特許 5653757 核子を発生させるための小型装置及び核子を発生させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5653757

(24)【登録日】2014年11月28日

(45)【発行日】2015年1月14日

(54)【発明の名称】核子を発生させるための小型装置及び核子を発生させる方法

(51)【国際特許分類】

   G21G 1/10 20060101AFI20141218BHJP

   G21K 5/08 20060101ALI20141218BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20141218BHJP

   H05H 5/03 20060101ALI20141218BHJP

   H05H 6/00 20060101ALI20141218BHJP

【ＦＩ】

   G21G1/10

   G21K5/08 R

   G21K5/08 N

   H05H9/00 A

   H05H5/03

   H05H6/00

【請求項の数】35

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2010-540933(P2010-540933)

(86)(22)【出願日】2008年12月29日

(65)【公表番号】特表2011-508885(P2011-508885A)

(43)【公表日】2011年3月17日

(86)【国際出願番号】US2008088485

(87)【国際公開番号】WO2009142669

(87)【国際公開日】20091126

【審査請求日】2011年12月26日

(31)【優先権主張番号】61/139,985

(32)【優先日】2008年12月22日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/017,288

(32)【優先日】2007年12月28日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】510290588

【氏名又は名称】フェニックス ニュークリア ラブズ エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100062409

【弁理士】

【氏名又は名称】安村 高明

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】ピーファー， グレゴリー

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００６１９９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−２４９４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１５６２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３４７３０５６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４００８４１１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５１３４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１００２１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００８−５０４５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３６７６６７２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７０８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２２２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｇ １／０４− １／１２

Ｈ０５Ｈ ３／００−１５／００

Ｇ２１Ｋ ５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

核子を発生させるための小型装置であって、該小型装置は、イオン源と、イオンビーム加速器と、標的システムとを備え、
該イオン源は、イオンビームを産生し、該イオンビーム加速器に動作可能に連結され、
該イオンビーム加速器は、該イオンビームを受けとり、該イオンビームを加速させて、加速イオンビームを産出し、
該標的システムは、該標的システムと該イオンビーム加速器との間のガス流を可能にするように該イオンビーム加速器に動作可能に連結され、該加速イオンビームと反応し、核子を放出する核子導出標的材料を含み、該標的システムは、標的チャンバとして大きさを定められ、かつ構成されており、該標的チャンバは、
ａ）磁気標的チャンバ、
ｂ）高速同期ポンプに動作可能に連結されている線形標的チャンバ、または
ｃ）同位体抽出システムに動作可能に連結されている線形標的チャンバ
のうちの１つであり、
該小型装置は、
該標的チャンバから該イオンビーム加速器への分子流を減少させる差動ポンプシステムをさらに備え、
該差動ポンプシステムは、
ａ）第１の端部および第２の端部であって、該第１の端部は、該イオンビーム加速器に接続されており、該第２の端部は、該標的チャンバの第１の端部に接続されている、第１の端部および第２の端部と、
ｂ）少なくとも１つの真空ポンプと、
ｃ）該少なくとも１つの真空ポンプに接続されている少なくとも１つの真空ポンプ排気と
を含み、該差動ポンプシステムは、該標的チャンバ内の圧力を、該イオンビーム加速器内の圧力よりも高い圧力に維持するように構成されている、装置。

【請求項2】

前記標的チャンバは、
ａ）上面および底面と、
ｂ）該上面に搭載されている第１の磁石と、
ｃ）該底面に搭載されている第２の磁石と
を有する、磁気標的チャンバであり、該第１の磁石と第２の磁石とは、該標的チャンバ内のイオンビームを再循環させる、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記標的チャンバは、線形標的チャンバである、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記高速同期ポンプは、
ａ）少なくとも１つのブレードと、
ｂ）前記イオンビームの通過を可能にする、該少なくとも１つのブレード内または該少なくとも１つのブレード間の少なくとも１つの空隙と、
ｃ）少なくとも１つのタイミング信号と、
ｄ）該少なくとも１つのタイミング信号と前記イオンビーム加速器とに機能的に連結されているコントローラであって、前記標的チャンバへの該イオンビームの通過を可能にするために、および該標的チャンバへの該イオンビームの通過を防止するために、前記イオンビーム加速器の電圧を加減するように機能するコントローラと
を備えている、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記イオン源は、
ａ）イオン化される第１の流体の流入のための入口、および出口と、
ｂ）第１の端部と第２の端部とを有する真空チャンバであって、該第１の端部は、該入口に接続されている、真空チャンバと、
ｃ）該第１の流体を陽イオン化して前記イオンビームを生成するために、該真空チャンバに動作可能に接続されているＲＦアンテナであって、該真空チャンバは、該イオン源の該入口から該出口への該イオンビームの通過を可能にする、ＲＦアンテナと、
ｄ）該真空チャンバの該第２の端部に動作可能に接続されているイオン入射器であって、第２の段階に接続されている第１の段階を有し、該イオン入射器の該第１の段階は、前記イオンビームを一直線にする、イオン入射器と
を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記イオンビーム加速器は、電極駆動イオンビーム加速器である、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。

【請求項7】

前記イオンビーム加速器は、
ａ）第１の端部および第２の端部であって、該第１の端部は、前記イオン入射器の前記第２の段階に接続されている、第１の端部および第２の端部と、
ｂ）内部および外部を有する真空チャンバであって、該イオンビーム加速器の該第１の端部から該第２の端部に延び、該イオンビーム加速器の該第１の端部から該第２の端部への前記イオンビームの通過を可能にする真空チャンバと、
ｃ）該真空チャンバの該内部に沿って離間された少なくとも２つの加速電極であって、それぞれは該真空チャンバの該内部に貫通し、該イオンビームが該イオンビーム加速器の該第１の端部から該第２の端部へとエネルギーを増加させるように、該イオンビーム加速器の該第１の端部から該第２の端部へと電圧が低下する電場を生成する、少なくとも２つの加速電極と、
ｄ）該真空チャンバの該外部において各加速電極に接続されている反コロナリングであって、該電場を減少させる反コロナリングと
を含む、請求項５に記載の装置。

【請求項8】

前記標的システムに動作可能に連結されている同位体抽出システムをさらに備え、該同位体抽出システムは同位体導出材料を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。

【請求項9】

前記同位体抽出システムは、第２の流体を含む前記同位体導出材料を搬送する管類を含み、前記核子は、該同位体抽出システムの該管類を貫通し、該第２の流体と反応して放射性同位体を生成する、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記標的チャンバは、前記核子に対して透明の壁を有し、前記同位体抽出システムは、該標的チャンバに近接して配置されている、請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記標的チャンバは、前記核子に対して透明でない壁を有し、前記同位体抽出システムは、該標的チャンバ内に配置されている、請求項８または９に記載の装置。

【請求項12】

前記標的チャンバに近接する同位体導出材料をさらに備え、前記核子は、前記標的チャンバの壁を貫通する、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。

【請求項13】

前記差動ポンプシステムは、
該差動ポンプシステムの該第１の端部から該第２の端部への前記イオンビームの通過を可能にする少なくとも１つの真空チャンバをさらに備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。

【請求項14】

前記差動ポンプシステムと前記標的チャンバとの間に接続されているガス濾過システムをさらに備え、該ガス濾過システムは、
ａ）第１の端部および第２の端部と、
ｂ）該ガス濾過システムの第１の端部において、該標的チャンバの第２の端部に接続され、該標的チャンバから漏出する水素を捕捉する、ゲッタトラップと、
ｃ）該ガス濾過システムの第２の端部において、該ゲッタトラップに接続され、該標的チャンバから漏出する流体不純物を捕捉する、少なくとも１つの液体窒素トラップと、
ｄ）開位置と閉位置との間で可動であって、該液体窒素トラップに接続されている一端を有し、前記差動ポンプシステムの少なくとも１つの真空ポンプ排気に接続されている第２の端部を有し、第３の端部を有する、少なくとも１つの真空ポンプ隔離弁と、
ｅ）開位置と閉位置との間で可動であって、該真空ポンプ隔離弁の第３の端部に接続され、開位置にあって、該真空ポンプ隔離弁が閉位置にある場合、該ガス濾過システムから該流体不純物が漏出することを可能にする、排出弁と
を備える、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。

【請求項15】

核子を発生させる方法であって、
イオン源を作動させてイオンビームを産生することと、
イオンビーム加速器が、該イオンビームを好適なエネルギーまで加速して加速イオンビームを産出することと、
該加速イオンビームを該加速イオンビームと反応する選択された核子導出標的材料を含む標的システムに向けて核子を産出することであって、該標的システムは、標的チャンバとして大きさを定められ、かつ構成されており、該標的チャンバは、
ａ）磁気標的チャンバ、
ｂ）高速同期ポンプに動作可能に連結されている線形標的チャンバ、または
ｃ）同位体抽出システムに動作可能に連結されている線形標的チャンバ
のうちの１つである、ことと、
差動ポンプシステムが、該標的チャンバから該イオンビーム加速器への分子流を減少させることであって、該差動ポンプシステムは、
ａ）第１の端部および第２の端部であって、該第１の端部は、該イオンビーム加速器に接続されており、該第２の端部は、該標的チャンバの第１の端部に接続されている、第１の端部および第２の端部と、
ｂ）少なくとも１つの真空ポンプと、
ｃ）該少なくとも１つの真空ポンプに接続されている少なくとも１つの真空ポンプ排気と
を含む、ことと、
該差動ポンプシステムが、該標的チャンバ内の圧力を、該イオンビーム加速器内の圧力よりも高い圧力に維持することと
を含む、方法。

【請求項16】

前記核子を選択された放射性核種発生材料と反応させて少なくとも１つの放射性核種を産生することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記イオンビームは、^２Ｈイオンを含み、前記核子導出標的材料は、^３Ｈｅを含む、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項18】

前記イオンビームは、^２Ｈを含み、前記核子導出標的材料は、^３Ｈを含む、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項19】

前記標的チャンバは、同位体導出材料を含む同位体抽出システムに動作可能に連結されており、該同位体導出材料は、Ｈ_２^１６Ｏ、Ｈ_２^１８Ｏ、または^９８Ｍｏである、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項20】

前記標的チャンバは、同位体導出材料を含む同位体抽出システムに動作可能に連結されており、該同位体導出材料は、Ｈ_２^１６Ｏであり、前記発生される同位体は、^１３Ｎである、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項21】

前記標的チャンバは、同位体導出材料を含む同位体抽出システムに動作可能に連結されており、該同位体導出材料は、Ｈ_２^１８Ｏであり、前記発生される同位体は、^１８Ｆである、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項22】

前記標的チャンバは、同位体導出材料を含む同位体抽出システムに動作可能に連結されており、該同位体導出材料は、^９８Ｍｏであり、前記発生される同位体は、^９９Ｍｏである、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項23】

