加速器
【課題】供用終了後の放射能を低減できる加速器を提供する。
【解決手段】陽子をＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂで加速してターゲット２０に照射する加速器１０の四重極電極１３及びドリフトチューブ１４のイオンビームＲに対向する内面、ビーム伝送ダクト１５の内面、コリメータ電極１５ｂの表面に、金メッキを施す。金は（ｐ，ｎ）核反応で生成する197Ｈｇの半減期が短いので、加速器供用終了後の放射能レベルを低減できる。その結果、廃棄コストを従来よりも安くできる。加速器の前記部分に金メッキを施さない場合には、生成される65Ｚｎ、56Ｃｏなどの半減期が長いので、放射能レベルが高く、廃棄コストが高くなる。
【解決手段】陽子をＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂで加速してターゲット２０に照射する加速器１０の四重極電極１３及びドリフトチューブ１４のイオンビームＲに対向する内面、ビーム伝送ダクト１５の内面、コリメータ電極１５ｂの表面に、金メッキを施す。金は（ｐ，ｎ）核反応で生成する197Ｈｇの半減期が短いので、加速器供用終了後の放射能レベルを低減できる。その結果、廃棄コストを従来よりも安くできる。加速器の前記部分に金メッキを施さない場合には、生成される65Ｚｎ、56Ｃｏなどの半減期が長いので、放射能レベルが高く、廃棄コストが高くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器に関する技術であり、特に加速器の低放射化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＴ（Positron Emission Computed Tomography：陽電子放出型ＣＴ）を用いた診断用の放射性核種を製造するための医療用加速器、例えば、米国ＡｃｃＳｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．（ＡｃｃＳｙｓ社）製のＰＵＬＳＡＲ（ＡｃｃＳｙｓ社の商標）が知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】米国AccSys Technology, Inc. (AccSys) （商標）のウェブサイトhttp://www.accsys.com/products/pulsar.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記医療用加速器では、陽子をイオン源で生成して、線形加速器で加速しターゲットに陽子ビームを照射して、所要の核反応により目的の放射性核種を生成している。この線形加速器で陽子ビームを加速する過程、及び加速された陽子ビームをターゲットに伝送する過程で、陽子ビームの一部が軌道から外れて加速器の構成部品、つまり加速器本体の真空容器及び電極、ビーム伝送ダクト、ビーム計測・制御部品に衝突して失われる。このように軌道から外れて失われる一部の陽子ビームを、以下では損失陽子ビームと称する。
【０００４】
このような損失陽子ビームは、そのとき持っている陽子のエネルギに応じて衝突した部材を構成する元素と核反応を起こし、放射性核種を生成する場合がある。前記加速器の構成部品の含有している元素によっては、比較的長い半減期の放射性核種を生成する。例えば、銅を用いた電極の場合、銅６５（６５Ｃｕ）の（ｐ，ｎ）核反応により半減期２４４．１日の亜鉛６５（６５Ｚｎ）を生成する。鉄を含む加速器本体の真空容器やビーム伝送ダクトの場合、鉄５６（５６Ｆｅ）の（ｐ，ｎ）核反応により半減期７７．２日のコバルト５６（５６Ｃｏ）を生成する。
【０００５】
このように半減期の長い放射性核種が生成するので、加速器を供用終了後に廃棄する段階で、まだ強い放射能が残っている。従って、加速器を解体時にその構成部品を放射能レベルに応じて区分して、必要に応じて放射性廃棄物としてドラム缶詰めなどを行い、所定の廃棄手続きをする必要がある。その結果、加速器を廃棄する段階で放射能レベルが高い構成部品が多い程、廃棄コストが増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、係る問題を低減することを課題とし、加速されたイオンビームが軌道から外れた損失イオンビームにより生じる放射能を低減することができる加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため本発明は、少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体によりイオンビームを加速する加速器において、加速されたイオンビームが軌道から外れて損失イオンビームとして入射する面に金または純アルミニウムを用いてなることを特徴とする。
【０００８】
係る構成により、損失イオンビームは金または純アルミニウムの層内でエネルギを失うか安定核種または比較的短い半減期の放射性核種を生成するだけなので、放射能を低減できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、損失イオンビームにより生じる放射能を低減することができる加速器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態に係る加速器について、図１から図４を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、本実施の形態の加速器１０は、主にイオン源１１、高周波四重極型線形加速器（Radio Frequency Quadrupole、以下、ＲＦＱと称す）１２ａとドリフトチューブ型線形加速器（Drift Tube Linac、以下、ＤＴＬと称す）１２ｂとの２段で構成された加速器本体１２、ビーム伝送ダクト１５及びターゲット２０を備える。
【００１１】
（イオン源の構成）
イオン源１１は、イオンとなる源物質を、ここでは水素をイオン化して陽子のイオンビームＲとして引き出す役割をし、その周囲には、質量により陽子のみを選択的に取り出す図示しないマグネットやイオンビームＲを整形する図示しない静電レンズ、さらには図示しないイオンビーム発生部などが設けられている。
なお、イオン源１１には、熱陰極方式のデュオプラズマトロン型イオン源またはＰＩＧ（ペニングイオンゲージ）型イオン源を使用することができる。また、長寿命で大電流を発生することのできるマイクロ波放電型イオン源を使用することもできる。
以下では、イオンビームＲとして陽子ビームの場合を例に説明する。
【００１２】
（ＲＦＱの構成）
ＲＦＱ１２ａは、イオン源１１の後段に設けられ、イオン源１１から出射されたイオンビームＲを所定のエネルギ、例えば約３．５ＭｅＶまで加速させるものである。図１に示すように、ＲＦＱ１２ａは、ＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）で構成された真空容器１２ｄの内部に波形状の四重極電極１３を備えている。この四重極電極１３により特定の領域でイオンビームＲの進行方向と直角な方向に四重極電界が形成され、イオンビームＲが集束されながら真空領域で加速される。
【００１３】
図２の（ａ）に示すようにＲＦＱ１２ａの内部には、略楔形の四重極電極１３が４個配置されている。四重極電極１３の楔形状の細くなった部分、つまりビーム対向内面１３ｂ［（ｂ）参照］が、イオンビームＲに面して接近する部分である。四重極電極１３を２つ、互いにイオンビームＲを挟んで向き合わせて一対になし、イオンビームＲの進行方向を軸として、９０°回転させた位置に、もう一対の四重極電極１３を配置する。
【００１４】
ビーム対向内面１３ｂは、イオンビーム加速方向に波形状をしており、前記２対の四重極電極１３の間では、波形状の周期が互いに反対になるようにずらしてある。つまり、１対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂが山のときは、他の対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂは谷となる。逆に、１対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂが谷のときは、他の対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂは山となる。
