JP2014044098A - 荷電粒子照射ターゲット冷却装置、荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流を用いることができる荷電粒子照射ターゲット冷却装置、荷電粒子ビーム照射システム、荷電粒子照射ターゲット冷却方法、荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法を提供する。
【解決手段】荷電粒子ビームＢの照射を表面で受けるターゲット５０の裏面側に設けられて前記ターゲット５０を冷却する荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０に、前記ターゲット５０の裏面側で冷媒Ｗの通過を許容して前記冷媒Ｗにより前記ターゲット５０を冷却する冷却部６０と、前記冷却部６０に前記冷媒Ｗを流入させる複数の冷媒流入路７２と、前記冷却部６０から前記冷媒Ｗを流出させる冷媒流出路７４とを備え、前記冷却部６０は、前記複数の冷媒流入路７２から流入する各冷媒Ｗを合流させて前記ターゲット５０を冷却し合流した前記冷媒Ｗを前記冷媒流出路７４から流出させる合流冷却空間６２を備えた。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば荷電粒子ビームが照射されるターゲットを冷却する荷電粒子照射ターゲット冷却装置、荷電粒子ビーム照射システム、荷電粒子照射ターゲット冷却方法、荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法に関する。

従来、イオン源より荷電粒子を生成して加速器で加速し、この加速により得られた荷電粒子ビームをターゲットに照射する荷電粒子照射システムが利用されている。この荷電粒子照射システムは、ＰＥＴ薬剤を製造するためのＲＩ（放射性同位元素）の製造に用いられる、あるいは電子線滅菌に用いられるなど、さまざまな目的に用いられている。

このような荷電粒子照射システムでは、ターゲットに荷電粒子ビームを照射することによってターゲットが温度上昇するため、この温度上昇を抑えるべく冷却機構を備えることが望ましい。

このような冷却機構として、例えば、金属ターゲットの裏面側に、複数の冷却水流路を有する冷却装置を備えた加速器中性子源が提案されている（特許文献１参照）。この加速器中性子源によると、固体ターゲットの陽子線入射窓の耐圧性能を向上することができるので、陽子線入射窓を薄肉構造とすることができ、大出力ターゲットでも十分な冷却が可能な中性子源固体ターゲットを容易に提供することができるとされている。

また、ターゲットに対して陽子線の照射側とは反対側に位置するターゲットの冷却板とターゲットの照射方向への変形を抑制する固定部を備えたターゲット装置が提案されている（特許文献２参照）。このターゲット装置の冷却板には、ターゲットに接する一方の端面側に冷却水が通過する複数の螺旋溝が形成されている。そして、ターゲットは、冷却板のすべての螺旋溝を実質的に塞ぐように配置され、ターゲットに接するように冷却水の流路が形成される。これにより、ターゲットを冷却水によって直接冷却できるようになり、ターゲットの排熱効率を向上できるとされている。

しかし、これらの先行技術文献には、まだ課題が残っていた。すなわち、冷却水の層が厚いためにターゲットで生成された中性子の量の減少が起こるという問題点があった。また、大電流を用いるｍＡオーダー加速器のターゲット冷却に対して十分な冷却機能とは言えず、冷却水等の冷媒の沸騰により生じる気泡を抑制することができなかった。

特開２００６−１９６３５３号公報 特開２０１１−１８５７８４号公報

この発明は、上述した問題に鑑み、大電流を用いることができる荷電粒子照射ターゲット冷却装置、荷電粒子ビーム照射システム、荷電粒子照射ターゲット冷却方法、荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法を提供することを目的とする。

この発明は、荷電粒子ビームの照射を表面で受ける荷電粒子照射ターゲットの裏面側に設けられて前記荷電粒子照射ターゲットを冷却する荷電粒子照射ターゲット冷却装置であって、前記荷電粒子照射ターゲットの裏面側で冷媒の通過を許容して前記冷媒により前記荷電粒子照射ターゲットを冷却する冷却部と、前記冷却部に前記冷媒を流入させる複数の冷媒流入路と、前記冷却部から前記冷媒を流出させる冷媒流出路とを備え、前記冷却部は、前記複数の冷媒流入路から流入する各冷媒を合流させて前記荷電粒子照射ターゲットを冷却し合流した前記冷媒を前記冷媒流出路から流出させる合流冷却空間を備えた荷電粒子照射ターゲット冷却装置、または、これを用いた荷電粒子ビーム照射システム、荷電粒子照射ターゲット冷却方法、あるいは、これらに用いられる荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法を提供することができる。

この発明により、大電流を用いることができる荷電粒子照射ターゲット冷却装置、荷電粒子ビーム照射システム、荷電粒子照射ターゲット冷却方法、荷電粒子照射ターゲット、および中性子発生方法を提供することができる。

