JP6935878B2 - 中性子減速照射装置及び延長コリメータ - Google Patents

Description

本発明は、中性子源が発生した中性子線を減速して照射する中性子減速照射装置、及び、中性子減速照射装置に装着される着脱式の延長コリメータに関する。

がんを治療する放射線療法の一種に、ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy；ＢＮＣＴ）がある。ホウ素中性子捕捉療法は、がん細胞に選択的に蓄積させたホウ素化合物に中性子を照射し、¹⁰Ｂ（ｎ，α）^７Ｌｉの核反応により生成するα粒子やリチウム原子核によってがん細胞を破壊する治療法である。α粒子やリチウム原子核の飛程は細胞の大きさと同程度であるため、ホウ素中性子捕捉療法によると、正常細胞を大きく損傷すること無く、がん細胞のみを選択的に破壊することが可能である。

ホウ素中性子捕捉療法においては、ホウ素１０（¹⁰Ｂ）を含むホウ素化合物を患者に投与し、ホウ素化合物が集積されたがん細胞に中性子線を照射して治療を行う。中性子のエネルギが低いほど、反応断面積が大きくなり、正常細胞の損傷も避けることができる一方、患者の組織の深部に到達する程度の高いエネルギも必要である。そのため、治療に用いる中性子線は、熱外中性子の強度が高く、高速中性子の混入率が低く、且つ、熱外中性子束に対する熱中性子束の比率が低いことが要求される。

国際原子力機関（International Atomic Energy Agency；ＩＡＥＡ）は、ホウ素中性子捕捉療法に用いる中性子線について設計目標値を設定している。例えば、熱外中性子強度については、治療を短時間に効果的に行う観点から、１×１０^９［ｎ・ｃｍ^−２・ｓ^−１］以上を推奨している。また、高速中性子混入率については、正常細胞の損傷を避ける観点から、２×１０^−１３［Ｇｙ・ｃｍ^２］以下を推奨している。

近年、ホウ素中性子捕捉療法の中性子源は、研究用原子炉等から加速器に移行しつつあり、中性子源が出射した高速の中性子線は、熱外領域以下まで減速されて治療に用いられている。加速器を利用する中性子発生装置は、一般に、荷電粒子線を発生させる加速器と、荷電粒子線が照射されて中性子線を発生するターゲットと、ターゲットが発生した中性子線を減速して被照射体に照射する中性子減速照射装置とを備えている。

ホウ素中性子捕捉療法に用いられる一般的な中性子減速照射装置は、放射線を遮蔽する隔壁状のコリメータ部に貫通孔を有し、その貫通孔を通過する中性子を集束させて中性子線の照射野を整形する構造である。中性子減速照射装置が備える隔壁状のコリメータ部は、治療を受ける患者と平面で接する形状であるため、中性子線を照射して行う長時間にわたる治療の間に、患者が無理な体勢を強いられるという問題がある。そこで、コリメータ部の貫通孔を延長して突出させるため、延長コリメータが開発されている。

例えば、非特許文献１には、重水タンクの下流に黒鉛ライニングとビーム孔が設けられた中性子ビーム設備が開示されている（第３〜２２頁参照）。ビーム孔は、ＬｉＦ−ポリエチレン製等によるマルチリーフ形状の延長コリメータで軸方向に延長されている（第５〜６頁参照）。

中村剛実、堀口洋徳、柳衛宏宣、新居昌至、「ＪＲＲ−４におけるホウ素中性子捕捉療法のための乳がん照射技術の開発」、ＪＡＥＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、日本原子力研究開発機構、２０１４年６月、２０１４−０１６、ｐ３−２２

非特許文献１に開示されるように、コリメータ部に延長コリメータを取り付け、貫通孔の出口を突出させると、患者が楽な体勢を採った状態で治療を行うことが可能になる。例えば、頭部や頸部等の治療を行うに際しても、適切な延長コリメータを設けることにより、患者の肩部等との干渉を避けることができるため、照射野の位置ずれを防止して、中性子線の照射をより精密に行うことができる。しかしながら、延長コリメータを取り付け、貫通孔の出口を突出させると、延長コリメータの出口において照射軸周りの中性子線強度が低くなる傾向がある。

ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子減速照射装置は、性能が設計目標値を充足しているか否かが、多くの場合、コリメータ部の貫通孔の出口付近を検出位置として評価されている。延長コリメータを取り付けた状態で、患部に照射される中性子線の強度を確保するには、コリメータ部の出口付近で、より高い強度が確認される必要があるが、患者を被爆させるガンマ線等を低減しつつ熱外中性子線の強度を向上させることは容易ではない。

そこで、本発明は、中性子線を高い強度で精密に照射することが可能な中性子減速照射装置及び延長コリメータを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る中性子減速照射装置は、荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させる減速部と、前記減速部の周囲を囲み中性子線を反射する反射部と、前記減速部によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部と、を備え、前記コリメータ部は、前記荷電粒子線の照射方向における前記減速部の下流側に配置され、前記照射方向に向かって縮径する孔部を有する隔壁部と、前記照射方向における前記隔壁部の下流側に配置され、前記孔部の周縁から前記照射方向に向かって突出し、中央に貫通孔を有するノズル部と、を有し、前記ノズル部は、前記貫通孔の内壁を成す反射材と、前記反射材の周囲を囲む遮蔽材と、を備え、前記反射材は、鉛又は鉛合金で構成された第１反射体と、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体と、からなり、前記第２反射体は、前記貫通孔の内壁に沿って前記第１反射体中に埋設して配置されている。

また、本発明に係る延長コリメータは、中性子減速照射装置に装着される着脱式の延長コリメータであって、前記中性子減速照射装置は、荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させる減速部と、前記減速部の周囲を囲む反射部と、前記減速部によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部と、を備え、前記延長コリメータは、中央に貫通孔を有する本体部を有し、前記貫通孔の内壁を成す反射材と、前記反射材の周囲を囲む遮蔽材と、を備え、前記コリメータ部に着脱自在に固定され、前記反射材は、鉛又は鉛合金で構成された第１反射体と、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体と、からなり、前記第２反射体は、前記貫通孔の内壁に沿って前記第１反射体中に埋設して配置されている。

本発明によれば、中性子線を高い強度で精密に照射することが可能な中性子減速照射装置及び延長コリメータを提供することができる。

中性子発生装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置及び延長コリメータの縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 本発明の第１実施形態に係る延長コリメータを拡大して示す縦断面図である。 延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。 延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、熱中性子比との関係を示す図である。 延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、中性子空間線量率分布との関係を示す図である。 延長コリメータの基端側内部材の材質と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 延長コリメータの基端側内部材の材質と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 延長コリメータの基端側内部材の材質と、熱中性子比との関係を示す図である。 延長コリメータの基端側内部材の材質と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置のノズル部を拡大して示す縦断面図である。 コリメータ部の下流側内部材の材質と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 コリメータ部の下流側内部材の材質と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 コリメータ部の下流側内部材の材質と、熱中性子比との関係を示す図である。 コリメータ部の下流側内部材の材質と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 ノズル部の貫通孔の入口径と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 ノズル部の貫通孔の入口径と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 ノズル部の貫通孔の入口径と、熱中性子比との関係を示す図である。 ノズル部の貫通孔の入口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 ノズル部の基端側の厚さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。 ノズル部の基端側の厚さと、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 ノズル部の基端側の厚さと、熱中性子比との関係を示す図である。 ノズル部の基端側の厚さと、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 ノズル部の貫通孔の入口径及び基端側の厚さと、中性子空間線量率分布との関係を示す図である。 反射体の配置と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 反射体の配置と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。 反射体の配置と、熱中性子比との関係を示す図である。 反射体の配置と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る中性子減速照射装置及び延長コリメータについて、図を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

［中性子発生装置］
はじめに、本実施形態に係る中性子減速照射装置を備えて構成される中性子発生装置の概略構成について説明する。

図１は、中性子発生装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、中性子発生装置１００は、荷電粒子線発生装置１と、中性子減速照射装置２と、導管４と、中性子源としてのターゲット５と、を備えている。中性子源としてのターゲット５は、固体リチウムをターゲット材として保持している。この中性子発生装置１００は、ホウ素中性子捕捉療法における中性子線源として好適に用いられる。

