JP6113453B2 - 中性子発生装置用のターゲットとその製造方法 - Google Patents
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Description
一般に、この目的の中性子発生装置のターゲット材としては、特許文献1,2に記載されているように7Li(p,n)7Be反応を利用するリチウム、9Be(p,n)反応を利用するベリリウム、高エネルギの陽子や重水素による核破砕反応を利用するウラン、タンタル、タングステン、鉛、ビスマス、水銀等の固体重金属が検討されている。
また、核破砕反応により発生する中性子のエネルギは極めて高く、ターゲット材を有するターゲットを内部に含み、ホウ素中性子捕獲療法において用いられる所用のエネルギの熱中性子や熱外中性子まで中性子のエネルギを減速させる減速材を有するとともに、高エネルギ中性子の漏洩を抑制する遮蔽材を有する大型の中性子照射部を必要とする。
然るに、陽子ビームをステンレス鋼薄板側からリチウム金属を保持するターゲットに照射すると、ステンレス鋼薄板が加熱されて膨れ上がる。ステンレス鋼薄板が膨れ上がり、リチウム金属とステンレス鋼薄板との接触がなくなるとステンレス鋼薄板が冷却されなくなり、ステンレス鋼薄板が破損してリチウム金属の密封性が損なわれる可能性がある。
金属基板の保持面側には、縁枠部と、縁枠部に囲まれた内側に縁枠部と同じ高さの島部を複数残して、縁枠部及び複数の島部以外の他の領域をターゲット材の厚み分だけ減肉された凹部とするエンボス構造と、を有し、
前記密封金属薄膜は、前記縁枠部の表面及び前記複数の島部の表面に接合され、
前記ターゲット材が前記密封金属薄膜により前記金属基板の前記凹部に密封されることを特徴とする。
縁枠部に囲まれた内側に六方配置され、平面視で円形状を有する複数の円形凹部と、
隣接する円形凹部同士を互いに連通する連通凹部と、
からなることが好ましい。
また、金属基板は、保持面側と反対側の面側に冷却材を流す冷却材流路を多数条設けられていることが好ましい。
従って、金属基板が冷却材により冷却されることにより、金属基板、リチウムを介して密封金属薄膜も冷却され、密封金属薄膜の過熱による破損の可能性が低減できる。
本発明によれば、密封金属薄膜は、縁枠部及び複数の島部の表面でHIP接合され、金属基板の保持面側に接合されているので、凹部に密封されたリチウム金属が陽子ビームの照射により加熱されて溶けても、密封金属薄膜の膨れ上がりによるターゲット材の厚さの変化が小さくなり、金属基板と密封金属薄膜との間で、ターゲットの縁枠部に囲まれた内側に均等に維持される。
前記ターゲット材が、1〜20質量%のCu、20〜40質量%のAl、または45〜60質量%のMgのいずれかを含み、残部がLiと不可避不純物からなるリチウム合金で構成されることを特徴とする。
陽子ビーム発生装置1は、所定量の陽子(水素イオン)を発生させるイオン源1a、陽子を加速する加速器1bを含んでいる。
本実施形態における中性子発生装置100は、BNCT用のものであり、そのターゲット部5は、ターゲット材としてリチウム金属を用い、それに陽子を照射して7Li(p,n)7Be反応により中性子を発生させることとしている。そして、ターゲット材における7Li(p,n)7Be反応の閾値1.889MeV以上で3.0MeV程度までの陽子のエネルギの範囲で加速器1bにおいて可変に設定可能とする。そして、陽子ビーム6の電流値は、患者への中性子照射の治療時間がそれ程長くならない、例えば、30分程度を目標とし、15〜20mA程度とする。
イオン源1aは、ここでは電子サイクロトロン共鳴減少を利用して水素(1H)のプラズマを生成し、ソレノイドコイル又は永久磁石と六極永久磁石によって水素(1H)プラズマを閉じ込め、水素(1H+)イオンを生成する。ECRイオン源は、無電極放電のための長時間連続安定運転が可能であり、大強度イオンビームを生成することができるという特徴がある。
ビーム導管4の先端部には、ターゲット部5が取り付けられるコリメータ10が設けられている。コリメータ10は、内壁が、例えば、円筒形状をし、その内壁の外側に図示しない水冷ジャッケットが配置されて冷却されるようにされており、ターゲット部5に入射する陽子ビーム6を、ターゲット部5のターゲット材54の配置されている領域に照射されるように絞り込む。
照射部2は、陽子ビーム6の軸方向に沿った外形がほぼ円柱形状をしており、ターゲット部5の前方に円柱形状の減速材21が配され、その周方向及び後方(陽子ビーム6の入射方向と反対方向)を反射材22が覆っている。ビーム導管4は反射材22の中央に設けられた貫通孔に挿通されている。反射材22の外周には、放射線遮蔽のための円筒状の中性子吸収材23が配されている。
減速材21及び反射材22の前方側(照射側)には、図示しないフィルタが配され、更にその前方に中央に開口が設けられたコリメータ24が配される。
中性子吸収材23としては、水素等の高速中性子を熱化し、中性子吸収時にγ線を放出しないような、例えば、ホウ素を含有したポリエチレン樹脂等が考えられる。
次に、図2〜図6を参照しながらターゲット部5の構成を説明する。図2は、ターゲット部の概要図である。
