JP6156970B2

JP6156970B2 - 中性子速度調整装置および中性子発生装置

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Publication number: JP6156970B2
Application number: JP2012267700A
Authority: JP
Inventors: 久利　修平; 修平久利; 出松下; 寛堀池; 英二帆足; 勲村田; 幸子土井; 逸郎加藤
Original assignee: Osaka University NUC; Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems Ltd
Current assignee: Osaka University NUC; Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: JP2014115122A

Description

本発明は、中性子のエネルギーを切り換えることができる中性子速度調整装置および中性子発生装置に関するものである。

現在、ホウ素中性子捕捉療法(Boron neutron capture therapy; BNCT)が癌細胞を選択的に殺傷し治療できる技術として注目されている。ＢＮＣＴでは、熱中性子や熱外中性子を利用する必要があるため、患者が中性子を生成利用できる原子炉まで出向く必要がある等の制約が多いため、病院内で中性子を発生させ得る小型の中性子発生装置が望まれている。中性子発生装置では、ベリリウムやリチウムのターゲットに加速器で加速させた陽子や重陽子を衝突させる。

従来の加速器としては、非特許文献１に記載のようなものが知られている。この加速器は、ＥＣＲ（electron cyclotron resonance）型のイオン源と、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱリニアック）と、ドリフトチューブ型線形加速器（ＤＴＬ）とを連設した構成である。この加速器では、ＲＦＱリニアックにより重陽子イオンを５ＭｅＶまで加速させ、ＤＴＬにより４０ＭｅＶまで加速させる。加速した重陽子イオンのビームは、湾曲したバックウォール上に流れる液体リチウムに照射され、その背後に中性子を発生させる。

国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ）計画の概要東北大学金属材料研究所，日本原子力研究所松井秀樹第１１回核融合研究開発問題検討会平成１５年９月２９日第１４頁

熱中性子は、人体の表層付近でその強度がピークを示すため、表層付近の病巣に対する治療に適している。しかし、熱中性子は、表層から深部に進むにつれて線量が減衰するため、人体外部からの照射では深部の病巣に必要な量の中性子を照射できず、手術により患部を開いて中性子照射する等の必要がある。一方、熱外中性子は、表層から深部に至る過程でエネルギーを失い、熱中性子となる。このため、表層から７０ｍｍ程度までの深さの病巣に対して、人体外部から熱外中性子を照射することで治療が可能となる。しかし、熱外中性子は、ホウ素との反応性が低いため表層の治療には適さない。

ＢＮＣＴを用いて実際に治療を行う場合、患者により病巣の深さは様々であるため、病院内で異なるエネルギーの中性子を簡単に得られると適用範囲が広がり効果的である。しかしながら、上記従来のような加速器の構成では、ベリリウムをターゲットに用いた場合、中性子のエネルギーを調整することは不可能であり、リチウムターゲットを用いた場合でも、原理的には可能であるが、工学的には非常に困難であることが知られている。この発明はかかる問題点を解決するためになされたものである。

第１の発明に係る中性子速度調整装置は、荷電粒子ビームをベリリウムやリチウム等のターゲットに照射した際に、当該ターゲット背面側の中性子の進行経路上に、多段に配置され且つ、液体状の減速材を導入する複数の減速材容器と、配管により前記各減速材容器と接続され、前記減速材を貯蔵する貯蔵タンクと、前記減速材を送るポンプとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、ポンプを用いて貯蔵タンクから減速材容器に減速材を導入することで、中性子が減速されて患者に照射される。また、減速材容器に減速材を導入していない状態にすれば、中性子が減速されることなく患者に照射される。更に、特定の減速材容器のみに減速材を導入すれば、それに応じて中性子が減速する。このように、貯蔵タンク内の減速材を所望の減速材容器に導入することで中性子の速度を簡単に切り換えられる。また、本発明を用いた装置の運用も容易になる。

第２の発明に係る中性子速度調整装置は、上記発明において、更に、前記複数の減速材容器のうち、患者側に位置する減速材容器から減速材を導入するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

患者側の減速材容器から減速材を導入するようにすれば、減速された中性子が拡散しないうちに患部に照射できる。

第３の発明に係る中性子速度調整装置は、荷電粒子ビームをベリリウムやリチウム等のターゲットに照射した際に当該ターゲットの背後に生じる中性子の進行経路上に多段に配置されると共に、中性子の固体の減速材から成形され又は液体状の減速材が封入された複数の減速部材と、各減速部材を移動させて前記中性子の照射経路上に選択的に出し入れする減速部材移動手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、中性子の照射経路上に減速部材を位置させることで、中性子が減速されて患者に照射される。また、減速部材を退避させれば、中性子が減速されることなく患者に照射される。更に、特定の減速部材のみを進行経路上に位置させれば、それに応じて中性子が減速する。このように、所定数の減速部材を照射経路上に位置させることで中性子の速度を簡単に切り換えられる。また、本発明を用いた装置の運用も容易になる。

