CN102084434A - 用于产生医用同位素的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于产生医用同位素的混合核反应堆，其包括：用于由气体产生离子束的离子源；包括靶的靶室，所述靶与离子束相互作用以产生中子；和紧靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料与中子相互作用以通过裂变反应产生医用同位素。衰减物紧靠活化室定位并选择为将裂变反应保持在次临界水平，反射物紧靠靶室定位并选择为朝向活化室反射中子，并且减速剂基本上围绕活化室、衰减物和反射物。

Description

用于产生医用同位素的装置和方法

相关申请资料

本申请根据35U.S.C.Section 119(e)要求提交于2008年5月2日的共同待审的美国临时申请No.61/050,096的优先权，其内容在此全部引入作为参考。

背景技术

本发明涉及用于产生医用同位素的装置和方法。更特别地，本发明涉及用于在有或没有次临界反应堆和低浓铀(LEU)的情况下产生中子产生的(neutron generated)医用同位素的装置和方法。

在核医学中医生常使用放射性同位素。这些同位素中最常使用的同位素是⁹⁹Mo。⁹⁹Mo的大部分来源由高浓铀(HEU)获得。所用HEL的高浓度足以制造核武器。HEU从美国出口以便于产生所需⁹⁹Mo。人们希望在不使用HEU的情况下产生所需的⁹⁹Mo。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了一种用于产生医用同位素的混合核反应堆。该反应堆包括：用于由气体产生离子束的离子源；包括靶的靶室，所述靶与离子束相互作用以产生中子；和紧靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料与中子相互作用以通过裂变反应产生医用同位素。衰减物紧靠活化室定位并选择为将裂变反应保持在次临界水平，反射物紧靠靶室定位并选择为朝向活化室反射中子，并且减速剂(moderator)基本上围绕活化室、衰减物和反射物。

在另一个实施例中，本发明提供了一种用于产生医用同位素的混合核反应堆。该反应堆包括：包括基本上环绕一空间的长靶路径的聚变部。聚变部用于在靶路径内产生中子通量。反射物基本上围绕长靶路径并且布置成将中子通量的一部分朝向所述空间反射。活化室位于所述空间内并且包括母材料，所述母材料与中子通量的一部分发生反应以在裂变反应期间产生医用同位素。衰减物位于活化室内并选择为将裂变反应保持在次临界水平，并且减速剂基本上围绕活化室、衰减物和反射物。

在另一个实施例中，本发明提供了一种产生医用同位素的方法。该方法包括激励气体以产生离子束，加速该离子束，和使加速的离子束通过包括靶气体的长靶路径。靶气体和离子通过聚变反应发生反应以产生中子。该方法还包括利用基本上围绕长靶路径的反射物反射一部分中子，将母材料定位在邻近长靶路径的活化室内，和在一部分中子和母材料之间保持裂变反应以产生医用同位素。该方法还包括使衰减物邻近活化室定位和在衰减物内将一部分中子转化为热中子以在活化室内加强裂变反应。

在又一实施例中，本发明提供了一种产生医用同位素的方法。该方法包括激励气体以产生离子束，加速该离子束，和使加速的离子束通过包括靶气体的基本上线性的靶路径。靶气体和离子通过聚变反应发生反应以产生自由中子。该方法还包括利用位于靶路径径向外侧的反射物反射一部分自由中子，将母材料定位在邻近靶路径的活化室内，和使自由中子和母材料发生反应以在不使用裂变物质的情况下产生医用同位素。

在考虑详细说明和附图的情况下，本发明的其它方面和实施例将变得显而易见。

附图说明

参考这里结合附图给出的对具体实施例的详细说明可以更好地理解和领会本发明，其中：

图1是具有磁性靶室的产生器的第一视图；

图2是具有磁性靶室的产生器的第二视图；

图3是具有线性靶室的产生器的第一视图；

图4是离子源的第一视图；

图5是离子源的剖视图；

图6是加速器的第一视图；

图7是加速器的剖视图；

图8是差动泵浦(differential pumping)的第一视图；

图9是差动泵浦的剖视图；

图10是气体过滤系统的第一视图；

图11是磁性靶室的第一视图；

图12是磁性靶室的剖视图；

图13是线性靶室的第一视图；

图14是线性靶室的剖视图，显示了用于产生¹⁸F和¹³N的示例性同位素产生系统；

图15是具有线性靶室和同步高速泵的产生器的第一视图；

图16是处于提取状态的同步高速泵的剖视图，其允许离子束通过；

图17是处于抑制状态的同步高速泵的剖视图，其不允许离子束通过；

图18是具有线性靶室和同步高速泵的产生器和控制器的一个实施例的示意图；

图19是在10托气体压力和25℃下，就³He气体对²H离子的阻止本领而言，阻止本领(stopping power)(keV/μm)与离子能量(keV)之间关系的曲线图；

图20是在10托气体压力和25℃下，就³He气体对²H离子的阻止本领而言，阻止本领(keV/μm)与离子能量(keV)之间关系的曲线图；

图21是在10托下，就100mA入射²H束撞击³He靶而言，聚变反应率(反应数/秒)与离子束入射能量(keV)之间关系的曲线图；

图22是适于产生医用同位素的包括聚变部和裂变部的混合反应堆的透视图；

图23是适于产生医用同位素的包括聚变部和裂变部的混合反应堆的另一种方案的透视图；

图24是裂变反应堆的侧示意图，显示了不同的材料层；

图25是图24所示裂变反应堆的顶示意图，显示了不同的材料层；

图26是另一种裂变反应堆的侧示意图，显示了不同的材料层；

图27是图26所示裂变反应堆的顶示意图，显示了不同的材料层；

图28是另一种裂变反应堆的侧示意图，显示了不同的材料层并且尤其适合于由⁹⁸Mo形成⁹⁹Mo；和

图29是图28所示裂变反应堆的顶示意图，显示了不同的材料层。

具体实施方式

在详细描述本发明的任意实施例之前，应当理解，本发明不将其应用局限于下文所述或附图所示的结构细节和部件布置。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实施或实现。同样，应当理解，这里使用的措辞和术语是出于描述目的，而不应被看作限制性的。这里使用的“包含”、“包括”或“具有”及其变形是指涵盖其后所列项目和其等同物以及其它项目。除非另有说明或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变形广义地使用并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械连接或联接。

在解释至少一个实施例之前，应当理解，本发明不将其应用局限于下文以实例方式举例说明的细节。这种说明和实例不用于限制如所附权利要求阐述的本发明的范围。本发明能够具有其它实施例或者能够以各种方式实施或实现。

在本公开内容中，本发明的不同方面可按范围形式陈述。应当理解，以范围形式进行描述仅仅出于方便和简洁的目的，不应看作是对本发明范围的严格限制。因此，本领域技术人员应当理解，不管出于什么目的，特别是就提供书面描述而言，这里公开的所有范围同样涵盖其任何可能的子范围或其子范围的组合，以及位于该范围内的所有整数和分数数值。仅作为一个实例，20％到40％的范围可以分解为20％到32.5％和32.5％到40％，20％到27.5％和27.5％到40％等。任一所列范围能够容易地被认为是充分描述了该相同范围并且允许该相同范围分解成至少两等分、三等分、四等分、五等分、十等分等等。作为非限制实例，这里讨论的每个范围可以容易地分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。另外，本领域技术人员还应当理解，例如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”、“多于”等的所有用语包括所述数字并且是指如上所述的可以依次分解为子范围的范围。同样，这里公开的所有比率也包括落入较宽比率范围内的所有子比率。这些只是具体所指内容的实例。另外，短语在第一指示数字和第二指示数字“之间的范围”和“从”第一指示数字“到”第二指示数字“的范围”在本文可以互换地使用。

例如“基本上”、“大约”、“大致”等的术语在这里用于描述可偏离理想情形或所述情形而不会对装置的性能产生显著影响的特征和特性。例如，“基本上平行”可用于描述在理想情况下平行，但可以偏离高达20°的角度的特征，只要该偏离不会对装置产生显著的不利影响即可。类似地，“基本上线性”可以包括略微弯曲路径或者略微盘旋路径，只要离直线度的偏差不会对装置性能产生显著的不利影响即可。

图22显示了非常适合于产生医用同位素的混合反应堆5a的布置。在继续说明之前要说明的是，这里使用的术语“混合反应堆”是指包括聚变部和裂变部的反应堆。特别地，所示反应堆5a非常适合于由⁹⁸Mo或由LEU溶液产生⁹⁹Mo。混合反应堆5a包括聚变部10和裂变部8，其相互配合以产生所需的同位素。在图22所示结构中，使用十个单独的聚变部10。每个聚变部10布置成磁性聚变部10并且起到中子源的作用，如参考图1和2所述的那样。当然，根据需要，其它布置可以使用更少的聚变部10、更多的聚变部10，或者聚变部的其它布置。