図2に示すようにターゲット部5は、2枚のターゲットパネル11A,11Bを、その先端側(陽子ビーム6の入射方向側)の先端面11bを合わせるようにV字形に陽子ビーム6の軸線に対して傾斜させて、例えば、30度傾斜させて、ビーム導管4の先端部に設けられたコリメータ10の先端フランジ部10aに電気絶縁のための絶縁部材113を介在させて取り付けられる。更に図2における左右から側板12L,12Rをターゲットパネル11A,11Bの左右のパネル側面11cL,11cRに電気絶縁のための絶縁部材124を介在させて水密に組み付けるとともに、先端フランジ部10aに当接する。
そして、図2では省略してあるがその外側から有底の円筒形状のケーシングが、先端フランジ部10aに、ケーシング内が気密状態するようにシール部材を介在させて、例えば、ネジ固定により組み付けられる(特許文献3のFig.5参照)。
冷却材流路孔117L,117Lは、側板12Lの上下2箇所の冷却材流路孔121L,121Lと対応するようになっているとともに、図示しない水密シール材が配されて冷却材が漏れない構成とされて、冷却材連通孔122Lで上面の冷却材流路孔123Lにつながる。
前記した図示しないケーシング内で、冷却材流路孔123Rと先端フランジ部10aに設けられた第2の冷却材流路孔(図示せず)とが、第2の冷却材パイプ(図示せず)により接続される。その第2の冷却材パイプは、第1の冷却パイプと同一構成である。第2の冷却材パイプの一方側の金属コネクタは、第2の冷却材流路孔に接続されて、コリメータ10の冷却材流路を用いて冷却材を流通させるようにする(特許文献3のFig.5参照)。そして、第2の冷却材パイプの他方側の金属コネクタは、冷却材流路孔123Rに接続される。こうして、第1及び第2の冷却パイプの一方が、ターゲットパネル11A,11Bに冷却材供給をし、第1及び第2の冷却パイプの他方が、ターゲットパネル11A,11Bから排出される冷却材を、コリメータ10の冷却通路を介して排出する。
ここで、冷却材としては、例えば、純水を用いる。
先端フランジ部10aの先端面に設けられた雌ネジ孔(図示せず)に取り付けボルト17を、挿通孔115を通して、電気絶縁用の絶縁ピース18を介してネジ締めして、事前にターゲットパネル11A,11Bと側板12L,12Rが組み立てられたものが先端フランジ部10aに取り付けられる。絶縁ピース18により取り付けボルト17は、ターゲットパネル11A,11Bと接触することは無い。
密封金属薄膜53の構成部材の種類と厚さは、ターゲット材54の酸化等の化学反応を防止でき、又ターゲット材54により腐食され難い材質であるとともに、陽子ビーム6の損失や陽子ビーム6による発熱の少ないという要請から、陽子ビーム6を通過させやすい構成部材の種類を選ぶことが好適である。密封金属薄膜53の具体的な構成部材の例としては、ステンレス鋼薄板、チタン薄板、チタン合金薄板、ベリリウム薄板、ベリリウム合金薄板のいずれかが適当である。ここでは、密封金属薄膜53の例として、製造コストの安い観点から、厚さが4μmのステンレスフォイルとするが、チタン合金薄板を用いる場合は、厚さを5μm、ベリリウム合金薄板を用いる場合は、厚さを10μmとすることが好ましい。
この構造は、ターゲットパネル11Bについても同様であり、ただ左右を示す符号が図4と逆になるだけであり、形状としては全く同一である。
図5に示すようにほぼ矩形板形状の金属基板52Aの表面側(図5において「保持面X」と表示)には、外周側に縁枠部52aが設けられ、縁枠部52aで囲まれた内側において図6(a)における左右方向及び前後方向に規則的に離散的に配置された島部52bを残して減肉された凹部52cの領域となっている。縁枠部52aの表面高さと島部52bの表面高さが同じであり凹部52cとの段差は、ターゲット材であるリチウム金属(Li)の厚さと同じ、例えば、50μmである。この島部52bを残した凹部52cの形成は、いわゆる「エンボス構造」を構成している。このような加工は、例えば、フライス加工で行えるが、放電加工、薬品によるエッチング加工によっても行える。
そして、この凹部52cに金属リチウムが充填され、その後に、図4に示す裏板部55上に金属基板52Aの裏面を対向させて載せ、更に金属基板52Aの保持面側Xの面に密封金属薄膜53を載せて、HIP加工により密封金属薄膜53を縁枠部52aの表面及び島部52bの表面に接合するとともに、金属基板52Aの裏面と裏板部55とを同時に接合する。
鉄は、陽子の衝突結果引き起こされる格子欠陥による膨れ現象(ブリスタリング)や水素脆化に対する耐性がタンタル(Ta)同様に良好であるのに加え、低価格な材料である。ターゲットパネル11A,11Bの素材としては、銅(Cu)がその熱伝導性から好ましいが、金属基板52AとHIP(Hot Isostatic Pressing :熱間等方圧加圧加工)接合による接合を考えると炭素鋼としても良い。
次に図6を参照しながらターゲット51Aの製造方法について説明する。図6は、ターゲット51Aの製造工程の説明図であり、(a)は、ターゲット51Aの金属基板52Aの保持面側X(表側)に、エンボス構造を形成するエンボス構造加工工程と、金属基板の保持面と反対側(裏側)に冷却材流路52d用の溝部を形成する冷却材流路加工工程との後に、凹部52cの底面に付着促進層を形成する付着促進層形成工程を行い、その後に、アルゴンガス雰囲気中又は真空中で、溶けたターゲット材を凹部52cに充填するターゲット材充填工程の説明図、(b)は、ターゲット材充填工程完了後の状態説明図、(c)は、保持面側平滑化工程を終了後の状態説明図、(d)は、ターゲット材充填工程後の、密封金属薄膜53と金属基板52Aと裏板部55とをHIP接合した接合工程完了後の状態説明図である。
