(57)【要約】【課題】医療用アイソトープを産生するための装置および方法を提供すること。【解決手段】医療用アイソトープを産生するように動作可能であるハイブリッド原子炉は、ガスからイオンビームを産生するように動作可能なイオン源と、中性子を産生するようにイオンビームと相互作用するターゲットを含むターゲットチャンバと、ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、核分裂反応を介して医療用アイソトープを産生するように中性子と相互作用する母材を含む放射化セルとを含む。減衰器は、放射化セルに近接して位置付けられ、核分裂反応を未臨界レベルで維持するように選択され、反射器は、ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、放射化セルに向かって中性子を反射させるように選択され、減速材は、放射化セル、減衰器、および反射器を実質的に包囲する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願データ）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、２００８年５月２日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第６１／０５０，０９６号の利益を主張し、それは完全に本明細書に参考として援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
本発明は、医療用アイソトープを産生するための装置および方法に関する。より具体的には、本発明は、未臨界原子炉および低濃縮ウラン（ＬＥＵ）の有無にかかわらず、中性子で生成された医療用アイソトープを産生するための装置および方法に関する。
【０００３】
放射線アイソトープは、核医学において医師により一般的に使用される。これらのアイソトープのうち最も一般的に使用されるのは９９Ｍｏである。９９Ｍｏの供給の多くは、高濃縮ウラン（ＨＥＵ）から開発される。用いられるＨＥＵは、核兵器を形成するように十分に濃縮される。ＨＥＵは、米国から輸出され、必要とされる９９Ｍｏの産生を容易にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＥＵを使用せずに、必要とされる９９Ｍｏを産生することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
一実施形態において、本発明は、医療用アイソトープを産生するように動作可能である、ハイブリッド原子炉を提供する。原子炉は、ガスからイオンビームを産生するように動作可能であるイオン源と、中性子を産生するようにイオンビームと相互作用するターゲットを含むターゲットチャンバと、ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、核分裂反応を介して医療用アイソトープを産生するように中性子と相互作用する母材を含む放射化セルとを含む。減衰器は、放射化セルに近接して位置付けられ、核分裂反応を未臨界レベルで維持するように選択され、反射器は、ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、放射化セルに向かって中性子を反射させるように選択され、減速材は、放射化セル、減衰器、および反射器を実質的に包囲する。
【０００６】
別の実施形態において、本発明は、医療用アイソトープを産生するように動作可能である、ハイブリッド原子炉を提供する。原子炉は、空間を実質的に包囲する長いターゲット経路を含む核融合部分を含む。核融合部分は、ターゲット経路内で中性子束を産生するように動作可能である。反射器は、長いターゲット経路を実質的に包囲し、空間に向かって中性子束の一部分を反射させるように配列される。放射化セルは、空間内に位置付けられ、核分裂反応中に、医療用アイソトープを産生するように中性子束の一部分と反応する母材を含む。減衰器は、放射化セル内に位置付けられ、核分裂反応を未臨界レベルで維持するように選択され、減速材は、放射化セル、減衰器、および反射器を実質的に包囲する。
【０００７】
別の実施形態において、本発明は、医療用アイソトープを産生する方法を提供する。方法は、イオンビームを産生するようにガスを励起するステップと、イオンビームを加速させるステップと、加速されたイオンビームを、ターゲットガスを含む長いターゲット経路に通過させるステップとを含む。ターゲットガスおよびイオンは、核融合反応を通して反応し、中性子を産生する。方法は、中性子の一部分を長いターゲット経路を実質的に包囲する反射器で反射させるステップと、長いターゲット経路に隣接する放射化チャンバ内に母材を位置付けるステップと、医療用アイソトープを産生するように、中性子の一部分と母材との間の核分裂反応を維持するステップも含む。方法は、放射化チャンバに隣接して減衰器を位置付けるステップと、放射化チャンバ内の核分裂反応を強化するように、減衰器内で中性子の一部分を熱中性子に変換するステップとをさらに含む。
【０００８】
さらに別の実施形態において、本発明は、医療用アイソトープを産生する方法を提供する。方法は、イオンビームを産生するようにガスを励起するステップと、イオンビームを加速させるステップと、加速されたイオンビームを、ターゲットガスを含む実質的に線形のターゲット経路に通過させるステップとを含む。ターゲットガスおよびイオンは、核融合反応を通して反応し、自由中性子を産生する。方法は、自由中性子の一部分を、ターゲット経路の半径方向外向きに位置付けられる反射器で反射させるステップと、ターゲット経路に隣接する放射化チャンバ内に母材を位置付けるステップと、核分裂性物質を使用せずに、医療用アイソトープを産生するように、自由中性子および母材を反応させるステップも含む。
【０００９】
本発明の他の局面および実施形態は、詳細な説明および添付の図面を考慮することによって明らかとなるであろう。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
医療用アイソトープを産生するように動作可能なハイブリッド原子炉であって、
ガスからイオンビームを産生するように動作可能なイオン源と、
中性子を産生するように該イオンビームと相互作用するターゲットを含む、ターゲットチャンバと、
該ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、核分裂反応を介して該医療用アイソトープを産生するように該中性子と相互作用する母材を含む、放射化セルと、
該放射化セルに近接して位置付けられ、該核分裂反応を未臨界レベルで維持するように選択される、減衰器と、
該ターゲットチャンバに近接して位置付けられ、該放射化セルに向かって中性子を反射させるように選択される、反射器と、
該放射化セル、該減衰器、および該反射器を実質的に包囲する、減速材と
を備える、ハイブリッド原子炉。
（項目２）
ＲＦ共鳴は、上記イオンビームを産生するために使用される、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目３）
上記イオン源と上記ターゲットチャンバとの間に位置付けられ、上記イオンビームの上記イオンを加速するように動作可能である、加速器をさらに備える、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目４）
上記ガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの一方を含み、上記ターゲットは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの他方を含む、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目５）
上記ターゲットチャンバは、実質的に線状である長いターゲット経路を画定する、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目６）
上記長いターゲット経路の少なくとも一部内で、上記イオンビームを平行にする磁場を画定するように位置付けられる、少なくとも１つの磁石をさらに備える、項目５に記載のハイブリッド原子炉。
（項目７）
上記ターゲットチャンバは、実質的に螺旋状である長いターゲット経路を画定する、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目８）
上記イオンビームを上記螺旋状経路に沿って方向付ける磁場を画定するように位置付けられる、少なくとも１つの磁石をさらに含む、項目７に記載のハイブリッド原子炉。
（項目９）
上記イオン源および上記ターゲットチャンバは、ともに、複数の核融合炉のうちの１つを少なくとも部分的に画定する、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１０）
上記複数の核融合炉の各々の上記ターゲットチャンバは、円筒空間を実質的に包囲するように協働する、項目９に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１１）
上記放射化セルは、実質的に環状であり、上記円筒空間内に位置付けられる、項目１０に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１２）
上記減衰器は、上記環状放射化セルの内側に位置付けられ、上記反射器は、上記複数のターゲットチャンバを実質的に包囲する、項目１１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１３）
上記母材は、低濃縮２３５Ｕであり、上記医療用アイソトープは、９９Ｍｏである、項目１に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１４）
医療用アイソトープを産生するように動作可能なハイブリッド原子炉であって、
空間を実質的に取り囲むターゲットチャンバ内に配置される長いターゲット経路を含む、融合部分であって、該ターゲットチャンバ内で中性子束を産生するように動作可能である、融合部分と、
該ターゲットチャンバの外側に位置付けられ、該空間に向かって該中性子束の一部分を反射させるように配列される、反射器と、
該空間内に位置付けられ、核分裂反応中に、該中性子束の一部分と反応して、該医療用アイソトープを産生する母材を含む、放射化セルと、
該放射化セル内に位置付けられ、該核分裂反応を未臨界レベルで維持するように選択される、減衰器と、
該放射化セル、該減衰器、および該反射器を実質的に包囲する、減速材と
を備える、ハイブリッド原子炉。
（項目１５）
上記核融合炉は、ガスからイオンビームを産生するように動作可能である、ＲＦアンテナを含む、項目１４に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１６）
上記イオンビームを受信し、上記ターゲット経路に向かって加速させるように位置付けられる加速器をさらに備え、該ターゲット経路は、ターゲット材料を含む、項目１５に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１７）
上記ガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの一方を含み、上記ターゲット材料は、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの他方を含む、項目１６に記載のハイブリッド原子炉。
（項目１８）
上記ターゲット経路は、実質的に線状である、項目１４に記載のハイブリッド原子炉。（項目１９）
上記ターゲット経路の少なくとも一部分内で、イオンビームを平行にする磁場を画定するように位置付けられる、少なくとも１つの磁石をさらに備える、項目１８に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２０）
