JPWO2013133342A1 - 中性子発生源および中性子発生装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、新規な中性子源を提供する。本発明の中性子発生源（１）は、中性子発生材料層（３）および金属層（２）を備えており、金属層（２）は、高い水素拡散性を示し、中性子線を受けて短い半減期の放射性核種を生じる金属元素を含んでいる。
Description
本発明は、中性子発生源およびこれを用いた中性子発生装置に関する。
近年、大規模な施設において利用されるようなエネルギー効率の高い中性子線の発生方法ではなく、低エネルギーのビームを利用した中性子線の発生方法の開発が始められている。このような方法では、例えば陽子ビームをターゲット（例えばＢｅまたはＬｉなど）に照射して核反応を起こさせることによって、中性子線を生じさせる。この方法は、非常に低エネルギーの陽子ビームを利用して中性子線を発生させ得る。
上記方法にしたがえば、例えば大規模な施設では許容され得る巨大な放射線遮蔽構造は不要である。よって、上記方法を利用する中性子源は、小規模な施設における利用のために非常に適していると考えられる。特に１３ＭｅＶ以下のエネルギーを有している陽子ビームを利用すれば、生じる放射化物の量が非常に少ないため、取扱いが容易になり得る。
しかし、低エネルギーの陽子ビームは、ターゲットに対する侵入深さが非常に浅い。これにともなって、材料に照射された陽子が水素になって留まり、ターゲット内の局所に蓄積し易い。このため、主に水素脆化のメカニズムによってターゲットが極めて短時間に破壊されることが知られている。こうした現象は、ブリスタリング（Blistering）と呼ばれており、上述の方法を利用した低エネルギー中性子発生装置において実用上の致命的な問題である。
上記問題を鑑みて種々の研究がなされている。Ｌｉを用いたＬｉ（ｐ，ｎ）反応によって中性子を発生させる中性子源が報告されている（非特許文献１〜４）。
非特許文献１〜３では、Ｌｉターゲットのブリスタリングについて検証されている。詳細には、２．５ＭｅＶまたは１．９ＭｅＶの陽子ビームを用いてＬｉターゲットを照射した場合、１０ｍＡのビーム電流によって約３．５時間後にブリスタリングが発生すると報告されている。これらの文献では、ＢＮＣＴ療法（Boron Neutron Capture Therapy）における１回の照射時間が上述の時間より短いので、ブリスタリングは実用上の問題にならないと結論付けている。
非特許文献４にはターゲットの水素脆化を防ぐ構造について報告されている。当該報告によれば、水素透過性の高いＰｄの薄膜がＬｉの下部に形成されている上記構造によって、Ｌｉを透過した陽子（水素原子）を吸収拡散させている。
非特許文献５には、Ｌｉ以外のターゲットを用いて水素脆化を防止するためのシミュレーションの結果が示されている。当該シミュレーションでは、薄いＢｅおよびＮｂを接合して中性子源を形成すると、照射された陽子ビームのほとんどがＢｅを貫通してＮｂ内にとどまるため、水素脆化を防止し得るとの結果が得られている。よって、この構造は、長時間にわたって安定な中性子源の水素脆化を防止できる可能性がある。
また、非特許文献６には、陽子ビームを照射したときに種々の金属においてブリスタリングが発生する条件についての試験の結果が報告されている。当該試験は、２００ｋｅＶの陽子ビームを照射した後の金属を光学的手法および電子顕微鏡などによって観察することによって実施されている。上記結果として、ＶおよびＴａは、試験された条件範囲ではブリスタリングの発生は見られないと報告されている。
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V. Aleynik et. al.， BINPacceleratorbasedepithermalneutronsource, Applied Radiation and Isotopes vol.69, pp.1635-1638, 2011
C. Willis et. al., High-power lithium target for accelerator-based BNCT, Proceedings of the XXIV Linear Accelerator Conference, pp.223-225, 2008
