JP2011112610A - 中性子遮蔽装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遮蔽性能が高く軽い遮蔽体を備える中性子遮蔽装置を提供すること。
【解決手段】真空容器２内に荷電粒子ビームを導入する第１ビームライン２１と、第１ビームライン２１を介して導入された荷電粒子ビームを真空容器２外に導く第２ビームライン２２と、真空容器２内に設置された遮蔽体１と、この遮蔽体１を駆動して真空容器２内における荷電粒子ビームの通過経路を開放又は閉鎖する駆動装置１１とを備え、遮蔽体１の第１ビームライン２１側を鉄遮蔽体６で形成し、遮蔽体１の第２ビームライン２２側をコンクリート遮蔽体７で形成する。
【選択図】図１

Description

高線量率エリアから低線量率エリアへ漏洩する中性子を低減する中性子遮蔽装置に関する。

中性子遮蔽装置（ニュートロンシャッタ）は、加速器によって加速された荷電粒子ビーム（以下、ビームと称する）の通過経路に設置されるもので、必要に応じて遮蔽体を移動させることで、高線量率エリアから低線量率エリアへ漏洩するストリーミング中性子を低減するものである。

一般的な中性子遮蔽装置としては、真空容器と、この真空容器内に収納された鉄製の遮蔽体と、この遮蔽体を移動させる駆動装置（駆動機構）を備えたものがある。また、この種の中性子遮蔽装置に変更を加えたものとしては、真空容器を用いる代わりに、遮蔽体中を貫通するビーム通路の両端を有機系の薄膜で密閉し、その密閉空間にヘリウムガスを充填したものがある。すなわち、後者の技術は、真空容器内を真空にする際に用いられる真空ポンプの省略化により装置の構成の簡略化を図ったものである（特許文献１等参照）。

特開平１１−１４７９１号公報

上記技術のように遮蔽体として鉄のみを用いる場合には、５ＭｅＶ以下のエネルギーを有する中性子を遮蔽する能力が、これより大きいエネルギーを有する中性子を遮蔽する能力と比較して不十分である。そのため、漏洩中性子以外の中性子発生源からの中性子の影響を減らすために、遮蔽装置の周囲の遮蔽壁を厚くする等して対応する必要がある。また、スペースの問題から遮蔽壁を厚くできない場合には、中性子遮蔽装置の先の部屋が主要な中性子発生源でない場合であっても、その部屋への人の立ち入りを禁止する等の措置を講じる必要が出てしまう。

また、鉄製の遮蔽体は非常に重く、このような遮蔽体を移動させるためには十分な駆動力が必要になる。そのため、遮蔽体の駆動装置は、必然的に大型なものになり、真空容器を用いた中性子遮蔽装置では真空容器の外部に設置されることとなる。そして、駆動装置による遮蔽体の駆動方法には、油圧シリンダによるスライド式やモータによる回転式等があるが、どの方法であっても、その駆動力を真空容器内の遮蔽体に伝達するために真空容器に孔を設ける必要がある。そのため、その孔には真空容器の真空を維持するために、シール部分を設ける必要がある。しかし、真空容器におけるシール部分は、空気の侵入部分となるため、可能な限り省略することが好ましい。特に加速器施設のビームラインでは、真空容器内にわずかなガスが侵入するだけでもビームが減衰して運転できなくなるため、シビアな真空管理が必要になる。シール部分が原因で漏れが発生した場合には、装置の運転・維持管理コストが増大してしまう。さらに、遮蔽体として鉄を使用すると、中性子遮蔽装置の全体の重量が増大するため、その運搬コストや据付コストが増加してしまう。

本発明の目的は、遮蔽性能が高く軽量な遮蔽体を備える中性子遮蔽装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、真空容器内に荷電粒子ビームを導入する第１ビームラインと、第１ビームラインを介して導入された荷電粒子ビームを前記真空容器外に導く第２ビームラインと、前記真空容器内に設置された遮蔽体と、この遮蔽体を駆動して前記真空容器内における荷電粒子ビームの通過経路を開放又は閉鎖する駆動装置とを備え、前記遮蔽体の前記第１ビームライン側を鉄塊で形成し、前記遮蔽体の前記第２ビームライン側をコンクリート塊で形成するものとする。

