專利名稱：High energy proton or neutron source的制作方法
高能質子或中子源相關申請的交叉引用本申請要求提交于2007年12月28日的美國臨時專利申請61/017,288以及提交于2008年12月22日的美國臨時專利申請61/139，985的優(yōu) 先權，上述兩個專利均全文以引用方式并入本文中。
背景技術：
通常使用諸如核反應堆、裂變設備、回旋加速器、線性加速器或現有的束-靶加速 器設備之類的質子和中子源來產生醫(yī)學用途的短壽命放射性同位素。這些常規(guī)源具有許多 缺點，包括具有笨重且昂貴的結構、以及產生需要特殊屏蔽設施的大量高能輻射。屏蔽設施 通常為昂貴的并且僅在少數位置可用。另外，諸如回旋加速器和線性加速器之類的源在用 作中子源時具有壽命有限的缺點。這些源設施中有少數設置在衛(wèi)生保健設施處，這樣使其 難于治療本可從同位素、尤其是具有短半衰期的同位素(由于快速衰變)的使用中獲益的 患者。當需要短半衰期的同位素時，只有那些接近同位素產生設施的醫(yī)療設施才可能產生 足以在其衰減掉之前到達患者的顯著量。除了距離受限之外，現有設備還存在取決于設備類型的各種技術問題。對于基于 固體靶的設備，在照射束由氦粒子組成的情況下靶可能會被氦照射快速損壞，或者當照射 束由氘粒子組成時靶快速地變得負載有氘。這種氘負載從靶處移除了氦(在一定時間內快 速降低了產率)并且是不需要的2H-2H核反應的源，此核反應產生了高能中子并且迫使需要 有效的屏蔽。此外，可在固體靶設備中捕獲適用的質子數可能是受限的，這是因為質子是被 各向同性發(fā)射的并且一些質子將被較深地埋入靶材料內。除了較短的靶壽命之外，這些設 備的輸出可由于與靶冷卻相關的挑戰(zhàn)而受到限制。對于基于氣體靶的現有設備而言，局限性可包括離子束不能達到反應(例如在射 束背景模式下的IEC (慣性靜電約束)設備中的反應)所需的完全能量、或者分隔高壓靶區(qū) 域和低壓加速器區(qū)域的薄窗壽命較短。此外，背景氣壓對成功的輸出可為至關重要的。過 高或過低的壓強可造成無效操作，并且所得的輸出水平可能過低而不能應用于包括醫(yī)療程 序在內的應用中。常規(guī)質子或中子源的這些或其他缺陷妨礙了同位素產生在小型或遙遠社區(qū)的應 用，并且另外需要為這些大型設施進行大量的資本投資。

發(fā)明內容
實施本發(fā)明原理的高能緊湊型質子或中子源克服了先前質子或中子源的缺點。根 據本發(fā)明的設備可通過改變燃料類型和加速電壓來產生質子或中子。該設備包括離子源、 加速器和靶系統，所述靶系統被確定大小和構造為磁靶室、操作性地耦合至高速同步泵的 線性靶室、或者線性靶室和同位素引出系統。根據本發(fā)明的高能質子源還可包括與從加速 器流出的離子源同步的高速泵。這種同步的高速泵防止大部分材料逸出靶室并且可免除對 差壓泵送系統的需要和/或允許使用較小的線性靶室。
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在一個方面，本發(fā)明提供了用于產生醫(yī)用同位素的高能、低輻射質子源。根據本發(fā) 明的源通過2H-3He聚變反應(fusion reaction)產生高能質子(> IOMeV)。產生的同位 素可用于正電子發(fā)射型斷層攝影(PET)的診斷過程以及其他的成像和處理過程中。更具體 地，根據本發(fā)明的質子源可用于產生諸如18F、"C、150、124I和13N之類的同位素。在根據本發(fā) 明的低輻射設備中產生13N、"C和15O的能力也可有利于新成像過程的開發(fā)。在另一方面，本發(fā)明提供了在與諸如回旋加速器之類的常規(guī)技術相比成本更低且 更為緊湊的設備中產生醫(yī)用同位素的高能質子源。用于產生醫(yī)用同位素的高能質子源與常 規(guī)技術相比具有最少的輻射量，這最大程度地降低或消除了對于容納發(fā)生器的專用貯藏器 的需要，從而使得更易于接近病人。在另一個方面，本發(fā)明提供了可與高靶室壓和低加速器部分壓結合進行工作以產 生醫(yī)用同位素的高能質子源，其中高靶室壓和低加速器部分壓是利用專用差壓泵送系統產 生的。這種結合允許較高的工作電壓(300kV至500kV或者更高)同時可產生較高輸出產 率(大于> IO13質子/秒)的高能質子(> IOMeV)。本發(fā)明可采用磁靶室，所述磁靶室與 常規(guī)的束_靶加速器設備相比允許在較低的靶室壓以及較小的靶室下進行工作。在磁靶室 中，燃料離子環(huán)繞磁場線行進，這使得與以接近直線的形式通過較長室的射束相比，在短室 內產生了長路徑長度。在另一個方面，實施本發(fā)明原理的中子源可產生高通量的各向同性中子。可通過 將燃料類型從2H-3He改變成2H-2H、2H-3H或3H-3H并且相應地調整加速器電壓來產生各向同 性通量的高能中子。高能中子源可產生用于放射性藥物的物質，包括適用于醫(yī)學診斷過程 中的衰變成99mTc (亞穩(wěn)態(tài)"Tc)的"Mo，以及1311、133Xe、111In和125L在其他方面，根據本發(fā)明的質子或中子源可用于研究用途，例如，檢驗高能質子或 中子照射物理環(huán)境、材料以及就質子而言照射電場和磁場的效果。根據本發(fā)明的質子源也 可用于下述應用中，例如包括核廢料的材料的嬗變以及利用質子包埋材料來增強物理性 能。中子源可用于其他應用中，例如包括核廢料的材料的嬗變；寶石的著色；利用中子照射 材料以增強物理性能；檢測諸如核武器、爆炸物、藥物和生物制劑之類的秘密物品；以及利 用中子源作為次臨界反應堆的驅動劑。


