(57)【要約】【課題】荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶解することのないビームダンプを提供する。【解決手段】本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプ１０，１０’であって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１，１１’を備え、ダンプターゲット１１，１１’は、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部１５，１５’を有する中心部１２，１２’と、中心部１２，１２’の周囲に設けられる周囲部１３，１３’とを備え、中心部１２，１２’は周囲部１３，１３’より融点の高い材質から構成され、周囲部１３，１３’は中心部１２，１２’より熱伝導率の高い材質から構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、
前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットを備え、該ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されていることを特徴とするビームダンプ。
【請求項２】
前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されている請求項１に記載のビームダンプ。
【請求項３】
前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されている請求項１又は２に記載のビームダンプ。
【請求項４】
前記入射凹部は円錐形状を成している請求項３に記載のビームダンプ。
【請求項５】
前記入射凹部の入射面は放物面を形成している請求項３に記載のビームダンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器等で加速されて照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陽子や電子などを加速して高エネルギーの荷電粒子ビームを取り出すリニアックやシンクロトロン等の加速器を備えた施設において、加速器で加速された荷電粒子ビームのエネルギーをダンプターゲットに衝突させて崩壊、除去させるためにビームダンプが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２は従来のビームダンプの一例を示しており、このビームダンプ１は、立方体又は直方体形状の金属製（例えば、鉄製）のダンプターゲット２が建屋内の鉄筋コンクリート製の床に載置されて構成されており、このダンプターゲット２の内部には荷電粒子ビームの入射軸に沿って円柱形状を成す入射凹部３が形成されている。
【０００４】
そして、この入射凹部３に入射した高速の荷電粒子ビームは、ダンプターゲット２に衝突する際に熱エネルギーに変換され、この時に発生した熱はダンプターゲット２の内部を熱伝導し、ダンプターゲット２の外表面から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出され、これにより、ダンプターゲット２は熱的に安定状態を保つようになっている。
【特許文献１】特開平７−３３５３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のビームダンプでは、荷電粒子ビームのエネルギーの増大に伴い、ダンプターゲットが融点以上の高温となり、溶融するおそれがあるといった問題があった。
【０００６】
特に、上記した図１２に示す従来のビームダンプ１では、入射凹部３が荷電粒子ビームの入射軸に沿って円筒形状を成しているため、荷電粒子ビームの入射面が二次元平面（底面４）に集中する上、熱伝導が三次元方向に拡散する（図１２中の矢印参照）。したがって、エネルギー密度が高い状態のまま荷電粒子ビームが熱変換され、入射凹部３の底面４付近が融点以上の高温になり易く、溶解し易いといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶解することのないビームダンプを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明は、照射された荷電粒子ビームのエネルギーを除去するためのビームダンプであって、前記荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲットを備え、該ダンプターゲットは、前記荷電粒子ビームが入射する入射凹部を有する中心部と、該中心部の周囲に設けられる周囲部とを備え、前記中心部は前記周囲部より融点の高い材質から構成され、前記周囲部は前記中心部より熱伝導率の高い材質から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るビームダンプにおいて、前記中心部は鉄により構成され、前記周囲部は銅により構成されているのがよい。
【００１０】
また、前記ダンプターゲットの入射凹部の内面には、該入射凹部が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面が形成されているのが好ましい。
【００１１】
さらに、前記入射凹部は円錐形状を成していてもよく、また、前記入射凹部の入射面は放物面を形成していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、荷電粒子ビームがダンプターゲットに衝突した際に発生する熱によって高温となる中心部が融点の高い材質で構成されていると共に、周囲部が熱伝導率の高い放熱性の優れた材質で構成されているため、荷電粒子ビームのエネルギーが増大しても、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によってダンプターゲットが溶解するおそれがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係るビームダンプのダンプターゲットを示す断面図、図２は同ビームダンプのダンプターゲットを示す斜視図である。
【００１５】
