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JP2014115123A - Neutron generator - Google Patents

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JP2014115123A JP2012267702A JP2012267702A JP2014115123A JP 2014115123 A JP2014115123 A JP 2014115123A JP 2012267702 A JP2012267702 A JP 2012267702A JP 2012267702 A JP2012267702 A JP 2012267702A JP 2014115123 A JP2014115123 A JP 2014115123A
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neutron generator
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修平 久利
Izuru Matsushita
出 松下
Toshiji Takahashi
利治 高橋
Hiroshi Horiike
寛 堀池
Isao Murata
勲 村田
Eiji Hoashi
英二 帆足
Sachiko Doi
幸子 土井
Itsuro Kato
逸郎 加藤
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Osaka University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that the generation amount of secondary γ-rays is large due to the irradiation curing and irradiation by neutrons.SOLUTION: A flow path 2 provided inside a chamber 3 is formed of a carbon material or its compound, preferably a CIP material of graphite particles. A rectification part 1 is connected to this flow path 2. An end part of the rectification part 1 is formed with a nozzle 11, and a discharge port is positioned upper side by a prescribed distance from the same face or the bottom face as the flow path 2. The bottom face of the rectification part is arranged with a thin-plate like liner made of a low activation ferrite steel or a general metal material. Liquid lithium is changed into a film flow and discharged from the discharge port. Proton beams are irradiated from a proton beam incident pipe 4. When the proton beams are irradiated, neutrons are generated at a target region and pass through the flow path 2 and a chamber 3 though being irradiated in all directions, and are sufficiently irradiated downward with some directivity. Consequently, the generation amount of the secondary γ rays can be suppressed by forming the flow path 2 using a carbon material or a compound thereof.

Description

本発明は、液体金属に陽子ビームを照射して中性子を発生させる中性子発生装置に関するものである。   The present invention relates to a neutron generator for generating neutrons by irradiating a liquid metal with a proton beam.

現在、ホウ素中性子捕捉療法(Boron neutron capture therapy; BNCT)が癌細胞を選択的に殺傷できる技術として注目されている。BNCTでは、ターゲットとして液体リチウム等の液体金属を用い、このターゲットに陽子を照射することで中性子を発生させる中性子発生装置が用いられる。前記液体リチウムの循環装置は、特許文献1に記載された技術が知られている。   Currently, boron neutron capture therapy (BNCT) is attracting attention as a technology that can selectively kill cancer cells. In BNCT, a liquid metal such as liquid lithium is used as a target, and a neutron generator that generates neutrons by irradiating the target with protons is used. As the liquid lithium circulation device, a technique described in Patent Document 1 is known.

当該特許文献1に記載の液体リチウムの循環装置は、2段階縮流ノズルから液体リチウムの噴流を略水平の流路上に流す構造であり、流路は上部開放コ字型断面矩形流路(樋状)であって気密チャンバー内に収納されている。これらチャンバーや流路はSUS304製であるが、実際にBNCTで用いる場合には低放射化フェライト鋼などのリチウムとの共立性のある金属材料を用いることが予定される。なお、この特許文献1に記載の液体リチウムの循環装置は、実験装置であるため中性子照射装置は設けられていない。   The liquid lithium circulation device described in Patent Document 1 has a structure in which a jet of liquid lithium is flowed from a two-stage contraction nozzle onto a substantially horizontal flow path. And is housed in an airtight chamber. These chambers and flow paths are made of SUS304, but when they are actually used in BNCT, it is planned to use a metal material that is co-supporting with lithium, such as low activation ferritic steel. Since the liquid lithium circulation device described in Patent Document 1 is an experimental device, no neutron irradiation device is provided.

IFMIF液体金属リチウムターゲット流に関する実験研究 堀池、近藤、金村他 J.Plasma Fusion Res. Vol.84, No.9 (2008) 600-605Experimental study on IFMIF liquid metal lithium target flow Horiike, Kondo, Kanamura et al. J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.9 (2008) 600-605

しかしながら、従来の液体リチウム循環装置において流路を流れる液体リチウムに中性子を照射すると、フェライト鋼、ステンレス鋼等金属材料は中性子照射に伴い、中性子線の阻止能の関係から二次γ線が多く発生するという問題点があった。この発明はかかる問題点を解決するためになされたものである。   However, when neutrons are irradiated to liquid lithium flowing through the flow path in a conventional liquid lithium circulation system, metallic materials such as ferritic steel and stainless steel generate many secondary gamma rays due to the neutron irradiation stopping power due to the neutron irradiation stopping power. There was a problem of doing. The present invention has been made to solve such problems.

