专利名称：High energy proton or neutron source的制作方法
高能质子或中子源相关申请的交叉引用本申请要求提交于2007年12月28日的美国临时专利申请61/017,288以及提交于2008年12月22日的美国临时专利申请61/139，985的优 先权，上述两个专利均全文以引用方式并入本文中。
背景技术：
通常使用诸如核反应堆、裂变设备、回旋加速器、线性加速器或现有的束-靶加速 器设备之类的质子和中子源来产生医学用途的短寿命放射性同位素。这些常规源具有许多 缺点，包括具有笨重且昂贵的结构、以及产生需要特殊屏蔽设施的大量高能辐射。屏蔽设施 通常为昂贵的并且仅在少数位置可用。另外，诸如回旋加速器和线性加速器之类的源在用 作中子源时具有寿命有限的缺点。这些源设施中有少数设置在卫生保健设施处，这样使其 难于治疗本可从同位素、尤其是具有短半衰期的同位素(由于快速衰变)的使用中获益的 患者。当需要短半衰期的同位素时，只有那些接近同位素产生设施的医疗设施才可能产生 足以在其衰减掉之前到达患者的显著量。除了距离受限之外，现有设备还存在取决于设备类型的各种技术问题。对于基于 固体靶的设备，在照射束由氦粒子组成的情况下靶可能会被氦照射快速损坏，或者当照射 束由氘粒子组成时靶快速地变得负载有氘。这种氘负载从靶处移除了氦(在一定时间内快 速降低了产率)并且是不需要的2H-2H核反应的源，此核反应产生了高能中子并且迫使需要 有效的屏蔽。此外，可在固体靶设备中捕获适用的质子数可能是受限的，这是因为质子是被 各向同性发射的并且一些质子将被较深地埋入靶材料内。除了较短的靶寿命之外，这些设 备的输出可由于与靶冷却相关的挑战而受到限制。对于基于气体靶的现有设备而言，局限性可包括离子束不能达到反应(例如在射 束背景模式下的IEC (惯性静电约束)设备中的反应)所需的完全能量、或者分隔高压靶区 域和低压加速器区域的薄窗寿命较短。此外，背景气压对成功的输出可为至关重要的。过 高或过低的压强可造成无效操作，并且所得的输出水平可能过低而不能应用于包括医疗程 序在内的应用中。常规质子或中子源的这些或其他缺陷妨碍了同位素产生在小型或遥远社区的应 用，并且另外需要为这些大型设施进行大量的资本投资。
发明内容
实施本发明原理的高能紧凑型质子或中子源克服了先前质子或中子源的缺点。根 据本发明的设备可通过改变燃料类型和加速电压来产生质子或中子。该设备包括离子源、 加速器和靶系统，所述靶系统被确定大小和构造为磁靶室、操作性地耦合至高速同步泵的 线性靶室、或者线性靶室和同位素引出系统。根据本发明的高能质子源还可包括与从加速 器流出的离子源同步的高速泵。这种同步的高速泵防止大部分材料逸出靶室并且可免除对 差压泵送系统的需要和/或允许使用较小的线性靶室。
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在一个方面，本发明提供了用于产生医用同位素的高能、低辐射质子源。根据本发 明的源通过2H-3He聚变反应(fusion reaction)产生高能质子(> IOMeV)。产生的同位 素可用于正电子发射型断层摄影(PET)的诊断过程以及其他的成像和处理过程中。更具体 地，根据本发明的质子源可用于产生诸如18F、"C、150、124I和13N之类的同位素。在根据本发 明的低辐射设备中产生13N、"C和15O的能力也可有利于新成像过程的开发。在另一方面，本发明提供了在与诸如回旋加速器之类的常规技术相比成本更低且 更为紧凑的设备中产生医用同位素的高能质子源。用于产生医用同位素的高能质子源与常 规技术相比具有最少的辐射量，这最大程度地降低或消除了对于容纳发生器的专用贮藏器 的需要，从而使得更易于接近病人。在另一个方面，本发明提供了可与高靶室压和低加速器部分压结合进行工作以产 生医用同位素的高能质子源，其中高靶室压和低加速器部分压是利用专用差压泵送系统产 生的。这种结合允许较高的工作电压(300kV至500kV或者更高)同时可产生较高输出产 率(大于> IO13质子/秒)的高能质子(> IOMeV)。本发明可采用磁靶室，所述磁靶室与 常规的束_靶加速器设备相比允许在较低的靶室压以及较小的靶室下进行工作。在磁靶室 中，燃料离子环绕磁场线行进，这使得与以接近直线的形式通过较长室的射束相比，在短室 内产生了长路径长度。在另一个方面，实施本发明原理的中子源可产生高通量的各向同性中子。可通过 将燃料类型从2H-3He改变成2H-2H、2H-3H或3H-3H并且相应地调整加速器电压来产生各向同 性通量的高能中子。高能中子源可产生用于放射性药物的物质，包括适用于医学诊断过程 中的衰变成99mTc (亚稳态"Tc)的"Mo，以及1311、133Xe、111In和125L在其他方面，根据本发明的质子或中子源可用于研究用途，例如，检验高能质子或 中子照射物理环境、材料以及就质子而言照射电场和磁场的效果。根据本发明的质子源也 可用于下述应用中，例如包括核废料的材料的嬗变以及利用质子包埋材料来增强物理性 能。中子源可用于其他应用中，例如包括核废料的材料的嬗变；宝石的着色；利用中子照射 材料以增强物理性能；检测诸如核武器、爆炸物、药物和生物制剂之类的秘密物品；以及利 用中子源作为次临界反应堆的驱动剂。
通过参照本文提供的具体实施例的详细描述并结合附图可更好地理解和领会本 发明，其中图1为具有磁靶室的发生器的第一视图。图2为具有磁靶室的发生器的第二视图。图3为具有线性靶室的发生器的第一视图。图4为离子源的第一视图。图5为离子源的截面图。图6为加速器的第一视图。图7为加速器的截面图。图8为差压泵的第一视图。图9为差压泵的截面图。