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例えば、非特許文献１〜３の技術では、ターゲットは、長時間の（例えば３．５時間を超える）連続運転においてブリスタリングを生じる。よって、短時間の運転によって目的を果し得る用途のみにしか適用できない。非特許文献４の技術では、Ｐｄ膜が十分に厚くないため、陽子ビームによる水素脆化を完全に防げない可能性がある。非特許文献５の技術では、実用的な小型の中性子源に至る可能性はあるが、あくまで可能性の範囲である。非特許文献６に記載の技術では、ダイバータなどのプラズマ対向機器（ＦＰＣ）としての材料の性質を検討しているに過ぎない。具体的には、中性子発生の閾値のエネルギー（２ＭｅＶ）に満たない条件でのみ材料が試験されており、中性子源におけるターゲットにとっては、なんらの参考にもならない。
以上のように、小型の中性子源およびこれを備えている中性子発生装置を実用化するには、種々の改良が必要であると考えられる。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、新規な小型の中性子源を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の中性子発生源は、陽子ビームの照射を受けて中性子線を発生させる中性子発生材料層と、当該中性子発生材料層に接合されている金属層とを備えており、上記金属層は、６０℃において１０−１１以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子線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１２時間以下の半減期を示す金属元素を主成分として含んでいる。
上記課題を解決するために、本発明に係る中性子発生装置は、上記中性子発生源を備えている。
以上のように、本発明によれば、実用化に求められる条件を満たしている小型の中性子発生源を提供することができる。
〔中性子源１〕
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る中性子源について以下に説明する。図１は、本発明の中性子源の構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、中性子源１は、ターゲット層（中性子発生材料層）３、支持層（金属層）２、および保護部４を備えている。
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る中性子源について以下に説明する。図１は、本発明の中性子源の構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、中性子源１は、ターゲット層（中性子発生材料層）３、支持層（金属層）２、および保護部４を備えている。
ターゲット層３は、図１における矢印の方向に沿った陽子ビームの注入を受けて、中性子線を発生させる。支持層２は、ターゲット層３と接合されていることによって、ターゲット層３の、放熱性を高め、水素脆化を防止し、機械的強度を補う部材である。すなわち、中性子源１は、例えば、小規模な施設において取扱い可能な小型の中性子発生装置に適用される中性子源である。保護部４は、このような中性子源において一般的な保護部材である。小型の中性子源１における各部材のさらなる詳細について以下に示す。
（支持層２）
支持層２は、少なくとも１つの金属元素を主成分として含んでいる。当該金属元素は、６０℃にいて１０−１１以上の水素拡散係数を示し、中性子線を受けて１２時間以下の半減期を示す放射性核種を生じる。当該放射性核種は、当該金属元素から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である。
支持層２は、少なくとも１つの金属元素を主成分として含んでいる。当該金属元素は、６０℃にいて１０−１１以上の水素拡散係数を示し、中性子線を受けて１２時間以下の半減期を示す放射性核種を生じる。当該放射性核種は、当該金属元素から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である。
すなわち、支持層２は、陽子ビームの注入によって生じる、ターゲット層３および支持層２における水素を速やかに層内部において拡散させることによって、水素の最大濃度を減衰させるか、または外部に放出し、中性子線を受けても短時間に放射能を失う。したがって、支持層２は、支持層２およびターゲット層３に水素が蓄積することによって生じる水素脆化を防止し、中性子源１の、長期間にわたる利用および長時間の連続運転を可能にする。さらに、支持層２は、中性子線を受けて上記金属元素が放射性核種に転換されたとしても、短時間に放射能を失うため人間による取扱いが非常に容易である。ここで取扱いとは、人間による中性子源１のメンテナンスなどである。例えば、１日間から長くとも数日間にわたって陽子ビームの照射を停止すれば、人間が中性子源１に触れることが可能な程度にまで放射能が低下している。よって、定期的なメンテナンスを安全に実施することができる。
