JPWO2008149600A1 - 放射性同位元素製造装置及び放射性同位元素の製造方法 - Google Patents

Abstract

ターゲットの耐圧性の向上とターゲット液体の冷却効果の向上とを両立可能とし、ターゲット液体の沸騰を十分に抑制する。放射性同位元素製造装置は、放射線を照射するサイクロトロンと、ターゲット液体Ｌを収容する収容凹部４０を有するターゲット２０とを備える。収容凹部４０は、サイクロトロンから照射された放射線を導入するための開口部４４と、頂部５８を有するように開口部４４から離れる方向に向けて窪んだ球面状の底面４８とを含んでいる。ターゲット２０は、サイクロトロンから照射される放射線の照射軸Ｘと底面４８との交差位置が、頂部５８の直下となるように配置されている。

Description

本発明は、ターゲット液体と放射線との核反応により放射性同位元素を製造するための放射性同位元素製造装置及び放射性同位元素の製造方法に関する。

脳や心臓、癌などの精密検査における検査方法として、ポジトロン断層撮影法（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）がある。このＰＥＴ検査では、ポジトロン（陽電子）を放出する放射性同位元素（陽電子放出核種）で標識された検査用薬剤を、注射や吸入等により被験者の体内に導入する。体内に導入された検査用薬剤は、代謝されたり特定の部位（例えば、腫瘍や病変箇所）に蓄積されたりする。放射性同位元素から放出される陽電子と周囲の電子とが結合して消滅する際に放射線（消滅ガンマ線）が放出されるので、この放射線を検出してコンピュータで処理することにより、特定断面における断層撮影画像を得ることができるようになっている。

ＰＥＴ検査の検査用薬剤に使用される放射性同位元素としては、^１８Ｆ、^１５Ｏ、^１１Ｃ、^１３Ｎ等がある。これらは、半減期が２〜１１０分と極めて短いので、病院内の検査室に近い場所にサイクロトロン等の放射線源を設置し、この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（例えば、^１８Ｆ−ＦＤＧ）を製造している。

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として、従来、ターゲット液体を収容する収容凹部を有し、収容凹部が平坦な１つの底面と平坦な４つの側面とによって画成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−５４１９６号公報

ところで、放射線源から照射される放射線は、１０数ＭｅＶといった非常に高いエネルギーを有しているので、ターゲットの収容凹部内に収容されているターゲット液体に放射線が照射されると、ターゲット液体が加熱され、ターゲット液体が沸騰してしまう場合がある。このとき、ターゲット液体内に多数の気泡が発生し、ターゲット液体と放射線との反応が十分に行われなくなる。また、放射線が気泡を通過する際には放射線のエネルギーがほとんど減衰されないので、気泡の存在によって放射線がターゲットに到達してターゲットを構成する材料（例えば、Ｎｂ、Ａｇ）がスパッタされ易くなり、生成された放射性同位元素を回収するためのチューブやフィルタにスパッタされた当該材料が析出してしまい、メンテナンスを行わなければならなくなる。そのため、ターゲット液体を十分に冷却して、ターゲット液体の沸騰を抑制することが求められている。

ここで、ターゲット液体の沸騰の抑制を図るための対策として、収容凹部を構成する側壁の一部を薄肉状として、冷却水とターゲット液体との熱交換を促進させることが考えられる。また、ターゲット液体を収容している収容凹部内にＨｅガス等の不活性ガスを供給して収容凹部内の圧力を高め、ターゲット液体の沸点を高くすることが考えられる。

しかしながら、従来のターゲットは、収容凹部が平坦な１つの底面と平坦な４つの側面とによって画成されていたので、収容凹部内の圧力を高めた場合、収容凹部の角部に応力が集中する傾向にあった。そのため、従来のターゲットでは、収容凹部を薄肉殻状とすると共に収容凹部内の圧力を高めることに限界があり、ターゲット液体の沸騰を十分に抑制することが困難であった。

本発明は、ターゲットの耐圧性の向上とターゲット液体の冷却効果の向上とを両立可能とし、ターゲット液体の沸騰を十分に抑制することが可能な放射性同位元素製造装置及び放射性同位元素の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る放射性同位元素製造装置は、ターゲット液体と放射線との核反応により放射性同位元素を製造するための放射性同位元素製造装置であって、放射線を照射する放射線源と、ターゲット液体を収容する収容凹部を有するターゲットとを備え、収容凹部は、放射線源から照射された放射線を導入するための開口と、頂部を有するように開口から離れる方向に向けて窪んだ凹曲面とを含んでおり、放射線源から照射される放射線の照射軸と凹曲面との交差位置が頂部よりも下側となるように、ターゲットが配置されていることを特徴とする。

本発明に係る放射性同位元素製造装置では、収容凹部が、頂部を有するように開口から離れる方向に向けて窪んだ凹曲面を含んでいる。そのため、収容凹部において応力集中が起こり難くなり、収容凹部の耐圧性が向上する。その結果、収容凹部の一部を薄肉殻状とした場合であっても、十分に収容凹部内の圧力を高めることができるようになるので、ターゲットの耐圧性の向上とターゲット液体の冷却効果の向上とを両立可能とし、ターゲット液体の沸騰を十分に抑制することが可能となる。これにより、放射線とターゲット液体との反応性が向上するようになると共により高いエネルギーで放射線をターゲット液体に照射することができるようになるので、放射性同位元素の収量が増大することとなる。

