用于同位素产生系统的自屏蔽靶 |
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| 申请号 | CN201180030290.9 | 申请日 | 2011-03-23 | 公开(公告)号 | CN102960074A | 公开(公告)日 | 2013-03-06 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | T.埃里克松; J.O.诺尔林; | ||||
| 摘要 | 提供用于同位素产生系统的自屏蔽靶。该靶包括：主体，其配置成封入靶材料且具有用于带电 粒子束 的通路；以及主体内的构件，其中，带电粒子束在构件中诱导 放射性 。另外，主体的至少一部分由具有比 铝 的 密度 值更大的密度值的材料形成以屏蔽该构件。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种用于同位素产生系统的靶，所述靶包括： |
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| 说明书全文 | 用于同位素产生系统的自屏蔽靶技术领域[0001] 本文所公开的主题大体上涉及同位素产生系统，且更特定而言涉及同位素产生系统的靶的屏蔽。 背景技术[0002] 放射性同位素(也称为放射性核素)具有在医学治疗、成像和研究中的若干应用，以及非医学相关的其它应用。产生放射性同位素的系统通常包括粒子加速器，例如回旋加速器，其具有包围加速腔室的磁轭。加速腔室可包括彼此间隔开的相对极顶(pole top)。可在加速腔室内生成电场和磁场，以使带电粒子加速且沿着极之间的螺旋状轨道引导带电粒子。为了产生放射性同位素，回旋加速器形成带电粒子束并将粒子束导出加速腔室且朝向具有靶材料(也称为起始材料)的靶系统。粒子束入射到靶材料上，从而生成放射性同位素。 [0003] 在同位素产生系统的操作期间，大量辐射(即，对附近个人而言不健康的辐射水平)通常在靶系统内且单独地在回旋加速器内生成。例如，关于靶系统，当束入射到靶材料上时，可生成来自中子和伽马射线的辐射。关于回旋加速器，加速腔室内的离子可与其中的气体粒子碰撞并变成中性粒子，中性粒子不再受加速腔室内的电场和磁场影响。这些中性粒子继而还可与加速腔室壁碰撞并产生二次伽马辐射。 [0004] 因此，在产生例如用于正电子发射断层显像(PET)应用的放射性同位素期间，起始材料(约束于靶系统中)通常用高能粒子辐照。因此，靶系统和用于构造靶系统的材料也暴露于高能粒子且因此也将为高度放射性的。靶系统的高度放射性活化使设备的维修和操纵通常非常耗时且成本高，特别是由于需要等待降低到可接受的辐射水平，这可能花费至少24小时。甚至在该时段后，在靠近系统时需要防范措施，因为辐射暴露水平严格受法律管制。因此，这种设备的维修也是困难的，因为维修人员可快速地达到最大年度极限。因此，为了减小每人的剂量负荷，可能需要相对大量的人来共享合理水平的剂量。 [0005] 为了保护附近的个人避免辐射(例如，医院的员工或患者)，同位素产生系统可使用屏蔽件来衰减或阻挡辐射。在常规的同位素产生系统中，辐射(例如，辐射泄漏)的屏蔽已经通过添加包围回旋加速器和靶系统两者的大量屏蔽来解决。然而，大量屏蔽可能成本高且对同位素产生系统所处的房间而言太重。备选地或除大量屏蔽以外，同位素产生系统可位于专门设计的一个或更多房间内。例如，回旋加速器和靶系统可处于单独的房间中或者具有分隔二者的大壁。发明内容 [0006] 根据各种实施例，提供一种用于同位素产生系统的靶。该靶包括：主体，其配置成封入靶材料且具有用于带电粒子束的通路；以及主体内的构件，其中，带电粒子束在构件中诱导放射性。另外，主体的至少一部分由具有比铝的密度值更大的密度值的材料形成以屏蔽构件。 [0007] 根据其它各种实施例，提供一种包括加速器的同位素产生系统。加速器包括磁轭且还具有加速腔室。同位素产生系统还包括靶系统，其邻近加速腔室或在离加速腔室一距离处定位，回旋加速器配置成将粒子束从加速腔室引导至靶系统。靶系统配置成保持靶材料且为自屏蔽的以衰减来自靶系统内的一个或更多激活零件的辐射，并且还包括封入靶材料的一个或更多外壳部，其中，外壳部中的至少一个与激活零件对准且由具有大于铝的密度的材料形成。 [0008] 根据仍然其它实施例，一种用于产生同位素产生系统用的屏蔽靶的方法包括：由3 具有大于5 g/cm 的密度值的材料形成靶外壳的一个或更多部分。该方法还包括用靶外壳的部分中的至少一个封入放射性激活构件。 附图说明 [0009] 图1为根据各种实施例形成的具有自屏蔽靶系统的同位素产生系统的框图。 [0010] 图2为根据各种实施例形成的靶系统用的靶主体的透视图。 [0011] 图3为图2的靶主体的另一透视图。 [0012] 图4为图2的靶主体的分解图，示出了其中的构件。 [0013] 图5为图2的靶主体的另一分解图，示出了其中的构件。 [0014] 图6为根据各种实施例形成的自屏蔽靶布置的简化框图。 [0015] 图7为根据各种实施例提供用于同位素产生系统的自屏蔽靶的方法的流程图。 具体实施方式[0016] 当结合附图阅读时，前文的总结以及某些实施例的下述详细描述将更好理解。附图在某一程度示出各种实施例的框图，框未必表示硬件之间的划分。因此，例如，可在单件硬件或多件硬件中实施框中的一个或更多。应当理解，各种实施例不限于图中所示的布置和机构。 [0017] 如本文所用的，以单数形式陈述且前面有词“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非明确地陈述这种排除。另外，对“一个实施例”的提及并不意图被理解为排除也合并所述特征的额外实施例的存在。此外，除非明确地陈述为相反，“包括”或“具有”具有特定性质的元件或多个元件的实施例可包括没有该性质的额外的此类元件。 [0018] 各种实施例提供了用于同位素产生系统的自屏蔽靶系统，其使用更高密度的材料来形成靶系统的部分，特别是封入易于高度放射性活化的构件的部分。更高密度材料提供更高的伽马辐射衰减，以减小例如对人的伽马辐射暴露水平。在各种实施例中，激活零件(例如，高度激活零件)周围的支撑结构(例如，外壳的一部分)由高密度/高衰减材料构成，使得靶系统外部的辐射水平/剂量率减小。因此，提供同位素产生系统用的靶系统的主动屏蔽件。不仅在操作期间，而且在运输、维护和储存靶系统时屏蔽靶系统的激活零件。 [0019] 根据各种实施例形成的自屏蔽靶系统可用在不同类型和配置的同位素产生系统中。例如，图1为根据各种实施例形成的同位素产生系统100的框图，在其中可提供自屏蔽靶系统。系统100包括具有若干子系统的回旋加速器102，子系统包括离子源系统104、电场系统106、磁场系统108和真空系统110。在回旋加速器102的使用期间，带电粒子放置在回旋加速器102内或者通过离子源系统104喷射到回旋加速器102中。磁场系统108和电场系统106生成相应的场，其在产生带电粒子的粒子束112方面相互合作。 [0020] 而且如图1所示，系统100具有引出系统(extraction system)115和靶系统114，靶系统114包括靶材料116。靶系统114可邻近回旋加速器102定位且为自屏蔽的，如在本文中更详细描述的。为了生成同位素，粒子束112由回旋加速器102引导穿过引出系统115沿着束传输路径或束通道117进入靶系统114内，使得粒子束112入射到位于对应靶位置120的靶材料116上。当用粒子束112辐照靶材料116时，可生成来自中子和伽马射线的辐射，其可激活靶系统114的部分，例如靶系统114的箔部分。 [0021] 应当指出，在一些实施例中，回旋加速器102和靶系统114不由空间或间隙分开(例如，以一距离分开)且/或不是单独的零件。因此，在这些实施例中，回旋加速器102和靶系统114可形成单个构件或零件，从而不提供在构件或零件之间的束通道117。 [0022] 系统100可具有多个靶位置120A至120C，单独的靶材料116A至116C位于这些位置。转移装置或系统(未示出)可用于关于粒子束112转移靶位置120A至120C，使得粒子束112入射到不同的靶材料116上。在转移过程中也可维持真空。备选地，回旋加速器102和引出系统115可不沿着仅仅一条路径引导粒子束112，而是可沿针对每个不同靶位置120A至120C的独特路径引导粒子束112。而且，束通道117从回旋加速器102到靶位置120可为基本线性的，或备选地，粒子通道117可在沿着其的一个或更多点处弯曲或转弯。例如，位于束通道117旁边的磁体可配置成沿不同路径使粒子束112改变方向。 [0023] 具有这些子系统中的一个或更多的同位素产生系统和/或回旋加速器的示例描述在美国专利No. 6,392,246、6,417,634、6,433,495和7,122,966中以及在美国专利申请公开No. 2005/0283199中。额外示例还提供在美国专利No. 5,521,469、6,057,655、7,466,085和7,476,883中。而且，可用于本文所述的实施例的同位素产生系统和/或回旋加速器也描述在共同未决的美国专利申请No. 12/492,200、12/435,903、12/435,949和 12/435,931中。 [0024] 系统100配置成产生放射性同位素(也称为放射性核素)，其可用于医学成像、研究和治疗中，但也用于非医学相关的其它应用，例如科研或分析。