图23显示了非常适合于产生医用同位素的混合反应堆5b的另一种布置。在图23所示结构中，线性聚变部11起到中子源的作用，如参考图3和4所述的那样。在图23所示结构中，线性聚变部11布置成使五个聚变部11位于裂变部8的一端，五个聚变部11位于裂变部8的相对另一端。当然，如果需要的话，可以使用其它布置，其使用其它数量的聚变部11或者聚变部的其它布置。

如图1-3所示，每个聚变部10、11提供紧凑装置，其可以起到高能质子源或中子源的作用。在一个实施例中，聚变部10、11利用²H-³He(氘-氦3)聚变反应产生质子，其可随后用于产生其它同位素。在另一个实施例中，聚变部10、11通过将基本反应改变为²H-³H、²H-²H或³H-³H反应而起到中子源的作用。

鉴于传统型的质子或中子源所固有的缺陷，聚变部10、11提供了可用于产生医用同位素的新颖的高能质子或中子源(这里有时候统称为离子源，但更准确地为粒子源)。每个聚变部10、11使用少量能量产生聚变反应，其随后产生可用于同位素产生的高能质子或中子。使用少量能量可以允许装置比前述传统装置更为紧凑。

每个聚变部10、11适当地产生可用于产生其它同位素的质子，所述同位素包括但不限于¹⁸F、¹¹C、¹⁵O、¹³N、⁶³Zn、¹²⁴I和许多其它同位素。通过改变燃料类型，每个聚变部还可用于产生高通量均质中子，其可用于产生同位素，包括但不限于¹³¹I、¹³³Xe、¹¹¹In、¹²⁵I、⁹⁹Mo(其衰变为^99mTc)和许多其它同位素。同样，每个聚变部10、11提供了用于例如产生医用同位素的新颖的紧凑高能质子或中子源，其与上文提及的质子或中子源相比具有许多优点。

通常，每个聚变部10、11提供用于产生质子或中子的设备，所述质子或中子又适合用于产生各种放射性核素(或放射性同位素)。参考图1和2，每个磁性聚变部10包括等离子源20(其可适当地包括射频驱动离子产生器和/或天线24)，加速器30(其适当地由电极驱动)和靶系统(其包括靶室60)。在基于质子的放射性同位素产生的情况下，设备还可以包括同位素提取系统90。射频驱动等离子源20产生离子束并将其沿着预定轨迹对准，其中，离子源20包括用于使第一流体进入的进口。电极驱动加速器30接收离子束并使离子束加速以产生加速离子束。靶系统接收加速离子束。靶系统包含核粒子衍生(例如，质子衍生或中子衍生)靶材料，其与加速离子束起反应，又发射核粒子，即质子或中子。对于放射性同位素产生而言，靶系统可以具有核粒子能透过的侧壁。同位素提取系统90布置在靶系统附近或内部并且包含同位素衍生材料，其与核粒子起反应以产生放射性核素(或放射性同位素)。

应当注意到，尽管这里描述了射频驱动离子产生器或离子源，但其他系统和装置同样非常适合于产生所需的离子。例如，其他结构可以利用直流弧光离子源代替射频驱动离子产生器或离子源或者与其一起使用。另外的其他结构可以使用热阴极离子源、冷阴极离子源、激光离子源、场发射源和/或场蒸发源代替直流弧光离子源和/或射频驱动离子产生器或离子源或者与其一起使用。这样，本发明不应局限于使用射频驱动离子产生器或离子源的结构。

如这里所讨论的，聚变部可以布置成磁性构造10和/或线性构造11。装置的六个主要部分或部件连接成如针对磁性构造10的图1和图2所示，以及如针对线性构造11的图3所示。每个聚变部(不管布置成磁性布置方案还是线性布置方案)包括总体表示为20的离子源、加速器30、差动泵浦系统40、靶系统、总体表示为80的离子约束系统以及总体表示为90的同位素提取系统，所述靶系统包括用于磁性构造10的靶室60或者用于线性构造11的靶室70。每个聚变部可以另外地包括气体过滤系统50。代替或除了差动泵浦系统40之外，每个聚变部还可以包括同步高速泵100。泵100特别地用于靶室的线性构造。

离子源20(图4和图5)包括真空室25、射频(RF)天线24和离子喷射器26，所述离子喷射器具有离子喷射器第一级23和离子喷射器末级35(图6)。可以包括磁铁(未显示)以允许离子源按照高密度螺旋模式工作，从而产生高密度等离子22以得到更多的离子流。该磁铁的场强度适当地为大约50G到大约6000G，适当地为大约100G到大约5000G。磁铁可以定向为产生轴向场(南北极方向与离子束路径平行)或尖点场(cusp field)(南北极方向与离子束路径垂直，并且对于相邻磁铁而言，内磁极在北极和南极之间交替)。轴向场可以产生螺旋模式(稠密等离子)，而尖点场可以产生稠密等离子，但不是螺旋感应模式。气体入口21位于真空室25的一端，离子喷射器26的第一级23位于另一端。气体入口21提供希望的燃料类型之一，其可以包括¹H₂、²H₂、³H₂、³He、和¹¹B，或者可以包括¹H、²H、³H、³He和¹¹B。入口21处的气体流通过质量流量控制器(未显示)进行适当调节，所述质量流量控制器可以由使用者控制或自动控制。射频天线24适当地卷绕在真空室25外面。替代地，射频天线24可以位于真空室25内部。适当地，射频天线24靠近真空室，以使得射频天线24发射的射频辐射激励真空室25的内含物(即，燃料气体)，例如，形成等离子。射频天线24包括具有一或多圈的管子27。射频管或金属线27可以由传导性且可弯曲的材料制成，例如，由铜、铝或不锈钢制成。

离子喷射器26包括一或多个成形(shaped)级(23，35)。离子喷射器的每一级包括适当地由传导性材料制成的加速电极32，所述传导性材料可以包括金属和合金以提供离子束的有效准直。例如，电极适当地由具有低溅射系数的传导性金属，例如，钨制成。其它适当的材料可以包括铝、钢、不锈钢、石墨、钼、钽等。射频天线24的一端连接到射频阻抗匹配电路(未显示)的输出，另一端接地。射频阻抗匹配电路可以对天线进行调频以匹配产生器所需阻抗并建立射频共振。射频天线24适当地产生大范围射频频率，包括但不限于0Hz到数十kHz、到数十MHz、到GHz或更大。射频天线24可以通过外部水冷却器(未显示)进行水冷，以使得它能够在阻力变化最小的情况下容许高功率耗散。一圈射频天线24中的匹配电路可以连接到射频能量产生器(未显示)上。离子源20、匹配电路和射频能量产生器可以在最高加速器电位或略高电位处浮动(与地绝缘)，并且该电位可以通过电连接到高压电源获得。可对射频能量产生器进行远程调节，以使得束流强度可以由使用者控制，或者替代地，由计算机系统控制。连接到真空室25的射频天线24适当地使燃料确定地离子化，产生离子束。用于产生离子的替代手段为本领域技术人员所熟知，可以包括微波放电、电子碰撞电离和激光电离。

加速器30(图6和图7)适当地包括真空室36，其一端通过离子源对接法兰31连接到离子源20，另一端通过差动泵浦对接法兰33连接到差动泵浦系统40。加速器的第一级也是离子喷射器26的末级。至少一个圆形加速电极32(适当地3到50个，更适当地3到20个)可以沿着加速器真空室36的轴线隔开并且穿过加速器真空室36，同时允许保持真空界限。加速电极32具有穿过其中心的孔(小于加速器室的孔)并且适当地均以加速器真空室的纵向轴线(从离子源端到差动泵浦端)为中心以使离子束通过。加速电极32中的孔的最小直径随着离子束强度或多个离子束而增大，直径可以为大约1mm到大约20cm，适当地，直径为大约1mm到大约6cm。外部真空室36、加速电极32可以连接到防电晕环34上，所述防电晕环减少电场并使电晕放电最小化。这些环可以浸在介电油或绝缘介电气体，如SF₆中。适当地，差动泵浦对接法兰33(其便于连接到差动泵浦部分40上)位于加速器出口处。