荷電粒子ビーム照射システムの構成を説明する説明図。 荷電粒子照射ターゲット冷却装置の構成を示す説明図。 荷電粒子照射ターゲット冷却装置による除熱効果の説明図。 他の実施例の荷電粒子照射ターゲット冷却装置の構成を示す説明図。 実施例４のターゲットの各層の組成比を説明する説明図。

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。

図１は、荷電粒子ビーム照射システム１の構成を説明する説明図であり、図１（Ａ）は、荷電粒子ビーム照射システム１の全体の概略構成を示す構成図であり、 図１（Ｂ）は、照射確認部４０の構成を示す一部断面正面図である。

図１（Ａ）に示すように、荷電粒子ビーム照射システム１は、荷電粒子発生装置２（荷電粒子発生部）、加速器３、及び荷電粒子ビーム照射部４（照射部）により構成されている。
荷電粒子発生装置２は、荷電粒子を発生させる装置であり、所望のイオン種を発生させるイオン源等、適宜の装置で構成することができる。この荷電粒子発生装置２が発生させる荷電粒子は、電子、陽子、
重陽子、中性子、アルファ粒子、または重イオンなど、目的に応じて適宜のものとすることができる。

加速器３は、荷電粒子を加速する装置であり、サイクロトロンまたはシンクロトロンなど、適宜の装置で構成することができる。なお、加速器３は、図示では円形加速器としているが、これに限らず線形加速器とする、あるいは線形加速器と円形加速器の両方とするなど、適宜の構成とすることができる。

荷電粒子ビーム照射部４は、荷電粒子をターゲットに照射する出口部分の装置であり、照射確認部４０が設けられている。

この荷電粒子ビーム照射システム１は、例えば、ＰＥＴ薬剤の製造に用いるＲＩ（放射性同位元素）を製造するＲＩ製造システムとすることができる。この場合、荷電粒子発生装置をイオン源として重イオン（陽子イオン）を発生させ、加速器３をサイクロトロンとし、ターゲットをリチウムとするとよい。これにより、重イオンを加速しターゲットに照射して中性子を発生させ、この中性子を試料に照射してＲＩを生成することができる。このＲＩとＰＥＴ薬剤の原料をＰＥＴ薬剤合成装置（図示省略）で標識化反応させることで、ＦＤＧ等のＰＥＴ薬剤を製造できる。
また、荷電粒子ビーム照射システム１は、ＢＮＣＴシステム（中性子捕捉療法システム）における中性子源とすることもできる。この場合、荷電粒子発生装置２を陽子を生成するイオン源とし、加速器３をサイクロトロンとし、ターゲットをベリリウムまたはリチウムとするとよい。これにより、陽子を加速してターゲットに照射し、中性子を発生させることができる。この中性子により、予めホウ素薬剤を患者に投与しておき、がん細胞に選択的にとりこまれたホウ素に対して中性子ビームを照射してがん細胞を破壊するＢＮＣＴ療法を実施できる。

図１（Ｂ）に示すように、照射確認部４０は、筐体４１と、固定具４８と、ターゲット５０と、冷却部６０とを有している。ターゲット５０のターゲット支持板５２と冷却部６０により荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０が構成される。

筐体４１は、円筒形の導管基部４１ａと、この導管基部４１ａより荷電粒子照射方向後段（図１（Ｂ）の下部）にある円形の照射端部４１ｄと、この照射端部４１ｄから導管基部４１ａ側に設けられた第１のモニタ用導管４１ｂおよび第２のモニタ用導管４１ｆとで構成されている。この筐体４１の内部は、荷電粒子ビームＢの輸送を妨げないように真空である。

筐体４１の基部側は、荷電粒子ビーム照射部４（図１（Ａ）参照）にフランジ４ａにより隙間なく接続されている。この導管基部４１ａの内部で、照射部４から輸送されてきた荷電粒子ビームＢがターゲット５０に向かって直進する。

第１のモニタ用導管４１ｂおよび第２のモニタ用導管４１ｆは、いずれも荷電粒子ビームＢの進行方向２１に対して４５°の角度に配置された円筒形の部材であり、左右対称に配置されている。この第１のモニタ用導管４１ｂおよび第２のモニタ用導管４１ｆは対称配置された同一形状であるため、以下、第１のモニタ用導管４１ｂを中心に、第２のモニタ用導管４１ｆについて符号を括弧内に示して説明する。

モニタ用導管４１ｂ（４１ｆ）の導管基部４１ａ側および照射端部４１ｄ側は、導管基部４１ａに隙間なく接続されている。モニタ用導管４１ｂ（４１ｆ）の他端側となる開口部４１ｃ（４１ｇ）は、導管基部４１ａおよび照射端部４１ｄより外側で導管基部４１ａより照射部４側に位置し、窓板４３（４４）で密閉されている。窓板４３（４４）は、開口部４１ｃ（４１ｇ）を完全に覆う大きさに形成されている。

