JP2009193934A - ターゲット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット内でのブリスタリングの発生を容易に抑えることができるターゲット装置を提供する。
【解決手段】陽子線Ｌの照射を受けて中性子を発生する物質からなる固体状のターゲット１０と、ターゲット１０に接する冷却板１５とを備え、冷却板１５には、ターゲット１０によって塞がれると共に、冷却水Ｗが通過する螺旋溝１７が形成されているターゲット装置５とした。このターゲット装置５では、ターゲット１０から熱を奪う冷却水Ｗの流路をターゲット１０に接するように形成できるため、ターゲット１０を透過した直後の陽子線を冷却水Ｗで捕捉できる。従って、ターゲット１０内でのブリスタリングの発生を抑え、さらに、陽子線Ｌが他の金属部材などに進入してブリスタリングを発生させてしまうことを低減できる。その結果として、ターゲット１０内でのブリスタリングの発生を抑えやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、陽子などの加速粒子の照射を受けて中性子を発生するターゲットを備えたターゲット装置に関する。

がん治療等において、放射線治療は高い評価を受けている。特に、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）は、原理的に細胞レベルの選択的な治療の可能性があり、注目されている。ＮＣＴでは、中性子を照射したときに飛程が短く高ＬＥＴ（LinearEnergy Trasfer）の重荷電粒子などを発生する安定同位元素を、あらかじめ治療すべきがん細胞に取り込ませておく。その後、中性子を照射し、重荷電粒子の飛散によってがん細胞だけを選択的に破壊する。ＮＣＴに用いられる安定同位元素は、中性子と反応して高ＬＥＴの重荷電粒子を発生する^１０Ｂや^６Ｌｉなどであり、中性子はこれらに対して大きな反応断面積を持つ低エネルギー中性子である。現在では、ＮＣＴとして、^１０Ｂ及び熱中性子や熱外中性子が用いられており硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：BoronNCT）と呼ばれることもある。

特許文献１には、ＮＣＴなどに用いられる中性子を発生させる装置が開示されている。この種の装置では、ターゲットに加速粒子を照射して中性子を発生させている。中性子を発生させる際に、ターゲットでは、非常に高いエネルギーレベルの加速粒子の照射を受けており、温度の上昇を抑える必要がある。そのため、銅などからなるヒートパイプや冷却水が流れる銅管などをターゲットに近接して配置し、ターゲットの温度上昇を抑える構成を採用していた。
特開２００６−３３８９４５号公報

しかしながら、従来の装置では、加速粒子がターゲット内に留まると、ターゲット内で水素を生じてブリスタリングという問題を引き起こす。一方で、ターゲット内でのブリスタリングを抑えるためにターゲットを薄くすると、ターゲットを透過した加速粒子は、今度はヒートパイプや冷却水用の銅管などでブリスタリングを引き起こして結果的に同様の問題を抱えることになる。従って、ターゲット内でのブリスタリングの発生を抑えることは難しかった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、ターゲット内でのブリスタリングの発生を容易に抑えることができるターゲット装置を提供することを目的とする。

本発明に係るターゲット装置は、加速粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなる固体状のターゲットと、ターゲットに接する冷却部と、を備え、冷却部には、ターゲットによって塞がれると共に、冷却水が通過する溝が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るターゲット装置によれば、ターゲットから熱を奪う冷却水の流路をターゲットに接するように形成できるため、ターゲットを透過した直後の加速粒子を冷却水で捕捉できる。従って、ターゲット内でのブリスタリングの発生を抑え、さらに、加速粒子が他の金属部材などに進入してブリスタリングを発生させてしまうことを低減できる。その結果として、本発明によれば、ターゲット内でのブリスタリングの発生を抑えやすくなる。

さらに、ターゲットは平板状であり、ターゲットの板厚は、加速粒子が透過可能な厚さ、すなわち、必要な中性子発生量を損なうことなく加速粒子が透過可能な厚さであると好適である。必要な中性子発生量を確保でき、且つ、加速粒子がターゲットを透過することで、ブリスタリングの発生を効果的に抑えることができる。

