(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線加速器により加速された粒子線が照射される被照射面を有し、当該被照射面に粒子線が照射されることで中性子線を発射する中性子線源と、
前記粒子線加速器から発射される粒子線の前記中性子線源の被照射面における照射位置を順次変更する粒子線走査手段と、
前記粒子線加速器からの粒子線の発射のタイミングと同期して前記粒子線走査手段を動作させる制御部と
を備える中性子線発生装置。
【請求項２】
前記粒子線加速器は、
粒子線を通過させ、通過する粒子線を加速するための電極管と、
粒子線が前記電極管を通過するタイミングに応じて、当該電極管に対して粒子線を加速するための電圧を印加する駆動回路とを具備しており、
前記制御部は、前記駆動回路の動作と同期して、前記粒子線走査手段を動作させるように構成されている、
請求項１に記載の中性子線発生装置。
【請求項３】
前記粒子線走査手段は、粒子線を偏向させることで被照射面における粒子線を照射する位置を順次変えていくように構成されている、
請求項１又は２に記載の中性子線発生装置。
【請求項４】
前記粒子線走査手段は、静電偏向又は電磁偏向を用いることで粒子線を偏向させるように構成されている、
請求項３に記載の中性子線発生装置。
【請求項５】
前記粒子線走査手段を複数備え、
前記中性子線源が、複数の前記粒子線走査手段それぞれに対応する複数の前記被照射面を有しており、
粒子線を複数の前記粒子線走査手段に分配輸送する粒子線分配輸送手段をさらに備え、
前記粒子線分配輸送手段により分配輸送された粒子線が、前記複数の粒子線走査手段それぞれから対応する前記被照射面に走査照射された場合に、前記中性子線源から発射される複数の中性子線が同一の中性子線照射対象に照射されるように、前記中性子線源が前記中性子線照射対象に対して配設されている、
請求項１乃至４の何れかに記載の中性子線発生装置。
【請求項６】
加速された粒子線を発射するステップと、
前記粒子線を発射するステップにおける粒子線の発射のタイミングと同期して、中性子線源の被照射面における当該ステップにおいて発射された粒子線の照射位置を順次変更する粒子線走査照射ステップと、
前記粒子線走査照射ステップによる粒子線の走査照射を受けて、中性子線源より中性子線を発生させる中性子線発生ステップと、
を有する、中性子線発生方法。
【請求項７】
前記中性子線源が複数の被照射面を有しており、
前記複数の被照射面それぞれに粒子線を走査照射できるよう、粒子線を分配輸送する粒子線分配輸送ステップをさらに有し、
前記粒子線走査照射ステップにおいて、前記粒子線分配輸送ステップにより分配輸送された粒子線を前記複数の被照射面それぞれに走査照射し、
前記中性子線発生ステップにおいて、前記粒子線走査照射ステップによる前記複数の被照射面それぞれへの粒子線の走査照射を受けて、同一の中性子線照射対象に対して中性子線を発射させる、
請求項６に記載の中性子線発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核破砕反応により高密度の中性子線を発生させる中性子線発生装置及び中性子線発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子線を得る方法として、高エネルギーの粒子線をターゲットに照射することで生じる核破砕反応を利用する方法がある。この方法では、粒子線をターゲットの一部分に集中して照射するため、粒子線の被照射部において発熱が生じる。この発熱はターゲットの損傷又は破壊の原因となるため、ターゲットを冷却する必要がある。
【０００３】
このターゲットの冷却方法として、ウラン、タンタル、タングステン等の固体重金属をターゲットとして用いた場合に、当該固体重金属ターゲットの周囲に冷却材を循環させることで冷却を行う方法が知られている。
【０００４】
また、別のターゲット冷却方法として、ターゲットに水銀又は鉛ビスマス等の液体金属を利用した方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この方法では、液体金属ターゲットを循環させながら粒子線を照射するため、当該液体金属ターゲット自身が冷却材としての役割も果たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９０５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、粒子線を一部に集中して照射する場合、粒子線の照射及びターゲットの核破砕反応により、粒子線の照射部においてホットスポットと呼ばれる膨大な発熱が生じる。このホットスポットで発生する熱量は、中性子線の大強度化を目的とする粒子線の高出力化に伴って増加しており、従来の技術では除熱が困難となってきている。また、ホットスポットが発生してしまった場合、以下のような問題が生じる。
【０００７】
固体重金属ターゲットを用いた場合の冷却方法では、ホットスポットの発生により、被照射部で固体重金属ターゲットの溶融が生じ、ターゲット自身が破損してしまう。
【０００８】
他方、液体金属ターゲットを用いた場合の冷却方法では、ホットスポットの発生により、液体金属ターゲットの温度が上昇してしまい、その液体金属ターゲットによって中性子線発生装置の構造材が腐食されてしまう。また、ホットスポットが発生することにより、粒子線の被照射部とその近傍とで大きな温度差が生じ、被照射部で過大な熱応力が発生する。この熱応力により、被照射部が破損し、液体金属ターゲットが流出してしまう。
【０００９】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる中性子線発生装置及び中性子線発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の中性子線発生装置は、粒子線加速器により加速された粒子線が照射される被照射面を有し、当該被照射面に粒子線が照射されることで中性子線を発射する中性子線源と、前記粒子線加速器から発射される粒子線の前記中性子線源の被照射面における照射位置を順次変更する粒子線走査手段と、前記粒子線加速器からの粒子線の発射のタイミングと同期して前記粒子線走査手段を動作させる制御部とを備える。
【００１２】
また、上記態様において、前記粒子線加速器は、粒子線を通過させ、通過する粒子線を加速するための電極管と、粒子線が前記電極管を通過するタイミングに応じて、当該電極管に対して粒子線を加速するための電圧を印加する駆動回路とを具備しており、前記制御部は、前記駆動回路の動作と同期して、前記粒子線走査手段を動作させるように構成されていてもよい。
【００１３】
また、上記態様において、前記粒子線走査手段は、粒子線を偏向することで粒子線を照射する位置を順次変えていくように構成されていてもよい。
【００１４】
また、上記態様において、前記粒子線走査手段は、静電偏向又は電磁偏向を用いることで粒子線を偏向するように構成されていてもよい。
【００１５】
また、上記態様において、前記粒子線走査手段を複数備え、前記中性子線源が、複数の前記粒子線走査手段それぞれに対応する複数の前記被照射面を有しており、粒子線を複数の前記粒子線走査手段に分配輸送する粒子線分配輸送手段をさ
らに備え、前記粒子線分配輸送手段により分配輸送された粒子線が、前記複数の粒子線走査手段それぞれから対応する前記被照射面に走査照射された場合 に、前記中性子線源から発射される複数の中性子線が同一の中性子線照射対象に照射されるように、前記中性子線源が前記中性子線照射対象に対して配設されて
いてもよい。
【００１６】
また、本発明の位置の態様の中性子線発生方法は、加速された粒子線を発射するステップと、前記粒子線を発射するステップにおける粒子線の発射と同期して、当該ステップにおいて発射された粒子線を中性子線源の被照射面に走査照射する粒子線走査照射ステップと、前記粒子線走査照射ステップによる粒子線の走査照射を受けて、中性子線源より中性子線を発生させる中性子線発生ステップと、を有する。
【００１７】
