CN107112064B - 用于制备医用放射性同位素的设备 - Google Patents

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Abstract

用于放射性同位素生产的设备包括壳体、壳体内的多个靶盘、以及定位成朝向盘向内凸起的弯曲窗。在操作期间，冷却剂流过壳体，跨过盘和窗，而电子束穿过窗和盘。窗温度升高，在电子束撞击窗的窗中间上升最快。平坦窗将会屈曲，因为中心在相对不受影响的周边的热膨胀期间将变形，但是弯曲的窗形状允许窗承受由电子束的加热和冷却剂对窗内部的升高压力的组合产生的高热和机械应力。这种窗可以用于加压冷却剂仅作用在窗的一侧的应用。

Description

用于制备医用放射性同位素的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年11月17日提交的美国临时申请号62/080,589的权益，其全部内容通过引证结合于此。
确认政府支持
根据授予美国能源部的合同号DE-AC52-06NA25396，通过政府支持构成本发明。政府对发明有某些权利。
联合研究协议的缔约方
根据CRADA号LA11C10660，此处描述的研究工作是根据在Los Alamos NationalSecurity有限责任公司和NorthStar Medical Radioisotopes有限责任公司之间的合作研究和开发协议进行的。
技术领域
本申请总体上涉及用于制备诸如Mo-99等放射性同位素的系统、设备和方法。
背景技术
锝-99m(“Tc-99m”)是核医学中最常用的放射性同位素。Tc-99m用于在美国执行的所有成像程序的大约三分之二。每年进行数千万次使用Tc-99m的诊断程序。Tc-99m是由钼-99(“Mo-99”)的放射性衰变产生的子同位素。Mo-99衰变至Tc-99m，半衰期为66小时。
用于美国核医学的绝大多数Mo-99是在老化的外来反应堆中产生的。这些反应堆中的很多反应堆仍然使用实心高浓铀(“HEU”)靶材来生产Mo-99。HEU的浓度为大于20％的铀-235(“U-235”)。这些反应堆的维修和修理停堆中断了向美国和世界其他大部分地区供应Mo-99。母体放射性同位素Mo-99的半衰期相对较短，禁止积存储备。加拿大国家研究反应堆作为主要生产者之一，将于2016年停止正常生产。
发明内容
不涉及使用HEU的生产Mo-99的技术可能涉及例如将钼-100的靶材(或多个靶材)暴露于电子束。与射束的相互作用导致一些钼-100靶材材料转化成钼-99。钼-100靶材材料可以例如以盘保持器内的靶盘的形式存在，盘垂直于射束方向定向。射束可以先穿过窗，然后穿过最近的靶盘，然后穿过下一个最近的盘，依此类推。射束与窗和靶材的相互作用可以加热窗和靶材物体，因此当射束照射靶材时，可以使用冷却剂(例如，氦气)来从窗和/或靶材去除热量。
典型的窗是平坦的，但是平坦窗可能是有问题的，因为来自冷却剂气体在窗上的高热沉积速率和压力可以有助于高应力，并且能量束可以非均匀地加热窗，主要在射束穿过窗的中心处。因此，窗的中心可以相对不移动的周边热膨胀。在这些条件下，膨胀中心可以从原始平坦窗的平面中弯曲，因为来自射束的加热与加压冷却剂的组合在窗上产生应力，导致窗变形，并且这可以导致窗失效。
因此，本文公开了在电子束照射期间最小化窗上的应力，同时从靶盘保持器内部冷却窗和靶材的技术。
在一些公开的技术中，一种用于生产放射性同位素的设备可以包括壳体、壳体内的盘保持器、以及在盘保持器内彼此基本平行地定向的多个靶盘。该设备还可以包括第一弯曲窗和第二弯曲窗。这些窗可以位于盘保持器的相对侧上，其弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定向。在其他实施例中，在靶材的一侧上仅设置一个窗，或者提供超过两个窗，例如，在靶材的三个或更多个侧边上。