图10为气体过滤系统的第一视图。图11为磁靶室的第一视图。图12为磁靶室的截面图。图13为直线靶室的第一视图。图14为线性靶室的截面图，其中示出了用于制备18F和13N的示例性同位素产生系 统。图15为具有直线靶室和同步高速泵的发生器的第一视图。图16为处于引出状态以允许离子束通过的同步高速泵的截面图。图17为处于抑制状态而不允许离子束通过的同步高速泵的截面图。图18为具有直线靶室和同步高速泵的发生器以及控制器的一个实施例的示意 图。图19为阻止本领(keV/ μ m)相对离子能(keV)的曲线图，其中是针对3He气体在 10托气压和25°C下对于2H离子的阻止本领而言的。图20为阻止本领(keV/ μ m)相对离子能(keV)的曲线图，其中是针对3He气体在 10托气压和25°C下对于2H离子的阻止本领而言的。图21为聚变反应速率(反应次数/秒)相对离子束入射能(keV)的曲线图，其中 是针对在10托下撞击3He靶的IOOmA的入射2H束而言的。
具体实施例方式本发明提供了可用作高能质子源或中子源的紧凑型设备。在一个实施例中，实施 本发明原理的设备利用2H-3He (氘-氦3)的聚变反应产生质子，所述质子随后可用于产生 其他的同位素。在另一个实施例中，所述设备通过将基础反应改变成2H-3H、2H-2H或3H-3H的 反应来用作中子源。在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解本发明在其应用中并不限于在下 文描述中提及的或下列附图中所示的结构细节和部件布置。本发明能够具有其他实施例并 且能够以各种方式进行实践或实施。另外，应当理解本文所用的措辞和术语用于描述目的， 而不应视为限制性的。本文的“包括”、“包含”、或“具有”及其变型的使用意图涵盖随后所列 的项及其等同概念以及附加项。除非另外指明或限定，术语“安装”、“连接”、“支承”和“耦 合”及其变型按广义使用，并且均涵盖直接和间接的安装、连接、支承以及耦合。此外，“连 接”和“耦合”并不受限于物理或机械的连接或联接。在解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明在其应用中并不限于在下 文中通过示例进行例证的描述中所提及的细节。这些描述和示例并非旨在限制如附加权利 要求中所述的本发明的范围。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式进行实践或 实施。此外，没有得到认可地是，在本说明书引用的包括任何专利或专利文献在内的任 何参考构成了现有技术。具体地讲，应当理解，除非另外指明，本文引用的任何文献不会构 成下述认可，即这些文献中的任何一个形成在美国或其他国家的技术领域内的常见一般性 知识的一部分。任何引用的任何论述均阐明了其作者声明的内容，并且本申请保留质疑本 文引用的任何文献的正确性和贴切性的权利。
在全部公开内容中，本发明的各个方面可表示为范围格式。应当理解，范围格式的 说明仅为了方便和简洁起见，而不应理解为对本发明的范围的硬性限制。因此，本领域的技 术人员将会理解，鉴于任何以及全部的目的，尤其是根据书面描述，本文公开的所有范围也 涵盖任何以及所有可能的子范围和它们的子范围的组合，以及在该范围内的整数值和分数 值。仅作为一个示例，20%至40%的范围可分解成20%至32. 5%和32. 5%至40%、20%至 27. 5%和27. 5%至40%等范围。任何列出的范围可易于公认为能充分描述并能够将同一 范围分解成至少两等份、三等份、四等份、五等份、十等份等。作为非限制性示例，本文所述 的每个范围可易于分解成下三分之一、中间三分之一和上三分之一等。此外，本领域的技术 人员也将理解，诸如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”、“多于”之类的所有措辞均包括列举的 数字并且指可随后被分解成上文所述的子范围的范围。按照相同的方式，本文所述的所有 比率也包括位于此较宽泛比率内的所有子比率。这些仅为具有明确预期的示例。此外，短 语第一指明数字与第二指明数字的“范围/范围间”以及从第一指明数字“到”第二指明数 字的“范围变化/范围”在本文中可互换使用。此外，本文的“包括”、“包含”、或“具有”及其变型的使用意图涵盖随后所列的项及 其等同概念以及附加项，如可加入不影响最终结果的其它步骤和其它成分。这些术语包括
“由......组成”和“基本上由......组成”。短语“基本上由......组成”是指该组合物
或方法可包括附加的成分和/或步骤，但条件是该附加的成分和/或步骤不会实质性改变 所要求保护的组合物或方法的基本和新型特征。鉴于常规类型的质子或中子源的固有缺点，本发明提供了可用于产生医用同位素 的新型高能质子或中子源。根据本发明的设备利用少量的能量来产生聚变反应，该聚变反 应随后产生可用于制备同位素的较高能量的质子或中子。利用少量的能量可使得该设备相 比于先前的常规设备更加紧凑。根据本发明的装置适当地产生质子，所述质子可用于产生其他同位素，包括但不 限于18Ρ、"(:、150、13Ν、63Ζη、124Ι以及多种其他同位素。通过改变燃料类型，根据本发明的装 置也可用于产生高通量的各向同性中子，所述中子可用于产生以下同位素，包括但不限于 131I、133Xe、mIn、125I、99M0(衰变成99mTc)以及多种其他同位素。