この発明に係る中性子発生装置は、所定位置に陽子ビームの照射位置が設定されると共に少なくとも当該照射位置を含む一定領域が炭素材料、炭素繊維複合材料、SiC、SiC繊維複合材料若しくはその混合物又はアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料(以下、「炭素系材料等」という)から構成され且つその内部に液体金属が流れる樋状の流路を備えたことを特徴とする。   In the neutron generator according to the present invention, a proton beam irradiation position is set at a predetermined position, and at least a certain region including the irradiation position is a carbon material, a carbon fiber composite material, SiC, a SiC fiber composite material or a mixture thereof, or aluminum It is made of a light element material such as an aluminum alloy, titanium, or titanium alloy (hereinafter referred to as “carbon-based material”) and has a bowl-shaped flow path through which a liquid metal flows.

この発明によれば、陽子ビームの照射位置を含む部分が少なくとも炭素材料又はその化合物により構成されているため、中性子照射に伴う二次γ線の発生量が抑止される。流路全体を炭素系材料等で構成することも含まれる。前記照射位置は、例えば中性子線が透過し散乱する半径約0.2mの領域を含む。なお、ノズルの吐出口は流路の底面と同一面上に配置しても良いし、当該吐出口を底面の少し上側に配置しても良い。更に、中性子発生装置は略水平方向から略垂直方向に設置できるものとする。   According to the present invention, since the portion including the irradiation position of the proton beam is composed of at least a carbon material or a compound thereof, the generation amount of secondary γ rays accompanying neutron irradiation is suppressed. It is also included that the entire channel is made of a carbon-based material or the like. The irradiation position includes, for example, a region having a radius of about 0.2 m through which neutron rays are transmitted and scattered. The discharge port of the nozzle may be disposed on the same plane as the bottom surface of the flow path, or the discharge port may be disposed slightly above the bottom surface. Further, it is assumed that the neutron generator can be installed from a substantially horizontal direction to a substantially vertical direction.

また、上記中性子発生装置において、前記液体金属の吐出口を、前記流路の底面から上側であって、所定速度で液体金属を吐出した場合に前記陽子ビームの照射位置より下流域まで当該液体金属の噴流を飛ばせる位置に設けるのが好ましい。   Further, in the neutron generator, when the liquid metal is discharged from the bottom surface of the flow path at a predetermined speed, the liquid metal discharge port extends from the proton beam irradiation position to a downstream region. It is preferable to provide it at a position where the jet can be blown off.

このようにすれば、陽子ビーム照射位置において液体金属の噴流が空中にあることから、流路の当該照射位置を炭素系材料等で構成しても、液体金属のターゲットの流動状況が流路の表面状態に左右されることはない。   In this way, since the liquid metal jet is in the air at the proton beam irradiation position, even if the irradiation position of the flow path is made of a carbon-based material or the like, the flow state of the liquid metal target is It does not depend on the surface condition.

また、上記中性子発生装置において、前記流路及びノズルが気密チャンバー内に収納されており、当該チャンバーが炭素材料、炭素繊維複合材料、SiC、SiC繊維複合材料若しくはその混合物又はアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料により構成するのが好ましい。   In the neutron generator, the flow path and the nozzle are housed in an airtight chamber, and the chamber is a carbon material, a carbon fiber composite material, SiC, a SiC fiber composite material or a mixture thereof, aluminum, aluminum alloy, titanium. It is preferable to use a light element material such as a titanium alloy.

更に、上記中性子発生装置において、前記流路に、低放射化金属などリチウムと共存性のある金属材料からなり且つ薄板状のライナーを設けるようにするのが好ましい。当該ライナーは、前記流路に対してスライド可能に設置するのが好ましい。   Furthermore, in the neutron generator, it is preferable that the flow path is provided with a thin plate liner made of a metal material compatible with lithium, such as a low activation metal. The liner is preferably installed to be slidable with respect to the flow path.

更に、上記中性子発生装置において、前記流路を構成する炭素材料又はその化合物は、黒鉛粒子を焼結して成形したものとするのが好ましい。   Furthermore, in the neutron generator, the carbon material or the compound constituting the flow path is preferably formed by sintering graphite particles.

この発明の実施の形態にかかる中性子発生装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the neutron generator concerning embodiment of this invention. 図1のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図1に示した中性子発生装置の吐出口の拡大図である。It is an enlarged view of the discharge outlet of the neutron generator shown in FIG. 図3の一部拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. 図1のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG.

