JP2022503704A - 濃縮及び放射性同位元素生成 - Google Patents

濃縮及び放射性同位元素生成 Download PDF

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Abstract

Figure 2022503704000001
一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置は、電子ビームを提供するように配置され、電子入射器及び加速器を含む電子源と、電子ビームを用いて放射ビームを発生させるように構成されたアンジュレータと、放射ビームが交差する分子の流れを提供するように構成された分子流ジェネレータと、分子の流れから選択的に受容される分子又はイオンを受容するように構成されたレセプタクルと、使用中に電子ビームが入射するターゲットを保持するように構成されたターゲットサポート構造と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

（関連出願の相互参照）
[0001] 本出願は、２０１８年１０月１２日に出願されて援用により全体が本願に含まれるＥＰ出願第１８２００１７９．２号の優先権を主張する。
[0002] 本発明は、一体型（combined）濃縮及び放射性同位元素生成装置に関する。
[0003] 放射性同位元素は、安定でない同位元素である。放射性同位元素は、陽子及び／又は中性子を放出することによって、ある時間期間の後に崩壊する。放射性同位元素は医療診断及び治療のために使用され、また、工業用途にも使用される。
[0004] 最も一般的に用いられる医療用放射性同位元素は、診断用途に用いられるＴｃ－９９ｍ（テクネチウム）である。Ｔｃ－９９ｍの生成には、高中性子束原子炉（high flux nuclear reactor）が使用される。原子炉内で、Ｕ－２３８とＵ－２３５の混合物を含むウランを中性子と衝突させる。中性子誘起のＵ－２３５の自発核分裂が生じ、Ｕ－２３５はＭｏ－９９とＳｎ（ｘ１３）と中性子に分離する。また、Ｕ－２３８の光核分裂もＭｏ－９９を発生させ得る。Ｍｏ－９９は他の核分裂生成物から分離され、放射性医薬品専門薬局（radiopharmacy）に出荷される。Ｍｏ－９９は６６時間の半減期を有し、崩壊することでＴｃ－９９ｍになる。Ｔｃ－９９ｍはわずか６時間の半減期を有する（これは医療診断技術にとって有用である）。Ｔｃ－９９ｍは放射性医薬品専門薬局においてＭｏ－９９から分離され、次いで医療診断技術のために使用される。
[0005] Ｍｏ－９９は、医療診断技術用のＴｃ－９９ｍを発生させるため全世界で広く用いられている。しかしながら、Ｍｏ－９９を発生させるために使用できる高中性子束原子炉はごく少数である。これらの高中性子束原子炉を用いて他の放射性同位元素も作られる。高中性子束原子炉は全て設置後４０年を超えており、無期限に動作し続けることは期待できない。
[0006] 代替的な放射性同位元素生成装置及びそれに関連した方法及び／又はシステムを提供することが望ましいと見なすことができる。
[0007] 本発明の一態様によれば、一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置が提供される。この装置は、電子ビームを提供するように配置され、電子入射器及び加速器を含む電子源と、電子ビームを用いて放射ビームを発生させるように構成されたアンジュレータと、放射ビームが交差する分子の流れを提供するように構成された分子流ジェネレータと、分子の流れから選択的に受容される分子又はイオンを受容するように構成されたレセプタクルと、使用中に電子ビームが入射するターゲットを保持するように構成されたターゲットサポート構造と、を備える。
[0008] この装置は、放射性同位元素の発生と濃縮に使用される放射ビームの発生とに同一の電子源を利用するので有利である。放射性同位元素の生成と濃縮は、同一の電子源を用いて同時に実行することができる。このように電子源を兼用することでコストを削減する。
[0009] 放射ビームは、分子の流れを少なくとも部分的にイオン化するように構成できる。
[0010] 装置は更に、少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る磁場を発生させるように構成された磁石を含むことができる。
[0011] 装置は更に、少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る電場を発生させる電極を含むことができる。
[0012] レセプタクルは、２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルとすることができる。第１のレセプタクルは、所望の同位元素と一致する質量を有するイオンを受容するように構成できる。第２のレセプタクルは、他のイオンを受容するように構成できる。
[0013] 第１のレセプタクルは冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上でイオンが凝縮又は凝固する。第１のレセプタクルは、イオンをコンテナに注入するポンプを含むことができる。
[0014] 放射ビームは赤外線放射ビームとすることができる。
[0015] 放射ビームは、分子の流れ内で所望の同位元素を励起するように構成できる。
[0016] レセプタクルは、２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルとすることができる。第１のレセプタクルは、励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成できる。第２のレセプタクルは、他の分子を受容するように構成できる。
[0017] 第１のレセプタクルは、励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成された環状開口を含むことができる。
[0018] 第１のレセプタクルは冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上で所望の同位元素を含む分子が凝縮又は凝固する。第１のレセプタクルは、所望の同位元素を含む分子をコンテナに注入するポンプを含むことができる。