因此，本发明提供了新颖的紧 凑型高能质子或中子源以用于诸如制备医用同位素之类的用途中，所述紧凑型高能质子或 中子源与前述的质子或中子源相比具有许多优点。—般来讲，本发明提供了产生质子或中子的装置，而这些质子或中子又适用于产 生多种放射性核素(或放射性同位素)。该装置包括等离子体离子源(可适宜地是射频驱 动式离子发生器)、加速器(适宜地是电极驱动的)、以及靶系统。就基于质子的放射性同位 素的制备而言，该装置还可包括同位素引出系统。射频驱动的等离子体离子源产生离子束 并且沿预定路径准直离子束，其中所述离子源包括用于第一流体进入的入口。电极驱动式 加速器接收离子束并且使离子束加速，从而产生加速离子束。靶系统接收加速离子束。靶 系统含有衍生核粒子的(如，衍生质子的或衍生中子的)靶材料，所述靶材料可与加速射束 反应并从而发射核粒子，即质子或中子。对于放射性同位素的制备，靶系统可具有对核粒子 透明的侧壁。同位素引出系统设置在靶系统附近或内部并且含有衍生同位素的材料，该材 料可与核粒子反应产生放射性核素(或放射性同位素)。现在参见附图。实施本发明原理的装置通常指定为参考数字10或11并且合适地
8具有两种结构磁结构10以及直线结构11。按附图所示来连接该设备的六个主部分或部 件，其中对于磁设备按照图1和图2所示进行连接，对于线性结构按照图3所示进行连接。 实施本发明原理的装置10包括通常指定为20的离子源、加速器30、差压泵40、包括靶室的 靶系统60或70、通常指定为80的离子约束系统、以及通常指定为90的同位素引出系统。 本发明可另外包括气体过滤系统50。根据本发明的装置还可包括同步高速泵100以代替差 压泵40或作为差压泵的附加部分。泵100尤其适于与线性结构的靶室一起工作。离子源20(图4和图5)包括真空室25、射频(RF)天线24、以及具有离子注入器 第一级23和离子注入器末级35(图6)的离子注入器。可包括磁体(未示出)以允许离子 源在高密度螺旋模式下工作以产生较高密度的等离子体22，从而生成更多的离子电流。该 磁体的场强的合适范围为约50G至约6000G，更适宜的是约100G至约5000G。磁体可被定 向以便产生轴向场(南北极方向平行于离子束路径)或会切场(南北极方向垂直于离子束 路径且内部磁极在邻近磁体的北极和南极之间交替变化)。轴向场可产生螺旋模式(稠密 等离子体)，会切场则可产生稠密等离子体但非螺旋感应模式。气体入口 21位于真空室25 的一端，并且离子注入器26的第一级23位于另一端。气体入口 21提供所需燃料类型中的 至少一种，所需燃料类型可包括屯2、2112、3112、3彻和"B，或者可包括HH和"B。通过 质流控制器(未示出)来适当地调节入口 21处的气流，其中质流控制器可被用户控制或自 动控制。RF天线24适当地卷绕在真空室25的外面。作为替换，RF天线24可位于真空室 25的内部。合适地是，RF天线24紧邻真空室以使得由RF天线24发射的射频辐射激励真 空室25的内容物(即，燃料气体)，例如，从而形成等离子体。RF天线24包括一匝或多匝 的管27。RF管或导线可由诸如铜、铝或不锈钢之类的导电性和可弯曲材料制成。离子注入器26包括一个或多个成形的级(23，35)。离子注入器的每一级包括适于 由导电性材料(可包括金属和合金)制成的加速电极32，以便提供离子束的有效准直。例 如，电极适于由具有低溅射系数的导电性金属(如，钨)制成。其他合适的材料可包括铝、 钢、不锈钢、石墨、钼、钽、以及其他材料。RF天线24的一端连接至RF阻抗匹配电路(未示 出)的输出端，另一端连接至地。RF阻抗匹配电路可调谐天线以匹配发生器所需的阻抗并 且建立RF共振。RF天线24适于产生宽范围的RF频率，包括但不限于0Hz至数十kHz至数 十MHz至GHz以及更高的频率。RF天线24可通过外部水冷却器(未示出)进行水冷，以使 其可耐受高能耗并且具有极小阻抗变化。可将一匝RF天线24的匹配电路连接至RF发电 机(未示出)。离子源20、匹配电路和RF发电机在最高的加速器电势下或略高于该电势下 可为浮置的(与地隔离)，并且这种电势可通过电连接至高压电源来获得。RF发电机可被 远程调节，以使得可通过使用者或者作为替换可通过计算机系统来控制射束强度。连接至 真空室25的RF天线24适于正电离燃料，以产生离子束。用于产生离子的可选途径是本领 域技术人员已知的并且可包括微波放电、电子轰击离子化、以及激光离子化。加速器30 (图6和图7)适当地包括真空室36，其中真空室的一端经由离子源匹配 凸缘31连接至离子源20，并且另一端经由差压泵匹配凸缘33连接至差压泵送系统40。加 速器的第一级也就是离子注入器26的末级35。至少一个环状加速电极32并且适宜地为3 到50个、更适宜地为3到20个加速电极32可沿加速器真空室36的轴线方向间隔开并且 穿透加速器真空室36，同时允许保持真空边界。加速电极32具有穿过其中心的孔(小于加 速器室的内径)并且每个电极的中心适于设置在加速器真空室(用于使离子束通过)的纵
