JP2006507633A - サイクロトロン - Google Patents

Abstract

この発明は、少なくとも１つのターゲット（２００）に照射するための加速荷電粒子ビームを発生させることができるサイクロトロンに係わる。この発明のサイクロトロンは、少なくとも２つの磁極（１、１’）、即ち、サイクロトロンの中心軸（１００）と直交する正中面（１１０）に関して対称に配置され、円運動する荷電粒子及び磁気回路を閉じるためのフラックスリターンを含むギャップ（１２０）で隔てられている上方磁極（１）及び下方磁極（１’）を備える電磁石；磁極（１、１’）間のギャップにほぼ一定の主誘導磁場を発生させる1対の主誘導コイル（５、５’）を含む。この発明は、電源（８）によって給電され、サイクロトロンの第１領域における誘導磁場の強さを増大させ、サイクロトロンの中心軸（１００）を挟んで直径方向に第１領域と対向するサイクロトロンの第２領域における誘導磁場の強さを低下させるために主コイル（５、５’）によって生じる主誘導磁場の強さを調節することが可能な少なくとも１対のバッキングコイル（６、７）を含むビームのセンタリング手段を含むことを特徴とする。

Description

発明の技術分野

この発明は、サイクロトロン及び帯電粒子ビームの位置を容易に且つ効果的に調整することを可能にする方法に関する。

技術的背景及び先行技術

サイクロトロンは、放射性同位体の製造または実験目的で利用される陽イオン（陽子、重陽子、ヘリウム核、α粒子など）または陰イオン（Ｈ”、Ｄ−、ｂｒなど）のような荷電粒子の加速を可能にする円形加速器である。

最初のサイクロトロンは、正中面の両側に配置され、加速された粒子が円運動するギャップで隔てられた２つの対称磁極から成る磁気回路であった。磁気回路は、これを閉じるためのフラックスターン及び磁極におけるベースプレートとして利用されるシリンダヘッドをも含む。磁極は、ほぼ円形の軌道に従って、より正確にはらせん状の軌道に従って、正中面内に粒子を閉じ込めることが可能な一様且つ一定の磁場を発生させる電流が流れる１対の誘導コイルによって囲まれている。

改良型としては、周回変動磁場型装置が公知である。電磁石の磁極が、比較的小さいギャップと比較的大きいギャップとが交互に現れるように複数セクターに分割される。周回変動磁場の結果、加速中、ビームの垂直方向及び水平方向の収束が確実になる。

同じく周回変動磁場型装置といっても、１対の円形主コイルによって磁場を発生させるコンパクト型のサイクロトロンと、磁気構造が完全に自立的な分離ユニットに分割され、各対の磁極が独自のコイルを有する分離セクターを備えたサイクロトロンとは区別しなければならない。

文献ＥＰ−Ａ−０２２２７８６はコンパクト型の等時性サイクロトロンの１例を記述している。

サイクロトロンが広く利用されている分野は、放射性同位体を製造するために、衝突ターゲットへの加速粒子の利用である。この場合、加速された粒子のビームをサイクロトロンから取り出せばよい。取り出し方法のうち公知の方法は、“ストリッピング”による取り出し方法である。加速された粒子は、多くの場合、原子核及び幾つかの電子から成る陰イオンである。

サイクロトロンの周辺近傍において、ビームは、一般に炭素製の “ストリッピングシート”と呼称される薄いシートに向けられる。このストリッピングシートは、イオンから周辺電子を奪って電荷を変化させる作用を有する。その後、軌道のカーブが反転し、磁気回路のフラックスリターンに設けられた開口によってビームが装置外へ導かれる。

ビームを取り出す他の公知方法として、サイクロトロン周辺における誘導磁場の急激な放射状変化による自動取り出しがある。この方法は文献ＷＯ Ａ−９７／１４２７９及びＷＯ−Ａ−０１／０５１９９に詳細に記載されている。

放射性同位体の製造を目的とする場合、帯電粒子のビームが、製造されるべき放射性同位体の少なくとも１つの前駆元素を含有するターゲットに向けられる。この場合、ビームがターゲットの中心に向けられることが特に望ましい。

放射性同位体製造システムの生産性を制限する１つの要素は、ターゲットがビームから受ける熱容量を散逸させるターゲットのキャパシティである。ターゲットがビーム（または電流）から強すぎる強度を受けると、ターゲットが損傷する恐れがある。核医学に使用されるサイクロトロンは８０乃至１００mＡにも達する強さのビームを発生させることができるが、ターゲットのタイプによっては、照射強さが４０mＡに制限される。従って、主として、ターゲットを充分に冷却できないという理由から、このシナリオにおいて、サイクロトロンの生産能力を完全に活用できないことがある。

