CN101154475A - 一种放射性核素的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种放射性核素的生产方法，包括以下步骤：采用大功率激光器与初级靶作用产生粒子束；粒子束经过聚焦、加速与放射性核素靶物质发生核反应，生成目标放射性核素。本发明方法解决了现有回旋加速器生产放射性核素方法效率低、不能在线生产、设备体积大、设计复杂、不能在短期内重复开机使用、使用灵活性差及维护费用极高的缺点，具有可即时化在线生产放射性核素、可实现放射性核素生产系统桌面化、对设备间的屏蔽要求低、可提高放射性核素生产系统整体性能、可降低生产运行成本的优点。

Description

一种放射性核素的生产方法
技术领域
本发明涉及一种采用大功率激光束生产放射性核素的方法。
背景技术
放射性核素是临床分子影像成像的基础和前体。假如没有正电子放射性核素(positron nuclide)，那么PET、PET/CT、PET/MRI等设备均无法发挥其临床作用和价值。目前临床常规使用医用回旋加速的方法来生产放射性核素，比如15O、13N、11C、18F、124I和64Cu等。医用回旋加速的方法(Cyclotron)首先需要离子源(ionicsource)产生离子(一般采用将H2电离成离子的方法)，然后在回旋加速器中对离子束进行加速器，待其能量达到预先设置的能量时将加速的离子束提取出来和放射性核素生产的靶内物质发生核反应后，以获得所需要的正电子放射性核素。
传统医用回旋加速生产放射性核素存在的技术缺陷和应用问题包括：
1、不能实现在线生产：传统回旋加速器设计方法由于生产放射性核素需要一定的累积束电流，靶内的18F需要处理后才能使用，使得回旋加速器不能在生产核素过程中间停顿，不能实现在线生产放射性核素。
2、所使用设备体积庞大，对设备间的屏蔽要求高。一般加速器在不包括屏蔽情况下重量在10-20吨之间，加上屏蔽一般在35-50吨之间；另外，加速器具有强的放射性辐射和磁场辐射而对设备放置间具有严格的要求；由于离子回旋加速器本身技术限制，医用离子回旋加速器设备很难进行高度集成化设计。屏蔽也需要对整体回旋加速器进行屏蔽，无法做到仅仅对有放射性辐射的靶系统屏蔽。
3、所使用设备设计复杂、维修难度大。由于需要对离子进行回旋加速，所以需要设计复杂的控制系统线路才能达到这样目的。回旋加速器需要复杂电子线路设计也增加维修难度，目前国内的回旋加速器均需要专业队伍进行维修。
4、所使用设备不能在短期内重复开机使用，产生放射性核素需要时间长。由于磁场需要稳定，所以设备不能在短期内重复开机使用，加上采用气体离子源技术产生离子，所以很难产生高密度和高强度的束流；这样使得医用回旋加速器生产正电子放射性核素一般需要一个小时。
5、该方法利用固体靶生产放射性核素时的效率低。由于设备本身限制医用回旋加速器不利于固体靶生产放射性核素。而目前临床常用的124I和64Cu又均需要固体靶来生产正电子放射性核素；如果要使用固体靶需要专门的固体靶系统装置，而且效率很低。
6、所使用设备的灵活性差，设计缺乏模块化设计，以致于无法从提高局部性能(单元)来实现整体性能的提高。传统回旋加速器设计是从整机考虑加速离子，这样每个部件单元的变化均会影响整机性能，这也是非模块化设计存在的最大缺陷。
7、所使用的医用回旋加速器日常维护复杂、费用极高：正电子放射性核素生产不能普及化发展一个重要的原因是医用回旋加速器日常维护复杂、费用极高。假如每周PET/CT病人扫描数低于10人次，那么是无法维持医用回旋加速器日常维护费用。
目前放射性核素生产主要的问题是产量低，许多学者提出增加激光激发次数，以提高累计放射性核素产量，使其在相同时间内生产的正电子放射性核素产量超过传统的医用回旋加速器产量。另外就是目前主要采用固体放射性核素靶和液体放射性核素靶，气体靶使用得极少。
