CN102484941A - 具有分隔屏蔽的同位素产生系统 - Google Patents

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Abstract

一种同位素产生系统，包括具有围绕加速室的磁轭的回旋加速器。回旋加速器配置成定向来自加速室的粒子束通过磁轭。同位素产生系统还包括在磁轭附近定位的靶系统。靶系统配置成保持靶材料，并且包括在磁轭与靶位置之间延伸的辐射屏蔽。辐射屏蔽的大小和形状配置成衰减从靶材料朝向磁轭发射的伽马射线和/或中子。同位素产生系统还包括从加速室延伸到靶位置的束通道。束通道至少部分由磁轭以及靶系统的辐射屏蔽形成。

Description

具有分隔屏蔽的同位素产生系统
相关申请交叉引用
本申请包括与全部于2009年5月5日提交的标题为“ISOTOPEPRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON”的美国专利申请No.12/435,903、标题为“ISOTOPE PRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON HAVING A MAGNETYOKE WITH A PUMP ACCEPTANCE CAVITY”的申请No.12/435,949、标题为“ISOTOPE PRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON HAVING REDUCEDMAGNETIC STRAY FIELDS”的申请No.12/435,931中公开的主题相关联的主题，通过引用将它们完整地并入。
技术领域
一般来说，本文描述的本发明实施例涉及同位素产生系统，并且更具体来说，涉及可在相对受限的空间、如医院房间中安全使用的同位素产生系统。
背景技术
放射性同位素(又称作放射性核素)在医学治疗、成像和研究中具有若干应用以及具有不是医学关联的其它应用。产生放射性同位素的系统通常包括具有围绕加速室的磁轭的粒子加速器、如回旋加速器。加速室可包括相互间隔开的相对极顶(pole top)。电场和磁场可在加速室中生成，以便沿极间的螺旋状轨道加速和引导带电粒子。为了产生放射性同位素，回旋加速器形成带电粒子的束，并且定向粒子束离开加速室并朝向具有靶材料的靶系统。粒子束入射到靶材料上，由此生成放射性同位素。
在同位素产生系统的操作期间，可在靶系统内和分离地在回旋加速器内生成大量辐射(即，对附近个体有害健康的辐射水平)。例如，针对靶系统，当束入射到靶材料时可生成来自中子和伽马射线的辐射。针对回旋加速器，加速室中的离子可与其中的气体粒子碰撞，并且变成不再受加速室内的电场和磁场影响的中性粒子。这些中性粒子又可与加速室的壁碰撞，并且产生二次伽马辐射。为了保护附近个体免受辐射(例如，医院的员工或患者)，同位素产生系统可使用屏蔽来衰减或阻挡辐射。
在一些常规同位素产生系统中，通过添加围绕回旋加速器和靶系统两者的大量屏蔽解决了辐射泄漏。但是，大量屏蔽对于将要放置同位素产生系统的房间会是成本高并且是过于笨重的。作为大量屏蔽的备选或补充，同位素产生系统可位于特殊设计的房间中。例如，回旋加速器和靶系统可处于独立房间中或者具有分隔两者的大墙壁。但是，设计用于同位素产生系统的特殊房间产生新的难题，特别是对于最初不是预计用于放射性同位素产生的先前存在房间。
辐射泄漏所呈现的又一个难题是例如在同位素产生系统被更换或移动到另一个位置时如何将其移开。使同位素产生系统停止使用包括安全地拆卸该系统，并且移开和贮藏放射性部件和材料。另一个顾虑是净化同位素产生系统曾经所在的房间。在一些情况下，房间的原始支承结构、如地板、天花板和墙壁必须去除，因为支承结构受到放射性污染。
这种停止使用和净化过程会是成本高并且费时的。
因此，需要降低对附近区域或房间中的个体的辐射暴露量的方法、回旋加速器和同位素产生系统。此外，需要可比已知系统更易于停止使用的同位素产生系统。
发明内容
按照一个实施例，提供一种同位素产生系统，其包括具有围绕加速室的磁轭的回旋加速器。回旋加速器配置成定向来自加速室的粒子束通过磁轭。同位素产生系统还包括在磁轭附近定位的靶系统。靶系统配置成保持靶材料，并且包括在磁轭与靶位置之间延伸的辐射屏蔽。辐射屏蔽的大小和形状配置成衰减从靶材料朝向磁轭发射的伽马射线和中子射线。同位素产生系统还包括从加速室延伸到靶位置的束通道。束通道至少部分由磁轭以及靶系统的辐射屏蔽形成。
按照另一个实施例，提供一种包括具有支承在平台上的底座的回旋加速器的同位素产生系统。回旋加速器包括围绕加速室的磁轭。回旋加速器配置成定向来自加速室的粒子束通过磁轭。同位素产生系统还包括位于平台上并且与磁轭相邻的靶系统。靶系统配置成将靶材料保持在靶位置。粒子束入射到靶材料上。同位素产生系统还包括从加速室延伸到靶位置的束通道。束通道至少部分由磁轭和靶系统形成。束通道沿与平台相交的射束轴延伸。
在又一个实施例中，提供一种使位于机构的房间中的同位素产生系统停止使用的方法。该方法包括提供一种包括具有支承在平台上的底座的回旋加速器的同位素产生系统。平台由房间地板来支承。回旋加速器配置成沿束通道将粒子束定向到靶系统。靶系统位于平台上，与磁轭相邻。束通道沿与平台相交的射束轴延伸。该方法还包括从平台移开靶系统以及从机构的地板移开平台。
附图说明
图1是按照一个实施例形成的同位素产生系统的框图。
图2是按照一个实施例的同位素产生系统的示意侧视图。
图3是自图2所示同位素产生系统上方的平面图。
图4是按照一个实施例形成的磁轭的透视图。
图5是按照一个实施例形成的回旋加速器的侧视图。
图6是图5所示回旋加速器的一部分的放大侧视图。
图7是与图2的同位素产生系统配合使用的靶区域的示意侧视图。
图8是按照一个实施例形成的、具有处于闭合位置的壳体的同位素产生系统的透视图。
图9是当壳体处于开启位置时的图8的同位素产生系统的透视图。