通過參照本文提供的具體實施例的詳細描述并結合附圖可更好地理解和領會本 發(fā)明，其中圖1為具有磁靶室的發(fā)生器的第一視圖。圖2為具有磁靶室的發(fā)生器的第二視圖。圖3為具有線性靶室的發(fā)生器的第一視圖。圖4為離子源的第一視圖。圖5為離子源的截面圖。圖6為加速器的第一視圖。圖7為加速器的截面圖。圖8為差壓泵的第一視圖。圖9為差壓泵的截面圖。
圖10為氣體過濾系統的第一視圖。圖11為磁靶室的第一視圖。圖12為磁靶室的截面圖。圖13為直線靶室的第一視圖。圖14為線性靶室的截面圖，其中示出了用于制備18F和13N的示例性同位素產生系 統。圖15為具有直線靶室和同步高速泵的發(fā)生器的第一視圖。圖16為處于引出狀態(tài)以允許離子束通過的同步高速泵的截面圖。圖17為處于抑制狀態(tài)而不允許離子束通過的同步高速泵的截面圖。圖18為具有直線靶室和同步高速泵的發(fā)生器以及控制器的一個實施例的示意 圖。圖19為阻止本領(keV/ μ m)相對離子能(keV)的曲線圖，其中是針對3He氣體在 10托氣壓和25°C下對于2H離子的阻止本領而言的。圖20為阻止本領(keV/ μ m)相對離子能(keV)的曲線圖，其中是針對3He氣體在 10托氣壓和25°C下對于2H離子的阻止本領而言的。圖21為聚變反應速率(反應次數/秒)相對離子束入射能(keV)的曲線圖，其中 是針對在10托下撞擊3He靶的IOOmA的入射2H束而言的。
具體實施例方式本發(fā)明提供了可用作高能質子源或中子源的緊湊型設備。在一個實施例中，實施 本發(fā)明原理的設備利用2H-3He (氘-氦3)的聚變反應產生質子，所述質子隨后可用于產生 其他的同位素。在另一個實施例中，所述設備通過將基礎反應改變成2H-3H、2H-2H或3H-3H的 反應來用作中子源。在詳細解釋本發(fā)明的任何實施例之前，應當理解本發(fā)明在其應用中并不限于在下 文描述中提及的或下列附圖中所示的結構細節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠具有其他實施例并 且能夠以各種方式進行實踐或實施。另外，應當理解本文所用的措辭和術語用于描述目的， 而不應視為限制性的。本文的“包括”、“包含”、或“具有”及其變型的使用意圖涵蓋隨后所列 的項及其等同概念以及附加項。除非另外指明或限定，術語“安裝”、“連接”、“支承”和“耦 合”及其變型按廣義使用，并且均涵蓋直接和間接的安裝、連接、支承以及耦合。此外，“連 接”和“耦合”并不受限于物理或機械的連接或聯接。在解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應當理解本發(fā)明在其應用中并不限于在下 文中通過示例進行例證的描述中所提及的細節(jié)。這些描述和示例并非旨在限制如附加權利 要求中所述的本發(fā)明的范圍。本發(fā)明能夠具有其他實施例并且能夠以各種方式進行實踐或 實施。此外，沒有得到認可地是，在本說明書引用的包括任何專利或專利文獻在內的任 何參考構成了現有技術。具體地講，應當理解，除非另外指明，本文引用的任何文獻不會構 成下述認可，即這些文獻中的任何一個形成在美國或其他國家的技術領域內的常見一般性 知識的一部分。任何引用的任何論述均闡明了其作者聲明的內容，并且本申請保留質疑本 文引用的任何文獻的正確性和貼切性的權利。
在全部公開內容中，本發(fā)明的各個方面可表示為范圍格式。應當理解，范圍格式的 說明僅為了方便和簡潔起見，而不應理解為對本發(fā)明的范圍的硬性限制。因此，本領域的技 術人員將會理解，鑒于任何以及全部的目的，尤其是根據書面描述，本文公開的所有范圍也 涵蓋任何以及所有可能的子范圍和它們的子范圍的組合，以及在該范圍內的整數值和分數 值。僅作為一個示例，20%至40%的范圍可分解成20%至32. 5%和32. 5%至40%、20%至 27. 5%和27. 5%至40%等范圍。任何列出的范圍可易于公認為能充分描述并能夠將同一 范圍分解成至少兩等份、三等份、四等份、五等份、十等份等。作為非限制性示例，本文所述 的每個范圍可易于分解成下三分之一、中間三分之一和上三分之一等。此外，本領域的技術 人員也將理解，諸如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”、“多于”之類的所有措辭均包括列舉的 數字并且指可隨后被分解成上文所述的子范圍的范圍。按照相同的方式，本文所述的所有 比率也包括位于此較寬泛比率內的所有子比率。這些僅為具有明確預期的示例。此外，短 語第一指明數字與第二指明數字的“范圍/范圍間”以及從第一指明數字“到”第二指明數 字的“范圍變化/范圍”在本文中可互換使用。此外，本文的“包括”、“包含”、或“具有”及其變型的使用意圖涵蓋隨后所列的項及 其等同概念以及附加項，如可加入不影響最終結果的其它步驟和其它成分。這些術語包括
“由......組成”和“基本上由......組成”。短語“基本上由......組成”是指該組合物