第１カメラ３１（第２カメラ３３）は、窓板４３（４４）を通じてビーム照射領域４９を撮影するように配置される。
第１カメラ３１を例えばＣＣＤカメラとする場合、窓板４３は、透明ガラス等の可視光を透過させる素材で形成された板状の可視光透過板にすると良い。
第２カメラ３３を赤外線カメラとする場合、窓板４４は、フッ化バリウム（ＢａＦ２）のガラスまたはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）のガラス等、赤外線を透過させる素材（赤外線透過部材）で形成された板状の赤外線透過板にするとよい。
この第１カメラ３１と第２カメラ３３により、ビーム照射領域４９を２種類の方法でモニタすることができる。

照射端部４１ｄは、導管基部４１ａよりも半径が大きい円形に形成されている。この照射端部４１ｄの先端に、リング形状の固定具４８が固定され、この固定具４８にターゲット５０が設置される。
固定具４８は、外周の大きさがターゲット５０と同じサイズのリング形状の部材であり、リング内側がビーム照射領域４９となっている。このビーム照射領域４０内の中心付近に荷電粒子ビームＢが照射される。

ターゲット５０は、荷電粒子ビームＢを照射するターゲットであり、略円盤型のターゲット支持板５２と、ターゲット支持板５２の上面に設けられたターゲット膜５１とで構成されている。
ターゲット膜５１は、ターゲット支持板５２の外周と同じ大きさの円盤上の膜であり、例えばリチウムを０．１ｍｍに成膜して形成することができる。
ターゲット支持板５２は、全体が円盤状で、底面（荷電粒子ビームＢの照射側となる表面の裏面）に複数の冷却凸部５３が設けられている。この冷却凸部５３は、合流冷却空間６２の高さと同じ高さの支柱状であり、円柱、または多角柱（三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等）等、適宜の形状に形成することができる。冷却凸部５３は、ターゲット支持板５２と一体形成されてもよく、溶接等により熱伝導可能に接続して形成されてもよい。冷却凸部５３は、この実施例では円柱に形成されている。また、冷却凸部５３は、荷電粒子ビームＢの照射方向から見てビーム照射領域４９の範囲全体に渡って配置されている。

このターゲット５０は、目的に応じて適宜の素材で構成される。ＲＩ製造を行う場合であれば、例えば、ターゲット支持板５２を銅製とし、このターゲット支持板５２の表面にリチウム性のターゲット膜５１を成膜すると良い。このように、ターゲット膜５１を目的に沿った物質とし、ターゲット支持板５２を熱伝導の良い物質とすることで、冷却機能を高めることができる。
このターゲット５０の中心付近に荷電粒子ビームＢが照射されてビームスポット（荷電粒子ビーム照射部位）となる。

冷却部６０は、ターゲット支持板５２より少し小さくビーム照射領域４９より十分大きい大きさの略円盤形状のバッキングである。冷却部６０の表面（荷電粒子ビームＢの照射側）に円形の凹部６１が形成されている。この冷却部６０は、表面（荷電粒子ビームＢの照射側）がターゲット支持板５２の裏面（荷電粒子ビームＢの照射側の反対側）に隙間なく接続され、凹部６１内にターゲット５０の冷却凸部５３が収容される。

図２（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ方向から見たターゲット５０及び冷却部６０の横断平面図であり、図２（Ｂ）は、ターゲット５０及び冷却部６０を分離した状態を縦断して示す縦断分解斜視図である。

冷却部６０の凹部６１は、荷電粒子ビームＢの照射方向から見てビーム照射領域４９よりも大きい円形で底の浅い円盤形状に形成され、この凹部６１の内側が円盤形状の合流冷却空間６２となっている。凹部６１および合流冷却空間６２の厚みは、冷却時に冷媒Ｗが流れる層の厚みとなる。この厚みは、ターゲット５０（若しくはターゲット支持板５２）の板状部分（冷却凸部５３を除く部分）の厚みと同程度かそれより薄く構成されている。この厚みは、１０ｍｍ以下が好ましく、７ｍｍ〜３ｍｍがより好ましく、６ｍｍ〜４ミリがさらに好ましく、５ｍｍ程度が好適である。

冷却部６０の凹部６１の底面（荷電粒子ビームＢの照射側の反対側）には、凹部６１の円周付近に、荷電粒子ビームＢの照射方向へ凹となる複数の有底の縦穴６３が形成されている。この縦穴６３は、縦断面がターゲット５０の冷却凸部５３より大きい円筒形である。この実施例では凹部６１の側壁付近に６つの縦穴６３が等間隔で配置されている。

