JP2017514137A - モリブデンに粒子ビームを照射するためのターゲット系 - Google Patents

Abstract

モリブデンに加速器からの荷電粒子を照射することでテクネチウム及びモリブデン放射性同位体を生成するためターゲット系。このターゲット系は、ろう付け合金でバッキング材料にろう付けされたモリブデン−１００材料を備える。このバッキング材料は好ましくは分散強化型銅複合材を含む。このろう付け合金は銅及びリンを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、サイクロトロンで例示される粒子加速器を用いてテクネチウム−９９ｍ及びモリブデン−９９をモリブデン−１００から生成することに関する。特に、本開示は、モリブデンに荷電粒子を照射することでテクネチウム及びモリブデン放射性同位体を生成するためのターゲット系に関する。

テクネチウム−９９ｍ（Ｔｃ−９９ｍ）は、核医学診断技術で広く使用されている放射性同位体である。テクネチウム−９９ｍは１４０ｋｅＶのガンマ線を放射し且つ約６時間の半減期で崩壊する。一般的な診断手順では、適切なトレーサー分子をＴｃ−９９ｍで標識し、放射性医薬品を患者の体内に注入し、放射線機器で撮像する。

現在、Ｔｃ−９９ｍは、モリブデン−９９／テクネチウム−９９ｍジェネレータの形態で供給される。親同位体モリブデン−９９（Ｍｏ−９９）は原子炉で生成される。Ｍｏ−９９は、医療施設へのその世界的な流通を可能にする６６時間の半減期を有する。Ｍｏ−９９／Ｔｃ−９９ｍジェネレータではカラムクロマトグラフィを用いてＴｃ−９９ｍをＭｏ−９９から分離する。Ｍｏ−９９をモリブデン酸塩：ＭｏＯ₄ ^2-の形態で酸性アルミナカラムに装填する。Ｍｏ−９９が崩壊するにつれて過テクネチウム酸塩：ＴｃＯ₄ ^-が生成され、生理食塩水でジェネレータのカラムから過テクネチウム酸ナトリウムとして選択的に溶出させることができる。次に、過テクネチウム酸ナトリウムを含有する溶液を典型的には放射化学「キット」に加えることで臓器特異性放射医薬品を生成する。

世界に流通しているＭｏ−９９を製造している幾つかの原子炉は間もなくその寿命を迎える。主要な施設の一部、例えばカナダのオンタリオ州にあるＣｈａｌｋ Ｒｉｖｅｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓの原子炉及びオランダにあるＰｅｔｔｅｒｎ原子炉には実質的な稼働停止期間があり、これは医療用途向けのＭｏ−９９の世界規模での不足を引き起こした。Ｍｏ−９９の確実で長期的な供給に関しては大きな懸念が残る。

少量の放射性同位体は、研究用だけならば、加速器で発生させた加速粒子のビームを用いてＭｏ−１００ターゲットと相互作用させることで生成することができ、加速粒子のビームは核変換を引き起こし、Ｍｏ−１００はＭｏ−９９に変化する。しかしながら、そのような系の拡張性は多数の問題により制限される。例えば、ターゲット材料が加速粒子を吸収すると同時に熱エネルギーが発生し、この熱エネルギーを散逸させてターゲット系及び系のコンポーネントへの損傷を回避する必要がある。一部の小規模な系では水冷を用いてターゲットから熱負荷を取り除き得て、したがって、ターゲット材料を収容しているターゲットアセンブリを高熱伝導率を有する材料から構築することで、加速粒子でのボンバード中の熱散逸を最大化し得る。銀及び銅は、小規模ターゲットアセンブリの作製に使用し得る。しかしながら、長時間にわたって上昇した温度に曝されると、銀も銅も１００℃の低温でアニールされてしまう。更に、これらの化合物は、５００℃より高い温度で急速且つ完全にアニールされる。そのようなアニールは、ターゲットアセンブリ及びアセンブリに収容されたターゲットを水冷の機械的応力に耐えられないものにしてしまう。加えて、ターゲット材料それ自体が、加速粒子でのボンバード中の熱応力により変形し得る。

本開示の例示的な実施形態は、モリブデン金属からテクネチウム及びモリブデン放射性同位体、例えばＴｃ−９９ｍ及びＭｏ−９９をモリブデン−１００（Ｍｏ−１００）からサイクロトン等の加速器からの粒子の照射により生成するためのターゲット系に関する。

本明細書に記載の図面は選択した実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示の範囲を限定するためのものではない。