【００１５】
四重極電極１３は、素地がアルミニウム合金で構成され、図２の（ｂ）の断面図に示すように電極表面１３ａは、例えば厚さ約８０μｍの銅メッキが施され、電極表面１３ａのうちのイオンビームＲに対向しているビーム対向内面１３ｂの部分には、約８０μｍの銅メッキの上にさらに、例えば、厚さ８５μｍの金メッキを施してある。
なお、金メッキの層の厚さ８５μｍは、３．５ＭｅＶに加速された陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内にとどまる、または銅６５（65Ｃｕ）が（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値２．１ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
【００１６】
四重極電極１３の素地にアルミニウム合金を用い、電極表面１３ａに銅メッキを施すのは、高周波の場合電流は表皮効果により導体の表面だけに流れ内部には流れないので、電極表面１３ａには、アルミニウム合金よりも比抵抗の小さい銅を使用するものである。また、高周波により熱が発生するので、四重極電極１３には素地として熱伝導の良好な材料、この場合はアルミニウム合金を使用している。
【００１７】
なお、ここで使用されるＲＦＱ１２ａに代えて、六極以上の偶数の電極を持つ多重電極型の高周波加速器を用いることも、これら以外の高周波加速器を用いることもできる。
【００１８】
（ＤＴＬの構成）
ＤＴＬ１２ｂは、ＲＦＱ１２ａで加速されたイオンビームＲを入射されて、さらに約７ＭｅＶまで追加加速するものである。ＤＴＬ１２ｂは、ＲＦ共振用のタンクを兼ねた炭素鋼製の真空容器１２ｅの真空領域の中心に、複数個の、例えば１７個の小型円盤状のドリフトチューブ１４がイオンビームＲの加速方向に並んで配置されて構成されている（図１参照）。ただし、図１では模式的に７個のドリフトチューブ１４を示す。
なお、真空容器１２ｅの内面は、例えば、５０μｍの銅メッキが施されている。
【００１９】
図３の（ａ）に示すように、ドリフトチューブ１４の内部には、イオンビーム収束用の四極磁石１４ａが放射状に組み込まれている。イオンビームＲは、このドリフトチューブ１４の中心に開いた穴を通過する際に、ビームの拡がりを収束される。そして、ドリフトチューブ１４の向かい合う端面間で、イオンビームＲの加速が行われる。
【００２０】
ドリフトチューブ１４は、約５ｍｍの板材の無酸素銅で構成され、イオンビームＲに対向するビーム対向内面１４ｂ［（ｂ）参照］は、８５μｍの金メッキが施されている。ドリフトチューブ１４も、電極として高周波電流が流れやすく、熱伝導度が高いという観点から素地として前記無酸素銅が用いられる。
なお、ビーム対向内面１４ｂの金メッキの層の厚さ８５μｍは、７ＭｅＶの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または65Ｃｕが（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値２．１ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
【００２１】
（ビーム伝送ダクトの構成）
このようにＲＦＱ１２ａ及びＤＴＬ１２ｂの２段で構成された加速器本体１２は、最終的に約７ＭｅＶの高エネルギにイオンビームＲを加速する。
加速されたイオンビームＲは、内部を真空に保たれたＳＵＳ製のビーム伝送ダクト１５でターゲット２０に導かれる（図１参照）。
ＤＴＬ１２ｂから出射されるイオンビームＲは、長径約２ｍｍの楕円状の強度分布である。イオンビームＲがターゲット２０の全面を照射するように、ビーム伝送ダクト１５の外側に３台のＱマグネット１５ａを配置し、ビーム径を、例えば、１０ｍｍまで拡大するように調整する。
【００２２】
図１に示すように、ビーム伝送ダクト１５内部の終端部には、イオンビームＲの広がりを検出し、検出したイオンビームＲの広がりが円形に近い分布になるように調整するアルミニウム合金製のコリメータ電極１５ｂが上下左右に４個設けられている（図４参照）。
なお、ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面には、３０μｍの金メッキが施されている。ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面に施される金メッキの層の厚さ３０μｍは、７ＭｅＶの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または鉄５６（56Ｆｅ）が（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値５．５ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
ターゲット２０は、ビーム伝送ダクト１５の終端に設定される。
【００２３】
以上ＲＦＱ１２ａの四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂ、ＤＴＬ１２ｂのドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂ、ビーム伝送ダクト１５の内面、コリメータ電極１５ｂの表面に金メッキを施すこととしたが、金メッキの代わりに金蒸着を施すこととしても良い。
なお、損失イオンビームが照射される確率は小さいが、さらに真空容器１２ｄの内面に金メッキまたは金蒸着を施しても良い。同様に、真空容器１２ｅの内面に銅メッキの代わりに金メッキまたは金蒸着を施しても良い。
【００２４】
（実施形態の作用）
加速器１０を作動させるにあたって、事前に、ターゲット２０を設定しておく（図１参照）。
図示しない作動スイッチを操作すると、ＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂに対して、所定の高周波電力がそれぞれ供給され、各ＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂに電界が形成される。その後、イオン源１１に所定の電力を供給する。これにより、イオン源１１のイオンビーム発生部（図示せず）から出射された陽子のイオンビームＲがＲＦＱ１２ａによって約３．５ＭｅＶまで加速される。加速されたイオンビームＲは、ＲＦＱ１２ａから出射されて後段のＤＴＬ１２ｂに入射され、ＤＴＬ１２ｂでさらに約７ＭｅＶに加速される。
【００２５】
次に、イオンビームＲの軌道に対面する加速器１０の構成部品の放射化を評価し、従来例と比較する。
損失イオンビーム（ここでは損失陽子ビーム）が、加速器１０の構成部品の壁面に垂直に入射したときに生成される放射性核種の単位時間当たり（１秒間）の生成量Ｎr（個／秒）は、板状体系の一次元近似で、式（１）のように近似できる。
なお、ここでは、材料中で陽子が衝突によりエネルギを喪失しないと仮定した。つまり陽子による放射化を過大評価する保守的な評価を行っている。
【００２６】
Ｎr＝(η1Ｉp／ｅ)(σ×１０-27)(Ｎaη2ρ／Ａ)Γp ・・・・（１）
ここで、
Ｉp：入射する陽子ビーム電流（Ａ）
η1：陽子ビーム損失率
ｅ：電荷素単位（１．６×１０-19Ｃ）
σ：核反応断面積（ＭＢ；ｍbarn＝１×１０-27ｃｍ2）
Ｎa：アボガドロ数（６．０２×１０23／ｍｏｌ）
η2：原子存在率
Ａ：標的元素の質量数
ρ：標的材料の密度（ｇ／ｃｍ3）
Γp：標的材料中での陽子の飛程（ｃｍ）
である。
【００２７】
また、陽子ビームの照射をｔ1秒間継続した場合に生成される放射性核種の数Ｎd1は、式（２）のように表される。
Ｎd1＝Ｎs［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］ ・・・・（２）
ここで、
Ｎs：飽和生成量、ただしＮｓ＝Ｎr（Ｔr／０．６９３）
Ｔr：生成放射性核種の半減期（秒）
である。
【００２８】
陽子ビームの照射をｔ1秒間継続した後これを停止し、その後ｔ2秒経過したときの放射性核種の数Ｎd2は、式（３）で表される。
Ｎd2＝Ｎd1・exp（−０．６９３ｔ2／Ｔr）
＝Ｎs［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］・exp(−０．６９３ｔ2／Ｔr)
・・・・（３）
