JP2020145158A - 中性子発生装置及び中性子発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットを用いずに中性子線を発生させる。【解決手段】中性子発生装置１は、荷電粒子が周回するメディアンプレーンを挟んで互いに対向して配置された一対の磁極から構成される磁場発生部と、荷電粒子の周回方向に対して交差する方向に延びるギャップを有し、メディアンプレーンの所定位置において当該ギャップにおいて高周波変動する電場を発生する電場発生部６Ａ，６Ｂと、正イオン粒子及び負イオン粒子を、メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するようにメディアンプレーンに供給するイオン供給部としてのイオン源１０Ａ，１０Ｂと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、中性子発生装置及び中性子発生方法に関する。

特許文献１には、サイクロトロンから取り出された荷電粒子線を固体のターゲットに照射することで中性子線を発生させ、当該中性子線を治療台上の被照射体へ照射する中性子線照射システムが記載されている。

特開２０１２−５０６９８号公報

しかしながら、ターゲットに対して荷電粒子線を照射して中性子線を発生させる場合、中性子線の照射を繰り返すことでターゲットが消耗するため、ターゲットを交換する必要がある。また、ターゲットの消耗を防ぐためには、荷電粒子線の照射について種々の調整を加えることが考えられる。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、ターゲットを用いずに中性子線を発生させることが可能な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。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る中性子発生装置は、荷電粒子が周回するメディアンプレーンを挟んで互いに対向して配置された一対の磁極から構成される磁場発生部と、前記荷電粒子の周回方向に対して交差する方向に延びるギャップを有し、前記メディアンプレーンの所定位置において当該ギャップにおいて高周波変動する電場を発生する電場発生部と、正イオン粒子及び負イオン粒子を、前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように前記メディアンプレーンに供給するイオン供給部と、を有する。

また、本発明の一形態に係る中性子発生方法は、一対の磁極から構成される磁場発生部に挟まれたメディアンプレーンに対して、正イオン粒子及び負イオン粒子が前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように、前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子を供給し、前記メディアンプレーンの所定位置において、電場発生部のギャップに発生された高周波変動する電場を発生することで前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子の速度を変化させながら、周回途中で衝突させることで中性子を発生させる。

上記の中性子発生装置及び中性発生方法によれば、メディアンプレーン上で正イオン粒子及び負イオン粒子を逆方向に周回させながら、電場発生部のギャップにおいて高周波変動する電場を形成し、正イオン粒子及び負イオン粒子の速度を変化させる。これにより、正イオン粒子及び負イオン粒子がメディアンプレーン上で衝突することによって中性子が発生する。メディアンプレーン上で、正イオン粒子及び負イオン粒子を逆方向に周回させることにより、同じ電場を利用して正イオン粒子及び負イオン粒子の速度を同時に制御しながら、これらを衝突させて中性子を発生させることができるため、従来の中性子発生装置のように、荷電粒子をターゲットに対して衝突させずに中性子を発生させることができる。

前記イオン供給部は、前記正イオン粒子及び負イオン粒子のそれぞれについて、前記メディアンプレーンを挟んで互いに異なる方向から前記メディアンプレーンに対して供給する態様とすることができる。

メディアンプレーンを挟んで互いに異なる方向からメディアンプレーンに対して正イオン粒子及び負イオン粒子を供給する構成とすることで、正イオン粒子及び負イオン粒子それぞれについて、供給位置や供給タイミング等の細かい調整を行うことが可能となる。

また、前記磁場発生部は、前記メディアンプレーンの周方向に沿って互いに離間して複数設けられている態様とすることができる。メディアンプレーンの周方向に沿って互いに離間して磁場発生部を設けることで、隣接する磁場発生部の隙間等を利用して、メディアンプレーンで発生した中性子を取り出すための構成を設けることができる。そのため、装置で発生した中性子の利用効率を高めることができる。