图10是按照另一个实施例形成的、可与图8所示同位素产生系统配合使用的回旋加速器的侧视图。
图11是按照一备选实施例形成的同位素产生系统的示意侧视图。
图12是按照一个实施例、用于使同位素产生系统停止使用的方法的框图。
具体实施方式
图1是按照一个实施例形成的同位素产生系统100的框图。系统100包括具有若干子系统的回旋加速器102，子系统包括离子源系统104、电场系统106、磁场系统108和真空系统110。在回旋加速器102的使用期间，带电粒子通过离子源系统104放置于或者注入回旋加速器102中。磁场系统108和电场系统106生成在产生带电粒子的粒子束112中相互合作的相应场。
如图1所示，系统100具有抽取系统115以及包括靶材料116的靶系统114。靶系统114可放置成与回旋加速器102相邻。为了生成同位素，粒子束112由回旋加速器102通过抽取系统115沿束传输通路或束通道117来定向，并且定向到靶系统114中，以使得粒子束112入射到位于对应靶位置120的靶材料116上。当采用粒子束112来照射靶材料116时，可生成来自中子和伽马射线的辐射。
系统100可具有独立靶材料116A-C所在的多个靶位置120A-C。移位装置或系统(未示出)可用于使靶位置120A-C相对于粒子束112移位，以使得粒子束112入射到不同靶材料116上。也可在移位过程期间保持真空。备选地，回旋加速器102和抽取系统115可以不是仅沿一个通路来定向粒子束112，而是可沿每个不同靶位置120A-C的唯一通路来定向粒子束112。此外，束通道117从回旋加速器102到靶位置120基本上是线性的，或者备选地，束通道117可以沿其中的一个或多个点是弯曲或转弯的。例如，横靠束通道117放置的磁体可配置成沿不同通路来重新定向粒子束112。
在美国专利号6,392,246、6,417,634、6,433,495和7,122,966以及在美国专利申请公布号2005/0283199中描述了同位素产生系统和/或具有上述子系统的一个或多个的回旋加速器的示例，通过引用将其全部完整地并入。在美国专利号5,521,469、6,057,655以及在美国专利申请公布号2008/0067413和2008/0258653中还提供了附加示例，通过引用将其全部完整地并入。此外，在共同待决美国专利号12/435,903、12/435,949和12/435,931中还描述了可与本文所述实施例配合使用的同位素产生系统和/或回旋加速器，通过引用将其全部完整地并入。
系统100配置成产生可在医学成像、研究和治疗中使用、而且还用于不是医学相关的其它应用、如科研或分析的放射性同位素(又称作放射性核素)。当用于医学用途、例如核医学(NM)成像或正电子发射断层扫描(PET)成像时，放射性同位素又可称作指示剂。作为举例，系统100可生成质子，以便制作液体形式的18F-同位素、作为CO2的11C同位素以及作为NH3的13N同位素。用于制作这些同位素的靶材料116可富含18O水、天然14N2气体、16O水以及15N2气体。系统100还可生成质子或氘核，以便产生15O气体(氧、二氧化碳和一氧化碳)以及15O标记水。
在一些实施例中，系统100使用1H-技术，并且使带电粒子达到低能量(例如，大约7.8MeV)，其中束电流大约为10-30μA。在这类实施例中，负氢离子被加速并且通过回旋加速器102来引导，并且引导到抽取系统115中。然后，负氢离子可撞击抽取系统115的剥离箔(stripping foil)(未示出)，由此去除电子对，并且使粒子成为正离子1H+。但是，在备选实施例中，带电粒子可以是正离子，例如1H+、2H+和3He+。在这类备选实施例中，抽取系统115可包括静电导向器，静电导向器创建将粒子束引导向靶材料116的电场。
系统100可包括冷却系统122，冷却系统122将冷却流体或工作流体传输到不同系统的多种组件，以便吸收由相应组件所生成的热量。系统100还可包括控制系统118，控制系统118可由技术人员用于控制多种系统和组件的操作。控制系统118可包括接近或远离回旋加速器102和靶系统114定位的一个或多个用户接口。虽然图1中未示出，但是系统100还可包括用于回旋加速器102和靶系统114的一个或多个辐射屏蔽和/或磁屏蔽。
系统100可产生预定量或批量的同位素，例如供医学成像或治疗中使用的单独剂量。系统100对上述示范同位素形式的产生容量可以是在少于大约10分钟对18F-在20μA的50mCi以及大约30分钟对11CO2在30μA的300mCi。
另外，系统100可使用相对已知同位素产生系统的降低空间量，使得系统100具有允许系统100保持在受限空间中的大小、形状和重量。例如，系统100可符合最初不是为例如医院或临床环境中的粒子加速器来构建的先前存在房间。因此，回旋加速器102、抽取系统115、靶系统114以及冷却系统122的一个或多个组件可保持在其大小和形状配置成装入在受限空间的共同壳体124中。作为一个示例，壳体124所使用的总体积可以是2m3。壳体124的可能尺寸可包括大约2.2m的最大宽度、大约1.7m的最大高度以及大约1.2m的最大深度。壳体和其中的系统的组合重量可以大约为10000kg。但是，本文所述的实施例并不局限于上述大小和重量，而是可具有更大的大小和重量。壳体124可由聚乙烯(PE)和铅(Pb)来制造，并且具有配置成衰减来自回旋加速器102的中子通量和伽马射线的厚度。例如，壳体124沿衰减中子和伽马通量的壳体124的预定部分可具有至少大约10mm的厚度(在围绕回旋加速器102的内表面与壳体124的外表面之间所测量)。
系统100可配置成将带电粒子加速到预定能级。例如，本文所述的一些实施例将带电粒子加速到大约18MeV或以下的能量。在其它实施例中，系统100将带电粒子加速到大约16.5MeV或以下的能量。在具体实施例中，系统100将带电粒子加速到大约9.6MeV或以下的能量。在更具体实施例中，系统100将带电粒子加速到大约7.8MeV或以下的能量。
