JP5697021B2 - Composite type target, neutron generation method using composite type target, and neutron generator using composite type target - Google Patents

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本発明は、陽子をターゲットに衝突させることによって中性子を発生させるためのターゲット、陽子をターゲットに衝突させる中性子発生方法、及び陽子をターゲットに衝突させることによる中性子発生装置に関するものである。さらに詳しくは、従来よりも低エネルギーの陽子を用いて中性子を発生させるための新規のターゲット、新規のターゲットを用いた中性子発生方法、及び新規のターゲットを用いた中性子発生装置を提供するものであり、特に医療用の中性子を発生させるためのコンパクト性に優れた装置を提供するものである。   The present invention relates to a target for generating neutrons by causing a proton to collide with a target, a neutron generation method for causing a proton to collide with the target, and a neutron generator by causing a proton to collide with the target. More specifically, the present invention provides a new target for generating neutrons using protons having lower energy than conventional ones, a neutron generation method using a new target, and a neutron generator using a new target. In particular, the present invention provides a device with excellent compactness for generating medical neutrons.

近年、選択的ながん治療として期待されているホウ素中性子捕捉療法(BNCT:Boron
Neutron Capture Therapy)のための中性子の発生方法及び装置の研究開発が盛んに行わ
れている。これらは、例えば、特許文献1、2、3、4、5、6、及び7に開示されている。
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), which has been expected as a selective cancer treatment in recent years
Research and development of neutron generation methods and devices for Neutron Capture Therapy) are being actively conducted. These are disclosed in, for example, Patent Documents 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7.

特許文献1は、高周波四重極線形加速器(RFQライナック:Radio Frequency Quadrupole Linac)の例えば30〜40MeVの重陽子線をリチウムに衝突させてLi(d,n
)反応を起こさせ中性子を発生させ、中性子減速材を介して治療用の熱中性子・熱外中性子を発生させることを特徴としている。
Patent Document 1 discloses that Li (d, n) is produced by causing a 30-40 MeV deuteron beam of a radio frequency quadrupole linear accelerator (RFQ linac) to collide with lithium.
) It is characterized by generating reaction and generating neutrons, and generating thermal and epithermal neutrons for treatment via a neutron moderator.

特許文献2は、中性子を発生させるためのターゲットに関し、大強度陽子線を衝突させるターゲットの冷却材に対する耐食性を改善するために、低水素吸収体であるNb、Pt、Au、Al、Be、Cr、ステンレス鋼又はその合金で被覆されたタングステンを用いることを特徴としている。   Patent Document 2 relates to a target for generating neutrons, and Nb, Pt, Au, Al, Be, Cr, which are low hydrogen absorbers, in order to improve the corrosion resistance of the target to which a high-intensity proton beam collides. It is characterized by using tungsten coated with stainless steel or its alloy.

特許文献3は、液体状のリチウム、又は核融合反応の触媒作用を持つ金属との合金の表面に重水素イオンビームを衝突させることによって非熱核融合反応を誘発することによって中性子を発生させることを特徴としている。   Patent Document 3 discloses that neutrons are generated by inducing a non-thermofusion reaction by colliding a deuterium ion beam against the surface of an alloy with liquid lithium or a metal having a catalytic action for a fusion reaction. It is characterized by.

特許文献4は、サイクロトロン等で発生させる20MeV以上のエネルギーを有する陽子線をタンタル、タングステン等の重金属に衝突させることによって核破砕反応物質を含む中性子を発生させ、同中性子を中性子減速部及び鉛で構成されるフィルターを介して有害な核破砕反応物質及び高速中性子を除去することによって治療用の熱中性子・熱外中性子を発生させることを特徴としている。   In Patent Document 4, neutrons containing spallation reactants are generated by colliding a proton beam generated by a cyclotron or the like with a heavy metal such as tantalum or tungsten with a proton beam having an energy of 20 MeV or more. It is characterized by generating therapeutic thermal neutrons and epithermal neutrons by removing harmful spallation reactants and fast neutrons through a configured filter.

特許文献5は、固定磁場強収束(FFAG:Fixed Field Alternating Gradient)−内部標的(ERIT:Emittance Recovery Internal Target)方式による中性子発生方法及び装置を開示している。そして、特許文献5は、サイクロトロン型の陽子貯蔵リングで周回増強された11MeV以上15MeV未満のエネルギーを有する陽子線又は重陽子線を同リング内に設けたベリリウム製のターゲットに衝突させることによって発生した中性子を重水等の減速材を介して治療用の熱中性子・熱外中性子に調整することを特徴としている。   Patent Document 5 discloses a neutron generation method and apparatus using a fixed field alternating gradient (FFAG) -Emittance Recovery Internal Target (ERIT) method. Patent Document 5 is generated by colliding a proton beam or deuteron beam having an energy of 11 MeV or more and less than 15 MeV, which is circulated and enhanced by a cyclotron type proton storage ring, with a beryllium target provided in the ring. It is characterized by adjusting neutrons to therapeutic thermal neutrons and epithermal neutrons through a moderator such as heavy water.

特許文献6は、RFQライナックやドリフトチューブライナックで加速された11MeV程度以上の陽子線を金属ターゲットに衝突させて中性子を発生させるためのターゲットを開示している。また、該ターゲットが金属ターゲットであり、好ましくはベリリウムで
あることが開示されている。そして、特許文献6は、該ターゲットの厚みが同ターゲット中における陽子線の飛程と略同等又はそれよりもわずかに大きくし、又、ターゲットを冷却するためにターゲットの伝熱面積と同程度以上の伝熱面積を有する金属板を介して冷却することを特徴としている。
Patent Document 6 discloses a target for generating a neutron by colliding a proton beam of about 11 MeV or more accelerated by an RFQ linac or a drift tube linac with a metal target. It is also disclosed that the target is a metal target, preferably beryllium. Patent Document 6 discloses that the thickness of the target is approximately equal to or slightly larger than the range of the proton beam in the target, and is equal to or more than the heat transfer area of the target to cool the target. It cools through the metal plate which has the heat-transfer area of.

特許文献7は、線形加速器を用いて例えば11MeVの陽子線をベリリウム製のターゲットに衝突させることによって10keV以上の速中性子を発生させ、該速中性子を重水などの減速材を通過させることによって10keV未満の熱外中性子又は0.5eV以下の熱中性子に調整することを特徴としている。   Patent Document 7 discloses that a linear accelerator is used to generate a fast neutron of 10 keV or more by causing a proton beam of 11 MeV to collide with a beryllium target, and the fast neutron is passed through a moderator such as heavy water to be less than 10 keV. It is characterized by adjusting to an epithermal neutron of 0.5 eV or less.

