JP6914870B2 - 放射性同位元素製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射性同位元素製造装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の放射性同位元素製造装置が知られている。この放射性同位元素製造装置は、ターゲットを保持するターゲット装置を備えている。このターゲット装置がターゲットを保持した状態で粒子加速器に装着され、粒子加速器から荷電粒子線がターゲットに照射されることで、核反応によりターゲットに放射性同位元素が生成される。

特開2013-167489号公報

近年では、放射性同位元素の需要が高まっており、この種の放射性同位元素製造装置においても放射性同位元素の収量を向上させることが望まれる。本発明は、放射性同位元素の収量を向上させる放射性同位元素製造装置を提供することを目的とする。

本発明の放射性同位元素製造装置は、ターゲット材へ荷電粒子線を照射して放射性同位元素を製造する放射性同位元素製造装置であって、荷電粒子線を所定のビーム軸に沿って出射する粒子加速器と、粒子加速器から出射された荷電粒子線が入射し通過する第１ターゲット部と、第１ターゲット部を通過した荷電粒子線が入射する第２ターゲット部と、を備え、第１ターゲット部は、荷電粒子線が通過するビーム通過路と、ビーム通過路内においてビーム軸上で第１のターゲット材を保持するターゲット材保持部と、第１のターゲット材を冷却する冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、を有し、第２ターゲット部は、基板本体と当該基板本体に設けられた第２のターゲット材とを含むターゲット基板をビーム軸上に保持する基板保持部と、ターゲット基板のうち荷電粒子線の下流側の面に、当該ターゲット基板を冷却する冷却水を供給する冷却水供給部と、を有し、ビーム軸上における、第１ターゲット部の第１のターゲット材とターゲット材保持部との合計の厚みは、ビーム軸上におけるターゲット基板の厚みよりも小さい。

また、第１ターゲット部は複数のターゲット材保持部を有するようにしてもよい。また、ビーム軸に交差する方向から第１のターゲット材をビーム軸上に挿抜可能である構成にしてもよい。

本発明によれば、放射性同位元素の収量を向上させる放射性同位元素製造装置を提供することができる。

実施形態に係る放射性同位元素製造装置を示す断面図である。 第１ターゲット部を分解して示す断面図である。 （ａ）は、ターゲットフォイルを拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、ターゲット基板を拡大して示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る放射性同位元素製造装置の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照しながら放射性同位元素製造装置１について説明する。放射性同位元素製造装置１は、ターゲット材１７へ荷電粒子線を照射し、核反応によって放射性同位元素を生成させ製造する装置である。放射性同位元素製造装置１は、荷電粒子を加速して所定のエネルギーの荷電粒子線を出射する粒子加速器３と、ターゲット材１７を保持して粒子加速器３のマニホールド５に装着されるターゲット装置７と、を備えている。

放射性同位元素製造装置１で製造される放射性同位元素の核種としては、例えば、⁶⁴Cu、⁸⁹Zr、⁷⁶Br、¹²⁴I、¹²³I、⁶²Zn、等が挙げられる。また上記核種を製造するためのターゲット材１７の材料として、それぞれ、⁶⁴Ni、天然Y(⁸⁹Y)、Cu₂ ⁷⁶Se、¹²⁴TeO₂、¹²³TeO₂、天然Cu、等が使用される。

ターゲット材１７の材料が⁶⁴Niである場合、例えば、当該材料は粒状であり、金からなる基板上に電気メッキで⁶⁴Niが固定され使用される。そして粒子加速器３からは陽子線（水素の正イオンからなる陽子線）が照射され、⁶⁴Ni(p,n)⁶⁴Cuの核反応によって核種⁶⁴Cuが製造される。ターゲット材１７の材料が天然Y(⁸⁹Y)である場合、例えば、当該材料はフォイル状であり、金からなる基板上に上記フォイルが物理的に固定（差込み型など）されて使用される。そして粒子加速器３からは陽子線が照射され、⁸⁹Y(p,n)⁸⁹Zrの核反応によって核種⁸⁹Zrが製造される。ターゲット材１７の材料がCu₂ ⁷⁶Seである場合、例えば、当該材料は粒状であり、白金からなる基板上に焼結によってCu₂ ⁷⁶Seが固定され使用される。そして粒子加速器３からは陽子線が照射され、⁷⁶Se(p,n)⁷⁶Brの核反応によって核種⁷⁶Brが製造される。