また、本発明に係る放射性同位元素製造装置では、収容凹部が、頂部を有するように開口から離れる方向に向けて窪んだ凹曲面を含んでいる。そのため、収容凹部の容積を従来のターゲットにおける収容凹部の容積と同じとすると共にターゲット液体の使用量を従来と同量とした場合、従来と比較して収容凹部の深さ（放射線の照射軸方向における開口から頂部までの直線距離）が深くなる。その結果、ターゲット液体が沸騰して気泡が発生した場合でも、従来と比較して放射線のエネルギーがターゲット液体によって減衰し易くなるので、ターゲットがスパッタされることを抑制することが可能となる。

また、本発明に係る放射性同位元素製造装置では、放射線源から照射される放射線の照射軸と凹曲面との交差位置が頂部よりも下側となるようにターゲットが配置されている。収容凹部に収容されているターゲット液体のうち下方に位置する部分の温度が上方に位置する部分の温度よりも低い傾向にあるので、このようにすることで、放射線がターゲット液体のうち温度の低い部分に照射されるようになる。その結果、ターゲット液体の局所的な温度上昇が抑えられ、ターゲット液体の沸騰をより十分に抑制することが可能となると思われる。

また、本発明に係る放射性同位元素製造装置では、放射線源から照射される放射線の照射軸と凹曲面との交差位置が頂部よりも下側となるようにターゲットが配置されている。放射線によって加熱されたターゲット液体は上方に移動する傾向にあるので、このようにすることで、ターゲット液体において対流が発生しやすくなる。その結果、ターゲット液体の局所的な温度上昇が抑えられ、ターゲット液体の沸騰を更に十分に抑制することが可能となる。

好ましくは、放射線源から照射される放射線の照射軸と凹曲面との交差位置が頂部の直下となるように、ターゲットが配置されている。

好ましくは、凹曲面は、球面状とされている。

好ましくは、ターゲットは、一方が凹曲面をなし、他方が凸曲面をなす薄肉殻状部と、前記薄肉殻状部の周りを囲むように前記薄肉殻状部を支持する環状支持部とを有し、収容凹部は、薄肉殻状部と環状支持部とで囲まれる空間によって構成されている。このようにすると、冷却水とターゲット液体との熱交換をより促進させることが可能となる。

好ましくは、収容凹部は、開口と凹曲面とを繋ぐ側面を更に含んでおり、環状支持部には、収容凹部の側面の少なくとも一部を囲むように、放射線源から照射される放射線に向かう方向に窪んだ凹部が設けられている。このようにすると、環状支持部のうち凹部と収容凹部との間の部分が薄肉状となるので、冷却水がこの凹部内を循環することで、冷却水とターゲット液体との熱交換を更に促進させることができ、一層の冷却効果を得ることが可能となる。

好ましくは、凹曲面の鉛直方向における中央を通ると共に水平面に平行な仮想平面よりも上側における収容凹部の容積は、仮想平面よりも下側における収容凹部の容積よりも大きい。このように収容凹部の上部の容積が大きくなることで、収容凹部の上部において冷却水との接触面積が増加するので、沸騰したターゲット液体が気体として存在しがちな収容凹部の上部を極めて効率的に冷却することが可能となる。また、このように収容凹部の下部の容積が小さくなることで、高価なターゲット液体の使用量を抑えられるので、コストの低減を図ることが可能となる。

より好ましくは、頂部は、仮想平面よりも上側に位置している。このようにすると、収容凹部の上部の容積をより大きくすることができる。

より好ましくは、収容凹部は、放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの外形が鉛直方向に長い環状を呈している。このようにすると、放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの外形が水平方向に長い環状を呈している場合と比較して、収容凹部の両側部の容積が小さくなるので、高価なターゲット液体の使用量をより抑えることが可能となる。

より好ましくは、ターゲットは、一方が凹曲面をなし、他方が凸曲面をなす薄肉殻状部を有しており、凸曲面に対応する形状を呈する対応凹曲面を有すると共に対応凹曲面が凸曲面と対向するように配置された椀状部材を更に備え、椀状部材には、対応凹曲面側に開放され、ターゲット液体を冷却するための冷却液を導入するための開口が底部に形成されると共に、開口からの冷却液を一時的に貯留する一時貯留凹部が設けられている。このように開口から導入された冷却液を一時貯留凹部に一時的に貯留すると、開口から導入された冷却液は、一時貯留凹部にて流速が遅くなった後に薄肉殻状部の凸曲面と椀状部材の対応凹曲面との間に流れ込むこととなるので、開口から導入された冷却液がターゲットの凸曲面全面に拡がりつつ流れる際に発生する圧力損失の低減を図ることが可能となる。そのため、ターゲットの凸曲面上において冷却液の偏流が発生し難くなる。その結果、ターゲットを介してターゲット液体の冷却を均一に行いやすくなる。

さらに好ましくは、一時貯留凹部の開口側の縁上における任意の点Ｐと、一時貯留凹部の開口側の縁の当該点Ｐにおける、放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの法線が、放射線源から照射される放射線の照射軸から見て対応凹曲面の外縁と交差する点とを結ぶ、対応凹曲面の表面に沿った距離を、点Ｐでの沿面距離Ｄとしたときに、一時貯留凹部の開口側の縁上における実質的に全ての点での沿面距離が略同一である。このようにすると、対応凹曲面における冷却液の流路の長さが略同一となるので、案内孔によって案内された冷却液がターゲットの凸曲面全面に拡がりつつ流れる際に発生する圧力損失をより一層低減することができるようになる。なお、「実質的に全ての点」とは、例えば、椀状部材の先端に切り欠き部が設けられている場合であって、一時貯留凹部の開口側の縁の点における、放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの法線が、放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの対応凹曲面の外縁のうち当該切り欠き部によって構成される部分を通るときには、その点を除く趣旨である。また、「略同一」とは、例えば、±０．１ｍｍ程度の幅があった場合でも同一とみなす趣旨である。

