JP2019215294A - 中性子発生装置及び中性子発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子の利用効率を向上させて低コスト化を推進する中性子発生技術を提供する。【解決手段】中性子発生装置１０は、直進する荷電粒子ビーム１１を輸送する輸送管１２と、この荷電粒子ビーム１１を偏向させる磁場１５を発生する磁場発生手段と、偏向した荷電粒子ビーム１１を入射して生成した中性子１７（１７ａ，１７ｂ）を荷電粒子ビーム１１が入射する内側及びその外側に放出するターゲット１８と、内側に放出された中性子１７ａを反射してターゲット１８の外側に通過させる反射部材１３と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、加速器を用いた中性子の発生技術に関する。

中性子発生装置は、中性子ラジオグラフィ、ホウ素中性子捕獲療法、加速器駆動未臨界炉等の種々な用途に利用されている。このような用途では、荷電粒子ビームを中性子生成ターゲットに入射させることで放出される中性子を対象物に照射している。

図４に示すように従来の中性子発生装置５０は、線形加速器（図示略）により加速した荷電粒子ビーム５３を、輸送管５２の進路方向に対し垂直に配置した中性子生成ターゲット５１に入射させていた。そして、ビーム５３の入射側とは反対側から放出される中性子５５ａを対象物５４に照射させていた。

特開２０１７−１４０４１７号公報

図４に示される従来の中性子発生装置５０において、ターゲット５１から放出される中性子５５は、照射対象５４側に放出される中性子５５ａだけでなく、荷電粒子ビーム５３の入射側に放出される中性子５５ｂも存在する。このビーム入射側から放出される中性子５５ｂは、対象物５４に届かないため中性子５５の利用効率を低下させるだけでなく、輸送管５２を逆走して機器に損傷を与えることが懸念される。

また用途に応じて対象物５４に照射させる中性子５５ａを高出力化する必要がある場合、荷電粒子ビーム５３を高出力にして対応することになる。しかし荷電粒子ビーム５３を高出力化するには、加速器の大型化、高周波電源の大型化が必要になりコスト高になることが避けられない。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、中性子の利用効率を向上させて低コスト化を推進する中性子発生技術を提供することを目的とする。

中性子発生装置において、荷電粒子ビームを輸送する輸送管と、前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生する磁場発生手段と、偏向した前記荷電粒子ビームを入射して生成した中性子を前記荷電粒子ビームが入射する内側及びその外側に放出するターゲットと、前記内側に放出された中性子を反射して前記ターゲットの外側に通過させる反射部材と、を備える。

本発明の実施形態により、中性子の利用効率を向上させて低コスト化を推進する中性子発生技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係る中性子発生装置のＹ−Ｚ断面図。 第１実施形態に係る中性子発生装置のＸ−Ｙ断面図。 第２実施形態に係る中性子発生装置の断面図。 従来の中性子発生装置の断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る中性子発生装置１０ＡのＹ−Ｚ断面図である。図２は第１実施形態に係る中性子発生装置のＸ−Ｙ断面図である。ここで、座標軸は、輸送管１２を進行する荷電粒子ビームの方向をＺ軸に一致させ、磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）から発生する磁場１５の方向をＸ軸に一致させている。

第１実施形態に係る中性子発生装置１０Ａは、荷電粒子ビーム１１を輸送する輸送管１２と、この荷電粒子ビーム１１を偏向させる磁場１５を発生する磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）（図２）と、偏向した荷電粒子ビーム１１を入射して生成した中性子１７（１７ａ，１７ｂ）を荷電粒子ビーム１１が入射する内側及びその外側に放出するターゲット１８と、内側に放出された中性子１７ａを反射してターゲット１８の外側に通過させる反射部材１３と、を備えている。

輸送管１２は、内部が真空状態に保持されたステンレス製の中空管であり、加速器（図示略）により加速された荷電粒子ビーム１１を、ターゲット１８及び反射部材１３の近傍まで輸送する。荷電粒子ビーム１１は、磁場の影響を受けない限りにおいて輸送管１２の内部を直進して輸送される。この輸送管１２の終端は、容器状に成形されている反射部材１３に接続されている。

容器状に成形された反射部材１３は、輸送管１２の接続位置とは別に、ターゲット１８が設けられる開口を有している。そして反射部材１３及びターゲット１８は、輸送管１２の真空空間に連通する密閉容器を形成している。この反射部材１３は、中性子１７ａを反射する機能を有し、輸送管１２とは異なる材質であって、グラフェン、鉛、鉄、ベリリウム及びタングステンのうち少なくとも一つを含む金属で構成されている。そしてターゲット１８から真空空間の内側に放出された中性子１７ａは、反射部材１３の内側の表面を、１回もしくは繰り返し反射してターゲット１８にたどりつき、これを通過して外側の大気側に放出される。