ターゲット材１７の材料が¹²⁴TeO₂である場合、例えば、当該材料は粒状であり、白金からなる基板上に焼結によって¹²⁴TeO₂が固定され使用される。そして粒子加速器３からは陽子線が照射され、¹²⁴Te(p,n)¹²⁴Iの核反応によって核種¹²⁴Iが製造される。ターゲット材１７の材料が¹²³TeO₂である場合、例えば、当該材料は粒状であり、白金からなる基板上に焼結によって¹²³TeO₂が固定され使用される。そして粒子加速器３からは陽子線が照射され、¹²³Te(p,n)¹²³Iの核反応によって核種¹²³Iが製造される。ターゲット材１７の材料が天然Cuである場合、例えば、当該材料はフォイル状であり、金からなる基板上に上記フォイルが物理的に固定（差込み型など）されて使用される。そして粒子加速器３からは陽子線が照射され、⁶³Cu(p,2n)⁶²Znの核反応によって核種⁶²Znが製造される。

粒子加速器３としては、例えばサイクロトロン、線形加速器（ライナック）等が使用される。荷電粒子線としては、例えば、陽子線、重陽子線、α線等が使用される。以下の説明においては、粒子加速器３から出射される荷電粒子線の上流、下流に対応させて、「上流側」、「下流側」等の語を用いるものとする。また、粒子加速器３から出射される荷電粒子線のビーム軸には図中で「Ｂ」の符号を付す。ビーム軸とは、ある位置における荷電粒子線の飛跡及びその延長線である。

ターゲット装置７は、複数のターゲット材１７をビーム軸Ｂ上に保持することができる。本実施形態においては、図に例示されるように、ターゲット装置７が合計５つのターゲット材１７をビーム軸Ｂ上に保持可能であるものとする。ターゲット材１７の保持構造についての詳細は後述する。ターゲット装置７は、マニホールド５の直ぐ下流側に接続される第１ターゲット部１１と、第１ターゲット部１１の直ぐ下流側に接続される第２ターゲット部１２と、を備えている。粒子加速器３から出射された荷電粒子線は、第１ターゲット部１１に入射し通過する。そして、第１ターゲット部１１を通過した荷電粒子線が、第２ターゲット部に入射するようになっている。マニホールド５から第１ターゲット部１１に亘ってビーム通過路１５が設けられている。当該ビーム通過路１５内にはビーム軸Ｂが通過し、上記の荷電粒子線は当該ビーム通過路１５を通過する。マニホールド５のビーム通過路１５内には真空フォイル１４が設置され、真空フォイル１４はビーム通過路１５を真空状態に封止する。

（第１ターゲット部）
第１ターゲット部１１は、例えば四角柱状をなす本体胴部１３を備えており、当該本体胴部１３の中央には、円形断面をなす貫通孔がビーム軸Ｂ方向に貫通するように形成されている。当該貫通孔が、上述のビーム通過路１５の一部を構成する。

第１ターゲット部１１は、本体胴部１３に着脱可能なターゲットホルダー２１を４つ備えている。各ターゲットホルダー２１にはそれぞれ１つずつのターゲットフォイル１６を取付けることができる。図３（ａ）に拡大して示されるように、本実施形態では、ターゲットフォイル１６が、金フォイル１８（ターゲット材保持部）と、当該金フォイル１８の上流側の面上に形成されたターゲット材１７と、を備えているものとする。例えば、ターゲット材１７は、目的の放射性同位元素を得るためのターゲット物質が、金フォイル１８表面に焼結又はメッキされることで形成される。

ターゲットホルダー２１のホルダー本体部２１ａは、ビーム軸Ｂ方向を厚みとする平板状をなしている。ホルダー本体部２１ａには、ビーム通過路１５の一部をなすビーム通過孔２５が厚み方向に貫通して形成されており、このビーム通過孔２５（ターゲット材保持部）内に薄膜状のターゲットフォイル１６が取付けられる。一方、本体胴部１３には、各ターゲットホルダー２１のホルダー本体部２１ａを挿入するスリット２３が形成されている。スリット２３は、本体胴部１３の側壁面からビーム通過路１５を横切る位置まで、ビーム軸Ｂに交差する方向（本実施形態ではビーム軸Ｂに直交する方向）に切り込まれている。

