重要記事なので、こちらにも掲載しておこうと思います。
元記事「BNCT用加速器その2 －実用性のある設計」
ここから ---------------------------
さて、ビーム精工社の技術者の三宅さんや電子工学の技術者の須田さんと色々議論を進めてみると、ＢＮＣＴに最適な加速器はもう少し違うスペックなのかな、という事になってきた。
まず厚いチタンターゲット上での過去の測定結果を見るとＤＤ核融合反応は１ＭｅＶ以下のほうが入射する重陽子へのエネルギー依存性が高く、１乗以上だ。けれども０．８ＭｅＶから１ＭｅＶ程度でちょうど一乗の比例関係になる。さらに先へ行くと１乗以下になる。つまり１００万ボルト以上の加速電圧を使っても電圧を上げるほど電力あたりの中性子の収量が低下するのだ。
この値がピークになるのはおおむね８００ＫＶ～１ＭＶ程度だ。
そこでコックロフト型の加速器を考える場合、加速電圧は最小１００ＫＶ、最大３ＭＶにして通常運転８００ＫＶを想定した。最大を３ＭＶに設定したのはＤＤ核融合反応以外にリチウムターゲットやベリリウムターゲットも視野に入れておきたいからだ。
実は加速器に設置する重水素イオン源（重陽子源）は陽極になるのだが、このターゲットの反対側でもエネルギーが上がるにつれて厄介な事が起こる。ターゲットに重陽子が衝突したときに弾き出された電子が陽電荷に吸い寄せられて陽極に衝突する。そして急ブレーキがかかってシンクロトロン放射を起こす。当然ながらこのエネルギーはほぼ加速用のエネルギーに程度になる。ということは３ＭＶでは最大３ＭｅＶ、１０ＭＶでは１０ＭｅＶもの高エネルギーエックス線が発生する事になる。このエネルギーは大変なもので人為的に発生させたものだから「エックス線」と呼称するものの、もはや「高エネルギーガンマ線」と呼ぶようなエネルギーとなっており、これを遮蔽するのにサイズが大きくなってしまう。
加速電圧の上限を３ＭＶ程度にしておけば、こういった面倒な問題を軽減できる。
また加速器の実寸も考えなくてはならない。電極は全て絶縁体で被覆しておくので大きさは小さくしても良い。それでも受動的な安全性や熱容量は多少は考えたい。空気中での絶縁破壊安全距離は概ね１ＫＶにつき０．８ｍｍ程度。このため１ＭＶであれば８０ｃｍとなる。従って加速管の長さを概ね８０ｃｍないし１ｍ程度にすれば８００ＫＶの連続運転では無難である。もっとも最大出力の３ＭＶを印加すると空気は絶縁破壊するので開放電極では放電してしまうけれども。スキャン電極に必要な電圧を考えると加速管はもう少しは長くしても良いが、大きい装置では製造コストも高くなるのでバランスを考えなくてはならない。
加速管の直径は概ね１０ｃｍ～１５ｃｍ程度でよいのではないかと思う。というのも照射される人体の側の術野がほぼこの大きさになるからだ。そもそも人体で差し渡し１０ｃｍを超えるような悪性腫瘍ではもはや生存は難しいので、この大きさで十分だろう。
ｄｄ反応でＢＮＣＴに必要な中性子強度を得るには、これまで得ていたデータから外挿すると、概ね２０ｍＡ程度。電力に換算して２０ＫＷ～６０ＫＷ。ターゲットは裏に冷媒を流して冷却する必要もあるし、あまり陽子ビームを絞るとターゲットが熱で溶解したり蒸発したりして穴が開いてしまう。また医療用の場合には分析用とは異なって、ビームが絞れている必要はないのでビームをスキャンして当たる場所を分散して発生する熱も分散を図る。
過去の実験データを見るとｄｄ核融合反応は８００ＫＶ付近では３．０×１０の７乗個／マイクロアンペア程度の出力がある。２０ｍＡ流すと２．０×１０の４乗をかけると０．６×１０の１２乗個となり、実用の可能性が見えてくる。
またターゲットの工夫によって、さらに中性子出力をアップする事も考えられる。現在使用しているチタン電極は重陽子を吸蔵するのだが、マグネシウム等のように非常に吸蔵力の大きい元素も存在する。また同じく重陽子でベリリウム９をターゲットにすると、１ＭＶで中性子の収量は概ね５倍になる。またリチウムをターゲットにすると７倍程度になっている。
また出てくる中性子の性質も考慮しなくてはならない。ｄｄ反応で出てくる中性子のエネルギーは２．４５ＭｅＶとかなり高いので減速が必要だ。しかし減速器を通すと中性子が目減りしてしまうので、この分を多めに作っておかなくてはならない。
ある種の反応では８０ＫｅＶ等、初めからエピサーマル中性子に近い速度のものが発生する。この場合には減速器での損失は少なくなる。
リチウムターゲットで３ＭＶ運転では中性子の収量は一マイクロアンペアあたり１．５×１０の９乗個。これを２０ｍＡでドライブすると最終的な収量は３．０×１０の１３乗個に達する。
この加速器の大きさは遮蔽設備と電源・冷却設備を除けば２畳程度の面積に設置できる。これならば地方の病院にも設置可能であってＢＮＣＴ新時代のきっかけになると良いのだが。