图2和图3分别是按照一个实施例形成的同位素产生(IP)系统300的示意侧视图和示意顶视图。IP系统300包括具有磁轭202的回旋加速器200，并且还包括靶系统302，靶系统302包括辐射屏蔽306以及位于辐射屏蔽306中的靶区域308。磁轭202包括加速室206，其中生成粒子束312并且定向通过磁轭202，以及沿束通道314定向到靶区域308。束通道314至少部分由磁轭202和辐射屏蔽306来形成。虽然未示出，但是IP系统300可包括抽取系统，以便于去除和定向来自回旋加速器200的粒子束312。
又如图所示，回旋加速器200和靶系统302可装入共同壳体305中。在一些实施例中，IP系统300还包括独立平台220(图2)，平台220置于IP系统300所在的区域的地板或地面313上。回旋加速器200、靶系统302和壳体305可置于平台220上。例如，回旋加速器200可包括至少部分支承在平台220上的底座315。底座315可由磁轭202来形成，或者可以是壳体305的一部分。底座315还可包括定位在磁轭202与平台220之间的真空泵276。真空泵276可配置成保持加速室206、束通道314和靶区域308中的抽空状态。
本文所述的实施例包括分隔的屏蔽系统，其中在回旋加速器200中生成的辐射至少部分由磁轭202来衰减，并且在靶区域308中生成的辐射至少部分由辐射屏蔽306来衰减。当带电粒子被加速并且沿加速室206中的预定通路引导时，加速室206中的离子可与其中的气体粒子碰撞，并且变成不再受电场和磁场影响的中性粒子。中性粒子可沿磁轭202的中平面232(图4)并且围绕其中的加速室206的周边喷射。拦截面板(未示出)可定位在加速室206中，以便于捕获中性粒子。
图2和图3示出若干点XR1，其中粒子可与磁轭202进行碰撞并且生成中子和伽马辐射。伽马射线按照各向同性方式(即，按照球面方式离开对应点XR1)从对应点XR1发射。磁轭202的尺寸的大小可配置成衰减加速室206中的伽马射线的辐射。例如，常规磁轭的尺寸通常由形成加速室中的粒子束所需的预期磁场来确定。但是，磁轭202的尺寸可比形成预期磁场所需的要厚。磁轭202的附加厚度可便于衰减从加速室206发射的辐射。此外，回旋加速器200可工作在产生较低量的中性粒子的低能量处。例如，IP系统300可使带电粒子达到大约9.6MeV、或者更具体为7.8MeV或以下的能级。
对于靶系统302，靶区域308包括靶材料所在的靶位置340(图7所示)。当粒子束312入射到靶材料时，来自伽马射线和中子的辐射可从靶材料以及从靶材料附近的辅助组件来生成和发射。此外，当中子与靶系统302中的物质交互作用时，发射的中子还可生成伽马射线。因此，辐射屏蔽306配置成衰减辐射。
靶区域308可在辐射屏蔽306的几何中心附近定位。作为一个示例，靶区域308可位于辐射屏蔽306中的预定位置，以使得IP系统300的外边界301具有小于预期值的剂量率(例如，小于大约4μSv/h或者小于大约2μSv/h)。“外边界”包括当IP系统300处于正常操作时可由用户接触的IP系统300的外表面。例如，外边界301在图3中示为壳体305的外表面301。但是，在备选实施例中，外边界301可以是辐射屏蔽306的外表面或者回旋加速器200的外表面205。因此，如果存在壳体305，则剂量率可从外表面301来测量，或者备选地，如果不存在壳体，则可从外表面205和304来测量。
磁轭202和辐射屏蔽306可包括配置成衰减从对应区域发射的辐射的不同材料成分。例如，磁轭202可由铁来形成。形成磁轭202的材料的尺寸可增加，以便衰减从加速室206中发射的辐射。另一方面，辐射屏蔽306可具有不同材料成分，其中包括不同材料的独立层或结构。例如，辐射屏蔽306可包括第一或内屏蔽结构320以及围绕第一屏蔽结构320的第二或外屏蔽结构322。第一屏蔽结构320可直接围绕靶区域308，并且可配置成衰减从其中发射的伽马辐射。在一个示例中，第一屏蔽结构320包括由大部分铅(Pb)和接近纯铅(Pb)形成的笼。但是，配置成衰减伽马辐射的其它材料可与第一屏蔽结构320一起使用。
第二屏蔽结构322可围绕第一屏蔽结构320，并且可配置成衰减从靶区域308发射的中子以及伽马射线，并且还衰减由中子捕获所生成的伽马射线。第二屏蔽结构322可具有球面形状。组成第二屏蔽结构322的材料成分的大多数可包括聚乙烯。其它材料可包括较少量的硼和铅(Pb)。在一个具体实施例中，第二屏蔽结构322包括大约80％的聚乙烯(包括3％的硼)和大约20％的铅(Pb)。但是，其它元素或材料可包含在第一屏蔽结构和第二屏蔽结构320、322的材料成分中。
如图2和图3所示，靶系统302可邻近磁轭202定位。如本文所使用，当靶系统302和磁轭202相互接近或靠近而两者之间没有很大距离或间距时，靶系统302和磁轭202彼此“相邻”。例如，在所示实施例中，辐射屏蔽306的一部分的形状可符合屏蔽接纳切口或凹口262(图4所示)。更具体来说，辐射屏蔽306的一部分的形状可与屏蔽接纳凹口262的形状一致。此外，外表面304和205可相互直接邻接。但是，在靶系统302与磁轭202相邻的其它实施例中，外表面205可以没有形成屏蔽接纳凹口262。外表面304和205而是仍然可沿例如外表面304和205的平面部分相互直接邻接。
在备选实施例中，靶系统302和磁轭202可彼此相邻，其中在外表面304与205之间仅具有小间距(例如，小于大约25厘米或者小于大约10厘米)。但是，在备选实施例中，靶系统302和磁轭202不是彼此相邻，而可以是分隔半米或数米。
