JP2006173105A

JP2006173105A - イオン源装置及び方法

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Publication number: JP2006173105A
Application number: JP2005348578A
Authority: JP
Inventors: Jonas O Norling; ヨナス・オヴ・ノーリング; Jan-Olof Bergstrom; ヤン−オルフ・バーグストロム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: CN1816243A; EP1672670B1; EP1672670A3; CN1816243B; EP1672670A2; JP5079233B2; US20060132068A1; US7122966B2

Abstract

【課題】本発明は、サイクロトロンのイオン源の寿命及び性能を改善する。
【解決手段】イオン源管（３００）は、該イオン源管（３００）の側面に沿って設けられたスリット開口部（３１０）を含み、スリット開口部（３１０）は、０．２９ｍｍよりも小さい幅を有する。イオン源管（３００）はまた、該イオン源管（３００）の端部内に設けられた端部開口部（３１４）を含む。端部開口部（３１４）は、イオン源管（３００）の内径よりも小さくかつ該イオン源管（３００）の中心軸線（３１６）からスリット開口部（３１０）の方に０〜１．５ｍｍほど偏位している。イオン源管（３００）は、プラズマ放電を収容する空洞（３１２）を含む。本発明はまた、イオン源管（３００）を製作する方法にも関する。
【選択図】図８

Description

本発明は、総括的には放射性薬学用のサイクロトロン設計の分野に関し、より具体的には、イオン源の寿命及び性能を改善するための方法及び装置に関する。

病院及び他の医療機関は、診断目的でポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）に広範に依存している。ＰＥＴスキャナは、様々な生体内作用及び機能を示す画像を生成することができる。ＰＥＴスキャンにおいて、患者は先ず、ＰＥＴアイソトープとして公知の放射線物質（又は、放射性医薬品）を注入される。ＰＥＴアイソトープは、例えば放射性フッ素を含む糖の一種である^１８Ｆ−フルオロ−２−デオキシグルコース（ＦＤＧ）とすることができる。ＰＥＴアイソトープは特定の身体作用及び機能に含まれた状態になり、その放射性特性により、ＰＥＴスキャナがそれらの機能及び作用を解明する画像を生成することが可能になる。例えば、ＦＤＧが注入されると、ＦＤＧは、癌細胞で代謝されることになり、ＰＥＴスキャナが癌性領域を解明する画像を生成することが可能になる。

ＰＥＴアイソトープは主に、粒子加速器の一種であるサイクロトロンで生産される。サイクロトロンは通常、高真空（例えば、１０^−７トル）で作動する。作動中、荷電粒子（すなわち、イオン）がまず、イオン源から抽出される。次にイオンは、磁場によって円軌道に閉じ込められた状態で加速される。高周波数（ＲＦ）高電圧源は、サイクロトロン室内の電場の極性を迅速に交互に変えて、イオンがさらに多くの運動エネルギーを取得するように該イオンをらせん状コースに沿って進ませる。イオンがその最終的エネルギーを獲得すると、イオンはターゲット材料に導かれて、ターゲット材料を１つ又はそれ以上の所望のＰＥＴアイソトープに変換する。サイクロトロンは一般的に、大きな投資を必要とするので、そのアイソトープ製造能力は非常に重要である。理論的には、所定のターゲット材料におけるアイソトープの製造率は、ターゲットに衝突する荷電粒子（すなわち、イオンビーム流）の流束に正比例する。従って、イオン源から高いイオン流出力を抽出することが望ましいといえる。

イオン出力とは別に、イオン源の寿命もまた重要である。イオン源は一般的に、寿命が限られており、従って定期的に交換する必要がある。定期整備中にサイクロトロンは、イオン源にアクセスすることが可能になるように開放する必要がある。しかしながら、サイクロトロンは通常、アイソトープ製造時に放射性になるので、整備を開始する前に放射能が安全レベルに自然減衰するまで待機する必要がある。１つのサイクロトロンでは、例えば、放射能自然減衰の待機は１０時間続くことがある。イオン源の交換は、イオン源組立体の複雑性及びそのアクセス性に応じて幾らかの時間がかかる。イオン源を交換した後に、サイクロトロン内に高真空を回復させるのにさらに時間がかかる。その結果、イオン源交換の定期整備ごとに、アイソトープ製造を長時間停止させることになる。従って、イオン源の寿命を向上させ、それにより定期点検間のアイソトープ製造時間をより長くすることが望ましいといえる。