しかしながら、以上の特許文献1〜7に開示された方法及び装置は、ターゲットに衝突させる陽子線又は重陽子線の加速エネルギーが少なくとも11MeVの高エネルギー陽子線を必要としている。そのため、以上の特許文献1〜7に開示された方法及び装置では、陽子線又は重陽子線発生のための大型の加速器が必要であること、高エネルギー陽子線による部材の著しい放射化が生じること、ターゲットを冷却するための大型の冷却装置が必要であること、中性子発生用のターゲットの厚さが1mm以上であること、中性子発生用のターゲット材料が重金属等の金属製であるために人体に極めて有害であり且つ装置部材の放射化能も高い速中性子がかなり混在して発生しているので一次発生中性子を減速するための大がかりな減速装置が必要であること、有害且つ放射化能の高い陽子線、中性子及び核反応副生物質を吸収又は除去するための特殊な安全管理システムが必要であること、等の実用上における問題があった。
以上の問題を解決するためには、従来よりも加速エネルギーの低い低放射化能の陽子線を用いて有害性の低い低エネルギーの熱中性子・熱外中性子を効率的に発生させるためのターゲットの開発が切望されていたが、これまで上記問題を解決するようなターゲットは知られていないのが現状である。
However, the methods and apparatuses disclosed in Patent Documents 1 to 7 require high-energy proton beams in which the acceleration energy of the proton beam or deuteron beam colliding with the target is at least 11 MeV. Therefore, in the methods and apparatuses disclosed in Patent Documents 1 to 7 described above, a large accelerator for generating a proton beam or deuteron beam is necessary, and significant activation of a member by a high energy proton beam occurs. A large cooling device for cooling the target is required, the thickness of the target for neutron generation is 1 mm or more, and the target material for neutron generation is made of a metal such as heavy metal. Extremely harmful and fast activation neutrons of the equipment members are generated in a mixture of fast neutrons. Therefore, a large speed reduction device is required to decelerate primary neutrons. There are practical problems such as the need for a special safety management system for absorbing or removing protons, neutrons, and nuclear reaction by-products.
In order to solve the above problems, a target for efficiently generating low-energy low-energy thermal neutrons and epithermal neutrons using low-activation proton beams with lower acceleration energy than conventional ones is used. Although the development has been eagerly desired, there are currently no known targets that can solve the above problems.

特開平11−169470号公報JP-A-11-169470 特開2000−162399号公報JP 2000-162399 A 特開2003−130997号公報JP 2003-130997 A 特開2006−47115号公報JP 2006-47115 A 特開2006−155906号公報JP 2006-155906 A 特開2006−196353号公報JP 2006-196353 A 特開2008−22920号公報JP 2008-22920 A

本発明は、上記の事情に鑑み、従来よりも低エネルギーの陽子を用いて中性子を発生させるための新規のターゲット、従来よりも低エネルギーの陽子を新規のターゲットに衝突させることによる中性子発生方法、及び中性子発生装置を提供することを目的としている。   In view of the above circumstances, the present invention is a new target for generating neutrons using protons having lower energy than conventional ones, a neutron generation method by colliding protons having lower energy than conventional ones with new targets, And it aims at providing a neutron generator.

本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、従来よりも低エネルギーの陽子を用いることによって陽子による部材の放射化が顕著に低減されること、及び従来よりも低エネルギーの陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットとして非金属材料及びベリリウムを備えた複合型ターゲットが非常に有効であることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have significantly reduced the activation of members by protons by using protons with lower energy than before, and more than before. It was found that a composite target including a nonmetallic material and beryllium was very effective as a target for generating neutrons by colliding with low energy protons, and based on this knowledge, the present invention was completed. .

すなわち、本発明は、
1.陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットが、放射化を低減させる非金属材料及びベリリウムから構成されることを特徴とする複合型ターゲット。
2.ターゲットが非金属材料製の基板及び該基板の片面に付着された厚さ0.01mm以上1mm未満のベリリウムから構成されることを特徴とする上記1に記載の複合型ターゲット。
3.放射化を低減させる非金属材料が、かさ密度1.5g/cm〜3.5g/cm3の範囲にあ
等方性黒鉛であることを特徴とする上記1及び2のいずれか一つに記載の複合型ターゲット。
4.ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構を付帯することを特徴とする上記1〜3のいずれか一つに記載の複合型ターゲット。
5.陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットが、かさ密度1.5g/cm〜3.5g/cm3の範囲にある等方性黒鉛製の基板及び該基板の片面に付着された厚さ0.0
1mm以上1mm未満のベリリウムから構成されており、ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構を付帯することを特徴とする複合型ターゲット。
6.陽子をターゲットに衝突させて中性子を発生させるための中性子発生方法において、陽子が4MeV以上11MeV未満の陽子であり、ターゲットが上記5の複合型ターゲットであり、該ターゲットに前記陽子を真空下で衝突させることによって、核反応による中性子を発生させると共に核反応に伴って発生する熱を該ターゲットの冷却機構によって除熱することを特徴とする中性子発生方法。
7.複合型ターゲットのベリリウム面が陽子線の進行方向に対面していることを特徴とする上記6に記載の中性子発生方法。
8.陽子発生のための水素イオン発生部、水素イオン発生部で発生する陽子を加速するための加速器、加速器によって加速された陽子を照射するための陽子照射部、照射部の陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットを備える中性子発生装置において、前記加速器が線形加速器であり、前記ターゲットが上記5の複合型ターゲットであり、該ターゲットのベリリウム表面が陽子の進行方向に対面するように前記陽子照射部の端部に配置されていることを特徴とする中性子発生装置。
9.線形加速器が陽子を4MeV以上11MeV未満の範囲に加速することができる線形加速器であることを特徴とする上記8に記載の中性子発生装置に関する。
That is, the present invention
1. A composite target in which a target for generating protons and generating neutrons is composed of a non-metallic material and beryllium for reducing activation .
2. 2. The composite target according to 1 above, wherein the target is composed of a substrate made of a non-metallic material and beryllium having a thickness of 0.01 mm or more and less than 1 mm attached to one surface of the substrate.
3. Non-metallic materials to reduce activation, characterized in that it is isotropic graphite in the range of bulk density 1.5g / cm 3 ~3.5g / cm 3 according to any one of the above 1 and 2 Composite type target.
4). 4. The composite target according to any one of 1 to 3 above, wherein a cooling mechanism provided with a refrigerant flow path in a side portion and / or inside of the target is attached.
5. By colliding a proton target for generating neutrons, bulk density 1.5g / cm 3 ~3.5g / cm in the range of 3 isotropic graphite substrate and thickness is deposited on one surface of the substrate 0 .0
A composite target, which is made of beryllium having a size of 1 mm or more and less than 1 mm, and has a cooling mechanism provided with a refrigerant flow path in a side portion and / or inside of the target.
6). In a neutron generation method for generating a neutron by causing a proton to collide with a target, the proton is a proton of 4 MeV or more and less than 11 MeV, the target is the composite target of 5 above, and the proton collides with the target under vacuum A neutron generation method characterized by generating neutrons by nuclear reaction and removing heat generated by the nuclear reaction by a cooling mechanism of the target.
7). 7. The neutron generation method according to 6 above, wherein the beryllium surface of the composite target faces the traveling direction of the proton beam.
8). Hydrogen ion generator for proton generation, accelerator for accelerating protons generated in the hydrogen ion generator, proton irradiation unit for irradiating protons accelerated by the accelerator, and protons in the irradiation unit collide with neutrons In the neutron generator including a target for generating, the accelerator is a linear accelerator, the target is the composite target of the above 5, and the proton irradiation so that the beryllium surface of the target faces the traveling direction of the proton A neutron generator characterized by being arranged at the end of the part.
9. 9. The neutron generator according to 8 above, wherein the linear accelerator is a linear accelerator capable of accelerating protons in a range of 4 MeV or more and less than 11 MeV.

