(57)【要約】【課題】冷却材による除熱の効率が高い中性子発生装置用のターゲット及び冷却構造を提供する。【解決手段】中性子発生装置用のターゲットは、荷電粒子線が照射されて中性子を発生するターゲット材と、ターゲット材を保持する基板と、基板に設けられた冷却材流路１６０とを備え、冷却材流路１６０は、壁面１６０ｃから突出したリブ列６０を有し、リブ列６０は、第１リブ６１と、第２リブ６２と、を含んでなり、第１リブ６１及び第２リブ６２は、壁面１６０ｃの中心線側から外側に向かうにつれて冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、冷却材の流れ方向に沿って互い違いに配置されている。冷却構造は、冷却対象である被冷却部材に設けられた冷却材流路１６０を備え、更に、第１リブ６１及び第２リブ６２の前縁６０ａと後縁６０ｂとが鋭角を成して隣接しているか、壁面１６０ｃが微細穴８０を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線が照射されて中性子を発生するターゲット材と、
前記ターゲット材を保持する基板と、
前記基板に設けられ、冷却材が流される冷却材流路と、を備え、
前記冷却材流路は、壁面から突出したリブ列を有し、
前記リブ列は、前記壁面の中心線よりも一方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第１リブと、前記壁面の中心線よりも他方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第２リブと、を含んでなり、
前記第１リブ及び前記第２リブは、前記壁面の中心線側から外側に向かうにつれて前記冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記冷却材の流れ方向に沿って互い違いに配置されている中性子発生装置用のターゲット。
【請求項２】
前記第１リブ及び前記第２リブが設けられた前記壁面は、間隔をあけて配列した前記第１リブ同士の間、及び、間隔をあけて配列した前記第２リブ同士の間に微細穴を有する請求項１に記載の中性子発生装置用のターゲット。
【請求項３】
前記第１リブ及び前記第２リブは、前記冷却材の流れ方向の上流側に位置する前縁と、前記冷却材の流れ方向の下流側に位置する後縁とが、前記中心線側において鋭角を成して隣接している請求項１又は請求項２に記載の中性子発生装置用のターゲット。
【請求項４】
前記冷却材流路は、前記第１リブ及び前記第２リブが配列した前記壁面に対して平行な流路幅が、当該壁面に対して垂直な流路幅の０．４倍以上０．６倍以下の長さである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中性子発生装置用のターゲット。
【請求項５】
冷却対象である被冷却部材に設けられ、冷却材が流される冷却材流路を備え、
前記冷却材流路は、壁面から突出したリブ列を有し、
前記リブ列は、前記壁面の中心線よりも一方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第１リブと、前記壁面の中心線よりも他方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第２リブと、を含んでなり、
前記第１リブ及び前記第２リブは、前記壁面の中心線側から外側に向かうにつれて前記冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記冷却材の流れ方向に沿って互い違いに配置され、
前記第１リブ及び前記第２リブは、前記冷却材の流れ方向の上流側に位置する前縁と、前記冷却材の流れ方向の下流側に位置する後縁とが、前記中心線側において鋭角を成して隣接している冷却構造。
【請求項６】
冷却対象である被冷却部材に設けられ、冷却材が流される冷却材流路を備え、
前記冷却材流路は、壁面から突出したリブ列を有し、
前記リブ列は、前記壁面の中心線よりも一方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第１リブと、前記壁面の中心線よりも他方の側に、前記冷却材の流れ方向に沿って間隔をあけて配列した第２リブと、を含んでなり、
前記第１リブ及び前記第２リブは、前記壁面の中心線側から外側に向かうにつれて前記冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記冷却材の流れ方向に沿って互い違いに配置され、
前記第１リブ及び前記第２リブが設けられた前記壁面は、間隔をあけて配列した前記第１リブ同士の間、及び、間隔をあけて配列した前記第２リブ同士の間に微細穴を有する冷却構造。
【請求項７】
前記冷却材流路は、前記第１リブ及び前記第２リブが配列した前記壁面に対して平行な流路幅が、当該壁面に対して垂直な流路幅の０．４倍以上０．６倍以下の長さである請求項５又は請求項６に記載の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線が照射されて中性子線を発生する中性子発生装置用のターゲット、及び、冷却対象を水等の冷却材により冷却する冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
がんを治療する放射線療法の一種に、ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy；ＢＮＣＴ）がある。ホウ素中性子捕捉療法は、がん細胞に選択的に蓄積させたホウ素化合物に中性子を照射し、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉの核反応により生成するα粒子やリチウム原子核によってがん細胞を破壊する治療法である。α粒子やリチウム原子核の飛程は細胞の大きさと同程度であるため、ホウ素中性子捕捉療法によると、正常細胞を大きく損傷すること無く、がん細胞のみを選択的に破壊することが可能である。
【０００３】
ホウ素中性子捕捉療法においては、ボロノフェニルアラニン（Borono-phenylalanine；ＢＰＡ）や、ボロカプテイト（Sodium mercapto-undecahydro-dodecaborato；ＢＳＨ）等を患者に投与し、これらのホウ素化合物が集積されたがん細胞に中性子線を照射する。中性子の反応断面積はエネルギが低いほど大きくなる一方で、患者の組織の深部に到達する程度の高いエネルギも必要とされる。但し、高速中性子のようにエネルギが過大であると、正常細胞までも大きく損傷してしまう。そのため、治療のために照射する中性子線は、熱外中性子の強度が高く、高速中性子の混入率は低いことが求められる。
【０００４】
従来、ホウ素中性子捕捉療法は、研究用原子炉を中性子源として実施されることが多かった。しかしながら、研究用原子炉は、運転の開始及び停止に時間が掛かる上に、治療を実施する際に原子炉の運用計画と治療日程とを調整する必要が生じていた。また、既設の研究用原子炉は、維持管理費や寿命の観点から、継続的に利用を続けるのにも将来的に限界がある。そこで、近年、加速器を利用して中性子線を発生させる装置の開発が進められている。
【０００５】
加速器が生成した中性子をホウ素中性子捕捉療法に利用する中性子発生装置は、一般に、荷電粒子線を発生させる加速器と、荷電粒子線が照射されて中性子線を発生するターゲットと、ターゲットが発生した中性子線を減速して被照射体に照射する減速照射装置とを備える。ターゲットには、中性子源として機能するターゲット材が保持され、ターゲット材に陽子線等の荷電粒子線が照射されることにより中性子発生反応が起こる。ターゲット材としては、７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅの反応を生じるリチウムや、９Ｂｅ（ｐ，ｎ）９Ｂ、９Ｂｅ（ｐ，ｘｎ）の反応を生じるベリリウムや、核破砕反応を生じるタンタル、タングステン等の重金属について検討されている。
【０００６】
リチウムやベリリウムをターゲット材とすると、重金属による核破砕反応と比較してガンマ線の発生が少なくて済むため、遮蔽が容易となり、治療の安全性も高くなる。さらに、リチウムとベリリウムとを比較すると、リチウムは、中性子収率が低く、化学的に不安定であり、融点も低いものの、低い入射陽子エネルギで中性子を発生させることが可能である。つまり、発生する中性子線のエネルギに加えて、二次放射線の発生も低度に抑えられるという優位性がある。入射陽子エネルギの閾値は、９Ｂｅ（ｐ，ｎ）９Ｂの反応では約２．０６ＭｅＶであるのに対し、７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅの反応では約１．８８ＭｅＶであり、巨視的断面積はリチウムの方が入射陽子エネルギの全般にわたって大きい。そのため、リチウムは、装置を小型化ないし軽量化するのに適したターゲット材として有望視されている。
