JP2022543968A - 原子核粒子を生成するための液体標的 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ある態様では、本開示は、原子核粒子を生成するための標的（２０）に関する。この標的は、回転軸（２１）の周りに回転するように、回転面により形成され設置されたシェル（２４）と、動作中液体である標的物質を含むリザーバと、動作中、標的物質を、リザーバからシェルの上面に向けて運ぶように構成された標的物質上昇装置と、シェルの外周面（２４５）に沿って形成され、動作中、標的材料のフィルム（２２）から発しシェルの回転中に遠心力によってシェルの上面（２４４）に導かれた小滴を受け取るように構成された側溝と、側溝とリザーバとの間の流体接続を形成する少なくとも１つのリターンパイプと、動作中、加速粒子ビームをシェルとの衝突領域に導くように構成された入口パイプと、を備える。標的物質は原子核粒子を生成するのに適する。衝突領域はシェルの上面に位置する。加速粒子ビームとシェルの上面上を循環する標的との相互作用は、原子核粒子を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、原子核粒子を生成するための液体標的およびそのような標的を含むシステムに関し、特に中性子場を生成するための標的に関する。

原子核粒子（例えば、中性子、陽子、アルファ粒子、等）は、入射粒子（例えば、陽子、重水素、その他の原子核）のビームの、標的（こうした標的は、特定の原子核反応が可能な物質によって形成される）上での相互作用による、特定の原子核反応により生成することができる。こうした原子核粒子の生成自体は既知である。

特に、生成された高フラックスの中性子場（すなわち、１０^１２ｎ・ｃｍ^－２・ｓ^－１を超えるフラックスの場）は、広範囲に応用できる（例えば、非破壊検査、物質分析、パワーエレクトロニクスにおけるドーピング、医療分野など）。医療の分野では、ＢＮＣＴ（ホウ素中性子捕捉療法）と呼ばれる応用において、特別な関心を引く。この治療法では、がん細胞に向けてベクトル化された中性子が、ホウ素１０（^１０Ｂ）によって捕獲される。この応用では、患者に照射される中性子のエネルギーは、約０．５ｅＶ以上１０ｋｅＶ以下であることが望ましい。

中性子場の生成を目的とするものとしては、エネルギーＥ＞１．８８ｅＶにおける、^７Ｌｉ（ｐ、ｎ）^７Ｂｅ陽子の、リチウム（標的物質）との原子核反応がよく知られている。この反応では、陽子（または重水素）がリチウム（^７Ｌｉ）原子核と衝突し、ベリリウム（^７Ｂｅ）原子核を生成する。このとき、２５ｋｅＶ以上７８５ｋｅＶ以下のエネルギーを持つ中性子が放出される。その後中性子のエネルギーを低減させるために、減速材が使われる。原子核反応で生成された^７Ｂｅ原子核は、半減期が５３日と不安定である。この^７Ｂｅ原子核は、電子捕獲により崩壊し、４７８ｋｅＶのガンマ線を放出する。このガンマ線は、放射線防護の観点から見て危険である。従って、標的内に存在する^７Ｂｅの量を制御する必要がある。

標的物質内への侵入の深さは、使用する粒子の入射ビームのエネルギーによって変えることができる。低エネルギーの場合この侵入は浅く、ビームからのエネルギー移動は、表面下で起きる。これにより、標的物質は著しく加熱される。従って、入射粒子ビームから標的物質に供給された熱を拡散させるためには、薄い標的材料を使うことが好ましい。固体の薄層には、ビームに起因する安定性と劣化の問題がある。このため、「液体」標的は、高強度ビームのための魅力的な解決手段となっている。

固体リチウムベースの標的を用いて、上記の^７Ｌｉ（ｐ、ｎ）反応を得ることができる。このような標的は、支持部に配置された固体リチウムの薄層を備える。この標的に、粒子加速器から発した粒子ビームが衝突する。実際には、３ｋＷ／ｃｍ^２を超える熱出力による連続的な除去により、この薄層を一体化して支持部に接着する必要がある。リチウムの融点は１８０．５℃と低いため、固体リチウムベースの標的の寿命には限界があることから、標的は非常に頻繁に交換されなければならない。液体リチウムベースの標的も開発されてきた。液体リチウムは、固体リチウムより高温に耐えることができる。その結果、固体リチウムベースの標的に比べ、層の一体化、支持部への接着および超低温（＜１８０℃）での保持に関する問題を解決することができる。

液体リチウムベースの標的の例は、特に非特許文献１および非特許文献２に開示されている。上記に記載された液体リチウムベースの標的は、粒子ビームの入口にある閉じたパイプの中で循環する液体リチウムを備える。このパイプは開口領域と曲線領域とを有し、リチウムはここで厚さが数１００ミクロンから１．５ｍｍまでのフィルムを形成する。パイプ内でのリチウムの流量は、ビームの近くで液体の薄いフィルムの高速な流れ（非特許文献１の例では７ｍ／ｓ、非特許文献２の例では３０ｍ／ｓ以下）を作るのに十分なほど大きい。これによりフィルムの温度は、リチウムの蒸発を抑えるのに必要な高さに保たれる。