さらに、加速粒子が通過する真空領域を形成する筒部と、筒部の一端に形成されると共に、ターゲットに接するフランジ部と、フランジ部を冷却部側に押圧し、フランジ部と冷却部との間でターゲットを挟み付けて固定する締結部と、を備えると好適である。冷却部の溝内に形成される冷却水の流路と筒部内の真空領域とは縁切りされているため、冷却水が真空領域内に漏れ出て真空度を低下させることは無い。従って、ターゲットへの加速粒子の照射を妨げることなく、ターゲット内のブリスタリングの発生を抑えることができる。

さらに、締結部は、冷却部に形成されたねじ穴と、フランジ部を貫通すると共に、ねじ穴に螺合するボルト部と、を有し、ターゲットには、ボルト部が挿通する遊嵌孔が形成されていると好適である。ターゲットが温度上昇に伴って熱膨張しても、その膨張分を遊嵌孔とボルト部との隙間で吸収でき、ターゲットのズレに伴う真空領域での真空度の低下や冷却水の漏れなどを防止できる。

冷却部は、ターゲットに接する一方の面と一方の面の裏側となる他方の面とを有する板状であり、他方の面には、溝に連通すると共に、溝に冷却水を導入するための導入溝と、溝に連通すると共に、溝から冷却水を排出するための排出溝とが形成され、導入溝と排出溝とを塞ぐように、冷却部の他方の面に取り付けられる蓋部を更に備えると好適である。冷却水の導入路は、冷却部の他方の面に形成された導入溝内に形成され、排出路は排出溝内に形成される。従って、導入路や排出路のための別の管路などを冷却部の近傍に付設する必要がなく、障害物が減る。その結果として、ターゲット装置を冷却部側から中性子減速装置（「モデレータ」ともいう）に近づける際に邪魔になり難く、その分、ターゲットと中性子減速装置とを近づけることができ、ターゲットから発生した中性子を低エネルギーの中性子として患者に照射する際のロスが低減する。

本発明によれば、ターゲット内でのブリスタリングの発生を容易に抑えることができる。

以下、本発明に係るターゲット装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るターゲット装置を備えたＢＮＣＴ装置の側面図であり、図２はターゲット装置の断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５は、ターゲット装置に取り付けられたターゲットの上部を拡大して示す断面図である。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、ＢＮＣＴ装置１は、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）によってがん治療等を行うための装置である。ＢＮＣＴ装置１は、患者が治療を受けるために座る治療台３と、サイクロトロンでつくられる高速の陽子（以下、「陽子線」という）Ｌ（図２参照）を受けて中性子を発生させるターゲット装置５と、ターゲット装置５で発生した中性子Ｎを減速させ、低エネルギーの中性子として患者に照射する中性子減速装置（「モデレータ」ともいう）７と、を備えている。陽子線Ｌは、加速粒子に相当する。

図２〜図５に示されるように、ターゲット装置５は、サイクロトロンに繋がるように敷設されたビームダクト９の端部に、着脱自在に取り付けられている。ターゲット装置５は、陽子線Ｌの照射を受けて中性子Ｎを発生するターゲット１０と、ターゲット１０を保持するターゲットホルダー１１とからなる。ターゲット１０は、円板状に成形されており、ターゲットホルダー１１は、ターゲット１０を挟み付けて保持するフランジ付き短管（筒部）１３と冷却板（冷却部）１５とを有する。フランジ付き短管１３はビームダクト９に固定されている。フランジ付き短管１３を通過した陽子線Ｌはターゲット１０の一方の端面１０ａに照射される。ターゲット１０は、陽子線Ｌの照射を受けると中性子を発生し、その中性子は、ターゲット１０の背面１０ｂ、すなわち冷却板１５に接する他方の端面側から放出される。ターゲット１０の背面１０ｂには、防蝕のための陽極酸化処理が施されている。