本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０は、図示を省略する加速器から加速された荷電粒子ビームが照射されるダンプターゲット１１を備えている。このダンプターゲット１１は、立方体又は直方体形状を成し、前記荷電粒子ビームが入射する中心部１２と、中心部１２の周囲に形成される周囲部１３とを備えて構成されており、建屋内の鉄筋コンクリート製の床に載置される。
【００１６】
ダンプターゲット１１の中心部１２は、直方体形状を成し、周囲部１３より融点の高い材質、例えば鉄（融点１５３５℃、熱伝導率８０．２Ｗ／ｍＫ）により構成されている。また、中心部１２の内部には、中心部１２の一側面１４から荷電粒子ビームの入射軸に沿って水平方向に入射凹部１５が形成されており、入射凹部１５の内面にはこの入射凹部１５が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面１６が傾斜して形成されている。図１に示すように、本実施の形態の場合、この入射凹部１５は円錐形状を成しているが、入射凹部１５に入射される荷電粒子ビームが、面密度一定の理想的なビームの場合、入射凹部１５の入射面１６は放物面を形成していてもよい。
【００１７】
ダンプターゲット１１の周囲部１３は、中心部１２が嵌合可能な通孔１７が形成された直方体形状を成しており、中心部１２より熱伝導率の高い材質、例えば銅（融点１０８４℃、熱伝導率４０１Ｗ／ｍＫ）により構成されている。
【００１８】
なお、ダンプターゲット１１の中心部１２と周囲部１３の材質は、上記した鉄と銅の組合せに限定されるものではなく、例えば、中心部１２をステンレス鋼で構成し、周囲部１３をアルミニウムで構成する等、鉄と銅以外の他の金属の組合せを選択することも可能である。
【００１９】
このような構成を備えたビームダンプ１０において、前記加速器で加速された高エネルギーの荷電粒子ビームは、図示を省略する粒子導入管に導かれてダンプターゲット１１に照射され、中心部１２の入射凹部１５に入射する。入射凹部１５に入射した荷電粒子ビームは、入射凹部１５の全長（図１中のＬ）の奥から約８０％の領域の入射面１６全体に満遍なく均一に衝突し、熱エネルギーに変換される。このように、入射凹部１５の内面には入射凹部１５が奥行き方向に向かって先細り形状となるように三次元曲面の入射面１６が形成されているため、熱エネルギーは入射軸に対して放射線状に広範囲に分散される。このため、入射面１６の単位面積当たりのエネルギー密度が低下し、入射面１６の表面温度を中心部１２の融点以下の温度に抑制することができる。
【００２０】
その後、上記したように荷電粒子ビームがダンプターゲット１１に衝突した時に発生した熱は、ダンプターゲット１１の中心部１２内を三次元方向に拡散して熱伝導し、さらに、周囲部１３内を三次元方向に拡散して熱伝導した後（図１中の矢印参照）、ダンプターゲット１１の外表面から熱伝達及び輻射によって周囲の空気に放出される。
【００２１】
この時、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱によって中心部１２は最も高温になるが、荷電粒子ビームの衝突時に発生する熱の温度より融点の高い鉄によって中心部１２が構成されているため、この熱で中心部１２が溶解するおそれはない。また、この熱が中心部１２から周囲部１３に伝導した時にはこの熱の温度が周囲部１３の銅の融点以下まで低下しているため、周囲部１３が溶解するおそれもない。さらに、周囲部１３の銅は熱伝導率が高く、放熱性に優れているため、周囲部１３に伝導した熱は効率よく周囲の空気に放出される。
【００２２】
次に、図３〜図１１を参照しつつ、従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプのそれぞれに対してコンピュータを使用して数値実験を行った検証結果について説明する。
【００２３】
図３は数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図、図４は同ビームダンプの計算モデルを示す正面図である。この従来のビームダンプ１の計算モデルでは、建屋内において、土中温度が１５℃の厚さ５ｍの土（Ｓｏｉｌ）５上に厚さ０．５ｍの鉄筋コンクリート（ＲＣ）製の床６を設け、さらに、この床６上に長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部３が形成された鉄製のダンプターゲット２を載置し、ダンプターゲット２の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット２から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００２４】
図５は上記した従来のビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図６は同ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット２の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図５及び図６中、「ＣＯＲＥ」とは入射凹部３の周囲１ｍの領域、「上部」とはＣＯＲＥより上方の領域、「下部」とはＣＯＲＥより下方の領域、「サイド１」とはＣＯＲＥの正面視左側の領域、「サイド２」とはＣＯＲＥの正面視右側の領域をそれぞれ示している（図３及び図４参照）。
【００２５】
図５から分かるように、ビームダンプ１に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、ダンプターゲット２のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図５中のＦｅ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット２が溶解するおそれはない。しかしながら、図６に示すように、ビームダンプ１に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合には、ダンプターゲット２のＣＯＲＥの領域における最大温度が鉄の融点１５３５℃（図６中のＦｅ−ＭＰ）を超えるため、ダンプターゲット２はＣＯＲＥの領域で溶解するおそれがある。
【００２６】