以上のことから、本発明に係る中性子源１は、耐久性に優れ、適用範囲が広く（運転時間に制限を受けない）、人体にとって安全性が高い。中性子源１は、特に水素脆化の防止が可能であると同時に、定期的なメンテナンスが容易であるため、耐久性に極めて優れている。
上述のように、ターゲット層３は支持層２によって機械的強度が補われている（例えば、５気圧まで耐久可能な）ため、ターゲット層３の厚さおよび大きさを任意に設定し得る。低エネルギーの陽子ビームは、ターゲット層３に対する侵入深さが小さい。よって、ターゲット層３を十分に薄くすれば、ターゲット層３に照射された後に、中性子が発生するエネルギーの閾値（例えば、Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応の場合に約２ＭｅＶ、Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応の場合に約１．９ＭｅＶ）未満まで減衰した陽子ビームが支持層２に到達する。このとき、ほぼすべての水素は支持層２において発生する。よって、水素は、支持層２の水素拡散係数の高さにしたがって拡散されて、速やかに中性子源１の外部に放出される。また、このような場合、ターゲット層３を貫通していく陽子ビームのエネルギーは、常に２ＭｅＶ以上であるため、中性子線の発生効率を低下させることはほとんどない。これに加えて、ターゲット層３の大きさを特に小さくする必要がないので、照射範囲を絞った（大電流の）陽子ビームを使用せずに済む。
上述のように、支持層２は上記金属元素を主成分として含んでいる。本明細書において“主成分として含んでいる”は、支持層２を構成する分子の総モル数の過半数を超えるモル数において上記金属元素が含まれていることを意味する。ここで、支持層２は、５０モル％を超える上記金属元素、または６０モル％、７０モル％、８０モル％、９０モル％または９９モル％以上の上記金属元素を含んでいる。支持層２に含まれている上記金属元素の割合が高いほど好ましい。これは、所望されない程度に長い半減期を有している放射性核種が生成される量が少なくなるためである。
上記金属元素は、単独にか、または２種類以上の組合せとして支持層２に含まれている。組合せとして上記金属元素が支持層２に含まれている場合、２種類以上の上記金属元素のモル％の合計が、支持層２において５０％を超えている。また、組合せとして上記金属元素が支持層２に含まれている場合、例えば、上記金属元素は合金として支持層２内に存在し得る。上記金属元素の合金は、３種類以下の金属元素から形成されていることが好ましい。これは、生成される放射性核種の種類を少なくすることによって、中性子源１の制御を容易にする。
本明細書において“総放射線量の最も多い放射性核種”は、上記金属元素が中性子線を受けて生成される放射性核種が１種類である場合に当該放射性核種を意味し、上記金属元素が中性子線を受けて生成される放射性核種が２種類以上である場合に、単位時間の中性子線の照射によって通常の同位体組成を有している元素１ｇあたりに生成される放射性核種のうちで最も放射能の高い放射性核種を意味する。
したがって、本発明に係る上記金属元素は、例えば、中性子線を受けて、１２時間を超える半減期を示す第１の放射性核種を、生成されるすべての放射性核種の生成量の（単に“全体の”と記載する）３０％生成し、１２時間以下の半減期を示す第２の放射性核種を全体の７０％生成する金属元素をその範囲に包含している。逆に、１２時間を超える半減期を示す第１の放射性核種を全体の４０％生成し、１２時間以下の半減期を示す第２の放射性核種を全体の３５％生成し、１２時間以下の半減期を示す第３の放射性核種を２５％生成する金属元素は、本発明に係る金属元素に該当しない。なお、上述のパーセンテージは、生成された放射性核種が示す線量（Ｂｑ）に基づいて決定される。
上記金属元素は、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉおよびこれらの任意の組合せの合金からなる群から選択されることが好ましい。これらの金属元素は、水素拡散係数が高く、中性子線を受けて半減期の短い放射性核種を主に生成する。特に、上記金属元素から主に生成される放射性核種の半減期は、６５Ｎｉにおいて約２．５時間であり、５２Ｖに至っては約３．７分間と極めて短い。よって、これらの金属元素を主成分として含んでいる支持層２を用いた場合（特に当該金属元素がＶの場合）、例えば、陽子ビームの照射を中止してから２４時間後に元の１０−１００以下まで放射性が低下する。したがって、中性子源１の取扱いが極めて容易になる。