9向轴线上(从离子源端到差压泵端)。加速电极32中的孔的最小直径随离子束强度或随多 个离子束的增加而增加并且直径的范围可为约1mm至约20cm，并且更适宜地是从约1mm至 约6cm。外部真空室36、加速电极32可连接至电晕保护环34，所述电晕保护环降低了电场 并且最大程度地降低了电晕放电。这些环可浸于介电油或绝缘的介电气体(例如SF6)中。 适宜地是，有利于连接至差压泵部分40的差压泵匹配凸缘33位于加速器的出口处。正如本领域技术人员所已知的，可利用高压电源(未示出)或利用电阻分压网络 为加速器30的每个加速电极32提供偏压。对于大多数情况，这种分压器可因其简单性而为 最适合的结构。在具有电阻分压网络的结构中，可将加速器的离子源端连接至高压电源，并 且可将倒数第二个加速器电极连接至地。加速器电极32的中间电压可由电阻分压器设定。 加速器的末级适于经由末端加速电极而具有负偏压以阻止电子从靶室回流至加速器30。在一个可择实施例中，可使用直线加速器(例如，RF四极场)代替上述的加速器 30。直线加速器与上述的加速器30相比可具有降低的效率以及更大的尺寸。直线加速器 的第一端可连接至离子源20并且另一端可连接至差压泵送系统40。直线加速器可使用RF 代替直流和高压来获得高粒子能，并且它们可按照本领域中已知的方式进行构造。差压泵送系统40(图8和图9)包括压降屏障42，该屏障将差压泵40适当地分成至 少一级。每个压降屏障42适当地包括薄固体板或者一个或多个狭长窄管，直径通常为1cm 且中心具有小孔，其中直径适宜为约1mm至约20cm且更适宜为约1mm至约6cm。每一级包 括真空室44、相关联的压降屏障42、以及真空泵17，每个真空泵均具有真空泵排气装置41。 取决于真空室是3、4、5端口还是6端口真空室44，每个真空室44可具有一个或多个、适宜 地具有1至4个真空泵17。真空泵44的端口中的两个端口适当地定向在射束线上并且用 作差压泵送系统40的入口和出口。每个真空室44的端口也可与压降屏障42位于相同的 位置。将每个真空室44的剩余端口由合并凸缘适当地连接至真空泵17或可连接至各种探 测或控制设备。如果需要，将得自真空泵17的排气通过真空泵排气装置41送入附加的真 空泵或压缩机(未示出)中并且送入到气体过滤系统50，如果需要，可将此附加真空泵设置 在气体过滤系统50和靶室60或70之间。如果存在额外的压缩级，可使其位于真空泵17 和过滤系统50之间。差压泵送部分的一端经由加速器匹配凸缘45连接至加速器30，并且 另一端在射束出口 46处经由靶室匹配凸缘43连接至靶室(60或70)。差压泵送系统40还 可包括涡流发生装置(未示出)以打破层流。涡流发生装置可限制液体的流动并且可包括 表面泵或其他结构或它们的组合以打破层流。涡流通常慢于层流并且可因此降低从靶室到 差压泵送部分的流体泄漏速率。气体过滤系统50适于在其真空泵隔离阀51处连接至差压泵送系统40的真空泵 排气装置41或附加的压缩机(未示出)。气体过滤系统50 (图10)包括真空泵排气装置 41从上流过的一个或多个压力室或“阱”(13，15)。阱适于捕集可逸出靶室或离子源的流 体杂质，例如，可能从大气中泄漏到该系统中的那些杂质。可利用液氮将阱冷却至低温温度 (液氮阱15)。由此，冷液阱13、15适于引起诸如大气污染物之类的气体溶解并且保留在阱 13,15内。气体在流过一个或多个串联的液氮阱15之后，适于被送至钛吸气阱13中，所述 钛吸气阱吸收可能会逸出靶室或离子源并且可能另外污染靶室的污染氢气体，例如氘。吸 气阱13的出口适于经由气体过滤系统50的靶室隔离阀52连接至靶室60或70。如果希望 使气体恒定地流入该系统并且从真空泵排气装置41排出至另一个真空泵排气装置(未示出)以及排出至该系统的外部，则可将气体过滤系统50从设备10中完全移除。如果没有 气体过滤系统50，那么装置10的操作将得到实质性改变。用作中子源的装置10可不包括 气体过滤系统50的吸气阱13。真空泵隔离阀51以及靶室隔离阀52可有利于将气体过滤系统50与该设备的其 余部分隔离并且在阱内变得气体饱和时经由泵出阀连接至外部泵(未示出)。由此，如果真 空泵隔离阀51以及靶室隔离阀52关闭，那么可打开泵出阀53以泵出杂质。靶室60 (图11和图12，用于磁系统10)或靶室70 (图13和图14，用于线性系统) 可利用靶气体进行填充以达到约0至约100托、约100毫托至约30托、适宜地为约0. 1至 10托、更适宜地为约100毫托至约30托的压强。靶室60或70的具体几何形状可根据其主 要应用而变化并且可包括多种变型。对于线性系统14，靶室可适于为约10cm至约5m长、 且约5mm至约100cm的直径的圆柱体。合适地是，对于线性系统14，靶室70可具有约0. lm 至约2m的长度、以及约30至约50cm的直径。对于磁系统12，靶室60可类似于厚饼盘(pancake)，其高度为约10cm至约lm且 直径为10cm至约10m。合适地是，对于磁系统12，靶室60可具有约20cm至约50cm的高度 以及大约50cm的直径。对于磁靶室60，可将一对永磁体或电磁体(离子约束磁体12)设置 在饼盘的表面上、真空壁的外面或者靶室的外径周围(参见图11和图12)。磁体适于由包 括但不限于铜和铝、或者超导体或NdFeB (对于电磁体)的材料制成。磁体的磁极可被定向 以使它们产生位于靶室总体积内的轴向磁场。可利用包含高导磁率材料(例如1010钢、镍 铁高导磁率合金、或其他材料)的磁路来适当地控制磁场。对于氘核，磁靶室的尺寸和磁波 束流能量根据方程(1)决定场强r = lM^/B ⑴其中r的单位为米，E为束流能量(单位eV)，且B为磁场强度(单位为高斯)。磁 体可被定向为平行于饼盘的平面并且可进行极化以使得存在垂直于来自加速器30的射束 方向的磁场，即，可将磁体安装到靶室的顶部和底部以引起离子重复循环。在采用磁靶室60 的另一个实施例中，在靶室的顶部和底部上存在合适的附加磁体以在磁靶室的两端(顶部 和底部)产生磁镜场(在靶室的两端产生局部区域的较强磁场)，从而产生镜效应以使得离 子束被反射远离靶室的两端。产生磁镜场的这些附加磁体可为永磁体或电磁体。