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。

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、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るビームチョッパーと、ビームチョッパーを通過した陽子線を、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。