JP2006155906A

JP2006155906A - 中性子発生方法、及び中性子発生装置

Info

Publication number: JP2006155906A
Application number: JP2004340109A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Mori; 義治森
Original assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15
Also published as: WO2006057178A1

Abstract

【課題】安全で使用環境及び使用条件などに制限を加えることなく、熱中性子あるいは熱外中性子などの中性子を高強度に得る方法及び装置を提供する。
【解決手段】陽子又は重陽子をリング状の加速器により所定のエネルギーまで加速する。次いで、前記所定のエネルギーを有する前記陽子又は前記重陽子を所定のターゲットに衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、中性子発生方法、及び中性子発生装置に関する。

高強度の熱中性子源及び熱外中性子源が様々な方面で必要とされている。例えば、ホウ素捕獲中性子がん治療、中性子ラディオグラフィ、及び半導体製造などの分野においては、前記熱中性子源及び前記熱外中性子源に対する要求が高い。しかしながら、従来の熱中性子源あるいは熱外中性子源においては、約１×１０^６ｎ／ｃｍ^２／ｓｅｃ程度の強度しか得ることができず、上述分野において実用に供するには強度的に不十分であった。

一方、原子炉を用いることにより、上述した分野で利用できるような十分な強度の熱中性子及び熱外中性子を得ることができるが、原子炉を用いることから、使用環境などについては十分に配慮する必要があり、上述した分野に使用するに際しても相当程度の制限が加えられていた。

さらに、Ｘ線源などを用いた熱中性子源及び熱外中性子源など、種々の熱中性子源及び熱外中性子源が研究開発されているが、未だ上述した分野において十分な強度を有し、安定的に使用できるものは得られていない。

本発明は、安全で使用環境及び使用条件などに制限を加えることなく、熱中性子あるいは熱外中性子などの中性子を高強度に得る方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
陽子又は重陽子をリング状の加速器により所定のエネルギーまで加速する工程と、
前記所定のエネルギーを有する前記陽子又は前記重陽子を所定のターゲットに衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させる工程と、
を具えることを特徴とする、中性子発生方法に関する。

また、本発明は、
陽子又は重陽子を所定のエネルギーまで加速するためのリング状の加速器と、
前記所定のエネルギーを有する前記陽子又は前記重陽子を衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させるためのターゲットと、
を具えることを特徴とする、中性子発生装置に関する。

本発明によれば、リング状の加速器を用いて陽子又は重陽子を加速するようにしている。したがって、前記リング状の加速器として所定のものを用いるようにすれば、前記陽子又は前記重陽子が前記リング状の加速器内を所定の回数周回することにより、前記陽子又は前記重陽子は所定のエネルギーにまで加速されることになる。このとき、後のターゲットとの衝突における原子核反応（（ｐ、ｎ）反応）を通じて、十分高強度の中性子が得られるようなエネルギーにまで加速すれば、目的とする高強度の中性子を得ることができるようになる。

本発明では、従来のような原子炉を用いずにリング状の加速器とターゲットという簡易な構成で目的とする高強度中性子を得ることができるので、使用環境や使用条件などの影響を受けることなく、簡易に高強度の中性子を得ることができる。

また、所定の再加速手段を用いて、前記陽子又は前記重陽子を前記ターゲットに衝突させた後のエネルギーロスを補償し、前記所定のエネルギーまで再加速し、再度前記所定のターゲットに衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させるようにすることもできる。この場合、前記加速器内に導入した前記陽子又は前記重陽子によって、繰り返し高強度中性子を生成することができるようになるので、前記高強度中性子の生成効率を増大させることができる。

なお、前記再加速手段は、本発明におけるリング状加速器から構成することが好ましい。これによって、中性子発生装置の構成を簡易化することができるとともに、中性子発生方法の操作方法を簡易化することができる。

また、前記リング状加速器はイオン化冷却効果を有することが好ましい。イオン化冷却効果を有することにより、陽子又は重陽子の加速又は再加速の際に、加速器内の横方向での加速が抑制され、長手方向での加速のみが促進されるようになる。したがって、前記ターゲットに衝突して中性子を生成するために必要な長手方向での加速のみが促進され、さらに前記ターゲットによる発散を抑制できるようになる。この結果、前述した高強度中性子の生成効率をより増大させることができるようになる。