又如图2所示，辐射屏蔽306可具有从靶区域308延伸到外表面304的径向厚度TR。径向厚度TR可配置成使得外表面304经受最多有限剂量率。如图所示，径向厚度TR可具有变化长度或尺寸。例如，径向厚度TR可具有在靶区域308与平面220或地面313之间延伸的缩减部分325。辐射屏蔽306的其余部分可具有基本相等的径向厚度TR。例如，在靶系统302置于平台220上或者备选地直接置于地面313上的情况下，可使用辐射屏蔽306的缩减部分325。平台220可包括材料(例如，混凝土)，并且具有配置成吸收来自回旋加速器200和靶系统302中的至少一个的辐射泄漏的厚度TC。
束通道314至少部分由磁轭202以及靶系统302的辐射屏蔽306来形成。在所示实施例中，束通道314可基本上是线性的，如图2和图3所示。备选地，束通道314可以沿其中具有曲线或急转弯。例如，在备选实施例中，磁体可横靠束通道来放置，并且配置成沿不同通路来定向或重新定向粒子束312。此外，束通道可具有截面直径DBP和距离或长度L。直径DBP和长度L的大小和形状配置成降低从靶材料发出并且进入束通道314的中子量，以便显著降低或消除重新进入加速室206的任何中子。长度L可从加速室206的内表面到靶位置340(图7)来测量。在一些实施例中，长度L是在大约0.5米与大约1.5米之间。另外，虽然未示出，但是束通道314可由除了形成磁轭202和辐射屏蔽306的材料之外的材料所形成的管道或导管来形成。
针对图2，粒子束312和束通道314可沿射束轴330延伸。射束轴330可至少部分向下、即朝地面或地板313定向。在一些实施例中，射束轴330可与平台220相交。在这类实施例中，当IP系统300将要停止使用并且当IP系统300所在的机构的房间将要净化时，壳体305、回旋加速器200和靶系统302可从平台220移开。然后，平台220则可按照受控方式(即，按照关于移开放射性材料的安全标准)从机构移开。因此，平台220可保护或防止移开房间内的先前存在支承结构。例如，通过使用平台220，诸如天花板、地板和墙壁之类的其它支承结构可保持在房间内。
图4-7更详细地描述IP系统300及其组件。图4是按照一个实施例形成的磁轭202的透视图。磁轭202相对于X轴、Y轴和Z轴来取向。在一些实施例中，磁轭202相对于重力Fg垂直地取向。磁轭202具有轭体204，轭体204可围绕中心轴236基本上是圆形的，中心轴236与Z轴平行地贯穿轭体204的中心。轭体204可由铁和/或另一种铁磁材料来制造，并且其大小和选择可配置成产生预期磁场。
轭体204具有绕中心轴236周向弯曲的径向部分222。径向部分222具有延伸宽度W1的外径向表面223。径向表面223的宽度W1可在轴向沿中心轴236延伸。当轭体204垂直取向时，径向部分222可具有顶端和底端212、214，轭体204的直径DY在它们之间延伸。轭体204还可具有由轭体204的厚度T1来分隔的相对侧208和210。各侧208和210分别具有对应侧表面209和211(侧表面209如图5所示)。侧表面209和211可相互基本上平行地延伸，并且可基本上是平面的(即，沿X和Y轴所形成的平面)。径向部分222通过分别具有角表面217和219的角或过渡区216和218连接到侧208和210。(过渡区218和角表面219如图5所示。)角表面217和219从径向表面223彼此相背延伸，并且朝中心轴236延伸到对应侧表面211和209。径向表面223、侧表面209和211以及角表面217和219共同形成轭体204的外表面205(图5)。
轭体204可具有通向轭体204的若干切口、凹口或通道。例如，轭体204的外表面205可形成屏蔽接纳凹口262，凹口262的大小和形状配置成接纳来自靶系统302(图2)的辐射屏蔽306。如图所示，屏蔽接纳凹口262具有沿中心轴236延伸的宽度W2。在所示实施例中，屏蔽接纳凹口262向内弯曲到径向部分222中，并且通过厚度T1朝中心轴236弯曲。虽然图4中未示出，但是束通道314可通过径向部分222延伸到接近屏蔽接纳凹口262。因此，宽度W1小于宽度W2。另外，屏蔽接纳凹口262可具有曲率半径，其中心(表示为点C)在外表面205外部。点C可表示靶位置340(图7)的近似位置。在备选实施例中，屏蔽接纳凹口262可具有配置成接纳辐射屏蔽的其它尺寸。此外，在其它实施例中，轭体204可以没有屏蔽接纳凹口262，但可放置在辐射屏蔽附近。又如图所示，轭体204可形成泵接纳(PA)空腔282，空腔282的大小和形状配置成接纳真空泵276(图2)。
图5是按照一个实施例形成的回旋加速器200的侧视图。回旋加速器200包括以上针对图2-4所述的磁轭202。如图5所示，轭体204可分为定义它们之间的加速室206的相对轭段228和230。轭段228和230配置成沿磁轭202的中平面232放置成彼此相邻。回旋加速器200可置于平台220上，平台220配置成支承回旋加速器200的重量。平台220可以是例如房间的地板或者由地板支承的材料(例如，水泥)的附加板层。中心轴236与中平面232垂直地贯穿侧表面209与211之间的轭体204的中心。加速室206具有位于中平面232与中心轴236的相交处的中心区域238。在一些实施例中，中心区域238处于加速室206的几何中心。又如图所示，磁轭202包括在中心轴236上方延伸的上部231以及在中心轴236下方延伸的下部233。
轭段228和230分别包括在加速室206中的中平面232上彼此相对的极248和250。极248和250可通过极隙G相互分隔。当回旋加速器200进行操作时，极隙G的大小和形状配置成产生预期磁场。此外，极隙G可基于用于去除加速室中的粒子的预期传导率来确定大小和形状。作为一个示例，在一些实施例中，极隙G可以为3cm。
极248包括极顶252，并且极250包括面向极顶252的极顶254。在所示实施例中，回旋加速器200是同步回旋加速器，其中极顶252和254各形成小丘和低谷(未示出)的扇形区(sector)的布置。小丘和低谷彼此交互，以便产生用于聚焦带电粒子的通路的磁场。轭段228或230还可包括射频(RF)电极(未示出)，其中包括位于对应低谷中的空心D字型。RF电极相互合作，并且形成包括调谐到预定频率(例如，100MHz)的电感元件和电容元件的共振系统。RF电极系统可具有高频发电机(未示出)，高频发电机可包括与一个或多个放大器进行通信的频率振荡器。RF电极系统在RF电极与地之间创建交流电位。
