JP2006226790A - 放射性同位体生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置が小型化されるとともに、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を出力するレーザ光源１０と、レーザ光を集光照射して発生した重陽子Ｄを放出する重陽子放出ターゲット２０と、同位体生成ターゲット３０と、同位体回収装置４０とを備えて放射性同位体生成装置１Ａを構成する。また、重陽子Ｄを入射してＤ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応によって高速陽子Ｐを発生させる^３Ｈｅと、^１１Ｂ，^１６Ｏ，^１５Ｎ，及び^１８Ｏの少なくとも１つを含む原料物質とを含む同位体生成ターゲット３０を用い、高速陽子Ｐと原料物質とが反応することによって^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体を生成させる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射性同位体を生成するための放射性同位体生成装置に関するものである。

放射性同位体は、放射線源やトレーサーなどとして多様な分野で利用されている。その一例として、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置による診断における放射性同位体の利用がある。ＰＥＴ診断では、陽電子を放出する^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，^１８Ｆなどの短寿命の放射性同位体を含む薬剤が用いられている。

ＰＥＴ用の放射性同位体は、通常、サイクロトロン加速器から供給される陽子、重陽子等の荷電粒子を用い、加速された高速の荷電粒子を気体または液体などのターゲットに照射して核反応を発生させることによって製造される。また、^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，^１８Ｆなどの放射性同位体を生成するための高速陽子Ｐを用いた核反応は反応しきい値がある。医療用のサイクロトロン加速器では、核反応の断面積を考慮して、その加速エネルギーは例えば１０〜２０ＭｅＶに設定されている。
特開２００１−５６３９４号公報 特開２００４−２１２１８１号公報 John M. Dawson, "NonenergyApplications for Fusion", FUSION TECHNOLOGY Vol.22, pp.98-102 (1992) I. Spencer et al., "Lasergeneration of proton beams for the production of short-lived positron emittingradioisotopes", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 183, pp.449-458(2001)

ＰＥＴによるガン診断等において、サイクロトロン加速器によって放射性同位体を生成する上記方法を用いた場合、病院内に設置することが必要な装置が大型化する。また、サイクロトロン加速器からはγ線等の放射線が発生するため、例えば厚さ１ｍ以上のコンクリートで遮蔽を行うなど、大掛かりな放射線遮蔽設備が必要となるという問題がある。

また、トカマク型などの核融合炉を用い、以下の反応式
Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ（１４．６７ＭｅＶ）
で表される核反応を用いて高速陽子Ｐを発生させ、得られた陽子Ｐを用いてＰＥＴ用の放射性同位体を生成する方法が Dawson によって提案されている（非特許文献１参照）。この反応は、核融合反応による直接発電の方法として知られているものである。

上記反応式は、重陽子Ｄと^３Ｈｅとを衝突させることにより、^４Ｈｅと陽子Ｐとが発生し、そのときの陽子Ｐのエネルギーが１４．６７ＭｅＶになることを示している。このような核反応で生成されるエネルギー１４．６７ＭｅＶの高速陽子Ｐを利用すれば、短寿命放射性同位体を生成することが可能である。しかしながら、核融合炉を用いるこのような方法では、核融合炉自体がまだ研究段階にあり、実用化には時間がかかる。

一方、高強度のレーザ光を真空中でターゲットに照射することにより、電子、陽子、重陽子などの粒子がターゲットから高速で放出されることが知られている。また、高強度のレーザ光、またはレーザ光によって得られた高速の荷電粒子を利用して、ＰＥＴ用の短寿命放射性同位体を生成する試みがなされている（例えば、特許文献１、２、非特許文献２参照）。

このように、同位体生成用の高速粒子を供給するサイクロトロン加速器を、レーザ光を利用した高速粒子発生装置へと置き換えることにより、ターゲット周辺等のみを遮蔽すれば良いこととなり、放射線遮蔽設備を含めた装置の小型化が可能となる。しかしながら、レーザ光の照射によってターゲットから放出される荷電粒子のエネルギー分布では、低エネルギー成分が多い（非特許文献２参照）。したがって、このような荷電粒子を放射性同位体生成に用いることを考えると、その核反応にしきい値がある場合には不利である。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、装置が小型化されるとともに、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による放射性同位体生成装置は、（１）所定強度のレーザ光を出力するレーザ光源と、（２）レーザ光を集光しつつ照射することによって発生した重陽子Ｄを放出する重陽子放出ターゲットと、（３）重陽子放出ターゲットからの重陽子Ｄを入射し、反応
Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ
によって高速陽子Ｐを発生させるための^３Ｈｅと、^１１Ｂ，^１６Ｏ，^１５Ｎ，及び^１８Ｏの少なくとも１つを含む原料物質と、を含む同位体生成ターゲットと、（４）同位体生成ターゲットにおいて高速陽子Ｐと原料物質とが反応することによって生成された^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体を回収するための同位体回収手段とを備えることを特徴とする。

上記した放射性同位体生成装置においては、レーザ光の照射によってターゲットから放出される同位体生成用の荷電粒子として重陽子Ｄを利用するとともに、^３Ｈｅと原料物質との両者を含む同位体生成ターゲットを用いている。そして、同位体生成ターゲット内において重陽子Ｄと^３Ｈｅとを反応させて高速陽子Ｐを発生させ、この高速陽子Ｐと原料物質との間での核反応によって放射性同位体を生成している。