中性子発生装置１００において、荷電粒子線発生装置１は、所定のエネルギの陽子線等（荷電粒子線６）を発生する。荷電粒子線６は、導管４を通じてターゲット５に到達し、ターゲット５は、荷電粒子線６を照射されて所定のエネルギ帯域の中性子線を発生させる。そして、中性子減速照射装置２は、ターゲット５が出射する中性子線を減速し、照射野が整形された中性子線９を出射する。中性子減速照射装置２から出射した中性子線９は、被照射体３に照射されて中性子捕獲反応を生じる。すなわち、ホウ素が集積している被照射体３としてのがん細胞に中性子線９が照射されると、核反応により生成したα線やリチウム粒子によってがん細胞が破壊される。

［荷電粒子線発生装置］
荷電粒子線発生装置１は、例えば、荷電粒子線として陽子線を発生する。陽子線を発生する荷電粒子線発生装置１は、図１に示すように、陽子を発生させるイオン源１ａと、陽子を加速する加速器１ｂとを備えて構成される。

イオン源１ａとしては、例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）イオン源が用いられる。ＥＣＲイオン源は、強磁場下に水素ガスを導入し、高周波を印加して電子サイクロトロン共鳴を生じさせることにより、水素のプラズマを高密度に生成する。そして、生成した水素イオン（^１Ｈ^＋）は、磁気ミラーによって集積されて引き出される。ＥＣＲイオン源は、無電極放電によるため長時間にわたり安定した運転が可能である。

加速器１ｂとしては、例えば、静電型加速器が用いられる。静電型加速器は、電極間に直流高電圧を印加し、一定した静電界の下で荷電粒子を加速する。静電型加速器によると、連続した荷電粒子線６を発生させることが可能である。静電型加速器としては、例えば、ダイナミトロン型加速器（ＩＢＡ社製等）を用いることができる。また、コッククロフトウォルトン型、バンデグラフ型等の静電型加速器や、サイクロトロン、シンクロトロン等の高周波型加速器を用いることもできる。

［導管］
導管４は、荷電粒子線発生装置１と、ターゲット５との間を接続している。導管４は、荷電粒子線発生装置１が出射した荷電粒子線６を、ターゲット５に導く経路を形成している。導管４には、荷電粒子線６が幅方向に発散するのを抑制する集束レンズ７が設置される。集束レンズ７としては、例えば、複数の四重極電磁石を荷電粒子線６の照射方向に沿って設置し、それぞれの極性を反転させた配置とする。なお、導管４は、図１に示すような直線状の形態に限定されるものでは無く、曲線部を有する任意形状の経路を形成していてもよい。導管４の曲線部には、荷電粒子線６を偏向させる偏向電磁石等を設置することが可能である。

［ターゲット］
ターゲット５は、導管４の先端に設置されている。中性子源としてのターゲット５は、固体リチウムをターゲット材として保持する。固体リチウムからなるターゲット材は、例えば、タンタル、銅等を組み合わせて構成される金属基板上に保持される。金属基板上に保持された固体リチウムは、チタン製等の金属箔によって覆われて封止されることにより、荷電粒子線６の照射によって溶融したリチウムの漏出が防止される。金属基板の内部には、冷却水を通流させてターゲット材を冷却するための冷却材流路が形成される。

ターゲット材であるリチウムは、陽子線を照射されて^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの核反応により中性子線を発生する。この核反応に必要となる入射陽子エネルギの閾値は、約１．８８ＭｅＶである。そのため、荷電粒子線発生装置１においては、この閾値以上であり、且つ、エネルギが過大な中性子が発生しない程度の低いエネルギを持った荷電粒子線６を生成する。具体的には、荷電粒子線発生装置１が発生する荷電粒子線６のエネルギは、４．０ＭｅＶ以下、好ましくは３．０ＭｅＶ以下、より好ましくは２．８ＭｅＶ以下の範囲である。また、電流値は、１０ｍＡ以上１００ｍＡ以下、ターゲット材に対する熱負荷を避ける観点から、より好ましくは１０ｍＡ以上２０ｍＡ以下とする。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置及び延長コリメータの構成について説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置及び延長コリメータの縦断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２は、減速部２１と、反射部２２と、吸収部２３と、コリメータ部（隔壁部）２４と、補強材２８と、を備えて構成されている。中性子減速照射装置２は、導管４（図１参照）の先端に設置された中性子源としてのターゲット５の周囲を囲んで配置されている。中性子減速照射装置２は、ターゲット５が発生した中性子線を減速し、主として熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速して、被照射体３（図１参照）に中性子線９を照射する。

本実施形態に係る中性子減速照射装置２は、図２に示すように、コリメータ部（隔壁部）２４に、着脱式の延長コリメータ（ノズル部）３０が装着可能とされる。中性子減速照射装置２は、使用時にコリメータ部２４に延長コリメータ３０が固定され、延長コリメータ３０の先端部から、線質が設定目標値を充足するように制御された中性子線を出射する。

ターゲット５が発生する中性子線は、そのエネルギに応じて、凡そ、熱中性子（Ｎ_ｔｈｅｒ）と、熱外中性子（Ｎ_ｅｐｉ）と、高速中性子（Ｎ_ｆａｓｔ）とに大別される。本明細書においては、エネルギが０．５ｅＶ以下の中性子を熱中性子（Ｎ_ｔｈｅｒ）、０．５ｅＶを超え１０ｋｅＶ以下の中性子を熱外中性子（Ｎ_ｅｐｉ）、１０ｋｅＶを超える中性子を高速中性子（Ｎ_ｆａｓｔ）と定義する。また、以下の説明において、「下流」及び「上流」の用語は、荷電粒子線６の照射方向（進行方向）における下流及び上流をそれぞれ意味するものとする。

（減速部）
減速部２１は、主として、ターゲット５が発生した中性子線を熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速させる。中性子減速照射装置２において、減速部２１は、減速材本体２１Ａと、上流側減速材２１Ｂと、下流側減速材２１Ｃとによって構成されている。

減速材本体２１Ａは、ターゲット５の下流側に配置されている。ターゲット５は、減速材本体２１Ａの上流側端面の中央に配置されており、ターゲット５と減速材本体２１Ａとの間には、中性子を増幅するベリリウム製の増幅材１０５が配置されている。減速材本体２１Ａは、荷電粒子線６の照射軸及びターゲット５と同心となるように配置される。

減速材本体２１Ａは、例えば、円柱形状又は多角柱形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円柱形状又は多角柱形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよい。減速材本体２１Ａは、厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ）を、例えば、１６ｃｍ以上２０ｃｍ以下とすることができる。また、減速材本体２１Ａは、直径（荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向の長さ）を、例えば、４０ｃｍ以上６０ｃｍ以下とすることができる。

上流側減速材２１Ｂは、減速材本体２１Ａの上流側端面から上流側に向けて配置されている。上流側減速材２１Ｂは、減速材本体２１Ａの上流側端面から上流側に向けて延設されることにより、ターゲット５を内側に内包してターゲット５の周囲を囲んでいる。上流側減速材２１Ｂは、減速材本体２１Ａや、荷電粒子線６の照射軸及びターゲット５と同心となるように配置される。上流側減速材２１Ｂが設けられることにより、ターゲット５が荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線が、減速されながらコリメータ部２４の孔部１２４に散乱して入射し、熱外中性子線の強度が高められるようになっている。

上流側減速材２１Ｂは、例えば、円筒形状又は多角筒形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円筒形状又は多角筒形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよいし、減速材本体２１Ａと一体に形成してもよい。上流側減速材２１Ｂは、周壁の厚さ（外半径と内半径との差）を、例えば、８ｃｍ以上１０ｃｍ以下とすることができる。また、上流側減速材２１Ｂは、荷電粒子線６の照射方向の長さを、例えば、１６ｃｍ以上２４ｃｍ以下とすることができる。

