可搬型線形加速器システムおよびそれを備えた可搬型中性子源

この発明は、陽子線を加速する可搬型線形加速器システムおよびそれを備えた可搬型中性子源に関するものである。

可搬型中性子源は、橋梁等の固定物まで移動して設置し、もしくは移動しながら、中性子を照射し非破壊検査を行う装置である。中性子源は、陽子線を生成する線形加速器システムと、加速された陽子線から中性子線を生成するターゲットとから構成される。

線形加速器システムでは、中性子線が効率よく生成するために必要なエネルギーである4〜10MeV程度まで、陽子線を加速する。線形加速器システムは、陽子線を生成するイオン源と、イオン源から生成された陽子線ビームを群集化および予備加速するための前段加速器と、中性子線が効率よく生成するエネルギーまで加速する後段加速器と、各加速器にビームを加速するための電力を供給するためのアンプ、から構成される。

可搬型線形加速器システムにおいては、一般的な車両を用いた運搬が可能であることが要求される。可搬型とするために、例えば、特許文献1には、小型の装置でありながら大電流の加速が可能な、イオン源、高周波四重極加速器(Radio Frequency Quadrupole Linac;RFQ)、ドリフトチューブ型加速器(Drift Tube Linac;DTL)からなる直線型加速器システムを搭載する構成が開示されている。

しかし、従来の可搬型線形加速器システムでは、上記前段加速器および後段加速器としての高周波四重極加速器とドリフトチューブ型加速器は電力効率を向上させるために銅材を使用していた。そのため、4〜10MeV程度のエネルギーまで加速した陽子線が上記加速電極に衝突すると中性子が発生し、中性子を車外に漏らさないためには厚いコンクリートが必要となり、可搬型としてシステム全体の重量を軽量化することが困難であった。

そこで、例えば、特許文献2では、加速器の四重極電極およびドリフトチューブ電極のイオンビームに対向する内面等に金またはアルミニウムを用いることにより、放射能を低減できる技術が開示されている。

国際公開番号WO2003−081604A1(4頁14〜21行目、図1)

特開2007−287538号公報(段落0008、図5)

しかしながら、特許文献2のような構成では、高周波四重極加速器で加速されたイオンビームのうち、制御されていない損失イオンビームがほとんどドリフトチューブ線形加速器内に入射し、ドリフトチューブのビーム対向内面に施された金またはアルミニウムの表面に衝突したビームのみ放射能を低減することができるだけで、放射能を十分には低減できないという問題があった。

また、数十から数百個のドリフトチューブのビーム対向内面に金またはアルミニウムを施すことから、材料コストおよび製造コストの点で、高コストになるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、制御されていない損失イオンビームの入射を抑制し、放射能の低減を効率的に、低コストで実現できる可搬型線形加速器システムおよびそれを備えた可搬型中性子源を提供することを目的としている。

この発明の可搬型線形加速器システムは、イオン源により生成された陽子線を群集化し、予備加速する前段加速器と、前記予備加速された前記陽子線のうち軌道から外れた前記陽子線を排除し、前記前段加速器で制御された前記陽子線のみを通過させるビームチョッパーと、前記ビームチョッパーを通過した前記陽子線を、所定のエネルギーまで加速させる後段加速器とを備え、前記ビームチョッパーは、前記予備加速された前記陽子線のうち、前記陽子線の進行方向Zに対して垂直な面をX軸とY軸の2軸に分解したときのX軸において、ビーム加速中心軸から所定の距離の範囲内にある前記陽子線のみを通過させる第一のスリットと、前記第一のスリットを通過した前記陽子線のうち、前記第一のスリットからビーム加速中心軸と所定の角度の範囲内にある前記陽子線のみを通過させる第二のスリットとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前段加速器で予備加速された陽子線のうち、制御されていない陽子線を排除し、前段加速器で制御された陽子線のみを通過させて後段加速器に出射するビームチョッパーを備えることで、陽子線が後段加速器の加速電極等に衝突することを防ぐことができ、中性子の発生を抑制することで、中性子遮蔽用コンクリートを薄くすることができ、より可搬型に適応させることができる。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムの構成を示す構成図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムのビームチョッパーの構成を示す図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムのビームチョッパーの機能を説明する図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムのビームチョッパーの機能を説明する図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムのビームチョッパーの機能を説明する図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムの後段加速器の構成を示す図である。