当用于医学目的时，例如在核医学(NM)成像、正电子发射断层显像(PET)成像中时，放射性同位素也可称为示踪物。例如，系统100可生成质子来形成不同的同位素。此外，系统100还可生成质子或氘核以便产生例如不同的气体或标记水。 [0025] 在一些实施例中，系统100使用1H-技术且将带电粒子带到束电流约10-30μA的低能量(例如，约8 MeV)。在这样的实施例中，负氢离子通过回旋加速器102被加速和引导到引出系统115中。负氢离子然后可撞击引出系统115的剥离箔(在图1中未示出)，从1 + 而移除一对电子并使粒子为正离子，H。然而，在备选实施例中，带电粒子可为正离子，例如 1 + 2 + 3 + H、H 和 He。在这样的备选实施例中，引出系统115可包括静电偏转器，其形成引导粒子束朝向靶材料116的电场。应当指出，各种实施例并不限于用在低能系统中，而是可用于例如高达25 MeV和更高束电流的更高能量系统中。 [0026] 系统100可包括冷却系统122，其将冷却或工作流体传输到不同系统的各种构件，以便吸收由相应构件生成的热。系统100还可包括控制系统118，其可由技术员使用以控制各种系统和构件的操作。控制系统118可包括一个或更多用户接口，其靠近或远离回旋加速器102和靶系统114定位。虽然在图1中未示出，但系统100还可包括用于回旋加速器102和靶系统114的一个或更多辐射和/或磁性屏蔽件，如在下文更详细描述的。 [0027] 系统100可产生预定量或成批的同位素，例如用于医学成像或治疗的个人剂量。因此，可提供具有不同活性水平的同位素。 [0028] 系统100可配置成使带电粒子加速到预定能量水平。例如，本文所述的一些实施例使带电粒子加速到约18 MeV或更少的能量。在其它实施例中，系统100使带电粒子加速到约16.5 MeV或更少的能量。在特定实施例中，系统100使带电粒子加速到约9.6 MeV或更少的能量。在更特定的实施例中，系统100使带电粒子加速到约8 MeV或更少的能量。其它实施例使带电粒子加速到约18 MeV或更多的能量，例如20 MeV或25 MeV。 [0029] 靶系统114包括自屏蔽靶，其具有自屏蔽的靶主体300，如在图2至图5中示出的。在图2和图3中被示出组装(且在图4和图5中以分解图示出)的自屏蔽靶主体300由三个构件形成，这三个构件限定自屏蔽靶主体300的外部结构。特别地，自屏蔽靶主体300的外部结构由外壳部302(例如，前外壳部或凸缘)、外壳部304(例如，冷却外壳部或凸缘)和外壳部306(例如，后外壳部或凸缘组件)形成。外壳部302、304和306可为例如使用任何合适紧固件固定在一起的子组件，紧固件被示出为多个螺钉308，每个螺钉308具有对应的垫圈310。外壳部302和306可为端部外壳部，而外壳部304为中间外壳部。外壳部302、 304和306形成密封的靶主体300，其在外壳部306的前表面上具有多个端口312，端口312在图示实施例中作为可连接到氦和水供应(未示出)的氦和水入口和出口起作用。此外，额外的端口或开口314可设于靶主体300的顶部和底部。开口314可供以在其中接纳配件或端口的其它部分。 [0030] 如下文所述，在靶主体300内提供用于带电粒子的通路，例如，用于可进入靶主体的质子束的路径，如在图4中由箭头P所示。带电粒子从管状开口319行进穿过靶主体300到腔318(在图6中示出)，管状开口319充当粒子束入口，腔318为带电粒子的最终目的地。在各种实施例中，腔318被填充水，例如填充约2.5毫升(ml)的水，从而提供受辐照的18 水(H2 O)的位置。腔318限定在主体320内，主体320例如由铌材料形成，具有在一面上带开口的腔322。主体320包括顶部和底部开口314，用于在其中接纳例如配件。 [0031] 应当指出，在各种实施例中，腔318被填充不同的液体或气体。在其它实施例中，腔318可被填充固体靶，其中被辐照材料例如为用于产生特定同位素的合适材料的固体板状体。 [0032] 主体320在邻近外壳部306的密封环326(例如，O形环)与邻近外壳部304的箔部件328之间、在外壳部306与外壳部304之间对准，箔部件328例如为金属箔部件，例如由可热处理的钴基合金(如Havar)形成的合金盘。应当指出，外壳部306还包括腔330，其形状和大小设计成在其中接纳密封环326和主体320的一部分。另外，外壳部306包括腔332，其大小和形状设计成在其中接纳箔部件328的一部分。箔部件328可包括配置成配合到主体320的腔322内的密封边界336(例如，Helicoflex边界)，并且箔部件328还与通往穿过外壳部304的通道的开口338对准。 [0033] 另一箔部件340任选地可设于外壳部304与外壳部302之间。