本発明によれば、ターゲットを用いずに中性子線を発生させることが可能な中性子線発生装置が提供される。

図１は、中性子発生装置の主要部の斜視図である。 図２は、中性子発生装置の主要部の断面図である。 図３は、インフレクタの配置について説明する図である。 図４は、インフレクタの配置及びイオンビームの軌道について説明する図である。 図５は、キャビティ部について説明する図である。 図６は、電場発生部について説明する図である。 図７は、電場発生部による加速及び減速について説明する図である。 図８は、メディアンプレーンでバンチが形成される状態を模式的に示す図である。 図９（ａ）、図９（ｂ）は、メディアンプレーン上でのバンチの移動について説明する図である。 図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、メディアンプレーン上でのバンチの移動について説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る中性子発生装置１の主要部に係る外観の斜視図である。また、図２は、中性子発生装置１の断面図（図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視図）である。中性子発生装置１は、イオン源１０Ａから送り出されたプラスイオン（正イオン粒子）からなるイオンビームＲ１と、イオン源１０Ｂから送り出されたマイナスイオン（負イオン粒子）からなるイオンビームＲ２と、を衝突させて、中性子線を発生させる装置である。イオンビームＲ１としては、正重水素イオンビームが挙げられる。また、イオンビームＲ２としては、負重水素イオンビームが挙げられる。また、この２つのイオンビームＲ１，Ｒ２を組み合わせた場合、中性子線として重水素線が発生し得る（ＤＤ核融合）。

中性子発生装置１は、例えば、医療用中性子照射装置などに用いられる。また、中性子発生装置１は、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）用、ＲＩ（Radio Isotope）製造用、中性子照射ドーピング（ＮＴＤ：Neutron Transmitting Doping）用及び原子核実験用などの用途に用いることができる。なお、中性子発生装置１は、粒子加速器の一種であるサイクロトロンの原理を利用しながら、装置内部でイオン同士の核融合を利用して中性子線を発生させる。

中性子発生装置１は、一対のヨーク２Ａ，２Ｂと、一対のポール３Ａ，３Ｂと、コイル４と、一対のインフレクタ５Ａ，５Ｂと、一対の電場発生部６Ａ，６Ｂ（図１参照）と、一対のイオン源１０Ａ，１０Ｂと、制御部１５と、を備えている。なお、本実施形態では、荷電粒子のイオンビームＲ１、Ｒ２が外部のイオン源１０Ａ，１０Ｂから供給される場合について説明するが、イオン源装置は中性子発生装置１の内部に設けられていてもよい。イオンビームについては後述する。

なお、中性子発生装置１は、所謂分離セクター型サイクロトロン（リングサイクロトロン）である。具体的には、ヨーク２Ａは、４つのセクター磁石２ａから構成されている。また、ヨーク２Ｂは、４つのセクター磁石２ｂから構成されている。ヨーク２Ａを構成するセクター磁石２ａ及びヨーク２Ｂを構成するセクター磁石２ｂは、それぞれ対向配置されている。セクター磁石２ａ，２ｂが対向配置された領域では、セクター磁石２ａ，２ｂによる磁場を受けてイオンビームが偏向される。セクター磁石２ａ，２ｂにより構成される一対のセクター磁石の組は、中性子発生装置１に対して円対称となるように配置されている。

イオン源１０Ａ，１０Ｂは、ヨーク２Ａ，２Ｂの外部に設けられ、イオンを生成する外部イオン源である。中性子発生装置１では、一対のイオン源１０Ａ，１０Ｂは、中性子発生装置１のヨーク２Ａ，２Ｂを挟んで上側と下側とに対向して設けられる。イオン源１０Ａからは、プラスイオンのイオンビームＲ１が出射される。また、イオン源１０ＢからはマイナスイオンのイオンビームＲ２が出射される。

イオン源１０ＡからのイオンビームＲ１は、イオンビームを整流する整流部１１Ａを通る。また、イオン源１０ＢからのイオンビームＲ１は、イオンビームを整流する整流部１１Ｂを通る。整流部１１Ａ，１１Ｂとして、それぞれイオンビームＲ１，Ｒ２の進行方向の密度を調整するバンチャーが設けられていてもよい。バンチャーは、後述の電場発生部６Ａ，６Ｂにおいて発生させる高周波電場における電位差の周期的変化に対応するように、イオンビームＲ１，Ｒ２を進行方向の所定間隔で集束させることにより、中性子発生装置１におけるビーム効率を高めるが可能である。なお、整流部１１Ａ，１１Ｂは、バンチャー以外の機能を有していてもよい。

