CN106538071A - 用于使用粒子束辐照钼的靶系统 - Google Patents

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Abstract

采用来自加速器的带电粒子辐照钼用于产生锝和钼放射性同位素的靶系统。该靶系统包含用钎焊合金钎焊至基底材料上的钼‑100材料。该基底材料优选包含弥散强化铜复合材料。该钎焊合金包含铜和磷。

Description

用于使用粒子束辐照钼的靶系统
技术领域
本发明涉及使用诸如回旋加速器等的粒子加速器由钼-100产生锝-99m和钼-99。特别是本发明涉及采用带电粒子辐照钼用于产生锝和钼放射性同位素的靶系统。
技术背景
锝-99m(Tc-99m)是用于核医学诊断的广泛使用的放射性同位素。它发出140keV的伽马射线并且衰变半衰期为约6小时。普通的诊断过程涉及用Tc-99m标记合适的示踪分子，将放射性药物注射至患者体内并用放射设备成像。
目前，以钼-99/锝-99m发生器的形式来提供Tc-99m。母同位素钼-99(Mo-99)是在核反应堆中产生的。Mo-99具有66小时的半衰期，这使其全球分布至医疗设施中。Mo-99/Tc-99m发生器使用柱色谱法来分离Tc-99m和Mo-99。Mo-99以钼酸盐MoO4 2-的形式负载在酸性氧化铝柱上。随着Mo-99衰减，它形成高锝酸盐TcO4 -，能够用盐从产生器柱中将其选择性地洗脱形成高锝酸钠。然后通常将含有高锝酸钠的溶液加入至放射化学‘试剂盒’中以形成器官特异性放射性药物。
世界上提供钼-99的几个核反应堆已经接近了它们的寿命。主要设施中的某些，例如位于加拿大安大略的Chalk River Laboratories的反应堆和位于荷兰的Petten核反应堆，已经基本上处于关闭期间，这导致了用于医疗应用的钼-99的全球短缺。重要的问题仍然涉及Mo-99的可靠的长期的供应。
用于研究目的的少量的放射性同位素能够仅使用通过加速器产生的加速粒子束与Mo-100靶相互作用来生成，其中它们引起核转变导致Mo-100向Mo-99的转变。然而，这样系统的可扩展性受到许多问题的限制。例如，加速粒子被靶材料吸收导致同时产生热能，该热能需要被消散来避免损坏所述靶系统和所述系统部件。某些小规模系统，可以使用水冷却来除去来自靶的热负载，并因此由具有高热传导率的材料构建其中放置靶材料的靶组件，其在用加速粒子轰击的过程中可用来最大限度地进行散热。可用银和铜制造小型靶组件。然而，如果长时间暴露在高温下，银和铜在低于100℃的温度下退火。此外，这些化合物在高于500℃的温度下快速并完全退火。这样的退火使靶组件和放置其中的靶不能承受水冷却的机械应力。此外，在被加速粒子轰击的过程中靶材料本身会由于热应力而变形。
发明简述
本发明的示例性实施方案涉及通过用来自诸如回旋加速器等的加速器的粒子辐照钼金属用于产生锝和钼放射性同位素的靶系统，例如由钼-100(Mo-100)制备Tc-99m和Mo-99。
附图说明
本文所述的附图仅用于所选定的实施方案的示例性目的而非旨在限制本发明的范围。
图1是本文所公开的示例性的Mo-100靶组件的三个部件的透视图；
图2是图1所示的两个部件的组装的透视图；
图3是图1所示的三个部件与其中装有所述部件的钽重物组装在一起的透视图；
图4是示例性的组装的Mo-100靶组件的侧视图；
图5是示例性的组装的Mo-100靶组件的顶视图；以及
图6是示例性的组装的Mo-100靶组件的透视图。
发明详述
本发明的某些示例性的实施方案涉及靶组件，其包含装有用加速粒子轰击的Mo-100靶的靶托和与所述靶托接合的轰击靶。
某些示例性的实施方案涉及用于组装和制备用加速粒子轰击的靶组件的方法。