このような構成では、レーザ光を照射して得られる重陽子Ｄを利用することにより、装置を小型化することができる。また、重陽子放出ターゲットから放出される重陽子Ｄについては、その低エネルギー成分も含めて上記反応による高速陽子Ｐの発生に利用することが可能である。したがって、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置が実現される。

ここで、重陽子放出ターゲットとしては、例えば、重水素を含む物質を内包または吸着させた薄膜ターゲットを用いることができる。

また、同位体生成ターゲットとしては、例えば、^３Ｈｅガス及び原料物質のガスを含む原料ガスが内部に導入される同位体生成用チャンバを有する構成を用いることができる。この場合、同位体生成用チャンバの内部は、^３Ｈｅガスが導入される第１の空間、及び原料物質のガスが導入される第２の空間に分けられている構成としても良い。あるいは、同位体生成ターゲットとしては、^３Ｈｅを吸着させた薄膜ターゲットを有する構成を用いることができる。

本発明によれば、レーザ光の照射によってターゲットから放出される重陽子Ｄを利用するとともに、^３Ｈｅと原料物質との両者を含む同位体生成ターゲットを用い、同位体生成ターゲット内において重陽子Ｄと^３Ｈｅとを反応させて高速陽子Ｐを発生させ、この高速陽子Ｐと原料物質との間での核反応によって放射性同位体を生成することにより、装置が小型化されるとともに、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置が実現される。

以下、図面とともに本発明による放射性同位体生成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による放射性同位体生成装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態による放射性同位体生成装置１Ａは、レーザ光の照射によって発生する荷電粒子を利用して放射性同位体を生成させるものであり、レーザ光源１０と、重陽子放出ターゲット２０と、同位体生成ターゲット３０と、同位体回収装置４０とを備えている。

レーザ光源１０は、荷電粒子の発生に用いられる所定波長、所定強度のレーザ光を出力する光源装置である。このレーザ光としては、荷電粒子を発生させることが可能な高強度のレーザ光が用いられ、好ましくは、高ピークパワーの超短パルスレーザ光などのパルスレーザ光が用いられる。

このレーザ光源１０に対し、重陽子放出ターゲット２０及び同位体生成ターゲット３０は、所定の真空度が保持された真空チャンバ５０内に設置されている。レーザ光源１０から供給されたレーザ光は、集光しつつ重陽子放出ターゲット２０へと照射される。重陽子放出ターゲット２０は、レーザ光の照射によって重水素の原子核である重陽子Ｄを発生、放出させることが可能な材料によって形成されている。

重陽子放出ターゲット２０から放出された重陽子Ｄは、同位体生成ターゲット３０へと入射される。同位体生成ターゲット３０は、^３Ｈｅと、同位体生成の原料物質とを含んで形成されている。また、本生成装置１Ａにおいては、同位体生成ターゲット３０に対して原料供給装置３５が設置されている。原料供給装置３５は、同位体生成ターゲット３０に対して、必要に応じて同位体生成に用いられる^３Ｈｅ及び原料物質を供給する。

上記したターゲット３０に含まれる物質のうち、^３Ｈｅは、レーザ光源１０からのレーザ光の照射によって重陽子放出ターゲット２０から放出された重陽子Ｄを入射し、反応
Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ
によって高速陽子Ｐを発生させるためのものである。この反応では、上述したように、エネルギー１４．６７ＭｅＶの高速陽子Ｐが生成される。本生成装置１Ａにおいては、この高速陽子Ｐが、放射性同位体を生成するための高速の荷電粒子として用いられる。

また、^３Ｈｅとともにターゲット３０を構成している同位体生成の原料物質は、^１１Ｂ，^１６Ｏ，^１５Ｎ，及び^１８Ｏの少なくとも１つを含んでいる。このような同位体生成ターゲット３０内において、^３Ｈｅからの高速陽子Ｐと、原料物質の原子核との間で核反応が起こることにより、^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体が生成される。

具体的には、原料物質が^１１Ｂを含む場合、反応
^１１Ｂ（ｐ，ｎ）^１１Ｃ
により同位体^１１Ｃが生成される。また、原料物質が^１６Ｏを含む場合、反応
^１６Ｏ（ｐ，α）^１３Ｎ
により同位体^１３Ｎが生成される。また、原料物質が^１５Ｎを含む場合、反応
^１５Ｎ（ｐ，ｎ）^１５Ｏ
により同位体^１５Ｏが生成される。また、原料物質が^１８Ｏを含む場合、反応
^１８Ｏ（ｐ，ｎ）^１８Ｆ
により同位体^１８Ｆが生成される。なお、同位体生成用の荷電粒子として陽子Ｐを用いた場合の核反応、生成される放射性同位体の寿命、反応のしきい値、及び天然存在度を図２の表に示す。また、この表においては、参考のため、重陽子Ｄを用いた場合の核反応についても示している。

この同位体生成ターゲット３０に対し、同位体回収装置４０が、真空チャンバ５０内、または真空チャンバ５０内から外部にわたって設置されている。この同位体回収装置４０は、同位体生成ターゲット３０において上記のように生成された^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体を回収するための回収手段である。なお、重陽子放出ターゲット２０、同位体生成ターゲット３０、原料供給装置３５、及び同位体回収装置４０の構成については、具体的には後述する。

