專利名稱:用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的裝置和方法
用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的裝置和方法
相關(guān)申請資料
本申請根據(jù)35U. S. C. Action 119 (e)要求提交于2008年5月2日的共同待審的 美國臨時申請No. 61/050，096的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在此全部引入作為參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的裝置和方法。更特別地，本發(fā)明涉及用于在有 或沒有次臨界反應堆和低濃鈾(LEU)的情況下產(chǎn)生中子產(chǎn)生的(neutron generated)醫(yī)用 同位素的裝置和方法。
在核醫(yī)學中醫(yī)生常使用放射性同位素。這些同位素中最常使用的同位素是"Mo。 "Mo的大部分來源由高濃鈾(HEU)獲得。所用HEL的高濃度足以制造核武器。HEU從美國 出口以便于產(chǎn)生所需"Mo。人們希望在不使用HEU的情況下產(chǎn)生所需的"Mo。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合核反應堆。該反 應堆包括用于由氣體產(chǎn)生離子束的離子源；包括靶的靶室，所述靶與離子束相互作用以 產(chǎn)生中子；和緊靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料與中子相互作用以通過 裂變反應產(chǎn)生醫(yī)用同位素。衰減物緊靠活化室定位并選擇為將裂變反應保持在次臨界水 平，反射物緊靠靶室定位并選擇為朝向活化室反射中子，并且減速劑(moderator)基本上 圍繞活化室、衰減物和反射物。
在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合核反應堆。該 反應堆包括包括基本上環(huán)繞一空間的長靶路徑的聚變部。聚變部用于在靶路徑內(nèi)產(chǎn)生中 子通量。反射物基本上圍繞長靶路徑并且布置成將中子通量的一部分朝向所述空間反射。 活化室位于所述空間內(nèi)并且包括母材料，所述母材料與中子通量的一部分發(fā)生反應以在裂 變反應期間產(chǎn)生醫(yī)用同位素。衰減物位于活化室內(nèi)并選擇為將裂變反應保持在次臨界水 平，并且減速劑基本上圍繞活化室、衰減物和反射物。
在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生醫(yī)用同位素的方法。該方法包括激勵 氣體以產(chǎn)生離子束，加速該離子束，和使加速的離子束通過包括靶氣體的長靶路徑。靶氣體 和離子通過聚變反應發(fā)生反應以產(chǎn)生中子。該方法還包括利用基本上圍繞長靶路徑的反射 物反射一部分中子，將母材料定位在鄰近長靶路徑的活化室內(nèi)，和在一部分中子和母材料 之間保持裂變反應以產(chǎn)生醫(yī)用同位素。該方法還包括使衰減物鄰近活化室定位和在衰減物 內(nèi)將一部分中子轉(zhuǎn)化為熱中子以在活化室內(nèi)加強裂變反應。
在又一實施例中，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生醫(yī)用同位素的方法。該方法包括激勵氣 體以產(chǎn)生離子束，加速該離子束，和使加速的離子束通過包括靶氣體的基本上線性的靶路 徑。靶氣體和離子通過聚變反應發(fā)生反應以產(chǎn)生自由中子。該方法還包括利用位于靶路徑 徑向外側(cè)的反射物反射一部分自由中子，將母材料定位在鄰近靶路徑的活化室內(nèi)，和使自 由中子和母材料發(fā)生反應以在不使用裂變物質(zhì)的情況下產(chǎn)生醫(yī)用同位素。[0009] 在考慮詳細說明和附圖的情況下，本發(fā)明的其它方面和實施例將變得顯而易見。

[0010]參考這里結(jié)合附圖給出的對具體實施例的詳細說明可以更好地理解和領(lǐng)會本發(fā)明，其中[0011]圖1是具有磁性靶室的產(chǎn)生器的第一視圖；[0012]圖2是具有磁性靶室的產(chǎn)生器的第二視圖；[0013]圖3是具有線性靶室的產(chǎn)生器的第一視圖；[0014]圖4是離子源的第一視圖；[0015]圖5是離子源的剖視圖；[0016]圖6是加速器的第一視圖；[0017]圖7是加速器的剖視圖；[0018]圖8是差動泵浦(differential pumping)的第一視圖；[0019]圖9是差動泵浦的剖視圖；[0020]圖10是氣體過濾系統(tǒng)的第一視圖；[0021]圖11是磁性靶室的第一視圖；[0022]圖12是磁性靶室的剖視圖；[0023]圖13是線性靶室的第一視圖；[0024]圖14是線性靶室的剖視圖，顯示了用于產(chǎn)生18F和13N的示例性同位素產(chǎn)生系統(tǒng)；[0025]圖15是具有線性靶室和同步高速泵的產(chǎn)生器的第一視圖；[0026]圖16是處于提取狀態(tài)的同步高速泵的剖視圖，其允許離子束通過；[0027]圖17是處于抑制狀態(tài)的同步高速泵的剖視圖，其不允許離子束通過；[0028]圖18是具有線性靶室和同步高速泵的產(chǎn)生器和控制器的一個實施例的示意圖；[0029]圖19是在10托氣體壓力和25°C下，就3He氣體對2H離子的阻止本領(lǐng)而言，阻止
本領(lǐng)(stopping power) (keV/ μ m)與離子能量(keV)之間關(guān)系的曲線圖；
