JP7164161B2 - ターゲット構造、ターゲット装置、及びターゲット装置を備える装置 - Google Patents
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Description
本発明は、荷電粒子ビームが照射されることにより中性子を発生するターゲットを備えるターゲット構造に関する。また、本発明は、ターゲット構造を備えるターゲット装置に関する。
ターゲット装置は、中性子を発生させる中性子源に設けられる。中性子源は、荷電粒子を発生して加速し、加速した荷電粒子ビームをターゲット装置におけるターゲットに照射し、これにより、ターゲットから中性子を発生させる。
近年、中性子源の小型化が可能となり、小型の中性子源を用いて中性子ビームを対象物に入射させることにより、対象物の非破壊検査を行う技術が開発されている。例えば、中性子ビームを対象物に入射させ、対象物で散乱されて戻って来た中性子に基づいて、対象物の検査を行うことができる（例えば下記の特許文献１を参照）。ここで、対象物の検査とは、一例では、対象物に特定の物質成分又は空洞が存在するかどうかの検査である（以下、同様）。また、中性子ビームを対象物に入射させて、対象物を透過した中性子ビームに基づいて透過画像を生成し、この透過画像に基づいて、対象物の検査を行うこともできる。なお、下記の特許文献２には、本発明の実施形態の一部に関連する内容が記載されている。
ターゲットは、荷電粒子ビームが照射されることにより加熱されるので、ターゲットの温度が上昇し過ぎてしまわないようにターゲットは冷却される。例えば、固体のターゲットが加熱されて溶けてしまわないように、ターゲットは冷却される。この冷却のために、ターゲットが接合されている構造部において、冷却液（例えば水）を流す流路を形成している。
しかし、ターゲットにおいて発生した中性子は、流路内の冷却液を通過する時に冷却液中の水素元素により減速されてしまう。中性子ビームを用いて対象物を検査する場合には、減速されていない高速の中性子ビームを、対象物に入射させることが望ましい場合が多い。例えば、中性子ビームを対象物に入射させ、散乱で戻って来る中性子に基づいて対象物を検査する場合には、中性子ビームが、冷却液中の水素元素により減速されると、対象物において深い位置から散乱で戻ってくる中性子の数が減ってしまう。そのため、対象物の深い部分について検査が行えない。あるいは、中性子ビームを対象物に入射させ、対象物を透過した中性子ビームに基づいて透過画像を生成する場合には、対象物が厚いと、対象物を透過する中性子の数が減ってしまう。そのため、厚みの大きい対象物について検査が行えない。
そこで、本発明の目的は、荷電粒子ビームが照射されることにより中性子を発生するターゲットを冷却液で冷却する場合に、外部へ放出する中性子ビームが、冷却液中の水素元素により減速されてしまうことを防止することにある。
本発明によるターゲット構造は、ターゲットと冷却部を備える。ターゲットは、荷電粒子ビームが照射されることにより中性子を発生する。冷却部は、互いに反対側を向く表面と裏面を有する。冷却部の表面にターゲットが直接的に又は間接的に接合されている。冷却部には、水素元素を含む冷却液を流す流路が形成されている。冷却部の表面から裏面へ向かう冷却部の厚み方向に見た場合に、流路は、ターゲットの中央部からずれて位置している。
本発明によるターゲット装置は、上述したターゲット構造と、ターゲット構造を覆って外部から遮蔽する遮蔽構造とを備える。遮蔽構造は、冷却部が取り付けられる支持部を有する。遮蔽構造には、外部からの荷電粒子ビームを冷却部の厚み方向にターゲットへ通す粒子通路と、ターゲットで発生した中性子を冷却部の厚み方向に外部へ通す中性子通路とが形成されている。
本発明によると、冷却部の厚み方向に見た場合に、流路は、ターゲットの中央部からずれて位置している。したがって、荷電粒子ビームの照射によりターゲットから中性子を発生させ、冷却部の厚み方向に中性子ビームを放出させる場合に、中性子ビームは、当該厚み方向に流路の冷却液を通過することなく放出される。よって、放出される中性子ビームは、流路の冷却液に含まれる水素元素により減速されない。このように、冷却液の水素元素が中性子を減速させてしまうことを回避できる。
本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
（ターゲット装置の全体構成）
図１は、本発明の実施形態によるターゲット構造１０が適用可能なターゲット装置１００の一例を示す断面図である。ターゲット装置１００は、外部から導入される荷電粒子ビームＢｃをターゲット構造１０のターゲット１へ照射させることにより、ターゲット１において中性子を発生させ、その中性子ビームＢｎを所定の目的で外部へ放出方向Ｄに放出させる装置である。
図１は、本発明の実施形態によるターゲット構造１０が適用可能なターゲット装置１００の一例を示す断面図である。ターゲット装置１００は、外部から導入される荷電粒子ビームＢｃをターゲット構造１０のターゲット１へ照射させることにより、ターゲット１において中性子を発生させ、その中性子ビームＢｎを所定の目的で外部へ放出方向Ｄに放出させる装置である。