前述のようなイオン化冷却効果を有するリング状加速器としては、シンクロトロンやＦＦＡＧ加速器などを用いることができるが、好ましくはＦＦＡＧ加速器を用いる。

また、陽子又は重陽子とターゲットとの衝突を通じて生成した中性子に対して例えば検束部材などを用い、前記中性子の速度を所定のエネルギー範囲にまで減速させるようにすることができる。これによって、前記中性子のエネルギー範囲を目的の範囲に簡易に設定することができ、例えば、前記ターゲットとの衝突のみでは、得られた中性子のエネルギーが高すぎて、熱中性子あるいは熱外中性子を得ることができない場合、前記中性子を前述のように減速させることにより、前記熱中性子又は前記熱外中性子を得ることができるようになる。

なお、前記減速部材の厚さは、減速させる度合いに応じて適宜に設定することができる。

さらに、前記ターゲットは装置構成や操作を簡易化するために、本発明で用いる加速器内に設けることができる。この際、同一のターゲットを用いていると、陽子又は重陽子の繰り返しの衝突により、前記ターゲットが劣化し、所定時間経過後は中性子の生成を行うことができなくなってしまう場合がある。このような場合には、前記ターゲットを複数のターゲット部材から構成し、これらのターゲット部材を例えば回転駆動のターゲット駆動交換手段に取り付け、所定の時間毎に陽子などの衝突による原子核反応に供するターゲット部材を交換するようにすれば、長期間安定的に中性子の生成を行うことができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、安全で使用環境及び使用条件などに制限を加えることなく、熱中性子あるいは熱外中性子などの中性子を高強度に得る方法及び装置を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の中性子生成装置の好ましい態様を概略的に示す構成図である。図１に示す中性子生成装置１０は、リング状の加速器としてのＦＦＡＧ加速器１１と、この加速器１１の上部に設けられたターゲット１２とを有している。

ＦＦＡＧ加速器１１は、ＦＦＡＧセクターマグネット１１１と高周波加速装置１１２とから構成されており、加速器内を周回する所定の荷電粒子を高周波加速装置１１２から発せされる高周波電場で共振させるとともに、セクターマグネット１１１で生成される磁場で捕捉しながら加速するように構成されている。

また、ターゲット１２は複数のターゲット部材１２１から構成されており、ローラ部材１４１を有するターゲット回転駆動装置１４により、中性子生成の過程において所定の時間が経過した後、ターゲット部材１２１を回転移動させ、劣化したターゲット部材から新規なターゲット部材に連続的に交換できるように構成されている。したがって、目的とする中性子を長時間に亘って安定的に生成することができる。

ターゲット１２（ターゲット部材１２１）は、好ましくはベリリウム、リシウム、及びこれらの化合物などから構成する。これによって、中性子の生成効率を増大させることができる。

ＦＦＡＧ加速器１１の左下方には、この加速器内に陽子又は重陽子を導入するための陽子源１３が設けられている。さらに、ＦＦＡＧ加速器１１の右上方には、ターゲット１２と同レベルの一において、減速部材を構成する重水槽１５が設けられているとともに、γ線遮蔽板１６が設けられている。なお、これらの部材はポリエチレンシールド１７で覆われている。また、ポリエチレンシールド１７の代わりに、コンクリートを用いたシールドを用いることもできる。

なお、γ線遮蔽板１６は、以下に説明する陽子などとターゲット１２（ターゲット部材１２１）とが衝突した際に、前記中性子に付随して生成されるγ線を遮蔽するためのものである。

陽子源１３からＦＦＡＧ加速器１１内に導入された陽子又は重陽子は、図中の実線で示されるように、加速器内で高周波加速装置１１２からの高周波電場により周回を重ねながら加速され、所定のエネルギーにまで加速される。この所定のエネルギーにまで加速された前記陽子又は前記重陽子は、その軌道半径が前記エネルギーに相当する大きさまで拡大し、その軌道上に配置されたターゲット１２（ターゲット部材１２１）と衝突する。このとき、前記陽子又は前記重陽子とターゲット１２（ターゲット部材１２１）とが原子核反応（（ｐ、ｎ）反応）を生ぜしめることにより、ターゲット１２（ターゲット部材１２１）からは、図中破線で示す方向に中性子が生成されて飛跳するようになる。

ターゲット１２（ターゲット１２１）から飛跳した前記中性子は、一般に高速である場合が多い。したがって、熱中性子や熱外中性子を得ようとする場合は、図１に示すように、重水槽１５などの減速部材中を通過させて減速させ、目的とする前記熱中性子又は前記熱外中性子を得るようにする。なお、減速の度合いは、重水槽１５の中性子の飛跳方向における厚さを調節することによって制御することができる。