在盘保持器的相对侧上具有两个弯曲窗的实施例的操作期间，第一电子束可以穿过第一窗，然后穿过靶盘，从而产生同位素。第二电子束也可以穿过第二个窗，然后穿过靶盘，从而产生额外的同位素。射束照射导致加热窗和靶盘。盘保持器中的一个或多个入口允许来自壳体的冷却剂进入盘保持器并冷却盘和/或弯曲窗。盘保持器中的出口允许冷却剂离开盘保持器。与非弯曲窗相比，弯曲的窗形状减少了由射束引起的加热和冷却剂压力造成的在窗上的应力。
在一些实施例中，用于生产Mo-99的设备包括壳体、壳体内的盘保持器、以及钼-100的多个靶盘。靶盘在盘保持器内部基本上彼此平行地定向。该设备还包括第一弯曲窗和第二弯曲窗。第一弯曲窗和第二弯曲窗位于盘保持器的相对侧上，其相应的弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定向。在操作期间，第一电子束穿过第一窗，然后穿过由钼-100制成的靶盘，从而产生放射性同位素钼-99。第二电子束也可以穿过第二窗，然后穿过钼-100的靶盘，从而产生钼-99的额外的放射性同位素。该设备还包括与靶盘和/或两个弯曲窗的内表面接触的冷却剂。在操作期间，当电子束穿过弯曲的窗并照射钼-100的靶盘时，冷却剂通过壳体流到盘保持器，在此处冷却盘和窗。与平坦窗相比，弯曲的窗形状减少了由射束引起的加热和冷却剂压力造成的在窗上的应力。
通过参考附图进行的以下详细描述，所公开的技术的前述以及其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1A是用于制备放射性同位素的示例性设备的分解等距视图，其包括壳体、靶盘保持器，靶盘和朝向靶盘弯曲(即，凸起到壳体中)的两个弯曲窗；
图1B是图1A的设备的组装图；
图1C是用于制备放射性同位素的示例性系统的示意图；
图2A是示出示例性尺寸的示例性弯曲窗的剖视图。尺寸以英寸(1.339英寸、1.230英寸、和0.01英寸等等)以及毫米(34、32、0.25)为单位，出现在图2A的括号中。所示出的曲率半径的值为1.50英寸[38毫米]。窗直径、随着半径变化的厚度、以及总体尺寸将随着电子束穿过窗时在使用期间产生的相对机械和热应力而变化，同时冷却剂流过设备，以从设备的内部冷却照射的盘和窗；
图2B示出了用于图1B的设备的示例性弯曲窗和靶材保持器的细节；
图2C是图1B的设备的示例性靶材保持器和靶材的等距视图；
图2D是沿着垂直于通过设备的冷却剂流动方向的平面截取的图1B的设备的剖视图；
图3是示例性靶材通道几何形状的根据以m/s为单位的流速和以g/s为单位的流量的以W/m2-K为单位的氦的传热系数的图；
图4示出了在示例性设备中用于加热前窗和靶盘1至8的根据半径(cm)的内部发热量(W/cc)的图。最低曲线提供为窗绘制的数据，下一个最低曲线提供为盘1(最接近窗的盘)绘制的数据，下一个最低曲线提供为盘2绘制的数据，以此类推，直到提供为盘8绘制的数据的最高曲线；
图5示出了用于计算流体动力学计算的共轭传热网；
图6示出了氦气冷却剂的压力等值线；
图7示出了XZ平面中的速度等值线图；如图所示，射束方向在窗中点位于图的平面中，并且冷却剂速度在到达靶材边缘之前是最慢的，并且对于在窗和第一靶材之间流动的冷却剂最快，冷却剂流速随着冷却剂接近窗和第一靶材之间的最小距离的平面而增加，在该平面处，流动达到最大速度，随后，冷却剂速度降低；
图8示出了冷却通道平均速度的绘图；速度对于第一冷却通道是最高的，并且对于接下来的24个冷却通道是大致相同的；
图9示出了从293.15K到900K的气体温度的绘图；
图10示出了通过合金718窗的中心厚度的温度曲线，在插入部分中显示前窗的温度等值线图；
图11示出了前窗和50个钼靶盘中的前25个的峰值温度的绘图；
图12示出了来自XZ平面视图的靶材组件(即，壳体和靶盘)的温度等值线图，其射束能量为42MeV，电流为5.71毫安；
图13示出了负荷描述和有限元分析的情况；
图14示出了应力类别和等效应力极限；