本発明ターゲットは、ベリリウム及び非金属材料から構成される複合型ターゲットであるので、陽子との衝突による核反応を上記二種類の材料で分担して行うことがきる。複合型ターゲットを構成するベリリウム及び非金属材料が持つ陽子及び中性子に対する特有の物性によって、陽子及び中性子による放射化を低減できること、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子の吸収が低いこと、中性子の減速による速中性子の発生が抑制されること、核反応の分担によって核反応熱の除熱が容易であること、等の効果が得られる。また、本発明の複合型ターゲットでは、非金属材料が、ベリリウムの支持材及び冷却剤として機能しうるので、従来ターゲットとして用いられてきたベリリウムよりも薄いベリリウムを用いてもベリリウムの切断や溶融を防止できる副次的効果が得られる。これらの特徴によって、本発明の複合型ターゲットは、従来よりも低エネルギーの陽子を用いて、放射化を低減し且つ低エネルギーの中性子を安定的に発生しうる。   Since the target of the present invention is a composite target composed of beryllium and a non-metallic material, a nuclear reaction caused by collision with a proton can be shared by the above two kinds of materials. The unique physical properties of protons and neutrons of beryllium and non-metallic materials that make up composite targets can reduce activation by protons and neutrons, and absorption of low-energy neutrons with reduced harmful and high-activation fast neutrons Effects such as being low, the generation of fast neutrons due to neutron deceleration being suppressed, and the removal of heat from the nuclear reaction heat being easy due to the sharing of nuclear reactions. Further, in the composite type target of the present invention, since the non-metallic material can function as a support material and a coolant for beryllium, beryllium can be cut or melted even if beryllium is thinner than the beryllium conventionally used as a target. A secondary effect that can be prevented is obtained. Due to these features, the composite target of the present invention can use lower-energy protons than before, reduce activation, and stably generate low-energy neutrons.

また、本発明の中性子発生方法は、中性子発生用の陽子として従来よりも低エネルギーの陽子を用い、ターゲットとして非金属材料をベースにした複合型ターゲットを用いる。このため、本発明の中性子発生方法は、陽子による部材の放射化を著しく低減できること、及び小規模の方法によってBNCT等の医療用に適した中性子を選択的に発生できるという特長を有する。   In the neutron generation method of the present invention, a proton having a lower energy than conventional ones is used as a proton for generating neutrons, and a composite target based on a nonmetallic material is used as a target. For this reason, the neutron generation method of the present invention has the features that the activation of the member by protons can be significantly reduced, and neutrons suitable for medical use such as BNCT can be selectively generated by a small-scale method.

また、本発明の中性子発生装置は、従来のシンクロトロンやサイクロトロンに比べると
飛躍的に小型の加速器である線形加速器、及び線形加速器によって発生させる従来よりも低エネルギー・大電流の陽子線を用いて有害性の低い医療用中性子を効率的に発生可能な新規の複合型ターゲットを用いている。これにより、本発明の中性子発生装置は、有害且つ放射化能の高い速中性子(高速中性子)を防除するための大がかりな減速装置や大がかりな放射化防止装置を必ずしも必要としないという特長を有する。そのため、本発明の中性子発生装置は、小規模の医療機関に設置可能である。
In addition, the neutron generator of the present invention uses a linear accelerator, which is a dramatically smaller accelerator than conventional synchrotrons and cyclotrons, and a proton beam with lower energy and higher current than that generated by the linear accelerator. A new composite target that can efficiently generate medical neutrons with low toxicity is used. Accordingly, the neutron generator of the present invention has a feature that a large speed reduction device and a large activation prevention device for controlling harmful and high activation neutrons (fast neutrons) are not necessarily required. Therefore, the neutron generator of the present invention can be installed in a small medical institution.

実施の形態に係る複合型ターゲットの構成を例示する断面構成図である。It is a section lineblock diagram illustrating the composition of the compound type target concerning an embodiment. 冷却機構を付帯した複合型ターゲットの構成を例示する断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram which illustrates the structure of the composite type target which attached the cooling mechanism. 実施の形態に係る中性子発生方法を例示する概略図である。It is the schematic which illustrates the neutron generation method which concerns on embodiment. 実施の形態に係る中性子発生装置を例示する概略図である。It is the schematic which illustrates the neutron generator which concerns on embodiment.

本発明は、従来よりも低エネルギーの陽子をベリリウム及び非金属材料から構成される複合型ターゲットに衝突させることによって中性子を発生させる。複合型ターゲットのベリリウム側では核反応9Be(p,n)反応が起きる。複合型ターゲットの非金属材料側
では、非金属材料が炭素である場合には、12C(p,n)反応が起きる。
In the present invention, neutrons are generated by colliding a proton having lower energy than that of a conventional target composed of beryllium and a nonmetallic material. On the beryllium side of the composite target, a nuclear reaction 9 Be (p, n) reaction occurs. On the non-metallic material side of the composite target, a 12 C (p, n) reaction occurs when the non-metallic material is carbon.

以下、図面を参照しつつ本発明の一側面を実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)として詳細に説明する。   Hereinafter, an aspect of the present invention will be described in detail as an embodiment (hereinafter also referred to as “this embodiment”) with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る複合型ターゲットの構成を例示する概略図である。図1において、陽子を衝突させて中性子を発生させるための本実施形態に係る複合型ターゲット3は、非金属材料2及びベリリウム1から構成されるものであり、ベリリウム1の表面と非金属材料2の表面が境界面を介して接している構造を有する。こうすることによって、陽子の衝突による核反応を二種類の材料で分担させることができる。複合型ターゲット3を構成する一つの材料としてベリリウム(ベリリウム1)を選んだ理由は、放射化のレベルが重金属に比べて非常に低いこと、陽子との核反応による有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子の発生率が比較的高いこと、従来の水銀や液体リチウム等の液状ターゲットに比べて取扱が容易であること、及びベリリウムの融点が1278℃と比較的高いこと、等による。   FIG. 1 is a schematic view illustrating the configuration of a composite target according to this embodiment. In FIG. 1, a composite target 3 according to this embodiment for generating neutrons by colliding protons is composed of a nonmetallic material 2 and beryllium 1, and the surface of the beryllium 1 and the nonmetallic material 2. Have a structure in which the surface of the surface is in contact via a boundary surface. By doing so, it is possible to share the nuclear reaction caused by proton collision between the two types of materials. The reason for choosing beryllium (beryllium 1) as one material constituting the composite target 3 is that the level of activation is very low compared to heavy metals, and the rate of harmful and high activation due to nuclear reaction with protons. The generation rate of low-energy neutrons with reduced neutrons is relatively high, the handling is easier than conventional liquid targets such as mercury and liquid lithium, and the melting point of beryllium is relatively high at 1278 ° C. Etc.

例えば、図1に示されるとおり、陽子の進行方向に対面するようにベリリウム1の表面を向けた場合、ベリリウム1の厚さを陽子の理論的飛程よりも薄くすることによって、陽子がベリリウム1を通過する過程で一部の陽子による核反応を起こさせ、残りの陽子による核反応を非金属材料2の通過過程で起こすように設計することができる。したがって、核反応による熱負荷が一種類の材料に集中することがないので、材料が負担する熱負荷を軽減することができる。   For example, as shown in FIG. 1, when the surface of beryllium 1 is directed so as to face the traveling direction of protons, the proton is made beryllium 1 by making the thickness of beryllium 1 thinner than the theoretical range of protons. It can be designed to cause a nuclear reaction by some protons in the process of passing through and a nuclear reaction by the remaining protons in the process of passing through the nonmetallic material 2. Therefore, since the heat load due to the nuclear reaction does not concentrate on one kind of material, the heat load borne by the material can be reduced.