【０００７】
一般に、中性子発生装置用のターゲットには、荷電粒子線が照射されて発熱するターゲット材を冷却するために冷却機構が備えられる。冷却機構としては、ターゲット材を保持する基板に水等の冷却材を循環させる方式が一般的である。例えば、特許文献１には、陽子の照射面とは反体側の面に複数のリブによって仕切られており、水等の冷却媒体が流される冷却通路を備えたターゲットについて開示されている。また、特許文献２には、複数の冷媒流入路から流入する各冷媒を合流させて荷電粒子照射ターゲットを冷却し、合流した冷媒を冷媒流出路から流出させる合流冷却空間を備えた荷電粒子照射ターゲット冷却装置について開示されている。
【０００８】
また、従来、発熱体を効率的に除熱するための伝熱技術が検討されている。例えば、非特許文献１には、ガスタービンの動翼に、タービュレンスプロモータとして機能するリブを種々の形状で設け、空冷により除熱する冷却構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０４７１１５号公報
【特許文献２】特開２０１４−０４４０９８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】武石賢一郎、「高温ガスタービンにおける伝熱技術の進歩」、伝熱、社団法人日本伝熱学会、２０００年１月、第３９巻、第１５４号、ｐ．２−１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ホウ素中性子捕捉療法では、１×１０９［ｎ／ｃｍ２／ｓ］以上の熱外中性子束の使用が推奨されている。ターゲット材がリチウムやベリリウムである場合は、一般に、閾値に近い入射陽子エネルギで中性子を発生させるため、電流値は数十ｍＡ程度、ビームパワーとしては数十ｋＷ程度の陽子線を照射する必要がある。このような高いビームパワーの照射を行う場合、中性子発生装置用のターゲットには、数ＭＷ／ｍ２に及ぶ熱流束が生じるので、ターゲット材を冷却するための冷却機構は、高い冷却能力を備えていなければならない。
【００１２】
しかしながら、従来の冷却機構は、伝熱の効率が悪く、高いビームパワーの照射を行う場合に、ターゲット材の温度上昇を十分に抑えることができなかった。特に、リチウムは、融点が約１８０℃と低く、熱伝導率もベリリウム等に劣っているため、ターゲット材がリチウムである場合に陽子線が照射され続けると、ターゲット材が溶融して漏出したり、基板とターゲット材とが合金化したりする等の虞があった。また、ターゲット材の温度上昇や基板の焼損を避けるために陽子線の電流値を低く設定せざるを得なくなり、低い入射陽子エネルギで高い熱外中性子束を得ることができないといった問題があった。
【００１３】
一方、特許文献１においては、水等の冷却媒体が所定の冷却通路に流されることでターゲットの冷却が行われるものとされている。しかしながら、特許文献１のように、ターゲットにリブを設け、リブで仕切られる空間を冷却通路とする技術では、ターゲット材としてリチウムを用いる場合に、リチウムと冷却媒体の水とが反応してしまうという問題がある。これに対して、リチウムと冷却媒体とが接触しない冷却構造にすると、ターゲット側と冷却媒体との間の伝熱が悪化し、除熱の効率が低くなるという問題が生じる。
【００１４】
また、特許文献２においては、水等の冷媒が合流冷却空間に流されることでターゲットの冷却が行われるものとされている。同じ冷媒の流量では、冷媒の流れる層の厚さを５ｍｍとする方が、２．５ｍｍとする場合と比較して高い除熱効果が得られるとされており、層の厚さが５ｍｍの場合、凡そ４５リットル／分の流量で５０ｋＷ程度の排熱量が得られている。しかしながら、特許文献２のように、冷媒の層の厚さが５ｍｍ程度と厚くなると、ターゲットから出射される熱外中性子束が低下したり、冷媒が放射化したりする虞が高くなってしまう。そのため、冷媒が流される空間がより狭い構造であっても冷却対象を十分に除熱できる、除熱の効率が高い冷却構造が望まれる。
【００１５】
また、非特許文献１においては、タービュレンスプロモータの設置により熱伝達率が増加するとされている。しかしながら、非特許文献１では、空冷において、熱伝達率の増加に伴って圧力損失も増加するとされており、中性子発生装置用のターゲットの除熱を期待できる冷却構造とはなっていない。ターゲット材の温度上昇を十分に抑え、且つ、ビームパワーについての制約も少なくするためには、数ＭＷ／ｍ２程度以上の冷却能力を発揮し得る除熱の効率が高い冷却構造が望まれる。
【００１６】
そこで、本発明は、冷却材による除熱の効率が高い中性子発生装置用のターゲット及び冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明に係る中性子発生装置用のターゲットは、荷電粒子線が照射されて中性子を発生するターゲット材と、前記ターゲット材を保持する基板と、前記基板に設けられ、冷却材が流される冷却材流路と、を備え、前記冷却材流路は、壁面から突出したリブ列を有し、前記リブ列は、前記壁面の中心線よりも一方の側に、前記冷却材の流れ方向について間隔をあけて配列した第１リブと、前記壁面の中心線よりも他方の側に、前記冷却材の流れ方向について間隔をあけて配列した第２リブと、を含んでなり、前記第１リブ及び前記第２リブは、前記壁面の中心線側から外側に向かうにつれて前記冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記冷却材の流れ方向について互い違いに配置されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る冷却構造は、冷却対象である被冷却部材に設けられ、冷却材が流される冷却材流路を備え、前記冷却材流路は、壁面から突出したリブ列を有し、前記リブ列は、前記壁面の中心線よりも一方の側に、前記冷却材の流れ方向について間隔をあけて配列した第１リブと、前記壁面の中心線よりも他方の側に、前記冷却材の流れ方向について間隔をあけて配列した第２リブと、を含んでなり、前記第１リブ及び前記第２リブは、前記壁面の中心線側から外側に向かうにつれて前記冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記冷却材の流れ方向について互い違いに配置されていることを特徴とする。そして、前記第１リブ及び前記第２リブは、前記冷却材の流れ方向の上流側に位置する前縁と、前記冷却材の流れ方向の下流側に位置する後縁とが、前記中心線側において鋭角を成して隣接している。または、前記第１リブ及び前記第２リブが設けられた前記壁面は、間隔をあけて配列した前記第１リブ同士の間、及び、間隔をあけて配列した前記第２リブ同士の間に微細穴を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、冷却材による除熱の効率が高い中性子発生装置用のターゲット及び冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】中性子発生装置の概略構成を示す図である。
【図２Ａ】中性子発生装置用のターゲットを示す斜視図である。
【図２Ｂ】中性子発生装置用の保持基板を示す斜視図である。
【図２Ｃ】中性子発生装置用のターゲットの構造を示す断面図である。
【図３】中性子発生装置用のターゲットの冷却材流路の要部を示す斜視図である。
【図４】冷却材流路の壁面に設けられるマイクロピットの構造を示す断面図である。
【図５Ａ】マイクロピットの配置の第１例を示す冷却材流路の平面図である。
【図５Ｂ】マイクロピットの配置の第２例を示す冷却材流路の平面図である。
【図５Ｃ】マイクロピットの配置の第３例を示す冷却材流路の平面図である。
【図６Ａ】流路幅の第１例を示す冷却材流路の斜視図である。
【図６Ｂ】流路幅の第１例における二次流れの解析結果を示すベクトル図である。
【図７Ａ】流路幅の第２例を示す冷却材流路の斜視図である。
【図７Ｂ】流路幅の第２例における二次流れの解析結果を示すベクトル図である。
【図８Ａ】リブ同士の間隔の第１例を示す冷却材流路の平面図である。
【図８Ｂ】リブ同士の間隔の第１例における熱伝達率の解析結果を示す図である。
【図９Ａ】リブ同士の間隔の第２例を示す冷却材流路の平面図である。
【図９Ｂ】リブ同士の間隔の第２例における熱伝達率の解析結果を示す図である。
【図１０Ａ】リブの形状の一例を示す冷却材流路の平面図である。
【図１０Ｂ】リブの形状の一例における熱伝達率の解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る中性子発生装置用のターゲット及び冷却構造について、図を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２２】
［中性子発生装置］
はじめに、中性子発生装置用のターゲットが備えられる中性子発生装置の概略構成について説明する。
【００２３】
