JP2014220033A

JP2014220033A - 液体金属ターゲット、中性子発生装置及びその制御方法

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Publication number: JP2014220033A
Application number: JP2013096128A
Authority: JP
Inventors: 晴行木村; Haruyuki Kimura; 英二帆足; Eiji Hoashi
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2014-11-20

Abstract

【課題】液体金属の沸騰を抑制し、かつ耐久性が高い液体金属ターゲットを得る。【解決手段】この液体金属ターゲット１００においては、第１構造体１０の発射ノズル１２の後方側において下向きに突出する第１強磁性体リブ１５が設けられている。また、これと上下対称に、第２構造体２０の受容ノズル２２の後方側において上向きに突出する第２強磁性体リブ２５が設けられている。この構成においては、水平方向において、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５が設けられた箇所において磁力線が鉛直方向を向くように、磁力線の形状が変化する。このため、この箇所よりも前方となる発射ノズル１２下の磁力線を前方に湾曲させることができる。これにより、液体リチウム流路Ｃを前方に湾曲させることができる。【選択図】図７

Description

本発明は、液体金属に荷電粒子線を照射する構成を具備する液体金属ターゲット、及びこれを用いた中性子発生装置、中性子発生装置の制御方法に関する。

中性子源（中性子発生装置）で発生した中性子線を各種の対象に照射することは、様々な科学技術分野で行われている。このような中性子源としては、例えば実験用の原子炉が知られている。こうした中性子線の用途としては、癌の治療方法の１種であるホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：ＢｏｒｏｎＮｅｕｔｒｏｎＣａｐｔｕｒｅＴｈｅｒａｐｙ）が知られている。

癌細胞を破壊するためには、高エネルギーの粒子線（重粒子線）を癌細胞に対して照射する粒子線治療が知られている。通常の粒子線治療においては、粒子線を患部に対して照射し、この粒子線によって癌細胞を破壊する。これに対して、ＢＮＣＴにおいては、まず、体内の癌細胞に集まりやすいホウ素（^１０Ｂ）化合物を患者に投与する。その後、患部に中性子線を照射する。^１０Ｂは中性子の吸収断面積が大きいため、この中性子によって^１０Ｂ（ｎ、α）^７Ｌｉ反応が生ずる。すなわち、中性子ビームの照射によってα粒子とＬｉ原子核が生成される。このα粒子とＬｉ原子核が前記の粒子線（重粒子線）として機能する。すなわち、^１０Ｂと中性子との間の反応によって生じたα粒子やＬｉ原子核によって癌細胞が破壊される。

この治療方法においては、（１）^１０Ｂが癌細胞近傍に集まりやすいこと、（２）体内におけるα粒子やＬｉ原子核の飛程は短いこと、のために、特に患部に集中的にα粒子やＬｉ原子核を照射することができる。すなわち、高い選択性をもって癌細胞にこれらの粒子を照射することができる。また、この治療方法において癌細胞に直接影響を及ぼすのは、照射された中性子線ではなく、核反応によって生成されたα粒子やＬｉ原子核である。粒子線で癌細胞を破壊するに際しては、軽い粒子よりも重い粒子の方がより大きなエネルギーを癌細胞に吸収させることが可能であり、癌細胞における２重螺旋構造のＤＮＡを２本とも破壊できる確率が高い。このため、陽子線等を用いた場合と比べて、癌細胞を破壊する効果が大きい。すなわち、ＢＮＣＴを用いて、正常な細胞との間の高い選択性をもって、体内の癌細胞を破壊することができる。

こうした用途においては、実験用の原子炉は、施設への設置が容易でないこと、中性子線のオン・オフの制御が容易でないこと、等のために、適していない。液体リチウムに荷電粒子（陽子、重水素イオン）ビームを照射して中性子線を発生させる方式の中性子発生装置は、これらの点において優れているため、有効である。また、この方式においては、中性子線のビーム強度を例えば１０^１５／ｃｍ^２／ｓ以上に高めることも可能である。このため、この中性子発生装置を、高線量の中性子線照射による核融合炉材料の評価（国際核融合材料照射施設：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｕｓｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌＩｒｒａｄｉａｔｉｏｎＦａｃｉｌｉｔｙ）に用いることもできる。

一般に、ＢＮＣＴ用の中性子源として用いる場合にはエネルギーが２〜３ＭｅＶ程度の陽子が、ＩＦＭＩＦ用の中性子源として用いる場合にはエネルギーが４０ＭｅＶ程度の重水素イオンが照射される。これらの荷電粒子ビームの液体リチウムへの照射は真空中で行われ、例えば１０^−３Ｐａ程度の真空中における液体リチウムの沸点は３４４℃程度であり、低い。このため、荷電粒子ビームの照射に際して、液体リチウムが沸騰する場合がある。このため、安定して中性子線を発生させるためには、液体リチウムの沸騰を抑制することが必要になる。沸騰を抑制するためには、液体リチウムの静圧を高めてその沸点を高めることが有効である。この目的のために、非特許文献１には、上側のノズルから下向きに噴出された流速１５ｍ／ｓ程度の高速の液体リチウムを、湾曲した金属壁（背面壁）に沿って流すことによって、液体リチウムの流路を湾曲させ、液体リチウム中に生じた遠心力によってその静圧を高める技術が記載されている。この装置においては、背面壁の表面を通過した液体リチウムは、その下側で回収され、装置内部で循環され、上側のノズルから再び噴出されるため、液体リチウム流が安定して生成され、安定して中性子線を発生させることができる。ここで、液体リチウム流路を安定させ、中性子線を効率的に発生させるためには、背面壁の湾曲した形状は、荷電粒子ビーム側から見て凹形状となるように設定され、この凹形状の内面を液体リチウムが通過する。この場合、背面壁は荷電粒子ビーム側から見て液体リチウム流の後方に設けられるため、背面壁によって荷電粒子ビームが減衰することもない。