冷却板１５は銅（Ｃｕ）またはグラファイトによって形成される。冷却板１５には、ターゲット１０に接する一方の端面１５ａ側に冷却水Ｗが通過する複数の螺旋溝１７（図４参照）が形成されている。さらに、冷却板１５には、一方の端面１５ａの裏側、すなわち他方の端面１５ｂ側に、冷却水Ｗ（図５参照）を導入するための導入溝１９と冷却水を排出するための排出溝２１とが形成されている。

螺旋溝１７は、冷却板１５の中央から外側に向けて螺旋（「平面曲線」、（「渦巻き線」ともいう）を描くように形成されている。螺旋溝１７は、流路断面が略一様である。また、複数の螺旋溝１７は、互いに交差することなく冷却板１５の略中央で一つにまとまり、中央孔２３を介して裏側の導入溝１９に連通している。また、螺旋溝１７の外側の端部は、貫通孔２５を介して裏側の排出溝２１に連通している。冷却水Ｗは、導入溝１９内を通り、中央孔２３を抜けて四本の螺旋溝１７それぞれに分かれる。さらに、冷却水Ｗは、螺旋溝１７の外側の端部から貫通孔２５を通って合流し、裏側の排出溝２１を通って排出される。本実施形態では、一本の螺旋溝１７で冷却水Ｗの流路長を確保するのではなく、複数の螺旋溝１７に冷却水Ｗを分岐させて冷却水Ｗの流路長を確保するようにしたので、一本の場合に比べて圧力損失は低下する。

冷却板１５は、ターゲット１０の形状に対応した略円形の本体部２７と、本体部２７を挟むようにして上下の対向位置に設けられた張出し部２８，２９とを有する。本体部２７には、前述の螺旋溝１７が形成されている。一対の張出し部２８，２９のうち、下側の張出し部２８には、導入溝１９に連通する導入孔３１が形成されている。さらに、張出し部２８は、両フランジ管３２を介して、冷却水Ｗの導入のために敷設された上流管３３に接続されている。また、上側の張出し部２９には、排出溝２１に連通する排出孔３５が形成されている。張出し部２９は、両フランジ管３６を介して、冷却水Ｗの排出のために敷設された下流管３７に接続されている。

冷却板１５の背面には、冷却板１５の本体部２７及び両張出し部２８，２９の形状に対応する形状の蓋部３９がボルト留めされている。蓋部３９は、導入溝１９及び排出溝２１を塞ぐように取り付けられており、導入溝１９内に冷却水Ｗの導入路を形成し、排出溝２１内に冷却水Ｗの排出路を形成する。なお、冷却板１５と蓋部３９とを一体成形するようにしてもよい。

ターゲット１０は、フランジ付き短管１３と冷却板１５とに挟まれている。ターゲット１０は、冷却板１５の本体部２７に当接し、すべての螺旋溝１７を塞ぐように配置されている。図５に示されるように、ターゲット１０の縁部には、外周に沿って等間隔になるように、複数の遊嵌孔（「クリアランスホール」、「貫通孔」または「挿通孔」ともいう）１０ｃが形成されている。遊嵌孔１０ｃは、ボルト（ボルト部）４３の径よりも大きな内径を有する穴（挿通穴）であり、ボルト４３が挿通可能であれば足りる。

フランジ付き短管１３の両端にはフランジ部４１があり、一方のフランジ部４１には、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに対応して複数の遊嵌孔４１ａが形成されている。また、冷却板１５には、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに対応して複数のねじ穴１５ｄが形成されている。フランジ部４１の遊嵌孔４１ａから差し込まれたボルト４３は、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃを挿通し、冷却板１５のねじ穴１５ｄに螺合する。複数のボルト４３の締め付けにより、フランジ部４１はターゲット１０を冷却板１５側に押圧し、ターゲット１０は、フランジ部４１と冷却板１５との間で、挟み付けられた状態で固定される。ボルト４３及びねじ穴１５ｄによって締結部４４が構成される。なお、フランジ部４１には、フランジ付き短管１３内を気密するシール材４５を装着するための環状溝４７が形成されている。また、冷却板１５には、冷却水Ｗの漏洩を防止するために気密するシール材４９を装着するための環状溝５１が形成されている。

