一种用于生产Ac-225、Ge-68和Pd-103的同位素级联靶设计方法与流程

本发明属于回旋加速器放射性同位素生产，具体提供一种用于生产ac-225、ge-68和pd-103的同位素级联靶设计方法。

背景技术：

1、加速器生产放射性同位素主要的发展趋势是利用高功率加速器代替反应堆进行同位素生产、研发。如评估心脏血流的首选示踪剂rb-82母体sr-82、治疗前列腺癌的α核素ac-225、治疗骨癌的α核素ra-223等只能通过中高能的质子加速器进行生产。在利用中高能回旋加速器辐照生产时，由于每种核素激发曲线的不同，只有在相应能量段里辐照才能得到最优的核素产额，而加速器的能量范围远远大于单一靶材的能量范围，如果每个加速器的能量一次只能给一种靶材使用，则加速器的能量范围只有一少部分能够被利用。如何在不改变加速器性能的情况下更好的利用质子束的能量提高核素的产额成为一个难题。

技术实现思路

1、本发明针对中高能回旋加速器辐照辐照单一靶存在的不足，提出一种用于强流质子回旋加速器生产ac-225、ge-68和pd-103的同位素级联靶物理设计，目的在于解决传统回旋加速器辐照单一靶质子束利用率低的问题。

2、本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

3、一种用于生产ac-225、ge-68和pd-103的同位素级联靶设计方法，其特点是：包括以下步骤：

4、步骤一、确定要生产的核素为：ac-225、ra-223、th-227、th-228、mo-99、ge-68、pd-103、zr-89；

5、步骤二、将核素和靶材对应：钍靶：适合生产其中的ac-225、ra-223、th-227、th-228、mo-99；镓靶：适合生产ge-68；铱靶：适合生产zr-89；铑靶：适合生产pd-103；

6、步骤三、确定当前回旋加速器的最高能量为75mev；

7、步骤四、根据根据当前回旋加速器器最高能量，以及钍靶、镓靶、铱靶、铑靶在不同能量下的核反应截面，确定它们各自的最佳能量段和靶材的厚度；

8、所述确定它们各自的最佳能量段，具体为：级联靶的第一级靶材按照当前回旋加速器最高能量、以及它的核反应截面确定其能量段和厚度；级联靶的下一级靶材按照质子束流穿过上一个靶材后依然有合适的能量段入射到下一级靶材计算下一级靶材的能量段，并根据该能量段计算下一级靶材的厚度；选择的能量段既要将峰值区域包住以满足提高产率的需求，又要满足适用性的需求避开产生杂质核素的副反应能量段；

9、步骤五、组成级联靶：当每个能量段只有一种靶材、并且至少有二个能量段时，按照能量段由大到小排序组成一组级联靶；当多个靶的能量段的两端的值相近、或者多个靶的能量段为同一个能量段时，当前级联靶只选择其中之一，按照能量段由大到小排序组成多组级联靶。

10、进一步地，所述当多个靶的能量段的两端的值相近时，当前级联靶只选择其中之一，具体为：由于铱靶、铑靶的能量段两端的值相近，所以，第一组级联靶为钍靶、镓靶、铱靶组成的级联靶，第二组级联靶为钍靶、镓靶、铑靶组成的级联靶。

11、进一步地，所述级联靶的第一级靶材按照当前回旋加速器最高能量、以及它的核反应截面确定其能量段和厚度，具体如下：

12、第一组级联靶、第二组级联靶共同的第一级靶钍靶的厚度计算如下：

13、1)75mev强流质子束经过级联靶外壳和冷却水后，先降低一部分能量，该降低的能量约2-5mev；

14、2)入射到钍靶上生产的核素为：ac-225、ra-223、th-227、th-228、mo-99的核素；

15、3)由钍靶与质子的反应截面获得：75mev强流质子回旋加速器可用于ac-225生产的适合的能量段为40-75mev；

16、4)经过蒙卡软件计算，钍靶的厚度约为4.8mm时，能够使质子能量从70mev降低到40mev。

17、进一步地，所述级联靶的下一级靶材按照质子束流穿过上一个靶材后依然有合适的能量段入射到下一级靶材计算下一级靶材的能量段，并根据该能量段计算下一级靶材的厚度，具体如下：

18、第一组级联靶、第二组级联靶，它们共同的第二级镓靶的厚度计算如下：

19、1)质子束流穿过第一级钍靶后依然有40mev以下能量段入射到镓靶上；

20、2)穿透钍靶件后，质子经过冷却水层后能量降低一部分，该降低的能量约2-6mev；

21、3)入射到镓靶上生产的核素为：ge-68；

22、4)由镓靶与质子的反应截面获得，可用于ge-68生产的适合的能量段为13-40mev；

23、5)经过蒙卡软件计算，镓靶的厚度约为3.3mm时，能够使质子能量从40mev降低到16mev。

24、进一步地，所述级联靶的下一级靶材按照质子束流穿过上一个靶材后依然有合适的能量段入射到下一级靶材计算下一级靶材的能量段，并根据该能量段计算下一级靶材的厚度，具体如下：

25、第一组级联靶的第三级铱靶的厚度计算如下：

26、1)质子束流穿过第二级镓靶后依然有16mev以下能量段入射到铱靶上；

27、2)穿透镓靶件后，质子经过冷却水层后能量降低一部分，该降低的能量约2-4mev；

28、3)入射到铱靶上生产的核素为：zr-89；

29、4)由铱靶与质子的反应截面获得，可用于zr-89生产的适合的能量段为9-13.5mev；

30、5)经过蒙卡软件计算，铱靶的厚度约为0.44mm时，能够使质子能量从13.5mev降低到9mev。

31、进一步地，所述级联靶的下一级靶材按照质子束流穿过上一个靶材后依然有合适的能量段入射到下一级靶材计算下一级靶材的能量段，并根据该能量段计算下一级靶材的厚度，具体如下：

32、第二组级联靶第三级铑靶的厚度计算如下：

33、1)质子束流穿过第二级镓靶后依然有16mev以下能量段入射到铱靶上；

34、2)穿透镓靶件后，质子经过冷却水层后能量降低一部分，该降低的能量约2-4mev；

35、3)入射到铑靶上生产的核素为：pd-103；

36、4)由铑靶与质子的反应截面获得，可用于pd-103生产的适合的能量段为8-14mev；

37、5)经过蒙卡软件计算，铑靶的厚度约为0.22mm时，能够使质子能量从14mev降低到8mev。

38、进一步地，所述选择的能量段既要将峰值区域包住以满足提高产率的需求，又要满足适用性的需求避开产生杂质核素的副反应能量段，具体为：由于束流能量高于13.5mev时，铱靶中会发生y-89(p,2n)zr-88，y-89(p,np)y-88的副反应而引入杂质核素、影响后续的分离纯化，所以生产zr-89，最适合的能量区间为9-13.5mev：低于9mev，y-89(p，n)zr-89的反应截面较小，生产效益低，而高于13.5mev会引入杂质核素，也不适合用于zr-89的生产。

39、本发明的优点效果

40、本发明针对回旋加速器放射性同位素生产的需求，将传统的单一辐照靶设计为不同靶材的级联靶，使质子束流穿过第一件靶材后依然有合适的能量入射到第二件靶材和第三件靶材上。此物理设计既能提高质子束流的利用率，合理利用不同靶材的激发曲线，从而增加核素生产的种类和产额，又不会导致靶件的相互污染，从而降低加速器运行辐照成本，提升生产效率。