本発明によれば、遮蔽体の遮蔽性能を向上させることができるので、中性子遮蔽装置の小型化を図ることができる。また、このように小型化することで、全体の軽量化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置の断面図。 本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置の平面図。 本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置についてのビームライン閉鎖中の断面図。 本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置についてのビームライン閉鎖中の平面図。 従来からの中性子遮蔽装置についてのビームライン閉鎖中の断面図。 従来からの中性子遮蔽装置についてのビームライン開放中の断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置の断面図であり、図２はその平面図である。

この図に示す中性子遮蔽装置は、真空容器２と、第１ビームライン２１と、第２ビームライン２２と、遮蔽体１と、駆動装置１１を主に備えている。

第１ビームライン２１は、加速器等で加速されたビームを真空容器２内に導入するものであり、真空容器２内に挿入されている。第２ビームライン２２は、第１ビームライン２１を介して真空容器２内に導入されたビームを真空容器２外へ導くものであり、真空容器２内の第１ビームライン２１と対向する位置に挿入されている。

遮蔽体１は、真空容器２内に収納されており、鉄遮蔽体６及びコンクリート遮蔽体７から構成されている。鉄遮蔽体６は、遮蔽体１のうち第１ビームライン２１側（すなわち中性子が真空容器２に入射する側）に位置する部分であり、鉄塊で形成されている。コンクリート遮蔽体７は、遮蔽体１のうち第２ビームライン２２側（すなわち中性子が真空容器２から出射する側）に位置する部分であり、コンクリート塊で形成されている。ビーム進行方向における鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の長さは、中性子の遮蔽効率を向上させる観点からは、コンクリート遮蔽体７の長さを鉄遮蔽体６よりも長くすることが好ましい。さらに、鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の長さの比を２：５〜３：４とすると、遮蔽効率を顕著に向上することができることを発明者等は知見している。なお、図１及び図２に示す例では、鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の長さの比は３：４となっている。

本実施の形態に係る遮蔽体１の内部には、ビーム進行方向に沿って複数の円柱状の空洞が配列されており、その各空洞には周囲と同じ材質（鉄又はコンクリート）で円柱状に形成された可動式鉄遮蔽体８又は可動式コンクリート遮蔽体９が回動可能に収納されている。すなわち、本実施の形態の遮蔽体１は、ビームの進行方向において複数に分割されている。

可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９には、その直径方向にビームの通過経路となる貫通孔８１，９１が設けられている。各貫通孔８１，９１は、第１ビームライン２１及び第２ビームライン２２と同じ高さに設けられており、その軸方向が第１ビームライン２１からのビーム進行方向に一致するように各可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９を回転させると、図１及び図２に示すように各貫通孔８１，９１が連通して遮蔽体１の内部に第３ビームライン２３が形成されるようになっている。各貫通孔の軸方向をこの状態に保持すると、真空容器２内におけるビームの通過経路が開放されるので、第１ビームライン２１からのビームを真空容器２（第３ビームライン２３）を介して第２ビームライン２２に導入することができる。

駆動装置１１は、遮蔽体１を駆動して真空容器２内におけるビームの通過経路を開放又は閉鎖するものであり、真空容器２内に設置されている。本実施の形態における駆動装置１１は、円柱状に形成された可動式鉄遮蔽体８又は可動式コンクリート遮蔽体９に対してその周方向に回転駆動力を与えるモータであり、真空容器２内において、各可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９に対して１つずつ取り付けられている。駆動装置１１を回転駆動させると、可動式鉄遮蔽体８又は可動式コンクリート遮蔽体９をその中心軸を中心に回転させることができるので、第３ビームライン２３を形成する貫通孔８１，９１の軸方向を個別に変更することができる。すなわち、これにより真空容器２内のビームの通過経路となる第３ビームライン２３の開放又は閉鎖を制御することができ、ビーム及び中性子の遮蔽を必要に応じて制御することができる。

ここで上記のように構成される中性子遮蔽装置において、真空容器２内のビームの通過経路（第３ビームライン２３）を開放又は閉鎖する際の動作について説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る中性子遮蔽装置についてのビームライン閉鎖中の断面図であり、図４はその平面図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。