上記実施形態による放射性同位体生成装置１Ａの効果について説明する。

図１に示した放射性同位体生成装置１Ａにおいては、レーザ光源１０からのレーザ光の照射によって発生する同位体生成用の荷電粒子として、重陽子放出ターゲット２０から放出される重陽子Ｄを利用するとともに、^３Ｈｅと原料物質との両者を含む同位体生成ターゲット３０を用いている。そして、重陽子Ｄをそのまま同位体生成に用いるのではなく、同位体生成ターゲット３０内において、重陽子放出ターゲット２０から入射された重陽子Ｄと、ターゲット３０に含まれる^３Ｈｅとを反応させて高速陽子Ｐを発生させ、この高速陽子Ｐと原料物質の原子核との間での核反応によって放射性同位体を生成している。

このような構成では、レーザ光を照射して得られる重陽子Ｄを利用して同位体生成を行うことにより、サイクロトロン加速器を利用する場合等に比べて装置を小型化することができる。また、重陽子Ｄを直接に同位体生成に用いるのではなく、さらに重陽子Ｄを利用して高速陽子Ｐを発生させている。これにより、重陽子放出ターゲット２０から放出される重陽子Ｄについては、その低エネルギー成分も含めて、上記反応
Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ
による高速陽子Ｐの発生に利用することが可能である。したがって、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置１Ａが実現される。

ここで、重陽子放出ターゲット２０としては、例えば、重水素を含む物質を内包または吸着させた薄膜ターゲットを用いることができる。

また、同位体生成ターゲット３０としては、例えば、^３Ｈｅガス及び原料物質のガスを含む原料ガスが内部に導入される同位体生成用チャンバを有する構成を用いることができる。この場合、同位体生成用チャンバの内部は、^３Ｈｅガスが導入される第１の空間、及び原料物質のガスが導入される第２の空間に分けられている構成としても良い。

あるいは、同位体生成ターゲット３０としては、^３Ｈｅを吸着させた薄膜ターゲットを有する構成を用いることができる。また、重陽子放出ターゲット２０及び同位体生成ターゲット３０としては、これら以外にも様々な構成のものを用いて良い。

上記した生成装置１Ａにおける放射性同位体の生成過程について、さらに説明する。図３は、重陽子放出ターゲット２０にレーザ光を照射することによる重陽子Ｄの発生過程を示す模式図である。なお、ここでは、重陽子放出ターゲット２０を薄膜ターゲットとして図示している。

図３に示すように、レーザ光源１０から供給される高強度のレーザ光を集光しつつターゲット２０に照射すると、光電場電離により瞬時のうちにイオン化が起こり、プラズマが発生する。このとき、電子はレーザ電場から１周期の間に加速され、高エネルギー電子となってターゲット２０から放出される。そして、レーザ光の進行方向に放出された電子によってターゲット２０の近傍に高電界が発生し、この高電界によってターゲット２０からイオン（荷電粒子、この場合は重陽子Ｄ）が加速されて引き出される。また、ターゲット２０のレーザ光入射面側においても、レーザ光の入射方向に電子が放出され、レーザ光の進行方向と同様にイオンが加速、放出される。

このような過程によってターゲットから放出される荷電粒子のエネルギー分布では、低エネルギー成分が比較的多い。図４は、レーザ光の照射によってターゲットから放出される荷電粒子のエネルギー分布を示すグラフである。図４において、グラフＧＤ１（黒丸）は、重水素化ポリスチレン（ｄ−ＰＳｔ：Ｃ_３Ｄ_８）を内包させた厚さ７５μｍのポーラス構造PolyTetraFluoroEthylene（ＰＴＦＥ：Ｃ_２Ｆ_４）薄膜ターゲットを用いた場合の重陽子Ｄのエネルギー分布を示している。また、グラフＧＤ２（白丸）は、ｄ−ＰＳｔをコートした厚さ６μｍのＭｙｌａｒ（Ｃ_１０Ｈ_８Ｏ_４）ターゲットを用いた場合の重陽子Ｄのエネルギー分布を示している。また、グラフＧＰ１（黒四角）、グラフＧＰ２（白四角）は、それぞれ同様のターゲットを用いた場合の陽子Ｐのエネルギー分布を示している。

また、これらの重陽子Ｄ及び陽子Ｐのエネルギー分布では、上記した重陽子放出ターゲットに対して、ピーク出力２．４ＴＷ、パルス幅５０ｆｓ、繰返し周波数１０ＨｚのテーブルトップＴＷレーザ光源からのレーザ光を集光照射し、発生した高エネルギーイオンをトムソンパラボラ型イオン分析器で計測した。これらのグラフより、重陽子Ｄ及び陽子Ｐのいずれの場合も、レーザ光の照射によって発生する荷電粒子のエネルギー分布では低エネルギー成分が多いことがわかる。なお、ＰＴＦＥターゲットのグラフＧＤ１と、ＭｙｌａｒターゲットのグラフＧＤ２とを比較すると、ＰＴＦＥターゲットでは、得られる重陽子Ｄの最大エネルギーを０．９ＭｅＶから１．６ＭｅＶまで増大させることができ、その発生量も多くなる。

