JP2014153196A - １１ｃまたは１０ｃを含む気体化合物を生成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高純度・高効率に^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法および装置を提供すること。
【解決手段】本発明の^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法は、真空チェンバー内にホウ素化合物の固体ターゲットを設置するステップと、真空チェンバー内を真空にするステップと、固体ターゲットにプロトンを照射するステップとを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法および装置に関する。

重粒子線治療における照射野検証のために、シンクロトロン加速器で加速した陽電子放出核イオンである^１１Ｃイオンビームまたは^１０Ｃイオンビームを治療に用いる技術の確立が期待されている。本発明者らは、^１１ＣＨ_４ガスをイオン源へ供給し、^１１Ｃイオンの生成をイオン源で行い、生成された^１１Ｃイオンを加速し照射する方法を提案してきた。^１１Ｃイオンまたは^１０ＣイオンをＥＣＲ型やＥＢＩＳ型のイオン源にて生成し、後段のシンクロトロンで加速・治療供給するためには、高純度の^１０ＣＨ_４分子または^１１ＣＨ_４分子を一度の治療の毎に１０^１２〜１０^１３個程度（０．１〜１Ｃｉ）イオン源に供給しなければならない。

また、従来、ＰＥＴ診断のための放射性核種生成法として、Ｈ_２ガスを添加した１５気圧のＮ_２ガスをターゲットとし、^１４Ｎ（ｐ，α）^１１Ｃ反応を利用した^１１ＣＨ_４生成法が用いられている。この方法では、２０分のプロトン照射によりおおよそ１０^１３個の^１１ＣＨ_４分子（〜１Ｃｉ）を生成することが可能である。この数は要求量を十分満たしているが、ＥＳＩＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｔｒｉｎｇ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ）型イオン源へ供給する際に不純物が問題となる。不純物のうち最も数多く含まれるのはターゲットガスであるＮ_２分子であり、その数は１０^２１個程度にも達し、不純物から^１１ＣＨ_４分子を十分に分離することは難しい。しかし、ＥＳＩＳ型イオン源にとって、供給される不純物の分子数は、^１１ＣＨ_４の数に比べて十分に少なくなければならない。

また、特許文献１〜３には、放射性同位元素^１１Ｃを製造するために、ホウ素の粉末またはホウ素を含む化合物を使用すること等が開示されている。しかし、いずれも高純度・高効率に^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成するものではない。

特開２００７−１７０８９０号公報 特開２００６−２４４８６３号公報 特開２０１２−１０３２６０号公報

そこで、本発明は、高純度・高効率に^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法において、本方法は、真空チェンバー内にホウ素化合物の固体ターゲットを設置するステップと、真空チェンバー内を真空にするステップと、固体ターゲットにプロトンを照射するステップとを含む。

本発明の別の実施形態では、ホウ素化合物は、水素化ホウ素化合物であり、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物は、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子である。

また、本発明の別の実施形態では、水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される。

また、本発明の別の実施形態では、生成された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を真空チェンバー内の他の気体から分離するステップをさらに含む。

また、本発明の別の実施形態では、分離するステップは、気体分子の蒸気圧の温度依存性を利用する。

また、本発明の別の実施形態では、分離するステップは、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の低い気体を第１の低温トラップに凝縮させるステップと、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を第２の低温トラップに凝縮させるステップと、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の高い気体を真空チェンバーから排出するステップと、第２の低温トラップの温度を上昇させて、第２の低温トラップに凝縮された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を気化させて、真空チェンバーから取り出すステップとを含む。

さらに、本発明は、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する装置であって、本装置は、真空チェンバーと、真空チェンバーの中に設置されたホウ素化合物の固体ターゲットと、固体ターゲットにプロトンを照射するプロトン照射手段とを含む。

また、本発明の別の実施形態では、ホウ素化合物は、水素化ホウ素化合物であり、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物は、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子である。

また、本発明の別の実施形態では、水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される。

また、本発明の別の実施形態では、本装置が、生成された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を真空チェンバー内の他の気体から分離する分離手段をさらに含む。

また、本発明の別の実施形態では、分離手段は、気体分子の蒸気圧の温度依存性を利用する。

また、本発明の別の実施形態では、分離手段は、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の低い気体を凝縮させる第１の低温トラップと、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を凝縮させる第２の低温トラップと、^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の高い気体を真空チェンバーから排出する排出手段と、第１の低温トラップおよび第２の低温トラップの温度を制御する温度制御手段とを含み、温度制御手段が、第２の低温トラップの温度を上昇させることによって、第２の低温トラップに凝縮された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物が気化され、真空チェンバーから取り出される。