[0019] 放射ビームは紫外線放射ビームとすることができる。
[0020] 装置は更に、加速器へ送出されるパワーを調整することによって放射ビームの波長を制御するように構成されたコントローラも含むことができる。
[0021] 本発明の第２の態様によれば、一体型濃縮及び放射性同位元素生成の方法が提供される。この方法は、電子入射器及び加速器を用いて電子ビームを提供することと、アンジュレータを用いて、電子ビームを用いて放射ビームを発生させることと、放射ビームが交差する分子の流れを提供することと、レセプタクルにおいて、所望の同位元素を含む分子の流れからの分子又はイオンを選択的に受容することと、所望の同位元素を含むターゲット上に電子ビームを誘導して放射性同位元素を発生させることと、を含む。
[0022] この方法は、放射性同位元素の発生と濃縮に使用される放射ビームの発生とに同一の電子源を利用するので有利である。放射性同位元素の生成と濃縮は、同一の電子源を用いて同時に実行することができる。このように電子源を兼用することでコストを削減する。その後、濃縮方法を用いて生成された濃縮同位元素を、放射性同位元素生成方法により使用することができる。
[0023] 方法は更に、レセプタクルに受容された同位元素を抽出することと、これを用いて、電子ビームが入射するその後のターゲットを形成することと、を含むことができる。
[0024] 電子ビームは約１４ＭｅＶ以上のエネルギを有することができる。
[0025] 放射ビームは、分子の流れを少なくとも部分的にイオン化することができる。少なくとも部分的にイオン化した分子の流れはその後、それらの質量に従ってイオンの軌道を変更する磁場及び／又は電場を通過することができる。
[0026] 所望の同位元素と一致する質量を有するイオンが第１のレセプタクルで受容され得る。
[0027] 放射ビームは、分子の流れ内で所望の同位元素を励起することができる。所望の同位元素を含有する分子はその後、分子の流れ内の他の分子から発散することができる。
[0028] 所望の同位元素を含む分子は第１のレセプタクルで受容することができる。
[0029] 本発明のいずれかの所与の態様の特徴を、本発明の他の態様の特徴と組み合わせてもよい。
[0030] 上述した又は後述する本発明の様々な態様及び特徴を、当業者に容易に明らかとなるような本発明の他の様々な態様及び特徴と組み合わせてもよい。
[0031] これより、本発明の実施形態について添付図面を参照して単に一例として記載する。
本発明の一実施形態に従った一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置の概略図である。 図１の放射性同位元素生成装置のターゲットの概略図である。 図１の放射性同位元素生成装置の代替的なターゲットの概略図である。 本発明の代替的な実施形態に従った一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置の一部を形成し得る代替的な濃縮装置の概略図である。
[0032] 図１は、本発明の一実施形態に従った一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置２を概略的に示す。一体型装置２の濃縮装置４は、濃縮Ｍｏ－１００を発生させるように構成されている。これは、Ｍｏ－１００、Ｍｏ－９８、及び他のＭｏ同位元素の混合物から出発するか、又は、ＭｏＦ６又はＭｏＯ３等のモリブデンを含有する化合物から出発することができる。一体型装置の放射性同位元素生成装置６は、濃縮Ｍｏ－１００をＭｏ－９９に変換するように構成されている。Ｍｏ－９９は崩壊することでＴｃ－９９ｍになり、Ｔｃ－９９ｍはＭｏ－９９から分離されて医療診断技術に用いることができる。
[0033] 一体型装置２は、電子入射器８及び電子加速器１０を備えている。電子加速器１０は線形加速器とすることができる。電子入射器８及び線形加速器１０は双方とも、濃縮装置４の一部を形成すると共に放射性同位元素生成装置６の一部を形成する。
[0034] 電子入射器８は、バンチ化電子ビームＥを生成するように配置され、電子源（例えばパルスレーザビームで照明される光電陰極又は熱イオン放出源）を含む。
[0035] 電子ビームＥ内の電子は、磁石（図示せず）によって電子入射器８から線形加速器１０へ方向操作することができる。線形加速器１０は電子ビームＥを加速する。一例において、線形加速器１０は、軸方向に離間した複数の無線周波数キャビティと、１つ以上の無線周波数電力源と、を含み得る。これらの電力源は、電子バンチがキャビティ間を通過する際に各電子バンチを加速するよう共通の軸に沿って電磁場を制御するように動作する。キャビティは超伝導無線周波数キャビティとすることができる。有利な点として、これにより、比較的大きい電磁場を高いデューティサイクルで適用すること、ビーム口径を大きくして航跡場による損失を低減すること、及び、（キャビティ壁を通して放散するのとは対照的に）ビームへ伝送される無線周波数エネルギの割合を増大させること、が可能となる。あるいは、キャビティを従来の伝導性（すなわち超伝導でない）として、例えば銅で形成することも可能である。他のタイプの線形加速器、例えばレーザ航跡場加速器又は逆自由電子レーザ加速器を使用してもよい。線形加速器の代わりに、シンクロトロン又はロードトロン（rhodotron）等のリング加速器を使用してもよい。
[0036] 線形加速器１０は、単一のモジュールから又は複数のモジュールから構成することができる。図１では線形加速器１０が単一の軸に沿って配置されているものとして示されているが、線形加速器は、全てが単一の軸上にあるわけではない複数のモジュールを含み得る。例えば、いくつかの線形加速器モジュールと他の線形加速器モジュールとの間に屈曲部（bend）が存在することがある。
[0037] 線形加速器１０は、例えば電子を約１４ＭｅＶ以上のエネルギに加速することができる。線形加速器は、電子を約３０ＭｅＶ以上のエネルギに加速することも可能である（例えば最大で約７５ＭｅＶ、最大で約９０ＭｅＶ、又は最大で約１００ＭｅＶ）。