ターゲット１０はベリリウム（Ｂｅ）からなり、２（ｍＡ）、３０（ＭｅＶ）の陽子線Ｌの照射を受けると６０ｋＷ程度の排熱が必要となり、効率よく排熱できなければ溶けてしまう虞がある。本実施形態に係るターゲット１０は、冷却板１５のすべての螺旋溝１７を塞ぐように配置され、螺旋溝１７内に冷却水Ｗの流路を形成するようになっているので、ターゲット１０に接するように冷却水Ｗの流路が形成される。その結果として、ターゲット１０を冷却水Ｗによって直接冷却できるようになり、ターゲット１０の排熱効率を向上できる。

陽子線Ｌをターゲット１０に照射する際には、予めビームダクト９及びフランジ付き短管１３内の空気は除去され、真空領域Ｖ（図２参照）が形成される。本実施形態では、フランジ付き短管１３と冷却板１５とは、ターゲット１０を挟むようにして配置されているため、フランジ付き短管１３内の真空領域Ｖと冷却板１５に形成された冷却水Ｗの流路とはターゲット１０によって完全に縁切りされている。従って、フランジ付き短管１３内に冷却水Ｗが漏れてしまうことはなく、真空領域Ｖでの真空度の低下を防止できる。

また、ターゲット１０は、陽子線Ｌの照射によって高温になるため熱膨張する。特にターゲット１０は板状であるため、広がる方向への膨張の方が、ターゲット１０の板厚が厚くなる方向への膨張よりも大きい。本実施形態では、ボルト４３の締め付けによってターゲット１０を固定しているが、ボルト４３はターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに通されているだけであり、ボルト４３と遊嵌孔１０ｃの内面との間には僅かな隙間（クリアランス）がある。そして、ターゲット１０が熱膨張によって広がっても、この隙間で吸収されてしまうため、ターゲット１０のズレに伴う真空度の低下や冷却水Ｗの漏れを防止できる。

図１に示されるように、中性子減速装置７には、ターゲット装置５を受け入れるために開放された円筒状のターゲット収容部７ａが設けられている。中性子減速装置７は、前後方向に移動可能であり、ビームダクト９に固定されたターゲット装置５をターゲット収容部７ａ内に収容する。中性子減速装置７は、ターゲット装置５を冷却板１５側から受け入れる。冷却板１５の螺旋溝１７に冷却水Ｗを導入、排出するための流路は、冷却板１５に形成された導入溝１９及び排出溝２１によって形成されている。従って、冷却板１５の周りには、冷却水Ｗの導入用または排出用の配管は無く、障害物は少ない。中性子減速装置７が移動してターゲット装置５をターゲット収容部７ａ内に受け入れる際には、障害物が無い分、ターゲット１０を中性子減速装置７に近づけることができる。その結果として、ターゲット１０から発生した中性子を中性子減速装置７で減速させて低エネルギーの中性子として患者に照射する際のロスが低減する。

ターゲット１０に照射する陽子線Ｌは３０（ＭｅＶ）程度のエネルギーレベルである。陽子線Ｌは、ターゲット１０内に留まると、水素（Ｈ_２）ガスに変換され、ブリスタリングという現象を引き起こす。しかしながら、ターゲット１０の板厚Ｄは、必要な中性子発生量を損なうことなく陽子線Ｌが透過可能な厚さであるため、ターゲット１０内でのブリスタリングの発生は抑えられる。陽子線Ｌが透過可能な厚さは、ターゲット１０の材質、照射される陽子線Ｌのエネルギーレベルによって異なるが、本実施形態での陽子線Ｌは、その飛程距離である５．８（ｍｍ）以下の板厚であれば透過可能である。飛程距離は、±０．３ｍｍ程度のばらつきがあるため、このばらつきを考慮すると、本実施形態での陽子線Ｌの透過可能な厚さは、ばらつき範囲内の下限値以下、すなわち、５．８−０．３＝５．５（ｍｍ）以下となる。一方で、ターゲット１０の板厚Ｄが薄くなればなるほど、中性子発生に伴うエネルギーロスが大きくなる。そこで、本実施形態では、ターゲット１０の板厚Ｄとして５．５ｍｍを採用した。ターゲット１０の板厚Ｄを５．５ｍｍとすることで、３％程度のロスが生じる。これは、例えば、２０分程度の正規の治療時間に対して３％程度のロス、すなわち０．６分程度の僅かな治療時間の延長に相当し、微差であると判断できる。

