同位素生产装置的制作方法

发明领域本发明涉及一种同位素生产装置并且更确切地涉及一种包括屏蔽的同位素生产装置。现有技术的说明用于生产pet放射性同位素的回旋加速器围绕18f靶产生了重要的次级中子和光子通量。为了将辐射剂量减少至人类人员可接受的水平，它们需要被封闭在由厚混凝土壁制成的屏蔽库中。产生分别具有10mev、11mev或18mev的能量的质子束(具有40μa的强度)的来自离子束应用公司(ionbeamapplications)的示例性10/5、11或18/9回旋加速器需要约2m厚的混凝土壁和1.8m厚的顶部。此种巨大的料仓在现有医院中是不容易安装的并且通常要求专用于这种回旋加速器的新安装。必须屏蔽包括回旋加速器和靶系统的这样的同位素生产装置。在图1处表示的同位素生产装置的一种已知设计中，回旋加速器10和靶20位于库屏蔽30中。选择该库屏蔽的厚度以及该库屏蔽的材料，使得在该库屏蔽的外表面处的剂量率小于极限。当在库屏蔽30的外部的区域是控制区域时，这个极限是10μsv/h。当在该库屏蔽的外部的区域是公共区域时，这个极限是0.5μsv/h。这个极限确保了在这个区域中每年停留2000小时或更少的公众的成员将在一年内接收小于1msv的总剂量。该库屏蔽材料通常是混凝土。在库屏蔽30内部的区域在束生产过程中对于维修人员是不可接近的。对于产生18mev质子束的典型的回旋加速器，对于fdg的生产，由混凝土制成的库屏蔽30的厚度应该是约220cm或240cm。为了减少该屏蔽的成本和体积，已经设计了在图2处表示的另一种类型的同位素生产装置，其中回旋加速器10和靶20紧密地被包围屏蔽40包围。这样的设计被称为自屏蔽系统。非常接近于辐射源，此种自屏蔽40可以是非常紧凑的并且允许总屏蔽重量的合理减少。接近于该回旋加速器的自屏蔽不允许在该屏蔽内部穿透维修人员。因此，它必须由可移动的零件制成的，以便对于维修允许容易进入该回旋加速器。然后将这些系统封闭在具有附加的库屏蔽35的房间中。满足在该屏蔽的外部的区域中的剂量率所要求的这个附加的库屏蔽35的壁厚度比在库屏蔽系统中的低得多。当将18-mev回旋加速器封闭在自屏蔽中时，加速器室的混凝土壁的厚度可薄至25cm但是优选地从30cm至60cm厚的，或者甚至80cm(对于产生150μa束的回旋加速器)。文件wo2007141223披露了自屏蔽系统，其中该屏蔽包围靶。该屏蔽可包括填充有辐射吸收材料的壳体。在外部区域中，该壳体可以填充有高z化合物如铅或铁，并且在内部区域中该壳体可以填充有低z化合物如聚乙烯或石蜡化合物。该屏蔽的厚度是在该回旋加速器周围85cm和在该回旋加速器之上60cm。这种屏蔽被设计用于包围11mev回旋加速器。文件wo2010151412披露了包括回旋加速器和位于该回旋加速器的一定距离处的靶系统的同位素生产装置。该回旋加速器的磁轭使从该回旋加速器内发射的辐射减弱。为了有效地屏蔽该辐射，该磁轭可能比形成所希望的磁场所要求的磁轭更厚。此外，可以在产生相对低量的中性粒子的低能量下操作该回旋加速器。例如，该回旋加速器可以使带电粒子达到大约9.6mev或更确切地7.8mev或更少的能级。该靶系统被第一或内部屏蔽结构和围绕该第一屏蔽结构的第二或外部屏蔽结构所屏蔽。该第一屏蔽结构围绕该靶并且使伽马辐射减弱。这个第一屏蔽结构可以由大部分铅(pb)形成。围绕该第一屏蔽结构的该第二屏蔽结构被配置成使中子以及还有由该靶区域发射的伽马射线减弱并且还使通过中子俘获产生的伽马射线减弱。该第二屏蔽结构可以包含聚乙烯、铅(pb)和较小量的硼。在一个具体实施例中，该第二屏蔽结构包含约80％的聚乙烯(包括3％的硼)以及约20％的铅(pb)。然而，材料的选择以及层的排序可能不是最佳的。