図１は、アイソトープ製造用のサイクロトロンに用いる公知のプラズマベース・イオン源１００の作動を示す。図示するように、イオン源１００は、２つのカソード１０２間に配置されたイオン源管１０４を含む。イオン源管１０４は、接地することができ、一方、２つのカソード１０２は、電源１１２で負の高電位にバイアスすることができる。イオン源管１０４は、空洞１０８を有することができ、空洞１０８内には、１つ又はそれ以上のガス成分を流入させることができる。例えば、空洞１０８内には、約１０ｓｃｃｍの水素（Ｈ_２）ガス流を流入させることができる。カソード１０２とイオン源管１０４との間の電圧差により、水素ガス内にプラズマ放電（１１０）を生じさせ、正の水素イオン（プロトン）及び負の水素イオン（Ｈ⁻）を生成する。これら水素イオンは、イオン源管１０４の長さに沿って加えられる磁場１２０によって閉じ込めることができる。電源１１４で交互電位にバイアスされたプーラ１１６は次に、交互電位の半分の正の電位の期間にイオン源管１０４上のスリット開口部１０６を通して負の水素イオンを抽出することができる。抽出された負の水素イオン１１８は、アイソトープ製造に用いる前にサイクロトロン（図示せず）でさらに加速することができる。

図２〜図７は、従来技術のイオン源管２００の設計を示し、その場合、図２はイオン源管２００の斜視図であり、図３は正面図であり、図４は側面図であり、図５及び図７は切断面ａ−ａの断面図であり、また図６は切断面ｂ−ｂの断面図である。長さの単位は、ミリメートル（ｍｍ）である。イオン源管２００は、軸線２１６に沿って中心がある円筒型空洞２１２を有する。さらにイオン源管２００の正面に沿ってスリット開口部２１４が設けられる。この従来技術の設計はさらに、空洞２１２内に挿入しかつ端縁部２２０及び２２２に対して位置決めしてプラズマ柱２１８の形状及び位置を定めるのを助けることができる２つの別個のリストリクタリング２１０を必要とする。

従来技術のイオン源管２００の設計には幾つかの欠点が存在するといえる。例えば、リストリクタリング２１０の使用は、製作時に組立て及び調整のための幾らかの時間を必要とする可能性がある。また、従来技術のリストリクタリングの設計は、厳しい製作公差を必要とする可能性がある。さらに、スリット開口部２１４は、プラズマ柱２１８で発生したイオンの衝撃により比較的急速に劣化して、イオン源管２００の寿命を短くすることになるおそれがある。

公知のシステム及び方法には、これら及び他の欠点が存在することになる。
米国特許第６，８４４，５５６号公報

本発明は、公知のシステム及び方法のこれら及び他の欠点を克服する、イオン源の寿命及び性能を改善するための方法及び装置を対象とする。

１つの実施形態によると、本発明はその中でプラズマ放電を持続するイオン源管に関し、本イオン源管は、該イオン源管の側面に沿って設けられかつ０．２９ｍｍよりも小さい幅を有するスリット開口部と、該イオン源管の少なくとも１つの端部内に設けられ、該イオン源管の内径よりも小さくかつ該イオン源管の中心軸線からスリット開口部の方に０〜１．５ｍｍほど偏位した端部開口部と、プラズマ放電を収容する空洞とを含む。

別の実施形態によると、本発明はイオン源管を製作する方法に関し、本方法は、イオン源管を成形する段階を含み、イオン源管は、該イオン源管の側面に沿って設けられかつ０．２９ｍｍよりも小さい幅を有するスリット開口部と、該イオン源管の少なくとも１つの端部内に設けられ、該イオン源管の内径よりも小さくかつ該イオン源管の中心軸線からスリット開口部の方に０〜１．５ｍｍほど偏位した端部開口部と、その中にプラズマ放電を位置させる空洞とを含む。