如本领域技术人员已知，加速器30的每个加速电极32可以由高压电源(未显示)或者电阻分压器网络(未显示)提供偏压。对于大部分情况来说，分压器由于其简单性可为最适合的构造。在具有电阻分压器网络的构造中，加速器的离子源端可以连接到高压电源上，第二到最后一个加速器电极32可接地。加速器电极32的中间电压可以由电阻分压器设定。加速器的末级通过最后的加速电极适当地加负偏压以防止来自靶室的电子回流至加速器30中。

在一个替代实施例中，可以使用直线加速器(例如，射频四极子(quadrapole))代替如上所述的加速器30。与如上所述的加速器30相比，直线加速器的效率变低，尺寸更大。直线加速器的第一端可连接到离子源20，另一端连接到差动泵浦系统40。直线加速器可以使用射频代替直流和高压以获得高粒子能量，它们可以如本领域已知那样进行构造。

差动泵浦系统40(图8和图9)包括减压隔板42，其将差动泵浦系统40适当地分离成至少一级。每个减压隔板42适当地包括薄实心板或者一或多个长的细管，典型地直径为1到10cm且中心具有小孔，适当地直径为大约0.1mm到大约10cm，更适当地为大约1mm到大约6cm。每一级包括真空室44、相关的减压隔板42和真空泵17，每个真空泵具有真空泵排气口41。每个真空室44可以具有一或多个，适当地1到4个真空泵17，取决于是否为3、4、5或6端口真空室44。真空室44的端口中的两个适当地定向于束线(beamline)上并用于离子束从差动泵浦系统40进入和离开。每个真空室44的端口还可位于与减压隔板42相同的位置。每个真空室44的其余端口适当地通过CF(conflat)法兰连接到真空泵17或者可以连接到各种仪器或控制装置。来自真空泵17的排气通过真空泵排气口41供给到附加的真空泵或压缩机(如果需要附加的真空泵或压缩机的话，未显示)中并且供给到气体过滤系统50中。替代地，如果需要，这个附加的真空泵可以位于气体过滤系统50和靶室60或70之间。如果存在附加的压缩级，它可以位于真空泵17和过滤系统50之间。差动泵浦部的一端通过加速器对接法兰45连接到加速器30，位于束出口46处的另一端通过靶室对接法兰43连接到靶室(60或70)。差动泵浦系统40还可以包括紊流产生设备(未显示)以扰乱层流。紊流产生设备可以限制流体流动并且可以包括表面凸起或其它特征或者其组合以扰乱层流。紊流典型地慢于层流并因此可以减少流体从靶室渗漏到差动泵浦部中的速率。

在一些结构中，减压隔板42由等离子窗(plasma windows)代替或加强。等离子窗包括与减压隔板所用小孔类似的小孔。然而，在孔上方形成稠密等离子以限制气体流过小孔，同时仍然允许离子束通过。磁场或电场形成在孔中或附近以将等离子固定就位。

气体过滤系统50适当地在其真空泵隔离阀51处连接到差动泵浦系统40的真空泵排气口41或附加的压缩机(未显示)上。气体过滤系统50(图10)包括一或多个压力室或“捕集器(traps)”(13，15)，真空泵排气口41的排气流过它们。捕集器适当地捕获可能逃脱靶室或离子源的流体杂质，其中所述流体杂质例如可能从大气泄漏到系统中。捕集器可以利用液氮冷却到深冷温度(LN捕集器，15)。这样，冷液体捕集器13、15适当地使例如大气污染物的气体液化并保留在捕集器13、15中。在流过串联连接的一或多个LN捕集器15之后，气体适当地流向钛吸气剂(getter)捕集器13，其吸收例如氘的污染氢气，例如氘的污染氢气可能逃脱靶室或离子源而不然会污染靶室。吸气剂捕集器13的出口适当地通过气体过滤系统50的靶室隔离阀52连接到靶室60或70。如果人们想使气体恒定地流入系统中并且将其通过真空泵排气口41排出到另一个真空泵排气口(未显示)和系统外面的话，气体过滤系统50可以从装置10上整体拆下。在没有气体过滤系统50的情况下，设备10的操作不会发生本质上的改变。作为中子源的设备10可以不包括气体过滤系统50的吸气剂捕集器13。

真空泵隔离阀51和靶室隔离阀52可便于将气体过滤系统50与装置的其余部分隔离并且在捕集器中气体饱和时通过泵出阀53连接到外部泵(未显示)。这样，如果真空泵隔离阀51和靶室隔离阀52关闭的话，泵出阀53可以打开以用泵抽出杂质。

靶室60(针对磁性系统10的图11和图12)或者靶室70(针对线性系统11的图13和图14)可以充以靶气体以达到一定压力，该压力为大约0到大约100托，大约100毫托到大约30托，适合地大约0.1到大约10托，适合地大约100毫托到大约30托。靶室60或70的具体几何形状可以根据其主要应用进行改变并且可以包括许多变型。对于线性系统14来说，靶室可适当地为长度为大约10cm到大约5m，直径为大约5mm到大约100cm的筒体。当在混合反应堆中使用时，靶室布置成在其中心提供活化柱(activation column)。聚变部布置成引导束穿过靶室，但在活化柱外面。因此，束基本上在环形空间内行进。适当地，对于线性系统14来说，靶室70的长度可为大约0.1m到大约2m，直径为可大约30到50cm。

对于磁性系统12来说，靶室60可类似于厚的扁饼(pancake)，高度为大约10cm到大约1m，直径为大约10cm到大约10m。适当地，对于磁性系统12来说，靶室60的高度可为大约20cm到大约50cm，直径可为大约50cm。对于磁性靶室60来说，一对永久磁铁或电磁铁(离子约束磁铁12)可以位于扁饼的表面上，位于真空壁外面或者围绕靶室外径(参见图11和图12)。磁铁适当地由包括但不限于铜和铝、或者用于电磁铁的超导体或NdFeB的材料制成。磁铁的磁极定向成使它们在靶室容积内产生轴向磁场。磁场利用磁路进行适当地控制，所述磁路包括高导磁性的磁性材料，如1010钢、高导磁合金(mu-metal)或其它材料。磁性靶室的尺寸和磁束能量根据等式(1)确定场强度：

$r=1.44\sqrt{E}/B---\left(1\right)$

对于氘核而言，其中，r单位为米，E为以eV为单位表示的束能量，B为以高斯为单位表示的磁场强度。磁铁可以定向成与扁饼的平坦表面平行并极化成使得磁场与来自加速器30的束方向垂直，即，磁铁可以安装到靶室顶部和底部以使离子再循环。在使用磁性靶室60的另一个实施例中，在靶室的顶部和底部上适当地设置附加的磁铁以在磁性靶室的任一端部(顶部和底部)上产生镜像磁场，其在靶室的两端部产生更强磁场的局部区域，产生镜像效应，这导致离子束被远离靶室的端部反射。产生镜像磁场的这些附加磁铁可以是永久磁铁或电磁铁。还希望在靶室的径向边缘附近提供更强磁场以产生类似的镜像效应。同样，可以使用成形磁路(shaped magnetic circuit)或附加磁铁以提供所需的强磁场。靶室的一端通过差动泵浦对接法兰33操作连接到差动泵浦系统40，气体再循环端口62允许气体从气体过滤系统50再次进入靶室。靶室还可以包括馈通端口(feedthrough ports)(未显示)以允许连接各种同位素产生设备。

在靶室60的磁性构造中，磁场在靶室中约束离子。在靶室70的线性构造中，射入的离子由靶气体约束。当用作质子或中子源时，靶室可能需要防护措施以保护装置的操作人员不受辐射，防护措施可以由适当地为至少一英尺厚的混凝土墙提供。替代地，装置可以存放在地下或者钢骨水泥掩体中，远离使用者，或者可以使用水或其它流体，或者其组合作为防护措施。

差动泵浦系统40和气体过滤系统50可以装入靶室60或70中。差动泵浦系统40适于提供离子束，而气体过滤系统50供应过滤气体流以填充靶室。另外，在同位素产生的情况下，真空馈通件(未显示)可以安装到靶室60或70以允许同位素提取系统90连接到外面。

包括同位素产生系统63的同位素提取系统90可以具有任意的多种构造以提供母化合物或材料并移除在靶室内或附近产生的同位素。例如，同位素产生系统63可以包括活化管64(图12和14)，其是刚好适配在圆筒形靶室内并具有壁65的密绕螺线管。替代地，在具有离子约束系统80的扁饼型靶室的情况下，它可以包括沿靶室圆周覆盖装置的螺线管(helix)和两个旋管(spirals)，这两个旋管分别位于扁饼的顶部表面和底部表面上，并且全部串联连接。在这些构造中使用的活化管64的壁部65强度足够大以防止破裂，但是足够薄以使超过14MeV(大约10到20MeV)的质子可穿过它们，同时仍然保持其大部分能量。根据材料而定，管壁的厚度为大约0.01mm到大约1mm，适当地为大约0.1mm。管壁适当地由不会产生中子的材料制成。薄壁管可以由例如铝、碳、铜、钛或不锈钢的材料制成。馈通件(未显示)可以将活化管64连接到系统外面，其中富含子化合物或产品化合物的流体可以流到用于冷却的热交换器(未显示)和使子化合物或产品同位素化合物从母化合物、子化合物和杂质的混合物分离的化学分离器(未显示)。