この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システムを備えた可搬型中性子源の使用例を示す図である。

この発明の実施の形態1における他の可搬型線形加速器システムの構成を示す構成図である。

この発明の実施の形態1における他の可搬型線形加速器システムの構成を示す構成図である。

実施の形態1. 図1は、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100の構成を示す模式図である。図1に示すように、可搬型線形加速器システム100は、陽子線を生成するイオン源1、イオン源1から生成された陽子線を群集化および予備加速するための前段加速器2、前段加速器2で加速され制御された陽子線のみを通すビームチョッパー6、中性子線が効率よく生成するエネルギーまで加速する後段加速器3、および各加速器に陽子線を加速するための電力を供給する高周波アンプ4と高周波アンプ5から構成される。

イオン源1では、放電を利用して水素をプラズマ化して陽子線を生成し、イオン源1から出た陽子線は前段加速器2に送られる。 前段加速器2は、高周波アンプ4から電力の供給を受けて、イオン源1で生成した陽子線を群集化および予備加速し、ビームチョッパー6を介して、後段加速器3に出射する。なお、この段階では、陽子線のエネルギーは4MeV未満であり、前段加速器2の加速電極や真空容器の内壁等の構成部品に衝突しても中性子線は生成しない。 ビームチョッパー6は、後段加速器3の入口3aの直前に設けられ、前段加速器2で群集化されず、制御されていない陽子線を排除する。これは、前段加速器2で予備加速された陽子線の一部が制御されないまま後段加速器3に入射され、後段加速器3で4〜10MeV程度のエネルギーまで加速されると、軌道から外れた陽子線が後段加速器3の銅製の加速電極や真空容器の内壁等の構成部品に衝突し、中性子が生成するからである。 後段加速器3は、前段加速器2で群集化され、制御された陽子線のみを受け入れ、高周波アンプ5から電力の供給を受けて、前段加速器2で予備加速された陽子線を必要エネルギーまで加速する。

図2は、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100のビームチョッパー6の基本構成を示す断面図である。図2に示すように、ビームチョッパー6は、陽子線の進行方向Zに対して垂直に配列した、第一のスリット61と第二のスリット62の二つのスリットで構成される。第一のスリット61と第二のスリット62のそれぞれの円形の開口部61a、61bは、開口長が調整可能に設けられている。

ここで、ビームチョッパー6により選別される陽子線のビーム特性を、ビームの位相空間上での広がりの程度として表す位相平面図を用いて説明する。図3(a)は、陽子線の進行方向Zに対して垂直な面をX軸とY軸の2軸に分解したときの、X軸におけるビーム特性を表すための位相平面図である。位相平面図の横軸Xは1つの陽子のビーム加速中心軸からの距離を表し、縦軸X’は1つの陽子9が進む方向のビーム加速中心軸に対する角度を意味する。図3(a)では、1つの陽子9は、ビーム加速中心軸からX1の距離で、ビーム加速中心軸とX’1の角度を向いていることを示す。これを、図3(a)にプロットした1つの陽子9のZ軸に対する挙動を模擬すると、図3(b)のようになる。

図4(a)は、あるビーム進行方向のZ軸での陽子線における各陽子の位置と進行方向の角度をすべて記載した位相平面図である。図4(a)では、ビーム加速中心軸から離れた位置にある陽子が、さらにビーム加速中心軸から遠のく方向の角度を持っていることから、発散ビームであることを意味する。これに対し、図4(b)は、収束ビームの代表的な位相平面図である。 図5は、図4(b)に示される収束ビームに対して入射ビームが加速器を通過することができる入射ビーム分布の領域Wを示している。

したがって、前段加速器2から入射された陽子線が後段加速器3を通過するためには、イオン源1から前段加速器2を通過してくる陽子線のうち、領域Wに対応する陽子線以外の陽子線を排除し、領域Wに対応する陽子線のみを後段加速器3に入射させる必要がある。