第４の発明に係る中性子速度調整装置は、陽子ビームをターゲットに照射した際に当該ターゲットの背後に生じる中性子の進行経路上に配置された液体状の減速材を封入する減速材容器と、配管により前記各減速材容器と接続され、前記減速材を貯蔵する貯蔵タンクと、前記減速材を送るポンプと、減速材容器内の減速材の深さを取得する深度取得手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、ポンプを用いて貯蔵タンクから減速材容器に減速材を導入することで、中性子が減速されて患者に照射される。また、減速材容器に減速材を導入してない状態にすれば、中性子が減速されることなく患者に照射される。更に、深度取得手段により減速材容器に導入する減速材の深さ（厚さ）を取得することで当該減速材の深さ（厚さ）を調整すれば、それに応じて中性子が減速する。このように、貯蔵タンク内の減速材を減速材容器に所望の量導入することで中性子の速度を簡単に切り換えられる。また、本発明を用いた装置の運用も容易になる。

第５の発明に係る中性子速度調整装置は、上記発明において、前記減速材容器は、側面壁が伸縮部材で構成され且つ患者側の面が固定されていることを特徴とする。

即ち、減速材容器の側面壁を伸縮部材で構成し、患者側の面を固定しておけば、減速材容器に導入する減速材の量が変わっても、患者と減速材の液面との距離は一定に保たれる。この距離を近接しておけば、減速した中性子を効率的に患者に照射できる。なお、前記伸縮部材は蛇腹等である。

第６の発明に係る中性子発生装置は、上記いずれか一つの中性子速度調整装置と、陽子を発生させる陽子発生手段と、陽子を加速する加速器と、ターゲットを形成するターゲット形成手段と、
を備えたことを特徴とする。

この発明の実施の形態１にかかる中性子発生装置を示す構成図である。図１に示した中性子発生装置の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る中性子発生装置を示す構成図である。図３に示した中性子発生装置の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る中性子発生装置の変形例を示す構成図である。この発明の実施の形態３に係る中性子発生装置を示す構成図である。図６に示した中性子発生装置の動作を示す説明図である。図６に示した中性子発生装置の変形例を示す構成図である。実施の形態１に係る中性子発生装置を縦置き型にした場合を示す構成図である。実施の形態２に係る中性子発生装置を縦置き型にした場合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にかかる中性子発生装置を示す構成図である。この中性子発生装置１００は、陽子を加速する加速器１と、陽子ビームを照射することで中性子を発生させるターゲット形成部２と、中性子の速度を調整する中性子速度調整装置３とから構成される。中性子速度調整装置３は、患者Ｐを載せるベッドＢの下側に配置される。加速器１は、イオン源５と、ＲＦＱ等加速器６と、ＤＴＬ等付加的加速器７とを連設した構成である。加速器１及びターゲット形成部２は、真空容器２３内に設置される。

ターゲット形成部２は、陽子ビームの照射領域を横切るように液体金属を平面的に噴射するノズル８と、噴射された液体金属を受けるディフューザからなる受け部９とから構成される。ターゲット形成部２は、配管を介してクエンチタンク、電磁ポンプ等のポンプ、熱交換器と接続され全体として液体金属ループを構成している（いずれも図示省略）。ターゲット形成部２によりターゲットＴは水平方向に形成される。液体金属は、例えば液体リチウムである。

ターゲット形成部２の上部の中性子発生側には、前記中性子速度調整装置３が設けられている。この中性子速度調整装置３は、中性子の照射経路上に複数段設けられ且つ液体状の減速材が導入される減速材容器１１，１２，１３と、減速材容器１１，１２，１３に接続した貯蔵タンク１４と、貯蔵タンク１４と各減速材容器１１，１２，１３との間に配置した複数のポンプ１５と、減速材容器１１，１２，１３に接続した不活性ガスタンク１６とを備えている。前記減速材は、例えば重水、軽水もしくは重水と軽水を混合したものである。当該中性子の照射経路とは、中性子が末広がりに拡散して進む際の当該経路をいう。なお、前記ポンプ１５は、貯蔵タンク１４の減速材を送ることができれば図中で示した位置に限定されない。また、貯蔵タンク１４は、一つのタンクでも良いし、各減速材容器１１，１２，１３に異なる種類や密度の減速材を導入する場合は、減速材容器１１，１２，１３毎に設ける（図示省略）。

減速材容器１１，１２，１３と貯蔵タンク１４及び不活性ガスタンク１６とは、それぞれ配管１７，１８で接続されている。前記不活性ガスは、例えばアルゴンガスである。また、不活性ガスタンク１６の配管１８には遠隔操作バルブ１９が設けられている。なお、本実施の形態１では、減速材容器１１，１２，１３を３段積層したが、これに限定されるものではなく、減速材容器を２段又は４段以上積層しても良い。