図１は、中性子発生装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、中性子発生装置１００は、荷電粒子線発生装置１と、中性子減速照射部２と、導管４と、中性子発生装置用のターゲット５と、を備えている。中性子発生装置１００は、加速器を利用する加速器型の中性子発生装置であり、ホウ素中性子捕捉療法における中性子線源として好適に用いられる。
【００２４】
中性子発生装置１００において、荷電粒子線発生装置１は、所定のエネルギの陽子線等（荷電粒子線６）を発生する。荷電粒子線６は、導管４を通じてターゲット５に到達し、ターゲット５は、荷電粒子線６を照射されて所定のエネルギ帯域の中性子線を発生させる。そして、中性子減速照射部２は、ターゲット５が出射した中性子線を減速し、照射野が整形された中性子線９を出射する。
【００２５】
中性子発生装置１００において、中性子減速照射部２から出射された中性子線９は、被照射体３に照射されて中性子捕獲反応を生じる。すなわち、ホウ素（１０Ｂ）を含むホウ素化合物を集積させたがん細胞を被照射体３とし、中性子線９を照射することにより、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉの核反応でα線やリチウム線を発生させることができる。これらα線やリチウム線が、がん細胞を選択的に損傷することにより、正常細胞の損傷少なく、がんの治療が行われる。
【００２６】
［荷電粒子線発生装置］
荷電粒子線発生装置１は、例えば、荷電粒子線として陽子線を発生する。陽子線を発生する荷電粒子線発生装置１は、図１に示すように、陽子を発生させるイオン源１ａと、陽子を加速する加速器１ｂと、を備えて構成される。
【００２７】
イオン源１ａとしては、例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）イオン源が用いられる。ＥＣＲイオン源は、強磁場下に水素ガスを導入し、高周波を印加して電子サイクロトロン共鳴を生じさせることにより、水素のプラズマを高密度に生成する。そして、生成した水素イオン（１Ｈ＋）は、磁気ミラーによって集積されて加速器１ｂに引き出される。ＥＣＲイオン源は、無電極放電によるため長時間にわたって安定した運転が可能である。
【００２８】
加速器１ｂとしては、例えば、静電型加速器が用いられる。静電型加速器は、電極間に直流高電圧を印加し、一定した静電界の下で荷電粒子を加速する。静電型加速器によると、連続した荷電粒子線６を発生させることが可能である。静電型加速器としては、例えば、ダイナミトロン型加速器（ＩＢＡ社製等）を用いることができる。また、コッククロフトウォルトン型、バンデグラフ型等の静電型加速器や、サイクロトロン等の高周波型加速器、高周波四重極型加速器、ドリフトチューブ型加速器等を用いることもできる。
【００２９】
［導管］
導管４は、荷電粒子線発生装置１とターゲット５との間を接続し、荷電粒子線発生装置１が出射した荷電粒子線６をターゲット５に導く経路を形成している。導管４には、荷電粒子線６が幅方向に発散するのを抑制する集束レンズ７が設置されている。集束レンズ７は、例えば、複数の四重極電磁石を荷電粒子線６の照射方向に沿って設置し、それぞれの極性を反転させた配置として構成される。なお、導管４は、図１に示すような直線状の形態に限定されるものでは無く、曲線部を有する任意形状の経路を形成してもよい。導管４の曲線部には、荷電粒子線６を偏向させる偏向電磁石等を設置することが可能である。
【００３０】
［ターゲット］
ターゲット５は、中性子源として機能し、荷電粒子線６が照射されて中性子を発生するターゲット材５４（図２Ａ及び図２Ｃ参照）を保持している。ターゲット５は、不図示の冷却ジャケットが装着された状態で導管４の終端に配置されている。ターゲット５には、冷却ジャケットを介して循環的に冷却材が供給され、荷電粒子線６が照射されて発熱したターゲット材５４の除熱が行われるようになっている。
【００３１】
ターゲット材５４としては、例えば、固体リチウムが用いられる。リチウムは、陽子線を照射されると７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅの核反応により中性子線を発生する。この核反応に必要な入射陽子エネルギの閾値は、約１．８８ＭｅＶである。そのため、荷電粒子線発生装置１においては、この閾値以上であり、且つ、エネルギが過大な高速中性子等が発生し難い、低いエネルギの陽子線が生成される。
【００３２】
ターゲット材５４に照射する陽子線のエネルギは、具体的には、４．０ＭｅＶ以下、好ましくは３．０ＭｅＶ以下、より好ましくは２．８ＭｅＶ以下の範囲である。また、陽子線の電流値は、１０ｍＡ以上１００ｍＡ以下、ターゲット材５４に対する熱負荷を少なくする等の観点からは、好ましくは１０ｍＡ以上２０ｍＡ以下の範囲とする。このようなビームパワーで照射を行う場合、ターゲット材５４の表面における陽子線の照射領域を８０ｍｍ角と仮定すると、熱流束は６．６Ｍ［Ｗ／ｍ２］程度が想定される。
【００３３】
［中性子減速照射部］
中性子減速照射部２は、ターゲット５が発生した中性子線を減速し、減速されると共に照射野が整形された中性子線９を被照射体３に照射する。中性子減速照射部２は、導管４の終端側に位置しており、ターゲット５の側方及び後方を囲むように配置されている。図１に示すように、中性子減速照射部２は、減速材２１と、反射材２２と、遮蔽材２３と、コリメータ２４と、を備えている。
【００３４】
ホウ素中性子捕捉療法において、被照射体３に照射される中性子線９の熱外中性子束は、治療を短時間に効果的に行う観点から、１×１０９［ｎ／ｃｍ２／ｓ］以上が推奨される。また、中性子線９の高速中性子混入率は、正常細胞の損傷を避ける観点から、２×１０−１３［Ｇｙ／ｃｍ２］以下が推奨される。また、高速中性子線やガンマ線の混入も防止する必要がある。そのため、中性子減速照射部２では、ターゲット５が発生した中性子線を熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速させると共に、高速中性子線やガンマ線等の他成分を遮蔽する。
【００３５】
減速材２１は、概略形状が柱状を呈しており、ターゲット５の前方に、荷電粒子線６の照射軸と略同心となるようにターゲット５の周囲を囲んで配置されている。荷電粒子線６を照射されてターゲット５が出射した中性子線は、減速材２１に入射して減速された後、コリメータ２４の中央の開口に入射するようになっている。
【００３６】
減速材２１の材質としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ポリエチレン、重水（Ｄ２Ｏ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。減速材２１は、一種の材質で形成されていてもよいし、複数種の材質が組み合わされて形成されていてもよい。
【００３７】
減速材２１の材質としては、特に、フッ化マグネシウムが好ましい。フッ化マグネシウムは、真密度に対するかため嵩密度（相対密度）が、９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上とされる。フッ化マグネシウムは、単結晶体、及び、単結晶同士が焼結している焼結体のうちのいずれであってもよい。フッ化マグネシウムは、熱外中性子域の吸収断面積が小さく、高速中性子域の散乱断面積が大きい。そのため、フッ化マグネシウムによると、高速中性子混入率を低減しつつ、コリメータ２４の開口に入射する熱外中性子束を高めることができる。
【００３８】
反射材２２は、概略形状が筒状を呈しており、減速材２１の側方から後方にかけて、減速材２１の周囲を囲んで配置されている。減速材２１によって減速され、減速材２１の側方や後方に出射された中性子線は、反射材２２によって反射されてコリメータ２４の開口に入射する。
【００３９】
反射材２２の材質としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、黒鉛（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）等が挙げられる。反射材２２は、一種の材質で形成されていてもよいし、複数種の材質が組み合わされて形成されていてもよい。
【００４０】
反射材２２の材質としては、特に、鉛又は鉛−ビスマス合金等の鉛合金が好ましい。鉛は、中性子の散乱断面積が大きい一方、中性子の吸収断面積が小さく、ガンマ線の遮蔽能も高い。そのため、外部への放射線の漏洩を防止しつつ、コリメータ２４の開口に入射する熱外中性子束を高めることができる。
【００４１】
遮蔽材２３は、減速材２１の後方や、反射材２２の周囲に配置されている。減速材２１によって減速され、減速材２１から出射された熱中性子線や高速中性子線、二次的に発生したガンマ線は、遮蔽材２３によって吸収ないし反射され、外部への漏洩が防止される。