一方、本発明に係る放射性同位元素の製造方法は、上記したいずれかの放射性同位元素製造装置を用意する工程と、ターゲットを冷却するための冷却液を循環させる工程と、頂部よりも上側で且つ収容凹部内に所定の空隙を残すように、収容凹部内にターゲット液体を収容する工程と、照射軸と凹曲面との交差位置が頂部よりも下側となると共に、放射線源から照射される放射線の照射領域がターゲット液体に収まるように、放射線源から放射線をターゲットに向けて照射する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係る放射性同位元素の製造方法では、上記した放射性同位元素製造装置と同様の効果を奏する。また、本発明に係る放射性同位元素の製造方法では、頂部よりも上側で且つ収容凹部内に所定の空隙を残すように、収容凹部内にターゲット液体を収容している。そのため、ターゲット液体が沸騰した場合でも、当該所定の空隙において、蒸発したターゲット液体の凝縮が行われる。その結果、凝縮熱伝達により、ターゲット液体の冷却効果をより向上させることが可能となる。

好ましくは、ターゲット液体を収容する工程の後で且つ放射線源から放射線をターゲットに向けて照射する工程の前に、収容凹部内に不活性ガスを供給して、収容凹部内を加圧する工程を更に備える。このように、収容凹部内を加圧することで、ターゲット液体の沸点が高くなり、ターゲット液体の沸騰による気泡の発生を抑制することが可能となる。

本発明によれば、ターゲットの耐圧性の向上とターゲット液体の冷却効果の向上とを両立可能とし、ターゲット液体の沸騰を十分に抑制することが可能な放射性同位元素製造装置及び放射性同位元素の製造方法を提供することができる。

図１は、第１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。 図２は、図１のターゲット部分を拡大して示す断面図である。 図３は、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットの一部を切断して示す前方斜視図である。 図４は、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットの一部を切断して示す後方斜視図である。 図５は、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットを示す背面図である。 図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線において切断した場合における、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置のターゲット部分を拡大して示す断面図である。 図７は、第２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。 図８は、図７のターゲット部分を拡大して示す断面図である。 図９は、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットの一部を切断して示す前方斜視図である。 図１０は、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットの一部を切断して示す後方斜視図である。 図１１は、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有するターゲットを示す背面図である。 図１２は、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有する椀状部材の一部を切断して示す前方斜視図である。 図１３は、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置が有する椀状部材を示す正面図である。

符号の説明

１…放射性同位元素製造装置、１０…サイクロトロン、１２…ターゲット装置、２０…ターゲット、２０ａ…薄肉殻状部、２０ｂ…環状支持部、４０…収容凹部、４２…嵌合凹部、４８…底面、５４ａ…凸曲面、５８…頂部、６０…凹部、７８…椀状部材、７８ｂ…貫通孔（開口）、１０４…対応凹曲面、１０６…一時貯留凹部、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…沿面距離、Ｅ，Ｅ１…一時貯留凹部の開口側の縁、Ｅ２…対応凹曲面の外縁、Ｌ…ターゲット液体、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…点、Ｓ…仮想平面、Ｘ…照射軸。

本発明に係る放射性同位元素製造装置の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図面の上方向及び下方向に対応したものである。

（１）第１実施形態
（１．１）放射性同位元素製造装置の構成
図１に示されるように、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置１は、サイクロトロン（放射線源）１０と、ターゲット装置１２とを備える。サイクロトロン１０は、放射線（例えば、陽子線や重陽子線等の粒子線）を照射軸Ｘに沿って照射するものである。

ターゲット装置１２は、マニホールド１４を介して、放射線が導出されるサイクロトロン１０の導出口１０ａに装着されている。ターゲット装置１２は、第１ボディ部１６と、第２ボディ部１８と、ターゲット２０と、第３ボディ部２２とを備える。

第１ボディ部１６は、開口部２４ａ及び開口部２４ｂを繋ぐと共に照射軸Ｘに沿って延びる通過孔２４を有する円柱形状の部材である。第１ボディ部１６は、例えばアルミ合金によって形成することができる。第１ボディ部１６は、その基端部分に外向きのフランジ部２６を有している。

第１ボディ部１６の側壁には、照射軸Ｘと直交する軸Ｙに沿って延びると共に通過孔２４と連通する一対の導入孔２８及び導出孔３０が設けられている。導入孔２８及び導出孔３０は、その先端部（通過孔２４に向かう側の端部）が、通過孔２４の開口部２４ａ及び開口部２４ｂに向かうようにＹ字形状に分岐されている。導入孔２８からは、冷媒としてのＨｅガスが通過孔２４内に供給される。導出孔３０からは、導入孔２８から通過孔２４内に供給されたＨｅガスが排出される。

第１ボディ部１６は、導入孔２８がマニホールド１４の導入孔１４ａと連通すると共に、導出孔３０がマニホールド１４の導出孔１４ｂと連通するように、マニホールド１４に装着されている。このとき、第１ボディ部１６とマニホールド１４との間には、第１ボディ部１６とマニホールド１４とによって挟持されたフォイル３２が配置されている。そのため、第１ボディ部１６の通過孔２４とマニホールド１４の通過孔１４ｃとは、フォイル３２によって隔てられている。

フォイル３２は、放射線の通過を許容する一方、空気やＨｅガスといった流体の通過を遮蔽する。フォイル３２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。

第２ボディ部１８は、図２において詳しく示されるように、開口部３４ａ及び開口部３４ｂを繋ぐと共に照射軸Ｘに沿って延びる通過孔３４を有する円柱形状の部材である。第２ボディ部１８は、例えばアルミ合金によって形成することができる。第２ボディ部１８は、通過孔３４が第１ボディ部１６の通過孔２４と連通するように、第１ボディ部１６に装着されている。