本明細書で開示の例示的なＭｏ−１００ターゲットアセンブリの３つのコンポーネントの斜視図である。 図１に示すコンポーネントのうち２つを組み立てたものを示す斜視図である。 コンポーネントを所定の位置に保持するタンタル製おもりと共に組み立てた、図１に示す３つのコンポーネントの斜視図である。 組み立てた例示的なＭｏ−１００ターゲットアセンブリの側面図である。 組み立てた例示的なＭｏ−１００ターゲットアセンブリの上面図である。 組み立てた例示的なＭｏ−１００ターゲットアセンブリの斜視図である。

本開示の幾つかの例示的な実施形態は、加速粒子でのボンバードのためのＭｏ−１００ターゲットを収容するためのターゲットホルダと、ターゲットホルダと係合したボンバードターゲットとを備えるターゲットアセンブリに関する。

幾つかの例示的な実施形態は、加速粒子でのボンバードのためのターゲットアセンブリを組立てる及び用意する方法に関する。

工程で昇温を必要とするならば、概して、金属モリブデンターゲットの用意を不活性雰囲気下で行う必要があるが、これはモリブデンは４００℃より高い温度まで熱せられると急速に酸素と反応するからである。不活性雰囲気の代わりに、アルゴン中の水素で例示される還元ガス混合物を適用することでモリブデンを酸化から保護し且つターゲット材料に含まれるモリブデン酸化物をモリブデン金属に還元し得る。

モリブデン等の耐火金属の他の材料への接合には典型的には複雑な多段階工程が伴う。そのような金属のはんだ付け又はろう付けは通常、接合する面の広範囲にわたる前処理（脱脂、サンダー仕上げ、化学エッチング、適切な金属でのプレコーティング）及び強力な、場合によっては毒性のあるフラックス材料の適用を必要とする。Ｍｏ−１００のはんだ付け又はろう付けは、酸素排除下でのみ成し遂げることができる。

本開示の例示的な実施形態は、高熱伝導率及び高機械的強度のバッキング材料に炉内ろう付けする金属Ｍｏ−１００体から成るターゲット系を製造するための工程に関する。これらの工程は概して、
（１）ある量のモリブデン粉末に機械的装置を用いてプレス加工を施すことで、所望の厚さ及びサイズを有する圧縮Ｍｏ−１００プレートを形成し、
（２）圧縮Ｍｏ−１００プレートを不活性又は還元雰囲気中で約２〜約２０時間にわたって約１３００〜約２１００℃の範囲の温度で焼結し、
（３）焼結したプレートを炉内で真空下又は不活性若しくは還元雰囲気下、約５００〜約１０００℃の範囲の温度で、ＧＬＩＤＣＯＰ金属マトリックス複合合金（ＧＬＩＤＣＯＰは米国ペンシルバニア州ホールソップルにあるＮｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｈｏｇａｎａｓ Ｈｉｇｈ Ａｌｌｏｙｓ ＬＬＣの登録商標である）で例示される分散強化型銅複合材料から形成されるバッキングへと、高機械的強度、高熱伝導率及び高延性の結合を焼結Ｍｏ−１００プレートとバッキング材料との間に形成するのに適したろう材（ｂｒａｚｉｎｇ ｆｉｌｌｅｒ）を用いてろう付けする
ステップを含み得る。

本明細書で開示の例示的な実施形態を、ＧＥ ＰＥＴＴＲＡＣＥ（ＰＥＴＴＲＡＣＥは、米国ＮＹ州スケネクタディにあるＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｃｏｒｐ．の登録商標である）で例示されるサイクロトロン等の小型医療用サイクロトロンにおけるモリブデンターゲットへの１６．５ＭｅＶの陽子、例えば最高１３０μＡのビーム電流の照射によるＴｃ−９９ｍの生成のための固形モリブデンターゲットの製造について説明する。ＰＥＴＴＲＡＣＥ（登録商標）サイクロトロンと使用するための適切なターゲットアセンブリは、外径約３０ｍｍ及び厚さ約１．３ｍｍを有する例示的なターゲットホルダを備え得る。この例示的なターゲットホルダには、直径約２０ｍｍ及び深さ約０．７ｍｍの凹部が設けられる。直径約１８．５〜約１９．５ｍｍ及び厚さ約０．６ｍｍを有する焼結Ｍｏ−１００ディスクをこの例示的なターゲットホルダの凹部に収容し、ろう付けによりターゲットホルダにしっかりと係合させる。

