JP2016136499A - Neutron generation target, neutron generation device, neutron generation target manufacturing method, and neutron generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中性子発生用ターゲット、中性子発生装置、中性子発生用ターゲットの製造方法及び中性子発生方法に関する。 The present invention relates to a neutron generation target, a neutron generation apparatus, a method for manufacturing a neutron generation target, and a neutron generation method.
近年の加速器技術の進展により、小型（装置本体の設置面積：＜５０ｍ２）の陽子線加速器でも大電流（平均電流値：〜２０ｍＡ程度）の陽子を３０ＭｅＶ程度まで加速できる加速器が開発、実用化されてきた。この加速器で加速した陽子を中性子発生標的材に照射することによって大強度の中性子を発生でき、原子炉に代わって小型加速器によって原子炉と同程度の中性子を発生できる可能性ができてきた。これにより、未だ治療法が確立されていない難治がん、再発がんに対する治療法として期待されているホウ素中性子捕捉療法（Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ，ＢＮＣＴ）を、加速器を用いて実施すること（加速器ＢＮＣＴ）も現実的になってきた。加速器ＢＮＣＴが実現すれば、大型の装置の設置が困難な病院内でもＢＮＣＴが可能となる。 Due to recent advances in accelerator technology, an accelerator capable of accelerating a large current (average current value: about 20 mA) proton to about 30 MeV has been developed and put into practical use even with a small proton beam accelerator (<50 m 2 installation area). It has been. Irradiating protons accelerated by this accelerator to neutron-generating target materials can generate high-intensity neutrons, and it has become possible to generate neutrons similar to those of nuclear reactors using small accelerators instead of nuclear reactors. Thus, boron neutron capture therapy (BNCT), which is expected as a treatment for refractory cancer and recurrent cancer for which treatment has not yet been established, is carried out using an accelerator (accelerator BNCT). Has become realistic. If the accelerator BNCT is realized, it is possible to perform BNCT even in a hospital where it is difficult to install a large apparatus.
この加速器を使って大強度の中性子を発生させるために用いられる中性子発生標的材を構成する元素としては、リチウム、ベリリウム、タンタルなどが知られている。タンタルは、高エネルギー陽子との反応で中性子が発生することが知られており、小型加速器による低〜中エネルギー（３０ＭｅＶ程度以下）の陽子との反応で中性子源となる中性子発生標的材としては、リチウムやベリリウムが知られている。例えば、特許文献１〜３及び非特許文献１では、リチウムを含む中性子発生標的材が記載されている。また特許文献４〜８及び非特許文献２では、ベリリウムを含む中性子発生標的材が記載されている。 Lithium, beryllium, tantalum, and the like are known as elements constituting the neutron generation target material used for generating high-intensity neutrons using this accelerator. Tantalum is known to generate neutrons by reaction with high energy protons, and as a neutron generation target material that becomes a neutron source by reaction with low to medium energy (about 30 MeV or less) protons by a small accelerator, Lithium and beryllium are known. For example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 describe neutron generation target materials containing lithium. Patent Documents 4 to 8 and Non-Patent Document 2 describe neutron-generating target materials containing beryllium.
しかしながら、中性子発生標的材としてリチウムを用いると、リチウムが陽子入射によって半減期が約５３日の放射性同位元素であるベリリウム−７に変わってしまうという問題がある。また、管理の難しい放射性物質であるトリチウムも発生してしまう。さらにリチウムは融点が約１８０度と低く、大電流の陽子入射に対して長時間安定的に使用することが困難であり、ＢＮＣＴなどの医療用の大強度中性子発生用の中性子発生標的材として用いることができない。 However, when lithium is used as a target material for generating neutrons, there is a problem that lithium is changed to beryllium-7, which is a radioisotope having a half-life of about 53 days by proton incidence. Tritium, a radioactive material that is difficult to manage, is also generated. Furthermore, lithium has a low melting point of about 180 degrees, and is difficult to use stably for a long time against large current proton incidence, and is used as a neutron generation target material for generating high-intensity neutrons for medical use such as BNCT. I can't.
これに対し、ベリリウムは融点が高く安定的であるという特徴を有する。例えば非特許文献２には、中程度のエネルギー（〜３０ＭｅＶ）の陽子をベリリウムからなる中性子発生標的材に入射させることで効率的に中性子を発生させることができることが記載されている。しかしながら、中程度のエネルギーを有する陽子をベリリウムに照射すると、ベリリウム自体が放射化してしまうという問題や、周囲の装置を構成する部材を放射化してしまうという問題があり、ＢＮＣＴなどの医療用の大強度中性子発生用の中性子発生標的材として用いることができない。 On the other hand, beryllium has a feature that it has a high melting point and is stable. For example, Non-Patent Document 2 describes that neutrons can be generated efficiently by making protons of medium energy (˜30 MeV) incident on a neutron generation target material made of beryllium. However, when beryllium is irradiated with protons having medium energy, there is a problem that beryllium itself is activated and a member constituting surrounding devices is activated, which is a large medical use such as BNCT. It cannot be used as a target material for generating neutrons for generating intense neutrons.
またベリリウムと陽子の反応により中性子を発生させようとすると、ブリスタリングが生じるという課題もある。ブリスタリングとは、入射した陽子が、材質内で電子と結合して水素化し、この水素が蓄積し、膨張することで部材を破損する現象をいう。ブリスタリングは、入射した陽子と材質中の電子の結合であるため、陽子が停止する部分で最も発生しやすい。例えば、低エネルギー（〜１５ＭｅＶ、特に〜１０ＭｅＶが好ましい）の陽子とベリリウムを反応させようとすると、１５ＭｅＶ以下の陽子はベリリウム内での飛程（ブラッグ・ピーク発生深さ）が２ｍｍ以下である。そのため、ブリスタリングを抑制するためには、ベリリウムを２ｍｍよりも薄くする必要がある。しかしながら、この厚みでは加速器の真空窓としては強度が十分では無い。例えば、特許文献４〜７に記載されたベリリウムと炭素材料を組み合わせた中性子発生標的材では、十分にブリスタリングの発生を抑制することができなかった。 Another problem is that blistering occurs when neutrons are generated by the reaction between beryllium and protons. Blistering refers to a phenomenon in which incident protons are combined with electrons in a material to be hydrogenated, and this hydrogen accumulates and expands to damage the member. Blistering is the bond between incident protons and electrons in the material, so it is most likely to occur where protons stop. For example, when an attempt is made to react beryllium with protons of low energy (˜15 MeV, particularly preferably −10 MeV), protons of 15 MeV or less have a range (Bragg peak generation depth) within 2 mm in beryllium. Therefore, in order to suppress blistering, it is necessary to make beryllium thinner than 2 mm. However, this thickness is not sufficient as a vacuum window for the accelerator. For example, in the neutron generation target material combining beryllium and a carbon material described in Patent Documents 4 to 7, generation of blistering cannot be sufficiently suppressed.
また特許文献８では、水素拡散性を有する材料からなる金属層を、中性子発生源に陽子が入射する面と反対側の面に配置することで、ブリスタリングの発生を抑制している。しかしながら、金属層で水素を拡散させてしまうと、拡散した水素が中性子発生源内に侵入し、ブリスタリングの発生を促す恐れがある。すなわち、十分なブリスタリングの抑制を実現できるとは言えなかった。 Moreover, in patent document 8, generation | occurrence | production of blistering is suppressed by arrange | positioning the metal layer which consists of a material which has hydrogen diffusibility in the surface on the opposite side to the surface where a proton injects into a neutron generation source. However, if hydrogen is diffused in the metal layer, the diffused hydrogen may enter the neutron generation source and promote blistering. That is, it cannot be said that sufficient suppression of blistering can be realized.