圖20是在10托氣體壓力和25°C下，就3He氣體對2H離子的阻止本領(lǐng)而言，阻止 本領(lǐng)(keV/μπι)與離子能量(keV)之間關(guān)系的曲線圖；
圖21是在10托下，就IOOmA入射2H束撞擊3He靶而言，聚變反應率(反應數(shù)/ 秒)與離子束入射能量(keV)之間關(guān)系的曲線圖；
圖22是適于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的包括聚變部和裂變部的混合反應堆的透視圖；
圖23是適于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的包括聚變部和裂變部的混合反應堆的另一種方案 的透視圖；
圖M是裂變反應堆的側(cè)示意圖，顯示了不同的材料層；
圖25是圖M所示裂變反應堆的頂示意圖，顯示了不同的材料層；
圖沈是另一種裂變反應堆的側(cè)示意圖，顯示了不同的材料層；
圖27是圖沈所示裂變反應堆的頂示意圖，顯示了不同的材料層；
圖觀是另一種裂變反應堆的側(cè)示意圖，顯示了不同的材料層并且尤其適合于由 98Mo 形成 9i3Mo ；和
圖四是圖觀所示裂變反應堆的頂示意圖，顯示了不同的材料層。
具體實施方式
在詳細描述本發(fā)明的任意實施例之前，應當理解，本發(fā)明不將其應用局限于下文 所述或附圖所示的結(jié)構(gòu)細節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠具有其它實施例并且能夠以各種方式 實施或?qū)崿F(xiàn)。同樣，應當理解，這里使用的措辭和術(shù)語是出于描述目的，而不應被看作限制 性的。這里使用的“包含”、“包括”或“具有”及其變形是指涵蓋其后所列項目和其等同物 以及其它項目。除非另有說明或限制，術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”和“聯(lián)接”及其變形廣 義地使用并且涵蓋直接和間接安裝、連接、支撐和聯(lián)接。另外，“連接”和“聯(lián)接”不局限于物 理或機械連接或聯(lián)接。
在解釋至少一個實施例之前，應當理解，本發(fā)明不將其應用局限于下文以實例方 式舉例說明的細節(jié)。這種說明和實例不用于限制如所附權(quán)利要求
闡述的本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明能夠具有其它實施例或者能夠以各種方式實施或?qū)崿F(xiàn)。
在本公開內(nèi)容中，本發(fā)明的不同方面可按范圍形式陳述。應當理解，以范圍形式進 行描述僅僅出于方便和簡潔的目的，不應看作是對本發(fā)明范圍的嚴格限制。因此，本領(lǐng)域 技術(shù)人員應當理解，不管出于什么目的，特別是就提供書面描述而言，這里公開的所有范圍 同樣涵蓋其任何可能的子范圍或其子范圍的組合，以及位于該范圍內(nèi)的所有整數(shù)和分數(shù)數(shù) 值。僅作為一個實例，20%到40%的范圍可以分解為20%到32. 5%和32. 5%到40%，20% 到27. 5%和27. 5%到40%等。任一所列范圍能夠容易地被認為是充分描述了該相同范圍 并且允許該相同范圍分解成至少兩等分、三等分、四等分、五等分、十等分等等。作為非限制 實例，這里討論的每個范圍可以容易地分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。 另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還應當理解，例如“高達”、“至少”、“大于”、“小于”、“多于”等的所有用 語包括所述數(shù)字并且是指如上所述的可以依次分解為子范圍的范圍。同樣，這里公開的所 有比率也包括落入較寬比率范圍內(nèi)的所有子比率。這些只是具體所指內(nèi)容的實例。另外， 短語在第一指示數(shù)字和第二指示數(shù)字“之間的范圍”和“從”第一指示數(shù)字“到”第二指示數(shù) 字“的范圍”在本文可以互換地使用。
例如“基本上”、“大約”、“大致”等的術(shù)語在這里用于描述可偏離理想情形或所述 情形而不會對裝置的性能產(chǎn)生顯著影響的特征和特性。例如，“基本上平行”可用于描述在 理想情況下平行，但可以偏離高達20°的角度的特征，只要該偏離不會對裝置產(chǎn)生顯著的 不利影響即可。類似地，“基本上線性”可以包括略微彎曲路徑或者略微盤旋路徑，只要離直 線度的偏差不會對裝置性能產(chǎn)生顯著的不利影響即可。
圖22顯示了非常適合于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合反應堆fe的布置。在繼續(xù)說明 之前要說明的是，這里使用的術(shù)語“混合反應堆”是指包括聚變部和裂變部的反應堆。特別 地，所示反應堆fe非常適合于由98Mo或由LEU溶液產(chǎn)生"Mo?；旌戏磻裦e包括聚變部 10和裂變部8，其相互配合以產(chǎn)生所需的同位素。在圖22所示結(jié)構(gòu)中，使用十個單獨的聚 變部10。每個聚變部10布置成磁性聚變部10并且起到中子源的作用，如參考圖1和2所 述的那樣。當然，根據(jù)需要，其它布置可以使用更少的聚變部10、更多的聚變部10，或者聚 變部的其它布置。
圖23顯示了非常適合于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合反應堆恥的另一種布置。在圖23 所示結(jié)構(gòu)中，線性聚變部11起到中子源的作用，如參考圖3和4所述的那樣。在圖23所示結(jié)構(gòu)中，線性聚變部11布置成使五個聚變部11位于裂變部8的一端，五個聚變部11位于 裂變部8的相對另一端。當然，如果需要的話，可以使用其它布置，其使用其它數(shù)量的聚變 部11或者聚變部的其它布置。
