JP7183098B2

JP7183098B2 - ターゲット装置

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Publication number: JP7183098B2
Application number: JP2019060967A
Authority: JP
Inventors: 真好永易
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-12-05
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159931A

Description

本発明は、ターゲット装置に関する。

ポジトロン断層撮影法（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）を用いたＰＥＴ検査の検査用薬剤に使用される放射性同位元素は、病院内の検査室に近い場所に設置されるサイクロトロン等の放射線源を用いて製造される。具体的には、放射線源からの放射線（例えば、陽子線や重陽子線等の粒子線）をターゲットに導き、ターゲットに収容されているターゲット液体（例えば、ターゲット水（^１８Ｏ水））との核反応により放射性同位元素を製造する。そして、製造された放射性同位元素を所定の化合物（例えば、フルオロデオキシグルコース（ＦＤＧ：Fluoro-Deoxy-Glucose））に組み込んだり、その一部を置き換えたりして合成することで、検査用薬剤を製造する。

このような放射性同位元素を製造するためのターゲット液体を収容する装置として、ターゲット液体を収容する収容部及びターゲット液体からの蒸気を収容するバッファ部を背面から冷却する冷却機構を備えた装置が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－２２０９３０号公報

しかしながら、ターゲット液体に対して照射する放射線の強度を高くした場合、ターゲット液体からの蒸気が増して蒸気を収容するバッファ部が変形する可能性がある。バッファ部が変形すると、冷却のための冷却水路が塞がれて冷却効率が低下する可能性がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、冷却機構による冷却効率の低下を防ぐことが可能なターゲット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るターゲット装置は、ターゲット液体を収容するターゲット収容部と、前記ターゲット収容部に連通して設けられ、前記ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容する蒸気収容部と、前記ターゲット液体に対して照射されるビームの照射方向と反対側において、冷媒によって前記ターゲット収容部及び前記蒸気収容部を冷却する冷却機構と、を有し、前記冷却機構は、前記蒸気収容部に対向する面において、前記蒸気収容部側へ突出する凸部と、前記凸部と比べて前記蒸気収容部から離間した凹部と、を含む凹凸部が形成されたノズルを含む。

上記のターゲット装置によれば、ノズルの蒸気収容部に対向する面において、蒸気収容部側へ突出する凸部と、凸部と比べて蒸気収容部から離間した凹部とを有する凹凸部が設けられているため、仮に蒸気収容部が変形した場合であっても、ターゲット収容部側の壁と凸部との間が塞がれたとしても、壁と凹部との間は塞がれることが回避されるので、蒸気収容部を冷却するための冷媒の流路を確保することができる。したがって、蒸気のターゲット装置によれば、冷却機構による冷却効率の低下を防ぐことができる。

ここで、前記凹凸部は、前記ノズルのうち前記蒸気収容部と対向する位置にのみ設けられる態様とすることができる。

冷却効率が低下する可能性としては、上述のように蒸気収容部が変形することが考えられる。したがって、上記のように蒸気収容部と対向する位置にのみ凹凸部を設ける構成とすることで、凹凸部を設けることによるノズルの剛性の低下等を防ぐことができる。

前記凹部は、前記ビームの照射方向から見て放射状に広がっている態様とすることができる。

凹部が放射状に広がっている態様とすることで、放射状に延びる凹部に沿った冷媒の流路を形成することが可能となるため、蒸気収容部が変形した場合でも蒸気収容部全体を冷却しやすい構成とすることができる。

本発明によれば、冷却機構による冷却効率の低下を防ぐことが可能なターゲット装置が提供される。

図１は、一実施形態に係るターゲット装置を照射軸Ｘに沿って切った断面図である。図２は、一実施形態に係るターゲット装置におけるターゲット容器の正面図である。図３は、ノズルの斜視図である。図４は、ノズルの正面図である。図５は、ターゲット装置の断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、ターゲット装置１０は、前面フランジ２０、フォイル３０、ターゲット容器４０、冷却機構５０を備えている。放射性同位元素製造装置は、ターゲット装置１０と、図示しないサイクロトロンとを備える。サイクロトロンは、荷電粒子ビーム（以下、「ビーム」という。）を生成し、生成されたビームは、照射軸Ｘに沿ってターゲット装置１０に照射される。ターゲット装置１０に照射されるビームとしては、例えば、陽子線や重陽子線などの粒子線が挙げられる。ターゲット装置１０は、サイクロトロンとの間に配置されたマニホールド（不図示）を介して、サイクロトロンのビームが導出される導出口に装着される。ターゲット装置１０は、例えば、円柱状の外形を有している。