[0038] 放射性同位元素生成装置６は、電子ビームスプリッタ１２も備えている。線形加速器１０と電子ビームスプリッタ１２との間にアンジュレータ１６が配置されている。アンジュレータは、放射性同位元素生成装置６の動作に対して著しい効果を及ぼさないが、濃縮装置４の重要なコンポーネントである（以下で更に検討する）。電子ビームスプリッタ１２は、電子ビームＥを２つの伝搬経路に沿って分割するように配置されている。すなわち、ターゲット１４の一方側へ向かう第１の伝搬経路と、ターゲット１４の反対側へ向かう第２の伝搬経路である。各伝搬経路に沿って電子ビームＥを方向操作するため、磁石（図示せず）を設けることができる。当業者に理解されるように、電子ビームＥはパルス列と呼ぶことができるものである。電子ビームスプリッタ１２は、パルスの一部を第１の経路に沿って、パルスの一部を第２の経路に沿って誘導するように配置されている。例えば、電子ビームＥ内のパルスの５０％を第１の経路に沿って送出し、パルスの５０％を第２の経路に沿って送出することができる。しかしながら、（２つの伝搬経路間で）パルスの任意の比を使用できることは認められよう。
[0039] 電子ビームスプリッタ１２は、任意の適切な手段を用いて実施することができ、例えば磁気又は静電気による偏向を利用した偏向器（例えばキッカー（kicker））とすればよい。分割は、電子ビームＥからの熱負荷がターゲット１４の各側で実質的に均等に分布するよう充分に高い周波数で実行され得る。いくつかの実施形態では、パルス間でスイッチングの時間をとるため、電子ビームＥ内でパルスをスキップしてもよい。一例として、パルスが３７５ＭＨｚで発生される場合、２０ミリ秒ごとに１０００のパルスをスキップして、ビームスプリッタ１２が電子ビームＥの伝搬経路をスイッチングするために約３ミリ秒を確保することができる。
[0040] ターゲット１４は、電子ビームＥの電子を受け取り、電子を用いてソース材料を放射性同位元素に変換するよう構成されている。この実施形態では、ターゲット１４は、光子誘起中性子放出（photon induced neutron emission）によってＭｏ－９９に変換されるＭｏ－１００とすることができる（Ｍｏ－１００はＭｏの天然に存在する安定した同位元素である）。光子が発生する機構は、電子がターゲット１４に衝突する結果として発生する制動放射（Bremsstrahlung radiation）（英語ではbraking radiation（制動放射））である。このようにして発生する光子のエネルギは、例えば１００ｋｅＶより大きい、１ＭｅＶより大きい、更には１０ＭｅＶより大きいことがある。光子は極めて硬いＸ線として記述できる。
[0041] この反応は８．２９ＭｅＶの閾値エネルギを有するので、光子ターゲットに入射する光子が８．２９ＭｅＶ未満のエネルギを有する場合は発生しない。反応は、約１４ＭｅＶにピークがある断面積を有する（反応断面積は、所与のエネルギを有する光子によって反応が誘起される可能性を示す）。言い換えると、反応は約１４ＭｅＶに共振ピークを有する。従って、一実施形態では、約１４ＭｅＶ以上のエネルギを有する光子を用いてＭｏ－１００光子ターゲットをＭｏ－９９に変換することができる。
[0042] 制動放射で発生する光子のエネルギは、電子ビームＥ内の電子のエネルギによって決まる上限を有する。光子はエネルギ分布を有するが、その分布の上限は電子ビーム内の電子のエネルギを超えることはない。従って、Ｍｏ－１００光子ターゲットをＭｏ－９９に変換するため用いられる実施形態において、電子ビームは少なくとも８．２９ＭｅＶのエネルギを有する。一実施形態において、電子ビームＥは約１４ＭｅＶ以上のエネルギを有し得る。
[0043] 電子ビームのエネルギが増大すると、（同一の電子流に対して）所望の反応を発生させるのに充分なエネルギを有する光子の発生が増加する。例えば、上述のように、Ｍｏ－９９の発生は約１４ＭｅＶにピークのある断面積を有する。電子ビームＥが約２８ＭｅＶのエネルギを有する場合、各電子は約１４ＭｅＶのエネルギを有する光子を２つ発生し、これによって光子ターゲットのＭｏ－９９への変換を増大させることができる。しかしながら、電子ビームのエネルギが増大すると、高いエネルギを有する光子が他の望ましくない反応を誘起する。例えば、光子が誘起する中性子及び光子の放出は１８ＭｅＶの閾値エネルギを有する。この反応は、Ｍｏ－９９を発生させずに望ましくない反応生成物を発生させるので望ましくない。
[0044] 通常、電子ビームのエネルギ（従って光子の最大エネルギ）の選択は、望ましい生成物（例えばＭｏ－９９）の生産量（yield）と望ましくない生成物の生産量との比較に基づくことができる。一実施形態において、電子ビームは約１４ＭｅＶ以上のエネルギを有し得る。電子ビームＥは、例えば約３０ＭｅＶ以上（例えば最大で約４５ＭｅＶ）のエネルギを有し得る。この電子ビームエネルギ範囲は、１４ＭｅＶの反応共振ピーク付近のエネルギを有する光子の良好な生産性を与えることができる。しかしながら、他の実施形態では電子ビームは他のエネルギを有し得る。例えば、電子ビームは６０ＭｅＶのエネルギを有する。このエネルギの電子は複数の反応を発生させ、これによって生産量を増大させることができる。
[0045] 図２ａは、ターゲット１４の例示的な構成を概略的に示す。図２ａにおいて、ターゲット１４は、サポート構造３１によって支持されたＭｏ－１００の複数のプレート３２を含む。上述したように、電子ビームＥ内の電子がプレート３２に入射すると、光子が放出される。図２ａでは、ターゲット１４から放出される光子は概略的に波線γで示されている。光子γがＭｏ－１００原子核に入射すると、原子核から中性子が飛び出す光核反応を発生させることができる。Ｍｏ－１００原子はこれによりＭｏ－９９原子に変換される。図２ａの構成において、プレート３２は電子ターゲット及び光子ターゲットの双方であると見なすことができる。
[0046] ターゲット１４は、ある時間期間にわたって光子γを受け取ることができ、この時間期間中にターゲット１４内のＭｏ－９９の割合が増大すると共にターゲット中のＭｏ－１００の割合が低下する。ターゲット１４はその後、処理及び放射性医薬品専門薬局への輸送のため放射性同位元素生成装置６から除去される。その後、Ｍｏ－９９の崩壊生成物であるＴｃ－９９が抽出され、医療診断用途に用いられる。