ここで、所定の目的は、本実施形態では、上述したような対象物の非破壊検査である。すなわち、この非破壊検査では、例えば、ターゲット装置１００から放出方向Ｄに放出された中性子ビームＢｎを対象物に入射させ、対象物で散乱されて戻って来た中性子に基づいて、対象物の検査を行う。あるいは、中性子ビームＢｎを対象物に入射させて対象物を透過した中性子ビームＢｎに基づいて透過画像を生成し、この透過画像に基づいて、対象物の検査を行う。なお、上記所定の目的は、対象物の非破壊検査以外に、ターゲット１で発生させた中性子を（後述の冷却液Ｌの水素元素で）減速させずに使用する他の目的であってもよい。
ターゲット装置１００は、ターゲット構造１０と、ターゲット構造１０を覆って外部から遮蔽する遮蔽構造２０とを備える。遮蔽構造２０は、ターゲット構造１０（例えば後述の冷却部３）が取り付けられる支持部２０ａを有する。遮蔽構造２０は、中性子やガンマ線が透過し難い材料で形成されている。遮蔽構造２０には、外部からの荷電粒子ビームＢｃを放出方向Ｄにターゲット１へ通す粒子通路Ｐｃと、ターゲット１で発生した中性子を中性子ビームＢｎとして放出方向Ｄに外部へ通す中性子通路Ｐｎとが形成されている。すなわち、粒子通路Ｐｃと中性子通路Ｐｎは、遮蔽構造２０を貫通している。また、粒子通路Ｐｃと中性子通路Ｐｎは、図１の例では、放出方向Ｄに延びる同一直線上に位置している。
図１では、遮蔽構造２０には、荷電粒子ビームＢｃを通過させて粒子通路Ｐｃに導入する粒子ダクト１０３が接続されている。また、図１では、遮蔽構造２０には、ターゲット１で発生し中性子通路Ｐｎを通った中性子ビームＢｎを外部へ導出させる中性子ダクト１０５が接続されている。
なお、荷電粒子ビームＢｃは、粒子ビーム発生装置（図示せず）により、発生させられてターゲット装置１００へ導入される。例えば、粒子ビーム発生装置において、イオン源により陽子（水素イオン）が発生させられ、発生した陽子を加速器により加速し、加速された陽子ビームの方向や広がりを、磁場コイルにより調整する。方向や広がりが調整された陽子ビームが、荷電粒子ビームＢｃとして粒子ダクト１０３を通して粒子通路Ｐｃへ導入される。
ターゲット１に照射される陽子ビームの各陽子は、例えば７ＭｅＶのエネルギーを有し、ターゲット装置１００の外部へ放出される中性子ビームＢｎの各中性子は、例えば、１ＭｅＶ以上（例えば４ＭｅＶ以上であり５ＭｅＶ以下）のエネルギーを有する。ただし、本発明は、これに限定されない。
遮蔽構造２０は、一例では、互いに重ねられた複数の遮蔽部２０ａ～２０ｃを有していてよい。遮蔽部２０ａは、中性子反射体であり、中性子を反射する材料（例えばグラファイト）で形成されている。遮蔽部２０ｂは、中性子遮蔽体であり、中性子を遮蔽する材料（例えばＢＰＥ：ボロン入りポリエチレン）で形成されている。遮蔽部２０ｃは、ガンマ線遮蔽体であり、ガンマ線を遮蔽する材料（例えばＰｂ）で形成されている。
（ターゲット構造の構成）
図２Ａは、図１における部分拡大図であり、ターゲット構造１０、流入チューブ１０７、及び流出チューブ１０９のみを示す断面図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ－２Ｂ矢視図である。図３Ａは、図２Ｂの３Ａ－３Ａ断面図であり、図３Ｂは、図２Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。
また、図４Ａは、図２Ａの右側から見たターゲット構造１０の斜視図であり、図４Ｂは、図４Ａの４Ｂ－４Ｂ断面を示す斜視図である。図５Ａは、図２Ａの左側から見たターゲット構造１０の斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ－５Ｂ断面を示す斜視図である。
図２Ａは、図１における部分拡大図であり、ターゲット構造１０、流入チューブ１０７、及び流出チューブ１０９のみを示す断面図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ－２Ｂ矢視図である。図３Ａは、図２Ｂの３Ａ－３Ａ断面図であり、図３Ｂは、図２Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。
また、図４Ａは、図２Ａの右側から見たターゲット構造１０の斜視図であり、図４Ｂは、図４Ａの４Ｂ－４Ｂ断面を示す斜視図である。図５Ａは、図２Ａの左側から見たターゲット構造１０の斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ－５Ｂ断面を示す斜視図である。
ターゲット構造１０は、荷電粒子ビームＢｃが照射されることにより中性子を発生し、その中性子ビームＢｎを上記所定の目的で放出方向Ｄに放出するためのものである。ターゲット構造１０は、ターゲット１と冷却部３を備える。
