JP5010846B2 - 加速器 - Google Patents
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米国AccSys Technology, Inc. (AccSys) (商標)のウェブサイトhttp://www.accsys.com/products/pulsar.html
図1に示すように、本実施の形態の加速器10は、主にイオン源11、高周波四重極型線形加速器(Radio Frequency Quadrupole、以下、RFQと称す)12aとドリフトチューブ型線形加速器(Drift Tube Linac、以下、DTLと称す)12bとの2段で構成された加速器本体12、ビーム伝送ダクト15及びターゲット20を備える。
イオン源11は、イオンとなる源物質を、ここでは水素をイオン化して陽子のイオンビームRとして引き出す役割をし、その周囲には、質量により陽子のみを選択的に取り出す図示しないマグネットやイオンビームRを整形する図示しない静電レンズ、さらには図示しないイオンビーム発生部などが設けられている。
なお、イオン源11には、熱陰極方式のデュオプラズマトロン型イオン源またはPIG(ペニングイオンゲージ)型イオン源を使用することができる。また、長寿命で大電流を発生することのできるマイクロ波放電型イオン源を使用することもできる。
以下では、イオンビームRとして陽子ビームの場合を例に説明する。
RFQ12aは、イオン源11の後段に設けられ、イオン源11から出射されたイオンビームRを所定のエネルギ、例えば約3.5MeVまで加速させるものである。図1に示すように、RFQ12aは、SS材(一般構造用圧延鋼材)で構成された真空容器12dの内部に波形状の四重極電極13を備えている。この四重極電極13により特定の領域でイオンビームRの進行方向と直角な方向に四重極電界が形成され、イオンビームRが集束されながら真空領域で加速される。
なお、金メッキの層の厚さ85μmは、3.5MeVに加速された陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内にとどまる、または銅65(65Cu)が(p,n)核反応を生じる閾値2.1MeVより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
DTL12bは、RFQ12aで加速されたイオンビームRを入射されて、さらに約7MeVまで追加加速するものである。DTL12bは、RF共振用のタンクを兼ねた炭素鋼製の真空容器12eの真空領域の中心に、複数個の、例えば17個の小型円盤状のドリフトチューブ14がイオンビームRの加速方向に並んで配置されて構成されている(図1参照)。ただし、図1では模式的に7個のドリフトチューブ14を示す。
なお、真空容器12eの内面は、例えば、50μmの銅メッキが施されている。
なお、ビーム対向内面14bの金メッキの層の厚さ85μmは、7MeVの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または65Cuが(p,n)核反応を生じる閾値2.1MeVより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
このようにRFQ12a及びDTL12bの2段で構成された加速器本体12は、最終的に約7MeVの高エネルギにイオンビームRを加速する。
加速されたイオンビームRは、内部を真空に保たれたSUS製のビーム伝送ダクト15でターゲット20に導かれる(図1参照)。
DTL12bから出射されるイオンビームRは、長径約2mmの楕円状の強度分布である。イオンビームRがターゲット20の全面を照射するように、ビーム伝送ダクト15の外側に3台のQマグネット15aを配置し、ビーム径を、例えば、10mmまで拡大するように調整する。
なお、ビーム伝送ダクト15の内面及びコリメータ電極15bの表面には、30μmの金メッキが施されている。ビーム伝送ダクト15の内面及びコリメータ電極15bの表面に施される金メッキの層の厚さ30μmは、7MeVの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または鉄56(56Fe)が(p,n)核反応を生じる閾値5.5MeVより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