次に、本発明のより完全な理解を可能にするために、添付図面を参照する。これら図面は、本発明を限定するものとして解釈すべきではなく、単に例示的であることを意図するものである。

次に、本発明の例示的な実施形態を詳細に参照にする。

図８を参照すると、本発明の実施形態による例示的なイオン源管３００の斜視図を示す。イオン源管３００は、図１に示すものと同様のプラズマベース・イオン源に用いることができる。プラズマ放電（図示せず）は、イオン源管３００内又はその近接で持続することができる。イオン源管３００は、熱及びプラズマ放電に耐性がある金属（例えば、銅及びタングステン）で作ることができる。図示するように、例示的なイオン源管３００は、ほぼ円筒形の形状を有する。イオン源管３００の正面にイオンを抽出するためのスリット開口部３１０を設けることができる。イオン源管３００の端部内には端部開口部３１４を設け、１つ又は複数のガス成分流を受け入れかつプラズマ放電の形状及び位置を定めるのを助けることができる。イオン源管３００の内部には、プラズマ放電の形状及び位置とその密度とをさらに定める事前成形した空洞３１２を設けることができる。イオン源管３００の内部幾何学的形状の詳細は、図９〜図１２に関して説明する。

イオン源管３００は一般的にワンピースとして製作されることに注目されたい。すなわち、スリット開口部３１０の幅及び空洞３１２の形状のようなイオンビーム流に影響を及ぼす幾何学的パラメータは、例えば実験又は理論計算（例えばコンピュータ・シミュレーション）に基づいて予め定めることができる。次に、所望のパラメータ・セットをイオン源管３００に組み入れて、組立て又は調整を殆ど又は全く必要としない一体形構造を形成することができる。この設計方法は、イオン源管３００の時間のかかる調整の必要性を低減することができ、かつ機械加工公差を高めることができる。

図９〜図１２は、図８に示す例示的なイオン源管を詳細に示す機械製図である。図９はイオン源管３００の正面図であり、図１０は側面図であり、図１１は切断面Ａ−Ａの断面図であり、また図１２は切断面Ｂ−Ｂの断面図である。長さの単位は、ミリメートル（ｍｍ）である。

図９に示すイオン源管３００の全長は、例えば０．０５ｍｍの公差の状態で２０ｍｍとすることができる。もちろん、本明細書に記載するこれらの値及び他の値は、単なる実施例である。イオン源管３００の正面に沿ったスリット開口部３１０の幅は、０．０１ｍｍの公差の状態で、０．３ｍｍよりも小さく、より好ましくは０．２９ｍｍよりも小さくかつ０．１ｍｍよりも大きく、さらにより好ましくは０．２５ｍｍよりも小さくかつ０．１５ｍｍよりも大きく、最も好ましくは０．２ｍｍの幅とすることができる。スリット開口部３１０の長さは、０．０５ｍｍの公差の状態で、４〜６ｍｍ、より好ましくは５．００ｍｍとすることができる。スリット開口部３１０及びイオン源管３００の両端部は、シャープエッジ（縁の鋭い端縁）を有することができる。

図１０は、一端部から見たイオン源管３００の図を示す。端部開口部３１４は一般的に、０．０５ｍｍの公差の状態で、２．５〜５ｍｍの直径を有し、より好ましくは３．００ｍｍの直径を有する。また図１０及び図１１に示すように、端部開口部３１４は、一般的ではあるが必ずしも必要ではないが、イオン源管の中心軸線３１６から中心がずれている（オフセンタしている）。例えば、端部開口部３１４は、中心軸３１６から０又は０よりも大きく最大で１．５ｍｍまでオフセンタさせることができ、好ましくは中心軸３１６から約１．００ｍｍだけオフセンタさせることができる。その結果、端部開口部３１４によって制限されたプラズマ柱（図示せず）は、オフセンタしかつスリット開口部３１０により近接するように移動させることができる。スリット開口部３１０に近接したプラズマ柱の位置は一般的に、イオン抽出の効率を改善する。さらに、端部開口部３１４の直径は、イオン源管３００内部の空洞３１２の直径よりも小さくすることができ、このことは、プラズマ放電の密度を高めてより多くのイオンを生成するのを助けることができる。一般的に、イオン源管内部のプラズマ放電の直径は、約２．５〜５ｍｍ、より好ましくは３ｍｍである。