如圖1-3所示，每個聚變部10、11提供緊湊裝置，其可以起到高能質(zhì)子源或中子源 的作用。在一個實施例中，聚變部10、11利用2H-3He(氘-氦3)聚變反應產(chǎn)生質(zhì)子，其可隨 后用于產(chǎn)生其它同位素。在另一個實施例中，聚變部10、11通過將基本反應改變?yōu)?H-3H、 2H-2H或3H」H反應而起到中子源的作用。
鑒于傳統(tǒng)型的質(zhì)子或中子源所固有的缺陷，聚變部10、11提供了可用于產(chǎn)生醫(yī)用 同位素的新穎的高能質(zhì)子或中子源(這里有時候統(tǒng)稱為離子源，但更準確地為粒子源)。每 個聚變部10、11使用少量能量產(chǎn)生聚變反應，其隨后產(chǎn)生可用于同位素產(chǎn)生的高能質(zhì)子或 中子。使用少量能量可以允許裝置比前述傳統(tǒng)裝置更為緊湊。
每個聚變部10、11適當?shù)禺a(chǎn)生可用于產(chǎn)生其它同位素的質(zhì)子，所述同位素包括但 不限于呷、"(、150、％、63&1、1241和許多其它同位素。通過改變?nèi)剂项愋?，每個聚變部還可用 于產(chǎn)生高通量均質(zhì)中子，其可用于產(chǎn)生同位素，包括但不限于131I、133)te、mIn、125I、99M0 (其 衰變?yōu)?9mTc)和許多其它同位素。同樣，每個聚變部10、11提供了用于例如產(chǎn)生醫(yī)用同位 素的新穎的緊湊高能質(zhì)子或中子源，其與上文提及的質(zhì)子或中子源相比具有許多優(yōu)點。
通常，每個聚變部10、11提供用于產(chǎn)生質(zhì)子或中子的設備，所述質(zhì)子或中子又適 合用于產(chǎn)生各種放射性核素(或放射性同位素)。參考圖1和2，每個磁性聚變部10包括 等離子源20 (其可適當?shù)匕ㄉ漕l驅(qū)動離子產(chǎn)生器和/或天線24)，加速器30 (其適當?shù)赜?電極驅(qū)動)和靶系統(tǒng)(其包括靶室60)。在基于質(zhì)子的放射性同位素產(chǎn)生的情況下，設備 還可以包括同位素提取系統(tǒng)90。射頻驅(qū)動等離子源20產(chǎn)生離子束并將其沿著預定軌跡對 準，其中，離子源20包括用于使第一流體進入的進口。電極驅(qū)動加速器30接收離子束并使 離子束加速以產(chǎn)生加速離子束。靶系統(tǒng)接收加速離子束。靶系統(tǒng)包含核粒子衍生(例如， 質(zhì)子衍生或中子衍生)靶材料，其與加速離子束起反應，又發(fā)射核粒子，即質(zhì)子或中子。對 于放射性同位素產(chǎn)生而言，靶系統(tǒng)可以具有核粒子能透過的側(cè)壁。同位素提取系統(tǒng)90布置 在靶系統(tǒng)附近或內(nèi)部并且包含同位素衍生材料，其與核粒子起反應以產(chǎn)生放射性核素(或 放射性同位素)。
應當注意到，盡管這里描述了射頻驅(qū)動離子產(chǎn)生器或離子源，但其他系統(tǒng)和裝置 同樣非常適合于產(chǎn)生所需的離子。例如，其他結(jié)構(gòu)可以利用直流弧光離子源代替射頻驅(qū)動 離子產(chǎn)生器或離子源或者與其一起使用。另外的其他結(jié)構(gòu)可以使用熱陰極離子源、冷陰極 離子源、激光離子源、場發(fā)射源和/或場蒸發(fā)源代替直流弧光離子源和/或射頻驅(qū)動離子產(chǎn) 生器或離子源或者與其一起使用。這樣，本發(fā)明不應局限于使用射頻驅(qū)動離子產(chǎn)生器或離 子源的結(jié)構(gòu)。
如這里所討論的，聚變部可以布置成磁性構(gòu)造10和/或線性構(gòu)造11。裝置的六個 主要部分或部件連接成如針對磁性構(gòu)造10的圖1和圖2所示，以及如針對線性構(gòu)造11的 圖3所示。每個聚變部(不管布置成磁性布置方案還是線性布置方案)包括總體表示為20 的離子源、加速器30、差動泵浦系統(tǒng)40、靶系統(tǒng)、總體表示為80的離子約束系統(tǒng)以及總體表 示為90的同位素提取系統(tǒng)，所述靶系統(tǒng)包括用于磁性構(gòu)造10的靶室60或者用于線性構(gòu)造 11的靶室70。每個聚變部可以另外地包括氣體過濾系統(tǒng)50。代替或除了差動泵浦系統(tǒng)40之外，每個聚變部還可以包括同步高速泵100。泵100特別地用于靶室的線性構(gòu)造。
離子源20(圖4和圖5)包括真空室25、射頻(RF)天線M和離子噴射器沈，所述 離子噴射器具有離子噴射器第一級23和離子噴射器末級35(圖6)?？梢园ù盆F(未顯 示)以允許離子源按照高密度螺旋模式工作，從而產(chǎn)生高密度等離子22以得到更多的離子 流。該磁鐵的場強度適當?shù)貫榇蠹s50G到大約6000G，適當?shù)貫榇蠹s100G到大約5000G。 磁鐵可以定向為產(chǎn)生軸向場(南北極方向與離子束路徑平行)或尖點場(cusp field)(南 北極方向與離子束路徑垂直，并且對于相鄰磁鐵而言，內(nèi)磁極在北極和南極之間交替)。軸 向場可以產(chǎn)生螺旋模式(稠密等離子)，而尖點場可以產(chǎn)生稠密等離子，但不是螺旋感應模 式。氣體入口 21位于真空室25的一端，離子噴射器沈的第一級23位于另一端。氣體入 口 21提供希望的燃料類型之一，其可以包括1H2、2H2、3H2、3He、和"B，或者可以包括1 3He和"B。入口 21處的氣體流通過質(zhì)量流量控制器(未顯示)進行適當調(diào)節(jié)，所述質(zhì)量流 量控制器可以由使用者控制或自動控制。射頻天線M適當?shù)鼐砝@在真空室25外面。替代 地，射頻天線對可以位于真空室25內(nèi)部。適當?shù)?，射頻天線M靠近真空室，以使得射頻天 線對發(fā)射的射頻輻射激勵真空室25的內(nèi)含物(S卩，燃料氣體)，例如，形成等離子。射頻天 線M包括具有一或多圈的管子27。射頻管或金屬線27可以由傳導性且可彎曲的材料制 成，例如，由銅、鋁或不銹鋼制成。