上記のように構成される中性子遮蔽装置において、ビームの通過経路を開放したいときには、各駆動装置１１を用いて、各貫通孔８１，９１の軸方向がビーム進行方向に揃うように各可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９を回転させて、図１及び図２に示すように第３ビームライン２３を形成する。これにより第１ビームライン２１からのビームが中性子遮蔽装置を通過可能とすることができる。なお、このときの中性子遮蔽装置による中性子の遮蔽効果はビームの通過経路を閉鎖したときよりも低減することになるが、この場合には第２ビームライン２２の先にある部屋が主要な中性子発生源となって人の立ち入りが禁止されるので、中性子遮蔽装置で漏洩中性子を低減する必要は無い。

一方、ビームが通過しないときには、図３及び図４に示すように各貫通孔８１，９１の軸方向が第１ビームライン２１及び第２ビームライン２２の軸方向と直交するように、各可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９を図１及び図２の状態から９０度回転させて第３ビームライン２３を閉鎖する。これによりビームの通過経路が閉鎖されるので、漏洩中性子を低減することができる。

ここで本実施の形態によって発揮される効果の理解を容易にするために、従来技術において代表的な中性子遮蔽装置の構成及びその課題について説明する。図５は従来からの中性子遮蔽装置においてビームラインを閉鎖した際の断面図であり、図６は図５の中性子遮蔽装置においてビームラインを開放した際の断面図である。

これらの図に示す中性子遮蔽装置は、全て鉄で形成された可動式の遮蔽体１Ａを備えており、遮蔽体１Ａは駆動装置である２本の油圧シリンダ４によって下方から支持されている。遮蔽体１Ａは、油圧シリンダ４を伸縮させることで上下方向に移動可能となっており、遮蔽体１Ａを第１ビームライン２１及び第２ビームライン２２の延長線上に配置するとビームの通過経路を閉鎖することができる。一方、図６に示すように油圧シリンダ４を縮短させて図５の位置から遮蔽体１Ａを退避させると、ビームの通過経路を開放することができる。

しかし、鉄のみで形成した遮蔽体１Ａについては、５ＭｅＶ以下のエネルギーを有する中性子を遮蔽する能力が、これより大きいエネルギーを有する中性子を遮蔽する能力と比較して不十分であった。そのため、中性子遮蔽装置の周囲の遮蔽壁を厚くして中性子の漏洩を低減する必要があった。また、スペースの問題から遮蔽壁を厚くできない場合には、中性子遮蔽装置の先の部屋への人の立ち入りを禁止する等の措置を講じる必要が出てしまう。

また、鉄製の遮蔽体１Ａは非常に重いため、その駆動装置（油圧シリンダ４）は、必然的に大型なものになり、真空容器２の外部に設置されることとなる。そのため、油圧シリンダ４による駆動力を遮蔽体１Ａに伝達するために真空容器２に孔を設ける必要があり、さらには、その孔に真空容器２の真空を維持するためのシール部分５を設ける必要がある。しかし、シール部分５は、真空容器２への空気の侵入部分となるため、可能な限り省略することが好ましい。特に加速器施設のビームラインでは、真空容器２内にわずかなガスが侵入するだけでもビームが減衰して運転できなくなるため、シビアな真空管理が必要になる。また、シール部分５から空気が侵入した場合には、装置の運転・維持管理コストが増大してしまう等の課題もあった。

このような従来技術に対して、本実施の形態に係る中性子遮蔽装置の遮蔽体１は、第１ビームライン２１側は鉄塊で形成されており、第２ビームライン２２側はコンクリート塊で形成されている。

