JP4704788B2 - 二次荷電粒子発生装置 - Google Patents

Description

大強度加速施設の陽子ビームを利用する核破砕実験施設における二次荷電粒子発生装置に関する。

大強度の陽子ビーム（１２ｋＷ）をターゲットに衝突させて実験に使用する二次荷電粒子（π中間子，Ｋ中間子，ミューオン，ニュートリノ，反陽子など）の生成を連続的（５０００時間）に供給する設備においては、ターゲットに衝突後核破砕が生じて二次荷電粒子とともに入射エネルギーに応じた熱（約１０ｋＷ）が発生する。この熱を効率的に除去する方法が求められていた。

特許文献１には核反応ターゲットとして、ターゲット材を蒸着した円筒体表面にビームを受け、消耗すると円筒体を平行移動させて、さらに円筒体内部に冷却水を流して長時間のビーム照射連続運転を可能にしていることが紹介されている。

特許文献２にはＸ線管用回転ターゲットとして、高い比強度と高熱伝導度が得られる構造が示されており、ターゲットに衝突して発生した熱エネルギーを比強度と熱伝導度に優れた炭素複合材料を積層した構造が紹介されている。

特許文献３には１８Ｆ製造ターゲットとして、陽子ビームの照射エネルギーによる熱エネルギーを効率的に取り去るためにターゲット室背面に施されたターゲット室を冷却する方式が紹介されている。

特許文献４には電子ビーム照射装置として、電子ビーム透過部の過大な熱負荷を防止するために、高原子番号及び高融点からなる円板形ターゲットを用いることが紹介されている。

二次荷電粒子発生用ターゲットの冷却構造として１）固定ターゲット方式で中心部から発生した熱を周辺部で冷却する構造や、２）ビームが当たる箇所を変化させて発熱箇所の分散化させる構造のものが知られている。

また、冷却水流路を設けて伝熱金属を介して間接的に二次荷電粒子発生用ターゲット冷却し、装置全体を回転させる構造などが知られている。

特開平８−１５５００号公報 特開平８−２５００５３号公報 特開平９−５４１９６号公報 特開２０００−２４９８００号公報

連続した入射陽子ビームをターゲットに照射して二次荷電粒子を発生しようとした場合、ターゲットの一部に集中すると材料の変形や溶融の恐れがあり、その対策として、固定ターゲットの周辺に熱伝達率のよい冷却熱浴ブロックを設けることや、ターゲットを回転させて発熱が集中するのを避ける工夫や、回転ターゲットを水に漬けて冷却する概念が考えられてきた。さらに、熱伝導のよい金属を介して冷却水を循環させて冷却（約１ｋＷ）する方法も検討されてきた。しかしながら、大強度陽子ビームの衝突により核破砕反応から発生する多量の熱量を効率よく連続除熱できる二次荷電粒子ターゲットの除熱方式は確立されていなかった。

ターゲット円盤を水槽に入れて回転させると空気の巻き込み現象が生じてターゲット表面と冷却水との接触面積が少なくなり、その結果として冷却効率が落ちる原因となっていた。

ターゲットに陽子ビームを照射した場合の放射化発熱は核破砕反応で生じる二次荷電粒子発生量の増加に伴い、ターゲット円盤厚さ方向で後流側ほど大きくなる。その結果、発熱量を抑えるために板厚を薄くするか、円盤径を大きくするか、回転数を上げる必要があった。

本発明は、かかる点に鑑み、核破砕反応から発生する多量の熱量を効率よく連続して迅速に除熱できる二次荷電粒子ターゲットを備えた二次荷電粒子発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、大強度加速器から陽子ビームを入射して二次荷電粒子を発生させる金属製の二次荷電粒子発生ターゲットを備えた二次荷電粒子発生装置において、
前記二次荷電粒子発生ターゲットは、中心に回転軸を有する円板状に形成され、前記回転軸は水平方向に配置され、該二次荷電粒子発生ターゲットを回転する駆動装置が設けられ、前記二次荷電粒子発生ターゲットの下側一部を貯留した冷却水に直接浸漬して水冷を行う水槽が設けられることを特徴とする二次荷電粒子発生装置を提供する。

また、前記二次荷電粒子発生ターゲットは、円板状外周端部が三角形状もしくは円弧形状とされることを特徴とする二次荷電粒子発生装置を提供する。

また、前記二次荷電粒子発生ターゲットは、その厚さ方向において複数のターゲット板から構成され、前記中心軸に対して、一体に回転駆動されることを特徴とする二次荷電粒子発生装置を提供する。

また、陽子ビーム入射側に配置されるターゲット板と二次荷電粒子が取り出される側に配置されるターゲット板と中間に配置されるターゲット板は、陽子ビーム入射側から順次厚さが薄くされていることを特徴とする二次荷電粒子発生装置を提供する。