前記加速イオンビームは、少なくとも５０ｍＡかつ少なくとも１００ｋｅＶのビームである、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項24】

前記核子は、０．３−３０ＭｅＶ陽子である、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項25】

前記選択された核子導出標的材料は、０ｍトル乃至１００トルの圧力を有する、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項26】

前記核子は、１０−２０ＭｅＶ陽子である、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項27】

前記選択された核子導出標的材料は、１００ｍトル乃至３０トルの圧力を有する、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項28】

前記核子は、０．１−３０ＭｅＶ中性子である、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項29】

前記核子は、２−２０ＭｅＶ中性子である、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項30】

前記発生される同位体は、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１３Ｎ、^６３Ｚｎ、または^１２４Ｉである、請求項２４に記載の方法。

【請求項31】

前記発生される同位体は、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、^１２５Ｉ、または^９９Ｍｏである、請求項２８に記載の方法。

【請求項32】

前記核子は、陽子または中性子である、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項33】

前記放射性核種は、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１３Ｎ、^６３Ｚｎ、^１２４Ｉ、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、^１２５Ｉ、または^９９Ｍｏである、請求項１６に記載の方法。

【請求項34】

前記選択された核子導出標的材料は、^３Ｈｅ、^２Ｈ、または^３Ｈを含む、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項35】

請求項１に記載の装置を使用して陽子または中性子を発生させる、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、米国仮特許出願第６１／０１７，２８８号（２００７年１２月２８日出願）および米国仮特許出願第６１／１３９，９８５号（２００８年１２月２２日出願）に基づく優先権を主張する。これらはその全体が本明細書において参照により援用される。

【背景技術】

【0002】

原子炉、核破砕デバイス、サイクロトロン、リニアック、または既存のビーム標的加速器デバイス等の陽子および中性子源は、典型的には、医療用途のための短寿命放射性同位体を産生するために使用される。これらの従来の源は、大規模かつ費用のかかる構造であることと、特殊遮蔽施設を必要とする相当量の高エネルギー放射を産生することとを含め、多くの不利点を有する。遮蔽施設は、概して、高価であって、数カ所においてのみ利用可能である。加えて、サイクロトロンおよびリニアック等の源は、中性子源として使用される場合、標的寿命が限られているとういう不利点を有する。これらの源施設は、医療施設に設置されることは少なく、同位体、特に、急速な崩壊のために半減期が短い同位体から恩恵を享受し得る患者の治療を困難にする。短半減期同位体が必要とされる場合、同位体産生施設を利用可能な医療施設のみ、崩壊前に、患者に到達するために十分な有意量を産生することができる。

【0003】

利用制限に加え、既存のデバイスは、デバイスの種類に応じて、種々の技術的課題に悩まされる。固体標的系デバイスの場合、ビームが、ヘリウム粒子から成る例等、標的は、ヘリウム照射によって、急速に損傷を受け得る、またはビームが、ジュウテリウム粒子から成る場合等、標的は、急速にジュウテリウムによって装填された状態となる。そのようなジュウテリウム装填は、標的からヘリウムを除去し（やがて収率を急速に減少させる）、望ましくない^２Ｈ−^２Ｈ核反応の原因となり、高エネルギー中性子を生成し、相当な遮蔽を必要とする。さらに、陽子が等方的に放出され、多くが標的材料内のより深くへと埋入されるため、固体標的デバイス内で有効に捕捉可能な陽子の数は、制限され得る。短標的寿命に加え、これらのデバイスの出力は、標的を冷却状態に維持することに関連する課題のために制限され得る。

【0004】

既存のガス標的系デバイスの場合、制限として、ビーム背景モードにあるＩＥＣ（慣性静電閉じ込め）デバイスにおけるような反応のために必要とされる全エネルギーの到達に失敗するイオンビーム、または高圧力標的と低圧力加速器領域とを分離する薄窓の短寿命が挙げられ得る。さらに、背景ガス圧力は、成功を収めるのに決定的となり得る。圧力が高過ぎる、または低過ぎる場合、不十分な動作を生じさせ、結果として得られる出力レベルは、低過ぎて、医療手技を含む用途に有用でないことがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の陽子または中性子源のこれらおよび他の制限は、小規模または遠隔共同体にとって、同位体生成の可用性を妨げ、加えて、そのような大規模施設に対して相当な資本投資を必要とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の原理を具現化する高エネルギー小型陽子または中性子源は、以前の陽子または中性子源の不利点を克服する。本発明によるデバイスは、燃料種および加速電圧を変化させることによって、陽子または中性子を発生させ得る。デバイスは、イオン源と、加速器と、磁気標的チャンバ、高速同期ポンプに動作可能に連結される線形標的チャンバ、または線形標的チャンバ、および同位体抽出システムとして、定寸および構成される、標的システムとを含む。本発明による高エネルギー陽子源は、加速器からのイオン源流と同期する、高速ポンプをさらに含み得る。本同期高速ポンプは、大部分の材料が標的チャンバから漏出するのを防止し、差動ポンプシステムの必要性を排除する、および／またはより小型の線形標的チャンバの使用を可能にし得る。

【0007】

一側面では、本発明は、医療同位体の発生のための高エネルギー低放射陽子源を提供する。本発明による源は、^２Ｈ−^３Ｈｅ融合反応を通して、高エネルギー陽子（１０ＭｅＶ超）を産生する。発生される同位体は、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）診断手技同様に、他の撮像および治療手技において、使用され得る。具体的には、本発明による陽子源を使用して、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１２４Ｉ、および^１３Ｎ等の同位体を発生させ得る。本発明による低放射デバイス内で^１３Ｎ、^１１Ｃ、および^１５Ｏを生成する能力は、新しい撮像手技の開発をさらに促進し得る。

【0008】

別の側面では、本発明は、サイクロトロン等の従来技術よりも低額かつ小型のデバイス内における医療同位体のための高エネルギー陽子源を提供する。医療同位体発生のための高エネルギー陽子源は、従来技術と比較して、最小限の放射を産生するため、発生器を格納する特殊容器の必要性を最小化または排除し、したがって、患者のためのアクセスの幅がより大きくなる。

【0009】

さらに別の側面では、本発明は、特殊差動ポンプシステムを利用することによって、高標的チャンバ圧力と、低加速器区分圧力との組み合わせで動作可能な、医療同位体発生のための高エネルギー陽子源を提供する。本組み合わせは、高動作電圧（３００ｋＶ乃至５００ｋＶ以上）を可能にする一方、高エネルギー陽子（１０ＭｅＶ超）の高出力収率（１０^１３陽子／秒超）を産生する。本発明は、従来のビーム標的加速器デバイスよりも低標的チャンバ圧力および小型標的チャンバで動作可能な、磁気標的チャンバを組み込んでもよい。磁気標的チャンバでは、燃料イオンは、磁力線を旋回し、より長いチャンバを略直線に通過するであろうビームと比較して、短チャンバ内に長路程を産出する。

【0010】

さらなる側面では、本発明の原理を具現化する中性子源は、高同位体中性子束を発生させることが可能である。等方性高エネルギー中性子束は、^２Ｈ−^３Ｈｅから^２Ｈ−^２Ｈ、^２Ｈ−^３Ｈ、または^３Ｈ−^３Ｈに燃料種を変化させ、加速器電圧を適宜調節することによって、発生され得る。高エネルギー中性子源は、^９９ｍＴｃ（準安定^９９Ｔｃ）に崩壊し、医療診断手技のために使用される^９９Ｍｏ同様に、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、および^１２５Ｉを含む、放射性医薬品のための材料を産出することが可能である。

【0011】

他の側面では、本発明による陽子または中性子源は、物理的環境、材料、ならびに陽子の場合、電場および磁場を照射する高エネルギー陽子または中性子の影響の検査等、研究用途にも利用され得る。また、本発明による陽子源は、核廃棄物を含む材料の変換、および物理的特性を向上させるための陽子による材料の包埋等の用途において使用され得る。中性子源は、核廃棄物を含む材料の変換、宝石用原石の着色、物理的特性を向上させるための中性子による材料の照射、核兵器、爆発物、薬物、および生物剤等の不法目的材料の検出、ならびに未臨界炉のための駆動体としての中性子源の使用等、他の用途に利用され得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
核子を発生させるための小型装置であって、イオン源と、加速器と、標的システムとを備え、
該イオン源は、イオンビームを産生し、該イオンビーム加速器に動作可能に連結され、
該加速器は、該イオンビームを受けとり、該イオンビームを加速させて、加速イオンビームを産出し、
該標的システムは、該加速器に動作可能に連結され、該加速ビームと反応し、核子を放出する核子導出標的材料を含み、
ａ）磁気標的チャンバ、
ｂ）高速同期ポンプに動作可能に連結されている線形標的チャンバ、または
ｃ）同位体抽出システムに動作可能に連結されている線形標的チャンバ
として、大きさを定められ、かつ構成されている、
装置。
（項目２）
前記標的システムは、
ａ）上面および底面と、
ｂ）該上面に搭載されている第１の磁石と、
ｃ）該底面に搭載されている第２の磁石と
を有する、磁気標的チャンバであって、該第１の磁石と第２の磁石とは、該標的チャンバ内のイオンビームを再循環させる、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記標的システムは、線形標的チャンバである、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記高速同期ポンプは、
ａ）少なくとも１つのブレードと、
ｂ）前記イオンビームの通過を可能にする、該少なくとも１つのブレード内または該少なくとも１つのブレード間の少なくとも１つの空隙と、
ｃ）少なくとも１つのタイミング信号と、
ｄ）該少なくとも１つのタイミング信号と前記加速器とに機能的に連結されているコントローラであって、前記標的チャンバへの該イオンビームの通過を可能にするために、および該標的チャンバへの該イオンビームの通過を防止するために、前記加速器の電圧を加減するように機能するコントローラと
を備えている、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記イオン源は、
ａ）イオン化される第１の流体の流入のための入口、および出口と、
ｂ）第１の端部と第２の端部とを有する真空チャンバであって、該第１の端部は、該入口に接続されている、真空チャンバと、
ｃ）該第１の流体を陽イオン化して前記イオンビームを生成するために、該真空チャンバに動作可能に接続されているＲＦアンテナであって、該真空チャンバは、該イオン源の該入口から該出口への該イオンビームの通過を可能にする、ＲＦアンテナと、
ｄ）該真空チャンバの該第２の端部に動作可能に接続されているイオン入射器であって、第２の段階に接続されている第１段階を有し、該イオン入射器の該第１段階は、前記イオンビームを一直線にする、イオン入射器と
を含む、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記加速器は、電極駆動加速器である、項目１から５のいずれか１項に記載の装置。
（項目７）
前記加速器は、
ａ）第１の端部および第２の端部であって、該第１の端部は、前記イオン入射器の前記第２の段階に接続されている、第１の端部および第２の端部と、
ｂ）内部および外部を有する真空チャンバであって、該加速器の該第１の端部から該第２の端部に延び、該加速器の該第１の端部から該第２の端部への前記イオンビームの通過を可能にする真空チャンバと、
ｃ）該チャンバ内部に沿って離間された少なくとも２つの加速電極であって、それぞれは該チャンバ内部に貫通し、該イオンビームが該加速器の該第１の端部から該第２の端部へとエネルギーを増加させるように、該加速器の該第１の端部から該第２の端部へと電圧が低下する電場を生成する、少なくとも２つの加速電極と、
ｄ）前記チャンバ外部において各加速電極に接続されている反コロナリングであって、該電場を減少させる反コロナリングと
を含む、項目１から６のいずれか１項に記載の装置。
（項目８）
前記標的システムに動作可能に連結されている同位体抽出システムをさらに備え、該同位体抽出システムは同位体導出材料を含む、項目１から７のいずれか１項に記載の装置。
（項目９）
前記同位体抽出システムは、第２の流体を含む前記同位体導出材料を搬送する管類を含み、前記核子は、該同位体抽出システムの該管類を貫通し、該第２の流体と反応して放射性同位体を生成する、項目８に記載の装置。
（項目１０）
前記標的チャンバは、前記核子に対して透明の壁を有し、前記同位体抽出システムは、該標的チャンバに近接して配置されている、項目９に記載の装置。
（項目１１）
前記標的チャンバは、前記核子に対して透明でない壁を有し、前記同位体抽出システムは、該標的チャンバ内に配置されている、項目８または９に記載の装置。
（項目１２）
前記標的チャンバに近接する同位体導出材料をさらに備え、前記核子は、前記標的チャンバの前記壁を貫通する、項目１から７のいずれか１項に記載の装置。
（項目１３）
前記標的チャンバから前記加速器への分子流を減少させる、差動ポンプシステムをさらに備え、該ポンプシステムは、
ａ）第１の端部および第２の端部であって、該第１の端部は、前記加速器の第２の端部に接続されている、第１の端部および第２の端部と、
ｂ）該差動ポンプシステムの該第１の端部から該第２の端部への前記イオンビームの通過を可能にする少なくとも１つの真空チャンバと、
ｃ）各真空チャンバに接続され、圧力を低下させる、少なくとも１つの真空ポンプと、
ｄ）該真空ポンプに接続されている真空ポンプ排気と
を含む、項目１から１２のいずれか１項に記載の装置。
（項目１４）
前記差動ポンプシステムと前記標的チャンバとの間に接続されているガス濾過システムをさらに備え、該ガス濾過システムは、
ａ）第１の端部および第２の端部と、
ｂ）該ガス濾過システムの第１の端部において、該標的チャンバの第２の端部に接続され、該標的チャンバから漏出する水素を捕捉する、ゲッタトラップと、
ｃ）該ガス濾過システムの第２の端部において、該ゲッタトラップに接続され、該標的チャンバから漏出する流体不純物を捕捉する、少なくとも１つの液体窒素トラップと、
ｄ）開位置と閉位置との間で可動であって、該トラップに接続されている一端を有し、前記差動ポンプシステムの真空ポンプ排気に接続されている第２の端部を有し、第３の端部を有する、少なくとも１つの真空ポンプ隔離弁と、
ｅ）開位置と閉位置との間で可動であって、該真空ポンプ隔離弁の第３の端部に接続され、開位置にあって、該真空ポンプ隔離弁が閉位置にある場合、該ガス濾過システムから該流体不純物が漏出することを可能にする、排出弁と
を備える、項目１から１３のいずれか１項に記載の装置。
（項目１５）
核子を発生させる方法であって、イオン源を作動させてイオンビームを産生することと、該イオンビームを好適なエネルギーまで加速して加速イオンビームを産出することと、該加速イオンビームを該ビームと反応する選択された核子導出標的材料を含む標的システムに向けて核子を産出することとを含み、該標的システムは、
ａ）磁気標的チャンバ、
ｂ）高速同期ポンプに動作可能に連結されている線形標的チャンバ、または
ｃ）同位体抽出システムに動作可能に連結されている線形標的チャンバ
として、大きさを定められ、かつ構成されている、方法。
（項目１６）
前記核子を選択された放射性核種発生材料と反応させて少なくとも１つの放射性核種を産生することをさらに含む、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記イオンビームは、^２Ｈイオンを含み、前記核子導出標的材料は、^３Ｈｅを含む、項目１５または１６に記載の方法。
（項目１８）
前記イオンビームは、^２Ｈを含み、前記核子導出標的材料は、^３Ｈを含む、項目１５または１６に記載の方法。
（項目１９）
前記同位体導出材料は、Ｈ_２^１６Ｏ、Ｈ_２^１８Ｏ、または^９８Ｍｏである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２０）
前記同位体導出材料は、Ｈ_２^１６Ｏであって、前記発生される同位体は、^１３Ｎである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２１）
前記同位体導出材料は、Ｈ_２^１８Ｏであって、前記発生される同位体は、^１８Ｆである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２２）
前記同位体導出材料は、^９８Ｍｏであって、前記発生される同位体は、^９９Ｍｏである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２３）
前記加速イオンビームは、少なくとも５０ｍＡかつ少なくとも１００ｋｅＶのビームである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２４）
前記放出される核子は、０．３−３０ＭｅＶ陽子である、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２５）
前記標的材料は、０ｍトル乃至１００トルの圧力を有する、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２６）
前記放出される核子は、１０−２０ＭｅＶ陽子である、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２７）
前記標的材料は、１００ｍトル乃至３０トルの圧力を有する、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２８）
前記放出される核子は、０．１−３０ＭｅＶ中性子である、項目１５または１６に記載の方法。
（項目２９）
前記放出される核子は、２−２０ＭｅＶ中性子である、項目１５または１６に記載の方法。
（項目３０）
前記発生される同位体は、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１３Ｎ、^６３Ｚｎ、または^１２４Ｉである、項目２４に記載の方法。
（項目３１）
前記発生される同位体は、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、^１２５Ｉ、または^９９Ｍｏである、項目２８に記載の方法。
（項目３２）
前記核子は、陽子または中性子である、項目１５または１６に記載の方法。
（項目３３）
前記放射性核種は、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１３Ｎ、^６３Ｚｎ、^１２４Ｉ、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、^１２５Ｉ、または^９９Ｍｏである、項目１５または１６に記載の方法。
（項目３４）
前記核子発生材料は、^３Ｈｅ、^２Ｈ、または^３Ｈを含む、項目１５または１６に記載の方法。
（項目３５）
項目１に記載の装置を使用して産生される、核子。
（項目３６）
項目１に記載の装置を使用して陽子または中性子を発生させる、方法。

【図面の簡単な説明】

【0012】

本発明は、付随の図面に照らして、本明細書に提示される特定の実施形態の詳細な説明を参照することによって、さらに理解および認識されるであろう。

【図1】図１は、磁気標的チャンバを備える発生器の第１の図である。

【図2】図２は、磁気標的チャンバを備える発生器の第２の図である。

【図3】図３は、線形標的チャンバを備える発生器の第１の図である。

【図4】図４は、イオン源の第１の図である。

【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の図である。

【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の図である。

【図9】図９は、差動ポンプの断面図である。

【図10】図１０は、ガス濾過システムの第１の図である。

【図11】図１１は、磁気標的チャンバの第１の図である。

【図12】図１２は、磁気標的チャンバの断面図である。

【図13】図１３は、線形標的チャンバの第１の図である。

【図14】図１４は、線形標的チャンバの断面図であって、^１８Ｆおよび^１３Ｎ産生のための例示的同位体発生システムを示す。

【図15】図１５は、線形標的チャンバおよび同期高速ポンプを備える発生器の第１の図である。

【図16】図１６は、イオンビームを通過させる、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、イオンビームを通過させない、抑圧状態にある同期高速ポンプの断面図である。

【図18】図１８は、線形標的チャンバおよび同期高速ポンプを備える発生器と、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トルガス圧力および２５℃時の^２Ｈイオン上の^３Ｈｅガスの阻止能に対する、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トルガス圧力および２５℃時の^２Ｈイオン上の^３Ｈｅガスの阻止能に対する、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トル時の^３Ｈｅ標的に衝突する１００ｍＡ入射^２Ｈビームに対する、融合反応速度（反応／秒）のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明は、高エネルギー陽子源または中性子源として機能し得る、小型デバイスを提供する。一実施形態では、本発明の原理を具現化するデバイスは、^２Ｈ−^３Ｈｅ（ジュウテリウム−ヘリウム３）融合反応を利用して、陽子を発生させ、次いで、他の同位体を発生させるために使用され得る。別の実施形態では、デバイスは、基礎反応を^２Ｈ−^３Ｈ、^２Ｈ−^２Ｈ、または^３Ｈ−^３Ｈ反応に変化させることによって、中性子源として機能する。

【0014】

本発明のいずれかの実施形態を詳細に説明する前に、以下の説明に記載される、または以下の図面に例証される構造の詳細および構成要素の配列にその用途が限定されるわけではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態も可能であって、種々の方法で実践または実行可能である。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明の目的のためであって、限定としてみなされるべきものではないことを理解されたい。本明細書における「含む」、「成る」、または「有する」、およびそれらの変形例の使用は、以下に列挙される項目ならびにそれらの同等物同様に、付加的項目を包含することを意味する。指定または限定されない限り、用語「搭載される」、「接続される」、「支持される」、および「連結される」、ならびにそれらの変形例は、広義に使用され、直接および間接的の両方における搭載、接続、支持、ならびに連結を包含する。さらに、「接続される」および「連結される」とは、物理的または機械的接続あるいは連結に制限されない。

【0015】

本発明の少なくとも一実施形態を説明する前に、本発明は、実施例によって例示されるように、以下の説明に記載される詳細にその用途が制限されるものでは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の本発明の範囲を限定するものとして意図されない。本発明は、他の実施形態も可能である、あるいは種々の方法で実践または実行可能である。

【0016】

さらに、本明細書に引用されるいかなる特許または特許文書も含め、いずれの参考文献も、従来技術を構成することを承認するものではない。特に、別段に指定のない限り、本明細書のいかなる文書の参照も、これらの文書のいずれかが、米国または任意の他国における当技術分野における共通の一般的知識の一部を形成することの承認につながるものではないことを理解されるであろう。いずれの参考文献のいかなる議論も、その著者らが主張するものを陳述するものであって、本出願人は、本明細書に引用される文書のいずれかの正確性および適切性に異議を申し立てる権利を留保する。

