JP4596392B2 - 中性子発生装置及び中性子照射システム - Google Patents

Description

本発明は、中性子を発生する技術に関し、さらに詳しくは、ホウ素中性子補足療法に適した中性子を発生できる中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムに関する。

ホウ素中性子補足療法（Boron Neutron Capture Therapy：ＢＮＣＴ）は、ホウ素化合物が癌細胞に集まることを利用して、ホウ素が中性子を吸収するときに生じる⁷Ｌｉやα粒子を用いて癌細胞を選択的に破壊し、治療する治療法である。ホウ素中性子補足療法（以下ＢＮＣＴという）では、患部に中性子を照射する必要があり、ＢＮＣＴを施術する際には、必ず中性子照射設備が必要である。ＢＮＣＴに用いる中性子照射設備に関して、例えば特許文献１には、熱外スペクトラムの中性子を低エネルギー中性子ビームから特定のエネルギーにまでろ過するフィルタを備えた中性子放射設備が開示されている。

特表２００２−５２４２１９号公報

特許文献１では一方向から中性子を照射するため、中性子を照射する際の自由度が低く、中性子が照射される部位によっては患者に無理な姿勢を強いることになる場合がある。その結果、中性子の照射が不十分になったり、有効な照射時間を確保するために長時間を要したりするおそれがある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる中性子発生装置及び中性子照射システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る中性子発生装置は、高エネルギーの陽子が通過する陽子通路と、前記高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、前記ターゲットの周囲に配置されるとともに、前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、前記陽子の進行方向を回転軸として、少なくとも前記中性子減速部および前記反射体の全部を前記陽子通路の周りを回転できるように支持する支持部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この中性子発生装置は、陽子通路を中心として中性子減速部を回転させることができるので、熱外中性子の照射方向を変更することができる。これによって、熱外中性子を照射する部位に応じて適切な中性子減速部を選択して用いることができる。その結果、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる。

次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記中性子減速部は、前記中性子発生部内を前記ターゲットで発生した中性子が進行する方向に向かうにしたがって、前記中性子発生部内を前記中性子が進行する方向と直交する断面の面積が大きくなることを特徴とする。

この中性子発生装置は、前記中性子発生装置の構成を備えるので、前記中性子発生装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この中性子発生装置は、中性子発生部を円錐状とし、円錐の底面から減速した中性子を照射するようにしてある。これによって、反射体はより効率的に中性子を照射側へ反射させることができるので、治療に要する熱外中性子の照射時間が減少する。

次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットに前記陽子が衝突する部分を中心とした場合における前記反射体の立体角は、１８０度よりも大きく３００度よりも小さいことを特徴とする。

この中性子発生装置は、前記中性子発生装置の構成を備えるので、前記中性子発生装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この中性子発生装置は、ターゲットに陽子が衝突する部分を中心とした場合における反射体の立体角を、１８０度よりも大きく３００度よりも小さくしてある。これによって、反射体はより効率的に中性子を照射側へ反射させることができるので、治療に要する熱外中性子の照射時間が減少する。また、患者の患部以外の部位への照射量を低減させることができる。

次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットは板状の部材であり、前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側に、内部を冷却媒体が流れる断面矩形の冷却流路が複数接合されることを特徴とする。

この中性子発生装置は、前記中性子発生装置の構成を備えるので、前記中性子発生装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この中性子発生装置は、ターゲットに陽子が照射される面とは反対側に、内部を冷却媒体が流れる断面矩形の冷却流路が複数接合される。これによって、簡単な構成により、ターゲットを冷却できる。

次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記ターゲットは、陽子が照射される陽子照射部に設けられる複数の仕切り部材と、前記仕切り部材の端部がはめ込まれるスリットが設けられるターゲット支持体と、を備え、前記仕切り部材に前記スリットがはめ込まれた状態で、前記仕切り部材と前記ターゲット支持体とが接合され、前記陽子照射部と前記仕切り部材と前記ターゲット支持体とで囲まれる空間が冷却流路として構成されることを特徴とする。

この中性子発生装置は、前記中性子発生装置の構成を備えるので、前記中性子発生装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この中性子発生装置は、上記のような構成のターゲットにより、内部に複数の冷却流路を形成する。そして、上記のような構成により、確実に仕切り部材とターゲット支持体とが接合される。これによって、ターゲットの強度が向上し、また、接合不良による伝熱性能の低下を最小限に抑えることができる。

次の本発明に係る中性子発生装置は、前記中性子発生装置において、前記冷却流路は、前記陽子の照射面と直交する方向の寸法よりも、前記陽子の照射面と平行な方向の寸法の方が大きいことを特徴とする。

この中性子発生装置は、前記中性子発生装置の構成を備えるので、前記中性子発生装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この中性子発生装置は、陽子の進行方向と平行な方向の寸法よりも、陽子の進行方向と直交する方向の寸法の方が大きい断面矩形の冷却流路をターゲットに備える。これによって、ターゲットをより効率的に冷却することができる。

次の本発明に係る中性子照射システムは、前記中性子発生装置が備えるターゲットに、加速した陽子を照射する加速器を備え、前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を熱外中性子照射対象に照射することを特徴とする。