図５は、Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応の衝突断面積の入射エネルギー依存性を示すグラフである（ＣＳＩＳＲＳ／ＥＮＤＦｄａｔａ より引用）。このグラフより、高速陽子Ｐを発生させるための上記核反応では、重陽子Ｄの入射エネルギーが５００ｋｅＶ程度と比較的低いエネルギーで衝突断面積が大きくなっている。

このことから、図１に示した生成装置１Ａにおいて、^３Ｈｅは高速陽子Ｐ発生用の物質として同位体生成ターゲット３０に存在しているだけで良く、また、重陽子放出ターゲット２０からの重陽子Ｄは高々数１００ｋｅＶのエネルギーを持てば良いことがわかる。すなわち、重陽子放出ターゲット２０から放出される重陽子Ｄでは、図４に関して上述したように低エネルギー成分が多くなるが、Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応を利用する本生成装置１Ａでは、この核反応が低いエネルギーで大きい衝突断面積を有するため、重陽子Ｄの低エネルギー成分を有効に利用して高速陽子Ｐを発生させ、さらに、その高速陽子Ｐと原料物質とを反応させて、放射性同位体を効率良く生成させることが可能である。

なお、同位体生成ターゲット３０に用いられる^３Ｈｅは、天然には１．３７×１０^−４しか存在しないが、例えば９９．９５％まで濃縮されたものを購入することが可能である。

図１に示した放射性同位体生成装置の具体的な構成例について説明する。図６は、図１に示した放射性同位体生成装置の一実施例を示す構成図である。なお、以下の実施例においては、主として、同位体生成ターゲットに含まれる原料物質を^１５Ｎとし、生成される放射性同位体を^１５Ｏとした例について説明する。

図６に示す生成装置１Ｂにおいては、レーザ光源１０としてチタンサファイアレーザ光源１１を用い、レーザ光源１１から出力される波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｆｓ、ピーク出力１０ＴＷのパルスレーザ光を重陽子Ｄ発生用の高強度レーザ光として用いている。また、このような高強度レーザ光を空気中で集光すると、空気がプラズマ化されてしまうために高い集光密度を得ることができない。このため、レーザ光源１１から供給されたレーザ光は、重陽子放出ターゲット及び同位体生成ターゲットが収容された真空チャンバ５０の内部へと導かれる。

真空チャンバ５０内には、重陽子Ｄを発生させるための重陽子放出ターゲット２０として、所定のターゲット材料からなるターゲットフィルム２１が設置されている。ターゲットフィルム２１としては、例えば、重陽子化したポリスチレン等をフィルムに染み込ませたものや、重水等をフィルム表面に吸着させたものがある。具体的には、例えば、上記したｄ−ＰＳｔを内包させたＰＴＦＥ薄膜ターゲット、あるいはｄ−ＰＳｔをコートしたＭｙｌａｒターゲット等を用いることができる。また、このターゲットフィルム２１は、ターゲットホルダ２２によって保持されている。

また、真空チャンバ５０内の所定位置には、レーザ光源１１からのレーザ光をターゲットフィルム２１へと集光しつつ照射するための集光光学系１５が設置されている。図６においては、具体的には、集光光学系１５の一例として軸外し放物面鏡１６を示している。このように軸外し放物面鏡１６を用いることにより、レーザ光をターゲットフィルム２１上の所定位置へと好適に集光することができる。また、レーザ光源１１と軸外し放物面鏡１６との間にある真空チャンバ５０の外壁部分は、レーザ光を透過させるためのガラス窓５１となっている。

また、ターゲットフィルム２１からみて軸外し放物面鏡１６とは反対側には、同位体生成ターゲット３０となる同位体生成ターゲット装置３１が設置されている。図６においては、ターゲット装置３１は、同位体生成用チャンバ３２、及びチャンバ３２の内部に導入されており^３Ｈｅガスと原料物質のガスである^１５Ｎ_２ガスとを含む原料ガス３３によって構成されている。

同位体生成用チャンバ３２には、原料ガス３３を供給するための原料供給装置３５として、^３Ｈｅ供給用ボンベ３６と^１５Ｎ_２供給用ボンベ３７とが原料供給用配管３８を介して接続されている。^３Ｈｅ供給用ボンベ３６は、高速陽子Ｐを発生させるための^３Ｈｅをチャンバ３２内に供給する。また、^１５Ｎ_２供給用ボンベ３７は、同位体生成の原料物質となる^１５Ｎ_２をチャンバ３２内に供給する。

また、同位体生成用チャンバ３２には、さらに、生成された放射性同位体を回収するための同位体回収装置４０として、同位体回収用配管４１及び^１５Ｏ_２回収用タンク４２が接続されている。^１５Ｏ_２回収用タンク４２には、高速陽子Ｐと原料物質の^１５Ｎとが反応することによって生成された放射性同位体^１５Ｏを含む^１５Ｏ_２が、同位体回収用配管４１を介してチャンバ３２内から回収される。

以上の構成において、レーザ光源１１から出力されたレーザ光は、ガラス窓５１を透過して真空チャンバ５０内へと入射し、軸外し放物面鏡１６によって反射される。そして、軸外し放物面鏡１６で反射されたレーザ光が集光されつつ重陽子放出ターゲット２０のターゲットフィルム２１へと照射されることにより、重陽子Ｄが発生して外部へと放出される。