また、上記態様において、前記中性子線源が複数の被照射面を有しており、前記複数の被照射面それぞれに粒子線を走査照射できるよう、粒子線を分配輸送する粒子線分配輸送ステップをさらに有し、前記粒子線走査照射ステップにおいて、前記粒子線分配輸送ステップにより分配輸送された粒子線を前記複数の被照射面それぞれに走査照射し、前記中性子線発生ステップにおいて、前記粒子線走査照射ステップによる前記複数の被照射面それぞれへの粒子線の走査照射を受けて、同一の中性子線照射対象に対して中性子線を発生させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る中性子線発生装置及び中性子線発生方法によれば、中性子線発生源の粒子線の照射によるホットスポットの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１に係る中性子線発生装置の構成を示す模式図。
【図２】実施の形態１に係る中性子線発生装置の陽子ビーム走査部の構成を示す模式図。
【図３】実施の形態２に係る中性子線発生装置の構成を示す模式図。
【図４】実施の形態２に係る中性子線発生装置の陽子ビーム走査部の構成を示す模式図。
【図５】実施の形態２に係る中性子線発生装置の陽子ビーム加速器の概略構成を示す模式図。
【図６】実施の形態２に係る陽子ビーム加速器の構成の一部を示す模式図。
【図７】加速電極管とダミー電極管との間のギャップに電界を形成するための回路を示す模式図。
【図８】実施の形態２に係る陽子ビーム加速器が有する加速制御部の処理の流れを示すフローチャート。
【図９】スイッチング素子の切替制御を示すタイミングチャート。
【図１０】加速電極管とダミー電極間との間のギャップにおける電圧の時間的変化を示すグラフ。
【図１１】スイッチング素子のオン／オフ制御を説明するための図。
【図１２】陽子ビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図。
【図１３】実施の形態３に係る中性子線発生装置の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る中性子線発生装置１の構成を示す模式図である。中性子線発生装置１は、固体重金属ターゲットに陽子ビームを照射することで、核破砕反応を起こし、中性子線を発生させる中性子線発生装置である。この中性子線発生装置１は、陽子ビームを加速する陽子ビーム加速器１０と、陽子ビームが照射されることで中性子線を発生する固体重金属ターゲット１１と、固体重金属ターゲット１１の被照射面に対して陽子ビームを走査照射する陽子ビーム走査部１２と、固体重金属ターゲット１１を格納する固体重金属ターゲット容器１３と、固体重金属ターゲット容器１３に充填され、固体重金属ターゲット１１を冷却する冷却水１４と、冷却水１４を循環させるための冷却水循環ポンプ１５と、冷却水１４が固体重金属ターゲット１１を冷却する際に受ける熱を取り除くための熱交換器１６と、冷却水１４の温度上昇による体積膨張を吸収するサージタンク１７と、陽子ビーム加速器１０から発射された陽子ビームを検知し、陽子ビーム加速器１０から陽子ビームが発射されたことを示す情報を陽子ビーム走査部１２へ送信する陽子ビーム検出器１８を備えている。
【００２２】
図２は陽子ビーム走査部１２の構成を示す模式図である。陽子ビーム走査部１２は、陽子ビームを水平方向に偏向する偏向電磁石１２ａと、陽子ビームを垂直方向に偏向する偏向電磁石１２ｂと、それぞれの偏向電磁石１２ａ，１２ｂに磁界を発生させるための励磁電流を出力する励磁電流電源１２ｃ，１２ｄと、励磁電流電源の出力それぞれを独立に制御が可能な励磁電流制御部１２ｅとを備えている。
【００２３】
偏向電磁石１２ａ，１２ｂは、それぞれの励磁電流電源１２ｃ，１２ｄから励磁電流が入力されることで、磁界を発生させる。それぞれの偏向電磁石１２ａ，１２ｂで発生する磁界の中を陽子ビームが連続的に通過すると、陽子ビームは偏向される。この陽子ビームの偏向方向は、偏向電磁石１２ａ，１２ｂそれぞれから発生している磁界の磁束密度及び磁界の向きによって決まる。磁界の磁束密度及び向きは励磁電流によって決まるため、偏向電磁石１２ａ，１２ｂそれぞれに対応する励磁電流電源１２ｃ，１２ｄが出力する励磁電流を、励磁電流制御部１２ｅによって制御することで、陽子ビームの偏向方向を制御することができる。
【００２４】
以下、本実施の形態における中性子線発生装置１の動作について説明する。まず、中性子線発生装置１に入射された陽子ビームを、陽子ビーム加速器１０によって加速する。加速された陽子ビームは、陽子ビーム走査部１２に向けて射出される。ここで、陽子ビーム加速器１０から射出された陽子ビームを、陽子ビーム検出器１８によって検出する。陽子ビーム検出器１８は陽子ビームを検出すると、陽子ビーム加速器１０から陽子ビームが発射されたことを示す情報を陽子ビーム走査部１２に送信する。当該情報を受信した陽子ビーム走査部１２は、励磁電流電源１２ｃ，１２ｄからそれぞれに対応する偏向電磁石１２ａ，１２ｂに励磁電流を出力し、磁界を発生させる。磁界が発生している状態で陽子ビーム加速器１０によって加速された陽子ビームが陽子ビーム走査部１２に入射される。陽子ビーム加速器１０から入射された陽子ビームが、陽子ビーム走査部１２を通過すると、偏向電磁石１２ａ及び１２ｂで発生している磁界によって陽子ビームが偏向される。ここで陽子ビーム検出器１８から陽子ビームが発射されたことを示す情報を受信する毎に、陽子ビーム走査部１２は励磁電流制御部１２ｅから励磁電流電源１２ｃ，１２ｄそれぞれに制御信号を送信し、励磁電流の出力を徐々に変化させていく。すると、これに伴って陽子ビームの偏向方向が連続的に変化する。以上の動作によって、陽子ビーム加速器１０の動作と同期しながら、固体重金属ターゲット１１の被照射面に陽子ビームが走査照射される。
【００２５】
本実施の形態では、まず、陽子ビーム走査部１２から水平方向に１次元的に陽子ビームを走査照射することで走査線を得る。次に、走査線を垂直方向にずらしていくことで、固体重金属ターゲット１１に対して２次元的に陽子ビームを走査照射することができる。本実施の形態では、各走査線における陽子ビームの走査方向が走査線毎に逆転するように、陽子ビーム走査部１２から陽子ビームを走査照射する。具体例として、水平方向の走査線を垂直方向にずらしていくことで陽子ビームを走査照射する場合の動作を説明する。１番目の走査線では、陽子ビーム走査部１２は左から右の方向に陽子ビームを走査照射する。２番目の走査線では、１番目の走査線における終端から直下に移動した点を始端として、陽子ビーム走査部１２は１番目の走査線とは逆の右から左の方向に陽子ビームを走査照射する。３番目の走査線では、２番目の走査線における終端から直下に移動した点を始端として、陽子ビーム走査部１２は２番目の走査線と逆、すなわち１番目の走査線と同じ方向となる、左から右の方向に陽子ビームを走査照射する。これらの動作を繰り返すことで、陽子ビーム走査部１２は固体重金属ターゲット１１の被照射面に陽子ビームを走査照射する。
【００２６】
このように固体重金属ターゲット１１の被照射面を走査照射することで、陽子ビームがターゲットの一部分に集中して照射されることを避けることができ、ホットスポットの発生を防ぐことができる。また、被照射面に陽子ビームを走査照射することから、固体重金属ターゲット１１における発熱は被照射面全体で生じる。このため、実際に陽子ビームが照射された面における単位面積当たりの発熱量は、一部に集中して陽子ビームを照射したときと比較して低くなるため、水のような安価で且つ取り扱いの容易な冷却材を利用することも可能となる。
【００２７】
なお、本実施の形態における陽子ビーム検出器１８は、陽子ビーム加速器１０から射出される陽子ビームを検出するように構成されているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、陽子ビーム検出器１８を陽子ビーム加速器１０の前方に設置し、陽子ビーム加速器１０に陽子ビームが入射することを検知することで、陽子ビームが陽子ビーム走査部１２に入射するタイミングを推定し、そのタイミングを示す情報を陽子ビーム走査部１２に送信することで、陽子ビーム加速器１０からの陽子ビームの射出と同期するように構成されていてもよい。
【００２８】
なお、本実施の形態における上記の走査方式は一例であり、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、被照射面を走査照射することができれば、一般的な走査方式であるラスタースキャン又はラジアルスキャン等の方式を採用してもよい。