この中性子照射システムは、前記中性子発生装置を備えるので、熱外中性子を照射する部位に応じて適切な中性子減速部を選択して用いることができる。これによって、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる。

この発明によれば、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

（実施形態１）
実施形態１に係る中性子発生装置は、ＢＮＣＴに用いるものであり、加速器により２０ＭｅＶ以上に加速された陽子をターゲットに衝突させたときに得られる中性子を、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質を反射体として用いて反射するとともに増幅し、中性子減速部で減速して熱外中性子を取り出す点に特徴がある。

図１は、実施形態１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。この中性子照射システム２００は、加速器２と、実施形態１に係る中性子発生装置１００とを含んで構成される。加速器２から中性子発生装置１００へ陽子が照射されると、中性子発生装置１００はＢＮＣＴ治療室２０の方向へ熱外中性子を発生する。ＢＮＣＴ治療室２０内にはＢＮＣＴを受ける患者Ｋがおり、前記熱外中性子は患者の患部へ照射される。ここで、患部はホウ素化合物の集まった癌細胞であり、中性子照射対象である。加速器２は、例えばサイクロトロン等を使用することができ、実施形態１ではサイクロトロンを用いる。なお、加速器２の種類はこれに限定されるものではない。

次に、実施形態１に係る中性子発生装置１００について説明する。図２−１、図２−２は、実施形態１に係る中性子発生装置の概要を示す説明図である。図２−２は、図２−１に示す中性子発生装置１００のＹ＝０における断面、すなわちＹ＝０におけるＸ−Ｚ平面を、陽子の進行方向側から見た状態を示している。図２−３は、図２−１、図２−２のターゲット部分の拡大図である。なお、図面中の符号ｐ（小文字）は陽子を、ｎ（小文字）は中性子を表す（以下同様）。

この中性子発生装置１００は、ターゲット１と、中性子減速部３と、反射体５とを含んで構成される。ターゲット１、中性子減速部３、及び反射体５は、放射線遮蔽体９内に配置されており、中性子発生装置１００の外部に漏れる中性子及びγ線を極小にするように構成される。ここで、放射線遮蔽体９は、例えばコンクリートにより構成される。

中性子減速部３の熱外中性子出射側には、ターゲット１から発生するγ線やその他の部分から発生する２次γ線を遮蔽する目的で、ビスマス（Ｂｉ）層４が配置されている。さらに、Ｂｉ層４の熱外中性子出射側には、反射体５を介して熱中性子吸収層６が配置される。熱中性子吸収層６は、減速された熱中性子を吸収するためのものであり、例えば、Ｌｉ入りポリエチレンで構成される。

ターゲット１は、タンタル（Ｔａ）やタングステン（Ｗ）等の重核種である。加速器２によって加速された陽子は、真空の陽子通路８を通ってターゲット１へ照射されて、ターゲット１から中性子が発生する。発生した中性子は中性子減速部３へ導かれ、ここで減速されてエネルギーが４ｅＶ〜４０ｋｅＶ程度の熱外中性子となる。この熱外中性子は、患部以外の部分へ照射される量をできるだけ低減し、患部へ照射される熱外中性子の強度を高めるため、コリメータ７によって絞られるとともに中性子の方向を定められ、照射対象の癌細胞へ照射される。

図２−１、図２−２に示すように、この実施形態に係る中性子発生装置１００は、陽子の進行方向に対して直交する方向に、複数の中性子減速部を備える。この実施形態では、Ｘ軸と平行な方向とＺ軸と平行な方向とに、それぞれ中性子減速部３及びコリメータ７を備える。これによって、この実施形態に係る中性子発生装置１００は、Ｘ軸と平行な方向及びＺ軸と平行な方向の２方向に熱外中性子を照射することができる。

このように、この実施形態に係る中性子発生装置１００は、複数の方向へ熱外中性子を照射できるので、患部に対して熱外中性子を照射できる方向の自由度が増加する。その結果、治療を受ける患者Ｋの患部に対して、より適切に熱外中性子を照射することができる。この実施形態では、Ｘ−Ｚ平面内において、複数（この実施形態では２個）の中性子減速部３が、陽子通路８を中心とした中心角が約９０度の間隔となるように配置される。ただし、中性子減速部３の配置はこれに限られるものではない。

図２−３に示すように、ターゲット１は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに対して傾斜して配置される。これによって、中性子がターゲット１中を進む距離を極力短くできるので、発生した中性子を効率よく中性子減速部３へ導くことができる。また、Ｘ軸及びＺ軸に対するターゲット１の傾斜角度θｘ、θｚをほぼ等しくすることにより、それぞれの中性子減速部３を通ってそれぞれのコリメータ７から出射する熱外中性子の強度や分布をほぼ一様にすることができる。

また、図２−１に示すように、この実施形態に係る中性子発生装置１００は、陽子の進行方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に対してターゲット１を傾斜させている。これによって、ターゲット１に対して陽子が照射される面積が大きくなるので、陽子が照射されることによるターゲット１の単位面積あたりにおける発熱量を低減できる。これによって、ターゲット１の熱負荷を低減できるので、ターゲット１の冷却能力を向上させることができる。