図1は、この発明の実施の形態にかかる中性子発生装置を示す構成図である。図2(a)は、図1のA−A断面図であり、(b)はその一部断面図である。図3は、吐出口の拡大図、図4は図3の拡大図である。図5は、図1のB−B断面図である。この中性子発生装置100は、ハニカム板又は複数の多孔質板を有する整流部1と、整流部1に接続され且つ吐出した液体リチウム噴流が流れる流路2と、当該流路2を収納するチャンバー3とを備える。   FIG. 1 is a block diagram showing a neutron generator according to an embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 2B is a partial cross-sectional view thereof. FIG. 3 is an enlarged view of the discharge port, and FIG. 4 is an enlarged view of FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. The neutron generator 100 includes a rectifying unit 1 having a honeycomb plate or a plurality of porous plates, a flow channel 2 connected to the rectifying unit 1 and through which a discharged liquid lithium jet flows, and a chamber 3 that houses the flow channel 2. With.

このチャンバー3の下流端部31は漏斗状に絞られており、その先は配管を通じてタンク(図示省略)に接続されている。チャンバー3の略中央上部には陽子ビームを入射する陽子ビーム入射管4が設けられている。また、チャンバー3には、内部のエアやガスを吸引する真空排気ポート5が設けられている。チャンバー3の下流端部31の近傍は、熱による伸縮を吸収するためベローズ7を装着した伸縮可能な構造となっている。また、チャンバー3内は、前記真空排気ポート5から真空引きされるため、整流部1との取り合い部分等は気密性が高く処理される。また、チャンバー3は、図2及び図5に示すように、断面が半円形形状あるいは矩形断面でリブ補強を施した形状である。   The downstream end 31 of the chamber 3 is squeezed in a funnel shape, and its tip is connected to a tank (not shown) through a pipe. A proton beam incident tube 4 that receives a proton beam is provided at a substantially upper center portion of the chamber 3. Further, the chamber 3 is provided with a vacuum exhaust port 5 for sucking internal air and gas. The vicinity of the downstream end 31 of the chamber 3 has a stretchable structure with a bellows 7 attached to absorb expansion and contraction caused by heat. Further, since the inside of the chamber 3 is evacuated from the evacuation port 5, a portion where the rectifying unit 1 is engaged is processed with high airtightness. Further, as shown in FIGS. 2 and 5, the chamber 3 has a semicircular cross section or a rectangular cross section with rib reinforcement.

チャンバー3は、C/Cコンポジット、グラファイトシート、SiC、SiC繊維複合材、炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料等から成形する。チャンバー3を炭素系材料等により構成することで、二次γ線の発生量を抑え低放射化を実現できる。特にチャンバー3は治療を受ける患者との距離が近いため、二次ガンマ線の発生量を抑える構造材を用いるのが好ましい。また、2枚の鋼板の間に類似素材からなる波板体又はハニカム構造体を配した2重構造材、波状中芯を2枚の鋼板で挟んだ段ボール構造材等、あるいはそれらの組合せから構成しても良い(図示省略)。   The chamber 3 is formed from a light element material such as C / C composite, graphite sheet, SiC, SiC fiber composite material, carbon fiber reinforced plastic, aluminum, aluminum alloy, titanium, titanium alloy, or the like. By configuring the chamber 3 with a carbon-based material or the like, it is possible to suppress the generation amount of secondary γ rays and achieve low radiation. In particular, since the chamber 3 is close to the patient to be treated, it is preferable to use a structural material that suppresses the generation amount of secondary gamma rays. In addition, it is composed of a double structure material in which corrugated sheets or honeycomb structures made of similar materials are disposed between two steel sheets, a corrugated cardboard structure material in which a corrugated core is sandwiched between two steel sheets, or a combination thereof. It may be done (not shown).

前記流路2は、流路断面が矩形の樋状であり、その一端21はチャンバー3の一端32側で整流部1と接続し、他端22はチャンバー3の下流端部31の近傍に位置する。流路2はチャンバー3内で支持部材(図示省略)により底部33に支持される。流路2は、図2〜図4に示すように、水平方向に対して僅かに傾斜しており、循環停止時に液体リチウムが流路2から最終的に流れ落ちるようにしてある。流路2のうち、陽子ビーム入射管4の直下の位置が、陽子ビームの照射位置となる。   The channel 2 has a bowl shape with a rectangular channel cross section, one end 21 connected to the rectifying unit 1 on the one end 32 side of the chamber 3, and the other end 22 positioned near the downstream end 31 of the chamber 3. To do. The flow path 2 is supported by the bottom 33 in the chamber 3 by a support member (not shown). The flow path 2 is slightly inclined with respect to the horizontal direction as shown in FIGS. 2 to 4 so that liquid lithium finally flows down from the flow path 2 when the circulation is stopped. In the flow path 2, the position immediately below the proton beam incident tube 4 is the proton beam irradiation position.