ターゲットフィルム２１から放出される重陽子Ｄのうち、レーザ光の進行方向に沿って放出される重陽子Ｄは、同位体生成用チャンバ３２内の原料ガス３３へと入射し、重陽子Ｄと、原料ガス３３に含まれる^３Ｈｅとが反応することによって高速陽子Ｐが発生する。さらに、この高速陽子Ｐと、原料ガス３３に含まれる^１５Ｎとが反応することにより、放射性同位体である^１５Ｏが生成される。生成された^１５Ｏは、配管４１を介して^１５Ｏ_２回収用タンク４２に回収、保存される。

図７は、図６に示した放射性同位体生成装置１Ｂに用いられる重陽子放出ターゲット２０の具体的な構成例を示す斜視図である。本構成例においては、ターゲットフィルム２１及びターゲットホルダ２２は、支持部２３を介してＸＹＺステージ２６上に固定されている。また、ターゲットホルダ２２は中空ベアリングを有し、ベルト２９及び回転リング２８によって回転可能となっている。

ＸＹＺステージ２６は、そのＸ方向、Ｙ方向（水平方向）、及びＺ方向（垂直方向）の位置を制御することによって、集光光学系１５からのレーザ光に対するターゲットフィルム２１の位置の設定および変更を制御する。また、本構成では、回転軸２７によって駆動モータに接続された回転リング２８を回転させることにより、ベルト２９を介してターゲットホルダ２２及びターゲットフィルム２１を回転させることが可能となっている。

図８は、図６に示した放射性同位体生成装置１Ｂに用いられる同位体生成ターゲット装置３１の具体的な構成例を示す斜視図である。本構成例においては、同位体生成ターゲット装置３１は、上述したように、原料ガス３３が内部に導入される同位体生成用チャンバ３２を有して構成されている。

同位体生成用チャンバ３２の重陽子放出ターゲット２０側の面には、重陽子Ｄをチャンバ３２内の原料ガス３３へと入射させるための重陽子入射窓３４が設けられている。この重陽子入射窓３４としては、好ましくは金属薄膜等が用いられる。さらに、チャンバ３２の一方の側壁には原料供給用配管３８が、また、他方の側壁には同位体回収用配管４１がそれぞれ接続されている。

図１及び図６に示した放射性同位体生成装置におけるレーザ光の導光及び集光について説明する。同位体生成に用いられるレーザ光を供給するレーザ光源として出力がＴＷクラスのチタンサファイアレーザ光源を用いる場合、通常、チャープパルスアンプ（ＣＰＡ）方式を採用している。図９は、チャープパルス増幅の原理を示す模式図である。

図９において、励起用ＣＷレーザ光源６２からの励起レーザ光によって励起されたフェムト秒レーザ発振器６１は、モード同期法により、例えばパルス幅１００ｆｓ、エネルギー１ｎＪのフェムト秒パルスレーザ光を発生させる。このパルスレーザ光は、パルス伸長器６３により、例えば１００ｐｓ程度のパルス幅まで伸長される。このとき、伸長されたパルスレーザ光のピーク出力は、３桁程度減少する。

さらに、励起用パルスレーザ光源６５からの励起レーザ光によって励起された再生増幅器またはマルチパス増幅器などの複数のレーザ増幅器６４により、パルスレーザ光のエネルギーが例えば２×１０^９倍に増幅される。これにより、エネルギー２Ｊのパルスレーザ光が得られる。最後に、増幅されたパルスレーザ光をパルス圧縮器６６によって再びパルス幅１００ｆｓへと戻す。このとき、パルス圧縮器６６の効率を５０％であると仮定すると、最終的に得られるフェムト秒パルスレーザ光のエネルギーは１Ｊとなる。また、パルス幅１００ｆｓとあわせて考えると、そのピーク出力は１０ＴＷとなる。

このような方法では、パルス圧縮器６６以前ではパルスレーザ光のピーク出力が低く抑えられている。このため、レーザ増幅器６４を構成する光学部品の損傷を防ぐことができる。なお、最終的なパルスレーザ光のピーク出力が１ＴＷを越えるような場合、図６に示した構成において、パルス圧縮器６６を真空チャンバ５０内に設置することが好ましい。この場合、パルスレーザ光は、伸長された状態でガラス窓５１を介して真空チャンバ５０内に入射した後、パルス圧縮器６６によって圧縮されて最終的なフェムト秒パルスレーザ光となる。

また、図６に示した生成装置１Ｂにおいては、レーザ光源１１からのパルスレーザ光を重陽子放出ターゲット２０へと集光する集光光学系１５として、軸外し放物面鏡１６を用いている。図１０は、軸外し放物面鏡１６の外観の一例を示す斜視図である。図１０に示す軸外し放物面鏡１６では、その略円筒状の本体１６ａの側面上に、放物面鏡として機能する鏡面１６ｂが設けられている。

このような軸外し放物面鏡１６を用いたレーザ光の集光条件の一例について説明する。ここでは、軸外し放物面鏡１６を口径Ｄ＝７６．２ｍｍ、焦点距離ｆ＝１１４．２ｍｍ、軸外し角度θ＝４５°とする。また、このとき、Ｆ＝ｆ／Ｄ＝１．５０である。また、この軸外し放物面鏡へと入射させるガウシアン分布を持つレーザ光は、波長λ＝０．８μｍ、ビーム直径２Ｗ＝２５ｍｍであった。