ターゲット１０を透過した陽子は、主として螺旋溝１７内を通過する冷却水Ｗによって捕捉される。冷却水Ｗに陽子線Ｌが捕捉されても、ブリスタリングという現象は生じない。従って、ターゲット１０を透過した陽子線Ｌが、今度は他の金属部材などにブリスタリングを生じさせるという問題も引き起こし難い。その結果として、ターゲット１０を陽子の透過可能な厚さ以下に抑え易くなり、ターゲット１０内のブリスタリングの発生を低減できる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

ターゲット１０としてはベリリウム（Ｂｅ）に限定されず、タンタル（Ｔａ）などを用いることもできる。また、ターゲット１０の透過可能な厚さは、ターゲット１０に用いる材質や照射する加速粒子のエネルギーによって異なり、適宜に選択することができる。例えば、タンタル（Ｔａ）からなるターゲット１０の場合には、３０（ＭｅＶ）程度のエネルギーレベルの陽子線Ｌを照射する場合には、透過可能な厚さは１．２（ｍｍ）となる。

本発明の実施形態に係るターゲット装置を装着したＢＮＣＴ装置の側面図である。 本実施形態に係るターゲット装置の断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 ターゲット装置に取り付けられたターゲットの上部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１０…ターゲット、１０ｃ…ターゲットに形成された遊嵌孔、１３…フランジ付き短管（筒部）、１５…冷却板（冷却部）、１５ｄ…冷却板に形成されたねじ穴、１７…螺旋溝、１９…導入溝、２１…排出溝、３９…蓋部、４１…フランジ付き短管のフランジ部、４３…ボルト（ボルト部）、４４…締結部、Ｌ…陽子線（加速粒子）、Ｄ…ターゲットの板厚、Ｖ…真空領域、Ｗ…冷却水。

Claims (5)

1. 加速粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなる固体状のターゲットと、
   前記ターゲットに接する冷却部と、を備え、
   前記冷却部には、前記ターゲットによって塞がれると共に、冷却水が通過する溝が形成されていることを特徴とするターゲット装置。
2. 前記ターゲットは平板状であり、
   前記ターゲットの板厚は、前記加速粒子が透過可能な厚さであることを特徴とする請求項１記載のターゲット装置。
3. 前記加速粒子が通過する真空領域を形成する筒部と、
   前記筒部の一端に形成されると共に、前記ターゲットに接するフランジ部と、
   前記フランジ部を前記冷却部側に押圧し、前記フランジ部と前記冷却部との間で前記ターゲットを挟み付けて固定する締結部と、を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載のターゲット装置。
4. 前記締結部は、前記冷却部に形成されたねじ穴と、前記フランジ部を貫通すると共に、前記ねじ穴に螺合するボルト部と、を有し、
   前記ターゲットには、前記ボルト部が挿通する遊嵌孔が形成されていることを特徴とする請求項３記載のターゲット装置。
5. 前記冷却部は、前記ターゲットに接する一方の面と前記一方の面の裏側となる他方の面とを有する板状であり、前記他方の面には、前記溝に連通すると共に、前記溝に前記冷却水を導入するための導入溝と、前記溝に連通すると共に、前記溝から前記冷却水を排出するための排出溝とが形成され、
   前記導入溝と前記排出溝とを塞ぐように、前記冷却部の前記他方の面に取り付けられる蓋部を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のターゲット装置。

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