本発明は、上述のように回転する二次荷電粒子ターゲットの一部を冷却水に直接浸漬するようにしているので、核破砕反応から発生する多量の熱量を効率よく連続して迅速に除熱できる二次荷電粒子ターゲットを備えた二次荷電粒子発生装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、実施例１の概念を説明する図である。図１において、二次荷電粒子ターゲット１は円板（円盤）状に形成され、縦方向（垂直方向）に配置され、回転する横軸３によって回転される。二次荷電粒子ターゲット１の上部には厚さ方向からエネルギー線としての陽子ビーム９が照射される。二次荷電粒子ターゲット１は、陽子ビーム９を入射し、反射エネルギー線としての陽子ビーム９、二次荷電粒子１０および二次荷電粒子１０を発生もしくは通過させる。この反射エネルギー線を発生させるときに、二次荷電粒子ターゲット１は発熱して発熱部２１となり、上部が昇温し、下部へと伝熱される。

二次荷電粒子ターゲット１の下側の一部は浸漬部２２となり、冷却水１１に直接浸漬される。これによって回転する二次荷電粒子ターゲット１の発熱部２１は連続して冷却水１１によって冷却されることになる。浸漬される部分を２２として示してある。

冷却効率を高めるために二次荷電粒子ターゲット１の上方端部に陽子ビーム９を照射するようにし、二次荷電粒子ターゲット１を回転させ（本例の場合、反時計回り）、連続して冷却する方式としている。

図２および図３は、図１の構成を詳細に示す構成図である。図２は正面図、図３は側面図である。

これらの図において、二次荷電粒子ターゲット１は横方向配置の横軸３にキー止めによって固着されて横軸３と一体に回転する。横軸３は、両端側に軸受２が取り付けられ、軸受２を介して本体９０に設けたブラケット２４で保持するようにされている。横軸３の１端部には一組の傘歯車４（４Ａ，４Ｂ）が設けられ、傘歯車４Ｂは縦軸５によって駆動される。縦軸５は駆動源（図示せず）に接続され、回転駆動される。このようにして駆動装置（駆動手段）が構成される。従って、駆動装置によって二次荷電粒子ターゲット１は回転される。

図３に陽子ビーム９が照射される陽子ビームスポット８を示す。陽子ビームスポット８は二次荷電粒子ターゲット１の上部であって、横部に位置している。

図２に二次荷電粒子ターゲット１を浸漬するための水槽６を示す。二次荷電粒子ターゲット１の下方には冷却水１１が貯留された水槽６が設けられ、冷却水供給配管７から冷却水が供給されるようになっている。冷却水１１は水槽６からオーバーフローする。

二次荷電粒子ターゲット１の下側の一部（浸漬部２２）は冷却水１１に直接浸漬される。

回転する二次荷電粒子ターゲット１は、冷却水の近くで照射され、直ちに浸漬部２２が順次冷却水によって冷却される。この冷却は連続して迅速に行われる。

以上述べたように、本実施例によれば、二次荷電粒子ターゲット１を回転させることにより、局所に発熱が集中することを避けることができ、二次荷電粒子ターゲット１を水槽の冷却水１１に浸すことにより、一層冷却効率が向上することができ、長時間にわたり、安定した二次荷電粒子を供給することができる。

このように、二次荷電粒子ターゲット１を横軸３、軸受２、ブラケット２４により保持し、縦軸５および傘歯車により回転駆動力を伝達させて回転させ、さらに、二次荷電粒子ターゲット１を直接冷却するための水槽６と連続冷却するための冷却水供給配管７を設けることにより、連続冷却ができ、その結果、ターゲットスポット８での発熱分散と発生する多量の熱量を効率よく連続除熱できる二次荷電粒子発生ターゲット１を提供することができる。

実施例２を図４および図５を用いて説明する。主要構成は実施例１と同様であり、それらの説明は実施例１の説明を採用するものとする。他の実施例についても同じである。

図４（図４（ａ），図４（ｂ）参照）に示すように、実施例１の構造のように端部の軸方向断面が直角形状をした円板を二次荷電粒子ターゲット１として使用すると、回転速度が上昇するにつれてターゲット端部１４に周辺の空気１２を巻き込むおそれがある。

巻き込まれた空気１２は気泡１３となって冷却水１１中で二次荷電粒子ターゲット１に沿って回転し、逆側に吐き出される。

図５は、この空気巻き込みを防止する構造を提供する。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図を示す。図５において、二次荷電粒子ターゲット１は、円周端部が三角端ターゲット１５としてある。すなわち、円板状外周端部の軸方向断面を三角形状としている。一部にＲを設けてもよい。このようにすることによってターゲット端部１４での周辺の空気１２の巻き込みを極めて少ないものとすることができる。従って、二次荷電粒子ターゲット１の三角端ターゲット１５と共に回転する気泡１３は極めて少ないものとなる。

実施例３を図６に示す。図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図である。図６に示す構成は、実施例２の三角端ターゲット１５に代えて半円端ターゲット１６を採用する。効果については図５に示すものと同様である。すなわち、この構成は円板状外周端部の軸方向断面を円弧（半円径を含む）形状としている。

このように、図５あるいは図６に示すように、二次荷電粒子ターゲット１の除熱性の向上を図るために円盤外周の構造を平坦構造から三角形、または半円形構造にすることにより、ターゲット円盤が水に入り込むときの水の跳ね上がりや空気の巻き込みを抑制することができ、冷却効率を向上させることができる二次荷電粒子発生ターゲットを供給することができる。