前面フランジ２０は、ターゲット装置１０の正面側（ビームの照射側）に配置されている。前面フランジ２０は、例えばアルミ合金によって形成することができる。前面フランジ２０には、ビームを通過させる貫通孔２０ａが形成されている。サイクロトロンから導出されたビームは、前面フランジ２０の貫通孔２０ａを通り、ターゲット容器４０に到達する。

前面フランジ２０の背面側には、ターゲット容器４０が配置されている。前面フランジ２０およびターゲット容器４０は、複数のボルトによって締結されて連結されている。前面フランジ２０とターゲット容器４０との間には、フォイル３０が挟まれている。フォイル３０は、前面フランジ２０によって、ターゲット容器４０に押し付けられて固定されている。フォイル３０は、ビームの通過を許容する一方、ターゲット液体ＬやＨｅガスといった流体の通過を遮断する。例えばＨｅガスは、フォイル３０の正面に吹き付けられて、フォイル３０の冷却用ガスとして用いられる。フォイル３０は、例えばＴｉ等の金属又は合金から形成された円形状の薄い箔であり、その厚さが１０μｍ～５０μｍ程度となっている。

ターゲット容器４０は、図１及び図２に示すように、ターゲット液体Ｌを収容可能なターゲット収容部４１と、このターゲット収容部４１に連通する蒸気収容部４２とを備えている。ターゲット容器４０は、例えばＮｂによって形成することができる。正面視（Ｘ方向から見た場合）におけるターゲット容器４０の外形は、例えば円形状を成している。そして、ターゲット容器４０の中央には、ターゲット収容部４１が形成され、ターゲット収容部４１の上部には蒸気収容部４２が形成されている。

ターゲット収容部４１は、正面側から背面側へ窪む凹部であり、この凹部がターゲット液体Ｌを収容する領域を形成する。正面視におけるターゲット収容部４１の外形は、例えば円形状を成している。ターゲット容器４０の正面に形成されたターゲット収容部４１の開口は、フォイル３０によって覆われている。これにより、ターゲット収容部４１内が密閉状態され、ターゲット液体が封入される空間が形成される。ターゲット収容部４１内には、ターゲット液体Ｌとして、^１８Ｏ（ターゲット水）が封入される。そして、ターゲット液体Ｌを収容する凹部を構成するターゲット容器４０の背面壁は、第１伝熱部４１ａとして機能する。第１伝熱部４１ａは、ターゲット収容部４１のターゲット液体Ｌと接触し、ターゲット液体Ｌの熱が伝達される部分である。なお、図２では、ターゲット液体Ｌの液面Ｌ１を１点鎖線で示している。

蒸気収容部４２は、ターゲット液体Ｌから蒸発した蒸気Ｖを収容する領域である。蒸気収容部４２は、ターゲット収容部４１の上部に連通し、上方へ窪む凹部である。蒸気収容部４２は、照射軸Ｘに沿ったビーム照射方向において、ターゲット収容部４１に近い下部側よりもターゲット収容部４１から遠い上部側が背面側へ傾斜して形成されている。そして、ターゲット液体Ｌからの蒸気Ｖを収容する凹部を構成するターゲット容器４０の背面壁は、第２伝熱部４２ａとして機能する。第２伝熱部４２ａは、蒸気収容部４２の蒸気Ｖと接触し、蒸気Ｖの熱が伝達される。このとき、第２伝熱部４２ａである蒸気収容部４２の背面壁によって蒸気Ｖが冷却され凝縮する（凝縮熱伝達）。