このときの放射線強度Φrは、式（４）のように表される。
Φr＝(０．６９３／Ｔr)Ｎd2
＝Ｎr［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］・exp(−０．６９３ｔ2／Ｔr)
・・・・（４）
【００２９】
以下、式（１）〜（４）を用いて、加速器１０の個々の構成部品の中でも、陽子ビームが最大エネルギ約７．０ＭｅＶにまで加速されていて、放射化が最も進むと考えられるＤＴＬ１２ｂのドリフトチューブ１４、ビーム伝送ダクト１５の放射能レベルを代表的に評価する。
前記したようにドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂ、ビーム伝送ダクト１５の内面の表面は、それぞれ８５μｍと３０μｍの厚さの金メッキが施されている。従って、損失陽子ビームは、金メッキされた面に衝突すると考えれば良い。
【００３０】
まず、ドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂの金の放射化を評価する。
陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．０５、標的材料である金（Ａｕ）中での陽子の飛程Γp＝１０１μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの金１９７（197Ａｕ）の（ｐ，ｎ）核反応の断面積σ＝０．８ＭＢを用いると、式（１）より（ｐ，ｎ）核反応により単位時間当たりＮr＝１．５×１０7個／秒の放射性核種、水銀１９７（197Ｈｇ）が生成される。
【００３１】
次に、ビーム対向内面１４ｂにおける放射性核種197Ｈｇ（半減期６５時間）の蓄積を評価するが、ここでは、毎日２時間加速器１０を運転し、そのような運転による損失陽子ビームの照射を２年間継続と仮定して、蓄積量を評価する。
放射性核種197Ｈｇは、損失陽子ビームの照射により２年間かけて徐々に増加する。式（２）で評価する場合に、損失陽子ビームの照射が１日あたりΔＴ時間だとすると、Ｎrを（ＮrΔＴ／２４）に置き換えて実効的な連続生成量を考えれば良い。従って、２年後の放射性核種197Ｈｇの蓄積量Ｎd1は、Ｎd1＝４．１×１０11個と評価される。
また、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過しときの放射性核種197Ｈｇの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝５×１０2個、Φr＝５ｋＢqとなる。
【００３２】
同様に、ビーム伝送ダクト１５の内面の金メッキの放射化を評価する。
ここでビーム伝送ダクト１５における陽子ビーム損失率をη1＝０．１に置きなおすだけで前記評価結果をそのまま利用でき、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過したときの放射性核種197Ｈｇの量と、放射能レベルを評価すると、Ｎd2＝１．０×１０3個、Φr＝１０ｋＢqとなる。
同様に、ビーム伝送ダクト１５内のコリメータ電極１５ｂも、基材のアルミニウム合金表面に厚さ３０μｍの金メッキを施しているので、アルミニウム合金に含まれる56Ｆｅから（ｐ，ｎ）核反応により放射性核種56Ｃｏが生成されてしまうことはない。
【００３３】
これに対し、従来のようにドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂは無酸素銅の素地のままの場合の放射化を評価する。
この場合は、陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．０５、標的材料である銅（Ｃｕ）中での陽子の飛程Γp＝１３５μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応の断面積σ＝４８０ＭＢを用いる。
65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応による放射性核種65Ｚｎの単位時間当たりの生成量Ｎrは、式（１）よりＮr＝５．２×１０9個／秒と求められる。
【００３４】
前記した金メッキの場合と同じ条件で放射性核種65Ｚｎ（半減期２４４．１日）の蓄積を評価すると、２年後の65ＺｎのＮd1は、Ｎd1＝１．２×１０16個と評価される。
また、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過したときの放射性核種65Ｚｎの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝１．１×１０16個、Φr＝３５０ＭＢqとなる。
【００３５】
さらに、従来のビーム伝送ダクト１５の内面のＳＵＳむき出し表面の場合の放射化を評価する。陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．１、標的材料であるＳＵＳ中での陽子の飛程Γp＝１３５μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの56Ｆｅの断面積σ＝１９０ＭＢを用いる。56Ｆｅの（ｐ，ｎ）核反応による単位時間当たりの放射性核種56Ｃｏの生成量Ｎrは、式（１）よりＮr＝１．２×１０10個／秒と求められる。
【００３６】
前記した金メッキの場合と同じ条件で放射性核種56Ｃｏ（半減期７７．２日）の蓄積を評価すると、２年後の放射性核種56ＣｏのＮd1は、Ｎd1＝９．８×１０15個と評価される。また、損失陽子ビームの照射停止から１ヶ月経過したときの放射性核種56Ｃｏの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝７．６×１０15個、Φr＝７７０ＭＢqとなる
【００３７】
また、従来の場合ビーム伝送ダクト１５内のコリメータ電極１５ｂも、基材のアルミニウム合金がむき出しなので、アルミニウム合金の表面に直接損失陽子ビームが衝突することになる。アルミニウム合金には鉄成分が含まれており、前記56Ｆｅの（ｐ，ｎ）核反応により放射性核種56Ｃｏが生成されてしまう。
【００３８】
ＲＦＱ１２ａにおいて四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに金メッキまたは金蒸着した場合の放射化評価を省略したが、陽子ビームは３．５ＭｅＶまで加速されるので、65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応の閾値は約２ＭｅＶであるところから、四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに金メッキが施されていないと、四重極電極１３のイオンビームＲ加速方向後半部分では、放射性核種65Ｚｎが生成される。
従って、四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに８５μｍの厚さの金メッキ、または金蒸着を行うことにより、銅メッキの放射化が防止または低減できる。
【００３９】
以上の放射化評価で説明したように、陽子ビームの軌道に面した加速器１０の構成部品の、陽子ビーム対向面が銅、鉄を含んだ材料で構成されている場合、損失陽子ビームとの核反応により、65Ｚｎ、56Ｃｏなどの比較的長い半減期の放射性核種を生成する。これに対し、本実施の形態では、金メッキまたは金蒸着が当該面に施されているので、半減期６５時間の197Ｈｇを生成するのみで、使用停止後の冷却時間を２ヶ月とすれば、放射能レベルは前記した値から約１／１０００以下にまで低下できる。
【００４０】
なお、本実施の形態における、四重極電極１３及びドリフトチューブ１４は本発明の電極を、コリメータ電極１５ｂはビーム計測・制御部品を構成する。
【００４１】
以上のように本実施の形態によれば、加速器１０の供用終了時の放射化レベルが低減でき、供用終了後短期日で放射能レベルが著しく減衰する。
その結果、放射能レベルが自然放射能のバックグラウンドレベルまで低下でき、放射性物質としての取り扱い対象から除外され、通常の産業廃棄物としての取り扱いが可能となる。その場合、装置の廃棄コストが大幅に低減可能となる。
【００４２】
なお、四重極電極１３やドリフトチューブ１４の表面は、放電を防止するために滑らかである必要がある。また陽イオンビームのエネルギが高くなるＤＴＬ１２、ビーム伝送ダクト１５では、陽子が（ｐ，ｎ）核反応の閾値以下にエネルギを失うまでの飛程が長くなるので、金メッキや金蒸着の厚さを増す必要がある。
しかし、表面が滑らかな厚い金メッキや金蒸着を行うことが難しい場合は、金の薄板を別途用意して、素地となる部材に圧着しても良い。このようにすることで、所要の厚さの金を素地の上に密着させることができる。
【００４３】
これまでの説明では、加速器１０の供用終了後の放射能レベルを低減する材料として金を例に説明したが、純アルミニウムでも良い。
以下に、図５の表に基づいて、電極材料及び放射能レベルを低減する材料を選択する考え方をまとめて説明する。
【００４４】
図５の表は、イオンビームＲの軌道に対面する加速器１２の構成部品である四重極電極１３、ドリフトチューブ１４、ビーム伝送ダクト１５、コリメータ電極１５ｂを構成する素地の元素の候補、及び放射能レベルを低減する材料候補の元素、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）の、比抵抗（μΩ・ｃｍ）、熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）、同位体存在比、放射性元素を生じる（ｐ，ｎ）核反応の反応断面積、生成元素とその半減期及び崩壊過程などのデータを示している。
なお、鉄は構造材としての候補であり、電極材として必要な比抵抗の小さいこと、熱伝導度の大きいことは、必要とされないので、それに関するデータは省略してある。
【００４５】
電極材料を考えるとき、まず導電性が良好な材料、つまり、図５の表の比抵抗の小さい材料が求められ、銀、銅、金、アルミニウムの順になる。また、電極で生じる熱を伝導しやすい材質であることも求められ、銀、銅、金、アルミニウムの順になる。この点、比抵抗が小さく、熱伝導度が高い銀が最も適当と考えられる。
ただし、銀は腐食しやすいこと、加速器の電極としては放電しやすいこと、電極の素地として使うにしても高価であることから、量を必要とする電極素地には、銅またはアルミニウムがより適切である。
【００４６】
損失イオンビームから照射を受ける面に用いる材料としては、陽子ビームの場合、（ｐ，ｎ）核反応により生成する元素が安定か、または放射性核種の半減期が短いものであって、さらに、電極に用いる場合は、比抵抗が小さく、熱伝導度が高い材料が好都合である。その点、これまで説明してきた金と、その次に純アルミニウムが適当である。
アルミニウム２７の（ｐ，ｎ）核反応で生成する放射性核種は、半減期４．１６秒のケイ素２７（27Ｓｉ）であるので、金がコスト的に高い場合は代わりに純アルミニウムをメッキ、蒸着または純アルミニウム薄板を圧着して用いても良い。
【００４７】
純アルミニウムを用いる場合は、例えばＲＦＱ１２ａで陽子ビームを３．５ＭｅＶまで加速、ＤＴＬ１２ｂで７ＭｅＶまで加速する場合は、純アルミニウムメッキ、蒸着若しくは純アルミニウム薄板を、ビーム対向内面１３ｂには５０μｍ、ビーム対向内面１４ｂには１４０μｍ、ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面には１４０μｍの厚さで設けると良い。
【００４８】
前記のように、純アルミニウムの場合、（ｐ，ｎ）核反応で半減期４．１６秒の27Ｓｉができるだけであり、金を用いた場合よりも、短時間で加速器１０供用終了後の廃棄時の放射能レベルを低減できる。
【００４９】
なお、陽子ビームに対向する電極表面部分に金や純アルミニウムを用い、電極の素地としては、熱伝導度の良好な銅、アルミニウム合金を用いているので、電極表面部分での高周波による発熱が、良好な熱伝導度を有する電極の素地による伝熱で除熱される。
【００５０】
本発明における金メッキ、金蒸着または金薄板、純アルミニウムメッキ、純アルミニウム蒸着または純アルミニウム薄板などのカバー材の所要の厚さは、損失陽子ビームのエネルギが３．５ＭｅＶまたは７ＭｅＶに対して例示してきたが、これらの厚さに限定されるものではない。
加速器１０を運用するときの損失陽子ビームのエネルギに応じてカバー材の厚さを設定すべきものである。つまり、カバー材の下層の材質に含まれる元素との（ｐ，ｎ）核反応で長い半減期の放射性同位体元素を生成する可能性のある場合に、その核反応の閾値以下になるまで陽子がエネルギを失うに必要なカバー材の厚さを設定する。
【００５１】
また、線形加速器を例に説明したが、本発明の適用は線形加速器に限定されず、サイクロトロンにも適用できる。
サイクロトロンにおいて損失陽子ビームが照射される、例えば電極（Ｄ）の陽子ビームの軌道に面した内面に、電極素地に金または純アルミニウムの、メッキ、蒸着、若しくは薄板の圧着を施すことにより、同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、これまで陽子を加速する加速器を例に説明してきたが、重水素のイオンビームを加速する加速器に対しても本発明は適用できる。例えば、金は重水素による（ｄ、ｎ）核反応で放射性を持たないのに対し、56Ｆｅは（ｄ，ｎ）核反応により放射性核種57Ｃｏ（半減期２７１．７日）が生成されてしまうので、図１においてビーム伝送ダクト１５の内面に金メッキ、金蒸着または金の薄板を圧着することにより、低放射能化の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る加速器の側面断面の模式図である。
【図２】（ａ）は高周波四重極型線形加速器の四重極電極の形状を示す斜視図であり、（ｂ）は四重極電極の断面図である。
【図３】（ａ）は、ドリフトチューブ型線形加速器の電極の正面図であり、（ｂ）はドリフトチューブ型線形加速器の一部側断面図である。
【図４】コリメータ電極の正面図である。
【図５】加速器の構成部品を構成する元素の候補、及び放射能レベルを低減する材料候補の元素の候補の比抵抗（μΩ・ｃｍ）、熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）、放射性元素を生成する（ｐ，ｎ）核反応の反応断面積、生成元素とその半減期及び崩壊過程などのデータを説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 加速器
１１ イオン源
１２ 加速器本体
１２ａ 高周波四重極型線形加速器
１２ｂ ドリフトチューブ型線形加速器
１２ｄ、１２ｅ 真空容器
１３ 四重極電極（電極）
１３ａ 電極表面
１３ｂ ビーム対向内面
１４ ドリフトチューブ（電極）
１４ａ 四極磁石
１４ｂ ビーム対向内面
１５ ビーム伝送ダクト
１５ａ Ｑマグネット
１５ｂ コリメータ電極（ビーム計測・制御部品）
２０ ターゲット
Ｒ イオンビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器に関する技術であり、特に加速器の低放射化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＴ（Positron Emission Computed Tomography：陽電子放出型ＣＴ）を用いた診断用の放射性核種を製造するための医療用加速器、例えば、米国ＡｃｃＳｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．（ＡｃｃＳｙｓ社）製のＰＵＬＳＡＲ（ＡｃｃＳｙｓ社の商標）が知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】米国AccSys Technology, Inc. (AccSys) （商標）のウェブサイトhttp://www.accsys.com/products/pulsar.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記医療用加速器では、陽子をイオン源で生成して、線形加速器で加速しターゲットに陽子ビームを照射して、所要の核反応により目的の放射性核種を生成している。この線形加速器で陽子ビームを加速する過程、及び加速された陽子ビームをターゲットに伝送する過程で、陽子ビームの一部が軌道から外れて加速器の構成部品、つまり加速器本体の真空容器及び電極、ビーム伝送ダクト、ビーム計測・制御部品に衝突して失われる。このように軌道から外れて失われる一部の陽子ビームを、以下では損失陽子ビームと称する。
【０００４】
このような損失陽子ビームは、そのとき持っている陽子のエネルギに応じて衝突した部材を構成する元素と核反応を起こし、放射性核種を生成する場合がある。前記加速器の構成部品の含有している元素によっては、比較的長い半減期の放射性核種を生成する。例えば、銅を用いた電極の場合、銅６５（６５Ｃｕ）の（ｐ，ｎ）核反応により半減期２４４．１日の亜鉛６５（６５Ｚｎ）を生成する。鉄を含む加速器本体の真空容器やビーム伝送ダクトの場合、鉄５６（５６Ｆｅ）の（ｐ，ｎ）核反応により半減期７７．２日のコバルト５６（５６Ｃｏ）を生成する。
【０００５】
このように半減期の長い放射性核種が生成するので、加速器を供用終了後に廃棄する段階で、まだ強い放射能が残っている。従って、加速器を解体時にその構成部品を放射能レベルに応じて区分して、必要に応じて放射性廃棄物としてドラム缶詰めなどを行い、所定の廃棄手続きをする必要がある。その結果、加速器を廃棄する段階で放射能レベルが高い構成部品が多い程、廃棄コストが増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、係る問題を低減することを課題とし、加速されたイオンビームが軌道から外れた損失イオンビームにより生じる放射能を低減することができる加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため本発明は、少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体によりイオンビームを加速する加速器において、加速されたイオンビームが軌道から外れて損失イオンビームとして入射する面に金または純アルミニウムを用いてなることを特徴とする。
【０００８】
係る構成により、損失イオンビームは金または純アルミニウムの層内でエネルギを失うか安定核種または比較的短い半減期の放射性核種を生成するだけなので、放射能を低減できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、損失イオンビームにより生じる放射能を低減することができる加速器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態に係る加速器について、図１から図４を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、本実施の形態の加速器１０は、主にイオン源１１、高周波四重極型線形加速器（Radio Frequency Quadrupole、以下、ＲＦＱと称す）１２ａとドリフトチューブ型線形加速器（Drift Tube Linac、以下、ＤＴＬと称す）１２ｂとの２段で構成された加速器本体１２、ビーム伝送ダクト１５及びターゲット２０を備える。
【００１１】
（イオン源の構成）
イオン源１１は、イオンとなる源物質を、ここでは水素をイオン化して陽子のイオンビームＲとして引き出す役割をし、その周囲には、質量により陽子のみを選択的に取り出す図示しないマグネットやイオンビームＲを整形する図示しない静電レンズ、さらには図示しないイオンビーム発生部などが設けられている。
なお、イオン源１１には、熱陰極方式のデュオプラズマトロン型イオン源またはＰＩＧ（ペニングイオンゲージ）型イオン源を使用することができる。また、長寿命で大電流を発生することのできるマイクロ波放電型イオン源を使用することもできる。
以下では、イオンビームＲとして陽子ビームの場合を例に説明する。
【００１２】
（ＲＦＱの構成）
ＲＦＱ１２ａは、イオン源１１の後段に設けられ、イオン源１１から出射されたイオンビームＲを所定のエネルギ、例えば約３．５ＭｅＶまで加速させるものである。図１に示すように、ＲＦＱ１２ａは、ＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）で構成された真空容器１２ｄの内部に波形状の四重極電極１３を備えている。この四重極電極１３により特定の領域でイオンビームＲの進行方向と直角な方向に四重極電界が形成され、イオンビームＲが集束されながら真空領域で加速される。
【００１３】
図２の（ａ）に示すようにＲＦＱ１２ａの内部には、略楔形の四重極電極１３が４個配置されている。四重極電極１３の楔形状の細くなった部分、つまりビーム対向内面１３ｂ［（ｂ）参照］が、イオンビームＲに面して接近する部分である。四重極電極１３を２つ、互いにイオンビームＲを挟んで向き合わせて一対になし、イオンビームＲの進行方向を軸として、９０°回転させた位置に、もう一対の四重極電極１３を配置する。
【００１４】
ビーム対向内面１３ｂは、イオンビーム加速方向に波形状をしており、前記２対の四重極電極１３の間では、波形状の周期が互いに反対になるようにずらしてある。つまり、１対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂが山のときは、他の対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂは谷となる。逆に、１対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂが谷のときは、他の対の四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂは山となる。
【００１５】
四重極電極１３は、素地がアルミニウム合金で構成され、図２の（ｂ）の断面図に示すように電極表面１３ａは、例えば厚さ約８０μｍの銅メッキが施され、電極表面１３ａのうちのイオンビームＲに対向しているビーム対向内面１３ｂの部分には、約８０μｍの銅メッキの上にさらに、例えば、厚さ８５μｍの金メッキを施してある。
なお、金メッキの層の厚さ８５μｍは、３．５ＭｅＶに加速された陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内にとどまる、または銅６５（65Ｃｕ）が（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値２．１ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
【００１６】
四重極電極１３の素地にアルミニウム合金を用い、電極表面１３ａに銅メッキを施すのは、高周波の場合電流は表皮効果により導体の表面だけに流れ内部には流れないので、電極表面１３ａには、アルミニウム合金よりも比抵抗の小さい銅を使用するものである。また、高周波により熱が発生するので、四重極電極１３には素地として熱伝導の良好な材料、この場合はアルミニウム合金を使用している。
【００１７】
なお、ここで使用されるＲＦＱ１２ａに代えて、六極以上の偶数の電極を持つ多重電極型の高周波加速器を用いることも、これら以外の高周波加速器を用いることもできる。
【００１８】
（ＤＴＬの構成）
ＤＴＬ１２ｂは、ＲＦＱ１２ａで加速されたイオンビームＲを入射されて、さらに約７ＭｅＶまで追加加速するものである。ＤＴＬ１２ｂは、ＲＦ共振用のタンクを兼ねた炭素鋼製の真空容器１２ｅの真空領域の中心に、複数個の、例えば１７個の小型円盤状のドリフトチューブ１４がイオンビームＲの加速方向に並んで配置されて構成されている（図１参照）。ただし、図１では模式的に７個のドリフトチューブ１４を示す。
なお、真空容器１２ｅの内面は、例えば、５０μｍの銅メッキが施されている。
【００１９】
図３の（ａ）に示すように、ドリフトチューブ１４の内部には、イオンビーム収束用の四極磁石１４ａが放射状に組み込まれている。イオンビームＲは、このドリフトチューブ１４の中心に開いた穴を通過する際に、ビームの拡がりを収束される。そして、ドリフトチューブ１４の向かい合う端面間で、イオンビームＲの加速が行われる。
【００２０】
ドリフトチューブ１４は、約５ｍｍの板材の無酸素銅で構成され、イオンビームＲに対向するビーム対向内面１４ｂ［（ｂ）参照］は、８５μｍの金メッキが施されている。ドリフトチューブ１４も、電極として高周波電流が流れやすく、熱伝導度が高いという観点から素地として前記無酸素銅が用いられる。
なお、ビーム対向内面１４ｂの金メッキの層の厚さ８５μｍは、７ＭｅＶの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または65Ｃｕが（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値２．１ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