【００４２】
遮蔽材２３の材質としては、例えば、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、フッ化鉛（ＰｂＦ２）、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物、パラフィン、水、フッ化リチウム−ポリエチレン、ホウ素−ポリエチレン等が挙げられる。遮蔽材２３は、一種の材質で形成されていてもよいし、複数種の材質が組み合わされて形成されていてもよい。
【００４３】
遮蔽材２３の材質としては、特に、カドミウム、ビスマス及びフッ化リチウム−ポリエチレンが好ましい。カドミウムは、熱中性子の吸収断面積が大きく、ビスマスは、ガンマ線の遮蔽能が高く、フッ化リチウム−ポリエチレンは、中性子の吸収能が高い。そのため、これらを組み合わせて使用することにより、中性子減速照射部２の周囲の中性子線量やガンマ線量を効果的に低減することができる。
【００４４】
コリメータ２４は、後方に向かってテーパ状に縮径する開口を有しており、減速材２１の後方に、荷電粒子線６の照射軸と開口とが略同心となるように配置されている。減速材２１によって減速された中性子線は、コリメータ２４の開口に入射して照射野が整形された後、被照射体３に照射される。
【００４５】
コリメータ２４の材質としては、反射材２２や遮蔽材２３と同様の材質を適宜組み合わせて用いることができる。コリメータ２４は、鉛又は鉛合金の反射材と、フッ化リチウム−ポリエチレンの遮蔽材とを厚さ方向に積層して用いることが好ましい。このような材質の組み合わせであると、中性子線の直進性を高めて適正な照射野に整形しながら、被照射体３の周囲の高速中性子線量やガンマ線量等も効果的に低減することができる。
【００４６】
次に、中性子発生装置用のターゲットが備える冷却構造について、ターゲットの具体的な構成と共に図面を参照しながら説明する。
【００４７】
図２Ａは、中性子発生装置用のターゲットの斜視図、図２Ｂは、中性子発生装置用のターゲットの保持基板の斜視図、図２Ｃは、中性子発生装置用のターゲットの構造を示す断面図である。
図２Ａにおいては、中性子発生装置用のターゲット５の凹部１１０が、金属箔５６とターゲット材５４の一部を切り欠き、金属箔５６の残部を透視して示されている。また、図２Ｂにおいては、保持基板５０を構成する第２基板５２のみを単独で斜め上方から視た状態が示されている。また、図２Ｃにおいては、図２ＡのＩ−Ｉ線における断面がターゲット５の一部（貫通孔１３２，１３４）を透視して示されている。
【００４８】
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、ターゲット５は、保持基板（基板）５０と、ターゲット材５４と、金属箔５６と、冷却材流路１６０と、を備えている。ターゲット５は、概略形状が矩形平板状を呈しており、金属箔５６に覆われたターゲット材５４が荷電粒子線６の照射方向の上流側を向くように導管４（図１参照）の終端に固定される。ターゲット５の寸法は、例えば、長さが１１０ｍｍ、幅が１１０ｍｍ、厚さが１０ｍｍである。
【００４９】
保持基板５０は、凹部１１０が形成された第１基板５１と、条溝１２０が形成された第２基板５２と、が重ねられた構造を有している。保持基板５０は、荷電粒子線６が照射されるターゲット材５４を保持し、ターゲット材５４を保持する保持基板５０が、中性子発生装置用のターゲット５が備える冷却構造の冷却対象、すなわち被冷却部材に相当する。
【００５０】
図２Ａに示すように、第１基板５１は、一方の主面に減肉された凹部１１０を有するエンボス構造が形成されており、他方の主面に第２基板５２が接合されている。また、第２基板５２は、一方の主面に複数の条溝１２０が形成されており、この主面に第１基板５１が接合されている。第１基板５１と第２基板５２との接合は、例えば、熱間静水圧（等方加圧）プレス（Hot Isostatic Pressing；ＨＩＰ）によって行われる。
【００５１】
第１基板５１は、図２Ａに示すように、概略形状が矩形平板状を呈しており、一方の主面に、ターゲット材５４を保持する凹部１１０と、凹部１１０を囲む縁枠部１１２と、縁枠部１１２の内側に位置する複数の島部１１４と、を有している。第１基板５１の厚さは、例えば、０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下、好ましくは２．０±０．２ｍｍである。
【００５２】
第１基板５１の凹部１１０は、第１基板５１の主面が略一様な深さに減肉されて設けられている。凹部１１０は、第１基板５１の主面の外縁に縁枠部１１２を残し、縁枠部１１２よりも内側に複数の島部１１４を残して減肉されている。凹部１１０には、ターゲット材５４が略隙間無く満たされ、凹部の深さに一致する厚さでターゲット材５４が保持される。凹部１１０の深さは、例えば、５０μｍ以上１５０μｍ以下、好ましくは１４０μｍ以上１５０μｍ以下である。
【００５３】
第１基板５１の島部１１４は、凹部１１０に離散的に配置されている。島部１１４は、凹部１１０の底面に対して、縁枠部１１２と略同じ高さに設けられている。縁枠部１１２の上面と島部１１４の上面には、ターゲット材５４を凹部１１０に密封するための金属箔５６が接合される。凹部１１０に複数の島部１１４が設けられることにより、金属箔５６と保持基板５０との接合強度が高められ、厚さ方向に熱変形した金属箔５６が膨れや撓みを生じないようになっている。
【００５４】
第１基板５１の材質は、好ましくはタンタル又はその合金、より好ましくは純タンタルとされる。タンタルは、ブリスタリングに対する耐性が高く、加工性も良いため、形状が高精度なターゲット５を製造するのに適している。また、リチウムの濡れ性が良好であるため、ターゲット材５４がリチウムである場合、凹部１１０への充填性が向上し、ターゲット５の製造工程や製造設備が簡易化される。第１基板５１の加工は、例えば、フライス加工、放電加工、エッチング加工等の適宜の方法によって行われる。
【００５５】
第２基板５２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、概略形状が第１基板５１と略同寸の矩形平板状を呈しており、一方の主面に、複数の条溝１２０を有している。条溝１２０は、第２基板５２の表面が溝加工され、横断面視において矩形状に減肉されて設けられている。複数の条溝１２０は、互いに平行に所定間隔で並列しており、各条溝１２０の両端は、第２基板５２の両端面のそれぞれに達している。第２基板５２の厚さは、例えば、７．０ｍｍ以上１３．０ｍｍ以下、好ましくは９．０±１．０ｍｍである。
【００５６】
第２基板５２の材質は、好ましくは銅又はその合金、より好ましくは銅とされる。銅は、加工性が良く、熱伝導率も高いため、冷却材流路１６０となる条溝１２０を形成するのに適している。第２基板５２の加工は、例えば、フライス加工、放電加工等の適宜の方法によって行われる。
【００５７】
金属箔５６は、保持基板５０に保持されるターゲット材５４を封止している。金属箔５６は、全周縁が縁枠部１１２の上面に接合されると共に、中央側が島部１１４の上面に接合され、ターゲット材５４が充填された凹部１１０を気密に密封する。金属箔５６が備えられることにより、荷電粒子線６が照射されてターゲット材５４が溶融したとしても、凹部１１０から漏出したり、凹部１１０内で偏ったりするのが防止される。また、ターゲット材５４がリチウムである場合、リチウムが大気に暴露されて、水分、窒素等と反応することが防止される。金属箔５６の厚さは、例えば、８．０μｍ以上１２．０μｍ以下、好ましくは１０．０±１．０μｍである。
【００５８】
金属箔５６の材質としては、例えば、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、ステンレス鋼等が挙げられる。金属箔５６の材質としては、特に、チタン又はチタン合金が好ましい。金属箔５６がこのような材質であると、ターゲット材５４との反応によって腐食し難く、また、荷電粒子線６のエネルギ損失が抑えられて発熱が抑制される。金属箔５６と第１基板５１との接合は、例えば、熱間静水圧（等方加圧）プレス、レーザ溶接、電子線溶接等によって行われる。熱間静水圧（等方加圧）プレスにおける接合温度は、第１基板５１と第２基板５２との接合温度よりも低温であることが好ましい。
【００５９】
図２Ａに示すように、第１基板５１は、第１基板５１を厚さ方向に貫通し、凹部１１０と第１基板５１の反対側の主面側とを連通する第１貫通孔１３１と、第２貫通孔１３２と、を有している。第１貫通孔１３１は、凹部１１０の底面において、中央から離れた隅部付近に開口しており、第１基板５１の反対側の主面の隅部付近に貫通している。一方、第２貫通孔１３２は、凹部１１０の底面において、第１貫通孔１３１の対角線上の隅部付近に開口しており、第１基板５１の反対側の主面の隅部付近に貫通している。
【００６０】