上記の通り、^７Ｌｉ（ｐ、ｎ）^７Ｂｅによって生成される^７Ｂｅの反応は、少なからぬ量の放射性種（^７Ｂｅ）を作り出す原因となる。従って、循環するリチウムを含む回路の材料を活性化させる可能性がある。生成された^７Ｂｅの放射性毒性の問題を解決する方法の１つに、リチウムリザーバでコールドトラップを使うものがある（これは非特許文献１に開示されている）。これは、リザーバ内で^７Ｂｅを固体にまで凝縮することを目的とする。放射線学上の観点から見れば、この方法は、リザーバをより厳重に保護する必要がある。

このように液体リチウムは、ＢＮＣＴ利用に適した中性子場を生成することができる。しかし実際には、上記の先行技術に開示された循環する標的内での液体リチウムの使用は、液体リチウムの必要量および設置容量によって制限される上に、^７Ｂｅに関連する放射性毒の管理の必要性からより複雑なものとなる。

特許文献１は、回転する円盤と、液体リチウム（これはポンプを用いて再循環される）のための回路と、を含む標的を開示する。この技術では、液体リチウムは、円盤の中心から円周に向かう遠心力により、小滴の形でスプレーされる。ある実施の形態では、このようにスプレーされる非常に細かいリチウム小滴により、液体リチウム（この上に、中性子場を生成するための陽子ビームが照射される）が散布される。しかしながら、小滴上で生成される中性子の量は非常に少ない。なぜなら、陽子ビームとリチウムとの衝突断面積が小さいからである。さらに、小滴が受ける熱出力により、小滴が蒸発する可能性がある。これは特に、この実施の形態における自由表面／体積比が非常に大きいことによる。代替的に、非特許文献１は、液体のリチウムの薄層が円盤の周辺で、非常に薄い（厚さが１ミクロンオーダーの）支持フォイル（例えば、リチウムと相互作用するための陽子ビームが透過可能なベリリウムフォイル）で支えられる構成を開示する。しかしながら、このような薄いフォイルでの伝導による熱の除去量は非常に少ない。従って、特許文献１に開示された高速で回転する円盤は加熱し、すぐに壊れるだろう。さらに接着機構は、このような薄い支持フィルムの周辺に働く力に耐えることができない。さらに、特許文献１に開示された薄い支持フィルムは、耐久性の高い形状を構成するには機械的に複雑であることに加え、陽子ビームの通過によるエネルギー損失や、他の二次的な原子核粒子の生成が起きる可能性がある。

米国特許第５８７０４４７号明細書

Halfon et al. "Demonstration of a high-intensity neutron source based on a liquid-lithium target for Accelerator based Boron Neutron Capture Therapy" Applied Radiation and Isotopes 106 (2015) pp 57-62. Kobayashi et al. "Development of Liquid-Lithium Target of 7Li(p,n)7Be Reactions for BNCT" Applied Radiation and Isotopes Volume 88 (2014) pp 198-202. Ref. 3: US5,870,447 Halfon et al. "High power liquid-lithium jet target for neutron production" Review of Scientific Instruments 84, 123507 (2013). Makarytchev et al. "On modeling fluid over a rotating conical surface" Chemical Engineering Science, vol.52, n°6, pp 1055-1057 (1997) Makarytchev et al. "Thickness and velocity of wavy liquid films on rotating conical surfaces" Chemical Engineering Science, vol.56, pp 77-87 (2001)

本開示の目的は、特に中性子場の生成において、大量の熱除去を可能としつつ、よりコンパクトに実装でき、標的物質の量を低減することのできる、新たな液体標的を提案することにある。

本開示の第１の態様は、原子核粒子を生成するための液体標的に関する。この標的は、以下を備える。
－回転軸の周りに回転するように、回転面により形成され設置されたシェルと、
－動作中、液体である標的物質を含むリザーバと、
－動作中、標的物質を、リザーバからシェルの上面に向けて運ぶように構成された標的物質上昇装置と、
－シェルの外周面に沿って形成され、動作中、標的材料のフィルムから発しシェルの回転中に遠心力によってシェルの上面に導かれた小滴を受け取るように構成された側溝と、
－側溝とリザーバとの間の流体接続を形成する少なくとも１つのリターンパイプと、
－動作中、加速粒子ビーム（５０）をシェルとの衝突領域に導くように構成された入口パイプ。
標的物質は、原子核粒子を生成するのに適する。衝突領域は、シェルの上面に位置する。加速粒子ビームと、シェルの上面上を循環する標的との相互作用は、原子核粒子を生成する。

本開示に係る標的により、遠心力作用を通して、閉鎖循環動作装置内に形成された液体標的物質のフィルムを得ることができる。その結果、特に従来の液体標的と比べ、標的の動作に必要な装置容積を減らすことができ、必要な液体の体積を制限することができる。

さらに、加速粒子と標的（より具体的にはシェル）との衝突領域がシェルの上面上に位置することにより、標的物質のフィルム（加速粒子は、このフィルムと直接相互作用する）が本開示に係る標的内に生成される。このようにシェルの上面上に生成された標的物質のフィルムは、大量の熱除去ができるほど十分厚い。この熱除去は、シェルへの熱伝導と、液体の対流の両方によって実現される。その結果、強いパワーを持つ粒子ビームによる品質低下を招くことなく、高いフラックスの原子核粒子を生成することができる。