また、上記ターゲット層３と支持層２とは拡散接合またはろう付けによって接合されていることが好ましい。この接合によって、支持層２の機械的強度に基づいて中性子源１に加わる圧力による中性子源１の変形を確実に防止し得る。
（ターゲット層３）
ターゲット層３は、陽子ビームとの低エネルギー核反応によって中性子線を発生させる金属元素または金属化合物を含んでいる。したがって、ターゲット層３は、非常に低エネルギー（例えば１３ＭｅＶ以下）の陽子ビームを利用して、中性子線を発生させ得る。１３．８ＭｅＶを超える陽子ビームをターゲット層３に照射すると、トリチウムの生成反応が生じる。生成される放射性核種の種類および量を減らすという観点から、上述のような低エネルギーの陽子ビームをターゲット層３に照射することが好ましい。
ターゲット層３は、陽子ビームとの低エネルギー核反応によって中性子線を発生させる金属元素または金属化合物を含んでいる。したがって、ターゲット層３は、非常に低エネルギー（例えば１３ＭｅＶ以下）の陽子ビームを利用して、中性子線を発生させ得る。１３．８ＭｅＶを超える陽子ビームをターゲット層３に照射すると、トリチウムの生成反応が生じる。生成される放射性核種の種類および量を減らすという観点から、上述のような低エネルギーの陽子ビームをターゲット層３に照射することが好ましい。
当該金属元素または金属化合物は、Ｂｅ、Ｂｅ化合物、ＬｉおよびＬｉ化合物からなる群から、好ましく選択される。Ｂｅ化合物の一例としては、ＢｅＯ（酸化ベリリウム）が挙げられる。Ｌｉ化合物の一例としては、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、Ｌｉ２ＣＯ３（炭酸リチウム）、Ｌｉ２Ｏ（酸化リチウム）等が挙げられる。このような材料を用いることによって、非常に低いエネルギーの陽子ビームを用いて、トリチウムなどを生成させることなく中性子を発生させ得る。したがって、生成される放射性核種の種類および量を十分に減らすことが可能であり、中性子源１の取扱いがさらに容易になる。
ターゲット層３の厚さは、５０μｍ〜１．２ｍｍであることが好ましい。ターゲット層３がこのような範囲の厚さを有していれば、ターゲット層３を貫通して支持層２に到達する陽子ビームのエネルギーは中性子発生閾値程度まで減衰する。上述のような下限値を採用すれば、ターゲット層３および支持層２をろう付けによって接合する場合に必要なろう剤におけるエネルギーの減衰分を考慮にいれて、支持層２に達する陽子ビームのエネルギーは中性子発生閾値程度まで減衰する。また、上述のような上限値を採用すれば、１３ＭｅＶのエネルギーを有している陽子ビームをＢｅに照射したとき、１．２ｍｍの深さに達した陽子ビームは中性子発生閾値程度まで減衰する。
したがって、例えば、上述のような厚さのＢｅを用いれば、３．５〜１３ＭｅＶの範囲のエネルギーの陽子ビームを実用的に利用可能である。よって、上述した通り、中性子の発生効率を低下させることなく、大部分の水素を支持層２に発生させ得る。つまり、ターゲット層３の水素脆化を防止しつつ、高効率に中性子を取り出すことができる。
また、ターゲット層３の陽子ビームの照射を受ける面の形状は特に限定されない。しかし、当該形状は、陽子ビームの照射を考慮して一般的に略円形である。図１に示すように、ターゲット層３の周囲には、保護部４が設けられている。保護部４は、このような中性子源１において通常の構成であるため、特にその詳細について説明しない。また、図１に示すとおり、ターゲット層３は、上記面の反対側の面において支持層２と接合されている。さらに、ターゲット層３の断面の形状は、複数の凹凸が連なる三角波状であり得る。この形状によって、陽子ビーム等の熱を効率的に分散させることが可能となるため、本発明に係る中性子源１はさらなる大電流の陽子ビームに対しても適応可能になる。
以上のことから、本発明に係る中性子源１は、中性子の収率を下げることなく、水素脆化による破壊を防止し、十分な機械的強度を示し、短期間において放射能を失う。したがって、本発明に係る中性子源１は、長時間にわたる連続運転、優れた耐久性、およびメンテナンスの容易さなど、実用化に必要とされるあらゆる条件を満たしている。
〔中性子発生装置〕
次に図２を参照して、本発明の一実施形態に係る中性子発生装置を以下に説明する。図２の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る中性子発生装置の構成例の概略を示している。図２の（ｂ）は、一実施形態に係る中性子発生装置における中性子源および冷却媒体の一部の断面を示している。