ターゲット２０は、図２〜図４において詳しく示されるように、照射軸Ｘに略直交する先端面３６及び基端面３８を有し、外形が円柱形状を呈する部材である。ターゲット２０は、例えばＮｂによって形成することができる。ターゲット２０は、球殻状の薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａの周りを囲むように薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとを有している。そのため、ターゲット２０においては、薄肉殻状部２０ａと環状支持部２０ｂとで囲まれる空間によって、ターゲット液体（本実施形態においては、ターゲット水（^１８Ｏ））Ｌを収容する収容凹部４０が先端面３６側に構成されており、第３ボディ部２２が嵌め込まれる嵌合凹部４２が基端面３８側に構成されている。

収容凹部４０は、サイクロトロン１０から照射された放射線を導入するための開口部４４と、開口部４４と繋がると共に断面が円形状を呈する内壁面４６と、内壁面４６と繋がると共に開口部４４に対してサイクロトロン１０よりも離れる側に向けて窪んだ球面状を呈する底面（凹曲面）４８とを有する。

嵌合凹部４２は、基端面３８側（収容凹部４０とは反対側）から収容凹部４０に向けて窪んでいる。嵌合凹部４２は、第３ボディ部２２を導入するための開口部５０と、開口部５０と繋がると共に断面が円形状を呈する内壁面５２と、内壁面５２と繋がる底面５４とを有する。この底面５４は、開口部５０に近づく方向（底面４８が窪む方向と同じ方向）に向けて突出した球面状を呈する凸曲面５４ａと、凸曲面５４ａの周囲に拡がる平面５４ｂとを含んでいる。

嵌合凹部４２の凸曲面５４ａは、収容凹部４０の底面４８に肉薄している。すなわち、薄肉殻状部２０ａは、頂部５８を有しており、収容凹部４０の底面４８をなしていると共に嵌合凹部４２の凸曲面５４ａをなしている。

環状支持部２０ｂは、薄肉殻状部２０ａと直接接続される第１部分２０ｂ_１、及び、第１部分２０ｂ_１の外側を更に取り囲む第２部分２０ｂ_２を含んでいる。この第１部分２０ｂ_１は、その一部が、収容凹部４０の内壁面４６をなしていると共に嵌合凹部４２の平面５４ｂをなしている（図２〜図４参照）。第１部分２０ｂ_１の一部をなしている平面５４ｂには、サイクロトロン１０から照射される放射線に向かう方向に窪んだ凹部６０が複数（第１実施形態において４つ）設けられている（図４及び図５参照）。これらの凹部６０は、それぞれが収容凹部４０の内壁面４６の一部を囲むように形成されており（図２及び図６参照）、照射軸Ｘ方向から見てそれぞれ略円弧状を呈している（図４及び図５参照）。これらの凹部６０は、後述するガス導入孔７０及び搬送孔７２を避けるように形成されている。

ターゲット２０の先端面３６には、シール部材としてのＯリング６２を収容する環状の凹部６４が設けられている。

ターゲット２０の基端面３８には、嵌合凹部４２を挟んで一対の突出部６６が突設されている。突出部６６には、照射軸Ｘ方向に延びるフェラル収容孔６８が穿設されている。ターゲット２０には、収容凹部４０内にＨｅガスを導入するためのガス導入孔７０が、上方に位置するフェラル収容孔６８から収容凹部４０へと貫通するように延設されている。ターゲット２０には、収容凹部４０との間でターゲット液体Ｌの搬入及び搬出を行うための搬送孔７２が、下方に位置するフェラル収容孔６８から収容凹部４０へと貫通するように延設されている。

ターゲット２０は、収容凹部４０が第２ボディ部１８の通過孔３４に向かうように、第２ボディ部１８に装着されている。このとき、ターゲット２０は、サイクロトロン１０から照射される放射線の照射軸Ｘが収容凹部４０の底面４８における頂部５８の直下に位置するように配置されている。従って、照射軸Ｘと収容凹部４０の底面４８との交差位置は、頂部５８の直下となっている。

また、このとき、ターゲット２０と第２ボディ部１８との間には、ターゲット２０と第２ボディ部１８とによって挟持されたフォイル７４が配置されている。そのため、ターゲット２０の収容凹部４０と第２ボディ部１８の通過孔３４とは、フォイル７４によって隔てられている。

フォイル７４は、放射線の通過を許容する一方、空気やＨｅガスといった流体の通過を遮蔽する。フォイル７４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。

図１に戻って、第３ボディ部２２は、外形が円柱形状をなす本体部７６と、本体部７６の先端部分に設けられた椀状部材７８とを有する。第３ボディ部２２は、例えばアルミ合金によって形成することができる。

本体部７６は、照射軸Ｘに略直交する先端面８０及び基端面８２を有している。本体部７６の先端面８０には、基端面８２側に向けて窪む凹部８４が設けられており、凹部８４の中央部分には、突出部８６が突設されている。

本体部７６には、基端面８２側に照射軸Ｘに沿って延びる一対のノズル孔８８，９０が設けられている。下方に位置するノズル孔８８には、冷却水を供給するための供給管９２のノズル９２ａが嵌め込まれる。上方に位置するノズル孔９０には、冷却水を回収するための回収管９４のノズル９４ａが嵌め込まれる。

本体部７６には、冷却水を案内するための案内孔９６が、ノズル孔８８から先端面８０の突出部８６へと貫通するように延設されている。案内孔９６の先端部分（先端面８０側の部分）は、第１実施形態においては、先端側に向かうにつれて拡径された漏斗状とされている（図１及び図２参照）。本体部７６には、冷却水を案内するための案内孔９８が、ノズル孔９０から先端面８０の凹部８４へと貫通するように延設されている。