上記ターゲット経路は、実質的に螺旋状である、項目１４に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２１）
上記螺旋状ターゲット経路に沿って上記イオンビームを方向付ける磁場を画定するように位置付けられる、少なくとも１つの磁石をさらに備える、項目２０に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２２）
上記核融合炉は、複数の核融合炉のうちの１つであり、各核融合炉は、上記空間の一部分を実質的に取り囲む、ターゲット経路を含む、項目１４に記載のハイブリッド原子炉。（項目２３）
上記放射化セルは、実質的に環状である、項目２２に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２４）
上記減衰器は、上記環状放射化セルの内側に位置付けられ、上記反射器は、上記複数のターゲット経路を実質的に包囲する、項目２３に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２５）
上記母材は、低濃縮２３５Ｕであり、上記医療用アイソトープは、９９Ｍｏである、項目１４に記載のハイブリッド原子炉。
（項目２６）
医療用アイソトープを産生する方法であって、
イオンビームを産生するようにガスを励起することと、
該イオンビームを加速させることと、
該加速されたイオンビームを、ターゲットガスを含む長いターゲット経路に通過させることであって、該ターゲットガスおよび該イオンは、核融合反応を通して反応し、中性子を産生する、ことと、
該中性子の一部分を、該長いターゲット経路の半径方向外向きに位置付けられる反射器で反射させることと、
該長いターゲット経路に隣接する活性化チャンバ内に母材を位置付けることと、
該医療用アイソトープを産生するように、該中性子の一部分と該母材との間の核分裂反応を維持することと、
該活性化チャンバに隣接して減衰器を位置付けることと、
該放射化チャンバ内の該核分裂反応を強化するように、該減衰器内で該中性子の一部分を熱中性子に変換することと
を含む、方法。
（項目２７）
ＲＦ放射は、上記ガスを励起する、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
上記ガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの一方を含み、上記ターゲットガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの他方を含む、項目２６に記載の方法。
（項目２９）
上記熱中性子の一部分および上記母材を反応させることによって、追加の医療用アイソトープを産生することをさらに含む、項目２６に記載の方法。
（項目３０）
上記母材は、低濃縮２３５Ｕであり、上記医療用アイソトープは、９９Ｍｏである、項目２６に記載の方法。
（項目３１）
医療用アイソトープを産生する方法であって、
イオンビームを産生するようにガスを励起することと、
該イオンビームを加速させることと、
該加速されたイオンビームを、ターゲットガスを含む実質的に線形のターゲット経路に通過させることであって、該ターゲットガスおよび該イオンは、核融合反応を介して遊離中性子へと反応させる、ことと、
該遊離中性子の一部を、該長いターゲット経路の半径方向外向きに位置付けられる反射器で反射させることと、
該ターゲット経路に隣接する活性化チャンバ内に母材を位置付けることと、
核分裂性物質を使用せずに、該医療用アイソトープを産生するように該遊離中性子および該母材を反応させることと
を含む、方法。
（項目３２）
上記イオンビームを平行にして分散を阻止するように配向される、磁場を確立することをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
上記ガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの一方を含み、上記ターゲットガスは、ジュウテリウムおよびトリチウムのうちの他方を含む、項目３１に記載の方法。
（項目３４）
上記遊離中性子の一部を熱中性子に変換することと、上記熱中性子の一部および上記母材を反応させることによって、追加の医療用アイソトープを産生することとをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目３５）
上記母材は、９８Ｍｏを含み、上記医療用アイソトープは、９９Ｍｏである、項目３１に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明は、添付の図面と併せて本明細書に提示される、特定の実施形態に関する詳細な説明を参照することによって、より良く理解および評価され得る。
【図１】図１は、磁気ターゲットチャンバを有する発電機の第１図である。
【図２】図２は、磁気ターゲットチャンバを有する発電機の第２図である。
【図３】図３は、線形ターゲットチャンバを有する発電機の第１図である。
【図４】図４は、イオン源の第１図である。
【図５】図５は、イオン源の断面図である。
【図６】図６は、加速器の第１図である。
【図７】図７は、加速器の断面図である。
【図８】図８は、差動ポンプの第１図である。
【図９】図９は、差動ポンプの断面図である。
【図１０】図１０は、ガスろ過システムの第１図である。
【図１１】図１１は、磁気ターゲットチャンバの第１図である。
【図１２】図１２は、磁気ターゲットチャンバの断面図である。
【図１３】図１３は、線形ターゲットチャンバの第１図である。
【図１４】図１４は、１８Ｆおよび１３Ｎ産生のためのアイソトープ生成システムを示す、線形ターゲットチャンバの断面図である。
【図１５】図１５は、線形ターゲットチャンバおよび同期高速ポンプを有する発電機の第１図である。
【図１６】図１６は、イオンビームの通過を可能にする、抽出状態にある同期高速ポンプの断面図である。
【図１７】図１７は、イオンビームの通過を可能にしない、抑制状態にある同期高速ポンプの断面図である。
【図１８】図１８は、線形ターゲットチャンバおよび同期高速ポンプを有する発電機、ならびにコントローラの一実施形態の概略図である。
【図１９】図１９は、１０トールガス圧および２５℃における、２Ｈイオンに対する３Ｈｅの阻止能に関する、阻止能（ｋｅＶ／μｍ）対イオンエネルギー（ｋｅＶ）のグラフである。
【図２０】図２０は、１０トールガス圧および２５℃における、２Ｈイオンに対する３Ｈｅの阻止能に関する、阻止能（ｋｅＶ／μｍ）対イオンエネルギー（ｋｅＶ）のグラフである。
【図２１】図２１は、１０トールにおいて３Ｈｅターゲットに衝突する、１００ｍＡ入射２Ｈビームに関する、核融合反応率（反応数／秒）対イオンビーム入射エネルギー（ｋｅＶ）のグラフである。
【図２２】図２２は、医療用アイソトープの産生に適した核融合部分および核分裂部分を含む、ハイブリッド原子炉の斜視図である。
【図２３】図２３は、医療用アイソトープの産生に適した核融合部分および核分裂部分を含む、ハイブリッド原子炉の別の配列の斜視図である。
【図２４】図２４は、様々な材料層を示す、核分裂反応炉の側面概略図である。
【図２５】図２５は、様々な材料層を示す、図２４の核分裂反応炉の上面概略図である。
【図２６】図２６は、様々な材料層を示す、別の核分裂反応炉の側面概略図である。
【図２７】図２７は、様々な材料層を示す、図２６の核分裂反応炉の上面概略図である。
【図２８】図２８は、様々な材料層を示し、９８Ｍｏからの９９Ｍｏの形成に特に適した別の核分裂反応炉の側面概略図である。
【図２９】図２９は、様々な材料層を示す、図２８の核分裂反応炉の上面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（詳細な説明）
本発明の任意の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載されるか、または以下の図面に示される、構成および構成要素の配列の詳細に対するその用途に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明の目的であり、限定するものとして見なされてはならないことも理解されたい。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびそれらの変形例の使用は、以降に一覧表示される項目およびそれらに相当する項目、ならびに追加項目を包含することを意味する。特別の定めまたは限定のない限り、「載置される」、「接続される」、「支持される」、および「連結される」という用語、およびそれらの変形例は、広義に使用され、直接および間接載置、接続、支持、および連結を包含する。さらに、「接続される」および「連結される」は、物理的または機械的接続または連結に限定されない。
【００１２】
少なくとも１つの実施形態を説明する前に、本発明は、その用途において、実施例によって例示される、以下の説明に記載される詳細に限定されないことを理解されたい。そのような説明および実施例は、添付の請求項に記載されるような、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、他の実施形態であり得るか、または様々な方法で実践あるいは実行することができる。
【００１３】
本開示を通して、本発明の様々な局面が範囲形式で提示され得る。範囲形式の説明は、単に便宜上および省略のためであり、本発明の範囲に対する確固たる限定と見なされるべきでないことを理解されたい。したがって、当業者に理解されるように、任意およびすべての目的で、特に、文書記述を提供することに関して、本明細書に開示されるすべての範囲は、任意およびすべての可能な小範囲およびそれらの小範囲の組み合わせ、ならびにその範囲内のすべての整数および分数数値も包含する。単なる実施例として、２０％〜４０％の範囲は、２０％〜３２．５％および３２．５％〜４０％、２０％〜２７．５％および２７．５％〜４０％等の範囲に細分することができる。任意の記載される範囲は、少なくとも等分の半分、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１等に細分される同一範囲を十分に説明するもの、および可能にするものとして、容易に認識することができる。限定されない実施例として、本明細書で論じられる各範囲は、下部３分の１、中部３分の１、および上部３分の１等に容易に細分することができる。さらに、当業者によって理解されるように、「最大」、「少なくとも」、「より大きい」、「未満」、「より多く」等のすべての言語は、引用される数を含み、次に、上述されるような小範囲に細分することができる範囲を意味する。同様に、本明細書に開示されるすべての比率は、より広範な比率内に分類されるすべての小比率も含む。これらは、特に意図されることの実施例に過ぎない。さらに、第１の表示数および第２の表示数「の範囲／の間の範囲」という表現、および第１の表示数「から」第２の表示数「の範囲／までの範囲」という表現は、本明細書において同義的に使用される。
【００１４】
「実質的に」、「約」、「およそ」等の用語は、本明細書において、装置の性能に有意な影響を与えることなく、理想的な状態または説明される状態から逸脱し得る、特性および特徴を説明するように使用される。例えば、「実質的に平行な」は、望ましくは平行であるが、逸脱が装置に有意な悪影響を及ぼさない限り、最大２０°の角度だけ逸脱し得る、特性を説明するように使用され得る。同様に、「実質的に線形」は、線形性からの逸脱が、装置の性能に有意に悪影響を及ぼさない限り、わずかに湾曲した経路、またはわずかに螺旋状の経路を含み得る。
【００１５】
図２２は、医療用アイソトープの産生に十分に適したハイブリッド原子炉５ａの配列を示す。説明を進める前に、本明細書で使用される「ハイブリッド原子炉」という用語は、核融合部分および核分裂部分を含む、原子炉を説明することを意味する。特に、示される原子炉５ａは、９８ＭｏまたはＬＥＵの溶液から９９Ｍｏを産生するのに十分に適している。ハイブリッド原子炉５ａは、所望のアイソトープを産生するように協働する、核融合部分１０および核分裂部分８を含む。図２２に示される構成では、１０個の個別の核融合部分１０が用いられる。各核融合部分１０は、磁気核融合部分１０として配列され、図１および２に関して論じられるように、中性子源として機能する。当然のことながら、他の配列は、必要に応じて、より少数の核融合部分１０、より多数の核融合部分１０、または融合部分の他の配列を使用してもよい。