流路2は、炭素材料、炭素繊維複合材料、SiC、SiC繊維複合材料若しくはその混合物又はアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料から構成される。特に、中性子阻止能が小さく吸収断面積が小さい素材により構成するのが好ましい。具体的には、流路2は、数μm〜数10μmの黒鉛粒子を冷間静水圧プレス(CIP:Cold Isostatic Press)により当該樋状に予備成形し、炉内で1400℃にて所定時間加熱し、焼結することで製作する。またはSiC繊維複合材を使用し、流路2の底面23は機械加工により所定の表面粗さに平滑化する。また、側壁部24も機械加工により所定の表面粗さに平滑化するのが好ましい。これら炭素系材料により構成することで、中性子による二次ガンマ線の発生抑止の効果が得られる。流路2を炭素系材料により構成することで、低放射化フェライト鋼で問題となる照射硬化、照射脆化が生じず、流路2の交換等のメンテナンス負荷が軽減される。   The flow path 2 is composed of a carbon material, a carbon fiber composite material, SiC, a SiC fiber composite material, or a mixture thereof, or a light element material such as aluminum, aluminum alloy, titanium, or titanium alloy. In particular, it is preferable to use a material having a small neutron stopping ability and a small absorption cross section. Specifically, the flow path 2 is preliminarily molded into a bowl shape by a cold isostatic press (CIP: Cold Isostatic Press) and heated for a predetermined time at 1400 ° C. in a furnace. It is manufactured by sintering. Alternatively, a SiC fiber composite material is used, and the bottom surface 23 of the flow path 2 is smoothed to a predetermined surface roughness by machining. The side wall 24 is also preferably smoothed to a predetermined surface roughness by machining. By comprising these carbon-based materials, the effect of suppressing the generation of secondary gamma rays by neutrons can be obtained. By configuring the flow path 2 with a carbon-based material, irradiation hardening and irradiation embrittlement, which are problems with the low activation ferritic steel, do not occur, and maintenance load such as replacement of the flow path 2 is reduced.

流路2の表面には、ライナー8を設けてもよい。このライナー8は、低放射化フェライト鋼などリチウムと共存性が高く放射化されにくい金属の薄板からなり、流路2の底面23、側壁部24及び上端面25に被覆されている。ライナー8は、2次ガンマ線の発生を抑止するために薄いものを用いるのが好ましい。具体的には、0.2mm〜1.0mmとするのが良い。ライナー8は、リチウム粒子がカーボン組織の中に入り込むのを防止するので、流路2の割れを防止できる。また、ライナー8の表面粗さは、液体リチウムが滑らかに流れるようにRa0.4〜Ra1.6程度とする。また、ライナー8は、流路2に対して固定するのではなく、流路2の長手方向に当該流路2に対して相対的にスライドする構造とする。   A liner 8 may be provided on the surface of the flow path 2. The liner 8 is made of a thin metal plate that has high coexistence with lithium, such as low activation ferritic steel, and is difficult to be activated, and is covered on the bottom surface 23, the side wall portion 24, and the upper end surface 25 of the flow path 2. It is preferable to use a thin liner 8 in order to suppress the generation of secondary gamma rays. Specifically, it is good to set it as 0.2 mm-1.0 mm. Since the liner 8 prevents the lithium particles from entering the carbon structure, the flow path 2 can be prevented from cracking. Further, the surface roughness of the liner 8 is set to about Ra0.4 to Ra1.6 so that liquid lithium flows smoothly. In addition, the liner 8 is not fixed to the flow path 2 but is configured to slide relative to the flow path 2 in the longitudinal direction of the flow path 2.