一対のポール３Ａ，３Ｂは、ヨーク２Ａの内部に配置されたポール３Ａと、ヨーク２Ｂの内部に配置されたポール３Ｂとから構成される磁極である。ポール３Ａはヨーク２Ａの内部の上面に配置されており、ポール３Ｂはヨーク２Ｂの内部の下面に配置されている。ポール３Ａ，３Ｂも、セクター磁石と同様に、それぞれ４つのポールから構成されている。なお、ポール３Ａ及びポール３Ｂの周囲には円環状のコイル４が配置されており、コイル４に対する電流供給によりポール３Ａ，３Ｂの間に鉛直方向の磁場が発生する。ポール３Ａ，３Ｂの間に、イオンビームＲ１、Ｒ２が周回するメディアンプレーンＭＰが形成される（図２参照）。

インフレクタ５Ａ，５Ｂは、それぞれイオンビームＲ１，Ｒ２をメディアンプレーンＭＰに入射（導入）させるものである。すなわち、インフレクタ５Ａは、イオン源１０ＡからのイオンビームＲ１に対応し、インフレクタ５Ｂは、イオン源１０ＢからのイオンビームＲ２に対応している。インフレクタ５Ａ，５Ｂは、ポール３Ａ，３Ｂの間で中性子発生装置１のほぼ中心に配置されている。インフレクタ５Ａ，５Ｂは、それぞれ、電源（図示せず）から電流を供給されており、中性子発生装置１の中心軸Ｃに沿って進行するイオンビームＲ１、Ｒ２を偏向してメディアンプレーンＭＰに入射させる。インフレクタ５Ａ，５Ｂは、所謂スパイラルインフレクタであり、図３に示すように、イオンビームＲ１，Ｒ２の出射方向は逆方向とされている。図４に示すように、平面視において、インフレクタ５Ａ、５Ｂはそれぞれ円弧状となっており、インフレクタ５Ａの出射端５ａ、及び、インフレクタ５Ｂの出射端５ｂは、中心軸Ｃから外れた位置で、イオンビームＲ１，Ｒ２を出射する。したがって、図４に示すように、イオンビームＲ１，Ｒ２は、互いに逆方向の軌道として出射されることになる。

上記のイオン源１０Ａ，１０Ｂ、整流部１１Ａ，１１Ｂ、及び、インフレクタ５Ａ，５Ｂは、メディアンプレーンＭＰに対して正負のイオン粒子を供給するイオン供給部として機能する。

電場発生部６Ａ，６Ｂは、平面視（メディアンプレーンＭＰを上面から見た状態）において、セクター磁石と重ならない位置に設けられる（図１参照）。また、電場発生部６Ａ，６Ｂは、メディアンプレーンＭＰに沿って周回するイオンビームＲ１，Ｒ２に対して電場の勾配を提示する装置である。

電場発生部６Ａ，６Ｂについて、図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６では、電場発生部６Ａについて説明するが、電場発生部６Ｂは電場発生部６Ａと同様の構造を有する。電場発生部６Ａ，６Ｂは、いずれも、導体により形成された加速空洞（空洞共振器）に対して高周波の電磁波を送り、加速空洞を共振させることで電場を形成する共振器構造を有している。以下では、電場発生部６Ａ，６Ｂの一例を説明するが、以下の形態に限定されるものではない。

図５及び図６に示す電場発生部６Ａ，６Ｂは、メディアンプレーンＭＰを挟み上下方向に対向する一対のキャビティ部２０Ａ，２０Ｂを備える。図５は、上側のキャビティ部２０Ｂを省略し、下側のキャビティ部２０Ａを示した斜視図である。図６は、電場発生部６Ａの断面図である。図５及び図６では、メディアンプレーンＭＰと直交する方向をＺ軸方向（第１の方向）とし、Ｚ軸と直交する方向をＹ軸方向（第３の方向）とし、Ｚ軸及びＹ軸と直交する方向をＸ軸方向（第２の方向）とする。なお、Ｙ軸方向は、中性子発生装置１における径方向に該当する。Ｙ軸方向の正側が外周側に該当し、負側が内周側に該当する。また、Ｘ軸方向は、中性子発生装置１の周方向に沿った方向であり、荷電粒子Ｐが通過する方向に該当する。Ｘ軸方向の正側が荷電粒子Ｐの出て行く側に該当し、負側が荷電粒子Ｐの入り込む側に該当する。

電場発生部６Ａは、メディアンプレーンＭＰ（図６参照）を挟んで互いに対をなすように配置される一対のキャビティ部２０Ａ，２０Ｂを有する。キャビティ部２０Ａ及びキャビティ部２０Ｂは、メディアンプレーンＭＰを基準面として、互いに面対称となるような形状・位置関係であり、Ｚ軸方向に互いに離間して配置される。ここでは、メディアンプレーンＭＰに対して、Ｚ軸方向の負側にキャビティ部２０Ａが配置され、Ｚ軸方向の正側にキャビティ部２０Ｂが配置されるものとする。なお、キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、銅（無酸素銅）などの導電性の材料によって構成される。キャビティ部２０Ａ，２０Ｂには、高周波が印加される。

キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、それぞれＹ軸方向に長尺な長方形箱状の形状を有している。キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、Ｘ軸方向において互いに対向する一対の壁部２１，２２を有する。壁部２１，２２は、互いに平行をなし、Ｘ軸方向と直交するように広がる平板によって構成される。キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、Ｙ軸方向において互いに対向する一対の壁部２３，２４を有する。壁部２３，２４は、互いに平行をなし、Ｙ軸方向と直交するように広がる平板によって構成される。キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、Ｚ軸方向においてＭＰと対向する壁部２６を有する。壁部２６は、キャビティ部２０Ａ，２０ＢのＺ軸方向における端部のうち、メディアンプレーンＭＰから遠い方の端部２０ｂに配置される。壁部２６は、メディアンプレーンＭＰと平行をなし、Ｚ軸方向と直交するように広がる平板によって構成される。

キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、Ｚ軸方向における端部のうち、メディアンプレーンＭＰに近い方の端部２０ａに一対の電極板３０，３１を備えている。電極板３０，３１は、メディアンプレーンＭＰから離間した位置にて当該メディアンプレーンＭＰと平行をなし、Ｚ軸方向と直交するように広がる平板によって構成される。なお、電極板３０，３１は、Ｘ軸方向における中心位置に設定された中心線ＣＬ（図５参照）を基準線として線対称となるような形状、位置関係となる。また、電極板３０，３１は、Ｘ軸方向において互いに離間しており、Ｙ軸方向に延びるように配置されている。電極板３０の中心線ＣＬ側の端部と、電極板３１の中心線ＣＬ側の端部とは、Ｙ軸方向と平行に延びた状態で互いに対向していて、電極板３０，３１との間には、Ｙ軸方向に延びる開口部３６が形成される。また、電極板３０，３１の中心線ＣＬとは反対側の端部は、それぞれ壁部２１，２２の端部２０ａに接続される。

電極板３０，３１のＹ軸方向における両端部は、それぞれ壁部２３，２４から離間している。これにより、電極板３０，３１のＹ軸方向正側の端部において、電極板３０，３１と壁部２３との間に長方形状の開口部３７が形成される。また、電極板３０，３１のＹ軸方向負側の端部において、電極板３０，３１と壁部２４との間に長方形状の開口部３８が形成される。開口部３７，３８は、開口部３６と互いに連通している。

以上のような構成により、一対のキャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、メディアンプレーンＭＰを挟んで互いに対向する対向面４０Ａ，４０Ｂを有する。対向面４０Ａは、キャビティ部２０Ａの電極板３０，３１のメディアンプレーンＭＰ側の面によって構成される。対向面４０Ｂは、キャビティ部２０Ｂの電極板３０，３１のメディアンプレーンＭＰ側の面によって構成される。また、対向面４０Ａ，４０Ｂは、それぞれ第１の面４１及び第２の面４２を有する。対向面４０Ａの第１の面４１は、キャビティ部２０Ａの電極板３０のメディアンプレーンＭＰ側の面によって構成される。対向面４０Ａの第２の面４２は、キャビティ部２０Ａの電極板３１のメディアンプレーンＭＰ側の面によって構成される。

なお、キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、メディアンプレーンＭＰとは反対側の端部２０ｂ寄りの部分にて、他の構造部材に支持される。例えば、図６に示すように、キャビティ部２０Ａ，２０Ｂは、端部２０ｂにおいて真空容器８０に支持される構成とすることができる。なお、真空容器８０は、キャビティ部２０Ａ，２０Ｂが配置される内部空間を真空に保つための容器である。

キャビティ部２０Ａ，２０Ｂには、高周波電圧を与える印加部が設けられる。印加部は外部で高周波電源に接続されていて、キャビティ部内でループ（ループカプラ）を形成した後、キャビティ部の壁部に接続される。これにより、一対のキャビティ部２０Ａ，２０Ｂのそれぞれにおいて、第１の面４１と第２の面４２との間に高周波の電場を形成できる。第１の面４１と第２の面４２との間が、荷電粒子の周回方向に対して交差する方向に延び、荷電粒子に対して電場を与えるギャップとなる。