将靶室的 一端经由差压泵匹配凸缘33可操作地连接至差压泵送系统40，气体回流端口 62允许气体 从气体过滤系统50重新进入靶室。靶室还可包括馈通(feedthrough)端口(未示出)以 允许连接各种同位素产生装置。在靶室60的磁结构中，磁场约束靶室内的离子。在靶室70的线性结构中，注入的 离子由靶气体约束。靶室在被用作质子或中子源时，可能需要屏蔽以保护设备操作人员免 受辐射，并且这种屏蔽可由适合为至少一英尺厚的混凝土墙提供。作为替换，可将该设备保 存在远离使用者的地下或贮藏器中，或者可将水或其他流体用作屏蔽，或者可使用上述手 段的组合。差压泵送系统40和气体过滤系统50均可进料给靶室60或70。差压泵送系统40 适当地提供离子束，而气体过滤系统50提供过滤气体流以填充靶室。另外，就同位素的制 备而言，可将真空馈通孔(未示出)安装到靶室60或70上，以使得同位素引出系统90能够连接到外面。包括同位素产生系统63的同位素引出系统90可为任意数量的结构以便提供母化 合物或材料并且移除在靶室内部或附近产生的同位素。例如，同位素产生系统63可包括激 活管64，所述激活管为刚好贴合在圆柱靶室内的紧紧卷绕的螺旋体并且具有壁65。作为 替换，在具有离子约束系统80的饼盘靶室的情况下，其可包括沿饼盘圆周覆盖设备的螺旋 体以及两个分别位于饼盘的顶面和底面的螺旋体，其中所有的螺旋体均串联连接。用于这 些结构中的激活管64的壁65足够强以抵挡破裂，然而又足够薄以使超过14MeV (约10至 20MeV)的质子能够穿过这些壁同时仍能保持它们的大部分能量。管壁的厚度可取决于材料 可以是约0. 01mm至约1mm、并且适宜地为约0. 1mm。管壁适于由将不会产生中子的材料制 成。薄壁管可由诸如铝、碳、铜、钛或不锈钢之类的材料制成。馈通孔(未示出)可将激活管 64连接至该系统的外部，在此位置富含子化合物或产物化合物的流体可进入用于冷却的热 交换器(未示出)以及化学分离器(未示出)，其中将子同位素化合物或产物同位素化合物 从母化合物、子化合物和杂质的混合物中分离。在另一个实施例中，如图15所示，将高速泵100设置在加速器30和靶室60或70 之间。高速泵100可取代差压泵送系统10和/或气体过滤系统50。高速泵适当地包括一 个或多个叶片或叶轮102以及可操行性地连接至控制器108的定时信号104。高速泵可与 来自加速器部分的离子束流同步，从而使得当叶片102之间或其内的至少一个间隙106与 离子束对齐时允许离子束穿过该间隙106。可通过具有位于沿泵轴方向或至少一个叶片上 的一个或多个标记来产生定时信号104。标记可为光学的、磁性的、或本领域已知的其他合 适的标记。定时信号104可指示叶片102或间隙106的位置以及是否存在与离子束对齐的 间隙以允许离子束从加速器30的第一级35穿过高速泵100到达靶室60或70。定时信号 104可用作离子束引出电压的门脉冲开关，以允许离子束离开离子源20和加速器30并进 入高速泵100。当射束从离子源20到加速器30到高速泵100并且到达靶室60或70的路 线流过该系统时，该射束在离子束与间隙106对齐的时间段内可一直维持，随后在离子束 与间隙106不再对齐之前或之时关闭。可通过控制器108来协调定时信号104和离子束的 配合。在一个控制器108 (图18)的实施例中，控制器108可包括脉冲处理单元110、高压 隔离单元112、以及控制抑制电压(离子束关闭；压差可为5-10kV)和引出电压(离子束打 开；压差可为20kv)之间的加速器30电压的高速开关114。定时信号104适于产生通过延 时电路或本领域已知的其他逻辑或合适装置的逻辑脉冲。脉冲处理单元110可改变高速泵 的涡轮以便适应延时，并且高速开关114可以是M0SFET开关或本领域中已知的其他合适的 开关技术。高压隔离单元112可以是光纤连接或本领域已知的其他合适的连接。例如，叶 片102每转动一次，定时信号104仅指示是否存在间隙106 —次，并且单个脉冲可经由控制 器108用信号通知一组电子设备，从而使得每次叶片转动产生一组n个脉冲，其中在一次叶 片转动中存在n个间隙。作为替换，定时信号104可指示在一次叶片转动期间对于m个间 隙中的每一个是否存在间隙106，并且这m个脉冲在每次叶片转动时可各自经由控制器108 用信号通知一组电子设备以产生脉冲，其中在一次叶片转动中存在m个间隙。可经由控制 器108将逻辑脉冲传递至或协调至加速器部分35的第一级(离子引出器)，以使得逻辑脉 冲触发加速器部分35的第一级从抑制状态变为引出状态，并且反之亦然。如果加速器为 +300kV，那么例如在高速泵100中不存在间隙106的情况下加速器部分35的第一级可偏压至+295kV，使得正离子束在从+295kV到+300kV时将不会流动，并且当在高速泵100中存在 间隙106时加速器部分35的第一级可偏压至+310kV，使得离子束穿过加速器30并且穿过 高速泵100中的间隙106到达靶室60或70。抑制状态和引出状态之间的电压差可以是相 对较小的变化，例如约lkV至约50kV，适宜地约10kV至约20kV。电压的较小变化可以促进 在抑制状态(图17)和引出状态(图16)之间的快速变化。定时信号104和控制器108可 由本领域中已知的任何合适装置操作，包括但不限于半导体和光纤。离子束的通断时间周 期可取决于诸如叶片102的转速、叶片或间隙106的数目、以及叶片或间隙的尺寸之类的因
