JP5424158B2 - ターゲット装置 - Google Patents

Description

本発明は、陽子などの加速粒子の照射を受けて中性子やＸ線を発生する固体状のターゲットあるいはターゲット液体（例えば、ターゲット水（^１８Ｏ水））を収容する容器を備え、ターゲット液体に加速粒子を照射して放射性同位元素を製造するターゲットを備えたターゲット装置に関する。

がん治療等において、放射線治療は高い評価を受けている。特に、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）は、原理的に細胞レベルの選択的な治療の可能性があり、注目されている。ＮＣＴでは、中性子を照射したときに飛程が短く高ＬＥＴ（LinearEnergy Transfer）の重荷電粒子などを発生する安定同位元素を、あらかじめ治療すべきがん細胞に取り込ませておく。その後、中性子を照射し、重荷電粒子の飛散によってがん細胞だけを選択的に破壊する。ＮＣＴに用いられる安定同位元素は、中性子と反応して高ＬＥＴの重荷電粒子を発生する^１０Ｂや^６Ｌｉなどであり、中性子はこれらに対して大きな反応断面積を持つ低エネルギー中性子である。現在では、ＮＣＴとして、^１０Ｂ及び熱中性子や熱外中性子が用いられており硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：BoronNCT）と呼ばれることもある。

非特許文献１には、ＮＣＴなどに用いられる中性子を発生させる装置が開示されている。この装置では、タングステン製の基板上にリチウムなどからなるフィルム状のターゲットを形成し、そのターゲットに加速粒子を照射して中性子を発生させている。中性子を発生させる際に、ターゲット及び基板では、非常に大きいエネルギーレベルの加速粒子の照射を受けるため、温度の上昇を抑える必要がある。そのため、この装置では、基板に冷却水の流路（channels for cooling）となる溝を形成し、その溝内を流動する冷却水によってターゲットの冷却を行っていた。
「Journalof Physics: Conference Series」 Institute of Physics Publishing, 第41巻 (2006) p.460-465.

基板の溝をターゲットで塞ぎ、冷却水をターゲットに接するように流すと、ターゲットの排熱効果を高めることができる。しかしながら、基板とターゲットとの間には、加工精度上、微細な隙間ができてしまい、冷却水は、溝以外の領域、すなわち、基板とターゲットとが近接して対面している僅かな隙間にも進入してしまう。その結果、隙間内で冷却水の滞留が起き、局所加熱によって冷却水が蒸気化し、排熱効率を損なう虞があった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、冷却水の滞留を抑えてターゲットの排熱効率を容易に向上できるターゲット装置を提供することを目的とする。

本発明に係るターゲット装置は、加速粒子の照射を受ける固体状のターゲットと、ターゲットに接する冷却部と、を備え、冷却部には、ターゲットに接して流動する冷却水が通過する冷却溝が形成されており、冷却溝は、冷却部におけるターゲットと接する側の表面において延伸するように形成されると共に隣接して並ぶ少なくとも一対の並行部を有し、冷却部は、一対の並行部を区画する隔壁部を有し、隔壁部は、ターゲットに近い側の方がターゲットから遠い側よりも薄いことを特徴とする。

本発明に係るターゲット装置の隔壁部では、ターゲットに近い側の方が、ターゲットから遠い側よりも薄くなっている。従って、冷却水の流路断面積が同一であるならば、並設された溝を区画する壁の厚みが一様である場合に比べて、冷却水がターゲットに接する接触面積は拡がり、排熱効率を向上できる。さらに、本発明に係るターゲット装置では、ターゲットに近接して対面する隔壁部の先端とターゲットとの間の隙間を狭くでき、冷却水が隙間内に進入し難くなる。その結果として、隙間での冷却水の滞留を抑えてターゲットの排熱効率を容易に向上できる。

さらに、隔壁部は、ターゲットに当接する当接部を有し、当接部は、ターゲットに近い側が遠い側に比べて薄くなるような勾配が形成されたテーパ状であると好適である。隔壁部によって区画形成された冷却水の流路は、隔壁部の当接部をテーパ状にすることで、ターゲットに近づくほど幅が広がり、冷却水とターゲットとの接触面積は拡大する。一方で、冷却水の流路は、ターゲットから離れる程狭くなるため、ターゲットから遠い側の領域では流速は速くなる。したがって、冷却水の流速を落とさずに、冷却水とターゲットとの接触面積を拡大でき、ターゲットの排熱効率を容易に向上できる。

本発明によれば、冷却水の滞留を抑えてターゲットの排熱効率を容易に向上できる。

以下、本発明に係る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。図１は、本実施形態に係るターゲット装置を備えたＢＮＣＴ装置の側面図であり、図２はターゲット装置の側面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

