JP2010153092A - ビームダンプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力の向上、及び、長寿命化を図ることが可能なビームダンプを提供すること。
【解決手段】荷電粒子ビームＢを受けるビーム受け面１２ａを、荷電粒子ビームＢに対して傾斜して配置する。そのため、荷電粒子ビームＢとビーム受け面１２ａとの接触面積を大きくすることができ、局所的な温度上昇を抑制することができる。また、ビーム受け面１２ａからのふく射熱を受けるふく射熱受け面２２ａを有する構成とする。そのため、ふく射熱受け部２１によって、ビーム受け面２２ａのふく射熱を吸収することができ、ビーム受け面１２ａが冷却される。また、ビーム受け面１２ａを冷却する第１の冷却部１３、及び、ふく射熱受け面２２ａを冷却する第２の冷却部２３を備える構成とし、ビーム受け面１２ａを冷却すると共に、ふく射熱受け面２２ａを冷却してふく射熱の吸収効率を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、荷電粒子ビームを受けるビームダンプに関する。

例えば、がん治療等において、放射線治療は高い評価を受けている。特に、細胞レベルの選択的な治療の可能性がある中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）が注目されている。このＢＮＣＴでは、治療すべきがん細胞に、重荷電粒子などを発生する安定同位元素を、予め取り込ませておき、その後、中性子を照射して、重荷電粒子の飛散によって、がん細胞だけを選択的に破壊する。

放射線治療装置では、例えばサイクロトロンなどの加速器を用いて、陽子などの荷電粒子を加速させる。サイクロトロンから取り出された高エネルギーイオンビームは、中性子を発生させるターゲットに照射され、発生した中性子が治療すべきがん細胞に照射される。

この種の放射線治療装置では、治療前などにおいてビームの出力確認を行う。この際、加速器から取り出されたビームは、治療時の正規の軌道から外される。特許文献１には、正規の軌道から外されたビームを衝突させるためのビームストッパが開示されている。ビームをビームストッパに衝突させることで、ビームのエネルギが消費される。特許文献１に記載の放射線治療装置では、ビームの衝突位置を適宜変更することで、局所的な温度上昇を防止して、ビームストッパ部の耐久性の向上を図っている。
特開平１０−２８７４２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、ビームストッパへのビームの衝突位置を適宜変更することで、局所的な温度上昇を防止しているものの更なる長寿命化が望まれている。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、冷却能力の向上、及び、長寿命化を図ることが可能なビームダンプを提供することを目的とする。

本発明によるビームダンプは、荷電粒子ビームを受けるビーム受け面を備えたビームダンプにおいて、荷電粒子ビームに対して傾斜して配置されたビーム受け面を有するビーム受け部と、ビーム受け面からのふく射熱を受けるふく射熱受け面を有するふく射熱受け部と、ビーム受け面を冷却する第１の冷却部と、ふく射熱受け面を冷却する第２の冷却部と、を備えることを特徴としている。

このようなビームダンプは、荷電粒子ビームを受けるビーム受け面が、荷電粒子ビームに対して傾斜して配置されているため、荷電粒子ビームとビーム受け面との接触面積を大きくすることができ、局所的な温度上昇を抑制することができる。また、ビーム受け面からのふく射熱を受けるふく射熱受け面を備える構成であるため、ふく射熱受け部によって、ビーム受け面のふく射熱を吸収することで、ビーム受け面を冷却することができる。また、ビーム受け面を冷却する第１の冷却部、及び、ふく射熱受け面を冷却する第２の冷却部を備える構成であるため、ビーム受け面を冷却すると共に、ふく射熱受け面を冷却してふく射熱の吸収効率を向上させることができる。これらにより、冷却能力を向上してビーム受け面の温度上昇を抑え、ビーム受け面の消耗を防止することができる。

また、ビーム受け部及びふく射熱受け部は、互いの位置を交換可能とされていることが好ましい。これにより、ビーム受け部が消耗した場合に、ふく射熱受け部とビーム受け部とを入れ替えることで、長寿命化を図ることが可能となる。

また、ビーム受け部及びふく射熱受け部は、対称に配置され、互いの位置を反転可能とされていることが好適である。

本発明によれば、冷却能力の向上、及び、長寿命化を図ることが可能なビームダンプを提供することができる。

以下、本発明によるビームダンプの好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るビームダンプを備えたＢＮＣＴ装置の概略構成図、図２〜図４は、ビームダンプを示す各図である。

図１に示すＢＮＣＴ装置１は、中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）を用いたがん治療などを行うための装置である。ＢＮＣＴ装置１は、サイクロトロン２を備え、このサイクロトロン２は、陽子などの荷電粒子を加速して、陽子線（以下「ビーム」という。）Ｂを作り出す。サイクロトロン２は、例えば、６０ｋｗ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）のビームを生成する能力を有している。