图15是试验温度对退火718合金的UTS的影响的图；
图16是根据温度的沉淀硬化INCONEL合金718的UTS的图；
图17示出了仅具有所施加的机械负荷(300psi压力)的合金718窗的von Mises应力图(即，应力等值线图)；
图18A至18C示出了在两个不同位置处的线性应力(膜、弯曲和膜加弯曲)；
图19示出了窗的变形的绘图；
图20示出了通过机械负荷将CFD模型结果耦合到FE模型而获得的窗结果的热应力结果；
图21示出了在窗上的热和机械负荷，产生了0.180mm的峰值变形；变形不位于窗的顶部，因此不期望影响冷却剂间隙宽度和冷却剂流动特性；
图22是示出试验温度对退火的INCONEL合金718的屈服强度的影响的图；
图23示出了根据温度的沉淀硬化INCONEL合金718的屈服强度；
图24A是具有带交叉通道的大致圆柱形形状的示例性靶材的等距视图；图24B是垂直于靶材中间的圆柱形的纵轴截取的图24A的靶材的剖视图；图24C是沿着纵轴截取的图24A的靶材的剖视图；图24D是图24C的一部分的放大图；以及
图25是包括多个小球形元件的示例性靶材的等距视图。
具体实施方式
本文公开了用于生产放射性同位素的系统、设备和方法。所公开的系统可以包括设备，该设备可操作，以保持照射一个或多个靶材，同时还可操作，以引导冷却剂通过靶材和可以由照射加热的设备的其他部分。本文公开的示例性设备可以包括细长壳体、靶材保持器、一个或多个弯曲窗以及一个或多个靶材。靶材由壳体内的靶材保持器保持在期望的定向，使得所施加的辐射穿过弯曲的窗并进入或穿过靶材，以在靶材中产生所需的放射性同位素。靶材可以包括以特定方式设置以与施加的辐射相互作用的任何数量的单独靶材单元，例如，盘或球体。壳体还被配置成引导冷却剂通过靶材保持器，在靶材上方，和/或至少穿过弯曲窗的内表面，以抽出由照射产生的热量。窗可以具有以期望的方式成形入射辐射束的曲率，以有效地在靶材中产生放射性同位素。
一些示例性设备包括壳体、壳体内的盘保持器、以及在盘保持器内彼此基本平行地定向的多个靶盘。该设备还可以包括第一弯曲窗和第二弯曲窗，这些窗位于盘保持器的相对侧上，其相应的弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定向。在操作期间，第一电子束穿过第一窗，然后穿过靶盘，从而产生同位素。第二电子束也可以穿过第二个窗，然后穿过靶盘，从而产生额外的同位素。射束照射导致加热窗和靶盘。盘保持器中的入口允许来自壳体的冷却剂进入盘保持器并冷却盘和弯曲窗。盘保持器中的出口允许冷却剂离开盘保持器。弯曲的窗形状可以帮助成形射束，并且可以帮助最小化由射束引起的加热和冷却剂压力造成的在窗上的应力。
在特定实施例中，提供了用于生产Mo-99的设备。该设备包括壳体、壳体内的盘保持器、以及保持在盘保持器中的钼-100的多个靶盘。靶盘在盘保持器内部保持定向成基本上彼此平行，在盘之间具有狭窄的空间。该设备还包括第一弯曲窗和第二弯曲窗，第一弯曲窗和第二弯曲窗位于盘保持器的相对侧上，其相应的弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定向。在操作期间，第一电子束穿过第一窗，然后穿过由钼-100制成的靶盘，从而产生放射性同位素钼-99。第二电子束也可以穿过第二窗，然后穿过钼-100的靶盘，从而产生钼-99的额外的放射性同位素。来自电子束源的第一电子束穿过第一弯曲窗。同时或稍后，第二电子束穿过第二弯曲窗。当电子束穿过窗并且然后穿过钼-100的靶盘时，冷却剂的流动通过壳体到达盘保持器，在所述盘保持器处，冷却剂冷却盘和窗。
在任何公开的实施例中，曲率半径可以被提供给内凸到通过的冷却剂气体流内的窗。这种窗形状增强了在凸起的内部窗表面上的冷却剂流动，这改善了热传递并降低了窗温度。弯曲的窗形状还可以导致机械应力和压力引起的热应力的降低。