図１２は、１つの実施例により、スリット開口部３１０と中心軸線３１６との間の距離を約２．６ｍｍとすることができることを示す。端部開口部３１４及び内蔵形リストリクタ３２４によって制限されたプラズマ柱がイオン源管３００の長さ全体にわたり直円筒形状を維持すると仮定すると、プラズマ柱の縁部はスリット開口部３１０から０．３ｍｍだけ離れることになる。一般的には、プラズマ柱の縁部は、スリット開口部３１０から０．２〜０．５ｍｍほど離れる。スリット開口部３１０の端縁部におけるイオン源管の厚さは、一般的に０．０５〜０．１５ｍｍ、好ましくは図１１に示すように０．１ｍｍである。スリット開口部３１０の端縁部におけるイオン源管の厚さは、性能に対して２つの作用を有することになる。例えば、より薄い端縁部は、電場の浸透を改善し、従ってより良好なＨ⁻出力をもたらすことができる。しかしながら、より薄い端縁部は、摩耗に対する耐性がより小さくなるので、イオン源管の寿命をより短くする原因となることがある。端縁部の厚さの選択は、この２つの作用間のトレードオフとすることができる。

図１３〜図１６は、本発明の実施形態による例示的なリストリクタリングを示す機械製図である。図１３は、リストリクタリング５００の斜視図であり、図１４は平面図であり、図１５は側面図であり、また図１６は切断面ｆ−ｆの断面図である。長さの単位は、ミリメートル（ｍｍ）である。

本発明の実施形態によると、図１３に示すもののような１つ又はそれ以上のリストリクタリングは、その空洞の形状をさらに変更するためにイオン源管内に挿入することができる。例えば、リストリクタリング５００は、図１１の破線３２０に沿って空洞３１２内に挿入することができる。リストリクタリング５００は、耐熱及び耐プラズマ性の金属（例えば、タングステン又は銅）で製作することができる。図１６に示すように、リストリクタリング５００は、４．６０ｍｍの内径と５．６０ｍｍの外径とを有することができる。図１４に示すように、リストリクタリング５００は、０．８ｍｍ幅のスリット５０８を有することができる。スリット５０８により、挿入及び調整中にリストリクタリング５００をわずかに曲げることを可能にすることができる。また、内径及び外径の寸法により、リストリクタリング５００を図１１に示すフランジ３２２に対して安定させることを可能にすることができる。

本発明の実施形態によると、イオン源管はイオン抽出のキー・パラメータ全てを組み入れたシングルピースとして製作することが望ましいといえるが、全ての要件に適合するように管を機械加工するのは困難すぎる又は高価すぎる場合が往々にしてある。例えば、図１１を再び参照すると、その空洞３１２が中央部分でより広くなりかつ両端部でより狭くなったワンピース形イオン源管３００を製作するのが困難な場合がある。しかしながら、破線３２０に沿ってリストリクタリング５００を挿入しかつフランジ３２２に対して安定させる場合には、切断面Ｂ−Ｂに関して空洞３１２の形状における所望の対称性を達成することができる。

要約すると、本発明の実施形態は、イオン源の寿命及び性能を改善する幾つかの有利な特徴を提供することができる。例えば、ワンピース形設計では、スリット開口部の幅、スリット開口部とプラズマ柱の縁部との間の距離、及びプラズマ柱の形状のような、出力イオン流に影響を及ぼすことができるキー・パラメータを全て組み入れることができる。殆ど別個の部品がない場合には、ワンピース形イオン源管は、容易に据え付け及び調整することができる。イオン源管内部の空洞の幾何学的形状は、効率的なイオン発生及び抽出を達成するように設計することができる。例えば、空洞の一端部におけるオフセンタ端部開口部は、プラズマ柱をスリット開口部により近接させて位置決めすることができる。プラズマ柱の形状は、オフセンタ開口部及び空洞の幾何学的パラメータに基づくように構成することができる。オフセンタ開口部及び空洞の大きさは、例えばプラズマ柱の密度を高めるように縮小することができる。随意選択的に１つ又は複数のリストリクタリングを用いる場合には、本発明の実施形態はまた、イオン源管の設計及び製作における自由度をもたらす。ワンピース形設計が実現困難な場合には、適当な形状及び寸法の１つ又はそれ以上のリストリクタリングをイオン源管内に挿入して所望の幾何学的形状を得ることができる。