この技術によって、液体リチウムの沸騰を抑制し、中性子線を安定して発生させることができる。

また、中性子線を発生させる場合に限らず、真空中で液体金属に粒子線や光等を照射する構成の液体金属ターゲットについては、同様に液体金属の沸騰の問題が発生する。こうした場合に沸騰を抑制するためには、同様に液体金属の静圧を高めることが有効であるため、上記の構成は、一般的な液体金属ターゲット全般において有効である。

「ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｎｔｒａｃｔｉｏｎＮｏｚｚｌｅａｎｄＣｏｎｃａｖｅＢａｃｋ−ＷａｌｌｆｏｒＩＦＭＩＦＴａｒｇｅｔ」、ＭｉｚｕｈｏＩｄａ、ＨｉｄｅｏＮａｋａｍｕｒａ、ＮｉｒｏｏＮａｋａｍｕｒａａｎｄＨｉｒｏｓｈｉＴａｋｅｕｃｈｉ、ＦｕｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ、ｖｏｌ．７０、ｐ９５（２００４年）

しかしながら、非特許文献１に記載の技術においては、背面壁は液体リチウムと直接接するため、液体リチウムから発生した中性子線に常に曝される。このため、背面壁を定期的、例えば年１回程度の頻度で交換することが必要となる。これは、ＢＮＣＴ用、ＩＦＭＩＦ用、どちらの場合においても同様であるが、発生線量が大きなＩＦＭＩＦ用の場合に特に顕著である。また、発生する中性子線によるだけでなく、高速の液体リチウムが表面を流れることによる背面壁の劣化が生じることも明らかである。

また、前記の通り、特にＢＮＣＴ用の場合には、照射される荷電粒子（陽子）のエネルギーは、ＩＦＭＩＦ用の場合と比べて低くなる。このため、この陽子線の吸収による発熱は、照射された液体リチウムの前方（陽子線によって照射される側）表面から０．２５ｍｍ程度の浅い領域で特に顕著となる。すなわち、ＢＮＣＴ用の場合には、液体リチウムにおける前方表面近くの極浅い領域における発熱が特に問題になる。

一方、上記の背面壁によって発生する遠心力は、湾曲した液体リチウム流路における曲率中心から遠い側で大きく、近い側で小さくなる。上記の構成における背面壁は荷電粒子ビームの側から見て凹形状であるため、この曲率中心は前方（陽子線で照射される側）にある。この場合、液体リチウムの表面から深い領域における遠心力は大きくなるが、表面から浅い領域における遠心力は小さくなる。このため、この浅い領域における静圧を充分に高めることは困難であった。この場合において、液体リチウムの温度上昇を抑えるためには、液体リチウムの流速を高めることが必要となるが、この場合には、液体リチウム流を安定させることが困難となる。このため、非特許文献１に記載の技術においては、沸騰を最も抑制すべき領域における液体リチウムの静圧を充分に高めることは困難であった。

このため、液体リチウムの沸騰を抑制し、かつ耐久性が高い液体リチウムターゲットを得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の液体金属ターゲットは、真空中において液体金属が発射ノズルから噴射されて受容ノズルで回収され、前記発射ノズルと前記受容ノズルの間における前記液体金属の流路に粒子線が照射される構成を具備する液体金属ターゲットであって、強磁性体で構成され前記発射ノズルが設けられた第１構造体と、前記受容ノズルが形成され、前記発射ノズルと前記受容ノズルとが対向するように前記第１構造体と対向して配置され、強磁性体で構成された第２構造体と、が用いられ、前記発射ノズル側と前記受容ノズル側とを連結する形態の磁力線を形成するコイルを具備し、前記粒子線が前記液体金属を照射する側から見て、前記発射ノズル及び前記受容ノズルの前方又は後方に、前記第１構造体から前記第２構造体側に向かって前記発射ノズルよりも突出し強磁性体で構成された第１強磁性体リブ、及び前記第２構造体から前記第１構造体側に向かって前記受容ノズルよりも突出し強磁性体で構成された第２強磁性体リブ、がそれぞれ設けられたことを特徴とする。
本発明の液体金属ターゲットは、前記第１構造体において、前記発射ノズルを前記受容ノズル側に向かって突出させた形状とし、前記第２構造体において、前記受容ノズルを前記発射ノズル側に向かって突出させた形状としたことを特徴とする。
本発明の液体金属ターゲットは、前記発射ノズルと前記受容ノズルとを結ぶ線の中点から見て、前記第２構造体、前記第２強磁性体リブの外形は、それぞれ前記第１構造体、前記第１強磁性体リブと対称となるように構成されたことを特徴とする。
本発明の液体金属ターゲットにおいて、前記液体金属は、前記受容ノズルから前記第２構造体の内部、前記第１構造体の内部を経由して前記発射ノズルから噴射され、循環する構成とされたことを特徴とする。
本発明の中性子発生装置は、前記液体金属ターゲットが使用され、前記液体金属を液体リチウム、前記粒子線を陽子ビーム又は重水素イオンビームとし、前記粒子線で照射された前記液体金属から中性子線を発生させることを特徴とする。
本発明の中性子発生装置において、前記コイルは、前記第１構造体を巻回する第１のコイルと、前記第２構造体を巻回する第２のコイルとで構成されることを特徴とする。
本発明の中性子発生装置において、前記第１のコイルは前記第１構造体における前記第２構造体から離れた側に、前記第２のコイルは前記第２構造体における前記第１構造体から離れた側にそれぞれ設置され、前記第１のコイルよりも前記粒子線側、及び前記第２のコイルよりも前記粒子線側に、それぞれ放射線を遮蔽する遮蔽体が設けられたことを特徴とする。
本発明の中性子発生装置の制御方法は、前記中性子発生装置の制御方法であって、前記第１強磁性体リブ及び前記第２強磁性体リブを、前記粒子線が前記液体金属に照射される側から見て前記発射ノズル及び前記受容ノズルよりも前方に設置し、前記中性子線が照射される被照射試料を、前記粒子線が前記液体金属に照射される側から見て前記発射ノズル及び前記受容ノズルよりも後方に設置し、前記コイルに流れる電流を制御することによって、前記発射ノズルから前記受容ノズルに至る前記液体金属の流路と前記被照射試料との間の間隔を制御することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、液体金属の沸騰を抑制し、かつ耐久性が高い液体金属ターゲットを得ることができる。