サイクロトロン２から取り出されたビームＢは、第１のビームラインＬ１内を通り、ビーム方向を変更可能な偏向電磁石等の切替装置３に到達する。ビームＢは、ビーム方向を変更可能な切替装置３によって、ビーム方向が変更され、第２のビームラインＬ２内を通り、照射装置４に到達する。

照射装置４は、患者が配置される治療寝台などを有している。照射装置４には、ビームが照射されて中性子を発生させるターゲット装置が設けられている。発生した中性子は、患者に照射される。

ＢＮＣＴ装置１では、治療前などにおいてビームＢの出力確認を行う。この際、サイクロトロン２から取り出されたビームＢは、治療時の正規の軌道から外される。ＢＮＣＴ装置１は、正規の軌道から外されたビームＢを衝突させるためのビームダンプ１０を備えている。切替装置３を通過したビームＢは、第３のビームラインＬ３内を通り、ビームダンプ１０に到達する。ビームダンプ１０の周囲には、カバー６が設けられている。

図２は、ビームダンプの平面図、図３は、図２のIII−III線に沿う断面図、図４は、図２のIV−IV線に沿う断面図である。なお、ビームの進行方向に延在する軸をＸ軸、Ｘ軸と直交する幅方向（図２における上下方向）に延在する軸をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸と直交する軸をＺ軸とする。

図３及び図４に示すように、ビームダンプ１０は、ビームＢを受ける上部板（ビーム受け部）１１と、上部板１１からのふく射熱を受ける下部板（ふく射熱受け部）２１とを有している。そして、上部板１１は、図３に示すように、ビームＢ（Ｘ軸）に対して傾斜して配置され、下部板２１は、Ｘ軸に沿って配置されている。

上部板１１は、ビームＢに対して傾斜して配置されたビーム受け面１２ａを形成する放射化防止部材１２と、放射化防止部材１２を冷却する冷却板１３（第１の冷却部）とを備えている。上部板１１は、正面側（ビームの入射側）が、背面側より上方に配置されて、傾斜している。

放射化防止部材１２は、平板状を成し、例えば、グラファイトの板材によって構成されている。放射化防止部材１２は、ビームＢが衝突するビーム受け面１２ａを構成するものである。放射化防止部材１２として、所定の耐熱性能、排熱性能を有し、放射化しない性質を有する材質を用いることができる。

放射化防止部材１２は、図２及び図４に示すように、Ｙ軸方向の両側が、中央部と比較して、薄肉とされている。放射化防止部材１２の四つ角には、ボルト穴が形成されている。放射化防止部材１２は、ボルト４３によって、冷却板１３に固定され、冷却板１３と面接触している。

冷却板１３は、平板状を成し、例えば、銅板によって構成されている。冷却板１３は、放射化防止部材１２と比較して、面積が大きく、且つ、厚肉とされている。

冷却板１３の内部には、冷却水が流通する流通経路として、入口側メイン水路１４、冷却水路１５、出口側メイン水路１６が形成されている。冷却板１３の一方の側部に、入口側メイン水路１４が形成され、冷却板１３の他方の側部に、出口側メイン水路１６が形成されている。入口側メイン水路１４及び出口側メイン水路１６は、Ｘ軸方向に延在し、複数の冷却水路１５は入口側メイン水路１４及び出口側メイン水路１６間でＹ軸方向に延在している。

入口側メイン水路１４には、入口配管Ｌ５が接続され、出口側メイン水路１６には、出口配管Ｌ６が接続されている。冷却水路１５は、入口側メイン水路１４及び出口側メイン水路１６に連通している。冷却水路１５は、Ｚ軸方向において放射化防止部材１２側に配置されている。また、冷却水路１５の穴あけ加工の際に形成された開口部は、プラグ１７によって閉止されている。

下部板２１は、上部板１１のビーム受け面１２ａからのふく射熱を受けるふく射熱受け面２２ａを有するふく射熱受け板２２と、ふく射熱受け板２２を冷却する冷却板（第２の冷却部）２３とを備えている。ふく射熱受け板２２は、平板状を成し、例えば、グラファイトの板材によって構成されている。ふく射熱受け板２２は、ビームＢが衝突するビーム受け面２２ａからのふく射熱を受けるふく射熱受け面を構成するものである。ふく射熱受け板２２として、所定の耐熱性能、排熱性能を有する材質を用いることができる。