KWDL、Tajima和Dawson采用大功率激光器实验性生产正电子放射性核素研究提供以下基础资料：激光和铝箔、金箔、高分子聚乙烯类作用后产生等离子体内主要含有质子；从固体靶箔产生质子需要的激光功率、脉冲宽度和能量；从理论上奠定了激光生产质子束的可行性。但是他们的研究也存在以下不足：他们没有考虑到如何把激光束与初级靶作用后产生的离子进行聚焦、加速等问题；没有考虑到质子在空气传递会有明显的能量丢失；他们片面强调提高激光束功率和能量，没有考虑二次对质子、或其他由激光激发的离子再加速问题；没有考虑到放射性核素生产的特殊性-即可以多次轰击靶物质，没有将多次重复轰击靶物质作为关键技术之一重点考虑。
由此可见采用传统离子回旋加速产生放射性核素的方法已经不能满足临床发展的需要。现在临床需要的是高度集成化、能够多次重复、操作方便、可以简单化使用固体靶、整体采用模块化设计思想设计及低成本运行的生产放射性核素方法。
发明内容
本发明的目的是旨在克服现有回旋加速器生产放射性核素方法的不足之处而提供一种具有多用途、随机化在线生产、高度集成化体积小、方法稳定及低成本生产的放射性核素的生产方法，其解决了现有回旋加速器生产放射性核素方法效率低、不能在线生产、设备体积大、设计复杂、不能在短期内重复开机使用、使用灵活性差及维护费用极高的缺点。
本发明的技术解决方案是：一种放射性核素的生产方法，包括以下步骤：
1]生成激光束：用大功率激光器产生高能量、高密度激光束；
2]生成粒子束：用生成的激光束和初级靶作用产生粒子束；
3]粒子束聚焦：将初级靶产生的粒子束进行聚焦；
4]生成目标放射性核素：将聚焦后的粒子束和放射性核素靶物质发生核反应，生成目标放射性核素；
上述方法还可包括粒子束加速步骤：在聚焦的粒子束和放射性核素靶物质发生核反应前先进行粒子束加速。
上述方法还可包括激光束偏转步骤：所述初级靶包括至少一个不同的初级靶，通过控制激光束偏转来选择激光束和不同的初级靶作用产生不同的粒子束。
上述方法还可包括粒子束偏转步骤：所述放射性核素靶物质包括至少一个不同的放射性核素靶物质，通过控制粒子束偏转来选择粒子束和不同的放射性核素靶物质作用生成不同的目标放射性核素。
上述方法还可包括粒子束滤栅处理步骤：为使粒子束更加均匀，对聚焦或加速后的粒子束加以虑栅处理，再和放射性核素靶物质发生核反应。
上述初级靶包括固体靶、气体靶、等离子体或液体靶；所述固体靶包括铝箔、铜箔、钡箔；所述气体靶包括氢气、氮气+甲烷，所述液体靶按照所需要生产放射性核素选择。
上述生成粒子束的步骤中，如果初级靶为固体靶，则初级靶为移动状态，移动速度大于10μm/秒。
上述激光器功率＜1015W/cm2时，聚焦或加速后的粒子束和放射性核素靶物质作用前所需的真空度＞10-5mbar；当激光器功率＞1015W/cm2时，聚焦或加速后的粒子束和放射性核素靶物质作用前所需的真空度＜10-5mbar或者为常压。
上述放射性核素靶物质包括固体靶、液体靶或气体靶；所述固体靶包括64Cu、124I、123I；所述液体靶包括18F、13N-NH3；所述气体靶包括11C、18F2。
本发明的优点是：
将获得的正电子放射性核素经过处理，可用于合成放射性示踪剂，或者用于质子刀，或者用于X线发射源，然后应用于人体疾病诊断或治疗。
本发明生产方法和传统的回旋加速放射性核素生产方法之间具有本质的区别。传统回旋加速放射性核素生产方法由于设计原理的制约，目前设备尚难达到高度集成化设计，而且在设计初期主要以液体、气体靶应用为主进行设计，没有从机理上考虑固体靶设计。另外，为了提高性能需要多离子束进行多次聚焦、连续轰击靶，需要高性能的冷却装置等。相比之下，本发明放射性核素生产方法的设计就截然不同，主要体现在激光器的体积小；初级靶采用固体靶，可以产生高质量、强束流的质子束或中子束流；每次轰击之间，存在时间间隔，以至于对冷却和真空度要求并不严格。本方法的优点具体体现在以下几方面：
1、本发明方法可即时生产放射性核素。本发明方法由于采用了激光技术，可在很短的时间内产生高密度和高强度的粒子束流，是目前唯一可以达到即时化生产放射性核素的方法，极大方便临床应用。
2、本发明方法可实现放射性核素生产系统桌面化。由于采用了激光技术，设备高度集成化，不再需要回旋加速器，节省了体积，实现了放射性核素生产系统桌面化。
3、本发明方法对设备间的屏蔽要求降低。本方法可以在任何符合防护要求的房间放置放射性核素生产系统。