[0047] 図２ｂは、ターゲット１４の代替的な例示の構成を概略的に示す。図２ｂにおいて、ターゲット１４は別個の電子ターゲット３４を更に含む。別個の電子ターゲットが提供される場合、ターゲットプレート３２は光子ターゲットと見なすことができる。電子ターゲット３４は例えば、タングステン、タンタル、又はその他の、電子を減速し光子を発生する何らかの材料から形成され得る。しかしながら、電子ターゲット３４を光子ターゲット（例えばＭｏ－１００）と同じ材料から形成してもよい。電子ターゲットはサポート構造３３ａ、３３ｂによって保持されている。
[0048] 図２ａ及び図２ｂに示されているターゲット１４は３枚のプレートを含むが、ターゲットは任意の適切な数のプレートを含むことができる。記載されているターゲットはＭｏ－１００を含むが、光子ターゲットは任意の適切な材料を含むことができる。同様に、ターゲットの材料は任意の適切な形状及び／又は構成で提供できる。ターゲット１４の周囲に遮蔽（例えば鉛遮蔽）を提供してもよい。
[0049] 図２ｂの各電子ターゲット３４ａ、３４ｂは単一の材料ブロックとして図示されている。しかしながら、各電子ターゲットを複数のプレートとして提供してもよい。これらのプレートは、例えば、上述したターゲットプレート３２の構成に対応する構成を有し得る。同様に、サポート構造３３ａ、３３ｂは、複数の電子ターゲットプレートを保持するように構成することができる。
[0050] 電子ターゲット３４及びターゲットプレート３２に、冷却液を流す導管を備えることも可能である。
[0051] 他の形態のターゲットサポート構造を提供することも可能である。
[0052] 図２ａ及び図２ｂの双方において、電子ビームＥはターゲット１４の各側で受け取られる。ターゲット１４全体で熱負荷をいっそう均一に分布させることにより、発生する全温度を低下させ、これによって（電子ビームＥをターゲット１４の一方側にのみ誘導するのに比べて）冷却要件を緩和すると共に単純化する。
[0053] 本発明の他の実施形態では、電子ビームスプリッタ１２は存在しない。このような実施形態では、単一の電子ビームがターゲット１４に入射することができる。
[0054] 先に注記したように、電子入射器８及び線形加速器１０は、放射性同位元素生成装置６の一部を形成することに加えて、濃縮装置４の一部を形成する。濃縮装置４は更にアンジュレータ１６も含む。電子ビームＥは、線形加速器１０による加速の後、アンジュレータ１６に入射する。任意選択的に、電子ビームＥは、線形加速器１０とアンジュレータ１６との間に配置されたバンチ圧縮器（図示せず）を通過してもよい。バンチ圧縮器は、電子ビームＥ内に存在する電子バンチを空間的に圧縮するように構成できる。
[0055] アンジュレータ１６は複数のモジュール又は単一のモジュールを含み得る。単一のモジュール又は各モジュールは周期的磁石構造を含み、これは周期磁場を生成するように動作可能であり、電子入射器８及び線形加速器１０によって生成された電子ビームＥをモジュール内の周期経路に沿って誘導するように配置されている。アンジュレータ１６が生成した周期磁場によって、電子は中心軸を中心とした振動経路を進む。この結果、アンジュレータ１６内で、電子は概ねアンジュレータの中心軸の方向に電磁放射を放射する。放射された電磁放射は放射ビームＢ（例えば赤外線放射）を形成する。ビームＢはＭｏのガス流と交差するように誘導され、これによってＭｏの濃縮を容易にする（以下で更に記載される）。
[0056] アンジュレータ１６内で電子ビームＥの電子が進む経路は正弦曲線かつ平面状であり、電子は周期的に中心軸を横切る。あるいは、経路はらせん状であり、電子は中心軸を中心として回転する。振動経路のタイプは、アンジュレータ１６が放出する放射ビームＢの偏光に影響を及ぼし得る。
[0057] 電子は、アンジュレータ１６を通って移動する際に放射の電場と相互作用し、放射とエネルギを交換する。通常、条件が共振条件に近くない限り、電子と放射との間で交換されるエネルギ量は高速で振動する。共振条件下では、電子と放射との相互作用によって電子はバンチ化して、アンジュレータ内の放射の波長で変調されたマイクロバンチ（microbunch）になり、中心軸に沿ったコヒーレントな放射放出が励起される。共振条件は以下によって与えられる。
Figure 2022503704000002
 ここで、λｅｍは放射の波長であり、λｕは電子が伝搬しているアンジュレータモジュールのアンジュレータ周期であり、γは電子のローレンツ因子であり、Ｋはアンジュレータパラメータである。Ａはアンジュレータ１６のジオメトリに依存する。円偏光放射を生成するヘリカルアンジュレータではＡ＝１であり、平面アンジュレータ（planar undulator）ではＡ＝２であり、楕円偏光（円偏光でもなく直線偏光でもない）放射を生成するヘリカルアンジュレータでは１＜Ａ＜２である。実際には、各電子バンチはある幅のエネルギを有するが、この幅は（電子ビームＥを低いエミッタンスで生成することによって）できる限り最小限に抑えることができる。アンジュレータパラメータＫは典型的に約１であり、以下によって与えられる。
Figure 2022503704000003
 ここで、ｑ及びｍはそれぞれ電子の電荷及び質量であり、Ｂ０は周期磁場の振幅であり、ｃは光の速度である。
[0058] 共振波長λｅｍは、単一のアンジュレータモジュール又は各アンジュレータモジュールを通って移動する電子が自発的に放射する第１高調波波長に等しい。電子入射器８、加速器１０、及びアンジュレータ１６は、共に自由電子レーザと見なすことができる。
[0059] アンジュレータ１６によって発生する放射ビームＢは、赤外線放射ビームとすることができる。例えば、放射ビームＢは約１０ミクロン（例えば９ミクロン～１１ミクロンの間）の波長を有し得る。約１０ミクロンの波長はモリブデンの濃縮に特に適している。