次に図２を参照して、本発明の一実施形態に係る中性子発生装置を以下に説明する。図２の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る中性子発生装置の構成例の概略を示している。図２の（ｂ）は、一実施形態に係る中性子発生装置における中性子源および冷却媒体の一部の断面を示している。
図２の（ａ）に示すように、中性子発生装置１０は、中性子源１、冷却媒体供給部５、流路６、筐体８、陽子ビーム生成部１１および減圧装置１２を備えている。中性子源１は、ターゲット層３が中性子発生装置１０の筐体８内部の上面と対向するように設置されている。筐体８の上面には陽子ビーム入射口７が形成されている。陽子ビーム入射口７は、陽子ビーム生成部１１と接続されており、中性子源１のターゲット層３に陽子ビームを照射可能にしている。筐体８内部には減圧装置１２が接続されており、筐体８の上面と中性子源１との間の空間は真空に保たれている。また、冷却媒体供給部５と接続されている流路６が、中性子源１の支持層２と接して設けられている。
すなわち、本発明に係る中性子発生装置１０は、中性子源１および流路６を除いて、一般的な中性子発生装置と同様の構成を有している。したがって、中性子源１および流路６についてのみその詳細を説明する。中性子源１の構成については、上述の項目に記載の通りであるため、重複して説明しない。
図２の（ａ）に示すように、冷却媒体供給部５からの冷却媒体は、図面における矢印の方向に流路６内を流れる。流路６の支持層２と接する箇所において冷却媒体は中性子源１に発生した熱を吸収し、中性子源１を冷却する。このときの状態についてさらに説明する。
図２の（ｂ）に示すように、ターゲット層３に照射された陽子ビームは、ターゲット層３を貫通して、支持層２に達する。このとき、陽子に基づく水素は支持層２によって吸収および拡散される。支持層２のターゲット非形成面は、流路６内の冷却媒体と直接的に接している。よって、水素拡散係数の大きい支持層２から水素が冷却媒体に放出される。すなわち、冷却媒体は、中性子源１の冷却および水素の除去の２つの働きを有している。このため、本発明に係る冷却媒体供給部５および流路６は、中性子源１の冷却によって、中性子源１の融解、変形および破壊などを防止すると同時に、中性子源１の水素脆化のおそれをさらに低下させている。なお、冷却媒体は、中性子源１を冷却し得る流体であれば特に限定されないが、冷却媒体の例としては、水、油および液体金属などが挙げられる。
ここでは、冷却媒体と支持層２とが直接的に接している構成を例に挙げて説明した。しかし、流路６が独立した管として形成されており、冷却媒体と支持層２とが直接的に接することのない構成であり得る。
中性子源１は、例えば、エラストマーを用いたＯリングまたは金属ガスケット等のシール部材１３を介して、筐体８に取りつけられ得る（図２の（ｂ））。これは、筐体８と中性子源１との界面からの冷却媒体の侵入を防止し、かつビーム入射側の真空度を維持するためである。このような構造を採用することによって中性子源１の交換を容易に行い得る。
以上のことから、上記中性子源１を備えている中性子発生装置１０は、耐久性に優れ、適用範囲が広く（運転時間に制限を受けない）、人体にとって安全性が高い。よって、例えば、小規模な施設に設置される医療機器などへの応用に適している。
〔まとめ〕
上記課題を解決するために、本発明の中性子発生源（中性子源１）は、陽子ビームの照射を受けて中性子線を発生させる中性子発生材料層（ターゲット層３）と、当該中性子発生材料層に接合されている金属層（支持層２）とを備えており、上記金属層は、６０℃において１０−１１以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子線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１２時間以下の半減期を示す金属元素を主成分として含んでいる。
上記課題を解決するために、本発明の中性子発生源（中性子源１）は、陽子ビームの照射を受けて中性子線を発生させる中性子発生材料層（ターゲット層３）と、当該中性子発生材料層に接合されている金属層（支持層２）とを備えており、上記金属層は、６０℃において１０−１１以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子線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１２時間以下の半減期を示す金属元素を主成分として含んでいる。