类似地，箔部件340可为类似于箔部件328的合金盘。箔部件340与外壳部304的开口338对准，在开口338周围具有环形边沿342。密封件344、与外壳部302的开口348对准的密封环346以及配合到外壳部302的边沿352上的密封环350设于箔部件340与外壳部302之间。应当指出，可提供更多或更少的箔部件，例如可提供多个箔部件。例如，在一些实施例中仅包括箔部件318而不包括箔部件340。因此，各种实施例可设想单个箔部件或多个箔部件布置。 [0034] 应当指出，箔部件328和340不限于盘或圆形形状，并且可以以不同的形状、配置和布置来提供。例如，一个或更多箔部件328和340或者额外的箔部件可为正方形、矩形或椭圆形等。而且，应当指出，箔部件328和340并不限于由特定材料形成，而是在各种实施例中由活化材料例如轻度或高度活化材料形成，活化材料可在其中具有诱导的放射性，如在本文中更详细描述的。在一些实施例中，箔部件328和340为金属的且由一种或更多种金属形成。 [0035] 如可看出的，在组装靶主体300时，多个销354接纳于在外壳部302、304和306中每一个中的开口356内，以对准这些构件。此外，多个密封环358与外壳部304的开口360对准，以穿过它们接纳螺钉308，螺钉308固定在外壳部302的镗孔362(例如，螺纹镗孔)内。 [0036] 在操作期间，由于质子束从外壳部302穿过靶主体300到腔318中，因而箔部件328和340可被强烈激活(例如，在其中诱导放射性)。特别地，可为例如薄的(例如，5至 50微米(μm))箔合金盘的箔部件328和340隔离加速器内的真空且特别是加速器腔室与腔322中的水。箔部件328和340还允许冷却氦穿过它们和/或在箔部件328与340之间传递。应当指出，箔部件328和340具有允许质子束穿过的厚度，这导致箔部件328和340变得被高度辐射且保持激活。 [0037] 一些实施例提供靶主体300的自屏蔽，其主动屏蔽靶主体300以屏蔽和/或防止来自激活箔部件328和340的辐射离开靶主体300。因此，箔部件328和340由主动辐射屏蔽件包封。具体而言，外壳部302、304和306中的至少一个且在一些实施例中全部由衰减靶主体300内且特别是来自箔部件328和340的辐射的材料形成。应当指出，外壳部302、304和306可由相同材料、不同材料或者相同或不同材料的不同量或组合形成。例如，外壳部302和304可由相同材料例如铝形成，而外壳部306可由铝和钨的组合形成。 [0038] 在各种实施例中，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的一个或更多或者其部分由具有高于或大于铝的密度的材料形成。在一些实施例中，形成外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的至少一个的材料具有比铝的密度值更大的密度值，铝在接近室温 3 具有2.70 g/cm 的密度。例如，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的一个或更多 3 可由具有大于铝的密度(例如约5 g/cm 的密度值)的(多种)材料(例如金属或合金)形成。在其它实施例中，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的一个或更多可由具 3 3 有大于5 g/cm 的密度(例如约10 g/cm 的密度值)的(多种)材料形成，例如金属或合 3 金。在这些实施例中，例如，材料通常具有比钢(在接近室温具有约8 g/cm 的密度)的密 3 度值更大的密度值。在其它实施例中，密度值大于例如10 g/cm。然而，应当指出，可使用 3 具有更大或更小密度值的其它材料或合金，例如钨(在接近室温具有19.25 g/cm 的密度)或者具有低于单纯钨的密度值的钨合金。例如，在一些实施例中，钨合金具有小于19.25 g/ 3 cm 的密度值且包括其它金属，例如镍、铜或铁等。在其它实施例中，例如，可使用铅合金。还应指出，当在本文中提及特定密度值或者大于特定密度值时，在一些实施例中，密度值也可等于或略小于该特定密度值。 [0039] 因此，在各种实施例中，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的一个或更多或者其部分由一种或更多种材料(其可包括铝)形成，且具有高于铝的密度值。例如，在一些实施例中可提供包含钨的合金以及镁、铜和/或铁中的一种或更多种的组合。 [0040] 外壳部302、外壳部304和/或外壳部306形成为使得各自的厚度(特别是在箔部件328和340与靶主体300的外部之间)提供屏蔽以减小从其发出的辐射。