ターゲット１は、荷電粒子ビームＢｃが照射されることにより中性子を発生する。ターゲット１は、本実施形態では、室温で固体の状態にある。ターゲット１は、例えばリチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、リチウム化合物、又はベリリウム化合物により形成されてよいが、他の材料で形成されてもよい。リチウム化合物は、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）であってよい。ベリリウム化合物は、例えば、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）であってよい。
ターゲット１は、荷電粒子ビームＢｃが照射されることにより発熱する。ターゲット１は図４Ａのように板状であってよい。この場合、ターゲット１は、ターゲット１の厚み方向に見た場合に、円形であってもよいし、矩形であってもよいし、他の形状であってもよい。図４Ａの例では、ターゲット１は円板形状を有している。なお、ターゲット１は、板状でなくてもよく、他の形状であってもよい。
冷却部３は、ターゲット１から熱を受けてターゲット１を冷却する。冷却部３は、図５Ａのように略平板状に形成されていてよい。冷却部３は、図２Ａのように、互いに反対側を向く表面３ａと裏面３ｂを有する。図２Ａや図４Ａのように、表面３ａは平面であってよい。冷却部３の表面３ａにターゲット１が直接的又は間接的に（図２Ａでは直接的に）接合されている。この場合、板状のターゲット１の裏面（図２Ａにおける右側の面）が冷却部３の表面３ａに直接的又は間接的に接合されていてよい。冷却部３の表面３ａへのターゲット１の接合は、圧着によりなされてよい。この圧着は、拡散接合（例えば、ＨＩＰ：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）により行われてよい。冷却部３の表面３ａへのターゲット１の接合は、他の手段（例えばろう付け又はボルト）でなされてもよい。
また、冷却部３には、冷却液Ｌを流す流路５が形成されている。本実施形態では、冷却液Ｌは、水素元素を含む液体である。実施例では、冷却液Ｌは水である。また、冷却液Ｌは、添加剤（例えば、防食剤、抗菌剤、ｐＨ緩衝剤など）が加えられた水であってもよい。更に、冷却液Ｌは、水素元素を含み所定値以上の沸点を有する有機溶媒であってもよい。当該所定値は、上述のようにターゲット装置１００においてターゲット１から中性子を発生させている時に当該有機溶媒が液体の状態に保たれる値（例えば、８０℃、１００℃、又は、１２０℃）である。
冷却部３は、熱伝導性材料で形成されている。熱伝導性材料は、金属材料であってよい。この金属材料は、次の基準１と基準２の一方または両方を満たすものであってよい。
基準１：ターゲットからの中性子により当該金属材料に生じる各放射性核種が所定時間（例えば１２時間）以下の半減期を示す。
基準２：ターゲットからの中性子により放射性核種が生じた当該金属材料の（単位体積当たり又は単位重量当たりの）放射能の強さが所定値以下である。
基準２：ターゲットからの中性子により放射性核種が生じた当該金属材料の（単位体積当たり又は単位重量当たりの）放射能の強さが所定値以下である。
具体的には、冷却部３を形成する金属材料は、例えば、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は、これらの任意の組合せの合金であってよい。ここで、銅は純銅であってよい。冷却部３が銅で形成されている場合には、高い熱伝導率が得られ、且つ、上記の基準１、２が満たされる。なお、冷却部３は、このような金属材料だけで形成されていてもよいし、または、このような金属材料を主成分として含むものであってもよい。冷却部３は、実施例では鋳造により形成されるが、他の方法（例えば３Ｄプリンタを用いて金属粉末から形成する方法）で形成されてもよい。
冷却部３の表面３ａから裏面３ｂへ向かう冷却部３の厚み方向が上述の放出方向Ｄである。図２Ａの例では、放出方向Ｄは、平面である冷却部３の表面３ａに直交する方向である。放出方向Ｄに見た場合に、流路５（本実施形態では流路５の全体）は、図２Ｂのように、ターゲット１の中央部１ａ（すなわち、図２Ａや図２Ｂにおいて破線で囲んだ領域）からずれて位置している。図２Ｂにおいて、符号Ｗは主流路部５ｂの幅を示す。
より詳しくは、図２Ｂのように、放出方向Ｄに見た場合に、流路５（後述の主流路部５ｂ）は、ターゲット１の中央部１ａを囲むように形成されていてよい。また、放出方向Ｄに見た場合に、図２Ｂのように、流路５（後述の主流路部５ｂ）は、ターゲット１の中央部１ａを回る周方向（以下で単に周方向ともいう）に延びていてよい。また、放出方向Ｄに見た場合に、流路５（流路５全体または後述の主流路部５ｂ）は、中央部１ａ（中央部１ａの中心）を通る基準直線Ｓに関して線対称に形成されていてよい。このような流路５は、冷却部３の表面３ａに沿って延びていてよい。なお、放出方向に見た場合に、荷電粒子ビームＢｃが照射されるターゲット１の領域は、例えば、中央部１ａ全体の領域、又は、中央部１ａ内の一部の領域であってよい。