以上の説明は多くの詳述を含むが、これらは説明のみを目的として含ませたものであって、本発明の限定事項として解釈すべきではないことを理解されたい。本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく上述の実施形態に対して他の変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、そのような変更は、特許請求の範囲及びその合法的均等物によって包含することを意図するものとして、本発明の技術的範囲内にあると考えられる。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

アイソトープ製造用のサイクロトロンに用いる公知のプラズマベース・イオン源の作動を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。従来技術のイオン源管の設計を示す図。本発明の実施形態による例示的なイオン源管の斜視図。図８に示す例示的なイオン源管を示す機械製図。図８に示す例示的なイオン源管を示す機械製図。図８に示す例示的なイオン源管を示す機械製図。図８に示す例示的なイオン源管を示す機械製図。本発明の実施形態よる例示的なリストリクタリングを示す機械製図。本発明の実施形態よる例示的なリストリクタリングを示す機械製図。本発明の実施形態よる例示的なリストリクタリングを示す機械製図。本発明の実施形態よる例示的なリストリクタリングを示す機械製図。

符号の説明

３００イオン源管
３１０スリット開口部
３１２空洞
３１４端部開口部
３１６中心軸線

Claims

その中でプラズマ放電を持続するイオン源管（３００）であって、
前記イオン源管（３００）の側面に沿って設けられかつ０．２９ｍｍよりも小さい幅を有するスリット開口部（３１０）と、
前記イオン源管（３００）の端部内に設けられ、該イオン源管の内径よりも小さくかつ該イオン源管（３００）の中心軸線（３１６）から前記スリット開口部（３１０）の方に０〜１．５ｍｍほど偏位した端部開口部（３１４）と、
プラズマ放電を収容する空洞（３１２）と、
を含むイオン源管（３００）。
前記端部開口部（３１４）が２．５〜５ｍｍの直径を有する、請求項１記載のイオン源管（３００）。
内蔵形リストリクタ（３２４）及び前記端部開口部（３１４）の少なくとも１つにより、プラズマ放電の縁部が前記スリット開口部（３１０）から０．２〜０．５ｍｍ離れた状態になるようにする、請求項１記載のイオン源管（３００）。
前記スリット開口部（３１０）が０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの幅を有する、請求項１記載のイオン源管（３００）。
前記スリット開口部（３１０）が約０．２ｍｍの幅を有する、請求項１記載のイオン源管（３００）。
該イオン源管（３００）がワンピース形構造である、請求項１記載のイオン源管（３００）。
前記空洞（３１２）の幾何学的形状を変更するために該ワンピース形イオン源管（３００）内に挿入するようになったリストリクタリング（５００）をさらに含む、請求項６記載のイオン源管（３００）。
該イオン源管（３００）が銅及びタングステンを含む、請求項１記載のイオン源管（３００）。
前記端部開口部（３１４）が、該イオン源管（３００）の中心軸線（３１６）から前記スリット開口部（３１０）の方に０よりも大きいミリメートルほど偏位している、請求項１記載のイオン源管（３００）。
イオン源管を製作する方法であって、
イオン源管（３００）の側面に沿って設けられかつ０．２９ｍｍよりも小さい幅を有するスリット開口部（３１０）と、
前記イオン源管（３００）の端部内に設けられ、該イオン源管（３００）の内径よりも小さくかつ該イオン源管（３００）の中心軸線（３１６）から前記スリット開口部（３１０）の方に０〜１．５ｍｍほど偏位した端部開口部（３１４）と、
その中にプラズマ放電を位置させる空洞（３１２）と、
を含む該イオン源管（３００）を成形する段階を含む、
方法。