或方法可包括附加的成分和/或步驟，但條件是該附加的成分和/或步驟不會實質性改變 所要求保護的組合物或方法的基本和新型特征。鑒于常規(guī)類型的質子或中子源的固有缺點，本發(fā)明提供了可用于產生醫(yī)用同位素 的新型高能質子或中子源。根據本發(fā)明的設備利用少量的能量來產生聚變反應，該聚變反 應隨后產生可用于制備同位素的較高能量的質子或中子。利用少量的能量可使得該設備相 比于先前的常規(guī)設備更加緊湊。根據本發(fā)明的裝置適當地產生質子，所述質子可用于產生其他同位素，包括但不 限于18Ρ、"(:、150、13Ν、63Ζη、124Ι以及多種其他同位素。通過改變燃料類型，根據本發(fā)明的裝 置也可用于產生高通量的各向同性中子，所述中子可用于產生以下同位素，包括但不限于 131I、133Xe、mIn、125I、99M0(衰變成99mTc)以及多種其他同位素。因此，本發(fā)明提供了新穎的緊 湊型高能質子或中子源以用于諸如制備醫(yī)用同位素之類的用途中，所述緊湊型高能質子或 中子源與前述的質子或中子源相比具有許多優(yōu)點?！銇碇v，本發(fā)明提供了產生質子或中子的裝置，而這些質子或中子又適用于產 生多種放射性核素(或放射性同位素)。該裝置包括等離子體離子源(可適宜地是射頻驅 動式離子發(fā)生器)、加速器(適宜地是電極驅動的)、以及靶系統。就基于質子的放射性同位 素的制備而言，該裝置還可包括同位素引出系統。射頻驅動的等離子體離子源產生離子束 并且沿預定路徑準直離子束，其中所述離子源包括用于第一流體進入的入口。電極驅動式 加速器接收離子束并且使離子束加速，從而產生加速離子束。靶系統接收加速離子束。靶 系統含有衍生核粒子的(如，衍生質子的或衍生中子的)靶材料，所述靶材料可與加速射束 反應并從而發(fā)射核粒子，即質子或中子。對于放射性同位素的制備，靶系統可具有對核粒子 透明的側壁。同位素引出系統設置在靶系統附近或內部并且含有衍生同位素的材料，該材 料可與核粒子反應產生放射性核素(或放射性同位素)。現在參見附圖。實施本發(fā)明原理的裝置通常指定為參考數字10或11并且合適地
8具有兩種結構磁結構10以及直線結構11。按附圖所示來連接該設備的六個主部分或部 件，其中對于磁設備按照圖1和圖2所示進行連接，對于線性結構按照圖3所示進行連接。 實施本發(fā)明原理的裝置10包括通常指定為20的離子源、加速器30、差壓泵40、包括靶室的 靶系統60或70、通常指定為80的離子約束系統、以及通常指定為90的同位素引出系統。 本發(fā)明可另外包括氣體過濾系統50。根據本發(fā)明的裝置還可包括同步高速泵100以代替差 壓泵40或作為差壓泵的附加部分。泵100尤其適于與線性結構的靶室一起工作。離子源20(圖4和圖5)包括真空室25、射頻(RF)天線24、以及具有離子注入器 第一級23和離子注入器末級35(圖6)的離子注入器?？砂ù朋w(未示出)以允許離子 源在高密度螺旋模式下工作以產生較高密度的等離子體22，從而生成更多的離子電流。該 磁體的場強的合適范圍為約50G至約6000G，更適宜的是約100G至約5000G。磁體可被定 向以便產生軸向場(南北極方向平行于離子束路徑)或會切場(南北極方向垂直于離子束 路徑且內部磁極在鄰近磁體的北極和南極之間交替變化)。軸向場可產生螺旋模式(稠密 等離子體)，會切場則可產生稠密等離子體但非螺旋感應模式。氣體入口 21位于真空室25 的一端，并且離子注入器26的第一級23位于另一端。氣體入口 21提供所需燃料類型中的 至少一種，所需燃料類型可包括屯2、2112、3112、3徹和"B，或者可包括HH和"B。通過 質流控制器(未示出)來適當地調節(jié)入口 21處的氣流，其中質流控制器可被用戶控制或自 動控制。RF天線24適當地卷繞在真空室25的外面。作為替換，RF天線24可位于真空室 25的內部。合適地是，RF天線24緊鄰真空室以使得由RF天線24發(fā)射的射頻輻射激勵真 空室25的內容物(即，燃料氣體)，例如，從而形成等離子體。RF天線24包括一匝或多匝 的管27。RF管或導線可由諸如銅、鋁或不銹鋼之類的導電性和可彎曲材料制成。離子注入器26包括一個或多個成形的級(23，35)。離子注入器的每一級包括適于 由導電性材料(可包括金屬和合金)制成的加速電極32，以便提供離子束的有效準直。例 如，電極適于由具有低濺射系數的導電性金屬(如，鎢)制成。其他合適的材料可包括鋁、 鋼、不銹鋼、石墨、鉬、鉭、以及其他材料。RF天線24的一端連接至RF阻抗匹配電路(未示 出)的輸出端，另一端連接至地。RF阻抗匹配電路可調諧天線以匹配發(fā)生器所需的阻抗并 且建立RF共振。RF天線24適于產生寬范圍的RF頻率，包括但不限于0Hz至數十kHz至數 十MHz至GHz以及更高的頻率。RF天線24可通過外部水冷卻器(未示出)進行水冷，以使 其可耐受高能耗并且具有極小阻抗變化?？蓪⒁辉裄F天線24的匹配電路連接至RF發(fā)電 機(未示出)。離子源20、匹配電路和RF發(fā)電機在最高的加速器電勢下或略高于該電勢下 可為浮置的(與地隔離)，并且這種電勢可通過電連接至高壓電源來獲得。RF發(fā)電機可被 遠程調節(jié)，以使得可通過使用者或者作為替換可通過計算機系統來控制射束強度。連接至 真空室25的RF天線24適于正電離燃料，以產生離子束。用于產生離子的可選途徑是本領 域技術人員已知的并且可包括微波放電、電子轟擊離子化、以及激光離子化。加速器30 (圖6和圖7)適當地包括真空室36，其中真空室的一端經由離子源匹配 凸緣31連接至離子源20，并且另一端經由差壓泵匹配凸緣33連接至差壓泵送系統40。加 速器的第一級也就是離子注入器26的末級35。至少一個環(huán)狀加速電極32并且適宜地為3 到50個、更適宜地為3到20個加速電極32可沿加速器真空室36的軸線方向間隔開并且 穿透加速器真空室36，同時允許保持真空邊界。加速電極32具有穿過其中心的孔(小于加 速器室的內徑)并且每個電極的中心適于設置在加速器真空室(用于使離子束通過)的縱