由于钼如果升温至高于400℃会与氧快速反应，因此金属钼靶的制备如果该方法需要升高温度的话，通常需要在惰性气氛下进行。替代惰性气氛，还可以施加还原气体混合物，例如氩气中的氢气，来避免钼氧化并使含在靶材料中的任何钼氧化物还原成钼金属。
诸如钼等的难熔金属与其它材料的接合通常涉及复杂的多步过程。这氧的金属的焊接或钎焊通常需要对待接合的表面进行大范围的预处理(脱脂、喷砂、化学蚀刻、用合适的金属进行预涂层)和施加侵蚀性的有时是有毒的焊剂。Mo-100的任何焊接或钎焊仅能在除氧的状态下实现。
本发明的示例性实施方案涉及制备靶系统的方法，所述靶系统由炉钎焊至高热传导性和高机械强度的基底材料的金属Mo-100本体组成。所述方法通常可包括以下步骤：
1.使用机械设备将一定量的钼粉末压制成具有期望厚度和尺寸的压制的Mo-100板。
2.在约1300℃至约2100℃的温度范围，将压制的Mo-100板在惰性或还原性气氛中烧结约2至约20小时。
3.在约500℃至约1000℃的温度范围，在真空或者在惰性或还原性气氛中，在熔炉中使用钎料将烧结的板钎焊至基底材料上，所述基底材料由弥散强化铜复合材料制成，例如金属基复合合金(GLIDCOP是美国North American Hoganas High AlloysLLC的注册商标，Hollsopple，PA)，所述钎料适于在烧结的Mo-100板和基底材料之间形成高机械强度、高热传导性和高延展性的结合带。
本文所公开的示例性实施方案涉及制备用于产生Tc-99m的固体钼靶，产生Tc-99m是通过用16.5MeV质子，最高至，例如小型医用回旋加速器中130μA的射束电流辐照钼靶来产生的，所述小型医用回旋加速器例如(PETTRACE是美国the GeneralElectric Company Corp.的注册商标，Schenectady，NY，USA)的回旋加速器。与回旋加速器一起使用的合适的靶组件可包含外直径约30mm及厚度约1.3mm的示例性靶托。提供的示例性靶托具有直径20mm及深度约0.7mm的凹槽。将直径约18.5mm至约19.5mm及厚度约0.6mm的烧结的Mo-100圆盘放置在所述示例性靶托的凹槽内，并通过钎焊与靶托安全接合。
用于制备装有烧结的Mo-100靶的示例性靶组件的示例性方法的第一步涉及制备Mo-100靶圆盘。使用圆柱形工具和模具组将选定量的可商购的Mo-100粉末转变成圆柱形圆盘。然后采用水压机施加压力至其中含有Mo-100粉末的圆柱形工具和模具组，由此将Mo-100粉末压制成压实的圆盘。将所述压实的Mo-100圆盘从模具上除去并转移至陶瓷容器用于进一步处理。
例如，能够用硬化钢圆柱形工具和模具组制备20-mm直径的压实的圆盘，所述硬化钢圆柱形工具和模具组包含(1)具有凹槽的底座，其用于接收并放置直径20-mm间隔颗粒(spacer pellet)，所述底座被构造成用于接收并可拆卸接合具有直径20-mm的内孔的圆柱形套管，(2)圆柱形套管，以及(3)至少两个直径20-mm的间隔颗粒。合适的圆柱形工具和模具组的实例为来自Access International(Livingston，NJ，USA)的直径20-mm的ID干压模具组。在两个间隔颗粒的上表面、下表面和侧面涂上少量的凡士林润滑剂。将其中一个间隔颗粒放置在底座的凹槽中，然后将圆柱形套管滑过间隔颗粒之后与底座接合。然后将适量的预先称重的浓缩Mo-100粉倒入圆柱形套管内的空腔中并夯实到位。用于制备直径20-mm的Mo-100圆盘的Mo-100粉末的合适量为约1.6g。合适的量还可为0.3g至3.0g，例如0.3g、0.5g、0.75g、1.0g、1.25g、1.5g、1.75g、2.0g、2.25g、2.5g、2.75g和3g。