図７は実施例４を示す。図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図である。

この実施例は、二次荷電粒子ターゲット１の冷却水１１に対する接触面積を大幅に増やして冷却効果を向上させるために、二次荷電粒子ターゲット１を複数のターゲット板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで構成している。すなわち分割ターゲット板１を採用し、それらの間に間隙１７を設けている。この間隙１７に冷却水１１が流れ込むことになる。

このように、板厚方向に分割された複数のターゲット板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅを使用して二次荷電粒子ターゲット１を構成することによって、板厚後流部の発熱分布が高くなるのを分散させることができ、冷却効果が上がる分、円盤の径や二次荷電粒子ターゲット１の回転数を抑えることができる。

このように、複数のターゲット板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅを採用することによって、すなわち板厚方向に分割することによって、冷却面積を大きくすることができ、冷却効率を向上させることができる二次荷電粒子発生ターゲットを提供することができる。

図８，図９は実施例５を示す。図８に示すように、分割ターゲット構成を採用すると効果が大きいが、陽子ビーム９が次々にターゲット板１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）に照射されると、二次荷電粒子１０の増加と共に熱分が広がって行き、後段にあるターゲット板ほど発生する熱量が大きくなる。

その対策として、図９に示す例を採用する。図９の例は、陽子ビーム９の入射側（入口側）に配置される不均等板厚ターゲット板１８ａと二次荷電粒子１０が取り出される側（出口側）に配置される不均等板厚ターゲット板１８ｅと中間に配置される不均等板厚ターゲット板１８ｂ，１８ｃは、陽子ビーム入射側から順次厚さを薄くしている。

板厚を１８ａ＞１８ｂ＞１８ｃ＞１８ｄ＞１８ｅとしている。この構成によって、各不均等板厚ターゲット板１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅの発熱量の均等化を図ることができるようになる。すなわち、この例は二次荷電粒子ターゲット１を不均等板厚分割ターゲット１８を複数使用して構成している。

以上のように、大強度加速器から陽子ビーム９を入射して二次荷電粒子１０を発生させる金属製の二次荷電粒子発生ターゲットを備えた二次荷電粒子発生装置１００は、二次荷電粒子発生ターゲット１は、中心に回転軸を有する円板状に形成され、前記回転軸は水平方向に配置され、該二次荷電粒子発生ターゲット１を回転する駆動装置が設けられ、二次荷電粒子発生ターゲットの下側一部を貯留した冷却水１１に直接浸漬して水冷を行う水槽６が設けられて構成される。

本発明の実施例の概念図。 本発明の実施例の詳細構造を示す正面図。 図２の側面図。 実施例１が保有する問題点を説明する図。 他の実施例の構造を示す図で、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図。 他の実施例の構造を示す図で、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図。 他の実施例の構造を示す図で、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図。 実施例４が保有する問題点を説明する図。 他の実施例の構造を示す図で、図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は側面図。

符号の説明

１…二次荷電粒子ターゲット、２…軸受、３…横軸、４…傘歯車、５…縦軸、６…水槽、７…冷却水供給配管、８…陽子ビームスポット、９…陽子ビーム、１０…二次荷電粒子、１１…冷却水、１２…空気、１３…気泡、１４…ターゲット端部、１５…三角端ターゲット、１６…半円端ターゲット、１７…ターゲット板、１８…不均等板厚分割ターゲット、２１…発熱部、２２…浸漬部、２４…ブラケット、９０…本体、１００…二次荷電粒子発生装置。

Claims (4)

1. 陽子ビームを入射して二次荷電粒子を発生させる金属製の二次荷電粒子発生ターゲットを備えた二次荷電粒子発生装置において、
   前記二次荷電粒子発生ターゲットは、中心に回転軸を有する円板状に形成され、前記回転軸は水平方向に配置され、該二次荷電粒子発生ターゲットを回転する駆動装置が設けられ、前記二次荷電粒子発生ターゲットの下部を貯留した冷却水に直接浸漬して水冷を行う水槽が設けられて構成され、
   前記二次荷電粒子発生ターゲットには、回転する該二次荷電粒子発生ターゲットの上部に前記陽子ビームが入射されることで発熱部が形成され、回転する該発熱部が前記二次荷電粒子発生ターゲットの下部が水槽の冷却水に直接浸漬されることにより冷却されるように形成されること
   を特徴とする二次荷電粒子発生装置。
2. 請求項１において、前記二次荷電粒子発生ターゲットは、円板状外周端部の軸方向断面が三角形状もしくは円弧形状とされることを特徴とする二次荷電粒子発生装置。
3. 請求項１において、前記二次荷電粒子発生ターゲットは、その厚さ方向において複数のターゲット板から構成され、前記中心軸に対して、一体に回転駆動されることを特徴とする二次荷電粒子発生装置。
4. 請求項３において、陽子ビーム入射側に配置されるターゲット板と二次荷電粒子が取り出される側に配置されるターゲット板と中間に配置されるターゲット板は、陽子ビーム入射側から順次厚さが薄くされていることを特徴とする二次荷電粒子発生装置。

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