また、この実施形態では、陽子の進行方向に対して略直交する方向の中性子を患部に照射するが、陽子の進行方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に対してターゲット１を傾斜させることにより、ターゲット１内における中性子の進行距離を短くすることができる。これによって、ターゲット１内における中性子の減衰を抑制できるので、ターゲット１で発生した中性子を効率よく中性子減速部３へ導くことができる。

なお、中性子発生装置１００に備える中性子減速部３の数は２個に限定されるものではない。しかし、中性子減速部３の数が増加するとともに、一つの中性子減速部３から照射できる熱外中性子の強度が低下するので、加速器２の出力を考慮して中性子減速部３の個数を設定する。

複数の中性子減速部３を備える場合、治療に供しない中性子減速部３のコリメータ７から熱外中性子が放射されることを防ぐため、中性子減速部３にターゲット１から中性子が入射する部分からコリメータ７までの間、あるいはコリメータ７の外側に、中性子及びγ線の遮断手段を備えることが好ましい。

中性子遮断手段は、例えば、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒに、開閉可能なシャッター状の構造物を設けて構成することができる。また、中性子遮断手段に用いる材料は、例えば、中性子吸収能を有する水素を多く含有させた高分子材料や、中性子吸収能を有するＢ¹⁰をステンレスやアルミニウム等に含有させた材料を用いることができる。

図２−１、図２−２に示すように、この実施形態に係る中性子発生装置１００において、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒは、中性子発生装置１００の表面１００ｐから熱外中性子の照射側に突出している。そして、熱中性子吸収層６の表面６ｐの一部は、円錐台状に形成されるとともに、円錐台の頂部がコリメータ７の熱外中性子照射部７ｒとなる。コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒが熱中性子吸収層６の表面とほぼ同一面上にある場合、患者Ｋの姿勢によっては、熱外中性子を照射できる患部が制限されることがある。しかし、この実施形態に係る中性子発生装置１００のように、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒを中性子発生装置１００の表面１００ｐから突出させれば、前記制限を低減できる。

例えば、患者Ｋの側頭部から熱外中性子を照射する場合、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒを中性子発生装置１００の表面１００ｐとほぼ同一面上とすると、患者Ｋの肩によって熱外中性子照射部７ｒと患者Ｋの側頭部との距離が大きくなってしまう。しかし、この実施形態に係る中性子発生装置１００のように、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒを中性子発生装置１００の表面１００ｐから突出させれば、熱外中性子照射部７ｒと患者Ｋの側頭部とを接近させることができるので、患部に対して効果的に熱外中性子を照射することができる。

次に、中性子減速部３について説明する。中性子減速部３は、例えば、鉄（Ｆｅ）３ａとフッ素化合物３ｆとから構成できる。そして、ターゲット１から発生した中性子は、鉄３ａ、次いでフッ素化合物３ｆにより減速されて、熱外中性子となる。フッ素化合物３ｆとしては、例えば、ＡｌＦ₃（６９重量％）−Ａｌ（３０重量％）−ＬｉＦ（１重量％）を用いることができる（Ｌｉの組成は限定されない）。この中性子減速部３により、ターゲット１で発生した中性子から、高い熱外中性子束を取り出すことができる。

実施形態１において、中性子減速部３へ導く中性子は、陽子の進行方向（陽子線の方向）−Ｙ（図２−１、図２−２）に対して９０度近傍、あるいは９０度近傍よりも大きい角度の方向、すなわち、陽子の進行方向後方に発生する中性子とすることが好ましい。この理由について説明する。

図３−１は、陽子の進行方向Ｆと中性子の発生方向との関係を示す概念図である。図３−２は、減速後における中性子束強度と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。ターゲット１から発生した中性子の発生方向（中性子線の方向）は、陽子の進行方向Ｆに対する傾き角度で表す（図３−１参照）。なお、陽子の進行方向Ｆが０度を意味する。ここで、陽子の進行方向Ｆ側を陽子の進行方向前方といい、用紙の進行方向Ｆの反対側を陽子の進行方向後方という。

図３−２から分かるように、１０⁷ｅＶ程度の高いエネルギーを持つ高速中性子は、陽子の進行方向Ｆに対する傾き角度θが９０度近傍に発生する中性子が最も少ない（図３−２中、Ａで示す部分）。したがって、前記傾き角度θが９０度近傍に発生する中性子を中性子減速部３へ導けば、中性子発生装置１００からＢＮＣＴ治療室２０側へ透過する高速中性子の量を低減することができるので、ＢＮＣＴに際して有利となる。

前記高速中性子の透過量を低減するために、ターゲット１から発生した中性子の発生方向と陽子の進行方向Ｆとの傾き角度θが９０度−０、＋９０度の範囲内で、中性子減速部３へ導くための中性子を取得することが好ましい。すなわち、陽子の進行方向後方に発生する中性子を中性子減速部３へ導くための中性子とすることが好ましい。このようにすることで、中性子発生装置１００からＢＮＣＴ治療室２０の患者Ｋへ到達する高速中性子の量を低減することができる。また、陽子の進行方向Ｆに対する傾き角度が９０度近傍に発生する中性子を中性子減速部３に導いて熱外中性子とすることで、上述したように、ターゲット１の周囲に複数の中性子減速部３を配置する構成を容易に実現することができる。