然后，将第二间隔颗粒插入至圆柱形套管内的空腔中直至静止在Mo-100粉末的顶部。然后将可与工具和模具组一起提供的活塞插入套管的空腔内来接合第二间隔颗粒的顶部，之后对活塞施加手压来使Mo-100粉末夹在两个间隔颗粒之间。然后将组装的圆柱形工具和模具组转移至压丸机(pellet press)，或液压压机，或机械压力机等中。合适的压丸机的实例为带有嵌入式水压泵的40吨实验室压丸机，其可从Access International获得。将组装的圆柱形工具和模具组安装在压丸机内，向工具和模具组施加选定的压力约30秒。合适的压力为约30,000lbs。合适的压力范围还可为2,000lbs至100,000lbs，例如2,000lbs、5,000lbs、10,000lbs、15,000lbs、20,000lbs、25,000lbs、30,000lbs、35,000lbs、40,000lbs、45,000lbs、50,000lbs、65,000lbs、60,000lbs、65,000lbs、70,000lbs、75,000lbs、80,000lbs、85,000lbs、90,000lbs、95,000lbs、100,000lbs。解除压力之后，将圆柱形工具和模具组从压丸机上除去，将工具和模具组拆分，并将压制的Mo-100圆盘移入容器内。
示例性方法的第二步涉及在氢/氩气氛(例如2％/98％的混合物)中，将压制的Mo-100圆盘在约1700℃在熔炉中烧结5小时。例如，将在示例性的方法中的第一步中所制备的压制的Mo-100圆盘放置在具有平整底面的氧化铝舟皿中。将氧化铝片作为重物放置在氧化铝舟皿中的每个压制的Mo-100圆盘顶部，然后将舟皿放置在熔炉中，之后在压力约2PSI下，以流速约2L/min开始通入2％/98％的氢气/氩气混合物。然后，将温度从环境温度(例如22℃)开始以速率5℃/min升高至1,300℃。之后，将温度从1,300℃以2℃/min的速率升高至1,700℃。然后将熔炉在1,700℃保持5h，之后将其从1,700℃以2℃/min冷却至1,300℃，然后以5℃/min冷却至环境温度。然后评估冷却的烧结的Mo-100圆盘是否适于用加速粒子进行轰击。仅选择那些平的并且没有任何证据显示出破裂的烧结的Mo-100圆盘用于所述示例性方法的第三步。
所述方法的第三步涉及示例性的靶组件的制备。靶托20(图1、2)由弥散强化铜复合材料基底制成，其实例为AL-15，其具有尺寸足以适于烧结板的凹槽。用于回旋加速器的靶托(例如图1、2中的项20)的合适尺寸为外直径30mm，厚度约1.3mm，并具有直径约20mm深度约0.7mm的凹槽。例如用非常细的砂纸或钢丝绒打磨靶托的凹槽，之后将靶托在清洗液中洗涤，干燥，然后放置在甲醇中并进行超声处理约5分钟，之后干燥。然后，将直径约12mm的一块合适的钎焊材料30放置在靶托20的凹槽中。合适的钎焊材料为银铜磷钎料，例如(SIL-FOS是Handy&Harman Corp.的注册商标WhitePlains，NY，USA)。接下来，将烧结的Mo-100圆盘放置在钎焊材料的顶部，之后将诸如钽颗粒等的重物50(图3)放置在烧结的Mo-100圆盘的顶部来防止钎焊过程中堆叠的组件移动。在氩/氢气氛(例如98％∶2％)下，在钎焊炉中将靶组件加热至约750℃并在该温度下保持1小时，然后冷却至室温。