冷却部６０には、複数の横穴６４が縦穴６３と同数設けられている。この横穴６４は、荷電粒子ビームＢの照射方向に見て凹部６１を中心とする放射状に配置されている。また、この横穴６４は、図１（Ｂ）に縦断して示したように、凹部６１よりも荷電粒子ビームＢから遠い位置に配置されている。この横穴６４の凹部６１側の端部は、縦穴６３に接続されて連通している。

横穴６４のうち、隣り合う半数が冷媒流入パイプ７１に接続され、残りの半数が冷媒流出パイプ７３に接続されている。すなわち、図２（Ａ）の例では、図示右側の３つの横穴６４が冷媒流入パイプ７１に接続され、図示左側の３つの横穴６４が冷媒流出パイプ７３に接続されている。この冷媒流入パイプ７１から横穴６４および縦穴６３と続く通路が冷媒流入路７２となり、縦穴６３から横穴６４および冷媒流出パイプ７３と続く通路が冷媒流出路７４（図１（Ｂ）参照）となる。

なお、冷媒流入パイプ７１は、図示省略する冷媒供給装置に接続されており、冷媒流出パイプ７３は、図示省略する冷媒回収装置に接続されている。冷媒供給装置は、大きさ及び形状が同じである複数の冷媒流入路７２から同量の冷媒Ｗを同速度で凹部６１および合流冷却空間６２内に流入させる。冷媒供給装置が供給する冷媒Ｗは、例えば水とするなど、冷却機能を発揮できる液体で構成される。凹部６１および合流冷却空間６２を流れる冷媒Ｗの流量は、１００（リットル／分）以下が好ましく、７０（リットル／分）〜３０（リットル／分）がより好ましく、５０（リットル／分）程度が好適である。

ターゲット５０の冷却凸部５３は、同じ大きさのものが複数等間隔に配置され、凹部６１内を埋め尽くしている。図２（Ａ）に示す例では、６１個の冷却凸部５３が蜂の巣状に前後左右に配置されている。

この冷却凸部５３の直径（多角形の場合は対角線の長さ）は、隣り合う冷却凸部５３の最短配置間隔（冷却凸部５３の中心から中心の距離）に対して、３分の２以下で４分の１以上とすることが好ましく、半分以下でかつ３分の１以上とすることがさらに好ましい。

また、冷却凸部５３の直径（多角形の場合は対角線の長さ）は、５ｍｍ以下とすることが好ましく、４ｍｍ以下とすることがより好ましく、３ｍｍ以下とすることがさらに好ましく、２．５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。この実施例１では、冷却凸部５３の直径を２．５ｍｍとし、６１個の冷却凸部５３を互いの中心間距離が７ｍｍとなるように蜂の巣状に配置している。

この構成により、冷媒流入路７２から流入する冷媒Ｗは、横穴６４で荷電粒子ビーム照射方向と交差する方向へ進み、縦穴６３で荷電粒子ビームと逆方向へ進んで合流冷却空間６２に流入する。合流冷却空間６２内は、この冷媒Ｗが隙間なく充填され、気泡が生じない状態となる。そして、冷媒Ｗは、合流冷却空間６２内で、荷電粒子ビームと交差する方向へ進み、冷媒流出路７４へ排出される。冷媒流出路７４において、冷媒Ｗは、まず荷電粒子ビームと同じ方向へ縦穴６３内を進み、次いで荷電粒子ビームと交差する方向へ横穴６４を進む。

このように流れる冷媒Ｗにより、荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０は、ターゲット５０（ターゲット膜５１）を効率良く冷却することができる。

図３は、除熱効果（排熱効果）の説明図である。図３（Ａ）は、この実施例での除熱効果を従来例と比較して説明するグラフであり、図３（Ｂ）は、冷媒Ｗの流量と除熱の関係を示すグラフであり、図３（Ｃ）は、冷却凸部５３の大きさと除熱量（排熱量）を示すグラフである。

図３（Ａ）は、赤外線カメラで測定したグラフであり、縦軸がターゲット５０の温度（℃）、横軸が荷電粒子ビームのビーム電流（μＡ）を示す。図中のグラフＧ１は平行流を用いる従来例（例えば特開２０１１−１８５７８４号公報）の測定結果であり、グラフＧ２は本実施例の測定結果である。

図示するように、本のグラフＧ２は、ビーム電流が比較的弱い時点でも従来例のグラフＧ１に比べて、除熱効果が高く、ビーム電流を強くしていくことによる温度上昇率も低い。このグラフの結果では、本実施例は従来例に対して約２倍の除熱機能を有している。

また、従来例は、グラフＧ１に示すように、ビーム電流が３００μＡ程度になると限界温度Ｔになってしまう。これに対し、本実施例は、ビーム電流が４００μＡでも限界温度Ｔ（１５０℃）よりも十分に低い１０５℃程度である。従って、従来では十分な除熱ができなかった強いビーム電流でも十分除熱することができる。