前記減速材容器１１，１２，１３は、上方（中性子の照射方向）に向けて末広がりのように水平方向の表面積が大きくなる。これは、ターゲットＴで発生した中性子が末広がりに拡散するように発生するためである。また、減速材容器１１，１２，１３は、アルミニウム等の中性子の吸収能が低く且つ安価な材料により構成するのが好ましい。

前記減速材容器１１，１２，１３は、中性子の反射壁２０内に配置されている。反射壁２０は中性子の散乱能力が高い材料で構成する。例えば、主として炭素により構成する。外側には、中性子の吸収体を配置する。反射壁２０は、内部が空洞の中性子吸収体からなる筐体内にホウ酸水等を封入した構造にしても良い（図示省略）。減速材容器１１，１２，１３に接続された配管１７，１８は、当該配管１７，１８を通じて中性子がストリーミングにより外部に漏れないように反射壁２０の中で折れ曲がる。なお、反射壁２０の外側には図示しない中性子の遮蔽壁が設けられている。

減速材容器１１の上側には、主としてガンマ線を遮蔽するために、鉛、ビスマス等の重金属で構成した遮蔽板２１が設置されている。この遮蔽板２１の表面には、^６Ｌｉもしくはカドミウム（この場合には遮蔽板２１の裏面に設置する）からなる薄い円環状または額縁状の中性子の絞りが形成されている。当該絞りは、例えば複数の絞り羽根部材を可動状態で環状配置して中央部分の開口面積を調整できるカメラの絞りのような構造とする（図示省略）。また、中性子速度調整装置３は、患者を載せるベッドＢの下内部に設けられる。ベッドＢの表面と最上部の減速材容器１１とは、遮蔽板２１を介して近接して配置する。減速された中性子を可能な限り短い距離で患者Ｐに到達させるためである。

前記ポンプ１５及び電磁バルブ１９は制御部２２により駆動される。制御部２２は、ポンプ１５を駆動する制御盤と汎用コンピュータ及び所定のプログラムから構成される。各減速材容器１１，１２，１３に対するポンプ１５による減速材の出し入れは、当該制御部２２により行われる。

次に、この中性子発生装置１００の動作について説明する。患者Ｐに、予め^１０Ｂを含むＢＰＡ又はＢＳＨ等のホウ素化合物を注射もしくは点滴し、^１０Ｂを癌細胞に取り込ませる。また、ターゲット形成部２によりノズル８から液体金属を噴出し、液体金属によるターゲットＴを水平方向に形成する。イオン源５により発生させた陽子を加速器６及びＤＴＬ７により所定速度まで加速させ、前記ターゲットＴに照射する。ターゲットＴとの核反応により高速中性子が発生する。具体的には、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶでの照射により得られる高速中性子のエネルギーは、１００〜６００ｋｅＶである。Ｅｐ＝１．９ＭｅＶでは、数１０ｋｅＶ以下である。

患者Ｐの治療に熱中性子を用いる場合、操作員が制御部２２に指令し、図２（ａ）に示すように、ポンプ１５により貯蔵タンク１４内の重水等を減速材容器１１，１２，１３に導入する。例えば減速材容器１１、１２に一つの貯蔵タンク１４から重水を導入し、減速材容器１３には、他の貯蔵タンク１４から重水と軽水との混合水又は軽水のみを導入する。減速材容器１３の下方から源中性子が入射すると、各減速材容器１１，１２，１３内の水素原子核に中性子が衝突して当該中性子が減速し、熱中性子となる。熱中性子は、遮蔽板２１の絞りによりその照射範囲が制限され、ベッドＢ上の患者Ｐの患部に照射される。患者Ｐの患部を切除して一時的に取り出し、当該患部のみをベッドＢに載せて中性子を照射することもできる。また、減速材容器１３に重水と軽水との混合水又は軽水のみを導入する。、中性子の減速には軽水が望ましいが、軽水はガンマ線を発生するため、ガンマ線が患者から遠い位置で発生するように患者から遠い位置になる減速材容器１３に導入する。換言すれば、重水と軽水との混合水又は軽水は、下方の減速材容器から導入するのが好ましい。

患者Ｐの治療に熱外中性子を用いる場合、中性子が熱外中性子となるように調整する。例えば、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶの場合、操作員が制御部２２に指令し、図２（ａ）に示すように、ポンプ１５により貯蔵タンク１４内の重水を減速材容器１１，１２，１３に導入する。例えば３個の全ての減速材容器１１、１２，１３に重水を導入する。減速材容器１３の下方から源中性子が入射すると、各減速材容器１１，１２，１３内の重水の水素原子核に中性子が衝突して当該中性子が減速し、熱外中性子となる。また、遮蔽板２１の表面または裏面に取り付けられている絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれるので、熱外中性子のみをベッドＢ上の患者Ｐの患部に照射できる。