4、本发明方法用途广泛。本发明方法可以完成液体、气体、固体靶各种核素生产，特别是克服了传统回旋加速生产方法在使用固体靶时存在的局限性。
5、本发明方法可提高放射性核素生产系统整体性能。本发明方法采用模块化设计，对激光器、初级靶和放射性核素靶物质采用模块化设计，整体系统性能模块化设计可以在提高局部功能的情况下整机提高。
6、本发明方法可降低生产运行成本。由于本方法不需要体积庞大的回旋加速器，所以可在一个房间内完成生产过程，明显降低辐射防护费用。
7、本发明方法可在计算机控制下可以自动化完成。
附图说明
图1为本发明生产流程示意图；
图2为本发明最佳生产流程示意图；
图3为激光束偏转示意图；
图4为粒子束聚焦及偏转示意图。
附图标记：1-激光束，2-激光束偏转，3-初级靶1～初级靶3，4-粒子束，5-粒子束聚焦，6-粒子束偏转，7-放射性核素靶物质1～放射性核素靶物质8。
具体实施方式
实施例1：不带粒子束加速过程的放射性核素生产方法：
本实施例的放射性核素生产方法是采用大功率激光器和初级靶作用产生粒子束；粒子束经过聚焦后，与放射性核素靶物质作用，发生核反应后产生放射性核素。
具体步骤操作如下：
1]生成激光束：大功率激光器产生高能量、高密度激光束，激光光斑上功率需要达到1015W/cm2以上。
2]生成粒子束：高能量粒子束用于和初级靶作用完成180(p，n)18F核反应，产生粒子束，粒子束能量需要大于1.5MeV以上；按照生产放射性核素的不同选择不同的初级靶，生产质子束、中子束或氘粒子束。初级靶包括固体靶、气体靶和液体靶三种，其中生产质子束时可选择10-20μm厚度、宽度小于2cm铝箔作为初级靶，当激光束与初级靶作用时，初级靶上的铝箔最好按照大于10μm/秒速度沿移动，避免铝箔被激光击穿。当采用氢气气体靶生产质子束时，气体靶靶面直径为10毫米(靶窗为15μm厚度钛箔，靶内氢气需要大于3个大气压)。多个初级靶可以在激光束照射方向逐一排列，使用时通过激光束偏转控制来选择不同的初级靶。
3]粒子束聚焦：由初级靶产生的粒子束，需经过粒子束聚焦的过程，聚焦一般采用电磁管聚焦方式(绝缘管外缠有螺旋状铜线圈，加上大电流；在铜线圈之间可加有散热层)。
4]粒子束偏转：放射性核素靶物质包括至少一个不同的放射性核素靶物质，通过控制粒子束偏转来选择粒子束和不同的放射性核素靶物质作用生成不同的目标放射性核素。一般可以安装1到8个甚至更多个放射性核素靶物质供使用选择。
5]生成目标放射性核素：粒子束和放射性核素靶物质发生核反应，生产目标放射性核素。按照生产正电子放射性核素或其它核素的不同，可以选择固体靶(64Cu、124I、123I)、液体靶(18F、13N-NH3、18O或者在18O中加入离子液)或气体靶(11C、18F2)。
实施例2：带粒子束加速过程的放射性核素生产方法：
在需要生产大剂量放射性核素时可以对经过聚焦后的粒子束进行再加速；本实施例中，放射性核素生产方法是采用大功率激光器和初级靶作用产生粒子束；粒子束经过聚焦和再加速后，与放射性核素靶物质作用，发生核反应后产生放射性核素。具体步骤如下：
1]生成激光束：大功率激光器产生高能量、高密度激光束，激光光斑上功率需要达到1015W/cm2以上。
2]生成粒子束：生成粒子束：高能量粒子束用于和初级靶作用完成180(p，n)18F核反应，产生粒子束，粒子束能量需要大于1.5MeV以上；按照生产放射性核素的不同选择不同的初级靶，生产质子束、中子束或氘粒子束。初级靶包括固体靶、气体靶和液体靶三种，其中生产质子束时可选择10-20μm厚度、宽度小于2cm铝箔作为初级靶，当激光束与初级靶作用时，初级靶上的铝箔最好按照大于10μm/秒速度沿移动，避免铝箔被激光击穿。当采用氢气气体靶生产质子束时，气体靶靶面直径为10毫米(靶窗为15μm厚度钛箔，靶内氢气需要大于3个大气压)。多个初级靶可以在激光束照射方向逐一排列，使用时通过激光束偏转控制来选择不同的初级靶。
3]粒子束聚焦：由初级靶产生的粒子束，需经过粒子束聚焦的过程，聚焦一般采用电磁管聚焦方式(绝缘管外缠有螺旋状铜线圈，加上大电流；在铜线圈之间可加有散热层)。