なお、図示される反射部材１３は、ターゲット１８と一体化して真空の密閉容器を形成している形態を例示しているが、その形態に特に限定はない。反射部材１３は、内側に放出された中性子１７ａを反射してターゲット１８の外側に通過させる機能を有していれば適宜採用される。例えば、ターゲット１８に対向する位置であって、荷電粒子ビーム１１の軌道に重ならない位置に板状の反射部材１３を配置してもよい。

磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）は、ターゲット１８の開口方向（Ｙ軸方向）及び直進する荷電粒子ビーム１１の進行方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向（Ｘ軸方向）に磁場１５を発生するものである。この磁場１５の働きにより、直進する荷電粒子ビーム１１の軌道は、その進行方向及び磁場方向に対し垂直に働くローレンツ力を受け、ターゲット１８の開口方向（Ｙ軸方向）に進路が偏向されていく。

図２に示すように磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）は、輸送管１２の終端近傍からターゲット１８にわたる真空領域を挟む位置に配置される。具体的に磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）は、一対の永久磁石、一対の電磁石及び一対の超伝導磁石のうち少なくとも一つで構成されている。なお磁場発生手段１６（１６ａ，１６ｂ）が形成する磁場１５の強度は、偏向した荷電粒子ビーム１１がターゲット１８に垂直に入射するように適宜決定される。

ターゲット１８は、入射した荷電粒子ビーム１１とターゲット１８との金属原子核による原子核反応により中性子１７を発生させるものである。このターゲット１８は、リチウム及びベリリウムのうち少なくとも一つを含む金属で構成されている。ターゲット１８の一方の側から入射した荷電粒子ビーム１１は、生成した中性子１７（１７ａ，１７ｂ）をターゲット１８の両側に放出する。

このターゲット１８の内側に放出された中性子１７ａは、上述したように、反射部材１３で反射され、ターゲット１８を通過してその外側に放出される。これにより、発生した中性子の利用効率を向上させることが可能となり、中性子強度の向上に繋がる。また、真空容器中に放出された中性子１７ａが輸送管１２を逆走することも防止される為、加速器の損傷を抑えることも可能となる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る中性子発生装置１０Ｂの断面図である。また第２実施形態に係る中性子発生装置１０Ｂの磁場１５の方向に沿う断面は図２と同じである。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第２実施形態に係る中性子発生装置１０Ｂは、直進する荷電粒子ビーム１１（１１ａ，１１ｂ）を輸送する輸送管１２（１２ａ，１２ｂ）と、この荷電粒子ビーム１１（１１ａ，１１ｂ）を偏向させる磁場１５を発生する磁場発生手段１６（図２）と、偏向した荷電粒子ビーム１１を内側から入射して生成した中性子１７（１７ａ，１７ｂ）を内側及び外側に放出するターゲット１８と、内側に放出された中性子１７ａを反射してターゲット１８の外側に通過させる反射部材１３と、を備えている。

そして第２実施形態に係る中性子発生装置１０Ｂにおいて、輸送管１２は、プラスに帯電した第１荷電粒子ビーム１１ａを輸送する第１輸送管１２ａとマイナスに帯電した第２荷電粒子ビーム１１ｂを輸送する第２輸送管１２ｂとから構成されている。そして、これら第１荷電粒子ビーム１１ａ及び第２荷電粒子ビーム１１ｂは磁場１５により偏向され、共にターゲット１８に入射する。なお第１荷電粒子ビーム１１ａと第２荷電粒子ビーム１１ｂの組み合わせは、水素イオンと負水素イオンの組み合わせ又は重水素イオンと負重水素イオンの組み合わせが考えられる。

輸送管１２（１２ａ，１２ｂ）の各々は、内部が真空状態に保持されたステンレス製の中空管であり、それぞれ別々の加速器（図示略）に接続されている。この輸送管１２（１２ａ，１２ｂ）の終端は、容器状に成形されている反射部材１３に接続されている。別々の加速器により加速された第１荷電粒子ビーム１１ａ及び第２荷電粒子ビーム１１ｂは、お互いに真正面から衝突する方向から直進して反射部材１３の内部に進入する。