また、図３−１に示すように、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｆに直交する方向に対して傾けて配置することが好ましい。これは、陽子線に対するターゲット１の照射面積を増加させ、ターゲット１の熱負荷を下げ、また、ターゲット１内における中性子の減衰を抑制するためである。すなわち、ターゲット１が陽子の進行方向Ｆに直交して配置されていると、陽子の進行方向Ｆに対して傾き角度が９０度近傍に発生する中性子は、中性子減速部３へ到達するまでにターゲット１中を進行して減衰する。その結果、熱外中性子として取り出すことのできる中性子数が低減するからである。ターゲット１を陽子の進行方向Ｆに直交する方向に対して傾けて配置すれば、中性子がターゲット１中を進む距離を短くできるので、発生した中性子を効率よく中性子減速部３へ導くことができる。

ターゲット１が陽子の進行方向Ｆに直交して配置される場合、陽子がターゲット１に衝突したときの形状は略円形であるが、陽子の進行方向Ｆに直交する方向に対して傾けてターゲット１を配置すると、陽子がターゲットに衝突したときの形状は楕円形になる。これにより、ターゲット１を陽子の進行方向Ｆに対して直交して配置した場合と比較して、陽子がターゲット１に衝突したときの面積を大きくできるので、ターゲット１の発熱密度を低くできる。その結果、例えば同じ冷却能の冷却媒体を用いる場合には、ターゲット１の冷却がより容易になる。

したがって、上記観点からは、ターゲット１は、陽子の進行方向Ｆに対して傾けて配置することが好ましい。ここで、陽子の進行方向に対するターゲット厚さｔｐが飛程ｔｃ（例えばタンタルを用い、陽子のエネルギーが約５０ＭｅＶの場合、約２．８ｍｍ）を超えると、ターゲット１に照射された陽子はターゲット１内で停止する結果、ターゲット１の発熱量が極めて増加する。この発熱量の増加はブラッグピークと呼ばれる。

ターゲット傾き角度βを大きくすると、ターゲット１内を進行する陽子の距離が大きくなり、陽子Ｐがターゲット１中で完全に停止してしまい、ブラッグピークが発生するおそれがある。ブラッグピークを避けるため、実施形態１の中性子発生装置１００では、ターゲット傾き角度βを陽子の飛程ｔｃよりも小さくする。したがって、陽子の進行方向Ｆに対するターゲット厚さｔｐは（ｔｐ＝ｔ／ｃｏｓβ）＜ｔｃの関係を満たすように構成する。

このような構成により、ターゲット１に衝突した陽子を透過させ、ターゲット１内で陽子が停止することを防止する。また、ターゲット１は、出射面（伝熱面１ｈ）を流れる冷却媒体により冷却されて発熱が抑制される。これにより、ターゲット１の発熱を抑制して、耐久性を向上させることができる。なお、陽子をターゲット１内で停止させた場合と透過させた場合とでは、発生する中性子数にほとんど変化はない。

なお、陽子の飛程は、陽子のエネルギーが大きくなるとともに大きくなる。したがって、陽子のエネルギーが低い場合は飛程も小さくなるので、（例えばターゲット１にタンタルを用い、陽子のエネルギーが３０ＭｅＶの場合、飛程は約１．２ｍｍ程度）ターゲット１の強度を確保すると、陽子の進行方向におけるターゲット厚さは陽子の飛程よりも大きくなる場合がある。したがって、陽子のエネルギーが小さい場合には、ターゲット内で陽子を停止させるとともにターゲット１を十分に冷却して、陽子が停止することにより与えられる運動エネルギーによるターゲット１の昇温を抑制する。

陽子の照射を受けるターゲット１は、陽子のエネルギーにより温度が上昇する。このため、中性子発生装置１００の稼動中においては、水（Ｈ₂Ｏ）や液体金属（例えば水銀（Ｈｇ））等の冷却媒体によりターゲット１を冷却する。実施形態１の中性子発生装置１００では、加速器２により加速された陽子がターゲット１に照射される面とは反対側の面から、ターゲット１を冷却する。より具体的には、ターゲット１の陽子照射面１ｐの反対側に設けられる伝熱面１ｈに冷却媒体を接触させて、ターゲット１を冷却する。昇温した冷却媒体は、中性子発生装置１００の外へ取り出された後、熱交換器５０により温度を下げられて、ポンプ５２により再びターゲット１へ送られる。次に、この実施形態で用いるターゲット１の冷却構造を説明する。