これに対して、図７は数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す断面図、図８は同ビームダンプの計算モデルを示す正面図である。このビームダンプ１０’の計算モデルでは、建屋内において、土中温度が１５℃の厚さ５ｍの土（Ｓｏｉｌ）５上に厚さ０．５ｍの鉄筋コンクリート（ＲＣ）製の床６を設け、さらに、この床６上に長さ２．５ｍ、幅３ｍ、高さ３ｍで内部に角柱形状の入射凹部１５’が形成された鉄製の中心部１２’と銅製の周囲部１３’とを備えたダンプターゲット１１’を載置し、ダンプターゲット１１’の周囲の空気温度を３０℃、ダンプターゲット１１’から空気への表面熱伝達率を２０Ｗ／ｍ２Ｋに設定した。
【００２７】
図９は上記した本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’に２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１’の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図、図１０は同ビームダンプ１０’に５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲット１１’の各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図であり、図９及び図１０中、「ＣＯＲＥ」とはビームダンプ１０’の中心部１２’の領域、「上部」とは周囲部１３’のＣＯＲＥより上方の領域、「下部」とは周囲部１３’のＣＯＲＥより下方の領域、「サイド１」とは周囲部１３’のＣＯＲＥより正面視左側の領域、「サイド２」とは周囲部１３’のＣＯＲＥより正面視右側の領域をそれぞれ示している（図７及び図８参照）。
【００２８】
図９及び図１０から分かるように、ビームダンプ１０’に対して、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、ダンプターゲット１１’の中心部１２’のすべての領域で温度が鉄の融点１５３５℃（図９及び図１０中のＦｅ−ＭＰ）を下回ると共に、ダンプターゲット１１’の周囲部１３’のすべての領域で温度が銅の融点１０８４℃（図９及び図１０中のＣｕ−ＭＰ）を下回るため、ダンプターゲット１１’が溶解するおそれはない。
【００２９】
したがって、図１１において従来のビームダンプ１と本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’の検証結果を比較して示すように、従来のビームダンプ１では、５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合にダンプターゲット２がＣＯＲＥの領域で溶解するおそれがあるのに対して、本発明の実施の形態に係るビームダンプ１０’では、２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合及び５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した場合のいずれの場合にも、ダンプターゲット１１’が溶解するおそれはない。
【００３０】
このように本発明の実施の形態に係るビームダンプによれば、荷電粒子ビームのエネルギーが増大しても、荷電粒子ビームが衝突した際に発生する熱によってダンプターゲットが溶解するおそれがないため、ビームダンプの用途の拡大化を図ることが可能となる。
【００３１】
なお、上記した図３〜図１１に示すコンピュータによる数値実験では、鉄製の中心部１２’の内部に角柱形状の入射凹部１５’を形成したダンプターゲット１１’を使用して検証したが、図１に示すように円錐形状の入射凹部１５を中心部１２の内部に形成したダンプターゲット１１を使用して検証してもよい。そして、この場合には、荷電粒子ビームが入射面１６全体に満遍なく均一に入射し、熱エネルギーが入射軸に対して放射線状に広範囲に分散されるため、ダンプターゲット１１の温度をより低く抑制することができる。したがって、ダンプターゲット１１はさらに高いエネルギーの荷電粒子ビームの照射にも耐えることができ、ビームダンプの用途のさらなる拡大化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係るビームダンプのダンプターゲットを示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るビームダンプのダンプターゲットを示す斜視図である。
【図３】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図４】コンピュータを使用して数値実験を行った際の従来のビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図５】従来のビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図６】従来のビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図７】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す断面図である。
【図８】コンピュータを使用して数値実験を行った際の本発明の実施の形態に係るビームダンプの計算モデルを示す正面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るビームダンプに２５０KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るビームダンプに５００KWのエネルギーの荷電粒子ビームを照射した時におけるダンプターゲットの各領域の温度と時間との関係を検証した結果を示す図である。
【図１１】従来のビームダンプと本発明の実施の形態に係るビームダンプの検証結果を比較して示す図である。
【図１２】従来のビームダンプのダンプターゲットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０，１０’      ビームダンプ
１１，１１’      ダンプターゲット
１２，１２’      中心部
１３，１３’      周囲部
１５，１５’      入射凹部
１６              入射面
【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】
2009289445.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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