回旋加速器200还包括位于加速室206之中或附近的磁体部件260。磁体部件260配置成便于产生具有极248和250的磁场，以便沿预期路径来定向带电粒子。磁体部件260包括跨过中平面232相互间隔开距离D1的一对相对电磁线圈264和266。电磁线圈264和266可以是例如铜合金电阻线圈。备选地，电磁线圈264和266可以是铝合金。电磁线圈可以基本上是圆形，并且围绕中心轴236延伸。轭段228和230可分别形成为其大小和形状配置成分别接纳对应电磁线圈264和266的电磁线圈空腔268和270。又如图5所示，回旋加速器200可包括室壁272和274，室壁272和274将电磁线圈264和266与加速室206分隔，并且便于将电磁线圈264和266保持到位。
加速室206配置成允许带电粒子、如1H-离子在其中沿围绕中心轴236螺旋地盘绕并且基本上保持沿着中平面232的预定弯曲通路来加速。带电粒子最初放置在中心区域238附近。当激活回旋加速器200时，带电粒子的通路可围绕中心轴环行。在所示实施例中，回旋加速器200是同步回旋加速器，并且因此，带电粒子的轨道具有围绕中心轴236弯曲的部分以及更为线性的部分。但是，本文所述的实施例并不局限于同步回旋加速器，而是还包括其它类型的回旋加速器和粒子加速器。如图5所示，当带电粒子围绕中心轴236环行时，带电粒子可在加速室206的上部231自页面向外投射，并且在加速室206的下部233向页面中延伸。当带电粒子围绕中心轴236环行时，在带电粒子的轨道与中心区域238之间延伸的半径R增加。当带电粒子沿轨道到达预定位置时，带电粒子定向到抽取系统(未示出)中或者通过抽取系统，并且离开回旋加速器200。
在形成粒子束312(图2)之前和期间，加速室206可处于抽空状态。例如，在创建粒子束之前，加速室206的压力可大约为1×10-7毫巴。当激活粒子束并且H2气体流经位于中心区域238的离子源(未示出)时，加速室206的压力可大约为2×10-5毫巴。真空泵276可包括从轭体204的一端214径向向外突出的部分。
在一些实施例中，轭段228和230相互之间可以是活动的，以使得可进入(例如，供修理或维护)加速室206。例如，轭段228和230可通过横靠轭段228和230延伸的铰链(未示出)来结合。轭段228和230的任一个或两者可通过围绕铰链的轴枢轴转动对应轭段来开启。作为另一个示例，轭段228和230可通过横向将轭段之一线性地移动离开另一个来相互分离。但是，在备选实施例中，当进入加速室206(例如，通过通向加速室206的磁轭202的孔或开口)时，轭段228和230可整体地形成或者保持为密封在一起。在备选实施例中，轭体204可具有不是均匀分割的段和/或可包括多于两段。例如，轭体可具有三段，如图10中针对磁轭504所示。
加速室206可具有沿中平面232延伸并且围绕中平面232是基本对称的形状。例如，可由围绕中心轴236延伸的内部径向或壁表面225来包围加速室206，使得加速室206基本上是圆盘形状。加速室206可包括内空间区域和外空间区域241和243。内空间区域241可定义在极顶252与254之间，并且外空间区域243可定义在室壁272与274之间。空间区域243围绕中心轴236延伸，包围空间区域241。在回旋加速器200的操作期间的带电粒子的轨道可在空间区域241中。因此，加速室206至少部分由极顶252、254和室壁272、274在宽度方向上定义。加速室206的外周边可由内部径向表面225来定义。加速室206还可包括径向向外离开空间区域243的通道，例如通向真空泵276和束通道314(图2)的通道。
外表面205定义轭体204的包络面207。包络面207具有大致等同于由外表面205所定义的没有小空腔、切口或凹口的轭体204的一般形状的形状。(仅为了便于说明，包络面207在图5中示为略大于轭体204。)如图5所示，包络面207的截面是由外部径向表面223、侧表面209和221以及角表面217和219所定义的八边形。轭体204可形成允许组件或装置透入包络面的通道、切口、凹口、空腔等。屏蔽接纳凹口262(图4)和PA空腔282是这类凹口和空腔的示例。
图6是上部231的侧视图，示出在回旋加速器200(图3)的操作期间发射的辐射。回旋加速器200可单独配置成衰减从加速室206(图5)所发射的辐射。但是，回旋加速器200还可配置成衰减辐射并且降低杂散场的强度，如美国专利申请No.12/435,931所述，通过引用将其完整地并入。如上所述，一种类型的辐射是来自中子通量。在一个具体实施例中，回旋加速器200工作在低能量，使得来自中子通量的辐射在轭体外部不超过预定量。例如，可操作回旋加速器以便将粒子加速到大约9.6MeV或以下的能级。更具体来说，可操作回旋加速器以便将粒子加速到大约7.8MeV或以下的能级。
当中子或质子与轭体204进行碰撞时产生第二类型的辐射、即伽马射线。图6示出若干点XR1，其中当回旋加速器200进行操作时，粒子一般与轭体204进行碰撞。伽马射线按照各向同性方式(即，按照球面方式离开对应点XR1)从对应点XR1发射。轭体204的尺寸的大小可配置成衰减伽马射线的辐射。例如，图6示出分别贯穿径向部分222、过渡区218以及从线圈空腔270延伸到侧208的轭体204的一部分的厚度T4、T5和T6。厚度R4、T5和T6的大小可使得离外表面205(或者在外表面205)的预期距离之内的剂量率低于预定量。距离D7-D9表示离开外表面205的预定距离，其中维持的辐射低于预期剂量率。离外表面205的各距离D7-D9可以是从轭体204外部的点到外表面507的最短距离。