なお、図１においては、減速部材として重水槽１５を用いているが、同様の効果を得るものとしてポリエチレンなどを用いることもできる。ポリエチレンを用いる場合は、所定の厚さに薄膜化あるいは板状化したものを用いる。減速の度合いが、ポリエチレン薄膜あるいはポリエチレン板の厚さを適宜調節することによって制御する。

一方、ターゲット１２（ターゲット部材１２１）に衝突した前記陽子又は前記重陽子はエネルギーを失って減速するようになるが、図中実線で示すように、ＦＦＡＧ加速器１１内を周回することによって再度前述した所定のエネルギーまで加速されるようになる。そして、ターゲット１２（ターゲット部材１２１）と再度衝突し、原子核反応を通じて高速中性子を生成するとともに、重水槽１５を経て熱中性子又は熱外中性子を生成するようになる。したがって、前記陽子又は前記重陽子の使用効率が増大し、その結果、目的とする中性子（熱中性子、熱外中性子）の生成効率を増大させることができる。

なお、図１に示す中性子発生装置１０は、ＦＦＡＧ加速器１１を有している。このＦＦＡＧ加速器１１はイオン化冷却効果を有しているので、陽子又は重陽子を加速又は再加速する際に、加速器内の横方向での加速を抑制し、長手方向での加速のみを促進する。したがって、ターゲット１２（ターゲット部材１２１）に衝突して中性子を生成するために必要な長手方向での加速のみが促進され、さらに前記ターゲットによる発散を抑制できるようになる。この結果、前述した高強度中性子の生成効率をより増大させることができるようになり、目的とする中性子（熱中性子、熱外中性子）の生成効率をより増大させることができるようになる。

また、特にターゲット１２（ターゲット部材１２１）として上述したベリリウムなどを用いた場合、その厚さは１μｍ〜２０μｍに設定することが好ましい。さらに、陽子又は重陽子を加速又は再加速してターゲット１２（ターゲット部材１２１）に衝突させる際の前述したエネルギーが２．５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶであることが好ましい。これによって、前記陽子又は前記重陽子をターゲット１２（ターゲット部材１２１）に衝突させた場合の、原子核反応を通じた中性子の生成効率を増大させることができる。

図１に示すような装置を用いるともに、上述した操作に基づいて中性子生成を行うことにより、従来の原子炉を用いて得た中性子と同程度の１×１０^９ｎ／ｃｍ^２／ｓｅｃ以上の強度の中性子を簡易に得ることができるようになる。したがって、安全で使用環境及び使用条件などに制限を加えることなく、高強度の中性子を簡易に生成することができるようになる。

また、図１に示す装置１０では、ターゲット１２を複数のターゲット部材１２１をターゲット回転駆動装置１４に取り付け、上述した操作に基づいた中性子生成過程において所定の時間が経過した後、ターゲット部材１２１を回転駆動させて陽子などに衝突により中性子の生成に供するターゲット部材を交換するようにしている。したがって、目的とする高強度の中性子を長期間安定して生成することができる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記具体例では、ＦＦＡＧ加速器を用いているが、イオン化冷却効果を有するその他の加速器、例えばシンクロトロンを用いることもできる。

本発明は、ホウ素捕獲中性子がん治療、中性子ラディオグラフィ、及び半導体製造などの分野において好適に用いることができる。

本発明の中性子生成装置の好ましい態様を概略的に示す構成図である。

符号の説明

１０中性子生成装置
１１ＦＦＡＧ加速器
１１１ＦＦＡＧセクターマグネット
１１２高周波加速装置
１２ターゲット
１２１ターゲット部材
１３陽子源
１４ターゲット回転駆動装置
１４１ローラ部材
１５重水槽
１６ γ線遮蔽板
１７ポリエチレンシールド