また、隙間ＳＰには、メディアンプレーンＭＰを基準として上下対称な電場を形成できる。したがって、一対のキャビティ部２０Ａ，２０Ｂの間に入射した荷電粒子（プラスイオンまたはマイナスイオン）に対して電場を与えることができる。また、第１の面４１及び第２の面４２は、Ｙ軸方向に延びているので、荷電粒子の周回径が変化したとしても、Ｙ軸方向における異なる位置を移動するイオンに対して同時に電場を与えることができる。

制御部１５は、イオン源１０Ａ，１０Ｂ及び上記の電場発生部６Ａ，６Ｂに係る制御を行う。すなわち、イオン源１０Ａ，１０ＢからのメディアンプレーンＭＰへのイオンビームＲ１，Ｒ２の出射を制御すると共に、電場発生部６Ａ，６Ｂに印加する高周波電圧を制御する機能を有する（図７も参照）。制御部１５は、イオン源１０Ａ，１０ＢからメディアンプレーンＭＰへ向けて、同時にイオンビームＲ１，Ｒ２を出射する構成としてもよい。また、メディアンプレーンＭＰでイオンビームＲ１，Ｒ２（プラスイオン及びマイナスイオン）の両方が存在し周回することが可能な程度に、互いに異なるタイミングでイオンビームＲ１，Ｒ２を出射するように、制御部１５により制御する構成としてもよい。

インフレクタ５Ａ，５Ｂを通じてメディアンプレーンＭＰに入射したイオンビームＲ１、Ｒ２は、ポール３Ａ，３Ｂの磁場及び電場発生部６Ａ，６Ｂの電場の作用によって螺旋状の軌道を描きながら回転する。

なお、メディアンプレーンＭＰの外側は、ヨーク２Ａ，２Ｂまたはシールド（図示せず）に覆われた構成とすることができる。

ここで、従来の粒子加速器のサイクロトロンを参考に粒子の加速の原理について説明する。従来のサイクロトロンでは、荷電粒子の周回運動を利用し、電場発生部６Ａ，６Ｂにおける高周波電場の周波数と荷電粒子の周回周波数を一致させることで、電場発生部６Ａ，６Ｂを通過する際に荷電粒子が加速可能な電場を形成している。例えば、粒子加速器において、負の電荷を有する荷電粒子を加速させる場合、第１の時刻に電場発生部６Ａを通過するとき進行方向に沿って電位が大きくなるような電場を設けることで、荷電粒子が加速される。また、電場発生部６Ａにおいて加速された荷電粒子が、メディアンプレーンＭＰに沿って加速器内を周回して電場発生部６Ｂに到達したときも、同様に進行方向に沿って電位が大きくなるように電場を形成することで、当該荷電粒子は加速される。このように、電場発生部６Ａ，６Ｂのそれぞれにおいて周期的に電場を形成することで、荷電粒子を加速させることができる。

一方、本実施形態に係る中性子発生装置１では、電場発生部６Ａ，６Ｂでは、互いに異なる方向に互いに異なる極性を有するイオンビームＲ１，Ｒ２が周回していることになる。したがって、図７に示すように、例えば、イオンビームＲ１が加速できるように、電場発生部６Ｂが図示右側の端部６２ａから左側の端部６２ｂへ向けて電位が低くなるように電場を形成しているとすると、当該電場は、逆方向に進行するイオンビームＲ２にとっても加速可能な電場となる。

このように、互いに異なる極性を有するイオンビームＲ１，Ｒ２を同時に中性子発生装置１に対して投入した場合でも、電場発生部６Ａ，６Ｂを利用してどちらも加速させることが可能となっている。したがって、本実施形態に係る中性子発生装置１を用いた中性子発生方法では、互いに異なる極性を有するイオンビームＲ１，Ｒ２を同時に且つ逆方向に回転するように投入することによって、イオンビームＲ１，Ｒ２のどちらも加速させることができる。中性子発生装置１では、この加速された逆極性のイオン同士を衝突させることで、中性子線を発生させることができる。発生させた中性子線は、数ＭｅＶのエネルギーを持つので、構成する真空槽あるいはキャビティの壁を透過して外部に取り出される。具体的には、図示していない取り出し部等から取り出すことができる。取り出し部は、例えば、隣接するセクター電極の間等に設けることができる。