(1)冷却材流路形成加工工程
金属基板52Aの元になる矩形状の低炭素鋼又はタンタルの板材に対して、その1面側(裏側(図6(a)における下側面に対応))にフライス加工等によって冷却材流路52dを形成するために溝を多数加工し、冷却フィン52eを設ける(図6(a)参照)。
金属基板52Aの表側(図6(a)における上側面に対応)に、縁枠部52aと、縁枠部52aで囲まれた内側に、図6(a)における左右方向及び前後方向に規則的に離散的に配置された複数の島部52bとを残して凹部52cを所定の深さの減肉加工、例えば、ターゲット材であるリチウム金属(Li)の厚さと同じ、50μmの減肉加工を、例えば、フライス加工で行う。
エンボス構造加工工程の次に、凹部52cの底部に銅、アルミニウム、マグネシウム、又は亜鉛の極薄層(付着促進層)を、例えば、蒸着、スパッタリング等の処理により、例えば、0.05μmの厚さで行う。これは、ターゲット材54であるリチウムと金属基板と52Aとの付着性(ぬれ性)を良くするための加工である。この際、蒸着、スパッタリング等の処理の前に縁枠部52aと島部52bの図6(a)における上側の表面には、銅の極薄層を形成しないようにマスキング処理をし、蒸着、スパッタリング等の処理後にマスキングを剥がす。
次に、アルゴンガス雰囲気中又は真空中で、ターゲット材54であるリチウム金属を溶かした状態で坩堝61にいれたものを凹部52cに流し込む(図6(a),(b)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム金属が酸化されるので、真空中で充填する方が好ましい。
次に、(4)ターゲット材充填工程において凹部52cに充填したターゲット材54であるリチウム金属は、アルゴンガス中又は真空中でそのまま固化させるが、図6(b)に示すように、縁枠部52a及び島部52bの表面にもリチウム金属が付着し、更に、縁枠部52a及び島部52bの表面よりも盛り上がっている。
そこで、アルゴンガス雰囲気中又は真空中で、これを縁枠部52a及び島部52bの表面の高さまで、例えば、フライス加工により削り取り、リチウム金属の粉末もアルゴンガスのブロー等によって除去する。その結果、縁枠部52a及び島部52bの表面が清浄な状態で露出し、凹部52cにのみリチウム金属が充填された状態となる(図6(c)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム金属が酸化されるので、真空中で切削する方が好ましい。
次に、アルゴンガス雰囲気中で、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55(図6(d)では、模式的に説明のため裏板部55を矩形状の平板で表示)を水平となるようにして、金属基板52Aの裏側を下にし、裏板部55の上に載せ、次に、金属基板52Aの保持面側X(図5参照)の面上に密封金属薄膜53を載せる。
そしてHIP接合時に密封金属薄膜53と接合しない、且つ、密封金属薄膜53と対向する下面が平坦な当て部材を密封金属薄膜53の上に載せる。当て部材としては、例えば、セラミックが考えられる。
この当て部材は、重量的に適度な重量を有し、HIP接合を開始する前に密封金属薄膜53と金属基板52Aの保持面側Xの面との間のアルゴンガスを排除するとともに、HIP接合時に、密封金属薄膜53が平坦に金属基板52Aの保持面側Xの面に当接したままの状態を保ち、リチウム金属が溶けて、密封金属薄膜53が凹部52cに沈み込まないようにするためのものである。
このとき、金属基板52Aの冷却フィン52eの下面と裏板部55とが接合されるだけでなく、金属基板52Aの四周の側面部もターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)のビーム照射面11aの裏板部55を形成する縁部とも同時に接合されるので、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)のビーム照射面11a側は、マニフォールド116L,116Rが水密構造に密閉接合される。
これにより、密封金属薄膜53と金属基板52Aの縁枠部52a及び島部52bの表面との接合と、金属基板52Aと裏板部55との接合と、を個別に行うよりも加工工程を省くことができる。
以上により、ターゲット51Aが完成する。
比較例のターゲット51Bは、金属基板52Bの表面側において、外周側に縁枠部52aが設けられ、縁枠部52aで囲まれた内側に一様に減肉された凹部52cの領域が設けられており、このエンボス構造を持っていない凹部52cに、ターゲット材54の純リチウム金属が密封された構造を有している。
本実施形態のターゲット51Aによれば、陽子ビーム6が入射する保持面側Xの金属基板52A上の密封金属薄膜53が、金属基板52Aの縁枠部52a及び島部52bの表面と接合されているので、比較例に示したように金属基板52Bの陽子ビーム6が入射する保持面側Xにエンボス構造を持っていない場合に較べて、ターゲット材54のリチウム金属が陽子ビーム6で加熱されて溶融状態になっても、密封金属薄膜53の熱膨張による膨らみが抑制され、溶融したリチウム金属の縁枠部52aの内部の平面の一方側に重力により偏りが発生するのを抑制できる。