[0060] 一実施形態において、加速器１０からアンジュレータ１６へ送出される電子ビームは約６０ＭｅＶのエネルギを有し得る。アンジュレータ１６は約１４０ｍｍの磁気周期を有し得る。アンジュレータが放出する放射ビームＢの飽和を与えるには、約４．５メートルのアンジュレータ長で充分であり得る。７５ｐＣのバンチ電荷及び１０ｆｓのバンチ長の各電子パルスによって、約１００μＪの赤外線放射が生成される。バンチ周波数は３７５ＭＨｚである。この電子ビーム及びアンジュレータパラメータのセットによって、３５ｋＷを超える赤外線放射ビームＢのパワーを発生することができる。別の例では、バンチ周波数は約１．３ＨＧｚであり得る。通常、電子ビームＥのパラメータは任意の適切なパラメータとすればよく、所望のパワーの放射ビームＢを提供するように選択できる。
[0061] アンジュレータ３０を用いた赤外線放射ビームＢの発生は、電子ビームＥのエネルギのごく一部だけを奪う。この結果、電子ビームＥは依然として、露光セル１４内でＭｏ－９９（又はＭｏを含有する化合物）をＭｏ－１００に変換するための充分なエネルギを有する。
[0062] ビームステアリングミラー４２は、赤外線ビームＢをモリブデン（又はモリブデンを含有する化合物）のガス流の方へ誘導する。単一のビームステアリングミラー４２が図示されているが、実際には、放射ビームの位置を更に柔軟に調整可能とするため２つ以上のビームステアリングミラーを提供してもよい。図１の概略的な性質のため、赤外線ビームＢは電子ビームＥと交差するように見える。しかしながら、赤外線放射ビームＢは電子ビームＥの周囲を（例えば電子ビームの上方又は下方を）進むよう容易に誘導することができる。
[0063] 濃縮装置４は、モリブデン流ジェネレータ４４と、磁石４５と、第１のレセプタクル５８と、第２のレセプタクル６０と、を備えている。モリブデン流ジェネレータ４４、磁石４５、及びレセプタクル５８、６０は、これらが外部環境から隔離されるように密閉された筐体６２内に提供することができる。赤外線ビームＢが筐体内に入射することを可能とするため、筺体６２にウィンドウ５２が設けられている。
[0064] モリブデン流ジェネレータ４４は、ＭｏＯ３、又はＭｏＦ６、又は他の何らかの気体モリブデン含有分子を収容したコンテナ５４を含み得る。他の気体モリブデン含有分子を使用してもよいが、これらは、ガスを形成するために例えば２００℃を超える高温に加熱する必要があり得る（ＭｏＦ６は３４℃ちょうどで沸騰する）。コンテナ５４は一端に開口を含む。開口は、気体モリブデン含有分子の流れ４６を発生させるように構成されたノズル５６を含む。赤外線ビームＢは、気体モリブデン含有分子の流れと交差し、この流れを少なくとも部分的にイオン化する。一実施形態では、ＭｏＯ３から酸素原子を奪ってＭｏＯ２を形成することができる。別の実施形態では、ＭｏＦ６からフッ素原子を奪ってＭｏＦ５を形成することができる。少なくとも部分的にイオン化した分子の流れは、磁石４５によって発生した磁場４８を通過する。追加的に又は代替的に、電極に印加した差動電圧を用いて電場を発生させてもよい。相互に直交する電場及び磁場が、最も効果的な分子の分離を与えることができる。
[0065] 流れ４６のイオンが磁石４５により発生した磁場を通って進む経路は、イオンの質量と電荷に依存する。この結果、高質量のイオンを有する分子（例えばＭｏ－１００を含有する分子）は、低質量のイオン（例えばＭｏ－９２～Ｍｏ－９８を含有する分子）とは異なる位置及び異なる軌道で磁場から出る。
[0066] 高質量のイオン（Ｍｏ－１００を含有する分子）は、第１のイオン流４７ａを形成する。この第１のイオン流４７ａは第１のレセプタクル５８に入射し、第１のレセプタクル内に維持される。通常、所望の同位元素に一致する質量を有するイオンが、第１のレセプタクル５８により受容される。第１のレセプタクル５８は例えば冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上でガス状分子が凝縮又は凝固する。あるいは、第１のレセプタクルは、ガス状分子をコンテナに注入するポンプを含み得る。
[0067] 第２のイオン流４７ｂは、異なる軌道を有し、第２のレセプタクル６０に入射する。低質量のイオンから成る第２のイオン流は、第２のレセプタクル６０内に維持される。通常、所望の同位元素に一致しない質量を有するイオンが、第２のレセプタクル６０により受容される。第２のレセプタクル６０は例えば冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上でガス状分子が凝縮又は凝固する。あるいは、第２のレセプタクルは、ガス状分子をコンテナに注入するポンプを含み得る。
[0068] このように、濃縮装置４は、Ｍｏ－９２～Ｍｏ－９８を含有する分子からＭｏ－１００を含有する分子を分離する。言い換えると、Ｍｏ－１００の割合を増大させるモリブデンの濃縮が達成される。濃縮されたＭｏは、本文書の他の箇所で記載されるターゲット３２の一部を形成する。
[0069] 方程式（１）及び（２）から認められるように、アンジュレータ１６から出力する放射ビームＢの波長は、アンジュレータ磁場の周期又は電子のローレンツ因子（これは電子のエネルギによって決定される）の適切な選択によって選択することができる。本文書の他の箇所で注記されるように、電子は数十ＭｅＶの広範囲にわたってＭｏ－１００に入射し、かなり効率的なＭｏ－９９への変換を行うことができる。このため、Ｍｏ濃縮のために赤外線放射ビームＢの特定の波長が必要である場合、その波長を有する放射ビームがアンジュレータ１６により発生されるまで、電子ビームＥのエネルギを調整すればよい。電子ビームＥのエネルギの調整は、アンジュレータの周期性の調整よりも著しく容易である。電子ビームＥのエネルギは、加速器１０へ送出されるパワーを調整することで調整できる。この調整はコントローラ（図示せず）によって制御できる。コントローラは、放射ビームの波長を示すフィードバックを受信し、フィードバックループを用いて放射ビームの波長を所望の波長に保つよう動作することができる。