【００１６】
図２３は、医療用アイソトープの産生に十分に適したハイブリッドリアクタ５ｂの別の配列を示す。図２３の構成では、線形核融合部分１１は、図３および４に関して論じられるように、中性子源として機能する。図２３の構成では、線形核融合部分１１は、５つの核融合部分１１が、核分裂部分８の一端に位置付けられ、５つの核融合部分１１が、核分裂部分８の反対端に位置付けられるように配列される。当然のことながら、必要に応じて、他の数の核融合部分１１を用いる他の配列、または核融合部分の他の配列を用いてもよい。
【００１７】
図１〜３に示されるように、各核融合部分１０、１１は、高エネルギー陽子源または中性子源として機能し得る、小型装置を提供する。一実施形態において、核融合部分１０、１１は、２Ｈ−３Ｈｅ（ジュウテリウム−ヘリウム３）核融合反応を利用して陽子を生成し、次に、これを使用して他のアイソトープを生成してもよい。別の実施形態において、核融合部分１０、１１は、塩基反応を２Ｈ−３Ｈ、２Ｈ−２Ｈ、または３Ｈ−３Ｈ反応に変更することによって、中性子源として機能する。
【００１８】
従来型の陽子または中性子源に固有の短所を考慮して、核融合部分１０、１１は、医療用アイソトープの産生に利用され得る、新規の高エネルギー陽子または中性子源を提供する（本明細書ではイオン源として総称される場合があるが、より正しくは、粒子源として考慮される）。各核融合部分１０、１１は、少量のエネルギーを使用して、核融合反応を形成し、次に、アイソトープ産生に使用され得る、高エネルギー陽子または中性子を形成する。少量のエネルギーを使用することは、装置を以前の従来装置よりも小型にすることを可能にし得る。
【００１９】
各核融合部分１０、１１は、１８Ｆ、１１Ｃ、１５Ｏ、１３Ｎ、６３Ｚｎ、１２４Ｉおよび他にも多数含むが、これらに限定されない、他のアイソトープを生成するように使用され得る、陽子を好適に生成する。燃料の種類を変更することによって、各核融合部分は、１３１Ｉ、１３３Ｘｅ、１１１Ｉｎ、１２５Ｉ、９９Ｍｏ（９９ｍＴｃに減衰する）、およびその他多数を含むが、これらに限定されない、アイソトープを生成するように使用され得る、等方中性子の高流束を生成するように使用されてもよい。したがって、各核融合部分１０、１１は、前述の陽子または中性子源よりも多くの利点を有する、医療用アイソトープ生成等に使用するための、新規の小型高エネルギー陽子または中性子源を提供する。
【００２０】
一般的に、各核融合部分１０、１１は、陽子または中性子を生成するための装置であって、順に、多様な放射性核種（または放射性アイソトープ）を生成するために好適に使用される装置を提供する。図１および２を参照して、各磁気核融合部分１０は、ＲＦ駆動イオン生成器および／またはアンテナ２４を好適に含み得る、プラズマイオン源２０、好適に電極駆動される加速器３０、およびターゲットチャンバ６０を含むターゲットシステムを含む。陽子ベースの放射性アイソトープ産生の場合、装置は、アイソトープ抽出システム９０を含んでもよい。ＲＦ駆動プラズマイオン源２０は、所定の経路に沿って方向付けられるイオンビームを生成および平行にさせ、イオン源２０は、第１の流体が侵入するための入り口を含む。電極駆動加速器３０は、イオンビームを受容し、イオンビームを加速させて、加速イオンビームを生じる。ターゲットシステムは、加速イオンビームを受容する。ターゲットシステムは、各粒子派生、例えば、陽子派生または中性子派生のターゲット材料であって、加速ビームに反応性であり、順に核粒子、すなわち陽子または中性子を放出する材料を含む。放射性アイソトープ産生の場合、ターゲットシステムは、核粒子に対して透過性である側壁を有してもよい。アイソトープ抽出システム９０は、ターゲットシステムの近接または内部に配置され、放射性核種（または放射性アイソトープ）を生じるように、核粒子に反応性である、アイソトープ派生材料を含有する。
【００２１】
ＲＦ駆動イオン生成器またはイオン源は、本明細書に説明されており、他のシステムおよび装置は、所望のイオンを生成するのにも十分適していることに留意されたい。例えば、他の構成は、ＤＣアーク源をＲＦ駆動イオン生成器またはイオン源の代わりに、または併せて用いることができる。さらに他の構成は、熱陰極イオン源、冷陰極イオン源、レーザーイオン源、電場放出源、および／または電場蒸発源を、ＤＣアーク源および／またはＲＦ駆動イオン生成器あるいはイオン源の代わりに、または併せて使用することができる。したがって、本発明は、ＲＦ駆動イオン生成器またはイオン源を用いる構成に限定されてはならない。
【００２２】
論じられるように、核融合部分は、磁気構成１０および／または線形構成１１で配列することができる。装置の６つの主要な部分または構成要素は、磁気構成１０の場合は、図１および図２に示され、線形構成１１の場合は図３に示される。各核融合部分は、磁気配列または線形配列で配列されるか否かにかかわらず、概して２０と指定されるイオン源、加速器３０、差動ポンプシステム４０、磁気構成１０の場合はターゲットチャンバ６０、または線形構成１１の場合はターゲットチャンバ７０を含むターゲットシステム、概して８０と指定されるイオン制限システム、および概して９０と指定されるアイソトープ抽出システムを含む。各核融合部分は、追加として、ガスろ過システム５０を含んでもよい。各核融合部分は、同期高速ポンプ１００の代わりに、または差動ポンプシステム４０に加えて含んでもよい。ポンプ１００は、特にターゲットチャンバの線形構成で動作する。
【００２３】
イオン源２０（図４および図５）は、真空チャンバ２５、高周波（ＲＦ）アンテナ２４、およびイオンインジェクタ第１ステージ２３およびイオンインジェクタ最終ステージ３５を有する、イオンインジェクタ２６を含む（図６）。磁石（図示せず）は、イオン源が、高密度ヘリコンモードで動作するのを可能にし、より高密度のプラズマ２２を形成して、より高いイオン流をもたらすように含まれてもよい。この磁石の場強度は、好適には、約５０Ｇ〜約６０００Ｇの範囲、好適には約１００Ｇ〜約５０００Ｇである。磁石は、軸方向電場（イオンビームの経路に平行な南北方向）またはカスプ電場（隣接する磁石の南北の間で交互する内部電極を有するイオンビームの経路に垂直な南北方向）を形成するように配向されてもよい。軸方向電場は、ヘリコンモード（高密度プラズマ）を形成することができるが、カスプ電場は、ヘリコン誘導モードではないが、高密度プラズマを生成し得る。ガス入口２１は、真空チャンバ２５の一端に位置付けられ、イオンインジェクタ２６の第１ステージ２３は、他端に位置付けられる。ガス入口２１は、所望の燃料型のうちの１つを提供し、１Ｈ２、２Ｈ２、３Ｈ２、３Ｈｅ、および１１Ｂを含み得るか、または１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ、３Ｈｅ、および１１Ｂを含み得る。入口２１におけるガスフローは、質量流量コントローラ（図示せず）によって好適に調節され、ユーザによって、または自動的に制御され得る。ＲＦアンテナ２４は、真空チャンバ２５の外部の周囲で好適に包囲される。あるいは、ＲＦアンテナ２４は、内部真空チャンバ２５であり得る。好適には、ＲＦアンテナ２４は、ＲＦアンテナ２４によって放出される高周波放射線が、真空チャンバ２５の内容物（すなわち、燃料ガス）を励起し、例えば、プラズマを形成するように、真空チャンバに近接する。ＲＦアンテナ２４は、１つ以上の回転を有する管２７を含む。ＲＦ管またはワイヤ２７は、銅、アルミニウム、またはステンレス鋼等の導電性および屈曲可能な材料で形成されてもよい。
【００２４】
イオンインジェクタ２６は、１つ以上の成形ステージ（２３、３５）を含む。イオンインジェクタの各ステージは、イオンビームの有効な視準を提供するように、金属および合金を含み得る、導電性材料から好適に形成される、加速電極３２を含む。例えば、電極は、タングステン等のスパッタリング係数の低い導電性金属から好適に形成される。他の好適な材料は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、グラファイト、モリブデン、タンタル等を含み得る。ＲＦアンテナ２４は、一端において、ＲＦインピーダンス整合回路（図示せず）の出力に接続され、他端において、接地部に接続される。ＲＦインピーダンス整合回路は、アンテナを調整して、発電機に必要なインピーダンスを整合し、ＲＦ共鳴を確立し得る。ＲＦアンテナ２４は、０Ｈｚ〜数十ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ〜ＧＨｚおよびそれよりも高い周波数を含む、それらに限定されない、広範なＲＦ周波数を好適に生成する。ＲＦアンテナ２４は、高消費電力に最小限の抵抗変化で耐え得る、外部水冷器（図示せず）によって水冷されてもよい。ＲＦアンテナ２４の回転において、整合回路は、ＲＦ発電機（図示せず）に接続されてもよい。イオン源２０、整合回路、およびＲＦ発電機は、最高加速器電位か、またはそれよりわずかに高い電位で浮いて（接地部から分離されて）いてもよく、この電位は、高電圧電源に対する電気接続によって得られてもよい。ＲＦ発電機は、ユーザによって、またはあるいは、コンピュータシステムによって、光線強度が制御され得るように、遠隔調整可能であってもよい。真空チャンバ２５に接続されるＲＦアンテナ２４は、イオンビームを形成する燃料を好適に陽イオン化する。イオンを形成するための代替手段は、当業者に知られており、マイクロ波放電、電子衝撃イオン化、およびレーザーイオン化を含み得る。
【００２５】
加速器３０（図６および図７）は、一端において、イオン源嵌合フランジ３１を介してイオン源２０に接続され、他端において、差動ポンプ嵌合フランジ３３を介して、差動ポンプシステム４０に接続される、真空チャンバ３６を好適に含む。加速器の第１ステージは、イオンインジェクタ２６の最終ステージ３５でもある。少なくとも１つの、好適には３〜５０個の、より好適には３〜２０個の円形加速電極３２は、加速器真空チャンバ３６の軸に沿って、間隙を置いて配置され、加速器真空チャンバ３６を透過し得る一方で、真空境界が維持されるのを可能にする。加速電極３２は、それらの中心を通る穴を有し（加速器チャンバのボアよりも小さい）、イオンビームの通過のための加速器真空チャンバの長手方向軸（イオン源の末端から差動ポンプの末端）上の中心にそれぞれ好適に配置される。加速電極３２における穴の最小直径は、イオンビームの強度または複数のイオンビームとともに増加し、直径約１ｍｍ〜約２０ｃｍ、好適には約１ｍｍ〜約６ｃｍの範囲であり得る。外部真空チャンバ３６、加速電極３２は、電場を減少させ、コロナ放電を最小化させる、抗コロナリング３４に接続されてもよい。これらのリングは、誘電体オイルまたはＳＦ６等の絶縁ガス誘電体に浸漬させてもよい。好適には、差動ポンプ部分４０への接続を容易にする差動ポンプ嵌合フランジ３３は、加速器の出口に位置する。
【００２６】
加速器３０の各加速電極３２は、高電圧電源（図示せず）、または当業者に知られるような抵抗分割器ネットワーク（図示せず）のいずれかからバイアスを供給することができる。大部分の場合の分割器は、その簡素性のために最適な構成であり得る。抵抗分割器ネットワークを有する構成において、加速器のイオン源の末端は、高電圧電源に接続されてもよく、第２から最終の加速器電極３２は、接地部に接続されてもよい。加速器電極３２の中間電圧は、抵抗分割器によって設定され得る。加速器の最終ステージは、最終加速電極を介して好適に負にバイアスされ、ターゲットチャンバからの電子が、加速器３０に逆流するのを防止する。
【００２７】