ビームチョッパー6は、領域Wに対応する陽子線以外の陽子線を排除するために設けられる。ビームチョッパー6は後段加速器3の入口3aの直前に設けられ、領域Wに対応する陽子線を取り込むために、図2に示すように、第一のスリット61の開口部61aの開口長をaの位置まで広げ、第二のスリット62の開口部62aを角度bで表される開口長まで広げる。 このように、ビームチョッパー6において、第一のスリット61の開口長および第二のスリット62の開口長を調整することで、前段加速器2から入射された陽子線が後段加速器3を通過する領域Wに含まれる領域V(図5参照)に対応する陽子線のみを取り込むことができ、領域Wに対応する陽子線以外の陽子線を排除することができる。 この結果、前段加速器2で予備加速され、後段加速器3に入射された陽子線が、後段加速器3の加速電極等に衝突することを防ぐことで、中性子の発生が抑制され、中性子遮蔽用コンクリートを薄くすることができる。よって、より可搬型に適応させることができる。

なお、従来の可搬型線形加速器システムにおいては、前段加速器および後段加速器の加速電極は真空容器内内側からネジ止めにて固定されていたために、可搬による振動により加速電極を真空容器に固定するためのねじが緩み、メンテナンスのたびに真空を開放し、真空容器内のネジを締めなおさなければならないといった課題、もしくはネジの緩みを想定していない構造のため、一度解体しなければならないといった課題もあった。 これに対しては、前段加速器2および後段加速器3の構成に、特開2014−17231号公報で開示されているドリフトチューブ線形加速器の構成を適用することが好ましい。 図6は、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100の後段加速器3の基本構成を示す断面図であり、上記ドリフトチューブ線形加速器の構成を適用したものである。図6に示すように、後段加速器3の真空容器30は、中央板31と、一対の半筒管32a、32bとにより形成され、中央板31は同一のブロックから製作された、リッジ33と、加速電極34と、リッジ33と加速電極34を接続するステム35とを有する。この構成により、加速電極34は真空容器30の大気側からねじ36で固定され、運搬時の振動によるねじの緩みを大気側から締め直すことが可能となる。 さらに、真空容器30は、ビーム加速中心軸に直交する断面において、中央板31におけるステム35が延伸する方向の面方向中心軸と直交し、ビーム加速中心軸を通過するX方向の真空容器30の内径d1が、面方向中心軸に平行なY方向の真空容器30の内径d2よりも長くなるように加工して調整できるようにしておくことが好ましい。この構成により、外付けチューナを使用することなく電界分布を調整することができ、省電力化することができる。 したがって、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100に、特開2014−17231号公報で開示されているドリフトチューブ線形加速器の構成を適用することで、より可搬型に適応させることができる。

次に、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100の動作について説明する。図7は、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100を備えた可搬型中性子源200の概略図である。図7に示すように、可搬型中性子源200には、陽子線を生成する可搬型線形加速器システム100、加速された陽子線から中性子線を生成するターゲット部20、さらにターゲット部20から出射され、目的の測定対象物40を透過した中性子を検出する中性子検出部22から構成される。

まず最初に、可搬型線形加速器システム100において、イオン源1で陽子線が生成し、イオン源1から出た陽子線は前段加速器2に入射する。 続いて、イオン源1から前段加速器2に入射した陽子線は、前段加速器2により群集化および予備加速され、ビームチョッパー6を経て、後段加速器3に入射する。ビームチョッパー6を経た陽子線は、前段加速器2で群集化されず、制御されない陽子線が排除され、制御された陽子線のみとなる。 次いで、制御された陽子線は、後段加速器3に入射し、予備加速された状態から後段加速器3により4〜10MeV程度のエネルギーまで加速される。 このように、可搬型線形加速器システム100では、前段加速器2で予備加速した陽子線を、ビームチョッパー6を用いることにより、制御されていない陽子線を排除し、制御された陽子線のみを後段加速器3に入射することで、陽子線が後段加速器の加速電極等に衝突することを防ぐことができ、中性子の発生を抑制することで、中性子遮蔽用コンクリートを薄くすることができ、より可搬型に適応させることができる。