これに対し、比較例では、コリメータ10を通して、ターゲット51Bのターゲット材54に均等に陽子ビーム6を照射しても、溶融したリチウム金属が縁枠部52aの内部の平面の一方側に重力により偏りが発生する。その結果、密封金属薄膜53の裏側に溶融したリチウム金属が接していない部分が発生し、その部分は溶融したリチウム金属を通して冷却されることが無く、過熱により密封金属薄膜53が破損するまでの時間が短くなり、ターゲット51Bの寿命が短くなる。
それに対し、本実施形態のターゲット51Aによれば、そういうことがないので、比較例のターゲット51Bよりも寿命が長くなり、ホウ素捕獲療法における患者一人当たりの費用の低減にも役立つ。
更に、ターゲット材54のリチウム金属を溶融状態で照射部2のターゲット部5に循環して使用する場合は、その循環配管構造が複雑となるとともに、照射部2の外に配管される循環配管のγ線遮蔽構造が必要になるのに対し、本実施形態ではその必要が無くコンパクトなターゲット部5の構成とできる。
次に、図8を参照しながら本実施形態におけるターゲット51Aとその製造方法の異なるターゲット51Cの構成とその製造方法について説明する。図8は、変形例のターゲット51Cの構成説明図であり、(a)は模式化して表示した斜視図、(b)は、(a)におけるZ−Z断面図である。図9は、変形例におけるターゲットパネルのビーム照射面11a側の分解構造説明図である。図10は、変形例におけるターゲットパネルの溶融リチウム注入口、充満溶融リチウム出口の配置構造の説明図である。ターゲット51Aと同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
ターゲットパネル11Bについても同様の構成である。
そして、例えば、溶融リチウム金属の充填が完了して固化した後に、溶融リチウム注入配管65、溶融リチウム出口配管66は切削切断されて、注入通路63,64内の固化したリチウム金属を除去して、貫通部52f1,52f2の注入通路63,64は、図示しない蓋により密封溶接される。
(1)冷却材流路形成加工工程
金属基板52Cの元になる矩形状の低炭素鋼又はタンタルの板材に対して、その1面側(裏側(図10における上側面に対応))にフライス加工等によって冷却材流路52dを形成するために溝を多数加工し、冷却フィン52eを設ける(図10参照)。
(2)注入通路穿孔加工工程
その後、図10における金属基板52Cの右下隅近傍及び左上隅近傍に注入通路63,64の孔を穿孔する。
金属基板52Cの表側(図9における上側面に対応)に、縁枠部52aと、縁枠部52aで囲まれた内側に、図9における左右方向及び前後方向に規則的に離散的に配置された複数の島部52bとを残して凹部52cを所定の深さの減肉加工、例えば、ターゲット材であるリチウム金属(Li)の厚さと同じ、50μmの減肉加工を、例えば、フライス加工で行う。このとき、図9における左下隅近傍に50μmの減肉加工の凹部52c1を、図9における下側の縁枠部52a側に突出する形に形成するとともに、図9における右上隅近傍に50μmの減肉加工の凹部52c2を、図9における上側の縁枠部52a側に突出する形に形成する。
この結果、図9に示すように凹部52c1,52c2の底面には、それぞれ注入通路穿孔加工工程で穿孔した注入通路63,64の孔が開口している。
次いで、図10に示すように金属基板52Cの注入通路63,64の孔にそれぞれ連通する注入通路63,64の孔を有した円筒形状の貫通部52f1,52f2を溶接する。
次に、アルゴンガス雰囲気中で、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55(図8では、模式的に説明のため裏板部55を矩形状の平板で表示)を水平となるようにして、金属基板52Cの裏側を下にし、裏板部55の上に載せ、次に、金属基板52Cの保持面側X(図8(a)参照)の面上に密封金属薄膜53を載せる。
このとき、貫通部52f1,52f2は、それぞれターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55(図9、図10参照)の貫通孔120A,120Bに挿通されて、貫通部52f1,52f2の端面がターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55の保持面X側と反対側の面で面一となるようになっている。
この当て部材は、重量的に適度な重量を有し、HIP接合を開始する前に密封金属薄膜53と金属基板52Cの保持面側Xの面との間のアルゴンガスを排除するとともに、HIP接合時に、密封金属薄膜53が平坦に金属基板52Cの保持面側Xの面に当接したままの状態を保ち、密封金属薄膜53が凹部52c,52c1,52c2に沈み込まないようにするためのものである。