下流側減速材２１Ｃは、減速材本体２１Ａの下流側端面から下流側に向けて配置されている。下流側減速材２１Ｃは、円錐台形状を呈しており、コリメータ部２４が有する孔部１２４の内側に配置されている。下流側減速材２１Ｃの上流側端面は、減速材本体２１Ａの下流側端面に密接しており、下流側減速材２１Ｃの円錐台形状の周面は、コリメータ部２４の孔部１２４に密接している。下流側減速材２１Ｃは、減速材本体２１Ａや、荷電粒子線６の照射軸及びターゲット５と同心となるように配置される。下流側減速材２１Ｃが設けられることにより、ターゲット５が出射した中性子線を照射野を整形しながら減速させることが可能になるため、減速部２１の全体の長さを短尺に設けることが可能となる。

下流側減速材２１Ｃは、例えば、円錐台形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円錐台形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよいし、減速材本体２１Ａと一体に形成してもよい。下流側減速材２１Ｃは、荷電粒子線６の照射方向の長さを、例えば、４ｃｍ以上８ｃｍ以下とすることができる。

減速部２１は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）で構成することが好ましく、フッ化マグネシウムの単結晶体若しくは単結晶同士が焼結した焼結体で構成することが好ましい。フッ化マグネシウムは、真密度に対するかため嵩密度（相対密度）が、９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上とされる。

フッ化マグネシウムは、ターゲット５への入射陽子エネルギが１０ＭｅＶ以下である場合に、中性子をより効率的に減速させる。そのため、減速部２１をフッ化マグネシウムで形成することにより、ターゲット５が出射した中性子線を熱外中性子線のエネルギ帯域まで効果的に減速し、高速中性子の大半については吸収させることが可能である。なお、減速材本体２１Ａ、上流側減速材２１Ｂ、及び、下流側減速材２１Ｃは、同一の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。

（反射部）
反射部２２は、主として、中性子源としてのターゲット５が出射した中性子線を反射する。中性子減速照射装置２において、反射部２２は、減速材２１を囲む第１反射材２２Ａ、第２反射材２２Ｂ、及び、第３反射材２２Ｃと、これらの外側に配された側部反射材２２Ｄ、上流側反射材２２Ｅ、及び、下流側反射材２２Ｆによって構成されている。

第１反射材２２Ａ、第２反射材２２Ｂ、及び、第３反射材２２Ｃは、減速材２１の外側を囲んでいる。詳細には、第１反射材２２Ａが、減速材本体２１Ａの周囲を囲み、第２反射材２２Ｂが、上流側減速材２１Ｂの周囲を囲み、第３反射材２２Ｃが、上流側減速材２１Ｂの上流側を囲んでいる。第３反射材２２Ｃは、中央が開口しており、ターゲット５に至る荷電粒子線６の入射路が形成されている。減速部２１を囲んで反射部（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）が設けられることにより、ターゲット５が荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線が、コリメータ部２４の孔部１２４に反射されて入射し、中性子線の強度が高められるようになっている。

側部反射材２２Ｄ、上流側反射材２２Ｅ、及び、下流側反射材２２Ｆは、中性子減速照射装置２の側端、上流端及び下流端のそれぞれに配置されて外殻を形成している。中性子減速照射装置２の外側に反射部（２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ）が設けられることにより、中性子減速照射装置２から中性子線等が漏洩するのが防止されるようになっている。

反射部２２は、中性子の散乱断面積が大きい反射材によって形成される。反射部２の材料としては、例えば、鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス等が挙げられる。反射部２２の材料としては、熱外中性子の吸収が少なく、ガンマ線の遮蔽能も高い、鉛又は鉛−錫合金、鉛−アンチモン合金、鉛−ビスマス合金等の鉛合金が特に好ましい。なお、第１反射材２２Ａ、第２反射材２２Ｂ、第３反射材２２Ｃ、側部反射材２２Ｄ、上流側反射材２２Ｅ、及び、下流側反射材２２Ｆは、同一の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。

（吸収部）
吸収部２３は、主として、中性子源としてのターゲット５が出射した中性子線のうちコリメータ部２４の側に出射しない方向の成分を吸収する。中性子減速照射装置２において、吸収部２３は、側部吸収材２３Ａと、上流側吸収材２３Ｂとによって構成されている。

側部吸収材２３Ａは、第１反射材２２Ａ、第２反射材２２Ｂ、第３反射材２３Ｃ、及び、コリメータ部２４の周囲を囲んでいる。また、上流側吸収材２３Ｂは、第３反射材２３Ｃの上流側を囲んでいる。側部吸収材２３Ａ及び上流側吸収材２３Ｂの周囲は、側方反射材２２Ｄによって、側部吸収材２３Ａの上流側端面は、上流側反射材２２Ｆによって、上流側吸収材２３Ｂの下流側端面は、流側反射材２２Ｅによって、それぞれ覆われて中性子の漏洩が防止されている。

吸収部２３は、中性子の吸収断面積が大きい遮蔽材によって形成される。吸収部２３の材料としては、例えば、ホウ素−ポリエチレン、フッ化リチウム−ポリエチレン、パラフィン、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物等が挙げられる。吸収材２３の材料としては、中性子の遮蔽能が高く、成形性も良好なホウ素−ポリエチレンが特に好ましい。なお、側部吸収材２３Ａ及び上流側吸収材２３Ｂは、同一の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。

（コリメータ部）
コリメータ部２４は、減速部２１によって減速された中性子線の照射野を整形する。コリメータ部２４は、減速部２１の下流側に隔壁状に設けられており、減速部２１と同心となるように孔部１２４を有している。孔部１２４は、コリメータ部２４を貫通しており、荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れてテーパ状に縮径している。中性子減速照射装置２において、コリメータ部２４は、孔部１２４の上流側の内壁を成す上流側内部材２４Ａと、孔部１２４の下流側の内壁を成す下流側内部材２４Ｂと、上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂの上流側を囲む上流側外部材２４Ｃと、上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂの下流側を囲む下流側外部材２４Ｄとによって構成されている。

上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂは、それぞれ、孔部１２４が貫通して設けられている。上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂの外面は、荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れて孔部１２４と同様に縮径しており、上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂは、所定の厚さで孔部１２４の内壁を成している。孔部１２４の出口は、ガンマ線を遮蔽するための遮蔽材２２Ｇにより覆われている。一方、上流側外部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄは、上流側内部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｂと、側部吸収材２３Ａや上流側反射材２２Ｆとの間に介在しており、減速部２１及び第１反射材２２Ａの下流側に隔壁状に配置されている。

上流側内部材２４Ａ及び上流側外部材２４Ｃは、中性子の散乱断面積が大きい反射材によって形成される。上流側内部材２４Ａ及び上流側外部材２４Ｃの材料としては、例えば、鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス等が挙げられる。上流側内部材２４Ａ及び上流側外部材２４Ｃの材料としては、熱外中性子の吸収が少なく、ガンマ線の遮蔽能も高い、鉛又は鉛−錫合金、鉛−アンチモン合金、鉛−ビスマス合金等の鉛合金が特に好ましい。このような材料によると、孔部１２４の出口周辺における中性子線やガンマ線の空間線量を低減しつつ、出射される熱外中性子線の強度や直進性を高くすることができる。また、遮蔽材２２Ｇの材料としては、鉛又は鉛合金が好ましい。

下流側内部材２４Ｂ及び下流側外部材２４Ｄは、中性子の吸収断面積が大きい遮蔽材によって形成される。下流側内部材２４Ｂ及び下流側外部材２４Ｄの材料としては、例えば、ホウ素−ポリエチレン、フッ化リチウム−ポリエチレン、パラフィン、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物等が挙げられる。下流側内部材２４Ｂ及び下流側外部材２４Ｄの材料としては、高速中性子やガンマ線の遮蔽能が高いフッ化リチウム−ポリエチレンが特に好ましい。このような材料によると、出射される中性子線について、高速中性子やガンマ線の混入率を効果的に低減することができる。

上流側内部材２４Ａ、下流側内部材２４Ｂ、上流側外部材２４Ｃ、及び、下流側外部材２４Ｄは、単一体の反射材や遮蔽材によって構成してもよいし、複数の反射材や遮蔽材を組み合わせて構成してもよいし、同一の材料については互いに一体に形成してもよい。