4]粒子束偏转：粒子束偏转：放射性核素靶物质包括至少一个不同的放射性核素靶物质，通过控制粒子束偏转来选择粒子束和不同的放射性核素靶物质作用生成不同的目标放射性核素。一般可以安装1到8个甚至更多个放射性核素靶物质供使用选择。
5]粒子束加速：粒子束加速是对聚焦后粒子束进行加速的过程。一般采用加速管来进行加速，为达到加速目的，加速管两端电压差需大于0.5MeV。
6]生成目标放射性核素：粒子束和放射性核素靶物质发生核反应，生产目标放射性核素。按照生产正电子放射性核素或其它核素的不同，可以选择固体靶(64Cu、124I、123I)、液体靶(18F、13N-NH3、18O或者在18O中加入离子液)或气体靶(11C、18F2)。
在上述两个实施例中，为了使生产过程稳定、高性能运转，聚焦和加速用的电磁管的真空度最好能达到10-5mbar以上，另外还可用水冷却方式保持整个生产过程的工作温度为20+2度。一般只需在生成粒子束靶和生成目标放射性核素的过程中采用大于1.5Ci18F防护作用的屏蔽。放射性核素靶物质填充18O水可以使用低纯度的18O水，也可以在其内直接加入离子液体。
本发明方法的各步骤是基于以下原理设计的：
1、采用激光生产初级粒子后经过加工处理再和放射性核素靶物质发生核反应是本发明生产方法的基本原理和基础。
2、采用大功率激光器产生高强度激光束和初级靶物质作用产生包括质子、中子、氘、电子在内的粒子束；激光束和初级靶作用对产生的粒子质量具有明显的影响，比如初级靶泊厚度和宽度对粒子产生数量和能量具有直接影响。为此，可选择各种初级靶以达到初级靶最大化的目的。初级靶可以是固体(铝、铜、钡箔等)、气体(氢气、氮气+甲烷等)、液体(按照所需要生产放射性核素选择)或等离子体。激光器可以多次、重复发射激光束，激光束和靶物质作用后可多次重复产生粒子束。高能激光器不仅仅是指激光的输出能量高，还要有相当高的功率。能量是可以用时间来积累，但是对于激光而言在需要足够的能量密度的同时还要有一定的功率密度。一般认为大功率激光是指平均功率大于10kw，持续时间达到数秒，激光能量在数万焦以上。大功率激光器是指功率在1×101-7kw以上，持续时间为纳秒，甚至于更短的脉冲。激光器从运行上分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器以不间断的方式输出激光，连续输出激光的时间大于或等于0.25秒。单个激光脉冲宽度小于0.25秒的激光器叫做脉冲激光器。
3、对初级靶生成的粒子束(质子、中子、电子、小粒子等)必需经过聚焦(必要时进行加速)才能和放射性核素靶物质作用。本发明首次采用对粒子束进行聚焦，必须要时对粒子束进行再加速的技术，可提高生产效率20％以上
4、为了提高靶生产效率，可对入射放射性核素靶物质之前的粒子束加以滤栅处理，以提高粒子束流均匀度。
5、离子回旋加速器最大的缺陷在于其不适合于固体靶生产正电子放射性核素，为了弥补离子回旋加速器固有缺陷，本发明方法特别注意扩大固体靶性能设计，为此本方法可以同时设置3个以上不同初级靶和8个以上不同放射性核素靶，可扩大靶应用范围和功能，提高放射性核素靶性价比。
6、为避免激光束将泊靶击穿对后续生产产生影响，需要对箔类固体初级靶进行适当的移动，对于气体靶需要对气体加压(一般需要大于3个大气压)，采用气体作为初级靶还需要安装气体进出装置及相应的附属设备。
7、粒子，特别是带电粒子在空气运行必然和空气发生作用损耗其能量，在真空条件下运动可减低能量损耗，为了提高粒子束流质量，初级靶产生的粒子束和放射性核素靶物质作用前所经过路径需要在真空条件下；当激光器功率达到PW拍瓦(PW，即1015W)级以上时可以在常压下工作。为此，本发明方法首次采用在真空下提高粒子束能量技术，使生产性能提高15％以上。
8、利用计算机对生产过程进行自动化控制。
9、对发生核反应的部位采用防护设施以减少对环境辐射。
10、当需要达到高放射性核素产量时，需要对放射性核素靶物质进行水冷却，保持工作温度为20±2度。
本发明方法和传统回旋加速放射性核素生产方法之间区别见下表：
  本发明方法   传统回旋加速放射性核素生产方法