複合型ターゲット3におけるベリリウム1の厚さは、陽子のベリリウム中での理論的飛程よりもかなり薄くすることができる。なぜなら、非金属材料2がベリリウム1の支持材及び冷却剤として機能しうるからである。また、上記理由により各材料が負担する熱負荷を軽減されるからである。例えば、11MeVの陽子のベリリウム中での理論的飛程は約0.94mmであるので、従来のベリリウムだけから構成されているターゲットの場合には、ベリリウムは1mm以上の厚みが必要であった。しかし、本実施形態に係る複合型ターゲット3におけるベリリウム1は、1mmよりもかなり薄くすることが可能である。本発明の複合型ターゲットにおけるベリリウムの厚さは、好ましくは0.01mm以上であり1
mm未満である。さらに好ましくは、ベリリウムの厚さは、0.1mm以上であり0.5mm以下である。ベリリウムの厚さが0.01mm未満であると耐熱性が著しく低下するので0.01m
m以上であることが好ましい。また、陽子の衝突による核反応の一部をベリリウムで分担させるためには、ベリリウムの厚さは1mm未満であることが好ましい。
The thickness of the beryllium 1 in the composite target 3 can be made much thinner than the theoretical range of protons in beryllium. This is because the non-metallic material 2 can function as a support material and a coolant for the beryllium 1. Moreover, it is because the thermal load which each material bears for the said reason is reduced. For example, since the theoretical range of 11 MeV protons in beryllium is about 0.94 mm, in the case of a target composed only of conventional beryllium, the beryllium needs to have a thickness of 1 mm or more. However, the beryllium 1 in the composite target 3 according to the present embodiment can be made considerably thinner than 1 mm. The beryllium thickness in the composite target of the present invention is preferably 0.01 mm or more.
less than mm. More preferably, the thickness of beryllium is 0.1 mm or more and 0.5 mm or less. If the beryllium thickness is less than 0.01 mm, the heat resistance will be significantly reduced.
It is preferable that it is m or more. Moreover, in order to share part of the nuclear reaction caused by proton collision with beryllium, the thickness of beryllium is preferably less than 1 mm.

図1(本実施形態に係る複合型ターゲット3)は、本発明の複合型ターゲットにおけるベリリウム面の表面積を特に限定するものではない。通常、ターゲットの単位面積当たりの熱負荷の最大値は、陽子の出力を陽子の照射面積で割った値とみなされるので、ベリリウム表面からの除熱能力は、ターゲットの熱負荷以上に設計しなければならない。例えば、BNCT等の医療用の中性子を発生するために必要な陽子の出力は、最大約30kWであると試算されているので、例えば、陽子の加速エネルギーが12MeVであり、陽子の照射面積が直径60mmであるとすると、熱負荷は、約10MW/m2にもなる。従来は、一種類のターゲット材料を用いていたので、例えば、厚み2mm、直径60mmのベリリウムを
用いた場合には、ベリリウム表面の水冷による直接冷却法が困難であるために、ベリリウムよりも表面積の大きい熱伝導板を介した直接冷却法が提案されている(特許文献6)。しかし、本発明では、二種類の材料から構成される複合型ターゲットを用いることでベリリウムの熱負荷を軽減できるので、ベリリウムの表面積の限定を必要としない。
FIG. 1 (composite target 3 according to the present embodiment) does not particularly limit the surface area of the beryllium surface in the composite target of the present invention. Normally, the maximum value of the heat load per unit area of the target is regarded as the proton output divided by the proton irradiation area, so the heat removal capability from the beryllium surface must be designed to be greater than the target heat load. I must. For example, the proton output necessary for generating medical neutrons such as BNCT is estimated to be about 30 kW at the maximum. For example, the proton acceleration energy is 12 MeV, and the proton irradiation area is the diameter. If it is 60 mm, the heat load is about 10 MW / m 2 . Conventionally, since one type of target material has been used, for example, when beryllium having a thickness of 2 mm and a diameter of 60 mm is used, the direct cooling method by water cooling of the beryllium surface is difficult, so that the surface area is larger than that of beryllium. A direct cooling method via a large heat conduction plate has been proposed (Patent Document 6). However, in the present invention, since the thermal load of beryllium can be reduced by using a composite target composed of two kinds of materials, there is no need to limit the surface area of beryllium.

複合型ターゲットのもう一つの材料を非金属材料とする理由は、主として、照射陽子及び発生中性子による放射化を軽減して、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を発生させる上で非金属材料が金属類に比べて好ましいからである。本発明の複合型ターゲットを構成する非金属材料は、中性子発生効率が高く且つ放射化されにくい材料であることが好ましく、熱・熱外中性子の吸収が少ないことが好ましく、中性子減速効果が高いことが好ましく、陽子との核反応を効率的に行うために高密度であることが好ましく、放射線耐性が高いことが好ましく、熱負荷に耐えるために高融点であることが好ましく、ベリリウムで発生した熱を除熱するために熱伝導性に優れていることが好ましく、ベリリウムとの付着性に優れていることが好ましい。このような非金属材料としては、例えば、等方性黒鉛、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びこれらの複合材料を挙げることができる。これらの材料の中で、等方性黒鉛はバランスのとれた上記の物性を有するので最も好ましい。本発明における等方性黒鉛は、通常、かさ密度が1.5g/cm3〜3.5g/cm3の範囲にあるものが使用可能である。従来の等方性黒鉛が使用可能であり、より高密度に改良された等方性黒鉛はより好ましい。
Another reason for using a composite target as a non-metallic material is mainly to reduce activation by irradiated protons and generated neutrons, and generate low-energy neutrons with reduced harmful and high-activation fast neutrons. This is because a non-metallic material is preferable compared to metals. The non-metallic material constituting the composite target of the present invention is preferably a material that has high neutron generation efficiency and is difficult to be activated, preferably has little absorption of thermal and epithermal neutrons, and has a high neutron moderating effect It is preferable to have a high density in order to efficiently carry out a nuclear reaction with protons, to have a high radiation resistance, to have a high melting point in order to withstand a heat load, and to generate heat generated from beryllium. In order to remove heat, it is preferable to have excellent thermal conductivity, and it is preferable to have excellent adhesion to beryllium. Examples of such non-metallic materials include isotropic graphite , diamond, diamond-like carbon, glassy carbon, silicon carbide, silicon nitride, and composite materials thereof. Among these materials, isotropic graphite is most preferable because it has the above-mentioned balanced physical properties. Isotropic graphite in the present invention are typically those bulk density is in the range of 1.5g / cm 3 ~3.5g / cm 3 can be used. Conventional isotropic graphite can be used, and isotropic graphite improved to a higher density is more preferable.

なお、本発明は、複合型ターゲットにおけるベリリウムと非金属材料の厚さ方向の比率を特に限定するものではない。本発明は、当該比率を、用いる非金属材料や照射陽子の加速エネルギーに応じて適宜設定することができるが、通常は、非金属材料の厚さをベリリウムの厚さの10倍以上に設定する。   Note that the present invention does not particularly limit the ratio of the beryllium and the nonmetallic material in the thickness direction in the composite target. In the present invention, the ratio can be appropriately set according to the acceleration energy of the nonmetallic material to be used and the irradiation proton, but usually the thickness of the nonmetallic material is set to 10 times or more the thickness of beryllium. .

図1に示すように、本実施形態に係る複合型ターゲット3は、ベリリウム1の表面と非金属材料2の表面が境界面を介して接している構造を有する。このような構造は、比較的厚いベリリウム1の場合には、例えば、非金属材料2の片面にベリリウム1をホットプレスやHIP処理を施すことによって作製することができる。他方、比較的薄いベリリウムの場合には、例えば、非金属材料の片面にベリリウムを蒸着することによって作製することができる。   As shown in FIG. 1, the composite target 3 according to the present embodiment has a structure in which the surface of the beryllium 1 and the surface of the nonmetallic material 2 are in contact via a boundary surface. In the case of the relatively thick beryllium 1, such a structure can be produced, for example, by subjecting the one surface of the nonmetallic material 2 to hot pressing or HIP treatment. On the other hand, in the case of relatively thin beryllium, for example, it can be produced by vapor-depositing beryllium on one surface of a nonmetallic material.

また、本発明に係る複合型ターゲットにおける非金属材料の全面を所望に応じてチタン等の放射線耐性・耐腐食性の金属材料を用いて被覆することによってターゲット全体を真空下に置くことで、大気に接することによる酸化性の雰囲気での酸化劣化を防止することができる。   In addition, the entire target of the non-metallic material in the composite target according to the present invention is coated with a radiation-resistant / corrosion-resistant metal material such as titanium as desired, and the entire target is placed under vacuum, so that the atmosphere Oxidation degradation in an oxidizing atmosphere due to contact with the substrate can be prevented.