このとき、金属基板52Cの冷却フィン52eの下面と裏板部55とが接合されるだけでなく、貫通部52f1,52f2と裏板部55の貫通孔120A,120Bとも接合される。更に、金属基板52Cの四周の側面部もターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)のビーム照射面11aの裏板部55を形成する縁部とも同時に接合されるので、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)のビーム照射面11a側は、マニフォールド116L,116Rが水密構造に密閉接合される。
これにより、密封金属薄膜53と金属基板52Cの縁枠部52a及び島部52bの表面との接合と、金属基板52Cと裏板部55との接合と、を個別に行うよりも加工工程を省くことができる。
次に、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55の保持面X側と反対側に露出した貫通部52f1,52f2の端面に、それぞれ溶融リチウム注入配管65の一端側を溶接するとともに、溶融リチウム出口配管66の一端側を溶接する。そして、溶融リチウム出口配管66の他端側を、油拡散ポンプ等の真空ポンプに接続し、溶融リチウム注入配管65の他端側を溶融リチウム金属供給側に接続する。
このとき、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)は、誘導加熱等の加熱手段、切削装置、溶接装置等を有した、密封容器内に設置することが好ましい。
十分に凹部52c,52c1,52c2の空間を溶融リチウム金属で満たすように注入した後は、溶融リチウム金属の供給側を閉じ、所定の時間、金属基板52C及び密封金属薄膜53と、溶融リチウム金属とが濡れあって十分に接触するまでターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の温度を、200℃以上の、例えば、200〜300℃の第2の所定の温度に所定の時間(保持時間)保持する。この、第2の所定の温度及び保持時間は、予め実験的に定める。
次に、溶融リチウム金属を充填した後の注入通路63,64の閉塞加工工程について説明する。
保持時間経過後、凹部52c,52c1,52c2の空間を溶融リチウム金属が満たした状態のまま徐々に冷却して、凹部52c,52c1,52c2の空間が固体のリチウム金属が充填された状態となる。ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)に取り付けられた温度センサにより十分冷却が完了したことを確認後、溶融リチウム出口配管66を閉じて真空ポンプを停止し、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)を設置した前記密封容器をアルゴンガス雰囲気又は真空状態とする。
そして、溶融リチウム注入配管65及び溶融リチウム出口配管66を前記した切削工具で切断し、貫通部52f1の注入通路63及び貫通部52f2の注入通路64内のリチウム金属を切削除去する。予め前記密封容器内に用意しておいた図示しない金属基板52Cと同一部材製の蓋(図示せず)を貫通部52f1,52f2の注入通路63,64に嵌め込み、レーザ溶接や電子線溶接等で密封溶接する。
以上により、ターゲット51Cが完成する。
また、本変形例において、(7)のターゲット材注入通路閉塞加工工程において、溶融リチウム出口配管66及び溶融リチウム出口配管66を切削切断して注入通路63,64に蓋をすることとしたが、それに限定されるものではない。溶融リチウム金属又は固体リチウム金属が溶融リチウム出口配管66及び溶融リチウム出口配管66内に充満している状態で、圧接して封印溶接しても良い。
次に、図11を参照しながら本実施形態におけるターゲット51Aとエンボス構造の異なるターゲット51Dの構成とその製造方法について説明する。図11は、変形例のターゲット51Dの構造説明図であり、(a)は、ターゲット51Dの分解説明図、(b)は、ターゲット材54が保持された金属基板52Dの平面図であり、(c)は、金属基板52Dにおけるエンボス構造の拡大斜視図である。ターゲット51Aと同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
円形凹部52c1と連通凹部52c2が形成する凹部52cは、所定の面積の島部52bが離散して残されるように、金属基板52Dの縁枠部52aの内側面積における面積率が70%以上の範囲になるように形成することが好ましい。このような面積率で形成することにより、密封金属薄膜と接合される島部の表面積を確保しつつ、ターゲット材の反応断面積の縮小を避けることができる。
また、連通凹部52c2は、各円形凹部52c1を連通する直線状の溝とすることが好ましく、例えば、各円形凹部52c1の中心を結ぶ線に軸線が一致するように中心間の最短距離で連通する配置とし、平面視で略矩形状となるように設けることができる。図11(c)において、L1は連通凹部52c2の幅、L2は連通凹部52c2の長さを示す。連通凹部52c2の幅L1は、特に制限されるものではないが、円形凹部52c1の半径の1/5〜1/2、好ましくは1/2とすることができる。
半径2mmの円形凹部52c1を5mm間隔で六方配置し、1mm四方の連通凹部52c2で隣接する円形凹部52c1を連通すると、金属基板52Dの縁枠部52aの内側面積における面積率は約72%確保される。
凹部52cの底面から冷却材流路52dの溝底までの厚さは、ターゲット材54に入射した陽子ビーム6がターゲット材54を通過した残りの陽子を全て阻止できる厚さとする。