ターゲットに対する許容電流の限界を超えることなく、放射性同位体製造システムの生産能力を向上させる目的で、ダブルビームシステムが提案されている。そのような構成によれば、２つのストリッピングシートが、装置の中心軸に対して正反対に対向するようにサイクロトロンの周縁に配置される。従って、ビームは２つの画分にほぼ等分される。しかし、例えば、サイクロトロンの対称性における欠陥のため、ターゲットの１つが他方のターゲットが受けるのとは異なるビーム強さを受けることがあり得る。その場合、ターゲットの１つが強すぎる電流によって損傷する可能性がある。このような状況は、特に、例えば、数時間に及ぶ長時間の照射の過程で、特にその部品に対する連続的な加熱に続いて装置設定に狂いが生じた場合に発生する可能性がある。

この問題を解決するため、放射状に変位可能なストリッピングシートが提案されている。この解決策は、例えば、出願人のサイクローン３０装置に採用されている。ストリッピングシートがサイクロトロンの内側または外側へ向かって放射状に変位することによって、シートによって遮断されるビーム画分が増大したり減少したりする。ダブルビーム装置の場合、２つのシートのうちの一方を内側に向かって変位させ、他方のシートを外側に向かって変位させることによって、ターゲットのそれぞれに衝突するビーム強さのバランスのとれた分布を確実にする。しかし、この解決策は、同じ装置内に、即ち、真空チェンバー内に調節自在な可動設備を組み込む必要から、デリケートであり、コスト高である。

同じダブルビームシステムからの２条の粒子ビームをほぼ等しくするため、即ち、等しい強さを提供するため、高調波コイルの利用も提案されている。この解決策では、電磁石の磁極間に小型の高調波コイルを配置することが提案されている。逆方向電流が、ギャップの領域において磁場強さを増大させ、放射状に対向するギャップの領域において磁場強さを低下させる２つのコイルに流れる。このようにして、この解決策は、ビーム強さの調節を可能にするが、下記のような欠点がある：特に、高調波コイルはギャップが最も狭い山部に配置しなければならない。特に、ビームの軸方向整合に欠陥がある場合、ビームが直接コイルに達することがあり、必然的にコイルが破壊される。また、これらのコイルは真空チェンバー内に配置されるから、これらのコイルに給電する導線は、完全な耐漏電性が条件の手段を介して真空チェンバーの壁を貫通しなければならず、これは困難をもたらすことがある。

既に出願人によって利用されている公知の第３の解決策が図１に示されている。加速電極（ディー）に印加される高調波交流電圧を変化させると、下記のような状態が観察される：ディー（Ｖディー）に印加される高調波電圧の振幅を徐々に上昇させると、サイクロトロンによって発生させられるビームの強さの合計もこれに応じて増大し、このことは、この電圧でのイオン源の効力の増大によって説明される。また、図１に示すように、ターゲットのそれぞれに達する強さが平均値の付近を上下し、ちょうど曲線が交差するある特定のＶディー値において強さが等しくなることも観察される。従って、ターゲットのそれぞれに達するビームの強さを等しくするには、これらのＶディー値の１つに等しいＶディー電圧を選択するだけでよい。しかし、熱による狂いまたはサイクロトロン構造の非対称性のため、２つの曲線が交差しない場合も観察されている。この場合、この方法によって２つのターゲットと衝突する電流を釣り合わせることは不可能である。

発明の目的

この発明は上記先行技術の装置及び方法の欠点を持たない装置及び方法を提供することを目的とする。

この発明の主な目的は、サイクロトロンから取り出される荷電加速粒子ビームの強さをターゲットにおいて調節することを可能にする装置及び方法を提供することであり、このターゲットにおいて、ターゲットを破壊することなく、サイクロトロンの生産能力を十分に活用しながら、所要の技術的効果（例えば、ターゲットに含有される前駆元素から始まる所期の放射性元素の生成）を得ることにある。

この発明は、特に、照射システム、特に、少なくとも２つのターゲットの同時照射を必要とする、即ち、１つの照射システムにダブルまたはマルチプルビームを必要とするコンパクトな等時性サイクロトロンを有するシステムに利用できる装置及び方法を提供することを目的とする。