图1A和1B示出了示例性设备10，其包括壳体12、靶材保持器14、靶盘16(例如，50个Mo-99盘)的大体圆柱形堆叠部、以及两个相对的弯曲窗18。弯曲窗18向内凸出(即，具有朝向靶材保持器14内的靶盘16向内定向的凸曲面以及远离靶材的凹弯曲外表面)。如图1B所示，壳体12可以是大致管状的并且在垂直于辐射束轴的方向上可以是细长的。壳体12可以具有矩形横截面或其他横截面形状。壳体12可以包括尺寸适于以相应形状容纳窗18的圆形开口20。
如图2C所示，靶材保持器14可以包括一个大致长方体框架。保持器14可以包括穿过保持器的开口28，这些开口与壳体中的两个窗18和两个开口20对准。靶盘16的堆叠部被放置在开口28中的保持器14内部，盘与保持器28中的开口和窗18对准。靶材保持器14可以包括彼此稍微间隔开的多个散热片22，其中，每个散热片22包括其中一个开口28并且保持其中一个靶材。保持器14包括在散热片22之间延伸的冷却剂流动通道。散热片22可以包括圆形或外圆角流入端24和尖的扩散流出端26，以减少流入端24和流出端26之间的靶材上的冷却剂压降。多个散热片22可以经由上和下连接板30保持在一起，如图2C所示。在窗18的内表面和第一和最后一个靶盘之间还设有空间，以允许冷却剂流过窗的内表面以及盘。图2B提供了靶材保持器14和窗18的示例性尺寸。
与非弯曲的窗形状或其他弯曲的窗形状相比，窗18的弯曲形状可以减少由射束引起的加热和冷却剂压力导致的在窗上的应力。图2A示出了具有示例性尺寸的示例性窗18的剖视图。尺寸以英寸(仅举几例，1.339英寸、1.230英寸以及0.01英寸)以及毫米(34、32、0.25)为单位，出现在图2A的括号中。所示出的曲率半径的值为1.50英寸[38毫米]。窗直径、随着半径变化的厚度、以及总体尺寸将随着电子束穿过窗时在使用期间产生的相对机械和热应力而变化，同时冷却剂流过设备，以从设备的内部冷却照射的盘和窗。
设备10是用于在利用冷却剂流连续地去除由施加的辐射产生的热量的同时制备放射性同位素的各种设备的实例。图1C是示出可以与设备10或其他相似设备一起使用的示例性冷却剂系统的示意图。冷却剂系统可以利用诸如氦等各种冷却剂材料来从靶材、窗和/或其他设备部件去除热量。冷却剂系统可以以期望的压力和流速将冷却剂施加到设备10，并且可以将从设备提取的热量交换到散热器(例如，水体)或某个其他目的地。在一些实施例中，冷却系统可以包括具有约217gm/s的入口质量流速和约2.068MPa的入口压力的基于闭环氦的冷却系统。例如，入口质量流速和入口压力可以应用在靶材保持器的流入端24处。如图1B所示，壳体12可以包括具有端部开口13的细长管状体。端部开口13可以耦合到冷却剂系统，以引导冷却剂通过其中一个开口13、通过靶材保持器14、并且通过另一个开口13流出。
在替代实施例中，靶材可以具有各种不同的配置。例如，图24A至24D示出了具有大致圆柱形的整体形状的示例性单件靶材40，其具有多个交叉通道，以允许冷却剂流过靶材。靶材40可以设置有面向弯曲窗的轴向端部42以及位于冷却剂流动的上方和下方的实心上部和下部44。流动通道可以在靶材40的不同部分中包括各种尺寸和形状。例如，靶材40可以包括更接近轴向端部42的更宽的狭槽型流动通道46、更接近轴向中心的更窄的狭槽型流动通道48和/或在轴向中心部分的针孔型流动通道50。通道46和48可以在上部和下部实心部分44之间竖直延伸，而针孔型通道50可以具有更短的高度并且在同一竖直平面中堆叠几个。流动通道的不同尺寸和形状可以引起靶材上的加热速率的变化，在具有辐射的更大加热的区域中具有更大的冷却剂流动和/或表面面积。示例性靶材40被配置成从两个轴向端部照射，因此轴向对称，尽管其他实施例可以是不对称的，例如，当仅从一个轴向端部照射时。