このように構成された遮蔽体１に対して第３ビームライン２３が閉鎖された図３及び図４の状態で中性子が導入された場合の効果について、発明者等はモンテカルロ計算コードを用いたシミュレーションにより、下記のような効果が得られることを知見した。すなわち、１００ＭｅＶ以上の高エネルギーを有する中性子がビーム通行方向から遮蔽体１に導入されると、まず、前段の鉄遮蔽体６（可動式鉄遮蔽体８）において、５ＭｅＶ以上のエネルギー（以下、高エネルギーと称することがある）の中性子が遮蔽されるとともに、その遮蔽された中性子の一部が５ＭｅＶ以下のエネルギー（以下、低エネルギーと称することがある）側にシフトされる。そして、このように低エネルギー側に偏ったエネルギー分布を有する中性子は、後段のコンクリート遮蔽体７（可動式コンクリート遮蔽体９）によって低エネルギー側が主に遮蔽されるので、最終的に低エネルギー側と高エネルギー側の両方を遮蔽することができる。すなわち、遮蔽体を鉄のみで形成した場合には、低エネルギー側の中性子を効果的に遮蔽することができなかったが、本実施の形態の遮蔽体１によれば、低エネルギー側と高エネルギー側の双方の中性子を効果的に遮蔽することができる。例えば、従来の遮蔽体１Ａと同一寸法の遮蔽体１を、ビーム通過方向における鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の長さの比を３：４として形成した場合には、遮蔽性能は従来と比較して約３倍に向上し、重量は約５分の３に低減させることができる。したがって、本実施の形態によれば、中性子遮蔽装置の周辺の遮蔽壁の厚みを薄くすることができ、荷電粒子ビームの利用施設の建設コストを軽減することができる。また、中性子遮蔽装置が軽量化するためその設置コストも軽減することができる。

なお、遮蔽体１において鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の配置を逆転させた場合には、下記の不具合があることを発明者等は知見している。すなわち、まず、前段のコンクリート遮蔽体に中性子が導入されると、低エネルギー側から高エネルギー側までの全エネルギーに渡る中性子が多少遮蔽される。そして、後段の鉄遮蔽体において、高エネルギー側の中性子だけが遮蔽されるとともに、その遮蔽された中性子の一部が低エネルギー側にシフトされるので、低エネルギー側に偏ったエネルギー分布を有したまま遮蔽体を通過してしまう。そのため、コンクリート遮蔽体７を先に通過させる配置では、低エネルギー側の中性子を効果的に遮蔽することができず、効率の良い遮蔽効果は得られないことを知見した。

ところで、本実施の形態に係る遮蔽体１の一部はコンクリートによって形成されているので、従来の鉄のみの遮蔽体１Ａよりも重量を大幅に低減することができる。例えば、従来の遮蔽体１Ａと同一性能の遮蔽体１を、ビーム通過方向における鉄遮蔽体６とコンクリート遮蔽体７の長さの比を３：４として形成した場合には、遮蔽体１の長さを従来のものの約半分にすることができ、重量を約１０分の３にすることができる。したがって、同一性能を有する中性子遮蔽装置の大きさを従来よりもコンパクト化できるので、設置場所に対する制約が緩和され、設計上の自由度を増大させることができる。

また、本実施の形態によれば、遮蔽体１を駆動するための駆動装置を従来よりも小型化することができるので、条件によっては駆動装置を真空容器２内に収納することができる。このように駆動装置を真空容器２内に収納できれば、中性子遮蔽装置の大きさ及び重量を低減することができ、シール部分が不要になるので維持管理コストも削減できる。また、遮蔽体１をビームの進行方向において複数に分割し、その分割後の各遮蔽体に対して駆動装置を取り付ければ、各駆動装置の駆動対象の更なる軽量化を図ることができる。これにより、各駆動装置の更なる小型化を促進することができるので、真空容器２内に駆動装置を収納する可能性を更に高めることができる。

この点に鑑み、本実施の形態においては、遮蔽体１のうち第３ビームライン２３を形成する可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９のみを駆動対象とし、さらに、その可動式鉄遮蔽体８及び可動式コンクリート遮蔽体９に駆動装置１１を介して回転駆動力を与えることで真空容器２内におけるビームの通過経路（第３ビームライン２３）の開放又は閉鎖を制御している。このように中性子遮蔽装置を構成すると、駆動装置１１の駆動対象の更なる軽量化とともに、駆動装置１１の更なる小型化を図ることができるので、中性子遮蔽装置の大きさの更なるコンパクト化を実現することができる。例えば、φ１０ｃｍ×高さ１０ｃｍの３つの可動式鉄遮蔽体８と、φ１０ｃｍ×高さ１０ｃｍの４つの可動式コンクリート遮蔽体９をビーム進行方向に配列して遮蔽体１を形成した場合には、個々の可動式遮蔽体８，９の重量は、鉄部分がそれぞれ約２５ｋｇ、コンクリート部分がそれぞれ約７ｋｇとなり、可動式遮蔽体８，９の合計重量を約１００ｋｇ程度に抑制することができる。