设计用于同位素生产装置的有效屏蔽的任务是一项复杂的任务，因为该屏蔽必须使在该靶系统中产生的中子减弱，由于由粒子束引起的核反应、在该靶系统中或在该回旋加速器本身中产生的光子、以及由在该屏蔽中的中子的相互作用产生的次级光子的结果。技术实现要素：本发明的目的是提供一种自屏蔽同位素生产装置，该装置具有满足随着比现有技术屏蔽更紧凑的屏蔽的剂量率要求的屏蔽。更确切地说，当被安装在具有60cm的规则混凝土的屏蔽壁的房间中时，该自屏蔽同位素生产装置必须在所述屏蔽壁的外部产生小于0.5μsv/h的剂量率。当被安装在具有20cm的规则混凝土的屏蔽壁的房间中时，它必须在所述屏蔽壁的外部产生小于10μsv/h的剂量率。第一条件应用于公共区域并且第二条件应用于控制区域。在本发明的上下文中，术语“规则混凝土”应理解为在“用于辐射传输建模的材料组成数据的概略(compendiumofmaterialcompositiondataforradiationtransportmodeling)”，pnnl-15870评论1，太平洋西北国家实验室(pacificnorthwestnationallaboratory)中定义的材料#99的组合物，或其等效物。此组合物的密度是2.3g/cm3。通过独立权利要求限定本发明。从属权利要求限定了有利的实施例。根据本发明，提供了一种同位素生产装置，该装置包括：a)用于生产粒子束的回旋加速器；b)包围所述回旋加速器的屏蔽；c)包括在所述屏蔽内的靶系统；该屏蔽包括：1)具有至少100kg/m3的氢含量的第一层；2)第二层，该第二层包含至少4900kg/m3的具有等于或高于26的原子序数的材料和至少29kg/m3的氢。所述第一层可有利地包含石蜡和/或聚乙烯和/或水。所述第二层可有利地包含填充有铁球和水的体积，该水填充这些铁球之间的开放空间。优选地，该第二层的厚度与该第二层的厚度的所述比率包括在1与2之间。优选地，所述第一层具有包括在25cm与30cm之间的厚度。优选地，所述第二层具有包括在50cm与60cm之间的厚度。所述回旋加速器可包括具有中央轴线z的磁体，并且其中垂直于所述磁体的外表面的中央轴线z的横截面具有与该中央轴线z同心的圆形几何形状。作为替代方案，所述回旋加速器还可以包括具有中央轴线z的磁体，其中垂直于所述磁体的外表面的中央轴线z的横截面具有内切于与该中央轴线z同心的正方形中的几何形状，并且其中所述紧密包围屏蔽包括邻近所述正方形的四个侧壁以及覆盖所述四个侧的顶部。在这个替代方案中，该靶系统可包括一个靶或两个靶，所述靶是在围绕最接近侧壁的中央轴线z的方位角处，邻近靶的侧壁具有比非邻近靶的侧壁更高的厚度。在一对侧壁之间和/或在侧壁与该顶部之间的外角可有利地被切断。该切断可有利地是在包括在距这些外角25与50之间的距离处的45°切断。附图简述本发明的这些和另外方面将通过实例方式并且参考附图进行更详细解释，在附图中：图1示意性地表示在库屏蔽中的已知同位素生产装置的顶视图；图2示意性地表示具有在附加库屏蔽内部的自屏蔽回旋加速器和靶系统的另一种已知同位素生产装置的顶视图；图3a和图3b分别是具有包围屏蔽的同位素生产装置的侧视图和顶视图；图4、5、6、7和8分别是在不同位置处获得的并且与实例1、2、3、3’、4相关的剂量率值的集合的曲线图。图9、10、11和12分别是在不同位置处获得的并且与实例5、6、以及7和8相关的剂量率值的集合的曲线图。在所有这些曲线图中，对于中子(正方形)、光子(三角形)和总剂量(圆形)示出了在对数刻度上以μsv/h计的剂量率。重要极限0.5μsv/h(在屏蔽外部的公共区域)、10μsv/h(在屏蔽外部的控制区域)以及100μsv/h被标记为水平虚线。对于每个集合的第一个曲线图，沿着通过图2的箭头a、b、c、d标记的线确定这些剂量率，即在从0cm至1450cm的包围屏蔽的外表面处。