さらに、ＢＮＣＴの治療に求められる中性子強度（ビーム孔位置で熱外中性子束：１×１０９（ｃｍ−２ｓ−１）以上）を発生させるためには５ｍＡ以上の大電流をベリリウムに入射する必要があり（入射パワーで約５０ｋＷ程度）、大きな熱負荷を生じるという問題があった。
例えば、特許文献８に記載の中性子発生源では、得られる中性子の発生強度が１×１０６〜７（ｃｍ−２ｓ−１）程度であり、ＢＮＣＴの治療に求められる中性子強度を実現できていない。すなわち、当該中性子発生源は、入射パワーで約５０ｋＷ程度の陽子の入射を想定していないことがわかる。
Furthermore, in order to generate the neutron intensity required for the treatment of BNCT (extrathermal neutron flux at the beam hole position: 1 × 10 9 (cm −2 s −1 ) or more), a large current of 5 mA or more is incident on beryllium. There is a problem that it is necessary (incident power is about 50 kW) and a large heat load is generated.
For example, in the neutron generation source described in Patent Document 8, the generated neutron generation intensity is about 1 × 10 6 to 7 (cm −2 s −1 ), and the neutron intensity required for the treatment of BNCT can be realized. Absent. That is, it can be understood that the neutron generation source does not assume the incidence of protons of about 50 kW at the incident power.
すなわち低エネルギーの陽子(〜１５ＭｅＶ、特に〜１０ＭｅＶが好ましい)とベリリウムとの反応によってＢＮＣＴにも適用可能な大強度の中性子を発生させるためには、５０ｋＷ程度の高エネルギーの陽子入射による熱負荷に対応でき、さらにブリスタリングによるベリリウム等の破損も抑制し、長時間安定的に中性子を発生できるターゲットが切に求められていた。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、低エネルギーの陽子の照射でも安定的かつ効率的に中性子を発生することができ、ブリスタリングの発生を抑制できる中性子発生用ターゲット、中性子発生装置及び中性子発生方法を提供することを目的とする。またこのような中性子の発生を可能とする中性子発生用ターゲットの製造方法を提供することを目的とする。
That is, in order to generate high-intensity neutrons that can be applied to BNCT by the reaction between low-energy protons (up to 15 MeV, particularly preferably up to 10 MeV) and beryllium, In addition, there has been a strong demand for a target that can cope with the damage and suppress damage to beryllium and the like due to blistering and can stably generate neutrons for a long time.
The present invention has been made in view of the above problems, and can generate neutrons stably and efficiently even when irradiated with low-energy protons, and a neutron generation target and neutron generation apparatus that can suppress blistering. And it aims at providing the neutron generation method. Moreover, it aims at providing the manufacturing method of the target for neutron generation which enables generation | occurrence | production of such a neutron.
本発明者は、鋭意検討の結果、陽子を衝突させて中性子を発生させるベリリウムを含む中性子発生標的材と、水素を蓄積可能な金属またはその合金からなる耐ブリスタリング中間材と、中性子発生標的材及び耐ブリスタリング中間材を冷却する冷却用ヒートシンクとを順に備え、中性子発生標的材の厚みを所定の厚みとすることにより、ブリスタリングを生じさせることなく、安定的かつ効率的に中性子を発生することができることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of intensive studies, the present inventor has found that a neutron generating target material containing beryllium that collides protons to generate neutrons, a blistering-resistant intermediate material made of a metal capable of storing hydrogen or an alloy thereof, and a neutron generating target material And a heat sink for cooling the blistering-resistant intermediate material in order, and by setting the thickness of the target material for neutron generation to a predetermined thickness, neutrons are generated stably and efficiently without causing blistering. The present invention has been completed.
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
（１）本発明の一態様に係る中性子発生用ターゲットは、陽子を衝突させて中性子を発生させるベリリウムを含む中性子発生標的材と、水素を蓄積可能な金属又はその合金からなる耐ブリスタリング中間材と、前記中性子発生標的材及び前記耐ブリスタリング中間材を冷却する冷却用ヒートシンクとを順に備え、中性子発生標的材の厚みが入射する陽子の飛程以下である。
この中性子発生用ターゲットでは、水素を蓄積可能な金属又はその合金からなる耐ブリスタリング中間材中で、入射した陽子が止まる。そのため、中性子発生標的材内部で、照射された陽子が水素化することを抑制し、ブリスタリングの発生を効率的に抑制することができる。また中性子発生標的材中で最大熱量が発生することも抑制することができる。そのため、中性子発生標的材が高熱になることを避け、効率的に冷却する事ができる。すなわち、５０ｋＷ程度の高出力の陽子入射による熱負荷にも対応できる。また三層構造となっており、十分な厚みを有するため、加速器の真空窓としても十分な強度を有する。
(1) A target for neutron generation according to one aspect of the present invention includes a neutron-generating target material containing beryllium that collides protons to generate neutrons, and a blistering-resistant intermediate material made of a metal capable of storing hydrogen or an alloy thereof. And a cooling heat sink for cooling the neutron-generating target material and the blistering-resistant intermediate material in order, and the thickness of the neutron-generating target material is less than or equal to the range of the incident protons.
In this neutron generation target, incident protons stop in a blistering-resistant intermediate material made of a metal capable of storing hydrogen or an alloy thereof. Therefore, hydrogenation of the irradiated protons can be suppressed inside the neutron-generating target material, and blistering can be efficiently suppressed. Moreover, generation | occurrence | production of the maximum calorie | heat amount in a neutron generation target material can also be suppressed. Therefore, the neutron-generating target material can be efficiently cooled while avoiding high temperature. That is, it can cope with a heat load caused by high-power proton injection of about 50 kW. Moreover, since it has a three-layer structure and has a sufficient thickness, it has sufficient strength as a vacuum window of an accelerator.
（２）上記（１）に記載の中性子発生用ターゲットは、中性子発生標的材と耐ブリスタリング中間材の界面、及び耐ブリスタリング中間材と冷却用ヒートシンクの界面が拡散接合していてもよい。
これらの界面が拡散接合していることで、高い熱伝導性を維持することができ、より効率的に中性子発生標的材を冷却する事ができる。すなわち、より効率的に、中性子を発生させることができる。
(2) In the neutron generating target described in (1) above, the interface between the neutron generating target material and the blistering resistant intermediate material, and the interface between the blistering resistant intermediate material and the cooling heat sink may be diffusion bonded.
Since these interfaces are diffusion-bonded, high thermal conductivity can be maintained, and the neutron-generating target material can be cooled more efficiently. That is, neutrons can be generated more efficiently.
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の中性子発生用ターゲットは、中性子発生標的材の厚みが、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。
中性子発生標的材の厚みが０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であれば、１５ＭｅＶ以下の低エネルギーの陽子が中性子発生用標的材に照射されても、陽子は中性子発生標的材を通過後に止まる。そのため、中性子発生標的材が高温になることを抑制すると共に、ブリスタリングの発生をより抑制することができる。
(3) In the neutron generation target according to either (1) or (2) above, the thickness of the neutron generation target material may be 0.05 mm or more and 2 mm or less.
If the thickness of the neutron-generating target material is 0.05 mm or more and 2 mm or less, even if low-energy protons of 15 MeV or less are irradiated to the neutron generation target material, the protons stop after passing through the neutron generation target material. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of blistering while suppressing the neutron-generating target material from becoming high temperature.
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の中性子発生用ターゲットは、前記耐ブリスタリング中間材が、パラジウム、ニオブ、タンタル、チタンからなる群から選択された一種以上からなってもよい。
これらの材料は、水素を効率的に吸蔵することができ、よりブリスタリングの発生を抑制することができる。
(4) In the neutron generating target according to any one of (1) to (3), the blistering-resistant intermediate material is selected from one or more selected from the group consisting of palladium, niobium, tantalum, and titanium. It may be.