【0017】

本開示を通して、本発明の種々の側面は、ある範囲形式で提示され得る。範囲形式内の記述は、単に便宜性および簡潔性のためのものであって、本発明の範囲に対する非柔軟的制限として解釈されるべきではないことを理解されたい。故に、当業者によって理解されるように、あらゆる目的に対して、特に、記述による説明を提供する観点から、本明細書に開示される全範囲は、あらゆる可能な副次的範囲およびそれらの副次的範囲の組み合わせ同様に、その範囲内の全整数および分数値も包含する。単なる一例として、２０％乃至４０％の範囲は、２０％乃至３２．５％および３２．５％乃至４０％、２０％乃至２７．５％および２７．５％乃至４０％等の範囲に分割可能である。いずれの列挙される範囲も、少なくとも等しく２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１等に分割される同一範囲を十分に記述および可能にするものとして容易に認識可能である。非限定的実施例として、本明細書で論じられる各範囲は、下３分の１、中３分の１、および上３分の１等に容易に分割可能である。さらにまた、当業者によって理解されるように、「最大」、「少なくとも」、「〜超」、「〜以下」、「〜以上」等の全用語は、引用される数を含み、続いて、上述のように、副次的範囲に分割可能な範囲を指す。同様に、本明細書に開示される全比率は、より広範な比率内の全副次的比率も含む。これらは、具体的に意図されるものの実施例にすぎない。さらに、第１の標示数と第２の標示数と「の間の範囲」および第１の標示数「乃至」第２の標示数「の範囲」は、本明細書では、同義的に使用される。

【0018】

さらに、本明細書における「成る」、「含む」、「有する」、およびそれらの変形例の使用は、以下に列挙される項目およびそれらの同等物同様に、付加的項目を包含する、例えば、最終結果に影響を及ぼさない他のステップおよび成分が追加され得ることを意味する。これらの用語は、「構成される」および「本質的に構成される」という表現を包含する。「本質的に構成される」とは、付加的成分および／またはステップが、請求される組成または方法の基礎および新規特性を実質的に改変させない場合に限り、組成または方法が、付加的成分および／またはステップを含み得ることを意味する。

【0019】

従来の種類の陽子または中性子源に内在する不利点に照らして、本発明は、医療同位体の産生のために利用され得る、新規高エネルギー陽子または中性子源を提供する。本発明によるデバイスは、小量のエネルギーを使用して、融合反応を生成し、次いで、同位体産生のために使用され得るより高いエネルギー陽子または中性子を生成する。小量のエネルギーを使用することによって、デバイスを上述の従来のデバイスより小型にすることが可能となり得る。

【0020】

本発明による装置は、^１８Ｆ、^１１Ｃ、^１５Ｏ、^１３Ｎ、^６３Ｚｎ、^１２４Ｉ、およびその他多数を含むが、それらに限定されない、他の同位体を発生させるために使用され得る陽子を好適に発生させる。また、燃料種を変化させることによって、本発明による装置を使用して、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、^１２５Ｉ、^９９Ｍｏ（^９９ｍＴｃに崩壊）、およびその他多数を含むが、それらに限定されない、同位体を発生させるために使用され得る高同位体中性子束を発生させ得る。したがって、本発明は、上述の陽子または中性子源に優る多くの利点を有する医療同位体の発生等の使用のために、新規小型高エネルギー陽子または中性子源を提供する。

【0021】

一般に、本発明は、次に、種々の放射性核種（または、放射性同位体）を発生させるために好適に使用される、陽子または中性子を発生させるための装置を提供する。装置は、好適にはＲＦ駆動イオン発生器であり得るプラズマイオン源、加速器（好適には、電極駆動）、および標的システムを含む。また、陽子系放射性同位体の産生の場合、装置は、同位体抽出システムを含み得る。ＲＦ駆動プラズマイオン源は、所定の進路に沿って指向されるイオンビームを発生させ、一直線にし、イオン源は、第１の流体の流入のための入口を含む。電極駆動加速器は、イオンビームを受光し、イオンビームを加速させ、加速イオンビームを産出する。標的システムは、加速イオンビームを受光する。標的システムは、加速ビームと反応し、次に、核子、すなわち、陽子または中性子を放出する、核子導出、例えば、陽子導出または中性子導出標的材料を含む。放射性同位体の産生の場合、標的システムは、核子に対して透過性である側壁を有し得る。同位体抽出システムは、標的システムに近接して、またはその中に配置され、核子と反応し、放射性核種（または、放射性同位体）を産出する、同位体導出材料を含む。

【0022】

次に、図面の図を参照する。本発明の原理を具現化する装置は、概して、参照番号１０または１１として指定され、好適には、２つの構成（磁気構成１０および線形構成１１）を有する。デバイスの６つの主要区分または構成要素は、磁気デバイスの場合、図１および図２、線形構成の場合、図３に示されるように接続される。本発明の原理を具現化する装置１０は、概して、２０として指定されるイオン源と、加速器３０と、差動ポンプシステム４０と、標的チャンバ６０または７０を含む標的システムと、概して、８０として指定されるイオン閉じ込めシステムと、概して、９０として指定される同位体抽出システムとを含む。加えて、本発明は、ガス濾過システム５０を含み得る。また、本発明による装置は、差動ポンプシステム４０の代わりに、またはそれに加えて、同期高速ポンプ１００を含み得る。ポンプ１００は、標的チャンバの線形構成に有効である。

【0023】

イオン源２０（図４および図５）は、真空チャンバ２５と、高周波（ＲＦ）アンテナ２４と、イオン入射器第１段階２３およびイオン入射器最終段階３５（図６）を有するイオン入射器２６とを含む。磁石（図示せず）が含まれ、イオン源が高密度ヘリコンモードで動作し、より高い密度のプラズマ２２を生成し、より多くのイオン電流を産出し得る。本磁石の磁場強度は、好適には約５０Ｇ乃至約６０００Ｇ、好適には、約１００Ｇ乃至約５０００Ｇの範囲である。磁石は、軸方向磁場（イオンビームの経路に平行の南北配向）またはカスプ磁場（イオンビームの経路に垂直の南北配向であって、内極は、隣接する磁石に対して、北と南との間を交互する）を生成するように配向され得る。軸方向磁場は、ヘリコンモード（高密度プラズマ）を生成可能でるのに対して、カスプ磁場は、高密度プラズマを発生させ得るが、ヘリコン誘導モードを発生させない。ガス入口２１は、真空チャンバ２５の一端に位置し、イオン入射器２６の第１段階２３は、他端にある。ガス入口２１は、^１Ｈ_２、^２Ｈ_２、^３Ｈ_２、^３Ｈｅ、および^１１Ｂを含み得るか、または^１Ｈ、^２Ｈ、^３Ｈ、^３Ｈｅ、および^１１Ｂから成り得る、所望の燃料種のうちの１つを提供する。入口２１におけるガス流は、好適には、ユーザまたは自動的に制御され得る、質量流コントローラ（図示せず）によって調整される。ＲＦアンテナ２４は、好適には、真空チャンバ２５の外側の周囲に巻かれる。代替として、ＲＦアンテナ２４は、真空チャンバ２５内にあり得る。好適には、ＲＦアンテナ２４によって放出される高周波放射が、真空チャンバ２５の含有物（すなわち、燃料ガス）を励起させ、例えば、プラズマを形成するように、ＲＦアンテナ２４は、真空チャンバに近接する。ＲＦアンテナ２４は、１つ以上の巻のある管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かつ曲げ可能材料から作製され得る。

【0024】

イオン入射器２６は、１つ以上の成形段階（２３、３５）を含む。イオン入射器の各段階は、加速電極３２を含み、好適には、金属および合金を含み、イオンビームの効果的一直線化を提供し得る、導電性材料から作製される。例えば、電極は、好適には、低スパッタリング係数を備える導電性金属、例えば、タングステンから作製される。他の好適な材料として、アルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼、黒鉛、モリブデン、タンタル、およびその他を含み得る。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、他端において、接地に接続される。ＲＦインピーダンス整合回路は、アンテナを同調させ、発生器によって必要とされる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、好適には、０Ｈｚ乃至数十ｋＨｚから数十ＭＨｚ乃至ＧＨｚ以上を含むが、それらに限定されない、広範囲のＲＦ周波数を発生させる。ＲＦアンテナ２４は、抵抗の微小変化を伴って、高消費電力に耐え得るように、外部冷水器（図示せず）によって水冷され得る。ＲＦアンテナ２４の巻内の整合回路は、ＲＦ電力発生器（図示せず）に接続され得る。イオン源２０、整合回路、およびＲＦ電力発生器は、最高または若干より高い加速器電位時、浮動（接地から隔離される）し得、本電位は、高電圧電源供給装置への電気接続によって得られ得る。ＲＦ電力発生器は、ビーム強度が、ユーザによって、または代替として、コンピュータシステムによって、制御され得るように、遠隔調節可能であり得る。真空チャンバ２５に接続されるＲＦアンテナ２４は、好適には、燃料を陽イオン化し、イオンビームを生成する。イオンを生成するための代替手段は、当業者に周知であって、マイクロ波放電、電子衝突イオン化、およびレーザイオン化を含み得る。

【0025】

加速器３０（図６および図７）は、好適には、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を含む。加速器の第１段階は、イオン入射器２６の最終段階３５でもある。少なくとも１つ、好適には、３乃至５０、より好適には、３乃至２０の円形加速電極３２は、加速器真空チャンバ３６の軸に沿って離間され、加速器真空チャンバ３６を貫通する一方、真空境界を維持可能にし得る。加速電極３２は、その中心を通る孔（加速器チャンバのボアより小さい）を有し、好適には、それぞれ、イオンビームの通過のために、加速器真空チャンバの縦軸（イオン源端から差動ポンプ端）上に芯合せされる。加速電極３２内の孔の最小直径は、イオンビームまたは多重イオンビームの強度に伴って増大し、直径約１ｍｍ乃至約２０ｃｍ、好適には、直径約１ｍｍ乃至約６ｃｍの範囲である。真空チャンバ３６の外側において、加速電極３２は、電場を減少させ、コロナ放電を最小限にする、反コロナリング３４に接続され得る。これらのリングは、ＳＦ_６等の誘電油または絶縁誘電ガス中に浸漬され得る。好適には、差動ポンプ区分４０への接続を促進する、差動ポンプ嵌合フランジ３３は、加速器の出口にある。

【0026】

加速器３０の各加速電極３２は、当業者に周知のように、高電圧電源供給装置（図示せず）または抵抗分圧器網（図示せず）からバイアスをかけて供給可能である。ほとんどの場合、分圧器は、その簡素性から、最も好適な構成であり得る。抵抗分圧器網を備える構成では、加速器のイオン源端は、高電圧電源供給装置に接続され得、第２から最終までの加速器電極３２は、接地に接続され得る。加速器電極３２の中間電圧は、抵抗分圧器によって設定され得る。加速器の最終段階は、好適には、最終加速電極を介して、負にバイアスがかけられ、標的チャンバから電子が加速器３０に逆流するのを防止する。