なお、電場発生部６Ａ，６Ｂは、どちらも周期的に電場を変化させて、イオンビームＲ１，Ｒ２を加速させる電場を形成させることになる。したがって、同時刻の電場発生部６Ａは、イオンビームＲ１の進行方向で見たときに、イオンビームＲ１を減速させる勾配の電場が形成されていることになる。すなわち、図示左側の端部６１ａから右側の端部６１ｂへ電位が低くなるように電場が形成されていることになる。このような電場は、イオンビームＲ１を減速させるだけでなく、逆方向に移動するイオンビームＲ２にとっても減速させる勾配の電場となっている。

次に、このような高周波で変化させる電場内でのイオンビームＲ１，Ｒ２の挙動について説明する。

中性子発生装置１では、プラスイオンまたはマイナスイオンのイオンビームは、イオンが集中したバンチを形成しながら周回する。これは、電場発生部６Ａ，６Ｂに印加される電場が高周波で変化するため、この電場の位相変化に対応して同程度に加速されたイオンが集中するためである。図８では、バンチが形成されるイメージを模式的に示している。

中性子発生装置１の中心軸Ｃから電場発生部６Ａ，６Ｂにより加速される度に周回半径を大きくしながら周回する。したがって、図８に示すように、イオンビームに含まれるイオンは、徐々に周回軌道が大きくなる渦巻き状の軌道で移動する。一方、上述のように、電場発生部６Ａ，６Ｂは、周期的に加速電場を形成するため、高周波の電場の変化の位相に応じてイオンの加速が行われる。その結果、中心軸Ｃから特定の方向に延びる領域（図８で示す領域Ａ１，Ａ２，Ａ３）にイオン粒子が集中することになる。このイオン粒子が集中する領域をバンチＢという。イオンの周回周期と電場発生部６Ａ，６Ｂの加速周期とが一致する場合、加速周期に適合して加速が促進されるイオンの集団である加速バンチが周回軌道の１か所に形成されることになる。加速バンチに含まれるイオン群は、電場発生部６Ａ，６Ｂを通過する度に加速されるため、周回半径を大きくしながらどんどん加速される。

ただし、中性子発生装置１で予め想定されたエネルギーを超える程度まで加速されたイオンは、等時性磁場を外れて、加速位相から減速位相へシフトすることになる。上述の通り、電場発生部６Ａ，６Ｂでは、電界の向きが粒子の進行方向に向く位相（加速位相）と、逆向きの位相（減速位相）になる時間がある。その結果、中性子発生装置１内では、加速バンチが形成される一方で、減速位相を受けて減速するイオン群が集中する減速バンチが形成される。減速バンチに含まれるイオンは電場発生部６Ａ，６Ｂを通過する際にイオンが減速する勾配の電場を受けることになるので、それぞれ減速し、周回半径を小さくしながら周回軌道を移動し、中心付近まで戻ってくることになる。このように、中性子発生装置１内に投入されたイオンは、それぞれ加速バンチに含まれて加速しながら周回半径を大きくした後、等時性磁場を外れて、減速位相にシフトし、減速バンチに含まれて減速しながら周回半径を小さくする。したがって、中性子発生装置１内では、従来の粒子加速器、すなわち、粒子を加速した後に外部へ取り出す装置と比較して、装置内にイオンが滞在するターン数（周回数）を２倍とすることができる。

このように、中性子発生装置１では、装置内にイオンが滞在するターン数を増やした状態で、逆方向に装置内を周回するイオン同士を衝突させて、中性子線を発生させる。

なお、加速バンチ及び減速バンチは、中心軸Ｃを挟んで対向する位置に形成される。この結果、プラスイオンからなるイオンビームＲ１について、周回軌道内に加速バンチＢＰ１と減速バンチＢＰ２とが形成される。同様に、マイナスイオンからなるイオンビームＲ２についても、周回軌道内に加速バンチＢＭ１と減速バンチＢＭ２とが形成される。このように、中性子発生装置１では、メディアンプレーンＭＰ上に４つのバンチが形成された状態で、これらのバンチが中心軸Ｃを中心に周回することになる。