従って、この発明は、複数のターゲットが同時に受けるビームそれぞれの強さを制御し等しくする装置及び方法を提供することを目的とする。

発明の特徴的要素

この発明は、少なくとも１つのターゲットを照射するための加速荷電粒子ビームを発生させることができるサイクロトロンに関し、前記サイクロトロンは、磁気回路を含み、磁気回路が基本的に：
‐ 少なくとも２つの磁極、即ち、上方磁極及び下方磁極を備え、前記磁極がサイクロトロンの中心軸と直交する正中面に関して対称に配置され、円運動する荷電粒子及び磁気回路を閉じるためのフラックスリターンを含むギャップで隔てられている電磁石；
‐ 磁極間のギャップにほぼ一定の主誘導磁場を発生させる１対の主誘導コイル
を含み、
電源によって給電され、サイクロトロンの第１領域における誘導磁場の強さを増大させ、サイクロトロンの中心軸に関して放射状に対向するサイクロトロンの第２領域における誘導磁場の強さを低下させるために前記主コイルによって生じる主誘導磁場の強さを調節することが可能な少なくとも１対のバッキングコイルを含むビームセンタリング手段を含むことを特徴とする。

好ましくは、バッキングコイルがサイクロトロンの中心軸に関して放射状に対向するように配置されたフラックスリターンの部分を囲む。

この発明はまた、サイクロトロンから取り出されるビームをターゲットにセンタリングする方法に係わり、前記サイクロトロンは、基本的に：
‐ 少なくとも２つの磁極、上方磁極及び下方磁極を備え、前記磁極が、サイクロトロンの中心軸と直交する正中面に関して対称に配置され、円運動する荷電粒子及び磁気回路を閉じるためのフラックスリターンを含むギャップで隔てられている電磁石；
‐ 磁極間のギャップにほぼ一定の主誘導磁場を発生させる１対の主誘導コイル
から成る磁気回路を含む。

前記方法は、下記ステップの連続を特徴とする：
‐ サイクロトロンが、その中心軸に関して放射状に対向するフラックスリターンの部分を囲むように配置された少なくとも１対のバッキングコイルを備え；
‐ １対の主コイルが、サイクロトロンのギャップにほぼ一定の磁場を発生させるように給電され；
‐ バッキングコイルが、サイクロトロンの第１領域における誘導磁場の強さを増大させ、サイクロトロンの中心軸に関して放射状に対向するサイクロトロンの第２領域における誘導磁場の強さを低下させるように電源を介して給電される。

好ましくは、前記方法において、ターゲットに衝突するビームの強さを最大限にするために、電源からの電流の強さが制御または調節される。

有利には、前記方法において、
‐ 検出器を利用して前記ターゲットにおけるビーム電流の強さが測定され、
‐ この測定値がレギュレータに送信され；
‐ この測定値に従って、電源からの電流を調節することによりバッキングコイルにおける電流の強さが制御または調節される。

この発明は、放射性同位体の前駆体を含むターゲットから医療用放射性同位体を製造するための方法及び装置の利用にも関する。

有利には、その方法及び装置は、ターゲットのそれぞれに衝突するビーム画分の強さが釣り合わされるダブルまたはマルチプルビームシステムに利用される。

図１は、ディーに印加される高調波交流電圧に応じて、ダブルビームサイクロトロンの２つのターゲットのそれぞれに衝突するビームの強さを示す。

図２は、サイクロトロンの正中面における断面の頂面図に相当するこの発明のサイクロトロンの図である。

図３は、図２の補助的な斜視図であるサイクロトロンの図を示す。

図４は、この発明に係る方法を実施する制御ループの概略図を示す。

発明のある特定の実施形態の詳細な説明

図２、３及び４は、この発明の好ましい実施形態の形式に利用されるコンパクトな等時性サイクロトロンを示す。このサイクロトロンは、通常幾つかのサブシステムを含む：
ａ．磁気回路
ｂ．ＲＦ加速器
ｃ．真空チェンバー
ｄ．荷電粒子注入手段
ｅ．加速荷電粒子取り出し手段

磁気回路は、基本的に、サイクロトロンの中心軸１００と直交する正中面１１０に関して対称に配置された２つの磁極、即ち、上方磁極１（図２及び３には図示されていない）と下方磁極１’の形で示された電磁石から成る。これらの磁極１、１’は、ほぼ円筒状を呈し、ギャップ１２０で隔てられている。

さらに、磁気回路は、回路を閉じるフラックスリターン２を含む。

図示の実施形態では、電磁石の上方磁極１及び下方磁極１’のそれぞれが、山、即ち、参照符号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４によってマークされたギャップが小さいセクターと、谷、即ち、参照符号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４によってマークされたギャップが大きいセクターとを交互に発生させるための複数のセクターを含む（に分割されている）。