【0027】

代替実施形態では、上述のような加速器３０の代わりに、リニアック（例えば、ＲＦ四重極）が使用され得る。リニアックは、上述の加速器３０と比較して、効率性が低く、サイズが大きい場合がある。リニアックは、第１端において、イオン源２０に接続され、他端において、差動ポンプシステム４０に接続され得る。リニアックは、直流および高電圧の代わりに、ＲＦを使用して、高粒子エネルギーを得てもよく、当技術分野において周知のように構築され得る。

【0028】

差動ポンプシステム４０（図８および図９）は、好適には、差動ポンプシステム４０を少なくとも１つの段階に分離する、減圧障壁４２を含む。減圧障壁４２はそれぞれ、好適には、中心に小孔（好適には、直径約１ｍｍ乃至約２０ｃｍ、より好適には、約１ｍｍ乃至約６ｃｍ）を備える、薄い固体プレートまたは１つ以上の細長い管（典型的には、直径１ｃｍ）を含む。各段階は、真空チャンバ４４と、関連する減圧障壁４２と、真空ポンプ１７とから成り、それぞれ、真空ポンプ排気４１を備える。各真空チャンバ４４は、３、４、５、または６ポートの真空チャンバ４４であるかどうかに応じて、１つ以上、好適には、１乃至４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、好適には、ビームライン上に配向され、イオンビームの入射および差動ポンプシステム４０からの出射のために使用される。また、各真空チャンバ４４のポートは、減圧障壁４２と同一位置にあり得る。各真空チャンバ４４の残りのポートは、好適には、コンフラットフランジによって、真空ポンプ１７に接続されるか、または種々の器具または制御デバイスに接続され得る。真空ポンプ１７からの排気は、真空ポンプ排気４１を介して、必要に応じて、付加的真空ポンプまたはコンプレッサ（図示せず）に送出され、ガス濾過システム５０内に送出される。代替として、必要に応じて、本付加的真空ポンプは、ガス濾過システム５０と標的チャンバ６０または７０との間に位置し得る。付加的圧縮段階が存在する場合、真空ポンプ１７と濾過システム５０との間であり得る。差動ポンプ区分は、一端において、加速器嵌合フランジ４５を介して、加速器３０に、他端のビーム出射ポート４６において、標的チャンバ嵌合フランジ４３を介して、標的チャンバ（６０または７０）に接続される。また、差動ポンプシステム４０は、乱流発生装置（図示せず）を含め、層流を妨害し得る。乱流発生装置は、流体の流量を制限し得、表面隆起、または他の特徴、あるいはそれらの組み合わせを含め、層流を妨害し得る。乱流は、典型的には、層流よりも遅く、したがって、標的チャンバから差動ポンプ区分内への流体の漏入速度を低減させ得る。

【0029】

ガス濾過システム５０は、好適には、その真空ポンプ隔離弁５１において、差動ポンプシステム４０の真空ポンプ排気４１または付加的コンプレッサ（図示せず）に接続される。ガス濾過システム５０（図１０）は、その上を真空ポンプ排気４１が流動する、１つ以上の圧力チャンバ、すなわち、「トラップ」（１３、１５）を含む。トラップは、好適には、例えば、大気からシステム内へと漏入したであろう、標的チャンバまたはイオン源から漏出し得る流体不純物を捕捉する。トラップは、液体窒素によって、極低温度まで冷却され得る（ＬＮトラップ１５）。したがって、冷液トラップ１３、１５は、好適には、大気汚染物質等のガスを液化し、トラップ１３、１５内に留保させる。直列に接続された１つ以上のＬＮトラップ１５上を流動後、ガスは、好適には、標的チャンバまたはイオン源から漏出し、そうでなければ、標的チャンバを汚染し得るジュウテリウム等の汚染水素ガスを吸収する、チタンゲッタトラップ１３へと経由される。ゲッタトラップ１３の出口は、好適には、ガス濾過システム５０の標的チャンバ隔離弁５２を介して、標的チャンバ６０または７０に接続される。ガス濾過システム５０は、システムに一定に流入させ、真空ポンプ排気４１から、別の真空ポンプ排気（図示せず）およびシステムの外側へと排気させることを所望する場合、デバイス１０から完全に除去され得る。ガス濾過システム５０がなくても、装置１０の動作は、実質的に改変されないであろう。中性子源として機能する装置１０は、ガス濾過システム５０のゲッタトラップ１３を含まなくてもよい。

【0030】

真空ポンプ隔離弁５１および標的チャンバ隔離弁５２は、トラップがガスによって飽和状態になると、ガス濾過システム５０をデバイスの残りから隔離し、排出弁５３を介して、外部ポンプ（図示せず）へと接続するように促進し得る。したがって、真空ポンプ隔離弁５１および標的チャンバ隔離弁５２が閉鎖される場合、排出弁５３が開放され、不純物を排出可能となる。

【0031】

標的チャンバ６０（磁気システム１０の場合、図１１および図１２）または標的チャンバ７０（線形システム１１の場合、図１３および図１４）は、圧力約０乃至約１００トル、約１００ｍトル乃至約３０トル、好適には、約０．１乃至約１０トル、好適には、約１００ｍトル乃至約３０トルまで、標的ガスで充填され得る。標的チャンバ６０または７０の特定の幾何学形状は、その主要用途に応じて異なってもよく、多くの変形例を含み得る。標的チャンバは、線形システム１４の場合、好適には、長さ約１０ｃｍ乃至約５ｍ、直径約５ｍｍ乃至約１００ｃｍの円筒形であり得る。好適には、標的チャンバ７０は、線形システム１４の場合、長さ約０．１ｍ乃至約２ｍ、直径約３０乃至５０ｃｍであり得る。

【0032】

磁気システム１２の場合、標的チャンバ６０は、高さ約１０ｃｍ乃至約１ｍ、直径約１０ｃｍ乃至約１０ｍの厚手のパンケーキに類似し得る。好適には、磁気システム１２の場合、標的チャンバ６０は、高さ約２０ｃｍ乃至約５０ｃｍ、直径約５０ｃｍであり得る。磁気標的チャンバ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）は、パンケーキの面上、真空壁の外側、または標的チャンバの外側直径の周囲に位置し得る（図１１および図１２参照）。磁石は、好適には、銅およびアルミニウム、または電磁石の場合、超電導体、すなわち、ＮｄＦｅＢを含むが、それらに限定されない、材料から作製される。磁極は、標的チャンバのかさ容積内に軸方向磁場を生成するように配向され得る。磁場は、好適には、１０１０鋼鉄、ミュー金属、または他の材料等、高透過性磁気材料から成る磁気回路によって制御される。磁気標的チャンバのサイズおよび磁気ビームエネルギーは、式（１）に従って、磁場強度を決定する。

【0033】

【数1】

重陽子の場合、ｒの単位は、メートルであって、Ｅは、ビームエネルギー（ｅＶ）であって、Ｂは、磁気磁場強度（ガウス）である。磁石は、パンケーキの平坦面と平行に配向され、磁場が加速器３０からのビームの方向と垂直に存在するように極性化され得、すなわち、磁石は、チャンバの上面および底面に搭載され、イオンを再循環させ得る。磁気標的チャンバ６０を採用する別の実施形態では、好適には、標的チャンバの上面および底面上に付加的磁石が存在し、標的チャンバの両端により強い磁場の局在化領域を生成する磁気標的チャンバ（上面および底面）のいずれの端部にもミラー磁場を生成し、イオンビームを標的チャンバ端から反射させるミラー効果を生成する。ミラー磁場を生成するこれらの付加的磁石は、永久磁石または電磁石であり得る。標的チャンバの一端は、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、ガス濾過システム５０から標的チャンバにガスを再流入させる。また、標的チャンバは、フィードスルーポート（図示せず）を含み、種々の同位体発生装置を接続させ得る。

【0034】

標的チャンバ６０の磁気構成では、磁場が、標的チャンバ内にイオンを閉じ込める。標的チャンバ７０の線形構成では、入射されるイオンは、標的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、標的チャンバは、デバイスの操作者を放射から保護する遮蔽を必要とし、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。代替として、デバイスは、ユーザから離れた地下または遮蔽施設内に格納される、あるいは水または他の流体が、遮蔽として使用される、もしくはそれらの組み合わせであり得る。

【0035】

差動ポンプシステム４０およびガス濾過システム５０は両方とも、標的チャンバ６０または７０内に送出し得る。差動ポンプシステム４０は、好適には、イオンビームを提供する一方、ガス濾過システム５０は、濾過されたガス流を供給し、標的チャンバを充填する。加えて、同位体発生の場合、真空フィードスルー（図示せず）が、標的チャンバ６０または７０に搭載され、同位体抽出システム９０を外側に接続させ得る。

【0036】

同位体発生システム６３を含む同位体抽出システム９０は親化合物または材料を提供し、標的チャンバ内またはそれに近接して発生される同位体を除去するための任意の数の構成であり得る。例えば、同位体発生システム６３は、円筒形標的チャンバの内側にちょうど嵌着するように堅く巻かれた巻線であって、壁６５を有する、放射化管６４を含み得る。代替として、イオン閉じ込めシステム８０を備えるパンケーキ標的チャンバの場合、パンケーキの外周に沿ってデバイスを被覆する巻線と、２つの螺旋（パンケーキの上面および底面に１つずつ）とを含み得る（すべて直列に接続される）。これらの構成において使用される放射化管６４の壁６５は、破裂に耐えるために十分な強度であるが、１４ＭｅＶ（約１０乃至２０ＭｅＶ）を超える陽子が通過し得る一方、依然として、そのエネルギーの大部分を維持するように、十分に薄い。材料に応じて、管類の壁は、厚さ約０．０１ｍｍ乃至約１ｍｍ、好適には、厚さ約０．１ｍｍであり得る。管類の壁は、好適には、中性子を発生させない材料から作製される。薄壁管類は、アルミニウム、炭素、銅、チタン、またはステンレス鋼等の材料から作製され得る。フィードスルー（図示せず）は、放射化管６４をシステムの外側に接続し得、娘または産生化合物が豊富な流体は、冷却のための熱交換器（図示せず）と、娘または産生同位体化合物は、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化学分離器（図示せず）とへ流入し得る。