本開示に係る標的は、使用中、「水平」配置で、すなわち垂直方向に配置されたシェルの回転軸周りに動作する。このような構成を取ることにより、付加的なエネルギーを用いることなく、重力効果により、側溝に運ばれた液体標的物質を直接リザーバ内に再注入することができる。

ここで「原子核粒子」とは、原子核反応により生成することのできる任意の粒子のことであり、例えば中性子、陽子、アルファ粒子などである。

本明細書における「加速粒子ビーム」とは、所定の標的物質と衝突したとき、原子核粒子を生成することのできる粒子（例えば陽子または重水素）のことをいう。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的物質は、動作中、超低温では液体の流体（例えば水素、窒素、アルゴンまたはキセノン）を含む。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的物質は、動作中、高温では液体である物質（例えばリチウム金属またはフッ化物溶融塩）を含む。

従って、１つ以上の典型的な実施の形態では、液体標的は、中性子場を生成するのに適する。例えば標的物質は、動作中、液体であるリチウム金属である。

中性子の生成の場合、一般に標的は中性子減速材によって取り囲まれる。本開示に係る標的はコンパクトであるため、すべてのリチウムを、周囲の減速材により後方散乱した熱中性子領域に置くことができる。これは、^７Ｂｅ（ｎ_ｔｈ、Ｐ）^７Ｌｉ反応を用いて、^７Ｂｅを変換できることを意味する。これにより得られる生成物は、最初の^７Ｌｉのみである。従って^７Ｂｅトラップが不要となり、液体リチウムの自動生成が可能となる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、特に標的材料がリチウムを含む場合、シェルはモリブデンまたはモリブデンベースの合金（例えば、モリブデン（９９．５％）とジルコニウムおよびチタンの合金であるＴＺＭ）、あるいは金属またはこれら２つの材料の組み合わせで作られる。中性子以外の粒子生成の場合、シェルに別の材料が使われてもよい。この場合、材料は、使用温度で液体標的物質と反応しないものから選ばれる。例えば標的物質がフッ化物溶融塩を含む場合、シェルは炭素ベースの材料で作られてもよい。

１つ以上の典型的な実施の形態では、シェルを形成する回転面は、少なくとも１つの第１円錐台部を備える。この第１円錐台部の頂点は、シェルの回転軸上に位置し、所定の半頂角を有する。この第１部分は別の形状であってもよく、例えば、子午面内（または、シェルの回転軸を含む面内）で変化する曲率を持つものであってもよい。

１つ以上の典型的な実施の形態では、第１円錐台部を使う場合、当該第１円錐台部の半頂角は０°以上９０°以下であり、好ましくは４０°以上５０°以下である。

本開示では、第１部分（例えば円錐台部または曲面部）の所定の点における半径ｒは、シェルの回転軸と直交する平面内で、当該回転軸と当該点との間の距離として定義される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、衝突領域における第１部分の半径は、１５ｃｍ以上４５ｃｍ以下である。

１つ以上の典型的な実施の形態では、シェルを形成する回転面は、少なくとも１つの第１部分と、第１部分が接続される基部を形成する第２部分と、を備える。例えば、この基部は、平板状または円錐台状である。

１つ以上の典型的な実施の形態では、第１部分は、基部と第１部分との勾配が連続的に変化するようなフィレット半径で、基部に接続される。これにより、シェルの上面が、液体の流れがゆがむような接続を含まないようにすることができる。例えば、曲面のフィレット半径は５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。

１つ以上の典型的な実施の形態では、第１部分と基部とは１つの部品からなる。代替的に、第１部分と基部とは、ネジまたは溶接で接続された２つの部品からなるものであってもよい。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的物質上昇装置は、シェルの回転軸と一体化した回転軸周りに回転駆動されるように構成された、１つ以上の羽根またはロータを備える。液体がシェルの上面に上昇するとすぐに、液体をポンピングする別のメカニズムを必要とせずに、シェルの回転による遠心力効果により、液体が循環することができる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、このような標的物質を上昇させるシステムは、リターンパイプの一端とリザーバとの間に設置されたポンプを備える。この装置はより複雑であるが、流量と回転速度との相関を排除することができる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、シェルの上に配置されたプレートをさらに備える。特にこのプレートにより、ビームの入口領域近辺で真空と直接導通する液体の全表面積を制限することができる。このプレートは、固定されてもよく、シェルに取付けられてもよい。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、シェルの上面を少なくとも部分的に覆うように構成された、固定された上側ケーシングさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、シェルの上面と反対側の下面を少なくとも部分的に覆うように構成された、固定された下側ケーシングをさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、下側ケーシングはリザーバに取付けられる。

上側および／または下側ケーシングにより、液体標的物質から発した蒸気を、壁面上に閉じ込め凝縮することができる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、加速粒子ビームをシェルとの衝突領域に導くように構成された入口パイプが、上側ケーシングを横断する。