このスリット２３に対してターゲットホルダー２１のホルダー本体部２１ａが挿抜されることにより、ターゲットフォイル１６はビーム軸Ｂに交差する方向（本実施形態ではビーム軸Ｂに直交する方向）からビーム軸Ｂ上に挿抜可能である。そして、ホルダー本体部２１ａがスリット２３挿入された状態では、ターゲットフォイル１６はビーム通過路１５内に位置し、ビーム軸Ｂを横切って位置する。以上のような構造により、第１ターゲット部１１には、合計４つのターゲット材１７がビーム通過路１５内でビーム軸Ｂ上に直線状に配置される。上記４つのターゲットフォイル１６のターゲット材１７を互いに区別する場合には、上流側から順に、ターゲット材１７ａ，ターゲット材１７ｂ，ターゲット材１７ｃ，ターゲット材１７ｄと呼ぶ。

なお、ターゲットホルダー２１のうちホルダー本体部２１ａ以外の部位は、ツマミ部２１ｂとして本体胴部１３の側壁面上に突出している。このツマミ部２１ｂが所定のアクチュエータ等で把持されることにより、本体胴部１３に対するターゲットホルダー２１の着脱操作が円滑に実行される。ツマミ部２１ｂのうち本体胴部１３の側壁面に対面する部位には、Ｏリング２７が設けられている。ツマミ部２１ｂと本体胴部１３の側壁面との間に上記Ｏリング２７が挟み込まれ、ビーム通過路１５が真空状態に封止されている。

（第２ターゲット部）
図１に示されるように、第２ターゲット部１２は、例えば円柱形状をなすボディ部３１を備えている。ボディ部３１にはターゲット基板３５を保持する基板保持部３３が形成されている。基板保持部３３は、ボディ部３１の前端面に形成された円形の凹部を有しており、当該凹部内にはバキューム孔３４が開口している。上記凹部に円板状のターゲット基板３５が嵌り込み、バキューム孔３４を通じてターゲット基板３５が真空引きされることで、基板保持部３３にターゲット基板３５が保持されている。また、ボディ部３１の前端面には、基板保持部３３を囲むようにＯリング４１が設置されている。このＯリング４１が第１ターゲット部１１と第２ターゲット部１２との間に挟み込まれ、ビーム通過路１５が真空状態に封止されている。

図３（ｂ）に拡大して示されるように、上記のターゲット基板３５は、例えば、所定の材料からなる円形の基板本体３７と、当該基板本体３７の上流側の面上に形成されたターゲット材１７と、を備えている。このターゲット材１７は、目的の放射性同位元素を得るためのターゲット物質が、基板本体３７の表面に焼結又はメッキされることで形成される。または、上記のターゲット材１７は、目的の放射性同位元素を得るためのターゲット物質からなるフォイルが、基板本体３７の表面に接合されることで形成される。基板本体３７の材料としては、例えば金、白金等が使用される。ターゲット基板３５のターゲット材１７を他のターゲット材１７と区別する場合には、ターゲット材１７ｅと呼ぶ。図１に示されるように、基板保持部３３に保持されたターゲット基板３５がビーム通過路１５の後端面を塞いでおり、ターゲット材１７ｅがビーム軸Ｂ上に位置している。

以上のような放射性同位元素製造装置１の構成によれば、真空フォイル１４と、第１ターゲット部１１に保持された４つのターゲット材１７ａ〜１７ｄ（第１のターゲット材）と、第２ターゲット部１２に保持された１つのターゲット材１７ｅ（第２のターゲット材）と、が、ビーム軸Ｂ上に直線的に配列される。そして、粒子加速器３から出射された荷電粒子線は、真空フォイル１４と、ターゲット材１７ａ〜１７ｄと、を順に通過し、ターゲット材１７ｅに到達する。このとき、５つのターゲット材１７ａ〜１７ｅにそれぞれ荷電粒子線が照射されることになり、各ターゲット材１７ａ〜１７ｅではそれぞれ核反応によって放射性同位元素が生成する。このとき、荷電粒子線は、ターゲット基板３５を通過せずに、基板本体３７によって止められることが好ましい。

ここで、ビーム通過路１５を通過する荷電粒子線のエネルギーは、各ターゲットフォイル１６がデグレーダーのように機能することで、下流側に行くに従って低下していく。従って、各ターゲット材１７ａ〜１７ｅに照射される荷電粒子線のエネルギーは、下流に行くほど小さくなる。その一方、放射性同位元素の生成効率を高めるための最適なエネルギーは核種毎に異なる。この知見に基づけば、各ターゲット材１７ａ〜１７ｅがすべて同一の核種である必要はなく、各ターゲット材１７ａ〜１７ｅの中に異なる複数種類の核種が存在するようにしてもよい。そして、荷電粒子線のエネルギーが各ターゲット材１７ａ〜１７ｅの核種に対して最適化され、放射性同位元素の生成効率が最適化されるように、各ターゲットフォイル１６の厚みや各ターゲット材１７ａ〜１７ｅの核種が決定されてもよい。