【００２１】
（ビーム伝送ダクトの構成）
このようにＲＦＱ１２ａ及びＤＴＬ１２ｂの２段で構成された加速器本体１２は、最終的に約７ＭｅＶの高エネルギにイオンビームＲを加速する。
加速されたイオンビームＲは、内部を真空に保たれたＳＵＳ製のビーム伝送ダクト１５でターゲット２０に導かれる（図１参照）。
ＤＴＬ１２ｂから出射されるイオンビームＲは、長径約２ｍｍの楕円状の強度分布である。イオンビームＲがターゲット２０の全面を照射するように、ビーム伝送ダクト１５の外側に３台のＱマグネット１５ａを配置し、ビーム径を、例えば、１０ｍｍまで拡大するように調整する。
【００２２】
図１に示すように、ビーム伝送ダクト１５内部の終端部には、イオンビームＲの広がりを検出し、検出したイオンビームＲの広がりが円形に近い分布になるように調整するアルミニウム合金製のコリメータ電極１５ｂが上下左右に４個設けられている（図４参照）。
なお、ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面には、３０μｍの金メッキが施されている。ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面に施される金メッキの層の厚さ３０μｍは、７ＭｅＶの陽子が入射してもその飛程が金メッキの層内に止まる、または鉄５６（56Ｆｅ）が（ｐ，ｎ）核反応を生じる閾値５．５ＭｅＶより低いエネルギまでエネルギを失うような厚さとして設定してある。
ターゲット２０は、ビーム伝送ダクト１５の終端に設定される。
【００２３】
以上ＲＦＱ１２ａの四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂ、ＤＴＬ１２ｂのドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂ、ビーム伝送ダクト１５の内面、コリメータ電極１５ｂの表面に金メッキを施すこととしたが、金メッキの代わりに金蒸着を施すこととしても良い。
なお、損失イオンビームが照射される確率は小さいが、さらに真空容器１２ｄの内面に金メッキまたは金蒸着を施しても良い。同様に、真空容器１２ｅの内面に銅メッキの代わりに金メッキまたは金蒸着を施しても良い。
【００２４】
（実施形態の作用）
加速器１０を作動させるにあたって、事前に、ターゲット２０を設定しておく（図１参照）。
図示しない作動スイッチを操作すると、ＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂに対して、所定の高周波電力がそれぞれ供給され、各ＲＦＱ１２ａ、ＤＴＬ１２ｂに電界が形成される。その後、イオン源１１に所定の電力を供給する。これにより、イオン源１１のイオンビーム発生部（図示せず）から出射された陽子のイオンビームＲがＲＦＱ１２ａによって約３．５ＭｅＶまで加速される。加速されたイオンビームＲは、ＲＦＱ１２ａから出射されて後段のＤＴＬ１２ｂに入射され、ＤＴＬ１２ｂでさらに約７ＭｅＶに加速される。
【００２５】
次に、イオンビームＲの軌道に対面する加速器１０の構成部品の放射化を評価し、従来例と比較する。
損失イオンビーム（ここでは損失陽子ビーム）が、加速器１０の構成部品の壁面に垂直に入射したときに生成される放射性核種の単位時間当たり（１秒間）の生成量Ｎr（個／秒）は、板状体系の一次元近似で、式（１）のように近似できる。
なお、ここでは、材料中で陽子が衝突によりエネルギを喪失しないと仮定した。つまり陽子による放射化を過大評価する保守的な評価を行っている。
【００２６】
Ｎr＝(η1Ｉp／ｅ)(σ×１０-27)(Ｎaη2ρ／Ａ)Γp ・・・・（１）
ここで、
Ｉp：入射する陽子ビーム電流（Ａ）
η1：陽子ビーム損失率
ｅ：電荷素単位（１．６×１０-19Ｃ）
σ：核反応断面積（ＭＢ；ｍbarn＝１×１０-27ｃｍ2）
Ｎa：アボガドロ数（６．０２×１０23／ｍｏｌ）
η2：原子存在率
Ａ：標的元素の質量数
ρ：標的材料の密度（ｇ／ｃｍ3）
Γp：標的材料中での陽子の飛程（ｃｍ）
である。
【００２７】
また、陽子ビームの照射をｔ1秒間継続した場合に生成される放射性核種の数Ｎd1は、式（２）のように表される。
Ｎd1＝Ｎs［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］ ・・・・（２）
ここで、
Ｎs：飽和生成量、ただしＮｓ＝Ｎr（Ｔr／０．６９３）
Ｔr：生成放射性核種の半減期（秒）
である。
【００２８】
陽子ビームの照射をｔ1秒間継続した後これを停止し、その後ｔ2秒経過したときの放射性核種の数Ｎd2は、式（３）で表される。
Ｎd2＝Ｎd1・exp（−０．６９３ｔ2／Ｔr）
＝Ｎs［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］・exp(−０．６９３ｔ2／Ｔr)
・・・・（３）
このときの放射線強度Φrは、式（４）のように表される。
Φr＝(０．６９３／Ｔr)Ｎd2
＝Ｎr［１−exp（−０．６９３ｔ1／Ｔr）］・exp(−０．６９３ｔ2／Ｔr)
・・・・（４）
【００２９】
以下、式（１）〜（４）を用いて、加速器１０の個々の構成部品の中でも、陽子ビームが最大エネルギ約７．０ＭｅＶにまで加速されていて、放射化が最も進むと考えられるＤＴＬ１２ｂのドリフトチューブ１４、ビーム伝送ダクト１５の放射能レベルを代表的に評価する。
前記したようにドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂ、ビーム伝送ダクト１５の内面の表面は、それぞれ８５μｍと３０μｍの厚さの金メッキが施されている。従って、損失陽子ビームは、金メッキされた面に衝突すると考えれば良い。
【００３０】
まず、ドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂの金の放射化を評価する。
陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．０５、標的材料である金（Ａｕ）中での陽子の飛程Γp＝１０１μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの金１９７（197Ａｕ）の（ｐ，ｎ）核反応の断面積σ＝０．８ＭＢを用いると、式（１）より（ｐ，ｎ）核反応により単位時間当たりＮr＝１．５×１０7個／秒の放射性核種、水銀１９７（197Ｈｇ）が生成される。
【００３１】
次に、ビーム対向内面１４ｂにおける放射性核種197Ｈｇ（半減期６５時間）の蓄積を評価するが、ここでは、毎日２時間加速器１０を運転し、そのような運転による損失陽子ビームの照射を２年間継続と仮定して、蓄積量を評価する。
放射性核種197Ｈｇは、損失陽子ビームの照射により２年間かけて徐々に増加する。式（２）で評価する場合に、損失陽子ビームの照射が１日あたりΔＴ時間だとすると、Ｎrを（ＮrΔＴ／２４）に置き換えて実効的な連続生成量を考えれば良い。従って、２年後の放射性核種197Ｈｇの蓄積量Ｎd1は、Ｎd1＝４．１×１０11個と評価される。
また、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過しときの放射性核種197Ｈｇの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝５×１０2個、Φr＝５ｋＢqとなる。
【００３２】
同様に、ビーム伝送ダクト１５の内面の金メッキの放射化を評価する。
ここでビーム伝送ダクト１５における陽子ビーム損失率をη1＝０．１に置きなおすだけで前記評価結果をそのまま利用でき、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過したときの放射性核種197Ｈｇの量と、放射能レベルを評価すると、Ｎd2＝１．０×１０3個、Φr＝１０ｋＢqとなる。
同様に、ビーム伝送ダクト１５内のコリメータ電極１５ｂも、基材のアルミニウム合金表面に厚さ３０μｍの金メッキを施しているので、アルミニウム合金に含まれる56Ｆｅから（ｐ，ｎ）核反応により放射性核種56Ｃｏが生成されてしまうことはない。
【００３３】
これに対し、従来のようにドリフトチューブ１４のビーム対向内面１４ｂは無酸素銅の素地のままの場合の放射化を評価する。