また、本発明の中性子発生源において、上記金属元素は、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉおよびこれらの任意の組合せの合金からなる群から選択されることが好ましい。
また、本発明の中性子発生源において、上記中性子発生材料の厚さは５０μｍ〜１．２ｍｍであることが好ましい。
また、本発明の中性子発生源において、上記ターゲットは、Ｂｅ、Ｂｅ化合物、ＬｉおよびＬｉ化合物からなる群から選択されることが好ましい。
また、本発明の中性子源において、上記ターゲットおよび上記支持層は、拡散接合またはろう付けによって接合されていることが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明に係る中性子発生装置１０は、上記中性子発生源を備えている。
本発明に係る中性子源について、具体的な例を挙げてさらなる詳細を説明する。本実施例では、図３〜７を参照して、特定の材料を使用した中性子源の種々の性質についてシミュレーションを行った結果を示す。
（条件）
ターゲットの材料：Ｂｅ、支持層の材料：Ｖ、接合方法：拡散接合（直接接合）、照射する陽子ビームの強度：７ＭｅＶ（１０ｋＷ)。
ターゲットの材料：Ｂｅ、支持層の材料：Ｖ、接合方法：拡散接合（直接接合）、照射する陽子ビームの強度：７ＭｅＶ（１０ｋＷ)。
上記の条件において、以下の項目について検討した。
１．中性子発生効率の最大化、２．中性子源に対する陽子ビームの侵入深さ、および水素の拡散、３．機械的強度、４．放熱性、５．生成される放射性核種、半減期、および水素拡散係数。
１．中性子発生効率の最大化、２．中性子源に対する陽子ビームの侵入深さ、および水素の拡散、３．機械的強度、４．放熱性、５．生成される放射性核種、半減期、および水素拡散係数。
（１．中性子発生効率の最大化）
Ｂｅターゲットに対して７ＭｅＶの陽子ビームを照射したときの侵入深さとエネルギーとの関係について調べた結果を図３に示す。図３に示すように、Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応における中性子発生の閾値である２ＭｅＶまで陽子ビームのエネルギーが減衰するのは、約３６８μｍの深さに達したときであると推定できる。よって、Ｂｅターゲットの厚さを３６８μｍ以下に設定すれば、Ｂｅターゲットを通過している陽子ビームは任意の深さにおいて中性子の発生に寄与すると考えられる。
Ｂｅターゲットに対して７ＭｅＶの陽子ビームを照射したときの侵入深さとエネルギーとの関係について調べた結果を図３に示す。図３に示すように、Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応における中性子発生の閾値である２ＭｅＶまで陽子ビームのエネルギーが減衰するのは、約３６８μｍの深さに達したときであると推定できる。よって、Ｂｅターゲットの厚さを３６８μｍ以下に設定すれば、Ｂｅターゲットを通過している陽子ビームは任意の深さにおいて中性子の発生に寄与すると考えられる。
（２．中性子源に対する陽子ビームの侵入深さおよび水素の拡散）
１．の結果に基づいて、Ｂｅターゲットの厚さ＝３６５μｍ、Ｖの厚さ＝充分厚いという条件を設定し、シミュレーションコード（ＳＲＩＭ、http://www.srim.org/by James F. Zieglerのウェブページを参照）によって、中性子源における陽子ビーム（水素）に関する種々のシミュレーションを行った。それらの結果を図４に示す。
１．の結果に基づいて、Ｂｅターゲットの厚さ＝３６５μｍ、Ｖの厚さ＝充分厚いという条件を設定し、シミュレーションコード（ＳＲＩＭ、http://www.srim.org/by James F. Zieglerのウェブページを参照）によって、中性子源における陽子ビーム（水素）に関する種々のシミュレーションを行った。それらの結果を図４に示す。
図４の（ａ）は、Ｂｅの厚さを３６５μｍ、Ｖの厚さを十分に厚いと設定したときの、陽子ビームが到達する深度についてシミュレーションした結果を示している。図４の（ｂ）は、Ｂｅのビーム入射面からの距離に対する熱エネルギーのグラフを示している。図４の（ｃ）は、Ｂｅのビーム入射面からの距離に対する水素イオンの発生量のグラフを示している。図４の（ｄ）は、Ｂｅのビーム入射面からの距離に対する反跳原子の分布を示している。