１つ以上の典型的な実施の形態では、上側ケーシングは、液体標的物質をポンピングするためのおよび／または（シェルが上側（すなわちシェルの上面側）から駆動される場合）シェルの回転駆動装置の通路のための、１つ以上の開口を備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、側溝は、上側ケーシングに取付けられ、シェルの外周面を取り巻き、シェルの上面と反対側の下面の下でカールするように形成される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、上側ケーシングと下側ケーシングとは、少なくとも局所的に、側溝を用いて接続される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、リザーバは、シェルが下側（すなわちシェルの上面と反対側の下面側）から駆動される場合、シェルの回転駆動装置の通路のための、１つ以上の開口を備える。この開口は、回転駆動装置のための、液密な通路を構成することができる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、リザーバおよび／または上側および／または下側ケーシングは、モリブデン、ステンレススチールまたはこれら２つの組み合わせからなる材料で形成される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、側溝とリザーバとの間に、複数の（例えば２本以上８本以下の）リターンパイプを備える。リターンパイプまたはパイプは、様々な形状（環状、または卵型等の断面）を有し、様々な断面領域を持つ。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、シェルの回転速度が３００回転／分以上８００回転／分以下の定常的な回転率を受容するように構成される。

本開示に係る液体標的物質の全容積は、システムのジオメトリおよび動作中の名目回転速度に応じて決定される。１つ以上の典型的な実施の形態では、閉鎖循環システム内の液体リチウムの容積は、２リットル以上５リットル以下である。これは、従来技術で必要とされた液体リチウムの容積の約３分の１である。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、動作中、厚さが５０μｍ以上５ｍｍ以下の液体標的物質のフィルムを生成するように構成される。液体リチウムの場合、厚さは８０μｍ以上１４０μｍ以下（例えば８０μｍ以上１００μｍ以下）であることが望ましい。この場合、最大エネルルギー損失（すなわち最大発熱）は、液体リチウムのフィルム内ではなく、シェルの表面領域で発生する。さらに、リチウムが薄すぎると、シェルの表面上で、リチウムの局所的なディウェッティングが発生する恐れがある。

１つ以上の典型的な実施の形態では、粒子ビームのための入口パイプは、シェルの回転軸を含む平面内に配置される。この構成は、ビームの衝突領域の変形が、当該ビームの断面に対して最小である場合に相当する。

１つ以上の典型的な実施の形態では、粒子ビームのための入口パイプは、加速粒子ビームが、回転半径の外周に接する平面内に配置される。この構成は、ビームの衝突領域の変形が、当該ビームの断面に対して非常に大きい場合に相当する。

一般に、入口パイプの衝突領域に対する方向を定義する角度の選択には広い自由度がある。これらの角度は、液体標的物質の加速ビームの下における滞留時間を最小化するように選ぶことができる。

１つ以上の典型的な実施の形態では、加速粒子ビームのための入口パイプは、急速遮断システムを備える。１つ以上の典型的な実施の形態では、加速粒子ビームのための入口パイプは、凝縮装置を備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、標的物質をリザーバ内で予熱する装置をさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、上側ケーシングおよび／または下側ケーシングおよび／またはリザーバの少なくとも一部を予熱する装置をさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は冷却システムをさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的は、衝突領域内に、原子核粒子を生成するのに適した真空を生成するように構成されたチェンバをさらに備える。

本開示の第２の態様は、原子核粒子を生成するためのシステムに関する。このシステムは、以下を備える。
－標的物質と相互作用することにより原子核粒子を生成するのに適した粒子の粒子源と、
－粒子源からの粒子ビームを受け、加速粒子ビームを形成するように構成された粒子加速器と、
－第１の態様のいずれかに記載の標的。
標的は、入口パイプで加速粒子ビームを受け、衝突領域で原子核粒子を生成するように構成される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、中性子場生成の場合、このシステムは、標的の周囲に配置された中性子減速材をさらに備える。

１つ以上の典型的な実施の形態では、粒子源は、陽子または重水素を発する。

本開示の第３の態様は、第２の態様に係るシステムを用いて原子核粒子を生成する方法に関する。

１つ以上の典型的な実施の形態では、この方法は以下を備える。
－シェルを回転させるステップと、
－上昇装置を用いて液体を循環させるステップと、
－粒子加速器から発した加速粒子ビームを入口パイプに導くステップ。

１つ以上の典型的な実施の形態では、標的物質が常温で固体の場合、この方法は、標的物質を含むリザーバおよび／または標的の様々な要素を予熱するステップをさらに含む。標的物質が常温で固体の場合、この予熱するステップにより、加速粒子ビームによって伝達される温度パワーがなくても、液体は循環することができる。低温の流体の場合、代替的に、この方法は冷却の調整をするステップを含んでもよい。

１つ以上の典型的な実施の形態では、この方法は、加速粒子ビームが存在するとき標的を冷却するステップをさらに含む。このステップは、予熱するステップを停止するステップに続くもので、システムに伝達される温度パワーに関連する。

１つ以上の典型的な実施の形態では、シェルの回転速度は、３００回転／分以上８００回転／分以下である。

１つ以上の典型的な実施の形態では、シェルの上面上での液体の流れの上昇速度は、１ｍ／秒以上３ｍ／秒以下である。この上昇速度は、液体フィルムのシェルに対する運動の速度として定義される。