図２に示すように、正面視における蒸気収容部４２の外形は、例えば扇形を成している。蒸気収容部４２は、ターゲット収容部４１の上部において周方向に沿って形成され、蒸気収容部４２の上端部４２ｂの外形は、円弧状に形成されている。蒸気収容部４２の側部４２ｃは直線状を成し、ターゲット収容部４１よりも遠い側が近い側よりも幅方向Ｗの外側へ傾斜する斜辺を成している。また、蒸気収容部４２は、ターゲット収容部４１に近い第１の幅部Ｗ_１よりもターゲット収容部４１から遠い第２の幅部Ｗ_２の方が大きくなっている。扇形の蒸気収容部４２は、例えば、ドリル加工によって形成される。

図１に示すように、ターゲット容器４０には、蒸気収容部４２内に不活性ガス（例えばＨｅガス）を導入するためのガス導入孔４０ａが形成されている。このガス導入孔４０ａは、蒸気収容部４２に連通し、ターゲット容器４０の背面に設けられた開口部まで延在している。このターゲット容器４０の背面の開口部には、さらに後方へ延びる配管経路４５が接続されている。不活性ガスは、配管経路４５及びガス導入孔４０ａを通過して蒸気収容部４２内に導入される。このように蒸気収容部４２内に高圧（例えば３ＭＰａ）の不活性ガスを導入することで、ターゲット液体Ｌの沸騰温度を上げることができる。

ターゲット容器４０には、ターゲット収容部４１内にターゲット液体Ｌを充填する際に利用されると共に、ターゲット収容部４１内のターゲット液体Ｌを排出する際に利用される流通孔４０ｂが形成されている。この流通孔４０ｂは、ターゲット収容部４１に連通し、ターゲット容器４０の背面に設けられた開口部まで延在している。このターゲット容器４０の背面の開口部には、さらに後方へ延びる配管経路４６が接続されている。そして、ターゲット液体Ｌは、配管経路４６及び流通孔４０ｂを通過してターゲット収容部４１内に導入される。また、ターゲット収容部４１内のターゲット液体Ｌは、流通孔４０ｂ及び配管経路４６を通過して排出される。

また、ターゲット容器４０の背面の中央部には、図２に示すように、正面側へ窪む背面凹部４０ｃが形成されている。この背面凹部４０ｃは、その底部（正面側）に向かうにつれて縮径されている。このターゲット容器４０の背面凹部４０ｃ内に、冷却機構５０の先端部分が挿入される（図１参照）。

冷却機構５０は、ターゲット容器４０を冷却するものである。具体的には、冷却機構５０は、ビーム照射方向とは反対側であるターゲット容器４０の背面側（第１伝熱部４１ａ、第２伝熱部４２ａ）に対して冷却水を放水することで、ターゲット容器４０の背面壁を冷却し、ターゲット収容部４１及び蒸気収容部４２を冷却する。冷却機構５０は、図示しないポンプに接続されて冷却水を供給する冷却水供給配管５１、この冷却水供給配管５１の先端に設けられ冷却水を噴出させるノズル５２、ターゲット容器４０に固定されノズル５２を支持する支持部材５３を備えている。なお、冷却水に代えてその他の冷媒を用いた冷却機構でもよい。

支持部材５３は、ターゲット容器４０の背面凹部４０ｃに挿入されて、ターゲット容器４０に装着されている。支持部材５３の中央には、照射軸Ｘの延在方向に沿って延在する貫通孔５３ａが設けられている。この貫通孔５３ａ内には冷却水供給配管５１が挿通されている。そして、ノズル５２は、支持部材５３の正面側において、貫通孔５３ａに嵌められて、冷却水供給配管５１に接続されている。

ノズル５２は、配管部６１と散水部６２とを含む。散水部６２の先端部の外形は、ターゲット容器４０の背面凹部に対応する形状となっている。ターゲット容器４０の背面壁（４１ａ，４２ａ）とノズル５２の先端部との間の隙間には、冷却水が流通する経路が形成されている。ノズル５２から放出された冷却水は、ターゲット容器４０の背面壁（４１ａ，４２ａ）の外面に沿って流れる。また、支持部材５３には、冷却水を回収するための排出経路５３ｂが設けられている。