  原理   采用激光产生高能量粒子和放射性核素靶物质发生核反应   通过电磁场加速由气体电离产生的离子和放射性核素靶物质发生核反应
  对放射性防护   仅仅对放射性核素靶物质进行屏蔽   需要对整个电磁场进行屏蔽
  体积、重量   桌面型设备，500kg   需要三个房间放置设备，20-40吨
  18F产量   300-500mCi/20分钟1000-1500mCi/60分钟   ＜100mCi/20分钟0-4000mCi/60分钟
  重复生产时间   20分钟，属于即时生产设备   需要2-4小时间隔
  耗材   激光源(300-400小时更换)   离子源(每年需要2个)
  类比   全数字化全频道液晶电视机   模拟信号2-3频道阴极射线电视机

Claims (10)

1.一种放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1]生成激光束：用大功率激光器产生高能量、高密度激光束；
2]生成粒子束：用生成的激光束和初级靶作用产生粒子束；
3]粒子束聚焦：将初级靶产生的粒子束进行聚焦；
4]生成目标放射性核素：将聚焦后的粒子束和放射性核素靶物质发生核反应，生成目标放射性核素；
2.根据权利要求1所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括粒子束加速步骤：在聚焦的粒子束和放射性核素靶物质发生核反应前先进行粒子束加速。
3.根据权利要求1所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括激光束偏转步骤：所述初级靶包括至少一个不同的初级靶，通过控制激光束偏转来选择激光束和不同的初级靶作用产生不同的粒子束。
4.根据权利要求1或2所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括粒子束偏转步骤：所述放射性核素靶物质包括至少一个不同的放射性核素靶物质，通过控制粒子束偏转来选择粒子束和不同的放射性核素靶物质作用生成不同的目标放射性核素。
5.根据权利要求4所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括激光束偏转步骤：所述初级靶包括至少一个不同的初级靶，通过激光束偏转控制装置来选择激光束和不同的初级靶作用产生不同的粒子束。
6.根据权利要求1或2或3或5所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：该方法包括粒子束滤栅处理步骤：为使粒子束更加均匀，对聚焦或加速后的粒子束加以虑栅处理，再和放射性核素靶物质发生核反应。
7.根据权利要求1或2或3或5所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：所述初级靶包括固体靶、气体靶、等离子体或液体靶；所述固体靶包括铝箔、铜箔、钡箔；所述气体靶包括氢气、氮气+甲烷，所述液体靶按照所需要生产放射性核素选择。
8.根据权利要求7所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：所述生成粒子束的步骤中，如果初级靶为固体靶，则初级靶为移动状态，移动速度大于10μm/秒。
9.根据权利要求7所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：当激光器功率＜1015W/cm2时，聚焦或加速后的粒子束和放射性核素靶物质作用前所需的真空度＞10-5mbar；当激光器功率＞1015W/cm2时，聚焦或加速后的粒子束和放射性核素靶物质作用前所需的真空度＜10-5mbar或者为常压。
10.根据权利要求1或2或3或5或8或9所述的放射性核素的生产方法，其特征在于：所述放射性核素靶物质包括固体靶、液体靶或气体靶；所述固体靶包括64Cu、124I、123I；所述液体靶包括18F、13N-NH3；所述气体靶包括11C、18F2。
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