椀状部材７８は、嵌合凹部４２の凸曲面５４ａに対応する形状（球面状）を呈する底面１００を有している。椀状部材７８には、その先端部分に一対の切り欠き部１０２が設けられている。第３ボディ部２２は、椀状部材７８の先端がターゲット２０の嵌合凹部４２の平面５４ｂと当接するように、ターゲット２０の嵌合凹部４２に嵌め込まれている。

（１．２）放射性同位元素の製造方法
続いて、上記の構成を有する放射性同位元素製造装置１を用いて放射性同位元素を製造する方法について説明する。

まず、供給管９２から冷却水の供給を開始し、第３ボディ部２２の案内孔９６、嵌合凹部４２の平面５４ｂと椀状部材７８の底面１００との間の空間、嵌合凹部４２の凹部６０及び椀状部材７８の切り欠き部１０２、第３ボディ部２２の凹部８４、第３ボディ部２２の案内孔９８並びに回収管９４の順に、冷却水を循環させる（図２の矢印参照）。このとき、嵌合凹部４２の平面５４ｂに複数の凹部６０が設けられているので、冷却水は、図６に示されるように、椀状部材７８の先端を回り込むようにして凹部６０内を循環することとなる。

次に、マニホールド１４の導入孔１４ａから冷媒としてのＨｅガスの供給を開始し、第１ボディ部１６の導入孔２８、通過孔２４（特にフォイル３２，７４に向けて）、導出孔３０及びマニホールド１４の導出孔１４ｂの順に、Ｈｅガスを流動させる。

次に、収容凹部４０内に所定の空間Ｖ（図２参照）を残すように、搬送孔７２を通して、ターゲット液体Ｌを収容凹部４０に供給する。このとき、放射線がターゲット２０に直接照射されることを防ぐため、ターゲット液体Ｌの水面が第２ボディ部１８の通過孔３４の上端よりも高くなるようしている（図１及び図２参照）。放射線は第２ボディ部１８の通過孔３４を通過してターゲット２０に導かれるので、これにより、放射線の照射領域Ａ（図２参照）がターゲット液体Ｌに収まることとなる。

次に、ガス導入孔７０を通して、収容凹部４０内に高圧でＨｅガスを供給する。このように加圧することにより、ターゲット液体Ｌの沸騰による気泡の発生が抑制される。

この状態で、サイクロトロン１０から放射線をターゲット２０に向けて照射する。サイクロトロン１０から照射された放射線は、照射軸Ｘに沿って、マニホールド１４の通過孔１４ｃ、フォイル３２、第１ボディ部１６の通過孔２４、第２ボディ部１８の通過孔３４及びフォイル７４を順に通過して、ターゲット２０の収容凹部４０内に至る。そして、ターゲット２０の収容凹部４０内に収容されているターゲット液体Ｌと放射線との間において^１８Ｏ（ｐ，ｎ）^１８Ｆで表される核反応が行われることにより、一次生成物として^１８Ｆ⁻で表される放射性同位元素が生成される。生成された放射性同位元素を含むターゲット液体Ｌは、搬送孔７２を逆流させて図示しないフィルタを通して回収される。

そして、回収された放射性同位体元素を用いて、ＰＥＴ検査の検査用薬剤としての^１８Ｆ−ＦＤＧが合成される。

（１．３）作用及び効果
以上のような第１実施形態においては、ターゲット２０が、頂部５８を有する薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとによって構成されており、薄肉殻状部２０ａの一方が、開口部４４に対してサイクロトロン１０よりも離れる側に向けて窪んだ球面状を呈する底面４８をなしている。そのため、収容凹部４０において応力集中が起こり難くなり、収容凹部４０の耐圧性が向上する。その結果、十分に収容凹部４０内の圧力を高めることができるようになるので、ターゲット２０の耐圧性の向上とターゲット液体Ｌの冷却効果の向上とを両立可能とし、ターゲット液体Ｌの沸騰を十分に抑制することが可能となっている。これにより、放射線とターゲット液体Ｌとの反応性が向上するようになると共により高いエネルギーで放射線をターゲット液体Ｌに照射することができるようになるので、放射性同位元素の収量が増大することとなる。

また、第１実施形態おいては、ターゲット２０が、頂部５８を有する薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとによって構成されており、薄肉殻状部２０ａの一方が、開口部４４に対してサイクロトロン１０よりも離れる側に向けて窪んだ球面状を呈する底面４８をなしている。そのため、収容凹部４０の容積（ターゲット液体Ｌの体積と空間Ｖとの合計に相当する）を従来のターゲットにおける収容凹部の容積と同じとすると共にターゲット液体Ｌの使用量を従来と同量とした場合、従来と比較して収容凹部４０の深さ（放射線の照射軸Ｘ方向における開口部４４から頂部５８までの直線距離）が深くなる。その結果、ターゲット液体Ｌが沸騰して気泡が発生した場合でも、従来と比較して放射線のエネルギーがターゲット液体Ｌによって減衰し易くなるので、ターゲット２０がスパッタされることを抑制することが可能となっている。

また、第１実施形態においては、ターゲット２０が、頂部５８を有する薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとによって構成されており、薄肉殻状部２０ａの一方が、開口部４４に対してサイクロトロン１０よりも離れる側に向けて窪んだ球面状を呈する底面４８をなしている。そのため、冷却水とターゲット液体Ｌとの熱交換をより促進させることが可能となっている。