焼結Ｍｏ−１００ターゲットを収容した例示的なターゲットアセンブリを製造するための例示的な方法の第１ステップは、Ｍｏ−１００ターゲットディスクの作製に関係する。選択した量の市販のＭｏ−１００粉末を、円筒形金型／ダイセット（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｄｉｅ ｓｅｔ）を使用して円筒形ディスク型枠に移す。次に、Ｍｏ−１００粉末が中に入っている円筒形金型／ダイセットに液圧プレスで圧力を印加することでＭｏ−１００粉末を圧縮成形ディスクにプレスする。圧縮成形Ｍｏ−１００ディスクをダイから外し、更に加工するためにセラミック容器に移す。

例えば、直径２０ｍｍの圧縮成形Ｍｏ−１００ディスクは焼入鋼製の円筒形金型／ダイセットを用いて用意することができ、このセットは、（１）直径２０ｍｍのスペーサーペレットを受け入れて位置決めするための凹部を備え且つ直径２０ｍｍの内腔を有する円筒形スリーブを受け入れ且つ着脱自在に係合するように構成されたベースと、（２）円筒形スリーブと、（３）少なくとも２つの直径２０ｍｍのスペーサーペレットとを備える。適切な円筒形金型／ダイセットは、Ａｃｃｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（米国ニュージャージー州リビングストン）の直径２０ｍｍＩＤ乾式プレスダイセットで例示される。少量のＶａｓｅｌｉｎｅ潤滑剤を２つのスペーサーペレットの上面、下面及び側面に広げる。一方のスペーサーペレットをベースの凹部に入れ、次に円筒形スリーブをスペーサーペレットの上にかぶせ、次にベースと係合させる。次に、適切な量の事前に計量済みの濃縮Ｍｏ−１００粉末を円筒形スリーブ内の空洞部に注ぎ入れ、所定の位置に詰める。直径２０ｍｍのＭｏ−１００ディスクを用意するための適切な量のＭｏ−１００粉末は約１．６ｇである。０．３〜３．０ｇの範囲、例えば０．３ｇ、０．５ｇ、０．７５ｇ、１．０ｇ、１．２５ｇ、１．５ｇ、１．７５ｇ、２．０ｇ、２．２５ｇ、２．５ｇ、２．７５ｇ、３ｇの量も適している。次に、第２スペーサーペレットを円筒形スリーブ内の空洞部に、Ｍｏ−１００粉末の最上部に達するまで挿入する。次に、金型／ダイセットと共に用意し得るピストンをスリーブの空洞部に挿入し、第２スペーサーペレットの最上部と係合させ、次にピストンに手で圧力を印加することでＭｏ−１００粉末を２つのスペーサーペレットで挟む。次に、組み立てた円筒形金型／ダイセットをペレットプレス又は液圧プレス又は機械プレス等に移す。適切なペレットプレスは、Ａｃｃｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから入手可能な、液圧ポンプを搭載した４０トンラボラトリペレットプレスで例示される。組み立てた円筒形金型／ダイセットをペレットプレスに取り付けた後、選択した圧力を金型／ダイセットに約３０秒間にわたって印加する。適切な圧力は約１３６０8ｋｇ（３００００ｌｂｓ）である。約９０７ｋｇ（２０００ｌｂｓ）〜約４５３５９ｋｇ（１０００００ｌｂｓ）の範囲、例えば約９０７ｋｇ（２０００ｌｂｓ）、約２２６８ｋｇ（５０００ｌｂｓ）、約４５３６ｋｇ（１００００ｌｂｓ）、約６８０４ｋｇ（１５０００ｌｂｓ）、約９０７２ｋｇ（２００００ｌｂｓ）、約１１３４０ｋｇ（２５０００ｌｂｓ）、約１３６０８ｋｇ（３００００ｌｂｓ）、約１５８７６ｋｇ（３５０００ｌｂｓ）、約１８１４４ｋｇ（４００００ｌｂｓ）、約２０４１２ｋｇ（４５０００ｌｂｓ）、約２２６８０ｋｇ（５００００ｌｂｓ）、約２９４８４ｋｇ（６５０００ｌｂｓ）、約２７２１６ｋｇ（６００００ｌｂｓ）、約２９４８４ｋｇ（６５０００ｌｂｓ）、約３１７５１ｋｇ（７００００ｌｂｓ）、約３４０１９ｋｇ（７５０００ｌｂｓ）、約３６２８７ｋｇ（８００００ｌｂｓ）、約３８５５５ｋｇ（８５０００ｌｂｓ）、約４０８２３ｋｇ（９００００ｌｂｓ）、約４３０９１ｋｇ（９５０００ｌｂｓ）、約４５３５９ｋｇ（１０００００ｌｂｓ）の圧力も適切である。圧力解放後、円筒形金型／ダイセットをペレットプレスから取り外し、金型／ダイセットを解体し、圧縮Ｍｏ−１００ディスクをコンテナへと外す。

