JP5700536B2 - 複合型ターゲット - Google Patents
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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。
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。
m3〜3.5g/cm3の範囲にある等方性黒鉛とこれ以外の少なくとも一つの非金
属材料を複合して成る非金属系の複合材料であってもよい。
、非金属材料が炭素である場合には、核反応12C(p, n)反応を起こさせる。反応によって副生する活性水素によるターゲット材料の脆化の問題やターゲットの発熱による熱問題を根本的に解決することが可能である。
ならない。例えば、BNCT等の医療用の中性子を発生させ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、ターゲットの表面積が30cm2であるとすると、熱負荷は10MW/m2にもなる。この熱負荷は、例えば、厚み1mm
、底面積30cm2の板状のベリリウムを用いた場合には、ベリリウムの温度を毎秒約3
000度上昇させるに等しい熱負荷である。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1mm、表面積30cm2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、本発明は、複数の材料を複合して成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が、このような大きな熱負荷を低減させるために、ベリリウムの表面積を陽子の進行方向に対して垂直な平面積以上の値にする。好ましくは、ベリリウムの表面積を陽子の進行方向に対して垂直な平面積の2倍以上の値にする。こうすることによって、ベリリウムの照射平面積当たりの熱負荷を2分の1以下に軽減することができるので、特別大きな熱伝導板を用いなくても容易に除熱が可能となる。ベリリウムの表面積を大きくするには、例えば、ベリリウム表面に凹凸を施す、多孔性の非金属材料にベリリウムを担持させる、非金属材料にベリリウムをコーティングする、ベリリウムを粉末加工する、ベリリウムに傾斜面を施す、等によって可能である。例えば、ベリリウム表面を四角錐形状にすることによって、表面積を平面積の4倍大きくすることができる。多孔性の非金属材料にベリリウムを担持させることによって、ベリリウムの表面積を飛躍的に大きくすることができるだけでなく、非金属材料の伝熱面積も飛躍的に大きくすることが可能である。ベリリウムの表面加工は、例えば、レーザーアブレーション、エッチング、鋳型成形、等の方法によって可能である。
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だけでなく、意外にも水素脆化を起こしにくいという性質も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、嵩密度が1.5g/cm3〜3.5g/cm3の範囲にあるものが使用可能である。本発明においては、嵩密度が1.5g/cm3未満の等方性黒鉛は使用不可能ではないが、嵩密度が1.5g/cm3未満であると炭素原子と陽子及び中性子との衝突が不十分になることもあるので、嵩密度は1.5g/cm3以上であることが好ましい。また、嵩密度が3.5g/cm3を超えると、常圧下における安定相はダイヤモンドであるので、物質として存在する等方性黒鉛の嵩密度の最大値は3.5g/cm3である。従来の等方性黒鉛材料が使用可能であり、より高密度に改良された等方性黒鉛はより好ましい。
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。この主な理由は、非金属材料を構成する原子核の陽子衝突断面積が、通常、ベリリウム原子核の陽子衝突断面積に比べて一ケタ小さいことによる。
カル〜106パスカルの圧力下で行うことができる。蒸着は、非金属材料基板の温度が室
温〜1278℃までの温度下、10-3パスカル〜10-6パスカルの圧力下で行うことができる。
止することができる。
[実施例1]
図1に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットとして、直径165mm、厚さ30mmの等方性黒鉛(東洋炭素株式会社製造品:IG15、嵩密度1.9g/cm3)の片面に厚さ0.3mmのベリリウムを付着させ、ベリリウム表面にレーザーアブレーションを施すことによって、該表面を凹凸形状にした。この表面加工によって、ベリリウムの使用量は、約2%減少したが、表面積は、約4倍大きくなった。該複合型ターゲットを長さ約6.5mの常伝導線形加速器の先端部分にある陽子照射部にフランジを介して取り付け、ベリリウム面に出力30kW,加速エネルギー8MeVの加速陽子を10-6パスカルの真空下で衝突させ、中性子を発生させた。ターゲットの冷却は、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時間連続の中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度をサーベイメーターによって測定し、ターゲットの状態を観察した。
図2に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、ベリリウム粉末と粉末状カーボンナノチューブ(シーナノテクノロジー社製造品)の混合物(ベリリウム粉末:粉末状カーボンナノチューブの質量比=1:100)をHI
P処理することによって作製した直径165mm、厚さ30mmの複合型ターゲットである。粉末加工によって、ベリリウムの表面積は、約100倍大きくなった。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
