(57)【要約】【課題】  その目的とするところは、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率向上を図ることが出来るガスターゲットを提供する。【解決手段】  粒子を加速する粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームと反応して放射性核種を生成する原料ガスを収容する放射性核種生成用ターゲット容器において、前記容器の内部にその表面積を増加させる表面加工を施した内壁を有することを特徴とする放射性核種生成用ターゲット容器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を加速する粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームと反応して放射性核種を生成する原料ガスを収容する放射性核種生成用ターゲット容器において、前記容器の内部にその表面積を増加させる表面加工を施した内壁を有することを特徴とする放射性核種生成用ターゲット容器。
【請求項２】
請求項１記載の放射性核種生成用ターゲット容器において、前記表面加工はネジ加工であることを特徴とする放射性核種生成用ターゲット容器。
【請求項３】
請求項２記載の放射性核種生成用ターゲット容器において、前記ネジ加工のネジ径は、前記高エネルギー粒子ビームの進行する向きに階段状に増加させたことを特徴とする放射性核種生成用ターゲット容器。
【請求項４】
請求項１記載の放射性核種生成用ターゲット容器において、前記表面加工はスプライン加工であることを特徴とする放射性核種生成用ターゲット容器。
【請求項５】
請求項１に記載の放射性核種生成用ターゲット容器と、
前記粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームを照射するビーム照射装置とを有し、
略水平に保持した前記容器の長手方向中心に対して、前記高エネルギー粒子ビームの中心を水平方向に偏芯するよう構成したことを特徴とする放射性核種生成装置。
【請求項６】
粒子を加速する粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームを照射するビーム照射装置と、
前記高エネルギー粒子ビームと反応して放射性核種を生成する原料ガスを収容する放射性核種生成用ターゲット容器とを有し、
略水平に保持した前記容器の長手方向中心に対して、前記高エネルギー粒子ビームの中心を水平方向に偏芯するよう構成したことを特徴とする放射性核種生成装置。
【請求項７】
請求項５又は請求項６記載の放射性核種生成装置において、前記ビーム照射装置は、前記高エネルギー粒子ビームの前記容器内での断面形状を、鉛直方向に長い略楕円形に成形するよう構成されたことを特徴とする放射性核種生成装置。
【請求項８】
粒子を加速し、
加速された粒子を高エネルギー粒子ビームとして放射性核種生成用ターゲット容器に収容する放射性核種を生成する原料ガスへ照射し、
前記照射の際、略水平に保持した前記容器の長手方向中心に対して、前記高エネルギー
粒子ビームの中心を水平方向に偏芯して照射することを特徴とする放射性核種生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核医学診断に用いる短半減期の放射性同位元素を生成するターゲット容器放射性核種生成装置および放射性核種生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）検査用薬剤を生成するためのガスターゲット容器として、例えば特許文献１に開示されているものがある。このターゲット容器は、一般に円筒状、好ましくは入口側から後部に向かって徐々に内径が大きくなる円錐形のチャンバーを有し、入口側に設置されたフォイルとガスケットによってチャンバーを封止することにより、ターゲット容器内に加圧したターゲットガスが充填される。フォイルを透過してターゲットガスに照射された高エネルギー粒子により核反応が生じて、所望の放射性核種が生成される。
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなガスターゲット容器を用いて所定のエネルギー、フラックス（電流密度）の陽子ビームをターゲットガスに照射しても、放射性核種の収量は、理論計算から得られる収率に比べて大幅に低下する場合がある。これは、ビーム照射中にガスの温度が上がってガス密度が低下するためであることが、ビーム照射中のターゲット容器内の圧力測定から知られていた。これに対して、ターゲットチャンバーの奥行きを長く取れば収率の低下を抑制できることは明らかであるが、15Ｎ2のような高価な原料ガスの使用量が増えることと、ターゲットの寸法増加がターゲット遮蔽体の大型化を招くことは好ましくない。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために為されたものであって、その目的とするところは、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率向上を図ることが出来るガスターゲットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ターゲットチャンバーの容積に対する内表面積の割合を高めてターゲットガスの熱伝達を促進する構造とした。
