JP2011220930A - ターゲットおよびターゲット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力の向上を図ることが可能なターゲット及びターゲット装置を提供すること。
【解決手段】ターゲット液体Ｌを収容する収容部に連通し、ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部４２を備える構成とする。バッファ部４２は、収容部４１ａに近い第１の幅部Ｗ_１よりも収容部４１から遠い第２の幅部Ｗ_２の方が大きい構成であるので、幅方向の外側にバッファ部４２を広げることで、バッファ部壁面４２ａの表面積を拡大させることができる。これにより、バッファ部壁面４２ａの表面積を拡大して、ターゲット液体から蒸発した蒸気Ｖの凝縮熱伝達を有効活用することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターゲット液体と放射線との核反応により放射性同位元素を製造する際に使用されるターゲット及びターゲット装置に関する。

脳や心臓、癌などの精密検査における検査方法として、ポジトロン断層撮影法（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）がある。このＰＥＴ検査では、ポジトロン（陽電子）を放出する放射性同位元素（陽電子放出核種）で標識された検査用薬剤を、注射や吸入等により被験者の体内に導入する。体内に導入された検査用薬剤は、代謝されたり特定の部位（例えば、腫瘍や病変箇所）に蓄積されたりする。放射性同位元素から放出される陽電子と周囲の電子とが結合して消滅する際に放射線（消滅ガンマ線）が放出されるので、この放射線を検出してコンピュータで処理することにより、特定断面における断層撮影画像を得ることができるようになっている。

ＰＥＴ検査の検査用薬剤に使用される放射性同位元素としては、^１８Ｆ、^１５Ｏ、^１１Ｃ、^１３Ｎ等がある。これらは、半減期が２〜１１０分と極めて短いので、病院内の検査室に近い場所にサイクロトロン等の放射線源を設置し、この放射線源からの放射線（例えば、陽子線や重陽子線等の粒子線）をターゲットに導き、ターゲットに収容されているターゲット液体（例えば、ターゲット水（^１８Ｏ水））との核反応により放射性同位元素を製造する。そして、製造された放射性同位元素を所定の化合物（例えば、フルオロデオキシグルコース（ＦＤＧ：Fluoro-Deoxy-Glucose））に組み込んだり、その一部を置き換えたりして合成することで、検査用薬剤（例えば、^１８Ｆ−ＦＤＧ）を製造している。

このような放射性同位元素を製造するためのターゲットとして、従来、ターゲット液体を収容する凹部を有し、この凹部が、放射線を導入するための開口から離れる方向に窪む曲面を含んでいるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のターゲットとして、図５及び図６に示すものもある。図５は、従来のターゲット装置の断面図であり、図６は、従来のターゲットの正面図である。ターゲット１は、ターゲット液体Ｌを収容する収容部２と、ターゲット液体Ｌから蒸発した蒸気Ｖを収容するバッファ部３とを備える。このバッファ部３は、図６に示すように、正面視において矩形状を成し、バッファ部３の下部側は、収容部２の上部側に連通している。

ターゲット１は、図５に示すように、収容部３を冷却する冷却機構４を備えている。この冷却機構４は、ターゲット１の背面に向けて冷却水を放出することで、収容部２を冷却する。

国際公開第２００８／１４９６００号パンフレット

ここで、ターゲットにおける伝熱経路について図７を参照して説明する。ターゲット１における除熱（伝熱）では、収容部２内のターゲット液体Ｌの熱は、主に２つの経路をたどり、ターゲット１の外部に伝達される。

まず、ターゲット液体Ｌに荷電粒子ビームが照射されることで、収容部２のターゲット液体Ｌが加熱される。すなわち、ターゲット液体Ｌは、荷電粒子ビームの照射を受けて熱エネルギを得ることになる。ここで、ターゲット液体Ｌの熱は、２つの経路をたどる。１つ目は、ターゲット液体Ｌの熱が、収容部２を画成する背面壁２ａに伝達される第１の伝熱経路Ｔ_１２であり、２つ目は、ターゲット液体Ｌから蒸発した蒸気Ｖがバッファ部３を画成する背面壁３ａにおいて凝縮熱伝達される第２の伝熱経路Ｔ_２２である。