以上の条件において、理論的な回折限界の集光ビーム直径は２ｗ＝２λｆ／（πＷ）＝４．７μｍで与えられる。また、実際に実験で得られたビーム直径は、理論値の約１．８倍の約８．３μｍであった。

次に、上記軸外し放物面鏡でＴＷレーザ光を集光したときのピークパワー（ＴＷ）と、集光ビーム径（μｍ）とから、レーザ光の集光密度（Ｗ／ｃｍ^２）を計算する。ガウシアンのＴＥＭ_００ビームの放射強度分布は、どの距離においても断面は同じであり、式

で与えられる。したがって、その最大強度は、

となる。ここで、Ｐはレーザ光ビームの全パワー、Ｉ_０は放射強度の最大値、ｗはウエスト半径（中心の１／ｅ^２の強度の半径）である。

例えば、ＭＰＡ出力エネルギーが２００ｍＪ、コンプレッサの効率６０％、パルス半値全幅５０ｆｓのレーザを用いた場合、そのピーク出力は２００×０．６／５０＝２．４ＴＷである。実際に得られた集光ビーム直径は上記のように８．３μｍであるから、最大集光強度Ｉ_０＝２×２００×０．６／５０／｛π×（８．３／２×１０^−４）^２｝＝８．９×１０^１８Ｗ／ｃｍ^２が得られる。また、ビームの全エネルギーが集光スポットに入っている訳ではなく、波面歪みによってスポット以外の領域にもエネルギーが広がることを考慮すると、実際には３×１０^１８Ｗ／ｃｍ^２程度の集光エネルギーが得られると考えられる。

次に、放射性同位体生成装置に用いられる同位体生成ターゲットの構成についてさらに説明する。

図１１は、同位体生成ターゲットの具体的な構成の他の例を示す側面断面図である。本構成例においては、同位体生成ターゲット３０である同位体生成ターゲット装置７０は、原料ガスが内部に導入される同位体生成用チャンバ７１を有して構成されている。また、同位体生成用チャンバ７１の重陽子放出ターゲット側の面には、低エネルギーの重陽子Ｄをチャンバ７１内へと通過させる膜からなる重陽子入射窓７２ａが設けられるとともに、チャンバ７１の内部には、前方側の第１の空間７１ａと後方側の第２の空間７１ｂとを分ける膜７２ｂが設けられている。また、チャンバ７１内の空間７１ａ、７１ｂには、それぞれ原料供給用配管７３ａ、７３ｂ、及び排出用配管７４ａ、７４ｂが接続されている。このうち、排出用配管７４ｂは、同位体回収用配管となっている。

このような構成において、重陽子入射窓７２ａを介して重陽子Ｄが入射される第１の空間７１ａには、^３Ｈｅガスが低圧で供給されている。一方、第２の空間７１ｂには、同位体生成の原料物質である^１５Ｎ_２ガスが数気圧で供給されている。また、空間７１ａ、７１ｂを隔てる膜７２ｂは、空間７１ａ、７１ｂ間の圧力差を保持可能であり、かつ、空間７１ａ内においてＤ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応で発生した高速陽子Ｐを空間７１ｂ内の原料物質へと通過させる陽子通過膜となっている。

ここで、図８に示した同位体生成ターゲット装置３１では、^３Ｈｅガスと^１５Ｎ_２ガスとがチャンバ３２内で混合される構成となっていたが、この図１１に示したターゲット装置７０のように、同位体生成ターゲットに含まれる^３Ｈｅと原料物質とは、別々に存在する構成であっても良い。例えば、上記したターゲット装置７０では、空間７１ａにおいて重陽子Ｄを効率良く^３Ｈｅと反応させて高速陽子Ｐを発生させ、さらに、この高速陽子Ｐを空間７１ｂにおいて数気圧で多数の^１５Ｎ_２を含むガスと反応させて、放射性同位体である^１５Ｏ_２を効率的に生成することができる。

図１２は、同位体生成ターゲットの具体的な構成のさらに他の例を示す側面断面図である。本構成例においては、同位体生成ターゲット３０である同位体生成ターゲット装置７５は、原料ガスが内部に導入される同位体生成用チャンバ７６を有して構成されている。また、同位体生成用チャンバ７６の重陽子放出ターゲット側の面には、^３Ｈｅを吸着させた薄膜ターゲット７７が設けられている。また、チャンバ７６内の空間には、原料供給用配管７８、及び同位体回収用配管７９が接続され、同位体生成の原料物質である^１５Ｎ_２ガスが供給されている。

このような構成において、薄膜ターゲット７７では、重陽子放出ターゲットからの重陽子ＤによってＤ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応で高速陽子Ｐが発生する。そして、この高速陽子Ｐがチャンバ７６内の空間において^１５Ｎ_２を含むガスと反応することにより、放射性同位体である^１５Ｏ_２が生成される。このように、同位体生成ターゲットとしては、^３Ｈｅを含む薄膜ターゲットと、原料物質を含むガスとを組み合わせる構成を用いることも可能である。^３Ｈｅを含む薄膜ターゲットとしては、例えば、^３Ｈｅをイオン打ち込み等で内部に侵入させた薄膜を用いることができる。