对于5个随后的曲线图，沿着通过图2的箭头e、f、g、h标记的线确定这些剂量率，即在从0m至26m的附加库屏蔽的外表面处。示出了附加库屏蔽的不同厚度的结果，即0cm(没有屏蔽)、20cm、40cm、60cm并且对于一些实例80cm。这些附图的绘制既没有按比例绘制也没有成比例绘制。总体上，在这些图中通过同一参考数字指示相同的部件。本发明实施方式的详细说明图3a是横穿如在同位素生产装置的图3b中的a-a’表示的平面的截面的侧视图。回旋加速器10包括加速器室50。加速室50位于磁体(没有示出)的上极与下极之间并且使垂直于中央轴线z的平面中的粒子加速。该磁体的返回磁轭(returnyoke)60围绕加速室50并且装备有用于回旋加速器10的不同设施的孔口70。在这些设施之中是位于这些孔口中的一个或多个靶20。当被加速的粒子是h-离子时，束可以通过已知方式如剥离被提取并且被引导至这些靶20。通过屏蔽40包围该回旋加速器。包围屏蔽30包括侧壁110和覆盖这些侧壁110和该回旋加速器的顶部130。侧壁和顶部包括根据以下讨论的不同实例具有不同厚度和组成的材料的连续层。第一层80具有在这些侧壁中和在该顶部中的厚度l1。第二层90可具有在定位成邻近靶20的侧壁中的厚度l2靶，在没有定位成邻近靶20的侧壁中的厚度l2非靶，以及在该顶部中的厚度l2顶部。第三层100是任选的，如将在以下不同实例中看到的，并且可具有在定位成邻近靶20的侧壁中的厚度l3靶，在没有定位成邻近靶20的侧壁中的厚度l3非靶，以及在该顶部中的厚度l3顶部。图3b是在横穿回旋加速器10的中平面的截面中的同一同位素生产装置的顶视图。如稍后将讨论的，邻近这些靶的侧壁110的第二层90和/或第三层100的厚度可以高于不邻近这些靶的侧壁120的相应厚度。在180°方位角处表示两个靶20、20’，但是更少或更多的靶可用于本发明中并且在不同的方位角处。例如，在彼此的90°处可以使用4个靶，或者在彼此的90°处可以使用2个靶。图2中表示的回旋加速器的返回磁轭具有正方形轮廓，但是本发明同样适用于具有圆形轮廓的回旋加速器。在那种情况下，该屏蔽可以是如表示的正方形或围绕该回旋加速器的圆柱形。通过两个侧壁形成的角可以沿着形成切断转角140的侧壁110、120的45°处的竖直平面切断，或者在这些侧壁110、120与顶部130之间的角可以在形成切断转角150的45°处切断。切断的量是通过距该侧或顶部切断的距离lc-o测量的。这些切断转角导致在该屏蔽的尺寸、重量和成本的减少，而没有减少屏蔽效率。现在将讨论不同层的材料。第一层80是由具有高氢含量的材料制成的。这确保了中子迅速地失去它们的能量。该材料可以是石蜡(固体石蜡)。石蜡是包含烷烃cnh2n+2的组合物，其中n典型地等于31或者在31周围的范围内。石蜡的密度是0.9g/cm3。石蜡含有0.132g/cm3的氢。还可以选择聚乙烯作为用于第一层80的材料。聚乙烯具有取决于聚合物的密度包括在0.13g/cm3与0.137g/cm3之间的氢含量。还可以使用水作为用于该第一层的材料。水具有0.11g/cm3的氢含量。石蜡或聚乙烯第一层80可以由材料的块或片建造且组装。水的第一层80可以通过填充一个或多个具有适当形状的容器获得。第二层90是由具有高含量的具有高原子序数z的材料的材料制成的。高z材料在使这些光子停止上是有效的。对于使剩余中子停止，仍然需要有限含量的富氢材料。该高z材料位于这些高氢含量的外面，以便能够停止由该靶发射的初级光子、而且还有在这些中子的能量损失过程中产生的次级光子。该高z材料是具有等于或高于26的z的材料，即铁(fe)。可以使用其他材料如铅(pb，z＝82)，但是是更加昂贵的。在以下讨论的实例中，该第二层包含填充有铁球和水的体积，该水填充这些铁球之间的开放空间。