また、第１実施形態おいては、サイクロトロン１０から照射される放射線の照射軸Ｘと収容凹部４０の底面４８との交差位置が頂部５８の直下となるようにターゲット２０が配置されている。収容凹部４０に収容されているターゲット液体Ｌのうち下方に位置する部分の温度が上方に位置する部分の温度よりも低い傾向にあるので、このようにすることで、放射線がターゲット液体Ｌのうち温度の低い部分に照射されるようになる。その結果、ターゲット液体Ｌの局所的な温度上昇が抑えられ、ターゲット液体Ｌの沸騰をより十分に抑制することが可能となると思われる。

また、第１実施形態おいては、サイクロトロン１０から照射される放射線の照射軸Ｘと収容凹部４０の底面４８との交差位置が頂部５８の直下となるようにターゲット２０が配置されている。放射線によって加熱されたターゲット液体Ｌは上方に移動する傾向にあるので、ターゲット液体Ｌにおいて対流が発生しやすくなる。その結果、ターゲット液体Ｌの局所的な温度上昇が抑えられ、ターゲット液体Ｌの沸騰を更に十分に抑制することが可能となっている。

また、第１実施形態においては、放射性同位元素を製造する際に、収容凹部４０内に所定の空間Ｖを残すように、ターゲット液体Ｌを収容凹部４０に供給している。そのため、ターゲット液体Ｌが沸騰した場合でも、当該空間Ｖにおいて、蒸発したターゲット液体Ｌの凝縮が行われる。その結果、凝縮熱伝達により、ターゲット液体Ｌの冷却効果をより向上させることが可能となる。

また、第１実施形態においては、環状支持部２０ｂの第１部分２０ｂ_１の一部をなしている平面５４ｂに、収容凹部４０の内壁面４６の一部を囲む凹部６０が４つ設けられている。そのため、凹部６０によって、環状支持部２０ｂのうち凹部６０と収容凹部４０との間の部分が薄肉状となるので、冷却水がこの凹部６０内を循環することで、冷却水とターゲット液体Ｌとの熱交換を更に促進させることができ、一層の冷却効果を得ることが可能となっている。

（２）第２実施形態
（２．１）放射性同位元素製造装置の構成
続いて、図７〜図１３を参照して、第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置２の構成について、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置１との相違点を中心に説明する。

ターゲット２０は、図７〜図１１に示されるように、薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａの周りを囲むように薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとを有している。そのため、ターゲット２０においては、薄肉殻状部２０ａと環状支持部２０ｂとで囲まれる空間によって、ターゲット液体Ｌを収容する収容凹部４０が先端面３６側に構成されており、第３ボディ部２２が嵌め込まれる嵌合凹部４２が基端面３８側に構成されている。なお、第２実施形態においては、ターゲット２０の基端面３８に突出部６６が設けられていない。

収容凹部４０は、開口部４４と、内壁面４６と、底面（凹曲面）４８とを有する。収容凹部４０の外形（開口部４４、内壁面４６及び底面４８全体としての外形）は、図９及び図１０において詳しく示されるように、照射軸Ｘから見て鉛直方向に長い環状を呈している。具体的には、収容凹部４０は、第２実施形態において、照射軸Ｘから見たときの外形がレーストラック形状を呈している。つまり、開口部４４は、収容凹部４０の外形を構成しており、内壁面４６及び底面４８は、照射軸Ｘから見たときに、この開口部４４によって画成される領域内に存在している。

ここで、レーストラック形状とは、第１及び第２の円弧部と、第１及び第２の直線部とを有し、第１の円弧部の開口と第２の円弧部の開口とが向かい合うように第１及び第２の円弧部が配されており、第１の円弧部の一端と当該一端側にある第２の円弧部の一端とが第１の直線部によって接続され、第１の円弧部の他端と第２の円弧部の他端とが第２の直線部によって接続された形状をいう。開口部４４及び内壁面４６では、各円弧部の曲率が等しくなっている（図９及び図１０参照）。なお、開口部４４及び内壁面４６は、照射軸Ｘから見て楕円形状等であってもよい。

底面４８は、内壁面４６と連続的に繋がっており、開口部４４に対してサイクロトロン１０（放射線が照射される側）よりも離れる側に向けて窪んだ曲面状を呈している。

収容凹部４０の底面４８と嵌合凹部４２の凸曲面５４ａとは肉薄している。つまり、薄肉殻状部２０ａは、頂部５８を有し、基端面３８側に向けて突出している。

頂部５８は、第２実施形態において、薄肉殻状部２０ａの鉛直方向における中央よりも上側に位置している。そのため、薄肉殻状部２０ａ（収容凹部４０の底面４８）の鉛直方向における中央を通ると共に水平面に平行な仮想平面Ｓ（図８参照）よりも上側における収容凹部４０の容積は、仮想平面Ｓよりも下側における収容凹部４０の容積よりも大きくなっている。

環状支持部２０ｂは、薄肉殻状部２０ａと直接接続される第１部分２０ｂ_１、及び、第１部分２０ｂ_１の外側を更に取り囲む第２部分２０ｂ_２を含んでいる。第１部分２０ｂ_１の一部をなしている平面５４ｂには、サイクロトロン１０から照射される放射線に向かう方向に窪んだ凹部６０が複数（第２実施形態において２つ）設けられている（図９〜図１１参照）。これらの凹部６０は、それぞれが収容凹部４０の内壁面４６の一部（半周程度）を囲むように形成されており（図８及び図１０参照）、照射軸Ｘ方向から見てそれぞれ略円弧状を呈している（図１０及び図１１参照）。

本体部７６には、冷却水を案内するための案内孔９６が、ノズル孔８８から先端面８０の突出部８６へと貫通するように延設されている。案内孔９６の先端部分（先端面８０側の部分）は、第２実施形態においては、直管状とされている（図７、図８及び図１２参照）。