図１に示されるように、ＢＮＣＴ装置１は、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）によってがん治療等を行うための装置である。ＢＮＣＴ装置１は、患者が治療を受けるために座る治療台３と、サイクロトロンでつくられる高速の陽子（以下、「陽子線」という）Ｌ（図４参照）を受けて中性子Ｎを発生させるターゲット装置５と、ターゲット装置５で発生した中性子Ｎを減速させ、低エネルギーの中性子Ｎとして患者に照射する中性子減速装置（「モデレータ」ともいう）７と、を備えている。陽子線Ｌは、加速粒子に相当する。

図２〜図４に示されるように、ターゲット装置５は、サイクロトロンに繋がるように敷設されたビームダクト９の端部に、着脱自在に取り付けられている。ターゲット装置５は、陽子線Ｌの照射を受けて中性子Ｎを発生するターゲット１０と、ターゲット１０を保持するターゲットホルダー１１とからなる。ターゲット１０は、円板状に成形されており、ターゲットホルダー１１は、ターゲット１０を挟み付けて保持するフランジ付き短管１３と冷却板（冷却部）１５とを有する。

フランジ付き短管１３はビームダクト９に固定されている。フランジ付き短管１３を通過した陽子線Ｌは、ターゲット１０の一方の端面１０ａに照射される。ターゲット１０は、陽子線Ｌの照射を受けると中性子Ｎを発生し、その中性子Ｎは、ターゲット１０の背面１０ｂ、すなわち冷却板１５に接する他方の端面側から放出される。ターゲット１０の背面１０ｂには、防錆、防蝕のための陽極酸化処理が施されている。

冷却板１５は銅（Ｃｕ）またはグラファイトによって成形される。冷却板１５には、ターゲット１０に接する一方の端面側に冷却水Ｗが通過する複数の螺旋溝１７（図３参照）が形成されている。さらに、冷却板１５の裏側には、冷却水Ｗを導入するための導入孔１９と冷却水Ｗを排出するための排出孔２１とが形成されている。導入孔１９は、冷却水Ｗを導入するために敷設された導入管２２（図１参照）に接続され、排出孔２１は、冷却水Ｗを排出するために敷設された排出管２４に接続されている。

螺旋溝１７は、冷却板１５の中央から外側に向けて螺旋（「平面曲線」、（「渦巻き線」ともいう）を描くように形成されている。複数の螺旋溝１７は、互いに交差することなく冷却板１５の略中央で一つにまとまり、中央孔２３を介して裏側の導入孔１９に連通している。また、螺旋溝１７の外側の端部は、貫通孔２５を介して裏側の排出孔２１に連通している。冷却水Ｗは、導入孔１９内を通り、中央孔２３を抜けて四本の螺旋溝１７それぞれに分かれる。さらに、冷却水Ｗは、螺旋溝１７の外側の端部から貫通孔２５を通って合流し、裏側の排出孔２１を通って排出される。

隣接する一対の螺旋溝１７は、カーブを描くように並んでいる。複数の螺旋溝１７によって冷却溝２６は形成され、各螺旋溝１７は並行部に相当する。なお、本実施形態では、冷却溝２６を複数の螺旋溝１７によって形成するが、例えば、何重にも巻く一本の螺旋溝を冷却溝として形成してもよい。この場合、一本の螺旋溝の中で、内外に隣接して並んだ流路領域が、隣接する一対の並行部となる。また、冷却溝として左右に蛇行する一本の蛇行溝を形成してもよい。この場合、一本の蛇行溝の中で、隣接して並んだ上流側及び下流側の流路領域が、隣接する一対の並行部となる。

図４に示されるように、隣接する一対の螺旋溝１７は、冷却板１５の隔壁部２８によって区画されている。隔壁部２８は、ターゲット１０に当接する当接部２９と、断面視で略平行な側面３１ａ，３１ａを持った基部３１とを有する。基部３１の厚みは高さ方向で一様である。一方で、当接部２９は、対向する両側面２９ａ，２９ａに勾配が形成されたテーパ状であり、断面視でターゲット１０に近い側の厚みｄ１の方が、遠い側の厚みｄ２に比べて薄くなっている。当接部２９の先端２９ｂは最も薄くなっており、その先端２９ｂでターゲット１０に当接している。なお、先端２９ｂとターゲット１０とは当接しているが、加工精度上、部分的にどうしても微細な隙間Ｓが生じてしまう。図４では、隙間Ｓを明確に示すために、先端２９ｂとターゲット１０とが離間しているように記載しているが、実際には、先端２９ｂとターゲット１０とは、ほぼ当接している。なお、隙間Ｓは場所に応じて変化が無く一定であってもよいし、また、広い隙間や狭い隙間ができるように場所に応じて変化させてもよい。

