JP6963768B2

JP6963768B2 - 中性子発生装置

Info

Publication number: JP6963768B2
Application number: JP2017085141A
Authority: JP
Inventors: 規託林▲崎▼; 邦明三浦
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: JP2018185155A

Description

本発明は、水素脆化しないターゲットを備えた中性子発生装置に関する。

中性子発生装置は、加速器で所定のエネルギーまで加速した陽子等をターゲットに衝突させて中性子を発生させるものである。なお、陽子用のターゲットとしては、ベリリウム（Ｂｅ）やリチウム（Ｌｉ）等がある。

エネルギーが２ＭｅＶの陽子ビームを３０ｍＡで照射すると、ターゲットには６０ｋＷの大きな熱負荷が与えられる。なお、陽子ビームは、ブラッグピークと呼ばれる部分で急激にエネルギーを放出する。例えば、飛程が約０．２ｍｍの陽子ビームにおけるブラッグピークが約０．１９ｍｍのとき、この部分に熱負荷の多くが与えられる（図２参照）。

ターゲットがベリリウムの場合、水と反応しないので直接水で冷却できるが、加速器から照射される陽子のエネルギーが大きいため、効率よく除熱できない場合がある。また、リチウムの場合、水と反応するので直接水で冷却できず、熱伝導の良い金属等にリチウムをコーティングして、金属等を水などで冷却する。特許文献１に記載されているように、小型の中性子源を備えた中性子発生装置の発明も公開されている。

特許第５８８８７６０号公報

しかしながら、中性子発生装置において、照射された陽子等が停止したときに生じる水素が金属等の中に溜まると、ブリスタリング（水素脆化による破壊）を引き起こすおそれがある。特許文献１に記載の発明では、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）又はそれらの合金（金属層）に、ベリリウム、リチウム又はそれらの化合物（中性子発生材料層）を接合したターゲットを使用しており、金属層に拡散した水素が冷却水などに効率良く放出されなければ水素脆化してしまう。

そこで、本発明は、水素脆化しないターゲットを備えた中性子発生装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明である中性子発生装置は、陽子ビームを照射して中性子を発生させるためのターゲットと、前記ターゲットに照射された陽子が停止したときに生じる水素を拡散させるための支持材と、前記支持材を筐体内に設置するためのベース材と、を備え、前記支持材は、前記ターゲットが接合された面に拡散した水素を真空中へ放出するための空スペースを有する、ことを特徴とする。

また、前記ターゲットは、厚さを前記陽子ビームの飛程の２分の１以下にしたリチウムである、ことを特徴とする。

また、前記支持材は、中性子照射によって生成される放射性核種の半減期が１日よりも短いバナジウム又はパラジウムである、ことを特徴とする。

また、前記ベース材は、チタンであり、前記支持材と間にアルミニウムを介して拡散接合される、ことを特徴とする。

また、前記ベース材は、前記筐体に差し込んで電子ビーム溶接により設置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、支持材に拡散した水素を真空中に放出することにより、ターゲットの水素脆化を防止することができる。

本発明である中性子発生装置の構造を示す断面図である。本発明である中性子発生装置のターゲットに照射された陽子の飛程と線エネルギー付与の関係を説明するグラフである。本発明である中性子発生装置の支持材として使用する元素から中性子照射によって生成される主な放射性核種の半減期を示す表である。本発明である中性子発生装置においてターゲットの装着を説明する図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明である中性子発生装置の構造について説明する。図１は、中性子発生装置の構造を示す断面図である。図２は、中性子発生装置のターゲットに照射された陽子の飛程と線エネルギー付与の関係を説明するグラフである。図３は、中性子発生装置の支持材として使用する元素から中性子照射によって生成される主な放射性核種の半減期を示す表である。図４は、中性子発生装置においてターゲットの装着を説明する図である。なお、中性子発生装置の真空にされた筐体内に設置されたターゲットについて、照射された陽子が衝突する側（筐体の内部側）を表面、その反対側を裏面とする。