図３（Ｂ）は、直径１６０ｍｍで熱力５０ｋＷの荷電粒子ビームを照射した場合の冷媒Ｗの流量と除熱効果を示し、縦軸が除熱量（ｋＷ）、横軸が冷媒Ｗの流量（リットル／分）を示す。グラフＧ３とグラフＧ４は、それぞれ、合流冷却空間６２における冷媒Ｗの流れる層の厚さ（すなわち凹部６１の深さ）を５ｍｍとした場合と２．５ｍｍとした場合の測定結果である。図示するように、同じ冷媒Ｗの流量では、層の厚さを５ｍｍとする方が高い除熱効果を有し、層の厚さを２．５ｍｍとすると、厚さ５ｍｍと同じ除熱効果を得るために冷媒Ｗの流量を大きく増加させる必要があることがわかる。

図３（Ｃ）は、冷却凸部５３の直径と除熱効果の関係を示し、縦軸が除熱量（ｋＷ）、横軸が冷却凸部５３の直径（ｍｍ）を示す。なお、冷却凸部５３の個数は、直径が短くなるものほど数多く、直径が長くなるものほど数少なく配置して測定している。図示するように、冷却凸部５３の直径（ｍｍ）を短くした方が、除熱効果が高いことがわかる。

以上に説明した本実施例により、従来に比べて薄い水の量で非常に高い冷却機能を有し、大電流を用いることができる荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０を提供できる。
すなわち、荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０の冷却部分を冷却凸部５３によるピン構造とすることで、冷却能力を低下させずに、冷却水の厚さを減らすことができる。このようにして、冷媒Ｗの流れる空間となる合流冷却空間６２の厚み（凹部６１の深さ）が薄く（浅く）構成されているため、荷電粒子ビームＢの照射によって気泡が発生することを防止できる。これにより、気泡ができて瞬間的かつ連鎖的に冷却能が下がって蒸発が起き、リチウムの蒸発が起こって加速器構造材の腐食を誘発することを防止できる。

また、同じく冷媒Ｗの流れる空間となる合流冷却空間６２の厚み（凹部６１の深さ）が薄く（浅く）構成されているため、冷媒Ｗの層が厚い場合に生じる中性子の発生量の減少という問題も解消することができる。

また、１つの合流冷却空間６２に対して複数の冷媒流入路７２から冷媒Ｗを流入させるため、気泡を発生させないようにすることができる。これにより、上記気泡が発生することによる問題を防止できる。

また、冷媒流入路７２から合流冷却空間６２に流れ込む冷媒Ｗの流入方向は、合流冷却空間６２内で冷媒Ｗが流れる方向と交差している。このため、合流冷却空間６２内を冷媒Ｗで隙間なく充填することを的確に実行でき、合流冷却空間６２内に冷媒Ｗの存在しない隙間が空いたままとなる状態を防止できる。これにより、上記気泡が発生することによる問題を防止できる。すなわち、冷媒流入路７２から合流冷却空間６２に流れ込む冷媒Ｗの流入方向が合流冷却空間６２内で冷媒Ｗが流れる方向と同じであると、冷媒Ｗの流れる方向の側部に冷媒Ｗの流れない隙間が発生し得るが、本実施例により、このようなことを防止できる。

また、複数の冷却凸部５３の間を冷媒Ｗが乱流となって通過する構造であるため、冷却凸部５３に対する冷媒Ｗの接触面積を高めることができる。これにより、除熱効果を高めることができる。

以上に説明したように、除熱効果を高めるためには冷媒Ｗが流れる層を厚くする方が好ましいが、層を厚くすると中性子の発生量が減少するという相反する課題に対して、本発明は、十分な冷却機能と中性子の発生量の維持を両立することができる。これにより、ｍＡオーダーの大電流を用いた荷電粒子ビームの照射であっても、リチウムの蒸発による部材の腐食等を発生させず、十分な量の中性子を発生させることができる安定した冷却を実施できる。従って、中性子の量の減少を抑制でき、かつ、冷却機能の高い荷電粒子照射ターゲット冷却装置７０を提供することができる。

図４（Ａ）は、実施例２のターゲット５０及び冷却部６０の横断平面図を示す。この実施例２では、直径５ｍｍの円筒形の冷却凸部５３が１６個配置されている。この冷却凸部５３は、中心部分の図示上下方向に、冷却凸部５３の中心距離が１０ｍｍ間隔となるよう一直線に６個整列配置されており、その左右に１７ｍｍずつ間隔をあけて、図示上下方向に５個の冷却凸部５３が一直線に配置されている。この５個の冷却凸部５３の中心距離は１０ｍｍ間隔である。
その他の構成は、実施例１と同一であるため、その詳細な説明を省略する。
以上の実施例２でも、実施例１と同様の効果を奏することができる。