ふく射熱受け板２２は、図４に示すように、Ｙ軸方向の両側が、中央部と比較して、薄肉とされている。ふく射熱受け板２２の四つ角には、ボルト穴が形成されている。ふく射熱受け板２２は、ボルト４４によって、冷却板２３に固定され、冷却板２３と面接触している。

冷却板２３は、平板状を成し、例えば、銅板によって構成されている。冷却板２３は、ふく射熱受け板２２と比較して、面積が大きく、且つ、厚肉とされている。

冷却板２３の内部には、冷却水が流通する流通経路として、入口側メイン水路２４、冷却水路２５、出口側メイン水路２６が形成されている。冷却板２３の一方の側部に、入口側メイン水路２４が形成され、冷却板２３の他方の側部に、出口側メイン水路２６が形成されている。入口側メイン水路２４及び出口側メイン水路２６は、Ｘ軸方向に延在し、複数の冷却水路２５は入口側メイン水路２４及び出口側メイン水路２６間でＹ軸方向に延在している。

入口側メイン水路２４には、入口配管Ｌ５が接続され、出口側メイン水路２６には、出口配管Ｌ６が接続されている。冷却水路２５は、入口側メイン水路２４及び出口側メイン水路２６に連通している。冷却水路２５は、Ｚ軸方向において放射化防止部材２２側に配置されている。また、冷却水路２５の穴あけ加工の際に形成された開口部は、プラグ２７によって閉止されている。

また、ビームダンプ１０は、正面壁３１、背面壁３２、及び、側壁３３を備えている。図３に示すように、正面壁３１には、ビームＢを通過させるための開口部（ビーム導入口）３１ａが形成されている。第３のビームラインＬ３は、開口部３１ａと連通され、第３のビームラインＬ３内を通過したビームＢは、開口部３１ａを通り、放射化防止部材１２と衝突可能とされている。

正面壁３１、背面壁３２、及び、側壁３３，３３は、端部同士が接合され、平面視において、矩形の枠体を構成している。側面壁３２の上端は、正面側が背面側より上方に位置するように形成されている。

上部板１１は、ボルト４１によって、正面壁３１及び背面壁３２の上端部に固定されている。上部板１１は、正面壁３１、背面壁３２、及び側壁３３，３３の上端と当接し、Ｘ軸に対して傾斜して配置されている。

下部板２１は、ボルト４２によって、正面壁３１及び背面壁３２の下端部に固定されている。下部板２１は、正面壁３１、背面壁３２、及び側壁３３，３３の下端と当接し、Ｘ軸方向に沿って配置されている。なお、下部板２１は、Ｘ軸に対して傾斜して配置されていてもよい。

図４に示すように、下部板２１の外表面には、複数のボルト穴が形成されている。下部板２１の外表面には、ボルト４５によって、ベース板５１が固定されている。ベース板５１は、支柱５２によって下方から支持され、支柱５２は、固定部５３によって、床などに固定されている。

このように構成されたビームダンプ１０では、まず、冷却水の注入が行われる。冷却水は、入口配管Ｌ５を通じて、入口側メイン水路１４，２４に注入される。入口側メイン水路１４内に注入された冷却水は、冷却水路１５，２５を通り、出口側メイン水路１６，２６に到達する。出口側メイン水路１６に到達した冷却水は、出口配管Ｌ６を通じて、ビームダンプ１０外へ排出される。ビームダンプ１０の使用中において、冷却水の注入及び排出が行われている。

サイクロトロン２から取り出されたビームＢは、第１のビームラインＬ１内を通過して、切替装置３に到達する。治療時には、切替装置３によって、ビーム方向が変更され、第２のビームラインＬ２内を通過して、ビームＢは、照射装置４に到達する。一方、ビームＢを患者に照射しない場合には、サイクロトロン２から取り出されたビームＢは、切替装置３に到達後、そのまま通過して、第３のビームラインＬ３内を通り、ビームダンプ１０に到達する。

ビームダンプ１０に到達したビームＢは、Ｘ軸方向に直進し、ビームダンプ１０の内部に進入する。ビームＢは、そのまま直進して、Ｘ軸に対して傾斜して配置された放射化部材１２と衝突する。すなわち、ビームＢは、放射化部材１２の表面に対して、所定の角度で傾斜して衝突する。これにより、ビーム受け面１２ａに対して垂直に衝突する場合と比較して、ビームＢとビーム受け面１２ａとの接触面積を大きくすることができる。その結果、放射化部材１２の局所的な温度上昇を防止することができる。ビームＢと放射化部材１２との接触部は、図２に示すように、例えば、楕円形となる。