１つ以上の典型的な実施の形態では、衝突領域における液体の接線速度は、５ｍ／秒以上４０ｍ／秒以下である。

本発明のその他の利点および特徴は、以下の図面を参照することにより明らかとなる。
本開示に係る原子核粒子生成システムの例を示す模式図である。 本開示に係る液体標的の原理を示す図である。 本開示に係る標的内シェルの第１の例を示す図である。 本開示に係る標的内シェルの第２の例を示す図である。 本開示に係る標的の例を示す図である。 図４の標的における液体の循環を示す図である。 シェルの回転軸に対する、粒子ビームの入口の位置の参照角度（βおよびχ）を示す図である。 粒子ビームのための入力パイプが、回転軸を含む平面内に構成される特別な場合を示す図である（χ＝０°）。 粒子ビームのための入力パイプが、回転半径に接する平面内に構成される特別な場合を示す図である（χ＝９０°）。

図１に、本開示に係る中性子生成システム１０の要素の概略を示す。システム１０は、粒子源１１（例えば、陽子または重水素の源）と、粒子源１１で発生した粒子から加速ビームを生成するための粒子加速器１３と、標的１５と、を備える。標的１５により、液体状態で原子核粒子を生成するための、加速粒子ビームと標的物質フィルムとの相互作用が可能となる。さらに標的１５の内部には、真空チェンバ（図示せず）が配置される。この真空チェンバ内では、粒子ビームに必要とされる真空度が保たれる。

例えば中性子場を生成する場合、標的物質は、１８０℃より高温の液体状態のリチウム（^７Ｌｉ）金属であってよい。ある実施例では、入射粒子は陽子であってもよい。陽子は、リチウム原子核と衝突する。その結果、原子核反応により、２５ｋｅＶ以上７８５ｋｅＶ以下のエネルギーを持つ中性子放出を伴って、ベリリウム（^７Ｂｅ）原子核が生成される。

別の実施例では、入射粒子は重水素である。重水素は、リチウム（^７Ｌｉ）原子核と衝突する。その結果、原子核反応により２つの^４Ｈｅ原子核が生成される。

リチウムを用いて中性子場が生成されるとき、システム１０は、標的１５全体を取り巻く減速材（図示せず）を備える。これは、生成された中性子場の中性子エネルギーを低減することを目的とする。減速材は例えば、水素化物質（ポリエチレン等）を備える。減速材は、中性子を減速する。これにより中性子は、標的１５に向けて後方散乱する。これらの中性子は、^７Ｂｅ（^７Ｌｉ（ｐ、ｎ）^７Ｂｅ反応の生成物）と相互作用する。低速中性子を非常に高効率の断面積で捕獲することにより、^７Ｂｅ（ｎ_ｔｈ、Ｐ）^７Ｌｉ反応に従って、^７Ｂｅは^７Ｌｉに変化する。得られる生成物は最初の^７Ｌｉである。すなわちこれは、リチウムの自動生成に相当する。これにより^７Ｂｅトラップが不要となるので、放射線学的リスクを低減することができる。

図２に、本開示の一例に係る液体標的２０の動作の原理を示す。

模式的に図示される標的２０は、回転面により形成され、設置されたシェル２４を備える。これは、回転軸２１の周りに回転する。図２の例では、シェルは、円錐台状部２４２を備える。この円錐台部２４２の頂点は、シェルの回転軸上に位置し、所定の半頂角αを有する。

標的２０は、標的物質（これは動作中、液体である）、例えばリチウムを備えたリザーバ（図２には示さない）と、標的物質上昇装置（図２には示さない）と、をさらに備える。標的物質上昇装置は、動作中、液体の標的物質を、リザーバから回転するシェルの上面２４４に運ぶ。入口パイプ（図２には示さない）により、動作中、加速粒子ビームをシェルとの衝突領域に導くことができる。加速粒子ビームと、シェルの上面上を循環する標的物質との相互作用による原子核反応で、原子核粒子が生成される。

図２に示されるように、所定の角速度ωでのシェル２４の回転により、遠心力効果を通して、シェルの上面上で、液体の標的物質のフィルム２２が生成される。このフィルム２２は、例えば厚さがδ（ｒ）の液体リチウムである。ここでｒは、円錐台部２４２の半径である。遠心作用のおかげで、液体のフィルム２２は、シェルの外周面２４５に向けて、円錐台部２４２に沿った上昇運動をする。これにより、この例では環状端部が形成される。その結果、液体が、流れまたは小滴の形で円錐台部の外に溢れ出す。その後、液体の標的物質は、１つ以上のリターンパイプ（図２には示さない）により直接リザーバに戻る。これは、図２の符号２３で模式的に示されるように、閉鎖システム内での液体標的物質の再循環の実現を目的とする。

リチウムを用いて中性子場が生成されるとき、中性子の生成は、金属表面の最初の数ミクロンのところで起きる。この領域を越えると、ビームの経路は陽子の減速のみに相当する。従ってこれはエネルギーの堆積に相当する。この点は、加熱を抑えるためにリチウム内のエネルギーを最小化するのに好ましいことである。エネルギー堆積を最大化するときの陽子ビームの侵入深さは１４０μｍ以上であることが知られている（例えば、非特許文献３参照）。従って、粒子ビームとの衝突領域におけるリチウムの厚さは、所定の値より薄いことが望ましい。これにより大半のエネルギーは、液体内でなくシェル内に堆積される。典型的には、衝突領域での液体リチウムの厚さは１４０μｍ未満であることが望ましい。これは、フィルムのディウェッティングと局所的乱れとが発生する領域への逸脱を防ぐのに十分な厚さである。好ましくは、この厚さは、１００μｍ以上１４０μｍ以下である。