（補強材）
補強材２８は、減速部２１、反射部２２、吸収部２３及びコリメータ部２４を支持し、中性子減速照射装置２の剛性を補強する。補強材２８は、中性子減速照射装置２の上流側端面、下流側端面、及び、側面を覆うように配置されている。また、減速部（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）、反射部（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｅ，２２Ｆ）、吸収部（２３Ａ，２３Ｂ）及びコリメータ部（２４Ｃ，２４Ｄ）の側面と他の部材との間に介在するように配置されている。また、補強材２８は、コリメータ部２４の孔部１２４や、ターゲット５に至る荷電粒子線６の入射路に内張りされている。

補強材２８は、例えば、炭素鋼、アルミ合金等の必要な機械的性質を備える材料によって形成される。補強材２８としては、比較的安価で入手し易い一般構造用圧延鋼材、例えば、ＪＩＳ Ｇ ３１０１に規定されるＳＳ４００等が好適に用いられる。

（延長コリメータ）
延長コリメータ３０は、図２に示すように、コリメータ部２４が有する孔部１２４の出口に装着される。延長コリメータ３０は、本体部が、孔部１２４の出口の周縁から荷電粒子線６の照射方向に向かって突出した状態に装着される。延長コリメータ３０の本体部は、側面が荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れてテーパ状に縮径して円錐台形状を呈しており、中央に軸方向に貫通した貫通孔１３０を有している。延長コリメータ３０は、貫通孔１３０がコリメータ部２４が有する孔部１２４と同心になるように、ボルト締結等による不図示の固定部を介してコリメータ部２４に着脱自在に固定される。

延長コリメータ３０は、コリメータ部２４の孔部１２４から出射される中性子線を集束する。延長コリメータ３０が装着されることにより、隔壁状のコリメータ部から突出した位置から、集束された中性子線を出射させることが可能になる。延長コリメータ３０は、貫通孔１３０の基端側の内壁を成す基端側内部材３０Ａと、貫通孔１３０の先端側の内壁を成す先端側内部材３０Ｂと、基端側内部材３０Ａ及び先端側内部材３０Ｂの周囲を囲む外筒部材３０Ｃとを備えている。

基端側内部材３０Ａは、延長コリメータ３０の外形と同様に円錐台形状を呈している。基端側内部材３０Ａは、中央に貫通孔１３０が設けられており、貫通孔１３０の基端側の内壁を成している。基端側内部材３０Ａの外面は、荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れて延長コリメータ３０の側面と同様に縮径している。基端側内部材３０Ａの基端側端面における内径は、下流側内部材２４Ｂの下流側端面における内径と略同等である。また、基端側内部材３０Ａの基端側端面における外径は、下流側内部材２４Ｂの下流側端面における外径と略同等である。

先端側内部材３０Ｂは、円板形状を呈している。基端側内部材３０Ａは、中央に貫通孔１３０が設けられており、貫通孔１３０の先端側の内壁を成している。先端側内部材３０Ｂは、基端側内部材３０Ａの先端側に、先端側端面を覆うように重なって配置されている。

外筒部材３０Ｃは、先端側に向かうに連れて縮径する筒状を呈しており、内側に納めた基端側内部材３０Ａ及び先端側内部材３０Ｂの周囲を囲んでいる。

基端側内部材３０Ａは、中性子の散乱断面積が大きい反射材によって形成される。基端側内部材３０Ａの材料としては、例えば、鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス等が挙げられる。基端側内部材３０Ａの材料としては、熱外中性子の吸収が少なく、ガンマ線の遮蔽能も高い、鉛又は鉛−錫合金、鉛−アンチモン合金、鉛−ビスマス合金等の鉛合金が特に好ましい。このような材料によると、コリメータ部２４の孔部１２４から出射される中性子線について、線質を大きく損なうこと無く、熱外中性子線の強度を高くすることができる。

先端側内部材３０Ｂ及び外筒部材３０Ｃは、中性子の吸収断面積が大きい遮蔽材によって形成される。先端側内部材３０Ｂ及び外筒部材３０Ｃの材料としては、例えば、ホウ素−ポリエチレン、フッ化リチウム−ポリエチレン、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物等が挙げられる。先端側内部材３０Ｂ及び外筒部材３０Ｃの材料としては、高速中性子やガンマ線の遮蔽能が高いフッ化リチウム−ポリエチレンが特に好ましい。このような材料によると、延長コリメータ３０の周辺における中性子線やガンマ線の空間線量を低減することができる。

以上の中性子減速照射装置２に装着可能な着脱式の延長コリメータ３０によると、隔壁状のコリメータ部２４よりも下流側に突出した位置から、集束された中性子線を出射させることが可能になる。ホウ素中性子捕捉療法による治療を受ける患者とは、延長コリメータ３０の先端側で接する状態となるため、平面で接する場合と比較して患者の体勢の自由度が高くなり、身体的な負担が軽減される。また、患部に近接した位置から中性子線を出射させることが可能になり、中性子線の照射の精密性が向上する。また、延長コリメータ３０の貫通孔１３０を通じて熱外中性子線が集束するため、コリメータ部２４の孔部１２４の出口で評価される熱外中性子線の強度を患部付近まで保つことができる。よって、中性子線を高い強度で精密に照射することが可能な中性子減速照射装置及び延長コリメータを提供することが可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るノズル付き中性子減速照射装置の構成について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図３に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａは、前記の中性子減速照射装置２と同様に、減速部２１と、反射部２２と、吸収部２３と、補強材２８と、を備えている。

中性子減速照射装置２Ａが、前記の中性子減速照射装置２と異なる主な点は、着脱式の延長コリメータ３０が装着されるコリメータ部２４に代えて、隔壁部２４１に非着脱式のコリメータ（ノズル部）２４２が延設されたコリメータ部（２４１，２４２）を備えるノズル付き中性子減速照射装置の形態とされている点である。

（隔壁部）
隔壁部２４１は、前記の中性子減速照射装置２と同様に、減速部２１の下流側に隔壁状に設けられており、減速部２１と同心となるように孔部１２４を有している。隔壁部２４１は、孔部１２４の上流側の内壁を成す上流側内部材２４ａと、孔部１２４の下流側の内壁を成す下流側内部材２４ｂと、上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂの上流側を囲む上流側外部材２４ｃと、上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂの下流側を囲む下流側外部材２４ｄとによって構成されている。

上流側内部材２４ａ、上流側外部材２４ｃ、及び、下流側外部材２４ｄは、それぞれ、前記の中性子減速照射装置２が備える、上流側内部材２４Ａ、上流側外部材２４Ｃ、下流側外部材２４Ｄと同様に構成される。一方、下流側内部材２４ｂは、中性子の散乱断面積が大きい反射材によって形成される。下流側内部材２４ｂの材料としては、例えば、鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス等が挙げられるが、鉛又は鉛合金が好ましい。下流側内部材２４ｂは、単一体の反射材によって構成してもよいし、複数の反射材を組み合わせて構成してもよいし、上流側内部材２４ａと一体に形成してもよい。

（ノズル部）
ノズル部２４２は、前記の延長コリメータ３０と同様に、孔部１２４の出口の周縁から荷電粒子線６の照射方向に向かって突出しており、側面が荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れてテーパ状に縮径して円錐台形状を呈している。延長コリメータ３０は、中央に軸方向に貫通した貫通孔２２４を有している。

ノズル部２４２は、隔壁部２４１の孔部１２４から出射される中性子線を集束する。ノズル部２４２は、前記の延長コリメータ３０と同様に、貫通孔２２４の基端側の内壁を成す基端側内部材２４ｅと、貫通孔２２４の先端側の内壁を成す先端側内部材２４ｆと、基端側内部材２４ｅ及び先端側内部材２４ｆの周囲を囲む外筒部材２４ｇとを備えている。

基端側内部材２４ｅ、先端側内部材２４ｆ、及び、外筒部材２４ｇは、それぞれ、前記の延長コリメータ３０が備える、基端側内部材３０Ａ、先端側内部材３０Ｂ、外筒部材３０Ｃと同様に構成される。貫通孔２２４の入口は、ガンマ線を遮蔽するための遮蔽材２４ｈにより覆われており、孔部１２４の出口周辺の部材が発生するガンマ線も遮蔽されるようになっている。