第１の伝熱経路Ｔ_１２においてに収容部２の背面壁２ａ伝達された熱は、背面壁２ａにおける熱伝導Ｔ_１３、背面壁２ａに接する冷却水による対流熱伝達Ｔ_１４によって、ターゲット１外へ伝達される。一方、第２の伝熱経路Ｔ_２２においてバッファ部３の背面壁３ａに伝達された熱は、背面壁３ａにおける熱伝導Ｔ_２３、背面壁３ａに接する冷却水による対流熱伝達Ｔ_２４によって、ターゲット１外へ伝達される。

ターゲット装置では、荷電粒子ビームの入熱方向の反対側から冷却水が放出され冷却されている。この冷却水の流速、流量などを改善することで冷却能力の向上を図ることが考えられていたが、更なる冷却能力の向上が求められている。また、その他の冷却技術として、サーモサイフォン式や循環式などが考えられるが、ターゲット液体の充填量が増加したり、装置自体が複雑な構成となったりするなどの問題がある。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、冷却能力の向上を図ることが可能なターゲット及びターゲット装置を提供することを目的とする。

本発明者は、課題の解決のため鋭意研究を重ねる過程で、ターゲットの冷却において、ターゲット液体から蒸発した蒸気の凝縮熱伝達が考慮されていない点に着目し、バッファ部の面積を拡大することで、ターゲットにおける冷却能力を大幅に向上させることが可能であるとの知見を得て本発明に至った。

本発明によるターゲットは、ターゲット液体を収容する収容部と、当該収容部に連通しターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部とを備え、バッファ部は、収容部に近い第１の幅部よりも収容部から遠い第２の幅部の方が大きいことを特徴としている。

本発明のターゲットでは、ターゲット液体を収容する収容部に連通して、ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部を備えている。このバッファ部は、収容部に近い第１の幅部よりも収容部から遠い第２の幅部の方が大きくなっている。これにより、バッファ部の幅方向の大きさが、収容部に近い側から遠い側に向かって拡大する形状とすることで、バッファ部壁面の表面積を拡大することができる。そのため、バッファ部壁面の表面積を拡大して、ターゲット液体から蒸発した蒸気の凝縮熱伝達を有効に活用し、ターゲットの冷却能力を向上させることができる。

ここで、バッファ部は、バッファ部の側部には、収容部から遠い方が、収容部から近い方よりも、幅方向の外側へ傾斜する斜辺が形成されていることが好適である。これにより、複雑な加工をせずに容易に、幅方向の外側にバッファ部を広げることが可能となり、バッファ部壁面の表面積が拡大される。そのため、バッファ部壁面の表面積を拡大して、ターゲット液体から蒸発した蒸気の凝縮熱伝達を有効に活用し、ターゲットの冷却能力を向上させることができる。また、このような斜辺が形成されていると、バッファ部で凝縮した液体ターゲットが斜辺に沿って流れて収容部に戻ることになり、冷却効率の向上を図ることができる。

また、バッファ部は、正面視において扇形に形成されていることが好ましい。これにより、形状を簡素とし壁面の表面積が拡大されたバッファ部を容易に加工することができる。

また、本発明のターゲット装置は、上記のターゲットと、収容部及びバッファ部を冷却する冷却機構と、を備えることを特徴としている。これにより、冷却機構によって収容部及びバッファ部を冷却することができるため、収容部内及びバッファ部内を好適に冷却することができる。

また、本発明のターゲットは、ターゲット液体を収容する収容部と、収容部に連通しターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部と、収容部の熱を伝熱する第１伝熱部と、バッファ部の熱を伝熱する第２伝熱部と、を備え、第２伝熱部の伝熱面積は、第１伝熱部の伝熱面積よりも大きいことを特徴としている。