o例如，用于PET扫描中的同位素18F和13N可通过该设备内的核反应进行产生。这 些同位素可通过质子轰击母同位素180(对于18F)和160(对于13N)产生。母同位素的来源 可以是诸如水饵180或112160)之类的流体，其可经由外部泵送系统(未示出)流经同位素产 生系统并且在靶室内与高能质子反应以产生所需的子化合物。对于制备18f或13N而言，水 (分别为H2180或H2160)流过同位素产生系统63，并且产生自上述聚变反应的高能质子可穿 透管64的壁，撞击母化合物并且引起(p，a)反应，从而产生18F或13N。在封闭的系统中， 例如，富含同位素的水可随后流过热交换器(未示出)以冷却流体并且随后流入诸如离子 交换树脂之类的化学过滤器(未示出)中以便从该液体中分离同位素。此水混合物然后可 重新循环至靶室(60或70)，并将同位素保存在过滤器、注水器中、或利用本领域中已知的 其他合适途径进行保存，直至已制备足够的同位素用于成像或其他过程。尽管已描述了管状螺旋体，但存在可用于制备相同的或其他的放射性核素的许多 其他几何形状。例如，同位素产生系统63可合适地为平行环或具有肋的平板。在另一个实 施例中，可将水套附接至真空室壁。对于18f或13N的生产而言，螺旋体可被任意数量的薄壁 几何形状(包括薄窗)所取代，或者可被含有高氧浓度的固体物质所取代，并且嬗变之后将 被移除并且进行处理。其他同位素可通过其他的装置来产生。在操作之前，通过以下方式来适当地填充靶室60或70:首先在电源关闭的情况下 使靶气体(例如3He)预流过离子源20，以使得该气体流过装置10，并进入靶室中。在操作 中，将诸如2H2之类的反应气体注入离子源20并且通过RF场正电离以形成等离子体22。随 着真空室25内的等离子体22朝离子注入器26方向扩展，等离子体22开始受到加速器30 内的更负的电势的影响。这使得带正电的离子加速朝靶室60或70前进。离子源20中的 各级(23和35)的加速电极32准直一个或多个离子束，从而分别给出穿过加速器30第一 级的大致均一的离子束剖面。作为替换，加速器30的第一级如上所述使能离子束的脉动和 /或开/关切换。当射束继续穿过加速器30时，其拾取每一级的附加能量，从而当该射束到 达加速器30的末级时，其能量可高达5MeV、达lMeV、适宜地达500keV、更适宜地为50keV至 5MeV、并且更适宜地为50keV至500keV、并且适宜地为0至10安培、更适宜地为100毫安 培。此电势由能够产生所需电压的外部电源(未示出)提供。来自离子源20的一些中性气 体也可泄漏到加速器30中，但加速器30的压强将通过差压泵送系统40或同步高速泵100 而维持在最小值以避免过高的压强以及系统崩溃。射束继续以高速进入差压泵40，射束在 差压泵40穿过相对较低的压强、短路径长度的级且具有最小的相互作用。离开此位置，射 束继续进入靶室60或70，轰击压强适宜地为0至100托、更适宜为100毫托至30托、更适 宜地为5至20托的高密度靶气体，从而使得速度降低并且产生核反应。发射的核粒子可为约0. 3MeV至约30MeV的质子、适宜地为约lOMeV至约20MeV的质子、或者为约0. lMeV至约 30MeV的中子、适宜地为约2MeV至约20MeV的中子。在线性靶室70的实施例中，离子束以近似直线的方式持续行进并且轰击高密度 靶气体以产生核反应，直至其停止。在磁靶室60的实施例中，离子束弯曲进入近似螺旋形的路径，且轨道半径(对于 氘离子，2H)由方程⑵给出(2) B其中r为轨道半径(单位为cm)，T,为离子能(单位为eV)，并且B为磁场强度(单 位为高斯)。就500keV的氘束和5kG的磁场强度而言，轨道半径为约20. 4cm并且合适地配 合在25cm半径的室内。尽管可发生离子中和，但发生再电离的速率要快的多，并且粒子将 在其大部分时间内作为离子。一旦陷入此磁场，离子就会沿轨道运行，直至离子束停止，从而在短室内实现了非 常长的路径长度。由于相对线性靶室70具有增加的路径长度，因此磁靶室也可在较低的压 强下工作。磁靶室60于是可以是更合适的结构。磁靶室可小于线性靶室并且仍可保持长 的路径长度，这是因为射束可在相同的空间内进行多次重新循环。聚变产物在较小的室内 可以更为集中。如所解释的，磁靶室与线性室相比可在较低的压强下工作，从而降低了泵送 系统的负荷，这是因为较长的路径长度与较低压强的气体一起，与线性加速器室的长路径 长度和较高压的气体相比，可给出相同总数量的碰撞。由于加速器30和靶室60或70之间的压强差，气体可流出靶室并且流入差压泵送 系统40。真空泵17可迅速的移除此气体，从而实现约10至100倍或更高的压降。然后将 此“泄漏的”气体经由气体过滤系统50过滤和再循环并且泵回到靶室内，从而提供更为有 效的操作。作为替换，高速泵100可被定向以使得流动沿返回靶室的方向，以阻止气体流出靶室。如果所需的产物为医用同位素，那么可将本文所述的同位素引出系统90插入到 靶室60或70内。此设备允许高能质子与所需同位素的母核素相互反应。就18F的制备或 13N的制备而言，此靶可为水基的(160用于13N，并且180用于18F)并将流过薄壁管。壁的厚 度足够薄以使得从聚变反应中产生的14. 7MeV的质子将在基本不损失能量的情况下通过 它们，从而允许它们从母同位素嬗变成所需的子同位素。然后将富含13N或18F的水经由外 部系统进行过滤和冷却。另外可产生诸如1241 (得自124Te或其他)、"C(得自14N或"B或者 其他)、150(得自15N或其他)、以及63Zn之类的其他同位素。如果所需产物为用于某种其他用途的质子，那么可将靶室60或70连接至其他装 置以便为这些应用提供高能质子。例如，可将根据本发明的装置用作质子疗法的离子源，其 中将质子束进行加速并且用于照射癌细胞。如果所需产物是中子，那么不需要诸如同位素引出系统90之类的硬件，因为中子 能够以极少的衰减穿透真空系统的壁。对于中子制备而言，将注入器中的燃料改变成氘或 氚，并且将靶材料分别改变成氚或氘。可产生高达约1015中子/秒或更高的中子产率。另 外，可移除吸气阱13。可将母同位素化合物包埋在靶室60或70周围，并且释放的中子可将 母同位素化合物转变成所需的子同位素化合物。作为替换，在靶室的内部或附近可仍然或