基端側内部材２４ｅは、中性子の散乱断面積が大きい反射材によって形成される。基端側内部材２４ｅの材料としては、例えば、鉛、黒鉛、鉄、ベリリウム、ビスマス等が挙げられる。基端側内部材２４ｅの材料としては、熱外中性子の吸収が少なく、ガンマ線の遮蔽能も高い、鉛又は鉛−錫合金、鉛−アンチモン合金、鉛−ビスマス合金等の鉛合金が特に好ましい。

先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇは、中性子の吸収断面積が大きい遮蔽材によって形成される。先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材料としては、例えば、ホウ素−ポリエチレン、フッ化リチウム−ポリエチレン、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物等が挙げられる。先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材料としては、高速中性子やガンマ線の遮蔽能が高いフッ化リチウム−ポリエチレンが特に好ましい。

以上のノズル付き中性子減速照射装置２Ａによると、隔壁部２４１に非着脱式のノズル部２４２が延設されたコリメータ部（２４１，２４２）が備えられているため、隔壁部２４１よりも下流側に突出した位置から、集束された中性子線を出射させることが可能になる。患部に近接した位置から中性子線を出射させることが可能になり、中性子線の照射の精密性が向上する効果が得られる。また、ノズル部２４２の貫通孔２２４を通じて熱外中性子線が集束するため、熱外中性子線の強度を高くすることができる。よって、中性子線を高い強度で精密に照射することが可能な中性子減速照射装置を提供することが可能である。

特に、ノズル付き中性子減速照射装置２Ａによると、ノズル部２４２が非着脱式であるため、孔部１２４の出口周辺に、フッ化リチウム−ポリエチレン等に代えて、鉛製等の部材を配置し得る。つまり、下流側内部材２４ｂや遮蔽材２４ｈを鉛又は鉛合金で構成することが可能になるため、出射される熱外中性子線の強度をより高くすることができるし、孔部１２４の出口周辺の部材が発生するガンマ線をより効果的に遮蔽することができる。

一般には、中性子減速照射装置の性能は、コリメータの出口付近、すなわち孔部１２４の出口を検出位置として設定し、この位置における線質が設計目標値を充足するか否かを評価する。しかし、非着脱式のノズル部２４２が延設された中性子減速照射装置２Ａでは、下流側に突出したノズル部２４２の貫通孔２２４の出口で、出射される中性子線の線質を評価することができる。そのため、着脱式の延長コリメータを装着する場合と比較して、中性子減速照射装置の性能が設計目標値を充足しているか否かを、より正確に把握し、被照射体に照射される中性子線の線質を確実に保証することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の構成について説明する。

図４は、本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図４に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ｃは、前記の中性子減速照射装置２Ａと同様に、減速部２１と、反射部２２と、吸収部２３と、補強材２８と、コリメータ部（２４１Ａ，２４２Ａ）と、を備えている。

中性子減速照射装置２Ｃが、前記の中性子減速照射装置２Ａと異なる主な点は、コリメータ部（２４１Ａ，２４２Ａ）の反射材、すなわち、上流側内部材２４ａ、下流側内部材２４ｂ、及び、基端側内部材２４ｅが、それぞれ、鉛又は鉛合金で構成された第１反射体４１と、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体４２とからなり、第２反射体４２が、貫通孔２２４の内壁に沿って第１反射体４１中に埋設して配置されている点である。

第１反射体４１は、上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂにおいて、隔壁部２４１の貫通孔１２４の内壁を成しており、第２反射体４２は貫通孔１２４の内壁に沿って第１反射体に埋設した状態に配置されている。また、基端側内部材２４ｅにおいて、ノズル部２４２の貫通孔２２４の内壁を成しており、第２反射体４２は貫通孔２２４の内壁に沿って第１反射体に埋設した状態に配置されている。

第２反射体４２は、外形が筒状を呈しており、上流側内部材２４ａ、下流側内部材２４ｂ、及び、基端側内部材２４ｅのそれぞれにおいて、荷電粒子線６の照射方向に沿った長さの略全長に及ぶ長さに設けられている。また、第２反射体４２は、荷電粒子線６の照射方向に向かうに連れてテーパ状に縮径し、隔壁部２４１の貫通孔１２４、及び、ノズル部２４２の貫通孔２２４のそれぞれにおいて中性子線を集束し得るように設けられている。

第２反射体４２は、内面側が、貫通孔２２４との間に介在する第１反射体４１によって囲まれる一方、外面側、及び、基端側内部材２４ｅにおける下流側端面も、第１反射体４１によって囲まれている。なお、第１反射体４１や第２反射体４２は、上流側内部材２４ａ、下流側内部材２４ｂ、及び、基端側内部材２４ｅのそれぞれにおいて、単一体の反射材によって構成してもよいし、複数の反射材を組み合わせて構成してもよい。

以上の中性子減速照射装置２Ｃによると、第２反射体４２が、鉛等と比較して散乱断面積が大きいニッケル又はニッケル合金で構成されるため、貫通孔２２４から出射される熱外中性子線の強度や直進性が、前記の中性子減速照射装置２Ａよりも高められる。また、第１反射体４１が、第２反射体４２のニッケル等と比較して二次的なガンマ線を発生し難い鉛又は鉛合金で構成されるため、貫通孔２２４の出口周辺におけるガンマ線の空間線量をより抑制することができる。よって、中性子線をより高い強度で精密に照射することが可能な中性子減速照射装置を提供することが可能である。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る中性子減速照射装置の構成について説明する。

図５は、本発明の第４実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図５に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ｄは、前記の中性子減速照射装置２Ｃと同様に、反射部２２と、吸収部２３と、補強材２８と、コリメータ部（２４１Ａ，２４２Ａ）と、を備えている。また、コリメータ部（２４１Ａ，２４２Ａ）の反射材は、第１反射体４１と第２反射体４２とにより構成されている。

中性子減速照射装置２Ｄが、前記の中性子減速照射装置２Ｃと異なる主な点は、減速部２１が、フッ化マグネシウムで構成された複数の減速体２１ａと、カドミウム又はカドミウム合金で構成された第１遮蔽体２６とを有し、複数の減速体２１ａが、第１遮蔽体２６と共に荷電粒子線６の照射方向に沿って積層されている点である。

図５に示すように、中性子減速照射装置２Ｄにおいて、減速材本体２１Ａは、減速材として働くフッ化マグネシウムで構成された複数の減速体２１ａが組み合わされて形成されており、複数の減速体２１ａは、カドミウム又はカドミウム合金で構成された熱中性子を遮蔽する第１遮蔽体２６を挟んで積層されている。また、下流側減速材２１Ｃは、フッ化マグネシウムで構成された減速体２１ａの上流側と下流側とに、それぞれ第１遮蔽体２６が配置されており、第１遮蔽体２６に挟まれた積層状態で配置されている。

また、中性子減速照射装置２Ｄにおいて、下流側減速材２１Ｃの下流側には、コリメータ部２４の孔部１２４に密接して第２遮蔽体２７が配置されている。第２遮蔽体２７は、ガンマ線を遮蔽するカドミウム又はカドミウム合金で構成され、減速部２１が二次的に発生するガンマ線を遮蔽するために備えられる。

以上の中性子減速照射装置２Ｄによると、減速部２１が、フッ化マグネシウムで構成された減速体２１ａとカドミウム又はカドミウム合金で構成された第１遮蔽体２６とを積層して構成されるため、熱中性子を遮蔽する第１遮蔽体２６の合計の厚さを確保しつつ、第１遮蔽体２６自体が発生する二次的なガンマ線の漏洩を抑制することができる。このような構成により、貫通孔２２４の出口周辺におけるガンマ線の空間線量を低減した状態で、出射される熱外中性子線の強度をより高めることが可能である。また、減速部２１が複数の減速体２１ａを組み合わせて構成されるため、不良少なく作製することが可能な寸法が小さいフッ化マグネシウムによって、減速部２１を形成することが可能である。