さらに、本発明は、水素化ホウ素化合物の固体ターゲットにプロトンを照射し、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子を生成する方法を提供する。

また、本発明の別の実施形態では、水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される。

Ｔｈｉｃｋ Ｔａｒｇｅｔ照射による^１１Ｃの分布（ＮａＢＨ_４および元素状ホウ素）を示す図である。 ^１１ＣＨ_４生成評価に関する実験装置系を示す図である。 本発明の一実施形態による^１１ＣＨ_４生成／濃縮装置の概略図である。 蒸気圧曲線を示す図である。

まず、本発明では、本発明のターゲット材料の１つとしてＮａＢＨ_４が適しているということを突き止めた。以下に、ターゲット材料選定のために行った実験を示す。

本発明では、ターゲットガスが大量に残留することを防ぐため、ターゲット物質として固体を選択した。ビーム照射によって生成された^１１Ｃ原子を固体ターゲット中から効率的に取り出すためには、気体分子として取り出すことが望ましい。とくに、ＥＳＩＳイオン源への供給を考慮すると、ＣＨ_４ガスが好ましい。このような観点から、水素が豊富に含まれる水素化ホウ素化合物をターゲットに採用し、照射と同時に^１１ＣＨ_４が得られる手法を検討した。

この場合、プロトン照射により^１１Ｂ（ｐ，ｎ）^１１Ｃ反応を利用して^１１Ｃを生成する。図１に、水素化ホウ素化合物であるＮａＢＨ_４ターゲットにプロトン照射（１８ＭｅＶ、１０μＡ、２０分）した場合に生成される放射能分布の計算結果を示す。ＮａＢＨ_４を用いた場合に生成された^１１Ｃ（０．７Ｃｉ，４．４×１０^１３個）は、元素状ホウ素を用いた場合（２．７Ｃｉ）に比べると１／４程度の量であるが、目標値である１０^１２個を十分に得られることが確認できる。

ＮａＢＨ_４ターゲットを利用した^１１ＣＨ_４生成評価に関する基礎的な実験は図２に示した装置系で行った。ターゲットボックス１内には、結晶粉末状のＮａＢＨ_４を１ｇ封入し（Ｔｈｉｃｋ ｔａｒｇｅｔ）、１８ＭｅＶのプロトンビーム３を照射した。^１１Ｃ原子のメタン化について、ターゲット中に存在する水素原子の寄与を見るためにキャリアガス５としてＨ_２ガスではなくＨｅガスを用いた。キャリアガスに含まれるターゲットからの揮発性分のうち、二酸化炭素はアスカライト（ＮａＯＨ）７に吸着させた。プロトン照射中は、アスカライト７のカラムをドーズキャリブレータ（Ｄｏｓｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）９内に置くことで、^１１ＣＯ_２の放射能をモニタした。中に液体窒素を含むコールドトラップ１１に収集された^１１ＣＨ_４の放射能測定は、２あるいは３半減期後にドーズキャリブレータを用いて行った。最終的にキャリアガスは、バッファタンク１３に回収される。

表１にＮａＢＨ_４をターゲット物質に用いた際の放射能の分布を示す。比較のため、元素状ホウ素をターゲットとして行った放射能測定結果も記している。元素状ホウ素を用いた場合には、取り出し効率が０．２％、回収された^１１ＣＨ_４の放射能が３ｍＣｉであり、^１１ＣＨ_４としての放射能の収量は非常に低く、殆どの^１１Ｃは固体ターゲット中に残留した。一方で、ＮａＢＨ_４ターゲットを用いた場合には、全体の放射能の約３０％を^１１ＣＨ_４として取り出すことが出来た（約７０％はターゲット内に残留）。また、^１１ＣＨ_４の数も５×１０^１２個（７７ｍＣｉ）に達し、目標値を達成することが出来た。これらの結果から、^１１ＣＨ_４の生成方法として、ＮａＢＨ_４をターゲットとすることが有効であることが確認された。