9向軸線上(從離子源端到差壓泵端)。加速電極32中的孔的最小直徑隨離子束強度或隨多 個離子束的增加而增加并且直徑的范圍可為約1mm至約20cm，并且更適宜地是從約1mm至 約6cm。外部真空室36、加速電極32可連接至電暈保護環(huán)34，所述電暈保護環(huán)降低了電場 并且最大程度地降低了電暈放電。這些環(huán)可浸于介電油或絕緣的介電氣體(例如SF6)中。 適宜地是，有利于連接至差壓泵部分40的差壓泵匹配凸緣33位于加速器的出口處。正如本領域技術人員所已知的，可利用高壓電源(未示出)或利用電阻分壓網絡 為加速器30的每個加速電極32提供偏壓。對于大多數情況，這種分壓器可因其簡單性而為 最適合的結構。在具有電阻分壓網絡的結構中，可將加速器的離子源端連接至高壓電源，并 且可將倒數第二個加速器電極連接至地。加速器電極32的中間電壓可由電阻分壓器設定。 加速器的末級適于經由末端加速電極而具有負偏壓以阻止電子從靶室回流至加速器30。在一個可擇實施例中，可使用直線加速器(例如，RF四極場)代替上述的加速器 30。直線加速器與上述的加速器30相比可具有降低的效率以及更大的尺寸。直線加速器 的第一端可連接至離子源20并且另一端可連接至差壓泵送系統40。直線加速器可使用RF 代替直流和高壓來獲得高粒子能，并且它們可按照本領域中已知的方式進行構造。差壓泵送系統40(圖8和圖9)包括壓降屏障42，該屏障將差壓泵40適當地分成至 少一級。每個壓降屏障42適當地包括薄固體板或者一個或多個狹長窄管，直徑通常為1cm 且中心具有小孔，其中直徑適宜為約1mm至約20cm且更適宜為約1mm至約6cm。每一級包 括真空室44、相關聯的壓降屏障42、以及真空泵17，每個真空泵均具有真空泵排氣裝置41。 取決于真空室是3、4、5端口還是6端口真空室44，每個真空室44可具有一個或多個、適宜 地具有1至4個真空泵17。真空泵44的端口中的兩個端口適當地定向在射束線上并且用 作差壓泵送系統40的入口和出口。每個真空室44的端口也可與壓降屏障42位于相同的 位置。將每個真空室44的剩余端口由合并凸緣適當地連接至真空泵17或可連接至各種探 測或控制設備。如果需要，將得自真空泵17的排氣通過真空泵排氣裝置41送入附加的真 空泵或壓縮機(未示出)中并且送入到氣體過濾系統50，如果需要，可將此附加真空泵設置 在氣體過濾系統50和靶室60或70之間。如果存在額外的壓縮級，可使其位于真空泵17 和過濾系統50之間。差壓泵送部分的一端經由加速器匹配凸緣45連接至加速器30，并且 另一端在射束出口 46處經由靶室匹配凸緣43連接至靶室(60或70)。差壓泵送系統40還 可包括渦流發(fā)生裝置(未示出)以打破層流。渦流發(fā)生裝置可限制液體的流動并且可包括 表面泵或其他結構或它們的組合以打破層流。渦流通常慢于層流并且可因此降低從靶室到 差壓泵送部分的流體泄漏速率。氣體過濾系統50適于在其真空泵隔離閥51處連接至差壓泵送系統40的真空泵 排氣裝置41或附加的壓縮機(未示出)。氣體過濾系統50 (圖10)包括真空泵排氣裝置 41從上流過的一個或多個壓力室或“阱”(13，15)。阱適于捕集可逸出靶室或離子源的流 體雜質，例如，可能從大氣中泄漏到該系統中的那些雜質?？衫靡旱獙②謇鋮s至低溫溫度 (液氮阱15)。由此，冷液阱13、15適于引起諸如大氣污染物之類的氣體溶解并且保留在阱 13,15內。氣體在流過一個或多個串聯的液氮阱15之后，適于被送至鈦吸氣阱13中，所述 鈦吸氣阱吸收可能會逸出靶室或離子源并且可能另外污染靶室的污染氫氣體，例如氘。吸 氣阱13的出口適于經由氣體過濾系統50的靶室隔離閥52連接至靶室60或70。如果希望 使氣體恒定地流入該系統并且從真空泵排氣裝置41排出至另一個真空泵排氣裝置(未示出)以及排出至該系統的外部，則可將氣體過濾系統50從設備10中完全移除。如果沒有 氣體過濾系統50，那么裝置10的操作將得到實質性改變。用作中子源的裝置10可不包括 氣體過濾系統50的吸氣阱13。真空泵隔離閥51以及靶室隔離閥52可有利于將氣體過濾系統50與該設備的其 余部分隔離并且在阱內變得氣體飽和時經由泵出閥連接至外部泵(未示出)。由此，如果真 空泵隔離閥51以及靶室隔離閥52關閉，那么可打開泵出閥53以泵出雜質。靶室60 (圖11和圖12，用于磁系統10)或靶室70 (圖13和圖14，用于線性系統) 可利用靶氣體進行填充以達到約0至約100托、約100毫托至約30托、適宜地為約0. 1至 10托、更適宜地為約100毫托至約30托的壓強。靶室60或70的具體幾何形狀可根據其主 要應用而變化并且可包括多種變型。對于線性系統14，靶室可適于為約10cm至約5m長、 且約5mm至約100cm的直徑的圓柱體。合適地是，對于線性系統14，靶室70可具有約0. lm 至約2m的長度、以及約30至約50cm的直徑。對于磁系統12，靶室60可類似于厚餅盤(pancake)，其高度為約10cm至約lm且 直徑為10cm至約10m。合適地是，對于磁系統12，靶室60可具有約20cm至約50cm的高度 以及大約50cm的直徑。對于磁靶室60，可將一對永磁體或電磁體(離子約束磁體12)設置 在餅盤的表面上、真空壁的外面或者靶室的外徑周圍(參見圖11和圖12)。磁體適于由包 括但不限于銅和鋁、或者超導體或NdFeB (對于電磁體)的材料制成。磁體的磁極可被定向 以使它們產生位于靶室總體積內的軸向磁場?？衫冒邔Т怕什牧?例如1010鋼、鎳 鐵高導磁率合金、或其他材料)的磁路來適當地控制磁場。對于氘核，磁靶室的尺寸和磁波 束流能量根據方程(1)決定場強r = lM^/B ⑴其中r的單位為米，E為束流能量(單位eV)，且B為磁場強度(單位為高斯)。