应注意的是合适钎料金属的选择对于烧结的Mo-100圆盘与基底材料的成功接合是特别重要的。例如，在美国USA售卖的商品名为Matti-phos(Johnson MattheyLtd.，Brampton，ON，CA)的产品包含一类银铜磷材料，其大概组分为Ag 2-18％、Cu 75-92％和P5-7.25％，该银铜磷材料主要用于将铜和特定的铜合金进行钎焊。以棒、带、丝或箔的形式商购获得。熔体的温度范围为约644℃至约800℃并且其流动点为约700℃。用钎焊的接合是非常易延展的。如果应用至纯铜，磷能够实现自熔化能力。黄铜、青铜和其他铜合金需要单独的焊剂，但是仅能够与钎焊，因此排除了钎焊以后对清洁过程的需要。尽管型钎料最初开发用于铜和铜钎焊，但发现它们还可以与某些诸如钼等的难熔金属结合。待与钎焊的钼本体可以箔、板、颗粒、压制的、烧结的或任何其它自支撑结构的形式存在。
上述方法制备了用高功率粒子束辐照Mo-100的示例性的Mo-100靶系统10(图4、5、6)，所述高功率粒子束例如来自回旋加速器的质子。所述示例性的Mo-100靶系统10包含(i)基底材料20，其包含弥散强化铜复合材料，(ii)自支撑烧结的Mo-100靶材料40，和(iii)钎焊材料30，其插入基底材料20和Mo-100靶材料40的之间并将它们接合。
选择弥散强化铜复合材料作为基底材料提供了比具有高热传导率的其它材料更多的优势。
上述钎焊方法可靠地将烧结的钼板接合至基底。在组件的两个部件之间提供均匀的，机械固体的但易延展的界面。钎焊接和的延展性对其辐照条件下的持久性起了主要作用。在用高能量质子轰击的过程中，入射光束主要被吸收在钼中，这导致钼板中实质温度的升高。钼(4.8μm/m·K)和(16.6μm/m.K)的热膨胀系数是显著不同的。电子束加热的钼与冷却的基底之间的热应力的影响被易延展的界面层减弱，由此有助于组件的机械稳定，而不损害钼板对基底的粘附性。
虽然本发明公开的示例性的实施方案已经具体涉及它们与回旋加速器一起使用，但本领域的技术人员应理解的是可以改变靶托和本文所公开的压制的Mo-100圆盘的尺寸来制备适于与产生加速粒子的其它装置一起使用的靶托和压制的Mo-100圆盘。

Claims (10)

1.钼-100靶组件，其包含：
烧结的钼-100圆盘；
带有凹槽的靶托，所述凹槽具有用于在其中接收所述烧结的钼-100圆盘的平整表面；以及
其间的中间层，所述中间层包含所述烧结的钼-100圆盘与所述靶托中所述凹槽的平整表面接合的钎焊合金。
2.如权利要求1所述的钼-100靶组件，其中所述靶托包含弥散强化铜复合材料。
3.如权利要求1所述的钼-100靶组件，其中所述钎焊合金包含铜和磷。
4.制备钼-100靶组件的方法，其包括：
制备压制的钼-100圆盘；
将所述压制的钼-100圆盘烧结；
将所述烧结的钼-100圆盘钎焊在靶托中提供的凹槽中。
5.如权利要求4所述的方法，其中制备所述压制的钼-100圆盘的步骤包括：
将选定量的钼-100粉末放置在圆柱形工具和模具组中，以及
向其施加选定的压力至少30秒。
6.如权利要求5所述的方法，其中钼-100粉末的所述选定量选自范围0.3g至3g。
7.如权利要求5所述的方法，其中钼-100粉末的所述选定量为1.6g。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述选定的压力选自范围2,000lbs至100,000lbs。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述选定的压力为30,000lbs。
10.如权利要求4所述的方法，其中将所述压制的钼-100圆盘烧结的步骤包括：
将温度以速率5℃/min从环境温度升高至1,300℃；
将温度以速率2℃/min从1,300℃升高至1,700℃；
将温度在1,700℃保持5小时；
将温度以速率2℃/min从1,700℃降低至1,300℃；以及
将温度以速率5℃/min从1,300℃降低至环境温度。
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