容器状に成形された反射部材１３は、輸送管１２（１２ａ，１２ｂ）の接続位置とは別に、ターゲット１８が設けられる開口を有している。そして反射部材１３及びターゲット１８は、輸送管１２（１２ａ，１２ｂ）の真空空間に連通する密閉容器を形成している。そしてターゲット１８から真空空間の内側に放出された中性子１７ａは、反射部材１３の内側の表面を、１回もしくは繰り返し反射してターゲット１８にたどりつき、これを通過して外側の大気側に放出される。

なお、図示される反射部材１３は、ターゲット１８と一体化して真空の密閉容器を形成している形態を例示しているが、その形態に特に限定はない。反射部材１３は、内側に放出された中性子１７ａを反射してターゲット１８の外側に通過させる機能を有していれば適宜採用される。例えば、ターゲット１８に対向する位置であって、荷電粒子ビーム１１の軌道に重ならない位置に板状の反射部材１３を配置してもよい。

第１荷電粒子ビーム１１ａ及び第２荷電粒子ビーム１１ｂは、進行方向が互いに逆方向であるが、帯電極性も逆であるために、共通の磁場１５により共にターゲット１８の開口方向に進路が偏向されていく。

ターゲット１８は、入射した第１荷電粒子ビーム１１ａ及び第１荷電粒子ビーム１１ｂとターゲット１８との金属原子核による原子核反応により中性子１７をターゲット１８の内側及び外側の両側に放出する。

このターゲット１８の内側に放出された中性子１７ａは、上述したように、反射部材１３で反射され、ターゲット１８を通過してその外側に放出される。第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、プラスおよびマイナスの荷電粒子ビームを同時に使用して中性子を発生させることが可能となる。従来では、加速器で生成されるプラス又はマイナスのいずれか一方に帯電した荷電粒子ビームを利用していたが、プラスとマイナスの両方の極性の荷電粒子ビームを同時使用することができ、発生する中性子強度を向上させることが可能となる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の中性子発生装置によれば、直進する荷電粒子ビームを磁場で偏向させてからターゲットに入射させることにより中性子の利用効率を向上させて低コスト化を推進することが可能となる。

本発明のいくつか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。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…中性子発生装置、１１…荷電粒子ビーム、１１ａ…第１荷電粒子ビーム、１１ｂ…第２荷電粒子ビーム、１２ａ…第１輸送管、１２ｂ…第２輸送管、１３…反射部材、１５…磁場、１６…磁場発生手段、１７（１７ａ，１７ｂ）…中性子、１８…ターゲット。

Claims (8)

1. 荷電粒子ビームを輸送する輸送管と、
   前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生する磁場発生手段と、
   偏向した前記荷電粒子ビームを入射して生成した中性子を前記荷電粒子ビームが入射する内側及びその外側に放出するターゲットと、
   前記内側に放出された中性子を反射して前記ターゲットの外側に通過させる反射部材と、を備えることを特徴とする中性子発生装置。
2. 請求項１に記載の中性子発生装置において、
   前記磁場発生手段は、永久磁石、電磁石及び超伝導磁石のうち少なくとも一つで構成されている中性子発生装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の中性子発生装置において、
   前記ターゲットは、リチウム及びベリリウムのうち少なくとも一つを含む金属で構成されている中性子発生装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の中性子発生装置において、
   前記反射部材及びターゲットは、前記輸送管の真空空間に連通する密閉容器である中性子発生装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の中性子発生装置において、
   前記反射部材は、グラフェン、鉛、鉄、ベリリウム及びタングステンのうち少なくとも一つを含む金属で構成されている中性子発生装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の中性子発生装置において、
   前記輸送管は、プラスに帯電した第１荷電粒子ビームを輸送する第１輸送管とマイナスに帯電した第２荷電粒子ビームを輸送する第２輸送管とから構成され、
   前記第１荷電粒子ビーム及び前記第２荷電粒子ビームは前記磁場発生手段により偏向され、共に前記ターゲットに入射する中性子発生装置。
7. 請求項６に記載の中性子発生装置において、
   第１荷電粒子ビームと第２荷電粒子ビームの組み合わせは、水素イオンと負水素イオンの組み合わせ又は重水素イオンと負重水素イオンの組み合わせである中性子発生装置。
8. 荷電粒子ビームを輸送管により輸送するステップと、
   前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を磁場発生手段により発生するステップと、
   偏向した前記荷電粒子ビームがターゲットに入射して生成した中性子を前記荷電粒子ビームが入射する内側及びその外側に放出するステップと、
   前記内側に放出された中性子を反射部材で反射して前記ターゲットの外側に通過させるステップと、を含むことを特徴とする中性子発生方法。

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