有利には、フラックスリターン２に開口１０が配置される。これらの開口１０は、有利には、ひとつまたは複数のビームラインを通過させ、または、同時にまたは別々に使用できるそれらのボリュームにおいてひとつまたはそれ以上のターゲットを収容する。

さらには、１対のソレノイドコイル５、５’が、磁極１、１’の周りに巻かれる。前記１対のコイル対５、５’は、
“１対の主誘導コイル”と呼称され、“主磁場”と呼称される一定の磁場を発生させることができる。

この発明によれば、サイクロトロンは、“センタリングコイル”または“バッキングコイル”６、７と呼称される２つのさらなるコイルをも含む。これらのコイル６、７は、フラックスリターン２の部分を囲み、中心軸１００に関して放射状に対向するように配置される。直列につながれたこれらのコイルは、強さを調節可能なＤ．Ｃ．タイプの電源８によって直流電流を給電される。従って、それぞれのバッキングコイル６、７は局所的に磁場を変更することができる。

より正確には、これら２つのバッキングコイル６、７のうち、一方のコイル６は、その近傍において主コイル５、５’によって発生させられた主磁場を増大させるが、他方のコイル７は、その近傍において主コイル５、５’によって発生させられた主磁場を低下させるように組合わされている。

換言すれば、この発明では、バッキングコイル６、７を利用することによって、セクターＳ１及びＳ２に位置する領域Ａにおける誘導磁場の増大が局所的に得られる。同時に、セクターＳ３及びＳ４に位置する領域Ｂにおける誘導磁場の低下が得られる。荷電粒子の全軌道で発生させられる誘導磁場の平均値として定義される、装置内で１回転する間に粒子に作用する平均磁場が、大体変わらずに残る。

隣接するセクターＳ１及びＳ２に現れる磁場（領域Ａ）の強さの増大は、これらのセクターにおける粒子軌道の曲率半径を縮小させる効果を有する。逆に、対向するセクターＳ３及びＳ４における磁場（領域Ｂ）の強さの低下は、粒子軌道の曲率半径を増大させる効果を有する。結果として、粒子軌道が変位する。軌道は大体円形のままであるが、もはやサイクロトロンの中心軸を中心とせず、図２の下方に向かって中心がややはずれる。

加えて、それぞれのバッキングコイル６、７の巻きを通らせるため、フラックスリターン２に補足の開口が形成されてもよいが、それらにターゲットの導入のために設けられた既存の開口１０を通らせることは可能であり、容易であることに留意するだろう。

さらに、サイクロトロンは、取り出し手段として、ストリッピングシート（またはストリッパー）３、４を含む。有利には、これらのシートは、炭素で構成され、イオンから周辺の電子を剥奪して電荷を変化させる機能を有する。この場合、前記イオンの軌道の曲率が逆転して、粒子ビームが磁気回路のフラックスリターンに設けられた開口からサイクロトロンの外部へ向けられる。第１シート３は、磁極の二等分線Ｓ上に配置され、第２シート４は第１シートの上流１１°の位置に配置される。これらストリッパー３、４のそれぞれは、電動装置を介してアクティブにされたり引込められたりされる。

加速粒子の軌道の変位は、先ずセクターＳ１及びＳ４に位置するストリッパーに衝突するビームの画分を増大させ、次いでセクターＳ２及びＳ３に位置するストリッパーに衝突するビームの画分を縮小させる効果を有する。言うまでもなく、バッキングコイル６、７を流れる電流の方向を逆転させることによって、逆の効果、即ち、セクターＳ２及びＳ３に位置するストリッパーに衝突するビームの画分を増大させ、セクターＳ１及びＳ４に位置するストリッパーに衝突するビームの画分を縮小させる効果が得られる。

出願人は、バッキングコイル６、７のそれぞれが、工業用サイクロトロンの調整に好適な２０Ａという強さを提供できる直流電源８によって給電される６０巻きを有するという実際的な解決方法で実験した。

図４は、この発明の方法を実施するサイクロトロンの制御ループの図を詳細に表している。この図では、ターゲット２００における検出器２１０によって測定されるビームの強さに従って、電源８からの供給電流における変化を通じてバッキングコイル６、７を流れる電流の強さを調節できる公知の従来型のレギュレーター２０を用意する。

電源８から供給されてバッキングコイル６、７を流れる電流の強さを調節することにより、ターゲット２００のそれぞれに衝突するビームの電流の強さを微妙且つ臨機応変に調節する。反対方向の修正が必要なら、反対方向の電流がバッキングコイル６、７に電源８から注入される。これによってターゲットに衝突するビームの合計強さが最大となる。ダブルビームシステムの場合、個々のターゲットは、同じビーム強さを受けるが、バッキングコイルの電流を調節することができる。