磁 體可被定向為平行于餅盤的平面并且可進行極化以使得存在垂直于來自加速器30的射束 方向的磁場，即，可將磁體安裝到靶室的頂部和底部以引起離子重復循環(huán)。在采用磁靶室60 的另一個實施例中，在靶室的頂部和底部上存在合適的附加磁體以在磁靶室的兩端(頂部 和底部)產生磁鏡場(在靶室的兩端產生局部區(qū)域的較強磁場)，從而產生鏡效應以使得離 子束被反射遠離靶室的兩端。產生磁鏡場的這些附加磁體可為永磁體或電磁體。將靶室的 一端經由差壓泵匹配凸緣33可操作地連接至差壓泵送系統40，氣體回流端口 62允許氣體 從氣體過濾系統50重新進入靶室。靶室還可包括饋通(feedthrough)端口(未示出)以 允許連接各種同位素產生裝置。在靶室60的磁結構中，磁場約束靶室內的離子。在靶室70的線性結構中，注入的 離子由靶氣體約束。靶室在被用作質子或中子源時，可能需要屏蔽以保護設備操作人員免 受輻射，并且這種屏蔽可由適合為至少一英尺厚的混凝土墻提供。作為替換，可將該設備保 存在遠離使用者的地下或貯藏器中，或者可將水或其他流體用作屏蔽，或者可使用上述手 段的組合。差壓泵送系統40和氣體過濾系統50均可進料給靶室60或70。差壓泵送系統40 適當地提供離子束，而氣體過濾系統50提供過濾氣體流以填充靶室。另外，就同位素的制 備而言，可將真空饋通孔(未示出)安裝到靶室60或70上，以使得同位素引出系統90能夠連接到外面。包括同位素產生系統63的同位素引出系統90可為任意數量的結構以便提供母化 合物或材料并且移除在靶室內部或附近產生的同位素。例如，同位素產生系統63可包括激 活管64，所述激活管為剛好貼合在圓柱靶室內的緊緊卷繞的螺旋體并且具有壁65。作為 替換，在具有離子約束系統80的餅盤靶室的情況下，其可包括沿餅盤圓周覆蓋設備的螺旋 體以及兩個分別位于餅盤的頂面和底面的螺旋體，其中所有的螺旋體均串聯連接。用于這 些結構中的激活管64的壁65足夠強以抵擋破裂，然而又足夠薄以使超過14MeV (約10至 20MeV)的質子能夠穿過這些壁同時仍能保持它們的大部分能量。管壁的厚度可取決于材料 可以是約0. 01mm至約1mm、并且適宜地為約0. 1mm。管壁適于由將不會產生中子的材料制 成。薄壁管可由諸如鋁、碳、銅、鈦或不銹鋼之類的材料制成。饋通孔(未示出)可將激活管 64連接至該系統的外部，在此位置富含子化合物或產物化合物的流體可進入用于冷卻的熱 交換器(未示出)以及化學分離器(未示出)，其中將子同位素化合物或產物同位素化合物 從母化合物、子化合物和雜質的混合物中分離。在另一個實施例中，如圖15所示，將高速泵100設置在加速器30和靶室60或70 之間。高速泵100可取代差壓泵送系統10和/或氣體過濾系統50。高速泵適當地包括一 個或多個葉片或葉輪102以及可操行性地連接至控制器108的定時信號104。高速泵可與 來自加速器部分的離子束流同步，從而使得當葉片102之間或其內的至少一個間隙106與 離子束對齊時允許離子束穿過該間隙106。可通過具有位于沿泵軸方向或至少一個葉片上 的一個或多個標記來產生定時信號104。標記可為光學的、磁性的、或本領域已知的其他合 適的標記。定時信號104可指示葉片102或間隙106的位置以及是否存在與離子束對齊的 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可用作離子束引出電壓的門脈沖開關，以允許離子束離開離子源20和加速器30并進 入高速泵100。當射束從離子源20到加速器30到高速泵100并且到達靶室60或70的路 線流過該系統時，該射束在離子束與間隙106對齊的時間段內可一直維持，隨后在離子束 與間隙106不再對齊之前或之時關閉?？赏ㄟ^控制器108來協調定時信號104和離子束的 配合。在一個控制器108 (圖18)的實施例中，控制器108可包括脈沖處理單元110、高壓 隔離單元112、以及控制抑制電壓(離子束關閉；壓差可為5-10kV)和引出電壓(離子束打 開；壓差可為20kv)之間的加速器30電壓的高速開關114。定時信號104適于產生通過延 時電路或本領域已知的其他邏輯或合適裝置的邏輯脈沖。脈沖處理單元110可改變高速泵 的渦輪以便適應延時，并且高速開關114可以是M0SFET開關或本領域中已知的其他合適的 開關技術。高壓隔離單元112可以是光纖連接或本領域已知的其他合適的連接。例如，葉 片102每轉動一次，定時信號104僅指示是否存在間隙106 —次，并且單個脈沖可經由控制 器108用信號通知一組電子設備，從而使得每次葉片轉動產生一組n個脈沖，其中在一次葉 片轉動中存在n個間隙。作為替換，定時信號104可指示在一次葉片轉動期間對于m個間 隙中的每一個是否存在間隙106，并且這m個脈沖在每次葉片轉動時可各自經由控制器108 用信號通知一組電子設備以產生脈沖，其中在一次葉片轉動中存在m個間隙?？山浻煽刂?器108將邏輯脈沖傳遞至或協調至加速器部分35的第一級(離子引出器)，以使得邏輯脈 沖觸發(fā)加速器部分35的第一級從抑制狀態(tài)變?yōu)橐鰻顟B(tài)，并且反之亦然。如果加速器為 +300kV，那么例如在高速泵100中不存在間隙106的情況下加速器部分35的第一級可偏壓至+295kV，使得正離子束在從+295kV到+300kV時將不會流動，并且當在高速泵100中存在 間隙106時加速器部分35的第一級可偏壓至+310kV，使得離子束穿過加速器30并且穿過 高速泵100中的間隙106到達靶室60或70。抑制狀態(tài)和引出狀態(tài)之間的電壓差可以是相 對較小的變化，例如約lkV至約50kV，適宜地約10kV至約20kV。電壓的較小變化可以促進 在抑制狀態(tài)(圖17)和引出狀態(tài)(圖16)之間的快速變化。定時信號104和控制器108可 由本領域中已知的任何合適裝置操作，包括但不限于半導體和光纖。離子束的通斷時間周 期可取決于諸如葉片102的轉速、葉片或間隙106的數目、以及葉片或間隙的尺寸之類的因