凹部52cに金属リチウムが充填され、その後に、裏板部55上に金属基板52Dの裏面が対向するように載せられ、更に金属基板52Dの上面に密封金属薄膜53が載せられて、HIP加工により密封金属薄膜53が縁枠部52aの表面及び島部52bの表面に接合されるとともに、金属基板52Dの裏面と裏板部55とが同時に接合される構造となっている。
このようなターゲット51Dは、前記したターゲット51Aの製造方法に準じて製作される。
次に、図12を参照しながら変形例におけるターゲット51Dとエンボス構造の材質が異なるターゲット51Eの構成とその製造方法について説明する。図12は、変形例のターゲット51Eの構造説明図であり、(a)は、ターゲット51Eの分解説明図、(b)は、ターゲット材54が保持された金属基板52Eの平面図である。ターゲット51A,51Dと同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
ターゲット51Dでは、凹部52cが減肉されることにより残される島部52bは、金属基板52Dと同一の材質であり、非リチウム金属で、好ましくは低炭素鋼(Fe)又はタンタル(Ta)で構成されている。これに対し、ターゲット51Eでは、島部52bは、ターゲット材54でもあるリチウム合金54aで形成される。島部52bは、材質がリチウム合金であることにより、ターゲットとしての機能を有し、且つ、リチウムの場合と比較して加熱により溶融し難い特性を有するものとなる。
銅−リチウム合金において、添加するCuとしては、1質量%以上が好ましく、1〜20質量%がより好ましい。
アルミニウム−リチウム合金において、添加するAlとしては、20質量%以上が好ましく、20〜40質量%がより好ましい。
マグネシウム−リチウム合金において、添加するMgとしては45質量%以上が好ましく、45〜60質量%がより好ましい。
凹部52cに金属リチウムが充填され、その後に、裏板部55上に金属基板52Eの裏面が対向するように載せられ、更に金属基板52Eの保持面側Xの面に密封金属薄膜53が載せられて、HIP加工により密封金属薄膜53が縁枠部52aの表面及び島部52bの表面に接合されるとともに、金属基板52Eの裏面と裏板部55とが同時に接合される構造となっている。
(1)冷却材流路形成加工工程
金属基板52Eの元になる矩形状の低炭素鋼又はタンタルの板材に対して、その1面側(裏側(図13(a)における下側面に対応))にフライス加工等によって冷却材流路52dを形成するために溝を多数加工し、冷却フィン52eを設ける(図13(a)参照)。
板材の表側(図13(a)における上側面に対応)に、縁枠部52aを残して所定の深さの減肉加工を行い、底部が平面状の凹部52cを有する金属基板52E0を形成する。例えば、ターゲット材であるリチウム金属(Li)の厚さと同じ、50μmの減肉加工を、フライス加工で行う。
減肉加工工程の次に、凹部52cの底部に銅、アルミニウム、マグネシウム、又は亜鉛の極薄層(付着促進層)を、例えば、蒸着、スパッタリング等の処理により、例えば、0.05μmの厚さで行う。これは、リチウム合金54aと金属基板52E0との付着性(ぬれ性)を良くするための加工である。この際、蒸着、スパッタリング等の処理の前に縁枠部52aの表面には、銅の極薄層を形成しないようにマスキング処理をし、蒸着、スパッタリング等の処理後にマスキングを剥がす。
次に、アルゴンガス雰囲気中又は真空中で、リチウム合金54aを溶かした状態で坩堝61にいれたものを金属基板52E0の凹部52cに流し込む(図13(a),(b)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム合金54aが酸化されるので、真空中で充填する方が好ましい。充填したリチウム合金54aは、アルゴンガス中又は真空中でそのまま固化させる。
固化したリチウム合金54aは、縁枠部52aの表面に付着し、更に、縁枠部52aの表面よりも盛り上がっているため、例えば、フライス加工により削り取り、リチウム合金54aの粉末もアルゴンガスのブロー等によって除去する(図13(b)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム金属が酸化されるので、真空中で切削する方が好ましい。
次に、凹部52cに充填したリチウム合金54aに、平面視で円形状となる所定の深さの減肉加工、例えば、直径が4mmであり、凹部52cの底部をなす金属基板に達する深さの減肉加工を、六方配置を採るように縦方向及び横方向に複数箇所、フライス加工等により行い、円形凹部52c1を形成する。
また、各円形凹部52c1の間が連通するように、所定の形状の連通凹部52c2を減肉加工、例えば、1mm幅の溝で連通するように、凹部52cの底部をなす金属基板に達する深さの減肉加工を行う。
全ての円形凹部52c1を連通凹部52c2で連通させることにより、リチウム合金54aからなる複数の島部52bと凹部52cとからなるエンボス構造を有する金属基板52Eが形成される(図13(c)参照)。