図2は、実施の形態に係る冷却機構を付帯した複合型ターゲットを例示する概略図であ
る。図2に示されるとおり、本実施形態に係る冷却機構を付帯した複合型ターゲット7は、ベリリウム1、非金属材料2、複合型ターゲットの側部に設けられた冷却機構4、複合型ターゲットの内部に設けられた冷却機構5、及び伝熱板6を備える。
FIG. 2 is a schematic view illustrating a composite target with a cooling mechanism according to the embodiment. As shown in FIG. 2, the composite target 7 with the cooling mechanism according to the present embodiment includes a beryllium 1, a nonmetallic material 2, a cooling mechanism 4 provided on the side of the composite target, and the inside of the composite target. Provided with a cooling mechanism 5 and a heat transfer plate 6.

本発明の複合型ターゲットは、ターゲットでの核反応に伴って発生する反応熱を除熱するために冷却機構を付帯することが好ましい。冷却機構は、複合型ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構であることが冷却効率を高める上で好ましい。図2に示すように、複合型ターゲットの側部に冷却機構(冷却機構4)を設ける場合には、熱伝導性の高い金属板(伝熱板6)を介して水冷する方法が好ましい。また、複合型ターゲットの内部に冷却機構(冷却機構5)を設ける場合には、該複合型ターゲットの非金属材料の内部に冷媒の流路を設けるのが好ましく、冷媒としてヘリウムガス等の熱伝導性の高い気体を用いるのが好ましい。また、本発明の複合型ターゲットは、ターゲットと冷却機構とが一体化したカートリッジ型構造とすることが可能である。   The composite target of the present invention preferably has a cooling mechanism attached to remove the heat of reaction generated by the nuclear reaction at the target. The cooling mechanism is preferably a cooling mechanism in which a refrigerant flow path is provided on the side and / or inside of the composite target in order to increase the cooling efficiency. As shown in FIG. 2, when a cooling mechanism (cooling mechanism 4) is provided on the side of the composite target, a method of water cooling through a metal plate (heat transfer plate 6) having high thermal conductivity is preferable. In the case where a cooling mechanism (cooling mechanism 5) is provided inside the composite target, it is preferable to provide a coolant channel inside the non-metallic material of the composite target, and heat conduction such as helium gas as the coolant. It is preferable to use a gas having high properties. Further, the composite target of the present invention can have a cartridge type structure in which the target and the cooling mechanism are integrated.

図3は、実施の形態に係る中性子発生方法を例示する概略図である。図3における矢印8は、複合型ターゲット7に衝突させる陽子の流れを示す。また、図3における矢印9は、発生した中性子の流れを示す。   FIG. 3 is a schematic view illustrating a neutron generation method according to the embodiment. An arrow 8 in FIG. 3 indicates the flow of protons that collide with the composite target 7. Moreover, the arrow 9 in FIG. 3 shows the flow of generated neutrons.

本実施形態に係る中性子発生方法では、図2に示される複合型ターゲット7に従来よりも低エネルギーの陽子を真空下で衝突させることによって有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を発生させる。本実施形態では、ターゲットとして、等方性黒鉛製の基板(非金属材料2)及び該基板の片面に付着された厚さ0.01mm以上1mm未満のベリリウム1から構成される複合型ターゲット7を用いる。これにより、本実施形態に係る中性子発生方法では、放射化のレベルが重金属に比べて非常に低いこと、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子の発生効率が重金属に比較して小さいこと、核反応に伴う熱負荷をベリリウムだけに負担させることを防止することができるので除熱のための冷却機構をコンパクトにすることができる等の効果が得られる。また、ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構を付帯しているので、複合型ターゲット7の冷却効率を高めることができる。図3に示すように、複合型ターゲット7の側部に冷却機構4を設ける場合には、熱伝導性の高い金属板(伝熱板6)を介して水冷する方法が好ましい。また、複合型ターゲット7の内部に冷却機構5を設ける場合には、該複合型ターゲット7の非金属材料2の内部に冷媒の流路を設けるのが好ましく、冷媒としてヘリウムガス等の熱伝導性の高い気体を用いるのが好ましい。
In the neutron generation method according to the present embodiment, low energy in which fast neutrons that are harmful and have high activation ability are reduced by colliding a proton of lower energy than that in the past with the composite target 7 shown in FIG. 2 under vacuum. Generate neutrons. In this embodiment, as a target, a composite target 7 composed of a substrate made of isotropic graphite (nonmetallic material 2) and beryllium 1 having a thickness of 0.01 mm or more and less than 1 mm attached to one surface of the substrate is used. Use. Thereby, in the neutron generation method according to the present embodiment, the activation level is very low compared to heavy metals, and the generation efficiency of low energy neutrons with reduced harmful and high activation fast neutrons compared to heavy metals. As a result, it is possible to prevent the heat load associated with the nuclear reaction from being borne only by beryllium, so that the cooling mechanism for removing heat can be made compact. Moreover, since the cooling mechanism provided with the refrigerant flow path in the side and / or inside of the target is attached, the cooling efficiency of the composite target 7 can be increased. As shown in FIG. 3, when the cooling mechanism 4 is provided on the side portion of the composite target 7, a method of water cooling via a metal plate (heat transfer plate 6) having high thermal conductivity is preferable. Further, when the cooling mechanism 5 is provided inside the composite target 7, it is preferable to provide a refrigerant flow path inside the non-metallic material 2 of the composite target 7, and heat conductivity such as helium gas as the refrigerant. It is preferable to use a high gas.

本発明における中性子発生方法において使用する陽子の加速エネルギーは4MeV以上11MeV未満であることが好ましく、より好ましくは6MeV以上8MeV以下である。陽子の加速エネルギーが4MeV未満であると中性子の発生効率が著しく低下するので、本発明において使用する陽子の加速エネルギーは4MeV以上であることが好ましい。また、陽子の加速エネルギーが11MeV以上であると部材の放射化が著しくなるだけでなく速中性子の発生が多くなり、毒性の高いトリチウム等の放射性物質が副生することもあるので、本発明において使用する陽子の加速エネルギーは11MeV未満であることが好ましい。部材の放射化を低減させ、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を選択的に発生するためにより好ましい陽子の加速エネルギーは、6MeV以上8MeV以下である。   The acceleration energy of protons used in the neutron generation method in the present invention is preferably 4 MeV or more and less than 11 MeV, more preferably 6 MeV or more and 8 MeV or less. When the proton acceleration energy is less than 4 MeV, the generation efficiency of neutrons is remarkably reduced. Therefore, the proton acceleration energy used in the present invention is preferably 4 MeV or more. In addition, when the acceleration energy of the proton is 11 MeV or more, not only the activation of the member becomes remarkable, but also the generation of fast neutrons increases, and a highly toxic radioactive material such as tritium may be by-produced. The acceleration energy of the proton used is preferably less than 11 MeV. More preferable proton acceleration energy is 6 MeV or more and 8 MeV or less in order to reduce the activation of the member and selectively generate low energy neutrons with reduced harmful and high activation fast neutrons.

なお、本実施形態に係る中性子発生方法において、陽子と複合型ターゲット7の衝突を真空下で行うのは、陽子の空気散乱及び空気汚染を防止するためである。   In the neutron generation method according to this embodiment, the collision between the proton and the composite target 7 is performed under vacuum in order to prevent air scattering and air contamination of the proton.