These materials can occlude hydrogen efficiently and can further suppress the occurrence of blistering.
（５）本発明の一態様に係る中性子発生装置は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載された中性子発生用ターゲットと、前記中性子発生用ターゲットに陽子を照射するために陽子を加速する加速器と、前記陽子を発生させるためのイオン源とを備える。
この中性子発生装置は、上記（１）〜（４）の中性子発生用ターゲットを備えることで、低エネルギーの陽子の照射でも安定的かつ効率的に中性子を発生することができる。
(5) A neutron generator according to an aspect of the present invention is a neutron generation target described in any one of (1) to (4) above, and for irradiating the neutron generation target with protons. An accelerator for accelerating protons and an ion source for generating the protons are provided.
By providing the neutron generating targets (1) to (4) described above, this neutron generator can generate neutrons stably and efficiently even when irradiated with low-energy protons.
（６）上記（５）に記載の中性子発生装置は、陽子加速器が陽子を１〜１５ＭｅＶに加速できる構成を有していてもよい。
従来の中性子発生装置では、陽子加速器によって陽子を１〜１５ＭｅＶに加速しても、効率的な中性子の発生を実現できなかったため、当該構成は所定の中性子発生用ターゲットを備えることで初めて実現できたものである。
(6) The neutron generator according to (5) may have a configuration in which the proton accelerator can accelerate the protons to 1 to 15 MeV.
In conventional neutron generators, even if protons are accelerated to 1 to 15 MeV by a proton accelerator, efficient generation of neutrons could not be realized, so this configuration could be realized for the first time by providing a predetermined neutron generation target. Is.
（７）本発明の一態様に係る中性子発生用ターゲットの製造方法は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の中性子発生用ターゲットの製造方法であって、中性子発生標的材と耐ブリスタリング中間材、及び、耐ブリスタリング中間材と冷却用ヒートシンクを熱間等方圧加圧法で接合する。
熱間等方圧加圧法で接合することで、各接合面を原子レベルで接合することができ、高い熱伝導性を有する中性子発生用ターゲットを製造することができる。また熱応力等による接合界面の剥離等も抑制することができる。
(7) A method for manufacturing a target for neutron generation according to one aspect of the present invention is the method for manufacturing a target for neutron generation according to any one of (1) to (4) above, and the target material for neutron generation And the anti-blistering intermediate material, and the anti-blistering intermediate material and the cooling heat sink are joined by hot isostatic pressing.
By joining by a hot isostatic pressing method, each joining surface can be joined at an atomic level, and a neutron generating target having high thermal conductivity can be manufactured. Further, peeling of the bonding interface due to thermal stress or the like can be suppressed.
（８）本発明の一態様に係る中性子発生方法は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の中性子発生用ターゲットに、１５ＭｅＶ以下の陽子を照射することで中性子を発生させる。
低エネルギーの陽子を上記の中性子発生用ターゲットに照射することで、効率的に大強度の中性子を発生させることができる。そのため、ＢＮＣＴなどの医療用にも応用することができる。
(8) A neutron generation method according to an aspect of the present invention generates neutrons by irradiating the neutron generation target according to any one of (1) to (4) with protons of 15 MeV or less. .
By irradiating the neutron generation target with low energy protons, high-intensity neutrons can be efficiently generated. Therefore, it can be applied to medical use such as BNCT.
本発明の中性子発生用ターゲット、中性子発生装置及び中性子発生方法を用いることで、ブリスタリングを生じせることなく、安定的かつ効率的に中性子を発生することができる。また本発明の中性子発生用ターゲットの製造方法を用いることで、ブリスタリングを生じせることなく、安定的かつ効率的に中性子を発生することができる中性子発生用ターゲットを適切に製造することができる。 By using the neutron generation target, neutron generation apparatus, and neutron generation method of the present invention, neutrons can be generated stably and efficiently without causing blistering. Further, by using the method for manufacturing a neutron generation target of the present invention, a neutron generation target capable of generating neutrons stably and efficiently without causing blistering can be appropriately manufactured.
以下、本発明を適用した中性子発生用ターゲット等について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, a neutron generation target to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, the characteristic parts may be shown in an enlarged manner for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. Sometimes. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately changed and implemented without changing the gist thereof.
（中性子発生用ターゲット）
図１は、本発明の一態様に係る中性子発生用ターゲットを模式的に示した図である。図１に示すように、本発明の一態様に係る中性子発生用ターゲット１０は、陽子を衝突させて中性子を発生させるベリリウムを含む中性子発生標的材１と、水素を蓄積可能な金属又はその合金からなる耐ブリスタリング中間材２と、中性子発生標的材１及び耐ブリスタリング中間材２を冷却する冷却用ヒートシンク３とを順に備える。中性子発生標的材１の厚みは、入射する陽子の飛程以下である。
(Target for neutron generation)
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a neutron generation target according to an aspect of the present invention. As shown in FIG. 1, a neutron generation target 10 according to an aspect of the present invention includes a neutron generation target material 1 containing beryllium that collides protons to generate neutrons, a metal capable of storing hydrogen, or an alloy thereof. The anti-blistering intermediate material 2 and a cooling heat sink 3 for cooling the neutron-generating target material 1 and the anti-blistering intermediate material 2 are sequentially provided. The thickness of the neutron-generating target material 1 is less than or equal to the range of incident protons.
中性子発生用ターゲット１０は、加速された陽子が照射されることで中性子を発生する。加速された陽子は、図１の中性子発生標的材１の被照射面（図示左側）側から入射し、中性子発生標的材１を通過する際に核反応により中性子を発生する。この際、核反応により大きな熱量が発生するが、発生した熱量は冷却用ヒートシンク３により排熱される。また入射した陽子は、中性子発生標的材１を通過後、耐ブリスタリング中間材２で停止する。そのため、入射した陽子が材質内で電子と結合して水素化し、さらに蓄積された水素が膨張し部材を破損させるブリスタリングの発生を抑制することができる。また入射した陽子は、停止する際に最大熱量を発生するが、冷却用ヒートシンク３に近い部分で最大熱量を発生するため、より効率的に排熱することができ、中性子発生標的材１に熱負荷がかかることを抑制できる。 The neutron generation target 10 generates neutrons when irradiated with accelerated protons. The accelerated protons enter from the irradiated surface (left side in the figure) of the neutron generation target material 1 in FIG. 1 and generate neutrons by a nuclear reaction when passing through the neutron generation target material 1. At this time, a large amount of heat is generated by the nuclear reaction, but the generated amount of heat is exhausted by the cooling heat sink 3. The incident protons pass through the neutron generating target material 1 and then stop at the blistering resistant intermediate material 2. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of blistering in which incident protons are combined with electrons in the material and hydrogenated, and further, the accumulated hydrogen expands and damages the member. The incident protons generate a maximum amount of heat when they stop, but generate a maximum amount of heat near the cooling heat sink 3, so that they can be exhausted more efficiently, and heat is applied to the neutron generation target material 1. It can suppress that load is applied.