o例如，用于PET掃描中的同位素18F和13N可通過該設備內的核反應進行產生。這 些同位素可通過質子轟擊母同位素180(對于18F)和160(對于13N)產生。母同位素的來源 可以是諸如水餌180或112160)之類的流體，其可經由外部泵送系統(未示出)流經同位素產 生系統并且在靶室內與高能質子反應以產生所需的子化合物。對于制備18f或13N而言，水 (分別為H2180或H2160)流過同位素產生系統63，并且產生自上述聚變反應的高能質子可穿 透管64的壁，撞擊母化合物并且引起(p，a)反應，從而產生18F或13N。在封閉的系統中， 例如，富含同位素的水可隨后流過熱交換器(未示出)以冷卻流體并且隨后流入諸如離子 交換樹脂之類的化學過濾器(未示出)中以便從該液體中分離同位素。此水混合物然后可 重新循環(huán)至靶室(60或70)，并將同位素保存在過濾器、注水器中、或利用本領域中已知的 其他合適途徑進行保存，直至已制備足夠的同位素用于成像或其他過程。盡管已描述了管狀螺旋體，但存在可用于制備相同的或其他的放射性核素的許多 其他幾何形狀。例如，同位素產生系統63可合適地為平行環(huán)或具有肋的平板。在另一個實 施例中，可將水套附接至真空室壁。對于18f或13N的生產而言，螺旋體可被任意數量的薄壁 幾何形狀(包括薄窗)所取代，或者可被含有高氧濃度的固體物質所取代，并且嬗變之后將 被移除并且進行處理。其他同位素可通過其他的裝置來產生。在操作之前，通過以下方式來適當地填充靶室60或70:首先在電源關閉的情況下 使靶氣體(例如3He)預流過離子源20，以使得該氣體流過裝置10，并進入靶室中。在操作 中，將諸如2H2之類的反應氣體注入離子源20并且通過RF場正電離以形成等離子體22。隨 著真空室25內的等離子體22朝離子注入器26方向擴展，等離子體22開始受到加速器30 內的更負的電勢的影響。這使得帶正電的離子加速朝靶室60或70前進。離子源20中的 各級(23和35)的加速電極32準直一個或多個離子束，從而分別給出穿過加速器30第一 級的大致均一的離子束剖面。作為替換，加速器30的第一級如上所述使能離子束的脈動和 /或開/關切換。當射束繼續(xù)穿過加速器30時，其拾取每一級的附加能量，從而當該射束到 達加速器30的末級時，其能量可高達5MeV、達lMeV、適宜地達500keV、更適宜地為50keV至 5MeV、并且更適宜地為50keV至500keV、并且適宜地為0至10安培、更適宜地為100毫安 培。此電勢由能夠產生所需電壓的外部電源(未示出)提供。來自離子源20的一些中性氣 體也可泄漏到加速器30中，但加速器30的壓強將通過差壓泵送系統40或同步高速泵100 而維持在最小值以避免過高的壓強以及系統崩潰。射束繼續(xù)以高速進入差壓泵40，射束在 差壓泵40穿過相對較低的壓強、短路徑長度的級且具有最小的相互作用。離開此位置，射 束繼續(xù)進入靶室60或70，轟擊壓強適宜地為0至100托、更適宜為100毫托至30托、更適 宜地為5至20托的高密度靶氣體，從而使得速度降低并且產生核反應。發(fā)射的核粒子可為約0. 3MeV至約30MeV的質子、適宜地為約lOMeV至約20MeV的質子、或者為約0. lMeV至約 30MeV的中子、適宜地為約2MeV至約20MeV的中子。在線性靶室70的實施例中，離子束以近似直線的方式持續(xù)行進并且轟擊高密度 靶氣體以產生核反應，直至其停止。在磁靶室60的實施例中，離子束彎曲進入近似螺旋形的路徑，且軌道半徑(對于 氘離子，2H)由方程⑵給出(2) B其中r為軌道半徑(單位為cm)，T,為離子能(單位為eV)，并且B為磁場強度(單 位為高斯)。就500keV的氘束和5kG的磁場強度而言，軌道半徑為約20. 4cm并且合適地配 合在25cm半徑的室內。盡管可發(fā)生離子中和，但發(fā)生再電離的速率要快的多，并且粒子將 在其大部分時間內作為離子。一旦陷入此磁場，離子就會沿軌道運行，直至離子束停止，從而在短室內實現了非 常長的路徑長度。由于相對線性靶室70具有增加的路徑長度，因此磁靶室也可在較低的壓 強下工作。磁靶室60于是可以是更合適的結構。磁靶室可小于線性靶室并且仍可保持長 的路徑長度，這是因為射束可在相同的空間內進行多次重新循環(huán)。聚變產物在較小的室內 可以更為集中。如所解釋的，磁靶室與線性室相比可在較低的壓強下工作，從而降低了泵送 系統的負荷，這是因為較長的路徑長度與較低壓強的氣體一起，與線性加速器室的長路徑 長度和較高壓的氣體相比，可給出相同總數量的碰撞。由于加速器30和靶室60或70之間的壓強差，氣體可流出靶室并且流入差壓泵送 系統40。真空泵17可迅速的移除此氣體，從而實現約10至100倍或更高的壓降。然后將 此“泄漏的”氣體經由氣體過濾系統50過濾和再循環(huán)并且泵回到靶室內，從而提供更為有 效的操作。作為替換，高速泵100可被定向以使得流動沿返回靶室的方向，以阻止氣體流出靶室。如果所需的產物為醫(yī)用同位素，那么可將本文所述的同位素引出系統90插入到 靶室60或70內。此設備允許高能質子與所需同位素的母核素相互反應。就18F的制備或 13N的制備而言，此靶可為水基的(160用于13N，并且180用于18F)并將流過薄壁管。壁的厚 度足夠薄以使得從聚變反應中產生的14. 7MeV的質子將在基本不損失能量的情況下通過 它們，從而允許它們從母同位素嬗變成所需的子同位素。