例示的な方法の第２ステップは、圧縮Ｍｏ−１００ディスクを炉内で水素／アルゴン雰囲気（例えば、２％／９８％混合物）下、約１７００℃の温度で５時間にわたって焼結することに関係する。例えば、例示的な工程のステップ１で作製した圧縮Ｍｏ−１００ディスクを、平坦な底面を有するアルミナボートに入れることができる。アルミナ片をおもりとしてアルミナボート内の各圧縮Ｍｏ−１００ディスク上に載せ、次にアルミナボートを炉に入れ、その後、２％／９８％水素／アルゴンガス混合物流を圧力約２ＰＳＩ及び流量約２Ｌ／分で開始させる。次に、温度を周囲温度、例えば２２℃から１３００℃まで５℃／分で上昇させる。次に、温度を１３００℃から１７００℃まで２℃／分で上昇させる。次に、炉を１７００℃で５時間にわたって維持し、その後、１７００℃から１３００℃まで２℃／分で、次に周囲温度まで５℃／分で冷却する。次に、冷却した焼結Ｍｏ−１００ディスクを、加速粒子でのボンバードへの適合性について評価する。平坦で亀裂の兆候を示さない焼結Ｍｏ−１００ディスクだけを、この例示的な方法の第３ステップ用に選択する。

この例示的な方法の第３ステップは、例示的なターゲットアセンブリの用意に関係する。ターゲットホルダ２０（図１、２）を、焼結したプレートにフィットする十分な大きさの凹部を有するＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）ＡＬ−１５で例示される分散強化型銅複合材バッキングから作製する。ＰＥＴＴＲＡＣＥ（登録商標）サイクロトロン用のターゲットホルダ（例えば、図１、２の部材２０）の適切なサイズは外径３０ｍｍ、厚さ約１．３ｍｍであり、直径約２０ｍｍ及び深さ約０．７ｍｍの凹部を有する。ターゲットホルダの凹部を例えば極めて細かいエメリー研磨紙又はスチールウールで粗面処理し、その後、ターゲットホルダを洗浄液で洗浄し、乾燥させ、次にメタノール中に入れ、約５分間にわたって超音波処理し、次に乾燥させる。次に、直径約１２ｍｍを有する適切なろう付け材料片３０をターゲットホルダ２０の凹部に入れる。適切なろう付け材料はＳＩＬ−ＦＯＳ（ＳＩＬ−ＦＯＳは米国ニューヨーク州ホワイトプレーンズにあるＨａｎｄｙ＆Ｈａｒｍａｎ Ｃｏｒｐ．の登録商標である）で例示される銀−銅−リンろう材である。次に、焼結Ｍｏ−１００ディスクをろう付け材料の上に置き、その後、タンタル製ペレットで例示されるおもり５０（図３）を焼結Ｍｏ−１００ディスク上に置くことで、重ねたコンポーネントがろう付け工程中に動くのを防止する。ターゲットアセンブリをろう付け炉でアルゴン／水素雰囲気（例えば、９８％：２％）下、約７５０℃まで加熱し、この温度で１時間維持し、次に室温まで冷却する。

適切なろう材を選択することは、焼結Ｍｏ−１００ディスクをＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）バッキング材料に成功裡に接合するのに特に重要であることに留意すべきである。例えば、米国では商品名Ｍａｔｔｉｐｈｏｓ（カナダ、オンタリオ州ブランプトンのＪｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｌｔｄ．）で販売されている製品ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）は、おおよその組成がＡｇ：２〜１８％、Ｃｕ：７５〜９２％、Ｐ：５〜７．２５％の銀−銅−リン材料群を含み、これらは主に銅及び特定の銅合金のろう付けに使用される。ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）は、ロッド、ストリップ、ワイヤ又は箔として市販されている。ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）は約６４４〜約８００℃の範囲で溶融し、約７００℃の流動点を有する。ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）でろう付けした接合部は延性が高い。純銅に適用すると、リンが自己フラックス能（ｓｅｌｆ−ｆｌｕｘｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）をもたらす。黄銅、青銅及び他の銅合金は別のフラックスを必要とするが、ＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）はＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）だけでろう付けできるため、ろう付け後の清浄化手順が不要となる。ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）タイプのろう材は最初は銅ろう付け用に銅にあわせて開発されたが、モリブデン等の一部の耐火金属にも結合すると判明した。ＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）でろう付けするモリブデン体は箔、プレート、ペレット、圧縮、焼結又は他の自立型構造体として存在し得る。