中性子発生用ターゲット１０において、中性子発生標的材１と耐ブリスタリング中間材２の界面、及び耐ブリスタリング中間材２と冷却用ヒートシンクの界面３のそれぞれは、拡散接合していることが好ましい。
ここで、「拡散接合」とは、母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。拡散接合した界面は、原子レベルで互いの面が接合している。そのため、接合界面の一部が固溶しており、電子顕微鏡で反応層が確認できる。また原子レベルで接合していれば、超音波による欠陥検査によって音波の反射の乱れはほとんど確認されない。
これらの界面が原子レベルで接合していることで、発生した熱が各界面を伝達する際に阻害されることを抑制し、中性子発生用ターゲット１０として高い熱伝導性を維持することができる。すなわち、核反応により発生する熱量が多くでも、冷却用ヒートシンク３により、効率的に排熱することができる。そのため、中性子発生用ターゲット１０に大パワーの陽子が入射した場合でも、熱負荷が高まることを抑制できる。したがって、中性子発生用ターゲット１０が熱応力による変形や破損を抑制することができる。
In the neutron generation target 10, it is preferable that the interface between the neutron generation target material 1 and the blistering-resistant intermediate material 2 and the interface 3 between the blistering-resistant intermediate material 2 and the cooling heat sink are each diffusion bonded.
Here, “diffusion bonding” refers to the use of atomic diffusion that occurs between bonded surfaces by bringing a base material into close contact and applying pressure to the extent that plastic deformation does not occur as much as possible under temperature conditions below the melting point of the base material. It is a method of joining. The diffusion-bonded interface is bonded to each other at the atomic level. Therefore, a part of the bonding interface is dissolved, and the reaction layer can be confirmed with an electron microscope. If the bonding is performed at the atomic level, the disturbance of the reflection of the sound wave is hardly confirmed by the defect inspection by the ultrasonic wave.
By joining these interfaces at the atomic level, it is possible to suppress the generated heat from being inhibited when transferring through each interface, and to maintain high thermal conductivity as the neutron generation target 10. That is, even if the amount of heat generated by the nuclear reaction is large, the heat can be efficiently exhausted by the cooling heat sink 3. Therefore, even when a high-power proton enters the neutron generation target 10, it is possible to suppress an increase in thermal load. Therefore, the neutron generation target 10 can suppress deformation and breakage due to thermal stress.
中性子発生用標的材１は、中性子を発生させるための部材であり、ベリリウム元素を含む。ベリリウム元素を含む中性子発生用標的材１は、融点が比較的高く、安定的である点で優れている。そのため、リチウム材料を用いた中性子発生用標的材と比較しても取扱いの面で優れている。またベリリウム元素を含む中性子発生用標的材１は、低エネルギーの陽子(〜１５ＭｅＶ、特に〜１０ＭｅＶが好ましい)との反応では、低エネルギー中性子のみを発生するという特徴を有する。すなわち、発生した中性子によって、装置のその他の部材が放射化することを抑制することができる。 The target material 1 for neutron generation is a member for generating neutrons and contains a beryllium element. The target material 1 for neutron generation containing beryllium element is excellent in that it has a relatively high melting point and is stable. Therefore, it is excellent in terms of handling even when compared with a target material for neutron generation using a lithium material. Moreover, the target material 1 for generating neutrons containing the beryllium element has a feature that only low-energy neutrons are generated in the reaction with low-energy protons (˜15 MeV, particularly preferably −10 MeV). That is, it can suppress that the other member of an apparatus is activated by the generated neutron.
ベリリウム元素を含む材料としては、例えば、単体のベリリウム、ベリリウム化合物、ベリリウム複合材料等を用いることができる。ベリリウム化合物としては、例えば、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化ベリリウム（Ｂｅ３Ｎ２）、炭化ベリリウム、水酸化ベリリウム（Ｂｅ（ＯＨ）２）、酢酸ベリリウム（Ｂｅ（ＣＨ３ＣＯ２）２）、炭酸ベリリウム（ＢｅＣＯ３）、硫酸ベリリウム（ＢｅＳＯ４）、硝酸ベリリウム（Ｂｅ（ＮＯ３）２）、リン酸ベリリウム（Ｂｅ３（ＰＯ４）２）、ケイ酸ベリリウム（Ｂｅ２ＳｉＯ４）、アルミン酸ベリリウム（Ｂｅ（ＡｌＯ２）２）、チタン酸ベリリウム（ＢｅＴｉＯ３）、ニオブ酸ベリリウム（Ｂｅ（ＮｂＯ３）２）、タンタル酸ベリリウム（Ｂｅ（ＴａＯ２）２）、等を用いることができる。またベリリウム複合材料としては、ベリリウムガラス、ベリリウムガラスセラミックス、ベリリウム合金、ベリリウムセラミックス、ベリリウム内包フラーレン等を用いることができる。これらの中でも、ベリリウム及び酸化ベリリウムは９Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応の閾値（約４ＭｅＶ）が比較的高いものの、高融点（ベリリウムの融点：約１２７８℃、酸化ベリリウムの融点：２５７０℃）であるので最も好ましい。ベリリウムガラス、ベリリウムセラミック、ベリリウム原子内包フラーレンは、ベリリウムの単体が溶出することがないので好ましい。ベリリウム元素は、中性子発生標的材１内に、本発明の効果を発揮しうる量を含んでいればよいが、純度が高い方が好ましい。純度が９９．０％より高ければ、高い中性子強度を実現しやすくなる。 As the material containing the beryllium element, for example, a single beryllium, a beryllium compound, a beryllium composite material, or the like can be used. Examples of the beryllium compound include beryllium oxide (BeO), beryllium nitride (Be 3 N 2 ), beryllium carbide, beryllium hydroxide (Be (OH) 2 ), beryllium acetate (Be (CH 3 CO 2 ) 2 ), and carbonic acid. Beryllium (BeCO 3 ), beryllium sulfate (BeSO 4 ), beryllium nitrate (Be (NO 3 ) 2 ), beryllium phosphate (Be 3 (PO 4 ) 2 ), beryllium silicate (Be 2 SiO 4 ), beryllium aluminate (Be (AlO 2 ) 2 ), beryllium titanate (BeTiO 3 ), beryllium niobate (Be (NbO 3 ) 2 ), beryllium tantalate (Be (TaO 2 ) 2 ), and the like can be used. As the beryllium composite material, beryllium glass, beryllium glass ceramics, beryllium alloy, beryllium ceramics, beryllium-encapsulated fullerene, or the like can be used. Among these, beryllium and beryllium oxide have a relatively high 9Be (p, n) reaction threshold (about 4 MeV) but have a high melting point (beryllium melting point: about 1278 ° C., beryllium oxide melting point: 2570 ° C.). Most preferred. Beryllium glass, beryllium ceramic, and beryllium-containing endohedral fullerenes are preferable because the beryllium element does not elute. The beryllium element should just contain the quantity which can exhibit the effect of this invention in the neutron generation target material 1, but the one where purity is higher is preferable. If the purity is higher than 99.0%, high neutron intensity is easily realized.
中性子発生標的材１の厚みは、入射する陽子の飛程以下である。中性子発生用ターゲット１０に加速された陽子が入射すると、入射した陽子は所定の飛程を進んだ後に停止する。この陽子が止まる地点で、最大熱量が発生する。この発熱量のピークのことを一般的に、ブラックピークと呼ぶ。図２は、入射した陽子のエネルギーに対するブラックピークの深さ及び発熱量を図示したグラフである。図２に示すように、入射する陽子のエネルギーが大きければ、それだけベリリウムの被照射面から陽子が侵入する深さが深くなる。また入射する陽子のエネルギーが小さい方が、陽子が停止する際に発生する発熱量が大きくなる傾向にある。 The thickness of the neutron-generating target material 1 is less than or equal to the range of incident protons. When the accelerated protons enter the neutron generation target 10, the incident protons stop after proceeding a predetermined range. The maximum amount of heat is generated at the point where this proton stops. This peak of calorific value is generally called a black peak. FIG. 2 is a graph illustrating the black peak depth and calorific value with respect to the incident proton energy. As shown in FIG. 2, the greater the energy of the incident protons, the deeper the depth of proton penetration from the irradiated surface of beryllium. Also, the smaller the energy of the incident protons, the greater the amount of heat generated when the protons stop.