図４は、実施形態１に係るターゲットの冷却構造を示す説明図である。ターゲット１は、ターゲット支持体４０に取り付けられて一体の構造体として構成される。ターゲット１には、複数の仕切り部材４１が設けられている。この実施形態において、例えば、厚いタンタルの板を切削加工することにより、陽子が照射されるターゲット１の陽子照射部１Ａと仕切り部材４１とが一体で構成される。このように、陽子照射部１Ａと仕切り部材４１とが同一の材料から一体で構成されるので、ターゲット１の強度が向上するとともに、接合不良によって伝熱性能が低下することを回避できる。なお、仕切り部材４１を溶接等によってターゲット１の陽子照射部１Ａに接合してターゲット１を構成してもよい。

ターゲット支持体４０には、仕切り部材４１の端部がはめ込まれるスリット４０ｓが設けられている。ターゲット１とターゲット支持体４０とは、ターゲット１が備える仕切り部材４１の端部がターゲット支持体４０のスリット４０ｓにはめ込まれる。そして、仕切り部材４１とターゲット支持体４０とが溶接等によって接合されて、ターゲット１とターゲット支持体４０とが合体する。このような構造により、仕切り部材４１とターゲット１の陽子照射部１Ａとターゲット支持体４０とで囲まれる空間が、冷却媒体の流れる冷却流路４２となる。そして、ターゲット１の陽子の照射側とは反対側に、複数の冷却流路４２が形成される。仕切り部材４１は、ターゲット１とターゲット支持体４０とが一体となった状態においてリブの役割を果たすので、ターゲット１の強度向上に寄与する。また、ターゲット支持体４０には、仕切り部材４１の端部をはめ込み、溶接等によって両者を接合するので、確実に両者を溶接することができる。これによって、ターゲット１の強度が向上し、また、接合不良による伝熱性能の低下を最小限に抑えることができる。

冷却流路４２が開口している側におけるターゲット１のそれぞれの端部には、それぞれ入口側ヘッダ４３ａと出口側ヘッダ４３ｂとが取り付けられる。入口側ヘッダ４３ａ及び出口側ヘッダ４３ｂとターゲット１とは、例えば溶接によって接合される。入口側ヘッダ４３ａには、冷却媒体の入口を形成する複数の入口管台４６ａが設けられている。これにより、複数の冷却流路４２へ流入する冷却媒体の流速分布を一様にすることができる。また、出口側ヘッダ４３ｂには、冷却媒体の出口を形成する出口管台４６ｂが設けられる。これによって、冷却流路４２の出口近傍における流速分布を一様にすることができる。

陽子をターゲット１に照射して中性子を発生させる際には、入口側ヘッダ４３ａから出口側ヘッダ４３ｂに向かって冷却媒体を流す。これによって、ターゲット支持体４０に形成される冷却流路４２へ冷却媒体が流れて、ターゲット１が発生する熱を冷却媒体が奪うので、ターゲット１を冷却することができる。なお、この実施形態において、製造のしやすさを考慮して、ターゲット１の平面形状は矩形としてある。

図５は、実施形態１に係るターゲットの他の冷却構造を示す断面図である。この冷却構造では、ターゲット１に、管軸方向に垂直な断面の形状が矩形（この実施形態では略正方形）の冷却管４４を複数取り付けて、冷却流路４２を形成する。隣接する冷却管４４の間には、スペーサ４５を設けるとともに、支持板４６とターゲット１とでスペーサ４５を挟み込む。ここで、ターゲット１と冷却管４４とは溶接により接合される。また、スペーサ４５はターゲット１及び支持板４６に溶接によって接合される。陽子をターゲット１に照射して中性子を発生させる際には、支持板４６に接合される冷却管４４内の冷却流路４２へ冷却媒体が流れて、ターゲット１が発生する熱を冷却媒体が奪うので、ターゲット１を冷却することができる。

なお、ターゲット１とスペーサ４５とは、例えば切削による一体構造としてもよい。また、冷却管４４を用いずに、ターゲット１、スペーサ４５及び支持板４６とで囲まれる空間を冷却流路としてもよい。このように、冷却管４４を用いない構造とすれば、冷却管４４の溶接の手間が省けるので、製造工程を簡略化することができる。また、冷却管４４の溶接不良による伝熱性能低下はないので、安定した冷却性能を発揮することができる。

図６−１は、冷却流路の形状による熱伝達率の変化を示す説明図である。図６−２は、冷却流路の断面を示す説明図である。図６−１から分かるように、等価直径ｄｅ（＝４×Ｘ×Ｙ／（２×Ｘ＋２×Ｙ）＝２×Ｘ×Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））が小さい方が、熱伝達率ｄｄ（Ｗ／ｍ²・Ｋ）は高くなる。また、冷却面（すなわち陽子の照射面）１ｐｃと直交する方向（Ｙ方向）の長さ（寸法）が小さい方が熱伝達率ｄｄは高くなる。したがって、冷却流路４２は、Ｘ／Ｙが大きく、すなわち、陽子の照射面と直交する方向の寸法よりも、陽子の照射面と平行な方向の寸法の方が大きく、かつ等価直径ｄｅが小さくなるようにすることが好ましい。次に、図２−１、図２−２に戻り、この実施形態に係る中性子発生装置１００が備える反射体５について説明する。