次に、Ｅｐ＝１．９ＭｅＶの場合、操作員が制御部２２に指令し、図２（ｂ）に示すように、ポンプ１５により減速材容器１１，１２，１３内の減速材を貯蔵タンク１４に戻す。また、電磁バルブ１９を開き、不活性ガスを減速材容器１１，１２，１３内に導入させる。例えば、３個全ての減速材容器１１，１２，１３の減速材を取り出して空にする。減速材容器１３の下方から入射した源中性子は、減速されることなく減速材容器１１，１２，１３を通過する。また、遮蔽板２１により不要なガンマ線が遮蔽されると共に、絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれるので、ベッドＢ上の患者Ｐに熱外中性子のみが照射される。なお、高エネルギー成分が存在する場合には、減速材容器１１に若干の減速材を導入し（容器内を全て減速材で満たさない状態とし）、エネルギーを調整することもできる。

次に、中性子の速度を詳細に調整する場合、ユーザが制御部２２に対して必要な速度を指令する。制御部２２には、源中性子のエネルギー、患部の深度、及び、その深度に熱中性子を届かせるのに必要な人体表面における中性子速度との相関関係を記憶しておく。医師や放射線技師が所望の深度及び源中性子のエネルギーを制御部２２に入力することで、制御部２２側で必要な減速量を決定し、それに応じて重水、軽水又はこれらの混合水を導入する減速材容器１１，１２，１３の数を決める。例えば、図２（ｃ）に示すように、減速材容器１１の１つにのみ重水を導入し、他の減速材容器１２，１３は空にする。このとき、制御部２２は、減速した中性子が患者に直ぐに到達するようにするため、最上部（患者に最も近い側）の減速材容器１１から重水を導入するように制御する。

また、減速材容器１１，１２の２個に重水を導入すれば、中性子はより減速するので、前記例よりも浅い部位に熱中性子を照射できる。

以上、この発明の中性子発生装置１００によれば、減速材容器１１，１２，１３に重水、軽水又はこれらの混合水を導入することで中性子の速度をユーザが簡単に調整できるので、患部の深さが異なる場合でも、切り換え操作を楽に行える。また、医師や放射線技師でも簡単に運用できる。

また、各減速材容器１１，１２，１３に導入する重水、軽水又はこれらの混合水の量（深さ）を下記実施の形態３のように調整し、各減速材容器１１，１２，１３の減速能力を調整するようにしても良い。このようにすれば、更に詳細に中性子の速度を調整できるようになる。なお、この場合は、各減速材容器１１〜１３に、下記実施の形態３に示すものと同様の液面計を設ける。

また、各減速材容器１１，１２，１３に導入する液体の組成や密度等を変えても良い。例えば、本実施の形態１では、減速材容器１１及び１３に重水及び軽水の混合水、又は軽水を導入する例を示したが、他の減速材容器１２にも同様に重水及び軽水の混合水や軽水のみを導入するようにしても良い。配合割合を変えた混合水を複数準備してそれぞれの種類毎に貯蔵タンクに貯蔵し、必要に応じて所望の減速材容器１１，１２，１３に導入するようにしても良い。

（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に係る中性子発生装置を示す構成図である。この中性子発生装置２００は、図４（ａ）に示すように、実施の形態１と同様の加速器１及びターゲット形成部２と、中性子の速度を調整する中性子速度調整装置４０とから構成される。中性子発生装置４０は、患者Ｐを載せるベッドＢの下側に配置される。加速器１及びターゲット形成部２は、真空容器２３内に設置される。

ターゲット形成部２の中性子発生側には前記中性子速度調整装置４０が設けられている。この中性子速度調整装置４０は、中性子の照射方向に減速板４１が多数段配置されている。各減速板４１は、ロッド４４により直動アクチュエータ４５に接続されている。直動アクチュエータ４５は、例えば油圧シリンダーやモータ式の直動機構等である。

直動アクチュエータ４５は制御部２２に接続されている。制御部２２は、直動アクチュエータ４５を駆動する制御盤と汎用コンピュータ及び所定のプログラムから構成される。各減速板４１の出し入れは、当該制御部２２により選択的に行われる。

前記減速板４１は、上方（中性子の照射方向）に向けて末広がりのように水平方向の表面積が大きくなるように設定する。これは、ターゲットＴで発生した中性子が拡散するように発生するためである。また、減速板４１は、重水素等の中性子の吸収能が低く及び減速能が高い材料により全体を構成する。このため、減速板は、重水を中空の板状体に封入した構成とするのが好ましい。

