JP2017069018A - 中性子発生標的装置及びホウ素中性子捕捉療法システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット材の熱負荷を十分に除熱することで、陽子ビームの強度を高めることが可能な中性子発生標的装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、中性子発生標的装置３は、陽子ビーム７の照射を受けて中性子を発生するターゲット材９と、ターゲット材９の陽子ビーム７の照射を受ける面と反対側に設けられ、液体金属１３を流動させる液体金属往路１６，液体金属復路１７と、を備える。また、ターゲット材９の厚さは、陽子ビーム７の飛程よりも薄く、かつ液体金属１３で中性子を発生させる閾値エネルギー以上のエネルギーを液体金属１３に与えられる厚さにする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、中性子発生標的装置及びホウ素中性子捕捉療法システムに関する。

ホウ素中性子捕捉療法は、ホウ素ががん細胞に非常に高い割合で集積することを利用して、あらかじめ中性子のトレーサとしてホウ素化合物を患者に投与し、その状態の患者のがん細胞に原子炉又は加速器で生成した中性子を照射することで、がん細胞のみを選択的に破壊するという治療方法である。このような特徴により、ホウ素中性子捕捉療法は、がん細胞と正常細胞を区別することが困難な重粒子線治療方法等の放射線治療方法と比べて、正常細胞へのダメージが少ない治療が可能である。

この治療を行うためのホウ素中性子捕捉療法システムは、図８に示すように、概ね陽子加速器１、中性子発生標的装置（以下、ターゲット装置という。）３を有する中性子発生源２、ビーム照射孔６を有する中性子減速機構４、中性子照射位置制御機構５から構成されている。陽子加速器１は、図示しないイオン源により生成された陽子ビーム７を高エネルギーに加速する。ビーム照射孔６は、患者Ｐに中性子を照射するため、中性子照射位置制御機構５側に設けられている。これにより、陽子加速器１にて加速した陽子ビーム７を中性子発生源２のターゲット装置３に照射することで、患者Ｐの体内のホウ素に照射するための中性子を得ることができる。

上記中性子を得る際にターゲット装置３で発生する熱負荷は、一般的にはターゲット装置３に流動させる冷却水で冷却される。例えば、水で冷却する面に旋回状の流路を設けることで、除熱性能の向上を図る技術が知られている。

特許第４７３９３５８号公報

ところで、陽子ビーム７で照射可能な最大面積と発生する熱負荷を考慮すると、ターゲット装置３で除熱すべき熱量（熱流束）が数ＭＷ／ｍ^２に及ぶ。上述したように除熱のための冷却材には水が用いられているものの、水は除熱能力が不足しているため、陽子ビームの強度を低く、時間当たりに得られる中性子量を少なくして対応している。その結果、ホウ素中性子捕捉療法の治療時間が長時間に及ぶという問題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、ターゲット材の熱負荷を十分に除熱することで、例えば陽子ビームの強度を高めることが可能な中性子発生標的装置及びホウ素中性子捕捉療法システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る中性子発生標的装置は、陽子ビームの照射を受けて中性子を発生するターゲット材と、前記ターゲット材の前記陽子ビームの照射を受ける面と反対側に設けられ、液体金属を流動させる液体金属流路と、を備えることを特徴とする。

本実施形態に係るホウ素中性子捕捉療法システムは、前記実施形態の中性子発生標的装置を備えたことを特徴とする。

本実施形態によれば、ターゲット材の熱負荷を十分に除熱することができる。

第１実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。 図１の液体金属流路を示す拡大断面図である。 第１実施形態においてターゲント材にチタンを用い、液体金属にリチウムを用いた場合の中性子収率の例を示すグラフである。 第１実施形態の第１変形例の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。 第１実施形態の第２変形例の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。 第２実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。 第３実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。 ホウ素中性子捕捉療法を用いた一般的なシステムを模式的に示すブロック図である。

以下、本実施形態に係る中性子発生標的装置及び方法について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。図２は図１の液体金属流路を示す拡大断面図である。図３は第１実施形態においてターゲット材にチタンを用い、液体金属にリチウムを用いた場合の中性子収率の例を示すグラフである。なお、以下の実施形態及び変形例の中性子発生標的装置は、図８に示すホウ素中性子捕捉療法システム内に設置されたターゲット装置３に対応している。