本発明のターゲットでは、ターゲット液体を収容する収容部に連通して、ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部を備えている。そして、バッファ部の熱を伝熱する第２伝熱部の伝熱面積が、収容部の熱を伝熱する第１伝熱部の伝熱面積よりも大きいため、ターゲット液体から蒸発した蒸気の凝縮熱伝達を有効に活用し、ターゲットの冷却能力を向上させることができる。

また、本発明のターゲット装置は、上記のターゲットと、第１伝熱部及び第２伝熱部を冷却する冷却機構と、を備えることを特徴としている。本発明のターゲット装置では、ターゲット液体を収容する収容部に連通して、ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部を備えている。これにより、冷却機構によって収容部及びバッファ部を冷却することができるため、収容部内及びバッファ部内を好適に冷却することができる。

本発明によれば、冷却能力の向上させることが可能なターゲット及びターゲット装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るターゲット装置をビーム照射方向Ｘに沿って切った断面図である。 本発明の実施形態に係るターゲットをビーム照射方向Ｘに沿って切った断面図である。 本発明の実施形態に係るターゲットの正面図である。 ターゲット容器内の圧力、及び、ＲＩ製造量を示すグラフである。 従来のターゲットの正面図である。 従来のターゲット装置をビーム照射方向に沿って切った断面図である。 ターゲットにおける伝熱経路を示す断面図である。

以下、本発明に係るターゲット、及びこれを備えた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。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図面の上方向及び下方向に対応したものである。

図１に示すように、ターゲット装置１０は、前面フランジ２０、フォイル３０、ターゲット容器４０、冷却機構５０を備えている。放射性同位元素製造装置は、ターゲット装置１０と、図示しないサイクロトロンとを備える。サイクロトロンは、荷電粒子ビーム（以下、「ビーム」という。）を生成し、生成されたビームは、照射軸Ｘに沿ってターゲット装置１０に照射される。ターゲット装置１０に照射されるビームとしては、例えば、陽子線や重陽子線などの粒子線が挙げられる。ターゲット装置１０は、サイクロトロンとの間に配置されたマニホールド（不図示）を介して、サイクロトロンのビームが導出される導出口に装着される。ターゲット装置１０は、例えば、円柱状の外形を有している。

前面フランジ２０は、ターゲット装置１０の正面側（ビームの照射側）に配置されている。前面フランジ２０は、例えばアルミ合金によって形成することができる。前面フランジ２０には、ビームを通過させる貫通孔２０ａが形成されている。サイクロトロンから導出されたビームは、前面フランジ２０の貫通孔２０ａを通り、ターゲット容器４０に到達する。

前面フランジ２０の背面側には、ターゲット容器４０が配置されている。前面フランジ２０およびターゲット容器４０は、複数のボルトによって締結されて連結されている。前面フランジ２０とターゲット容器４０との間には、フォイル３０が挟まれている。フォイル３０は、前面フランジ２０によって、ターゲット容器４０に押し付けられて固定されている。フォイル３０は、ビームの通過を許容する一方、ターゲット液体ＬやＨｅガスといった流体の通過を遮断する。例えばＨｅガスは、フォイル３０の正面に吹き付けられて、フォイル３０の冷却用ガスとして用いられる。フォイル３０は、例えばＴｉ等の金属又は合金から形成された円形状の薄い箔であり、その厚さが１０μｍ〜５０μｍ程度となっている。

ターゲット容器４０は、図１〜図３に示すように、ターゲット液体Ｌを収容可能な収容部４１と、この収容部４１に連通するバッファ部４２とを備えている。ターゲット容器４０は、例えばＮｂによって形成することができる。正面視におけるターゲット容器４０の外形は、例えば円形状を成している（図３参照）。そして、ターゲット容器４０の中央には、収容部４１が形成され、収容部４１の上部にはバッファ部４２が形成されている。