以上、本発明について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。

例えば、前記の第１実施形態に、前記の第３実施形態の要部構成や、第４実施形態の要部構成を組み合わせたり、前記の第２実施形態に、前記の第３実施形態の要部構成や、第４実施形態の要部構成を組み合わせたりすることが可能である。

また、前記の中性子減速照射装置２，２Ａ、２Ｃ，２Ｄ、及び、延長コリメータ３０は、各部材の形状、配置、材質、寸法等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜のものとすることができる。中性子減速照射装置２，２Ａ、２Ｃ，２Ｄや、延長コリメータ３０の横断面形状を、円に代えて、多角形等にすることも可能である。また、延長コリメータ３０やノズル部２４２の外形をその他の形状にしたり、延長コリメータ３０やノズル部２４２を積層構造としたり、患者の患部に合わせて外形を換装可能に設けたりすることも可能である。

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

中性子減速照射装置及び延長コリメータの減速照射能について、シミュレーションによる解析を行った結果を示す。なお、以下の解析においては、モンテカルロ法によって計算シミュレーションを行っている。

計算コードは、ＰＨＩＴＳ （ｖｅｒ．２．６６０）、核データは、ＥＮＤＦ／Ｂ−ＶＩＩ．１を使用した。中性子源としては、１５ｃｍ径の平板のリチウムのターゲットを設定した。中性子のエネルギと出射角度とは、ＬＩＹＩＬＥＤを用いて計算した。ターゲットとしては、上流側から下流側に向けて、チタン０．０１ｍｍ、リチウム０．１４ｍｍ、タンタル０．３６ｍｍ、１．５ｍｍ、冷却材としての水５．０ｍｍ、銅３．０ｍｍ、ベリリウム３９．９９ｍｍが順に積層された形態を設定した。

中性子減速照射装置及び延長コリメータの減速照射能は、中性子減速照射装置から出射され、「Ｔａｌｌｙ」において計測される中性子線につき、ＩＡＥＡが推奨している設計目標値を指標として評価した。具体的には、以下に挙げる、熱外中性子強度、混入率（高速中性子混入率、ガンマ線混入率）、熱中性子比、カレント／フラックス比、中性子空間線量率を評価した。計算粒子数は、評価項目の相対不確かさが３％未満となる１０^８とし、統計が不十分な場合は、計算粒子数を増やして解析を行った。なお、「Ｔａｌｌｙ」は、シミュレーション上の仮想的な検出部位である。

熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）は、０．５ｅＶより高く、１０ｋｅＶ以下のエネルギーを持つ中性子束の積分値として定義される。熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）の評価は、１×１０^９［ｎ・ｃｍ^−２・ｓ^−１］以上を目標値とした。

高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）は、高速中性子が付与する吸収線量と熱外中性子束の比であり、次の数式１によって定義される。Ｎ_ｆａｓｔは、高速中性子強度、Ｋ_ｎは、中性子カーマ系数である。高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）の評価は、２×１０^−１３［Ｇｙ・ｃｍ^２］以下を目標値とした。

ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）は、ガンマ線が付与する吸収線量と熱外中性子束の比であり、次の数式２によって定義される。Ｇは、全エネルギにおけるガンマ線線量、Ｋ_ｇは、ガンマ線カーマ系数である。ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）の評価は、２×１０^−１３［Ｇｙ・ｃｍ^２］以下を目標値とした。

熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）は、熱中性子束と熱外中性子束の比であり、次の数式３によって定義される。熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）の評価は、０．０５以下を目標値とした。

カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、中性子線の直進性を示す指標であり、次の数式４によって定義される。θは、「Ｔａｌｌｙ」への入射角に相当し、Ｔａｌｌｙの法線と中性子線の入射方向とが成す角を示す。カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）の評価は、０．７以上を目標値とした。

中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）は、コリメータ部の出口周辺の空間線量率分布を示す指標であり、次の数式５によって定義される。ｒは、「Ｔａｌｌｙ」の中心を原点とする径方向の距離である。Ｗ_Ｒは、次の数式６によって定義される放射線加重係数である。

はじめに、前記の第１実施形態に係る着脱式の延長コリメータ３０を装着した中性子減速照射装置２の減速照射能を、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さを変数として解析した。

図６は、本発明の第１実施形態に係る延長コリメータを拡大して示す縦断面図である。
図６において、ｒ_１は、延長コリメータ３０の貫通孔１３０の基端側端面における入口径、すなわち基端側内部材３０Ａの基端側端面における内半径を示す。ｒ_２は、貫通孔１３０の先端側端面における出口径を示す。Ｒ_１は、延長コリメータ３０の基端側端面における外半径を示す。Ｒ_２は、延長コリメータ３０の先端側端面における外半径を示す。Ｒ_３は、基端側内部材３０Ａの基端側端面における外半径を示す。Ｒ_４は、先端側内部材３０Ｂの先端側端面における外半径を示す。Ｌは、延長コリメータ３０の軸方向の長さを示す。ｔは、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さを示す。

減速照射能の解析において、延長コリメータ３０は、基端側内部材３０Ａ及び先端側内部材３０Ｂの材質を鉛とフッ化リチウム−ポリエチレンから選択した。また、外筒部材３０Ｃの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。

延長コリメータ３０の貫通孔１３０の基端側端面における入口径（ｒ_１）は７ｃｍ、貫通孔１３０の先端側端面における出口径（ｒ_２）は５ｃｍとした。また、延長コリメータ３０の軸方向の長さ（Ｌ）は１５ｃｍ、延長コリメータ３０の基端側端面における外半径（Ｒ_１）は２０ｃｍ、延長コリメータ３０の先端側端面における外半径（Ｒ_２）は１０ｃｍ、基端側内部材３０Ａの基端側端面における外半径（Ｒ_３）は１７ｃｍ、先端側内部材３０Ｂの先端側端面における外半径（Ｒ_４）は７ｃｍとした。先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）を変えるとき、固定された全長の下で、基端側内部材３０Ａの軸方向の長さも共に変えた。

また、中性子減速照射装置２は、減速部２１の材質をフッ化マグネシウム、反射部２２の材質を鉛、吸収部２３の材質をホウ素−ポリエチレン、上流側内部材２４Ａ及び上流側外部材２４Ｃの材質を鉛、下流側内部材２４Ｂ及び下流側外部材２４Ｄの材質をフッ化リチウム−ポリエチレン、補強材２８の材質をＳＳ４００とした。

図７Ａは、延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。図７Ｂは、延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図７Ｃは、延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、熱中性子比との関係を示す図である。図７Ｄは、延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図７Ａ〜図７Ｄにおいて、「Ａｌｌ ＰＥ」は、基端側内部材３０Ａ及び先端側内部材３０Ｂの材質がフッ化リチウム−ポリエチレンの結果である。「ＰＥ＋ＰＥ １ｃｍ」、「ＰＥ＋ＰＥ ２ｃｍ」、「ＰＥ＋ＰＥ ３ｃｍ」は、基端側内部材３０Ａの材質が鉛、先端側内部材３０Ｂの材質がフッ化リチウム−ポリエチレンであり、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）が、それぞれ、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍに設定された場合の結果である。図中の太線と矢印は、設計目標値と目標の方向を表している。

図７Ａ〜図７Ｄに示すように、鉛製の反射材で形成された基端側内部材３０Ａを設けることにより、熱中性子やガンマ線の混入が低減されている。また、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）が１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍのいずれの場合でも、カレント／フラックス比を大きく低下させること無く、熱外中性子強度が約１．４倍まで増大している。貫通孔１３０の内壁を反射材で構成した延長コリメータを装着することにより、フッ化リチウム−ポリエチレン等の遮蔽材のみで構成された延長コリメータと比較して、線質を大きく損なうこと無く、熱外中性子強度が向上することが確認される。

次に、前記の第１実施形態に係る着脱式の延長コリメータ３０を装着した中性子減速照射装置２の開口１２４の出口周辺における空間線量を、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さを変数として解析した。