図１に示すように、本実施形態のターゲット装置３は、陽子ビーム７が通過する真空領域を形成する筒体８を有している。この筒体８内には、ターゲット材９が設置され、このターゲット材９に陽子ビーム７が照射される。このターゲット材９には、例えばチタンや鉄、すず、タンタル、銅、ベリリウム等が用いられる。

筒体８の外周面には、環状のフランジ部１０が固定されている。このフランジ部１０には、外側容器１１の一端の開口端が固定されて閉止される。外側容器１１の内側には、内側容器１２が間隔をあけて同心状に設置されている。内側容器１２の周面は、筒体８の外側に間隔をあけて同心状に設置されている。内側容器１２は、陽子ビーム７の軸方向と直交する面がターゲット材９の外側に間隔をあけて設置されている。

外側容器１１の他端には、冷却材としての液体金属１３が流出する流出部１４が形成されている。流出部１４には、流出口１４ａが設けられている。流出部１４の内周側には、液体金属１３が流入する流入部１５が設置されている。この流入部１５の一端に流入口１５ａが設けられ、その他端は内側容器１２まで延びて連結され、内側容器１２の内部と連通状態になっている。流入部１５は、ターゲット材９の面に対して直交する方向に設置されている。液体金属１３には、例えばリチウム、ナトリウム、水銀等が用いられる。

これら筒体８の外周及びターゲット材９の外側と内側容器１２との間は、液体金属流路としての環状の液体金属往路１６が形成される。すなわち、図２に示すように陽子ビーム７が照射されるターゲット材９の照射面と反対側に間隔をあけて内側容器１２を設置することで、液体金属１３を流動させる液体金属往路１６が形成される。液体金属往路１６は、流入部１５と連通している。内側容器１２及び流入部１５と外側容器１１との間は、液体金属流路としての環状の液体金属復路１７が形成される。液体金属復路１７は、流出部１４と連通している。

ターゲット材９の厚さは、陽子ビーム７の飛程よりも薄く、かつ液体金属１３で中性子を発生させるための閾値エネルギー以上のエネルギーを陽子ビーム７が液体金属１３に与えられる厚さに設定されている。

ターゲット材９と内側容器１２との間の液体金属往路１６の流路幅Ｄは、液体金属１３に入射する際のエネルギーを有する陽子ビーム７の飛程よりも大きく設定されている。したがって、陽子ビーム７の飛程は、ターゲット材９の厚さより長く、かつ内側容器１２までに達しないようになっている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

図１に示すように、液体金属１３は、流入部１５の流入口１５ａから流入し、ターゲット材９に当たって環状の液体金属往路１６を流動した後、フランジ部１０に至る。このフランジ部１０で液体金属１３の流れる方向が反転し、環状の液体金属復路１７に流入する。液体金属１３は、液体金属復路１７を流動した後、流出部１４の流出口１４ａから流出される。

このように陽子ビーム７が照射されるターゲット材９の照射面と反対側の面に液体金属１３を流入させ、ターゲット材９及び液体金属１３内部で発生する熱負荷を取り除く。このとき、ターゲット材９面に直交する方向に流入部１５を設けて液体金属１３を流入させ、ターゲット材９に対して液体金属１３を強制的に噴流させることで、高い除熱性能を得ることができる。

ターゲット材９に照射された陽子ビーム７は、ターゲット材９にて中性子を発生させる。陽子ビーム７の一部は、ターゲット材９の厚さ方向に通過して液体金属１３に至る。そして、陽子ビーム７は、液体金属１３にてさらに中性子を発生させる。

ターゲット材９で発生する熱負荷は、流動する液体金属１３により除熱されるとともに、液体金属１３の内部で発生する熱負荷は、流動する液体金属１３にて搬送される。

従来は、ターゲット材のみに依存していた中性子の獲得を、本実施形態では、ターゲット材９及び液体金属１３の双方に分担させることができるため、ターゲット装置３で発生する熱負荷を低減させることができる。