然后將富含13N或18F的水經由外 部系統進行過濾和冷卻。另外可產生諸如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之類的其他同位素。如果所需產物為用于某種其他用途的質子，那么可將靶室60或70連接至其他裝 置以便為這些應用提供高能質子。例如，可將根據本發(fā)明的裝置用作質子療法的離子源，其 中將質子束進行加速并且用于照射癌細胞。如果所需產物是中子，那么不需要諸如同位素引出系統90之類的硬件，因為中子 能夠以極少的衰減穿透真空系統的壁。對于中子制備而言，將注入器中的燃料改變成氘或 氚，并且將靶材料分別改變成氚或氘?？僧a生高達約1015中子/秒或更高的中子產率。另 外，可移除吸氣阱13。可將母同位素化合物包埋在靶室60或70周圍，并且釋放的中子可將 母同位素化合物轉變成所需的子同位素化合物。作為替換，在靶室的內部或附近可仍然或
14附加地使用同位素引出系統?？墒褂脺p慢中子的減速器(未示出)來增加中子相互反應的 效率。中子學術語中的減速器可以是減慢中子的任何一種或多種材料。合適的減速器可由 具有低原子質量的且不可能吸收熱中子的材料制成。例如，為了從98Mo母化合物產生"Mo， 可使用水減速器。"Mo衰變成可用于醫(yī)學成像過程的"mTc。另外可產生諸如131I、133Xe、mIn、 和1251之類的其他同位素。當用作中子源時，本發(fā)明可包括至少一英尺厚的屏蔽(例如，混 凝土或諸如水的流體)以保護操作人員免受輻射。作為替換，可將中子源保存在地下以保 護操作人員免受輻射。本發(fā)明在中子模式下的使用和操作方式與上述描述中所實施的方式 相同。根據本發(fā)明，可計算轟擊厚靶氣體的射束的聚變速率。轟擊厚靶氣體的離子束的 增量聚變速率由方程(3)給出
權利要求
一種用于產生核粒子的緊湊型裝置，包括離子源、加速器、以及靶系統；所述離子源用于產生離子束并且操作性地耦合至所述離子束加速器；所述加速器用于接收所述離子束并且加速所述離子束以產生加速的離子束；所述靶系統操作性地耦合至所述加速器，以用于容納衍生核粒子的靶材料，所述靶材料可與所述加速的射束反應以發(fā)出核粒子，所述靶系統被確定大小并構造為a)磁靶室；b)操作性地耦合至高速同步泵的線性靶室；或者c)操作性地耦合至同位素引出系統的線性靶室。
2.根據權利要求1所示的裝置，其中所述靶系統是磁靶室，所述磁靶室具有a)頂部和底部；b)安裝到所述頂部的第一磁體；以及c)安裝到所述底部的第二磁體，所述第一和第二磁體使得所述離子束在所述靶室內重 復循環(huán)。
3.根據權利要求1所示的裝置，其中所述靶系統是線性靶室。
4.根據權利要求1所示的裝置，其中所述高速同步泵包括a)至少一個葉片；b)在所述至少一個葉片內或其間的用于允許所述離子束通過的至少一個間隙；c)至少一個定時信號；d)耦合至所述至少一個定時信號和所述加速器的控制器，所述控制器用于調節(jié)所述加 速器的電壓以允許所述離子束到所述靶室的通路以及阻止所述離子束到所述靶室的通路。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述離子源包括a)允許待電離的第一流體進入的入口以及出口；b)具有第一端和第二端的真空室，所述第一端連接至所述入口；c)操作性地連接至所述真空室以用于正電離所述第一流體來產生所述離子束的RF天 線，所述真空室允許所述離子束從所述離子源的入口到達出口的通路；以及d)離子注入器，操作性地連接至所述真空室的第二端并且具有與第二級連接的第一 級，所述離子注入器的第一級用于準直所述離子束。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的裝置，其中所述加速器是電極驅動加速器。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的裝置，其中所述加速器包括a)第一端和第二端，所述第一端連接至所述離子注入器的第二級；b)具有內部和外部的真空室，所述真空室從所述加速器的所述第一端延伸至所述第二 端、并且允許所述離子束從所述加速器的所述第一端到所述第二端的通路；c)至少兩個加速電極，所述加速電極沿所述室間隔開并且各自穿透所述室內部以產生 電場，且電壓從所述加速器的第一端向第二端降低，從而使得所述離子束的能量從所述加 速器的第一端向第二端增加；以及d)電暈保護環(huán)，所述電暈保護環(huán)在所述室外部與每個加速電極連接，以降低所述電場。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的裝置，其還包括同位素引出系統，所述同位素引 出系統操作性地耦合至所述靶系統并用于容納衍生同位素的材料。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中所述同位素引出系統包括管道，該管道運送包含第二流體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統的管道并且與所 述第二流體反應以產生放射性同位素。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述靶室具有對所述核粒子透明的壁并且所述 同位素引出系統設置在所述靶室附近。
11.根據權利要求8或9所述的裝置，其中所述靶室具有對所述核粒子不透明的壁并且 所述同位素引出系統設置在所述靶室內。