当用具有相同直径的球体填充体积时，最密堆积产生了0.7408的相对密度(填充的与开放空间的比率)。当在体积中随机堆积时，将观察到0.63的相对密度。当被假定为处于最密堆积时，第二层90将具有5.83g/cm3的铁含量以及0.028g/cm3的氢含量。当被假定为随机堆积时，第二层90将具有4.96g/cm3的铁含量、0.37g/cm3的水含量、以及0.0411g/cm3的氢含量。混合物的观测密度是5.55g/cm3。另外，可以使用具有不同直径的铁球的混合物，例如具有在0.7mm至1.0mm的范围内的直径的较大球和具有在0.1mm至0.3mm的范围内的直径的较小球。在那种情况下，这些较小球填充在这些较大球之间的空间，铁含量将更高并且氢含量将更低。在仅仅以下实例1和实例2中使用的任选的第三层100是由重混凝土制成的。重混凝土是规则混凝土，其中岩石材料被铁(iii)氧化物(fe2o3)替换。重混凝土(hc)的密度被包括在3.5g/cm3与4.5g/cm3之间为了确定用于同位素生产装置的最佳的屏蔽设计，根据以下假设使用来自洛斯阿拉莫斯国家实验室(losalamosnationallaboratory)的montecarlo(mc)模拟代码mcnpxtm2.7.0进行一系列模拟。●回旋加速器产生h-束并且照射靶用于生产fdg；●该靶位于该回旋加速器的返回磁轭中；●该回旋加速器和靶被封闭在紧密包围屏蔽(自屏蔽设计)中；在以下，讨论了体现与该屏蔽相关的不同假设的七个实例。表1实例#l1l2靶l2非靶l2顶部l3靶l3非靶l3顶部角切断lc-o130cm40cm30cm30cm40cm30cm30cm25cm2060cm60cm60cm30cm20cm20cm25cm330cm60cm50cm50cm00025cm3’30cm60cm50cm50cm00025cm4080cm70cm80cm00025cm530cm50cm40cm40cm00025cm625cm50cm40cm40cm00025cm730cm60cm50cm50cm00050cm830cm60cm50cm50cm00070cml1层1石蜡l2层2铁球+水l3层3(任选的)重混凝土实例1图4表示了用实例1的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合。这些结果示出了，用0cm的附加库屏蔽(没有库屏蔽)，超过了控制区域的极限，而用20cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于控制区域的极限，并且用40cm的附加库屏蔽，超过了公共区域的极限，并且用60cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于公共区域的极限。实例2图5表示了用实例2的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合。在这个实例中，没有使用石蜡层，并且fe/h2o层是较厚的。这些结果示出了，用0cm的附加库屏蔽(没有库屏蔽)，超过控制区域的极限的，而用20cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于控制区域的极限，并且用40cm的附加库屏蔽，显著地超过公共区域的极限，并且用60cm的附加库屏蔽，该剂量率稍稍超过公共区域的极限。得出的结论是富氢层对于令人满意的解决方案是必要的。实例3图6表示了用实例3的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合。