ノズル５２の形状の詳細について、図３～図５を参照しながら説明する。図３は、ノズル５２の斜視図であり、図４は、ノズル５２の正面図である。また、図５は、ノズル５２付近のターゲット装置１０の拡大断面図である。

ノズル５２は、冷却水供給配管５１に対して接続される配管部６１（図５も参照）と、配管部６１よりもターゲット収容部４１側に設けられた略円板状の散水部６２とを含む。配管部６１は、内部に冷却水供給配管５１から流れる冷却水を流すための貫通孔６３が設けられている。また、貫通孔６３は照射軸Ｘに沿って長手方向に延びると共に散水部６２も貫通している。すなわち、貫通孔６３は、照射軸Ｘに沿ってノズル５２を貫通している。

散水部６２の先端側（貫通孔６３の開口が設けられる側）の表面６２ａは、貫通孔６３の開口が設けられる中央付近の平坦な平坦領域６２１と、その周囲から端縁に向かって背面側へ傾斜している傾斜領域６２２と、を有している。この先端側の表面６２ａの形状は、ターゲット容器４０の背面壁、すなわち、第１伝熱部４１ａ及び第２伝熱部４２ａの形状に対応している。

一方、散水部６２の背面側（配管部６１が接続される側）の裏面６２ｂは、配管部６１の延在方向、すなわち、照射軸Ｘに対して直交するように延びている。したがって、散水部６２は貫通孔６３が設けられる中央から端縁に向かって徐々に厚さが小さくなっている（図１も参照）。

上記のノズル５２では、散水部６２の表面６２ａに凹凸部６５が設けられていることを特徴とする。図３、図４等に示すように、ノズル５２の上方、すなわち、組み立てたときに照射軸Ｘよりも上方となる領域に、凹凸部６５が設けられている。この領域は、蒸気収容部４２と対向する領域に相当する。凹凸部６５は、蒸気収容部４２側へ突出する凸部６６と、凸部６６と比べて蒸気収容部４２から離間した凹部６７と、を含む。ノズル５２の場合には、６つの凸部６６が設けられている。凸部６６及び凹部６７は、照射軸Ｘの延在方向で見たときにそれぞれ貫通孔６３が設けられる散水部６２の表面６２ａの中央から外縁へ向けて放射状に延びている。

凸部６６の上面の高さは、ノズル５２の下方の散水部６２の表面６２ａと同じ高さとされている。すなわち、ノズル５２の下方における散水部６２の表面６２ａと同様の形状が、ノズル５２の上方では凸部６６によって実現されている。

このように、凹凸部６５は、ノズル５２の上方に溝状の凹部６７を設けることで、凸部６６と凹部６７とを有する形状とされている。なお、凹凸部６５の周方向の両端には凹部６７よりも幅広であって凹部６７と同様に放射状に延びる溝部６８が形成されているが、溝部６８は設けられていなくてもよい。溝部６８が設けられていると、上方への冷却水の移動が促進され得る。

上記のターゲット装置１０では、ターゲット収容部４１にビームが照射されて、ターゲット収容部４１内のターゲット液体が核反応し、放射性同位元素が製造される。そして、ターゲット収容部４１のターゲット液体が加熱され、その一部が蒸発し、ターゲット液体から蒸発した蒸気Ｖは、蒸気収容部４２内に存在することになる。冷却機構５０は、ノズル５２の貫通孔６３から冷却水をターゲット容器４０の背面側に供給している。