12.根據權利要求1-7中任一項所述的裝置，還包括鄰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.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，還包括降低分子從所述靶室到所述加速器的流動的差壓泵送系統，所述差壓泵送系統包括a)第一端和第二端，所述第一端連接至所述加速器的第二端；b)至少一個真空室，所述真空室允許所述離子束從所述差壓泵的所述第一端到所述第 二端的通路；c)至少一個真空泵，所述真空泵連接至每個真空室以降低壓強；以及d)真空泵排氣裝置，所述真空泵排氣裝置連接至所述真空泵。
14.根據權利要求1-13中任一項所述的裝置，還包括連接至所述差壓泵送系統和所述 靶室之間的氣體過濾系統，所述氣體過濾系統包括a)第一端禾口第二端；b)吸氣阱，所述吸氣阱位于所述氣體過濾系統的第一端，連接至所述靶室的第二端，并 且捕集從所述靶室逸出的氫；c)至少一個液氮阱，所述液氮阱位于所述氣體過濾系統的第二端，連接至所述吸氣阱， 并且捕集從所述靶室逸出的流體雜質；d)至少一個真空泵隔離閥，所述真空泵隔離閥能在打開位置和關閉位置之間移動，具 有連接至所述阱的一端，具有連接至所述差壓泵送系統的真空泵排氣裝置的第二端，并且 具有第三端；以及e)泵出閥，所述泵出閥能在打開位置和關閉位置之間移動，連接至所述真空泵隔離閥 的第三端，并在其處于打開位置并在所述真空泵隔離閥處于關閉位置時允許所述流體雜質 從所述氣體過濾系統中逸出。
15.一種產生核粒子的方法，包括激活離子源以產生離子束；加速所述離子束至合適的能量以產生加速的離子束；將所述加速的離子束引導至含有選定的衍生核粒子的靶材料的靶系統中，所述衍生核 粒子的靶材料與所述射束反應以產生核粒子，所述靶系統被確定大小并構造為a)磁靶室；b)操作性地耦合至高速同步泵的線性靶室；或者c)操作性地耦合至同位素引出系統的線性靶室。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括使所述核粒子與選定的放射性核素產生材料反應以產生至少一種放射性核素。
17.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述離子束包括2H離子并且所述衍生核粒子的靶材料包括3He。
18.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述離子束包括2H并且所述衍生核粒子 的靶材料包括3h。
19.根據權利要求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.根據權利要求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 產生的同位素是13N。
21.根據權利要求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 產生的同位素是18F。
22.根據權利要求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 產生的同位素是"Mo。
23.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述加速的離子束是至少50mA且至少 IOOkeV的射束。
24.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述發(fā)出的核粒子是0.3-30MeV的質子。
25.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述靶材料具有O毫托至100托的壓強。
26.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述發(fā)出的核粒子為10-20MeV的質子。
27.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述靶材料具有100毫托至30托的壓強。
28.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述發(fā)出的核粒子為0.l-30MeV的中子。
29.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述發(fā)出的核粒子為2-20MeV的中子。
30.根據權利要求24所述的方法，其中所述產生的同位素為18Ρ、"(:、150、13Ν、63Ζη、或124I0
31.根據權利要求28所述的方法，其中所述產生的同位素為131I、133Xe、mIn、125I、或99Mo0
32.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述核粒子是質子或中子。
33.根據權利要求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.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述核粒子產生材料包括3He、2H、或3H。
35.一種使用如權利要求1所述的裝置進行制備的核粒子。
36.一種使用如權利要求1所述的裝置產生質子或中子的方法。
全文摘要
文檔編號H05H6/00GK101952899SQ20088012569
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者Piefer Gregory 申請人:Phoenix Atomic Lab Gmbh