図3に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、ベリリウムを担持した多孔性カーボン材料(ベリリウムの担持量=1質量%)をHIP処理することによって作製した直径165mm、厚さ30mmの複合型ターゲットである。担持加工によって、ベリリウムの表面積は、約1000倍大きくなった。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後の部材の放射化の程度、及びターゲットの状態を調べた。
図4に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、直径165mm、厚さ30mmの等方性黒鉛(東洋炭素株式会社製造品:IG15
、嵩密度1.9g/cm3)の片面全体にレーザーアブレーションを施すことによって、格子状の凹凸(凹部:8mm×8mm×窪み0.3mm、凸部:幅1mm)を作り、HIP処理によって凹部に厚み0.3mmのべリリウムを付着させた複合型ターゲットである。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
図5に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、嵩密度2.2g/cm3の等方性黒鉛粉末、工業用ダイヤモンド粉末、及び粉末状カーボンナノチューブの混合物(等方性黒鉛粉末:工業用ダイヤモンド粉末:粉末状カーボンナノチューブの質量比=0.8:0.1:0.1)をHIP処理することによって、直径165mm、厚さ30mmのカーボン成形体を作成した後、該成形体の片面に厚さ0.3mmのベリリウムをHIP処理によって付着させた複合型ターゲットである。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
図6に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、実施例1で用いたものと同様の複合型ターゲットを用い、このベリリウムの部分を除くターゲットの表面に厚み0.1mmのチタン箔をHIP処理によって被覆した複合型ターゲットである。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
図7に示すような複合型ターゲットを用いて中性子発生実験を行った。複合型ターゲットは、実施例1で用いたものと同様の複合型ターゲットを用い、このターゲットの側部及び非金属材料の内部に冷却機構を施した、冷却機構とターゲットが一体化したカートリッジ型の複合型ターゲットである。ターゲットの側部は水冷し、非金属材料の内部は冷媒としてヘリウムを用いて冷却した。実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
比較のために、直径165mm、厚さ30mmの銅板にHIP処理によって厚さ1mmのベリリウムを付着させたターゲットを用いて、実施例1と同様の方法で中性子発生実験を行い、実験後のターゲットの放射化の程度及びターゲットの状態を調べた。
性が優れていることが確認された。
2 非金属材料
3 複合型ターゲット
4 ベリリウムと非金属材料の混合材料
5 複合型ターゲット
6 ベリリウムを担持させた非金属材料
7 複合型ターゲット
8 凹凸表面を持つ非金属材料
9 複合型ターゲット
10 等方性黒鉛と他の非金属材料の複合材料
11 複合型ターゲット
12 ターゲット表面の被覆
13 複合型ターゲット
14 冷媒の流路
15 伝熱板
16 冷却機構
Claims (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、ベリリウムと非金属材料の張り合わせによる複合、ベリリウムと非金属材料の混合による複合、多孔性の非金属材料にベリリウムを担持する複合、ベリリウムと非金属材料の化合による複合のいずれかの複合、又はこれらの組み合わせによる複合を施して成る複合型ターゲットであり、前記非金属材料が等方性黒鉛、多孔性カーボン、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、カーボンナノチューブ、フラーレン、ポリアセチレン、カルビン、グラフェン、窒化炭素、炭化ケイ素、ケイ素、窒化ケイ素のいずれか又はこれらの複合材料であり、前記ベリリウムが、ベリリウム表面に凹凸を施す、多孔性の非金属材料にベリリウムを担持させる、非金属材料にベリリウムをコーティングする、ベリリウムを粉末加工する、ベリリウムに傾斜面を施すことのいずれか、又はこれらの組み合わせによって、陽子線の進行方向に対して垂直なベリリウムの照射平面積以上の表面積を有することを特徴とする複合型ターゲット。
- 凹凸表面を持つ非金属材料の前記凹凸表面上にベリリウムを付着させたことを特徴とする請求項1に記載の複合型ターゲット。
- 前記非金属材料が、嵩密度1.5g/cm3〜3.5g/cm3の範囲にある等方性黒鉛とこれ以外の少なくとも一つの非金属材料を複合して成る非金属系の複合材料であることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合型ターゲット。
- 陽子の照射面を除く複合型ターゲットの表面をチタン、窒化チタン、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、ケイ素のいずれかである放射化しにくい軽金属材料を用いて被覆した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。
- 少なくともターゲットの内部にヘリウムを含む熱伝導性の高い気体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1〜4のいずれか1項に記載の複合型ターゲット。
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