流路５は、流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含む。流入部５ａには、冷却部３の外部から冷却液Ｌが流入する。主流路部５ｂには、流入部５ａから冷却液Ｌが流入する。主流路部５ｂは、表面３ａに沿って延びていてよい。図２Ｂの例では、主流路部５ｂの形状は、放出方向Ｄに見た場合に、周方向に連続して延びて１周する環状である。流出部５ｃは、主流路部５ｂを流れた冷却液Ｌを冷却部３の外部へ流出させる。
図２Ｂの例では、流入部５ａから主流路部５ｂへ流入した冷却液Ｌは、主流路部５ｂにおける右側部分と左側部分に分岐して流れ、再び合流して流出部５ｃへ流入するようになっている。
また、放出方向Ｄ（すなわち冷却部３の厚み方向）と逆の方向に見た場合に、冷却部３の裏面３ｂは、図３Ｂと図５Ｂのように、ターゲット１の中央部１ａと重なる内側領域Ｒ１と、内側領域Ｒ１を囲み流路５と重なる部分を含む流路重複領域Ｒ２を有する。内側領域Ｒ１は、放出方向Ｄと逆の方向に見た場合にターゲット１の中央部１ａ全体と、形と寸法が一致する領域であってよい。冷却部３の裏面３ｂにおいて、内側領域Ｒ１は、流路重複領域Ｒ２に対して窪んでいる。すなわち、内側領域Ｒ１は、冷却部３の裏面３ｂにおける窪み３ｄになっている。窪み３ｄにより、ターゲット１からの中性子が放出方向Ｄに冷却部３を通過する距離を短くしている。
窪み３ｄの形状は、図２Ａ、図５Ａ及び図５Ｂの例に限定されない。例えば、放出方向Ｄに直交する平面による窪み３ｄの断面の面積は、窪み３ｄの底面から冷却部３の表面３ａと反対側へ移行するにつれて増加していてもよい。
実施例では、放出方向Ｄと逆の方向（以下で単に逆方向ともいう）に見た場合に、図３Ｂと図５Ｂのように、冷却部３の裏面３ｂは、逆の方向に見た場合に流路重複領域Ｒ２を囲む外周領域Ｒ３を更に含む。流路重複領域Ｒ２は、内側領域Ｒ１と外周領域Ｒ３の両方に対して、冷却部３の表面３ａと反対側に（放出方向Ｄに）突出している。これにより、流路５の断面積を増加させている。
（ターゲット構造の取り付け）
冷却部３は、放出方向Ｄに見た場合に、ターゲット１の中央部１ａを囲む外周部３ｃ（図３Ａ）を有する。外周部３ｃの裏面（図３Ａの右側の面）は、上述の外周領域Ｒ３である。外周部３ｃが、図３Ａのように、ターゲット装置１００の支持部２０ａに（例えば放出方向Ｄに）取り付けられる。この取り付けは、ボルト２１又は他の適宜の手段によりなされてよい。ボルト２１を用いる場合には、外周部３ｃには、放出方向Ｄにボルト２１が貫通する穴が形成されていてよい。
冷却部３は、放出方向Ｄに見た場合に、ターゲット１の中央部１ａを囲む外周部３ｃ（図３Ａ）を有する。外周部３ｃの裏面（図３Ａの右側の面）は、上述の外周領域Ｒ３である。外周部３ｃが、図３Ａのように、ターゲット装置１００の支持部２０ａに（例えば放出方向Ｄに）取り付けられる。この取り付けは、ボルト２１又は他の適宜の手段によりなされてよい。ボルト２１を用いる場合には、外周部３ｃには、放出方向Ｄにボルト２１が貫通する穴が形成されていてよい。
（冷却液を供給する構成）
冷却部３の流入部５ａと流出部５ｃは、図２Ａのように、それぞれ冷却部３の外部への開口６，７を有する。ターゲット構造１０は例えば図１のようにターゲット装置１００の支持部２０ａに取り付けられた状態で、流入部５ａの開口６には流入チューブ１０７が接続され、流出部５ｃの開口７には流出チューブ１０９が接続されている。流入チューブ１０７と流出チューブ１０９は、それぞれ開口６，７から遮蔽構造２０を貫通して遮蔽構造２０の外部へ延びている。流入チューブ１０７を通して遮蔽構造２０の外部から冷却液Ｌを流路５へ流入させ、流路５を流れた冷却液Ｌを流出チューブ１０９を通して遮蔽構造２０の外部へ流出させる。流入チューブ１０７と流出チューブ１０９は、例えば、遮蔽構造２０の外部において冷却液供給装置１１１に接続されていてよい。
冷却部３の流入部５ａと流出部５ｃは、図２Ａのように、それぞれ冷却部３の外部への開口６，７を有する。ターゲット構造１０は例えば図１のようにターゲット装置１００の支持部２０ａに取り付けられた状態で、流入部５ａの開口６には流入チューブ１０７が接続され、流出部５ｃの開口７には流出チューブ１０９が接続されている。流入チューブ１０７と流出チューブ１０９は、それぞれ開口６，７から遮蔽構造２０を貫通して遮蔽構造２０の外部へ延びている。流入チューブ１０７を通して遮蔽構造２０の外部から冷却液Ｌを流路５へ流入させ、流路５を流れた冷却液Ｌを流出チューブ１０９を通して遮蔽構造２０の外部へ流出させる。流入チューブ１０７と流出チューブ１０９は、例えば、遮蔽構造２０の外部において冷却液供給装置１１１に接続されていてよい。
この場合、冷却液供給装置１１１により、流入チューブ１０７を通して流入部５ａへ冷却液Ｌを流入させ、流出部５ｃから流出した冷却液Ｌを流出チューブ１０９を通してターゲット装置１００の外部へ流出させる。冷却液供給装置１１１は、例えばチラー（Ｃｈｉｌｌｅｒ）と呼ばれる装置であってよい。チラーは、流入チューブ１０７と流路５と流出チューブ１０９に、この順で冷却液Ｌを流して循環させる機構（ポンプ等）と、流出チューブ１０９から戻って来た冷却液Ｌを冷却する機構（冷凍機等）とを備えていてよい。