結論として、この発明の装置は、極めて簡単に実施することができる。即ち、磁気回路に大規模な介入がなく、真空チェンバーの内部に大規模な介入がなく、既存の装置に容易に組み込むことができ、例えば、公知技術に記載されているような山部のギャップに配置された高調波コイルの利用に関する利点を構成する。

この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他の変形物及び用途にも適用される。具体的には、この発明は、ダブルビームシステムへの応用だけでなく、シングルまたはマルチプル、例えば、４ビームシステムにも応用される。また、この発明は、２つ以上のバッキングコイル、例えば、９０°間隔に配置した４つのバッキングコイルの使用にも応用でき、これによってビームを全方向にセンタリングし、軌道の形状を変化させることができる。それは、超伝導サイクロトロンまたは抵抗サイクロトロンに応用することができる。

Claims (7)

1. 少なくとも１つのターゲット（２００）に照射するための加速荷電粒子ビームを発生させることができるサイクロトロンであって、前記サイクロトロンが磁気回路を含み、前記磁気回路が基本的に：
   ‐ 少なくとも２つの磁極（１、１’）、上方磁極（１）及び下方磁極（１’）を備え、前記磁極が、サイクロトロンの中心軸（１００）と直交する正中面（１１０）に関して対称に配置され、円運動する荷電粒子及び前記磁気回路を閉じるためのフラックスリターンを含むギャップ（１２０）で隔てられている電磁石；
   ‐ 前記磁極１及び１’間のギャップにほぼ一定の主誘導磁場を発生させる１対の主誘導コイル（５、５’）
   を含み、
   電源（８）によって給電され、サイクロトロンの第１領域における誘導磁場の強さを増大させ、サイクロトロンの中心軸（１００）に関して放射状に対向するサイクロトロンの第２領域における誘導磁場の強さを低下させるために前記主コイル（５、５’）によって生じる主誘導磁場の強さを調節することが可能な少なくとも１対のバッキングコイル（６、７）を含む前記ビームのセンタリング手段を含むことを特徴とする前記サイクロトロン。
2. サイクロトロンの中心軸（１００）に関して放射状に対向するように配置されたフラックスリターン（２）の部分をバッキングコイル（６、７）が囲むことを特徴とする請求項１に記載のサイクロトロン。
3. サイクロトロンから取り出されるビームをターゲットにセンタリングする方法であって、前記サイクロトロンは、基本的に：
   ‐ 少なくとも２つの磁極（１、１’）、上方磁極（１）及び下方磁極（１’）を備え、前記磁極が、サイクロトロンの中心軸（１００）と直交する正中面（１１０）に関して対称に配置され、円運動する荷電粒子及び前記磁気回路を閉じるためのフラックスリターンを含むギャップ（１２０）で隔てられている電磁石；
   ‐ 前記磁極（１、１’）間のギャップにほぼ一定の主導磁場を発生させる１対の主誘導コイル（５、５’）
   から成る磁気回路を含み、
   ‐ サイクロトロンが、その中心軸に関して放射状に対向するフラックスリターン（２）の部分を囲むように配置された少なくとも1対のバッキングコイル（６、７）を備え；
   ‐ １対の主コイル（５、５’）が、サイクロトロンのギャップ（１２０）にほぼ一定の磁場を発生させるように給電され；
   ‐ バッキングコイル（６、７）が、サイクロトロンの第１領域における誘導磁場の強さを増大させ、サイクロトロンの中心軸（１００）に関して放射状に対向する第２領域における誘導磁場の強さを低下させるように電源（８）を介して給電される
   ことを特徴とする前記方法。
4. 電源（８）からの電流の強さが、ターゲット（２００）に衝突するビームの強さを最大限にするために制御または調節されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ‐ 検出器（２１０）を利用して前記ターゲット（２００）におけるビーム電流の強さが測定され、
   ‐ この測定値がレギュレータに送信され；
   ‐ この測定値に従って、電源（８）からの電流を調節することによりバッキングコイル（６、７）に流れる電流の強さが制御または調節される
   ことを特徴とする請求項４に記載の前記方法。
6. 放射性同位体の前駆体を含むターゲットから医療用放射性同位体を製造するための請求項１乃至５のいずれかに記載の方法及び装置の利用。
7. 前記ターゲットのそれぞれに衝突するビーム画分の強さが釣り合わされるダブルまたはマルチプルビームシステムのための請求項１乃至５のいずれかに記載の方法および装置の利用。

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