図４（Ｂ）は、実施例３のターゲット５０及び冷却部６０の横断平面図を示す。この実施例３では、直径３ｍｍの円筒形の冷却凸部５３が５５個配置されている。この冷却凸部５３は、隣り合う冷却凸部５３の中心距離が８ｍｍ間隔となるように蜂の巣状に配置されている。
その他の構成は、実施例１と同一であるため、その詳細な説明を省略する。
以上の実施例３でも、実施例１と同様の効果を奏することができる。

次に、上記実施例１〜３に用いたターゲット膜５１の改良について説明する。
従来、荷電粒子照射システムは、中性子を発生させるために、荷電粒子ビームとして陽子ビームが用いられ、リチウム等の中性子を発生する物質がターゲットに用いられる。

ここで、リチウムのターゲットは、陽子ビームの照射によってリチウムが溶解し飛散すると、大気の水分との化学反応により強アルカリの水酸化リチウムに変化して、周囲の部品を腐食及び損傷させるという課題がある。

このような不要な放射能の発生を抑制できるものとして、中性子発生用ターゲット装置及び中性子発生装置が提案されている（特開２００９−４７４３２公報）。この装置は、ターゲットにおけるリチウム薄膜のビーム入射面側をベリリウム薄膜で覆ったものである。特許文献１によると、この装置は、不要な放射線の発生を抑制でき、遮蔽のための構造を小さくできるとされている。

しかし、このようにリチウムをベリリウム薄膜で覆った装置は、陽子ビームの照射を繰り返すうちにリチウム内にイオンが溜まり、ブリスタリング現象によってリチウム薄膜が破れるという問題があった。従って、このような装置は、長期間使用するとリチウムの溶解及び飛散による上述の課題が生じるものであった。このため、このような装置は、ターゲットが短命であり、ターゲットを消耗品として絶えず交換して利用する必要があった。特に、この問題は、大電流を用いると顕著に表れるものであった。

この実施例４は、上述した問題に鑑み、リチウム等の中性子発生物質の飛散による周囲部品の腐食や破壊を防止でき、大電流を用いることもできる荷電粒子照射ターゲット、荷電粒子ビーム照射システム、および中性子発生方法を提供することを目的とする。

以下、図５と共に、この実施例４について説明する。なお、傾斜機能膜５１以外の構成については、実施例１〜３の荷電粒子ビーム照射システム１と同一であるため、同一要素に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図５（Ａ）は、ターゲット５０の拡大断面図である。ターゲット５０は、円盤形状のバッキング５６の片面に傾斜機能膜５１が設けられて構成されている。傾斜機能膜５１は、バッキング５６と同じ大きさの円盤形状に構成されているが、少なくとも荷電粒子ビームＢが照射され得るビーム照射領域４９（図１（Ｂ）参照）より大きい面積であればよい。

バッキング５６は、熱伝導の良い金属材で構成することができ、この実施例では銅により構成されている。
傾斜機能膜５１は、荷電粒子ビームＢの入射面側から、保護層５１ａ、傾斜機能層５１ｂ、およびターゲット層５１ｃがこの順に並んで配置されている。

保護層５１ａは、放射化に問題のない物質（保護物質）で形成され、例えば、クロム、窒化クロム等の窒化物、または酸化物被膜等で構成されることができる。この実施例では、窒化クロムを用いている。

ターゲット層５１ｃは、目的物質を発生させる物質（ターゲット物質）で構成され、中性子を発生させることを目的として中性子発生物質で構成することができる。具体的には、ターゲット層５１ｃは、リチウム、または、チタンあるいはパラジウム等の水素貯蔵合金等で構成することができ、この実施例ではリチウムを用いる。このターゲット層５１ｃは、例えば１０μｍ〜１ｍｍ程度の厚さとすることができるが、これに限らない。

傾斜機能層５１ｂは、ターゲット層５１ｃを構成するターゲット物質と、保護層５１ａを構成する保護物質が混合されており、膜厚方向にその組成比が傾斜している層である。傾斜機能層５１ｂにおけるターゲット物質と保護物質の組成比（ターゲット物質：保護物質）は、ターゲット層５１ｃ側の１００：０から保護層５１ａ側の０：１００まで連続的あるいは段階的に一方向に変化している。この傾斜機能層５１ｂは、１μｍ〜３０μｍ程度とすることができるが、これに限らない。

図５（Ｂ）は、傾斜機能膜５１の膜厚と組成比を示すグラフである。
図示するように、膜厚０％からしばらくはターゲット物質が１００％のターゲット層５１ｃとなっている。そして、途中から保護物質が徐々に混合されて保護物質の組成比が連続的または段階的に増えていく。このターゲット物質と保護物質の組成比が変化する部分が傾斜機能層５１ｂとなる。さらに厚くなると、保護物質が１００％の保護層５１ａとなる。