图25示出了具有大致圆柱形整体形状并且包括多个小球形靶材元件62的另一示例性靶材60。靶材60可以被定向成具有来自一个或两个轴向端部的辐射。球形元件62之间的空间可以允许冷却剂流过整个靶材。靶材60可以包括将元件62保持为期望的包装形式的球形外壳或保持器。外壳或保持器可以包括网状物、筛网或其他至少部分穿孔的材料，以允许冷却剂流过其进入靶材。冷却剂流动可以垂直于圆柱形整体形状的轴。在其他相似的实施例中，靶材可以包括由包装的小球形元件组成的矩形(例如，正方形)横截面的整体形状。矩形形状可以提供穿过靶材的更均匀的冷却剂流量分布。可以以不同的方式包装球形元件，以调整其总体密度并调节球体之间的开放空间的相对体积和配置。在另外的其他实施例中，靶材可以包括海绵状或多孔材料，其是整体的，作为单件，但包括用于加压冷却剂通过靶材的通道。
在另外的实施例中，超过两个弯曲窗可以包括在壳体中，以允许从超过两个不同的方向照射靶材。例如，矩形横截面壳体可以包括四个窗，在四个侧边的每个侧边上具有一个，冷却剂垂直于所有四个弯曲窗的中心轴线流动。在这种实施例中，靶材可以包括长方体形状，例如，具有面向四个窗的四个平坦表面和面向冷却剂入流和冷却剂出流的另外两个表面。长方体靶材可以包括与冷却剂流动方向对准的通道或其他通道/开口，以便于冷却剂的有效性。在其他实施例中，靶材可以包含球形或卵形靶材。可以使用任何形状的靶材。因此，靶材保持器具有任何对应的形状，以相对于窗保持靶材，并且便于冷却剂流过和/或通过壳体内的靶材。
示例性凸射束进入窗的设计方法
用于任何类型的带电粒子束的射束入口窗可以通过由颗粒/窗材料相互作用引起的能量耗散经受体积加热。除了由低射束相互作用材料(通常是具有低分子量的材料)制成的非常薄的窗外，典型的实施例窗需要主动冷却，并且冷却剂在某种程度上必然被加压，以产生流动。然后，窗受到两种机制的应力：1)来自压力负荷的机械应力以及2)材料中温度梯度的热应力。这些应力必须保持在某种限度以下，以防止窗故障。虽然在某些情况下可能采用不太保守的限制，但容许应力标准的普遍接受的和经常要求的标准是ASME锅炉和压力容器规范”(以下简称“CODE”)。
本实施例的弯曲窗可以适应这个标准不能适应平坦窗的情况。本实施例的弯曲窗可以具有复杂的曲率和/或可变的厚度，因此CODE的适当部分是第VIII章节、第5部分(其通过引用并入本文)，其规定了需要分析设计方法的应用的要求，通常是有限元计算方法。CODE的这一部分详细描述了如何将各种应力类型(膜、弯曲和二次(热))单独和组合地与容许应力比较。
确定用于特定设备设置的弯曲窗的参数/尺寸可以使用迭代方法来进行。窗直径通常可以通过粒子束尺寸来定义，并且通常是接近高斯射束轮廓的半最大全宽(FWHM)的两倍的值。对于其他射束轮廓，可以取决于体积加热减少的速率。使窗弯曲，具有降低热和机械应力的作用，但曲率对也必须考虑的冷却剂流动确实具有影响。
用于产生用于给定设备的弯曲窗的迭代过程可以以平坦窗设计开始，例如，具有可变厚度，以最小化热应力。然后，可以在平坦窗不能获得可接受的解决方案的地方引入凸曲率。窗是凸形，弯曲到靶材中，并且以确保穿过窗的良好的冷却剂流动的方式引入冷却剂。可以系统地调节曲率，可选地与厚度一起调节，该曲率通常径向增加，以减小机械应力。应力可以与CODE定义的如第VIII章节第5部分中限定的等效应力限制进行比较。根据应力类型对净等效应力的相对贡献，厚度或曲率或厚度和曲率二者可能需要调整和反复计算。通过该过程，可以获得弯曲窗的轮廓，等待制造和测试。
图2A示出了使用上述迭代过程创建的示例性弯曲窗20的尺寸，图2B和2D示出了包括两个示例性弯曲窗18的示例性设备10。一个或两个窗18凸起到冷却剂气流中。窗18可以具有在面向内的至少部分或大部分或全部窗表面上的球体(球面曲率)的半径以及凹面外表面的不同或相似的曲率半径。这种窗形状有助于冷却窗，同时减少热应力。对于图2A的示例性弯曲窗20，尺寸以英寸为单位给出，且还以毫米为单位(其为括号内的值)给出。
对于与图1B的设备10相似的示例性设备进行了工程分析，包括用氦冷却的直径为33.2mm、厚度为0.5mm的50个Mo-99盘。分析还包括冷却窗18的内表面，同时适于形成放射性同位素的电子束被引导到设备的窗，使得射束将穿透窗并轰击设备内部的盘16，以形成放射性同位素。该分析的射束能量和总射束电流分别为42MeV和约5.71微安(每侧2.86微安，每侧为120kW)。评估了根据压力和流速的热传递和液压性能，并检查了射束窗的热机械性能。