[0070] 図３に代替的な濃縮装置が概略的に示されている。代替的な濃縮構成では、コンテナ５４及びノズル５６を含むモリブデン流ジェネレータ４４を用いて、気体モリブデン含有分子（例えばＭｏＯ３又はＭｏＦ６）の流れ７０を提供する。通常、ジェネレータ４４は分子の流れを発生するように構成されており、分子流ジェネレータと呼ぶことができる。放射ビームＢは流れ７０と交差する。放射ビームの波長は、モリブデンの特定の同位元素（例えばＭｏ－１００）を励起するように選択される。すなわち、放射ビームＢの波長はその同位元素の原子遷移と一致し、他の同位元素のものとは一致しないので、その同位元素によって優先的に吸収される。放射ビームＢを優先的に吸収する同位元素（例えばＭｏ－１００）が励起され、従って更に振動する。これにより、その同位元素を含有する分子は、モリブデン含有分子の流れの中心軸から発散する。この結果、流れ７０は、放射ビームＢの上流と同じ発散度の第１の部分７０ａと、放射ビームの上流よりも大きい発散度の第２の部分７０ｂと、を含む。
[0071] 分子の流れの第２の部分７０ｂを受容するように第１のレセプタクル７２が配置されている。第１のレセプタクル７２は環状開口を含み得る。第１のレセプタクル７２は概ね環状とすることができる。流れの分子の第１の部分７０ａを受容するように中央レセプタクル７４が配置されている。中央レセプタクル７４を第２のレセプタクルと呼ぶことができる。このようにして、Ｍｏ－１００のような同位元素をＭＯ－９２～ＭＯ－９８のような他の同位元素から分離することができる。
[0072] 第１のレセプタクル７２は、例えば冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上で所望の同位元素を含有する分子が凝縮又は凝固する。あるいは、第１のレセプタクル７２は、所望の同位元素を含有する分子をコンテナに注入するポンプを含み得る。第２のレセプタクル７４は、例えば冷却プレートを含むことができ、この冷却プレート上で他の分子が凝縮又は凝固する。あるいは、第２のレセプタクル７４は、他の分子をコンテナに注入するポンプを含み得る。
[0073] 図３に示されている濃縮装置は、適切に制御された波長を有する放射ビームＢを使用する。すなわち、この波長は、確実に１つのモリブデン同位元素を他のモリブデン同位元素よりも優先的に励起するよう充分に正確に制御されている。電子入射器８、加速器１０、及びアンジュレータ１６（これらは共に自由電子レーザを構成し得る）は、良好な安定性と調整機能を提供し、従って、充分に適切に制御された所望の波長を有する放射ビームＢを提供することができる。上記のように、放射ビームＢの波長は、加速器１０へ送出されるパワーを調整することによって制御できる。
[0074] Ｍｏ－１００の電子軌道は、原子核に近いＭｏ－９２～Ｍｏ－９８の電子軌道とは大きく異なる。これらの電子軌道のエネルギは、赤外線放射よりも短い波長に一致する。この理由のため放射ビームＢは、例えば紫外線放射のように、赤外線放射よりも短い波長を有し得る。紫外線放射ビームは、例えば、赤外線ビームに対して周波数倍増（例えば１つ以上の周波数倍増クリスタルを使用する）のような非線形効果を適用することにより発生させることができる。
[0075] 図１に示した実施形態では、電子ビームスプリッタ１２を用いて電子ビームＥを分割する。電子ビームスプリッタ１２は、電子ビームの分割に加えて、電子ビームＥを赤外線放射ビームＢからも分離する。代替的な構成（図示せず）では、電子ビームが赤外線放射ビームＢから離れる方へ曲がるように、磁石を用いて電子ビームＥの経路を曲げることができる。このようにして電子ビームＥと赤外線放射ビームＢを分離できる。
[0076] 上述の記載はモリブデンの濃縮に関するが、本発明の実施形態は、例えばウランのような他の材料の濃縮にも使用できる。
[0077] 一実施形態において、電子入射器８、加速器１０、及びアンジュレータ１６は、１０ｍＡ以上の電流を有する電子ビームＥを提供するように構成できる。電流は、例えば最大で１００ｍＡ以上とすることができる。高い電流（例えば１０ｍＡ以上）を有する電子ビームＥは、放射性同位元素生成装置６が生成する放射性同位元素の比放射能を増大するので有利である。
[0078] 上述したように、電子ビームが電子ターゲットに衝突することにより発生する極めて硬いＸ線光子を用いて、Ｍｏ－１００をＭｏ－９９（所望の放射性同位元素）に変換することができる。Ｍｏ－９９の半減期は６６時間である。この半減期の結果として、Ｍｏ－１００から出発する場合に提供できるＭｏ－９９の比放射能には限界があり、この限界はＭｏ－９９の発生率によって決定される。例えば約１～３ｍＡの電子ビーム電流を用いて、比較的低い率でＭｏ－９９を発生させる場合、ターゲットにおいて約４０Ｃｉ／ｇを超えるＭｏ－９９の比放射能を与えることは不可能であり得る。その理由は、より多くのＭｏ－９９原子の発生を目的として照射時間を延長することは可能であるが、照射時間中にそれらの原子のかなりの割合が崩壊するからである。欧州で医療用途に使用されるＭｏ－９９の比放射能の閾値は１００Ｃｉ／ｇでなければならないので、４０Ｃｉ／ｇ以下の比放射能を有するＭｏ－９９は有用でない。
[0079] より大きい電子ビーム電流を用いた場合、Ｍｏ－９９原子の発生率はそれに応じて増大する（光子を受容するＭｏ－９９の体積は同一のままであると仮定する）。従って、例えば所与の体積のＭｏ－９９では、１０ｍＡの電子ビーム電流によって、１ｍＡの電子ビーム電流で与えられる発生率の１０倍でＭｏ－９９が発生する。本発明の実施形態で用いられる電子ビーム電流は、１００Ｃｉ／ｇを超えるＭｏ－９９の比放射能を達成するほど充分に高くすることができる。例えば本発明の一実施形態は、約３０ｍＡのビーム電流の電子ビームを提供できる。シミュレーションによって、約３０ｍＡのビーム電流では、電子ビームが約３５ＭｅＶのエネルギを有すると共にＭｏ－１００ターゲットの体積が約５０００ｍｍ３である場合、１００Ｃｉ／ｇを超えるＭｏ－９９の比放射能が得られることが示されている。Ｍｏ－１００ターゲットは、例えば、直径が約２５ｍｍで厚さが約０．５ｍｍのプレートを２０枚含み得る。非円形の形状及び他の厚さを有し得るプレートを他の枚数だけ用いてもよい。
[0080] 実施形態は、以下の条項を用いて更に記載することができる。
１．電子ビームを提供するように配置され、電子入射器及び加速器を含む電子源と、