本実施形態において、図3に示すように、複合型ターゲット7のベリリウム1の表面を
陽子の進行方向に対面するように設けるのは、陽子との核反応の多くの部分を最初の反応で発生させる上でベリリウムが好ましいからである。非金属材料の表面を陽子の進行方向に向けることも可能ではあるが、非金属材料は密度が低いので照射陽子の減速のためには肉厚の材料が必要となり、ベリリウムの表面を陽子の進行方向に向ける場合と比べて好ましくない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the beryllium 1 surface of the composite target 7 is provided so as to face the proton traveling direction, so that a large part of the nuclear reaction with the proton occurs in the first reaction. This is because beryllium is preferable. Although it is possible to direct the surface of the non-metallic material in the direction of the proton, the density of the non-metallic material is low, so a thick material is required to slow down the irradiated proton, and the surface of the beryllium is advanced by the proton. It is not preferable as compared with the case of turning in the direction.

本発明における中性子発生方法によって発生させることができる中性子は、熱中性子又は熱外中性子を多く含む低エネルギー中性子である。低エネルギー中性子とは、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された中性子のことである。速中性子は、熱中性子又は熱外中性子に比べてエネルギーが二桁以上高いので生物学的に有害であり且つ放射化能が極めて高い。中性子の種類には、速中性子、熱外中性子、熱中性子、及び冷中性子があるが、これらの中性子は、エネルギー的に明確に区分されているものではなく、炉物理、遮へい、線量計測、分析、医療などの分野によってエネルギー区分が異なる。例えば、原子力防災基礎用語によれば、「速中性子とは、中性子のうち、大きな運動量をもつものを速中性子(高速中性子)とよび、炉物理、遮へい、線量計測などの分野によってこの値は異なるが、0.5MeV以上を速中性子というのが一般的である」と記述されている。また、医療分野では熱外中性子とは、1eV〜10keVの範囲の中性子というのが一般的であり、熱中性子とは、0.5eV以下の中性子というのが一般的である。本発明でいう低エネルギー中性子とは、0.5MeV以上の速中性子が低減された中性子のことをいう。照射陽子のエネルギーが8MeVを超えると0.5MeV以上の中性子が含まれることもあるが、その程度は従来の一次中性子に比べてかなり低減することができる。   Neutrons that can be generated by the neutron generation method of the present invention are low-energy neutrons that contain a large amount of thermal neutrons or epithermal neutrons. Low-energy neutrons are neutrons that are reduced from harmful and high activation fast neutrons. Fast neutrons are biologically harmful and have a very high activation ability because their energy is two orders of magnitude higher than thermal neutrons or epithermal neutrons. Types of neutrons include fast neutrons, epithermal neutrons, thermal neutrons, and cold neutrons, but these neutrons are not clearly separated in terms of energy, but are reactor physics, shielding, dosimetry, analysis Energy categories differ depending on the medical field. For example, according to the basic term of nuclear disaster prevention, “Fast neutrons are those that have a large momentum among fast neutrons (fast neutrons), and this value varies depending on fields such as reactor physics, shielding, and dosimetry. However, it is common for fast neutrons to be 0.5 MeV or higher ". In the medical field, epithermal neutrons are generally neutrons in the range of 1 eV to 10 keV, and thermal neutrons are generally neutrons of 0.5 eV or less. The low energy neutron referred to in the present invention means a neutron in which fast neutrons of 0.5 MeV or more are reduced. When the irradiation proton energy exceeds 8 MeV, neutrons of 0.5 MeV or more may be included, but the degree can be considerably reduced as compared with the conventional primary neutrons.

図4は、実施の形態に係る中性子発生装置の構成を例示する概略図である。図4に示されるとおり、本実施形態に係る中性子発生装置は、複合型ターゲット7、水素イオン発生器13、線形加速器14、及び陽子照射部15を備える。   FIG. 4 is a schematic view illustrating the configuration of the neutron generator according to the embodiment. As shown in FIG. 4, the neutron generator according to this embodiment includes a composite target 7, a hydrogen ion generator 13, a linear accelerator 14, and a proton irradiation unit 15.

図4において、本実施形態に係る中性子発生装置における陽子を発生させるための加速器は、線形加速器(線形加速器14)である。従来は、ターゲットに衝突させるための陽子として11MeV以上の高エネルギー陽子を用いるためにシンクロトロンやサイクロトロン等の大型加速器を用いていたが、本発明は4MeV以上11MeV未満の陽子を用いるので、線形加速器でも十分に所要とする大電流の陽子を発生することができる。なお、図4における矢印11は、加速陽子の流れを示す。   In FIG. 4, the accelerator for generating protons in the neutron generator according to the present embodiment is a linear accelerator (linear accelerator 14). Conventionally, large accelerators such as synchrotrons and cyclotrons have been used to use high energy protons of 11 MeV or higher as protons for colliding with the target. However, since the present invention uses protons of 4 MeV or more and less than 11 MeV, linear accelerators are used. However, it is possible to generate sufficiently high-current protons. In addition, the arrow 11 in FIG. 4 shows the flow of acceleration protons.

上記線形加速器の一端には水素イオン発生器13が設けられ、該水素イオン発生器13からの水素イオンは荷電粒子変換膜を通して加速空洞に入射し、加速される。図4における矢印10は、該水素イオンの流れを示す。本発明の水素イオン発生部(本実施形態では、水素イオン発生器13)は、特に限定されるものではなく、従来のプロトン発生器、負水素イオン発生器、等を用いることができる。加速空洞としては、高周波加速空洞、DC加速空洞、常伝導加速空洞、超伝導加速空洞等を用いることができる。   A hydrogen ion generator 13 is provided at one end of the linear accelerator, and hydrogen ions from the hydrogen ion generator 13 enter the acceleration cavity through the charged particle conversion film and are accelerated. An arrow 10 in FIG. 4 indicates the flow of the hydrogen ions. The hydrogen ion generation part (hydrogen ion generator 13 in this embodiment) of the present invention is not particularly limited, and a conventional proton generator, negative hydrogen ion generator, or the like can be used. As the acceleration cavity, a high-frequency acceleration cavity, a DC acceleration cavity, a normal conduction acceleration cavity, a superconductivity acceleration cavity, or the like can be used.

本発明の陽子照射部(本実施形態では、陽子照射部15)としては、特に限定されるものではなく、従来の四重極電磁石及び偏向電磁石を備える陽子照射部を用いることができる。なお、図4における矢印12は、照射陽子の流れを示す。また、図4における矢印は、発生した中性子の流れを示す。   The proton irradiation unit of the present invention (in this embodiment, the proton irradiation unit 15) is not particularly limited, and a conventional proton irradiation unit including a quadrupole electromagnet and a deflection electromagnet can be used. In addition, the arrow 12 in FIG. 4 shows the flow of irradiation protons. Moreover, the arrow in FIG. 4 shows the flow of generated neutrons.

上記線形加速器14で加速された陽子は、同線形加速器14の先端部に連結された陽子照射部15に導かれ、同陽子照射部15の先端に設けられた複合型ターゲット7に衝突して、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を発生させる。複合型ターゲット7は、図2に示すような冷却機構を付帯した複合型ターゲットである。すなわち、該複合型ターゲット7のベリリウム面は、陽子の進行方向に対面するように設け
られている。また、複合型ターゲット7に付帯される冷却機構は、図2に示すように複合型ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構である。前記記載のように、複合型ターゲット7は、ターゲットと冷却機構とが一体化したカートリッジ型構造とすることが可能である。本実施形態に係る中性子発生装置は、これを半自動脱着構造を有する真空フランジを介して加速器の先端部分に設けるので、ターゲットの劣化に際して、新品との着脱交換を遠隔操作によって簡易に行うことができるという特長を持っている。
The proton accelerated by the linear accelerator 14 is guided to the proton irradiation unit 15 connected to the tip of the linear accelerator 14 and collides with the composite target 7 provided at the tip of the proton irradiation unit 15. It generates low energy neutrons with reduced harmful and high activation fast neutrons. The composite type target 7 is a composite type target with a cooling mechanism as shown in FIG. That is, the beryllium surface of the composite target 7 is provided so as to face the traveling direction of protons. The cooling mechanism attached to the composite type target 7 is a cooling mechanism in which a refrigerant flow path is provided on the side and / or inside the composite type target as shown in FIG. As described above, the composite target 7 can have a cartridge structure in which the target and the cooling mechanism are integrated. Since the neutron generator according to the present embodiment is provided at the tip of the accelerator via a vacuum flange having a semi-automatic desorption structure, it can be easily attached and detached with a new one by remote control when the target is deteriorated. It has the feature.