図１１に示した同位体生成ターゲットの構成について、さらに具体的に説明する。図１３は、図１１に示した同位体生成ターゲット装置７０の構成について説明するための模式図である。このターゲット装置７０では、上述したように、チャンバ７１内の第１の空間７１ａには^３Ｈｅガスが導入されている。また、第２の空間７１ｂには原料物質のガスである^１５Ｎ_２ガスが導入されている。また、ここでは、空間７１ａでの^３Ｈｅガスの圧力を０．１気圧、空間７１ｂでの^１５Ｎ_２ガスの圧力を１０気圧とする。

重陽子放出ターゲットにレーザ光を集光照射して発生させた重陽子Ｄは、例えば１ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ。これに対し、重陽子入射窓７２ａを厚さ１μｍのＦｅ（鉄）薄膜とすると、重陽子ＤはＦｅ薄膜７２ａを通過して空間７１ａ内の^３Ｈｅガスへと入射する。ここで、厚さ１μｍのＦｅ薄膜７２ａでは、エネルギー０．２ＭｅＶの重陽子の飛程が１μｍであるために０．２ＭｅＶの重陽子は止められてしまうが、それ以上のエネルギーを持つ重陽子はＦｅ薄膜７２ａを通過する。

また、空間７１ａ内の^３Ｈｅガスの圧力を０．１気圧とした場合、エネルギー０．２ＭｅＶの重陽子の飛程は約２ｃｍである。一方、Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応の衝突断面積は、上記したように０．５ＭｅＶ付近で最も大きくなる。したがって、空間７１ａの厚さ（^３Ｈｅガスの厚さ）を２ｃｍとすると、重陽子Ｄを用いた上記反応により、エネルギー１４．６７ＭｅＶの高速陽子Ｐを効率良く発生させることができる。なお、同位体生成用チャンバ７１は真空チャンバ内に配置されるため（図６参照）、チャンバ７１の周囲は例えば１×１０^−３Ｐａの真空状態である。しかしながら、上記した例では空間７１ａ内でのガス圧を０．１気圧と低圧に設定しているので、厚さ１μｍのＦｅ薄膜７２ａが破れることはない。

さらに、チャンバ７１内において空間７１ａ、７１ｂを分ける陽子通過膜７２ｂを厚さ１００μｍのＦｅ薄膜とする。ここで、厚さ１００μｍのＦｅ薄膜７２ｂでは、エネルギー７ＭｅＶの陽子の飛程は１００μｍであり、また、１４．６７ＭｅＶの陽子Ｐのエネルギーは、Ｆｅ薄膜７２ｂを通過後１１ＭｅＶ程度まで減衰する。ここで、放射性同位体を生成するための^１５Ｎ（ｐ，ｎ）^１５Ｏ反応の衝突断面積は充分大きな値を持つので、このような陽子Ｐによって核反応を発生させて、原料物質^１５Ｎから放射性同位体^１５Ｏを効率的に生成することができる。

なお、空間７１ｂ内の^１５Ｎ_２ガスの圧力を１０気圧とした場合、エネルギー１０ＭｅＶの陽子の飛程は約８ｃｍである。したがって、空間７１ｂの厚さ（^１５Ｎ_２ガスの厚さ）については、例えば１０ｃｍとすれば良い。

図１４は、図１１及び図１３に示した同位体生成ターゲット装置の具体的な構成の一例を示す斜視図である。図１４に示す放射性同位体生成装置は、軸外し放物面鏡などの集光光学系及び重陽子放出ターゲットが収容されているレーザ光照射用真空チャンバ５２と、チャンバ５２に接続されたレーザ光導光管５３とを備えており、真空チャンバ５２の一側面に連結部８０を介して接続された第１のチャンバ８１及び第２のチャンバ８２によって、同位体生成ターゲット装置が構成されている。なお、別途設置されているレーザ光源については、図１４においては図示を省略している。

ここで、第１のチャンバ８１が、図１３に示したチャンバ７１の前段部及び第１の空間７１ａに対応している。また、第２のチャンバ８２が、チャンバ７１の後段部及び第２の空間７１ｂに対応している。また、連結部８０と第１のチャンバ８１との間、及び第１のチャンバ８１と第２のチャンバ８２との間は、それぞれ真空フランジを介して接続されるとともに、それらの内部は、それぞれ重陽子入射窓、及び陽子通過膜によって分けられている。

チャンバ８１、８２に対し、それぞれ^３Ｈｅ供給用ボンベ８１ａ、及び^１５Ｎ_２供給用ボンベ８２ａが接続されている。また、チャンバ８２には、さらに同位体回収用配管８３が接続されている。また、連結部８０と第１のチャンバ８１との間、及び連結部８０と第２のチャンバ８２との間には、それぞれバイパスバルブが設けられたバイパス８１ｂ、及びバイパス８２ｂが接続されている。このような構成で同位体生成を行う場合、まず、同位体生成ターゲット装置内を真空排気する必要があり、バイパス８１ｂ、８２ｂに設けられたバイパスバルブを開けてチャンバ８１、８２内を真空排気する。

第１のチャンバ８１内の^３Ｈｅガスについては、上述したように０．１気圧と低圧に設定しているため、真空ポンプで排気しながら^３Ｈｅガスを導入する。一方、第２のチャンバ８２内の^１５Ｎ_２ガスについては、例えば１０気圧に増圧しているため、ボンベ８２ａの圧力調整バルブを操作しながら^１５Ｎ_２ガスを導入する。また、生成された放射性同位体である^１５Ｏ_２ガスは、本体から取り出され、回収用配管８３を介してＰＥＴ診断のための薬剤合成装置などの外部装置へと送られる。