図２の例では、シェルの断面は円錐台である。別の断面の例は後で説明する（図３Ａおよび３Ｂ参照）。円錐台部を含むシェルの断面により、液体フィルム２２の厚さを、パラメータの関数として解析計算することができる。このパラメータは、円錐台部の半頂角α、シェルの回転速度ω、衝突領域における円錐台部の半径ｒおよび液体の流量を含む。これらの計算は、非特許文献４および５の記載に基づいてもよい。特に標的が回転軸に接続された上昇装置をベースとした再循環機構を備える場合、流量は、独立パラメータではなくシェルの回転速度に依存する。

図３Ａおよび３Ｂに、子午面内で異なる断面を持つシェル３４の部分の２つの例を示す。これらの例では、シェルは、第１部分３４２および第２部分３４１を備える。第２部分３４１は、第１部分３４２が接続される基部を形成する。いずれの例でも、動作中、液体のフィルム（図３Ａおよび３Ｂには示さない）は、シェルの上面３４４の上に形成され、シェルの外周面３４５に向けて、第１部分３４２に沿った上昇運動をする。以下、上面３４４と反対側の面３４６を、シェルの下面と呼ぶ。

図３Ａの例では、第１部分３４２は円錐台である。基部３４１と円錐台３４２とは、第１フィレット半径３４３で接続される。これにより、２つの部分の間の角度変化は穏やかなものとなる。これにより、液体の流れが途絶える可能性が低減される。フィレット半径３４３は、例えば５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の曲率で特徴づけられる。

シェルは、円錐台の要素で形成される必要はなく、図３Ｂに示されるように曲率が一様に変化する回転面で形成されてもよい。図３Ｂの例では、第１部分３４２は、回転軸３１を含む子午面内で曲面部を持つ。図３に示されるようなシェル状の標的では、円錐台のとき実行される厚さ計算の結果と、半頂角をαとしたときの衝突領域におけるシェルに対するタンジェントの平均値と、を用いて、衝突領域での液体フィルムの厚さの近似値を計算することができる。

図４に、本開示の一例に係る標的４０を示す。この例では標的は液体リチウムだが、これに限られない。

標的４０は、回転軸３１の周りに回転する軸対称のシェル３４を備える。シェル３４は、図３Ａに示されるような基部３４１に接続された円錐台部３４２を備える。この例では、シェルは、リザーバ４６に浸される延長管を形成する第３部分４４０をさらに備える。リザーバ４６は、動作中、液体の標的物質を含む。いくつかの実施の形態では、シェルは、モリブデンおよび／もしくは鉄またはこれらの組み合わせを含む材料で作られる。

図４の例では、標的４０は、固定された上側ケーシング４５２をさらに備える。上側ケーシング４５２は、シェル３４の上面３４４（動作中、この上に液体標的物質のフィルムが形成される）を少なくとも部分的に覆うように構成される。上側ケーシング４５２は、動作中にシェルの上面３４４上に形成された液体フィルムから発した蒸気を閉じ込めることを目的とする。

図４の例では、標的４０は、固定された下側ケーシング４５１をさらに備える。下側ケーシング４５１は、シェル３４の下面３４６（これは、液体フィルムが形成される上面３４４と反対の側にある）を覆う。

図４の例では、液体標的物質を再生する装置は、シェルの外周面３４５上に配置された側溝４５７を備える。この液体標的物質を再生する装置は、動作中、標的材料のフィルムから発した小滴を受け取る。このフィルムは、遠心力作用により、シェルの上面３４４に生成される。このようにして、シェルの回転に起因して液体上に生じた遠心力作用により送られた液体は、側溝４５７に集められる。

図４の例では、下側ケーシング４５１および上側ケーシング４５２は、側溝を介して接続される。この場合、側溝４５７は、上側ケーシング４５２に取付けられる。より具体的には、この例での側溝は、上側ケーシング４５２の一端の上部で折り曲げられて形成される。その結果、側溝は、シェルの外周面３４５を取り巻き、下面の下でカールする。

標的４０は、動作中、液体標的物質を含むように構成されたリザーバ４６をさらに備える。

図４の例では、リザーバ４６は、下側ケーシング４５１の副産物として形成される。しかしリザーバ４６は、下側ケーシング４５１と独立であると理解される。リザーバ４６は、下側ケーシング４５１と異なる材料で作られてよい。リザーバ４６と下側ケーシング４５１とは、接続部分４６２で互いに接続される。通常動作時は、液体のレベルは、シェル３４６の下面の遠心力作用の効果で引き上げられた場合も、接続部分４６２には届かない。

この例では、下側ケーシング４５１と、上側ケーシング４５２と、リザーバ４６と、を備えるアセンブリは、固定されたケーシング４５を形成する。ケーシング４５は、例えば、ステンレススチールおよび／またはモリブデンベースの合金で作られる。

動作および加速粒子ビームとの衝突の前に標的物質を予熱するために、リザーバ４６に予熱装置（図４には示さない）が与えられてもよい。予熱は、標的物質がリチウム金属のように液体で周辺温度より高い温度状態にある場合に有用である。