【発明の効果】
【０００７】
ターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制することが出来る。これにより、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
陽電子放射断層撮影は、癌などの悪性腫瘍の早期発見，治療計画の策定，治療後の経過観察等に有効な検査方法である。ＰＥＴ検査では、被験者の体内に導入された、陽電子を放出する放射性核種で標識された薬剤が、特定の部位に蓄積されたり代謝されたりする性質を利用して、体内での局所機能測定を行う。
【０００９】
ＰＥＴ検査用薬剤の標識として利用される放射性核種には、フッ素１８，炭素１１，窒素１３，酸素１５のような短半減期核種（半減期：２分から１１０分）がある。これらの核種は、粒子加速器から取り出した高エネルギー粒子を、放射性核種の原料となる物質を入れたターゲット箱に照射し、その内部で所望の核反応を起こさせることにより生成される。粒子加速器等の製造設備は病院内に設置されることが多いため、ＰＥＴ検査設備が普及するためには設備の小型・軽量化は重要な要素である。
【００１０】
所望の放射性核種を得るためのターゲット物質としては、核反応を起こさせる高エネルギー粒子の種類、エネルギー（使用する粒子加速器の仕様で決定される）との組み合わせに応じて、気体，液体、及び固体から最適なものを選択すればよい。陽子（ｐ）ビームを用いて炭素１１（11Ｃ）や酸素１５（15Ｏ）を製造する場合には、それぞれ14Ｎ2や15Ｎ2を含むガスがターゲット物質として利用されることが多い。一つのターゲットを上記の二つの用途に併用することも可能である。
【００１１】
検査用薬剤を生成するためのガスターゲット容器として、一般に円筒状、好ましくは入口側から後部に向かって徐々に内径が大きくなる円錐形のチャンバーを有し、入口側に設置されたフォイルとガスケットによってチャンバーを封止することにより、ターゲット容器内に加圧したターゲットガスが充填される。フォイルを透過してターゲットガスに照射された高エネルギー粒子により核反応が生じて、所望の放射性核種が生成される。
【００１２】
上記のようなガスターゲット容器を用いて所定のエネルギー、フラックス（電流密度）の陽子ビームをターゲットガスに照射しても、放射性核種の収量は、理論計算から得られる収率に比べて大幅に低下する場合がある。これは、ビーム照射中にガスの温度が上がってガス密度が低下するためであることが、ビーム照射中のターゲット容器内の圧力測定から知られていた。これに対して、ターゲットチャンバーの奥行きを長く取れば収率の低下を抑制できることは明らかであるが、15Ｎ2のような高価な原料ガスの使用量が増えることと、ターゲットの寸法増加がターゲット遮蔽体の大型化を招くことは好ましくない。
【００１３】
この密度低下の現象について詳細な熱流体解析を行い、以下の知見を得た。すなわち、照射中のガスターゲット中では、ビームが照射される中心部と水冷されているチャンバー内壁の間に大きな温度差が生じ、高温の部分が密度差によってターゲット内を上昇し、ターゲット壁面に沿ってガスが自然対流することによる熱伝達が支配的であること、ターゲット壁面近傍のガスの流れは層流になっていること等が分った。
【００１４】
模式図を用いてこの現象を説明する。図４はビームの強度分布を示したものであり、一般にガウス分布に近い。一方、この分布形状のビームが照射されたターゲットガスでは、ビーム中心に対応する部分が高温になり、周辺より密度が低下して図５のような分布になる。核反応の頻度はビームのフラックスとターゲットガスの密度に比例するので、周辺部ではビームフラックスが低いことにより、中心部ではターゲットガスの密度低下により、全体の収率が低下してしまう。また、ターゲット中心にビームを照射した場合のガスの流れを図６に示す。２１はターゲットチャンバー内壁である。高温部２２はターゲットの中心よりやや上方に位置し、ターゲットの天井部で分岐した流れ２３が生じることで対流熱伝達が起こっている。高温部の中心と側壁に沿って高流速部２４，２５が生じるが、壁面近傍では層流であり、さらにチャンバー内で流れが停滞する領域が多く、熱伝達率は低くなっている。ビーム径に対してチャンバー内径を広げることによっても、ガスの対流を促進して密度低下を軽減できることを解析によって確認している。また、ターゲットチャンバーは一般的に円筒型または部分的な円錐型であり、その容積に対する内表面積の割合が低いことも、ガスの全体的な熱伝達を制限する要因となっている。
【００１５】