在另一种结构中，如图15所示，高速泵100位于加速器30和靶室60或70之间。高速泵100可以代替差动泵浦系统40和/或气体过滤系统50。高速泵适当地包括一或多个叶片或转子102和操作连接到控制器108的定时信号104。高速泵可以与来自加速器部的离子束同步，以使得当间隙106与离子束对准时，允许一或多个离子束穿过位于叶片102之间或叶片102中的至少一个间隙106。可以通过沿着泵轴或在至少一个叶片上设置一或多个标记来形成定时信号104。标记可以是本领域已知的光学、磁性或者其它适当的标记。定时信号104可以指示叶片102或间隙106的位置以及是否存在与离子束对准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可以用作离子束提取电压的门脉冲开关，用以允许离子束离开离子源20和加速器30并进入高速泵100。当从离子源20通过系统流到加速器30、高速泵100和靶室60或70时，束可以在离子束与间隙106对准时接通一段时间，随后在离子束与间隙106不对准之前和期间断开。定时信号104和离子束的协调可以由控制器108协调。在控制器108的一个实施例中(图18)，控制器108可以包括脉冲处理单元110、高压隔离单元112和高速开关114，用以将加速器30的电压控制在抑制电压(离子束断开；差可为5-10kV)和提取电压(离子束接通；差可为20kV)之间。定时信号104适当地产生延时通过的逻辑脉冲或者本领域已知的其它逻辑或适当方式。脉冲处理单元110可以改变高速泵的涡轮机以适应延时，高速开关114可以是MOSFET开关或本领域已知的其它适当的开关技术。高压隔离单元112可以是光纤连接装置或者本领域已知的其它适当的连接装置。例如，定时信号104可在叶片102的每一转只指示一次是否存在间隙106，单脉冲可以通过控制器108向一组电子仪器发信号以在叶片每转产生一组n个脉冲，其中，在叶片一转中存在n个间隙。替代地，定时信号104可以在叶片一转期间给m个间隙中的每一个指示是否存在间隙106，m个脉冲可以通过控制器108分别给一组电子仪器发送信号以在叶片每转中产生一个脉冲，其中，在叶片旋转一转中存在m个间隙。逻辑脉冲可以通过控制器108传给或协调给加速器部35的第一级(离子提取器)，使得逻辑脉冲触发加速器部35的第一级以从抑制状态改变到提取状态，反之亦然。例如，如果加速器为+300kV，则当高速泵100中不存在间隙106时，加速器35的第一级可以被加偏压至+295kV，以使得正离子束不会从+295kV流向+300kV，当高速泵100中存在间隙106时，加速器35的第一级可以被加偏压至+310kV，以使得离子束穿过加速器30并穿过高速泵100中的间隙106到达靶室60或70。抑制和提取状态之间的电压差可以是较小的变化，例如大约1kV到大约50kV，适当地为大约10kV到大约20kV。小的电压变化可便于在抑制(图17)和提取(图16)状态之间快速变换。定时信号104和控制器108可以通过本领域已知的任一适当装置操作，包括但不限于半导体和光纤。离子束通断的时间周期取决于例如叶片102的旋转速度、叶片或间隙106的数量以及叶片或间隙的尺寸等因素。

在PET扫描中使用的同位素¹⁸F和¹³N可以利用如图12和14所示布置方案由每个聚变部内的核反应产生。这些同位素可以通过质子轰击由其母同位素(¹⁸O(用于¹⁸F)和¹⁶O(用于¹³N))产生。母源可以是流体，例如水(H₂ ¹⁸O或H₂ ¹⁶O)，其可以通过外部泵浦系统(未显示)的作用而流过同位素产生系统并与靶室中的高能质子发生反应以产生希望的子化合物。为了产生¹⁸F或¹³N，使水(分别地，H₂ ¹⁸O或H₂ ¹⁶O)流过同位素产生系统63，由上述聚变反应产生的高能质子可以穿过管64的壁并且撞击母化合物，导致产生¹⁸F或¹³N的(p，α)反应。例如，在封闭系统中，富含同位素的水可以随后被循环通过热交换器(未显示)以冷却流体并随后流入化学过滤器(未显示)，例如离子交换树脂中，以使同位素从流体分离。水混合物可以随后再循环到靶室(60或70)中，同时，将同位素储存在过滤器、灌注器中或者通过本领域已知的其它适当装置储存，直到产生足够的同位系以进行成像或其它程序为止。

尽管上文描述了管状旋管，仍然存在可用于产生相同或其它放射性核素的许多其它几何形状。例如，同位素产生系统63可以适当地为平行的环路或者具有肋部的平板。在另一个实施例中，水套可以附接到真空室壁。对于¹⁸F或¹³N产生来说，旋管可以由任意数量包括薄窗的薄壁几何构造代替，或者可以由包含高氧浓度并且可在变质之后被去除并处理的固态物质代替。其它同位素可以用其他装置产生。

参考图1和3，现在将描述聚变部的操作。在聚变部之一操作之前，相应的靶室60或70通过首先使例如³He的靶气体预先流过电源断开的离子源20而适当地填充，允许气体流过设备10并流入靶室。在操作中，例如²H₂的反应气体进入离子源20并且通过射频场进行正电离以形成等离子22。当真空室25内的等离子22朝向离子喷射器26扩散时，等离子22开始受加速器30中的更大负电位的影响。这使阳离子朝向靶室60或70加速。离子源20中的各级(23和25)的加速电极32使一个或多个离子束准直，使每一离子束在加速器30的整个第一级上具有几乎均匀的离子束型式。替代地，加速器30的第一级可以使得能够对离子束进行脉冲调制或者通/断切换。当束继续穿过加速器30时，它在每一级获得附加能量，在到达加速器30的最后一级时，能量达到高达5MeV，高达1MeV，适当地高达500keV，适当地50keV到5MeV，适当地50keV到500keV，并且适当地0到10Amps，适当地10到100mAmps。该电位由能够产生希望电压的外部电源(未显示)提供。来自离子源20的一些中性气体还可能泄漏到加速器30中，但是加速器30中的压力通过差动泵浦系统40或同步高速泵100保持在最低限度以避免超压和系统故障。束以高速度继续进入差动泵浦40，在该处它以最小限度的相互作用穿过具有较低压力、短路径长度的级。它从此处继续进入靶室60或70，撞击适当地0到100托、适当地100毫托到30托、适当地5到20托的高密度靶气体，减速并发生核反应。发射的核粒子可以是大约0.3MeV到大约30MeV质子，适当地大约10MeV到大约20MeV质子，或者大约0.1MeV到大约30MeV中子，适当地大约2MeV到大约20MeV中子。

在线性靶室70的实施例中，离子束沿大约直线继续前进并且撞击高密度靶气体以发生核反应直至离子束停止。

在磁性靶室60的实施例中，离子束弯曲成大约螺旋路径，其轨道半径(对于氘离子，²H)由等式(2)给出：

$r=\frac{1.44*\sqrt{T_i}}{B}---\left(2\right)$

其中，r是以cm为单位表示的轨道半径，T_i是以eV为单位表示的离子能量，B是以高斯为单位表示的磁场强度。对于500keV氘束和5kG磁场强度而言，轨道半径为大约20.4cm，并适当地适配于半径是25cm的腔室内。尽管可能发生离子中和，但是发生再电离的速率更快得多，离子在其绝大部分时间内作为离子存在。

一旦被截留在该磁场中后，离子沿轨道运行直至离子束停止，在短腔室内实现非常长的路径长度。由于该路径长度相对于线性靶室70而言增长，磁性靶室60还可以在较低压力下工作。因此，磁性靶室60是更为适合的构造。磁性靶室可以小于线性靶室并且仍然保持长路径长度，这是因为束可以在同一空间内循环许多次。聚变产物会更浓缩在较小腔室内。就如解释的那样，磁性靶室可以在比线性靶室更低的压力下工作，减轻泵浦系统的负担，这是因为较长的路径长度可以利用较低压力气体获得与利用直线加速器室的短路径长度和高压力气体相同总数的碰撞。