離子噴射器沈包括一或多個成形(shaped)級03，35)。離子噴射器的每一級包 括適當?shù)赜蓚鲗圆牧现瞥傻募铀匐姌O32，所述傳導性材料可以包括金屬和合金以提供離 子束的有效準直。例如，電極適當?shù)赜删哂械蜑R射系數(shù)的傳導性金屬，例如，鎢制成。其它適 當?shù)牟牧峡梢园ㄤX、鋼、不銹鋼、石墨、鉬、鉭等。射頻天線M的一端連接到射頻阻抗匹配 電路(未顯示)的輸出，另一端接地。射頻阻抗匹配電路可以對天線進行調(diào)頻以匹配產(chǎn)生 器所需阻抗并建立射頻共振。射頻天線M適當?shù)禺a(chǎn)生大范圍射頻頻率，包括但不限于OHz 到數(shù)十kHz、到數(shù)十MHz、到GHz或更大。射頻天線M可以通過外部水冷卻器(未顯示)進 行水冷，以使得它能夠在阻力變化最小的情況下容許高功率耗散。一圈射頻天線M中的匹 配電路可以連接到射頻能量產(chǎn)生器(未顯示)上。離子源20、匹配電路和射頻能量產(chǎn)生器 可以在最高加速器電位或略高電位處浮動(與地絕緣)，并且該電位可以通過電連接到高 壓電源獲得?？蓪ι漕l能量產(chǎn)生器進行遠程調(diào)節(jié)，以使得束流強度可以由使用者控制，或者 替代地，由計算機系統(tǒng)控制。連接到真空室25的射頻天線M適當?shù)厥谷剂洗_定地離子化， 產(chǎn)生離子束。用于產(chǎn)生離子的替代手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，可以包括微波放電、電子 碰撞電離和激光電離。
加速器30(圖6和圖7)適當?shù)匕ㄕ婵帐?6，其一端通過離子源對接法蘭31連 接到離子源20，另一端通過差動泵浦對接法蘭33連接到差動泵浦系統(tǒng)40。加速器的第一 級也是離子噴射器26的末級。至少一個圓形加速電極32 (適當?shù)?到50個，更適當?shù)?到 20個)可以沿著加速器真空室36的軸線隔開并且穿過加速器真空室36，同時允許保持真 空界限。加速電極32具有穿過其中心的孔(小于加速器室的孔)并且適當?shù)鼐约铀倨?真空室的縱向軸線(從離子源端到差動泵浦端)為中心以使離子束通過。加速電極32中 的孔的最小直徑隨著離子束強度或多個離子束而增大，直徑可以為大約Imm到大約20cm， 適當?shù)?，直徑為大約Imm到大約6cm。外部真空室36、加速電極32可以連接到防電暈環(huán)34 上，所述防電暈環(huán)減少電場并使電暈放電最小化。這些環(huán)可以浸在介電油或絕緣介電氣體，如SF6*。適當?shù)?，差動泵浦對接法蘭33(其便于連接到差動泵浦部分40上)位于加速器 出口處。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，加速器30的每個加速電極32可以由高壓電源(未顯示) 或者電阻分壓器網(wǎng)絡(未顯示)提供偏壓。對于大部分情況來說，分壓器由于其簡單性可 為最適合的構(gòu)造。在具有電阻分壓器網(wǎng)絡的構(gòu)造中，加速器的離子源端可以連接到高壓電 源上，第二到最后一個加速器電極32可接地。加速器電極32的中間電壓可以由電阻分壓 器設定。加速器的末級通過最后的加速電極適當?shù)丶迂撈珘阂苑乐箒碜园惺业碾娮踊亓髦?加速器30中。
在一個替代實施例中，可以使用直線加速器(例如，射頻四極子(quadrapole))代 替如上所述的加速器30。與如上所述的加速器30相比，直線加速器的效率變低，尺寸更大。 直線加速器的第一端可連接到離子源20，另一端連接到差動泵浦系統(tǒng)40。直線加速器可以 使用射頻代替直流和高壓以獲得高粒子能量，它們可以如本領(lǐng)域已知那樣進行構(gòu)造。
差動泵浦系統(tǒng)40 (圖8和圖9)包括減壓隔板42，其將差動泵浦系統(tǒng)40適當?shù)胤?離成至少一級。每個減壓隔板42適當?shù)匕ū嵭陌寤蛘咭换蚨鄠€長的細管，典型地直徑 為1到IOcm且中心具有小孔，適當?shù)刂睆綖榇蠹s0. Imm到大約10cm，更適當?shù)貫榇蠹sImm 到大約6cm。每一級包括真空室44、相關(guān)的減壓隔板42和真空泵17，每個真空泵具有真空 泵排氣口 41。每個真空室44可以具有一或多個，適當?shù)?到4個真空泵17，取決于是否為 3、4、5或6端口真空室44。真空室44的端口中的兩個適當?shù)囟ㄏ蛴谑€(beamline)上并 用于離子束從差動泵浦系統(tǒng)40進入和離開。每個真空室44的端口還可位于與減壓隔板42 相同的位置。每個真空室44的其余端口適當?shù)赝ㄟ^CF(Conflat)法蘭連接到真空泵17或 者可以連接到各種儀器或控制裝置。來自真空泵17的排氣通過真空泵排氣口 41供給到附 加的真空泵或壓縮機(如果需要附加的真空泵或壓縮機的話，未顯示)中并且供給到氣體 過濾系統(tǒng)50中。替代地，如果需要，這個附加的真空泵可以位于氣體過濾系統(tǒng)50和靶室60 或70之間。如果存在附加的壓縮級，它可以位于真空泵17和過濾系統(tǒng)50之間。差動泵浦 部的一端通過加速器對接法蘭45連接到加速器30，位于束出口 46處的另一端通過靶室對 接法蘭43連接到靶室(60或70)。差動泵浦系統(tǒng)40還可以包括紊流產(chǎn)生設備(未顯示) 以擾亂層流。紊流產(chǎn)生設備可以限制流體流動并且可以包括表面凸起或其它特征或者其組 合以擾亂層流。紊流典型地慢于層流并因此可以減少流體從靶室滲漏到差動泵浦部中的速 率。
在一些結(jié)構(gòu)中，減壓隔板42由等離子窗(plasma windows)代替或加強。等離子 窗包括與減壓隔板所用小孔類似的小孔。然而，在孔上方形成稠密等離子以限制氣體流過 小孔，同時仍然允許離子束通過。磁場或電場形成在孔中或附近以將等離子固定就位。