（実施形態の効果）
上述した本実施形態によるターゲット構造１０によると、冷却部３の厚み方向（放出方向Ｄ）に見た場合に、流路５は、ターゲット１の中央部１ａからずれて位置している。したがって、荷電粒子ビームＢｃの照射によりターゲット１で発生した中性子は、流路５の冷却液Ｌを通過することなく放出方向Ｄに外部へ放出される。よって、中性子ビームＢｎは、流路５内の冷却液Ｌに含まれる水素元素により減速されることなく放出方向Ｄに外部へ放出される。したがって、高速の中性子ビームＢｎを、従来よりも効果的にターゲット装置１００から放出させて、非破壊検査の対象物に入射させることができる。
上述した本実施形態によるターゲット構造１０によると、冷却部３の厚み方向（放出方向Ｄ）に見た場合に、流路５は、ターゲット１の中央部１ａからずれて位置している。したがって、荷電粒子ビームＢｃの照射によりターゲット１で発生した中性子は、流路５の冷却液Ｌを通過することなく放出方向Ｄに外部へ放出される。よって、中性子ビームＢｎは、流路５内の冷却液Ｌに含まれる水素元素により減速されることなく放出方向Ｄに外部へ放出される。したがって、高速の中性子ビームＢｎを、従来よりも効果的にターゲット装置１００から放出させて、非破壊検査の対象物に入射させることができる。
荷電粒子ビームＢｃはターゲット１の中央部１ａに照射されるので、この中央部１ａが発熱する。放出方向Ｄに見た場合に、このような中央部１ａを囲むように流路５が形成されているので、流路５を流れる冷却液Ｌにより、ターゲット１を効率的に且つ迅速に冷却できる。
また、放出方向Ｄに見た場合に、ターゲット１の中央部１ａを回る周方向に流路５が延びているので、中央部１ａを取り巻く流路５を比較的に簡単な形状で形成できる。また、流路５は、ターゲット１が接合された表面３ａに沿って延びているので、ターゲット１を効果的に冷却できる。
板状のターゲット１の裏面（例えば当該裏面の全体）を冷却部３の表面３ａに接合しているので、ターゲット１の熱を迅速に冷却部３へ伝達させることができる。
冷却部３の裏面３ｂにおいて、ターゲット１で発生した中性子が放出方向Ｄに通過する内側領域Ｒ１が、流路重複領域Ｒ２に対して窪んでいる。これにより、ターゲット１で発生した中性子が放出方向Ｄに通過する冷却部３の距離が短くなる。したがって、当該中性子が冷却部３を通過する時に冷却部３により散乱または回折されてしまう可能性を下げることができる。
また、流路重複領域Ｒ２は、外周領域Ｒ３（および内側領域Ｒ１）から放出方向Ｄに突出している。これにより、冷却部３において、流路重複領域Ｒ２の部分以外の厚みを小さくしつつ、流路５の断面積を大きくすることができる。
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の実施形態によるターゲット構造１０は、上述した複数の事項の全て有していなくてもよく、上述した複数の事項のうち一部のみを有していてもよい。
また、以下の変更例１～６のいずれかを単独で採用してもよいし、変更例１～６の２つ以上を任意に組み合わせて採用してもよい。この場合、以下で述べない点は、上述と同じである。
（変更例１）
上述の図２Ａなどでは、ターゲット１は、直接的に冷却部３の表面３ａに接合されていたが、ターゲット１は、間接的に冷却部３の表面３ａに接合されていてもよい。図６は、図４Ａに対応するが、ターゲット１を間接的に冷却部３の表面３ａに接合した場合の構成例を示す。
上述の図２Ａなどでは、ターゲット１は、直接的に冷却部３の表面３ａに接合されていたが、ターゲット１は、間接的に冷却部３の表面３ａに接合されていてもよい。図６は、図４Ａに対応するが、ターゲット１を間接的に冷却部３の表面３ａに接合した場合の構成例を示す。
図６のように、ターゲット１は、金属層２を介して冷却部３の表面３ａに接合されてもよい。この場合、板状のターゲット１の裏面（図６において下方を向く面）が金属層２の表面（図６において上方を向く面）に接合され、金属層２の裏面が冷却部３の表面３ａに接合されてよい。金属層２は、板状の部材であってよい。冷却部３への金属層２の接合と、金属層２へのターゲット１の接合は、圧着（例えば拡散接合）又はろう付けによりなされてよい。
金属層２は、ターゲット１のブリスタリング（Ｂｌｉｓｔｅｒｉｎｇ）を防止するために設けられる。ブリスタリングは、荷電粒子ビームＢｃとしての陽子ビームがターゲット１に照射された時に、陽子（水素）がターゲット１に蓄積することによりターゲット１が破壊されてしまう現象である。
金属層２は、例えば、特許文献２に記載の金属層であってよい。すなわち、金属層２は、次の条件を満たすものであってよい。
条件：６０℃において１０-１１（ｍ２／秒）以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子ビームＢｎを受けて生じる放射性核種のうち総放射線量の最も多い放射性核種が所定時間（例えば１２時間）以下の半減期を示す金属元素を主成分として含む。