また、整流部1の先端は、2段階縮流ノズル11となる。このノズル11は、低放射化フェライト鋼により構成される。ノズル11は前記流路2の端部に乗った形となり、ノズル11と流路2の底面23との間には、流路2との線膨張係数の違いから多少の隙間など熱膨張差吸収構造を設ける。この隙間Sは、垂直方向が0.5mm程度、水平方向は整流部1の長さによるが1mm〜3mm程度である。また、ノズル11の吐出口12は帯状であり、その下側部分は山形の溝13が形成されている。この溝13により吐出口12の下縁部分12aが鋭角になり、液体リチウムの吐出後の自由表面の乱れを抑止する。また、ノズル11の末縁部分12bも流路2の底面23に対して鋭角に突出している。例えば、山形の溝13の斜面角度αは、底面23に対して45°となる。   The tip of the rectifying unit 1 is a two-stage contraction nozzle 11. The nozzle 11 is made of low activation ferritic steel. The nozzle 11 rides on the end of the flow path 2 and absorbs a difference in thermal expansion such as a slight gap between the nozzle 11 and the bottom surface 23 of the flow path 2 due to a difference in linear expansion coefficient with the flow path 2. Provide structure. The gap S is about 0.5 mm in the vertical direction and about 1 mm to 3 mm in the horizontal direction depending on the length of the rectifying unit 1. Further, the discharge port 12 of the nozzle 11 has a band shape, and a mountain-shaped groove 13 is formed in the lower portion thereof. The groove 13 makes the lower edge portion 12a of the discharge port 12 have an acute angle, thereby suppressing the disturbance of the free surface after the discharge of liquid lithium. Further, the end edge portion 12 b of the nozzle 11 also protrudes at an acute angle with respect to the bottom surface 23 of the flow path 2. For example, the slope angle α of the mountain-shaped groove 13 is 45 ° with respect to the bottom surface 23.

ライナー8の端部81は、流路2の底面23から折れ曲がって上方に傾斜し、前記山形の溝13の頂部13bに至る。ライナー8の端部81により、ノズル11と底面23との隙間Sがカバーされるので、吐出した液体リチウムが当該隙間Sに入り込むのが防止される。また、ライナー8の端部を溝13にのみ固定することで、ライナー8の端部が吐出口12から離れることなく、且つライナー8が当該端部を基点として流路2の上を熱膨張によりスライドすることになる。   The end portion 81 of the liner 8 is bent from the bottom surface 23 of the flow path 2 and is inclined upward to reach the top portion 13 b of the mountain-shaped groove 13. Since the end portion 81 of the liner 8 covers the gap S between the nozzle 11 and the bottom surface 23, the discharged liquid lithium is prevented from entering the gap S. Further, by fixing the end portion of the liner 8 only to the groove 13, the end portion of the liner 8 is not separated from the discharge port 12, and the liner 8 is thermally expanded on the channel 2 with the end portion as a base point. Will slide.

吐出口12の下縁部分12aの高さhは、ノズル11から所定流速(10m/s以上の高流速)で液体リチウムを吐出した際に、陽子ビーム照射位置において液体リチウムの噴流が空中にある状態にできる高さとする。例えば、当該高さhは流速20m/sに対し3mmである。また、前記陽子ビーム入射管4の位置は、ノズル11の吐出口12から50mm〜350mmとする。この位置関係において、液体リチウムをノズル11から流速20m/sで吐出すると、液体リチウムの主流部分が底面23から浮いた状態で膜流となって噴射され、陽子ビームの照射位置において液体リチウムの膜流からなるターゲットが形成されることになる。   The height h of the lower edge portion 12a of the discharge port 12 is such that when liquid lithium is discharged from the nozzle 11 at a predetermined flow rate (high flow rate of 10 m / s or more), the jet of liquid lithium is in the air at the proton beam irradiation position. The height that can be achieved. For example, the height h is 3 mm for a flow rate of 20 m / s. The position of the proton beam injection tube 4 is 50 mm to 350 mm from the discharge port 12 of the nozzle 11. In this positional relationship, when liquid lithium is ejected from the nozzle 11 at a flow velocity of 20 m / s, the main stream portion of the liquid lithium is ejected as a film flow in a state where it floats from the bottom surface 23, and the liquid lithium film is ejected at the proton beam irradiation position. A target consisting of a stream is formed.

また、熱サイクルにより金属のライナー8に微小な変形が生じても、液体リチウムが空中を飛んでおり、着地地点ではすでに陽子ビームを照射した後になるため、当該微小変形の影響は受けない。   Further, even if a minute deformation occurs in the metal liner 8 due to the thermal cycle, the liquid lithium is flying in the air, and since it has already been irradiated with the proton beam at the landing point, it is not affected by the minute deformation.