使用33.2mm直径靶材的靶材设计来自初始靶材优化，并使用MCNPX(Monte CarloN-Particle eXtended)加热计算对该靶材进行热和流体分析。包括更薄的盘的随后优化，导致使用90％致密材料和12mm FWHM射束的直径为29mm的优化直径。与热分析中使用的50个盘长的靶材相比，该靶材组件为82个盘。中间盘的加热低，所以结论不变。
在包括由50个Mo盘和盘保持器组成的子组件的实施例上进行与流体流动相关的计算。为了计算，每个盘的厚度为0.5mm，直径为33.2mm，并且每个盘被保持在盘保持器中，使得在盘的每个表面上的氦冷却剂存在0.25mm的间隙。为了计算，封装子组件的壳体由合金718制成。靶盘和前后窗通过焊接进行连接。用于计算的窗表面是弯曲的，具有球形几何形状并且中心线处的最小厚度为0.25mm(参见图2A)。达到的温度和产生的应力随着窗厚度而增加，因此通过使窗向中心线方向变薄来最小化热应力。由负荷引起的机械应力与窗厚度平方成反比，因此在这种情况下，通过使窗变厚来减小应力。压力引起的应力也随着窗直径的平方而增加，因此直径增加，厚度也必须增加。
前后窗的形状被设计为在将窗的内表面暴露于最大冷却剂流动条件的同时降低热应力。盘保持器结合上游外圆角和下游扩散以最小化压降，从而最大化氦气流和热传递。
在操作期间，设备将使用靶盘之间的冷却剂流动，这将建立将从前窗的内表面延伸到后窗的内表面的平行流动图案。
在一个实施例中，氦冷却剂可以以217gm/s(平均161m/s通过靶材，301m/s跨过窗)和2.068MPa的入口质量流量和压力流动。马赫数(0.16)小于0.3，最大密度变化小于5％；因此，以M<0.3流动的气体可以被视为不可压缩的流动。本实施例中跨过窗的马赫数为0.378。通过使用平板矩形通道相关性，计算传热系数(HTC)。在计算雷诺数和努塞尔数时，通道的液压直径将用于定义通道几何形状。以下所示的经典Colburn等式将用于定义充分发展的湍流的局部努塞尔数NuD：
其中，Pr是流体普朗特数，ReD是雷诺数，其由下式定义：
在上述等式中，υ是通道的横截面上的平均流体速度，Dh(4Ac/P)是液压直径，ρ是流体密度，μ是粘度。然后，根据以下等式定义传热系数：
在上述等式中，k定义为冷却剂的热导率。
在使用如下平均流速以及2.068MPa入口压力的实施例中，其中在217g/s的情况下冷却剂通过靶材通道的平均流速为161m/s，传热系数(HTC)为12990W/m2-K。如果冷却剂的平均速度提高了15％，提高至185m/s，则HTC将增加约11.7％。实施例包括钼靶盘和INCONEL合金718窗。在表1中列出钼靶盘和INCONEL合金718窗对氦的热负荷。在表2中列出氦冷却剂的热液压流动条件。表3列出了293K下氦的特性。可以注意到，在该流速和功率下，氦的总平均温度为约130℃。
表1：42MeV和5.71mA处的电子束热负荷
靶盘 151kW
前面 1.296kW
背面 1.296kW
总计 153kW
表2：估计的热液压流动条件
通道几何形状 32.7mm x 0.25mm
每通道的流速 1.316L/s
通道速度 161m/s
入口速度 约50m/s
马赫数 0.16
雷诺数 13800
努塞尔数 41.623
传热系数 12990W/m<sup>2</sup>K
表3：293K处的氦的性质
根据盘半径进行内部发热的数值分析输入，如图4所示。
共轭热传递分析