標的４０は、加速粒子ビーム５０のための入口パイプ４９をさらに備える。入口パイプ４９は、上側ケーシング４５２を通して、開口部４８の周囲に配置される。図６Ａ－６Ｃに示されるように、入口パイプ４９の方向によって、回転シェル上における衝突領域が定義される。入射ビームの形は、加速器１３の上流で定義される（図１参照）。図４の例では、ケーシング４５と入口パイプ４９とは互いに固定される。

いくつかの実施の形態では、衝突領域における真空と、標的周辺の大気とを分離するために、ウィンドウ（図４には示さない）が使われてもよい。こうしたウィンドウは、例えばビームのエネルギーが許すようなもの（すなわち、ビームがウィンドウを十分透過するもの）であってよい。別の典型的な実施の形態、例えば低エネルギーアプリケーションのためのリチウム標的の場合、ウィンドウの透過は不十分である。この場合、粒子ビームのための入口パイプ４９は、急速遮断システムおよび／または凝縮装置を備えてもよい（図４には示さない）。

標的４０は、リザーバ４６の液体をシェル３４の上面に向けて上昇させるための上昇装置４７をさらに備えてもよい。

図４の例では、上昇装置４７は、部分的にまたは完全に、シェル３４の環状の延伸部４４０に挿入され、リザーバ内に浸される。延伸部４４０は、シェルおよび上昇システムとともに回転する。延伸部４４０は、固定された管（図４には示さない）で取り囲まれてもよい。これにより、シェル３４および上昇装置の回転運動による拡散が、リザーバ内の液体全体にわたり制限される。

図４の例では、上昇装置４７は、延伸部４４０に固定され、上昇動作を表すエンドレススクリューを形成する。上昇装置は、例えば、羽根４７１または遠心ロータを備える。このようにして、シェルの回転により、液体標的は自動的に上昇する。

側溝４５７は、少なくとも１つのリターンパイプ４３を用いて、リザーバ４６に接続される。このリターンパイプ４３は、２つの要素間の流体接続を形成する。従って、側溝に送られた液体の標的物質は、付加的なエネルギーを用いることなく、重力により直接リザーバ４６内に再注入される。

いくつかのリターンパイプ４３は、リザーバ内で対称的な流れを作る。図４の例では、例えば４つのリターンパイプ４３が、互いに９０°に配置される。しかし、リターンパイプ４３の数、それぞれのサイズおよびそれぞれの位置は、本開示の目的の範囲内で異なっていてもよい。全体（すなわち、シェル、リターンパイプおよびケーシング）を支持し固定するシステムは図示しない。

上記の要素に加えて、標的４０は、シェルの上部に配置されたプレート４５９を備えてもよい。特にプレート４５９により、ビーム入口領域の近くで真空と直接導通する液体の表面領域全体を制限することができる。このプレートは、固定されてもよいし、シェルに取付けられて回転してもよい。

標的４０は、１つ以上の予熱装置および／または冷却装置を備えてもよい。予熱装置および／または冷却装置は、使われる標的物質および／または１つ以上の凝縮装置（例えば、リチウム上記を凝縮する装置）に応じて、例えば、ケーシングおよびリターンパイプ４３に配置されてもよい。

動作中、上昇装置４７は、液体標的物質（例えば、液体リチウム）をシェル３４の中心まで運ぶ。これにより、図２を用いて説明した液体のフィルムが形成される。角速度ωでのシェル３４の回転により、遠心力効果を通して、液体のフィルムが拡散される。従って、シェル３４が回転した後、液体のフィルムは、円錐台部３４２の中心から外側に向けて流れる。

このように形成されたフィルムは、シェル３４の上面３４４全体に拡散する。回転によりフィルムは、シェル３４の外周面３４５に向けて拡散し、側溝４５７内に送られる。側溝４５７内に送られた液体は、リターンパイプ４３を用いて、付加的なエネルギーを用いることなく、重力効果により直接リザーバ内に再注入される。

例えば図１を用いて説明した生成システム１０に含まれる標的４０により、原子核粒子を生成する方法（例えば、標的物質としてリチウムを使った中性子場の生成）を実行することができる。

いくつかの典型的な実施の形態では、この方法は、真空チェンバを用いて標的４０の周囲に十分高品質の真空を得る事前ステップを含む。次にこの方法は、液体フィルム（図２の２２）を形成するために、シェル３４および上昇装置４７を回転するステップを含む。次に、粒子加速器１３から来る加速粒子ビーム５０が、入口パイプ４９内に入射する。この方法は、リザーバ４６および／またはケーシング４５およびリターンパイプ４３を予熱する事前ステップを含んでもよい。

図５に、図４に示される標的の液体の循環をより詳細に示す。ここには、ビーム領域の下を通るフィルム２２と、側溝４５７によるその後の流体の再生が示される。採用される条件（ジオメトリおよび回転速度）に応じて、支持シェルから分岐された後のフィルムは、そのままの状態であってもよいし、流れまたは小滴の形となってもよい。

図６Ａ－６Ｃに、様々な入力パイプの形態におけるビーム衝突領域の形状を、より具体的に示す。

図６Ａに示されるように、粒子ビームのための入力パイプは、加速粒子ビーム（これは、図６Ａ－６Ｃでは太い矢印で表される）が、角度βおよびχで示されるように空間に入射するように構成される。

図６Ｂに示される典型的な実施の形態では、粒子ビームのための入力パイプは、加速粒子ビームが、回転軸を含む平面に入射するように構成される（χ＝０°）。この構成は、ビームの衝突領域の変形が、当該ビームの断面に対して最小である場合に相当する。