この場合は、陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．０５、標的材料である銅（Ｃｕ）中での陽子の飛程Γp＝１３５μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応の断面積σ＝４８０ＭＢを用いる。
65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応による放射性核種65Ｚｎの単位時間当たりの生成量Ｎrは、式（１）よりＮr＝５．２×１０9個／秒と求められる。
【００３４】
前記した金メッキの場合と同じ条件で放射性核種65Ｚｎ（半減期２４４．１日）の蓄積を評価すると、２年後の65ＺｎのＮd1は、Ｎd1＝１．２×１０16個と評価される。
また、損失陽子ビームが２年間照射された後の停止から１ヶ月経過したときの放射性核種65Ｚｎの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝１．１×１０16個、Φr＝３５０ＭＢqとなる。
【００３５】
さらに、従来のビーム伝送ダクト１５の内面のＳＵＳむき出し表面の場合の放射化を評価する。陽子ビーム電流がＩp＝１００μＡ、陽子ビーム損失率η1＝０．１、標的材料であるＳＵＳ中での陽子の飛程Γp＝１３５μｍとし、陽子エネルギが７．０ＭｅＶのときの56Ｆｅの断面積σ＝１９０ＭＢを用いる。56Ｆｅの（ｐ，ｎ）核反応による単位時間当たりの放射性核種56Ｃｏの生成量Ｎrは、式（１）よりＮr＝１．２×１０10個／秒と求められる。
【００３６】
前記した金メッキの場合と同じ条件で放射性核種56Ｃｏ（半減期７７．２日）の蓄積を評価すると、２年後の放射性核種56ＣｏのＮd1は、Ｎd1＝９．８×１０15個と評価される。また、損失陽子ビームの照射停止から１ヶ月経過したときの放射性核種56Ｃｏの量と、放射能レベルを評価すると、式（３）、式（４）からＮd2＝７．６×１０15個、Φr＝７７０ＭＢqとなる
【００３７】
また、従来の場合ビーム伝送ダクト１５内のコリメータ電極１５ｂも、基材のアルミニウム合金がむき出しなので、アルミニウム合金の表面に直接損失陽子ビームが衝突することになる。アルミニウム合金には鉄成分が含まれており、前記56Ｆｅの（ｐ，ｎ）核反応により放射性核種56Ｃｏが生成されてしまう。
【００３８】
ＲＦＱ１２ａにおいて四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに金メッキまたは金蒸着した場合の放射化評価を省略したが、陽子ビームは３．５ＭｅＶまで加速されるので、65Ｃｕの（ｐ，ｎ）核反応の閾値は約２ＭｅＶであるところから、四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに金メッキが施されていないと、四重極電極１３のイオンビームＲ加速方向後半部分では、放射性核種65Ｚｎが生成される。
従って、四重極電極１３のビーム対向内面１３ｂに８５μｍの厚さの金メッキ、または金蒸着を行うことにより、銅メッキの放射化が防止または低減できる。
【００３９】
以上の放射化評価で説明したように、陽子ビームの軌道に面した加速器１０の構成部品の、陽子ビーム対向面が銅、鉄を含んだ材料で構成されている場合、損失陽子ビームとの核反応により、65Ｚｎ、56Ｃｏなどの比較的長い半減期の放射性核種を生成する。これに対し、本実施の形態では、金メッキまたは金蒸着が当該面に施されているので、半減期６５時間の197Ｈｇを生成するのみで、使用停止後の冷却時間を２ヶ月とすれば、放射能レベルは前記した値から約１／１０００以下にまで低下できる。
【００４０】
なお、本実施の形態における、四重極電極１３及びドリフトチューブ１４は本発明の電極を、コリメータ電極１５ｂはビーム計測・制御部品を構成する。
【００４１】
以上のように本実施の形態によれば、加速器１０の供用終了時の放射化レベルが低減でき、供用終了後短期日で放射能レベルが著しく減衰する。
その結果、放射能レベルが自然放射能のバックグラウンドレベルまで低下でき、放射性物質としての取り扱い対象から除外され、通常の産業廃棄物としての取り扱いが可能となる。その場合、装置の廃棄コストが大幅に低減可能となる。
【００４２】
なお、四重極電極１３やドリフトチューブ１４の表面は、放電を防止するために滑らかである必要がある。また陽イオンビームのエネルギが高くなるＤＴＬ１２、ビーム伝送ダクト１５では、陽子が（ｐ，ｎ）核反応の閾値以下にエネルギを失うまでの飛程が長くなるので、金メッキや金蒸着の厚さを増す必要がある。
しかし、表面が滑らかな厚い金メッキや金蒸着を行うことが難しい場合は、金の薄板を別途用意して、素地となる部材に圧着しても良い。このようにすることで、所要の厚さの金を素地の上に密着させることができる。
【００４３】
これまでの説明では、加速器１０の供用終了後の放射能レベルを低減する材料として金を例に説明したが、純アルミニウムでも良い。
以下に、図５の表に基づいて、電極材料及び放射能レベルを低減する材料を選択する考え方をまとめて説明する。
【００４４】
図５の表は、イオンビームＲの軌道に対面する加速器１２の構成部品である四重極電極１３、ドリフトチューブ１４、ビーム伝送ダクト１５、コリメータ電極１５ｂを構成する素地の元素の候補、及び放射能レベルを低減する材料候補の元素、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）の、比抵抗（μΩ・ｃｍ）、熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）、同位体存在比、放射性元素を生じる（ｐ，ｎ）核反応の反応断面積、生成元素とその半減期及び崩壊過程などのデータを示している。
なお、鉄は構造材としての候補であり、電極材として必要な比抵抗の小さいこと、熱伝導度の大きいことは、必要とされないので、それに関するデータは省略してある。
【００４５】
電極材料を考えるとき、まず導電性が良好な材料、つまり、図５の表の比抵抗の小さい材料が求められ、銀、銅、金、アルミニウムの順になる。また、電極で生じる熱を伝導しやすい材質であることも求められ、銀、銅、金、アルミニウムの順になる。この点、比抵抗が小さく、熱伝導度が高い銀が最も適当と考えられる。
ただし、銀は腐食しやすいこと、加速器の電極としては放電しやすいこと、電極の素地として使うにしても高価であることから、量を必要とする電極素地には、銅またはアルミニウムがより適切である。
【００４６】
損失イオンビームから照射を受ける面に用いる材料としては、陽子ビームの場合、（ｐ，ｎ）核反応により生成する元素が安定か、または放射性核種の半減期が短いものであって、さらに、電極に用いる場合は、比抵抗が小さく、熱伝導度が高い材料が好都合である。その点、これまで説明してきた金と、その次に純アルミニウムが適当である。
アルミニウム２７の（ｐ，ｎ）核反応で生成する放射性核種は、半減期４．１６秒のケイ素２７（27Ｓｉ）であるので、金がコスト的に高い場合は代わりに純アルミニウムをメッキ、蒸着または純アルミニウム薄板を圧着して用いても良い。
【００４７】
純アルミニウムを用いる場合は、例えばＲＦＱ１２ａで陽子ビームを３．５ＭｅＶまで加速、ＤＴＬ１２ｂで７ＭｅＶまで加速する場合は、純アルミニウムメッキ、蒸着若しくは純アルミニウム薄板を、ビーム対向内面１３ｂには５０μｍ、ビーム対向内面１４ｂには１４０μｍ、ビーム伝送ダクト１５の内面及びコリメータ電極１５ｂの表面には１４０μｍの厚さで設けると良い。
【００４８】
前記のように、純アルミニウムの場合、（ｐ，ｎ）核反応で半減期４．１６秒の27Ｓｉができるだけであり、金を用いた場合よりも、短時間で加速器１０供用終了後の廃棄時の放射能レベルを低減できる。
【００４９】
なお、陽子ビームに対向する電極表面部分に金や純アルミニウムを用い、電極の素地としては、熱伝導度の良好な銅、アルミニウム合金を用いているので、電極表面部分での高周波による発熱が、良好な熱伝導度を有する電極の素地による伝熱で除熱される。
【００５０】
本発明における金メッキ、金蒸着または金薄板、純アルミニウムメッキ、純アルミニウム蒸着または純アルミニウム薄板などのカバー材の所要の厚さは、損失陽子ビームのエネルギが３．５ＭｅＶまたは７ＭｅＶに対して例示してきたが、これらの厚さに限定されるものではない。
加速器１０を運用するときの損失陽子ビームのエネルギに応じてカバー材の厚さを設定すべきものである。つまり、カバー材の下層の材質に含まれる元素との（ｐ，ｎ）核反応で長い半減期の放射性同位体元素を生成する可能性のある場合に、その核反応の閾値以下になるまで陽子がエネルギを失うに必要なカバー材の厚さを設定する。
【００５１】
また、線形加速器を例に説明したが、本発明の適用は線形加速器に限定されず、サイクロトロンにも適用できる。
サイクロトロンにおいて損失陽子ビームが照射される、例えば電極（Ｄ）の陽子ビームの軌道に面した内面に、電極素地に金または純アルミニウムの、メッキ、蒸着、若しくは薄板の圧着を施すことにより、同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、これまで陽子を加速する加速器を例に説明してきたが、重水素のイオンビームを加速する加速器に対しても本発明は適用できる。例えば、金は重水素による（ｄ、ｎ）核反応で放射性を持たないのに対し、56Ｆｅは（ｄ，ｎ）核反応により放射性核種57Ｃｏ（半減期２７１．７日）が生成されてしまうので、図１においてビーム伝送ダクト１５の内面に金メッキ、金蒸着または金の薄板を圧着することにより、低放射能化の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る加速器の側面断面の模式図である。
【図２】（ａ）は高周波四重極型線形加速器の四重極電極の形状を示す斜視図であり、（ｂ）は四重極電極の断面図である。
【図３】（ａ）は、ドリフトチューブ型線形加速器の電極の正面図であり、（ｂ）はドリフトチューブ型線形加速器の一部側断面図である。
【図４】コリメータ電極の正面図である。
【図５】加速器の構成部品を構成する元素の候補、及び放射能レベルを低減する材料候補の元素の候補の比抵抗（μΩ・ｃｍ）、熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）、放射性元素を生成する（ｐ，ｎ）核反応の反応断面積、生成元素とその半減期及び崩壊過程などのデータを説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 加速器
１１ イオン源
１２ 加速器本体
１２ａ 高周波四重極型線形加速器
１２ｂ ドリフトチューブ型線形加速器
１２ｄ、１２ｅ 真空容器
１３ 四重極電極（電極）
１３ａ 電極表面
１３ｂ ビーム対向内面
１４ ドリフトチューブ（電極）
１４ａ 四極磁石
１４ｂ ビーム対向内面
１５ ビーム伝送ダクト
１５ａ Ｑマグネット
１５ｂ コリメータ電極（ビーム計測・制御部品）
２０ ターゲット
Ｒ イオンビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体によりイオンビームを加速する加速器において、
前記加速されたイオンビームが軌道から外れて損失イオンビームとして入射する面に金または純アルミニウムを用いてなることを特徴とする加速器。
【請求項２】
前記損失イオンビームが入射する面に、金メッキもしくは金蒸着、または純アルミニウムメッキもしくは純アルミニウム蒸着を行うことを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項３】
前記損失イオンビームが入射する面に、金からなる薄板を圧着したことを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項４】
前記損失イオンビームとして入射する面は、前記真空容器、前記電極、加速された前記イオンビームを照射するターゲットまで導くビーム伝送ダクト、及び加速した前記イオンビームの拡がりを計測、制御するビーム計測・制御部品、の内のいずれかの、前記加速されたイオンビームの軌道に対向する面であることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項５】
前記電極、及び前記ビーム計測・制御部品を、熱伝導率が高く、かつ比抵抗が小さい材料で構成し、前記損失イオンビームが入射する面に、金からなる薄板を圧着したことを特徴とする請求項４に記載の加速器。
【請求項６】
前記熱伝導率が高く、かつ比抵抗が小さい材料は銅、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項５に記載の加速器。
【請求項７】
少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体により陽子ビームを加速する加速器において、
前記陽子ビームの軌道に対面する、前記真空容器、前記電極、加速された前記陽子ビームを照射するターゲットまで導くビーム伝送ダクト、または加速した前記陽子ビームの拡がりを計測、制御するビーム計測・制御部品、の内のいずれかが、前記加速された陽子ビームが軌道から外れて損失陽子ビームとして入射する面に金または純アルミニウムのカバー材を用い、
該カバー材の厚さは、カバー材の下層の材質で65Ｃｕ（ｐ，ｎ）65Ｚｎ核反応を生じる閾値以下、またはカバー材の下層の材質で56Ｆｅ（ｐ，ｎ）56Ｃｏ核反応を生じる閾値以下、にまでカバー材中で陽子がエネルギ損失するに必要な飛程以上の厚さであることを特徴とする加速器。
【請求項１】
少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体によりイオンビームを加速する加速器において、
前記加速されたイオンビームが軌道から外れて損失イオンビームとして入射する面に金または純アルミニウムを用いてなることを特徴とする加速器。
【請求項２】
前記損失イオンビームが入射する面に、金メッキもしくは金蒸着、または純アルミニウムメッキもしくは純アルミニウム蒸着を行うことを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項３】
前記損失イオンビームが入射する面に、金からなる薄板を圧着したことを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項４】
前記損失イオンビームとして入射する面は、前記真空容器、前記電極、加速された前記イオンビームを照射するターゲットまで導くビーム伝送ダクト、及び加速した前記イオンビームの拡がりを計測、制御するビーム計測・制御部品、の内のいずれかの、前記加速されたイオンビームの軌道に対向する面であることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項５】
前記電極、及び前記ビーム計測・制御部品を、熱伝導率が高く、かつ比抵抗が小さい材料で構成し、前記損失イオンビームが入射する面に、金からなる薄板を圧着したことを特徴とする請求項４に記載の加速器。
【請求項６】
前記熱伝導率が高く、かつ比抵抗が小さい材料は銅、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項５に記載の加速器。
【請求項７】
少なくとも真空容器及び電極を備える加速器本体により陽子ビームを加速する加速器において、
前記陽子ビームの軌道に対面する、前記真空容器、前記電極、加速された前記陽子ビームを照射するターゲットまで導くビーム伝送ダクト、または加速した前記陽子ビームの拡がりを計測、制御するビーム計測・制御部品、の内のいずれかが、前記加速された陽子ビームが軌道から外れて損失陽子ビームとして入射する面に金または純アルミニウムのカバー材を用い、
該カバー材の厚さは、カバー材の下層の材質で65Ｃｕ（ｐ，ｎ）65Ｚｎ核反応を生じる閾値以下、またはカバー材の下層の材質で56Ｆｅ（ｐ，ｎ）56Ｃｏ核反応を生じる閾値以下、にまでカバー材中で陽子がエネルギ損失するに必要な飛程以上の厚さであることを特徴とする加速器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２８７５３８（Ｐ２００７−２８７５３８Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１５２４７（Ｐ２００６−１１５２４７）
【出願日】平成１８年４月１９日（２００６．４．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１９日（２００６．４．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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