参考例となる液体金属ターゲットの構成を示す図である。参考例となる液体金属ターゲットにおける等ベクトルポテンシャル面の形状を算出した結果である。参考例となる液体金属ターゲットにおける磁力線の形状と液体リチウム流路の形状を算出した結果である。参考例となる液体金属ターゲットにおける液体リチウム流路上における磁束密度（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。参考例となる液体金属ターゲットにおける液体リチウムの速度分布（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。参考例となる液体金属ターゲットにおける、液体リチウム流路と強磁性体板の前面との間隔ｘ_ｇａｐの、コイル電流Ｉ_ｃ依存性を算出した結果である。本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットにおける等ベクトルポテンシャル面の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットにおける磁力線の形状と液体リチウム流路の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットにおける液体リチウム流路上における磁束密度（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットにおける液体リチウムの速度分布（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。液体リチウムの沸点の流速依存性を、湾曲型、逆湾曲型について算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットの構成を示す図である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が磁力線の形状に影響を与えない場合の等ベクトルポテンシャル面の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が磁力線の形状に影響を与えない場合の磁力線の形状と液体リチウム流路の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が磁力線の形状に影響を与えない場合の液体リチウム流路上における磁束密度（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が磁力線の形状に影響を与えない場合の液体リチウムの速度分布（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の等ベクトルポテンシャル面の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の磁力線の形状と液体リチウム流路の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の液体リチウム流路上における磁束密度（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の液体リチウムの速度分布（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合に、液体リチウム流路と強磁性体板の前面との間隔ｘ_ｇａｐの、Ｉ_ｃ依存性を算出した結果である。本発明の実施の形態の第１の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、液体リチウム流路の曲率半径Ｒのコイル電流Ｉ_ｃ依存性を算出した結果である。本発明の実施の形態の第２の変形例となる液体金属ターゲットの構成を示す図である。本発明の実施の形態の第２の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の等ベクトルポテンシャル面の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第２の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の磁力線の形状と液体リチウム流路の形状を算出した結果である。本発明の実施の形態の第２の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の液体リチウム流路上における磁束密度（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。本発明の実施の形態の第２の変形例となる液体金属ターゲットにおいて、被照射試料が強磁性体である場合の液体リチウムの速度分布（ｘ成分、ｚ成分、絶対値）を算出した結果である。

以下、本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットについて説明する。この液体金属ターゲットにおいては、鉛直方向上側から下側に向かって液体リチウム（液体金属）が噴射され、噴射された液体リチウムに、前方から荷電粒子ビーム（陽子、重水素イオン）が照射される。これによって、照射された液体リチウムの後方に中性子線が発せられる。この中性子線を、ＢＮＣＴ、ＩＦＭＩＦ等に使用することができる。このため、この液体金属ターゲットを中性子発生装置に用いることができる。非特許文献１に記載の技術と同様に、照射される液体リチウム流路は湾曲するが、背面壁は使用されない。このため、背面壁の使用に起因する問題点が解消される。

図１（ａ）は、この液体金属ターゲットの原理を説明するための参考となる液体金属ターゲットの断面図であり、本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットは、この構成に変更を加えたものとなっている。ここで、液体リチウムは、強磁性体で構成された第１構造体１０の中に設けられた発射側ダクト１１中を上から下に向かって流れ、その下側において発射側ダクト１１よりも狭く形成された発射ノズル１２から下側に高速で噴出される。発射側ダクト１１を巻回するように、第１構造体１０の内側に第１コイル１３が設置されており、ここでは、発射側ダクト１１に垂直な断面が示されている。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ方向の断面図であり、第１コイル１３の平面形状が示されている。

発射ノズル１２と受容ノズル２２の中点から見て、上記の第１構造体１０、第１コイル１３と上下対称の外形で、第２構造体２０、第２コイル２３が、下側に設けられる。ここで、発射ノズル１２と受容ノズル２２とが対向するようこれらは配置される。発射ノズル１２から下側に噴出した液体リチウムは、第２構造体２０の上端部に設けられた受容ノズル２２に進入し、受容側ダクト２１中を下側に流れる。液体リチウムは、発射ノズル１２と受容ノズル２２の中間点付近において前方から荷電粒子ビーム（粒子線）５０に照射される。実際には図１（ａ）における受容側ダクト２１の下側と発射側ダクト１１の上側は接続され、液体リチウムはこれらの中を循環して安定して流れる構成とされる。なお、図１の構成全体は例えば１０^−３Ｐａ程度の真空中に設置される。