ターゲットチャンバーの容積に対する内表面積の割合を高めてターゲットガスの熱伝達を促進するためのネジ，スプライン等の加工をその内壁に施した。ターゲット容器は、ネジ，スプライン等の加工によりターゲットチャンバーの容積に対する内表面積の比を高めたので、伝熱面積の増加とガス流れの乱流化によりターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制することが出来る。これにより、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。
【００１６】
また、レンズによってビームを偏向させるか、または、ターゲット中心とビームを導入するダクトの中心を機械的に偏芯させることによって、ターゲットチャンバーの中心とビーム中心軸を偏芯させた。ターゲットチャンバーの中心とビーム中心軸を偏芯させたので、ターゲットチャンバー内径を増加させたと同様の効果により、ガスの自然対流の流速が増加してターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制する効果がある。これにより、ターゲットの内径を大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。また、ビーム中心とターゲットチャンバー中心の偏芯度が変動しても、一定の効果が安定して得られる。
【実施例１】
【００１７】
図１は、放射性核種生成用ターゲット容器の一実施例を示す水平断面図である。ターゲットチャンバー１０は、ターゲットボディー１，エンドウォール２，フォイル５からなる。１１，１２は水冷チャンネルである。フォイル５とターゲットボディー１の間にはガスケット７が挿入されており、ターゲットチャンバー１０の気密が保たれる。15Ｎ2 等の原料ガスは、ガスインレット１３から導入され、ビーム照射完了後にガスアウトレット１４から排出される。ビーム照射は、ビームインレット１３，ビームアウトレット１４とも図示しないバルブにより閉じられた状態での静的照射と、両バルブを開いた状態で原料ガスを流す動的照射がある。何れの場合も原料ガスは５ｂａｒ前後に加圧して充填される。ターゲットボディー１は、グリッドホルダ３，ターゲットマウント４と連結されて、図示しない真空排気されたビームラインに接続される。８，９は図示しないビームラインの真空を保持するためのガスケットである。グリッドホルダ６は、フォイル５が圧力差で変形することを防止するサポートであり、ビーム１５がターゲットチャンバー１０内に到達するようにグリッド状に多数の小孔が開けられている。
【００１８】
本実施例では、ターゲットチャンバー１０の容積に対してその内表面積を増加させるために、ネジ加工１６が施されている。ネジの径をビームの入口側から出口側に向かって順次大きくすることによって、略テーパー状のターゲットチャンバーに対して容易にネジ加工を施すことが出来る。表面積の増加率は、一般的な細目ネジ加工を使用した場合に約
４０％である。
【００１９】
ターゲットチャンバー１０の内表面に施したネジ加工１６は、伝熱面積を約４０％増加させるとともに、壁面近傍でのガス流れの乱流化を促進するよう作用する。その結果、ガスの熱伝達率が向上し、ガスの温度上昇とそれに伴うガス密度低下を抑制することが出来る。これにより、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できるという利点がある。また、ビーム中心とターゲットチャンバー中心の偏芯度が変動しても、一定の効果が安定して得られるという効果もある。
【００２０】
ネジ加工のネジ径は、高エネルギー粒子ビームの進行する向きに階段状に増加させても良い。図１では４段階に径が広くなっているが、他の複数段とすることもできる。
【００２１】
粒子を加速する粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームと反応して放射性核種を生成する原料ガスを収容する放射性核種生成用ターゲット容器において、容器の内部にその表面積を増加させる表面加工を施した内壁を有する放射性核種生成用ターゲット容器により、ネジ，スプライン等の加工によりターゲットチャンバーの容積に対する内表面積の比を高めたので、伝熱面積の増加とガス流れの乱流化によりターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制することが出来る。これにより、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。
【実施例２】
【００２２】
図２は図１のＡ−Ａ断面の模式図である。同図において、１７はターゲットチャンバーの中心位置、１５はビームの照射範囲、１８はビーム中心である。ターゲットチャンバー中心１７とビーム中心１８を偏芯させることによって、ターゲットチャンバー１０の内径を増やした場合と同様に、ガス流れ１９の流速を増加させるように作用し、ターゲットボディー１の内壁での熱伝達率が増加する。また、ネジ加工１６が施されているので流れの乱流化が促進され、さらに熱伝達率を増加させるよう作用する。
【００２３】
このターゲットチャンバー中心１７とビーム中心１８の偏芯は、レンズによるビーム