椀状部材７８は、図７、図８、図１２及び図１３に示されるように、嵌合凹部４２の凸曲面５４ａに対応する形状を呈する対応凹曲面１０４を有している。第２実施形態において、椀状部材７８の対応凹曲面１０４と嵌合凹部４２の凸曲面５４ａ（薄肉殻状部２０ａの凸曲面５４ａ）との間隙（直線距離）Ｇは、第３ボディ部２２がターゲット２０の嵌合凹部４２に嵌め込まれた状態で、１ｍｍ程度となるように設定されている（図８参照）。

また、椀状部材７８には、対応凹曲面１０４側に開放された一時貯留凹部１０６が設けられている。一時貯留凹部１０６は、底面１０６ａと、底面１０６ａと繋がる側面１０６ｂとによって構成されている。側面１０６ｂの底面１０６ａと反対側の端部は、対応凹曲面１０４と繋がっている。椀状部材７８には、底面１０６ａから椀状部材７８の背面７８ａへと貫通する貫通孔７８ｂが設けられている。貫通孔７８ｂには、本体部７６の案内孔９６の先端部分が嵌め込まれている。そのため、案内孔９６によって案内された冷却水は一時貯留凹部１０６に一時的に貯留される。

一時貯留凹部１０６は、図１３に示されるように、照射軸Ｘから見て鉛直方向に長いレーストラック形状を呈している。一時貯留凹部１０６では、上側の円弧部の半径が下側の円弧部の半径よりも大きくなっている。

ここで、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ上における任意の点Ｐと、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１の点Ｐにおける、照射軸Ｘから見たときの法線Ｎが、照射軸Ｘから見て対応凹曲面１０４の外縁Ｅ２と交差する点Ｑとを結ぶ、対応凹曲面１０４の表面に沿った距離を、点Ｐでの沿面距離Ｄとする。このとき、椀状部材７８においては、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１上における実質的に全ての点での沿面距離が略同一となっている。

例えば、図１２及び図１３に示されるように、点Ｐ１での沿面距離Ｄ１、点Ｐ２での沿面距離Ｄ２及び点Ｐ３での沿面距離Ｄ３は、いずれも１５．１ｍｍ±０．１ｍｍである。なお、「実質的に全ての点」とは、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１の点における、照射軸Ｘから見たときの法線が、照射軸Ｘから見たときの対応凹曲面１０４の外縁Ｅ２のうち切り欠き部１０２によって構成される部分を通る場合には、その点を除く趣旨である。第２実施形態では、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１の一部である縁Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂ上の点が除かれる。また、「略同一」とは、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１上における各点での沿面距離が±０．１ｍｍ程度の幅を有していても、これを許容する趣旨である。

（２．２）作用及び効果
以上のような第２実施形態に係る放射性同位元素製造装置２は、第１実施形態に係る放射性同位元素製造装置１と同様の効果を奏する。

また、第２実施形態おいては、仮想平面Ｓよりも上側における収容凹部４０の容積は、仮想平面Ｓよりも下側における収容凹部４０の容積よりも大きい。このように収容凹部４０の上部の容積が大きいと、収容凹部４０の上部（薄肉殻状部２０ａの上部）において冷却水との接触面積が増加するので、沸騰したターゲット液体が気体として存在しがちな収容凹部４０の上部を極めて効率的に冷却することができるようになっている。また、このように収容凹部４０の下部の容積が小さいと、高価なターゲット液体の使用量を抑えられるので、コストの低減を図ることができるようになっている。

また、第２実施形態においては、頂部５８が、仮想平面Ｓよりも上側に位置している。そのため、収容凹部４０の上部の容積がより大きくなっている。

また、第２実施形態においては、収容凹部４０が、照射軸Ｘから見て鉛直方向に長い環状（レーストラック形状）を呈している。そのため、収容凹部４０が照射軸Ｘから見て水平方向に長い環状を呈している場合と比較して、収容凹部４０の両側部の容積が小さくなるので、高価なターゲット液体の使用量をより抑えることでできるようになっている。

また、第２実施形態においては、ターゲット液体Ｌを冷却するための冷却水を一時的に貯留する一時貯留凹部１０６が椀状部材７８に設けられている。このように案内孔９６によって案内された冷却水を一時貯留凹部１０６に一時的に貯留すると、案内孔９６によって案内された冷却水は、一時貯留凹部１０６にて流速が遅くなった後に嵌合凹部４２の凸曲面５４ａ（薄肉殻状部２０ａの凸曲面５４ａ）と椀状部材７８の対応凹曲面１０４との間に流れ込むこととなるので、案内孔９６によって案内された冷却水が嵌合凹部４２の凸曲面５４ａ全面に拡がりつつ流れる際に発生する圧力損失の低減を図ることが可能となる。そのため、嵌合凹部４２の凸曲面５４ａ上において冷却水の偏流が発生し難くなる。その結果、ターゲット２０（薄肉殻状部２０ａ）を介してターゲット液体Ｌの冷却を均一に行いやすくなっている。

また、第２実施形態においては、一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１上における実質的に全ての点での沿面距離が略同一となっている。このようにすると、対応凹曲面１０４における冷却水の流路の長さが略同一となるので、案内孔９６によって案内された冷却水が嵌合凹部４２の凸曲面５４ａ全面に拡がりつつ流れる際に発生する圧力損失をより一層低減することができるようになっている。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、収容凹部４０が球面状を呈する底面４８を有していたが、収容凹部４０が開口部４４に対してサイクロトロン１０よりも離れる側に向けて窪んでいれば、球面状に限られず、他の形状の凹曲面とすることができる。