（文：窪田敏之）
元記事「BNCT用加速器その2 －実用性のある設計」
ここから ---------------------------
さて、ビーム精工社の技術者の三宅さんや電子工学の技術者の須田さんと色々議論を進めてみると、ＢＮＣＴに最適な加速器はもう少し違うスペックなのかな、という事になってきた。
まず厚いチタンターゲット上での過去の測定結果を見るとＤＤ核融合反応は１ＭｅＶ以下のほうが入射する重陽子へのエネルギー依存性が高く、１乗以上だ。けれども０．８ＭｅＶから１ＭｅＶ程度でちょうど一乗の比例関係になる。さらに先へ行くと１乗以下になる。つまり１００万ボルト以上の加速電圧を使っても電圧を上げるほど電力あたりの中性子の収量が低下するのだ。
この値がピークになるのはおおむね８００ＫＶ～１ＭＶ程度だ。
そこでコックロフト型の加速器を考える場合、加速電圧は最小１００ＫＶ、最大３ＭＶにして通常運転８００ＫＶを想定した。最大を３ＭＶに設定したのはＤＤ核融合反応以外にリチウムターゲットやベリリウムターゲットも視野に入れておきたいからだ。
実は加速器に設置する重水素イオン源（重陽子源）は陽極になるのだが、このターゲットの反対側でもエネルギーが上がるにつれて厄介な事が起こる。ターゲットに重陽子が衝突したときに弾き出された電子が陽電荷に吸い寄せられて陽極に衝突する。そして急ブレーキがかかってシンクロトロン放射を起こす。当然ながらこのエネルギーはほぼ加速用のエネルギーに程度になる。ということは３ＭＶでは最大３ＭｅＶ、１０ＭＶでは１０ＭｅＶもの高エネルギーエックス線が発生する事になる。このエネルギーは大変なもので人為的に発生させたものだから「エックス線」と呼称するものの、もはや「高エネルギーガンマ線」と呼ぶようなエネルギーとなっており、これを遮蔽するのにサイズが大きくなってしまう。
加速電圧の上限を３ＭＶ程度にしておけば、こういった面倒な問題を軽減できる。
また加速器の実寸も考えなくてはならない。電極は全て絶縁体で被覆しておくので大きさは小さくしても良い。それでも受動的な安全性や熱容量は多少は考えたい。空気中での絶縁破壊安全距離は概ね１ＫＶにつき０．８ｍｍ程度。このため１ＭＶであれば８０ｃｍとなる。従って加速管の長さを概ね８０ｃｍないし１ｍ程度にすれば８００ＫＶの連続運転では無難である。もっとも最大出力の３ＭＶを印加すると空気は絶縁破壊するので開放電極では放電してしまうけれども。スキャン電極に必要な電圧を考えると加速管はもう少しは長くしても良いが、大きい装置では製造コストも高くなるのでバランスを考えなくてはならない。
加速管の直径は概ね１０ｃｍ～１５ｃｍ程度でよいのではないかと思う。というのも照射される人体の側の術野がほぼこの大きさになるからだ。そもそも人体で差し渡し１０ｃｍを超えるような悪性腫瘍ではもはや生存は難しいので、この大きさで十分だろう。
ｄｄ反応でＢＮＣＴに必要な中性子強度を得るには、これまで得ていたデータから外挿すると、概ね２０ｍＡ程度。電力に換算して２０ＫＷ～６０ＫＷ。ターゲットは裏に冷媒を流して冷却する必要もあるし、あまり陽子ビームを絞るとターゲットが熱で溶解したり蒸発したりして穴が開いてしまう。また医療用の場合には分析用とは異なって、ビームが絞れている必要はないのでビームをスキャンして当たる場所を分散して発生する熱も分散を図る。
過去の実験データを見るとｄｄ核融合反応は８００ＫＶ付近では３．０×１０の７乗個／マイクロアンペア程度の出力がある。２０ｍＡ流すと２．０×１０の４乗をかけると０．６×１０の１２乗個となり、実用の可能性が見えてくる。
またターゲットの工夫によって、さらに中性子出力をアップする事も考えられる。現在使用しているチタン電極は重陽子を吸蔵するのだが、マグネシウム等のように非常に吸蔵力の大きい元素も存在する。また同じく重陽子でベリリウム９をターゲットにすると、１ＭＶで中性子の収量は概ね５倍になる。またリチウムをターゲットにすると７倍程度になっている。
また出てくる中性子の性質も考慮しなくてはならない。ｄｄ反応で出てくる中性子のエネルギーは２．４５ＭｅＶとかなり高いので減速が必要だ。しかし減速器を通すと中性子が目減りしてしまうので、この分を多めに作っておかなくてはならない。
ある種の反応では８０ＫｅＶ等、初めからエピサーマル中性子に近い速度のものが発生する。この場合には減速器での損失は少なくなる。
リチウムターゲットで３ＭＶ運転では中性子の収量は一マイクロアンペアあたり１．５×１０の９乗個。これを２０ｍＡでドライブすると最終的な収量は３．０×１０の１３乗個に達する。
この加速器の大きさは遮蔽設備と電源・冷却設備を除けば２畳程度の面積に設置できる。これならば地方の病院にも設置可能であってＢＮＣＴ新時代のきっかけになると良いのだが。
（文：窪田敏之）