図１に示すように、中性子発生装置１００は、陽子ビーム５００を照射して中性子を発生させるためのターゲット２００と、ターゲット２００に照射された陽子が停止したときに生じる水素５１０を拡散させるための支持材２１０と、支持材２１０を筐体４００内に設置するためのベース材３００と、を備える。

ターゲット２００は、中性子源であり、陽子ビーム５００や重陽子ビーム等の荷電粒子が照射されると中性子を生じる。本実施例においては、陽子を使用する。陽子は、ターゲット２００に入射されてからエネルギーを失うまで進んで（飛程）、停止すると水素５１０になる。なお、図２のブラッグ曲線に示すように、陽子の飛程におけるエネルギー損失は、ターゲット２００に入射してから徐々に増加していき、停止する直前のブラッグピークで線エネルギー付与が急激に大きく（極大に）なり、そして急激に低下して失われる（図中、約０．２ｍｍ付近）。

ターゲット２００としては、ベリリウムやリチウム又はそれらの合金などがある。本実施例においては、リチウム７（^７Ｌｉ）を使用する。陽子とリチウム７が反応すると、ベリリウム７（^７Ｂｅ）と中性子を生じるが、ベリリウム７は、約５３日の半減期でリチウム７に戻る。なお、図２に示すように、ターゲット２００の厚さは、最終的に水素に変わるが、水素として積極的に支持材２１０に吸収されるように陽子の飛程の２分の１以下にする。例えば、陽子の飛程が約０．２ｍｍであれば、ターゲット２００の厚さを０．１ｍｍ以下にすれば良い。この様に、ターゲット２００の厚みを薄くすることで中性子発生量が少なくなる可能性があるが、その最大発生量は陽子ビームの核反応エネルギー（しきい値１．８８１ＭｅＶ）と電流量に依存することから、陽子ビームが停止する直前のブラッグピーク付近まで厚みを増やしたとしても、得られる中性子量は必ずしも比例するわけではなく、かえってブリスタリングのリスクが大きくなるので、中性子の多くを発生する範囲（飛程の２分の１以下）をターゲット２００にして、それ以外をブリスタリングが生じにくく水素を積極的に吸収する支持材２１０にする。

支持材２１０は、ターゲット２００の裏面に接合されて、ターゲット２００を筐体４００内に設置するための部材である。ターゲット２００の厚さは、陽子の飛程より短いことから、ターゲット２００に照射された陽子は、支持材２１０まで到達する。そのため、支持材２１０としては、中性子照射によって生成される放射性核種の半減期が短いものを使用する。例えば、図３に示すように、半減期が１日よりも短い、より好ましくは分オーダー以下の金属又はその合金を使用する。なお、バナジウム（^５２Ｖ）の場合で約３．７分、パラジウム（^１０９Ｐｄ）の場合で約１３．７時間、パラジウム（^１１１Ｐｄ）の場合で約２３．４分である。

また、支持材２１０に到達した陽子は、停止したときに水素５１０となる。そのため、支持材２１０としては、水素吸蔵性の高い金属又はその合金を使用する。さらに、支持材２１０に取り込まれた水素５１０は、拡散させて外部に放出させないと、支持材２１０が水素脆化して破壊される。そのため、支持材２１０としては、水素拡散が大きく水素脆化が少ない金属又はその合金を使用する。このようなものとして、図３に示すように、バナジウム（Ｖ）やパラジウム（Ｐｄ）などがあり、本実施例においては、バナジウムを使用する。

支持材２１０の表面には、ターゲット２００に接合されている部分と、ターゲット２００と接合していない空スペース２２０が存在する。例えば、支持材２１０の中心部にターゲット２００を接合した場合、支持材２１０の周縁部に空スペース２２０を確保すれば良い。支持材２１０に拡散された水素５１０は、空スペース２２０から真空の筐体４００内に放出される。これにより、支持材２１０に溜まる水素５１０が低減され、支持材２１０の水素脆化が防止される。なお、支持材２１０の厚さは、加速器による陽子エネルギー幅を考慮して陽子が支持材２１０内で停止するのに必要なだけあれば良い。即ち、陽子の加速エネルギーによって飛程とブラッグピークが違うので、最大値と最小値での飛程とブラッグピークの加工公差を考慮して決定すればよい。