ビームが照射されたターゲット液体Ｌは、ビームからの入熱を受けて加熱される。ターゲット液体Ｌの熱は、ターゲット収容部４１において、第１伝熱部４１ａを介して、冷却水に伝達される一方、ターゲット液体Ｌから蒸発した蒸気Ｖの熱は、蒸気収容部４２において、第２伝熱部４２ａを介して、冷却水に伝達される。蒸気収容部４２の蒸気Ｖは、背面壁に接して熱が奪われて凝縮する（凝縮熱伝達）。第２伝熱部４２ａによって冷却されて凝縮したターゲット液体は、下方へ移動しターゲット収容部４１に戻る。冷却水は、貫通孔６３を経てノズル５２の散水部６２の表面６２ａに排出された後、散水部６２の背面に設けられた排出経路５３ｂ（図１参照）から装置外へ排出される。

ターゲット装置１０では、ターゲット収容部４１の熱を伝熱する第１伝熱部４１ａと、蒸気収容部４２の熱を伝熱する第２伝熱部４２ａとを備え、第２伝熱部４２ａの伝熱面積は、第１伝熱部４１ａの伝熱面積よりも大きくされる。これにより、蒸気収容部４２における凝縮熱伝達を有効活用することができ、ターゲットにおける冷却能力の向上が図られている。

ここで、本実施形態に係るターゲット装置１０は、上記のノズル５２を用いることで、冷却効率の低下を防ぐことができる。この点について、図５を参照しながら説明する。

ターゲット装置１０では、上記のように冷却機構５０によってターゲット収容部４１及び蒸気収容部４２の冷却を行っている。ここで、ターゲット液体に対して照射する放射線の強度を高くした場合、ターゲット液体からの蒸気が増加する可能性がある。発生する蒸気の量が増加すると、蒸気を収容する蒸気収容部４２の内圧が上昇して変形する可能性がある。この場合、蒸気収容部４２を形作る各部材のうち、第２伝熱部４２ａが他の面よりも薄い部材によって構成されるため、蒸気収容部４２の内圧の上昇に伴って変形する可能性が考えられる。図５では、第２伝熱部４２ａが変形した状態を示している。蒸気収容部４２の内圧の上昇に伴う変形の場合、第２伝熱部４２ａはノズル５２側に突出するように変形することが考えられる。

ターゲット装置１０では、第１伝熱部４１ａ及び第２伝熱部４２ａを含むターゲット容器４０の背面壁とノズル５２との間の空間が、冷却水の移動する冷却水路とされているが、第２伝熱部４２ａがノズル５２側に突出するように変形すると、図５に示すようにノズル５２の上方の冷却水路の一部が塞がってしまう可能性がある。この場合、塞がった部分には冷却水が流れなくなるため、冷却水による冷却ができなくなる。すなわち、第２伝熱部４２ａを介した蒸気収容部４２の冷却ができなくなり、冷却機構５０による冷却効率が低下する。また、蒸気収容部４２に収容された蒸気Ｖの冷却ができなくなると、蒸気Ｖの凝縮も促進されず、蒸気収容部４２のさらなる変形等が発生する可能性もある。

これに対して、本実施形態に係るターゲット装置１０では、ノズル５２の散水部６２の表面６２ａのうち、蒸気収容部４２の背面壁を形成する第２伝熱部４２ａと対向する上方の領域に凹凸部６５が形成されている。したがって、仮に蒸気収容部４２の内圧の上昇によって蒸気収容部４２（第２伝熱部４２ａ）が変形した場合、変形後の第２伝熱部４２ａは、凸部６６と当接する可能性があるが、凹部６７とは当接しないため、凹部６７と第２伝熱部４２ａとの間には空間が確保される。すなわち、凸部６６と凹部６７とを有する凹凸部６５が設けられていることで、凸部６６が第２伝熱部４２ａのさらなる変形（散水部６２側への突出）を防ぐため、凹部６７と第２伝熱部４２ａとが当接することが防がれる。その結果、第２伝熱部４２ａとノズル５２の散水部６２との間を冷却水が移動することが可能となるため、冷却機構５０による冷却効率の低下を防ぐことができる。

なお、凹凸部６５は、ノズル５２のうち蒸気収容部４２と対向する位置にのみ設けられていてもよい。上述したように、冷却効率が低下する可能性としては、蒸気収容部４２が変形することが考えられる。そのため、蒸気収容部４２と対向する位置にのみ凹凸部６５を設ける構成とすることで、凹凸部６５を設けることによるノズル５２の剛性の低下等を防ぐことができる。ただし、ノズル５２の下方にも凹凸部６５を設けてもよい。

