(图4的B)和本实施方式(图4的C)中，照射面积相同，但是对于靶的长度而言，前者为d/sinθ，后者为d/(2×sinθ)，本实施方式具有能实现装置的小型化这一优点。
此外，在图4的B的方法中仅能在倾斜板的后方配置LLFP，与此相对，在本实施方式中，能将LLFP配置于圆锥体104的周围整体，因此能高效地利用产生的中子，能高效地使LLFP进行核嬗变。
而且，液体金属内的压力因伴随螺旋流的离心力而上升，因此沸点上升，能防止由射束照射引起的液体金属的沸腾。如现有技术所示，使液体金属沿着弯曲板流动也会产生离心力，但是如本实施方式那样的螺旋流能得到更大的离心力，沸腾的抑制效果更好。
图5的A～图5的D是对使用了放射线模拟的氘核射束(100MeV/u)引起的靶发热的评估进行说明的图。图5的A是表示靶体系的图，501为液体锂靶，502为圆锥体。图5的B表示氘核射束的飞行轨迹(流量)，图5的C表示中子的飞行轨迹(流量)。如图5的B所示，氘核射束被液体锂靶几乎完全停止。此外，如图5的C所示，可知从圆锥体的侧面也释放出足量的中子。
图5的D是表示靶的发热分布的图。分别针对如本实施方式那样的圆锥状的靶和圆柱状的靶的情况，对于100MeV/u和40MeV/u的射束强度通过模拟评估了发热量。图表511和512表示将100MeV的射束照射于圆锥状的靶和圆柱状的标记的情况下的发热量。此外，图表521和522表示将40MeV的射束照射于圆锥状的靶和圆柱状的标记的情况下的发热量。横轴表示距液体锂表面的深度[cm]，纵轴表示发热量[kW/cc]。可知，无论对于哪一个射束强度，与作为比较例的圆柱形的靶的情况相比，本实施方式都能降低在射束射程终端(z＝约37cm和z＝约8cm)处的局部发热。即，可知，本实施方式能抑制由液体锂的爆沸而导致的气体产生。
图6的A、图6的B是对基于模拟的LLFP的核嬗变效率的评估进行说明的图。图6的A是表示液体金属601、圆锥体602以及LLFP603的配置的图。LLFP采用了经奇偶分离的钯(105Pd、107Pd)。如图所示，LLFP603配置于圆锥体602的周围，利用在液体金属靶产生的高强度中子进行核嬗变。图6的B表示释放至液体金属靶外的中子的能量分布。可知，每个100MeV/u的氘核会产生约一个中子。
此外，当照射1A的氘核射束时，计算为每个氘核的核嬗变个数约为0.7，核嬗变量每年25kg。如此，通过一台的加速器就能一年使25kg的钯进行核嬗变(无害化)，效率很高。
【变形例】
在本实施方式中，也可以在供给部105所供给的液体金属中混合LLFP的粉体。通过使LLFP位于与基于射束照射的中子的产生位置最近的位置，能高效地进行LLFP的核嬗变。
此外，在本实施方式中，也可以用LLFP(例如93Zr)来制造圆锥体104。圆锥体104也是与中子的产生位置接近的位置，能高效地进行LLFP的核嬗变。
此外，在本实施方式中，将通过向液体金属的射束照射而产生的中子用于LLFP的核嬗变，但基于中子的核嬗变对象的物质不限于LLFP，也可以是任意的物质。
＜第二实施方式＞
本实施方式是用于能对多个患者进行硼中子俘获疗法(BNCT)的多患者型BNCT治疗系统的射束靶系统。图7表示本实施方式的射束靶系统700的整体结构。需要说明的是，图7中省略了液体金属的循环系统的记载。
本实施方式的射束靶系统700的基本结构与第一实施方式的相同，但在圆锥体104的周围未设有保持LLFP的保持部106，而是设有多个中子准直器(collimator)701。中子准直器701使通过向液体金属的射束照射而产生的中子平行化来向被照射体(患者)输出。圆锥体104具有圆锥台状，因此中子准直器701向与射束照射方向正交的方向输出中子。此外，中子准直器701可以在圆锥体104的周向上、此外在射束照射方向上设置多个。
根据本实施方式，能对多个患者照射中子。因此，能进行更高效的治疗。此外，中子的输出方向与射束的照射方向正交，因此能将患者从射束的照射线上避开地进行配置，安全性更加提高。
需要说明的是，此处以BNCT为例进行了举例说明，但即使在将产生的中子射线用于非破坏检查的检查系统中也可以采用与上述相同的构成。
＜第三实施方式＞
本实施方式是用于大量产生砹－211(211At)的系统的射束靶系统。砹－211是释放α射线的放射线原子核素，用于经口或静脉给药，从癌症的病灶部直接照射α射线的RI内用疗法。
图8是表示本实施方式的射束靶系统800的整体结构的图。砹－211通过将由加速器加速的氦射束(～7.2MeV/u)照射至铋(Bi)并进行核嬗变而产生(4He+Bi→211At+X)。因此，在本实施方式中，供给部105将液体铋照射至圆锥体104的内侧面。
液体铋通过循环泵801进行循环。通过射束的照射而产生的砹从圆锥体104的下部与液体铋一起被回收。由于砹的沸点比铋的低，因此能利用回收装置803仅将砹作为气体分离取出。
根据本实施方式，能高效并且大量地产生砹－211。
附图标记说明：
100：射束靶系统；101：射束窗；102：偏转电磁铁；103：射束径调整电磁铁；104：圆锥体；105：液体金属供给部；106：LLFP保持部；107：液体金属出口；108：液体金属入口；109：排出口；110：液体金属(液膜)；120：循环系统；121：热交换器；122：杂质去除装置；123：循环泵。
Claims (8)
1.一种射束靶，用于照射从射束产生源得到的射束来产生核反应产物，所述射束靶具备：
圆锥体，具有越往前端直径越小的锥形状的内侧面；以及
供给单元，向所述圆锥体的内侧面供给液体金属，在所述内侧面形成所述液体金属的液膜。
2.根据权利要求1所述的射束靶，其中，
所述圆锥体由利用中子来进行核嬗变的对象的物质构成，所述中子通过对所述液体金属的射束的照射而产生。
3.根据权利要求1或2所述的射束靶，其中，
所述供给单元所供给的液体金属中含有利用中子来进行核嬗变的对象的物质的粉体，所述中子通过对所述液体金属的射束的照射而产生。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的射束靶，其中，
在所述圆锥体的内侧面设有螺旋状的槽。
5.一种射束靶系统，其具备：
权利要求1至4中的任一项所述的射束靶；以及
照射单元，将从射束产生源得到的射束照射至所述液膜。
6.根据权利要求5所述的射束靶系统，其中，具备：
保持部，将利用中子来进行核嬗变的对象的物质保持在所述圆锥体的周围，所述中子通过对所述液体金属的所述射束的照射而产生。
7.根据权利要求5所述的射束靶系统，其中，具备：
输出单元，将通过对所述液体金属的射束的照射而产生的中子向与所述射束的照射方向正交的方向输出。
8.根据权利要求7所述的射束靶系统，其中，具备多个所述输出单元。
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