電子ビームを用いて放射ビームを発生させるように構成されたアンジュレータと、
放射ビームが交差する分子の流れを提供するように構成された分子流ジェネレータと、
分子の流れから選択的に受容される分子又はイオンを受容するように構成されたレセプタクルと、
使用中に電子ビームが入射するターゲットを保持するように構成されたターゲットサポート構造と、
を備える一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置。
２．放射ビームは、分子の流れを少なくとも部分的にイオン化するように構成されている、条項１に記載の装置。
３．装置は更に、少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る磁場を発生させるように構成された磁石を備える、条項２に記載の装置。
４．装置は更に、少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る電場を発生させる電極を備える、条項２又は条項３に記載の装置。
５．レセプタクルは２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルであり、第１のレセプタクルは所望の同位元素と一致する質量を有するイオンを受容するように構成され、第２のレセプタクルは他のイオンを受容するように構成されている、条項３又は条項４に記載の装置。
６．第１のレセプタクルは冷却プレートを含み、この冷却プレート上でイオンが凝縮又は凝固するか、又は、第１のレセプタクルはイオンをコンテナに注入するポンプを含む、条項５に記載の装置。
７．放射ビームは赤外線放射ビームである、条項２から６のいずれかに記載の装置。
８．放射ビームは、分子の流れ内で所望の同位元素を励起するように構成されている、条項１に記載の装置。
９．レセプタクルは２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルであり、第１のレセプタクルは励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成され、第２のレセプタクルは他の分子を受容するように構成されている、条項８に記載の装置。
１０．第１のレセプタクルは、励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成された環状開口を含む、条項９に記載の装置。
１１．第１のレセプタクルは冷却プレートを含み、この冷却プレート上で所望の同位元素を含む分子が凝縮又は凝固するか、又は、第１のレセプタクルは所望の同位元素を含む分子をコンテナに注入するポンプを含む、条項９又は条項１０に記載の装置。
１２．放射ビームは紫外線放射ビームである、条項８から１１のいずれかに記載の装置。
１３．装置は更に、加速器へ送出されるパワーを調整することによって放射ビームの波長を制御するように構成されたコントローラを備える、条項１から１２のいずれかに記載の装置。
１４．電子入射器及び加速器を用いて電子ビームを提供することと、
アンジュレータを用いて、電子ビームを用いて放射ビームを発生させることと、
放射ビームが交差する分子の流れを提供することと、
レセプタクルにおいて、所望の同位元素を含む分子の流れからの分子又はイオンを選択的に受容することと、
所望の同位元素を含むターゲット上に電子ビームを誘導して放射性同位元素を発生させることと、
を含む、一体型濃縮及び放射性同位元素生成の方法。
１５．方法は更に、レセプタクルに受容された同位元素を抽出することと、これを用いて、電子ビームが入射するその後のターゲットを形成することと、を含む、条項１４に記載の方法。
１６．電子ビームは約１４ＭｅＶ以上のエネルギを有する、条項１４又は条項１５に記載の装置。
１７．放射ビームは分子の流れを少なくとも部分的にイオン化し、少なくとも部分的にイオン化した分子の流れはその後、それらの質量に従ってイオンの軌道を変更する磁場及び／又は電場を通過する、条項１４から１６のいずれかに記載の方法。
１８．所望の同位元素と一致する質量を有するイオンが第１のレセプタクルで受容される、条項１７に記載の装置。
１９．放射ビームは、分子の流れ内で所望の同位元素を励起し、所望の同位元素を含有する分子はその後、分子の流れ内の他の分子から発散する、条項１４から１６のいずれかに記載の方法。
２０．所望の同位元素を含有する分子は第１のレセプタクルで受容される、条項１９に記載の装置。
[0081] 上述したように、本発明の一実施形態の電子入射器は、パルスレーザビームで照明される光電陰極とすることができる。レーザは例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ及び関連付けられた光増幅器を含み得る。レーザは、ピコ秒レーザパルスを発生するように構成できる。電子ビームの電流は、パルスレーザビームのパワーを調整することによって調整できる。例えば、パルスレーザビームのパワーを増大させると、光電陰極から放出される電子の数が増加し、これによって電子ビーム電流が増大する。
[0082] 本発明の一実施形態に従った放射性同位元素生成装置６によって用いられる電子ビームＥは、例えば１ｍｍの直径と１ｍラジアンの発散度を有し得る。電子ビームＥの電流を増大させると、空間電荷効果によって電子が広がる傾向があり、このため電子ビームの直径が大きくなる可能性がある。従って、電子ビームの電流を増大させると電子ビームの輝度が低減し得る。しかしながら放射性同位元素生成装置６は、例えば直径１ｍｍの電子ビームＥを要求しておらず、もっと大きい直径の電子ビームを利用することができる。このため、電子ビームの電流を増大させても、放射性同位元素生成が著しい負の影響を受ける程度までビームの輝度が低減しない可能性がある。実際、直径が１ｍｍよりも大きい電子ビームは、電子ビームによって送出される熱負荷を分散するので、このような電子ビームを提供することが有利であり得る。しかしながら、他の入射器のタイプも使用可能であることは認められよう。
[0083] 本発明の実施形態を放射性同位元素Ｍｏ－９９の発生に関連付けて記載したが、本発明の実施形態を用いて他の放射性同位元素を発生させることも可能である。概して、本発明の実施形態を用いて、極めて硬いＸ線をソース材料へ誘導することによって形成され得る任意の放射性同位元素を発生することができる。