ターゲット１から発生した中性子は中性子減速部３の方向のみならず、ターゲット１に陽子が照射される部分を中心として３６０度すべての方向へ向かう。ターゲット１から発生した中性子をより効率的に中性子減速部３へ導くため、ターゲット１は反射体５の内部に配置される。実施形態１において、反射体５は、中性子を反射する際に（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質で構成される。

ここで、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質は、重核種であるとともに、中性子の照射により分裂反応を起こさない核種を含む物質であることが必要で、例えば、鉛（Ｐｂ）や鉄（Ｆｅ）等を用いることができる。特に、鉛はγ線の遮蔽機能も備えているので、鉛を反射体５に使用すれば、ターゲット１へ陽子が衝突した際に僅かながら発生するγ線を遮蔽することもでき、好ましい。

このような物質で構成される反射体５は、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射することにより得られた中性子を反射する際に、単に中性子を反射するのみでなく、１個の中性子を反射するとともに、ｘ個の中性子を新たに発生する。すなわち、反射体５は、ターゲット１で発生した中性子を反射するのみならず、前記中性子を増倍させることができる。その結果、実施形態１に係る中性子発生装置１００は、より多くの中性子を中性子減速部３へ導いて、高い中性子束で熱外中性子を発生させることができる。

ここで、高エネルギーの陽子とは、２０ＭｅＶ以上５００ＭｅＶ以下に加速された陽子をいう。そして、このような陽子をターゲット１に照射して得られる中性子が（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる物質へ入射したときに、（ｎ、ｘｎ）反応が生ずる。このように、実施形態１に係る中性子発生装置では、高エネルギーの陽子をターゲット１に照射して中性子を発生させるとともに、（ｎ、ｘｎ）反応を生ずる反射体５を用いて、発生した中性子を増倍させる。これにより、中性子減速部３から出射する熱外中性子の量を、（ｎ、ｘｎ）反応を生じない反射体を用いた場合と比較して１桁程度多くすることができる。その結果、より多くの中性子を中性子減速部３へ導くことができるので、効率的に熱外中性子を得ることができる。次に、この実施形態に係る中性子発生装置１００を用いた治療設備の例を説明する。

図７、図８は、実施形態１に係る中性子発生装置を用いた治療設備の例を示す説明図である。図７に示す治療設備２１０は、建屋の異なる階に異なる治療室を設けたものである。この治療設備２１０では、この実施形態に係る中性子発生装置１００が備える２個のコリメータ７の熱外中性子照射部７ｒが、それぞれ第１治療室２１１と第２治療室２１２とに配置される。第１治療室２１１の患者Ｋは、側頭部から熱外中性子が照射され、また、第２治療室２１２の患者Ｋは、前頭部から熱外中性子が照射される。このとき、患者Ｋはベッド２１３に仰向けに寝ていればよく、熱外中性子の照射部位（患部の位置）に応じて姿勢を大きく変える必要はない。

図８に示す治療設備２２０では、この実施形態に係る中性子発生装置１００が備える２個のコリメータ７の熱外中性子照射部７ｒが、それぞれ作業台２２１側と中性子発生装置１００の下側とに配置される。作業台２２１側の患者Ｋは、側頭部から熱外中性子が照射され、また、中性子発生装置１００の下側の患者Ｋは、前頭部から熱外中性子が照射される。このとき、患者Ｋはベッド２１３に仰向けに寝ていればよく、熱外中性子の照射部位（患部の位置）に応じて姿勢を大きく変える必要はない。

このように、この実施形態に係る中性子発生装置１００を用いれば、治療を受ける患者Ｋの患部に対して、適切に熱外中性子を照射することができるので、熱外中性子の照射中は患者Ｋに無理な姿勢を強いることも少なく、治療の負荷を軽減できる。また、熱外中性子の照射中、患者Ｋはより自然な姿勢をとることができるので、患部に対しても効率よく熱外中性子を照射することができる。

（変形例）
実施形態１の変形例に係る中性子発生装置は、実施形態１に係る中性子発生装置とほぼ同様の構成であるが、反射体及び中性子減速部の形状が異なる。他の構成は実施形態１と同様である。ここで、立体角とは、ターゲットに陽子が照射される部分を中心とした場合の立体角をいう。

図９は、実施形態１の変形例に係る中性子発生装置の構造を説明する概念図である。図１０は、反射体の立体角と、治療に要する熱外中性子の照射時間最大値との関係を示す説明図である。図この中性子発生装置１０１は、全体の形状を球体で構成するとともに、反射体５Ａの立体角α１を１８０度よりも大きくしてある。これにともない、中性子減速部３Ａの形状は円錐状となっている。ここで、中性子減速部３Ａの立体角α２は、（３６０−α１）度となる。

上記構成により、中性子減速部３Ａは、ターゲット１で発生する中性子の入射部３Ａｉから出射部３Ａｏに向かって、すなわち、中性子減速部３Ａ内を中性子が進行する方向に向かうにしたがって、中性子減速部３Ａの断面積が大きくなる。ここで、中性子減速部３Ａの断面積とは、中性子減速部３Ａ内を中性子が進行する方向と直交する断面の面積である。