図３は、ターゲット材９にチタンを用いて、液体金属１３にリチウムを用いた場合の中性子収率（陽子１個の入射当たりの中性子発生数）の例を示している。

図３に示すように、比較的小型の加速器で得られる陽子エネルギーの範囲（１０〜３０ＭｅＶ）においては、チタン（Ｔｉ）厚さは０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍで、かつ液体金属であるリチウム（Ｌｉ）の流路幅を陽子がその中で停止することができるように２５ｍｍに設定すると、液体金属が流動しない場合、又は中性子発生がほとんどない水を冷却材とした場合に比べ、数倍以上の中性子収率が得られる。

このように本実施形態のターゲット装置３によれば、陽子ビーム７の照射を受けて中性子を発生するターゲット材９と、このターゲット材９における陽子ビーム７の照射を受ける面と反対側に設けられ、液体金属１３が流動する液体金属往路１６と、を備えることにより、ターゲット材９の熱負荷を十分に除熱することで、陽子ビーム７の強度を高めることができる。

このターゲット装置３を用いたホウ素中性子捕捉療法システムによれば、陽子ビーム７の強度を高めることができるので、治療時間を短縮化することができる。

また、本実施形態のターゲット装置３によれば、ターゲット材９の厚さは、陽子ビーム７の飛程よりも薄く、かつ液体金属１３で中性子を発生させる閾値エネルギー以上のエネルギーを液体金属１３に与えられる厚さにしたことにより、ターゲット材９を通過した陽子ビーム７が液体金属１３に照射される。これにより、液体金属１３にてさらに中性子を発生させることが可能となる。

さらに、本実施形態のターゲット装置３によれば、液体金属往路１６の流路幅Ｄを液体金属１３に入射する際のエネルギーの陽子ビーム７の飛程よりも大きくしたことにより、陽子ビーム７が液体金属往路１６の壁面まで達することがなくなる。その結果、陽子ビーム７が照射されることで液体金属往路１６の壁面が劣化するのを未然に防止することができる。

（第１実施形態の第１変形例）
図４は第１実施形態の第１変形例の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。なお、以下の変形例及び実施形態では、前記第１実施形態と同一又は対応する部分に同一の符号を付してその説明を省略する。

前記第１実施形態では、ターゲット材９が平板状に形成されていたが、第１変形例は、図４に示すようにターゲット材９Ａが陽子ビーム７の照射を受ける面が液体金属往路１６側に膨らむ曲面凸形状に形成されている。

一般的に、ターゲット材の陽子ビーム７が照射される側は、真空に保たれている。ターゲット材の厚さを数ｍｍに薄く形成することに伴って、陽子ビーム７が照射される面と液体金属１３が流動する面との内外差圧に耐えうるように、第１変形例では、図４に示すようにターゲット材９Ａの陽子ビーム７の照射を受ける面が液体金属往路１６側に膨らむ凸形状に形成されている。同様に、内側容器１２Ａも流入部１５側に膨らむ凸形状に形成されている。その他の構成及び作用は、前記第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

このように第１変形例のターゲット材９Ａによれば、陽子ビーム７の照射を受ける面が液体金属往路１６側に膨らむ曲面凸形状に形成されているので、前記第１実施形態の効果に加えて、ターゲット材９Ａを前記第１実施形態のターゲット材９より薄く形成したとしても、陽子ビーム７が照射される面と液体金属１３が流動する面との内外差圧に耐えることが可能である。

（第１実施形態の第２変形例）
図５は第１実施形態の第２変形例の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。

図４に示すように、第２変形例はターゲット材９Ｂが陽子ビーム７の照射を受ける面側に凹む曲面形状に形成されている。同様に、内側容器１２Ｂもターゲット材９Ｂ側に凹む形状に形成されている。内側容器１２Ｂは、ターゲット材９Ｂと同様の曲率で曲がり、その外周端がターゲット材９Ｂ内に配置されている。

したがって、内側容器１２Ｂは、その先端が前記第１実施形態及びその第１変形例と比べてフランジ部１０の近傍まで延びていないので、フランジ部１０で液体金属１３の流れる方向を反転させることがなくなる。これにより、液体金属往路１６及び液体金属復路１７を短くすることができる。

このように第２変形例によれば、ターゲット材９Ｂの陽子ビーム７の照射を受ける面側に凹む曲面形状に形成されているので、ターゲット材９Ｂの座屈を未然に防止することができる。その他の構成及び作用は、前記第１変形例と同様であるのでその説明を省略する。