第１構造体１０、第２構造体２０の材料としては、放射線環境下での使用に適した強磁性体、例えば低放射化フェライト鋼であるＦ８２Ｈ鋼を用いることができる。第１コイル１３、第２コイル２３としては、例えば耐放射線性常伝導コイルを用いることができる。発射側ダクト１１、受容側ダクト２１の図１（ａ）における左右方向の幅は０．２ｍ程度、図１（ａ）における紙面と垂直方向の幅は０．２６ｍ程度とすることができる。発射ノズル１２、受容ノズル２２の図１（ａ）における紙面と垂直方向の幅は発射側ダクト１１等と同等とし、図１（ａ）における左右方向の幅は、発射側ダクト１１等よりも小さく、発射ノズル１２で０．０２５ｍ、受容ノズル２２で０．０６ｍ程度とすることができる。発射ノズル１２の図１（ａ）における左右方向の幅は、照射される液体リチウムの厚さに対応する。発射ノズル１２と受容ノズル２２の上下方向の間隔は０．５ｍ程度とされる。

上記の構成において、第１コイル１３、第２コイル２３は、発射側ダクト１１、発射ノズル１２、受容ノズル２２、受容側ダクト２１の中心軸（図１中の上下方向）に強い磁場が形成されるように設けられる。このため、下側コイル２３による励磁方向は上側コイル１３による励磁方向と同一とされる。また、第１構造体１０における発射ノズル１２の周囲は受容ノズル２２側に、第２構造体２０における受容ノズル２２の周囲は発射ノズル１２側に向かって徐々に細くされた形状とされる。更に、この磁場強度を特に大きくするために、図１（ｃ）にその拡大図を示すように、発射ノズル１２の周囲には受容ノズル２２に向かって突出した突起部１４が設けられており、同様に受容ノズル２２の周囲にも発射ノズル１２に向かって突出した突起部２４が設けられている。突起部１４、２４の図１（ｃ）における上下方向の高さは例えば０．０２５ｍ、左右方向の幅は例えば０．０２ｍ、紙面と垂直な方向における幅は０．２６ｍとすることができる。また、第１構造体１０における発射側ダクト１１の周囲、第２構造体２０における受容側ダクト２１の周囲は、強磁性体による磁気シールド効果によりダクト内の磁場を相対的に弱くするように充分厚く形成される。

一方、水平方向（図１中の左右方向）における磁場は弱くなるように設定される。また、荷電粒子ビーム５０の進行方向における荷電粒子ビーム５０と液体リチウム流路との交点以外においては、荷電粒子ビーム５０と鎖交する磁場が弱くなるように設定される。このため、第１構造体１０における発射ノズル１２から見た外側（図１における左右両端側）、第２構造体２０における受容ノズル２２から見た外側は、それぞれ荷電粒子ビーム５０の進行方向となる直線から離間するような形状とされる。このため、発射ノズル１２、受容ノズル２２の外側においては、第１構造体１０と第２構造体２０とは離間する。

ここで、強磁性体板２００が、発射ノズル１２と受容ノズル２２の間における中心よりも右側に配置される。液体リチウムが荷電粒子ビーム５０に照射されることによって発生した中性子線は図中右側に放射されるため、この中性子線は強磁性体板２００を照射する。

この構成における等ベクトルポテンシャル面の形状を計算した結果を図２に示す。図２においては、左側に全体図が、右側に発射ノズル１２と受容ノズル２２周辺を拡大した図が示されている。ここで、ｘ軸は図中の左右方向、ｚ軸は図中の上下方向に対応しており、ｘ＝ｚ＝０の点が発射ノズル１２と受容ノズル２２の中点であるものとし、ｘ＜０が前方（図中左側）、ｚ＜０が上方（図中上側）となるものとする。等ベクトルポテンシャル面の形状は、概ね磁力線の形状に対応する。また、第１構造体１０等と第２構造体２０等の構造は上下で対称となっているため、磁力線の形状も上下で対称となっている。

例えば、図１（ｂ）における第１コイル１３、第２コイル２３の外径を２ｍ程度、図１（ａ）の上下方向における第１コイル１３と第２コイル２３の間隔をこれと同程度とした場合、コイル電流値１．２５ＭＡＴとした場合に発射ノズル１２と受容ノズル２２の間におけるｚ軸方向の磁場を０．５Ｔ程度とすることができる。一方、発射ノズル１２と受容ノズル２２の間からｘ方向において離れた箇所におけるｚ方向の磁場は０．２Ｔ程度、発射側ダクト１１、発射ノズル１２、受容側ダクト２１、受容ノズル２２内におけるｘ方向の磁場は０．１６Ｔ程度と、これよりも小さくすることができる。

仮に強磁性体板２００が存在しない場合には、ｘ＝０の両側で磁力線の形状も対称となることは明らかである。しかしながら、ここでは、強磁性体板２００がｘ＞０の箇所に設置されているために、磁力線は前後方向では対称とはならず、上記の磁力線の形状は強磁性体板２００の影響を大きく受ける。図２右側には、この状況が示されている。強磁性体板２００が存在しない場合には、ｘ＝０においては、中心線（図中一点鎖線）に沿った形状の磁場が形成されることは明らかである。しかしながら、強磁性体板２００が存在した場合には、磁場は強磁性体板２００の側に引き寄せられるため、図２右側に示されるように、強磁性体板２００の前面では、磁力線は強磁性体板２００の側に向かって湾曲する。

このように図１の構成においては、強磁性体板２００を設置することによって、発射ノズル１２と受容ノズル２２の間における磁力線を、荷電粒子ビーム５０側（前方）から見て凹型に湾曲させることができる。一方、導体である液体リチウムは、磁場に引きずられるため、発射ノズル１２と受容ノズル２２の間における液体リチウムの経路も、この磁力線の形状に従って湾曲する。正確には、液体リチウムの挙動は、電磁気力、重力、表面張力、荷電粒子ビームによる圧力、経路の湾曲に伴う遠心力を考慮して計算することができる。

図３は、この場合における磁力線の形状（破線）と、これに対応した液体リチウム流路の形状（実線）を算出した結果である。ここで、発射ノズル１２先端はｚ＝−０．２５ｍ（ｘ＝０）の点であるものとし、ｘ＝−０．０２７５ｍの点から発せられた初速は１５ｍ／ｓの液体リチウムの流路が算出されている。これは、液体リチウム流路の中心線に対応する。図示されるように、背面壁を用いることなしに、液体リチウム流路の形状を湾曲させることができる。この場合の曲率半径は１．２ｍ程度となる。

図４は、液体リチウム流路上における磁束密度Ｂ（ｘ成分：Ｂ_ｘ、ｚ成分：Ｂ_ｚ、Ｂの絶対値）の分布を示し、図５は、液体リチウムの流速Ｕ（ｘ成分：Ｕ_ｘ、ｚ成分：Ｕ_ｚ、Ｕの絶対値）の分布を示す。液体リチウムが発射ノズル１２から噴出される際の速度（初期値）は１５ｍ／ｓとした。図４より、磁束密度の鉛直方向の成分Ｂ_ｚは発射ノズル１２先端から急激に増加し、かつ水平方向の成分Ｂ_ｘは小さく保たれる。また、図５より、鉛直方向の速度Ｕ_ｚは一様に初期値に近く高く保たれている。

液体リチウムは、図３に示された形状の流路を、図５に示された速度で通過する。この際、曲率半径が１．２ｍ程度となった部分で特に強く遠心力が働き、その静圧が高められる。このため、液体リチウムの沸点を上昇させ、沸騰を抑制することができる。ここで、例えばＩＦＭＩＦの場合には、中性子線が照射されるべき試料（被評価試料）を、強磁性体材料とする場合が多い。この場合には、強磁性体板２００自身が被照射試料となるため、この被照射試料の配置によって、図１の構成を実現することができ、上記の状況を実現することができる。この場合、背面壁を用いた場合と同様の効果によって液体リチウムの沸騰を抑制することができる。

図１の構成において、高強度の中性子線を強磁性体板２００に照射させたい場合には、湾曲した液体リチウム流路Ｃを強磁性体板２００に近接させることが必要である。図１における強磁性体板２００の前後方向の位置を調整することによって、この調整が可能であることは明らかである。しかしながら、この調整は、第１コイル１３、第２コイル２３のコイル電流（起磁力）Ｉ_ｃを調整することによっても、行うことができる。図６は、強磁性体板２００の前面をｘ＝０．０５５ｍとした場合における、液体リチウム流路Ｃと強磁性体板２００の前面との間隔ｘ_ｇａｐのＩ_ｃ依存性を計算した結果である。Ｉ_ｃを小さくしてＢの絶対値を小さくした方が、強磁性体板２００に向かう湾曲を大きくし、ｘ_ｇａｐを小さくすることができる。このように、Ｉ_ｃを調整することによって高い精度でｘ_ｇａｐを調整することが可能であるため、例えばｘ_ｇａｐを２〜３ｍｍに設定することができる。また、ｘ_ｇａｐの粗調整は強磁性体板２００の前後方向の位置で行い、微調整はＩ_ｃで行うことができる。ｘ_ｇａｐと同様に、液体リチウム流路の曲率半径もＩ_ｃで調整することができる。

本発明の実施の形態に係る液体金属ターゲットにおいては、図１の構成における液体リチウム（液体金属）流路が更に最適化される。図７（ａ）は、この液体金属ターゲット１００の構成を示す図である。この液体金属ターゲット１００においては、第１構造体１０の発射ノズル１２の後方側において下向きに突出する第１強磁性体リブ１５が設けられている。また、これと上下対称に、第２構造体２０の受容ノズル２２の後方側において上向きに突出する第２強磁性体リブ２５が設けられている。図７（ｂ）は、この液体金属ターゲット１００における発射ノズル１２、受容ノズル２２周辺を拡大した図である。中性子線６０は、液体リチウムが荷電粒子ビーム５０に照射されることによって生成され、後方に発せられた中性子線６０に照射される被照射試料は、後方（図７中右側）の図示の範囲外に設置される。このため、人体を被照射対象とすることもできる。この場合には、図７の液体金属ターゲットを、ＢＮＣＴ用の中性子発生装置に用いることができる。

図８は、図７の構成における、等ベクトルポテンシャル面を図２右側と同様に示した図である。この構成においては、水平方向において、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５が設けられた箇所（発射ノズル１２、受容ノズル２２よりも後方）において磁力線が鉛直方向を向くように、磁力線の形状が変化する。このため、この箇所よりも前方となる発射ノズル１２下（ｘ＝０近辺）の磁力線を前方に湾曲させることができる。これにより、液体リチウム流路Ｃを前方に湾曲させることができる。なお、この場合には、被照射試料は後方の図示の範囲外に設置されるため、被照射試料の磁気特性（例えば強磁性体であるか否か等）が図８における磁力線の形状に与える影響は無視できる。

図９は、この場合における磁力線の形状（破線）と、これに対応した液体リチウム流路Ｃの形状（実線）を、図３と同様に算出した結果である。ここで、液体リチウムの初速は７．５ｍ／ｓ、厚さは５ｍｍとしている。液体リチウムの流路が、図３と逆方向に湾曲することが確認できる。この際、受容ノズル２２側における液体リチウムの位置のずれは０．２ｍｍ以下であるため、発射ノズル１２（第１構造体１０）と受容ノズル２２（第２構造体２０）を上下対称とした場合においても、液体リチウムを受容ノズル２２で収容することが充分可能である。この場合の曲率半径は、０．３６ｍ程度である。

また、図１０は、この場合の液体リチウム流路上における磁束密度を図４と同様に示し、図１１は、液体リチウムの流速分布を図５と同様に示す。図１０より、鉛直方向の成分Ｂ_ｚは発射ノズル１２先端から急激に増加し、かつ水平方向の成分Ｂ_ｘは小さく保たれる。また、図１１より、鉛直方向の速度Ｕ_ｚは一様に高く、ほぼ初速（７．５ｍ／ｓ）に保たれている。なお、曲率半径は液体リチウムの初速には大きく依存せず、初速が３〜１５ｍ／ｓの範囲で０．３５〜０．３７ｍ程度である。

この液体金属ターゲット１００においては、液体リチウム流路Ｃを前方側に湾曲させることができ、液体リチウムの静圧を高め、沸点を上昇させ、沸騰を抑制することができる。この際、この液体金属ターゲット１００においては、液体リチウム流路Ｃが試料２００の前方側に湾曲するために、液体リチウム流路Ｃの前方側が、その曲率中心（後方側）から見て遠い側となるため、液体リチウム流路Ｃの前方側における遠心力が特に大きくなる。すなわち、液体リチウム流路Ｂの特に前方側における静圧を高めることができる。この点について、以下に検討する。

真空中を高速で流れる液体リチウムの沸点と静圧の関係は、非特許文献２に記載されている。静圧Ｐは、近似的には、（１）式で与えられる。ここで、ρは液体リチウムの密度（５０９ｋｇ／ｍ^３）、Ｐ_ｓは真空容器圧力（例えば１０^−３Ｐａ）、Ｒは液体リチウム流路の曲率半径、ｒは液体リチウム流路表面の法線上における位置（湾曲面の内側表面ではｒ＝０、外側表面ではｒ＝ｄ（流路の厚み）である。

ここで、図３のように液体リチウム流路Ｃの形状が後方に凸形状（前方から見て凹形状）となる場合を湾曲型、図９のようにこの形状が後方に凹形状（前方から見て凸形状）となる場合を逆湾曲型と定義する。リチウム流路Ｃの厚さをｄとすると、単純化したモデルにおいては、湾曲型の場合にはｒ＝０となり、逆湾曲型の場合にはｒ＝ｄとなる。液体リチウムのベース温度を２５０℃とし、流速が３０ｍ／ｓの場合の液体リチウムの表面温度は３４０℃と仮定し、単位幅当たりの流量（＝Ｕ×ｄ）を一定とした場合における、湾曲型の場合の液体リチウムの沸点（沸騰点）、逆湾曲型の場合の液体リチウムの沸点（沸騰点）を流速Ｕの関数として算出した結果を図１２に示す。ここで、液体リチウムの前方表面の温度も同時に示している。

図１２において、沸騰を抑制するためには、沸騰点曲線と温度曲線の交点よりも大きな流速が必要となる。この点において、（１）式より、湾曲型では流速を制御しても沸点は変化（上昇）せず、逆湾曲型の場合に、より小さな流速で沸騰を抑制することができることが明らかである。あるいは、同じ流速であれば、逆湾曲型の方が湾曲型よりも沸騰しにくい。

こうした特性は、荷電粒子ビームのエネルギーが低いＢＮＣＴ用の中性子源として特に好適である。この場合、背面壁が用いられないため、背面壁の耐久性に起因する問題が解消される。また、背面壁が用いられた場合には、発生した中性子線が背面壁で散乱、吸収されるために、被照射試料に照射される中性子線の強度が損なわれることがあるのに対して、この液体金属ターゲット１００においては、発生した中性子線６０を遮る構造物は存在しないため、高強度の中性子線６０を後方の被照射試料に対して照射することができる。

また、この液体金属ターゲット１００では、背面壁が用いられないために、背面壁の耐久性に起因する問題も解消される。更に、背面壁が用いられないために、真空中における液体リチウム流を例えば図７（ａ）における紙面と垂直方向から容易に観察することができる。このため、Ｉ_ｃ等による液体リチウム流路の湾曲の制御も容易である。

ＩＦＭＩＦで使用される場合のように、特に高いドーズ量の中性子線照射を行う場合には、上記の構成において、液体リチウム流路を後方に向かって湾曲させる（荷電粒子ビーム側から見て凹形状とする）ことによって、被照射試料を中性子の発生箇所に近接させることが有効である。こうした場合には、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５を、図７とは逆に、第１構造体１０の発射ノズル１２、第２構造体２０の受容ノズル２２の前方に設けることが有効である。図１３は、こうした用途に適した上記の液体金属ターゲット１００の第１の変形例の構成を図７と同様に示す。この場合には、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５は、第１構造体１０の発射ノズル１２、第２構造体２０の受容ノズル２２の前方に設けられる。被照射試料３００は、発射ノズル１２、受容ノズル２２の後方に近接して設置される。

まず、被照射試料３００が強磁性体でない場合、すなわち、磁力線の形状に被照射試料３００の存在が影響を与えない場合における等ベクトルポテンシャル面の形状を図２右側と同様に算出した結果を、図１４に示す。

図１５〜１７は、この場合における磁力線及び液体リチウム流路の形状、液体リチウム流路及び磁力線、磁束密度、流速を図３〜５と同様に算出して求めた結果である。第１強磁性体リブ１４、第２強磁性体リブ２４を前方に設けることによって、発射ノズル１２、受容ノズル２２間（被照射試料２１０の前方）における磁力線を後方に湾曲させることができる。これによって、液体リチウム流路も後方に湾曲させ、被照射試料３００に液体リチウム流路を近接させることができる。この場合には、図６の結果と同様に、これらの間の距離ｘ_ｇａｐをＩ_ｃによって調整することができる。また、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５の前後方向における位置を調整することによってもｘ_ｇａｐを調整することができ、この場合には、Ｉ_ｃの調整は、ｘ_ｇａｐの微調整のために行うことができる。すなわち、この液体リチウムターゲットが用いられた中性子発生装置においては、Ｉ_ｃを調整することによってｘ_ｇａｐを制御するという制御方法を実行することができる。

次に、図１３の構成において、被照射試料３００が強磁性体である場合の結果について説明する。この構成における被照射試料３００は図１、２における強磁性体板２００と実質的に同じであるとみなせるため、この構成における第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５が存在しない場合における等ベクトルポテンシャル面の形状は、図２右側と同様となる。図１３の構成の場合において被照射試料３００が強磁性体である場合の等ベクトルポテンシャル面の形状を図１８に示す。この場合においても、後方に向かって磁力線を湾曲させることができる。図１９〜２１は、この場合における磁力線及び液体リチウム流路の形状、液体リチウム流路及び磁力線、磁束密度、流速を図１５〜１７と同様に算出して求めた結果である。

この場合における、ｘ_ｇａｐとＩ_ｃの関係を算出した結果を図２２に示す。図２２中の実線は、図１３の構成におけるこの関係を図６と同様に算出した結果であり、破線は図６の結果である。ここで、被照射試料３００の前面の座標をｘ＝０．０７ｍとしている。この場合においても、ｘ_ｇａｐの調整をＩ_ｃの設定によって高精度で行うことができ、Ｉ_ｃの変化に対してｘ_ｇａｐがより敏感に変化する。また、液体リチウム流路の曲率半径ＲのＩ_ｃ依存性を算出した結果を図２３に示す。この結果より、被照射試料３００が強磁性体の場合においては、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ２５を設けることによって、Ｒをより小さく、湾曲を強くすることができることがわかる。これにより、第１の変形例においては、液体リチウムの沸騰をより抑制しやすくなる。

上記の通り、上記の液体金属ターゲットにおいては、第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ１５を発射ノズル１２、受容ノズル２２の前方、後方のどちらに設けるかによって、液体リチウム流路Ｂの湾曲の方向を設定することができる。特に液体リチウム流路Ｂを後方に向かって湾曲させた場合（第１強磁性体リブ１５、第２強磁性体リブ１５を発射ノズル１２、受容ノズル２２の前方に設けた場合）においては、液体リチウム流路Ｂと被照射試料３００との間の間隔ｘ_ｇａｐもＩ_ｃによって中性子発生装置運転中に制御することができる。これに対して、従来の背面壁を用いた液体金属ターゲットにおいては、ｘ_ｇａｐは被照射試料の位置によってしか調整ができない。この調整操作を中性子発生装置の運転中に行うには非常に大きな困難を伴うことは明らかである。

上記の液体金属ターゲットは中性子源（中性子発生装置）に用いられるため、中性子線を被照射試料に高効率で照射することが重要である一方、これ以外の箇所に対する放射線の照射は極力低減することが必要である。第２の変形例においては、被照射試料以外に対する中性子、あるいは中性子と同様に発生する他の放射線の影響を低減することができる。図２４は、この液体金属ターゲットの構成を図７（ａ）に対応させて示す断面図である。この構成においては、図１３の構成における第１コイル１３、第２コイル２３が生成する磁場の方向は同様であるが、これらの間隔が広くとられる。このため、第１コイル１３の下側、第２コイル２３の上側に、有害な放射線（γ線等）を遮蔽する遮蔽体４０を設置することができる。

この場合には、例えば、第１コイル１３の外径（図１（ｂ）に対応）を、２．６ｍ程度と前記の場合よりも大きくし、図２４における第１コイル１３と第２コイル２３の間隔を、前記の場合の２倍の４ｍ程度とすることができる。この構成全体における磁力線形状を図２５（ａ）に、発射ノズル１２、受容ノズル２２周辺の磁力線形状を拡大した図を図２５（ｂ）に示す。ここで、遮蔽体４０は強磁性体ではないものとしている。こうした場合でも、磁力線は、第１構造体１０、第２構造体２０の内部を通過するために、上記と同様の磁力線形状を実現することができ、発射ノズル１２と受容ノズル２２の間で後方に向かって湾曲した磁力線形状を実現することができる。