代替実施形態において、上述されるように、加速器３０の代わりにリニアック（例えば、ＲＦ四角形ポール）を使用してもよい。リニアックは、効率性を低減する可能性があり、上述される加速器３０と比較して、サイズが大きくてもよい。リニアックは、第１の末端において、イオン源２０に接続され、他の末端において、差動ポンプシステム４０に接続されてもよい。リニアックは、直流および高圧の代わりにＲＦを使用して、高粒子エネルギーを得てもよく、それらは、当該技術分野において知られるように構成され得る。
【００２８】
差動ポンプシステム４０（図８および図９）は、差動ポンプシステム４０を少なくとも１つのステージに好適に分離する、減圧バリア４２を含む。減圧バリア４２は、それぞれ、薄い固形プレート、または通常、中心に小さい穴を有する直径１ｃｍ〜１０ｃｍ、好適には直径約０．１ｍｍ〜約１０ｃｍ、より好適には直径約１ｍｍ〜約６ｃｍの１つ以上の長細い管を好適に含む。各ステージは、真空チャンバ４４、関連付けられる減圧バリア４２、および真空ポンプ１７を備え、それぞれ真空ポンプ排気孔４１を有する。各真空チャンバ４４は、それが３、４、５、または６ポート真空チャンバ４４であるかによって、１つ以上、好適には１〜４つの真空ポンプ１７を有し得る。真空チャンバ４４のポートのうちの２つは、光線上に好適に配向され、差動ポンプシステム４０からのイオンビームの出入り口に使用される。各真空チャンバ４４のポートは、減圧バリア４２として同一位置にあってもよい。各真空チャンバ４４の残りのポートは、融合フランジによって真空ポンプ１７に好適に接続されるか、または様々な器械類または制御装置に接続されてもよい。真空ポンプ１７からの排気は、真空ポンプ排気孔４１を介し、必要に応じて追加の真空ポンプまたは圧縮器（図示せず）に供給され、ガスろ過システム５０に供給される。あるいは、必要に応じて、この追加の真空ポンプは、ガスろ過システム５０とターゲットチャンバ６０または７０との間に位置付けられてもよい。追加の圧縮ステージが存在する場合は、真空ポンプ１７とろ過システム５０との間になり得る。差動ポンプ部分は、加速器嵌合フランジ４５を介して、加速器３０の一端に接続され、光線出口ポート４６における他端で、ターゲットチャンバ嵌合フランジ４３を介して、ターゲットチャンバ（６０または７０）に接続される。差動ポンプシステム４０は、層流を妨害するように、乱流生成装置（図示せず）を含んでもよい。乱流生成装置は、流体の流れを制限し得、層流を妨害するように、表面の隆起または他の特徴、あるいはそれらの組み合わせを含み得る。乱流は、通常、層流よりも遅く、したがって、ターゲットチャンバから差動ポンプ部分への流体漏出率を減少させ得る。
【００２９】
一部の構成において、減圧バリア４２は、プラズマウィンドウによって置換または強化される。プラズマウィンドウは、減圧バリアとして用いられるものに類似する小さい穴を含む。しかしながら、高密度プラズマは、穴の上に形成され、小さい穴を通るガスの流れを阻止する一方で、依然としてイオンビームの通過を可能にする。磁場または電場は、プラズマを所定の位置に保持するように、穴の中または付近に形成される。
【００３０】
ガスろ過システム５０は、その真空ポンプ分離弁５１において、差動ポンプシステム４０の真空ポンプ排気孔４１、または追加の圧縮器（図示せず）に好適に接続される。ガスろ過システム５０（図１０）は、１つ以上の圧力チャンバ、またはその上を真空ポンプ排気４１が流れる、「トラップ」（１３、１５）を含む。トラップは、ターゲットチャンバまたはイオン源から漏出し得る、例えば、大気からシステムに漏出し得る、流体の不純物を好適に捕獲する。トラップは、液体窒素で極低温度に冷却されてもよい（ＬＮトラップ、１５）。したがって、冷却液体トラップ１３、１５は、大気汚染物質等のガスを好適に液化し、トラップ１３、１５内に残存させる。連続して接続される１つ以上のＬＮトラップ１５の上を流れた後、ガスは、チタンゲッタトラップ１３に好適に転送され、ターゲットチャンバまたはイオン源から漏出し得、そうでなければ、ターゲットチャンバを汚染し得る、ジュウテリウム等の汚染物質水素ガスを吸収する。ゲッタトラップ１３の出口は、ガスろ過システム５０のターゲットチャンバ分離弁５２を介して、ターゲットチャンバ６０または７０に好適に接続される。ガスろ過システム５０は、ガスをシステムに一定して流し、真空ポンプ排気孔４１から排出する場合、装置１０から別の真空ポンプ排気孔（図示せず）、およびシステムの外側に併せて除去されてもよい。ガスろ過システム５０がない場合、装置１０の操作は材料的に変更されない。中性子源として機能している装置１０は、ガスろ過システム５０のゲッタトラップ１３を含み得ない。
【００３１】
真空ポンプ分離弁５１およびターゲットチャンバ分離弁５２は、ガスろ過システム５０が装置の残りから分離され、トラップがガスで飽和状態になると、押出弁５３を介して、外部ポンプ（図示せず）に接続されるのを容易にし得る。したがって、真空ポンプ分離弁５１およびターゲットチャンバ分離弁５２が閉じられると、押出弁５３は開放されて、不純物を押し出すことができる。
【００３２】
ターゲットチャンバ６０（磁気システム１０に関する図１１および図１２）またはターゲットチャンバ７０（線形システム１１に関する図１３および図１４）は、ターゲットガスで、約０〜約１００トール、約１００ｍトール〜約３０トール、好適には約０．１〜約１０トール、好適には約１００ｍトール〜約３０トールの圧力に充填されてもよい。ターゲットチャンバ６０または７０の特定形状は、その主要な用途に応じて異なってもよく、多くの変形例を含み得る。ターゲットチャンバは、好適には、線形システム１４の場合、長さ約１０ｃｍ〜約５ｍ、直径約５ｍｍ〜約１００ｃｍのシリンダであってもよい。ハイブリッド原子炉で使用される場合、ターゲットチャンバは、その中心に放射化カラムを提供するように配列される。核融合部分は、ターゲットチャンバを通るが、放射化カラムの外側に光線を方向付けるように配列される。したがって、光線は、実質的に環状空間内を進行する。好適には、ターゲットチャンバ７０は、線形システム１４の場合、長さ約０．１ｍ〜約２ｍ、直径約３０〜５０ｃｍであり得る。
【００３３】
磁気システム１２の場合、ターゲットチャンバ６０は、高さ約１０ｃｍ〜約１ｍ、および直径約１０ｃｍ〜約１０ｍの厚いパンケーキに類似し得る。好適には、磁気システム１２のターゲットチャンバ６０は、高さ約２０ｃｍ〜約５０ｃｍ、直径約５０ｃｍであり得る。磁気ターゲットチャンバ６０の場合、一対の永久磁石または電磁石（イオン閉じ込め磁石１２）のいずれかを、パンケーキの面上、真空壁の外側、またはターゲットチャンバの外径の周囲に配置されてもよい（図１１および図１２を参照）。磁石は、銅およびアルミニウム、あるいは電磁石の場合は超電導体またはＮｄＦｅＢを含むが、これらに限定されない、材料から好適に形成される。磁石の極は、ターゲットチャンバのバルク容積において、軸磁場を形成するように配向され得る。磁場は、１０１０スチール、μメタル、または他の材料等の高透過性磁気材料を含む、磁気回路で好適に制御される。磁気ターゲットチャンバのサイズおよび磁気光線エネルギーは、等式（１）に従って場の強度を決定する。
【００３４】
【数１】
2014044214.tif 000002
重陽子の場合、ｒはメートルであり、Ｅは光線エネルギー（ｅＶ）であり、Ｂは磁場強度（ガウス）である。磁石は、パンケーキの面に対して平行に配向され、加速器３０からの光線の方向に垂直である磁場が存在するように偏向されてもよく、つまり、磁石は、イオン再循環をもたらすように、チャンバの上下に載置されてもよい。磁気ターゲットチャンバ６０を用いる別の実施形態において、好適には、ターゲットチャンバの上下に追加の磁石が存在し、ターゲットチャンバの両端において強力な磁場の局所領域を形成する、磁気ターゲットチャンバ（上下）のいずれかの末端上にミラー磁場を形成し、ターゲットチャンバの末端から離れて反射されるイオンビームをもたらすミラー磁場を形成する。ミラー磁場を形成するこれらの追加磁石は、永久磁石または電磁石であり得る。類似のミラー効果を形成するように、ターゲットチャンバの放射端付近に、より強力な磁場を提供することも望ましい。再度、形成される磁気回路または追加の磁石を用いて、所望の強力な磁場を提供することができる。ターゲットチャンバの一端は、差動ポンプ嵌合フランジ３３を介して、差動ポンプシステム４０に動作可能に接続され、ガス再循環ポート６２は、ガスが、ガスろ過システム５０からターゲットチャンバに再侵入するのを可能にする。ターゲットチャンバは、様々なアイソトープ生成装置が接続されるのを可能にするように、フィードスルーポート（図示せず）を含んでもよい。
【００３５】
ターゲットチャンバ６０の磁気構成において、磁場は、イオンをターゲットチャンバ内に閉じ込める。ターゲットチャンバ７０の線形構成において、注入されるイオンは、ターゲットガスによって閉じ込められる。陽子または中性子源として使用される場合、ターゲットチャンバは、装置の操作者を放射線から保護するように遮蔽を必要とし得、遮蔽は、好適には少なくとも１フィート厚のコンクリート壁によって提供され得る。あるいは、装置は地下または貯蔵庫に、ユーザから遠く離して保存するか、または水あるいは他の流体、またはそれらの組み合わせを遮断として使用し得る。
【００３６】
差動ポンプシステム４０およびガスろ過システム５０の両方は、ターゲットチャンバ６０または７０に供給し得る。差動ポンプシステム４０は、イオンビームを好適に提供する一方で、ガスろ過システム５０は、ろ過ガスの流れを供給し、ターゲットチャンバを充填する。追加として、アイソトープ生成の場合、アイソトープ抽出システム９０が外側に接続されるのを可能にするように、真空フィードスルー（図示せず）は、ターゲットチャンバ６０または７０に載置されてもよい。
【００３７】
アイソトープ生成システム６３を含む、アイソトープ抽出システム９０は、親化合物または材料を提供し、ターゲットチャンバの内部または近接で生成されるアイソトープを除去するように、任意の数の構成であってもよい。例えば、アイソトープ生成システム６３は、円筒形のターゲットチャンバの内部に適合し、壁６５を有する、きつく巻かれた螺旋である、放射化管６４（図１２および１４）を含んでもよい。あるいは、イオン閉じ込めシステム８０を有するパンケーキターゲットチャンバの場合において、パンケーキの周囲に沿って装置を被覆する螺旋、および２つのスパイラルであって、それぞれパンケーキの状面および下面にあり、すべて連続して接続されるスパイラルを含んでもよい。これらの構成において使用される放射化管６４の壁６５は、崩壊に耐えるのに十分強力であるが、尚十分に薄く、１４ＭｅＶ（約１０〜２０ＭｅＶ）を超える陽子は、それらを通過し得るが、依然としてそれらのエネルギーの大部分を維持する。材料に応じて、管の壁は、厚さ約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍ、好適には厚さ約０．１ｍｍであり得る。管の壁は、中性子を生成しない材料で好適に形成される。薄壁管は、アルミニウム、炭素、チタン、またはステンレス鋼等の材料で形成されてもよい。フィードスルー（図示せず）は、放射化管６４をシステムの外部に接続されてもよく、娘化合物または産生物化合物を豊富に含む流体は、冷却用の熱交換器（図示せず）および化学分離器（図示せず）に進行してもよく、娘化合物または産生物アイソトープ化合物は、親化合物、娘化合物、および不純物の混合物から分離される。
【００３８】