14附加地使用同位素引出系统。可使用减慢中子的减速器(未示出)来增加中子相互反应的 效率。中子学术语中的减速器可以是减慢中子的任何一种或多种材料。合适的减速器可由 具有低原子质量的且不可能吸收热中子的材料制成。例如，为了从98Mo母化合物产生"Mo， 可使用水减速器。"Mo衰变成可用于医学成像过程的"mTc。另外可产生诸如131I、133Xe、mIn、 和1251之类的其他同位素。当用作中子源时，本发明可包括至少一英尺厚的屏蔽(例如，混 凝土或诸如水的流体)以保护操作人员免受辐射。作为替换，可将中子源保存在地下以保 护操作人员免受辐射。本发明在中子模式下的使用和操作方式与上述描述中所实施的方式 相同。根据本发明，可计算轰击厚靶气体的射束的聚变速率。轰击厚靶气体的离子束的 增量聚变速率由方程(3)给出
权利要求
一种用于产生核粒子的紧凑型装置，包括离子源、加速器、以及靶系统；所述离子源用于产生离子束并且操作性地耦合至所述离子束加速器；所述加速器用于接收所述离子束并且加速所述离子束以产生加速的离子束；所述靶系统操作性地耦合至所述加速器，以用于容纳衍生核粒子的靶材料，所述靶材料可与所述加速的射束反应以发出核粒子，所述靶系统被确定大小并构造为a)磁靶室；b)操作性地耦合至高速同步泵的线性靶室；或者c)操作性地耦合至同位素引出系统的线性靶室。
2.根据权利要求1所示的装置，其中所述靶系统是磁靶室，所述磁靶室具有a)顶部和底部；b)安装到所述顶部的第一磁体；以及c)安装到所述底部的第二磁体，所述第一和第二磁体使得所述离子束在所述靶室内重 复循环。
3.根据权利要求1所示的装置，其中所述靶系统是线性靶室。
4.根据权利要求1所示的装置，其中所述高速同步泵包括a)至少一个叶片；b)在所述至少一个叶片内或其间的用于允许所述离子束通过的至少一个间隙；c)至少一个定时信号；d)耦合至所述至少一个定时信号和所述加速器的控制器，所述控制器用于调节所述加 速器的电压以允许所述离子束到所述靶室的通路以及阻止所述离子束到所述靶室的通路。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述离子源包括a)允许待电离的第一流体进入的入口以及出口；b)具有第一端和第二端的真空室，所述第一端连接至所述入口；c)操作性地连接至所述真空室以用于正电离所述第一流体来产生所述离子束的RF天 线，所述真空室允许所述离子束从所述离子源的入口到达出口的通路；以及d)离子注入器，操作性地连接至所述真空室的第二端并且具有与第二级连接的第一 级，所述离子注入器的第一级用于准直所述离子束。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述加速器是电极驱动加速器。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述加速器包括a)第一端和第二端，所述第一端连接至所述离子注入器的第二级；b)具有内部和外部的真空室，所述真空室从所述加速器的所述第一端延伸至所述第二 端、并且允许所述离子束从所述加速器的所述第一端到所述第二端的通路；c)至少两个加速电极，所述加速电极沿所述室间隔开并且各自穿透所述室内部以产生 电场，且电压从所述加速器的第一端向第二端降低，从而使得所述离子束的能量从所述加 速器的第一端向第二端增加；以及d)电晕保护环，所述电晕保护环在所述室外部与每个加速电极连接，以降低所述电场。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其还包括同位素引出系统，所述同位素引 出系统操作性地耦合至所述靶系统并用于容纳衍生同位素的材料。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述同位素引出系统包括管道，该管道运送包含第二流体的所述衍生同位素的材料，所述核粒子穿透所述同位素引出系统的管道并且与所 述第二流体反应以产生放射性同位素。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述靶室具有对所述核粒子透明的壁并且所述 同位素引出系统设置在所述靶室附近。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述靶室具有对所述核粒子不透明的壁并且 所述同位素引出系统设置在所述靶室内。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，还包括邻近所述靶室的衍生同位素的材 料，其中所述核粒子穿透所述靶室的壁。