应当指出，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306可由具有比铝的密度值更大的密度值的任何材料形成。此外，外壳部302、外壳部304和/或外壳部306中的每一个可由不同材料或材料的组合形成，如在本文中更详细描述的。 [0041] 因此，外壳部302、外壳部304和外壳部306中的至少一个或其部分围绕或包围箔部件328和340以提供屏蔽，例如当放射性诱导在箔部件328和340中时。例如，在外壳部302、外壳部304和外壳部306中任一个内的凹部可在其中接纳箔部件328和340之一的一部分。 [0042] 应当指出，靶主体300可以以不同配置提供且不限于在图2至图5中所示的构件和布置。因此，可通过由更高密度材料(特别是密度高于铝的)形成外壳部或构件中的一个或更多以屏蔽靶的外部避免例如来自靶主体内的激活构件的辐射，从而结合任何类型或配置的靶来实施各种实施例。因此，如图6中所示，可结合靶400来实施各种实施例，其中，放射性激活构件402(例如，易于被放射性诱导的构件)，例如在同位素产生系统的操作期间可由辐射强烈激活的构件，被屏蔽在壳体404(或其一部分)内，壳体404由具有更高密度值(例如大于铝的密度值)的材料形成。壳体404可形成靶外壳的一部分。 [0043] 各种实施例还包括如图7所示提供同位素产生系统用的自屏蔽靶的方法500。该方法包括在502提供靶主体的一个或更多部分以充当辐射屏蔽件。靶主体的部分可由任何合适类型的辐射屏蔽材料(例如，具有大于铝的密度的材料)形成，如在本文中更详细描述的。之后，在504，由屏蔽部封入在同位素产生系统操作的期间被激活的放射性激活构件，例如箔部件。例如，包括放射性激活构件的靶主体的部分与屏蔽部对准。应当指出，如本文所用的，放射性激活构件通常指可通过辐射激活或者其中可在构件中诱导放射性的构件。 [0044] 然后在506组装靶主体，从而提供主动自屏蔽靶系统。主动屏蔽在同位素产生系统的操作期间以及在靶的维护、运输和储存期间提供伽马辐射衰减。 [0045] 本文所述的实施例并不意图限于生成用于医学用途的放射性同位素，而是也可生成其它同位素并使用其它靶材料。此外，各种实施例可结合具有不同方位(例如，竖直或水平定向)的不同种类的回旋加速器以及不同加速器(例如线性加速器或激光诱导加速器而非螺旋加速器)来实施。而且，本文所述的实施例包括制造同位素产生系统、靶系统和回旋加速器的方法，如上文所述。 [0046] 应当理解，上文的描述意图是说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。另外，在不偏离本发明的范围的情况下，可做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导。虽然本文所述材料的材料尺寸和类型意图限定各种实施例的参数，但各种实施例无限制意义且为示例性实施例。通过回顾上文的描述，许多其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应参考所附权利要求以及这些权利要求授权的等同物的整个范围来确定各种实施例的范围。在所附权利要求中，用语“包括”和“在其中”用作相应用语“包含”和“其中”的普通语言等同物。此外，在所附权利要求中，用语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而并不意图对其对象强加数量要求。另外，所述权利要求的限制并不以装置加功能格式书写且并不意图基于美国专利法第112条第六款来解释，除非这种权利要求限制明确地使用短语“用于……的装置”之后为功能陈述而没有进一步的结构。 [0047] 本书面描述使用示例来公开各种实施例，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践各种实施例，包括做出和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。各种实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。 如果示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果示例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等同结构元件，那么这种其它示例意图在权利要求的范围内。 |
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