中性子発生標的材１の厚みが、入射する陽子の飛程以上であると、入射した陽子は中性子発生標的材１内部で停止する。すなわち、中性子発生標的材１内部で最大熱量が発生する。ベリリウムは、比較的融点が高いため、ある程度の発熱量であれば融解することは無いが、発熱量が大きければ融解の恐れも生じてくる。また、陽子とベリリウム元素を含む材料との反応により、中性子発生標的材１内部で水素が発生する。この水素はブリスタリングを生み出す。
これに対し、中性子発生標的材１の厚みが入射する陽子の飛程以下であると、陽子は中性子発生標的材１を通過後に停止する。そのため、中性子発生標的材１への大熱量入射を排除できる。また、陽子が耐ブリスタリング中間材２内部で停止した場合、耐ブリスタリング中間材２は水素を蓄積可能であるため、ブリスタリングの発生を抑制することができる。
When the thickness of the neutron generation target material 1 is equal to or greater than the range of the incident protons, the incident protons stop inside the neutron generation target material 1. That is, the maximum amount of heat is generated inside the neutron generation target material 1. Since beryllium has a relatively high melting point, it will not melt if it generates a certain amount of heat, but if it generates a large amount of heat, it may also melt. Further, hydrogen is generated inside the neutron generation target material 1 by the reaction between the proton and the material containing the beryllium element. This hydrogen creates blistering.
On the other hand, if the thickness of the neutron generating target material 1 is equal to or less than the range of the incident protons, the protons stop after passing through the neutron generating target material 1. For this reason, it is possible to eliminate a large amount of heat incident on the neutron generation target material 1. Further, when the proton stops inside the blistering-resistant intermediate material 2, the blistering-resistant intermediate material 2 can accumulate hydrogen, so that the occurrence of blistering can be suppressed.
また図２より、陽子の入射エネルギーが１５ＭｅＶ以下の場合は、その陽子の飛程（ブラックピーク深さ）が２ｍｍ以下である。すなわち、１５ＭｅＶ以下の低エネルギーの陽子を照射する場合は、中性子発生標的材１の厚みを２ｍｍ以下とすることが好ましい。また、さらに低エネルギーの陽子を照射して中性子を発生させることが好ましく、例えば陽子の入射エネルギーが１０ＭｅＶ以下の場合は、その陽子の飛程（ブラックピーク深さ）が１ｍｍ以下である。すなわち、１０ＭｅＶ以下の低エネルギーの陽子を照射する場合は、中性子発生標的材１の厚みを１ｍｍ以下とすることが好ましい。
図２に示すように、低エネルギーの陽子を入射した場合は、特に陽子が停止した際に発生する最大熱量が大きいため、特に本発明の中性子発生用ターゲット１０を用いることで、より効率的な部材の冷却を実現することができる。また取扱い等の強度の面を考えると例えば８ＭｅＶの陽子を入射する場合は、中性子発生標的材１の厚みは０．５ｍｍ程度であることが好ましい。また現実的な作製の容易さの観点からは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。
From FIG. 2, when the proton incident energy is 15 MeV or less, the proton range (black peak depth) is 2 mm or less. That is, when irradiating a low energy proton of 15 MeV or less, the thickness of the neutron generating target material 1 is preferably 2 mm or less. Further, it is preferable to generate neutrons by irradiating protons with lower energy. For example, when the incident energy of protons is 10 MeV or less, the proton range (black peak depth) is 1 mm or less. That is, when irradiating protons of low energy of 10 MeV or less, the thickness of the neutron generating target material 1 is preferably 1 mm or less.
As shown in FIG. 2, when a low energy proton is incident, the maximum amount of heat generated when the proton is stopped is particularly large. Therefore, by using the neutron generation target 10 of the present invention, it is more efficient. Cooling of the member can be realized. Considering the strength of handling and the like, for example, when 8 MeV protons are incident, the thickness of the neutron-generating target material 1 is preferably about 0.5 mm. From the viewpoint of practical ease of production, it is preferably 0.05 mm or more.
耐ブリスタリング中間材２は、ブリスタリングの発生を抑制するために設けた部材であり、水素を蓄積可能な金属又はその金属合金からなる。すなわち、中性子を発生させる中性子発生標的材１と熱を吸収するヒートシンク材３との間に生成する水素を蓄積しても格子が壊れない、いわゆる緩和材（耐ブリスタリング中間材）を設けることにより、ブリスタリングの発生を抑制する。耐ブリスタリング中間材２は、本発明の効果を発揮しうる量を含んでいればよく、その他の不純物等が同時に含まれていてもよい。
水素を蓄積可能な金属又は金属合金としては、例えば、水素吸蔵合金等を用いることができる。具体的には、パラジウム、ニオブ、タンタル、チタンから選ばれる群の一種以上からなる金属又は合金を用いることができる。これらの金属又は合金は、高い水素吸蔵特性を有し、例えばパラジウムでは格子中に１０％以上水素が存在しても格子を破壊する量には至らない。チタンは、一部水素を拡散する特性も有しているため、中でもパラジウム、ニオブ、タンタルが特に好ましい。
The anti-blistering intermediate material 2 is a member provided to suppress the occurrence of blistering, and is made of a metal capable of storing hydrogen or a metal alloy thereof. That is, by providing a so-called relaxation material (blistering resistant intermediate material) that does not break the lattice even if hydrogen generated between the neutron generating target material 1 that generates neutrons and the heat sink material 3 that absorbs heat is accumulated. , Suppress the occurrence of blistering. The anti-blistering intermediate material 2 only needs to contain an amount capable of exhibiting the effects of the present invention, and may contain other impurities at the same time.
As the metal or metal alloy capable of storing hydrogen, for example, a hydrogen storage alloy or the like can be used. Specifically, a metal or alloy made of one or more members selected from the group consisting of palladium, niobium, tantalum, and titanium can be used. These metals or alloys have high hydrogen storage characteristics. For example, in palladium, even if 10% or more of hydrogen is present in the lattice, the amount of the lattice is not destroyed. Titanium also has a characteristic of diffusing part of hydrogen, so palladium, niobium, and tantalum are particularly preferable.
耐ブリスタリング中間材２の厚みは、特に限定されるものではない。ただし、耐ブリスタリング中間材２の厚みが薄すぎると、陽子の飛程にばらつきがある場合に、耐ブリスタリング中間材２中以外の部分で止まる陽子が生じてしまう。そのため、ブリスタリングの抑制効果を最大限に得ることが難しくなる。また耐ブリスタリング中間材２の厚みが厚すぎると、発生した熱量が冷却用ヒートシンク３に伝わりにくくなり、効率的な排熱を阻害する。ここで、「薄すぎる」及び「厚すぎる」という判断は、入射する陽子のエネルギーによって変わるものである。例えば、８ＭｅＶの陽子を入射する場合は、０．５ｍｍ程度の厚みとすることが好ましい。 The thickness of the anti-blistering intermediate material 2 is not particularly limited. However, when the thickness of the anti-blistering intermediate material 2 is too thin, protons that stop at portions other than the anti-blistering intermediate material 2 are generated when the proton range varies. Therefore, it is difficult to obtain the maximum effect of suppressing blistering. On the other hand, if the thickness of the blistering-resistant intermediate material 2 is too thick, the amount of generated heat is difficult to be transmitted to the cooling heat sink 3, thereby hindering efficient exhaust heat. Here, the judgments of “too thin” and “too thick” vary depending on the energy of the incident protons. For example, when an 8 MeV proton is incident, the thickness is preferably about 0.5 mm.
冷却用ヒートシンク３は、中性子発生標的材１及び耐ブリスタリング中間材２を冷却するための部材である。冷却用ヒートシンク３は、内部に水等の熱媒体を流通させる流路３Ａを有していることが好ましい。流路３Ａに流通させる熱媒体の温度を変化させることで、自由に中性子発生標的材１及び耐ブリスタリング中間材２の温度を調整することができる。 The cooling heat sink 3 is a member for cooling the neutron generation target material 1 and the anti-blistering intermediate material 2. The cooling heat sink 3 preferably has a flow path 3A through which a heat medium such as water flows. By changing the temperature of the heat medium flowing through the flow path 3A, the temperatures of the neutron generating target material 1 and the blistering resistant intermediate material 2 can be freely adjusted.
冷却用ヒートシンク３は、熱伝導率の高い材料からなればよく特に限定されるものではないが、例えば銅等を用いることが好ましい。銅は、室温下で４０１Ｗ／ｍＫと非常に熱伝導性が高いためである。 The cooling heat sink 3 is not particularly limited as long as it is made of a material having high thermal conductivity, but it is preferable to use copper or the like, for example. This is because copper has a very high thermal conductivity of 401 W / mK at room temperature.
本発明の一態様に係る中性子発生用ターゲット１０は、上述の構成を有するため、ブリスタリングの発生を効率的に抑制することができると共に、発生した熱量を効率的に排熱する事ができる。すなわち、ブリスタリングの発生を抑制しつつ、安定的かつ効率的に中性子を発生することができる。また低エネルギーの陽子の照射でも、安定的かつ効率的に中性子を発生が可能となる。 Since the neutron generation target 10 according to one embodiment of the present invention has the above-described configuration, generation of blistering can be efficiently suppressed and generated heat can be efficiently exhausted. That is, neutrons can be generated stably and efficiently while suppressing the occurrence of blistering. In addition, neutrons can be generated stably and efficiently even when irradiated with low-energy protons.
（中性子発生方法）
中性子は、この中性子発生用ターゲット１０に陽子が照射されることで発生する。この際の陽子のエネルギーは１５ＭｅＶ以下であることが好ましく、１０ＭｅＶ以下であることがさらに好ましい。当該範囲であれば、装置を構成する部材を放射化し、有害な高速中性子の発生を抑制することができ、ＢＮＣＴの治療や、建物の非破壊検査に好適に用いることができる。またベリリウムを中性子発生用ターゲットとして用いた中性子の発生方法では、従来これらの低エネルギーの陽子では、安定的かつ効率的に中性子を発生させることができなかったが、当該中性子発生用ターゲットを用いることで、低エネルギーの陽子でも安定的かつ効率的に中性子を発生させることを可能とした。
(Neutron generation method)
Neutrons are generated when the neutron generation target 10 is irradiated with protons. At this time, the energy of the proton is preferably 15 MeV or less, and more preferably 10 MeV or less. If it is the said range, the member which comprises an apparatus can be activated and generation | occurrence | production of a detrimental fast neutron can be suppressed, and it can use suitably for the treatment of BNCT and the nondestructive inspection of a building. Also, in the neutron generation method using beryllium as a neutron generation target, these low energy protons could not be generated stably and efficiently in the past, but the neutron generation target should be used. Therefore, neutrons can be generated stably and efficiently even with low energy protons.
（中性子発生用ターゲットの製造方法）
上述の中性子発生用ターゲット１０は、中性子発生標的材１と、耐ブリスタリング中間材２、及び冷却用ヒートシンク３を熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ；ＨＩＰ）で順に接合することで製造する。
ここで、熱間等方圧加圧法とは、高温下で被処理体に対して等方的な圧力を同時に加える加工法である。ホットップレス、圧延等とは異なり、等方的に圧力を印加する点が大きく異なる。具体的には、アルゴン等の不活性ガスを圧力媒体として等方的に圧力を加えることが一般的である。
(Manufacturing method of neutron generation target)
The neutron generation target 10 described above is manufactured by sequentially joining the neutron generation target material 1, the blistering resistant intermediate material 2, and the cooling heat sink 3 by hot isostatic pressing (HIP). To do.
Here, the hot isostatic pressing method is a processing method in which an isotropic pressure is simultaneously applied to an object to be processed at a high temperature. Unlike hot press, rolling, etc., the point of applying pressure isotropically differs greatly. Specifically, it is common to apply pressure isotropically using an inert gas such as argon as a pressure medium.
中性子発生用ターゲット１０を製造する場合は、中性子発生標的材１と、耐ブリスタリング中間材２、及び冷却用ヒートシンク３を３００℃以上１２８０℃以下の条件下で、５ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の圧力を等方的に加えることが好ましい。温度及び印加圧力が当該範囲であれば、接合界面を拡散接合できる。 When manufacturing the neutron generation target 10, the neutron generation target material 1, the blistering-resistant intermediate material 2, and the cooling heat sink 3 are subjected to a pressure of 5 MPa to 200 MPa under conditions of 300 ° C. to 1280 ° C. Is preferably added. If the temperature and applied pressure are within the above ranges, the bonding interface can be diffusion bonded.
（中性子発生装置）
図３は、本発明の一態様に係る中性子発生装置を模式的に示した図である。また図４は、本発明の一態様に係る中性子発生装置の中性子発生用ターゲット付近を拡大した断面模式図である。
図３に示すように、本発明の一態様に係る中性子発生装置１００は、上述の中性子発生用ターゲット１０と、中性子発生用ターゲット１０に陽子を照射するために陽子を加速する加速器２０と、加速器２０に入射する陽子を発生させるためのイオン源３０とを備える。図３の構成では、加速器２０は、高周波四重極加速器（ＲＦＱ）２１とドリフトチューブ型線形加速器（ＤＴＬ）２２を繋いだ直線型加速器を図示しているが、当該構成には限られない。加速器は、シンクロトロンやサイクロトロン等の大型加速器でもよいが、大電流の陽子を１５ＭｅＶ以下に加速することができる小型の直線型加速器を用いることが好ましい。また大電流の陽子を１０ＭｅＶ以下に加速することができる小型の直線型加速器を用いることがさらに好ましい。加速器ＢＮＣＴ等で代表される医療現場での使用を鑑みると、小型の直線型加速器を用いることが実用的であるためである。
(Neutron generator)
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a neutron generator according to an aspect of the present invention. FIG. 4 is an enlarged schematic cross-sectional view of the vicinity of the neutron generation target of the neutron generator according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the neutron generator 100 according to one aspect of the present invention includes the above-described neutron generation target 10, an accelerator 20 that accelerates protons to irradiate the neutron generation target 10 with protons, and an accelerator. And an ion source 30 for generating protons incident on 20. In the configuration of FIG. 3, the accelerator 20 is a linear accelerator in which a high-frequency quadrupole accelerator (RFQ) 21 and a drift tube linear accelerator (DTL) 22 are connected, but the configuration is not limited thereto. The accelerator may be a large accelerator such as a synchrotron or a cyclotron, but it is preferable to use a small linear accelerator capable of accelerating a high-current proton to 15 MeV or less. It is further preferable to use a small linear accelerator capable of accelerating a high-current proton to 10 MeV or less. This is because it is practical to use a small linear accelerator in view of use in a medical field represented by an accelerator BNCT or the like.
加速器２０の一端に設けられたイオン源３０から発生した陽子は、加速器２０の加速空洞に入射し、加速される。加速された陽子は、加速２０の反対側の端部から出射し、中性子発生用ターゲット１０に入射する。中性子発生用ターゲット１０に入射した陽子は、上述のように中性子を発生する。 Protons generated from the ion source 30 provided at one end of the accelerator 20 enter the acceleration cavity of the accelerator 20 and are accelerated. The accelerated protons are emitted from the opposite end of the acceleration 20 and enter the neutron generation target 10. Protons incident on the neutron generation target 10 generate neutrons as described above.
発生した中性子は、図４に示すように、高速中性子フィルター１１を通過することで、装置を構成する部材等の放射化能が高く、有害な高速中性子を除去する。この中性子は、モデレータ１２で減速調整され、さらにコリメータ１３でビーム孔１４に向けて集束する。この際、周囲は遮蔽板１５で遮蔽され、発生した中性子が外部に漏れることを抑制している。集束した中性子ビームは、例えば被験者に照射するとＢＮＣＴに用いることができる。また橋脚や高層ビル等の非破壊検査にも用いることができる。 As shown in FIG. 4, the generated neutron passes through the fast neutron filter 11, thereby removing harmful fast fast neutrons with high activation ability of members constituting the device. The neutron is decelerated and adjusted by the moderator 12 and further focused toward the beam hole 14 by the collimator 13. At this time, the surroundings are shielded by the shielding plate 15 to prevent the generated neutrons from leaking to the outside. The focused neutron beam can be used for BNCT, for example, when irradiated on a subject. It can also be used for non-destructive inspection of bridge piers and high-rise buildings.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited only to a following example.
中性子発生用ターゲットを作製する。０．５ｍｍ厚のベリリウム金属板と、０．５ｍｍ厚の耐ブリスタリング中間材と、内部に冷却水を流通できる流路を有する銅からなる冷却用ヒートシンクを用意した。耐ブルスタリング中間材の材料としては、ニオブ（実施例１）、パラジウム（実施例２）、タンタル（実施例３）、チタン（実施例４）の単体からなる部材をそれぞれ用意した。これらは、市販品を購入することで用意することができる。 A neutron generation target is prepared. A cooling heat sink made of copper having a 0.5 mm-thick beryllium metal plate, a 0.5 mm-thick blistering-resistant intermediate material, and a flow path through which cooling water can flow is prepared. As materials for the anti-brushing intermediate material, members made of niobium (Example 1), palladium (Example 2), tantalum (Example 3), and titanium (Example 4) were prepared. These can be prepared by purchasing a commercial product.
ついで、これらをベリリウム金属板／耐ブリスタリング中間材／銅（冷却用ヒートシンク）の順になるように、１２８０℃の温度条件下で、５ＭＰａ以上の圧力を等方的に印加することでＨＩＰ接合した。 Next, HIP bonding was performed by isotropically applying a pressure of 5 MPa or more under a temperature condition of 1280 ° C. so as to be in the order of beryllium metal plate / blister resistant intermediate material / copper (cooling heat sink). .
図５は、実施例１〜４の中性子発生用ターゲットの接合界面の断面図である。図示左側が光学顕微鏡画像であり、図示右側が反射電子像である。また図示上から、実施例１〜４の順に並んでいる。図６は、実施例１のニオブ（耐ブリスタリング中間材）と銅（冷却用ヒートシールド）の接合界面をさらに拡大した電子顕微鏡画像である。
図５及び図６から接合界面の反応層が確認でき、拡散接合していることが確認できる。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the bonding interface of the neutron generation targets of Examples 1 to 4. The left side is an optical microscope image, and the right side is a backscattered electron image. Moreover, it arranges in order of Examples 1-4 from illustration. FIG. 6 is an electron microscope image in which the joint interface between niobium (blister-resistant intermediate material) and copper (cooling heat shield) of Example 1 is further enlarged.
The reaction layer at the bonding interface can be confirmed from FIGS. 5 and 6, and it can be confirmed that the diffusion bonding is performed.
またこれらの接合界面の状態を、超音波を用いた非破壊検査で確認した。この結果、部材間における欠陥に起因する音波の反射の乱れは確認されず、適切に接合できていることが分かった。 Moreover, the state of these joint interfaces was confirmed by nondestructive inspection using ultrasonic waves. As a result, it was found that the disturbance of the reflection of the sound wave caused by the defect between the members was not confirmed, and the joining was appropriately performed.
次いで、このようにして得られた実施例１〜実施例４の中性子発生用ターゲットに、５０ｋＷ前後の大強度陽子を入射した際の熱伝導度の測定を行った。図７は、実施例１の中性子発生用ターゲットの熱伝導特性を測定する実験の概略模式図を示す。
図７に示すように、ベリリウム金属板からなる中性子発生標的材１の被照射面に対して、レーザーパルスを入射し、中性子発生標的材１と反対側（すなわち、冷却用ヒートシールド３の耐ブリスタリング中間材２との接合界面と反対側の面）の温度上昇の速度を赤外線ヒートカメラ４０で測定した（レーザーフラッシュ法）。入射するパルスレーザーの条件は、パルス幅０．４ｍｓ、パルスエネルギー１０Ｊ／パルス、レーザー波長１．０６μｍ、レーザービーム径１０φとし、中性子発生標的材の試料厚を２．６７ｍｍとした。図８は、レーザーフラッシュ法を用いて赤外線ヒートカメラが測定した中性子発生標的材１と反対側の温度上昇を示す。横軸は、レーザーパルスを照射した後の経過時間を示し、縦軸は赤外線ヒートカメラで測定した温度を示す。この検討を複数回行った平均結果から、実施例１〜４の中性子発生用ターゲットのいずれも２００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導度を有することを確認した。この数値は、ベリリウム金属板／耐ブリスタリング中間材／銅（冷却用ヒートシンク）が原子レベルで理想的に接合して初めて実現可能な計測値出るため、この結果からも各界面が原子レベルで接合していることを確認できた。
Next, the thermal conductivity was measured when high-intensity protons of about 50 kW were incident on the neutron generation targets of Examples 1 to 4 obtained as described above. FIG. 7 is a schematic diagram of an experiment for measuring the heat conduction characteristics of the neutron generation target of Example 1.
As shown in FIG. 7, a laser pulse is incident on the irradiated surface of the neutron generation target material 1 made of a beryllium metal plate, and the side opposite to the neutron generation target material 1 (that is, the blister resistance of the heat shield 3 for cooling). The rate of temperature rise on the surface opposite to the bonding interface with the ring intermediate member 2 was measured with an infrared heat camera 40 (laser flash method). The conditions of the incident pulse laser were such that the pulse width was 0.4 ms, the pulse energy was 10 J / pulse, the laser wavelength was 1.06 μm, the laser beam diameter was 10φ, and the sample thickness of the neutron generation target material was 2.67 mm. FIG. 8 shows the temperature rise on the side opposite to the neutron generation target material 1 measured by an infrared heat camera using the laser flash method. The horizontal axis indicates the elapsed time after laser pulse irradiation, and the vertical axis indicates the temperature measured with an infrared heat camera. From the average result obtained by conducting this examination a plurality of times, it was confirmed that any of the targets for generating neutrons of Examples 1 to 4 has a thermal conductivity of 200 W / m · K. This value is obtained only after the beryllium metal plate / blistering-resistant intermediate material / copper (cooling heat sink) is ideally bonded at the atomic level, and this result also indicates that each interface is bonded at the atomic level. I was able to confirm.