また、ビーム軸Ｂ上における第１ターゲット部１１のターゲット材１７ａ〜１７ｄと金フォイル１８との４つ分の合計の厚みは、ビーム軸Ｂ上における第２ターゲット部１２のターゲット材１７ｅと基板本体３７との合計の厚みよりも小さい。換言すれば、ビーム軸Ｂ上における４枚のターゲットフォイル１６の厚みの合計が、ターゲット基板３５の厚みよりも小さい。この条件により、粒子加速器３からの荷電粒子線は、第１ターゲット部１１の４枚のターゲットフォイル１６を通過し、かつ、その下流側でターゲット基板３５の基板本体３７を通過せずに止められる、といった設定が可能になる。

（ターゲット等の冷却手段）
放射性同位元素製造装置１では、真空フォイル１４、ターゲットフォイル１６及びターゲット基板３５には荷電粒子線が照射されるので、適宜冷却する必要がある。放射性同位元素製造装置１は、真空フォイル１４、ターゲットフォイル１６及びターゲット基板３５（以下、総称して「冷却対象物」という）を冷却するための以下のような構成を備えている。

放射性同位元素製造装置１は、冷却ガス源（図示せず）から送られる冷却ガスを、ビーム通過路１５内に供給し冷却対象物に対して吹き付ける５箇所の冷却ガス供給部５１を備えている。冷却ガスとしては、例えばヘリウムガスが使用される。各冷却ガス供給部５１は、ビーム軸Ｂ方向において、冷却対象物同士の各間の位置に１つずつ配置されている。上流側から１番目に位置する冷却ガス供給部５１は、マニホールド５内に設けられており、上流側から２〜５番目に位置する冷却ガス供給部５１は、第１ターゲット部１１の本体胴部１３内に設けられている。各冷却ガス供給部５１に対して、ビーム通過路１５を挟んで対向する位置には、上記冷却ガスをビーム通過路１５から排出する冷却ガス排出部５３が１つずつ設けられている。

各冷却ガス供給部５１は、上流側に位置する冷却対象物の下流側の面に向けて斜めに冷却ガスを吹き付ける上流側吹付流路５５と、下流側に位置する冷却対象物の上流側の面に向けて斜めに冷却ガスを吹き付ける下流側吹付流路５７とを備えている。このような冷却ガス供給部５１によれば、各ターゲットフォイル１６は、それぞれ、上流側の面と下流側の面の両面から冷却ガスが吹き付けられて冷却される。また、真空フォイル１４は、下流側の面に冷却ガスが吹き付けられて冷却される。また、ターゲット基板３５は、上流側の面に冷却ガスが吹き付けられ、下流側の面には次に説明するように冷却水が接触して、両面から冷却される。

放射性同位元素製造装置１は、ターゲット基板３５を水冷するための冷却水供給部を備えている。具体的には、第２ターゲット部１２のボディ部３１には、ターゲット基板３５に冷却水を供給する冷却水供給路６１と、当該冷却水を排出する冷却水排出路６３と、が設けられている。上記冷却水は、ターゲット基板３５を蓋とする冷却水空間６５内を流動し、ターゲット基板３５の下流側の面に接触してターゲット基板３５を冷却する。また、ボディ部３１には、上記冷却水をボディ部３１内から完全に排出するための、エアブロー流路６７とエアブロー排出流路６９とが設けられている。以上のように、ターゲット基板３５は、上流側からは冷却ガスにより、下流側からは冷却水によって冷却される。

以上説明した放射性同位元素製造装置１による作用効果について説明する。放射性同位元素製造装置１は、それぞれビーム軸Ｂ上にターゲット材１７を保持する第１ターゲット部１１と第２ターゲット部１２とを備えている。粒子加速器３からの荷電粒子線は、第１ターゲット部１１に保持されたターゲット材１７に照射され通過した後、第２ターゲット部１２に保持されたターゲット材１７にも照射される。すなわち、荷電粒子線が複数のターゲット材１７に同時に照射され、複数のターゲット材１７においてそれぞれ放射性同位元素が同時に生成する。従って、放射性同位元素の収量が向上する。また、前述したように各ターゲット材１７ａ〜１７ｅの中に異なる複数種類の核種が存在するようにすれば、複数種類の核種の放射性同位元素を同時に得ることも可能になる。