ベース材３００は、筐体４００の金属製フランジ４２０の一部である。筐体４００は、円筒状のビーム導入管４１０の開口面を円板状の金属製フランジ４２０で塞ぐことにより高真空に封止される。なお、ガスケット等のシール材４３０を用いて気密性を保持し、筐体４００内を減圧することにより真空状態にする。

ターゲット２００に陽子ビーム５００の照射が可能となるように、ベース材３００の内面にターゲット２００及び支持材３００が設置されれば良い。ベース材３００及び金属製フランジ４２０を支持材２１０と同じ素材にするとコスト高となり、特に、バナジウムの場合、酸化もされやすい。そのため、ベース材３００としては、中性子照射によって生成される放射性核種の半減期が短く、コストが安く、加工性に優れ、耐水性の良いチタン（Ｔｉ）を用いることが好ましい。

支持材２１０をベース材３００に直接接合させるには、拡散接合により行う。拡散接合は、材料を密着させて熱を加えることにより一体化するものである。なお、バナジウムとチタンを拡散接合する場合、温度が１０００℃以上と高くなるが、チタンは６００℃以上に昇温すると結晶粒が粗大化（六方最密充填構造から体心立方構造に転移）して極端に強度が低下してしまう。

そのため、支持材２１０とベース材３００の間に接合材２３０を介して拡散接合させる。例えば、ベース材３００としてチタンを用いる場合は、４００〜５００℃で拡散接合が可能で、中性子照射によって生成される放射性核種の半減期が短く、熱伝導率が高いアルミニウム（Ａｌ）を接合材２３０として用いれば良い。

冷却管４４０はベース材３００を介して、支持材２１０を冷却する。支持材２１０に陽子が到達し、ブラッグピークも支持材２１０内となるので、エネルギー損失に伴う発熱によりターゲット２００及び支持材２１０が融解等するのを防止する。なお、支持材２１０と冷媒とを直接に接触させずに、間接的に冷却すれば良いので、冷媒としては、水などの液体を使用しても良い。

図４に示すように、筐体４００内の気密性を維持するために、ベース材３００は、ターゲット２００、支持材２１０及びベース材３００のみを別部材とし、金属製フランジ４２０に差し込んで電子ビーム溶接により取り付ける。

このように、支持材２１０に拡散した水素５１０を真空中に放出することにより、ターゲット２００の水素脆化を防止することができる。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。本発明は、科学・医療・産業分野の中性子関係施設及び装置で利用可能である。

１００：中性子発生装置
２００：ターゲット
２１０：支持材
２２０：空スペース
２３０：接合材
３００：ベース材
３１０：溶接部
４００：筐体
４１０：ビーム導入管
４２０：金属製フランジ
４３０：シール材
４４０：冷却管
５００：陽子ビーム
５１０：水素

Claims

陽子ビームを照射して中性子を発生させるためのターゲットと、
前記ターゲットに照射された陽子が停止したときに生じる水素を拡散させるための支持材と、
前記支持材を筐体内に設置するためのベース材と、を備え、
前記支持材は、前記ターゲットが接合された面に拡散した水素を真空中へ放出するための空スペースを有し、
前記ベース材は、チタンであり、前記支持材と間にアルミニウムを介して拡散接合される、
ことを特徴とする中性子発生装置。
前記ターゲットは、厚さを前記陽子ビームの飛程の２分の１にしたリチウムである、
ことを特徴とする請求項１に記載の中性子発生装置。
前記支持材は、中性子照射によって生成される放射性核種の半減期が１日よりも短いバナジウム又はパラジウムである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子発生装置。
前記ベース材は、前記筐体に差し込んで電子ビーム溶接により設置される、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の中性子発生装置。