また、凹部６７は、照射軸Ｘ方向から見て放射状に広がっている態様とすることができる。凹部６７が放射状に広がっている態様とすることで、放射状に延びる凹部６７に沿った冷媒の流路を形成することが可能となる。したがって、蒸気収容部４２が変形した場合でも蒸気収容部４２全体を冷却しやすい構成とすることができる。

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。上記実施形態では、蒸気収容部４２が扇形に形成されているが、蒸気収容部４２の形状は、例えば三角形、台形などその他の形状でもよい。また、例えば、蒸気収容部にフィンを設けることで、伝熱面積を増加させてもよい。

また、蒸気収容部４２は、その側部４２ｃに斜辺が形成されていない構成であってもよい。例えば、上下方向に直線状に形成された部分を有する側部や、曲線状に形成された側部を備える蒸気収容部４２でもよい。

また、ノズル５２に形成される凹凸部６５の形状、すなわち、凸部６６及び凹部６７の数及び形状等は適宜変更することができる。上述したように、ターゲット装置１０では、蒸気収容部４２が変形した際に第２伝熱部４２ａがノズル５２側に突出した場合でも凸部６６によって第２伝熱部４２ａのさらなる突出を規制すると共に凹部６７によって第２伝熱部４２ａと凹部６７との間に冷媒流路を確保することができる。換言すると、蒸気のように、凸部６６によって第２伝熱部４２ａのさらなる突出を規制すると共に凹部６７によって第２伝熱部４２ａと凹部６７との間に冷媒流路を確保することが可能であれば、凸部６６及び凹部６７の形状は特に限定されない。例えば、凹部６７となる面に複数の柱状部材を配置して凸部６６とすることで凹凸部６５を形成してもよい。

また、上記の実施形態では、ノズル５２の散水部６２の表面６２ａと凸部６６とが同じ高さとなる場合について説明したが、凸部６６を表面６２ａよりも突出させてもよい。この場合、蒸気収容部４２が変形しない状態でも、凸部６６と第２伝熱部４２ａとの距離が短くなるが、冷却効率に影響を与えない程度であれば特に問題ない。また、通常時から、凸部６６が第２伝熱部４２ａと当接した状態としてもよい。この場合も、蒸気収容部４２の冷却が十分可能な程度に凹部６７（冷媒の流路に相当する領域）を確保することで、冷却機構５０による冷却を適切に行いつつ、仮に蒸気収容部４２の内圧が上昇した場合でも蒸気収容部４２の変形を抑制することができる。

１０…ターゲット装置、４０…ターゲット容器、４１…ターゲット収容部、４１ａ…第１伝熱部、４２…蒸気収容部、４２ａ…第２伝熱部、４５，４６…配管経路、５０…冷却機構、５１…冷却水供給配管、５２…ノズル、５３…支持部材、６１…配管部、６２…散水部、６２ａ…表面、６２ｂ…裏面、６３…貫通孔、６５…凹凸部、６６…凸部、６７…凹部、６８…溝部。

Claims

ターゲット液体を収容するターゲット収容部と、
前記ターゲット収容部に連通して設けられ、前記ターゲット液体から蒸発した蒸気を収容する蒸気収容部と、
前記ターゲット液体に対して照射されるビームの照射方向と反対側において、冷媒によって前記ターゲット収容部及び前記蒸気収容部を冷却する冷却機構と、
を有し、
前記冷却機構は、前記蒸気収容部に対向する面において、前記蒸気収容部側へ突出する凸部と、前記凸部と比べて前記蒸気収容部から離間した凹部と、を含む凹凸部が形成されたノズルを含む、ターゲット装置。
前記凹凸部は、前記ノズルのうち前記蒸気収容部と対向する位置にのみ設けられる、請求項１に記載のターゲット装置。
前記凹部は、前記ビームの照射方向から見て放射状に広がっている、請求項１または２に記載のターゲット装置。