エンボス構造加工工程の次に、凹部52cの底部に銅、アルミニウム、マグネシウム、又は亜鉛の極薄層(付着促進層)を、例えば、蒸着、スパッタリング等の処理により、例えば、0.05μmの厚さで行う。これは、ターゲット材54であるリチウムと金属基板と52Eとの付着性(ぬれ性)を良くするための加工である。この際、蒸着、スパッタリング等の処理の前に縁枠部52aと島部52bの図13(c)における上側の表面には、銅の極薄層を形成しないようにマスキング処理をし、蒸着、スパッタリング等の処理後にマスキングを剥がす。
次に、アルゴンガス雰囲気中又は真空中で、ターゲット材54であるリチウム金属を溶かした状態で坩堝61にいれたものを凹部52cに流し込む(図13(d)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム金属が酸化されるので、真空中で充填する方が好ましい。充填したターゲット材54であるリチウム金属は、アルゴンガス中又は真空中でそのまま固化させる。
固化したリチウム金属は、縁枠部52a及び島部52bの表面に付着し、更に、縁枠部52a及び島部52bの表面よりも盛り上がっているため、例えば、フライス加工により削り取り、リチウム金属の粉末もアルゴンガスのブロー等によって除去する。その結果、縁枠部52a及び島部52bの表面が清浄な状態で露出し、凹部52cにのみリチウム金属が充填された状態となる(図13(e)参照)。アルゴンガスは、不純物として酸素や水分(H2O)を含んでいるので、溶融したリチウム金属が酸化されるので、真空中で切削する方が好ましい。
続いて、ターゲット51Aの製造方法においてと同様に、アルゴンガス雰囲気中で、ターゲットパネル11A(又は、ターゲットパネル11B)の裏板部55と、金属基板52Eと、密封金属薄膜53とをHIP接合する。
以上により、ターゲット51Eが完成する。
次に、図14を参照しながら本実施形態におけるターゲット51Aと凹部構造及びターゲット材54の材質が異なるターゲット51Fの構成とその製造方法について説明する。図14は、変形例のターゲット51Fの分解説明図である。ターゲット51Aと同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
ターゲット51Bにおいては、本質的に100質量%のリチウムからなる純リチウム金属が、ターゲット材54として凹部52cに充填される。
これに対し、ターゲット51Fにおいては、リチウム合金54aが、ターゲット材54として凹部52cに充填される。リチウム合金54aは、リチウム金属と比較して加熱により溶融し難い特性を有するターゲット材54である。
リチウム合金54aとしては、例えば、陽子ビームの照射により加熱されて溶融しない、すなわち融点が300℃程度以上であり、かつ陽子ビームのリチウム合金中の飛程がなるべく短くならない様に添加金属%が小さなリチウム合金を挙げることができ、銅−リチウム合金、アルミニウム−リチウム合金、マグネシウム−リチウム合金が好適に用いられる。
銅−リチウム合金において、添加するCuとしては1〜20質量%が好ましく、アルミニウム−リチウム合金において、添加するAlとしては20〜40質量%が好ましく、マグネシウム−リチウム合金において、添加するMgとしては45〜60質量%が好ましい。
縁枠部52aと凹部52cとの段差は、ターゲット材の厚さと同じ、例えば、50μmである。
凹部52cの底面から冷却材流路52dの溝底までの厚さは、ターゲット材54に入射した陽子ビーム6がターゲット材54を通過した残りの陽子を全て阻止できる厚さとする。
凹部52cにリチウム合金54aが充填され、その後に、裏板部55上に金属基板52Dの裏面が対向するように載せられ、更に金属基板52Fの上面に密封金属薄膜53が載せられて、HIP加工により密封金属薄膜53が縁枠部52aの表面に接合されるとともに、金属基板52Fの裏面と裏板部55とが同時に接合される構造となっている。
このようなターゲット51Fは、前記したターゲット51Eの製造方法において、金属基板52E0にリチウム合金54aを充填し、保持面側平滑化工程を行った後、HIPによる接合工程を行うことで製作される。
また、あらかじめ必要な厚さに圧延したリチウム合金54aを密封金属薄膜53に圧着させ、これを凹部52cを設けていない金属基板上に乗せて更に圧着させるとともに、密封金属薄膜53と金属基板を基板周辺部で溶接する方法もある。
1a イオン源
1b 加速器
2 照射部
3 治療部
4 ビーム導管
5 ターゲット部
6 陽子ビーム
7 ビーム集束レンズ
9 中性子ビーム
10 コリメータ
10a 先端フランジ部
11A,11B ターゲットパネル
11a ビーム照射面
11b 先端面
11cL,11cR パネル側面
12L,12R 側板
17 取り付けボルト
18 絶縁ピース
21 減速材
22 反射材
23 中性子吸収材
24 コリメータ
51A,51C,51D,51E,51F ターゲット
52A,52C,52D,52E,52F 金属基板
52a 縁枠部
52b 島部
52c 凹部
52c1 円形凹部
52c2 連通凹部
52d 冷却材流路
52e 冷却フィン
53 密封金属薄膜
54 ターゲット材
54a ターゲット材(リチウム合金)
55 裏板部
61 坩堝
100 中性子発生装置
112 ビームストップ部材
113,124 絶縁部材
15 取り付け孔
116L,116R マニフォールド
116La,116Ra,117L,117R,121L,121R,123L,123R 冷却材流路孔