図４の（ａ）および（ｄ）に示すように、Ｂｅターゲット内では反跳原子がほとんど生じておらず、支持層内でもその発生量は少なく、本実施例の中性子源は陽子ビームによって損傷を受けにくいことが分かった。また、図４の（ｃ）に示すように、大部分の水素原子は支持層（Ｖ）に堆積することが確認できた。図４の（ｂ）に示すように、熱エネルギーのほとんどが、支持層（Ｖ）に生じることが明らかとなった。
図４の結果に基づいて、長時間にわたって陽子ビームを照射したときの支持層（Ｖ）に生じる水素の濃度を、拡散方程式に基づく有限要素法（ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．０、ＣＯＭＳＯＬ社（スウェーデン））によって計算した。その結果を図５に示す。図５の（ａ）は、水素が発生するＶにおける深さを模式的に示している。図５の（ｂ）は、Ｖにおける水素濃度の分布のシミュレーション結果を示している。
図５の（ｂ）に示すように、陽子ビームが連続的に照射されている定常状態にあっても、水素原子の濃度は、最大で１．３ｍｏｌ／ｍ３であり、Ｖの水素脆化が起こるとされる限界値（原子数密度比で約３０％）：３．５×１０４ｍｏｌ／ｍ３を大きく下回っている。支持層の材料としてＶを採用すれば、水素脆化は発生しないと考えられる。
（３．中性子源の機械的強度）
中性子源が実際に使用されるとき、陽子ビームが入射するターゲット側は真空であり、支持層側は冷却媒体と接している。このため、中性子源は、大気および冷却水から加わる圧力によって変形しない機械的強度を有している必要がある。したがって、ターゲットの直径を１００ｍｍに設定し、一定の圧力が加えられた場合の応力を有限要素法によって評価した。その結果を図６に示す。
中性子源が実際に使用されるとき、陽子ビームが入射するターゲット側は真空であり、支持層側は冷却媒体と接している。このため、中性子源は、大気および冷却水から加わる圧力によって変形しない機械的強度を有している必要がある。したがって、ターゲットの直径を１００ｍｍに設定し、一定の圧力が加えられた場合の応力を有限要素法によって評価した。その結果を図６に示す。
図６の（ａ）は、中性子源にとって必要な機械的強度を得るためのＶの厚さを評価する構成を模式的に示している。図６の（ｂ）は、ターゲットの直径を１００ｍｍに設定した中性子源に定圧が加えられた場合の応力を、構造力学に基づく有限要素法（ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．０、ＣＯＭＳＯＬ社（スウェーデン））によって算出した例を示している。図６の（ｃ）は、図６の（ｂ）の算出結果に基づいた、所望の機械的強度に必要なＶの厚さのグラフを示している。
図６の（ｂ）および（ｃ）に示すように、安全率を５．５に設定し、Ｖの降伏応力を８０ＭＰａとすると、冷却水の圧力が１．２気圧のとき、３．４ｍｍ以上の厚さの支持層は外部から加わる圧力に十分に耐え得ることが明らかとなった。
（４．放熱性）
放熱性を評価するために、陽子ビームによって発生する熱量の深さ方向の分布をＳＲＩＭコードによって計算した。これを近似的に境界条件として、数値流体力学／熱伝導連成計算モデルに基づく有限要素法（ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．０、ＣＯＭＳＯＬ社（スウェーデン））に適用することによって、放熱解析を行った。その結果を図７に示す。
放熱性を評価するために、陽子ビームによって発生する熱量の深さ方向の分布をＳＲＩＭコードによって計算した。これを近似的に境界条件として、数値流体力学／熱伝導連成計算モデルに基づく有限要素法（ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．０、ＣＯＭＳＯＬ社（スウェーデン））に適用することによって、放熱解析を行った。その結果を図７に示す。
図７の（ａ）は、中性子発生装置の放熱性を評価する条件を模式的に示している。図７の（ｂ）は、冷却水の流速が０．１ｍ／秒または０．５ｍ／秒であるときの、２次元の解析による温度分布を示している。図７の（ｃ）は、１０ｋＷおよび２０ｋＷの陽子ビームを照射したときの、冷却水の流速と、Ｖ−水界面における最高温度（左）およびＢｅにおける最高温度（右）との関係のグラフを示している。
図７の（ｂ）示すように、７ＭｅＶ、１０ｋＷの陽子ビームを照射した場合、冷却水の温度を１００℃未満に維持するためには、約０．５ｍ／秒の流速が必要であることがわかった。図７の（ｃ）に示すように、０．５ｍ／秒の流速のときのＢｅ表面の温度は、約２００℃であり、Ｂｅの融点（１２８７℃）を大きく下回っていた。つまり、約０．５ｍ／秒の流速の水を用いて冷却することによって、中性子源の熱的な破壊が起こらないことがわかった。