由于加速器30和靶室60或70之间的压力梯度，气体可以从靶室流出并流入差动泵浦系统40。真空泵17可以迅速去除该气体，实现大约10到100倍或者更大的减压。该“泄漏”气体随后通过气体过滤系统50进行过滤和再循环，并且泵回靶室中，提供更为高效的操作。替代地，高速泵100可以定向为使流动沿着回流到靶室的方向，防止气体流出靶室。

尽管这里描述的发明涉及混合反应堆，但可以单独利用聚变部产生某些同位素。如果希望这样的话，将这里所述的同位素提取系统90插入靶室60或70中。该装置允许高能质子与所需同位素的母核相互作用。对于产生¹⁸F或¹³N来说，该靶可以是水基的(对于¹³N来说是¹⁶O，对于¹⁸F来说是¹⁸O)并且将流过薄壁管。壁厚度足够薄以使得由聚变反应产生的14.7MeV质子在不损失太多能量的情况下穿过它们，允许它们将母同位素变为所需子体同位素。富含¹³N或¹⁸F的水随后通过外部系统进行过滤和冷却。还可以产生其它同位素，例如¹²⁴I(由¹²⁴Te或其它)、¹¹C(由¹⁴N或¹¹B或其它)、¹⁵O(由¹⁵N或其它)以及⁶³Zn。在使用裂变部产生所需的同位素的结构中，可以省去同位素提取系统90。

如果所需产物是用于其它目的的质子，靶室60或70可以连接到另一设备以给这些应用提供高能质子。例如，聚变部可以用作用于质子治疗的离子源，其中，质子束被加速并用于照射癌细胞。

如果所需产物是中子，不需要例如同位素提取系统90的硬件，因为中子可以在几乎没有衰减的情况下穿过真空系统壁。对于中子产生而言，喷射器中的燃料被转变为氘或氚，其中，靶材料分别转换为氚或氘。可以产生高达大约10¹⁵中子数/秒或以上的中子产量。另外，吸气剂捕集器13可以去除。母同位素化合物可以装在靶室60或70周围，释放的中子可以将母同位素化合物转换为所需的子同位素化合物。替代地，同位素提取系统可仍然或额外地在靶室内或附近使用。可以使用减慢中子的减速剂(未显示)提高中子相互作用的效率。中子学术语中的减速剂可以是减慢中子速度的任何材料。适当的减速剂可以由不可能吸收热中子的低原子量材料制成。例如，为了由⁹⁸Mo母化合物产生⁹⁹Mo，可以使用水减速剂。⁹⁹Mo衰变为^99mTc，其可用于医学成像程序。还可以产生其它同位素，例如¹³¹I、¹³³Xe、¹¹¹In和¹²⁵I。当用作中子源时，聚变部可以包括例如混凝土或流体(如水)的防护措施，其至少具有一英尺厚度以保护操作人员不受辐射。替代地，中子源可以存放在地下以保护操作人员不受辐射。本发明在中子模式下的使用和操作方式与上文所述的做法相同。

可以计算撞击厚靶气体的束的聚变速率。用于撞击厚靶气体的离子束的聚变速率增量由等式(3)给出：

$\mathrm{df}\left(E\right)=n_b*\frac{I_{\mathrm{ion}}}{e}*\mathrm{\σ}\left(E\right)*\mathrm{dl}---\left(3\right)$

其中，df(E)是以微分能量区间dE表示的聚变速率(反应数/秒)，n_b是靶气体密度(粒子数/米³)，I_ion是离子电流(A)，e是1.6022×10^-19库仑/粒子的基本电量，σ(E)是能量相关截面(m²)，dl是粒子能量为E的路径长度增量。因为粒子在靶内减速一次，粒子在微元路径长度上仅处于能量E。

为了由在气体中停止的束计算总聚变速率，将等式(2)在从粒子能量处于E_i的其最大值处到粒子停止的整个粒子路径长度上进行积分，如等式(4)所示：

$F\left(E_i\right)={\∫}_0^{E_i}{n}_b*\frac{I_{\mathrm{ion}}}{e}*\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dl}=\frac{n_b{I}_{\mathrm{ion}}}{e}{\∫}_0^{E_i}\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dl}---\left(4\right)$

其中，F(E_i)是在气体靶中停止的初始能量E_i的束的总聚变速率。为了求解该等式，根据能量求出路径长度增量dl。该关系由气体的阻止本领确定，其是实验测量函数，并且可以通过各种类型的函数进行拟合。因为这些拟合以及聚变截面的拟合往往比较复杂，所以这些积分进行数值求解。用于在10托和25℃下在³He气体中阻止氘的数据由计算机程序“Stopping and Range of Ions in Matter”(SRIM；James Ziegler，www.srim.org)获得并且如图19所示。

使用等式来预测中间值。利用图19所示数据进行十阶多项式拟合。系数如表1所示，图20显示了利用最佳拟合十阶多项式的所得拟合曲线。

表1

从这些数据可以看出，在所考虑的能量范围内拟合相当精确。该关系通过上表所列多项式允许路径长度增量dl与能量区间增量相关。为了对此进行数值求解，适当的是选择固定长度步长或固定能量步长并且计算在该步长内粒子丧失多少能量或者它走多远。因为等式(4)中的聚变速率根据dl表示，固定长度步长是所用方法。在粒子穿过靶时，用于粒子能量E的递归关系为等式(5)：

E_n+1＝E_n-S(E)*dl       (5)

其中，n是当前步长(n＝0为初始步长，E₀是初始粒子能量)，E_n+1是下一增量步长中的能量，S(E)是使粒子能量与阻止本领相关的如上所示多项式，dl是增量步长的大小。对于如上所示能量增量的形式而言，E以keV表示，dl以μm表示。

该公式给出在粒子穿过等离子时确定粒子能量的方式，这非常重要，因为它便于估计每一能量处的聚变截面，并允许计算任一增量步长中的聚变速率。数值情况下每一步长的聚变速率由等式(6)给出：

$f_n\left(E\right)=n_b*\frac{I_{\mathrm{ion}}}{e}*\mathrm{\σ}\left(E_n\right)*\mathrm{dl}---\left(6\right)$

为了计算总聚变速率，该等式对E_n的所有值求和，直至E＝0(或者n＊dl＝range(n＊dl＝粒子范围))，如等式(7)所示：

$F\left(E_o\right)=\underset{n=0}{\overset{n*\mathrm{dl}=\mathrm{range}}{\mathrm{\Σ}}}{f}_n\left(E\right)---\left(7\right)$

该聚变速率称作“厚靶产率”。为了对此进行求解，确定初始能量并选择小步长大小dl。计算在全能量下区间dl中的聚变速率。随后，计算下一步长的能量，过程重复进行。这持续进行，直到粒子在气体中停止。

对于在室温下，以500keV的能量以及100mA的强度撞击10托氦-3气体背景的单个电离氘束而言，所计算的聚变速率为大约2x10¹³聚变数/秒，产生相同数目的高能质子(相当于3μA质子)。这种水平足以产生医用同位素，如本领域技术人员已知的那样。图21显示了100mA入射氘束撞击10托氦-3靶的聚变速率的曲线图。

这里所述的聚变部可以在各种不同的应用中使用。根据一种结构，聚变部用作质子源以使包括核废物和裂变材料的材料变质。聚变部还可以用于使材料嵌有质子以提高物理性能。例如，聚变部可用于宝石涂色。聚变部还提供可以用于中子放射线照相术的中子源。作为中子源，聚变部可用于检测核武器。例如，作为中子源，聚变部可用于检测专用核材料，其是可用于产生核爆炸的材料，例如Pu、²³³U和富含²³³U或²³⁵U的材料。作为中子源，聚变部可以通过产生中子脉冲和测量中子从材料中的反射和/或折射来检测地下特征，包括但不限于隧道、产油井和地下同位素特征。聚变部可以用作中子活化分析(NAA)中的中子源，该中子活化分析可以确定材料的元素组成。例如，NAA可用于检测皮克范围内的痕量元素。作为中子源，聚变部还可以通过确定材料的原子组成来检测包括但不限于秘密材料、爆炸物、药物和生物制剂的材料。聚变部还可以用作次临界反应堆的驱动装置。