以上のように、本発明は、陽子をターゲットに衝突させて中性子を発生させるための新規の複合型ターゲット、該複合型ターゲットを用いる中性子発生方法及び装置である。以上までにおいて説明した実施の形態は、照射陽子の加速エネルギーが4MeV以上11MeV未満の低エネルギーの陽子であるので陽子による部材の放射化が著しく低減されること、有害な速中性子の発生が抑制されること、加速陽子を小型の線形加速器で発生可能であること、ターゲットとしてベリリウム及び非金属材料から構成される複合型ターゲットを用いるので、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子の選択的な発生が可能であること、核反応に伴う反応熱の除熱が容易であること、冷却機構がターゲットに付帯されているので、効率的な冷却が可能であること、ターゲットと冷却機構とが一体化したカートリッジ型構造とすることが可能であるので、上記ターゲットを陽子照射部の先端部分に設け、ターゲットの劣化に際して、新品との着脱交換を遠隔操作によって簡易に行うことができるという特色を持っている。   As described above, the present invention is a novel composite target for causing a proton to collide with a target to generate neutrons, and a neutron generation method and apparatus using the composite target. In the embodiments described above, since the acceleration energy of the irradiation proton is a low energy proton of 4 MeV or more and less than 11 MeV, the activation of the member by the proton is remarkably reduced, and the generation of harmful fast neutrons is suppressed. Acceleration protons can be generated with a small linear accelerator, and a composite target composed of beryllium and a non-metallic material is used as a target. The ability to selectively generate neutrons, the easy removal of reaction heat associated with nuclear reactions, the cooling mechanism attached to the target, efficient cooling, Since it is possible to have a cartridge type structure integrated with the cooling mechanism, the target is provided at the tip of the proton irradiation unit, Upon deterioration of Getto, it has a feature that the attachment and detachment exchange of a new one can be carried out simply by remote control.

また、上述のとおり、該複合型ターゲットに含まれる非金属材料は、中性子減速効果を備えうる。そして、該複合型ターゲットでは、速中性子の発生が低減される。これにより、以上までにおいて説明した実施の形態では、発生中性子を減速するための減速機構を小型化することができる。   Further, as described above, the nonmetallic material contained in the composite target can have a neutron moderating effect. In the composite target, generation of fast neutrons is reduced. Thereby, in embodiment described above, the deceleration mechanism for decelerating the generated neutron can be reduced in size.

したがって、本発明に係る中性子発生装置は、BNCT等の医療用の中性子を発生するための医療用中性子発生装置として、小規模の医療機関においても設置可能である。   Therefore, the neutron generator according to the present invention can be installed in a small medical institution as a medical neutron generator for generating medical neutrons such as BNCT.

以下に実施例などを挙げて本発明を具体的に説明する。
[実施例1]
図1〜4に示す方法及び装置を用いて中性子発生実験を行った。水素イオン発生器によって発生させた水素イオンを長さ約6.5mの常伝導線形加速器に導入し、10−6パスカルの真空下、4MeVに加速し、照射部に送り、複合型ターゲットに衝突させることによって中性子を発生させた。複合型ターゲットとしては、直径165mm、厚さ30mmの等方性黒鉛(東洋炭素株式会社製造品:IG15、かさ密度1.90g/cm 3 )の片面に厚さ0.1mmのベリリウムを付着させた複合型ターゲットを用い、これをベリリウム面が陽子の進行方向に対して垂直になるように陽子照射部の先端部分にフランジを介して取り付けた。冷却は、複合型ターゲットの側面に厚さ1mmの銅板を巻き付けその上に環状の水冷ジャケットを取り付け、ターゲット全体を水冷した。100時間運転後に中性子発生装置全体の放射化の程度をサーベイメーターによって測定した。また、発生した中性子のエネルギー分布を特開2008−243634号公報に成るガス放射線検出器を用いて測定した。
The present invention will be specifically described below with reference to examples.
[Example 1]
Neutron generation experiments were performed using the method and apparatus shown in FIGS. Hydrogen ions generated by a hydrogen ion generator are introduced into a normal conduction linear accelerator having a length of about 6.5 m, accelerated to 4 MeV under a vacuum of 10 −6 Pascal, sent to an irradiation unit, and collided with a composite target. Neutrons were generated. As the composite target, beryllium having a thickness of 0.1 mm was attached to one side of isotropic graphite (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd .: IG15, bulk density 1.90 g / cm 3 ) having a diameter of 165 mm and a thickness of 30 mm. A composite type target was used, and this was attached to the tip of the proton irradiation part via a flange so that the beryllium surface was perpendicular to the traveling direction of the proton. For cooling, a 1 mm-thick copper plate was wound around the side surface of the composite target, and an annular water-cooling jacket was attached thereon, and the entire target was water-cooled. After 100 hours of operation, the degree of activation of the entire neutron generator was measured with a survey meter. The energy distribution of the generated neutrons was measured using a gas radiation detector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-243634.

[実施例2]
照射陽子の加速エネルギーを8MeVとし、複合型ターゲットにおけるベリリウムの厚みを0.5mmとした以外には、実施例1と同様の方法で中性子を発生させ、放射化の程度及び中性子のエネルギー分布を測定した。
[Example 2]
Except that the acceleration energy of the irradiation proton was 8 MeV and the beryllium thickness of the composite target was 0.5 mm, neutrons were generated in the same manner as in Example 1, and the degree of activation and the energy distribution of the neutrons were measured. did.

[実施例3]
照射陽子の加速エネルギーを10MeVとし、複合型ターゲットにおけるベリリウムの厚みを0.6mmとした以外には、実施例1と同様の方法で中性子を発生させ、放射化の程度及び中性子のエネルギー分布を測定した。
[Example 3]
Except that the acceleration energy of irradiated protons was 10 MeV and the beryllium thickness of the composite target was 0.6 mm, neutrons were generated in the same manner as in Example 1, and the degree of activation and the energy distribution of neutrons were measured. did.

[比較例1]
比較のために、実施例1の線形加速器を用いて加速した12MeVの陽子をターゲットに照射して中性子を発生させた。ターゲットとして、直径165mm厚さ2mmのベリリウム製ターゲットを用いた。該ベリリウム製ターゲットは、ベリリウムの片面に直径165mm厚さ1mmの銅板を張り付け、該銅板の上に水冷ジャケットを取り付けて水冷した。このターゲットを陽子照射部の先端部分にフランジを介して取り付けた。放射化の程度及び中性子のエネルギー分布を実施例1と同様の測定器を用いて測定した。
[Comparative Example 1]
For comparison, neutrons were generated by irradiating the target with 12 MeV protons accelerated using the linear accelerator of Example 1. A beryllium target having a diameter of 165 mm and a thickness of 2 mm was used as the target. The beryllium target was water cooled by attaching a copper plate having a diameter of 165 mm and a thickness of 1 mm to one side of beryllium, and attaching a water cooling jacket on the copper plate. This target was attached to the tip of the proton irradiation unit via a flange. The degree of activation and the energy distribution of neutrons were measured using the same measuring instrument as in Example 1.