（５．元素ごとに生成される放射性核種、半減期、および各材料の水素拡散係数）
元素、生成される放射性核種および半減期の部分的な一覧を以下に示す。
元素、生成される放射性核種および半減期の部分的な一覧を以下に示す。
表１に示すように、水素拡散係数が相対的に高い金属元素のうち、生成される放射性核種の半減期が相対的に短いのは、Ｖ、ＴｉおよびＮｉである。特にＶおよびＴｉは、それぞれ３．７分間および５．７６分間と非常に短く、生成から２４時間後に約１０‐１００以下に減衰する。よって、人間が触れたときに悪影響をほとんど及ぼさない。したがって、以上の実施例では、支持層の材料としてＶのみを例示していたが、ＴｉおよびＮｉのみを材料とする支持層、ならびにＶ、ＴｉおよびＮｉの任意の組合せの合金を材料とする支持層は、本発明の中性子源にとって好適であると考えられる。
また、Ｖは、６０℃において７×１０−９（ｍ２／秒）の水素拡散係数を示すことが知られている。８５％のＶおよび１５％のＮｉの合金は、６０℃において２×１０−１１（ｍ２／秒）の水素拡散係数を示すことが知られている。よって、このような高い水素拡散係数を示す金属元素または合金は、本発明の支持層を形成する材料として好適である。
以上の結果から、上述の設計にしたがって作製された本発明に係る中性子源は、高効率の中性子発生の維持、水素脆化による破壊の防止、高い機械的強度、および速やかな放射性の消失を実現し得る。つまり、当該中性子源は、高い安全性、優れた耐久性、広い適用範囲、および高い利便性をもたらし得る。
なお、以上において、特定の種類のビーム、特定の強度のビームおよび特定のターゲット材料に関して種々のシミュレーションおよび演算を行っている。しかし、これらのシミュレーションおよび演算は、次のような条件を変更した場合にも適用可能である。変更可能な条件は、例えば、他の量子ビーム（例えば重陽子）を用いること、約２．５ＭｅＶ〜１３ＭｅＶの範囲においてビームのエネルギーを変更すること、および他のターゲットの材料を採用することである。さらに、放射性核種の生成量が増加するが、１３ＭｅＶを超えるエネルギーのビームが採用され得る。
本発明は、上述した実施形態および実施例に限定されず、請求の範囲に示した範囲において種々の変更が可能である。したがって、異なる実施形態および実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせることによって得られる実施形態はまた、本発明の技術的範囲に包含される。
本発明は、低エネルギーの陽子ビームを利用した小型の中性子発生装置に利用可能である。
１ 中性子源（中性子発生源）
２ 支持層（金属層）
３ ターゲット層（中性子発生材料層）
４ 保護部
５ 冷却媒体供給部
６ 流路
７ 陽子ビーム入射口
８ 筐体
１０ 中性子発生装置
１１ 陽子ビーム生成部
１２ 減圧装置
１３ シール部材
２ 支持層（金属層）
３ ターゲット層（中性子発生材料層）
４ 保護部
５ 冷却媒体供給部
６ 流路
７ 陽子ビーム入射口
８ 筐体
１０ 中性子発生装置
１１ 陽子ビーム生成部
１２ 減圧装置
１３ シール部材
Claims (6)
- 陽子ビームの照射を受けて中性子線を発生させる中性子発生材料層と、当該中性子発生材料層に接合されている金属層とを備えており、
上記金属層は、６０℃において１０−１１（ｍ２／秒）以上の水素拡散係数を示し、かつ中性子線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１２時間以下の半減期を示す金属元素を主成分として含んでいる、中性子発生源。 - 上記金属元素は、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉおよびこれらの任意の組合せの合金からなる群から選択される、請求項１に記載の中性子発生源。
- 上記中性子発生材料層の厚さは５０μｍ〜１．２ｍｍである、請求項１または２に記載の中性子発生源。
- 上記中性子発生材料層は、Ｂｅ、Ｂｅ化合物、ＬｉおよびＬｉ化合物からなる群から選択される中性子発生材料を含んでいる、請求項１から３のいずれか１項に記載の中性子発生源。
- 上記中性子発生材料層および上記金属層は、拡散接合またはろう付けによって接合されている請求項１から４のいずれか１項に記載の中性子発生源。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の中性子発生源を備えている、中性子発生装置。
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