図２６〜２８は、この場合における磁力線及び液体リチウム流路の形状、液体リチウム流路及び磁力線、磁束密度、流速を図１５〜１７と同様に算出して求めた結果である。これらの結果より、第２の変形例においても、液体金属ターゲット１００やその第１の変形例と同様に液体リチウムの沸騰を抑制できることは明らかである。更に、この場合には、遮蔽体４０によって、液体リチウム等から発生する有害な放射線が遮蔽される。また、これにより、第１コイル１３、第２コイル２３の信頼性を高めることができ、その保守も容易となる。特に、第１コイル１３、第２コイル２３等が放射線に曝されにくくなるため、これらが放射化することが抑制され、作業者がこれらの交換や保守管理を容易に行うことができる。

なお、上記の例では、鉛直方向において、発射ノズルを上方、受容ノズルを下方に設けた。しかしながら、実際にはこれらの間において高速で移動する液体リチウムの挙動に与える重力の影響は小さいため、発射ノズル、受容ノズルの配置は、噴射された液体リチウムを受容ノズルが受容できる限りにおいて任意である。例えば、発射ノズル、受容ノズルが水平方向に並ぶように、第１構造体、第２構造体等を配置することもできる。

また、第１構造体、第２構造体、第１コイル、第２コイルの構成も、上記と同様の磁力線形状を実現できる限りにおいて、適宜設定することができる。例えば、第１構造体と第２構造体とが一体化された構造、あるいは第１コイルと第２コイルとが一体化された構造とすることもできる。

また、上記の例では、この液体金属ターゲットが中性子発生装置に用いられるものとした。しかしながら、真空中において液体金属に粒子線が照射される構成を具備する液体金属ターゲットであれば、液体金属の沸騰の問題が同様に発生し、この沸騰を抑制することは重要である。このため、中性子発生装置だけでなく、同様の構成を具備する液体金属ターゲットが使用される全ての装置に関して、上記の構成が有効であることは明らかである。

１０第１構造体
１１発射側ダクト
１２発射ノズル
１３第１コイル
１４、２４突起部
１５第１強磁性体リブ
２０第２構造体
２１受容側ダクト
２２受容ノズル
２３第２コイル
２５第２強磁性体リブ
４０遮蔽体
５０荷電粒子ビーム（粒子線）
６０中性子線
１００液体金属ターゲット
２００強磁性体板
３００被照射試料

Claims

真空中において液体金属が発射ノズルから噴射されて受容ノズルで回収され、前記発射ノズルと前記受容ノズルの間における前記液体金属の流路に粒子線が照射される構成を具備する液体金属ターゲットであって、
強磁性体で構成され前記発射ノズルが設けられた第１構造体と、
前記受容ノズルが形成され、前記発射ノズルと前記受容ノズルとが対向するように前記第１構造体と対向して配置され、強磁性体で構成された第２構造体と、が用いられ、
前記発射ノズル側と前記受容ノズル側とを連結する形態の磁力線を形成するコイルを具備し、
前記粒子線が前記液体金属を照射する側から見て、前記発射ノズル及び前記受容ノズルの前方又は後方に、前記第１構造体から前記第２構造体側に向かって前記発射ノズルよりも突出し強磁性体で構成された第１強磁性体リブ、及び前記第２構造体から前記第１構造体側に向かって前記受容ノズルよりも突出し強磁性体で構成された第２強磁性体リブ、がそれぞれ設けられたことを特徴とする液体金属ターゲット。
前記第１構造体において、前記発射ノズルを前記受容ノズル側に向かって突出させた形状とし、
前記第２構造体において、前記受容ノズルを前記発射ノズル側に向かって突出
させた形状としたことを特徴とする請求項１に記載の液体金属ターゲット。
前記発射ノズルと前記受容ノズルとを結ぶ線の中点から見て、前記第２構造体、前記第２強磁性体リブの外形は、それぞれ前記第１構造体、前記第１強磁性体リブと対称となるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体金属ターゲット
前記液体金属は、前記受容ノズルから前記第２構造体の内部、前記第１構造体の内部を経由して前記発射ノズルから噴射され、循環する構成とされたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の液体金属ターゲット。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の液体金属ターゲットが使用され、
前記液体金属を液体リチウム、前記粒子線を陽子ビーム又は重水素イオンビームとし、前記粒子線で照射された前記液体金属から中性子線を発生させることを特徴とする中性子発生装置。
前記コイルは、前記第１構造体を巻回する第１のコイルと、前記第２構造体を巻回する第２のコイルとで構成されることを特徴とする請求項５に記載の中性子発生装置。
前記第１のコイルは前記第１構造体における前記第２構造体から離れた側に、前記第２のコイルは前記第２構造体における前記第１構造体から離れた側にそれぞれ設置され、前記第１のコイルよりも前記粒子線側、及び前記第２のコイルよりも前記粒子線側に、それぞれ放射線を遮蔽する遮蔽体が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の中性子発生装置。
請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の中性子発生装置の制御方法であって、
前記第１強磁性体リブ及び前記第２強磁性体リブを、前記粒子線が前記液体金属に照射される側から見て前記発射ノズル及び前記受容ノズルよりも前方に設置し、
前記中性子線が照射される被照射試料を、前記粒子線が前記液体金属に照射される側から見て前記発射ノズル及び前記受容ノズルよりも後方に設置し、
前記コイルに流れる電流を制御することによって、前記発射ノズルから前記受容ノズルに至る前記液体金属の流路と前記被照射試料との間の間隔を制御することを特徴とする中性子発生装置の制御方法。