実施例1〜3及び比較例1によって測定された放射化の程度及び中性子のエネルギー分布から得られた実験結果を表1に示す。

Figure 0005697021
Table 1 shows the experimental results obtained from the degree of activation and the neutron energy distribution measured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
Figure 0005697021

以上の結果から、本発明方法及び装置を用いて、従来の方法及び装置に比べて陽子による部材の放射化を著しく低減できること、及び減速材を使用しなくても速中性子の発生を著しく低減させることが可能であることが確認された。本発明の中性子発生装置は線形加速器を備える小型の陽子発生装置に複合型ターゲットを装着した小型の中性子発生装置であるので、小規模の医療機関においても容易に設置可能である。   From the above results, using the method and apparatus of the present invention, it is possible to significantly reduce the activation of the member by protons compared to the conventional method and apparatus, and to significantly reduce the generation of fast neutrons without using a moderator. It was confirmed that it was possible. Since the neutron generator of the present invention is a small neutron generator in which a composite target is mounted on a small proton generator equipped with a linear accelerator, it can be easily installed even in a small medical institution.

本発明は、4MeVから11MeV未満の範囲にある低エネルギーの陽子を用いるので陽子による部材の放射化を低減することができる。そして、本発明は、この陽子を、冷却機構を付帯した非金属材料及びベリリウムから構成される複合型ターゲットに衝突させることによって核反応の一部を非金属材料に分担させることが可能であり、且つ有害な速中性子が低減された低エネルギー中性子の安定した発生が可能である。したがって、本発明は、BNCT等の医療用の中性子発生方法及び装置として非常に有益であり、小規模の医療機関においても容易に設置可能である。   Since the present invention uses low energy protons in the range of 4 MeV to less than 11 MeV, activation of the member by protons can be reduced. And this invention can share a part of nuclear reaction with a nonmetallic material by making this proton collide with the composite type target comprised from the nonmetallic material and beryllium which attached the cooling mechanism, Moreover, stable generation of low energy neutrons with reduced harmful fast neutrons is possible. Therefore, the present invention is very useful as a medical neutron generation method and apparatus such as BNCT, and can be easily installed even in a small medical institution.

1 ベリリウム
2 非金属材料
3 複合型ターゲット
4 側部に設けた冷却機構
5 内部に設けた冷却機構
6 伝熱板
7 冷却機構を付帯した複合型ターゲット
8 陽子の流れ
9 中性子の流れ
10 水素イオンの流れ
11 加速陽子の流れ
12 照射陽子の流れ
13 水素イオン発生器
14 線形加速器
15 陽子照射部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Beryllium 2 Non-metallic material 3 Composite target 4 Cooling mechanism 5 provided in the side part Cooling mechanism 6 provided in the inside 6 Heat transfer plate 7 Composite type target with cooling mechanism 8 Proton flow 9 Neutron flow 10 Hydrogen ion Flow 11 Accelerated proton flow 12 Irradiated proton flow 13 Hydrogen ion generator 14 Linear accelerator 15 Proton irradiation unit

Claims (9)

陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットが、等方性黒鉛、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、炭化ケイ素、窒化ケイ素のいずれか、またはこれらの複合材料からなる放射化を低減させる非金属材料及びベリリウムから構成されることを特徴とする複合型ターゲット。 A target for generating neutrons by bombarding protons reduces activation of isotropic graphite, diamond, diamond-like carbon, glassy carbon, silicon carbide, silicon nitride, or a composite material thereof. A composite target comprising a metal material and beryllium. 前記ターゲットが前記放射化を低減させる非金属材料製の基板及び該基板の片面に付着された厚さ0.01mm以上1mm未満のベリリウムから構成されることを特徴とする請求項1に記載の複合型ターゲット。 2. The composite according to claim 1, wherein the target is composed of a substrate made of a nonmetallic material for reducing the activation and beryllium having a thickness of 0.01 mm or more and less than 1 mm attached to one surface of the substrate. Type target. 前記放射化を低減させる非金属材料が、かさ密度1.5g/cm〜3.5g/cm3の範囲に
ある等方性黒鉛であることを特徴とする請求項1及び2のいずれか1項に記載の複合型ターゲット。
Non-metallic materials to reduce the activation is in any one of claims 1 and 2, characterized in that it is isotropic graphite in the range of bulk density 1.5g / cm 3 ~3.5g / cm 3 The described composite target.
前記ターゲットの側部及び又は内部に冷媒の流路を設けた冷却機構を付帯することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合型ターゲット。 Composite target according to any one of claims 1 to 3, characterized in that supplementary to the sides and or cooling mechanism inside provided a flow path of a refrigerant of said target. 陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットが、かさ密度1.5g/cm3〜3.5g/cm3の範囲にある等方性黒鉛製の基板及び該基板の片面に付着された厚さ0.01m
m以上1mm未満のベリリウムから構成されており、少なくともターゲットの側部又は内部のうちのどちらか一方に冷媒の流路を設けた冷却機構を付帯することを特徴とする複合型ターゲット。
By colliding a proton target for generating neutrons, bulk density 1.5g / cm 3 ~3.5g / cm 3 range is adhered to one surface of the isotropic graphite substrate and the substrate with a thickness of 0 .01m
A composite target, which is made of beryllium having a length of m or more and less than 1 mm, and is provided with a cooling mechanism provided with a refrigerant flow path at least on either the side or the inside of the target.
陽子をターゲットに衝突させて中性子を発生させるための中性子発生方法において、
陽子が4MeV以上11MeV未満の陽子であり、
ターゲットが請求項5の複合型ターゲットであり、
該ターゲットに前記陽子を真空下で衝突させることによって、核反応による中性子を発生させると共に核反応に伴って発生する熱を該ターゲットの冷却機構によって除熱することを特徴とする中性子発生方法。
In the neutron generation method for generating neutrons by colliding protons with the target,
The proton is a proton of 4 MeV or more and less than 11 MeV,
The target is the composite target of claim 5;
A method of generating neutrons, wherein neutrons are generated by a nuclear reaction by causing the protons to collide with the target in a vacuum, and heat generated by the nuclear reaction is removed by a cooling mechanism of the target.
複合型ターゲットのベリリウム面が陽子の進行方向に対面していることを特徴とする請
求項6に記載の中性子発生方法。
The neutron generation method according to claim 6, wherein the beryllium surface of the composite target faces the traveling direction of protons.
陽子発生のための水素イオン発生部と、
水素イオン発生部で発生する陽子を加速するための加速器と、
加速器によって加速された陽子を照射するための陽子照射部と、
照射部の陽子を衝突させて中性子を発生させるためのターゲットと、を備え、
前記加速器が線形加速器であり、
前記ターゲットが請求項5の複合型ターゲットであり、
該ターゲットのベリリウム表面が陽子の進行方向に対面するように前記陽子照射部の端部に配置されていることを特徴とする中性子発生装置。
A hydrogen ion generator for proton generation;
An accelerator for accelerating protons generated in the hydrogen ion generator,
A proton irradiation unit for irradiating protons accelerated by an accelerator;
A target for generating neutrons by colliding the protons of the irradiation unit,
The accelerator is a linear accelerator;
The target is the composite target according to claim 5,
A neutron generating apparatus, wherein the beryllium surface of the target is disposed at an end of the proton irradiation section so as to face the proton traveling direction.
線形加速器が陽子を4MeV以上11MeV未満の範囲に加速することができる線形加速器であることを特徴とする請求項8に記載の中性子発生装置。   The neutron generator according to claim 8, wherein the linear accelerator is a linear accelerator capable of accelerating protons in a range of 4 MeV or more and less than 11 MeV.
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