ターゲット20は、ビーム伝送ダクト15の終端に設定される。
なお、損失イオンビームが照射される確率は小さいが、さらに真空容器12dの内面に金メッキまたは金蒸着を施しても良い。同様に、真空容器12eの内面に銅メッキの代わりに金メッキまたは金蒸着を施しても良い。
加速器10を作動させるにあたって、事前に、ターゲット20を設定しておく(図1参照)。
図示しない作動スイッチを操作すると、RFQ12a、DTL12bに対して、所定の高周波電力がそれぞれ供給され、各RFQ12a、DTL12bに電界が形成される。その後、イオン源11に所定の電力を供給する。これにより、イオン源11のイオンビーム発生部(図示せず)から出射された陽子のイオンビームRがRFQ12aによって約3.5MeVまで加速される。加速されたイオンビームRは、RFQ12aから出射されて後段のDTL12bに入射され、DTL12bでさらに約7MeVに加速される。
損失イオンビーム(ここでは損失陽子ビーム)が、加速器10の構成部品の壁面に垂直に入射したときに生成される放射性核種の単位時間当たり(1秒間)の生成量Nr(個/秒)は、板状体系の一次元近似で、式(1)のように近似できる。
なお、ここでは、材料中で陽子が衝突によりエネルギを喪失しないと仮定した。つまり陽子による放射化を過大評価する保守的な評価を行っている。
ここで、
Ip:入射する陽子ビーム電流(A)
η1:陽子ビーム損失率
e:電荷素単位(1.6×10-19C)
σ:核反応断面積(MB;mbarn=1×10-27cm2)
Na:アボガドロ数(6.02×1023/mol)
η2:原子存在率
A:標的元素の質量数
ρ:標的材料の密度(g/cm3)
Γp:標的材料中での陽子の飛程(cm)
である。
Nd1=Ns[1−exp(−0.693t1/Tr)] ・・・・(2)
ここで、
Ns:飽和生成量、ただしNs=Nr(Tr/0.693)
Tr:生成放射性核種の半減期(秒)
である。
Nd2=Nd1・exp(−0.693t2/Tr)
=Ns[1−exp(−0.693t1/Tr)]・exp(−0.693t2/Tr)
・・・・(3)
このときの放射線強度Φrは、式(4)のように表される。
Φr=(0.693/Tr)Nd2
=Nr[1−exp(−0.693t1/Tr)]・exp(−0.693t2/Tr)
・・・・(4)
前記したようにドリフトチューブ14のビーム対向内面14b、ビーム伝送ダクト15の内面の表面は、それぞれ85μmと30μmの厚さの金メッキが施されている。従って、損失陽子ビームは、金メッキされた面に衝突すると考えれば良い。
陽子ビーム電流がIp=100μA、陽子ビーム損失率η1=0.05、標的材料である金(Au)中での陽子の飛程Γp=101μmとし、陽子エネルギが7.0MeVのときの金197(197Au)の(p,n)核反応の断面積σ=0.8MBを用いると、式(1)より(p,n)核反応により単位時間当たりNr=1.5×107個/秒の放射性核種、水銀197(197Hg)が生成される。
放射性核種197Hgは、損失陽子ビームの照射により2年間かけて徐々に増加する。式(2)で評価する場合に、損失陽子ビームの照射が1日あたりΔT時間だとすると、Nrを(NrΔT/24)に置き換えて実効的な連続生成量を考えれば良い。従って、2年後の放射性核種197Hgの蓄積量Nd1は、Nd1=4.1×1011個と評価される。
また、損失陽子ビームが2年間照射された後の停止から1ヶ月経過しときの放射性核種197Hgの量と、放射能レベルを評価すると、式(3)、式(4)からNd2=5×102個、Φr=5kBqとなる。
ここでビーム伝送ダクト15における陽子ビーム損失率をη1=0.1に置きなおすだけで前記評価結果をそのまま利用でき、損失陽子ビームが2年間照射された後の停止から1ヶ月経過したときの放射性核種197Hgの量と、放射能レベルを評価すると、Nd2=1.0×103個、Φr=10kBqとなる。
同様に、ビーム伝送ダクト15内のコリメータ電極15bも、基材のアルミニウム合金表面に厚さ30μmの金メッキを施しているので、アルミニウム合金に含まれる56Feから(p,n)核反応により放射性核種56Coが生成されてしまうことはない。
この場合は、陽子ビーム電流がIp=100μA、陽子ビーム損失率η1=0.05、標的材料である銅(Cu)中での陽子の飛程Γp=135μmとし、陽子エネルギが7.0MeVのときの65Cuの(p,n)核反応の断面積σ=480MBを用いる。