図１５に示される別の構成において、高速ポンプ１００は、加速器３０とターゲットチャンバ６０または７０との間に位置付けられる。高速ポンプ１００は、差動ポンプシステム４０および／またはガスろ過システム５０を置換し得る。高速ポンプは、１つ以上のブレードまたはロータ１０２、およびコントローラ１０８に動作可能に接続される、タイミング信号１０４を好適に含む。間隙１０６がイオンビームと整列される場合に、イオンビームまたは光線が、その間またはブレード１０２内の少なくとも１つの間隙１０６を通過するのを可能にするように、高速ポンプは、加速器部分からのイオンビームフローと同期されてもよい。タイミング信号１０４は、ポンプ軸に沿って、またはブレードの少なくとも１つ上に、１つ以上のマーカを有することによって形成されてもよい。マーカは、光学または磁気、あるいは当該技術分野において知られる他の好適なマーカであってもよい。タイミング信号１０４は、ブレード１０２または間隙１０６の位置、および加速器３０の第１のステージ３５から高速ポンプ１００を通り、ターゲットチャンバ６０または７０に至るイオンビームの通過を可能にするように、イオンビームと整列される間隙が存在するか否かを示し得る。タイミング信号１０４は、イオンビームが、イオン源２０および加速器３０から出て、高速ポンプ１００に入るのを可能にするように、イオンビーム抽出電圧に関するゲートパルススイッチとして使用されてもよい。システムを通り、イオン源２０から加速器３０、高速ポンプ１００およびターゲットチャンバ６０または７０に流れる場合、光線は、イオンビームおよび間隙１０６が整列される期間は滞留し、その後、イオンビームおよび間隙１０６が整列される前および整列されない間は停止され得る。タイミング信号１０４およびイオンビームの調整は、コントローラ１０８によって調整され得る。コントローラ１０８の一実施形態において（図１８）、コントローラ１０８は、抑制電圧（イオンビームオフ、差異は５〜１０ｋＶであり得る）と抽出電圧（イオンビームオン、差異は２０ｋｖであり得る）との間の加速器３０の電圧を制御するように、パルス処理ユニット１１０、高電圧分離ユニット１１２、および高速スイッチ１１４を備えてもよい。タイミング信号１０４は、遅延または他の論理、あるいは当該技術分野において知られる好適な手段を通過する、論理パルスを好適に形成する。パルス処理ユニット１１０は、高速ポンプのタービンを変更して、遅延に対処してもよく、高速スイッチ１１４は、ＭＯＳＦＥＴスイッチまたは当該技術分野において知られる他の好適なスイッチ技術であってもよい。高電圧分離ユニット１１２は、光ファイバー接続または当該技術分野において知られる他の好適な接続であってもよい。例えば、タイミング信号１０４は、ブレード１０２の１回転当たり１回のみ、間隙１０６の存在または非存在を示し得、単一パルスは、コントローラ１０８を介して、ブレードの１回転当たり１パルスを生成するように、一式の電子機器に信号伝達してもよく、ｎ個の間隙が１ブレード回転に存在する。あるいは、タイミング信号１０４は、ブレード回転中のｍ個の間隙のそれぞれに対して、間隙１０６の存在または非存在を示し得、ｍ個のパルスは、ブレードの１回転当たり一式のｎパルスを生成するように、コントローラ１０８を介して、それぞれ一式の電子機器に信号伝達してもよく、ｍ個の間隙が１ブレード回転に存在する。論理パルスが、加速器部分３５の第１ステージを誘発して、抑制状態から抽出状態、およびその逆に変更するように、論理パルスは、コントローラ１０８を介して、加速器部分３５の第１ステージ（イオン抽出器）に通過または調整されてもよい。加速器が＋３００ｋＶである場合、例えば、加速器３５の第１ステージは、＋２９５ｋＶに偏向されてもよく、陽性イオンビームが＋２９５ｋＶ〜＋３００ｋＶで流れないように、高速ポンプ１００内に間隙１０６は存在せず、加速器３５の第１ステージは、高速ポンプ１００内に間隙１０６が存在する場合、イオンビームが加速器３０および高速ポンプ１００内の間隙１０６を通して、ターゲットチャンバ６０または７０に進行するように、＋３１０ｋＶに偏向されてもよい。抑制状態と抽出状態との間の電圧における差異は、約１ｋＶ〜約５０ｋＶ、好適には約１０ｋＶ〜約２０ｋＶ等の比較的小さい変化であり得る。電圧のわずかな変化は、抑制状態（図１７）と抽出状態（図１６）との間の迅速な変化を容易にし得る。タイミング信号１０４およびコントローラ１０８は、半導体および光ファイバーを含むがこれらに限定されない、当該技術分野において知られる任意の好適な手段によって動作し得る。イオンビームがオンおよびオフである期間は、ブレード１０２の回転速度、ブレードまたは間隙１０６の数、およびブレードまたは間隙の寸法等の要素に依存し得る。
【００３９】
ＰＥＴスキャンにおいて利用される、アイソトープ１８Ｆおよび１３Ｎは、図１２および１４に示されるような配列を使用して、各核融合部分の内部で、核反応から生成されてもよい。これらのアイソトープは、陽子衝撃によって、それらの親アイソトープから１８Ｏ（１８Ｆの場合）および１６Ｏ（１３Ｎの場合）を形成することができる。母材の源は、水（Ｈ２１８ＯまたはＨ２１６Ｏ）等の流体であってもよく、外部ポンプシステム（図示せず）を介して、アイソトープ生成システムを通って流れ、ターゲットチャンバ内で高エネルギー陽子と反応して、所望の娘化合物を形成し得る。１８Ｆまたは１３Ｎの産生のために、水（それぞれＨ２１８ＯまたはＨ２１６Ｏ）は、アイソトープ生成システム６３を通して流され、前述の核融合反応から形成される高エネルギー陽子は、管６４の壁を透過し、親化合物に衝撃を与えて、１８Ｆまたは１３Ｎを産生する（ｐ，α）反応をもたらし得る。閉鎖システムにおいて、例えば、次に、アイソトープを豊富に含む水を、熱交換器（図示せず）を通して流体を冷却した後、イオン交換樹脂等の化学フィルター（図示せず）の中に循環させて、流体からアイソトープを分離してもよい。次に、水混合物をターゲットチャンバ（６０または７０）の中に再循環させてもよいが、アイソトープは、撮像または他の処置に対して十分な量が産生されるまで、フィルタ、シリンジ、または当該技術分野において知られる他の好適な手段に保管される。
【００４０】
管状螺旋について説明したが、同一または他の放射性核種を産生するために使用することができる多くの他の形状がある。例えば、好適なアイソトープ生成システム６３は、平行ループまたはリブを有する平板であってもよい。別の実施形態において、水ジャケットは、真空チャンバ壁に取り付けられてもよい。１８Ｆまたは１３Ｎ形成の場合、螺旋は、薄窓を含む任意の数の薄壁形状で置換され得るか、または高酸素濃度を含有する固体物質で置換することができ、変換後に除去および処理される。他のアイソトープは、他の手段によって生成することができる。
【００４１】
図１および３を参照して、核融合部分の操作についてここで説明する。核融合部分のうちの１つを操作する前に、それぞれのターゲットチャンバ６０または７０は、３Ｈｅ等のターゲットガスを、電源オフの状態でイオン源２０を通して、最初に前もって流すことによって、好適に充填され、ガスが装置１０を通してターゲットチャンバの中に流れるのを可能にする。操作中に、２Ｈ２等の反応ガスは、イオン源２０に侵入し、ＲＦ領域によって正イオン化され、プラズマ２２を形成する。真空チャンバ２５の内部のプラズマ２２が、イオンインジェクタ２６に向かって拡大するにつれて、プラズマ２２は、加速器３０内のより陰性の電位によって影響を受け始める。これは、正電荷イオンをターゲットチャンバ６０または７０に向かって加速させる。イオン源２０におけるステージ（２３および３５）の加速電極３２は、イオンビームまたは光線を平行にし、加速器３０の第１ステージにわたって、それぞれほぼ均一のイオンビームプロファイルを付与する。あるいは、加速器３０の第１ステージは、上述されるように、イオンビームのパルスまたはオン／オフ切り替えを可能にし得る。光線が加速器３０を通して進み続けるにつれて、各ステージにおいて追加のエネルギーを獲得し、加速器３０の最終ステージに到達するまでに、最大５ＭｅＶ、最大１ＭｅＶ、好適には最大５００ｋｅＶ、好適には５０ｋｅＶ〜５ＭｅＶ、好適には５０ｋｅＶ〜５００ｋｅＶ、および好適には０〜１０Ａｍｐ、好適には１０〜１００ｍＡｍｐのエネルギーに達する。この電位は、所望の電圧を産生することができる、外部電源（図示せず）によって供給される。イオン源２０からの一部の中性ガスも加速器３０の中に漏出する場合があるが、加速器３０内の圧力は、差動ポンプシステム４０または同期高速ポンプ１００によって最小現に維持され、過剰な圧力およびシステム故障を防止する。光線は、高速で差動ポンプ４０の中に進み続け、比較的圧力の低い、経路長の短いステージを最小の相互作用で通過する。ここから、ターゲットチャンバ６０または７０の中に進み続け、高密度ターゲットガスに衝撃を与え、好適には０〜１００トール、好適には１００ｍトール〜３０トール、好適には５〜２０トールであり、減速して核反応をもたらす。放射される核粒子は、約０．３ＭｅＶ〜約３０ＭｅＶプロトンであってもよく、好適には約１０ＭｅＶ〜約２０ＭｅＶプロトン、または約０．１ＭｅＶ〜約３０ＭｅＶ中性子、好適には約２ＭｅＶ〜約２０ＭｅＶ中性子であり得る。
【００４２】
線形ターゲットチャンバ７０の実施形態において、イオンビームは、ほぼ直線で進み続け、高密度ターゲットガスに衝撃を与えて、それが停止するまで核反応を形成する。磁気ターゲットチャンバ６０の実施形態において、イオンビームはほぼ螺旋状経路に屈曲し、等式（２）によって得られる軌道の半径（ジュウテリウムイオンの場合、２Ｈ）を有する。
【００４３】
【数２】
2014044214.tif 000003
式中、ｒは軌道半径（ｃｍ）であり、Ｔｉはイオンエネルギー（ｅＶ）であり、Ｂは磁場強度（ガウス）である。５００ｋｅＶのジュウテリウム光線および磁場強度５ｋＧの場合、軌道半径は約２０．４ｃｍであり、２５ｃｍ半径のチャンバの内部に好適に適合する。イオン中性化が起こり得る一方で、再イオン化が起こる速度ははるかに速く、粒子はその時間の大部分をイオンとして過ごす。
【００４４】
この磁場に閉じ込められると、イオンは、イオンビームが停止するまで周回し、短いチャンバ内で極めて長い経路長を達成する。線形ターゲットチャンバ７０に対するこの経路長の増加に起因して、磁気ターゲットチャンバ６０は、より低い圧力で動作することもできる。したがって、磁気ターゲットチャンバ６０は、より好適な構成であり得る。光線は同一空間内を何度も再循環し得るため、磁気ターゲットチャンバは、線形ターゲットチャンバより小さくても、依然として長い経路長を維持することができる。核融合産物は、より小さいチャンバにおいてさらに濃縮され得る。説明されるように、磁気ターゲットチャンバは、線形チャンバよりも低い圧力で動作し得、ポンプシステムにかかる負荷を軽減する。より長い経路長は、リニアックチャンバの短い経路長および高圧力ガスと同一総数の低圧力ガスとの衝突を付与し得る。
【００４５】
加速器３０とターゲットチャンバ６０または７０との間の圧力勾配に起因して、ガスはターゲットチャンバから流出し、差動ポンプシステム４０に流れ込む場合がある。真空ポンプ１７は、このガスを迅速に除去し得、約１０〜１００倍以上の減圧を達成する。次に、この「漏出」ガスをろ過し、ガスろ過システム５０を通してリサイクルして、ターゲットチャンバの中にポンプで逆流させ、より効率的な動作を提供する。あるいは、高速ポンプ１００は、フローがターゲットチャンバの中に戻る方向となるように配向されてもよく、ガスがターゲットチャンバから流出するのを防止する。
【００４６】
本明細書に説明される発明は、ハイブリッド原子炉を対象とする一方で、核融合部分を単独で使用し、あるアイソトープを産生することが可能である。これが所望される場合、本明細書に説明されるようなアイソトープ抽出システム９０は、ターゲットチャンバ６０または７０に挿入される。この装置は、高エネルギー陽子が、所望のアイソトープの親核種と相互作用するのを可能にする。１８Ｆ産生または１３Ｎ産生の例の場合、このターゲットは、水ベースであってもよく（１３Ｎの場合は１６Ｏ、および１８Ｆの場合は１８Ｏ）、薄壁管を通して流れる。壁の厚さは、核融合反応から生成される１４．７ＭｅＶ陽子は、相当のエネルギーを喪失せずに、それらを通過するのに十分に薄く、親アイソトープを所望の娘アイソトープに変換するのを可能にする。次に、外部システムを介して、１３Ｎまたは１８Ｆを豊富に含む水をろ過および冷却する。１２４Ｉ（１２４Ｔｅまたは他から）、１１Ｃ（１４Ｎまたは１１Ｂあるいは他から）、１５Ｏ（１５Ｎまたは他から）、および６３Ｚｎ等の他のアイソトープが生成されてもよい。核分裂部分を用いて所望のアイソトープを生成する構成において、アイソトープ抽出システム９０を省略することができる。
【００４７】
所望の産物が、何らかの他の目的で陽子である場合、ターゲットチャンバ６０または７０は、これらの用途に対して高エネルギー陽子を提供するように、別の装置に接続されてもよい。例えば、核融合部分は、陽子治療のためのイオン源として使用されてもよく、陽子の光線は加速され、癌細胞を照射するように使用される。