図８は、延長コリメータの先端側内部材の軸方向の長さと、中性子空間線量率分布との関係を示す図である。
図８において、横軸は、コリメータ部２４の開口１２４の中心軸からの径方向の距離［ｃｍ］、縦軸は、中性子線量率［Ｇｙ／ｓ］を示す。また、「Ａｌｌ ＰＥ−ＬｉＦ」は、基端側内部材３０Ａ及び先端側内部材３０Ｂの材質がフッ化リチウム−ポリエチレンの結果である。また、「１．０」、「２．０」、「３．０」は、基端側内部材３０Ａの材質が鉛、先端側内部材３０Ｂの材質がフッ化リチウム−ポリエチレンであり、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）が、それぞれ、１．０ｃｍ、２．０ｃｍ、３．０ｃｍに設定された場合の結果である。中性子の検出位置は孔部１２４の出口である。

図８に示すように、コリメータ部２４の開口１２４の出口周辺における中性子空間線量率は、先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）が１．０ｃｍ、２．０ｃｍ、３．０ｃｍのいずれの場合でも、開口１２４の中心軸の付近で一定程度低減されている。先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）は、主として、延長コリメータ３０の先端側端面の付近の空間線量を左右している。

次に、前記の第１実施形態に係る着脱式の延長コリメータ３０を装着した中性子減速照射装置２の減速照射能を、基端側内部材３０Ａの材質を変えて解析した。

減速照射能の解析において、延長コリメータ３０は、基端側内部材３０Ａの材質を鉛とビスマスと炭素から選択した。また、先端側内部材３０Ｂ及び外筒部材３０Ｃの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。先端側内部材３０Ｂの軸方向の長さ（ｔ）は、３ｃｍとし、その他の寸法や、中性子減速照射装置２の構成は、前記の解析と同様に設定した。

図９Ａは、延長コリメータの基端側内部材の材質と、熱外中性子強度との関係を示す図である。図９Ｂは、延長コリメータの基端側内部材の材質と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図９Ｃは、延長コリメータの基端側内部材の材質と、熱中性子比との関係を示す図である。図９Ｄは、延長コリメータの基端側内部材の材質と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図９Ａ〜図９Ｄにおいて、「Ｐｂ」は、基端側内部材３０Ａの材質が鉛の結果、「Ｂｉ」は、基端側内部材３０Ａの材質がビスマスの結果、「Ｃ」は、基端側内部材３０Ａの材質が炭素の結果である。図中の太線と矢印は、設計目標値と目標の方向を表している。

図９Ａ〜図９Ｄに示すように、鉛やビスマスで形成された基端側内部材３０Ａを設けることにより、熱中性子やガンマ線の混入が低減されている。鉛等の原子量が大きい反射材が貫通孔１３０の内壁を構成する材料として好適であることが確認される。

次に、前記の第２実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａの減速照射能を、下流側内部材２４ｂの材質を変えて解析した。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置のノズル部を拡大して示す縦断面図である。
図１０において、ｒ_１は、延長コリメータ（ノズル部２４２）の貫通孔２２４の基端側端面における入口径、すなわち基端側内部材２４ｅの基端側端面における内半径を示す。ｒ_２は、貫通孔２２４の先端側端面における出口径を示す。Ｒ_１は、ノズル部２４２の基端側端面における外半径を示す。Ｒ_２は、ノズル部２４２の先端側端面における外半径を示す。Ｒ_３は、基端側内部材２４ｅの基端側端面における外半径を示す。Ｒ_４は、先端側内部材２４ｆの先端側端面における外半径を示す。Ｌは、ノズル部２４２の軸方向の長さを示す。ｔは、先端側内部材２４ｆの軸方向の長さを示す。

減速照射能の解析において、ノズル部２４２は、基端側内部材２４ｅの材質を鉛、先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。

ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）は７ｃｍ、貫通孔２２４の先端側端面における出口径（ｒ_２）は５ｃｍとした。また、ノズル部２４２の軸方向の長さ（Ｌ）は１５ｃｍ、ノズル部２４２の基端側端面における外半径（Ｒ_１）は２０ｃｍ、ノズル部２４２の先端側端面における外半径（Ｒ_２）は１０ｃｍ、基端側内部材２４ｅの基端側端面における外半径（Ｒ_３）は１７ｃｍ、先端側内部材２４ｆの先端側端面における外半径（Ｒ_４）は７ｃｍとした。

また、下流側内部材２４ｂの材質を鉛とフッ化リチウム−ポリエチレンから選択した。また、減速部２１の材質をフッ化マグネシウム、反射部２２の材質を鉛、吸収部２３の材質をホウ素−ポリエチレン、上流側内部材２４Ａ及び上流側外部材２４Ｃの材質を鉛、下流側外部材２４Ｄの材質をフッ化リチウム−ポリエチレン、補強材２８の材質をＳＳ４００とした。

図１１Ａは、コリメータ部の下流側内部材の材質と、熱外中性子強度との関係を示す図である。図１１Ｂは、コリメータ部の下流側内部材の材質と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図１１Ｃは、コリメータ部の下流側内部材の材質と、熱中性子比との関係を示す図である。図１１Ｄは、コリメータ部の下流側内部材の材質と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図１１Ａ〜図１１Ｄにおいて、「ＰＥ」は、下流側内部材２４ｂの材質がフッ化リチウム−ポリエチレンの結果、「Ｐｂ」は、下流側内部材２４ｂの材質が鉛の結果である。図中の太線と矢印は、設計目標値と目標の方向を表している。

図１１Ａ〜図１１Ｄに示すように、下流側内部材２４ｂの材質を鉛とすることにより、熱中性子やガンマ線の混入が低減されている。また、カレント／フラックス比を大きく低下させること無く、熱外中性子強度が増大している。孔部１２４の内壁を反射材で構成することにより、フッ化リチウム−ポリエチレン等の遮蔽材で構成した場合と比較して、線質を大きく損なうこと無く、熱外中性子強度の向上が達成されている。中性子線の出射側に突出したノズル型のコリメータ部（２４１，２４２）が、被照射体への精密な照射に加え、熱外中性子強度の向上に有効であることが確認される。

次に、前記の第２実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａの減速照射能を、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）を変数として解析した。

減速照射能の解析において、ノズル部２４２は、基端側内部材２４ｅの材質を鉛、先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）は、４ｃｍから１０ｃｍまで１ｃｍずつ大きくして、それぞれ解析した。貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）を変えるとき、基端側内部材２４ｅの厚さ（外半径と内半径との差）は１０ｃｍに固定した。なお、先端側内部材２４ｆは、基端側端面の外縁と先端側端面の内縁とを通る曲面で分割される基端側の材質を鉛、先端側の材質をフッ化リチウム−ポリエチレンに変更した。その他の寸法や、中性子減速照射装置２Ａの構成は、前記の解析と同様に設定した。

図１２Ａは、ノズル部の貫通孔の入口径と、熱外中性子強度との関係を示す図である。図１２Ｂは、ノズル部の貫通孔の入口径と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図１２Ｃは、ノズル部の貫通孔の入口径と、熱中性子比との関係を示す図である。図１２Ｄは、ノズル部の貫通孔の入口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。

図１２Ａ〜図１２Ｄに示すように、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）が４ｃｍから１０ｃｍの範囲において、高速中性子混入率とカレント／フラックス比は、概ね目標値が達成されている。貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）を広げると、熱中性子比は低下するものの、熱外中性子強度は向上することが確認される。

次に、前記の第２実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａの減速照射能を、外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）を変数として解析した。

減速照射能の解析において、ノズル部２４２は、基端側内部材２４ｅの材質を鉛、先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。ノズル部２４２の外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）は、１ｃｍから４ｃｍまで１ｃｍずつ大きくして、それぞれ解析した。外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）を変えるとき、ノズル部２４２の基端側端面における外半径（Ｒ_１）と、ノズル部２４２の先端側端面における外半径（Ｒ_２）とを固定し、固定された径の下で、基端側内部材２４ｅの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_３−ｒ_１）も共に変えた。その他の寸法や、中性子減速照射装置２Ａの構成は、前記の解析と同様に設定した。

図１３Ａは、ノズル部の基端側の厚さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。図１３Ｂは、ノズル部の基端側の厚さと、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図１３Ｃは、ノズル部の基端側の厚さと、熱中性子比との関係を示す図である。図１３Ｄは、ノズル部の基端側の厚さと、カレント／フラックス比との関係を示す図である。