このような高い取り出し効率（高効率）が達成されるのは、ＮａＢＨ_４は豊富に水素原子を含んでいるためと考えられる。ＮａＢＨ_４のＢ原子は、プロトン照射されることで^１１Ｂ（ｐ，ｎ）^１１Ｃの反応により^１１Ｃへと変化する。発生した^１１Ｃ原子はホットアトムとしてターゲット中を減速しながら運動し、停止寸前において周囲に多く存在する水素原子と結合することで、^１１ＣＨ_４へと変化する。この^１１ＣＨ_４は気体であり固体内部から気化できるため、高い取り出し効率につながると考えられる。この現象は、ＮａＢＨ_４だけでなく、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４等、他の水素化ホウ素化合物をターゲットとして用いた場合においても生じると考えられる。

以上の通り、ＮａＢＨ_４の固体ターゲットを使用することにより高効率に^１１ＣＨ_４を取り出せることを示したが、ホウ素と水素を含有する任意の水素化ホウ素化合物、例えば、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４をターゲットとして使用して^１１ＣＨ_４を取り出すことも有効である。さらに、ホウ素と酸素を含有する任意の酸化ホウ素化合物の固体ターゲットを使用して^１１ＣＯ_２を取り出すことも有効である。同様に、他の任意のホウ素化合物をターゲットして使用することも可能である。

また、表２に^１１ＣＨ_４として得られた放射能のビーム電流依存性を示す。ビーム電流の増加と共に、単位電流当りの放射能（Ａ／Ｉ_Ｂ）の値が低下していることが分かる。この原因の一つとして、過熱によるＮａＢＨ_４の変形や分解が挙げられる。このダメージを防ぐ為には、ビーム電流の低密度化や冷却の強化が有効である。

次に、上記の水素化ホウ素化合物を用いた^１１ＣＨ_４の生成プロセスを利用して、^１１ＣＨ_４生成／濃縮装置を発明した。図３は、本発明装置の概略図である。本発明装置は、真空チェンバー２１と、真空チェンバーの中に設置されたホウ素化合物の固体ターゲット２２と、固体ターゲットにプロトンを照射するプロトン照射手段とを含む。

真空チェンバー２１の内部体積は、１０００ｃｃ程度にされており、真空ポンプにより１０^−４Ｐａ程度にまで真空引きにされる。表３は、３００Ｋにおいて、Ｐ＝１．３３×１０^−４Ｐａにまで真空引きした１０００ｃｃの真空チェンバー内に残留する空気由来のガスの粒子数を示す。表３に示されている通り、真空チェンバー内に残留するガスの粒子数は、窒素分子が１０^１３個程度、酸素分子が１０^１２個程度、アルゴン分子が１０^１１個程度、二酸化炭素分子が１０^１０個程度である。

固体ターゲット２２であるＮａＢＨ_４粉末は、真空チェンバー２１内のターゲット台３２の上に設置されている。このターゲット台３２は、熱伝導率の低いロッド３６を介して真空チェンバー本体の底面に設置されている。これは、ターゲット台３２で発生する熱の真空チェンバー２１の壁面への熱伝導を低減するためである。また、ターゲット台３２は、外部から供給される冷却水により冷却される。これによって、ＮａＢＨ_４粉末を冷却し、熱による分解（４００〜５００℃で生じる）を防止する。また、ＮａＢＨ_４粉末の温度は、温度センサーで監視することが可能である。

本発明装置は、プロトンビームの入射口（真空窓）２３を含み、ターゲット台３２上のＮａＢＨ_４粉末はここから入射したプロトンビーム２８によって照射される。１０μＡ程度、２０ＭｅＶ程度のプロトンビームを２０分程度の照射することにより、１０^１２〜１０^１３個程度の^１１ＣＨ_４分子が発生し、ＮａＢＨ_４粉末から気化する。さらに、Ｈ_２ガスおよびＢ_２Ｈ_６等のＮａＢＨ_４の分解生成ガスも発生する。真空チェンバー２１の内部は、熱運動する１０^１３個程度の残留ガス分子と１０^１２〜１０^１３個程度の^１１ＣＨ_４ガス分子等とで満たされる。

したがって、本発明によれば、真空チェンバー内のガス中の^１１ＣＨ_４の比率が、従来のキャリアガスを使用する生成方法と比べて極めて高い。したがって、^１１ＣＨ_４をさらに濃縮することが、比較的容易であり、後段のイオン源に供給可能な高純度の^１１ＣＨ_４の生成が実現される。