また、図２Ｂに示すように、第２基板５２は、第２基板５２を厚さ方向に貫通し、第２基板５２の一方の主面側と他方の主面側とを連通する第３貫通孔１３３と、第４貫通孔１３４と、を有している。第３貫通孔１３３は、第２基板５２の一方の主面において、条溝１２０と交差しない隅部付近に開口しており、第２基板５２の他方の主面の隅部付近に貫通している。一方、第４貫通孔１３４は、第２基板５２の一方の主面において、第３貫通孔１３３の対角線上の条溝１２０と交差しない隅部付近に開口しており、第２基板５２の他方の主面の隅部付近に貫通している。第３貫通孔１３３及び第４貫通孔１３４は、第１基板５１と第２基板５２とが接合されたとき、第１貫通孔１３１及び第２貫通孔１３２のそれぞれと内周面が面一となる位置に開口している。
【００６１】
図２Ｃに示すように、第１貫通孔１３１と第３貫通孔１３３は、第１基板５１と第２基板５２とが接合されたときに注入孔１３６を形成する。注入孔１３６は、例えば、第１基板５１の材質とターゲット材５４との濡れ性が良好である場合等に、予め金属箔５６で密封した凹部１１０に、液体の状態のターゲット材５４を注入するために用いられる。また、第２貫通孔１３２と第４貫通孔１３４は、第１基板５１と第２基板５２とが接合されたときに排出孔１３８を形成する。排出孔１３８は、予め金属箔５６で密封されている凹部１１０に、注入孔１３６を通じてターゲット材５４を充填するとき、凹部１１０に充填しきれなかった余剰のターゲット材５４や凹部１１０内の気体を排出するために用いられる。
【００６２】
ターゲット材５４の凹部１１０への充填は、ターゲット材５４がリチウムである場合、アルゴンガス等による不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気の下で行う。例えば、充填用の注入配管を注入孔１３６に接続し、保持基板５０をリチウムの融点以上、且つ、保持基板５０が軟化しない程度の温度域、例えば、４００℃から５００℃程度に加熱する。そして、凹部１１０内の気体を排出孔１３８を通じて排出しながら、注入孔１３６を通じて凹部１１０にリチウムの溶湯を注入し、毛細管現象によって隙間無く充填させる。注入孔１３６や排出孔１３８は、凹部１１０にターゲット材５４を充填して凝固させた後、注入配管を切断してから、溶接、圧接等により封止する。
【００６３】
注入孔１３６や排出孔１３８を用いた充填法によると、開放された凹部１１０にターゲット材５４を充填し、凝固させた後に金属箔５６で密封する場合と比較して、リチウム等のターゲット材５４が大気に暴露されるのを容易に防止することができる。また、狭い凹部１１０の全体にターゲット材５４が満たされ易いため、凹部１１０内に空隙が生じ難くなる。そのため、リチウムをターゲット材５４としたターゲット５を、簡易な工程及び設備で製造することができる。なお、ターゲット材５４の凹部１１０における充填状態については、例えば、Ｘ線、温度分布、超音波等で検知することが可能である。
【００６４】
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、冷却材流路１６０は、保持基板５０に貫通孔として設けられている。冷却材流路１６０は、第２基板５２に設けられた複数の条溝１２０の上部が第１基板５１で塞がれることにより、平行に複数形成されている。図２Ｃに示すように、冷却材流路１６０の横断面視の形状は、矩形状であり、リブ列６０（図３参照）が形成された第１基板５１が上壁面、第２基板５２が側壁面及び底壁面を成している。図２Ｂに示すように、複数の冷却材流路１６０は、互いに所定間隔をあけて並列しており、保持基板５０の一端面から他端面まで貫通している。
【００６５】
冷却材流路１６０は、保持基板５０の一端面側及び他端面側のそれぞれにおいて、不図示の冷却ジャケットが備える冷却材の供給路及び排出路と接続されるようになっている。複数の冷却材流路１６０には、荷電粒子線６が照射される間、並向流とした冷却材が流されてターゲット材５４の除熱が行われる。冷却材としては、例えば、水が用いられる。冷却材の入口温度は、例えば、常温（２０±１５℃）である。また、冷却材流路１６０の横断面における冷却材の平均流速は、例えば、２ｍ／ｓ以上、好ましくは５ｍ／ｓ以上とする。
【００６６】
図３は、中性子発生装置用のターゲットの冷却材流路の要部を示す斜視図である。
図３においては、ターゲット５が備える冷却材流路１６０の一部区間を、荷電粒子線６の照射方向の下流側、すなわち、ターゲット５の背面側から透視して視た斜視図が示されている。荷電粒子線６が照射されたときに発熱の中心となるターゲット材５４は、図３の紙面の奥側に位置する。
【００６７】
図３において、Ｗは、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）に平行な流路横幅、Ｈは、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）に垂直な流路縦幅を示す。また、ＲＷは、冷却材の流れ方向（主流の方向）に沿ったリブ幅（リブ６１，６２の前縁６０ａと後縁６０ｂとの間の最大長さ）、Ｐは、リブ列６０におけるリブ同士の間隔（リブ６１，６２の後縁６０ｂとその下流のリブ６１，６２の前縁６０ａとの間の距離）、ＲＯは、冷却材の流れ方向についてのリブ傾斜距離（リブ６１，６２を斜辺とした対辺の長さ）、ＲＡは、冷却材の流れ方向に垂直な方向に沿ったリブ長さ（リブ６１，６２を斜辺とした隣辺の長さ）、ＲＨは、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）に垂直なリブ高さを示す。
【００６８】
図３に示すように、冷却材流路１６０は、壁面（１６０ｃ）から突出したリブ列６０を有している。リブ列６０は、複数の突起状のリブ６１，６２によって構成されている。リブ列６０は、第１基板５１の表面であって、第２基板５２に形成されている条溝１２０に臨む位置に設けられており（図２Ａ等参照）、冷却材流路１６０の上壁面１６０ｃ、すなわち、ターゲット材５４が位置する側の壁面に配置されている。
【００６９】
リブ列６０は、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心線（図３に鎖線で示す。）よりも一方の側（右壁面１６０ａ側）に配列した第１リブ６１と、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心線よりも他方の側（左壁面１６０ｂ側）に配列した第２リブ６２と、を含んでなる。第１リブ６１及び第２リブ６２は、いずれも冷却材の流れ方向（図３に白抜き矢印で示す主流の方向）に沿って間隔をあけて配列している。第１リブ６１及び第２リブ６２は、いずれも周期的に配列しており、第１リブ６１同士の間隔と第２リブ６２同士の間隔は、互いに略同幅とされている。
【００７０】
第１リブ６１及び第２リブ６２は、図３において、冷却材の流れ方向の上流側に位置する前縁６０ａと、冷却材の流れ方向の下流側に位置する後縁６０ｂとが平行に設けられている。第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材流路１６０の右壁面１６０ａ及び左壁面１６０ｂのそれぞれから上壁面１６０ｃの中心線付近まで延在しており、冷却材流路１６０の横断面視においては、上壁面１６０ｃの表面上に、左右にかけて略隙間無く設けられている（図２Ｃ参照）。
【００７１】
第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材の流れの乱流化を促進し、冷却材による除熱の効率を高める作用を示す。冷却材の流れは、上壁面１６０ｃの側において、リブ６１，６２に衝突して剥離し、下流側に配置されているリブ６１，６２に再付着する。また、リブ６１，６２に衝突して上壁面１６０ｃ側に潜り込み、リブ同士の間において、冷却材の主流の方向に沿った二次的な循環流を生じる。そのため、冷却材の流れは、強く乱流化されると共に、冷却材の流れが再付着する部位においては、冷却材流路１６０の壁面を覆う蒸気膜が迅速に破壊され、熱伝達率が大きく向上する効果が得られる。また、第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材流路１６０の表面積を拡張するので、冷却材による伝熱面積が増大する効果も得られる。
【００７２】
図３に示すように、第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心線側から外側に向かうにつれて冷却材の流れ方向の下流側に位置するように傾斜して配置されている。具体的には、第１リブ６１及び第２リブ６２は、平面視の形状が平行四辺形を呈しており、冷却材流路１６０の上壁面１６０ｃの中心線側に位置する先端部よりも、冷却材流路１６０の右壁面１６０ａ側や左壁面１６０ｂ側に位置する基端部が、冷却材の主流の方向の下流側に位置している。このように第１リブ６１及び第２リブ６２が傾斜していることにより、リブ６１，６２に衝突した冷却材の流れが、垂直な方向（左右方向）の流れに積極的に変換され、左右方向に流れる旋回流や剪断流の発達により、冷却材の流れの乱流化が大きく促進されるようになっている。