条件：６０℃において１０-１１（ｍ２／秒）以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子ビームＢｎを受けて生じる放射性核種のうち総放射線量の最も多い放射性核種が所定時間（例えば１２時間）以下の半減期を示す金属元素を主成分として含む。
具体的には、この金属元素は、例えば、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、または、これらの任意の組合せの合金であってよい。
金属層２を設けることにより、ターゲット１および金属層２において、上述の陽子ビームで生じる水素を速やかに拡散させて、水素の濃度を減少させ又は水素を外部へ放出させる。これにより、ターゲット１のブリスタリングが防止される。
なお、冷却部３が上述の条件を満たす材料で形成されている場合には、冷却部３により、ターゲット１のブリスタリングを防止できる。したがって、この場合には、金属層２を設けなくてもよい。
一方、冷却部３が上述の条件を満たす材料で形成されていない場合には（例えば冷却部３が銅で形成され、又は銅を主成分として含む材料で形成されている場合には）、ブリスタリングを防止するために、上述のように金属層２を設けてよい。
一方、冷却部３が上述の条件を満たす材料で形成されていない場合には（例えば冷却部３が銅で形成され、又は銅を主成分として含む材料で形成されている場合には）、ブリスタリングを防止するために、上述のように金属層２を設けてよい。
また、上記金属層２は、ターゲット１のブリスタリングを防止する機能に加えて、又は、当該機能に代えて、冷却部３に対するターゲット１の圧着強度を高める機能を有していてもよい、すなわち、冷却部３の表面３ａに直接的にターゲット１を圧着（例えば拡散接合）により接合した場合よりも、冷却部３の表面３ａに金属層２の裏面を圧着により接合し、この金属層２の表面にターゲット１の裏面を圧着により接合した場合のほうが、冷却部３に対するターゲット１の圧着強度が高い。
（変更例２）
流路５は、上述では１組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含んでいたが、複数組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含んでいてもよい。図７は、図２Ｂに対応するが、流路５が３組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含む場合を示す。各組同士は、互いに独立していてよい。各組に対して、上述の流入チューブ１０７と流出チューブ１０９が設けられる。このような組の数は、図７では３つであるが、２つであっても４つ以上であってもよい。
流路５は、上述では１組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含んでいたが、複数組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含んでいてもよい。図７は、図２Ｂに対応するが、流路５が３組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを含む場合を示す。各組同士は、互いに独立していてよい。各組に対して、上述の流入チューブ１０７と流出チューブ１０９が設けられる。このような組の数は、図７では３つであるが、２つであっても４つ以上であってもよい。
複数の組に対して、それぞれ１つずつ上述の冷却液供給装置１１１が設けられてよい。すなわち、複数の冷却液供給装置１１１が設けられてよい。
あるいは、複数の組に対して、１つの共通の冷却液供給装置１１１が設けられてよい。すなわち、複数の組にそれぞれ対応する複数の流入チューブ１０７への冷却液Ｌの供給は、１つの冷却液供給装置１１１により行われてよい。この場合、当該冷却液供給装置１１１から延びる１本の第１チューブが途中で複数本の流入チューブ１０７へ分岐し、冷却部３から延びる複数本の流出チューブ１０９は、途中で、冷却液供給装置１１１に至る１本の第２チューブに合流していてよい。冷却液供給装置１１１は、第２チューブからの冷却液Ｌを冷却して第１チューブを介して複数本の流入チューブ１０７へ供給してよい。
あるいは、複数の組に対して、１つの共通の冷却液供給装置１１１が設けられてよい。すなわち、複数の組にそれぞれ対応する複数の流入チューブ１０７への冷却液Ｌの供給は、１つの冷却液供給装置１１１により行われてよい。この場合、当該冷却液供給装置１１１から延びる１本の第１チューブが途中で複数本の流入チューブ１０７へ分岐し、冷却部３から延びる複数本の流出チューブ１０９は、途中で、冷却液供給装置１１１に至る１本の第２チューブに合流していてよい。冷却液供給装置１１１は、第２チューブからの冷却液Ｌを冷却して第１チューブを介して複数本の流入チューブ１０７へ供給してよい。
複数組の流入部５ａと主流路部５ｂと流出部５ｃを設けることにより、各流路５を短くできるので、冷却部３に流す冷却液Ｌの総流量を増やすことが可能となる。