聚变部10，11的操作和用途通过下列实例进一步举例说明，但其不应理解为对本发明范围的限制。

聚变部10，11可以布置成磁性构造10以用作中子源。在该布置方案中，最初，系统10是清洁的和空的，含有10^-9托或更低的真空，高速泵17将提高至一定速度(两级，每一级为涡轮分子泵)。大约25-30标准立方厘米气体(用于产生中子的氘)将流入靶室60以产生靶气体。一旦形成靶气体，即，当规定容积的气体已经流入系统并且靶室60中的压力达到大约0.5托时，阀将打开，其允许0.5到1sccm(标准立方厘米/分钟)的氘流从靶室60流入离子源20。该气体将快速再循环通过系统，大致产生以下压力：在离子源20中，压力为几毫托；在加速器30中，压力为20微托左右；在最靠近加速器的泵级中，压力为＜20微托；在最靠近靶室的泵级中，压力为大约50毫托；在靶室60中，压力为大约0.5托。在这些条件建立之后，通过使射频动力源(通过射频匹配电路与射频天线24联接)达到大约10-30MHz而激励离子源20(使用氘)。功率值将从零上升至大约500W，产生密度为大约10¹¹粒子数/cm³的稠密氘等离子。离子提取电压将增大以提供所需的离子电流(大约10mA)和聚焦。加速器电压随后增大到300kV，使离子束加速通过节流部并进入靶室60。靶室60将被充以大约5000高斯(或者说0.5特斯拉)的磁场，其导致离子束进行再循环。离子束在下降到可忽略的低能量之前进行大约10次循环。

当进行再循环时，离子束与靶气体发生核反应，对D而言产生4×10¹⁰到高达9×10¹⁰中子数/秒。这些中子将穿过靶室60，并利用适当的核检测仪表进行检测。

从靶室60泄漏到差动泵浦部40中的中性气体将流过高速泵17，流过冷捕集器13、15并回到靶室60。冷捕集器13、15将去除较重气体，不然其迟早会由于极小泄漏而污染系统。

聚变部11还可以布置成线性构造以用作中子源。在该布置方案中，最初，系统是清洁的和空的，含有10^-9托或更低的真空，高速泵17将提高至一定速度(三级，其中，最靠近加速器的两个为涡轮分子泵，第三个为另一不同的泵，例如罗茨鼓风机)。大约1000标准立方厘米的氘气将流入靶室70以产生靶气体。一旦形成靶气体，阀将打开，其允许0.5到1sccm(标准立方厘米/分钟)的气流从靶室70流入离子源20。该气体将快速再循环通过系统，大致产生以下压力：在离子源20中，压力为几毫托；在加速器30中，压力为20微托左右；在最靠近加速器的泵级中，压力为＜20微托；在中心泵级中，压力为大约50毫托；在最靠近靶室70的泵级中，压力为大约500毫托；在靶室70中，压力为大约20托。

在这些条件建立之后，通过使射频动力源(通过RF匹配电路与射频天线24联接)达到大约10-30MHz而激励离子源20(使用氘)。功率值将从零上升至大约500W，产生密度为大约10¹¹粒子数/cm³的稠密氘等离子。离子提取电压将增大以提供所需的离子电流(大约10mA)和聚焦。加速器电压随后增大到300kV，使离子束加速通过节流部并进入靶室70。靶室70为线性真空室，其中，束在下降至可忽略的低能量之前行进大约1米。

当穿过靶气体时，束将发生核反应，产生4×10¹⁰到高达9×10¹⁰中子数/秒。这些中子将穿过靶室70，并利用适当的核检测仪表进行检测。

从靶室70泄漏到差动泵浦部40中的中性气体将流过高速泵17，流过冷捕集器13、15并回到靶室70。冷捕集器13、15将去除较重气体，不然其迟早会由于极小泄漏而污染系统。

在另一种构造中，聚变部10布置成磁性构造并可作为质子源。在该构造中，最初，系统是清洁的和空的，含有10^-9托或更低的真空，高速泵17将提高至一定速度(两级，每一级为涡轮分子泵)。大约25-30标准立方厘米的气体(用于产生质子的氘和氦-3大约各占一半的混合物)将流入靶室60以产生靶气体。一旦形成靶气体，即，当规定容积的气体已经流入系统并且靶室60中的压力达到大约0.5托时，阀打开，其允许0.5到1sccm(标准立方厘米/分钟)的氘流从靶室60流入离子源20。该气体将快速再循环通过系统，大致产生以下压力：在离子源20中，压力为几毫托；在加速器30中，压力为20微托左右；在最靠近加速器30的泵级中，压力为＜20微托；在最靠近靶室60的泵级中，压力为大约50毫托；在靶室60中，压力为大约0.5托。在这些条件建立之后，通过使射频动力源(通过射频匹配电路与射频天线24联接)达到大约10-30MHz而激励离子源20(使用氘)。功率值将从零上升至大约500W，产生密度为大约10¹¹粒子数/cm³的稠密氘等离子。离子提取电压将增大以提供所需的离子电流(大约10mA)和聚焦。加速器电压随后增大到300kV，使离子束加速通过节流部并进入靶室60。靶室60充有大约5000高斯(或者说0.5特斯拉)的磁场，其导致离子束进行再循环。离子束在下降到可忽略的低能量之前进行大约10次循环。

当进行再循环时，离子束与靶气体发生核反应，产生1×10¹¹到高达大约5×10¹¹质子数/秒。这些质子将穿过同位素提取系统的管子，并利用适当的核检测仪表进行检测。

从靶室60泄漏到差动泵浦部40中的中性气体将流过高速泵17，流过冷捕集器13、15并回到靶室60。冷捕集器13、15将去除较重气体，不然其迟早会由于极小泄漏而污染系统。

在另一种构造中，聚变部11布置成线性构造并可作为质子源。在该结构中，最初，系统是清洁的和空的，含有10^-9托或更低的真空，高速泵17将提高至一定速度(三级，其中，最靠近加速器的两个为涡轮分子泵，第三个为另一不同的泵，例如罗茨鼓风机)。大约1000标准立方厘米的氘和氦-3气体大约各占一半的混合物将流入靶室70以产生靶气体。一旦形成靶气体，阀将打开，其允许0.5到1sccm(标准立方厘米/分钟)的气流从靶室70流入离子源20。该气体将快速再循环通过系统，大致产生以下压力：在离子源20中，压力为几毫托；在加速器30中，压力为20微托左右；在最靠近加速器30的泵级中，压力为＜20微托；在中心泵级中，压力为大约50毫托；在最靠近靶室70的泵级中，压力为大约500毫托；在靶室70中，压力为大约20托。

在这些条件建立之后，通过使射频动力源(通过射频匹配电路与射频天线24联接)达到大约10-30MHz而激励离子源20(使用氘)。功率值将从零上升至大约500W，产生密度为大约10¹¹粒子数/cm³的稠密氘等离子。离子提取电压将增大以提供所需的离子电流(大约10mA)和聚焦。加速器电压随后增大到300kV，使离子束加速通过节流部并进入靶室70。靶室70为线性真空室，其中，束在下降至可忽略的低能量之前行进大约1米。

当穿过靶气体时，束将发生核反应，产生1×10¹¹到高达大约5×10¹¹质子数/秒。这些中子将穿过同位素提取系统的管壁，并利用适当的核检测仪表进行检测。

从靶室70泄漏到差动泵浦部40中的中性气体将流过高速泵17，流过冷捕集器13、15并回到靶室70。冷捕集器13、15将去除较重气体，不然其迟早会由于极小泄漏而污染系统。

在另一种结构中，聚变部10、11布置成磁性构造或线性构造并用作用于产生同位素的中子源。系统将以上文参考磁性靶室或线性靶室70讨论的方式工作。固体试样，例如母材料⁹⁸Mo的固体箔片紧靠靶室60、70放置。在靶室60、70中产生的中子将穿过靶室60、70的壁部并与⁹⁸Mo母材料发生反应以产生⁹⁹Mo，其可以衰变为亚稳的⁹⁹Tn。⁹⁹Mo将使用适当的仪器和本领域已知的技术进行检测。

在其它结构中，聚变部10、11布置成用于产生同位素的质子源。在这些结构中，聚变部10、11按照上文参考磁性靶室60或线性靶室70描述的方式工作。系统包括位于靶室60、70内的同位素提取系统。母材料(例如，包括H₂ ¹⁶O的水)将流过同位素提取系统。在靶室中产生的质子将穿过同位素提取系统的壁与¹⁶O发生反应以产生¹³N。利用离子交换树脂从母材料或其它材料中提取出¹³N产物材料。¹³N将利用适当的仪器和本领域已知的技术进行检测。

总之，每个聚变部10、11尤其提供紧凑的高能质子或中子源。上面的描述仅仅举例说明了聚变部10、11的原理。另外，由于本领域技术人员可以容易地想到许多改进和变化，并不希望将聚变部10、11限制为所示和所述的具体构造和操作，因此，所有适当的改进和等同方案可以根据要求或需要付诸实施。