なお、上記の実施の形態における可動式遮蔽体８，９は、円筒状に形成したが、この他にも球等、遮蔽体１内部において回転可能な形状であれば代替可能である。

また、上記の実施の形態において、コンクリート遮蔽体７（可動式コンクリート遮蔽体９）としては、中性子の遮蔽性能を向上させる観点から、重量コンクリート等の比重の大きいものを利用することが好ましい。また、コンクリート遮蔽体７に代えて、コンクリート同様に水素元素を比較的多く含有する物質（例えば、ポリエチレン）を利用しても良い。

さらに、上記の実施の形態では、駆動装置１１の駆動対象の軽量化及び駆動装置１１の小型化を優先させるために、遮蔽体１の内部に第３ビームライン２３を設けるとともに、その第３ビームライン２３を形成する可動式遮蔽体８，９のみを回転駆動してビーム通路の開放・閉鎖を制御した。しかし、これに限らず、図５及び図６に示した従来技術のように、その内部にビームラインを持たない遮蔽体１を油圧シリンダ等の駆動装置を利用して第１ビームライン２１及び第２ビームライン２２に対して移動させことで、ビーム通路の開放・閉鎖を行うように構成しても良い。また、上記の実施の形態ように鉄とコンクリートによって形成した遮蔽体に貫通孔を設けることで第３ビームライン２３を形成し、油圧シリンダ等の駆動装置で遮蔽体１を移動させて第１ビームライン２１及び第２ビームライン２２に対する第３ビームライン２３の位置を移動させることでビーム通路の開放・閉鎖を行うように構成しても良い。

１ 遮蔽体
１Ａ 遮蔽体（従来技術）
２ 真空容器
４ 油圧シリンダ
５ シール部分
６ 鉄遮蔽体
７ コンクリート遮蔽体
８ 可動式鉄遮蔽体
９ 可動式コンクリート遮蔽体
１１ 駆動装置
２１ 第１ビームライン
２２ 第２ビームライン
２３ 第３ビームライン
８１ 貫通孔（可動式鉄遮蔽体）
９１ 貫通孔（可動式コンクリート遮蔽体）

Claims (5)

1. 真空容器と、
   この真空容器内に荷電粒子ビームを導入する第１ビームラインと、
   第１ビームラインを介して導入された荷電粒子ビームを前記真空容器外に導く第２ビームラインと、
   前記真空容器内に設置された遮蔽体と、
   この遮蔽体を駆動して前記真空容器内における荷電粒子ビームの通過経路を開放又は閉鎖する駆動装置とを備え、
   前記遮蔽体の前記第１ビームライン側は鉄塊で形成されており、
   前記遮蔽体の前記第２ビームライン側はコンクリート塊で形成されていることを特徴とする中性子遮蔽装置。
2. 請求項１に記載の中性子遮蔽装置において、
   前記駆動装置は、前記真空容器内に設置されていることを特徴とする中性子遮蔽装置。
3. 請求項１に記載の中性子遮蔽装置において、
   前記遮蔽体は、荷電粒子ビームの進行方向において複数に分割されており、そのそれぞれが前記駆動装置に駆動されることを特徴とする中性子遮蔽装置。
4. 請求項１に記載の中性子遮蔽装置において、
   前記遮蔽体は、前記第１ビームラインからの荷電粒子ビームが通過可能な第３ビームラインを内部に有しており、
   前記第３ビームラインは、荷電粒子ビームを通過させるときに、前記駆動装置によって第１ビームライン及び第２ビームラインと一直線上に配置されることを特徴とする中性子遮蔽装置。
5. 請求項１に記載の中性子遮蔽装置において、
   前記遮蔽体は、その内部において、荷電粒子ビームの進行方向に配列された複数の可動式遮蔽体を備えており、
   前記可動式遮蔽体には、それぞれ、前記第１ビームラインからの荷電粒子ビームの通過経路となる第３ビームラインを形成する貫通孔が設けられており、
   前記駆動装置は、前記可動式遮蔽体を回転駆動することで、前記真空容器内における荷電粒子ビームの通過経路を開放又は閉鎖することを特徴とする中性子遮蔽装置。

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