図９及び図１０では、４つのバンチの挙動の一例について説明する。ここでは、加速電場の周波数を周回する粒子の周波数が一致している状態（ハーモニクス＝１）であるとする。ここで、加速バンチＢＰ１，ＢＭ１がそれぞれ電場発生部６Ｂを通過した後４５°回転した状態をＴ＝０とし、その段階での各バンチの配置を図９（ａ）に示す。この状態では、減速バンチＢＰ２，ＢＭ２がそれぞれ電場発生部６Ａを通過した後４５°回転した状態となる。なお、加速バンチＢＰ１，ＢＭ１がそれぞれ電場発生部６Ｂを通過するタイミングにおいて、電場発生部６Ｂはこれらのバンチに含まれるイオンを加速させるような電場勾配が形成される。また、電場発生部６Ａでは減速バンチＢＰ２，ＢＭ２に含まれるイオンを減速させるような電場勾配が形成される。

その後、１／８周期分時間が経過する（Ｔ＝１／８周期）と、図９（ｂ）に示すように、加速バンチＢＰ１と減速バンチＢＭ２とが重なり、減速バンチＢＰ２と加速バンチＢＭ１とが重なる。図９（ｂ）では、各バンチが少しずれた状態として示している。このときの交差位置は、電場発生部６Ａ，６Ｂから周回軌道に沿って９０°回転した位置となる。プラスイオンのバンチとマイナスイオンのバンチとが逆方向に進行しながら重なる状態では、バンチに含まれるイオン同士の衝突が（他の領域と比べて）多く発生し、中性子線が発生する。バンチ同士が重なる領域は、図９（ｂ）に示すように、セクター磁石２ａ，２ｂ（すなわち、ヨーク２Ａ，２Ｂ）と重ならない位置とすることができる。このような構成とすることで、例えば、このバンチ同士が重なる位置に対応させて、中性子線の取り出し部を設けることで、外部への中性子線の取り出しを効率よく行うことができる。

さらに、図９（ｂ）に示す状態から１／８周期分時間が経過する（Ｔ＝２／８周期）と、図１０（ａ）に示すように、加速バンチＢＰ１，ＢＭ１がそれぞれ電場発生部６Ｂを通過した後１３５°回転し、減速バンチＢＰ２，ＢＭ２がそれぞれ電場発生部６Ａを通過した後１３５°回転した状態となる。

さらに、図１０（ａ）に示す状態から１／８周期分時間が経過する（Ｔ＝３／８周期）と、電場発生部６Ａ付近で加速バンチＢＰ１と加速バンチＢＭ１とが重なり、電場発生部６Ｂ付近で減速バンチＢＰ２と減速バンチＢＭ２とが重なる。図１０（ｂ）では、各バンチが少しずれた状態として示している。プラスイオンのバンチとマイナスイオンのバンチとが逆方向に進行しながら重なる状態では、バンチに含まれるイオン同士の衝突が（他の領域と比べて）多く発生し、中性子線が発生する。また、この状態では、電場発生部６ＡにおいてイオンビームＲ１，Ｒ２を加速させる方向に電場勾配が形成され、電場発生部６ＢにおいてイオンビームＲ１，Ｒ２を減速させる方向に電場勾配が形成される。したがって、加速バンチＢＰ１，ＢＭ１は加速され、減速バンチＢＰ２，ＢＭ２は減速する。

このように、４つのバンチは加速または減速を繰り返しながら、それぞれ中性子発生装置１の中心軸Ｃを中心として周回する。

以上のように、本実施形態に係る中性子発生装置１は、荷電粒子が周回するメディアンプレーンＭＰを挟んで互いに対向して配置された一対の磁極から構成される磁場発生部としてのヨーク２Ａ，２Ｂと、荷電粒子の周回方向に対して交差する方向に延びるギャップを有し、メディアンプレーンの所定位置において当該ギャップにおいて高周波変動する電場を発生する電場発生部６Ａ，６Ｂと、正イオン粒子及び負イオン粒子を、前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように前記メディアンプレーンに供給するイオン供給部と、を有する。

また、本実施形態に係る中性子発生方法は、一対の磁極から構成される磁場発生部に挟まれたメディアンプレーンＭＰに対して、正イオン粒子及び負イオン粒子が前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように、前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子を供給し、前記メディアンプレーンＭＰの所定位置において、電場発生部６Ａ，６Ｂのギャップに発生された高周波変動する電場を発生することで前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子の速度を変化させながら、周回途中で衝突させることで中性子を発生させる。