また計算機シミュレーションによって大熱量をベリリウム層側に照射した場合の温度分布について評価を行った。図９に熱分布のシミュレーション結果を示す。耐ベリリウム中間材はパラジウムの場合の結果である。８０ｋＷ（８ＭｅＶ×１０ｍＡ）の陽子ビームを１５×１５ｃｍ２に広げて中性子発生標的材１（ベリリウム面；図の上段側）に照射した場合、ベリリウム面には熱密度４．５ＭＷ／ｍ２の熱負荷がかかることを仮定して熱分布の解析を行った。解析の結果から中性子発生標的材１の表面温度は２２０℃以下に抑えられ、これはベリリウムの融点（約１２８０℃）よりも大幅に低い温度であり、８０ｋＷという熱負荷に対して安定的に使用できることを確認した。また耐ブリスタリング中間材領域も２００℃以下であり、冷却水位置においても核沸騰冷却を担保でき、熱負荷に対しては長期間健全に使用できることを確認した。すなわち、８０ｋＷ，４．５ＭＷ／ｍ２という大熱負荷に対してもベリリウムが融解することなく、中性子を発生できることが確認できた。 We also evaluated the temperature distribution when a large amount of heat was applied to the beryllium layer by computer simulation. FIG. 9 shows the simulation result of the heat distribution. The beryllium resistant intermediate material is the result for palladium. When an 80 kW (8 MeV × 10 mA) proton beam is expanded to 15 × 15 cm 2 and irradiated to the neutron generation target material 1 (beryllium surface; upper side of the figure), the beryllium surface has a heat density of 4.5 MW / m 2 . The heat distribution was analyzed on the assumption that a load was applied. From the analysis results, the surface temperature of the neutron generation target material 1 is suppressed to 220 ° C. or lower, which is significantly lower than the melting point of beryllium (about 1280 ° C.), and can be used stably against a heat load of 80 kW. I confirmed that I can do it. In addition, it was confirmed that the blistering-resistant intermediate material region was 200 ° C. or lower, nucleate boiling cooling could be ensured even at the cooling water position, and it could be used soundly for a long time against heat load. That is, it was confirmed that neutrons can be generated without melting beryllium even with a large heat load of 80 kW and 4.5 MW / m 2 .
また、実施例１〜４の中性子発生用ターゲットにおいてブリスタリングの発生の有無を、確認した。ブリスタリングの有無の確認は、１０ｍｍ×１０ｍｍの試料片に陽子を照射し、その場観察で中性子発生用ターゲットの損傷の有無を目視で確認した。その結果、各実施例の耐ブリスタリング中間材（パラジウム、ニオブ、タンタル、チタン）が陽子を受け止めることで、ブリスタリングが発生しないことが確認された。その結果、実施例１〜４の中性子発生用ターゲットが１年以上の使用（２時間照射×２５日＝５００時間）に耐えることのできる長寿命性能を確保できることが確認できた。 Moreover, the presence or absence of generation | occurrence | production of blistering was confirmed in the target for neutron generation of Examples 1-4. Confirmation of the presence or absence of blistering was performed by irradiating a 10 mm × 10 mm sample piece with protons and visually confirming whether or not the target for neutron generation was damaged. As a result, it was confirmed that the blistering-resistant intermediate material (palladium, niobium, tantalum, titanium) of each example received protons, and thus no blistering occurred. As a result, it was confirmed that the neutron generating targets of Examples 1 to 4 can ensure long-life performance that can withstand use for more than 1 year (2 hours irradiation × 25 days = 500 hours).
またこの実施例１の中性子発生用ターゲットを用いて、図３の中性子発生用装置から出射される熱外中性子束をモンテカルロ解析を用いたシミュレーションで計算した。計算の条件としては、５ｍＡ以上の陽子を発生して８ＭｅＶまで加速した。そして、この４０ｋＷ以上の陽子ビームを実施例１の中性子発生用ターゲットに照射させた。その結果、１×１０１２（ｃｍ−２ｓ−１） の中性子が発生し、ビーム孔位置で２×１０９（ｃｍ−２ｓ−１）以上の熱外中性子束を得られることがわかった。この中性子強度は、ＢＮＣＴの治療を約２０分で完了できる強度であり、例えば特許文献８に記載の中性子発生源より２桁以上大きい強度である。 Further, by using the neutron generation target of Example 1, the epithermal neutron flux emitted from the neutron generation apparatus of FIG. 3 was calculated by simulation using Monte Carlo analysis. As calculation conditions, protons of 5 mA or more were generated and accelerated to 8 MeV. Then, the neutron generation target of Example 1 was irradiated with the proton beam of 40 kW or more. As a result, it was found that 1 × 10 12 (cm −2 s −1 ) neutrons were generated and an epithermal neutron flux of 2 × 10 9 (cm −2 s −1 ) or more was obtained at the beam hole position. . This neutron intensity is an intensity that can complete the treatment of BNCT in about 20 minutes, and is, for example, an intensity that is at least two orders of magnitude higher than the neutron generation source described in Patent Document 8.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.
本発明の中性子発生用ターゲット、中性子発生装置は、ＢＮＣＴの治療に用いることができる。また、研究用／産業・工業用の加速器中性子源の標的装置としても適用できる。さらにこの中性子源を用いた中性子の利用としては、橋脚や高層ビル等に対する非破壊検査、放射化分析、タンパクの構造解析及び分子イメージング研究などにも用いることができる。 The target for neutron generation and the neutron generator of the present invention can be used for treatment of BNCT. It can also be applied as a target device for research / industrial / industrial accelerator neutron sources. Furthermore, the use of neutrons using this neutron source can be used for non-destructive inspection, activation analysis, protein structural analysis, molecular imaging research, etc. for piers and high-rise buildings.
１…中性子発生標的材、２…耐ブリスタリング中間材、３…冷却ヒートシールド、３Ａ…流路、１０…中性子発生用ターゲット、１１…高速中性子フィルター、１２…モデレータ、１３…コリメータ、１４…ビーム孔、２０…加速器、２１…高周波四重極加速器、２２…ドリフトチューブ型線形加速器（ＤＴＬ）、３０…イオン源、４０…赤外線ヒートカメラ、１００…中性子発生装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Neutron generation target material, 2 ... Anti-blistering intermediate material, 3 ... Cooling heat shield, 3A ... Flow path, 10 ... Neutron generation target, 11 ... Fast neutron filter, 12 ... Moderator, 13 ... Collimator, 14 ... Beam 20 ... accelerator, 21 ... high frequency quadrupole accelerator, 22 ... drift tube type linear accelerator (DTL), 30 ... ion source, 40 ... infrared heat camera, 100 ... neutron generator
Claims (8)
水素を蓄積可能な金属またはその合金からなる耐ブリスタリング中間材と、
前記中性子発生標的材及び前記耐ブリスタリング中間材を冷却する冷却用ヒートシンクとを順に備え、
前記中性子発生標的材の厚みが、入射する陽子の飛程以下であることを特徴とする中性子発生用ターゲット。 A neutron-generating target material containing beryllium that generates protons and neutrons;
An anti-blistering intermediate material made of a metal capable of storing hydrogen or an alloy thereof;
A cooling heat sink for sequentially cooling the neutron-generating target material and the blistering-resistant intermediate material,
A target for neutron generation, wherein the neutron generation target material has a thickness equal to or less than a range of incident protons.
前記中性子発生用ターゲットに陽子を照射するために陽子を加速する加速器と、
前記加速器に入射する陽子を発生させるためのイオン源とを備えることを特徴とする中性子発生装置。 A target for neutron generation according to any one of claims 1 to 4,
An accelerator for accelerating protons to irradiate the neutron generation target with protons;
A neutron generator comprising: an ion source for generating protons incident on the accelerator.
前記中性子発生標的材と前記耐ブリスタリング中間材、及び、前記耐ブリスタリング中間材と前記冷却用ヒートシンクを熱間等方圧加圧法で接合することを特徴とする中性子発生用ターゲットの製造方法。 It is a manufacturing method of the target for neutron generation as described in any one of Claims 1-4,
A method for producing a neutron generation target, comprising joining the neutron generation target material and the blistering-resistant intermediate material, and the blistering-resistant intermediate material and the cooling heat sink by a hot isostatic pressing method.
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