更に、第１ターゲット部１１自体が複数のターゲット材１７ａ〜１７ｄを保持可能であり、ターゲット材１７ａ〜１７ｄにおいてそれぞれ放射性同位元素が同時に生成する。従って、上述したような放射性同位元素の収量が更に向上する。また、ターゲット材１７の両面が冷却されることにより冷却効率が高いので、荷電粒子線照射による入熱の制約が緩和され、その結果ターゲット材１７を厚くすることもできる。従って、ターゲット材１７を厚くして放射性同位元素の収量を向上することもできる。

また、一般的には、サイクロトロンから出射される荷電粒子線のエネルギーは変更困難であるので、従来であれば、真空フォイル１４をデグレーダーとして、ターゲット材１７に照射される荷電粒子線のエネルギーを最適な値まで低下させることが必要であった。これに対して放射性同位元素製造装置１では、上流側に位置するターゲットフォイル１６が下流側に位置するターゲットフォイル１６又はターゲット基板３５にとってのデグレーダーとして機能することになる。従って、前述したように、各ターゲットフォイル１６の厚み等を調整することにより、各ターゲット材１７に照射される荷電粒子線のエネルギーを、高い生成効率を得られるエネルギーに調整することができる。

また、第２ターゲット部１２では、ターゲットホルダー２１を本体胴部１３に挿入してターゲット材１７を設置する方式が採用されているので、ターゲット材１７の設置及び排出が簡便に実行可能である。また、ターゲット材１７の設置及び排出を自動化することも可能になり、その結果、手動によるターゲット材１７の設置及び排出に比較して、作業者の被ばくを低減することができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、第１ターゲット部１１が保持可能なターゲットフォイル１６の数は、実施形態のように４つには限定されず、適宜増減させてもよいし、単数であってもよい。また、実施形態では、ターゲットフォイル１６は、金フォイル１８と、当該金フォイル１８の上流側の面上に形成されたターゲット材１７と、を備えているものとしたが、フォイル状に形成されたターゲット材１７をそのままターゲットフォイル１６として使用する形態であってもよい。

１…放射性同位元素製造装置、１１…第１ターゲット部、１２…第２ターゲット部、１５…ビーム通過路、１７…ターゲット材、１７ａ〜１７ｄ…ターゲット材（第１のターゲット材）、１７ｅ…ターゲット材（第２のターゲット材）、１８…金フォイル（ターゲット材保持部）、２５…ビーム通過孔（ターゲット材保持部）、３３…基板保持部、３５…ターゲット基板、３７…基板本体、５１…冷却ガス供給部、６１…冷却水供給路（冷却水供給部）Ｂ…ビーム軸。

Claims (3)

1. ターゲット材へ荷電粒子線を照射して放射性同位元素を製造する放射性同位元素製造装置であって、
   前記荷電粒子線を所定のビーム軸に沿って出射する粒子加速器と、
   前記粒子加速器から出射された前記荷電粒子線が入射し通過する第１ターゲット部と、
   前記第１ターゲット部を通過した前記荷電粒子線が入射する第２ターゲット部と、を備え、
   前記第１ターゲット部は、
   前記荷電粒子線が通過するビーム通過路と、
   前記ビーム通過路内において前記ビーム軸上で第１のターゲット材を保持するターゲット材保持部と、
   前記第１のターゲット材を冷却する冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、を有し、
   前記第２ターゲット部は、
   基板本体と当該基板本体に設けられた第２のターゲット材とを含むターゲット基板を前記ビーム軸上に保持する基板保持部と、
   前記ターゲット基板のうち前記荷電粒子線の下流側の面に、当該ターゲット基板を冷却する冷却水を供給する冷却水供給部と、を有し、
   前記ビーム軸上における、前記第１ターゲット部の前記第１のターゲット材と前記ターゲット材保持部との合計の厚みは、前記ビーム軸上における前記ターゲット基板の厚みよりも小さい、放射性同位元素製造装置。
2. 前記第１ターゲット部は複数の前記ターゲット材保持部を有する、請求項１に記載の放射性同位元素製造装置。
3. 前記ビーム軸に交差する方向から前記第１のターゲット材を前記ビーム軸上に挿抜可能である、請求項１又は２に記載の放射性同位元素製造装置。

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