【００２９】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２に係る中性子線発生装置２の構成図である。中性子線発生装置２は、陽子ビームを加速する陽子ビーム加速器２０と、陽子ビームが照射されることで中性子線を発生する固体重金属ターゲット２１と、固体重金属ターゲット２１の被照射面に対して陽子ビームを走査照射する陽子ビーム走査部２２と、固体重金属ターゲット２１を格納する固体重金属ターゲット容器２３と、固体重金属ターゲット容器２３に充填され、固体重金属ターゲット２１を冷却する冷却水２４と、冷却水２４を循環させるための冷却水循環ポンプ２５と、冷却水が固体重金属ターゲット２１を冷却する際に受ける熱を取り除くための熱交換器２６と、冷却水２４の温度上昇による体積膨張を吸収するサージタンク２７と、を備えている。なお、本実施の形態において、陽子ビーム走査部２２は実施の形態１の陽子ビーム走査部１２と同様の構成であるので、その説明を省略する。
【００３０】
以下、実施の形態２に係る陽子ビーム加速器の構成について説明する。図５は、実施の形態２に係る陽子ビーム加速器２０の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０は、線形加速器である。図５に示すように、陽子ビーム加速器２０は、陽子ビームを発射する陽子ビーム発射部２０１と、複数の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。以下の説明では、陽子ビーム発射部２０１の陽子ビーム発射方向を「前方」といい、前記陽子ビーム発射方向の反対方向を「後方」という。
【００３１】
陽子ビーム発射部２０１の前方には、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が並べて配置されている。陽子ビーム発射部２０１に最も近接した加速電極管Ｔ１の前後それぞれには、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２が設けられている。つまり、加速電極管Ｔ１は、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２によって挟まれた状態で配置されている。後側のダミー電極管ＤＴ２のさらに後方には、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が順番に配置されている。
【００３２】
図６は、実施の形態２に係る陽子ビーム加速器の構成の一部を示す模式図である。図６に示すように、陽子ビーム加速器２０は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１の出力電圧は６０ｋＶであり、高電圧直流電源Ｐ２の出力電圧は２０ｋＶである。
【００３３】
高電圧直流電源Ｐ１は、陰極がスイッチング素子ＳＷＲ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
【００３４】
高電圧直流電源Ｐ２は、陽極がスイッチング素子ＳＷＦ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＦ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＦ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＦ４，ＳＷＦ５，…，ＳＷＦ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
【００３５】
加速電極管Ｔ１は浮遊容量を持っており、浮遊容量によるコンデンサＣの一方の電極は加速電極管Ｔ１に接続されており、コンデンサＣの他方の電極は接地されている。
【００３６】
これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここで、後述するように、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に−６０ｋＶとなる。
【００３７】
他方、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１との接続は遮断され、高電圧直流電源Ｐ２と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここでも、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ２、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に２０ｋＶとなる。
【００３８】
他の加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷＲｎをオンにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオフにすると、加速電極管Ｔｎの電位は一次遅れで−６０ｋＶに漸近する（ｎは２〜２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷＲｎをオフにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオンにすると、加速電極管Ｔｎの電位は２０ｋＶに漸近する。
【００３９】
図６に示すように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１との間には所定距離の間隙が設けられている。この空間（以下、「ギャップ」という。）ＧＤ１が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１とは絶縁されている。同様に、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間にもギャップＧＤ２が設けられている。また、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ２との間にもギャップＧ１が設けられており、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。さらに、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２のそれぞれは接地されている。
【００４０】
このように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間にギャップＧＤ１，ＧＤ２が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１に電圧が印加されると、ギャップＧＤ１，ＧＤ２には電界が形成される。同様に、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、これらの加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップを通過する陽子ビームが加速される。
【００４１】