相应地，当靶电流工作在预定电流时，厚度T4、T5和T6的大小可使得轭体204外部的剂量率在预期距离之内不超过预期量。作为举例，厚度T4、T5和T6的大小可使得剂量率在靶电流从大约20至大约30μA时在离对应表面小于大约1米的距离处不超过2μSv/h。此外，厚度T4、T5和T6的大小可使得剂量率在靶电流从大约20至大约30μA时在沿对应表面的点(即，D4、D5和D6近似等于零)处不超过2μSv/h。但是，剂量率可与靶电流成正比。例如，当靶电流为10-15μA时，剂量率在沿对应表面的点处可以是1μSv/h。
剂量率可通过使用已知方法或装置来确定。例如，基于离子室或Geiger Muller(GM)管的伽马测量仪可用于检测伽马。中子可通常基于来自与离子室或GM管周围的适当材料(例如，塑料)进行交互的中子的可检测伽马、使用专用中子监测器来检测。
按照一个实施例，轭体204的尺寸配置成限制或降低轭体204周围的杂散磁场，并且降低从回旋加速器200发射的辐射。能够由回旋加速器200相对于通过轭体204的磁场来实现的最大磁流量(B)可基于沿厚度T5找出的轭体204的最小截面面积(或者由其有效地确定)。因此，轭体204中的其它截面面积的大小、例如与厚度T4和T6关联的截面面积可基于过渡区218的截面面积来确定。例如，为了降低磁轭的重量，常规回旋加速器通常降低截面面积T4和T6，直到任何进一步降低实质上影响回旋加速器的最大磁流量(B)。
但是，厚度T4、T5和T6可以不仅基于通过轭体204的预期磁流量(B)，而且还基于辐射的预期衰减。因此，轭体204的某些部分相对于实现通过轭体204的预期平均磁流量(B)所需的材料量可具有过剩材料。例如，与厚度T6关联的轭体204的截面面积可具有材料的过剩厚度(指示为ΔT1)。与厚度T4关联的轭体204的截面面积可具有材料的过剩厚度(指示为ΔT2)。相应地，本文所述的实施例可具有定义成将磁流量(B)保持为低于上限的厚度、如厚度T5以及定义成衰减从加速室中发射的伽马射线的另一个厚度、如厚度T6和T4。
此外，轭体204的尺寸可基于加速室中使用的粒子的类型以及加速室206中粒子与其碰撞的材料的类型。此外，轭体204的尺寸可基于组成轭体的材料。另外，在备选实施例中，外屏蔽可与轭体204的尺寸结合用于衰减杂散磁场以及从轭体204中发射的辐射两者。
图7是靶区域308的放大侧视图。如图所示，靶区域308包括第一或内屏蔽结构320、准直仪338、将靶介质保持在靶位置340A-340C中的靶支架342以及将靶支架342活动地耦合到准直仪338(或束通道314)的旋转机构344。粒子束312沿束通道314来定向，并且在粒子束312与对应靶位置340的靶材料撞击或碰撞之前变窄或聚焦。旋转机构344可有选择地控制成移动或旋转支架342，以使得靶位置340A-340C相对粒子束312来移动。更具体来说，IP系统300(图2)的操作员可选择靶材料来制作预期放射性同位素。旋转机构344则可绕枢轴点348旋转以移动靶位置340A-340C，从而使得预期靶材料与粒子束312进行碰撞。在备选实施例中，旋转机构344可使支架342绕射束轴330(图2)旋转。此外，虽然示出三个靶位置340A-340C，但是可使用更少或更多靶位置。
如图所示，第一屏蔽结构320直接包围靶位置340A-340C。第一屏蔽结构320可主要由铅(Pb)组成，并且其形状可配置成衰减在靶位置340所生成的瞬发伽马辐射。在一些实施例中，第一屏蔽结构320中的空间或空隙的大小和形状配置成允许支架342移入多种位置。因此，第一屏蔽结构320的大小和形状可由支架342用于移动靶位置340的空间来确定。又如图所示，第一屏蔽结构320可具有厚度T7。厚度T7配置成衰减瞬发伽马辐射，以使得外边界301具有少于最大剂量率。在第一屏蔽结构320直接包围靶位置340的这类实施例中，同位素产生系统300(图2)可使用比以铅(Pb)包围回旋加速器和靶系统的大部分或全部的常规同位素产生系统要少的铅(Pb)。
图8和图9是按照一个实施例形成的、分别处于闭合或操作位置以及开启或可进入位置的同位素产生(IP)系统500的透视图。如图所示，IP系统500可包括封闭回旋加速器502(图9)和靶系统514(图9)的壳体524。参照图9，IP系统500配置成在医院或临床环境中使用，并且可包括与通过IP系统100(图1)和IP系统300(图2)描述的相似的组件和系统。回旋加速器502和靶系统514可制造与患者配合使用的放射性同位素。回旋加速器502定义加速室506，其中在激活回旋加速器502时，带电粒子沿预定通路移动。在使用时，回旋加速器502沿预定或预期束通路536来加速带电粒子，并且将粒子定向到靶系统514的靶区域532。束通路536(表示为虚线)从加速室506延伸到靶系统514中。
图10是回旋加速器502的截面。如图所示，回旋加速器502具有与回旋加速器200(图2)相似的特征和组件。但是，回旋加速器502包括磁轭504，其中可包括夹合在一起的三段528-530。更具体来说，回旋加速器502包括位于轭段528与530之间的环段529。当环段和轭段528-530如图所示堆叠在一起时，轭段528和530跨过中平面534彼此相向，并且定义其中的磁轭504的加速室506。如图所示，环段529可定义通向真空泵576的端口578的通道P3。真空泵576可以是无流体泵，并且具有与美国专利申请号12/435,931和12/435,949中所述相似的特征，通过引用将其完整地并入。例如，真空泵576可以是涡轮分子泵。
如图所示，壳体524可具有厚度TS和外表面525。壳体524可由聚乙烯(PE)和铅(Pb)来制造，并且厚度TS可配置成衰减来自回旋加速器502的中子通量。在其它实施例中，壳体524基本上没有铅(Pb)。外表面525可表示同位素产生系统500的外边界。除了磁轭504的其它尺寸之外，壳体524还可配置其大小和形状为实现辐射的预期衰减以及杂散场的预期降低。例如，磁轭504的尺寸和壳体524的尺寸(例如，厚度TS)可配置成使得剂量率在离外表面525小于大约1米的距离处、更具体来说在0米的距离处不超过2μSv/h。另外，磁轭504和壳体524的大小和形状配置成使得杂散场在离外表面525 1米的距离处、更具体来说在0.2米的距离处不超过5高斯。