図１３Ａ〜図１３Ｄに示すように、ノズル部２４２の外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）が１ｃｍから４ｃｍの範囲において、高速中性子混入率とカレント／フラックス比は、概ね目標値が達成されている。外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）を薄くすると、熱中性子比と共に、熱外中性子強度が向上することが確認される。

次に、前記の第２実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａの貫通孔２２４の出口周辺における空間線量を、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径と、ノズル部２４２の外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さとを変数として解析した。

図１４は、ノズル部の貫通孔の入口径及び基端側の厚さと、中性子空間線量率分布との関係を示す図である。
図１４において、上段は、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）と中性子空間線量率分布との関係、下段は、基端側端面における入口径（ｒ_１）を１０ｃｍに固定した場合の、外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）と中性子空間線量率分布との関係である。横軸は、コリメータ部２４の開口１２４の中心軸からの径方向の距離、縦軸は、中性子線量率［Ｇｙ／ｓ］を示す。また、凡例は、それぞれ、入口径［ｃｍ］及び厚さ［ｃｍ］を変えた場合の結果である。但し、中性子の検出位置は、上段は、貫通孔２２４の出口、下段は、孔部１２４の出口よりも２．５ｃｍ外側（出口側）である。

図１４に示すように、隔壁部２４１の開口１２４の出口周辺における中性子空間線量率は、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）が大きくなるほど、外筒部材２４ｇの厚さが薄くなり、数値が高くなっている（上段参照）。これに対して、基端側端面における入口径（ｒ_１）を１０ｃｍに固定した場合、中性子空間線量率は、外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）が厚くなるほど、基端側内部材２４ｅの厚さが薄くなり、数値が低くなっている（下段参照）。よって、基端側端面における入口径（ｒ_１）を１０ｃｍに固定した場合、外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）は２〜３ｃｍ程度が妥当であると確認される。

次に、前記の第３実施形態に係る中性子減速照射装置２Ｃの減速照射能を、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体４２の配置を変えて解析した。

減速照射能の解析において、隔壁部２４１の上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂと、ノズル部２４２の基端側内部材２４ｅの材質は、鉛の第１反射体４１とニッケルの第２反射体４２とから選択した。また、先端側内部材２４ｆ及び外筒部材２４ｇの材質をフッ化リチウム−ポリエチレンとした。また、ノズル部２４２の貫通孔２２４の基端側端面における入口径（ｒ_１）は７ｃｍ、基端側内部材２４ｅの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_３−ｒ_１）は７ｃｍ、外筒部材２４ｇの基端側端面における厚さ（外半径と内半径との差：Ｒ_１−Ｒ_３）は３ｃｍとした。ニッケルの第２反射体４２は、基端側内部材２４ｅの厚さの中央部に、基端側端面における厚さが２ｃｍ、貫通孔２２４から３ｃｍの深さとなるように設けた。

図１５Ａは、反射体の配置と、熱外中性子強度との関係を示す図である。図１５Ｂは、反射体の配置と、高速中性子混入率及びガンマ線混入率との関係を示す図である。図１５Ｃは、反射体の配置と、熱中性子比との関係を示す図である。図１５Ｄは、反射体の配置と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図１５Ａ〜図１５Ｄにおいて、「Ｏｎｌｙ Ｐｂ」は、隔壁部２４１の上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂと、ノズル部２４２の基端側内部材２４ｅの材質が、いずれも鉛の結果、「ｗｉｔｈ Ｎｉ ａｔ ｎｏｚｚｌｅ」は、ノズル部２４２の基端側内部材２４ｅが、鉛の第１反射体４１にニッケルの第２反射体４２が埋設された構造である場合の結果、「ｗｉｔｈ Ｎｉ ａｔ ａｌｌ ｃｏｌｌｉ」は、隔壁部２４１の上流側内部材２４ａ及び下流側内部材２４ｂと、ノズル部２４２の基端側内部材２４ｅの両方が、鉛の第１反射体４１にニッケルの第２反射体４２が埋設された構造である場合の結果である。図中の太線と矢印は、設計目標値と目標の方向を表している。

図１５Ａ〜図１５Ｄに示すように、隔壁部２４１やノズル部２４２を鉛の第１反射体４１にニッケルの第２反射体４２が埋設された構造とすることにより、熱中性子や高速中性子の混入が低減されている。また、隔壁部２４１とノズル部２４２の両方を埋設された構造とするほど熱外中性子強度がより増大している。第１反射体４１にニッケルの第２反射体４２が埋設された構造が、熱外中性子強度の向上に有効であることが確認される。

１００ 中性子発生装置
１ 荷電粒子線発生装置
１ａ イオン源
１ｂ 加速器
２ 中性子減速照射装置
４ 導管
５ ターゲット（中性子源）
６ 荷電粒子線（陽子線）
７ 集束レンズ
９ 中性子線
２１ 減速部
２１Ａ 減速材本体
２１Ｂ 上流側減速材
２１Ｃ 下流側減速材
２２ 反射部
２２Ａ 第１反射材
２２Ｂ 第２反射材
２２Ｃ 第３反射材
２２Ｄ 側部反射材
２２Ｅ 上流側反射材
２２Ｆ 下流側反射材
２２Ｇ 出口反射材
２３ 吸収部
２３Ａ 側部吸収材
２３Ｂ 上流側吸収材
２４ コリメータ部
２４Ａ 上流側内部材
２４Ｂ 下流側内部材
２４Ｃ 上流側外部材
２４Ｄ 下流側外部材
２８ 補強材
３０ 着脱式の延長コリメータ
３０Ａ 基端側内部材
３０Ｂ 先端側内部材
３０Ｃ 外筒部材
２４ａ 上流側内部材
２４ｂ 下流側内部材
２４ｃ 上流側外部材
２４ｄ 下流側外部材
２４ｅ 基端側内部材
２４ｆ 先端側内部材
２４ｇ 外筒部材
２４ｈ 入口反射材
２６ 第１遮蔽体
２７ 第２遮蔽体
４１ 第１反射体
４２ 第２反射体
１２４ 孔部
１３０ 貫通孔
２２４ 貫通孔
２４１ 隔壁部
２４２ ノズル部

Claims (3)

1. 荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させる減速部と、
   前記減速部の周囲を囲み中性子線を反射する反射部と、
   前記減速部によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部と、を備え、
   前記コリメータ部は、前記荷電粒子線の照射方向における前記減速部の下流側に配置され、前記照射方向に向かって縮径する孔部を有する隔壁部と、前記照射方向における前記隔壁部の下流側に配置され、前記孔部の周縁から前記照射方向に向かって突出し、中央に貫通孔を有するノズル部と、を有し、
   前記ノズル部は、前記貫通孔の内壁を成す反射材と、前記反射材の周囲を囲む遮蔽材と、を備え、
   前記反射材は、鉛又は鉛合金で構成された第１反射体と、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体と、からなり、
   前記第２反射体は、前記貫通孔の内壁に沿って前記第１反射体中に埋設して配置されている中性子減速照射装置。
2. 前記減速部は、フッ化マグネシウムで構成された複数の減速体と、カドミウム又はカドミウム合金で構成された遮蔽体と、を有し、
   複数の前記減速体は、前記遮蔽体と共に前記照射方向に沿って積層されている請求項１に記載の中性子減速照射装置。
3. 中性子減速照射装置に装着される着脱式の延長コリメータであって、
   前記中性子減速照射装置は、
   荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させる減速部と、
   前記減速部の周囲を囲む反射部と、
   前記減速部によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部と、を備え、
   前記延長コリメータは、中央に貫通孔を有する本体部を有し、前記貫通孔の内壁を成す反射材と、前記反射材の周囲を囲む遮蔽材と、を備え、前記コリメータ部に着脱自在に固定され、前記反射材は、鉛又は鉛合金で構成された第１反射体と、ニッケル又はニッケル合金で構成された第２反射体と、からなり、前記第２反射体は、前記貫通孔の内壁に沿って前記第１反射体中に埋設して配置されている延長コリメータ。

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