ターゲット１０はベリリウム（Ｂｅ）からなり、２（ｍＡ）、３０（ＭｅＶ）の陽子線Ｌの照射を受けると６０ｋＷ程度の排熱が必要となり、効率よく排熱できなければ溶けてしまう虞がある。ターゲット１０は、冷却板１５のすべての螺旋溝１７を塞ぐように配置され、螺旋溝１７内に冷却水Ｗの流路を形成するようになっているので、ターゲット１０に接するように冷却水Ｗの流路が形成される。その結果として、ターゲット１０を冷却水Ｗによって直接冷却できるようになり、ターゲット１０の排熱効率を向上できる。

さらに、隣接する一対の螺旋溝１７を区画する隔壁部２８は、ターゲット１０に近い側の厚みｄ１の方がターゲット１０から遠い側の厚みｄ２よりも薄くなっている。冷却水Ｗの流路断面積が同一であるならば、並設された溝を区画する壁の厚みが高さ方向で一様である場合に比べて、ターゲット１０に接する冷却水Ｗの接触面積は拡大し、排熱効率を向上できる。

また、隔壁部２８の先端２９ｂとターゲット１０との間には、加工精度上、どうしても微細な隙間Ｓができてしまう。しかしながら、基部３１と同様の厚みを有する先端がターゲット１０に接している場合に比べて、ターゲット装置５では、隔壁部２８の先端２９ｂとターゲット１０との対面領域の面積が少なくなり、その領域に生じる隙間Ｓを低減できる。その結果として、隙間Ｓに冷却水Ｗが進入し難くなり、隙間Ｓでの冷却水Ｗの滞留を抑えてターゲット１０の排熱効率を容易に向上できる。

また、冷却水Ｗとターゲット１０との接触面積を拡げるために、冷却水Ｗの流動する溝の幅を安易に拡げると、冷却水Ｗの流速が遅くなり、排熱効率の低下を招来する。ターゲット装置５の隔壁部２８では、ターゲット１０に当接する当接部２９をテーパ状にしているので、基部３１に沿って流動する冷却水Ｗの流速は減速せず、一定の流速を確保しながら、冷却水Ｗとターゲット１０との接触面積を拡大でき、ターゲット１０の排熱効率を容易に向上できる。さらに、当接部２９をテーパ状にすることは、切削加工などで勾配をつけることで比較的簡単に製作できるため、加工も容易である。

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。例えば、上記の実施形態に係る隔壁部２８の当接部２９では、対向する両側面２９ａ，２９ａに勾配を形成していた。しかしながら、図５に示されるように、両側面４１ａ，４１ｂのうち、片側の側面４１ａのみに勾配を形成した当接部４１を有する隔壁部４２にしてもよい。なお、図５では、隔壁部４２以外のその他の要素については、上記のターゲット装置５と同様であるため、同一の符号を記して説明を省略する。

また、上記実施形態では、ターゲット１０は、中性子を発生させるための固体状のＢｅやＬｉとして示したが、同様にＸ線を発生させる固体状のターゲットでも良く、更には、ポジトロン断層撮影法で用いられるターゲット液体（例えば、ターゲット水（^１８Ｏ水））を収容するＮｂやＡｇ製の固体状の容器を備えたターゲットでもよい。

本発明の実施形態に係るターゲット装置を装着したＢＮＣＴ装置の側面図である。 本実施形態に係るターゲット装置の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 冷却板の隔壁部の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０…ターゲット、１５…冷却板（冷却部）、１７…螺旋溝（並行部）、２６…冷却溝、２８，４２…隔壁部、２９，４１…当接部、Ｌ…陽子線（加速粒子）、Ｗ…冷却水。

Claims (2)

1. 加速粒子の照射を受ける固体状のターゲットと、
   前記ターゲットに接する冷却部と、を備え、
   前記冷却部には、前記ターゲットに接して流動する冷却水が通過する冷却溝が形成されており、
   前記冷却溝は、前記冷却部における前記ターゲットと接する側の表面において延伸するように形成されると共に隣接して並ぶ少なくとも一対の並行部を有し、
   前記冷却部は、前記一対の並行部を区画する隔壁部を有し、
   前記隔壁部は、前記ターゲットに近い側の方が前記ターゲットから遠い側よりも薄いことを特徴とするターゲット装置。
2. 前記隔壁部は、前記ターゲットに当接する当接部を有し、
   前記当接部は、前記ターゲットに近い側が遠い側に比べて薄くなるような勾配が形成されたテーパ状であることを特徴とする請求項１記載のターゲット装置。

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