上述の工程により、Ｍｏ−１００に高出力粒子ビーム、例えばサイクロトロンからの陽子を照射するための例示的なＭｏ−１００ターゲット系１０（図４、５、６）が得られる。この例示的なＭｏ−１００ターゲット系１０は、（ｉ）分散強化型銅複合材を含むバッキング材料２０と、（ｉｉ）自立型焼結Ｍｏ−１００ターゲット材料４０と、（ｉｉｉ）バッキング材料２０とＭｏ−１００ターゲット材料４０との間に挟まれ且つこれらと係合しているろう付け材料３０とを備える。

分散強化型銅複合材をバッキング材料として選択することは、高熱伝導率の他の材料より幾つかの点で有利である。

上記のろう付け工程により、焼結モリブデンプレートはＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）バッキングに信頼性高く接合される。ＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）により均一で機械的に堅固でありつつ延性がある境界面がアセンブリの２つのコンポーネント間にもたらされる。ろう付け接合部のこの延性が、照射条件下でのその耐久性に関して重要な役割を担う。高エネルギー陽子でのボンバード中、入射ビームの大部分はモリブデンに吸収され、これによりモリブデンプレートの温度は大幅に上昇する。モリブデン（４．８μｍ／ｍ・Ｋ）及びＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）（１６．６μｍ／ｍ・Ｋ）の熱膨張係数は大きく異なる。ビームで熱せられたモリブデンと冷却されたＧＬＩＤＣＯＰ（登録商標）バッキングとの間の熱応力作用は延性のＳＩＬ−ＦＯＳ（登録商標）境界層により軽減され、これはモリブデンプレートのバッキングへの付着を損なうことなくアセンブリの機械的安定性に寄与する。

本明細書で開示の例示的な実施形態を、ＰＥＴＴＲＡＣＥ（登録商標）サイクロトロンでの使用との関連で詳述してきたが、当業者ならば、本明細書で開示のターゲットホルダ及び圧縮Ｍｏ−１００ディスクの寸法を変更することで、加速粒子を発生させる他の装置での使用に適したターゲットホルダ及び圧縮Ｍｏ−１００ディスクを作製できることがわかる。

Claims (10)

1. 焼結モリブデン−１００ディスクと、
   前記焼結モリブデン−１００ディスクを受け入れるための平坦な面を有する凹部が設けられたターゲットホルダと、
   前記焼結モリブデン−１００ディスク及び前記ターゲットホルダの凹部の平坦な面に係合するろう付け合金を含む、前記ディスクと前記ホルダとの間の中間層と、
   を含む、モリブデン−１００ターゲットアセンブリ。
2. 前記ターゲットホルダが、分散強化型銅複合材を含む、請求項１に記載のモリブデン−１００ターゲットアセンブリ。
3. 前記ろう付け合金が、銅及びリンを含む、請求項１に記載のモリブデン−１００ターゲットアセンブリ。
4. モリブデン−１００ターゲットアセンブリを作製するための方法であって、以下の工程、
   圧縮モリブデン−１００ディスクを用意する工程、
   前記圧縮モリブデン−１００ディスクを焼結する工程、
   前記焼結モリブデン−１００ディスクを、ターゲットホルダに設けた凹部にろう付けする工程、
   を含む、方法。
5. 前記圧縮モリブデン−１００ディスクを用意する工程が、
   選択した量のモリブデン−１００粉末を円筒形金型／ダイセットに入れる工程、
   前記円筒形金型／ダイセットに選択した圧力を少なくとも３０秒間にわたって印加する工程、
   を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記モリブデン−１００粉末の選択した量が、０．３〜３ｇの範囲から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記モリブデン−１００粉末の選択した量が、１．６ｇである、請求項５に記載の方法。
8. 前記選択した圧力が、約９０７ｋｇ（２０００ｌｂｓ）〜約４５３５９ｋｇ（１０００００ｌｂｓ）の範囲から選択される、請求項５に記載の方法。
9. 前記選択した圧力が、約１３６０８ｋｇ（３００００ｌｂｓ）である、請求項５に記載の方法。
10. 前記圧縮モリブデン−１００ディスクを焼結する工程が、
    温度を周囲温度から１３００℃まで５℃／分の速度で上昇させる工程、
    温度を１３００℃から１７００℃まで２℃／分の速度で上昇させる工程、
    温度を１７００℃で５時間にわたって維持する工程、
    温度を１７００℃から１３００℃まで２℃／分の速度で低下させる工程、及び
    温度を１３００℃から周囲温度まで５℃の速度で低下させる工程、
    を含む、請求項４に記載の方法。

Images