回到图9，壳体524可提供到加速室506和靶区域532的入口。例如，壳体524可包括分别提供到加速室506和靶区域532的入口的活动隔板552和554。如图9所示，隔板552和554均处于开启位置。隔板554可单独开启，以使得无需开启隔板552而可进入靶区域和靶系统514的用户接口584。在闭合时，隔板554可覆盖靶区域532和靶系统514的用户接口584。隔板552在闭合时可覆盖回旋加速器502。
隔板554可包括辐射屏蔽、如辐射屏蔽306的一部分。隔板554可包括辐射屏蔽的第一段555，并且IP系统500的主体557可包括辐射屏蔽的第二段557。相应地，当隔板554闭合时，靶系统514的辐射屏蔽可由第一段和第二段555和557来组成，并且可具有如以上针对辐射屏蔽306所述相似的尺寸和特征。
如图所示，回旋加速器502的轭段528在开启位置和闭合位置之间可以是活动的。(图9示出开启位置，而图10示出闭合位置。)轭段528可附连到铰链(未示出)，铰链允许轭段528像门或盖子一样打开，并且提供到加速室506的入口。轭段530(图10)在开启位置和闭合位置之间也可以是活动的，或者可密封到环段529(图10)或者与环段529整体地形成。
此外，真空泵576可位于环段529的泵接纳室562和壳体524中。在隔板552处于开启位置时，可进入泵接纳室562。如图所示，真空泵576位于加速室506的中心区域538下方，使得从水平支承520贯穿端口578的中心延伸的垂直轴将与中心区域538相交。如图所示，轭段528和环段529可具有屏蔽接纳凹口560。束通路536通过屏蔽接纳凹口560延伸到靶区域532。
图11是按照一备选实施例形成的同位素产生(IP)系统600的示意侧视图。IP系统600包括可具有与上述回旋加速器和靶系统相似的特征的回旋加速器602和靶系统604。IP系统600可由平台610支承，并且装入壳体605中。如图所示，回旋加速器602配置成提供粒子束612，粒子束612沿束通道614从回旋加速器602的加速室600延伸到靶系统604的靶区域608。如图所示，回旋加速器602可置于靶系统604的辐射屏蔽616上并且由其支承。粒子束612和束通道614可沿射束轴630延伸，使得射束轴630与平台610相交。
IP系统600还可包括真空泵676。常规回旋加速器和同位素产生系统具有使用工作流体(例如，油)来生成用于抽空加速室的所需压力的真空泵(例如，扩散泵)。但是，回旋加速器602中的真空泵676可以是流体耦合到回旋加速器602的加速室606的无流体泵(例如，涡轮分子泵)。真空泵676可沿相对重力方向FG形成角度θ的纵轴640来取向。如图所示，角度θ可以大约为90度。但是，在备选实施例中，角度θ可以是相对重力FG大于10度的任何角度。作为一个示例，真空泵676可以是具有绕纵轴640旋转的风扇678的涡轮分子泵。相应地，在真空泵676是无流体真空泵的这类实施例中，真空泵676可具有不同取向，而没有油或另一种流体溢出到加速室606中的顾虑。
图12示出用于使诸如上述同位素产生(IP)系统100、300、500和600之类的IP系统退出使用的方法700。方法700包括在702提供包括回旋加速器和靶系统的IP系统。回旋加速器和靶系统可支承在平台上。平台又可由机构中的房间的地板来支承。如上所述，回旋加速器可配置成沿束通道将粒子束定向到靶系统。靶系统可位于平台上，与磁轭相邻。此外，束通道可沿与平台相交的射束轴延伸。束通道可定向到平台，使得房间的墙壁或天花板中的积聚放射性不超过阈值水平。方法700还包括在704移开回旋加速器，并且在706从平台移开靶系统。
方法700还包括在708按照受控方式(即，按照关于处理放射性材料的已确立安全标准)从机构的地板移开平台。方法700还包括在710按照受控方式来处置平台。在一些实施例中，方法700没有包括从房间移开原始支承结构。原始支承结构可以是天花板、地板和墙壁其中之一的至少一部分。
本文所述的实施例不是意在局限于生成医学用途的放射性同位素，而是还可生成其它同位素并且使用其它靶材料。此外，在所示实施例中，回旋加速器是垂直取向的同步回旋加速器。但是，备选实施例可包括其它种类的回旋加速器和其它取向(例如，水平)。此外，本文所述的实施例包括制造上述IP系统、靶系统和回旋加速器的方法。
要理解，以上描述只是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。另外，可对本发明的教导进行很多修改以适合具体情况或材料，而没有背离其范围。本文描述的材料类型和尺寸意在定义本发明的参数且决非限制，而只是示范性实施例。本领域技术人员在看了以上描述后，许多其它实施例对他们将是显然的。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求连同这类权利要求涵盖的完整等效范围共同确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的易懂英语对等词。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标记，而不是意在对它们的对象施加数字要求。此外，所附权利要求的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不是意在根据美国专利法第112条第六款来解释，除非并直到这类要求权益的限制明确使用词语“用于...的部件”并跟随没有进一步结构的功能陈述。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。

Claims (26)

1.一种同位素产生系统，包括：