次に、この中性子発生装置100の動作について説明する。ポンプ(図示省略)により整流部1に液体リチウムを導入すると、液体リチウムはハニカム及び多孔質板によりその流れが整えられ、ノズル11の吐出口12から吐出される。ノズル11から吐出する際の液体リチウム噴流の速度は所定値まで高められる。また、ノズル11の吐出口12の下端部分12aは流路2の底面23から例えば3mm上方に位置しているので、液体リチウムの噴流は、膜状となって流路2の底面23から浮いた状態で空中を飛ぶ。この速度で吐出した液体リチウムの噴流は、重力により自由落下しながら前記陽子ビーム入射管4の位置よりも更に下流まで飛び、その先で流路2の底面23に近づきながら、最後は底面23に到達して流路上を流れる。   Next, operation | movement of this neutron generator 100 is demonstrated. When liquid lithium is introduced into the rectifying unit 1 by a pump (not shown), the flow of liquid lithium is adjusted by the honeycomb and the porous plate, and is discharged from the discharge port 12 of the nozzle 11. The speed of the liquid lithium jet when discharging from the nozzle 11 is increased to a predetermined value. Further, since the lower end portion 12a of the discharge port 12 of the nozzle 11 is located, for example, 3 mm above the bottom surface 23 of the flow path 2, the jet of liquid lithium becomes a film and floats from the bottom surface 23 of the flow path 2 Fly through the air in a state. The jet of liquid lithium ejected at this speed flies further downstream than the position of the proton beam incident tube 4 while freely falling by gravity, and approaches the bottom surface 23 of the flow path 2 at the end, and finally reaches the bottom surface 23. It reaches and flows on the flow path.

このとき、前記底面23にはライナー8が配され、このライナー8の表面に液体リチウムの噴流が当たり、その下の炭素系材料からなる面には当たらないので、炭素粒子、素材粒界の間に液体リチウムが含侵して膨張収縮により流路2に割れを生じさせたりするのを防止できる。また、ライナー8は金属であり、流路2が炭素系材料でありこれらは線膨張率が異なる。ライナー8と底面23とは互いに拘束しあう構造とではなく、機器の昇温降温による熱サイクルによっても応力が生じないスライド構造となっているため、ライナー8に変形などが生じることがなく、流路2に割れが生じることがない。また、当該ライナー8は液体リチウムの噴流が底面23に直接噴き付けられるのを防止することにあるから、ライナー8が剥がれても当該ライナー8による炭素系素材部分の割れ防止効果は確保される。更に、ライナー8は流路2に対して固定した構造ではないため、その交換が容易である。   At this time, a liner 8 is disposed on the bottom surface 23, and a jet of liquid lithium hits the surface of the liner 8 and does not hit the surface made of the carbon-based material below the liner 8. It is possible to prevent liquid lithium from being impregnated and causing the flow path 2 to crack due to expansion and contraction. Moreover, the liner 8 is a metal, the flow path 2 is a carbonaceous material, and these have different linear expansion coefficients. The liner 8 and the bottom surface 23 are not in a structure that restrains each other, but are in a slide structure in which no stress is generated even by a thermal cycle due to temperature rise / fall of the device, so that the liner 8 is not deformed, There is no crack in the path 2. Further, since the liner 8 prevents the jet of liquid lithium from being directly sprayed onto the bottom surface 23, the effect of preventing the carbon-based material portion from being cracked by the liner 8 is ensured even if the liner 8 is peeled off. Furthermore, since the liner 8 is not a structure fixed to the flow path 2, it can be easily replaced.

また、流路2に対して液体リチウム噴流を噴出させた場合、噴流が中空にあるので底面23には直接あたらないが、側面壁24には常に液体リチウム噴流が噴き付けられている状態になる。しかし、側面壁24も前記ライナー8により被覆されているので、液体リチウムが炭素系粒子の間に入り込むことが防止され、側面壁24の割れが防止される。特に側面壁24の割れを防止することで、流路2から液体リチウムが漏れて外部へこぼれ落ちることを防止できる。   Further, when the liquid lithium jet is ejected to the flow path 2, the jet is hollow and does not directly contact the bottom surface 23, but the liquid lithium jet is always sprayed on the side wall 24. . However, since the side wall 24 is also covered with the liner 8, liquid lithium is prevented from entering between the carbon-based particles, and the side wall 24 is prevented from cracking. In particular, by preventing the side wall 24 from cracking, it is possible to prevent liquid lithium from leaking from the flow path 2 and spilling to the outside.

更に、ライナー8は上端面25にも配置されているので、当該上端面25においても流路2の割れと外部へのこぼれが防止されることになる。また、液体リチウムの噴流は、運転開始時など吐出時の流速が低いときは吐出口12から液体リチウムが底面23上のライナー8に当たりながら、徐々に遠くまで空中を飛ぶようになる。このように、吐出の際の液体リチウムのこぼれ及び初期段階での噴出で液体リチウムが吐出口12手前でこぼれたとしても、液体リチウムが炭素粒子内に含浸するのを防止できる。   Furthermore, since the liner 8 is also disposed on the upper end surface 25, the crack of the flow path 2 and spilling to the outside are also prevented on the upper end surface 25. In addition, when the flow velocity at the time of discharge is low, such as at the start of operation, the liquid lithium jet gradually flies into the air gradually from the discharge port 12 while hitting the liner 8 on the bottom surface 23. As described above, even if liquid lithium spills out before discharge port 12 due to liquid lithium spillage and ejection in the initial stage, liquid lithium can be prevented from impregnating into the carbon particles.