122L,122R 冷却材連通路
Claims (10)
- 加速器により加速された陽子ビームをターゲット材であるリチウムに照射して、7Li(p,n)7Be反応により中性子を発生させる中性子発生装置用のターゲットであって、
前記ターゲット材を保持する金属基板と、
前記金属基板において前記ターゲット材を保持する保持面側に前記ターゲット材を密封する密封金属薄膜と、
を備え、
前記金属基板の前記保持面側には、
縁枠部と、
該縁枠部に囲まれた内側に前記縁枠部と同じ高さの島部を複数残して、前記縁枠部及び前記複数の島部以外の他の領域を前記ターゲット材の厚み分だけ減肉された凹部とするエンボス構造と、
を有し、
前記密封金属薄膜は、前記縁枠部の表面及び前記複数の島部の表面に接合され、
前記ターゲット材が前記密封金属薄膜により前記金属基板の前記凹部に密封されることを特徴とする中性子発生装置用のターゲット。 - 前記凹部は、
前記縁枠部に囲まれた内側に六方配置され、平面視で円形状を有する複数の円形凹部と、
隣接する前記円形凹部同士を互いに連通する連通凹部と、
からなることを特徴とする請求項1に記載の中性子発生装置用のターゲット。 - 前記凹部の底面には、前記ターゲット材と前記金属基板との付着性を良くする付着促進層を設けることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の中性子発生装置用のターゲット。
- 前記付着促進層は、銅、アルミニウム、マグネシウム、又は亜鉛の薄膜層であることを特徴とする請求項3に記載の中性子発生装置用のターゲット。
- 前記金属基板は、前記保持面側と反対側の面側に冷却材を流す冷却材流路を多数条設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の中性子発生装置用のターゲット。
- 前記金属基板は、鉄又はタンタルで構成され、
前記密封金属薄膜は、ステンレス鋼薄板、チタン薄板、チタン合金薄板、ベリリウム薄板又はベリリウム合金薄板で構成されることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の中性子発生装置用のターゲット。 - 前記エンボス構造における島部は、1〜20質量%のCu、20〜40質量%のAl、または45〜60質量%のMgのいずれかを含み、残部がLiと不可避不純物からなるリチウム合金で構成されることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の中性子発生装置用のターゲット。
- 加速器により加速された陽子ビームをターゲット材であるリチウムに照射して、7Li(p,n)7Be反応により中性子を発生させる中性子発生装置用のターゲットの製造方法であって、
前記ターゲット材を保持する金属基板の前記ターゲット材を保持する保持面側に、前記ターゲット材を密封するための縁枠部と、該縁枠部に囲まれた内側に前記縁枠部と同じ高さの島部を複数残して、該島部以外の他の領域を前記ターゲット材の厚み分だけ減肉された凹部とするエンボス構造を形成するエンボス構造加工工程と、
前記凹部の底面に前記ターゲット材と前記金属基板との付着性を良くする付着促進層を形成する付着促進層形成工程と、
前記保持面側の前記凹部に前記ターゲット材を溶かして充填するターゲット材充填工程と、
前記ターゲット材充填工程の後に、前記ターゲット材を前記金属基板の前記凹部に密封する密封金属薄膜を、前記保持面側の前記縁枠部及び前記島部の表面において、HIP接合する接合工程と、
を備えることを特徴とする中性子発生装置用のターゲットの製造方法。 - 加速器により加速された陽子ビームをターゲット材であるリチウムに照射して、7Li(p,n)7Be反応により中性子を発生させる中性子発生装置用のターゲットの製造方法であって、
前記ターゲット材を保持する金属基板の前記ターゲット材を保持する保持面側に、前記ターゲット材を密封するための縁枠部と、該縁枠部に囲まれた内側に前記縁枠部と同じ高さの島部を複数残して、該島部以外の他の領域を前記ターゲット材の厚み分だけ減肉された凹部とするエンボス構造を形成するエンボス構造加工工程と、
前記ターゲット材を前記金属基板の前記凹部に密封するための密封金属薄膜を、前記保持面側の前記縁枠部及び前記島部の表面において、HIP接合する接合工程と、
前記接合工程の後の前記金属基板を前記ターゲット材が溶融する第1の所定の温度に加温し、溶融状態の前記ターゲット材を前記密封金属薄膜で覆われた前記金属基板の前記凹部に注入し、前記ターゲット材が、前記密封金属薄膜及び前記金属基板との接触表面と十分に濡れて隙間がなくなるまで、前記第1の所定の温度以下の第2の所定の温度に保持して、前記ターゲット材を前記金属基板の前記凹部に充填するターゲット材充填工程と、
を備えることを特徴とする中性子発生装置用のターゲットの製造方法。 - 前記エンボス構造加工工程の後であり、前記接合工程の前に、前記凹部の底面に前記ターゲット材と前記金属基板との付着性を良くする付着促進層を形成する付着促進層形成工程を備えることを特徴とする請求項9に記載の中性子発生装置用のターゲットの製造方法。
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