使用计算流体动力学(CFD)技术来解决使用ANSYS CFX(v.14.5.7)的稳态共轭传热问题。50个钼靶板的配置允许通过51个矩形通道的并行冷却剂流。分析中使用的边界条件如下：假设固定可用的头部仅依赖于选定的鼓风机，使用了跨过靶材0.103MPa(15psi)的压降。因此，入口处2.069MPa(300psi)的总压力以及出口处1.965MPa(285psi)的静压力与系统质量流量是解决方案的一部分。每个通道的标称矩形截面为0.25mm(0.0098英寸)宽乘以32.7mm(1.287英寸)高。网格样本如图5所示。钼靶材组件使用大约1960万个节点网格化。为了减少问题的计算工作量，在XY和XZ平面内使用了对称性。流场和几何形状是对称的，对称平面处具有零法向速度，并且对称平面上的所有变量具有零法向梯度。
在图6至图9中示出了钼靶材CFD分析的结果。图6示出了相对表面压力等值线。图7示出了从XZ平面视图通过冷却通道的速度等值线。图8示出了在特定位置处的冷却通道中的平均速度的条形图，该位置被定义为平行于射束中心的平面。图9示出了冷却剂氦气温度范围293.15K到900K。
制备了束能量和电流为42MeV和约5.71微安(μA)的组件和靶盘的稳态温度的绘图。计算合金718窗中的峰值温度，在前窗和后窗大约为663.6K。图10示出了通过前窗中心厚度的温度曲线。峰值靶盘温度以1263°K的峰值温度在靶盘10中出现。图11中的条形图示出了50个靶盘中的25个(对称拍击沉积)加上前窗的峰值温度。
图12示出了XZ平面视图的壳体和靶盘的温度等值线图。
合金718壳体的静应力分析
使用ASME B&PV规范第VIII章节第5部分进行FE应力分析，其概述了分析设计方法的应用的要求。第二章节第D部分的强制性附录I用于确定容许应力值。
分析设计方法的应用需要验证部件充足性，抵抗以下五种特定的故障模式：
1.所有压力容器均提供防过压保护
2.防止塑性破坏的保护：
-弹性应力分析法
设计容许应力Sm：Sm＝2/3σy或σult/3.5中较小的
初级膜加弯曲应力：Pm+Pb≤1.5Sm
-弹塑性应力分析法
真实应力-应变曲线
包括非线性几何的影响
3.防止本地故障的保护：
-局部初级膜加弯曲主应力的总和：
(σ1+σ2+σ3)≤4Sm
4.防屈曲的保护：
-没有。无外加载条件
5.循环加载防故障的保护：
-没有
作用在合金718窗上的相关负荷和负荷定义如图13所示。图14示出了应力类别和等效应力极限(Von Mises Yield准则)。
壳体被加载压力高达2.068MPa(300psi)，并且在上游被固定地限制，而下游在轴向上是自由的。退火合金718的极限拉伸强度值在687MPa至810MPa之间的范围，其产生容许应力范围196MPa至231MPa。在图15中绘制根据试验温度的UTS的值。沉淀硬化(PH)合金的强度性能明显高于退火材料的强度性能。700K时的最小预期UTS为1133MPa，强度比退火合金大约增加40％。在图16中出现极限拉伸强度的平均值和最小值。
负荷组合：P+Ps+D
应力线性化找到通过薄壁部分的厚度的应力分布，以将压力容器的三维固体有限元分析(FEA)模型与ASME BPVC相关联。图17示出了仅具有所施加的机械负荷的合金718窗的von Mises应力图。图18B和18C示出了在图18A所示的两个不同位置处的线性应力(膜、弯曲和膜加弯曲)。采取保守的方法并使用811K(234MPa)的容许应力值，图18A至18C中示出了对于两个位置绘制的膜应力低于234MPa的容许阈值。此外，当观察初级膜加弯曲应力时，Pm+Pb≤1.5Sm，这也低于1.5Sm极限(351MPa)。FEA结果显示窗中峰值变形为0.138mm(见图19)。
负荷组合
通过机械负荷将CFD模型结果耦合到FE模型，窗的热应力结果如图20所示。热膨胀的增加使得von Mises应力增加约2.33倍，因此这些二次应力分量是主要项。窗上的热和机械负荷产生了0.180mm的峰值变形，如图21所示。变形不位于窗的顶部，因此预期不会影响冷却剂间隙宽度和冷却剂流动特性。