図６Ｃに示される典型的な実施の形態では、粒子ビームのための入力パイプは、加速粒子ビームが、回転半径ｒの外周に接する平面に入射するように構成される（χ＝９０°）。この構成は、ビームの衝突領域の変形が、当該ビームの断面に対して非常に大きい場合に相当する。

回転駆動システムの位置、使われる液体、動作温度および上流の粒子加速器の構成の選択に応じて、角度（βおよびχ）の選択には広い自由度がある。液体リチウムの場合、α＜β＜９０°および４５°＜χ＜９０°となるように選ぶことが望ましい。これにより、ビームの下でのリチウムの滞留時間が最小となる。

いくつかの典型的な実施の形態を通して、本開示に係る原子核粒子を生成するための標的を説明した。しかしこうした標的には、多くの変形、改造および改良がある。こうした変形、改造および改良もまた、以下の請求項で定義される本発明の一部であることは、当業者に明らかであろう。

Claims (15)

1. 原子核粒子を生成するための標的（２０、４０）であって、
   －回転軸の周りに回転するように、回転面により形成され設置されたシェル（２４、３４）と、
   －動作中、液体である標的物質を含むリザーバ（４６）と、
   －動作中、前記標的物質を、前記リザーバから前記シェルの上面（２４４、３４４）に向けて運ぶように構成された標的物質上昇装置（４７）と、
   －前記シェルの外周面（３４５）に沿って形成され、動作中、標的材料のフィルムから発し前記シェルの回転中に遠心力によって前記シェルの上面に導かれた小滴を受け取るように構成された側溝（４５７）と、
   －前記側溝（４５７）と前記リザーバ（４６）との間の流体接続を形成する少なくとも１つのリターンパイプ（４３）と、
   －動作中、加速粒子ビーム（５０）を前記シェルとの衝突領域に導くように構成された入口パイプ（４９）と、を備え、
   前記標的物質は前記原子核粒子を生成するのに適し、
   前記衝突領域は前記シェルの上面に位置し、
   前記加速粒子ビームと、前記シェルの上面上を循環する前記標的との相互作用は、前記原子核粒子を生成することを特徴とする標的（２０、４０）。
2. 前記シェルの上面を少なくとも部分的に覆うように構成された、固定された上側ケーシング（４５）をさらに備え、
   前記加速粒子ビームを前記シェルとの衝突領域に導くように構成された前記入口パイプが、前記上側ケーシングを横断することを特徴とする請求項１に記載の標的（４０）。
3. 前記側溝（４５７）は、
   前記上側ケーシングに取付けられ、
   前記シェルの外周面を取り巻き、
   前記シェルの上面（３４４）の反対側の下面（３４６）の下でカールするように形成されることを特徴とする請求項２に記載の標的（４０）。
4. 前記シェルの上面の反対側の下面を少なくとも部分的に覆うように構成された、固定された下側ケーシング（４５１）をさらに備え、
   前記下側ケーシングは、前記リザーバに取付けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の標的（４０）。
5. 前記標的物質上昇装置（４７）は、前記シェルの回転軸と一体化した回転軸周りに回転駆動されるように構成された、１つ以上の羽根または遠心ロータを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の標的（４０）。
6. 前記シェルは、少なくとも１つの第１円錐台部（２４２、３４２）を備え、
   前記第１円錐台部の頂点は、前記シェルの回転軸上に位置し、所定の半頂角（α）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の標的（４０）。
7. 前記半頂角（α）は、４０°以上５０°以下であることを特徴とする請求項６に記載の標的（４０）。
8. 前記シェルは、前記シェルの回転軸を含む子午面内で変化する曲率を持つ第１部分を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の標的（４０）。
9. 前記標的物質はリチウムであり、生成される原子核粒子は中性子であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の標的（３０）。
10. 遠心力作用によって生成されるリチウムのフィルムの厚さは、８０μｍ以上１４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の標的（３０）。
11. 前記衝突領域内に、前記原子核粒子を生成するのに適した真空を生成するように構成されたチェンバ（４２）をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の標的（３０）。
12. 原子核粒子を生成するためのシステム（１０）であって、
    －標的物質と相互作用することにより前記原子核粒子を生成するのに適した粒子の粒子源（１１）と、
    －前記粒子源からの粒子ビームを受け、加速粒子ビームを形成するように構成された粒子加速器（１３）と、
    －請求項１から１１のいずれかに記載の標的（４０）と、を備え、
    前記標的は、前記入口パイプで前記加速粒子ビームを受け、前記衝突領域で前記原子核粒子を生成するように構成されることを特徴とするシステム（１０）。
13. 前記標的物質はリチウムであり、
    生成される原子核粒子は中性子であり、
    前記標的の周囲に配置された中性子減速材をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 請求項１２または１３に記載のシステム（１０）を用いて原子核粒子を生成する方法であって、
    －前記シェル（３４）を回転させるステップと、
    －前記上昇装置を用いて前記液体を循環させるステップと、
    －前記粒子加速器（１３）から発した加速粒子ビーム（５０）を前記入口パイプ（４９）に導くステップと、を備える方法。
15. 前記シェルの回転軸は垂直であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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