可搬型線形加速器システム100で中性子が効率よく生成するエネルギーまで加速された陽子線Aは、図7に示すように、後段加速器3から、遮蔽体および減速体を備えたターゲット部20に導入される。ターゲット部20では、導入された陽子線Aが、ターゲット部20内のターゲットセル(図示せず)に照射されることにより、中性子が発生する。発生した中性子は、減速体により、目的に応じた速度に減速された後、照射口21から非破壊検査用の中性子線Bとして出射される。なお、照射口21は、検査する目的の対象物40(ここでは例えば、橋梁とする)に照射するために、照射方向が調整可能に設けられる。 非破壊検査用の中性子線Bは、可搬型中性子源200を対象物40まで車両300で移動させて設置し、または対象物40上を移動させながら、対象物40に照射される。中性子線Bは対象物40を透過し、透過中性子線Cが対象物40から出射される。 対象物40を透過した透過中性子線Cは、中性子検出部22により補足される。なお、中性子検出部22は、透過した透過中性子線Cを補足できる位置に移動可能に設けられる。 このように、可搬型線形加速器システム100を備えた可搬型中性子源200を利用することで、橋梁等の大型構造物の内部を現場で非破壊的に検査することができる。

以上のように、この発明の実施の形態1における可搬型線形加速器システム100では、後段加速器3の入口3aの直前にビームチョッパー6を設け、前段加速器2で予備加速した陽子線のうち、制御されていない陽子線を排除し、制御された陽子線のみを後段加速器3に入射するようにしたので、陽子線が後段加速器の加速電極等に衝突することを防ぐことができ、中性子の発生を抑制することで、中性子遮蔽用コンクリートを薄くすることができ、より可搬型に適応させることができる。 また、ドリフトチューブ線形加速器の構成を適用し、後段加速器3の真空容器30が、中央板31と、一対の半筒管32a、32bとにより形成され、中央板31が同一のブロックから製作されたリッジ33と、加速電極34と、リッジ33と加速電極34を接続するステム35とを有することで、加速電極は真空容器の大気側からねじで固定され、運搬時の振動によるねじの緩みを大気側から締め直すことが可能となる。さらに、真空容器30が、ビーム加速中心軸に直交する断面において、中央板31におけるステム35が延伸する方向の面方向中心軸と直交し、ビーム加速中心軸を通過するX方向の真空容器30の内径d1が、面方向中心軸に平行なY方向の真空容器30の内径d2よりも長くしておくことで、外付けチューナを使用することなく電界分布を調整することができ、省電力化することができる。よって、より可搬型に適応させることができる。 また、可搬型中性子源200に可搬型線形加速器システム100を備えることで、可搬型に適応させることができ、橋梁等の大型構造物の内部を現場で非破壊的に検査することができる。

なお、この実施の形態1においては、前段加速器2および後段加速器3のそれぞれにビームを加速するための電力を供給する高周波アンプ4と高周波アンプ5を設けたが、これに限るものではない。図8に示す可搬型線形加速器システム101のように、前段加速器2と後段加速器3を電力分配装置7により電気的にも接続し、1台の高周波アンプ5から2台の加速器である前段加速器2と後段加速器3に電力を供給するようにしてもよい。高周波アンプ4と高周波アンプ5が、振動に弱い真空管アンプである場合、この構成により真空管アンプの数を2台から1台に減らすことでも、可搬型に適応させることができる。なお、図8では後段加速器3に高周波アンプ5を設けたが、前段加速器2に1台の高周波アンプ4を設ける構成としても同様の効果が得られることは言うまでもない。

さらに、図9に示す可搬型線形加速器システム102のように、可搬型線形加速器システム101の真空管アンプである高周波アンプ5の替りに、半導体素子から構成されるアンプ8を設けた構成としてもよい。この構成により、振動に弱い真空管アンプを用いないことで、より可搬型に適応させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

1 イオン源、2 前段加速器、3 後段加速器、4 高周波アンプ、 5 高周波アンプ、6 ビームチョッパー、7 電力分配装置、 8 高周波アンプ、20ターゲット部、22 中性子検出部、 30 真空容器、31 中央板、32a、32b 半筒管、 33 リッジ、34 加速電極、35 ステム、61 第一のスリット、 62第二のスリット、100 可搬型線形加速器システム、 101 可搬型線形加速器システム、 102 可搬型線形加速器システム、200 可搬型中性子源。