図１０に示すように、反射体５Ａの立体角α１を１８０度よりも大きくすると、治療に要する熱外中性子の照射時間最大値は小さくなる。しかし、反射体５Ａの立体角α１を１８０度よりも大きくするにしたがって、高速中性子束の割合も増加し、３００度では許容値を超えるおそれがある。このため、反射体５Ａの立体角α１は、１８０度よりも大きく３００度よりも小さい範囲が好ましく、より好ましくは２４０度よりも大きく３００度よりも小さい範囲であり、さらに好ましくは２７０度±１５度の範囲である。

図１１は、実施形態１の変形例に係る中性子発生装置の構成例を示す断面図である。図１１に示すように、この中性子発生装置１０１では、反射体５Ａの立体角を２７０度にするとともに、中性子減速部３Ａの立体角は９０度（すなわち３６０度−反射体５Ａの立体角）としてある。そして、反射体５Ａと中性子減速部３Ａとを球体に近い形状とするため、反射体５Ａの形状を調整してある。このようにすれば、実施形態１に示す中性子発生装置１００（図２−１等参照）と比較して、反射体５Ａの体積を小さくでき、また軽量化を図ることができる。なお、図１１に示す中性子発生装置１０１は、単独の中性子減速部３Ａを備えるが、複数の中性子減速部３Ａを設ける場合には、実施形態１に係る中性子発生装置１００の構成を適用し、例えば、図１１のＤで示す部分に中性子減速部３Ａ及びコリメータ７を配置する。

以上、実施形態１及びその変形例では、ターゲットの周りに複数の中性子減速部を備えて、複数の中性子減速部から熱外中性子を照射できるので、熱外中性子を照射する部位に応じて適切な中性子減速部を選択して用いることができる。これによって、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる。なお、実施形態１及びその変形例で開示した構成は、以下の実施形態にも適用することができる。また、実施形態１及びその変形例に開示した構成と同一の構成を備えていれば、実施形態１及びその変形例と同様の作用・効果を奏する。

（実施形態２）
実施形態２に係る中性子発生装置は、実施形態１に係る中性子発生装置と同様の構成であるが、陽子通路を中心として回転可能である点が異なる。他の構成は実施形態１に係る中性子発生装置と同様である。

図１２−１、図１２−２は、実施形態２に係る中性子発生装置の構成を示す全体図である。図１３−１〜図１３−３は、実施形態２に係る中性子発生装置において熱外中性子を照射する際の状態を示す概念図である。この中性子発生装置１０２は、支持部材１１０によって回転可能に支持されるとともに、駆動装置１１１によって駆動されて、陽子通路８を中心に回転する。中性子発生装置１０２が回転すると、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒは、陽子通路８を中心として、中性子発生装置１０２の回転軸（Ｙ軸）と熱外中性子照射部７ｒとの距離を半径とする円周上を移動する。

図１３−１〜図１３−３に示すように、コリメータ７の熱外中性子照射部７ｒの位置と、患者Ｋに対する中性子照射部位の位置との関係を調整することによって、患部に対して適切な方向から熱外中性子を照射することができる。例えば、図１３−１に示す状態では、患者Ｋの頭頂部に熱外中性子を照射することになる。図１３−２に示す状態では、患者Ｋの頭頂部と前頭部との間に熱外中性子を照射することになる。また、図１３−３に示す状態では、患者Ｋの前頭部に熱外中性子を照射することになる。

図１４は、実施形態２に係る中性子発生装置の断面図である。この中性子発生装置１０２は、実施形態１の変形例に係る中性子発生装置１０１（図１１参照）と同様に、反射体５Ｂの立体角を１８０度よりも大きくにするとともに（この例では２７０度）、中性子減速部３Ｂの立体角は９０度（すなわち３６０度−反射体５Ｂの立体角）としてある。そして、反射体５Ｂと中性子減速部３Ｂとを球体に近い形状とするため、反射体５Ｂの形状を調整してある。このとき、中性子発生装置１０２の回転軸（Ｙ軸）と直交する断面内における重心が、中性子発生装置１０２の回転軸（Ｙ軸）の近傍に位置するように反射体５Ｂの形状を調整することが好ましい。このようにすれば、中性子発生装置１０２を回転させる際の駆動力を低減できる。

この実施形態に係る中性子発生装置１０２では、ターゲット１を陽子通路８に固定してある。そして、中性子発生装置１０２が回転すると、中性子減速部３Ｂ及びコリメータ７の熱外中性子照射部７ｒは、ターゲット１に対して相対的に回転するようになっている。ここで、中性子発生装置１０２の中性子減速部３Ｂ及びコリメータ７とともにターゲット１が回転するようにしてもよい。このようにすれば、ターゲット１で発生した中性子がターゲット１内を通過する距離を極力短くした状態を維持して熱外中性子を発生させることができる。

以上、この実施形態では、陽子通路を中心として中性子減速部を回転させることができるので、熱外中性子の照射方向を変更することができる。これによって、熱外中性子を照射する部位に応じて適切な中性子減速部を選択して用いることができる。その結果、ＢＮＣＴを行うにあたって、中性子照射の自由度を向上させることができる。なお、実施形態２に開示した構成と同一の構成を備えていれば、実施形態２と同様の作用・効果を奏する。