[0084] 本発明の利点は、高中性子束原子炉を用いる必要なく放射性同位元素の生成を実現することである。別の利点は、高濃縮ウラン（非拡散規則の対象になる危険物である）を用いる必要がないことである。
[0085] 本発明の実施形態を、Ｍｏ－１００を用いて、崩壊することでＴｃ－９９になるＭｏ－９９放射性同位元素を発生するものとして記載したが、本発明の実施形態を用いて他の医学的に有用な放射性同位元素を発生することも可能である。例えば、本発明の実施形態を用いて、崩壊することでＧａ－６８になるＧｅ－６８を発生できる。本発明の実施形態を用いて、崩壊することでＲｅ－１８８になるＷ－１８８を発生できる。本発明の実施形態を用いて、崩壊することでＢｉ－２１３、Ｓｃ－４７、Ｃｕ－６４、Ｐｄ－１０３、Ｒｈ－１０３ｍ、Ｉｎ－１１１、Ｉ－１２３、Ｓｍ－１５３、Ｅｒ－１６９、及びＲｅ－１８６になるＡｃ－２２５を発生できる。
[0086] 本発明の実施形態について、赤外線放射ビームを出力する自由電子レーザＦＥＬの文脈で記載した。しかしながら、自由電子レーザＦＥＬは、任意の波長を有する放射を出力するように構成できる。従って、本発明のいくつかの実施形態は、赤外線放射ビームでない放射ビームを出力する自由電子レーザを含み得る。
[0087] 異なる実施形態を相互に組み合わせてもよい。実施形態の特徴を他の実施形態の特徴と組み合わせてもよい。
[0088] 以上、本発明の特定の実施形態を説明したが、説明とは異なる方法でも本発明を実践できることは認められよう。上記の説明は限定でなく例示を意図している。従って、以下に述べる請求の範囲から逸脱することなく、記載された本発明を変更できることは当業者には明白である。

Claims (15)

  1. 電子ビームを提供するように配置され、電子入射器及び加速器を含む電子源と、
    前記電子ビームを用いて放射ビームを発生させるように構成されたアンジュレータと、
    前記放射ビームが交差する分子の流れを提供するように構成された分子流ジェネレータと、
    前記分子の流れから選択的に受容される分子又はイオンを受容するように構成されたレセプタクルと、
    使用中に前記電子ビームが入射するターゲットを保持するように構成されたターゲットサポート構造と、
    を備える一体型濃縮及び放射性同位元素生成装置。
  2. 前記放射ビームは、前記分子の流れを少なくとも部分的にイオン化するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  3. 前記装置は更に、前記少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る磁場を発生させるように構成された磁石を備える、請求項２に記載の装置。
  4. 前記装置は更に、前記少なくとも部分的にイオン化した分子の流れが横切る電場を発生させる電極を備える、請求項２又は請求項３に記載の装置。
  5. 前記レセプタクルは２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルであり、前記第１のレセプタクルは所望の同位元素と一致する質量を有するイオンを受容するように構成され、第２のレセプタクルは他のイオンを受容するように構成されている、請求項３又は請求項４に記載の装置。
  6. 前記第１のレセプタクルは冷却プレートを含み、この冷却プレート上で前記イオンが凝縮又は凝固するか、又は、前記第１のレセプタクルは前記イオンをコンテナに注入するポンプを含む、請求項５に記載の装置。
  7. 前記放射ビームは赤外線放射ビームである、請求項２から６のいずれかに記載の装置。
  8. 前記放射ビームは、前記分子の流れ内で所望の同位元素を励起するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  9. 前記レセプタクルは２つ以上のレセプタクルのうち第１のレセプタクルであり、前記第１のレセプタクルは前記励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成され、第２のレセプタクルは他の分子を受容するように構成されている、請求項８に記載の装置。
  10. 前記第１のレセプタクルは、前記励起された所望の同位元素を含む分子を受容するように構成された環状開口を含む、請求項９に記載の装置。
  11. 前記放射ビームは紫外線放射ビームである、請求項８から１０のいずれかに記載の装置。
  12. 電子入射器及び加速器を用いて電子ビームを提供することと、
    アンジュレータを用いて、前記電子ビームを用いて放射ビームを発生させることと、
    前記放射ビームが交差する分子の流れを提供することと、
    レセプタクルにおいて、所望の同位元素を含む前記分子の流れからの分子又はイオンを選択的に受容することと、
    所望の同位元素を含むターゲット上に前記電子ビームを誘導して放射性同位元素を発生させることと、
    を含む、一体型濃縮及び放射性同位元素生成の方法。
  13. 前記方法は更に、前記レセプタクルに受容された前記同位元素を抽出することと、これを用いて、前記電子ビームが入射するその後のターゲットを形成することと、を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記放射ビームは前記分子の流れを少なくとも部分的にイオン化し、前記少なくとも部分的にイオン化した分子の流れはその後、それらの質量に従ってイオンの軌道を変更する磁場及び／又は電場を通過する、請求項１２又は１３のいずれかに記載の方法。
  15. 前記放射ビームは、前記分子の流れ内で所望の同位元素を励起し、前記所望の同位元素を含有する前記分子はその後、前記分子の流れ内の他の分子から発散する、請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
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