収容部４１は、正面側から背面側へ窪む凹部であり、この凹部がターゲット液体Ｌを収容する領域を形成する。正面視における収容部４１の外形は、例えば円形状を成している。ターゲット容器４０の正面に形成された収容部４１の開口は、フォイル３０によって覆われている。これにより、収容部４１内が密閉状態され、ターゲット液体が封入される空間が形成される。収容部４１内には、ターゲット液体として、^１８Ｏ（ターゲット水）Ｌが封入される。そして、ターゲット液体Ｌを収容する凹部を構成するターゲット容器４０の背面壁が、本発明の第１伝熱部４１ａに相当する。第１伝熱部４１ａは、収容部４１のターゲット液体Ｌと接触し、ターゲット液体Ｌの熱が伝達される部分である。なお、図３では、ターゲット液体Ｌの液面Ｌ１を１点鎖線で示している。

バッファ部４２は、ターゲット液体Ｌから蒸発した蒸気Ｖを収容する領域である。バッファ部４２は、収容部４１の上部に連通し、上方へ窪む凹部である。図２及び図３に示すように、ビーム照射方向Ｘにおいて、バッファ部４２は、収容部４１に近い下部側よりも収容部４１から遠い上部側が背面側へ傾斜して形成されている。そして、ターゲット液体Ｌからの蒸気Ｖを収容する凹部を構成するターゲット容器４０の背面壁が、本発明の第２伝熱部４２ａに相当する。第２伝熱部４２ａは、バッファ部４２の蒸気Ｖと接触し、蒸気Ｖの熱が伝達される。このとき、第２伝熱部４２ａであるバッファ部４２の背面壁によって蒸気Ｖが冷却され凝縮する（凝縮熱伝達）。

また、図３に示すように、正面視におけるバッファ部４２の外形は、例えば扇形を成している。バッファ部４２は、収容部４１の上部において周方向に沿って形成され、バッファ部４２の上端部４２ｂの外形は、円弧状に形成されている。バッファ部４２の側部４２ｃは直線状を成し、収容部４１よりも遠い側が近い側よりも幅方向Ｗの外側へ傾斜する斜辺を成している。また、バッファ部４２は、収容部４１に近い第１の幅部Ｗ_１よりも収容部４１から遠い第２の幅部Ｗ_２の方が大きくなっている。扇形のバッファ部４２は、例えば、ドリル加工によって形成される。

ターゲット容器４０には、図２に示すように、バッファ部４２内に不活性ガス（例えばＨｅガス）を導入するためのガス導入孔４０ａが形成されている。このガス導入孔４０ａは、バッファ部４２に連通し、ターゲット容器４０の背面に設けられた開口部まで延在している。このターゲット容器４０の背面の開口部には、さらに後方へ延びる配管経路４５が接続されている。そして、Ｈｅガスは、配管経路４５及びガス導入孔４０ａを通過してバッファ部４２内に導入される。このようにバッファ部４２内に高圧（例えば３ＭＰａ）の不活性ガスを導入することで、ターゲット液体Ｌの沸騰温度が上げることができる。

ターゲット容器４０には、収容部４１内にターゲット液体Ｌを充填する際に利用されると共に、収容部４１内のターゲット液体Ｌを排出する際に利用される流通孔４０ｂが形成されている。この流通孔４０ｂは、収容部４１に連通し、ターゲット容器４０の背面に設けられた開口部まで延在している。このターゲット容器４０の背面の開口部には、さらに後方へ延びる配管経路４６が接続されている。そして、ターゲット液体Ｌは、配管経路４６及び流通孔４０ｂを通過して収容部４１内に導入される。また、収容部４１内のターゲット液体Ｌは、流通孔４０ｂ及び配管経路４６を通過して排出される。

また、ターゲット容器４０の背面の中央部には、図２に示すように、正面側へ窪む背面凹部４０ｃが形成されている。この背面凹部４０ｃは、その底部（正面側）に向かうにつれて縮径されている。そして、ターゲット容器４０の背面凹部４０ｃ内に、冷却機構５０の先端部分が挿入される（図１参照）。