以上のように、本発明に係る中性子発生装置及びターゲット、並びに中性子照射システムは、ＢＮＣＴに有用であり、特に、ＢＮＣＴに適した中性子を効率的に発生させることに適している。

実施形態１に係る中性子発生装置を含む中性子照射システム示す全体図である。 実施形態１に係る中性子発生装置の概要を示す説明図である。 実施形態１に係る中性子発生装置の概要を示す説明図である。 図２−１、図２−３のターゲット部分の拡大図である。 陽子の進行方向Ｆと中性子の発生方向との関係を示す概念図である。 減速後における中性子束強度と中性子のエネルギーとの関係を、ターゲットから発生した中性子の発生方向をパラメータとして表した説明図である。 実施形態１に係るターゲットの冷却構造を示す説明図である。 実施形態１に係るターゲットの他の冷却構造を示す断面図である。 冷却流路の形状による熱伝達率の変化を示す説明図である。 冷却流路の断面を示す説明図である。 実施形態１に係る中性子発生装置を用いた治療設備の例を示す説明図である。 実施形態１に係る中性子発生装置を用いた治療設備の例を示す説明図である。 実施形態１の変形例に係る中性子発生装置の構造を説明する概念図である。 反射体の立体角と、治療に要する熱外中性子の照射時間最大値との関係を示す説明図である。 実施形態１の変形例に係る中性子発生装置の構成例を示す断面図である。 実施形態２に係る中性子発生装置の構成を示す全体図である。 実施形態２に係る中性子発生装置の構成を示す全体図である。 実施形態２に係る中性子発生装置において熱外中性子を照射する際の状態を示す概念図である。 実施形態２に係る中性子発生装置において熱外中性子を照射する際の状態を示す概念図である。 実施形態２に係る中性子発生装置において熱外中性子を照射する際の状態を示す概念図である。 実施形態２に係る中性子発生装置の断面図である。

符号の説明

１ ターゲット
１ｈ 伝熱面
１ｐ 陽子照射面
２ 加速器
３ａ 鉄
３ｆ フッ素化合物
３、３Ａ、３Ｂ 中性子減速部
３Ａｉ 入射部
３Ａｏ 出射部
４ ビスマス（Ｂｉ）層
５、５Ａ、５Ｂ 反射体
６ 熱中性子吸収層
７ コリメータ
７ｒ 熱外中性子照射部
８ 陽子通路
９ 放射線遮蔽体
２０ 治療室
４０ ターゲット支持体
４１ 仕切り部材
４２ 冷却流路
４３ａ 入口側ヘッダ
４３ｂ 出口側ヘッダ
４４ 冷却管
４５ スペーサ
４６ 支持板
１００、１０１、１０２ 中性子発生装置
１１０ 支持部材
２００ 中性子照射システム
２１０、２２０ 治療設備

Claims (7)

1. 高エネルギーの陽子が通過する陽子通路と、
   前記高エネルギーの陽子が照射されて中性子を発生するターゲットと、
   前記ターゲットの周囲に配置されるとともに、前記陽子の照射によって前記ターゲットから発生した中性子を減速する中性子減速部と、
   前記ターゲットから発生した前記中性子を反射させるとともに増倍させて前記中性子減速部へ導く反射体と、
   前記陽子の進行方向を回転軸として、少なくとも前記中性子減速部および前記反射体の全部を前記陽子通路の周りを回転できるように支持する支持部と、
   を含んで構成されることを特徴とする中性子発生装置。
2. 前記中性子減速部は、前記中性子発生部内を前記ターゲットで発生した中性子が進行する方向に向かうにしたがって、前記中性子発生部内を前記中性子が進行する方向と直交する断面の面積が大きくなることを特徴とする請求項１に記載の中性子発生装置。
3. 前記ターゲットに前記陽子が衝突する部分を中心とした場合における前記反射体の立体角は、１８０度よりも大きく３００度よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の中性子発生装置。
4. 前記ターゲットは板状の部材であり、前記ターゲットに前記陽子が照射される面とは反対側に、内部を冷却媒体が流れる断面矩形の冷却流路が複数接合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
5. 前記ターゲットは、
   陽子が照射される陽子照射部に設けられる複数の仕切り部材と、
   前記仕切り部材の端部がはめ込まれるスリットが設けられるターゲット支持体と、を備え、
   前記仕切り部材に前記スリットがはめ込まれた状態で、前記仕切り部材と前記ターゲット支持体とが接合され、前記陽子照射部と前記仕切り部材と前記ターゲット支持体とで囲まれる空間が冷却流路として構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子発生装置。
6. 前記冷却流路は、前記陽子の照射面と直交する方向の寸法よりも、前記陽子の照射面と平行な方向の寸法の方が大きいことを特徴とする請求項４又は５に記載の中性子発生装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の中性子発生装置が備えるターゲットに、加速した陽子を照射する加速器を備え、
   前記中性子発生装置から取り出される熱外中性子を熱外中性子照射対象に照射することを特徴とする中性子照射システム。

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