65Cuの(p,n)核反応による放射性核種65Znの単位時間当たりの生成量Nrは、式(1)よりNr=5.2×109個/秒と求められる。
また、損失陽子ビームが2年間照射された後の停止から1ヶ月経過したときの放射性核種65Znの量と、放射能レベルを評価すると、式(3)、式(4)からNd2=1.1×1016個、Φr=350MBqとなる。
従って、四重極電極13のビーム対向内面13bに85μmの厚さの金メッキ、または金蒸着を行うことにより、銅メッキの放射化が防止または低減できる。
その結果、放射能レベルが自然放射能のバックグラウンドレベルまで低下でき、放射性物質としての取り扱い対象から除外され、通常の産業廃棄物としての取り扱いが可能となる。その場合、装置の廃棄コストが大幅に低減可能となる。
しかし、表面が滑らかな厚い金メッキや金蒸着を行うことが難しい場合は、金の薄板を別途用意して、素地となる部材に圧着しても良い。このようにすることで、所要の厚さの金を素地の上に密着させることができる。
以下に、図5の表に基づいて、電極材料及び放射能レベルを低減する材料を選択する考え方をまとめて説明する。
なお、鉄は構造材としての候補であり、電極材として必要な比抵抗の小さいこと、熱伝導度の大きいことは、必要とされないので、それに関するデータは省略してある。
ただし、銀は腐食しやすいこと、加速器の電極としては放電しやすいこと、電極の素地として使うにしても高価であることから、量を必要とする電極素地には、銅またはアルミニウムがより適切である。
アルミニウム27の(p,n)核反応で生成する放射性核種は、半減期4.16秒のケイ素27(27Si)であるので、金がコスト的に高い場合は代わりに純アルミニウムをメッキ、蒸着または純アルミニウム薄板を圧着して用いても良い。
加速器10を運用するときの損失陽子ビームのエネルギに応じてカバー材の厚さを設定すべきものである。つまり、カバー材の下層の材質に含まれる元素との(p,n)核反応で長い半減期の放射性同位体元素を生成する可能性のある場合に、その核反応の閾値以下になるまで陽子がエネルギを失うに必要なカバー材の厚さを設定する。
サイクロトロンにおいて損失陽子ビームが照射される、例えば電極(D)の陽子ビームの軌道に面した内面に、電極素地に金または純アルミニウムの、メッキ、蒸着、若しくは薄板の圧着を施すことにより、同様の効果が得られる。
11 イオン源
12 加速器本体
12a 高周波四重極型線形加速器
12b ドリフトチューブ型線形加速器
12d、12e 真空容器
13 四重極電極(電極)
13a 電極表面
13b ビーム対向内面
14 ドリフトチューブ(電極)
14a 四極磁石
14b ビーム対向内面
15 ビーム伝送ダクト
15a Qマグネット
15b コリメータ電極(ビーム計測・制御部品)
20 ターゲット
R イオンビーム
Claims (6)
- 少なくとも真空容器及び高周波電流が印加される電極を備える加速器本体により陽子イオンビームを加速する加速器であって、
前記電極は、
該電極の素地の表面に銅メッキ層が形成され、
前記陽子イオンビームの軌道に対向する面には更に金または純アルミニウムからなる保護層が形成される
ことを特徴とする加速器。 - 前記保護層は、金メッキもしくは金蒸着、または純アルミニウムメッキもしくは純アルミニウム蒸着を行うことにより形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の加速器。 - 前記保護層は、金からなる薄板を圧着することにより形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の加速器。 - 前記電極の素地は、熱伝導率が高い材料で構成される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の加速器。 - 前記熱伝導率が高い材料は、アルミニウム合金である
ことを特徴とする請求項4に記載の加速器。 - 前記保護層の厚さは、
65Cu(p,n)65Zn核反応を生じる閾値以下にまで該保護層中で陽子がエネルギ損失するに必要な飛程以上の厚さである
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の加速器。
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