また、流路2の底面23から浮いた状態で液体リチウム噴流が形成され、これが陽子ビーム照射のターゲットになるところ、このターゲットに陽子ビームを照射することで中性子が発生し、この中性子がターゲットの下に位置するライナー8に照射される。ここで僅かながら二次ガンマ線が発生するが、ライナー8自体を薄板で形成しているため、流路全体を構造材用金属で構成した場合に比べて発生する二次ガンマ線の量は極めて低くなる。これは、中性子の照射を受ける患者に対して好ましいことである。   In addition, a liquid lithium jet is formed in a state of floating from the bottom surface 23 of the flow path 2 and becomes a target for proton beam irradiation. When this target is irradiated with a proton beam, neutrons are generated, and the neutrons are emitted from the target. The liner 8 located below is irradiated. Here, secondary gamma rays are generated slightly, but since the liner 8 itself is formed of a thin plate, the amount of secondary gamma rays generated is extremely low compared to the case where the entire flow path is made of a structural metal. . This is preferable for patients receiving neutron irradiation.

また、炭素材料は放射化し難いため、廃棄物量削減効果もある。そして、低放射化フェライト鋼で課題となっていた照射硬化・照射脆化が起こりにくいため、流路2が初期の機械的特性を維持しやすく、また交換等のメンテナンス頻度も少なくなる。更に、ライナー8に金属材料を用いているが、ライナー8は機械的強度を受け持つ部材ではないため、照射硬化や照射脆化が起きても亀裂が生じる等しない限り交換の必要性はない。また、ライナー8のみであれば、交換後の放射性廃棄物としての体積が小さいので、処分しやすい。   Moreover, since carbon materials are difficult to be activated, there is an effect of reducing the amount of waste. And since the irradiation hardening and the irradiation embrittlement which were the subject with low activation ferritic steel are hard to occur, the flow path 2 is easy to maintain an initial mechanical characteristic, and maintenance frequency, such as replacement | exchange, also decreases. Further, although a metal material is used for the liner 8, the liner 8 is not a member having mechanical strength. Therefore, there is no need for replacement unless a crack occurs even if irradiation hardening or irradiation embrittlement occurs. Moreover, if it is only the liner 8, since the volume as a radioactive waste after replacement | exchange is small, it is easy to dispose.

ターゲットで発生した中性子は、流路2及びチャンバー3を通過してその下方に進む。   Neutrons generated at the target pass through the flow path 2 and the chamber 3 and travel downward.

以上、この発明の中性子発生装置100によれば、中性子の生成と照射に起因した二次γ線の発生量を最小限にできる。また、照射硬化や照射脆化に伴う安全上のリスクを最小限にできる。このため、交換などのメンテナンスの頻度が下がり、ランニングコストが下がる。   As described above, according to the neutron generator 100 of the present invention, the amount of secondary γ rays generated due to generation and irradiation of neutrons can be minimized. Also, safety risks associated with irradiation hardening and irradiation embrittlement can be minimized. For this reason, the frequency of maintenance such as replacement is reduced, and the running cost is reduced.

なお、流路2のうち陽子ビームの照射位置を含む一部分のみを炭素材料で構成しても良い(図示省略)。例えば、低放射化フェライト鋼で製作した流路に黒鉛粒子のCIP材を嵌め込むように設ければよい。CIP材を嵌め込む位置は、流路2の吐出口12側の端部から350mmの範囲としても良い。また、上記ライナー8は省略しても良い。この場合、黒鉛粒子の間に液体リチウムが含浸して表面に微小凹凸等が生じても、陽子ビームの照射位置において液体リチウムの膜流が飛んでいる状態であれば、当該ターゲット表面の状態が影響を受けることはない。   In addition, you may comprise only a part including the irradiation position of a proton beam among the flow paths 2 with a carbon material (illustration omitted). For example, a CIP material of graphite particles may be provided in a flow path made of low activation ferritic steel. The position where the CIP material is fitted may be in a range of 350 mm from the end of the flow path 2 on the discharge port 12 side. Further, the liner 8 may be omitted. In this case, even if liquid lithium is impregnated between the graphite particles and micro unevenness or the like is generated on the surface, if the liquid lithium film flow is flying at the proton beam irradiation position, the state of the target surface is It will not be affected.