図７は、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間のギャップＧＤ１，ＧＤ２に電界を形成するための回路を示す模式図である。スイッチング素子ＳＷＲ１は、オン抵抗ＲＲ１及びＲＲ２を有している。図７に示すように、スイッチング素子ＳＷＲ１は加速電極管Ｔ１の後部に接続されており、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、及び抵抗ＲＲ２は直列接続されているものとして示される。また、抵抗ＲＲ２には、高電圧直流電源Ｐ１の陰極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。一方、加速電極管Ｔ１の前部には、スイッチング素子ＳＷＦ１が接続されている。スイッチング素子ＳＷＦ１はオン抵抗ＲＦ１及びＲＦ２を有しており、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、及び抵抗ＲＦ２のそれぞれは直列接続されているものとして示される。抵抗ＲＦ２には、高電圧直流電源Ｐ２の陽極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。また、加速電極管Ｔ１には、上述したように浮遊容量としてのコンデンサＣが存在する。等価回路として、この浮遊容量であるコンデンサＣの一方の電極が加速電極管Ｔ１接続されており、コンデンサＣの他方の電極が接地されていると考えることができる。したがって、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、抵抗ＲＲ２、及び高電圧直流電源Ｐ１の回路が形成される。この回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで負の電位が印加される。また、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路が形成される。この回路もまた一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで正の電位が印加される。
【００４２】
陽子ビーム加速器２０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成された加速制御部２０２を有している。この加速制御部２０２は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１に接続されており、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１を駆動することが可能である。また、図では省略したが、加速制御部２０２は、各スイッチング素子ＳＷＲ２〜ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２〜ＳＷＦ２８にも接続されており、これらのスイッチング素子ＳＷＲ２〜ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２〜ＳＷＦ２８も駆動することができる。さらに、加速制御部２０２は、陽子ビーム発射部２０１にも接続されており、陽子ビーム発射部２０１を制御することができる。
【００４３】
本実施の形態において、陽子ビーム走査部２２は後述するように、陽子ビーム加速器２０の加速制御部２０２と同期することで、陽子ビーム加速器２０からの陽子ビームの射出と同期するように励磁電流制御部２１ｅは設定されている。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る中性子線発生装置２の動作について説明する。本実施の形態では、まず、陽子ビーム加速器２０により、陽子ビームを加速する。図８は、実施の形態２に係る陽子ビーム加速器２０が有する加速制御部２０２の処理の流れを示すフローチャートである。まず、加速制御部２０２は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔ１には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶとなる。
【００４５】
また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとされる。
【００４６】
次に加速制御部２０２は、陽子ビーム発射部２０１を制御して、陽子ビームを発射させる（ステップＳ２）。陽子ビーム発射部２０１は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有する陽子ビームを発射する。陽子ビーム発射部２０１から発射された陽子ビームは、ダミー電極管ＤＴ１を通過し、ギャップＧＤ１に進入する。この時点において、ダミー電極管ＤＴ１の電位はアース電位であり、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧＤ１には、電界が形成されている。この電界の向きは、ダミー電極管ＤＴ１から加速電極管Ｔ１へ向かう方向、即ち前方である。陽子ビームは正の電荷を有しているため、陽子ビームはギャップＧＤ１を通過する間にこの電界によって加速され、加速電極管Ｔ１に進入する。ギャップＧＤ１では陽子ビーム全体が等電界で加速を受けるため、後述するような陽子ビームの軸長方向への収束作用は働かない。
【００４７】
次に加速制御部２０２は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、陽子ビームが発射されてから、陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央部分に位置していることになる。
【００４８】
ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、加速制御部２０２はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ１には、正の電位が印加される。
【００４９】
図９は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１の切り替え制御を示すタイミングチャートである。図において、横軸は時間を、縦軸はスイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１のオン／オフ状態を示している。ｔ０は陽子ビーム発射部２０１から陽子ビームが発射される時刻を、t１は陽子ビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の後端に到達する時刻を、t２は陽子ビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の前端に到達する時刻を、t３は陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に到達する時刻を、t４は陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達する時刻を、t５は陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の前端に到達する時刻を、t６は陽子ビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の後端に到達する時刻を、t７は陽子ビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の前端に到達する時刻を、それぞれ示している。また、ｔｓ１は時刻ｔ１から時刻ｔ２に至る期間を、ｔｓ２は時刻ｔ２から時刻ｔ３に至る期間を、ｔｓ３は時刻ｔ３から時刻ｔ５に至る期間を、ｔｓ４は時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る期間を、ｔｓ５は時刻ｔ６から時刻ｔ７に至る期間を、それぞれ示している。
【００５０】
図９に示すように、陽子ビームが発射される時刻ｔ０において、スイッチング素子ＳＷＲ１はオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１はオフとされている。陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に位置する時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられる。
【００５１】
図１０は、ギャップＧＤ１における電圧の時間的変化を示すグラフである。図に示すように、時刻ｔ０〜ｔ４においては、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされているため、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶである。また、ダミー電極管ＤＴ１の電位は０であるから、ギャップＧＤ１における電位差は６０ｋＶとなる。上述したように、時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。これにより、加速電極管Ｔ１の電位は上昇する。