回旋加速器，其包括围绕加速室的磁轭，所述回旋加速器配置成定向来自所述加速室的粒子束通过所述磁轭；以及
靶系统，其相邻所述磁轭定位，所述靶系统配置成保持靶材料，并包括在所述磁轭与所述靶区域之间延伸的辐射屏蔽，其中所述辐射屏蔽的大小和形状配置成衰减从所述靶材料朝向所述磁轭发射的中子；以及
束通道，其从所述加速室延伸到所述靶区域，所述束通道至少部分由所述磁轭以及所述靶系统的所述辐射屏蔽形成。
2.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述束通道具有长度和截面直径，所述束通道的所述长度和所述直径配置成充分降低从所述靶区域发射到所述磁轭中的中子。
3.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述辐射屏蔽的外表面与所述磁轭直接邻接。
4.如权利要求1所述的同位素产生系统，还包括包含所述回旋加速器和所述靶系统的共同壳体。
5.如权利要求4所述的同位素产生系统，其中，所述壳体提供到所述回旋加速器的所述加速室和所述靶系统的入口。
6.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述辐射屏蔽包括配置成衰减从所述靶材料发射的辐射的材料成分，并且所述磁轭包括配置成衰减从所述加速室发射的辐射的不同材料成分。
7.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述磁轭具有形成屏蔽接纳凹口的外表面，所述束通道通过所述磁轭从所述加速室延伸并且延伸到所述屏蔽接纳凹口中，其中所述辐射屏蔽的一部分的形状符合所述磁轭的所述屏蔽接纳凹口。
8.如权利要求7所述的同位素产生系统，其中，所述辐射屏蔽具有基本与所述凹口的形状一致的形状。
9.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述靶系统包括直接围绕所述靶区域的第一屏蔽结构，所述第一屏蔽结构包括配置成衰减从所述靶材料发射的伽马射线的第一材料成分。
10.如权利要求9所述的同位素产生系统，其中，所述靶系统还包括围绕所述第一屏蔽结构的第二屏蔽结构，所述第二屏蔽结构包括配置成衰减从所述靶材料发射的中子的不同的第二材料成分。
11.如权利要求10所述的同位素产生系统，其中，所述第二材料成分配置成衰减从所述靶材料发射并且通过中子捕获生成的伽马射线。
12.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述粒子束传播从所述加速室的内表面到所述靶材料的一段距离，所述距离从大约0.5米至大约1.5米。
13.如权利要求1所述的同位素产生系统，其中，所述磁轭具有位于所述加速室中的几何中心，其中所述回旋加速器的外边界在离所述几何中心小于大约1米的距离处具有小于大约4μSv/h的剂量率，并且所述靶系统的外边界在离所述靶材料小于大约1米的距离处具有小于4μSv/h的剂量率，其中所述靶材料经受大约20μA与30μA之间的束电流。
14.一种同位素产生系统，包括：
由平台支承的回旋加速器，所述回旋加速器包括围绕加速室的磁轭，所述回旋加速器配置成定向来自所述加速室的粒子束通过所述磁轭；以及
位于所述平台上并且与所述磁轭相邻的靶系统，所述靶系统配置成将靶材料保持在靶区域，所述粒子束入射到所述靶材料上；以及
束通道，其从所述加速室延伸到所述靶区域，所述束通道至少部分由所述磁轭和所述靶系统形成，所述束通道沿与所述平台相交的射束轴延伸。
15.如权利要求14所述的同位素产生系统，其中，所述靶系统包括配置成衰减从所述靶材料发射的伽马射线和中子中的至少一个的辐射屏蔽，所述辐射屏蔽在所述靶区域与所述磁轭之间延伸。
16.如权利要求15所述的同位素产生系统，其中，所述辐射屏蔽具有从所述靶区域测量的径向厚度，所述辐射屏蔽的外表面定义所述径向厚度的缩减部分，所述辐射屏蔽沿所述缩减部分的所述外表面、由所述平台来支承。
17.如权利要求15所述的同位素产生系统，其中，所述辐射屏蔽具有邻接所述磁轭的外表面。
18.如权利要求14所述的同位素产生系统，其中，所述束通道是基本线性的。
19.如权利要求14所述的同位素产生系统，还包括流体耦合到所述磁轭的所述加速室的无流体泵，所述无流体泵沿相对重力方向形成角度的纵轴来取向，所述角度大于10度。
20.如权利要求19所述的同位素产生系统，其中，所述无流体真空泵是涡轮分子泵。
21.如权利要求14所述的同位素产生系统，还包括所述平台，所述平台置于地板上，并且具有配置成吸收来自所述回旋加速器和所述靶系统中的至少一个的辐射泄漏的厚度。
22.一种使位于机构的房间中的同位素产生系统停止使用的方法，所述方法包括：
提供包括支承在平台上的回旋加速器的同位素产生系统，所述平台由所述房间的地板来支承，所述回旋加速器配置成沿束通道将粒子束定向到靶系统，所述靶系统位于所述平台上，与所述磁轭相邻，其中所述束通道沿与所述平台相交的射束轴延伸；
从所述平台移开所述靶系统；以及
从所述机构的所述地板移开所述平台。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述束通道朝向所述平台定向，以使得所述房间的墙壁或天花板中的积聚放射性不超过阈值水平。
24.如权利要求22所述的方法，还包括按照受控方式来处置所述平台。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述房间具有原始支承结构，所述方法不包括因积聚放射性而移开所述房间中的所述原始支承结构。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述原始支承结构是天花板、所述地板和墙壁其中之一的至少一部分。
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