（第２実施形態）
図６は第２実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。

図６に示すように、本実施形態では、前記第１実施形態の第２変形例と比べて、外側容器１１Ａの長さが長く形成されている。これに伴い、流入部１５Ａの長さも長く形成されている。

したがって、本実施形態では、外側容器１１Ａの長さを長く形成することで、液体金属復路１７の内容積が大きくなり、液体金属１３の熱容量を大きくなる。これにより、ターゲット材９Ｂ及び液体金属１３で発生する熱負荷に対するヒートシンク２１が形成されることになる。

この場合には、ターゲット材９Ｂと液体金属１３で熱負荷の発生が継続する時間（陽子ビーム７の照射時間）と液体金属１３の熱容量との関係から、液体金属１３の温度上昇が定まる。そのため、液体金属１３の温度上昇に対するターゲット材９Ｂの強度や融点に基づき、ヒートシンク２１の内容積が決定される。

このように本実施形態によれば、ターゲット材９Ｂと液体金属１３で発生する熱負荷を受けるためのヒートシンク２１を液体金属復路１７内に設けたことにより、ターゲット材９Ｂの熱負荷をさらに除熱することで、陽子ビーム７の強度を一段と高めることができる。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態の中性子発生標的装置の断面を模式的に示す構成図である。

図７に示すように、ターゲット材９Ａが液体金属流路１８側に膨らむ凸形状に形成されている。液体金属流路１８もターゲット材９Ａと同様の方向に膨らむ凸形状に形成されている。これにより、液体金属流路１８は、ターゲット材９Ａの曲面に沿って曲線状に形成されている。

液体金属流路１８は、液体金属流入口１９及び液体金属流出口２０を有し、これら液体金属流入口１９及び液体金属流出口２０は、陽子ビーム７の軸方向と直交する方向に設けられている。

なお、本実施形態は、液体金属１３を大流量で供給して、液体金属流路１８で高い流速が得られる場合に適用される。

このように本実施形態によれば、液体金属流入口１９及び液体金属流出口２０は、陽子ビーム７の軸方向と直交する方向に設けることで、レイアウトの自由度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記第１実施形態の第１変形例と第２実施形態を組合せて構成し、また上記第１実施形態の第２変形例と第３実施形態を組合せて構成することが可能である。

１…陽子加速器、２…中性子発生源、３…中性子発生標的装置（ターゲット装置）、４…中性子減速機構、５…中性子照射位置制御機構、６…ビーム照射孔、７…陽子ビーム、８…筒体、９，９Ａ，９Ｂ…ターゲット材、１０…フランジ部、１１，１１Ａ…外側容器、１２，１２Ａ，１２Ｂ…内側容器、１３…液体金属、１４…流出部、１４ａ…流出口、１５…流入部、１５Ａ…流入部、１５ａ…流入口、１６…液体金属往路（液体金属流路）、１７…液体金属復路（液体金属流路）、１８…液体金属流路、１９…液体金属流入口、２０…液体金属流出口、２１…ヒートシンク、Ｄ…流路幅、Ｐ…患者

Claims (5)

1. 陽子ビームの照射を受けて中性子を発生するターゲット材と、
   前記ターゲット材の前記陽子ビームの照射を受ける面と反対側に設けられ、液体金属を流動させる液体金属流路と、
   を備えることを特徴とする中性子発生標的装置。
2. 前記ターゲット材の厚さは、前記ターゲット材に照射される前記陽子ビームの飛程よりも薄く、かつ前記陽子ビームが前記液体金属流路に入射する際のエネルギーが前記液体金属で中性子を発生させる閾値エネルギー以上となる厚さに設定したことを特徴とする請求項１に記載の中性子発生標的装置。
3. 前記液体金属流路の流路幅は、前記液体金属流路に入射する前記陽子ビームの飛程よりも大きくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子発生標的装置。
4. 前記液体金属流路内に、前記ターゲット材及び前記液体金属で発生する熱負荷を受けるためのヒートシンクを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の中性子発生標的装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の中性子発生標的装置を備えることを特徴とするホウ素中性子捕捉療法システム。

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