（変更例３）
図８は、図２Ａに対応する図であるが、変更例３の場合の構成を示す。図８のように、流入部５ａの内面は、開口６を通して冷却部３の外部（流入チューブ１０７）から流入した冷却液Ｌが冷却部３の表面３ａと交差（例えば直交）する方向に衝突する領域８を有する。図８の例では、開口６は冷却部３の表面３ａに形成されており、領域８は表面３ａの側を向いているが、開口６は冷却部３の裏面３ｂに形成されており、衝突領域８は裏面３ｂの側を向いていてもよい。
図８は、図２Ａに対応する図であるが、変更例３の場合の構成を示す。図８のように、流入部５ａの内面は、開口６を通して冷却部３の外部（流入チューブ１０７）から流入した冷却液Ｌが冷却部３の表面３ａと交差（例えば直交）する方向に衝突する領域８を有する。図８の例では、開口６は冷却部３の表面３ａに形成されており、領域８は表面３ａの側を向いているが、開口６は冷却部３の裏面３ｂに形成されており、衝突領域８は裏面３ｂの側を向いていてもよい。
開口６を通して流入部５ａに流入した冷却液Ｌが流入部５ａの内面の領域８に衝突することにより、冷却液Ｌの乱流が生じる。乱流が生じた状態で冷却液Ｌが主流路部５ｂを通過するので、冷却液Ｌの全体が、主流路部５ｂを通過する過程で、ターゲット１側の主流路部５ｂの内面に接して或いは互いに混ざって、ターゲット１の冷却に寄与できる。
（変更例４）
冷却部３の厚み方向Ｄに互いに隣接する複数層の流路５が形成されていてもよい。この場合、複数層の流路５は、例えば１つの流入部５ａと１つの流出部５ｃを共有して、互いに連通していてもよい。または、複数層の流路５は、互いに独立していてもよい。
冷却部３の厚み方向Ｄに互いに隣接する複数層の流路５が形成されていてもよい。この場合、複数層の流路５は、例えば１つの流入部５ａと１つの流出部５ｃを共有して、互いに連通していてもよい。または、複数層の流路５は、互いに独立していてもよい。
（変更例５）
上述では、流路５は、冷却部３の内部に形成されていたが、流路５の一部（例えば主流路部５ｂ）又は全部が、冷却部３の裏面３ｂに溝として形成されていてもよい。この場合、冷却部３の裏面３ｂには、当該溝を閉じるカバー部材が取り付けられてよい。これにより、流路５は、当該溝の内面と当該カバー部材とにより区画されてよい。
上述では、流路５は、冷却部３の内部に形成されていたが、流路５の一部（例えば主流路部５ｂ）又は全部が、冷却部３の裏面３ｂに溝として形成されていてもよい。この場合、冷却部３の裏面３ｂには、当該溝を閉じるカバー部材が取り付けられてよい。これにより、流路５は、当該溝の内面と当該カバー部材とにより区画されてよい。
あるいは、流路５の一部（例えば主流路部５ｂ）又は全部が、冷却部３の表面３ａに溝として形成されていてもよい。この場合、冷却部３の表面３ａには、当該溝を閉じるカバー部材が取り付けられてよい。これにより、流路５は、当該溝の内面と当該カバー部材とにより区画されてよい。また、当該カバー部材は、放出方向Ｄに見た場合に、ターゲット１を囲む形状（例えば環状形状）を有していてよい。または、当該カバー部材は、ターゲット１であってもよい。この場合、当該カバー部材としてのターゲット１は、放出方向Ｄに見た場合に、内側領域Ｒ１と流路重複領域Ｒ２（例えば図３Ａ）の両方に重なる寸法と形状を有していてよい。
（変更例６）
冷却液Ｌが流路５を流れる方向を、時間の間隔をおいて切り替える適宜の機構が設けられてもよい。この場合、当該機構は、ターゲット装置１００の外部において流入チューブ１０７と流出チューブ１０９の途中箇所に設けられてよい。
冷却液Ｌが流路５を流れる方向を、時間の間隔をおいて切り替える適宜の機構が設けられてもよい。この場合、当該機構は、ターゲット装置１００の外部において流入チューブ１０７と流出チューブ１０９の途中箇所に設けられてよい。
（参考例）
上述と違って、冷却液Ｌが水素元素を含まない場合には、流路５とターゲット１の中央部１ａは放出方向Ｄに互いに重複していてよい。このような冷却液Ｌは、例えば、液体ガリウムであってよい。このように冷却液Ｌが水素元素を含まないので、中性子ビームＢｎは、冷却液Ｌを通過しても冷却液Ｌにより減速されずに、放出方向Ｄに外部へ放出される。
上述と違って、冷却液Ｌが水素元素を含まない場合には、流路５とターゲット１の中央部１ａは放出方向Ｄに互いに重複していてよい。このような冷却液Ｌは、例えば、液体ガリウムであってよい。このように冷却液Ｌが水素元素を含まないので、中性子ビームＢｎは、冷却液Ｌを通過しても冷却液Ｌにより減速されずに、放出方向Ｄに外部へ放出される。
１ ターゲット、２ 金属層、１ａ 中央部、３ 冷却部、３ａ 表面、３ｂ 裏面、３ｃ 外周部、３ｄ 窪み、５ 流路、５ａ 流入部、５ｂ 主流路部、５ｃ 流出部、６，７ 開口、８ 流入部の内面の領域、１０ ターゲット構造、２０ 遮蔽構造、２０ａ 遮蔽部（支持部）、２０ｂ 遮蔽部、２０ｃ 遮蔽部、２１ ボルト、１００ ターゲット装置、１０３ 粒子ダクト、１０５ 中性子ダクト、１０７ 流入チューブ、１０９ 流出チューブ、１１１ 冷却液供給装置、Ｐｃ 粒子通路、Ｐｎ 中性子通路、Ｒ１ 内側領域、Ｒ２ 流路重複領域、Ｒ３ 外周領域、Ｄ 放出方向（冷却部の厚み方向）、Ｂｃ 荷電粒子ビーム、Ｂｎ 中性子ビーム、Ｌ 冷却液