前記減速板４１は、中性子の反射壁４７内に配置されている。反射壁４７は中性子の散乱能力が高い材料で構成する。例えば、主として炭素により構成する。外側には、中性子の吸収体を設置する。反射壁４７は、内部が空洞の中性子吸収体からなる筐体内にホウ酸水等を封入した構造にしても良い（図示省略）。なお、反射壁２０の外側には図示しない中性子の遮蔽壁が設けられている。また、反射壁４７は、図４（ｂ）に示すように、各減速板４１と一体構成となり、具体的には矩形の減速板４１の周囲に枠のように反射壁４７が設けられる。即ち、減速板４１の部分には重水が封入され、反射壁４７を構成する部分は炭素により構成される。当該反射壁４７は減速板４１と共に出し入れ移動される。このようにすれば、減速板４１を選択的に出し入れしても当該減速板４１の周囲に反射壁４７を配置できる。減速板４１の上側には、鉛、ビスマス等の重金属で構成したガンマ線の遮蔽板２１が設置されている。この遮蔽板２１の表面には、^６Ｌｉ膜もしくはカドミウム（この場合には遮蔽板２１の裏面に設置する）からなる薄い円環状または額縁状の中性子の絞りが形成されている。例えば、当該絞りは、複数の絞り羽根部材を可動環状配置して中央部分の開口面積を調整できるカメラの絞りのような構造とする。中性子速度調整装置４０は、患者Ｐを載せるベッドＢの下内部に設けられる。ベッドＢの表面と最上部の減速板４１とは、減速された中性子を可能な限り短い距離で患者Ｐに到達させるため、遮蔽板２１を介して近接して配置するようにする。

次に、この中性子発生装置２００の動作について説明する。上記同様、患者に予め^１０Ｂを含むＢＰＡ又はＢＳＨのホウ素化合物を静脈又は動脈に注射もしくは点滴し、^１０Ｂを癌細胞に取り込ませる。そして、ターゲット形成部２によりノズル８から液体金属を噴出し、液体金属によるターゲットＴを水平方向に形成する。イオン源５により発生させた陽子を加速器６及びＤＴＬ７により所定速度まで加速させ、前記ターゲットＴに照射する。ターゲットＴとの核反応により高速中性子が発生する。具体的には、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶでの照射により得られる高速中性子のエネルギーは、１００〜６００ｋｅＶである。Ｅｐ＝１．９ＭｅＶでは、数１０ｋｅＶ以下である。

患者Ｐの治療に熱中性子を用いる場合、発生する中性子が熱中性子となるように調整する。具体的には、操作員が制御部２２に指令し、図４（ａ）に示すように、直動アクチュエータ４５により減速板４１をターゲットＴの上側（背後）の照射経路上に位置させる。例えば全ての減速板４１を中性子の照射経路上に位置させる。前記中性子の照射経路とは、中性子が末広がりに拡散して進む際の当該経路をいう。減速板４１の下方から高速中性子を照射すると、当該中性子が減速板４１で減速され、熱中性子となる。熱中性子は、遮蔽板２１によりその照射範囲が規制され、ベッドＢ上の患者Ｐの患部に照射される。患者Ｐの患部を切除して一時的に取り出し、当該患部のみをベッドＢに載せて照射することもできる。

また、中性子の減速量を下げる場合、アクチュエータ４５により減速板４１を移動させ、所定数の減速板４１のみを照射経路上に位置させる。例えば図４（ｂ）に示すように、２個の減速板４１を退避位置に移動させる。この場合、減速材４１及び遮蔽板２１、ベッドＢを駆動装置（図示省略）により下げ、ターゲット形成部２との距離を一定に保つようにする。

患者Ｐの治療に熱外中性子を用いる場合、中性子が熱外中性子となるように調整する。例えば、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶの場合、操作員が制御部２２に指令し、図４（ｃ）に示すように、直動アクチュエータ４５により所定数の減速板４１を中性子の照射経路上に位置させる。この場合、減速材４１及び遮蔽板２１、ベッドＢを駆動装置（図示省略）により下げ、ターゲット形成部２との距離を一定に保つ。減速板４１の下方から源中性子が入射すると、当該中性子が減速板４１で減速され、熱外中性子となる。また、遮蔽板２１により不要なガンマ線が遮蔽されると共に、中性子の絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれ、ベッドＢ上の患者Ｐに熱外中性子のみが照射される。

また、熱外中性子を得るにあたりＥｐ＝１．９ＭｅＶとした場合、操作員が制御部２２に指令し、図４（ｄ）に示すように、直動アクチュエータ４５により減速板４１を中性子の照射経路から外れた退避位置に戻す。例えば、減速板４１を１個残し、残り全てを退避位置に移動する。減速板４１を１個用いるのは、ｐ−Ｌｉ核反応から直接熱外中性子を作るのが困難であるため、当該減速板４１でエネルギーを調整する必要があるためである。また、減速材４１及び遮蔽板２１、ベッドＢを駆動装置（図示省略）により下げ、ターゲット形成部２との距離を一定に保つ。下方から照射された源中性子は１個の減速材４１により僅かに減速され、熱外中性子として照射される。また、遮蔽板２１により不要なガンマ線が遮蔽されると共に、中性子絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれ、ベッドＢ上の患者Ｐに熱外中性子のみが照射される。