この傾斜機能膜５１は、真空蒸着、気相生成膜、スパッタリング、イオンプレーティング、あるいはＣＶＤなど、熱的・機械的物性が異なる金属の膜を交互にコーティングして成膜時の組成比を層毎に変化させることができる適宜の方法で作成することができ、単独の方法を用いる、あるいは複数の方法を合わせて用いることができる。これらの方法により、ピンホールフリーの多層積層膜を成膜することが望ましい。

また、傾斜機能膜５１は、単独で作成してバッキング５６上に積層させても良いが、バッキング５６上に直接成膜して製造することが好ましい。これにより、ターゲット層５１ｃを構成するターゲット物質が大気中で化学反応することを防止できる。特に、大気中で容易に参加するリチウム等のように、化学反応しやすい物質であっても、このような大気中の化学反応を防止して取扱いを容易にすることができる。

以上の構成により、ターゲット物質が大気に触れることを防止でき、リチウム等の中性子発生物質の飛散による周囲部品の腐食や絶縁破壊を防止できるターゲット５０を提供することができる。これにより、大電流を用いることができる荷電粒子ビーム照射システム１を提供することができる。

実際に、ターゲット５０に対して５００μＡのビーム電流で６時間の荷電粒子ビームＢを照射したところ、照射前後でターゲット５０に全く変化が見られなかった。従来存在していたリチウムを支持板に蒸着あるいは圧延したものを張り付けたターゲットであれば、同じ照射を行うとターゲット５０の劣化が確認できる。従って、このように全く変化が無いターゲット５０は、耐用期間が従来に比較して格別に長く、運用コストや消耗品としての交換コストを考えると非常に安価に利用することができる。

また、耐用期間が非常に長いため、バッキング５６に傾斜機能膜５１を直接成膜してターゲット５０単位で販売しても、従来のようにバッキング５６ごと消耗品として頻繁に交換してコスト増となることを防止できる。すなわち、一度取り付けると長期間交換する必要がないため、バッキング５６上に傾斜機能膜５１を直接成膜してターゲット５０単位で販売しても大幅なコスト減であり、かつ、これによってターゲット物質が大気に触れることを防止でき取扱を容易にすることができる。

また、傾斜機能膜５１により、ターゲット層５１ｃを構成するターゲット物質と、保護層５１ａを構成する保護物質の密着強度を高めることができ、荷電粒子ビームＢの照射による破損を防止することができる。

また、傾斜機能膜５１により、ターゲット層５１ｃを厚くすることができ、望ましい暑さのターゲット層５１ｃを有するターゲット５０を提供することができる。
また、傾斜機能膜５１の密度を容易に上げることができ、熱伝導も良くすることができる。

また、イオンがリチウム内に留まってリチウム膜を破るブリスタリングが起こることを防止できる。
また、従来のようにリチウムが入射イオン（荷電粒子ビームＢ）にたたき落とされて欠落しやすいという問題や、強アルカリ化する問題を解消することができる。
また、化学的に猛毒かつ強い放射能のベリリウム７（^７Ｂｅ）が中性子発生時に随伴して発生しても傾斜機能膜５１内に閉じ込めておくことができ、このベリリウム７がβ崩壊によってリチウム７に戻ることで再びターゲット物質として利用することができる。

すなわち、ターゲット５０に荷電粒子ビームＢを照射すると、リチウム７（^７Ｌｉ）に陽子（ｐ）が衝突することによってＬｉ（ｐ，ｎ）反応が起こる。この反応によってリチウム７（^７Ｌｉ）がベリリウム７（^７Ｂｅ）に変換される過程で中性子（ｎ）が発生する（^７Ｌｉ＋ｐ→^７Ｂｅ＋ｎ）。ベリリウム７の半減期は約２ヶ月であり、β崩壊によりリチウム７に戻る。このため、Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応によってできたベリリウム７はリチウム７に戻り、再びＬｉ（ｐ，ｎ）反応に利用される。

特に、傾斜機能膜５１は、荷電粒子ビームＢの照射によって損傷せず、交換せずに使用し続けることができる。このため、ターゲット物質として利用したリチウム７がベリリウム７に変換された後にリチウム７に戻ってくることから、半永久的に使用できるターゲット５０を提供できる。

この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
例えば、冷媒流入路７２と冷媒流出路７４は、それぞれ３か所としたが、これに限らず他の数の複数箇所とすることもできる。

この発明は、ＰＥＴ用ＲＩ製造ライン、中性子発生システム、加速器実験、材料照射、電子線滅菌など、荷電粒子ビームをターゲットに照射する様々な用途に用いることができる。