【００５２】
コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１の電位（つまり、ギャップＧＤ１における電位差）は、時間の経過に応じて上昇する。
【００５３】
ここで、ダミー電極管ＤＴ２の電位は０であるため、ギャップＧＤ２における電位差は、時間の経過に応じて上昇する。陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に位置する時点ｔ５において、加速電極管Ｔ１の電位は０Ｖ以上となっている。すなわち、加速電極管Ｔ１の長さ、ギャップＧＤ２の長さ、コンデンサＣの容量、抵抗ＲＦ１及びＲＦ２の抵抗値等は、時刻ｔ５においてギャップＧＤ２に陽子ビームを加速させる電界を発生させ、且つ、その電界の強さが更に過渡現象による上昇過程の途中となるように設定される。つまり、時刻ｔ５においては、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達していない。本実施の形態においては、時刻ｔ６においても、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達せず、時刻ｔ７の付近において２０ｋＶとなるように設定されている。
【００５４】
このように、ギャップＧＤ２に発生した電界は、陽子ビームがギャップＧＤ２を通過する期間ｔｓ４において単調増加する。ギャップＧＤ２における電位差が正であれば、ギャップＧＤ２における電界の向きは陽子ビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧＤ２における電界の強さが大きい程、陽子ビームはその進行方向へ強く加速される。つまり、ギャップＧＤ２に発生する電界によって、陽子ビームの後端が進行方向へより強く加速される。したがって、陽子ビームがギャップＧＤ２を通過することにより、当該陽子ビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
【００５５】
図８に示す加速制御部２０２の処理の説明に戻る。加速制御部２０２は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、対応する切替時間が予め定められている。各切替時間は、陽子ビームが発射されてから、陽子ビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、陽子ビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑの中央部分に位置していることになる。
【００５６】
ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、加速制御部２０２はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔｑには、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、加速電極管Ｔｑに含まれる浮遊容量の影響で加速電極管Ｔｑの電位は＋２０ｋＶに漸近する。
【００５７】
ここで、加速電極管Ｔｑに後続する加速電極管Ｔｑ＋１には、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、加速電極管Ｔｑ＋１の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管ＴｑとＴｑ＋１との間のギャップＧｑにおける電位差は８０ｋＶであり、ギャップＧｑにおける電界の向きは加速電極管Ｔｑから加速電極管Ｔｑ＋１へ向かう方向、即ち前方である。これにより、陽子ビームはギャップＧｑを通過する間にこの電界によって加速されることになる。加速電極管Ｔ１の場合と異なり、加速電極管Ｔｑではスイッチング素子ＳＷＲｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、陽子ビームがギャップＧｑを通過する時刻では加速電極管Ｔｑの電位はほぼ２０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑを通過することで陽子ビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
【００５８】
加速制御部２０２は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、加速制御部２０２は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、陽子ビーム加速器２０の動作初期には−６０ｋＶに印加されていた加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の電位が順次２０ｋＶに切り替えられる。
【００５９】
図１１は、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を説明するための図である。以下の説明では、ｎが２〜２６の整数を示すものとする。陽子ビームが加速電極管Ｔｎの軸長方向中央を通過するときには（図中、１行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎがオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦｎがオフとされる。このため、加速電極管Ｔｎの電位は＋２０ｋＶとなっている。一方、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１及びＳＷＲｎ＋２はオフ（初期状態）とされ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１及びＳＷＦｎ＋２がオン（初期状態）とされている。つまり、加速電極管Ｔｎに後続する加速電極管Ｔｎ＋１，加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎには８０ｋＶの電位差が生じており、ギャップＧｎにおける電界の向きは陽子ビームの進行方向と一致している。なお、ギャップＧｎ＋１の電位差は０であり、ギャップＧｎ＋１には電界が生じていない。
【００６０】
陽子ビームはギャップＧｎを通過し、このときギャップＧｎの電界により加速される。加速された陽子ビームは、次の加速電極管Ｔｎ＋１に進入する（図中、２行目）。陽子ビームが加速電極管Ｔｎ＋１の軸長方向中央を通過するときには（図中、３行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋１の電位は＋２０ｋＶに変化する。このとき、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２及びＳＷＦｎ＋２のそれぞれは初期状態から変化しない。したがって、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎ＋１には８０ｋＶの電位差が生じ、ギャップＧｎ＋１における電界の向きは陽子ビームの進行方向と一致する。
【００６１】
陽子ビームはギャップＧｎ＋１を通過し、ギャップＧｎ＋１の電界により加速される。加速された陽子ビームは、次の加速電極管Ｔｎ＋２に進入する（図中、４行目）。陽子ビームが加速電極管Ｔｎ＋２の軸長方向中央を通過するときには（図中、５行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋２がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は＋２０ｋＶに変化する。
【００６２】
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から８０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、陽子ビームが加速される。
【００６３】