吐出口12の下縁部分12aの高さhをなくし、底面23(ライナー8の表面)と同じ高さとすることもできる(図示省略)。この場合、液体リチウムは、流路2の底面23をバックウォールとして流れるようになる。   It is also possible to eliminate the height h of the lower edge portion 12a of the discharge port 12 and make it the same height as the bottom surface 23 (the surface of the liner 8) (not shown). In this case, the liquid lithium flows using the bottom surface 23 of the flow path 2 as a back wall.

また、上記実施の形態では中性子発生装置100全体を水平方向に設置した構成例を示したが、装置全体を略垂直方向に設置しても良い。具体的には、流路2が直立している垂直流路となる場合、リチウム噴流の平坦性を保持する機能と陽子ビームの突き抜け抑止壁としての機能とが当該流路2の主たる機能となる。   In the above embodiment, the configuration example in which the entire neutron generator 100 is installed in the horizontal direction is shown, but the entire apparatus may be installed in a substantially vertical direction. Specifically, when the flow path 2 is an upright vertical flow path, the function of maintaining the flatness of the lithium jet and the function as a proton beam penetration prevention wall are the main functions of the flow path 2. .

そして、ターゲットに陽子ビームを照射することで中性子が発生する。この中性子は、ターゲット近傍に立っている患者の患部に照射される。このように略垂直方向に中性子発生装置100を設置した場合には、患者が立ち姿勢または座り姿勢で治療を受けることができる。   Then, neutrons are generated by irradiating the target with a proton beam. This neutron is irradiated to the affected part of the patient standing near the target. Thus, when the neutron generator 100 is installed in a substantially vertical direction, the patient can receive treatment in a standing posture or a sitting posture.

100 中性子発生装置
1 整流部
2 流路
23 底面
24 側壁部
3 チャンバー
4 陽子ビーム入射管
5 真空排気ポート
8 ライナー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Neutron generator 1 Rectification part 2 Flow path 23 Bottom face 24 Side wall part 3 Chamber 4 Proton beam injection tube 5 Vacuum exhaust port 8 Liner

Claims (6)

端部に液体金属を吐出するノズルの吐出口が配置され、且つ、所定位置に陽子ビームの照射位置が設定されると共に少なくとも当該照射位置を含む一定領域が炭素材料、炭素繊維複合材料、SiC、SiC繊維複合材料若しくはその混合物又はアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料から構成され且つその内部に液体金属が流れる樋状の流路を備えたことを特徴とする中性子発生装置。 A discharge port of a nozzle that discharges liquid metal is disposed at the end, and an irradiation position of the proton beam is set at a predetermined position, and at least a certain region including the irradiation position is a carbon material, a carbon fiber composite material, SiC, A neutron generator characterized by comprising an eaves-like channel made of a SiC fiber composite material or a mixture thereof, or a light element material such as aluminum, aluminum alloy, titanium, or titanium alloy, and through which a liquid metal flows. 更に、前記吐出口を、前記流路の底面から上側であって、所定速度で液体金属を吐出した場合に前記陽子ビームの照射位置より下流域まで当該液体金属の噴流を飛ばせる位置に設けたことを特徴とする請求項1に記載の中性子発生装置。 Further, the discharge port is provided at a position above the bottom surface of the flow path so that the liquid metal jet can be blown from the proton beam irradiation position to the downstream area when the liquid metal is discharged at a predetermined speed. The neutron generator according to claim 1. 前記流路及びノズルが気密チャンバー内に収納されており、当該チャンバーが炭素材料、炭素繊維複合材料、SiC、SiC繊維複合材料若しくはその混合物又はアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金などの軽元素材料により構成されてい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。 The flow path and the nozzle are housed in an airtight chamber, and the chamber is a carbon element, a carbon fiber composite material, SiC, a SiC fiber composite material or a mixture thereof, or a light element material such as aluminum, aluminum alloy, titanium, or titanium alloy. The neutron generator according to claim 1 or 2, characterized by comprising: 前記流路に、リチウムと共存性に優れた金属材料からなる薄板状のライナーを設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の中性子発生装置。 The neutron generator according to any one of claims 1 to 3, wherein a thin plate liner made of a metal material excellent in coexistence with lithium is provided in the flow path. 前記ライナーは、前記流路に対してスライド可能に設置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の中性子発生装置。   The neutron generator according to claim 1, wherein the liner is slidably installed with respect to the flow path. 前記流路を構成する炭素材料は、黒鉛粒子を焼結して成形したものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の中性子発生装置。 The neutron generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon material constituting the flow path is formed by sintering graphite particles.
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