【００７３】
また、図３に示すように、第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材の流れ方向に沿って互い違いに配置されている。第１リブ６１と第２リブ６２は、配列しているリブ同士の間の中間位置にずれて交互に並び、千鳥配列を形成している。傾斜した第１リブ６１及び第２リブ６２が互い違いに配置されることにより、冷却材の流れ方向に垂直な方向（左右方向）に変換された旋回流や剪断流が、間隔をあけて配列しているリブ毎に交互に逆方向に発達し、熱伝達率が均一性高い分布で高められるようになっている。
【００７４】
また、図３に示すように、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）は、間隔をあけて配列した第１リブ６１同士の間、及び、間隔をあけて配列した第２リブ６２同士の間のそれぞれに、微細な窪み状のマイクロピット（微細穴）８０を有している。マイクロピット８０は、図３において、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の上流側半部（リブ同士の間の中間位置よりも上流側）に、リブ６１，６２の後縁６０ｂに沿って配置されている。
【００７５】
図４は、冷却材流路の壁面に設けられるマイクロピットの構造を示す断面図である。
図４において、Ｄ１は、マイクロピット８０の底面深さ、Ｄ２は、マイクロピット８０のテーパ面深さ、φ１は、マイクロピット８０の開口径、φ２は、マイクロピット８０の底面内径、θは、テーパ角度を示す。
【００７６】
図４に示すように、マイクロピット８０は、冷却材流路の壁面（１６０ｃ）に略逆円錐台状に窪んだテーパ穴として設けられる。マイクロピット８０の底面１８０ａは、所定の曲率のＲ底を形成しており、側面１８０ｂは、底面１８０ａに向かって内径が縮径するテーパ面を形成している。マイクロピット８０は、例えば、冷却材流路１６０の壁面となる第１基板５１の表面にレーザ加工を施すことにより形成される。
【００７７】
マイクロピット８０の寸法は、例えば、底面深さ（Ｄ１）が、７５〜１００μｍ、テーパ面深さ（Ｄ２）が、７５μｍ、開口径（φ１）が、４８μｍ、底面内径（φ２）が、３５μｍ、テーパ角度（θ）が、約５°である。
【００７８】
マイクロピット８０は、冷却材の沸騰核として機能する。ターゲット材５４の発熱により生じた冷却材の蒸気は、マイクロピット８０の内側に捕捉されて成長し、膨張した気泡が壁面から放出される。そのため、マイクロピット８０を冷却材流路１６０の壁面に設けることにより、核沸騰型の冷却が促進され、冷却材による除熱の効率が大きく高められる。マイクロピット８０は、図３に示す配置の他、冷却材流路１６０の側壁面１６０ａ，１６０ｂの近傍や、リブ６１，６２の近傍に、格子配列、千鳥配列等の適宜の配列で配置することが可能である。
【００７９】
図５Ａは、マイクロピットの配置の第１例を示す冷却材流路の平面図、図５Ｂは、マイクロピットの配置の第２例を示す冷却材流路の平面図、図５Ｃは、マイクロピットの配置の第３例を示す冷却材流路の平面図である。
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃにおいては、マイクロピット８０を配置するのに適した領域の、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の上流側半部以外の例を破線（２００）で示している。
【００８０】
図５Ａに示すように、マイクロピット８０を配置する領域２００は、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の下流側半部（リブ同士の間の中間位置よりも下流側）に、リブ６１，６２の前縁６０ａに沿って位置させることもできる。冷却材流路１６０の壁面のうち、リブ６１，６２の前縁６０ａの近傍は、冷却材の流れがリブ６１，６２に衝突して潜り込むため、リブ６１，６２の根本付近に滞留して局所的に循環する二次流れが生じ易く、熱伝達率が低下し易い領域である。このような領域にマイクロピット８０を配置すると、図３に示す配置と同様、リブ６１，６２の根本付近の局所的な対流熱伝達の低下を、核沸騰を促進して補うことが可能である。
【００８１】
また、図５Ｂに示すように、マイクロピット８０を配置する領域２００は、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の外側半部に、冷却材流路１６０の側壁面１６０ａ，１６０ｂに沿って位置させることもできる。冷却材流路１６０の壁面のうち、外側の隅部付近（側壁面１６０ａ，１６０ｂの付近）は、冷却材の流れ方向に垂直な方向（左右方向）に発達した旋回流が、逆方向に局所的に旋回して滞留する二次流れを生じ易く、熱伝達率が低下し易い領域である。このような領域にマイクロピット８０を配置すると、隅部付近の局所的な対流熱伝達の低下を、核沸騰を促進して補うことが可能である。
【００８２】
また、図５Ｃに示すように、マイクロピット８０を配置する領域２００は、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の、リブ６１，６２の基端と、その下流側に配置されているリブ６１，６２の先端とを結ぶ線よりも下流側且つ外側の半部に、リブ６１，６２の前縁６０ａや、冷却材流路１６０の側壁面１６０ａ，１６０ｂに沿って位置させることもできる。このようなヌセルト数が小さくなり易い領域にマイクロピット８０を配置すると、図５Ａや図５Ｂの配置よりも更に除熱の効率を高めることができる。
【００８３】
図６Ａは、流路幅の第１例を示す冷却材流路の斜視図、図６Ｂは、流路幅の第１例における二次流れの解析結果を示すベクトル図である。また、図７Ａは、流路幅の第２例を示す冷却材流路の斜視図、図７Ｂは、流路幅の第２例における二次流れの解析結果を示すベクトル図である。
図６Ａ及び図７Ａにおいては、第１リブ６１及び第２リブ６２が設けられた壁面（１６０ｃ）の流路幅の具体例を示している。また、図６Ｂ及び図７Ｂにおいては、図６Ａ及び図７Ａの任意横断面（II−II断面）について、解析された冷却材の二次流れの速度ベクトルを簡略化して示している。細線の矢印は、熱伝達率が相対的に低い流れ、太線の矢印は、熱伝達率が相対的に高い流れを表す。
【００８４】
図６Ａに示す冷却材流路１６０は、流路横幅（Ｗ）が、６．０ｍｍ、流路縦幅（Ｈ）が、５．０ｍｍである。すなわち、流路縦幅（Ｈ）は、流路横幅（Ｗ）の１倍未満の長さである。なお、図６Ａに示す冷却材流路１６０において、リブ幅（ＲＷ）は、１．０ｍｍ、リブ同士の間隔（Ｐ）は、５．０ｍｍ、リブの傾斜距離（ＲＯ）は、１．５ｍｍ、リブ長さ（ＲＡ）は、３．０ｍｍ、リブ高さ（ＲＨ）は、１．０ｍｍが想定される。
【００８５】
一方、図７Ａに示す冷却材流路１６０は、流路横幅（Ｗ）が、６．０ｍｍ、流路縦幅（Ｈ）が、３．０ｍｍに短縮されている。すなわち、流路縦幅（Ｈ）は、流路横幅（Ｗ）の０．５倍の長さであり、冷却材流路１６０の横断面視において、第１リブ６１及び第２リブ６２のそれぞれの直下（図における手前側）に、略正方形状の空間がそれぞれ確保されている。なお、図７Ａに示す冷却材流路１６０において、リブ幅（ＲＷ）、リブ同士の間隔（Ｐ）、リブの傾斜距離（ＲＯ）、リブ長さ（ＲＡ）及びリブ高さ（ＲＨ）は、図６Ａに示す冷却材流路１６０と同寸が想定される。
【００８６】
図６Ｂに示すように、流路縦幅（Ｈ）が５．０ｍｍの冷却材流路１６０では、冷却材流路１６０の横断面視において、第１リブ６１及び第２リブ６２のそれぞれの直下に、扁平な楕円軌道で旋回する旋回流がそれぞれ生じている。旋回流は、左右の対称性が必ずしも高くなく、一方側（左側）がやや大きい軌道を描いている。冷却材流路１６０の中央付近では昇降流が十分に発達して無く、上壁面付近や側壁面付近において、熱伝達率の分布にばらつきが生じている。また、冷却材流路１６０の下壁面側では、熱伝達率が低くなっており、冷却能力に大きな影響を与える程度の熱流束は生じていないことが分かる。
【００８７】
これに対して、図７Ｂに示すように、流路縦幅（Ｈ）が３．０ｍｍに短縮された冷却材流路１６０では、冷却材流路１６０の横断面視において、第１リブ６１及び第２リブ６２のそれぞれの直下に、左右の対称性が高く、真円に近い軌道で互いに逆方向に旋回する旋回流がそれぞれ生じている。冷却材流路１６０の中央付近や側壁面付近では昇降流による熱伝達が促進されており、上壁面付近や側壁面付近においては、熱伝達率が高い領域が均一性高く分布している。また、冷却材流路１６０の下壁面側では、熱伝達率が高くなっており、伝熱量が少なく、冷却能力への寄与が小さい領域が削減されていることが分かる。
【００８８】