次に、中性子の速度を詳細に調整する場合、ユーザが制御部２２に対して必要な速度を指令する。制御部２２には、患部の深度とその深度に熱中性子を届かせるのに必要な中性子速度との相関関係を記憶しておく。医師や放射線技師が所望の深度を制御部２２に入力することで、制御部２２側で必要な減速量を決定し、中性子の経路上に位置させる減速板４１の数を決める。このとき、減速した中性子が患者Ｐに直ぐに到達するようにするため、最上部（患者に最も近い側）の減速板４１を最初に中性子の照射経路上に位置させるように制御する。

以上、この発明の中性子発生装置２００によれば、多数の減速板４１を選択的に出し入れすることで簡単に中性子の速度を調整できるので、患部の深さが異なる場合でも、切換操作を容易に行える。また、医師や放射線技師でも簡単に運用できる。更に、減速板４１が板状であるため取り扱いやすく、速度の切換を早くできる。また、減速板４１の段数は、上記に限定されるものではない。また、減速板４１は、材料組成を調整することで中性子の減速能力を変更することもできる。例えば、一つの減速材４１の減速能力を、他の減速板４１より高くなるように材料組成を変更しても良い。また、減速板４１の厚さをそれぞれ変更することで減速能力を調整しても良い。更に、減速板４１は、交換可能である。このため、異なる中性子の減速能力を有する減速板を適宜セットして用いることができる。

また、図５に示すように、前記減速板４１に取り付けたロッド４５の先にハンドル４８を取り付け、ユーザが手動で減速板４１を中性子の照射経路上に出し入れするようにしても良い。この場合、上記直動アクチュエータ４５は不要である。

（実施の形態３）
図６は、この発明の実施の形態３に係る中性子発生装置を示す構成図である。この中性子発生装置３００は、減速材容器６１内に導入した重水の深さＤにより中性子の減速量を調整する点に特徴があり、実施の形態１と同様の加速器１及びターゲット形成部２と、中性子の速度を調整する中性子速度調整装置６０とから構成される。中性子発生装置６０は、患者Ｐを載せるベッドＢの下側に配置される。加速器１及びターゲット形成部２は、真空容器２３内に設置される。

ターゲット形成部２の上部の中性子発生側には前記中性子速度調整装置６０が設けられている。この中性子速度調整装置６０は、重水が導入される減速材容器６１と、減速材容器６１に接続した２つの貯蔵タンク１４ａ，１４ｂと、貯蔵タンク１４ａ，１４ｂと減速材容器６１との間に配置したポンプ１５とを備えている。また、減速材容器６１と貯蔵タンク１４ａ，１４ｂとは、それぞれ配管１７，１８で接続されている。貯蔵タンク１４ａには重水が貯蔵され、貯蔵タンク１４ｂには軽水又は軽水と重水との混合水が貯蔵される。減速材容器６１は、例えば黒鉛鋼等の中性子の吸収能が低く且つ安価な材料により構成するのが好ましい。

減速材容器６１の側面壁は蛇腹６２により構成される。患者側になる上面６４は固定し、下面６５は可動状態とする。また、減速材容器６１の内部は隔壁により上下分割されている。重水が貯蔵される貯蔵タンク１４ａは、配管１７により減速材容器６１の上容器６１ａに接続され、軽水又は軽水と重水との混合水が貯蔵される貯蔵タンク１４ｂは、配管１８により減速材容器６１の下容器６１ｂに接続される。当該構成では、減速材容器６１内の重水等の量に応じて蛇腹６２が伸縮するので、減速材容器６１内に空間が生じない。

前記減速材容器６１は、中性子の反射壁２０内に配置されている。反射壁２０は中性子の散乱能力が高い材料で構成する。例えば、炭素を含むレジンにより構成する。外側には、中性子の吸収体を設置する。内部が空洞の筐体内にホウ酸水を封入した構造にしても良い（図示省略）。減速材容器６１に接続された配管１７，１８は、当該配管１７，１８を通じて中性子がストリーミングにより漏れないように反射壁２０の中で折れ曲がる。なお、反射壁２０、減速材容器６１及びベッドＢは、図示しない駆動装置により上下動する。これにより、減速材容器６１の下面６５に対する距離が一定に保持される。なお、反射壁２０の外側には図示しない中性子の遮蔽壁が設けられている。

中性子速度調整装置６０は、患者Ｐを載せるベッドＢの下内部に設けられる。前記ポンプ１５は制御部２２により駆動される。制御部２２は、ポンプ１５を駆動する制御盤と汎用コンピュータ及び所定のプログラムから構成される。減速材容器６１に対するポンプ１５による減速材の出し入れは、当該制御部２２により行われる。