陽子ビームは、静電レンズ又は４極電場回路を設けなければ、空間電荷効果によってその半径方向（軸長方向に直交する方向）に拡大される。本実施の形態においては、各ギャップＧＤ１，ＧＤ２，及びＧ１，Ｇ２，…，Ｇ２７に発生する電界が静電レンズとして機能する。つまり、陽子ビームがギャップＧｎを通過するとき、ギャップＧｎに生じている電界の静電レンズ効果によって、陽子ビームが半径方向に縮小される。図１２は、陽子ビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図である。加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶであり、加速電極管Ｔｎ＋１の電位が−６０ｋＶである場合、図に示すように、ギャップＧｎには電界が発生する。この電界は、静電凸レンズとして機能し、ギャップＧｎを通過する陽子ビームをその半径方向に収束させる。陽子ビームの収束作用の強さ、つまり、静電レンズの焦点距離は、電界の強さにより変化する。電界の強さは、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差の大きさ、ギャップＧｎの軸長方向の長さにより定まる。したがって、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差、又は、ギャップＧｎの軸長方向の長さを調整することで、陽子ビームが加速電極管の内壁に衝突しないよう、陽子ビームの半径方向の大きさを適切に設定することができる。
【００６４】
ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、加速制御部２０２は、処理を終了する。
【００６５】
以上のように、本実施の形態においては、陽子ビーム発射部２０１から発射された陽子ビームがギャップＧＤ１を通過するときに、ギャップＧＤ１には時間に応じて変化しない電界が発生している。この電界の向きは、陽子ビームの進行方向と一致しており、陽子ビームはこの電界を通過するときに加速される。また、陽子ビームがギャップＧＤ１を通過するときには、軸長方向へのビーム凝縮（収束）は行われない。また、陽子ビームがギャップＧＤ２を通過するときに、ギャップＧＤ２には時間に応じて強度が大きくなる電界が発生している。この電界の向きは、陽子ビームの進行方向と一致しており、陽子ビームはこの電界を通過するときに加速される。また、陽子ビームはギャップＧＤ２を通過するときに、電界の強さの時間的変化により、その軸長方向に凝縮される。
【００６６】
また、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８では、オン抵抗が小さなスイッチング素子で電位が切り替えられるため、時定数が５ナノ秒未満と小さく、実質的に遅れを生じることなく加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶになる。したがって、陽子ビームがギャップＧｎを通過するとき、このギャップＧｎにおける電位差が時間的に変化することがない。したがって、陽子ビームはギャップＧｎを通過するときに、陽子ビーム全体が均等に所定の加速電圧を受けることになる。このように、本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０は、陽子ビームを均等に加速する要素と、陽子ビームを軸長方向に凝縮する要素とを有しているので、陽子ビームの加速及び適切なバンチ形成の両立が可能となる。
【００６７】
以上の動作により、陽子ビームは軸長方向に適切な長さを保ったまま加速される。加速された陽子ビームは、陽子ビーム走査部２２に向けて射出される。ここで、陽子ビーム走査部２２は励磁電流電源２２ｃ，２２ｄからそれぞれに対応する偏向電磁石２２ａ，２２ｂに励磁電流を出力し、予め磁界を発生させておく。磁界が発生している状態で陽子ビーム加速器２０によって加速された陽子ビームが陽子ビーム走査部２２に入射される。陽子ビーム加速器２０から入射された陽子ビームが、陽子ビーム走査部２２を通過すると、偏向電磁石２２ａ及び２２ｂで発生している磁界によって陽子ビームが偏向される。陽子ビーム走査部２２は、励磁電流制御部２２ｅから励磁電流電源２２ｃ，２２ｄそれぞれに制御信号を送信し、励磁電流の出力を徐々に変化させていく。すると、これに伴って陽子ビームの偏向方向が連続的に変化する。以上の動作によって、固体重金属ターゲット２１の被照射面に陽子ビームが走査照射される。
【００６８】
ここで、励磁電流制御部２２ｅは、陽子ビーム加速器２０の加速制御部２０２の加速制御と同期して励磁電流電源２２ｃ，２２ｄを制御する。これにより本実施の形態では、陽子ビーム走査照射部２２の動作と陽子ビーム加速器２０の動作とが同期することになる。具体的な同期方法を以下に説明する。加速制御部２０２は予め設定された切替時間に基づいて、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を行っている。これらの切替時間から、陽子ビームが陽子ビーム走査部２２に到達する時刻を予測しておく。予測された時刻を予め励磁電流制御部２２ｅに記憶させておき、この時刻に基づいて励磁電流制御部を動作させることで、励磁電流制御部２２ｅと陽子ビーム加速器２０の加速制御部２０２を同期させる。
【００６９】
本実施の形態によれば、陽子ビーム加速器２０の加速制御部２０２及び陽子ビーム走査部２２の励磁電流制御部２２ｅを単純なシーケンス制御によって制御することができるため、陽子ビームの射出を検出するための陽子ビーム検出器等を設置する必要がなく、装置全体の構成を簡易なものとすることができ、制御も容易となる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０は、陽子ビームの軸長方向を制御することができる。このため、本実施の形態によれば、陽子ビーム加速器２０で固体重金属ターゲット２１の被照射面に対応した長さに陽子ビームの長さを制御することができ、固体重金属ターゲット２１への陽子ビームの走査照射をより効率的に行うことが可能となる。
【００７１】
本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０において、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の少なくとも１つに、オン抵抗の大きなスイッチング素子を接続してもよい。このようにすることで、当該スイッチング素子が接続された加速電極管の浮遊容量とオン抵抗とによって一次遅れ系が構成される。これにより、その加速電極管Ｔｎに対応するスイッチング素子ＳＷＲｎがオフにされ、同時にスイッチング素子ＳＷＦｎがオンにされると、加速電極管Ｔｑの電位が−６０ｋＶから一次遅れで２０ｋＶに変化する。このように、オン抵抗の大きなスイッチング素子を取り付ける加速電極管の数を調節することで、陽子ビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を調節することが可能となる。
【００７２】
このような構成とすることにより、陽子ビーム加速器２０に高周波電源を備える必要がない。また、従来の陽子ビーム加速器では、高周波の位相を陽子ビームのギャップ通過と同期させる必要があり、このため、加速電極管の長さを精密に調整することが必要であった。本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０では、加速電極管の長さを調整することで、陽子ビームのギャップ通過と加速電界の発生タイミングとの同期を取るのではなく、陽子ビームがギャップを通過する間に加速電界の強さが増加するように、スイッチング素子のオン／オフ切替のタイミングを調整すればよい。このため、従来に比べて加速電極管の長さを精密に調整する必要がなく、加速電極管の製造コストを低減することが可能となる。
【００７３】
また、本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０では、高周波電源を必要としない。高周波電源を使用する場合、ギャップを通過する微少な時間に陽子ビームを加速するためには、数百メガＨｚ以上の周波数の高周波電圧が必要であり、長距離にわたる加速器を駆動するためには水冷クライストロン管（真空管）を用いた高周波電源装置が不可欠である。このような高価な高周波電源を使用する必要がないため、本実施の形態に係る陽子ビーム加速器２０では、従来に比して大幅なコスト低減が可能となる。