氣體過濾系統(tǒng)50適當?shù)卦谄湔婵毡酶綦x閥51處連接到差動泵浦系統(tǒng)40的真空 泵排氣口 41或附加的壓縮機(未顯示)上。氣體過濾系統(tǒng)50 (圖10)包括一或多個壓力 室或“捕集器(traps)”(13，15)，真空泵排氣口 41的排氣流過它們。捕集器適當?shù)夭东@可 能逃脫靶室或離子源的流體雜質(zhì)，其中所述流體雜質(zhì)例如可能從大氣泄漏到系統(tǒng)中。捕集 器可以利用液氮冷卻到深冷溫度(LN捕集器，1幻。這樣，冷液體捕集器13、15適當?shù)厥估?如大氣污染物的氣體液化并保留在捕集器13、15中。在流過串聯(lián)連接的一或多個LN捕集 器15之后，氣體適當?shù)亓飨蜮佄鼩鈩?getter)捕集器13，其吸收例如氘的污染氫氣，例如氘的污染氫氣可能逃脫靶室或離子源而不然會污染靶室。吸氣劑捕集器13的出口適當?shù)?通過氣體過濾系統(tǒng)50的靶室隔離閥52連接到靶室60或70。如果人們想使氣體恒定地流 入系統(tǒng)中并且將其通過真空泵排氣口 41排出到另一個真空泵排氣口(未顯示)和系統(tǒng)外 面的話，氣體過濾系統(tǒng)50可以從裝置10上整體拆下。在沒有氣體過濾系統(tǒng)50的情況下， 設備10的操作不會發(fā)生本質(zhì)上的改變。作為中子源的設備10可以不包括氣體過濾系統(tǒng)50 的吸氣劑捕集器13。
真空泵隔離閥51和靶室隔離閥52可便于將氣體過濾系統(tǒng)50與裝置的其余部分 隔離并且在捕集器中氣體飽和時通過泵出閥53連接到外部泵(未顯示)。這樣，如果真空 泵隔離閥51和靶室隔離閥52關(guān)閉的話，泵出閥53可以打開以用泵抽出雜質(zhì)。
靶室60 (針對磁性系統(tǒng)10的圖11和圖12)或者靶室70 (針對線性系統(tǒng)11的圖 13和圖14)可以充以靶氣體以達到一定壓力，該壓力為大約0到大約100托，大約100毫托 到大約30托，適合地大約0. 1到大約10托，適合地大約100毫托到大約30托。靶室60或 70的具體幾何形狀可以根據(jù)其主要應用進行改變并且可以包括許多變型。對于線性系統(tǒng) 14來說，靶室可適當?shù)貫殚L度為大約IOcm到大約5m，直徑為大約5mm到大約IOOcm的筒體。 當在混合反應堆中使用時，靶室布置成在其中心提供活化柱(activation column)。聚變部 布置成引導束穿過靶室，但在活化柱外面。因此，束基本上在環(huán)形空間內(nèi)行進。適當?shù)兀瑢?于線性系統(tǒng)14來說，靶室70的長度可為大約0. Im到大約2m，直徑為可大約30到50cm。
對于磁性系統(tǒng)12來說，靶室60可類似于厚的扁餅(pancake)，高度為大約IOcm到 大約lm，直徑為大約IOcm到大約10m。適當?shù)?，對于磁性系統(tǒng)12來說，靶室60的高度可為 大約20cm到大約50cm，直徑可為大約50cm。對于磁性靶室60來說，一對永久磁鐵或電磁 鐵(離子約束磁鐵12)可以位于扁餅的表面上，位于真空壁外面或者圍繞靶室外徑(參見 圖11和圖12)。磁鐵適當?shù)赜砂ǖ幌抻阢~和鋁、或者用于電磁鐵的超導體或NdFeB的 材料制成。磁鐵的磁極定向成使它們在靶室容積內(nèi)產(chǎn)生軸向磁場。磁場利用磁路進行適當 地控制，所述磁路包括高導磁性的磁性材料，如1010鋼、高導磁合金(mu-metal)或其它材 料。磁性靶室的尺寸和磁束能量根據(jù)等式(1)確定場強度
r = 1.44√E/B(1)
對于氘核而言，其中，r單位為米，E為以eV為單位表示的束能量，B為以高斯為單 位表示的磁場強度。磁鐵可以定向成與扁餅的平坦表面平行并極化成使得磁場與來自加速 器30的束方向垂直，即，磁鐵可以安裝到靶室頂部和底部以使離子再循環(huán)。在使用磁性靶 室60的另一個實施例中，在靶室的頂部和底部上適當?shù)卦O置附加的磁鐵以在磁性靶室的 任一端部(頂部和底部)上產(chǎn)生鏡像磁場，其在靶室的兩端部產(chǎn)生更強磁場的局部區(qū)域，產(chǎn) 生鏡像效應，這導致離子束被遠離靶室的端部反射。產(chǎn)生鏡像磁場的這些附加磁鐵可以是 永久磁鐵或電磁鐵。還希望在靶室的徑向邊緣附近提供更強磁場以產(chǎn)生類似的鏡像效應。 同樣，可以使用成形磁路(shaped magnetic circuit)或附加磁鐵以提供所需的強磁場。靶 室的一端通過差動泵浦對接法蘭33操作連接到差動泵浦系統(tǒng)40，氣體再循環(huán)端口 62允許 氣體從氣體過濾系統(tǒng)50再次進入靶室。靶室還可以包括饋通端口(feedthrough ports) (未顯示)以允許連接各種同位素產(chǎn)生設備。
在靶室60的磁性構(gòu)造中，磁場在靶室中約束離子。在靶室70的線性構(gòu)造中，射入 的離子由靶氣體約束。當用作質(zhì)子或中子源時，靶室可能需要防護措施以保護裝置的操作人員不受輻射，防護措施可以由適當?shù)貫橹辽僖挥⒊吆竦幕炷翂μ峁?。替代地，裝置可以 存放在地下或者鋼骨水泥掩體中，遠離使用者，或者可以使用水或其它流體，或者其組合作 為防護措施。
差動泵浦系統(tǒng)40和氣體過濾系統(tǒng)50可以裝入靶室60或70中。差動泵浦系統(tǒng)40 適于提供離子束，而氣體過濾系統(tǒng)50供應過濾氣體流以填充靶室。另外，在同位素產(chǎn)生的 情況下，真空饋通件(未顯示)可以安裝到靶室60或70以允許同位素提取系統(tǒng)90連接到 外面。