【0037】

別の実施形態では、図１５に示されるように、高速ポンプ１００が、加速器３０と標的チャンバ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／またはガス濾過システム５０と置換され得る。高速ポンプは、好適には、１つ以上のブレードまたはロータ１０２と、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とを含む。高速ポンプは、空隙１０６がイオンビームと一直線になると、イオンビームまたは複数のビームが、ブレード１０２間または内の少なくとも１つの空隙１０６を通過可能となるように、加速器区分からのイオンビーム流と同期され得る。タイミング信号１０４は、ポンプシャフトに沿って、またはブレードのうちの少なくとも１つ上に、１つ以上のマーカを有することによって生成され得る。マーカは、光学、または磁気、あるいは当技術分野において周知の他の好適なマーカであり得る。タイミング信号１０４は、ブレード１０２または空隙１０６の位置と、イオンビームと一直線の空隙が存在し、加速器３０の第１段階３５から、高速ポンプ１００を通って、標的チャンバ６０または７０へのイオンビームの通過が可能であるかどうかを標示し得る。タイミング信号１０４は、イオンビーム抽出電圧のゲートパルススイッチとして使用され、イオンビームをイオン源２０および加速器３０から出射し、高速ポンプ１００に入射させ得る。イオン源２０から、加速器３０、高速ポンプ１００、標的チャンバ６０または７０へとシステムを流動する際、ビームは、イオンビームと空隙１０６とが一直線になっている間、オンのままであって、次いで、イオンビームと空隙１０６とが一直線ではなくなる前に、およびその間、オフにし得る。タイミング信号１０４とイオンビームとの連携は、コントローラ１０８によって連携され得る。コントローラ１０８（図１８）の一実施形態では、コントローラ１０８は、パルス処理ユニット１１０と、高電圧隔離ユニット１１２と、抑圧電圧（イオンビームオフ（差分は、５−１０ｋＶであり得る））と抽出電圧（イオンビームオン（差分は、２０ｋｖであり得る））との間で加速器３０の電圧を制御するための高速スイッチ１１４とから成り得る。タイミング信号１０４は、好適には、遅延、または他の論理、あるいは当技術分野において周知の好適な手段を通過する論理パルスを生成する。パルス処理ユニット１１０は、遅延に適応するために高速ポンプのタービンを改変し得、高速スイッチ１１４は、ＭＯＳＦＥＴスイッチまたは当技術分野において周知の他の好適なスイッチ技術であり得る。高電圧隔離ユニット１１２は、光ファイバ接続または当技術分野において周知の他の好適な接続であり得る。例えば、タイミング信号１０４は、ブレード１０２の回転毎に１回のみ、空隙１０６の有無を標示し得、単一パルスは、コントローラ１０８を介して、一式の電子機器に信号を送り、ｎ個の空隙が１回のブレード回転中に存在する場合、ブレードの旋回毎に一式のｎ個のパルスを発生させ得る。代替として、タイミング信号１０４は、ｍ個の空隙が１回のブレード回転中に存在する場合、ブレード回転の間、ｍ個の空隙のそれぞれの空隙１０６の有無を標示し得、ｍ個のパルスはそれぞれ、コントローラ１０８を介して、一式の電子機器に信号を送り、ブレード旋回毎にパルスを発生させ得る。論理パルスは、論理パルスが、加速器区分３５の第１段階をトリガし、抑圧状態から抽出状態（その逆も然り）へと変化させるように、コントローラ１０８を介して、加速器区分３５の第１段階（イオン抽出器）へと伝達または連携され得る。加速器が、＋３００ｋＶの場合、例えば、加速器３５の第１段階は、高速ポンプ１００内に空隙１０６が存在しない場合、陽イオンビームが、＋２９５ｋＶ乃至＋３００ｋＶで流動しないように、＋２９５ｋＶにバイアスがかけられ得、加速器３５の第１段階は、高速ポンプ１００内に空隙１０６が存在する場合、イオンビームが、加速器３０から、高速ポンプ１００内の空隙１０６を通って、標的チャンバ６０または７０へと進行するように、＋３１０ｋＶにバイアスがかけられ得る。抑圧と抽出状態との間の電圧の差分は、約１ｋＶ乃至約５０ｋＶ、好適には、約１０ｋＶ乃至約２０ｋＶ等の比較的微小の変化であり得る。電圧の微小変化は、抑圧（図１７）と抽出（図１６）状態との間の高速変化を促進し得る。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を含むが、それらに限定されない、当技術分野において周知の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、ブレードまたは空隙１０６の数、およびブレードまたは空隙の寸法等の要因に依存し得る。

【0038】

例えば、ＰＥＴスキャンにおいて利用される同位体^１８Ｆおよび^１３Ｎは、デバイス内側の核反応から発生され得る。これらの同位体は、陽子衝撃によって、その親同位体、^１８Ｏ（^１８Ｆの場合）および^１６Ｏ（^１３Ｎの場合）から生成可能である。親の源は、外部ポンプシステム（図示せず）を介して、同位体発生システムを通って流動し、標的チャンバ内の高エネルギー陽子と反応し、所望の娘化合物を生成し得る、水（Ｈ_２^１８ＯまたはＨ_２^１６Ｏ）等の流体であり得る。^１８Ｆまたは^１３Ｎの産生の場合、水（それぞれ、Ｈ_２^１８ＯまたはＨ_２^１６Ｏ）は、同位体発生システム６３を通って流動し、上述の融合反応から生成される高エネルギー陽子が、管６４の壁を貫通し、親化合物に衝突し、（ｐ，α）反応を生じさせ、^１８Ｆまたは^１３Ｎを産生し得る。その後、閉システムでは、例えば、同位体が豊富な水は、流体を冷却するための熱交換器（図示せず）を通って、次いで、イオン交換樹脂等の化学フィルタ（図示せず）内へと循環し、同位体を流体から分離し得る。次いで、水混合物は、標的チャンバ（６０または７０）内へと再循環され得る一方、同位体は、撮像または他の手技のために十分に産生されるまで、フィルタ内、注射器内、または当技術分野において周知の他の好適な手段によって、格納される。

【0039】

管状の螺旋が記載されたが、同一または他の放射性核種を産生するために使用可能な多くの他の幾何学形状が存在する。例えば、同位体発生システム６３は、好適には、平行ループまたはリブを備える平坦パネルであり得る。別の実施形態では、ウォーター・ジャケットが、真空チャンバ壁に取り付けられ得る。^１８Ｆまたは^１３Ｎ生成の場合、螺旋は、薄窓を含む、任意の数の薄壁幾何学形状と置換され得るか、または高酸素濃度を含有する固体物質と置換可能であって、変換後、除去および処理されるであろう。他の同位体は、他の手段によって発生可能である。

【0040】

動作前、標的チャンバ６０または７０は、好適には、最初に、電源をオフの状態で、イオン源２０を通して、^３Ｈｅ等の標的ガスを事前に流動させ、装置１０を通して、ガスを標的チャンバ内へと流動させることによって充填される。動作の際、^２Ｈ_２等の反応ガスは、イオン源２０に流入し、プラズマ２２を形成するＲＦ場によって、陽イオン化される。真空チャンバ２５内側のプラズマ２２が、イオン入射器２６に向かって広がるのに伴って、プラズマ２２は、加速器３０内のより多くの負の電位によって影響を受け始める。これは、正電荷を持つイオンを標的チャンバ６０または７０に向かって加速させる。イオン源２０内の段階（２３および３５）の加速電極３２は、イオンビームまたは複数のビームを一直線にし、加速器３０の第１段階にわたって、それぞれ略均一イオンビーム形状をもたらす。代替として、加速器３０の第１段階は、上述のように、イオンビームのパルス化またはオン／オフの切替を可能にし得る。ビームが、継続して加速器３０を進行するのに伴って、各段階において、付加的エネルギーを得て、加速器３０の最終段階に到達する時までには、最大５ＭｅＶ、最大１ＭｅＶ、好適には、最大５００ｋｅＶ、好適には、５０ｋｅＶ乃至５ＭｅＶ、好適には、５０ｋｅＶ乃至５００ｋｅＶ、および好適には、０乃至１０Ａｍｐｓ、好適には、１０乃至１００ｍＡｍｐｓのエネルギーに到達する。本電位は、所望の電圧を産生可能な外部電源（図示せず）によって供給される。また、イオン源２０からのある中性ガスは、加速器３０内へと漏入し得るが、加速器３０内の圧力は、過剰圧力およびシステム故障を防止するために、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、最小限に維持されるであろう。ビームは、差動ポンプ４０内へと高速で存続し、最小限の相互作用を伴う比較的低圧力の短路程段階を通過する。ここから、標的チャンバ６０または７０内へと存続し、好適には、０乃至１００トル、好適には、１００ｍトル乃至３０トル、好適には、５乃至２０トルの高密度標的ガスに衝突し、減速し、核反応を生成する。放出される核子は、約０．３ＭｅＶ乃至約３０ＭｅＶ陽子、好適には、約１０ＭｅＶ乃至約２０ＭｅＶ陽子、または約０．１ＭｅＶ乃至約３０ＭｅＶ中性子、好適には、約２ＭｅＶ乃至約２０ＭｅＶ中性子であり得る。

【0041】

線形標的チャンバ７０の実施形態では、イオンビームは、略直線で存続し、停止するまで、高密度標的ガスに衝突し、核反応を生成する。

【0042】

磁気標的チャンバ６０の実施形態では、イオンビームは、略螺旋経路に屈曲し、軌道の半径は（ジュウテリウムイオンの場合、^２Ｈ）、式（２）によって求められる。

【0043】

【数2】

式中、ｒは、軌道半径（ｃｍ）であって、Ｔ_１は、イオンエネルギー（ｅＶ）であって、Ｂは、磁気磁場強度（ガウス）である。５００ｋｅＶジュウテリウムビームおよび磁気磁場強度５ｋＧの場合、軌道半径は、約２０．４ｃｍであって、好適には、２５ｃｍ半径チャンバ内側に適合する。イオン中和が生じ得るが、再イオン化が生じる速度はずっと速く、粒子は、イオンとして、その時間の大部分を費やすであろう。

【0044】

本磁場内に捕捉されると、イオンは、イオンビームが停止するまで、軌道に乗り、短チャンバ内において、超長路程を達成する。線形標的チャンバ７０と比較して増加した本路程によって、磁気標的チャンバ６０は、より低い圧力でも動作可能である。したがって、磁気標的チャンバ６０は、より好適な構成となり得る。磁気標的チャンバは、ビームが、同一空間内で何度も再循環し得るため、線形標的チャンバよりも小さいが、依然として、長路程を維持可能である。融合産物は、より小さいチャンバ内に凝縮された状態となり得る。説明されるように、より長い路程が、線形チャンバの短路程およびより高い圧力ガスと同一の衝突総数をより低い圧力ガスでもたらし得るため、磁気標的チャンバは、線形チャンバよりも低い圧力で動作し、ポンプシステムにかかる負荷を軽減し得る。

【0045】

加速器３０と標的チャンバ６０または７０との間の圧力勾配によって、ガスは、標的チャンバから、差動ポンプシステム４０内へと流入し得る。真空ポンプ１７は、本ガスを急速に除去し、約１０乃至１００倍以上の圧力低下を達成し得る。次いで、本「漏入」ガスは、ガス濾過システム５０を介して、濾過および再利用され、標的チャンバ内へと逆排出され、より効率的動作を提供する。代替として、高速ポンプ１００は、標的チャンバ内へと逆流する方向となるように配向され、ガスが標的チャンバから流出するのを防止し得る。