Claims (12)
- 荷電粒子ビームが照射されることにより中性子を発生するターゲットと、
互いに反対側を向く表面と裏面を有し、前記表面に前記ターゲットが直接的に又は間接的に接合されており、冷却液を流す流路が形成された冷却部と、を備え、
前記表面から前記裏面へ向かう前記冷却部の厚み方向に外部へ放出される前記中性子のビームが前記冷却液中の水素元素により減速されないようにするためのターゲット構造であって、
前記厚み方向に見た場合に、前記冷却部において、前記ターゲットの中央部と重なる領域に冷却水が流れないように、前記流路は、前記中央部からずれて位置しており、前記ターゲット構造を外部から遮蔽する遮蔽構造の粒子通路を通して粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームが照射される、前記ターゲットの領域が、前記中央部全体の領域、又は、前記中央部内の一部の領域となるように、前記中央部の広さが設定されている、ターゲット構造。 - 前記厚み方向に見た場合に、前記流路は、前記ターゲットの前記中央部を囲むように形成されている、請求項１に記載のターゲット構造。
- 前記厚み方向に見た場合に、前記流路は、前記中央部を通る基準直線に関して線対称に形成されている、請求項１又は２に記載のターゲット構造。
- 前記流路は、前記表面に沿って延びている、請求項１～３のいずれか一項に記載のターゲット構造。
- 前記ターゲットは板状であり、
前記ターゲットの裏面が前記冷却部の前記表面に直接的に又は間接的に接合されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のターゲット構造。 - 前記冷却部は、銅、チタン、バナジウム、ニッケル、鉄、アルミニウム、又は、これらの任意の組合せの合金で形成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のターゲット構造。
- 前記ターゲットは、リチウム、ベリリウム、リチウム化合物、又はベリリウム化合物により形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のターゲット構造。
- 前記流路は、
前記冷却部の外部から冷却液が流入する流入部と
前記流入部から冷却液が流入し前記表面に沿って延びている主流路部と、
前記主流路部を流れた冷却液を外部へ流出させる流出部とを含み、
前記流入部と前記主流路部と前記流出部とを１組として、前記流路は、１組または複数組の前記流入部と前記主流路部と前記流出部を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のターゲット構造。 - 前記流路は、
前記冷却部の外部から冷却液が流入する流入部と、
該流入部から冷却液が流入し前記表面に沿って延びている主流路部と、
主流路部を流れた冷却液を前記冷却部の外部へ流出させる流出部と、を含み、
前記流入部の内面は、前記冷却部の外部から流入した冷却液が前記表面と交差する方向に衝突する領域を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のターゲット構造。 - 荷電粒子ビームが照射されることにより中性子を発生するターゲットと、
互いに反対側を向く表面と裏面を有し、前記表面に前記ターゲットが直接的に又は間接的に接合されており、冷却液を流す流路が形成された冷却部と、を備え、
前記表面から前記裏面へ向かう前記冷却部の厚み方向に見た場合に、前記流路は、前記ターゲットの中央部からずれて位置しており、
前記厚み方向と逆の方向に見た場合に、前記冷却部の前記裏面は、前記ターゲットの前記中央部と重なる内側領域と、該内側領域を囲み前記流路と重なる部分を含む流路重複領域を有し、
前記内側領域は、前記流路重複領域に対して窪んでいる、ターゲット構造。 - 請求項１～１０のいずれか一項に記載のターゲット構造と、
前記ターゲット構造を覆って外部から遮蔽する遮蔽構造と、を備え、
前記遮蔽構造は、前記ターゲット構造が取り付けられる支持部を有し、
前記遮蔽構造には、外部からの荷電粒子ビームを前記冷却部の前記厚み方向に前記ターゲットへ通す粒子通路と、前記ターゲットで発生した中性子を前記厚み方向に外部へ通す中性子通路とが形成されている、ターゲット装置。 - 請求項１１に記載のターゲット装置と、
前記粒子通路に前記荷電粒子ビームを導入する粒子ビーム発生装置と、を備える装置であって、
前記厚み方向に見た場合に、前記粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームが照射される、前記ターゲットの領域が、前記中央部全体の領域、又は、前記中央部内の一部の領域となるように、前記中央部の広さが設定されている、装置。
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