図６Ｂ及び図７Ｂが示すように、冷却材流路１６０の流路縦幅（Ｈ）が、流路横幅（Ｗ）に対して狭く設けられており、流路横幅（Ｗ）の凡そ１／２倍の長さであると、冷却材の流れ方向に垂直な方向（左右方向）について、第１リブ６１及び第２リブ６２のそれぞれの直下に生じる旋回流の対称性が高くなり、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）に垂直な方向（上下方向）の対流熱伝達が促進されるといえる。また、流路縦幅（Ｈ）が流路横幅（Ｗ）に対して狭く設けられることにより、冷却材の流速が増大するため、冷却材による除熱の効率が一層高められるといえる。
【００８９】
したがって、冷却材流路１６０は、第１リブ６１及び第２リブ６２が配列した壁面（１６０ｃ）に対して垂直な流路幅（流路縦幅（Ｈ））が、当該壁面に対して平行な流路幅（流路横幅（Ｗ））の１倍未満の長さであることが好ましく、凡そ０．５倍の長さであることが特に好ましい。なお、凡そ０．５倍の長さには、同等の結果が見込まれる、０．４倍以上０．６倍以下の長さが含まれる。より好ましい長さは、０．４５倍以上０．５５倍以下の長さである。
【００９０】
図８Ａは、リブ同士の間隔の第１例を示す冷却材流路の平面図、図８Ｂは、リブ同士の間隔の第１例における熱伝達率の解析結果を示す図である。また、図９Ａは、リブ同士の間隔の第２例を示す冷却材流路の平面図、図９Ｂは、リブ同士の間隔の第２例における熱伝達率の解析結果を示す図である。
図８Ａ及び図９Ａにおいては、第１リブ６１及び第２リブ６２のリブ同士の間隔の具体例を示している。また、図８Ｂ及び図９Ｂにおいては、冷却材流路１６０の壁面と冷却材との熱伝達率（熱伝達係数）の高低をドットの疎密で示している。ドットの密度が中程度の領域は、乱流が促進されることにより熱伝達係数が大きく増大した領域、ドットの密度が高い領域は、熱伝達係数が８０Ｍ［Ｗ／ｍ２・Ｋ］程度まで顕著に増大した領域を表す。
【００９１】
熱伝達率の解析は、１本の冷却材流路１６０の長さ２４ｍｍの区間に周期境界条件を課して計算したものである。冷却材流路１６０が設けられた基板は、横幅が、９．０ｍｍ、縦幅が９．５ｍｍであり、上面に６．６Ｍ［Ｗ／ｍ２］の等熱流束を印加し、上面と冷却材流路１６０との間の厚さは、１．５ｍｍとしている。基板は、銅製として物性値を定数で与えている。冷却材は、水であり、冷却材流路１６０の入口において、断面平均温度は、２５℃、断面平均流速は、２ｍ／ｓである。水の静圧は、１ＭＰａ、物性値は、状態式：ＩＡＰＷＳ−ＩＦ９７を用いて求めている。乱流モデルは、２層型realizable k-εモデルを用いた定常ＲＡＮＳ（Reynolds-Averaged Navier - Stokes equations）で解析している。
【００９２】
図８Ａに示す冷却材流路１６０は、リブ幅（ＲＷ）が、１．０ｍｍ、リブ同士の間隔（Ｐ）が、５．０ｍｍである。すなわち、リブ同士の間隔（Ｐ）は、リブ幅（ＲＷ）の５倍の長さである。なお、図８Ａに示す冷却材流路１６０において、流路横幅（Ｗ）は、６．０ｍｍ、流路縦幅（Ｈ）は、５．０ｍｍ、リブの傾斜距離（ＲＯ）は、１．５ｍｍ、リブ長さ（ＲＡ）は、３．０ｍｍ、リブ高さ（ＲＨ）は、１．０ｍｍである。
【００９３】
一方、図９Ａに示す冷却材流路１６０は、リブ幅（ＲＷ）が、１．０ｍｍ、リブ同士の間隔（Ｐ）が、３．０ｍｍに短縮されている。すなわち、リブ同士の間隔（Ｐ）は、リブ幅（ＲＷ）の３倍の長さであり、単位区間当たりにおけるリブ６１，６２の数が増加している。なお、図９Ａに示す冷却材流路１６０において、流路横幅（Ｗ）、流路縦幅（Ｈ）、リブの傾斜距離（ＲＯ）、リブ長さ（ＲＡ）及びリブ高さ（ＲＨ）は、図８Ａに示す冷却材流路１６０と同寸である。
【００９４】
図８Ｂに示すように、リブ同士の間隔（Ｐ）が５．０ｍｍの冷却材流路１６０では、熱伝達係数が大きく増大した領域が、主として、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心側に位置しており、リブ列６０に沿って蛇行して分布している。一方、熱伝達係数が顕著に増大した領域は、第１リブ６１や第２リブ６２の先端部、すなわち、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心付近に分布しており、取り分け、前縁６０ａに近い上流側の表面に集中している。図８Ｂに示す冷却材流路１６０では、全壁面における平均熱伝達率が、３．９２×１０４［Ｗ／ｍ２／Ｋ］となる。
【００９５】
これに対して、図９Ｂに示すように、リブ同士の間隔（Ｐ）が３．０ｍｍに短縮された冷却材流路１６０では、第１リブ６１や第２リブ６２の先端部の表面のみならず、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）においても、中心付近で熱伝達係数が顕著に増大している。また、熱伝達係数が顕著に増大した領域は、冷却材流路１６０の側壁面１６０ａ，１６０ｂの近傍においても拡大している。図９Ｂに示す冷却材流路１６０では、冷却材流路１６０の壁面の表面積が増大することにより、全壁面における平均熱伝達率が、４．１０×１０４［Ｗ／ｍ２／Ｋ］に増大している。
【００９６】
図８Ｂ及び図９Ｂが示すように、冷却材の流れ方向に沿ってあけられたリブ同士の間隔（Ｐ）が、冷却材の流れ方向に沿ったリブ幅（ＲＷ）に対して狭く設けられていると、冷却材による伝熱面積が増大するだけでなく、冷却材の流れの再付着による冷却や、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）に垂直な方向の対流熱伝達等が促進されるといえる。具体的には、冷却材流路１６０の壁面における最高温度は、１３５℃から１２７℃に低下し、基板の上面の最高温度は、１５５℃から１４６℃に低下する結果が得られる。
【００９７】
したがって、第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材の流れ方向に沿ってあけられたリブ同士の間隔（Ｐ）が、冷却材の流れ方向に沿ったリブ幅（ＲＷ）の５倍未満の長さであることが好ましく、２倍以上４倍以下の長さがより好ましく、凡そ３倍の長さであることがより好ましい。なお、凡そ３倍の長さには、同等の結果が見込まれる、２．５倍以上３．５倍以下の長さが含まれる。
【００９８】
図１０Ａは、リブの形状の一例を示す冷却材流路の平面図、図１０Ｂは、リブの形状の一例における熱伝達率の解析結果を示す図である。
図１０Ａにおいては、第１リブ６１及び第２リブ６２の形状を変えた一例を示している。また、図１０Ｂにおいては、冷却材流路１６０の壁面と冷却材との熱伝達率（熱伝達係数）の高低をドットの疎密で示している。ドットの密度が中程度の領域は、乱流が促進されることにより熱伝達係数が大きく増大した領域、ドットの密度が高い領域は、熱伝達係数が８０Ｍ［Ｗ／ｍ２・Ｋ］程度まで顕著に増大した領域を表す。図１０Ｂにおける熱伝達率は、定常ＲＡＮＳにより前記と同様の条件で解析した結果である。
【００９９】
図１０Ａにおいて、ｒＯは、冷却材の流れ方向についてのリブの屈曲点までの傾斜距離（リブ６１，６２の基端から屈曲点ｆｐまでの後縁６０ｂを斜辺とした対辺の長さ）、ｒＡは、冷却材の流れ方向に垂直な方向に沿ったリブの屈曲点までの長さ（リブ６１，６２の基端から屈曲点ｆｐまでの後縁６０ｂを斜辺とした隣辺の長さ）を示す。
【０１００】
図１０Ａに示す第１リブ６１及び第２リブ６２は、前縁６０ａが平面視で屈曲点や変曲点を有しない直線状である一方、後縁６０ｂが屈曲点ｆｐを有する折れ線状である。そして、後縁６０ｂの屈曲点ｆｐよりも中心線側が冷却材の流れ方向の上流側に位置するように傾斜して前縁６０ａに隣接し、リブ６１，６２の先端部に鋭角を形成している。
【０１０１】
図１０Ａに示す第１リブ６１及び第２リブ６２について、リブの屈曲点までの傾斜距離（ｒＯ）は、０．７５ｍｍ、リブの屈曲点までの長さ（ｒＡ）は、１．５ｍｍが想定される。なお、図１０Ａに示す第１リブ６１及び第２リブ６２について、流路横幅（Ｗ）、流路縦幅（Ｈ）、リブ幅（ＲＷ）、リブ同士の間隔（Ｐ）、リブの傾斜距離（ＲＯ）、リブ長さ（ＲＡ）及びリブ高さ（ＲＨ）は、図８Ａに示す冷却材流路１６０と同寸が想定される。すなわち、リブの屈曲点ｆｐは、図１０Ａにおいては、前縁６０ａに平行な後縁６０ｂの中点に対応する。
【０１０２】
図１０Ａに示すように、リブ６１，６２の先端部が鋭角な冷却材流路１６０では、図９Ａに示す冷却材流路１６０と比較して、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心線付近において、第１リブ６１と第２リブ６２との間隔が広くなっている。そして、図１０Ｂに示すように、熱伝達係数が顕著に増大した領域は、第１リブ６１や第２リブ６２の先端部の表面、リブ同士の間の壁面（１６０ｃ）の中心付近、及び、冷却材流路１６０の側壁面１６０ａ，１６０ｂの近傍のそれぞれにおいて分布が拡大している。冷却材の流れ方向に垂直な方向（左右方向）における熱伝達率分布の対称性は、図９Ａに示す冷却材流路１６０と比較して高くなっている。