如图22和23所示，混合反应堆5a、5b的裂变部400a、400b邻近多个聚变部10、11的靶室60、70定位。聚变部10、11布置成使反应空间405被限定在靶室60、70内。具体地，靶室60、70内的离子轨迹不进入反应空间405，因此，要照射的材料可以放置在所述空间内。为了进一步增大中子通量，多个聚变部10、11彼此叠置，其中，有利的是多至十个中子源。如图22所示，混合反应堆5a包括处于磁性布置方案的裂变部400a和聚变部10以产生多个叠置靶室60，其为扁饼形状，但是离子束在其中沿着环形路径流动。因此，为放置要照射的材料，可以使用环形路径内的反应空间405。

图23显示了联接到裂变部400b以限定混合反应堆5b的聚变部11的线性布置。在该结构中，沿着定位在环形靶室70中的多个基本上平行、隔开的线性路径引导离子束。位于环形靶室70中的反应空间405适合于放置要照射的材料。因此，显而易见的是，参考图24-29描述的裂变部400a、400b可以用于聚变部10、11的磁性构造或线性构造。

参考图22和23，裂变部400a、400b包括位于罐415中的基本上圆柱形的活化柱410(有时候称作活化室)，所述罐容纳减速剂/反射体材料，所述减速剂/反射体材料选择成减少在操作期间从裂变部400a、400b逸出的辐射。活化柱410定位在发生聚变反应的靶室60、70中。靶室60、70为大约1m高。铍层420可以围绕靶室60、70。减速剂典型地为D₂O或H₂O。另外，气体再生系统425位于罐415的顶部上。位于气体再生系统425中心的孔430延伸到活化柱410中，包括LEU混合物和/或其他母材料的次临界装置435可以位于所述活化柱中。在优选结构中，孔430的半径为大约10cm，长度为大约1m。

每个聚变部10、11布置成从靶室发射高能中子。由聚变部10、11发射的中子各向同性地发射，同时，进入活化柱410的高能中子在几乎不发生相互作用的情况下经过活化柱。靶室由10-15cm的铍420围绕，其使快中子通量乘以大约为2的系数。中子随后进入减速剂，它们在此减慢至热能并反射回活化室410中。

据估计，来自该构造的通量为大约10¹⁵n/s(对于在500kV和100mA下操作的单个聚变部10、11的估算源强度为10¹⁴n/s并且在所示结构中存在十个这种装置)。所计算的活化室410中的总容积通量在不确定度为0.0094的情况下为2.35×10¹²n/cm²/s，热通量(小于0.1eV)在不确定度为0.0122的情况下为1.34×10¹²n/cm²/s。如下所述，该中子速率由于存在LEU而大大提高。

如参考图1和3所述，聚变部10、11可以按照磁性布置方案或线性布置方案进行布置。聚变部10、11的磁性布置方案的实际优点在于它们在较低压力气体中实现长路径长度。为了有效使用线性构造，靶气体必须冷却并且必须保持较高压力。这种构造的一个实例具有从装置上方和下方轴向发射到靶室70中的若干个氘束线，如图23所示。尽管为了成功实现这点，靶室70可能需要在高达10托的压力下操作，但它是用于聚变部10、11的较简单、有效的方法。

线性构造的主要简化在于无需建立按盘旋或螺旋方式引导束的磁场所需的部件。缺少形成磁场所需部件使装置更便宜，并且磁铁在衰减中子通量方面不起作用。然而，在一些结构中，利用磁场使聚变部11的线性布置方案产生的离子束准直，如下所述。

为了产生作为最终产物的具有高比活度(specific activity)的⁹⁹Mo，它应当由化学性质不同的材料制成，使得它可以容易地分离。最常见的方式是通过中子轰击使²³⁵U裂变。先前所述的聚变部10、11产生足够多的中子以在无需附加反应的情况下产生大量⁹⁹Mo，但是如果装置中已经存在²³⁵U，有意义的是，将其放在提供中子倍增以及提供用于产生⁹⁹Mo的靶的构造中。通过裂变产生的中子可以在提高⁹⁹Mo的比活度方面起到重要作用，并且可以提高系统的总⁹⁹Mo产出。倍增因数k_eff涉及乘以式1/(1-k_eff)。该乘积结果可以导致最终产品的总产率和比活度增大多达5-10倍。k_eff是LEU密度和减速剂配置的强函数。

可能存在由与H₂O(或D₂O)结合的LEU(富含20％)靶组成的次临界组件435的若干个次临界构造。所有这些构造插入先前描述的反应室空间405中。一部分构造包括LEU箔片，溶解在水中的铀盐的水溶液、封装的UO₂粉末等。水溶液由于对中子的优异慢化作用而非常受人欢迎，但从临界性观点来看提出了挑战。为了确保次临界工作状态，临界常数k_eff应当保持在0.95以下。可以容易地添加其它控制特征以在获得临界状态时减少k_eff。这些控制特征包括但不限于控制棒、可注射的抑制剂或者卸压阀，所述卸压阀使减速剂倒空并降低临界性。

铀的水溶液为下游化学加工提供了极大优点。此外，它们易于冷却，并且提供燃料和减速剂的优异组合。用硝酸铀溶液-UO₂(NO₃)₂进行最初的研究，但是也可以考虑例如硫酸四价铀等的其它溶液。在一种构造中，溶液的盐度为大约每100g H₂O含66g盐。溶液位于活化室410内，如图24和25所示。除了溶液之外，在充以纯水的活化室410的中心处为具有较小直径的筒体500。该水筒体允许k_eff的值减小，使得装置保持次临界，同时仍然允许使用大量LEU溶液。

在图24和25所示水溶液布局示意图中，最中心筒体500包含纯水并且由装在管和圆柱形壁505之间的硝酸铀的水混合物围绕，所述管和圆柱形壁相互配合以限定基本上环形空间510。靶室60、70是最紧挨的外层并且同样为环形。纯水、硝酸铀的水混合物以及靶室60、70由Be倍增器/反射物420围绕。在这种情况下，最外层520是容纳在罐415中的大量D₂O。D₂O起到减速剂的作用以减少从裂变部400a、400b的辐射泄露。图26-29显示了类似的结构部件，但是在容积的一部分或全部内含有不同的材料，如这些特定附图所示。

一种照射铀的常见方法是将其形成二氧化铀芯块或者将二氧化铀粉末装入容器中。它们被插入反应堆中并且在去除和处理之前进行照射。尽管现在使用的UO₂粉末利用HEU，但优选地使用LEU。在优选的结构中，使用提供K_eff＜0.95的LEU和H₂O的混合物。

图26和27显示了活化柱410，其包括位于D₂O均质溶液中的UO₂。本结构中的中心筒体500充以H₂O 525，最外层530(只显示了其一部分)也是一样。第一环形空间535容纳18％LEU(富含20％)和82％D₂O的溶液。第二环形层540基本上排空，与聚变部靶室60、70一致。中心筒体500、第一环形空间535和第二环形空间540由Be层420围绕，所述Be层起到倍增器和中子反射物的作用。

在另一种结构中，通过在改进的Cintichem法中使LEU箔片化学溶解来从铀提取⁹⁹Mo。在该方法中，含有铀的薄箔放在核反应堆的高通量区域中，照射一段时间，随后移除。箔片溶解在各种溶液中，并且通过多种化学方法进行处理。

从安全、不扩散和健康观点出发，产生⁹⁹Mo的适当方法是利用母材料⁹⁸Mo发生(n，γ)反应。这在不受到钚或其它裂化产物污染的情况下产生⁹⁹Mo。通过这种方法进行生产不需要任何形式铀的稳定进料。缺点在于难以将⁹⁹Mo从母⁹⁸Mo分离，这导致⁹⁹Mo在产生器中的低比活度。此外，如果使用浓⁹⁸Mo的话，其成本相当高。然而，在改进从低比活度⁹⁹Mo提取高纯度^99mTc的新淘析方法方面获得了相当大的进展，这在不久的将来会成为成本有效的选择。为了在这里所示的混合反应堆5a、5b中进行这类生产，可以使用LEU的固定次临界装置435以增大中子通量(多半为UO₂)，但是能够与母⁹⁸Mo隔离。次临界装置435仍然位于聚变部10、11内部，⁹⁹Mo活化柱位于次临界装置435内。