放射性核種生成に関する当技術分野では、発生した放射性ガスを輸送する必要があるために、キャリアガスを流さなければならないということが常識であった。したがって、本発明のように真空条件下で放射性核種を生成するという技術思想は存在しなかった。本発明は、この従来常識に反して、真空条件下で、固体ターゲットから放射性核種を発生させる。これによって、より高純度の^１１ＣＨ_４の生成を実現している。

本発明装置は、真空チェンバー内に満たされた^１１ＣＨ_４を真空チェンバー内の他の気体から分離する分離手段をさらに含むことが可能である。本実施形態においては、気体分子の蒸気圧の温度依存性を利用して分離するが、当業者にとって既知の他の任意の分離手段を利用することも可能である。

図４に、真空チェンバー内に存在するガスの蒸気圧曲線を示す。各々の曲線にて、圧力を一定に保ちつつ温度を低下させたとき、曲線の右側は気体、左側は固体となる。本実施形態では、この基本性質を利用して不純物分子の分離を行う。

本実施形態において、分離手段は、^１１ＣＨ_４よりも蒸気圧の低い気体を凝縮させる第１の低温トラップ２４、２５と、^１１ＣＨ_４を凝縮させる第２の低温トラップ２６と、^１１ＣＨ_４よりも蒸気圧の高い気体を真空チェンバーから排出する排出手段と、第１の低温トラップ２４、２５および第２の低温トラップ２６の温度を制御する温度制御手段３３とを含む。

第２の低温トラップ２６は、^１１ＣＨ_４を凝縮させるために２０〜５０Ｋ程度に冷却される。また、第１の低温トラップ２４、２５は、^１１ＣＨ_４よりも蒸気圧の低い気体を凝縮させるために５０〜１５０Ｋ程度に冷却される。また、第１の低温トラップ２４、２５の別の役割は、輻射シールドであり、ターゲット台３２で発生する熱の輻射熱が第２の低温トラップ２６に流入することを防ぐことによって、第２の低温トラップ２６を効率よく冷却する。また、ターゲット台３２で発生する熱の輻射熱が第２の低温トラップ２６に直接流入することを防ぐために、真空チェンバー２１の形状は屈曲されている。

これら第１の低温トラップ２４、２５、第２の低温トラップ２６の冷却には、クライオクーラー（冷凍機）や各種液化ガスを用いることが可能である。本実施形態では、第１の低温トラップ２４、２５および第２の低温トラップ２６の温度は、クライオクーラー３３によって温度制御される。第１の低温トラップ２４、２５は、第２の低温トラップ２６よりも高い温度に設定され、^１１ＣＨ_４分子よりも蒸気圧の低い気体（ＣＯ_２、またはＮａＢＨ_４の分解生成物であるＢ_２Ｈ_６等）を凝縮および吸着させるようになっている。第２の低温トラップ２６は、第１の低温トラップ２４、２５で吸着されなかった^１１ＣＨ_４が凝縮および吸着されるように温度設定される。^１１ＣＨ_４よりも蒸気圧の高い分子（Ｎ_２、Ａｒ、Ｏ_２、ＮａＢＨ_４の分解生成物であるＨ_２）は、第１の低温トラップ２４、２５および第２の低温トラップ２６のいずれにも吸着されることなく、排出手段によって排出口２７を介して真空チェンバー２１から排出される。本実施形態では、排出手段としてターボ分子ポンプが使用されるが、任意の排出手段が使用可能である。

第１の低温トラップ２４、２５および第２の低温トラップ２６は、温度設定のために、温度センサーとヒーターが備わっている。ヒーターは、温度センサーからの情報を用いて正確に温度制御される。第１の低温トラップ２４、２５および第２の低温トラップ２６の温度制御により、不純物ガスの混じった混合ガスから高純度の^１１ＣＨ_４を分離することが可能である。

十分に分離が完了した後、バルブ２９、３０が閉じられ、第２の低温トラップ２６の周囲が、真空チェンバー２１内の空間３５として隔離される。その後、第２の低温トラップ２６はヒーターにより加熱され、吸着された^１１ＣＨ_４を再度気化させる。この状態でバルブ１１を開き、空間３５の外へ^１１ＣＨ_４を取り出す。取り出された^１１ＣＨ_４は、フランジ３４を介して、イオン源等の装置に輸送される。