次に、この中性子発生装置３００の動作について説明する。患者Ｐには、予め^１０Ｂを含むＢＰＡ又はＢＳＨのホウ素化合物を静脈又は動脈に注射もしくは点滴し、^１０Ｂを癌細胞に取り込ませる。ターゲット形成部２によりノズル８から液体金属を噴出し、液体金属によるターゲットＴを水平方向に形成する。一方、イオン源５により発生させた陽子を加速器６及びＤＴＬ７により所定速度まで加速させ、前記ターゲットＴに照射する。ターゲットＴとの核反応により高速中性子が発生する。具体的には、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶでの照射により得られる高速中性子のエネルギーは、１００〜６００ＫｅＶである。Ｅｐ＝１．９ＭｅＶでは、数１０ｋｅＶ以下である。

患者Ｐの治療に熱中性子を用いる場合、図７（ａ）に示すように、ユーザが制御部２２に指令し、ポンプ１５を駆動して貯蔵タンク１４ａ内の重水を減速材容器６１の上容器６１ａに導入すると共に貯蔵タンク１４ｂの軽水を減速材容器６１の下容器６１ｂに導入する。重水及び軽水の導入量は貯蔵タンク１４ａ，１４ｂに設けた図示しない液面計により計測し、その出力信号に基づいて制御部２２がポンプ１５を駆動する。制御部２２は、前記出力信号により減速材容器６１の液面が所定値となったときポンプ１５の駆動を停止する。

また、減速材容器６１に重水及び軽水を導入した場合、内部に空間を生じさせることなく重水及び軽水を入れた分だけ蛇腹６２が伸縮し、ベッドＢに対して上面６４はベッドＢに対して相対的に動かない。このため、減速材容器６１の内部に空間が生じず、重水面と患者との距離を近接して一定に保つことができるので、減速した中性子を効率的に患者に照射できる。また、反射壁２０、減速材容器５１及びベッドＢは、駆動装置により下面６５とターゲット形成部２との間隔を一定に保つように移動する。

そして、減速材容器６１の下方から源中性子を照射すると、重水原子核に中性子が衝突し当該中性子が減速し、熱中性子となる。熱中性子は、遮蔽板２１によりガンマ線が遮蔽されると共に、絞りにより中性子の照射範囲が規制され、ベッドＢ上の患者Ｐの患部に照射される。また、患者Ｐの患部を切除して一時的に取り出し、当該患部のみをベッドに載せて照射することもできる。

患者Ｐの治療に熱外中性子を用いる場合、中性子が熱外中性子となるように調整する。例えば、Ｅｐ＝２．５ＭｅＶの場合、図７（ｂ）に示すように、操作員が制御部２２に指令し、ポンプ１５を駆動して貯蔵タンク１４内の重水を減速材容器６１の上容器６１ａに導入する。例えば、減速材容器６１ａ内を重水により一定深さで満たす。この重水の量（深さ）は、必要な中性子のエネルギー量が得られるように調整する。重水の量は、貯蔵タンク１４ａの液面を図示しない液面計により計測し、その出力信号に基づいて制御部２２がポンプ１５を駆動する。貯蔵タンク１４ｂの軽水は下容器６１ｂに導入せず、下容器６１ｂは空とする。

また、減速材容器６１に重水を導入した場合、内部に空間を生じさせることなく重水を入れた分だけ蛇腹６２が伸縮し、ベッドＢに対して上面６４はベッドＢに対して相対的に動かない。このため、内部の重水液面上に空間が生じず、重水面と患者との距離を近接して一定に保つことができるので、減速した中性子を効率的に患者に照射できる。また、反射壁２０、減速材容器５１及びベッドＢは、駆動装置により下面６５とターゲット形成部２との間隔を一定に保つように移動する。

そして、減速材容器６１の上容器６１ａの下方から源中性子を照射すると、重水原子核に中性子が衝突し当該中性子が減速し、熱外中性子となる。また、遮蔽板２１の絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれ、熱外中性子のみをベッドＢ上の患者Ｐの患部に照射する。

次に、Ｅｐ＝１．９ＭｅＶの場合、図７（ｃ）に示すように、操作員が制御部２２に指令し、ポンプ１５により減速材容器６１内の重水を貯蔵タンク１４に戻す。このとき、上容器６１ａには少し重水を入れた状態とする。このときも、内部に空間を生じさせることなく重水の分だけ蛇腹６２が縮み、ベッドＢに対して上面６４はベッドＢに対して相対的に動かない。このため、内部の重水液面上に空間が生じず、重水面と患者との距離を近接して一定に保つことができるので、減速した中性子を効率的に患者に照射できる。また、反射壁２０、減速材容器５１及びベッドＢは、駆動装置により下面６５とターゲット形成部２との間隔を一定に保つように移動する。

そして、減速材容器６１の下方から入射した源中性子は、殆ど減速されることなく減速材容器６１を通過し、熱外中性子として照射される。また、遮蔽板２１により不要なガンマ線が遮蔽されると共に、中性子の絞りを１００％絞ることで熱中性子が取り除かれ、ベッドＢ上の患者Ｐに熱外中性子のみが照射される。