上記の中性子発生装置及び中性発生方法によれば、メディアンプレーンＭＰ上で正イオン粒子（プラスイオン）及び負イオン粒子（マイナスイオン）を逆方向に周回させながら、電場発生部６Ａ，６Ｂのギャップにおいて高周波変動する電場を形成し、正イオン粒子及び負イオン粒子の速度を変化させる。これにより、正イオン粒子及び負イオン粒子がメディアンプレーンＭＰ上で衝突することによって中性子が発生する。メディアンプレーンＭＰ上で、正イオン粒子及び負イオン粒子を逆方向に周回させることにより、同じ電場を利用して正イオン粒子及び負イオン粒子の速度を同時に制御しながら、これらを衝突させて中性子を発生させることができるため、従来の中性子発生装置のように、荷電粒子をターゲットに対して衝突させずに中性子を発生させることができる。したがって、ターゲットの消耗・交換等を気にせず装置を扱うことができる。

ここで、メディアンプレーンＭＰを挟んで互いに異なる方向からメディアンプレーンＭＰに対して正イオン粒子及び負イオン粒子を供給する構成とすることで、正イオン粒子及び負イオン粒子それぞれについて、供給位置や供給タイミング等の細かい調整を行うことが可能となる。

また、磁場発生部としてのヨーク２Ａ，２Ｂ（セクター磁石２ａ，２ｂ）は、メディアンプレーンＭＰの周方向に沿って互いに離間して複数設けられている態様とすることができる。メディアンプレーンＭＰの周方向に沿って互いに離間して磁場発生部を設けることで、隣接する磁場発生部の隙間等を利用して、メディアンプレーンＭＰで発生した中性子を取り出すための構成を設けることができる。そのため、装置で発生した中性子の利用効率を高めることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、一対の電場発生部６Ａ，６Ｂを用いた場合について説明したが、これらの電場発生部６Ａ，６Ｂの構成は上記に限定されず適宜変更することができる。また、キャビティ部の形状は、上述のような形状に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、平面視で四角形のキャビティ部が採用されたが、平面視で湾曲させたような形状を有するキャビティ部が採用されてもよい。電場発生部６Ａ，６Ｂは、ギャップを利用して高周波の電場を形成することが可能な装置構成であれば、特に限定されない。

また、電場発生部６Ａ，６Ｂ、及び、ヨーク２Ａ，２Ｂの数や配置についても適宜変更することができる。

また、イオン源１０Ａ，１０Ｂの構成や配置に応じて、インフレクタ等の各部の構成を適宜変更することができる。なお、イオン源をメディアンプレーン上に設ける場合等、イオン源の構成及びその配置が変更される場合は、整流部及びインフレクタは省略してもよいし、上記の構成とは異なる構成を採用してもよい。

１…中性子発生装置、２Ａ，２Ｂ…ヨーク、２ａ，２ｂ…セクター磁石、３Ａ，３Ｂ…ポール、４…コイル、５Ａ，５Ｂ…インフレクタ、６Ａ，６Ｂ…電場発生部、１０Ａ，１０Ｂ…イオン源、１１Ａ，１１Ｂ…整流部、１５…制御部、２０Ａ，２０Ｂ…キャビティ部、ＭＰ…メディアンプレーン。

Claims (4)

1. 荷電粒子が周回するメディアンプレーンを挟んで互いに対向して配置された一対の磁極から構成される磁場発生部と、
   前記荷電粒子の周回方向に対して交差する方向に延びるギャップを有し、前記メディアンプレーンの所定位置において当該ギャップにおいて高周波変動する電場を発生する電場発生部と、
   正イオン粒子及び負イオン粒子を、前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように前記メディアンプレーンに供給するイオン供給部と、
   を有する、中性子発生装置。
2. 前記イオン供給部は、前記正イオン粒子及び負イオン粒子のそれぞれについて、前記メディアンプレーンを挟んで互いに異なる方向から前記メディアンプレーンに対して供給する、請求項１に記載の中性子発生装置。
3. 前記磁場発生部は、前記メディアンプレーンの周方向に沿って互いに離間して複数設けられている、請求項１または２に記載の中性子発生装置。
4. 一対の磁極から構成される磁場発生部に挟まれたメディアンプレーンに対して、正イオン粒子及び負イオン粒子が前記メディアンプレーンに沿って互いに逆方向に周回するように、前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子を供給し、前記メディアンプレーンの所定位置において、電場発生部のギャップに発生された高周波変動する電場を発生することで前記正イオン粒子及び前記負イオン粒子の速度を変化させながら、周回途中で衝突させることで中性子を発生させる、中性子発生方法。

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