13.根据上述权利要求中任一项所述的装置，还包括降低分子从所述靶室到所述加速器的流动的差压泵送系统，所述差压泵送系统包括a)第一端和第二端，所述第一端连接至所述加速器的第二端；b)至少一个真空室，所述真空室允许所述离子束从所述差压泵的所述第一端到所述第 二端的通路；c)至少一个真空泵，所述真空泵连接至每个真空室以降低压强；以及d)真空泵排气装置，所述真空泵排气装置连接至所述真空泵。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的装置，还包括连接至所述差压泵送系统和所述 靶室之间的气体过滤系统，所述气体过滤系统包括a)第一端禾口第二端；b)吸气阱，所述吸气阱位于所述气体过滤系统的第一端，连接至所述靶室的第二端，并 且捕集从所述靶室逸出的氢；c)至少一个液氮阱，所述液氮阱位于所述气体过滤系统的第二端，连接至所述吸气阱， 并且捕集从所述靶室逸出的流体杂质；d)至少一个真空泵隔离阀，所述真空泵隔离阀能在打开位置和关闭位置之间移动，具 有连接至所述阱的一端，具有连接至所述差压泵送系统的真空泵排气装置的第二端，并且 具有第三端；以及e)泵出阀，所述泵出阀能在打开位置和关闭位置之间移动，连接至所述真空泵隔离阀 的第三端，并在其处于打开位置并在所述真空泵隔离阀处于关闭位置时允许所述流体杂质 从所述气体过滤系统中逸出。
15.一种产生核粒子的方法，包括激活离子源以产生离子束；加速所述离子束至合适的能量以产生加速的离子束；将所述加速的离子束引导至含有选定的衍生核粒子的靶材料的靶系统中，所述衍生核 粒子的靶材料与所述射束反应以产生核粒子，所述靶系统被确定大小并构造为a)磁靶室；b)操作性地耦合至高速同步泵的线性靶室；或者c)操作性地耦合至同位素引出系统的线性靶室。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括使所述核粒子与选定的放射性核素产生材料反应以产生至少一种放射性核素。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述离子束包括2H离子并且所述衍生核粒子的靶材料包括3He。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述离子束包括2H并且所述衍生核粒子 的靶材料包括3h。
19.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述衍生同位素的材料是H2160、H2180、或98Mo0
20.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述衍生同位素的材料是H216O,并且所述 产生的同位素是13N。
21.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述衍生同位素的材料是H218O,并且所述 产生的同位素是18F。
22.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述衍生同位素的材料是98Mo,并且所述 产生的同位素是"Mo。
23.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述加速的离子束是至少50mA且至少 IOOkeV的射束。
24.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述发出的核粒子是0.3-30MeV的质子。
25.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述靶材料具有O毫托至100托的压强。
26.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述发出的核粒子为10-20MeV的质子。
27.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述靶材料具有100毫托至30托的压强。
28.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述发出的核粒子为0.l-30MeV的中子。
29.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述发出的核粒子为2-20MeV的中子。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述产生的同位素为18Ρ、"(:、150、13Ν、63Ζη、或124I0
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述产生的同位素为131I、133Xe、mIn、125I、或99Mo0
32.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述核粒子是质子或中子。
33.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述放射性核素是18Ρ、"(:、150、13Ν、63Ζη、 124I、131I、133Xe、mIn、125I、或"Mo。
34.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述核粒子产生材料包括3He、2H、或3H。
35.一种使用如权利要求1所述的装置进行制备的核粒子。
36.一种使用如权利要求1所述的装置产生质子或中子的方法。
全文摘要
文档编号H05H6/00GK101952899SQ20088012569
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月29日 优先权日2007年12月28日
发明者Piefer Gregory 申请人:Phoenix Atomic Lab Gmbh