包括同位素產(chǎn)生系統(tǒng)63的同位素提取系統(tǒng)90可以具有任意的多種構(gòu)造以提供母 化合物或材料并移除在靶室內(nèi)或附近產(chǎn)生的同位素。例如，同位素產(chǎn)生系統(tǒng)63可以包括 活化管64(圖12和14)，其是剛好適配在圓筒形靶室內(nèi)并具有壁65的密繞螺線管。替代 地，在具有離子約束系統(tǒng)80的扁餅型靶室的情況下，它可以包括沿靶室圓周覆蓋裝置的螺 線管(helix)和兩個旋管(spirals)，這兩個旋管分別位于扁餅的頂部表面和底部表面上， 并且全部串聯(lián)連接。在這些構(gòu)造中使用的活化管64的壁部65強度足夠大以防止破裂，但 是足夠薄以使超過14MeV(大約10到20MeV)的質(zhì)子可穿過它們，同時仍然保持其大部分能 量。根據(jù)材料而定，管壁的厚度為大約0.01mm到大約1mm，適當?shù)貫榇蠹s0. 1mm。管壁適當 地由不會產(chǎn)生中子的材料制成。薄壁管可以由例如鋁、碳、銅、鈦或不銹鋼的材料制成。饋 通件(未顯示)可以將活化管64連接到系統(tǒng)外面，其中富含子化合物或產(chǎn)品化合物的流體 可以流到用于冷卻的熱交換器(未顯示)和使子化合物或產(chǎn)品同位素化合物從母化合物、 子化合物和雜質(zhì)的混合物分離的化學分離器(未顯示)。
在另一種結(jié)構(gòu)中，如圖15所示，高速泵100位于加速器30和靶室60或70之間。 高速泵100可以代替差動泵浦系統(tǒng)40和/或氣體過濾系統(tǒng)50。高速泵適當?shù)匕ㄒ换蚨?個葉片或轉(zhuǎn)子102和操作連接到控制器108的定時信號104。高速泵可以與來自加速器部 的離子束同步，以使得當間隙106與離子束對準時，允許一或多個離子束穿過位于葉片102 之間或葉片102中的至少一個間隙106?？梢酝ㄟ^沿著泵軸或在至少一個葉片上設置一或 多個標記來形成定時信號104。標記可以是本領(lǐng)域已知的光學、磁性或者其它適當?shù)臉擞洝?定時信號104可以指示葉片102或間隙106的位置以及是否存在與離子束對準的間隙以允 許離子束從加速器30的第一級35穿過高速泵100到達靶室60或70。定時信號104可以 用作離子束提取電壓的門脈沖開關(guān)，用以允許離子束離開離子源20和加速器30并進入高 速泵100。當從離子源20通過系統(tǒng)流到加速器30、高速泵100和靶室60或70時，束可以在 離子束與間隙106對準時接通一段時間，隨后在離子束與間隙106不對準之前和期間斷開。 定時信號104和離子束的協(xié)調(diào)可以由控制器108協(xié)調(diào)。在控制器108的一個實施例中(圖 18)，控制器108可以包括脈沖處理單元110、高壓隔離單元112和高速開關(guān)114，用以將加 速器30的電壓控制在抑制電壓(離子束斷開；差可為5-10kV)和提取電壓(離子束接通； 差可為20kV)之間。定時信號104適當?shù)禺a(chǎn)生延時通過的邏輯脈沖或者本領(lǐng)域已知的其它 邏輯或適當方式。脈沖處理單元110可以改變高速泵的渦輪機以適應延時，高速開關(guān)114可 以是MOSFET開關(guān)或本領(lǐng)域已知的其它適當?shù)拈_關(guān)技術(shù)。高壓隔離單元112可以是光纖連 接裝置或者本領(lǐng)域已知的其它適當?shù)倪B接裝置。例如，定時信號104可在葉片102的每一 轉(zhuǎn)只指示一次是否存在間隙106，單脈沖可以通過控制器108向一組電子儀器發(fā)信號以在 葉片每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一組η個脈沖，其中，在葉片一轉(zhuǎn)中存在η個間隙。替代地，定時信號104可以在葉片一轉(zhuǎn)期間給m個間隙中的每一個指示是否存在間隙106，m個脈沖可以通過控制器 108分別給一組電子儀器發(fā)送信號以在葉片每轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一個脈沖，其中，在葉片旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)中 存在m個間隙。邏輯脈沖可以通過控制器108傳給或協(xié)調(diào)給加速器部35的第一級(離子提 取器)，使得邏輯脈沖觸發(fā)加速器部35的第一級以從抑制狀態(tài)改變到提取狀態(tài)，反之亦然。 例如，如果加速器為+300kV，則當高速泵100中不存在間隙106時，加速器35的第一級可以 被加偏壓至+295kV，以使得正離子束不會從+295kV流向+300kV，當高速泵100中存在間隙 106時，加速器35的第一級可以被加偏壓至+310kV，以使得離子束穿過加速器30并穿過高 速泵100中的間隙106到達靶室60或70。抑制和提取狀態(tài)之間的電壓差可以是較小的變 化，例如大約IkV到大約50kV，適當?shù)貫榇蠹sIOkV到大約20kV。小的電壓變化可便于在抑 制(圖17)和提取(圖16)狀態(tài)之間快速變換。定時信號104和控制器108可以通過本領(lǐng) 域已知的任一適當裝置操作，包括但不限于半導體和光纖。離子束通斷的時間周期取決于 例如葉片102的旋轉(zhuǎn)速度、葉片或間隙106的數(shù)量以及葉片或間隙的尺寸等因素。