冷却機構５０は、ターゲット容器４０を冷却するものである。具体的には、ターゲット容器４０の背面側（第１伝熱部４１ａ、第２伝熱部４２ａ）に対して冷却水を放水することで、ターゲット容器４０の背面壁を冷却し、収容部４１及びバッファ部４２を冷却する。冷却機構５０は、図示しないポンプに接続されて冷却水を供給する冷却水供給配管５１、この冷却水供給配管５１の先端に設けられ冷却水を噴出させるノズル５２、ターゲット４０に固定されノズル５２を支持する支持部材５３を備えている。なお、冷却水に代えてその他の冷媒を用いた冷却機構でもよい。

支持部材５３は、ターゲット容器４０の背面凹部４０ｃに挿入されて、ターゲット容器４０に装着されている。支持部材５３の中央には、ビーム照射方向に延在する貫通孔５３ａが設けられている。この貫通孔５３内には冷却水供給配管５１が挿通されている。そして、ノズル５２は、支持部材５３の正面側において、貫通孔５３に嵌められて、冷却水供給配管５１に接続されている。

ノズル５２の先端部の外形は、ターゲット容器４０の背面凹部に対応する形状となっている。ターゲット容器４０の背面壁（４１ａ，４２ｂ）とノズル５２の先端部との間の隙間には、冷却水が流通する経路が形成されている。ノズル５２から放出された冷却水は、ターゲット容器４０の背面壁（４１ａ，４２ｂ）の外面に沿って流れる。また、支持部材５３には、冷却水を回収するための排出経路５３ｂが設けられている。

このように構成されたターゲット装置では、収容部４１にビームが照射されて、収容部４１内の液体ターゲットが核反応し、放射性同位元素が製造される。そして、収容部４１の液体ターゲットが加熱され、その一部が蒸発し、液体ターゲットから蒸発した蒸気Ｖは、バッファ部４２内に存在することになる。冷却機構５０は、冷却水をターゲット容器４０の背面側に供給している。

ビームが照射された液体ターゲットＬは、ビームからの入熱を受けて加熱される。液体ターゲットＬの熱は、収容部４１において、第１伝熱部４１ａを介して、冷却水に伝達される一方、液体ターゲットＬから蒸発した蒸気Ｖは、バッファ部４２において、第２伝熱部４２ａを介して、冷却水に伝達される。バッファ部４２の蒸気Ｖは、背面壁に接して熱が奪われて凝縮する（凝縮熱伝達）。第２伝熱部４２ａによって冷却されて凝縮したターゲット液体は、下方へ移動し収容部４１に戻る。

このようなターゲットによれば、収容部４１の熱を伝熱する第１伝熱部と、バッファ部４２の熱を伝熱する第２伝熱部とを備え、第２伝熱部の伝熱面積は、第１伝熱部の伝熱面積よりも大きくされているため、バッファ部４２における凝縮熱伝達を有効活用することができる。これにより、凝縮熱伝達を考慮してターゲットにおける冷却能力の向上を図ることができる。本発明では、従来のターゲット容器と比較してバッファ部４２における除熱量を多くすることができ、ターゲット容器４０における熱サイクルを速くすることによって、ターゲット容器の除熱効果を向上させることができる。

また、扇形のターゲットを備える構成であるので、バッファ部４２における伝熱面積を容易に拡大することができる。また、バッファ部４２の幅方向の両側に形成された側部４２ｃを、収容部４１から離れるほど幅方向の外側に傾斜する斜辺とすることで、バッファ部４２の加工を容易として、バッファ部４２における伝熱面積を拡大することができる。本発明のターゲット容器では、バッファ部４２の形状を扇形とすることで、複雑な加工をせずにバッファ部４２の冷却面積を最大限とし、冷却能力の向上を図っている。また、バッファ部４２は、幅方向の両側に斜辺（４２ｃ）を有する構成であるため、バッファ部４２で凝縮した液体ターゲットが斜辺に沿って流れて収容部４１に戻ることになる。これにより、凝縮した液体ターゲットを効率良く収容部４１に復帰させることが可能となり、冷却能力の更なる向上が図られている。

図４（Ａ）は、ターゲット容器内の圧力を示すグラフであり、左側に示す棒グラフは、従来のターゲット容器における内圧Ｐ_０を示し、右側に示す棒グラフは、本発明のターゲット容器における内圧Ｐ_１を示している。内圧Ｐ_０，Ｐ_１は、照射されたビームによる入熱量を等しくした場合の測定値である。図４（Ａ）に示すように、従来のターゲット容器の内圧Ｐ_０は、約２．６ＭＰａであり、本発明のターゲット容器の内圧Ｐ_１は、約２．２ＭＰａであった。本発明のターゲット容器によれば、従来と比較して容器内の圧力を低下させることができる。

図４（Ｂ）は、ターゲット装置による放射性同位元素（ＲＩ）の製造量を示すグラフであり、左側に示す棒グラフは、従来のターゲット装置におけるＲＩ製造量Ｍ_０を示し、右側に示す棒グラフは、本発明のターゲット容器におけるＲＩ性増量Ｍ_１を示している。ＲＩ製造量Ｍ_０，Ｍ_１は、ターゲット容器の内圧を等しくした場合の測定値である。図４（Ｂ）に示すように、従来のターゲット容器によるＲＩ製造量Ｍ_０は、約４０ＧＢｑであり、本発明のターゲット容器によるＲＩ製造量Ｍ_１は、約５１ＧＢｑであった。本発明のターゲット容器によれば、従来と比較してＲＩ製造量を増加させることができる。

また、本実施形態のターゲット装置では、冷却能力が向上され、ターゲット容器４０内の圧力上昇が抑制されるので、装置の信頼性を向上させることができる。例えば、従来と同程度の内部圧力となるようにビーム照射を行った場合には、ビームの照射量を増加させることができるので、放射性同位電素の製造量を増加させることができる。

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。上記実施形態では、バッファ部が扇形に形成されているが、バッファ部の形状は、例えば三角形、台形などその他の形状でもよい。また、例えば、バッファ部にフィンを設けることで、伝熱面積を増加させてもよい。

また、バッファ部４２は、その側部４２ｃに斜辺が形成されていない構成であってもよい。例えば、上下方向に直線状に形成された部分を有する側部や、曲線状に形成された側部を備えるバッファ部４２でもよい。バッファ部は、収容部に近い第１の幅部よりも収容部から遠い第２の幅部の方が大きい構成であればよい。

１０…ターゲット装置、４０…ターゲット容器（ターゲット）、４１…収容部、４１ａ…第１伝熱部、４２…バッファ部、４２ａ…第２伝熱部、４２ｃ…側部（斜辺）、５０…冷却機構、Ｗ_１…第１の幅部、Ｗ_２…第２の幅部、Ｘ…ビーム照射方向。

Claims (6)

1. ターゲット液体を収容する収容部と、
   前記収容部に連通し前記ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部と、を備え、
   前記バッファ部は、前記収容部に近い第１の幅部よりも前記収容部から遠い第２の幅部の方が大きいことを特徴とするターゲット。
2. 前記バッファ部の側部には、前記収容部から遠い方が、前記収容部から近い方よりも、幅方向の外側へ傾斜する斜辺が形成されていることを特徴とする請求項１記載のターゲット。
3. 前記バッファ部は、正面視において扇形に形成されていることを特徴とする請求項２記載のターゲット。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のターゲットと、
   前記収容部及び前記バッファ部を冷却する冷却機構と、を備えることを特徴とするターゲット装置。
5. ターゲット液体を収容する収容部と、
   前記収容部に連通しターゲット液体から蒸発した蒸気を収容するバッファ部と、
   前記収容部の熱を伝熱する第１伝熱部と、
   前記バッファ部の熱を伝熱する第２伝熱部と、を備え、
   前記第２伝熱部の伝熱面積は、前記第１伝熱部の伝熱面積よりも大きいことを特徴とするターゲット。
6. 請求項５に記載のターゲットと、
   前記第１伝熱部及び前記第２伝熱部を冷却する冷却機構と、を備えることを特徴とするターゲット装置。

Images