【0046】

所望の産物が、医療同位体である場合、本明細書に記載される同位体抽出システム９０は、標的チャンバ６０または７０内へ挿入される。本デバイスは、高エネルギー陽子を所望の同位体の親核種と相互作用させる。^１８Ｆ産生または^１３Ｎ産生の場合、本標的は、水系（^１３Ｎの場合、^１６Ｏ、および^１８Ｆの場合、^１８Ｏ）であり得、薄壁管類を通って流動するであろう。壁厚は、融合反応から発生される１４．７ＭｅＶ陽子が、実質的エネルギーを損失することなく通過し、親同位体を所望の娘同位体へと変化させるほど十分に薄い。次いで、^１３Ｎまたは^１８Ｆが豊富な水は、外部システムを介して、濾過および冷却される。また、^１２４Ｉ（^１２４Ｔｅまたはその他から）、^１１Ｃ（^１４Ｎ、または^１１Ｂ、あるいはその他から）、^１５Ｏ（^１５Ｎまたはその他から）、および^６３Ｚｎ等の他の同位体が、発生され得る。

【0047】

所望の産物が、ある他の目的のための陽子である場合、標的チャンバ６０または７０は、他の装置に接続され、高エネルギー陽子をこれらの用途に提供し得る。例えば、本発明による装置は、陽子療法のためのイオン源として使用され得、陽子のビームは、加速され、癌細胞を照射するために使用される。

【0048】

所望の産物が、中性子である場合、中性子は、ほとんど減衰を伴わずに、真空システムの壁を貫通し得るため、同位体抽出システム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、入射器内の燃料はトリチウムまたはジュウテリウムのいずれかに、標的材料はジュウテリウムまたはトリチウムのいずれかにそれぞれ変えられる。最大約１０^１５中性子／秒以上の中性子収率が、発生され得る。加えて、ゲッタトラップ１３は、除去され得る。親同位体化合物は、標的チャンバ６０または７０の周囲に搭載され得、放出された中性子は、親同位体化合物を所望の娘同位体化合物に変換し得る。代替として、同位体抽出システムは、依然として、または加えて、標的チャンバ内またはその近位において使用され得る。中性子を減速させる減速材（図示せず）は、中性子の相互作用の効率性を増大させるために使用され得る。中性子工学の観点における減速材とは、中性子を減速させる任意の材料または複数の材料であり得る。好適な減速材は、熱中性子を吸収する可能性のない低原子質量を備える材料から作製され得る。例えば、^９８Ｍｏ親化合物から^９９Ｍｏを発生させるために、水減速材が使用され得る。^９９Ｍｏは、^９９ｍＴｃに崩壊し、医療撮像手技のために使用され得る。また、^１３１Ｉ、^１３３Ｘｅ、^１１１Ｉｎ、および^１２５Ｉ等の他の同位体が、発生され得る。中性子源として使用される場合、本発明は、放射から操作者を保護するために、少なくとも１フィート厚のコンクリートまたは水のような流体等の遮蔽を含み得る。代替として、中性子源は、放射から操作者を保護するために、地下に格納され得る。中性子モードにおける本発明の使用および動作の態様は、上述の説明において実践されるものと同一である。

【0049】

本発明によると、厚い標的ガスに衝突するビームの融合速度は、計算可能である。厚い標的ガスに衝突するイオンビームの増分融合速度は、式（３）によって求められる。

【0050】

【数3】

式中、ｄｆ（Ｅ）は、エネルギー差間隔ｄＥにおける融合速度（反応／秒）であって、ｎ_ｂは、標的ガス密度（粒子／ｍ^３）であって、Ｉ_ｉｏｎは、イオン電流（Ａ）であって、ｅは、１．６０２２＊１０^−１９クーロン／粒子の基礎電荷であって、σ（Ｅ）は、エネルギー依存性断面（ｍ^２）であって、ｄｌは、粒子エネルギーがＥである増分路程である。標的内に入ると、粒子は減速するため、粒子は、無限小路程にわたって、当然ながらエネルギーＥである。

【0051】

ガス中で停止するビームから総融合速度を計算するために、式（２）は、式（４）に示されるように、そのエネルギーがその最大のＥ_ｉにおける点から停止する点までの全粒子路程にわたって積分される。

【0052】

【数4】

式中、Ｆ（Ｅ_ｉ）は、ガス標的中で停止する初期エネルギーＥ_ｉのビームの総融合速度である。本式を解くために、増分路程ｄｌは、エネルギーの観点から解かれる。本関係は、実験的に測定された関数である、ガスの阻止能によって決定され、種々の種類の関数によってフィッティング可能である。これらのフィットおよび融合断面積のフィットは、幾分複雑となる傾向にあるため、これらの積分は、数値的に解かれた。１０トルおよび２５℃時の^３Ｈｅガス中のジュウテリウムの阻止データは、コンピュータプログラム「Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ（ＳＲＩＭ； Ｊａｍｅｓ Ｚｉｅｇｌｅｒ、ｗｗｗ．ｓｒｉｍ．ｏｒｇ）」から求め、図１９に示される。

【0053】

式は、中間値を予測するために使用された。１０次多項式が、図１９に示されるデータにフィッッティングされた。係数は、表１に示され、最良近似１０次多項式によって得られたフィットは、図２０に示される。

【0054】

【表1】

これらのデータから分かるように、フィットは、検討されるエネルギー範囲にわたって、非常に正確であった。本関係は、上述の一覧の多項式によって、増分路程ｄｌを増分エネルギー区間と関連付けた。これを数値的に解くために、一定長のステップまたは一定のエネルギーステップのいずれかを選択し、粒子が損失したエネルギー量またはそのステップにおける出射距離のいずれかを計算することが好適である。式（４）における融合速度は、ｄｌの観点からであるため、一定長のステップが、使用される方法となった。標的中の進行に伴う粒子エネルギーＥの再帰的関係は、式（５）に与えられる。

【0055】

【数5】

式中、ｎは、現在のステップ（ｎ＝０は、初期ステップであって、Ｅ_０は、初期粒子エネルギーである）であって、Ｅ_ｎ＋１は、次の増分ステップにおけるエネルギーであって、Ｓ（Ｅ）は、粒子エネルギーを阻止能に関連付ける上述の多項式であって、ｄｌは、増分ステップのサイズである。上述の増分エネルギーの形態の場合、Ｅの単位は、ｋｅＶであって、ｄｌの単位は、μｍである。

【0056】

本式は、プラズマ中の移動に伴う粒子エネルギーを決定する方法をもたらし、これは、各エネルギーにおける融合断面積の評価を促進するため重要であって、任意の増分ステップにおける融合速度の計算を可能にする。各ステップの数値的ケースにおける融合速度は、式（６）によって求められる。

【0057】

【数6】

総融合速度を計算するために、式（７）に示されるように、本式は、Ｅ＝０（または、ｎ＊ｄｌ＝粒子の範囲）となるまで、Ｅ_ｎの全値にわたって総和された。

【0058】

【数7】

本融合速度は、「厚標的収率（ｔｈｉｃｋ−ｔａｒｇｅｔ ｙｉｅｌｄ）」として知られる。これを解法するために、初期エネルギーが決定され、小ステップサイズｄｌが選択された。全エネルギー時の区間ｄｌにおける融合速度が、計算された。次いで、次のステップのエネルギーが計算され、プロセスが繰り返された。これは、ガス中で停止するまで継続する。

【0059】

一価にイオン化されたジュウテリウムビームが、室温、５００ｋｅＶのエネルギー、および１００ｍＡの強度で、１０トルのヘリウム３背景ガスに衝突する場合、融合速度は、約２ｘ１０^１３融合／秒であると計算され、同一数の高エネルギー陽子（３μＡ陽子と同等）を発生させる。本レベルは、当業者によって周知のように、医療同位体の産生のために十分である。１０トルにおいて、ヘリウム３標的に衝突する１００ｍＡ入射ジュウテリウムビームの融合速度を示すプロットは、図２１に示される。

【0060】

本発明による装置は、種々の異なる用途において使用され得る。本発明によると、陽子源を使用して、核廃棄物および核分裂性材料を含む材料を変化させ得る。また、本発明を使用して、材料に陽子を埋入し、物理的特性を向上させ得る。例えば、本発明は、宝石用原石の着色のために使用され得る。また、本発明は、中性子ラジオグラフィのために使用され得る、中性子源を提供する。中性子源として、本発明を使用して、核兵器を検出し得る。例えば、中性子源として、装置を使用して、Ｐｕ、^２３３Ｕ、および^２３３Ｕまたは^２３５Ｕを多く含む材料等、核爆発を生成可能な材料である、特殊核材料を検出し得る。中性子源として、本発明による装置を使用して、中性子パルスを生成し、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、それらに限定されない、地下特徴を検出し得る。本発明は、材料の元素組成を決定し得る、中性子放射化分析（ＮＡＡ）における中性子源として使用され得る。例えば、ＮＡＡを使用して、ピコグラム範囲内の微量要素を検出し得る。また、中性子源として、本発明を使用して、材料の原子組成を決定することによって、不法目的材料、爆発物、薬物、および生物剤を含むが、それらに限定されない、材料を検出し得る。また、本発明は、未臨界炉のための駆動体として使用され得る。

【0061】

次いで、上述の説明に関して、サイズ、材料、形状、形態、機能、ならびに動作、アセンブリ、および使用の態様における変形例を含めるための本発明の部品の最適寸法関係は、当業者には容易に明白かつ自明であるとみなされ、図面に例証され、明細書に記載されるものに対するあらゆる同等関係は、本発明によって網羅されることが意図されることを認識されたい。

【0062】

本発明は、以下の実施例によって、さらに例証されるが、本発明の範囲を限定するように解釈されるものではない。

【実施例】

【0063】

（実施例１．磁気標的チャンバを備える中性子源）
最初、システムは、清潔かつ空であって、１０^−９トル以下の真空を含んでおり、高速ポンプは、所望の性能である（２段階であって、各段階は、ターボ分子ポンプである）。約２５−３０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）が、標的チャンバ内へと流入され、標的ガスを生成する。標的ガスが確立されると、すなわち、指定量のガスがシステム内へと流入され、標的チャンバ内の圧力が、約０．５トルに到達すると、弁が開放され、標的チャンバからイオン源内へと０．５乃至１ｓｅｅｍ（立方センチメートル毎分）のジュウテリウムを流動させる。本ガスは、システム中を急速に再循環し、略以下の圧力を産生するであろう。イオン源内では、圧力は、数ｍトルとなるであろう。加速器内では、圧力は、約２０μトルとなるであろう。加速器直近のポンプ段階にわたって、圧力は、２０μトル未満となるであろう。標的チャンバ直近のポンプ段階にわって、圧力は、約５０ｍトルとなるであろう。標的チャンバ内では、圧力は、約０．５トルとなるであろう。これらの条件が確立されると、イオン源（ジュウテリウムを使用）は、ＲＦ電源供給装置（ＲＦ整合回路によって、ＲＦアンテナに連結される）を約１０−３０ｍＨｚにすることによって、励起されるであろう。電力レベルは、０乃至約５００Ｗに上昇し、密度約１０^１１粒子／ｃｍ^３の濃密ジュウテリウムプラズマを生成するであろう。イオン抽出電圧が上昇し、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するであろう。次いで、加速器電圧は、３００ｋＶまで上昇し、流量制限を通って、標的チャンバ内へとイオンビームを加速させるであろう。標的チャンバは、約５０００ガウス（すなわち、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、無視できるほどの低エネルギーまで降下するまで、約１０回旋回するであろう。

【0064】

再循環の間、イオンビームは、標的ガスと核反応を生成し、ジュウテリウムに対して、４ｘ１０^１０、最大９ｘ１０^１０中性子／秒を産生するであろう。これらの中性子は、真空容器を貫通し、適切な核器具類によって検出されるであろう。

【0065】

反応チャンバから差動ポンプ区分内へと漏入する中性ガスは、高速ポンプ、冷却トラップを通過、反応チャンバ内へと戻るであろう。冷却トラップは、微小漏入によって、やがてシステムを汚染し得るより重いガスを除去するであろう。

【0066】

（実施例２．線形標的チャンバを備える中性子源）
最初、システムは、清潔かつ空であって、１０^−９トル以下の真空を含んでおり高速ポンプは、所望の性能である（３段階であって、加速器の直近の２つは、ターボ分子ポンプであって、３つ目は、ルーツ送風機等の異なるポンプである）。約１０００立方センチメートルのジュウテリウムガスが、標的チャンバ内へと流入され、標的ガスを生成する。標的ガスが確立されると、弁が開放され、標的チャンバからイオン源内へと０．５乃至１ｓｅｅｍ（立方センチメートル毎分）のジュウテリウムを流動させる。本ガスは、システム中を急速に再循環し、略以下の圧力を産生するであろう。イオン源内では、圧力は、数ｍトルとなるであろう。加速器内では、圧力は、約２０μトルとなるであろう。加速器直近のポンプ段階にわって、圧力は、２０μトル未満となるであろう。中央ポンプ段階にわたって、圧力は、約５０ｍトルとなるであろう。標的チャンバ直近のポンプ段階にわって、圧力は、約５００ｍトルとなるであろう。標的チャンバ内では、圧力は、２０トル以下となるであろう。

【0067】

これらの条件が確立されると、イオン源（ジュウテリウムを使用）は、ＲＦ電源供給装置（ＲＦ整合回路によって、ＲＦアンテナに連結される）を約１０−３０ｍＨｚにすることによって、励起されるであろう。電力レベルは、０乃至約５００Ｗに上昇し、密度約１０^１１粒子／ｃｍ^３の濃密ジュウテリウムプラズマを生成するであろう。イオン抽出電圧が上昇し、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するであろう。次いで、加速器電圧は、３００ｋＶまで上昇し、流量制限を通って、標的チャンバ内へとイオンビームを加速させるであろう。標的チャンバは、線形真空チャンバであって、ビームは、無視できるほど低エネルギーまで降下するまで、約１メートル進行するであろう。

【0068】

標的ガスを通過する間、ビームは、核反応を生成し、４ｘ１０^１０、最大９ｘ１０^１０中性子／秒を産生するであろう。これらの中性子は、真空容器を貫通し、適切な核器具類によって検出されるであろう。

【0069】

反応チャンバから差動ポンプ区分内へと漏入する中性ガスは、高速ポンプ、冷却トラップを通過、反応チャンバ内へと戻るであろう。冷却トラップは、微小漏入によって、やがてシステムを汚染し得るより重いガスを除去するであろう。

【0070】

（実施例３．磁気標的チャンバを備える陽子源）
最初、システムは、清潔かつ空であって、１０^−９トル以下の真空を含んでおり、高速ポンプは、所望の性能である（２段階であって、各段階は、ターボ分子ポンプである）。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とヘリウム３の約５０／５０の混合物）が、標的チャンバ内へと流入され、標的ガスを生成する。標的ガスが確立されると、すなわち、指定量のガスがシステム内へと流入され、標的チャンバ内の圧力が、約０．５トルに到達すると、弁が開放され、標的チャンバからイオン源内へと０．５乃至１ｓｅｅｍ（立方センチメートル毎分）のジュウテリウムを流動させる。本ガスは、システム中を急速に再循環し、略以下の圧力を産生するであろうイオン源内では、圧力は、数ｍトルとなるであろう。加速器内では、圧力は、約２０μトルとなるであろう。加速器直近のポンプ段階にわって、圧力は、２０μトル未満となるであろう。標的チャンバ直近のポンプ段階にわって、圧力は、約５０ｍトルとなるであろう。標的チャンバ内では、圧力は、約０．５トルとなるであろう。これらの条件が確立されると、イオン源（ジュウテリウムを使用）は、ＲＦ電源供給装置（ＲＦ整合回路によって、ＲＦアンテナに連結される）を約１０−３０ｍＨｚにすることによって、励起されるであろう。電力レベルは、０乃至約５００Ｗに上昇し、密度約１０^１１粒子／ｃｍ^３の濃密ジュウテリウムプラズマを生成するであろう。イオン抽出電圧が上昇し、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するであろう。次いで、加速器電圧は、３００ｋＶまで上昇し、流量制限を通って、標的チャンバ内へとイオンビームを加速させるであろう。標的チャンバは、約５０００ガウス（すなわち、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、無視できるほど低エネルギーまで降下するまで、約１０回旋回するであろう。

【0071】

再循環の間、イオンビームは、標的ガスと核反応を生成し、１ｘ１０^１１、最大約５ｘ１０^１１陽子／秒を産生するであろう。これらの陽子は、同位体抽出システムの管を貫通し、適切な核器具類によって検出されるであろう。

【0072】

反応チャンバから差動ポンプ区分内へと漏入する中性ガスは、高速ポンプ、冷却トラップを通過、反応チャンバ内へと戻るであろう。冷却トラップは、微小漏入によって、やがてシステムを汚染し得るより重いガスを除去するであろう。

【0073】

（実施例４．線形標的チャンバを備える陽子源）
最初、システムは、清潔かつ空であって、１０^−９トル以下の真空を含んでおり高速ポンプは、所望の性能である（３段階であって、加速器直近の２つは、ターボ分子ポンプであって、３つ目は、ルーツ送風機等の異なるポンプである）。約１０００立方センチメートルのジュウテリウムとヘリウム３ガスの約５０／５０の混合物が、標的チャンバ内へと流入され、標的ガスを生成する。標的ガスが確立されると、弁が開放され、標的チャンバからイオン源内へと０．５乃至１ｓｅｅｍ（立方センチメートル毎分）のジュウテリウムを流動させる。本ガスは、システム中を急速に再循環し、略以下の圧力を産生するであろうイオン源内では、圧力は、数ｍトルとなるであろう。加速器内では、圧力は、約２０μトルとなるであろう。加速器直近のポンプ段階にわって、圧力は、２０μトル未満となるであろう。中央ポンプ段階にわたって、圧力は、約５０ｍトルとなるであろう。標的チャンバ直近のポンプ段階にわって、圧力は、約５００ｍトルとなるであろう。標的チャンバ内では、圧力は、２０トル以下となるであろう。

【0074】

これらの条件が確立されると、イオン源（ジュウテリウムを使用）は、ＲＦ電源供給装置（ＲＦ整合回路によって、ＲＦアンテナに連結される）を約１０−３０ｍＨｚにすることによって、励起されるであろう。電力レベルは、０乃至約５００Ｗに上昇し、密度約１０^１１粒子／ｃｍ^３の濃密ジュウテリウムプラズマを生成するであろう。イオン抽出電圧が上昇し、所望のイオン電流（約１０ｍＡ）および集束を提供するであろう。次いで、加速器電圧は、３００ｋＶまで上昇し、流量制限を通って、標的チャンバ内へとイオンビームを加速させるであろう。標的チャンバは、線形真空チャンバであって、ビームは、無視できるほど低エネルギーまで降下するまで、約１メートル進行するであろう。

【0075】

標的ガスを通過する間、ビームは、核反応を生成し、１ｘ１０^１１、最大約５ｘ１０^１１陽子／秒を産生するであろう。これらの中性子は、同位体抽出システムの管の壁を貫通し、適切な核器具類によって検出されるであろう。

【0076】

反応チャンバから差動ポンプ区分内へと漏入する中性ガスは、高速ポンプ、冷却トラップを通過、反応チャンバ内へと戻るであろう。冷却トラップは、微小漏入によって、やがてシステムを汚染し得るより重いガスを除去するであろう。

【0077】

（実施例５．同位体産生のための中性子源）
システムは、実施例１におけるように、磁気標的チャンバによって、または実施例２におけるように、線形標的チャンバによって、動作するであろう。親材料^９８Ｍｏの固体箔等の固体試料が、標的チャンバの近位に配置される。標的チャンバ内に生成される中性子は、標的チャンバの壁を貫通し、^９８Ｍｏ親材料と反応し、^９９Ｍｏを生成し、準安定^９９Ｔｎを崩壊させ得る。^９９Ｍｏは、当技術分野において周知の好適な器具類および技術を使用して検出されるであろう。

【0078】

（実施例６．同位体産生のための陽子源）
システムは、実施例３におけるように、磁気標的チャンバによって、または実施例４におけるように、線形標的チャンバによって、動作するであろう。システムは、標的チャンバ内側に同位体抽出システムを含むであろう。Ｈ_２^１６Ｏから成る水等の親材料が、同位体抽出システム中を流動されるであろう。標的チャンバ内で発生される陽子は、同位体抽出システムの壁を貫通し、^１６Ｏと反応し、^１３Ｎを産生するであろう。^１３Ｎ産物材料は、イオン交換樹脂を使用して、親および他の材料から抽出されるであろう。^１３Ｎは、当技術分野において周知の好適な器具類および技術を使用して、検出されるであろう。

【0079】

発明の開示において、本発明は、特に、小型高エネルギー陽子または中性子源を提供する。上述の説明は、本発明の原理の単なる例証として捉えられる。さらに、多数の修正および変更が、当業者には容易に想起されるため、図示および記載される正確な構造ならびに動作に本発明を限定することは望ましくなく、故に、あらゆる好適な修正および同等物は、本発明の範囲にあるとみなされ得る。本発明の種々の特徴および利点は、以下の請求項において規定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】