１８の偏向や、ビームを導入するダクトの中心とターゲットチャンバー１０の中心を機械的に偏芯させることによって実現できる。また、ビーム１５の断面形状は、図示しないビームラインに設置した四極レンズの調整によって鉛直方向に長く成形すれば、壁面へのビーム１５の損失が低減され、さらに効果的である。
【００２４】
粒子を加速する粒子加速器から取り出された高エネルギー粒子ビームを照射するビーム照射装置と、高エネルギー粒子ビームと反応して放射性核種を生成する原料ガスを収容する放射性核種生成用ターゲット容器とを有し、略水平に保持した容器の長手方向中心に対して、高エネルギー粒子ビームの中心を水平方向に偏芯するよう構成した放射性核種生成装置により、ビーム照射装置のレンズによってビームを偏向させるか、ターゲット中心とビームを導入するダクトの中心を偏芯させる等としたので、ターゲットチャンバー内径を増加させたと同様の効果により、ガスの自然対流の流速が増加してターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制する効果がある。これにより、ターゲットの内径を大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。
【００２５】
また、放射性核種生成方法として、粒子を加速し、加速された粒子を高エネルギー粒子ビームとして放射性核種生成用ターゲット容器に収容する放射性核種を生成する原料ガスへ照射し、照射の際、略水平に保持した容器の長手方向中心に対して、高エネルギー粒子ビームの中心を水平方向に偏芯して照射することで、ターゲットチャンバー内径を増加させたと同様の効果により、ガスの自然対流の流速が増加してターゲットガスの熱伝達が促進され、ターゲットガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制する効果がある。これにより、ターゲットの内径を大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を改善できる。
【００２６】
また、ビーム照射装置は、高エネルギー粒子ビームの容器内での断面形状を、鉛直方向に長い略楕円形に成形するよう構成することもできる。
【００２７】
また、ビームの偏芯は、実施例１の容器の内壁表面の面積を増加するものと合わせても良い。つまり、ターゲットボディー１とエンドウォール２の内壁にネジ加工１６を施して、ターゲットチャンバー１０の容積に対してその内表面積を増加させる。さらに、ビーム１５の中心をターゲットチャンバー１０の中心から偏芯させる。これにより、伝熱面積が増加するともに、ターゲットボディー１の壁面近傍での自然対流のガス流速が増加してガスの熱伝達率が向上する。その結果、ガスの温度上昇とそれに伴う密度低下が抑制され、ターゲットを大型化して経済性を損なうことなく、放射性核種の収率を向上させることができる。
【実施例３】
【００２８】
図３は、放射性核種生成用ターゲットの他の実施例を示す軸方向断面図である。本実施例が第一の実施例と異なるのは、ターゲットチャンバー１０の内表面積を増加させるために、ターゲットボディー１の内面にネジ加工１６の代わりに歯車状のスプライン加工２０を施した点であり、その他については第一の実施例と同じである。スプライン加工２０の溝はターゲットチャンバー１０の軸方向に延びている。本実施例に拠れば、ターゲットチャンバー１０の内表面積をさらに増加させることが可能で、第一の実施例と同様に作用して、ガスの温度上昇とそれに伴う密度低下を抑制する効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の放射性核種生成用ターゲットは、ガス状のターゲット材料から炭素１１や酸素１５等の放射性核種を生成する放射性核種製造装置に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】放射性核種生成用ターゲット容器の一実施例を示した水平断面図である。
【図２】放射性核種生成用ターゲット容器の一実施例の作用を示した軸方向断面図である。
【図３】放射性核種生成用ターゲット容器の一実施例を示した軸方向断面図である。
【図４】放射性核種生成用ターゲット容器に照射する高エネルギービームの強度分布図である。
【図５】放射性核種生成用ターゲット容器にビームを照射した場合のターゲット物質の密度分布図である。
【図６】従来の放射性核種生成用ターゲット容器内のガス流を示した軸方向断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ターゲットボディー
２  エンドウォール
３，６  グリッドホルダ
４  ターゲットマウント
５  フォイル
７，８，９  ガスケット
１０  ターゲットチャンバー
１５  ビーム
１６  ネジ加工
１７  ターゲットチャンバー中心
１８  ビーム中心
１９，２３  流れ
２０  スプライン加工
２１  ターゲットチャンバー内壁
２２  高温部
２４，２５  高流速部
【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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