在PET掃描中使用的同位素18F和1M可以利用如圖12和14所示布置方案由每 個聚變部內(nèi)的核反應產(chǎn)生。這些同位素可以通過質(zhì)子轟擊由其母同位素(180(用于18F)和 160(用于13N))產(chǎn)生。母源可以是流體，例如水01^0或H216O),其可以通過外部泵浦系統(tǒng) (未顯示)的作用而流過同位素產(chǎn)生系統(tǒng)并與靶室中的高能質(zhì)子發(fā)生反應以產(chǎn)生希望的子 化合物。為了產(chǎn)生18F或13N,使水(分別地，H2wO或H216O)流過同位素產(chǎn)生系統(tǒng)63，由上述 聚變反應產(chǎn)生的高能質(zhì)子可以穿過管64的壁并且撞擊母化合物，導致產(chǎn)生18F或1M的(p， α)反應。例如，在封閉系統(tǒng)中，富含同位素的水可以隨后被循環(huán)通過熱交換器(未顯示) 以冷卻流體并隨后流入化學過濾器(未顯示)，例如離子交換樹脂中，以使同位素從流體分 離。水混合物可以隨后再循環(huán)到靶室(60或70)中，同時，將同位素儲存在過濾器、灌注器 中或者通過本領(lǐng)域已知的其它適當裝置儲存，直到產(chǎn)生足夠的同位系以進行成像或其它程 序為止。
盡管上文描述了管狀旋管，仍然存在可用于產(chǎn)生相同或其它放射性核素的許多其 它幾何形狀。例如，同位素產(chǎn)生系統(tǒng)63可以適當?shù)貫槠叫械沫h(huán)路或者具有肋部的平板。在 另一個實施例中，水套可以附接到真空室壁。對于18F或"N產(chǎn)生來說，旋管可以由任意數(shù)量 包括薄窗的薄壁幾何構(gòu)造代替，或者可以由包含高氧濃度并且可在變質(zhì)之后被去除并處理 的固態(tài)物質(zhì)代替。其它同位素可以用其他裝置產(chǎn)生。
參考圖1和3，現(xiàn)在將描述聚變部的操作。在聚變部之一操作之前，相應的靶室60 或70通過首先使例如3He的靶氣體預先流過電源斷開的離子源20而適當?shù)靥畛?，允許氣 體流過設備10并流入靶室。在操作中，例如2H2的反應氣體進入離子源20并且通過射頻 場進行正電離以形成等離子22。當真空室25內(nèi)的等離子22朝向離子噴射器沈擴散時， 等離子22開始受加速器30中的更大負電位的影響。這使陽離子朝向靶室60或70加速。 離子源20中的各級(23和25)的加速電極32使一個或多個離子束準直，使每一離子束在 加速器30的整個第一級上具有幾乎均勻的離子束型式。替代地，加速器30的第一級可以 使得能夠?qū)﹄x子束進行脈沖調(diào)制或者通/斷切換。當束繼續(xù)穿過加速器30時，它在每一級 獲得附加能量，在到達加速器30的最后一級時，能量達到高達5MeV，高達IMeV,適當?shù)馗?達500keV，適當?shù)?0keV到5MeV，適當?shù)?0keV到500keV，并且適當?shù)?到IOAmps，適當?shù)?10到lOOmAmps。該電位由能夠產(chǎn)生希望電壓的外部電源(未顯示)提供。來自離子源20的一些中性氣體還可能泄漏到加速器30中，但是加速器30中的壓力通過差動泵浦系統(tǒng)40 或同步高速泵100保持在最低限度以避免超壓和系統(tǒng)故障。束以高速度繼續(xù)進入差動泵浦 40，在該處它以最小限度的相互作用穿過具有較低壓力、短路徑長度的級。它從此處繼續(xù)進 入靶室60或70，撞擊適當?shù)?到100托、適當?shù)?00毫托到30托、適當?shù)?到20托的高密 度靶氣體，減速并發(fā)生核反應。發(fā)射的核粒子可以是大約0. 3MeV到大約30MeV質(zhì)子，適當 地大約IOMeV到大約20MeV質(zhì)子，或者大約0. IMeV到大約30MeV中子，適當?shù)卮蠹s2MeV到 大約20MeV中子。
在線性靶室70的實施例中，離子束沿大約直線繼續(xù)前進并且撞擊高密度靶氣體 以發(fā)生核反應直至離子束停止。
在磁性靶室60的實施例中，離子束彎曲成大約螺旋路徑，其軌道半徑(對于氘離 子，2H)由等式(2)給出
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合核反應堆，該反應堆包括 用于由氣體產(chǎn)生離子束的離子源；包括靶的靶室，所述靶與離子束相互作用以產(chǎn)生中子；緊靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料與中子相互作用以通過裂變反應 產(chǎn)生醫(yī)用同位素；緊靠活化室定位并選擇為將裂變反應保持在次臨界水平的衰減物； 緊靠靶室定位并選擇為朝向活化室反射中子的反射物；和 基本上圍繞活化室、衰減物和反射物的減速劑。
2.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，使用射頻共振產(chǎn)生離子束。
3.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，還包括位于離子源和靶室之間并用于加速離子 束的離子的加速器。
4 如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，所述氣體包括氘和氚之一，所述靶包括氘 和氚中的另一種。
5.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，靶室限定了基本上線性的長靶路徑。
6.如權(quán)利要求
5所述的混合核反應堆，還包括至少一個磁鐵，所述至少一個磁鐵定位 成限定在所述長靶路徑的至少一部分內(nèi)使離子束準直的磁場。
7.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，靶室限定了基本上螺旋形的長靶路徑。
8.如權(quán)利要求
7所述的混合核反應堆，還包括至少一個磁鐵，所述至少一個磁鐵定位 成限定沿螺旋形路徑引導離子束的磁場。
9.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，離子源和靶室共同至少部分地限定多個 聚變反應堆之一。
10.如權(quán)利要求
9所述的混合核反應堆，其中，所述多個聚變反應堆中每個的靶室相互 配合以基本上圍繞一圓筒形空間。
11.如權(quán)利要求
10所述的混合核反應堆，其中，活化室基本上為環(huán)形并且位于該圓柱 形空間內(nèi)。
12.如權(quán)利要求