【００７４】
なお、本実施の形態においては、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２の間に加速電極管Ｔ１を配置し、ダミー電極管ＤＴ１と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ１では、陽子ビームが通過する間において時間的に変化しない電界を形成し、この電界によって陽子ビームを加速し、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間のギャップＧＤ２では、陽子ビームが通過する間において時間的に強さが増大する電界を形成し、この電界によって陽子ビームを加速する構成としたがこれに限定されるものではない。例えば、前側のダミー電極管ＤＴ２に代えて、高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに接続可能な加速電極管を配置してもよい。この場合、加速電極管Ｔ１の前側に配置された加速電極管に初期状態として−６０ｋＶの電位を印加しておく。加速電極管Ｔ１の軸長方向中央を陽子ビームのリーディングエッジが通過する時点で、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１の電位が一次遅れで増大する。これにより、加速電極管Ｔ１とその隣の加速電極管との間のギャップにおける電界の強さが一次遅れで変化し、変化している間に当該ギャップを陽子ビームが通過することで、陽子ビームを軸長方向に短縮することができる。
【００７５】
また、本実施の形態においては、加速電極管Ｔ１の浮遊容量であるコンデンサＣにより、一次遅れ回路を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。加速電極管Ｔ１にコンデンサを接続し、これによって一次遅れ回路を形成する構成としてもよい。
【００７６】
また、本実施の形態においては、ギャップにおける電界の強さを一次遅れで増加させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。隣り合う電極管の間のギャップにおいて、電界の強さを２次遅れにより変化させる構成としてもよい。例えば、加速電極管Ｔ１に２つのコンデンサを接続し、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及び２つのコンデンサを含む回路を二次遅れ系とすることもできる。但し、この場合には、陽子ビームがギャップを通過する間に、当該ギャップにおける電界が増加するように構成する必要があり、減衰比が１以下となるようにすることが特に好ましい。
【００７７】
また、本実施の形態においては、陽子ビーム加速器２０を線形加速器としたが、これに限定されるものではない。複数の加速電極管を非線形に配置し、隣り合う加速電極管の間に偏向磁石を配置して、当該偏向磁石によって進行中の陽子ビームの進行方向を変化させて、非線形に配置された加速電極管に順次陽子ビームを通過させる構成としてもよい。この場合、少なくとも１つの加速電極管に大きなオン抵抗を有するスイッチング素子を接続し、このスイッチング素子をオン／オフ制御することで、当該加速電極管と、その隣の加速電極管との間のギャップに、時間的に強さが増加する電界を形成する。この電界の強さが増加している途中において、当該ギャップに陽子ビームを通過させる構成とすることができる。
【００７８】
また、サイクロトロンの電極（ディー）に印加する電圧を制御することによって、陽子ビームの長さを調整するように構成することもできる。例えば、サイクロトロンの電極の一方にオン抵抗の大きなスイッチング素子を接続して一次遅れ系とし、当該スイッチング素子を介して直流電源に電極を接続する。イオン発射部から発射された陽子ビームが１つの電極の内部を通過している間に、スイッチを切り替えることで前記一方の電極に負の電位を印加し、前記他方の電極に正の電位を印加する。ギャップの電界の強さが一次遅れにより増加する間に、陽子ビームにギャップを通過させる。
【００７９】
また、本実施の形態においては、陽子ビームが加速電極管Ｔ１を進行している間に、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１に正の電位を印加し、接地されているダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、次のような構成とすることもできる。ダミー電極管ＤＴ２に一定の負の電位を印加しておき、負の電位が印加されている加速電極管に接続されたスイッチング素子をオフに切り替えることで、加速電極管と直流電源との接続を遮断する。これにより加速電極管の電位が０へ向かって変化し、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界が形成される。
【００８０】
（実施の形態３）
図１３は実施の形態３にかかる中性子線発生装置３の構成図である。本実施の形態では、陽子ビームを加速する陽子ビーム加速器３０と、二つの固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂと、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂそれぞれに対応する二つの陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂと、陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂそれぞれに陽子ビームを分配輸送するための高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ：High Energy Beam Transportation）ライン３８と、中性子線が照射されることで核分裂反応を起こす未臨界炉心３９と、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂ及び未臨界炉心３９を格納する格納容器３３と、格納容器３３に充填され、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂ及び未臨界炉心３９を冷却する冷却水３４と、冷却水３４を循環させるための冷却水循環ポンプ３５と、冷却水３４が固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂを冷却する際に受ける熱を取り除くための熱交換器３６と、冷却水３４の温度上昇による体積膨張を吸収するサージタンク３７と、を備えている。なお、陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂは実施の形態１における陽子ビーム走査部１２と同様の構成であるので、その説明を省略する。また、陽子ビーム加速器３０は実施の形態１における陽子ビーム加速器２０と同様の構成であるので、その説明を省略する。
【００８１】
本実施の形態においては、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂは、未臨界炉心３９を挟んで相対するように配置されている。陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂは、それぞれが対応する固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂに対して陽子ビームを走査照射することができるよう配置されている。
【００８２】
以下、本実施の形態における中性子線発生装置３の動作について説明する。まず、中性子線発生装置３に入射した陽子ビームは、陽子ビーム加速器３０によって加速される。陽子ビーム加速器３０によって加速された陽子ビームは、高エネルギービーム輸送ライン３８によって、陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂそれぞれに分配輸送される。各陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂへ分配輸送された陽子ビームは、各陽子ビーム走査部に対応する固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂの被照射面に対して、各陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂから走査照射される。なお、陽子ビーム走査部３２ａ，３２ｂから走査照射する際の動作については、前記実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。