这些结果示出了，用0cm的附加库屏蔽(没有库屏蔽)，超过了控制区域的极限是，而用20cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于具有某一安全裕度的控制区域的极限，并且用40cm的附加库屏蔽，超过了公共区域的极限，并且用60cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于也具有某一安全裕度的公共区域的极限。实例3’图7表示了用实例3的屏蔽参数获得的剂量率值的集合，唯一不同之处是没有使用水来填充这些铁球之间的空间。这是尝试摆脱用于容纳该第二层的容器必须是不透水的约束。这些结果清楚地示出了，用20cm的附加库屏蔽，超过了控制区域的极限，并且用60cm的附加库屏蔽，也超过了公共区域的极限。对于总剂量最重要的贡献来自中子剂量。得出的结论是富氢组分是解决方案的重要方面。水的替代物可以是其他富氢材料如石蜡或聚乙烯，具有的附加优点是不需要不透水器皿。实例4图8表示了用实例4的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合。在这个实例中，仅仅使用该第二层，有铁球+水。这些结果示出了，用20cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于未留下安全裕度的控制区域的极限，并且用60cm的附加库屏蔽，稍稍超过公共区域的极限。表2给出了，对于实例1、2、3、4，该包围屏蔽的单独组分的重量，由于在两个竖直侧壁之间的角(转角barril)以及具有25cm切断距离的在竖直侧壁与顶部之间的角(顶部转角)的切断，考虑重量减少。这些图示出了，虽然实例1的屏蔽刚刚满足剂量率要求，但是它比实例3的屏蔽重得多。在这些剂量率要求的极限处的实例2和4必须被拒绝，因为它们比其他实例重得多。实例1和实例3的屏蔽是优选的，并且较轻的并且具有仅仅两个层的实例3的屏蔽是最优选的。表2实例5图9表示了用实例3的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合，唯一不同之处是将该第二层的厚度在靶-侧壁处从60cm减少至50cm并且在非靶-侧壁处和该顶部处从50cm减少至40cm。对于80cm的附加库屏蔽，获得了附加结果。这些结果示出了，40cm和60cm两者都不足够用于保持低于公共区域的极限，但是用80cm的附加库屏蔽，该剂量率保持低于具有显著安全裕度的公共区域的极限(最大值0.3μsv/h)。实例6图10表示了用实例5的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合，唯一不同之处是将该第一层(石蜡层)的厚度从30cm减少至25cm。另外在这个实例中，对于80cm的附加库屏蔽，获得了附加结果。这些结果示出了，甚至用80cm的附加库屏蔽，超过了公共区域的极限(最大值0.54μsv/h)。实例7和8图11和图12表示了用实例3的屏蔽参数在不同位置处获得的剂量率值的集合，唯一不同之处是分别将切断距离lc-o从25cm增加至50cm和70cm。另外在这个实例中，对于80cm的附加库屏蔽，获得了附加结果。这些结果示出了，用60cm的附加库屏蔽，用50cm切断(实例7)和75cm切断(实例8)两者都超过了公共区域的极限。用80cm的附加库屏蔽，在实例7中但是不在实例8中，剂量率保持低于公共区域的极限。本发明的自屏蔽同位素生产装置允许系统的构造，其中该自屏蔽同位素生产装置定位于具有有限厚度的壁的库中，同时满足在该库外部的公共区域中的有限剂量率的要求。在其中该第二层包括填充有铁球的体积的优选实施例中，方便的是在工厂中制备一种或多种器皿，并且与铁球一起现场运输这些器皿，并且现场用铁球和水填充这些器皿。从而避免非常重的部件的运输。当前第1页12