本発明による放射性同位体生成装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、重陽子放出ターゲット、同位体生成ターゲット、及び同位体回収手段については、上記構成以外にも様々なものを用いて良い。例えば、重陽子放出ターゲットとしては、図６に示した構成以外にも、例えば、オーディオテープのように細長いテープ状のフィルムを複数回巻いたものなど、様々な構成のものを用いることができる。また、同位体回収手段については、回収用配管のみを備える構成であっても良い。また、レーザ光源についても、チタンサファイアレーザ光源に限らず他のレーザ光源を用いても良い。

また、生成対象となる放射性同位体については、上記した構成例では、主として^１５Ｎを原料物質として^１５Ｏを生成する場合について説明しているが、これに限られるものではない。一般には、同位体生成ターゲットの原料物質を^１１Ｂ，^１６Ｏ，^１５Ｎ，及び^１８Ｏの少なくとも１つを含む物質とし、^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体を生成するように構成すれば良い。

本発明は、装置が小型化されるとともに、放射性同位体を効率良く生成させることが可能な放射性同位体生成装置として利用可能である。

放射性同位体生成装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 陽子Ｐ、または重陽子Ｄを用いて放射性同位体を生成する場合の核反応について示す表である。 重陽子放出ターゲットにレーザ光を照射することによる重陽子Ｄの発生過程を示す模式図である。 レーザ光の照射によってターゲットから放出される荷電粒子のエネルギー分布を示すグラフである。 Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ反応の衝突断面積の入射エネルギー依存性を示すグラフである。 図１に示した放射性同位体生成装置の一実施例を示す構成図である。 重陽子放出ターゲットの具体的な構成例を示す斜視図である。 同位体生成ターゲット装置の具体的な構成例を示す斜視図である。 チャープパルス増幅の原理を示す模式図である。 軸外し放物面鏡の外観の一例を示す斜視図である。 同位体生成ターゲットの構成の他の例を示す側面断面図である。 同位体生成ターゲットの構成の他の例を示す側面断面図である。 図１１に示した同位体生成ターゲット装置の構成について説明するための模式図である。 図１１に示した同位体生成ターゲット装置の具体的な構成の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ…放射性同位体生成装置、１０…レーザ光源、１１…チタンサファイアレーザ光源、１５…集光光学系、１６…軸外し放物面鏡、２０…重陽子放出ターゲット、２１…ターゲットフィルム、２２…ターゲットホルダ、２３…支持部、２６…ＸＹＺステージ、２７…回転軸、２８…回転リング、２９…ベルト、３０…同位体生成ターゲット、３１…同位体生成ターゲット装置、３２…同位体生成用チャンバ、３３…原料ガス、３４…重陽子入射窓、３５…原料供給装置、３６…^３Ｈｅ供給用ボンベ、３７…^１５Ｎ_２（原料物質）供給用ボンベ、３８…原料供給用配管、
４０…同位体回収装置、４１…同位体回収用配管、４２…^１５Ｏ_２（放射性同位体）回収用タンク、５０…真空チャンバ、５１…ガラス窓、７０…同位体生成ターゲット装置、７１…同位体生成用チャンバ、７１ａ…第１の空間、７１ｂ…第２の空間、７２ａ…重陽子入射窓、７２ｂ…陽子通過膜、７３ａ、７３ｂ…原料供給用配管、７４ａ、７４ｂ…排出用配管、７５…同位体生成ターゲット装置、７６…同位体生成用チャンバ、７７…薄膜ターゲット、７８…原料供給用配管、７９…同位体回収用配管。

Claims (5)

1. 所定強度のレーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光を集光しつつ照射することによって発生した重陽子Ｄを放出する重陽子放出ターゲットと、
   前記重陽子放出ターゲットからの前記重陽子Ｄを入射し、反応
   Ｄ＋^３Ｈｅ→^４Ｈｅ＋Ｐ
   によって高速陽子Ｐを発生させるための^３Ｈｅと、^１１Ｂ，^１６Ｏ，^１５Ｎ，及び^１８Ｏの少なくとも１つを含む原料物質と、を含む同位体生成ターゲットと、
   前記同位体生成ターゲットにおいて前記高速陽子Ｐと前記原料物質とが反応することによって生成された^１１Ｃ，^１３Ｎ，^１５Ｏ，及び^１８Ｆの少なくとも１つを含む放射性同位体を回収するための同位体回収手段と
   を備えることを特徴とする放射性同位体生成装置。
2. 前記重陽子放出ターゲットは、重水素を含む物質を内包または吸着させた薄膜ターゲットであることを特徴とする請求項１記載の放射性同位体生成装置。
3. 前記同位体生成ターゲットは、^３Ｈｅガス及び前記原料物質のガスを含む原料ガスが内部に導入される同位体生成用チャンバを有することを特徴とする請求項１または２記載の放射性同位体生成装置。
4. 前記同位体生成用チャンバの内部は、^３Ｈｅガスが導入される第１の空間、及び前記原料物質のガスが導入される第２の空間に分けられていることを特徴とする請求項３記載の放射性同位体生成装置。
5. 前記同位体生成ターゲットは、^３Ｈｅを吸着させた薄膜ターゲットを有することを特徴とする請求項１または２記載の放射性同位体生成装置。
   

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