11所述的混合核反應堆，其中，衰減物位于環(huán)形活化室內(nèi)部并且反射 物基本上圍繞多個靶室。
13.如權(quán)利要求
1所述的混合核反應堆，其中，母材料是低濃^5U并且醫(yī)用同位素是99Mo0
14.一種用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合核反應堆，該反應堆包括聚變部，該聚變部包括布置在基本上環(huán)繞一空間的靶室內(nèi)的長靶路徑，該聚變部用于 在靶室內(nèi)產(chǎn)生中子通量；反射物，該反射物位于靶室外面并布置成將中子通量的一部分朝向所述空間反射； 活化室，該活化室位于所述空間內(nèi)并包括母材料，所述母材料與中子通量的一部分發(fā) 生反應以在裂變反應期間產(chǎn)生醫(yī)用同位素；衰減物，該衰減物位于活化室內(nèi)并選擇為將裂變反應保持在次臨界水平；和 減速劑，該減速劑基本上圍繞活化室、衰減物和反射物。
15.如權(quán)利要求
14所述的混合核反應堆，其中，聚變反應堆包括用于由氣體產(chǎn)生離子 束的射頻天線。
16.如權(quán)利要求
15所述的混合核反應堆，還包括定位成接收離子束并使離子束朝向靶 路徑加速的加速器，所述靶路徑包括靶材料。
17.如權(quán)利要求
16所述的混合核反應堆，其中，所述氣體包括氘和氚之一，所述靶材料 包括氘和氚中的另一種。
18.如權(quán)利要求
14所述的混合核反應堆，其中，所述靶路徑基本上為線性。
19.如權(quán)利要求
18所述的混合核反應堆，還包括至少一個磁鐵，所述至少一個磁鐵定 位成限定在所述靶路徑的至少一部分內(nèi)使離子束準直的磁場。
20.如權(quán)利要求
14所述的混合核反應堆，其中，所述靶路徑基本上為螺旋形。
21.如權(quán)利要求
20所述的混合核反應堆，還包括至少一個磁鐵，所述至少一個磁鐵定 位成限定沿螺旋形靶路徑引導離子束的磁場。
22.如權(quán)利要求
14所述的混合核反應堆，其中，所述聚變反應堆是多個聚變反應堆之 一，每個聚變反應堆包括基本上環(huán)繞所述空間的一部分的靶路徑。
23.如權(quán)利要求
22所述的混合核反應堆，其中，所述活化室基本上為環(huán)形。
24.如權(quán)利要求
23所述的混合核反應堆，其中，衰減物位于環(huán)形活化室內(nèi)部并且反射 物基本上圍繞多個靶路徑。
25.如權(quán)利要求
14所述的混合核反應堆，其中，母材料是低濃m5U并且醫(yī)用同位素是99Mo。
26.—種產(chǎn)生醫(yī)用同位素的方法，該方法包括 激勵氣體以產(chǎn)生離子束；加速該離子束；使加速的離子束通過包括靶氣體的長靶路徑，所述靶氣體和離子通過聚變反應發(fā)生反 應以產(chǎn)生中子；利用位于長靶路徑徑向外側(cè)的反射物反射所述中子的一部分； 將母材料定位在鄰近長靶路徑的活化室內(nèi)； 在母材料和一部分中子之間維持裂變反應以產(chǎn)生醫(yī)用同位素； 使衰減物鄰近活化室定位；和在衰減物內(nèi)將一部分中子轉(zhuǎn)化為熱中子以在活化室內(nèi)加強裂變反應。
27.如權(quán)利要求
沈所述的方法，其中，使用射頻輻射激勵氣體。
28.如權(quán)利要求
沈所述的方法，其中，所述氣體包括氘和氚之一，所述靶氣體包括氘和 氚中的另一種。
29.如權(quán)利要求
沈所述的方法，還包括通過使一部分熱中子與母材料發(fā)生反應來產(chǎn)生 額外的醫(yī)用同位素。
30.如權(quán)利要求
沈所述的方法，其中，母材料是低濃m5U并且醫(yī)用同位素是"Mo。
31.一種產(chǎn)生醫(yī)用同位素的方法，該方法包括 激勵氣體以產(chǎn)生離子束；加速該離子束；使加速的離子束通過包括靶氣體的基本上線性的靶路徑，所述靶氣體和離子通過聚變 反應發(fā)生反應以產(chǎn)生自由中子；利用位于靶路徑徑向外側(cè)的反射物反射所述自由中子的一部分；將母材料定位在鄰近靶路徑的活化室內(nèi)；和使自由中子和母材料發(fā)生反應以在不使用裂變材料的情況下產(chǎn)生醫(yī)用同位素。
32.如權(quán)利要求
31所述的方法，還包括建立定向成使離子束準直以抑制散射的磁場。
33.如權(quán)利要求
31所述的方法，其中，所述氣體包括氘和氚之一，所述靶氣體包括氘和 氚中的另一種。
34.如權(quán)利要求
31所述的方法，還包括將一部分自由中子轉(zhuǎn)化成熱中子以及通過使一 部分熱中子與母材料發(fā)生反應產(chǎn)生額外的醫(yī)用同位素。
35.如權(quán)利要求
31所述的方法，其中，母材料包括98Mo,并且醫(yī)用同位素是"Mo。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于產(chǎn)生醫(yī)用同位素的混合核反應堆，其包括用于由氣體產(chǎn)生離子束的離子源；包括靶的靶室，所述靶與離子束相互作用以產(chǎn)生中子；和緊靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料與中子相互作用以通過裂變反應產(chǎn)生醫(yī)用同位素。衰減物緊靠活化室定位并選擇為將裂變反應保持在次臨界水平，反射物緊靠靶室定位并選擇為朝向活化室反射中子，并且減速劑基本上圍繞活化室、衰減物和反射物。
文檔編號G21C1/30GKCN102084434SQ200980123452
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月1日
發(fā)明者G·皮費爾 申請人:陽光醫(yī)療技術(shù)公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan