JP2022188908A - 放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムの高い稼働率を実現することのできる放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法を提供する。
【解決手段】第１の温度の液状のターゲット物質を収容する第１のタンクと、第１のタンクの下流側に位置する放射線照射部と、放射線照射部の下流側に位置し、放射線照射部における放射線の照射により第１の温度より高い第２の温度となった液状のターゲット物質を収容する第２のタンクと、第２のタンクから第１のタンクに液状のターゲット物質を循環させる循環配管と、循環配管に介挿され、かつ、第１のタンクより高い位置に配置された、液状のターゲット物質を冷却する冷却機構と、を具備し、記第２のタンクから第１のタンクにサイホン作用によって液状のターゲット物質を送る。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法に関する。

現在のがん治療では、外科手術、抗がん剤治療、陽子線や重粒子線を用いた放射線療法が用いられている。これら治療法に加え、アルファ線を用いたがん治療が注目されている。これは、アルファ線の飛程の短さから、アルファ線薬剤は標的となるがん細胞を選択的に攻撃することができ、正常細胞への影響が小さいことによる。アルファ線を用いたがん治療の線源としては、アスタチン－２１１は半減期が短く、すみやかに安定核に崩壊することから、最も期待されている放射性同位体である。

アスタチン－２１１は着目されている一方で半減期の短さ等の制約条件により、研究レベルの提供量しか流通しておらず、薬事法認可取得後の市場を支えるレベルの放射能量（数十ＧＢｑ/日）単位の製造・供給は実現していない。

特開２０２０‐１３９８８２号公報

アスタチン－２１１の大量製造には、ビスマス（ビスマス－２０９）に大電流の加速したヘリウムイオン（アルファ線）を照射する必要がある。大電流のアルファ線をビスマスに照射するとビスマスが融解することとなる。ビスマスが溶解しない程度にアルファ線を照射するには、照射するアルファ線の電流量に制約がかかる。

このような制約を除くためには、溶融した液状のビスマスをターゲットとしたターゲットシステムを構成することになる。一般的に、放射線が照射されるターゲットシステムでは、その構成部材等が放射化するため、例えば、液状のビスマスを送出するためのポンプ等の動的機器があるとメンテナンスの頻度が高くなり、システムの稼働率が低下することとなる。

また、加速器から照射させるアルファ線は、照射窓を透過させて溶融ビスマス等のアルファ線ターゲットへ照射されるが、特に照射の出力が大きいと、照射窓の損傷が懸念される。さらに照射窓がターゲットである液状のビスマスに接触する場合は、流動する液状のビスマスによる損傷も懸念される。そして、このような照射窓の損傷が発生した場合、そのメンテナンスを行う必要が生じ、さらにシステムの稼働率が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、このような従来の事情を考慮してなされたもので、システムの高い稼働率を実現することのできる放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法を提供することを目的とする。

実施形態の放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムは、液状のターゲット物質を循環しつつ放射線を照射して放射性同位体を製造する放射性同位体製造用ターゲットシステムであって、第１の温度の液状の前記ターゲット物質を収容する第１のタンクと、前記第１のタンクの下流側に位置する放射線照射部と、前記放射線照射部の下流側に位置し、前記放射線照射部における前記放射線の照射により前記第１の温度より高い第２の温度となった液状の前記ターゲット物質を収容する第２のタンクと、前記第２のタンクから前記第１のタンクに液状の前記ターゲット物質を循環させる循環配管と、前記循環配管に介挿され、かつ、前記第１のタンクより高い位置に配置された、液状の前記ターゲット物質を冷却する冷却機構と、を具備し、前記第２のタンクから前記第１のタンクにサイホン作用によって液状の前記ターゲット物質を送ることを特徴とする。

実施形態によれば、システムの高い稼働率を実現することのできる放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法の構成を模式的に示す図。 第２実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法の構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。 変形例に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステムの要部構成を模式的に示す図。

以下、実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム及び放射性同位体製造方法を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００は、液状のターゲット物質１０１を循環しつつ放射線１０２を照射して放射性同位体を製造する。この放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００は、第１の温度の液状のターゲット物質１０１を収容する第１のタンク１１０と、第１のタンク１１０の下流側に位置する放射線照射部１１１と、放射線照射部１１１の下流側に位置し、放射線照射部１１１における放射線１０２の照射により第１の温度より高い第２の温度となった液状のターゲット物質１０１を収容する第２のタンク１１２を具備する。

また、放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００は、第２のタンク１１２から第１のタンク１１０に液状のターゲット物質１０１を循環させる循環配管１１３を具備している。そして、この循環配管１１３には、液状のターゲット物質１０１を冷却するための冷却機構１１４が介挿されている。この冷却機構１１４は、第１のタンク１１０より高い位置になるように配置されている。また、循環配管１１３による第２のタンク１１２から第１のタンク１１０への液状のターゲット物質１０１の循環は、サイホン作用によって行われるよう構成されている。循環配管１１３には、起動用真空系１１５と、ブレーク用気体系１１６が接続されており、これらには夫々弁１１５ａ、弁１１６ａが設けられている。

また、放射線照射部１１１は、液状のターゲット物質１０１を、液面１０１ａを露出させた状態で流下させる流路部を有し、液面１０１ａに対して上方から放射線１０２を照射するようになっている。また、この放射線照射部１１１の流路部は、液状のターゲット物質１０１の流れを絞るノズル等の機構を具備し、放射線１０２を照射する部位における液状のターゲット物質１０１の液厚を薄くするように構成されている。

上記構成の放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００において、液状のターゲット物質１０１は、例えばビスマス（ビスマス－２０９）であり、放射線１０２は、例えばアルファ線である。この場合、製造される放射性同位体は、アスタチン－２１１となる。

上記構成の第１実施形態では、放射線照射部１１１にて、液状のターゲット物質１０１に放射線（アルファ線）１０２が照射されることによって、液状のターゲット物質１０１は加熱され、その密度は低下する。一方で、加熱された液状のターゲット物質１０１に再度放射線１０２を照射するためには、照射による温度上昇分は除熱して温度を低下させる必要がある。

そして、除熱するための冷却機構１１４を、第１のタンク１１０より高い位置に配置することで、密度差による重力による循環力が生じることになる。さらに循環流路である循環配管１１３を液状のターゲット物質１０１で液封することでサイホンとして動作させることができ、ポンプレスで循環システムを構成することができる。

上記のように第１実施形態では、放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００の部分から、ポンプ等の動的機器を削減することで、メンテナンス頻度を減らすことができ、システムの稼働率が低下することを抑制することができる。

放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００において、液状のターゲット物質１０１としてビスマスを使用する場合、ビスマスの融点は２７１℃程度であるため、これを溶融して液状とするため、少なくとも起動時には、ビスマスの流路となる第１のタンク１１０、放射線照射部１１１、第２のタンク１１２、循環配管１１３等を、常温からビスマスの融点以上の温度に加熱しておく必要がある。このため、各部には図示しないヒーター等の加熱手段を設けておく。

そして、起動用真空系１１５から真空引きすることによって、循環経路内に液状のターゲット物質１０１として溶融したビスマスを満たし、起動用真空系１１５の弁１１５ａを閉じることによって液封した状態とする。この状態では、第１のタンク１１０内からは、融解した液状のビスマスが放射線照射部１１１に流出する。そして、放射線照射部１１１にて放射線１０２としてのアルファ線の照射を受けて加熱されるとともに、アルファ線の照射により生成されたアスタチン－２１１を含む液状のビスマスが第２のタンク１１２内へ流入する。

ここで、アスタチン－２１１の製造量を増加させるためには、放射線照射部１１１における照射出力を上昇させる必要があるが、照射出力を上昇させると、放射線照射による液状のビスマスの温度上昇が大きくなる。そして、過度に温度上昇が生じると、気化量が大きくなるため、流速を上昇させて温度上昇を抑制する必要がある。この場合、第１のタンク１１０から放射線照射部１１１に流出する流出部において、ノズル等で液流を絞ることで、放射線照射部１１１での液状のビスマスの流速を上昇させるとともに、液膜を安定させることができる。放射線照射部１１１では、液状のビスマスの液面１０１ａに対して上方から放射線１０２としてのアルファ線が照射されるので、液状のビスマスと接する照射窓は存在しない。

液状のビスマスが流入した第２のタンク１１２は、循環配管１１３によって第１のタンク１１０と接続されており、循環配管１１３内は液封されている。第２のタンク１１２内に流入した液状のビスマスは、第１のタンク１１０内の液状のビスマスに比べて温度が上昇し、密度が低下した状態となっている。このため、重力によるサイホン効果により、第２のタンク１１２内の液状のビスマスが循環配管１１３に流入し、冷却機構１１４にて冷却されることによって密度が上昇した状態となり、再度第１のタンク１１０内に流入する。このようにしてポンプを使用することなく、液状のビスマスがサイホン作用によって循環される。

以上説明したように、第１実施形態によれば、アスタチン－２１１等の製造における液状のビスマスを循環させるシステム等において、放射線照射部１１１にて速い流速を得ながら、動的機器であるポンプを用いない構成とすることができる。これによってメンテナンスの頻度が高くなることを抑制することができ、システムの稼働率を向上させることができる。

また、液状のビスマスへ放射線を照射する放射線照射部１１１は、管外等に液状のビスマスを露出させて液面１０１ａを生成させ、そこにアルファ線を照射することで、液状のビスマスが接触する照射窓を用いない構成が可能となる。照射窓は、アルファ線を減衰させないために薄板で構成されるが、照射損傷や液体ビスマスによる腐食を受けるため、機器仕様や運転条件等に制限を与える構成要素となってしまう。本実施形態では、液面１０１ａに対して直接アルファ線を照射することで、これを回避することができる。なお、生成したアスタチン－２１１等の放射性同位体は、例えば、循環配管１１３等から分岐する配管を設けておき、この分岐した配管によって一旦外部に導出し、そこで回収するよう構成することができる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００ａは、第１実施形態に係る放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム１００において、第１のタンク１１０と、放射線照射部１１１と、第２のタンク１１２とを、構造物としては一体構成のタンク２００としたシステムである。なお、他の部分については、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

第２実施形態では、第１実施形態と比較して放射線照射部１１１における流路断面積が大きいため、この部分における液状のターゲット物質１０１の流速が低下するが、システム仕様等の要求から速い流速が要求されない場合は、第１実施形態と比較してシンプルな構成である本第２実施形態のシステムでの対応が可能となる。また、例えば、タンク２００を上側から見た状態を模式的に示す図３に示すように、放射線照射部１１１のみに絞り等をいれることで、放射線照射部１１１における液状のターゲット物質１０１の流速を増加させることも可能である。

図４は、変形例の要部構成を示すものである。この変形例は、放射線照射部１１１における液状のターゲット物質１０１の流れに回転流を生じさせるようにしたものである。図４に示すように、液状のターゲット物質１０１の流入孔３０１と流出孔３０２をタンク３００の壁面に小さく形成する（壁面の総面積に対して孔の開口面積が小さくなるように形成する）とともに、これらの設置位置を、タンク３００の同一壁面の左右に離して設置することで、流入孔３０１から流入した液状のターゲット物質１０１がタンク３００内を大きく循環しながら流出孔３０２から流出することとなる。これによりタンク３００内の液状のターゲット物質１０１の流れに回転流を生じさせることができる。また、流出孔３０２を流入孔３０１に対して上方に設置することにより、放射線の照射により高温になった液状のターゲット物質１０１を選択的に流出させることも可能となる。

図５は、図４に示した変形例のさらに変形例の要部構成を示すものである。図５に示す変形例は、図４に示した変形例における流出孔３０２の替わりに流出用のサイホン３１０を設置したものとなる。サイホン３１０を用いることで、ポンプ等を用いずに、タンク３００内の特定の位置から液状のターゲット物質１０１を流出させることができる。特に放射線の照射によって高温になり上側部に存在する液状のターゲット物質１０１や、放射線の照射領域近傍から液状のターゲット物質１０１を流出させることが可能となり、液状のターゲット物質１０１の全体の温度上昇を抑制することができる。

図６は、図４に示した変形例のさらに変形例の要部構成を示すものである。図５に示す変形例は、図４に示した変形例において、流出孔３０２をタンク３００の底部に設置したものとなる。特に流出孔３０２をタンク３００の底部中央に設置すると、流出孔３０２の周りに渦状の液状のターゲット物質１０１の流れが生じるため、安定的に液状のターゲット物質１０１の速い流れをタンク３００内に生じさせることが可能となり、液状のターゲット物質１０１の温度上昇を抑制することができる。

図７は、図６に示した変形例のさらに変形例の要部構成を示すものである。図７に示す変形例は、図６に示した変形例において、流出孔３０２周囲のタンク３００の底面を、すり鉢状にしたものとなる。タンク３００の底面をすり鉢状とすると、流出孔３０２の周りに渦状の流れが生じやすくなるため、液状のターゲット物質１０１の流れを安定的かつ速い流れとすることが可能となる。

図８は、図４に示した変形例のさらに変形例の要部構成を示すものである。図８に示す変形例は、図４に示した変形例において、流入孔３０１を、タンク３００の対向する側面等に複数設けるとともに、流出孔３０２を同様にタンク３００の対向する側面等に複数設け、かつ、流出孔３０２が流入孔３０１より下方に位置するように設けたものである。このような構成とすることにより、タンク３００内の液状のターゲット物質１０１の流れとして、放射線１０２が照射される液面１０１ａ側から底面側への流れを生じるようにしたものである。

例えば、液状のビスマスにアルファ線を照射してアスタチン－２１１を製造する場合、ターゲット材である液状のビスマスへのアルファ線の浸透深さは、１ｍｍ以下程度であると想定されるためアルファ線の照射による加熱領域が狭い。そのため、昇温箇所の体積当たりの温度上昇が大きくなってしまうおそれがある。この場合、図８のような構成とすることにより、アルファ線が照射され昇温された液状のビスマスは、表面から液中へと流れ込むため、昇温された液体は昇温されていない液体と混合され、昇温を抑えることができる。

なお、上記した実施形態では、ポンプを使用せずに液状のターゲット物質１０１を循環させる構成とした場合について説明したが、必ずしもポンプレスとする必要はなく、ポンプを補助的に使用しても良い。この場合、ポンプのみで液状のターゲット物質１０１を循環させた場合に比べてポンプの容量を小さくすることができ、そのメンテナンスが容易になる。また、ポンプレスとした場合に比べて液状のターゲット物質１０１の流量の制御が容易となる。

また、上記実施形態においてビスマスターゲットからアスタチン－２１１を製造する例を用いて説明したが、本発明はこれらに限定するのではない。例えば、ターゲットを例えばビスマスの合金、例えば鉛ビスマス（Ｐｂ－Ｂｉ）とすることで、融点を低下させて取り扱いを容易にすることができる。また、カドミウム（Ｃｄ）をターゲットとして、インジウム（Ｉｎ）同位体（Ｉｎ－１１１）の生成やビスマスアンチモン（Ｂｉ－Ｓｂ）合金等をターゲットにしてアスタチン（Ａｔ）に加えてヨウ素同位体（Ｉ－１２４）を作成するものなど、他の放射性同位体製造らも用いることができる。また、ターゲットは合金以外でも、母材に粉末等を添加した混合物でもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、１００ａ……放射性同位体製造用放射線照射ターゲットシステム、１０１……液状のターゲット物質、１０１ａ……液面、１０２……放射線、１１０……第１のタンク、１１１……放射線照射部、１１２……第２のタンク、１１３……循環配管、１１４……冷却機構、１１５……起動用真空系、１１５ａ……弁、１１６……ブレーク用気体系、１１６ａ……弁、２００……タンク、３００……タンク、３０１……流入孔、３０２……流出孔、３１０……サイホン。

Claims (5)

1. 液状のターゲット物質を循環しつつ放射線を照射して放射性同位体を製造する放射性同位体製造用ターゲットシステムであって、
   第１の温度の液状の前記ターゲット物質を収容する第１のタンクと、
   前記第１のタンクの下流側に位置する放射線照射部と、
   前記放射線照射部の下流側に位置し、前記放射線照射部における前記放射線の照射により前記第１の温度より高い第２の温度となった液状の前記ターゲット物質を収容する第２のタンクと、
   前記第２のタンクから前記第１のタンクに液状の前記ターゲット物質を循環させる循環配管と、
   前記循環配管に介挿され、かつ、前記第１のタンクより高い位置に配置された、液状の前記ターゲット物質を冷却する冷却機構と、
   を具備し、
   前記第２のタンクから前記第１のタンクにサイホン作用によって液状の前記ターゲット物質を送る
   ことを特徴とする放射性同位体製造用ターゲットシステム。
2. 前記放射線照射部は、液状の前記ターゲット物質を、液面を露出させた状態で流通させる流路部を有し、前記液面に対して上方から前記放射線を照射することを特徴とする請求項１に記載の放射性同位体製造用ターゲットシステム。
3. 前記ターゲット物質がビスマス－２０９の金属または合金であり、前記放射線がアルファ線であり、アスタチン－２１１を製造することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射性同位体製造用ターゲットシステム。
4. 前記第１のタンクと、前記放射線照射部と、前記第２のタンクとを、一体構造のタンクから構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射性同位体製造用ターゲットシステム。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射性同位体製造用ターゲットシステムを用いて液状のターゲット物質を循環しつつ放射線を照射して放射性同位体を製造することを特徴とする放射性同位体製造方法。

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