【００４８】
所望の産物が中性子である場合、中性子は真空システムの壁をほとんど減衰なく透過し得るため、アイソトープ抽出システム９０等のハードウェアは必要とされない。中性子産生の場合、インジェクタ内の燃料は、ジュウテリウムまたはトリチウムのいずれかに変更され、ターゲット材料は、それぞれトリチウムまたはジュウテリウムのいずれかに変更される。最大約１０１５中性子／秒以上の収量で中性子が生成され得る。追加として、ゲッタトラップ１３を除去してもよい。親アイソトープ化合物は、ターゲットチャンバ６０または７０の周囲に載置されてもよく、放出される中性子は、親アイソトープ化合物を所望の娘アイソトープ化合物に変換し得る。あるいは、アイソトープ抽出システムは、ターゲットチャンバの内部または近接で、依然として、または追加として使用されてもよい。中性子を減速させる減速材（図示せず）を使用して、中性子相互作用の効率を高めてもよい。核特性用語において、減速材は、中性子を減速させる１つまたは複数の任意の材料であり得る。好適な減速材は、熱中性子を吸収する可能性の低い、低原子質量を有する材料で形成されてもよい。例えば、９８Ｍｏ親化合物から９９Ｍｏを生成するために、水減速材を使用してもよい。９９Ｍｏは、医療撮像処置に使用され得る９９ｍＴｃを減速する。１３１Ｉ、１３３Ｘｅ、１１１Ｉｎ、および１２５Ｉ等の他のアイソトープも生成され得る。中性子源として使用される場合、核融合部分は、放射線から操作者を保護するように、少なくとも１フット厚の凝集体または水等の流体の遮蔽を含み得る。あるいは、中性子源は、放射線から操作者を保護するように、地下に保存されてもよい。中性子モードで本発明を使用および操作する方法は、上記説明で実践されるものと同様である。
【００４９】
厚いターゲットガスに衝撃を与える光線の核融合率を計算することができる。厚いターゲットガスに衝撃を与えるイオンビームの増分核融合率は、等式（３）によって得られる。
【００５０】
【数３】
2014044214.tif 000004
式中、ｄｆ（Ｅ）は、微分エネルギー間隔ｄＥにおける核融合率（反応数／秒）であり、ｎｂは、ターゲットガス密度（粒子／ｍ３）であり、Ｉｉｏｎは、イオン電流（Ａ）であり、ｅは１．６０２２＊１０−１９クーロン／粒子の基本電荷であり、σ（Ｅ）は、エネルギー依存断面（ｍ２）であり、ｄｌは、粒子エネルギーがＥである、増分経路長である。粒子は、ターゲットの内部に入ると減速するため、粒子は、無限経路長にわたってエネルギーＥであるに過ぎない。
【００５１】
ガス内で停止する光線から総核融合率を形成するために、等式（２）は、そのエネルギーがその最大値Ｅ１である位置から、等式（４）において示されるように、エネルギーが停止する位置までの全体粒子経路長にわたって統合される。
【００５２】
【数４】
2014044214.tif 000005
式中、Ｆ（Ｅｉ）は、ガスターゲット内で停止する、初期エネルギーＥｉの光線の総核融合率である。この等式を解くために、増分経路長ｄｌは、エネルギーに関して値を求める。この関係は、実験的に測定される関数であるガスの停止力によって決定され、多様な種類の関数によって適合させることができる。これらの適合および核融合断面の適合は、ある程度複雑である傾向があるため、これらの積分は、数値的に解いた。１０トールおよび２５℃での３Ｈｅガス内のジュウテリウムの停止に関するデータは、コンピュータプログラムＳｔｏｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｅ  ｏｆ  Ｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍａｔｔｅｒ（ＳＲＩＭ、Ｊａｍｅｓ  Ｚｉｅｇｌｅｒ、ｗｗｗ．ｓｒｉｍ．ｏｒｇ）から入手し、図１９に示される。
【００５３】
等式を使用して、中間値を予測した。次数１０の多項式を、１９に示されるデータに適合させた。係数は表１に示され、最適な第１０次数との得られる適合は図２０に示される。
【００５４】
【表１】
2014044214.tif 000006
これらのデータから分かるように、考慮されるエネルギー範囲にわたって、適合は比較的正確であった。この関係は、上に示される多項式によって、増分経路長ｄｌが増分エネルギー間隔に関連付けられるのを可能にする。これを数値的に解くために、固定長ステップまたは一定エネルギーステップのいずれかを選択し、粒子が喪失したエネルギーの量またはそのステップにおいて進んだ距離のいずれかを計算することが適切である。等式（４）における核融合率は、ｄｌの項であるため、固定長ステップが使用される方法であった。ターゲットを通って進むことに伴う粒子エネルギーＥの再帰的関係は、等式（５）である。
【００５５】
【数５】
2014044214.tif 000007
式中、ｎは現在のステップであり（ｎ＝０は初期ステップであり、Ｅｏは初期粒子エネルギーである）、Ｅｎ＋ｌは、次の増分ステップにおけるエネルギーであり、Ｓ（Ｅ）は、粒子エネルギーを停止力と関連付ける、上記の多項式であり、ｄｌは、増分ステップのサイズである。上で示される増分エネルギーを形成する場合、ＥはｋｅＶであり、ｄｌはμｍである。
【００５６】
この化学式は、プラズマを通って移動する時の粒子エネルギーを決定する方法をもたらし、これは、各エネルギーにおいて核融合断面の評価を容易にするため、重要であり、任意の増分ステップにおいて、核融合率の計算を可能にする。各ステップの数値例における核融合率は、等式（６）によって得られる。
【００５７】
【数６】
2014044214.tif 000008
総核融合率を計算するために、等式（７）に示されるように、Ｅ＝Ｏ（またはｎ＊ｄｌ＝粒子の範囲）となるまで、Ｅｎのすべての値に関して、この等式を合計した。
【００５８】
【数７】
2014044214.tif 000009
この核融合率は、「厚いターゲットの収量」として知られる。これを解くために、初期エネルギーを決定し、小ステップサイズｄｌを選択した。全エネルギーでの間隔ｄｌにおける核融合率を計算した。次に、次のステップのためのエネルギーを計算し、プロセスを反復した。これは、粒子がガス内で停止するまで継続する。
【００５９】
室温で、エネルギー５００ｋｅＶおよび強度１００ｍＡにおける背景で、１０トールヘリウム−３ガスを衝突させる、一価イオン化ジュウテリウム光線の例の場合、核融合率は、約２ｘ１０１３核融合／秒と計算され、同数の（３μＡ陽子に相当する）高エネルギー陽子を生成した。このレベルは、当業者に知られるように、医療用アイソトープの産生に十分である。１０トールでヘリウム−３ターゲットを衝突させる、１００ｍＡ入射ジュウテリウム光線の核融合率を示すプロットは、図２１に示される。
【００６０】
本明細書に説明されるように、核融合部分は、種々の異なる用途において使用され得る。１つの構成に従って、核融合部分は、陽子源として使用し、核廃棄物および核分裂材料を含む材料を変換する。核融合部分を使用して、物理特性を強化するように、陽子を有する材料を埋め込んでもよい。例えば、核融合部分は、宝石の着色に使用され得る。核融合部分は、中性子ラジオグラフィに使用され得る中性子源も提供する。中性子源として、核融合部分を使用し、核兵器を検出してもよい。例えば、中性子源として、核融合部分を使用し、核爆発をもたらすように使用することができる、Ｐｕ、２３３Ｕ、および２３３Ｕまたは２３５Ｕで強化した材料等の、特別な核材料を検出してもよい。中性子源として、核融合部分は、中性子パルスを形成し、材料からの中性子の反射および／または屈折を測定することによって、トンネル、油井、および地下同位体特徴を含むが、これらに限定されない、地下特徴を検出するように使用されてもよい。核融合部分は、材料の元素組成を決定し得る、中性子放射化分析（ＮＡＡ）において、中性子源として使用されてもよい。例えば、ＮＡＡは、ピコグラム範囲において微量元素を検出するように使用されてもよい。中性子源として、核融合部分は、材料の原子組成を決定することによって、地下材料、爆発物、薬物、および生物剤を含むが、これらに限定されない材料を検出するように使用されてもよい。核融合部分は、未臨界原子炉の駆動装置として使用されてもよい。
【００６１】
核融合部分１０、１１の操作および使用は、以下の実施例によって、さらに例示されるが、これは本発明の範囲を限定する目的で解釈されてはならない。
【００６２】
核融合部分１０、１１は、中性子源として機能するように、磁気構成１０で配列することができる。この配列において、最初に、システム１０は、清潔かつ空であって１０−９トール以下の真空を含有し、高速ポンプ１７は、好適な速度となる（各ステージがターボ分子ポンプである２つのステージ）。約２５〜３０標準立方センチメートルのガス（中性子を産生するためのジュウテリウム）は、ターゲットチャンバ６０に流れ込み、ターゲットガスを形成する。ターゲットガスが確立されると、つまり、特定量のガスがシステムに流れ込み、ターゲットチャンバ６０内の圧力が約０．５トールに到達すると、弁が開放され、０．５〜１ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）のジュウテリウムのターゲットチャンバ６０からイオン源２０へのフローを可能にする。このガスは、システムを通して急速に再循環し、およそ以下の圧力を産生する。イオン源２０において、圧力は、数ｍトールとなり、加速器３０において、圧力は約２０μトールとなり、加速器に最寄りのポンプステージ上で、圧力は２０μトール未満となり、ターゲットチャンバに最寄りのポンプステージ上で、圧力は約５０ｍトールとなり、ターゲットチャンバ６０において、圧力は約０．５トールとなる。これらの条件が確立された後、イオン源２０（ジュウテリウムを使用する）は、（ＲＦ整合回路によってＲＦアンテナ２４に連結される）ＲＦ電源を可能にすることによって、約１０〜３０ＭＨｚに励起される。電力レベルは、ゼロから約５００Ｗに増加し、約１０１１粒子／ｃｍ３の密度を有する高密度ジュウテリウムプラズマを形成する。所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するように、イオン抽出電圧を増加させる。次に、加速器電圧を３００ｋＶまで増加させ、イオンビームを生じさせて、流量制限を通してターゲットチャンバ６０の中へ加速させる。ターゲットチャンバ６０は、約５０００ガウス（または０．５テスラ）の磁場で充填され、イオンビームを再循環させる。イオンビームは、無視できるほど低いエネルギーまで低下する前に、約１０循環する。
【００６３】
再循環している間に、イオンビームは、ターゲットガスとの核反応を生じ、Ｄに対して４ｘ１０１０および最大９ｘ１０１０中性子／秒を産生する。これらの中性子は、ターゲットチャンバ６０を透過し、好適な核器械類で検出される。
【００６４】
ターゲットチャンバ６０から差動ポンプ部分４０の中に漏出する中性ガスは、高速ポンプ１７を通過し、冷却トラップ１３、１５を通して、ターゲットチャンバ６０の中に戻る。冷却トラップ１３、１５は、微量の漏出のために、やがてシステムを汚染し得る、より重いガスを除去する。
【００６５】
核融合部分１１は、中性子源として機能するように、線形構成で配列することもできる。この配列において、最初に、システムは清潔かつ空であって、１０−９トール以下の真空を含有し、高速ポンプ１７は、好適な速度となる（加速器に最寄りの２つはターボ分子ポンプであり、３つ目はルーツブロワー等の異なるポンプである、３つのステージ）。約１０００標準立方センチメートルのジュウテリウムガスは、ターゲットチャンバ７０に流れ込み、ターゲットガスを形成する。ターゲットガスが確立されると、弁は開放し、０．５〜１ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）のターゲットチャンバ７０からイオン源２０へのフローを可能にする。このガスは、システムを通して急速に再循環し、およそ以下の圧力を産生する。イオン源２０において、圧力は数ｍトールとなる。加速器３０において、圧力は約２０μトールとなる。加速器３０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は２０μトール未満となり、中心ポンプステージ上で、圧力は約５０ｍトールとなり、ターゲットチャンバ７０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は約５００ｍトールとなり、ターゲットチャンバ７０において、圧力は約２０トールとなる。