【０１０３】
図１０Ｂが示すように、第１リブ６１及び第２リブ６２の前縁６０ａと後縁６０ｂとが、冷却材流路１６０の壁面の中心線側において鋭角を成して隣接していると、第１リブ６１と第２リブ６２との間隔が広くなり、リブ６１，６２の先端部の側面が、冷却材の流れ方向に垂直な方向（左右方向）の流れに対して抵抗を及ぼし難くなる。そのため、左右方向に流れる旋回流や剪断流が、間隔をあけて配列しているリブ毎に均等な周期で交互に逆方向に発達し易くなるといえる。
【０１０４】
したがって、第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材の流れ方向の上流側に位置する前縁６０ａと、冷却材の流れ方向の下流側に位置する後縁６０ｂとが、冷却材流路１６０の壁面（１６０ｃ）の中心線側において鋭角を成して隣接していることが好ましい。なお、リブ６１，６２の先端部の角度や、屈曲点等の位置は、リブ６１，６２が機能する範囲で適宜の角度や位置とすることが可能である。
【０１０５】
以上の冷却材流路１６０の構成を有する冷却構造によると、冷却材による除熱の効率が高く、約１．１×１０５［Ｗ／ｍ２／Ｋ］以上の熱伝達率を備える中性子発生装置用のターゲットを提供することができる。冷却材流路１６０の厚さは、５．０ｍｍ未満、３．０ｍｍ程度に短縮しても高い冷却能力を実現することが可能であり、ターゲット５を薄肉に設けることが可能である。また、第１リブ６１及び第２リブ６２の形状や配置を調整することにより、ターゲット材としてリチウムを用いる場合に、２０〜４０ｋＷ程度の高いビームパワーの照射を行ったとしても、リチウムの温度上昇を融点以下の低温に抑えることができる。
【０１０６】
なお、以上の冷却構造、中性子発生装置用のターゲットは、本発明に趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、構成の置換、構成の省略等を行うことが可能である。
【０１０７】
例えば、前記の冷却構造は、前記の中性子発生装置用のターゲット５の他、その他の任意の被冷却部材を冷却対象として適用することが可能である。冷却対象である被冷却部材は、リブ列６０やマイクロピット（微細穴）８０を有する冷却材流路１６０を形成可能である限り、形状、寸法、材質等は特に限定されない。このような冷却構造において、冷却材流路１６０は、複数本が形成されていてもよいし、単一本が形成されていてもよい。前記の冷却材流路１６０の構成が備えられることにより、冷却材による除熱の効率が高い冷却構造を提供することが可能である。
【０１０８】
また、冷却材流路１６０及びリブ６１，６２は、前縁６０ａや後縁６０ｂの根本が曲面で構成されていてもよい。リブ６１，６２が冷却材流路１６０の壁面から所定の曲率の曲面で立ち上がる形状とされることにより、冷却材の流れがリブ６１，６２に衝突して潜り込むとき、リブ６１，６２の根本付近に局所的に循環する二次流れが生じ難くなり、受熱した高温の冷却材の滞留が防止される。前縁６０ａや後縁６０ｂの根本の曲率半径は、冷却材流路１６０の壁面の表面積を確保する観点から、リブ高さ（ＲＨ）の５０％以下とすることが好ましい。
【０１０９】
また、冷却材流路１６０及びリブ６１，６２は、形状、寸法が前記の形態に限定されるものでは無く、同等の冷却能力を得れる適宜の形状、寸法に設けることができる。また、リブ６１，６２は、適宜の間隔に設けることができる。第１リブ６１及び第２リブ６２は、冷却材流路１６０の右壁面１６０ａ及び左壁面１６０ｂのそれぞれと密着せず、僅かに隙間をあけて設けられていてもよい。隙間の一例としては、流路横幅（Ｗ）６．０ｍｍに対して、０．５ｍｍ以下程度が想定される。
【０１１０】
また、マイクロピット（微細穴）８０は、冷却材流路１６０の壁面に適宜の配置で設けられていてもよいし、リブ６１，６２の表面に適宜の配置で設けられていてもよいし、或いは、冷却材流路１６０に設けられていなくてもよい。
【０１１１】
また、前記の中性子発生装置用のターゲット５において、保持基板５０は、第１基板５１と第２基板５２とが重ねられた構造を有し、冷却材流路１６０は、第２基板５２に設けられた条溝１２０の上部が第１基板５１で塞がれることにより形成されている。しかしながら、保持基板５０は、例えば、凹部１１０が形成された第１基板と、条溝１２０が形成された第２基板と、条溝１２０を塞ぐ面を有する第３基板とが重ねられた構造としてもよい。すなわち、条溝１２０が形成された第２基板５２とリブ列６０が設けられた面を有する第３基板とを重ね、条溝１２０の上部を第３基板で塞ぐことにより冷却材流路１６０を形成し、これらに対して、凹部１１０が形成された第１基板を接合してもよい。第３基板の材質は、好ましくは銅又はその合金、より好ましくは銅である。第３基板の接合は、例えば、熱間静水圧（等方加圧）プレス、ろう接等によって行うことが可能である。
【０１１２】
また、前記の中性子発生装置用のターゲット５において、第１基板５１の島部１１４は、平面視の形状が矩形状とされている。しかしながら、島部１１４は、直線及び曲線のいずれで構成される形状であってもよく、例えば、平面視の形状が、正方形、台形、平行四辺形、菱形、三角形、５角形や６角形等の多角形、円形、楕円形等の適宜の形状であってよい。島部１１４の形状は、複数の島部１１４について、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【０１１３】
また、前記の中性子発生装置用のターゲット５において、第１基板５１の島部１１４は、二方向に並列して行列状に配置されている。しかしながら、島部１１４は、その他の規則的な配置とされていてもよいし、不規則的な配置とされていてもよい。例えば、隣接する行列間で互い違いに配置させて千鳥配列させてもよい。また、６角形の島部１１４と６角形や円形の凹部１１０とをハニカム状に交互に六方配置させてもよい。或いは、島部１１４は、凹部１１０の中央から放射状に離散させて点対称に配列させてもよい。
【０１１４】
また、前記の中性子発生装置用のターゲット５は、前記の中性子発生装置１００の他、その他の任意の構成の中性子発生装置に備えることができる。例えば、中性子減速照射部２は、減速材２１、反射材２２、遮蔽材２３及びコリメータ２４のそれぞれを適宜の形状や配置として構成してよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１００    中性子発生装置
１        荷電粒子線発生装置
１ａ      イオン源
１ｂ      加速器
２        中性子減速照射部
４        導管
５        ターゲット
６        荷電粒子線
７        集束レンズ
９        中性子線
２１      減速材
２２      反射材
２３      遮蔽材
２４      コリメータ
５０      保持基板（基板、被冷却部材）
５１      第１基板
５２      第２基板
５４      ターゲット材
５６      金属箔
６０      リブ列
６０ａ    前縁
６０ｂ    後縁
６１      第１リブ
６２      第２リブ
８０      マイクロピット（微細穴）
１１０    凹部
１１２    縁枠部
１１４    島部
１２０    条溝
１３１    第１貫通孔
１３２    第２貫通孔
１３３    第３貫通孔
１３４    第４貫通孔
１３６    注入孔
１３８    排出孔
１６０    冷却材流路
１６０ａ  右壁面
１６０ｂ  左壁面
１６０ｃ  上壁面
１８０ａ  底面
１８０ｂ  側面
【図１】
2018021881.tif 000003
【図２Ａ】
2018021881.tif 000004
【図２Ｂ】
2018021881.tif 000005
【図２Ｃ】
2018021881.tif 000006
【図３】
2018021881.tif 000007
【図４】
2018021881.tif 000008
【図５Ａ】
2018021881.tif 000009
【図５Ｂ】
2018021881.tif 000010
【図５Ｃ】
2018021881.tif 000011
【図６Ａ】
2018021881.tif 000012
【図６Ｂ】
2018021881.tif 000013
【図７Ａ】
2018021881.tif 000014
【図７Ｂ】
2018021881.tif 000015
【図８Ａ】
2018021881.tif 000016
【図８Ｂ】
2018021881.tif 000017
【図９Ａ】
2018021881.tif 000018
【図９Ｂ】
2018021881.tif 000019
【図１０Ａ】
2018021881.tif 000020
【図１０Ｂ】
2018021881.tif 000021