Claims

陽子又は重陽子をリング状の加速器により所定のエネルギーまで加速する工程と、
前記所定のエネルギーを有する前記陽子又は前記重陽子を所定のターゲットに衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させる工程と、
を具えることを特徴とする、中性子発生方法。
前記陽子又は前記重陽子を前記ターゲットに衝突させた後のエネルギーロスを補償し、前記所定のエネルギーまで再加速し、再度前記所定のターゲットに衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させる工程を具えることを特徴とする、中性子発生方法。
前記陽子又は前記重陽子を前記ターゲットに衝突させた後のエネルギーロスを補償し、前記所定のエネルギーまで再加速は、前記リング状の加速器を用いて行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の中性子発生方法。
前記リング状の加速器はイオン化冷却効果を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記リング状の加速器は、ＦＦＡＧ加速器であることを特徴とする、請求項４に記載の中性子発生方法。
前記ターゲットは、前記リング状の加速器内に設けられた内部ターゲットであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記ターゲットは、ベリリウム、リシウム、及びこれらの化合物で構成される薄膜からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記薄膜の厚さが１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項７に記載の中性子発生方法。
前記陽子又は前記重陽子の加速による前記所定のエネルギーが２．５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの範囲であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記陽子又は前記重陽子の再加速による前記所定のエネルギーが２．５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの範囲であることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記中性子を所定のエネルギー範囲まで減速させる工程を具えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記中性子の減速は、所定の減速部材を用いて行うことを特徴とする、請求項１１に記載の中性子発生方法。
前記減速部材の厚さを制御することにより、前記中性子から熱中性子及び熱外中性子の少なくとも一方を得るようにしたことを特徴とする、請求項１２に記載の中性子発生方法。
前記減速部材は、重水及びポリエチレンの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の中性子発生方法。
前記熱中性子及び前記熱外中性子の強度が、１×１０^９ｎ／ｃｍ^２／ｓｅｃ以上であることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の中性子発生方法。
前記ターゲットは複数のターゲット部材からなり、所定の時間の経過後に前記複数のターゲット部材を駆動させ、前記原子核反応に供する前記ターゲット部材を経時的に交換することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一に記載の中性子発生方法。
前記複数のターゲット部材は回転駆動により、経時的に交換することを特徴とする、請求項１６に記載の中性子発生方法。
陽子又は重陽子を所定のエネルギーまで加速するためのリング状の加速器と、
前記所定のエネルギーを有する前記陽子又は前記重陽子を衝突させ、原子核反応を通じて中性子を発生させるためのターゲットと、
を具えることを特徴とする、中性子発生装置。
前記陽子又は前記重陽子を前記ターゲットに衝突させた後のエネルギーロスを補償し、前記所定のエネルギーまで再加速するための再加速手段を具えることを特徴とする、中性子発生装置。
前記再加速手段は、前記リング状の加速器であることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の中性子発生装置。
前記リング状の加速器はイオン化冷却効果を有することを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記リング状の加速器は、ＦＦＡＧ加速器であることを特徴とする、請求項２１に記載の中性子発生装置。
前記ターゲットは、前記リング状の加速器内に設けられた内部ターゲットであることを特徴とする、請求項１８〜２２のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記ターゲットは、ベリリウム、リシウム、及びこれらの化合物で構成される薄膜からなることを特徴とする、請求項１８〜２３のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記薄膜の厚さが１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項２４に記載の中性子発生装置。
前記リング状加速器による前記陽子又は前記重陽子の加速による前記所定のエネルギーが２．５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの範囲であることを特徴とする、請求項１８〜２５のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記再加速手段による前記陽子又は前記重陽子の再加速による前記所定のエネルギーが２．５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの範囲であることを特徴とする、請求項１９〜２６のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記中性子を所定のエネルギー範囲まで減速させる減速手段を具えることを特徴とする、請求項１８〜２７のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記減速手段は、所定の減速部材からなることを特徴とする、請求項２８に記載の中性子発生装置。
前記減速部材の厚さを制御することにより、前記中性子から熱中性子及び熱外中性子の少なくとも一方を得るようにしたことを特徴とする、請求項２９に記載の中性子発生装置。
前記減速部材は、重水及びポリエチレンの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項２９又は３０に記載の中性子発生装置。
前記熱中性子及び前記熱外中性子の強度が、１×１０^９ｎ／ｃｍ^２／ｓｅｃ以上であることを特徴とする、請求項３０又は３１に記載の中性子発生装置。
前記ターゲットは複数のターゲット部材からなり、所定の時間の経過後に前記複数のターゲット部材を駆動させ、前記原子核反応に供する前記ターゲット部材を経時的に交換するためのターゲット駆動交換手段を具えることを特徴とする、請求項１８〜３２のいずれか一に記載の中性子発生装置。
前記ターゲット駆動交換手段は、複数のターゲット部材を回転駆動により、経時的に交換することを特徴とする、請求項３３に記載の中性子発生装置。