【００６６】
これらの条件が確立された後、イオン源２０（ジュウテリウムを使用する）は、（ＲＦ整合回路によってＲＦアンテナ２４に連結される）ＲＦ電源を可能にすることによって、約１０〜３０ＭＨｚに励起される。電力レベルをゼロから約５００Ｗに増加させて、約１０１１粒子／ｃｍ３の密度を有する、高密度ジュウテリウムプラズマを形成する。イオン抽出電圧は、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するように、イオン抽出電圧を増加させる。次に、加速器電圧を３００ｋＶまで増加させ、イオンビームを生じさせて、流量制限を通してターゲットチャンバ７０の中へ加速させる。ターゲットチャンバ７０は、線形真空チャンバとなり、無視できるほど低いエネルギーに低下する前に、光線は約１メートル進む。
【００６７】
ターゲットガスを通過している間に、光線は核反応を生じ、４ｘ１０１０および最大９ｘ１０１０中性子／秒を産生する。これらの中性子は、ターゲットチャンバ７０を透過し、好適な核器械類で検出される。
【００６８】
ターゲットチャンバ７０から差動ポンプ部分４０の中に漏出する中性ガスは、高速ポンプ１７を通過し、冷却トラップ１３、１５を通して、ターゲットチャンバ７０の中に戻る。冷却トラップ１３、１５は、微量の漏出のために、やがてシステムを汚染し得る、より重いガスを除去する。
【００６９】
別の構成において、核融合部分１０は、磁気構成で配列され、陽子源として動作可能である。この構成において、最初に、システムは清潔かつ空であって１０−９トール以下の真空を含有し、高速ポンプ１７は、好適な速度となる（各ステージがターボ分子ポンプである２つのステージ）。約２５〜３０立方センチメートルのガス（陽子を生成するためのジュウテリウムおよびヘリウム−３の約５０／５０混合物）は、ターゲットチャンバ６０に流れ込み、ターゲットガスを形成する。ターゲットガスが確立されると、つまり、特定量のガスがシステムに流れ込み、ターゲットチャンバ６０内の圧力が約０．５トールに到達すると、弁が開放され、０．５〜１ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）のジュウテリウムのターゲットチャンバ６０からイオン源２０へのフローを可能にする。このガスは、システムを通して急速に再循環し、およそ以下の圧力を産生する。イオン源２０において、圧力は数ｍトールとなり、加速器３０において、圧力は約２０μトールとなり、加速器３０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は２０μトール未満となり、ターゲットチャンバ６０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は約５０ｍトールとなり、ターゲットチャンバ６０において、圧力は約０．５トールとなる。これらの条件が確立された後、イオン源２０（ジュウテリウムを使用する）は、（ＲＦ整合回路によってＲＦアンテナ２４に連結される）ＲＦ電源を可能にすることによって、約１０〜３０ＭＨｚに励起される。電力レベルをゼロから約５００Ｗに増加させて、約１０１１粒子／ｃｍ３の密度を有する、高密度ジュウテリウムプラズマを形成する。イオン抽出電圧は、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するように、イオン抽出電圧を増加させる。次に、加速器電圧を３００ｋＶまで増加させ、イオンビームを生じさせて、流量制限を通してターゲットチャンバ６０の中へ加速させる。ターゲットチャンバ６０は、約５０００ガウス（または０．５テスラ）の磁場で充填され、イオンビームを再循環させる。イオンビームは、無視できるほど低いエネルギーに低下する前に、約１０循環する。
【００７０】
再循環している間に、イオンビームは、ターゲットガスとの核反応を生じ、１ｘ１０１１および最大約５ｘ１０１１陽子／秒を産生する。これらの陽子は、アイソトープ抽出システムの管を透過し、好適な核器械類で検出される。
【００７１】
ターゲットチャンバ６０から差動ポンプ部分４０の中に漏出する中性ガスは、高速ポンプ１７を通過し、冷却トラップ１３、１５を通して、ターゲットチャンバ６０の中に戻る。冷却トラップ１３、１５は、微量の漏出のために、やがてシステムを汚染し得る、より重いガスを除去する。
【００７２】
別の構成において、核融合部分１１は、線形構成で配列され、陽子源として動作可能である。この構成において、最初に、システムは清潔かつ空であって１０−９トール以下の真空を含有し、高速ポンプ１７は、好適な速度となる（各ステージがターボ分子ポンプである２つのステージ）。約１０００立方センチメートルのジュウテリウムおよびヘリウム−３の約５０／５０混合物は、ターゲットチャンバ７０に流れ込み、ターゲットガスを形成する。ターゲットガスが確立されると、弁が開放され、０．５〜１ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）のジュウテリウムのターゲットチャンバ７０からイオン源２０へのフローを可能にする。このガスは、システムを通して急速に再循環し、およそ以下の圧力を産生する。イオン源２０において、圧力は数ｍトールとなる。加速器３０において、圧力は約２０μトールとなる。加速器３０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は２０μトール未満となり、中心ポンプステージ上で、圧力は約５０ｍトールとなり、ターゲットチャンバ７０に最寄りのポンプステージ上で、圧力は約５００ｍトールとなり、ターゲットチャンバ７０において、圧力は約２０トールとなる。
【００７３】
これらの状態が確立された後、イオン源２０（ジュウテリウムを使用する）は、（ＲＦ整合回路によってＲＦアンテナ２４に連結される）ＲＦ電源を可能にすることによって、約１０〜３０ＭＨｚに励起される。電力レベルをゼロから約５００Ｗに増加させて、約１０１１粒子／ｃｍ３の密度を有する、高密度ジュウテリウムプラズマを形成する。イオン抽出電圧は、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するように、イオン抽出電圧を増加させる。次に、加速器電圧を３００ｋＶまで増加させ、イオンビームを生じさせて、流量制限を通してターゲットチャンバ７０の中へ加速させる。ターゲットチャンバ７０は、線形真空チャンバであり、光線は、無視できるほど低いエネルギーに低下する前に、約１メートル進む。
【００７４】
ターゲットガスを通過している間に、光線は核反応を生じ、１ｘ１０１１および最大５ｘ１０１１陽子／秒を産生する。これらの中性子は、アイソトープ抽出システムの管の壁を透過し、好適な核器械類で検出される。
【００７５】
ターゲットチャンバ７０から差動ポンプ部分４０の中に漏出する中性ガスは、高速ポンプ１７を通過し、冷却トラップ１３、１５を通して、ターゲットチャンバ７０の中に戻る。冷却トラップ１３、１５は、微量の漏出のために、やがてシステムを汚染し得る、より重いガスを除去する。
【００７６】
別の構成において、核融合部分１０、１１は、磁気構成または線形構成のいずれかで配列され、アイソトープ産生のための中性子源として動作可能である。システムは、磁気ターゲットチャンバまたは線形ターゲットチャンバ７０に関して上述されるように操作される。母材９８Ｍｏの固体フォイル等の固体試料は、ターゲットチャンバ６０、７０に近接して配置される。ターゲットチャンバ６０、７０において形成される中性子は、ターゲットチャンバ６０、７０の壁を透過し、９８Ｍｏ母材と反応して９９Ｍｏを形成し、メタ安定９９Ｔｎに減衰し得る。９９Ｍｏは、好適な器械類および当該技術分野において知られる技術を使用して検出される。
【００７７】
さらに他の構成において、核融合部分１０、１１は、アイソトープの産生の陽子源として配列される。これらの構成において、核融合部分１０、１１は、磁気ターゲットチャンバ６０または線形ターゲットチャンバ７０に関して上述されるように、操作される。システムは、ターゲットチャンバ６０、７０の内部にアイソトープ抽出システムを含む。Ｈ２１６Ｏを含む水等の母材は、アイソトープ抽出システムを通して流される。ターゲットチャンバにおいて生成される陽子は、アイソトープ抽出システムの壁を透過し、１６Ｏと反応して１３Ｎを産生する。１３Ｎ産生物材料は、イオン交換樹脂を使用して、母材および他の材料から抽出される。１３Ｎは、好適な器械類および当該技術分野において知られる技術を使用して検出される。
【００７８】
要約すると、各核融合部分１０、１１は、特に、小型の高エネルギー陽子または中性子源を提供する。前述の説明は、核融合部分１０、１１の原理に関する単なる例示と見なされる。さらに、当業者であれば、多数の修正および変更を容易に考えつくため、核融合部分１０、１１を図示および説明される正確な構成および操作に限定することは望ましくなく、したがって、すべての好適な修正および均等物は、必要または希望に応じて用いられ得る。
【００７９】
図２２および２３に示されるように、ハイブリッド原子炉５ａ、５ｂの核分裂部分４００ａ、４００ｂは、複数の核融合部分１０、１１のターゲットチャンバ６０、７０に隣接して位置付けられる。核融合部分１０、１１は、反応空間４０５が、ターゲットチャンバ６０、７０内で画定されるように配列される。特に、ターゲットチャンバ６０、７０内のイオン軌道は、反応空間４０５に侵入しないため、照射される材料は、その容積内に配列することができる。中性子束をさらに増加させるために、複数の核融合部分１０、１１を互いの上に積み重ね、１０もの源が有益である。図２２に示されるように、ハイブリッド原子炉５ａは、パンケーキ形状であるが、イオンビームが環状経路に沿って流れる、複数の積み上げられたターゲットチャンバ６０を産生するように、核分裂部分４００ａおよび核融合部分１０を磁気配列で含む。したがって、環状経路内の反応空間４０５は、照射される材料の配列に使用することができる。
【００８０】
図２３は、ハイブリッド原子炉５ｂを画定するように核分裂部分４００ｂに連結される核融合部分１１の線形配列を示す。この構成において、イオンビームは、環状ターゲットチャンバ７０内に位置付けられる、複数の実質的に平行な、間隙を介した線形経路に沿って方向付けられる。環状ターゲットチャンバ７０内の反応空間４０５は、照射される材料の配列に適している。したがって、明らかとなるように、図２４〜２９に関して説明される核分裂部分４００ａ、４００ｂは、磁気構成または線形構成の核融合部分１０、１１のいずれかと併用されてもよい。
【００８１】
図２２および２３を参照して、核分裂部分４００ａ、４００ｂは、作動中に、核分裂部分４００ａ、４００ｂから漏出する放射線を低減するように選択される、減速材／反射器材料を含有する、タンク４１５内に位置付けられる、実質的に円筒形の放射化カラム４１０（放射化セルと称される場合もある）を含む。放射化カラム４１０は、ターゲットチャンバ６０、７０内に位置付けられ、核融合反応が起こる。ターゲットチャンバ６０、７０は、約１ｍの高さである。ベリリウム４２０の層は、ターゲットチャンバ６０、７０を包囲してもよい。減速材は、通常、Ｄ２ＯまたはＨ２Ｏである。さらに、ガス再生システム４２５は、タンク４１５の上に位置付けられる。ガス再生システム４２５の中心にある開口４３０は、放射化カラム４１０の中に延び、ＬＥＵ混合物および／または他の母材を含む未臨界アセンブリ４３５が位置し得る。好適な構成において、開口４３０は、半径約１０ｃｍであり、長さ約１ｍである。
【００８２】