ビームＢの熱は、放射化部材１２に伝達され、冷却板１３に伝達される。冷却板１３に伝達された熱は、冷却水路１５を通過する冷却水に伝達される。これにより、放射化部材１２を好適に冷却することができる。また、ビームＢとビーム受け面１２ａとの接触面積を大きくすることで、放射化部材１２と冷却板１３との伝熱効率を向上させることができる。

また、ビームダンプ１０では、ふく射熱受け板２２によって、放射化部材１２からのふく射熱を吸収する。放射化部材１２は、ビーム及び放射化部材１２からふく射熱を吸収する。放射化部材１２は、ふく射熱受け板２２がふく射熱を吸収することで、冷却される。

ふく射熱受け板２２に伝達された熱は、冷却板２３に伝達される。冷却板１３に伝達された熱は、冷却水路２５を通過する冷却水に伝達される。これにより、ふく射熱受け板２２を好適に冷却することができる。ふく射熱受け板２２を冷却することで、ふく射熱受け板２２によるふく射熱の吸収効率を向上させることができる。

このようなビームダンプ１０によれば、放射化部材１２が傾斜して配置されているため、ビームＢとの衝突面積が拡大されて、局所的な温度上昇を抑制し、放射化部材１２の消耗を抑えることができる。その結果、ビームダンプ１０の長寿命化を図ることができる。

また、ビームダンプ１０は、ふく射熱受け板２２を備え、放射化部材１２からのふく射熱を吸収することができるため、放射化部材１２が冷却される。そのため、放射化部材１２を好適に冷却して、放射化部材１２の消耗を抑えることができる。これらにより、冷却能力が向上され、放射化部材１２の長寿命化が図られたビームダンプを実現することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上部板１１及び下部板２１を同一の構造として、互いに取替え可能としてもよい。例えば、上部板１１の外表面に、ベース板５１を固定するためのベース板５１を備える構成としてもよい。このように構成すると、放射化部材１２が消耗した場合に、上部板１１及び下部板２１を入れ替えることで、下部板２１のふく射熱受け板２２として使用されていたものを、ビームＢを受けるビーム受け面として使用することができる。

また、上部板１１及び下部板２１を対称に配置し、互いの位置を交換するための反転装置を備える構成としてもよい。これより、上部板１１及び下部板２１の位置を容易に入れ替えることができる。

また、正面壁３１、背面壁３２、側壁３３の内面にグラファイト材などを配置することで、ふく射熱受け面を備える構成としてもよい。

また、上部板１１は、Ｙ軸に対して傾斜していない構成でもよく、Ｙ軸に対して傾斜している構成でもよい。また、ビーム受け面は、曲面であってもよい。また、放射化部材１２内、ふく射熱受け板２２内に、冷却用水路を設けてもよい。

本発明の実施形態に係るビームダンプを備えたＢＮＣＴ装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るビームダンプの平面図である。 図２のIII−III線に沿う断面図である。 図２のIV−IV線に沿う断面図である。

符号の説明

１…ＢＮＣＴ装置、２…サイクロトロン、３…切替装置、４…照射装置、６…カバー、１０…ビームダンプ、１１…上部板（ビーム受け部）、１２…放射化防止部材、１２ａ…ビーム受け面、１３…冷却板（第１の冷却部）、１４…入口側メイン水路、１５…冷却水路、１６…出口側メイン水路、１７…プラグ、２１…下部板（ふく射熱受け部）、２２…ふく射熱受け板、２２ａ…ふく射熱受け面、２３…冷却板（第２の冷却部）、２４…入口側メイン水路、２５…冷却水路、２６…出口側メイン水路、２７…プラグ、３１…正面壁、３１ａ…開口部（ビーム導入口）、３２…背面壁、３３…側壁、４１〜４５…ボルト、５１…ベース板、５２…支柱、５３…固定部、Ｌ１〜Ｌ３…ビームライン、Ｌ５…入口配管、Ｌ６…出口配管、Ｂ…ビーム。

Claims (3)

1. 荷電粒子ビームを受けるビーム受け面を備えたビームダンプにおいて、
   前記荷電粒子ビームに対して傾斜して配置された前記ビーム受け面を有するビーム受け部と、
   前記ビーム受け面からのふく射熱を受けるふく射熱受け面を有するふく射熱受け部と、
   前記ビーム受け面を冷却する第１の冷却部と、
   前記ふく射熱受け面を冷却する第２の冷却部と、を備えることを特徴とするビームダンプ。
2. 前記ビーム受け部及び前記ふく射熱受け部は、互いの位置を交換可能とされていることを特徴とする請求項１記載のビームダンプ。
3. 前記ビーム受け部及び前記ふく射熱受け部は、対称に配置され、互いの位置を反転可能とされていることを特徴とする請求項１又は２記載のビームダンプ。

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