このような構成とすることにより、本発明装置は、従来のキャリアガスを使用する^１１ＣＨ_４ガス生成装置よりも短時間で高純度の^１１ＣＨ_４ガスの生成が可能である。^１１Ｃは、半減期が約２０分と短いので、生成時間が短いということも、^１１ＣＨ_４ガスを高純度・高効率に得るという効果に寄与している。

上記実施形態では、ＮａＢＨ_４を固体ターゲットとした場合について記載してきたが、本発明装置は、同様の原理により、他の任意のホウ素化合物、例えば、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｂ_２Ｏ_３、ＢＮなどをターゲットとすることも可能である。

以上の説明では、固体ＮａＢＨ_４をターゲットとして、^１１ＣＨ_４を生成することについて記載してきたが、天然のＢは、約２０％の^１０Ｂと約８０％の^１１Ｂとで構成されているので、本発明により同時に^１０ＣＨ_４も生成されている。したがって、本発明により、^１１ＣＨ_４に加えて、^１０ＣＨ_４も高純度・高効率に生成されることに留意されたい。

１ ターゲットボックス
３ プロトンビーム
５ キャリアガス
７ アスカライト
９ ドーズキャリブレータ
１１ コールドトラップ
１３ バッファタンク
２１ 真空チェンバー
２２ ターゲット
２３ 入射口
２４ 第１の低温トラップ
２５ 第１の低温トラップ
２６ 第２の低温トラップ
２７ 排出口
２８ プロトンビーム
２９ バルブ
３０ バルブ
３１ バルブ
３２ ターゲット台
３３ 温度制御手段
３４ フランジ
３５ 空間
３６ ロッド

Claims (14)

1. ^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する方法において、前記方法は、
   真空チェンバー内にホウ素化合物の固体ターゲットを設置するステップと、
   前記真空チェンバー内を真空にするステップと、
   前記固体ターゲットにプロトンを照射するステップとを含む方法。
2. 前記ホウ素化合物は、水素化ホウ素化合物であり、前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物は、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子である、請求項１に記載された方法。
3. 前記水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される、請求項２に記載された方法。
4. 生成された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を前記真空チェンバー内の他の気体から分離するステップをさらに含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された方法。
5. 前記分離するステップは、気体分子の蒸気圧の温度依存性を利用する、請求項４に記載された方法。
6. 前記分離するステップは、
   前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の低い気体を第１の低温トラップに凝縮させるステップと、
   前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を第２の低温トラップに凝縮させるステップと、
   前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の高い気体を前記真空チェンバーから排出するステップと、
   前記第２の低温トラップの温度を上昇させて、前記第２の低温トラップに凝縮された前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を気化させて、前記真空チェンバーから取り出すステップとを含む、請求項５に記載された方法。
7. ^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を生成する装置であって、前記装置は、
   真空チェンバーと、
   前記真空チェンバーの中に設置されたホウ素化合物の固体ターゲットと、
   前記固体ターゲットにプロトンを照射するプロトン照射手段とを含む、装置。
8. 前記ホウ素化合物は、水素化ホウ素化合物であり、前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物は、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子である、請求項７に記載された装置。
9. 前記水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される、請求項８に記載された装置。
10. 前記装置が、生成された^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を前記真空チェンバー内の他の気体から分離する分離手段をさらに含む、請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載された装置。
11. 前記分離手段は、気体分子の蒸気圧の温度依存性を利用する、請求項１０に記載された装置。
12. 前記分離手段は、
    前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の低い気体を凝縮させる第１の低温トラップと、
    前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物を凝縮させる第２の低温トラップと、
    前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物よりも蒸気圧の高い気体を前記真空チェンバーから排出する排出手段と、
    前記第１の低温トラップおよび前記第２の低温トラップの温度を制御する温度制御手段とを含み、
    前記温度制御手段が、前記第２の低温トラップの温度を上昇させることによって、前記第２の低温トラップに凝縮された前記^１１Ｃまたは^１０Ｃを含む気体化合物が気化され、前記真空チェンバーから取り出される、請求項１１に記載された装置。
13. 水素化ホウ素化合物の固体ターゲットにプロトンを照射し、^１１ＣＨ_４分子または^１０ＣＨ_４分子を生成する方法。
14. 前記水素化ホウ素化合物は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４からなる群から選択される、請求項１３に記載された装置。