各核融合部分１０、１１は、ターゲットチャンバから高エネルギー中性子を放出するように配列される。核融合部分１０、１１によって放出される中性子は、等方的に放出される一方、高エネルギーで放射化カラム４１０に侵入する中性子は、ほとんど相互作用なしにそこを通過する。ターゲットチャンバは、１０〜１５ｃｍのベリリウム４２０によって包囲され、約２倍速中性子束を増倍させる。次に、中性子は減速材に移行し、熱エネルギーを減速して、放射化セル４１０の中に逆反射する。
【００８３】
この構成からの流束は、約１０１５ｎ／ｓであると推定される（５００ｋＶおよび１００ｍＡで動作している単一の核融合部分１０、１１の推定源強度は、１０１４ｎ／ｓであり、例示される構成のこれらの装置は１０台ある）。放射化セル４１０における総容積流束は、０．００９４の不確実性を伴って、２．３５＊１０１２ｎ／ｃｍ２／ｓであると計算され、熱流束（０．１ｅＶ未満）は、０．０１２２の不確実性を伴って、１．３４＊１０１２ｎ／ｃｍ２／ｓであった。この中性子率は、論じられるように、ＬＥＵの存在下で実質的に向上する。
【００８４】
図１および３に関して論じられるように、核融合部分１０、１１は、磁気配列または線形配列で配列することができる。核融合部分１０、１１の磁気配列の実際の利点は、比較的低い圧力ガスにおいて、長い経路長を可能にすることである。線形構成を効果的に使用するために、ターゲットガスを冷却する必要があり、より高い圧力で維持されなければならない。そのような構成の一実施例は、図２３に示されるような装置の上および下からターゲットチャンバ７０の中に軸方向に放つ、いくつかのジュウテリウム光線を有する。これが成功するためには、ターゲットチャンバ７０は、最大１０トールで作動する必要があり得るが、核融合部分１０、１１に対する、より簡素かつ効率的なアプローチとなり得る。
【００８５】
線形構成における主要な簡素化は、螺旋またはねじれパターンで光線を誘導する磁場を確立するために必要とされる構成要素の排除である。場を形成するために必要とされる構成要素を欠くことによって、装置は安価となり、磁石は、中性子束を減衰する際に機能しない。しかしながら、一部の構成において論じられるように、磁場は、核融合部分１１の線形配列によって産生される、イオンビームを平行にすることに用いられる。
【００８６】
最終産物として高比放射能の９９Ｍｏを産生するために、容易に分離することができるように、化学的に異なる材料から形成されるべきである。これを行うための最も一般的な方法は、中性子衝撃を介した２３５Ｕの核分裂によるものである。前述される核融合部分１０、１１は、追加の反応性を有しない大量の９９Ｍｏを産生するのに十分な中性子を形成するが、２３５Ｕが装置内に既に存在する場合は、中性子の増倍を提供するとともに、９９Ｍｏ産生のターゲットを提供する構成で、それを配置することも道理にかなっている。核分裂から形成される中性子は、９９Ｍｏの比放射能を増大させるのに重要な役割を果たすことができ、システムの総９９Ｍｏ出力を増加させることができる。増倍率ｋｅｆｆは、等式１／（１−ｋｅｆｆ）による増殖に関連する。この増倍効果は、最終産物の総収量および比放射能を５〜１０倍増加させることができる。ｋｅｆｆは、ＬＥＵ密度および減速材構成の強関数である。
【００８７】
Ｈ２Ｏ（またはＤ２Ｏ）と結合されるＬＥＵ（２０％濃縮）ターゲットで構成される、未臨界アセンブリ４３５のいくつかの未臨界構成が可能である。これらの構成のすべては、前述される反応チャンバ空間４０５に挿入される。考慮される構成の一部は、ＬＥＵフォイル、水に溶解したウラン塩の水溶液、カプセル化したＵＯ２粉末等を含む。水溶液は、中性子の優れた減速のために、極めて望ましいが、臨界性の観点から課題を提供する。未臨界動作を保証するために、臨界性定数ｋｅｆｆは、０．９５より下に維持するべきである。さらなる制御特徴を容易に追加して、臨界状態に達した場合に、ｋｅｆｆを減少させることができる。これらの制御特徴は、減速材を排除して臨界性を低下させる、制御ロッド、注射用毒物、または圧力安全弁を含むが、これらに限定されない。
【００８８】
ウランの水溶液は、下流化学プロセスにとって極めて有効である。さらに、それらは容易に冷却され、燃料および減速材の優れた組み合わせを提供する。初期研究は、硝酸ウラン溶液−ＵＯ２（ＮＯ３）２を使用して行われたが、硫酸ウラン等の他の溶液も考慮され得る。一構成において、溶液中の塩分濃度は１００ｇＨ２Ｏ当たり塩約６６ｇである。図２４および２５に示されるように、溶液は、放射化セル４１０内に位置付けられる。溶液に加えて、純水で充填された放射化セル４１０の中心に、直径の小さいシリンダ５００が存在する。この水のシリンダは、装置が未臨界で維持されるように、ｋｅｆｆの値を低減するのを可能にする一方で、依然として大量のＬＥＵ溶液を使用するのを可能にする。
【００８９】
図２４および２５に示される水溶液レイアウトにおいて、中心シリンダ５００は純水を含有し、実質的に環状の空間５１０を画定するように協働する、管と円筒形の壁５０５との間に含有される、硝酸ウランの水性混合物によって包囲される。ターゲットチャンバ６０、７０は、最外層の次であり、これも環状である。純水、硝酸ウランの水性混合物、およびターゲットチャンバ６０、７０は、Ｂｅ増殖器／反射器４２０によって包囲される。この例における最外層５２０は、タンク４１５内に含有される大量のＤ２Ｏである。Ｄ２Ｏは、減速材として作用し、核分裂部分４００ａ、４００ｂからの放射線の漏出を低減する。図２６〜２９は、類似する構成成分を示すが、それらの特定の図とともに論じられるように、容積の一部または全部に異なる材料を含有する。
【００９０】
ウランを照射する一般的な方法は、ウランを二酸化ウランに形成するか、または二酸化ウラン粉末を容器に入れることである。これらは、反応器に挿入され、除去および処理前に照射される。今日使用されているＵＯ２粉末は、ＨＥＵを利用するが、ＬＥＵを使用することが好ましい。好適な構成において、Ｋｅｆｆが０．９５未満である、ＬＥＵおよびＨ２Ｏの混合物が用いられる。
【００９１】
図２６および２７は、Ｄ２Ｏを有する均一溶液中にＵＯ２を含む、放射化カラム４１０を示す。この構成における中心シリンダ５００は、Ｈ２Ｏ５２５が充填され、最外層５３０も同様である（一部分のみが示される）。第１の環状空間５３５は、１８％ＬＥＵ（２０％濃縮）および８２％Ｄ２Ｏの溶液を含有する。第２の環状層５４０は、実質的に真空であって、核融合部分ターゲットチャンバ６０、７０と一致する。中心シリンダ５００、第１の環状空間５３５、および第２の環状空間５４０は、Ｂｅ４２０の層によって包囲され、増殖器および中性子反射器として機能する。
【００９２】
別の構成において、９９Ｍｏは、修正Ｃｉｎｔｉｃｈｅｍ過程において、ＬＥＵフォイルの化学溶解によって、ウランから抽出される。この過程において、ウランを含有する薄いフォイルは、核反応器の高流束領域に配置され、しばらくの間照射された後、除去される。フォイルは、様々な溶液に溶解され、複数の化学的技法によって処理される。
【００９３】
安全、非核拡散、および健康の観点から、９９Ｍｏを産生する望ましい方法は、母材９８Ｍｏとの（ｎ，γ）反応によるものである。これは、プルトニウムまたは他の核分裂産物からの汚染を伴わずに９９Ｍｏをもたらす。この方法による産生は、任意の形態のウランを一定供給する必要がない。短所は、９９Ｍｏを９８Ｍｏから分離することが困難なことにあり、発電機内の９９Ｍｏの低比放射能をもたらす。さらに、濃縮９８Ｍｏのコストは、それが使用される場合、相当に高額である。それでもなお、低比放射能の９９Ｍｏから高純度の９９ｍＴｃを抽出する、新しい溶出技法の開発において、かなりの進歩が見られ、これは近い将来、費用効率の高いオプションとなり得る。本明細書に示されるハイブリッド原子炉５ａ、５ｂにおいて、この種類の産生を実装するために、ＬＥＵの固定した未臨界アセンブリ４３５を使用して、中性子束（ＵＯ２の可能性が高い）を増加させることができるが、母材９８Ｍｏから単離され得る。未臨界アセンブリ４３５は、依然として、核融合部分１０、１１の内部に位置付けられ、９９Ｍｏ放射化カラムは、未臨界アセンブリ４３５内に位置付けられる。
【００９４】
好適な構成において、９８Ｍｏは、放射化カラム４１０の合計２０％を占める（容積別）。図２８および２９に示されるように、中心シリンダ５００は、２０％９８ＭｏおよびＨ２Ｏの均一混合物を含有する。第１の環状層５５５は、未臨界アセンブリ４３５を含み、１８％  ＬＥＵ（２０％濃縮）／Ｄ２Ｏ混合物で構成される。第２の環状層５６０は、実質的に真空化され、核融合部分ターゲットチャンバ６０、７０と一致する。中心シリンダ５００、第１の環状空間５５５、および第２の環状空間５６０は、Ｂｅ４２０の層によって周囲され、増殖器およびニュートロン反射器として機能する。最外層５７０（示されるものの一部分のみ）は、核分裂部分５ａ、５ｂから漏出する放射線の量を低減する、水を含む。
【００９５】
ＬＥＵの例の場合、９９Ｍｏの産生率および比放射能は、１０１５ｎ／ｓで動作する核融合部分１０、１１による、核分裂収量の６％を計算することによって決定される。同様に、様々な構成に対してＫｅｆｆを計算した。表１は、これらの計算結果のまとめである。９８Ｍｏから産生する場合、（ｎ，γ）集計を使用して、９９Ｍｏの産生率を決定した。以下の表は、ハイブリッド反応器５ａ、５ｂにおける様々なターゲット構成の産生率を示す。
【００９６】
【表２】
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生成される９９Ｍｏの比放射能は、未臨界例のすべてにおいて比較的一定であるが、一部の構成は、実質的に高い総産生率を可能にする。これは、これらの構成が、相当に大量の母材を可能にするためである。産生される９９Ｍｏの総量に関して言えば、９８Ｍｏからの９９Ｍｏの産生は、ＬＥＵからの産生と同様に良好な方法であることも注目すべきである。依然として、ＬＥＵ過程は、核分裂産物から９９Ｍｏを分離することが、９８Ｍｏからそれを分離することよりも容易であり、分離後に利用できる９９Ｍｏの高比放射能を可能にするため、より好適である傾向がある。
【００９７】
９８Ｍｏを使用して９９Ｍｏを産生する構成において、未臨界アセンブリ４３５は、完全に除去することができる。しかしながら、未臨界アセンブリ４３５が除去される場合、最終産物の比放射能は相当に低くなる。さらに、進化した発電機は、９８Ｍｏ放射から生じる低比放射能を利用することができ得るという兆候が見られる。未臨界増倍なしにハイブリッド原子炉５ａ、５ｂによって産生される比放射能は、これらの技術の一部に対して十分に高い。さらに、米国の９９Ｍｏに対する総需要は、依然として数か所の産生施設で満たすことができ、核分裂遊離過程を可能にする。
【００９８】
例えば、核融合専用原子炉の一構成において、未臨界アセンブリ４３５は省略され、９８Ｍｏは放射化カラム４１０内に位置付けられる。９９Ｍｏの産生を強化するために、核融合部分１１の線形配列によって産生される、より強力なイオンビームが用いられる。前述の構成において必要とされる電力レベルの約１０倍で、イオンビームを操作することが好適である。これを達成するために、磁場を確立して光線を平行にし、光線の所望されない分散を阻止する。場は、光線に平行となるように配列され、加速器３０およびポンプシステム４０を実質的に包囲するが、必ずしもターゲットチャンバ７０の中に延びる必要はない。この配列を使用することは、未臨界アセンブリ４３５によって産生される増殖効果なしに、所望の中性子束を提供する。この配列の１つの利点は、所望のアイソトープを産生するために、ウランが必要とされないことである。
【００９９】
したがって、本発明は、特に、医療用アイソトープを産生する際に使用するための、新しく有用なハイブリッド原子炉５ａ、５ｂを提供する。上述され、図に示されるハイブリッド原子炉５ａ、５ｂの構成は、単なる実施例として提示され、本発明の概念および原理に対する限定を意図するものではない。本発明の様々な特徴および利点は、以下の請求項において記載される。  
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【外国語明細書】
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