【００８３】
本実施の形態によれば、未臨界炉心３９に対して複数の方向から中性子線を発射することができるため、未臨界炉心３９の複数の面に中性子線を分散させることができる。これにより、未臨界炉心３９の中性子線が照射される部分において、急激な温度上昇を抑えることができ、水のような安価且つ取り扱いの容易な冷却材で冷却することが可能になる。
【００８４】
また、従来の技術では、固体重金属ターゲット及び未臨界炉心の冷却には溶融金属ナトリウム等が用いられており、発電するには熱交換器をさらに設置し、そこで発生する蒸気を用いて蒸気タービンを回す必要があった。しかし、本実施の形態では、冷却材として水を採用することができるため、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂ及び未臨界炉心３９を冷却する際に発生する蒸気によって、直接蒸気タービンを回すことが可能となる。
【００８５】
本実施の形態においては、固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂが未臨界炉心３９を挟んで相対するようにして配置されている。このように配置すれば、各固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂから未臨界炉心３９の対向する面それぞれに対して中性子線が照射されるため、各固体重金属ターゲット３１ａ，３１ｂから発射される中性子線が重複せずに、未臨界炉心３９に対して照射される。これにより、未臨界炉心３９に対して中性子線を偏りなく分散して照射することができるため、未臨界炉心３９の中性子線が照射される部分における急激な温度上昇を抑えることができる。
【００８６】
本実施の形態においては、二つの固体重金属ターゲットを用いているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、三つ以上の固体重金属ターゲットを用いてもよい。この他、複数の被照射面を有するのであれば、角筒のような形状の固体重金属ターゲットを一つだけ用いるような構成でもよい。
【００８７】
本実施の形態においては、固体重金属ターゲットは未臨界炉心を挟んで相対するように配置されているが、本発明はこれに限定されるわけではなく、未臨界炉心に対して複数の方向から中性子線が照射されるように固体重金属ターゲットが配置されていればよい。
【００８８】
本実施の形態においては、中性子線を照射する対象として未臨界炉心を用いているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、中性子線治療対象となる癌患部又は非破壊検査対象となる金属材料等でもよい。
【００８９】
本実施の形態においては、陽子ビーム加速器は実施の形態２と同様であるとしたが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、陽子ビームの位置を検出する陽子ビーム検出器をさらに備えることで、実施の形態１と同様の構成としてもよい。
【００９０】
（その他の実施の形態）
上記の各実施の形態においては、中性子線を発生させるためにターゲットに照射するビームとして陽子ビームを用いているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、核破砕反応により中性子線を発生させることができるのであれば、重イオンビーム等であってもよい。
【００９１】
上記の各実施の形態においては、中性子線を発生させる中性子線源として、固体重金属ターゲットを用いているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、被照射部が面状になっており、陽子ビームを走査照射することができるよう構成された容器内に格納することで、水銀又は鉛ビスマス等のような液体金属ターゲットを用いてもよい。
【００９２】
上記の各実施の形態においては、電磁石を用いた電磁偏向により陽子ビームを偏向しているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、静電偏向によって陽子ビームを偏向するように構成されていてもよい。
【００９３】
上記の各実施の形態においては、陽子ビームを走査照射するために、陽子ビームを偏向していたが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、中性子線源を移動させることにより、中性子線源の被照射面に陽子ビームを走査照射するように構成されていてもよい。
【００９４】
上記の各実施の形態においては、陽子ビームを面状に走査照射するように構成しているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、線状に走査照射するように構成されていてもよい。
【００９５】
上記の各実施の形態においては、陽子ビーム加速器からの陽子ビームの射出を検出する、又は陽子ビーム加速器の加速制御部と同期することで、陽子ビーム加速器からの陽子ビームの射出と同期して、陽子ビーム走査照射部は走査照射を行うように構成されているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、陽子ビーム加速器からの陽子ビームの射出に関係なく、陽子ビーム走査照射部は常時動作するように構成されていてもよい。
【００９６】
上記の各実施の形態においては、固体重金属ターゲット及び未臨界炉心の冷却材として冷却水を用いているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、金属ナトリウム等を冷却材として用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の中性子線発生装置及び中性子線発生方法は、核破砕反応を利用した中性子線発生装置及び中性子線発生方法として有用である。
【符号の説明】
【００９８】
１，２，３      中性子線発生装置
１０，２０，３０      陽子ビーム加速器
１１，２１，３１ａ，３１ｂ      固体重金属ターゲット
１２，２２，３２ａ，３２ｂ      陽子ビーム走査部
１３，２３，３３      固体重金属ターゲット容器
１４，２４，３４      冷却水
１５，２５，３５      冷却水循環ポンプ
１６，２６，３６      熱交換器
１７，２７，３７      サージタンク
１８      陽子ビーム検出器
３８      高エネルギービーム輸送ライン
３９      未臨界炉心
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ      偏向電磁石
１１ｃ，１１ｄ，２１ｃ，２１ｄ      励磁電流電源
１１ｅ，２１ｅ      励磁電流制御部
２０１    陽子ビーム発射部
２０２    加速制御部
Ｃ    コンデンサ
ＧＤ１，ＧＤ２    ギャップ
ＤＴ１，ＤＴ２    ダミー電極管
Ｐ１，Ｐ２    高電圧直流電源
ＲＲ１，ＲＲ２，ＲＦ１，ＲＦ２    抵抗
ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８    スイッチング素子
ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８    スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔ２８    加速電極管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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