次に、中性子の速度を詳細に調整する場合、ユーザが制御部２２に対して必要な速度を指令する。制御部２２は、患部の深度とその深度に熱中性子を届かせるのに必要な中性子速度との相関関係を記憶しておく。医師や放射線技師が所望の深度を制御部２２に入力することで、制御部２２側で必要な減速量を決定し、重水の減速材容器６１内での深さＤを決める。重水の深さＤは無段階調整が可能であるため、中性子のエネルギーを無段階に調整できる。制御部２２は、ポンプ１５を駆動し液面計からの出力信号によりフィードバック制御を行い、液面が所望の位置になるまで重水を導入する。

以上、この発明の中性子発生装置３００によれば、実施の形態１と同様の効果を有する他、中性子の速度を減速材容器６１の重水等により無段階で調整できるようにしたので、医師等が細かく中性子の速度を調整できる。なお、上記実施の形態において、液面計５２の出力信号をユーザが見てポンプ１５を手動で操作しても良い。

なお、図８に示すように、減速材容器７１は末広がりの略漏斗形状としても良い。この減速材容器７１は、一つの貯蔵タンク１４により重水を減速材容器７１に導入する形式のものである。この減速材容器７１の中央に隔壁を設けて上下分割し、上側に重水、下側に軽水を導入するようにしても良い。

なお、上記ターゲット形成部２は、湾曲したバックプレート上に液体金属を高速で流して液膜を形成する形式のものであっても良い。

また、上記実施の形態１及び２に係る中性子発生装置では、ベッドＢに患者を寝かせて治療を行う横置き型であったが、これを縦置き型にしても良い。図９は、実施の形態１に係る中性子発生装置を縦置き型にした場合を示す構成図である。この中性子発生装置１５０では、中性子速度調整装置３は患者Ｐが患部を押し当てるプレートＳの裏側に配置される。中性子速度調整装置３も縦に配置される。加速器１は、中性子速度調整装置３に対して横方向に中性子を照射可能とするように配置される（図示省略）。その他の構成要素は実施の形態１と同様であるから、同一構成要素に同一符合を付しその説明を省略する。このようにすれば、患者は顔の表面等の治療をする際に、立った状態又は座った状態で治療を受けられる。

図１０は、実施の形態２に係る中性子発生装置を縦置き型にした場合を示す構成図である。この中性子発生装置２５０では、中性子速度調整装置３は患者Ｐが患部を押し当てるプレートＳの裏側に配置される。中性子速度調整装置４０も縦に配置される。なお、この図１０に示す中性子発生装置は、減速板４１が三段構成であるが、もっと増やしても構わない。加速器１は、中性子速度調整装置４０に対して横方向に中性子を照射可能とするように配置される（図示省略）。その他の構成要素は実施の形態２と同様であるから、同一構成要素に同一符合を付しその説明を省略する。このようにすれば、患者は顔の表面等の治療をする際に、立った状態又は座った状態で治療を受けられる。

１００中性子発生装置
１加速器
２ターゲット形成部
３中性子速度調整装置
１１，１２，１３減速材容器
１４貯蔵タンク
１５ポンプ
１６不活性ガスタンク

Claims

荷電粒子ビームをベリリウムやリチウム等のターゲットに照射した際に、当該ターゲット背面側の熱外中性子の進行経路上に、多段に配置され且つ、液体状の減速材を導入する複数の減速材容器と、配管により前記各減速材容器と接続され、前記減速材を貯蔵する貯蔵タンクと、前記減速材を送るポンプとを備え、
前記複数の減速材容器の各々の前記進行経路と交差する方向の幅は、自身より前記進行経路の１つ手前側に位置する前記減速材容器よりも大きく、
前記複数の減速材容器は、前記進行経路に向かって末広がりの形状を有する
ことを特徴とする中性子速度調整装置。
更に、前記複数の減速材容器のうち、患者側に位置する減速材容器から減速材を導入するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の中性子速度調整装置。
荷電粒子ビームをベリリウムやリチウム等のターゲットに照射した際に当該ターゲットの背後に生じる熱外中性子の進行経路上に多段に配置されると共に、液体状の減速材が封入された複数の減速部材と、各減速部材を移動させて前記熱外中性子の照射経路上に選択的に出し入れする減速部材移動手段とを備え、
前記複数の減速部材の各々の前記進行経路と交差する方向の幅は、自身より前記進行経路の１つ手前側に位置する前記減速部材よりも大きく、
前記複数の減速部材は、前記進行経路に向かって末広がりの形状を有する
ことを特徴とする中性子速度調整装置。
上記請求項１〜３のいずれか一つの中性子速度調整装置と、
陽子を発生させる陽子発生手段と、
陽子を加速する加速器と、
ターゲットを形成するターゲット形成手段と、
を備えたことを特徴とする中性子発生装置。