また、本実施形態では、サイクロトロン１０から照射される放射線の照射軸Ｘと収容凹部４０の底面４８との交差位置が頂部５８の直下となるようにターゲット２０が配置されていたが、これに限られず、サイクロトロン１０から照射される放射線の照射軸Ｘと収容凹部４０の底面４８との交差位置を頂部５８の下側とすることができる。

また、本実施形態では、ターゲット２０が、頂部５８を有する薄肉殻状部２０ａと、薄肉殻状部２０ａを支持する環状支持部２０ｂとによって構成されていたが、殻状でなくてもよく、例えば嵌合凹部４２の凸曲面５４ａを平面状とする等、厚肉状とすることもできる。

また、本実施形態ではＨｅガスを収容凹部４０に供給して収容凹部４０内の圧力を高めていたが、Ｈｅガスに限られず他の不活性ガスを用いることもできる。

また、第２実施形態では頂部５８が仮想平面Ｓよりも上側に位置していたが、仮想平面Ｓよりも上側における収容凹部４０の容積が仮想平面Ｓよりも下側における収容凹部４０の容積よりも大きさよりも大きければ、頂部５８の位置はこれに限られない。

また、第２実施形態では一時貯留凹部１０６が椀状部材７８に設けられていたが、一時貯留凹部１０６が椀状部材７８に設けられていなくてもよい。

また、第２実施形態では一時貯留凹部１０６の開口側の縁Ｅ１上における実質的に全ての点での沿面距離が略同一となっていたが、対応凹曲面１０４がこの条件を満たす形状とされていなくてもよい。

Claims (12)

1. ターゲット液体と放射線との核反応により放射性同位元素を製造するための放射性同位元素製造装置であって、
   放射線を照射する放射線源と、
   前記ターゲット液体を収容する収容凹部を有するターゲットとを備え、
   前記収容凹部は、前記放射線源から照射された放射線を導入するための開口と、頂部を有するように前記開口から離れる方向に向けて窪んだ凹曲面とを含んでおり、
   前記放射線源から照射される放射線の照射軸と前記凹曲面との交差位置が前記頂部よりも下側となるように、前記ターゲットが配置されていることを特徴とする放射性同位元素製造装置。
2. 前記放射線源から照射される放射線の照射軸と前記凹曲面との交差位置が前記頂部の直下となるように、前記ターゲットが配置されていることを特徴とする請求項１に記載された放射性同位元素製造装置。
3. 前記凹曲面は、球面状とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載された放射性同位元素製造装置。
4. 前記ターゲットは、一方が前記凹曲面をなし、他方が凸曲面をなす薄肉殻状部と、前記薄肉殻状部の周りを囲むように前記薄肉殻状部を支持する環状支持部とを有し、
   前記収容凹部は、前記薄肉殻状部と環状支持部とで囲まれる空間によって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載された放射性同位元素製造装置。
5. 前記収容凹部は、前記開口と前記凹曲面とを繋ぐ側面を更に含んでおり、
   前記環状支持部には、前記収容凹部の前記側面の少なくとも一部を囲むように、前記放射線源から照射される放射線に向かう方向に窪んだ凹部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載された放射性同位元素製造装置。
6. 前記凹曲面の鉛直方向における中央を通ると共に水平面に平行な仮想平面よりも上側における前記収容凹部の容積は、前記仮想平面よりも下側における前記収容凹部の容積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載された放射性同位元素製造装置。
7. 前記頂部は、前記仮想平面よりも上側に位置していることを特徴とする請求項６に記載された放射性同位元素製造装置。
8. 前記収容凹部は、前記放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの外形が鉛直方向に長い環状を呈していることを特徴とする請求項６又は７に記載された放射性同位元素製造装置。
9. 前記ターゲットは、一方が前記凹曲面をなし、他方が凸曲面をなす薄肉殻状部を有しており、
   前記凸曲面に対応する形状を呈する対応凹曲面を有すると共に前記対応凹曲面が前記凸曲面と対向するように配置された椀状部材を更に備え、
   前記椀状部材には、前記対応凹曲面側に開放され、前記ターゲット液体を冷却するための冷却液を導入するための開口が底部に形成されると共に、前記開口からの冷却液を一時的に貯留する一時貯留凹部が設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載された放射性同位元素製造装置。
10. 前記一時貯留凹部の開口側の縁上における任意の点Ｐと、前記一時貯留凹部の開口側の縁の当該点Ｐにおける、前記放射線源から照射される放射線の照射軸から見たときの法線が、前記放射線源から照射される放射線の照射軸から見て前記対応凹曲面の外縁と交差する点とを結ぶ、前記対応凹曲面の表面に沿った距離を、点Ｐでの沿面距離Ｄとしたときに、前記一時貯留凹部の開口側の縁上における実質的に全ての点での沿面距離が略同一であることを特徴とする請求項９に記載された放射性同位元素製造装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載された放射性同位元素製造装置を用意する工程と、
    前記ターゲットを冷却するための冷却液を循環させる工程と、
    前記頂部よりも上側で且つ前記収容凹部内に所定の空隙を残すように、前記収容凹部内に前記ターゲット液体を収容する工程と、
    前記照射軸と前記凹曲面との交差位置が前記頂部よりも下側となると共に、前記放射線源から照射される放射線の照射領域が前記ターゲット液体に収まるように、前記放射線源から放射線を前記ターゲットに向けて照射する工程とを備えることを特徴とする放射性同位元素の製造方法。
12. 前記ターゲット液体を収容する工程の後で且つ前記放射線源から放射線を前記ターゲットに向けて照射する工程の前に、前記収容凹部内に不活性ガスを供給して、前記収容凹部内を加圧する工程を更に備えることを特徴とする請求項１１に記載された放射性同位元素の製造方法。

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