１…荷電粒子ビーム照射システム
２…荷電粒子発生装置
３…加速器
４…荷電粒子ビーム照射部
５０…ターゲット
５１…傾斜機能膜
５１ａ…保護層
５１ｂ…傾斜機能層
５１ｃ…ターゲット層
５３…冷却凸部
６１…凹部
６２…合流冷却空間
７０…荷電粒子照射ターゲット冷却装置
７２…冷媒流入路
７４…冷媒流出路
Ｂ…荷電粒子ビーム
Ｗ…冷媒

Claims (12)

1. 荷電粒子ビームの照射を表面で受ける荷電粒子照射ターゲットの裏面側に設けられて前記荷電粒子照射ターゲットを冷却する荷電粒子照射ターゲット冷却装置であって、
   前記荷電粒子照射ターゲットの裏面側で冷媒の通過を許容して前記冷媒により前記荷電粒子照射ターゲットを冷却する冷却部と、
   前記冷却部に前記冷媒を流入させる複数の冷媒流入路と、
   前記冷却部から前記冷媒を流出させる冷媒流出路とを備え、
   前記冷却部は、前記複数の冷媒流入路から流入する各冷媒を合流させて前記荷電粒子照射ターゲットを冷却し合流した前記冷媒を前記冷媒流出路から流出させる合流冷却空間を備えた
   荷電粒子照射ターゲット冷却装置。
2. 前記荷電粒子照射ターゲットの裏面側に、前記合流冷却空間内へ突出する複数の冷却凸部が設けられ、
   前記冷却凸部は、前記複数の冷媒流入路のいずれから流入した冷媒にも接触し得るように点在配置されていた
   請求項１記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置。
3. 前記冷媒流入路と前記冷媒流出路は、前記合流冷却空間に対して、前記荷電粒子ビームの照射方向と交差する方向の一方の端部付近と他方の端部付近でそれぞれ連通する
   請求項１または２記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置。
4. 前記冷媒流入路および前記冷媒流出路は、前記合流冷却空間における前記荷電粒子照射ターゲットと反対側から前記合流冷却空間にそれぞれ連通された
   請求項３記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置。
5. 荷電粒子を発生させる荷電粒子発生部と、
   前記荷電粒子を加速する加速器と、
   前記荷電粒子が前記加速器により加速された荷電粒子ビームを荷電粒子照射ターゲットに照射する照射部とを備え、
   前記荷電粒子照射ターゲットの裏面側に、請求項１から４のいずれか１つに記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置を備えた
   荷電粒子ビーム照射システム。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置を用い、
   前記冷媒流入路から液体の冷媒を流入させて前記液体の冷媒で前記合流冷却空間内を満たし、
   前記合流冷却空間から溢れる前記液体の冷媒を前記冷媒流出路から流出させる
   荷電粒子照射ターゲット冷却方法。
7. 請求項１から４のいずれか１つに記載の荷電粒子照射ターゲット冷却装置に用いられる荷電粒子照射ターゲットであって、
   前記荷電粒子ビームの照射を受けて目的物質を発生させるターゲット物質で構成されるターゲット層と、
   前記ターゲット層を保護する保護物質で構成されて前記ターゲット層の前記荷電粒子ビーム照射側に設けられる保護層とを備え、
   前記ターゲット層と前記保護層とを、前記ターゲット物質と前記保護物質との組成比が膜厚方向に変化する傾斜機能層を中間に有する傾斜機能膜により形成した
   荷電粒子照射ターゲット。
8. 前記傾斜機能膜における前記ターゲット層は、
   前記ターゲット物質のみで構成された所望の厚さの層、または、前記ターゲット物質を主として組成比一定若しくはほぼ一定に構成された所望の厚さの層である
   請求項７記載の荷電粒子照射ターゲット。
9. 前記ターゲット層は、前記傾斜機能層と同じかそれ以上の厚さである
   請求項７または８記載の荷電粒子照射ターゲット。
10. 前記目的物質が中性子であり、前記ターゲット物質が前記荷電粒子ビームの照射により中性子を発生させる中性子発生物質である
    請求項７、８、または９記載の荷電粒子照射ターゲット。
11. 荷電粒子を発生させる荷電粒子発生部と、
    前記荷電粒子を加速する加速器と、
    前記荷電粒子が前記加速器により加速された荷電粒子ビームを照射する照射部とを備え、
    請求項７から１０のいずれか１つに記載の荷電粒子照射ターゲットに前記照射部から前記荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射システム。
12. 荷電粒子を発生させる荷電粒子発生部と、前記荷電粒子を加速する加速器と、前記荷電粒子が前記加速器により加速された荷電粒子ビームを照射する照射部とを備えた荷電粒子照射システムにより、
    請求項７から１０のいずれか１つに記載の荷電粒子照射ターゲットに前記照射部から前記荷電粒子ビームを照射して中性子を発生させる
    中性子発生方法。

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