在优选结构中，⁹⁸Mo占据活化柱410的20％(按体积)。如图28和29所示，最中心筒体500含有20％⁹⁸Mo和H₂O的均匀混合物。第一环形层555包括次临界装置435并且由18％LEU(富含20％)/D₂O混合物组成。第二环形层560基本上排空，与聚变部靶室60、70一致。中心筒体500、第一环形空间555和第二环形空间560由Be层420围绕，所述Be层起到倍增器和中子反射物的作用。最外层570(只显示了其一部分)含有水，其减少了从裂变部5a、5b逸出的辐射量。

对于LEU情况而言，在聚变部10、11以10¹⁵n/s操作的情况下，Mo的生产率和比活度由计算裂变产率的6％确定。也为各种构造计算K_eff。表1总结了这些计算结果。就由⁹⁸Mo进行生产来说，使用(n，γ)计数(tally)确定⁹⁹Mo的生产率。下表显示了在混合反应堆5a、5b中用于不同靶配置的生产率。

尽管所产生的⁹⁹Mo的比活度对于所有次临界情况而言相对稳定，但是一些构造可以产生高得多的总生产率。这是因为这些构造允许使用显著更大量的母材料。同样值得注意的是，就所产生的⁹⁹Mo的总量而言，由⁹⁸Mo生产⁹⁹Mo是与由LEU生产一样好的方法。然而，LEU方法由于其更易于使⁹⁹Mo与裂变产物分离(和将其与⁹⁸Mo分离相比)而更为有利，这允许在分离之后获得具有高比活度的⁹⁹Mo。

在使用⁹⁸Mo生产⁹⁹Mo的结构中，次临界装置435可以全部去除。然而，如果次临界装置435去除的话，最终产品的比活度低得多。然而，有一些情况显示，先进的产生器能够利用由⁹⁸Mo照射产生的低比活度。由混合反应堆5a、5b在没有次临界倍增的情况下产生的比活度对于一些方法来说足够高。此外，利用若干允许无裂变处理的生产设备仍然可满足对美国⁹⁹Mo的总需求。

例如，在只进行聚变的反应堆的一种结构中，省去次临界装置435，并且⁹⁸Mo位于活化柱410内。为了提高⁹⁹Mo的生产，使用由聚变部11的线性布置产生的更高能的离子束。优选地在大约十倍于上述结构所需的功率水平下操作离子束。为此，建立磁场以使束准直和抑制束发生不希望的散射。磁场布置成使它平行于束并基本上包围加速器30和泵浦系统40，但是不必延伸到靶室70中。使用该布置方案在无需由次临界装置435产生的倍增效果的情况下提供了所需的中子通量。这种布置方案的一个优点在于不需要铀来生产所需的同位素。

因此，本发明尤其提供了供生产医用同位素使用的新颖且有用的混合反应堆5a、5b。如上所述和如图所示的混合反应堆5a、5b的结构仅以举例说明的方式给出并且不作为对本发明构思和原理的限制。下列权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (35)

1.一种用于产生医用同位素的混合核反应堆，该反应堆包括：

用于由气体产生离子束的离子源；

包括靶的靶室，所述靶与离子束相互作用以产生中子；

紧靠靶室定位并且包括母材料的活化室，所述母材料与中子相互作用以通过裂变反应产生医用同位素；

紧靠活化室定位并选择为将裂变反应保持在次临界水平的衰减物；

紧靠靶室定位并选择为朝向活化室反射中子的反射物；和

基本上围绕活化室、衰减物和反射物的减速剂。

2.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，使用射频共振产生离子束。

3.如权利要求1所述的混合核反应堆，还包括位于离子源和靶室之间并用于加速离子束的离子的加速器。

4.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，所述气体包括氘和氚之一，所述靶包括氘和氚中的另一种。

5.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，靶室限定了基本上线性的长靶路径。

6.如权利要求5所述的混合核反应堆，还包括至少一个磁铁，所述至少一个磁铁定位成限定在所述长靶路径的至少一部分内使离子束准直的磁场。

7.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，靶室限定了基本上螺旋形的长靶路径。

8.如权利要求7所述的混合核反应堆，还包括至少一个磁铁，所述至少一个磁铁定位成限定沿螺旋形路径引导离子束的磁场。

9.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，离子源和靶室共同至少部分地限定多个聚变反应堆之一。

10.如权利要求9所述的混合核反应堆，其中，所述多个聚变反应堆中每个的靶室相互配合以基本上围绕一圆筒形空间。

11.如权利要求10所述的混合核反应堆，其中，活化室基本上为环形并且位于该圆柱形空间内。

12.如权利要求11所述的混合核反应堆，其中，衰减物位于环形活化室内部并且反射物基本上围绕多个靶室。

13.如权利要求1所述的混合核反应堆，其中，母材料是低浓²³⁵U并且医用同位素是⁹⁹Mo。

14.一种用于产生医用同位素的混合核反应堆，该反应堆包括：

聚变部，该聚变部包括布置在基本上环绕一空间的靶室内的长靶路径，该聚变部用于在靶室内产生中子通量；

反射物，该反射物位于靶室外面并布置成将中子通量的一部分朝向所述空间反射；

活化室，该活化室位于所述空间内并包括母材料，所述母材料与中子通量的一部分发生反应以在裂变反应期间产生医用同位素；

衰减物，该衰减物位于活化室内并选择为将裂变反应保持在次临界水平；和

减速剂，该减速剂基本上围绕活化室、衰减物和反射物。

15.如权利要求14所述的混合核反应堆，其中，聚变反应堆包括用于由气体产生离子束的射频天线。

16.如权利要求15所述的混合核反应堆，还包括定位成接收离子束并使离子束朝向靶路径加速的加速器，所述靶路径包括靶材料。

17.如权利要求16所述的混合核反应堆，其中，所述气体包括氘和氚之一，所述靶材料包括氘和氚中的另一种。

18.如权利要求14所述的混合核反应堆，其中，所述靶路径基本上为线性。

19.如权利要求18所述的混合核反应堆，还包括至少一个磁铁，所述至少一个磁铁定位成限定在所述靶路径的至少一部分内使离子束准直的磁场。

20.如权利要求14所述的混合核反应堆，其中，所述靶路径基本上为螺旋形。

21.如权利要求20所述的混合核反应堆，还包括至少一个磁铁，所述至少一个磁铁定位成限定沿螺旋形靶路径引导离子束的磁场。

22.如权利要求14所述的混合核反应堆，其中，所述聚变反应堆是多个聚变反应堆之一，每个聚变反应堆包括基本上环绕所述空间的一部分的靶路径。

23.如权利要求22所述的混合核反应堆，其中，所述活化室基本上为环形。

24.如权利要求23所述的混合核反应堆，其中，衰减物位于环形活化室内部并且反射物基本上围绕多个靶路径。

25.如权利要求14所述的混合核反应堆，其中，母材料是低浓²³⁵U并且医用同位素是⁹⁹Mo。

26.一种产生医用同位素的方法，该方法包括：

激励气体以产生离子束；

加速该离子束；

使加速的离子束通过包括靶气体的长靶路径，所述靶气体和离子通过聚变反应发生反应以产生中子；

利用位于长靶路径径向外侧的反射物反射所述中子的一部分；

将母材料定位在邻近长靶路径的活化室内；

在母材料和一部分中子之间维持裂变反应以产生医用同位素；

使衰减物邻近活化室定位；和

在衰减物内将一部分中子转化为热中子以在活化室内加强裂变反应。

27.如权利要求26所述的方法，其中，使用射频辐射激励气体。

28.如权利要求26所述的方法，其中，所述气体包括氘和氚之一，所述靶气体包括氘和氚中的另一种。

29.如权利要求26所述的方法，还包括通过使一部分热中子与母材料发生反应来产生额外的医用同位素。

30.如权利要求26所述的方法，其中，母材料是低浓²³⁵U并且医用同位素是⁹⁹Mo。

31.一种产生医用同位素的方法，该方法包括：

激励气体以产生离子束；

加速该离子束；

使加速的离子束通过包括靶气体的基本上线性的靶路径，所述靶气体和离子通过聚变反应发生反应以产生自由中子；

利用位于靶路径径向外侧的反射物反射所述自由中子的一部分；

将母材料定位在邻近靶路径的活化室内；和

使自由中子和母材料发生反应以在不使用裂变材料的情况下产生医用同位素。

32.如权利要求31所述的方法，还包括建立定向成使离子束准直以抑制散射的磁场。

33.如权利要求31所述的方法，其中，所述气体包括氘和氚之一，所述靶气体包括氘和氚中的另一种。

34.如权利要求31所述的方法，还包括将一部分自由中子转化成热中子以及通过使一部分热中子与母材料发生反应产生额外的医用同位素。

35.如权利要求31所述的方法，其中，母材料包括⁹⁸Mo，并且医用同位素是⁹⁹Mo。

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