退火合金718在700K处的屈服强度也在图22中转换为根据图22上的INCO曲线的320MPa以及ALLVAC曲线上的254MPa的值。然而，PH合金718在700K下的屈服强度为917.7MPa，比退火的ALLVAC值高约3.6倍，比INCO值高2.85倍。对于PH合金718，屈服强度的平均值和最小值出现在图23中，温度范围为294K至1020K。
弹塑性分析预测，在当前的操作压力为2.068MPa时，应力值为797.2MPa，低于700K时的PH合金718的屈服强度(但是接近材料比例极限)，如图20所示。在分析中也显示，在大于3.1026MPa(450psi)的压力下，发生潜在的关键塑性破坏。这不能说适用于退火合金718：模拟显示，在当前操作压力为2.068时，峰值应力已经超过了700K下的材料屈服强度。此外，在压力为1.0342MPa(150psi)时发生塑性破坏。这将产生明显低于当前2.068MPa(300psi)的操作压力。下表简化和总结了上述应力结果。
表4：应力结果与合金处理
沉淀硬化INCONEL合金718窗中的应力在典型的真实弹性极限内运行，应力与应变成比例。然而，退火窗将塑性变形，应变将比应力增加更快。这就是当窗发生塑性变形时，会发生应变硬化。这是由于材料的晶体结构内的错位产生和移动。
综上所述，可用于同位素生产的设备包括一对凸起到内部的窗，并且预期优于用于冷却剂压力和射束加热应力的平坦窗。分析表明，为了在2.068Mpa下操作，沉淀硬化窗材料(例如，沉淀硬化INCONEL合金718)比相应的退火合金更坚固。该设备给由钼-100靶材最佳生产诸如钼-99等放射性同位素所需的大功率、高通量靶材提供了一种解决方案。
为了该描述的目的，本文描述了本公开的实施例的某些方面、优点和新颖特征。公开的方法、设备和系统不应被解释为以任何方式限制。相反，本公开单独地和以彼此的各种组合和子组合的方式涉及各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面。方法、设备和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个具体优点或解决问题。
将结合所公开技术的特定方面、实施例或示例描述的整数、特征、材料和其他特征应理解为可应用于本文所述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合的方式组合，除了至少一些这种特征和/或步骤是相互排斥的组合以外。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合，或者这样公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。
尽管为了方便呈现而以特定的顺序描述了一些所公开的方法的操作，但是应当理解，这种描述的方式包括重新排列，除非特定语言需要特定的顺序。例如，依次描述的操作在一些情况下可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未显示所公开的方法可以结合其他方法使用的各种方式。
如本文所使用的，术语“一”、“一个”和“至少一个”包含一个或多个指定元件。即，如果存在两个特定元件，则也存在这些元件中的一个，因此存在“一个”元件。术语“多个”和“复数个”是指两个或更多个指定元件。如本文所使用的，在元件列表中的最后两个之间使用的术语“和/或”是指所列出的元件中的任何一个或多个。例如，短语“A、B和/或C”是指“A”、“B”、“C”、“A和B”、“A和C”、“B和C”、或“A、B和C”。如本文所使用的，术语“耦合”通常是指物理耦合或链接，并且不排除在没有特定相反语言的耦合项之间存在中间元件。
鉴于可应用所公开的技术的原理的许多可能的实施例，应当认识到，所示出的实施例仅是示例，而不应被认为限制本公开的范围。相反，本公开的范围至少与所附权利要求一样宽泛。因此，我们要求均在以下权利要求的范围内的内容。

Claims (19)

1.一种用于放射性同位素生产的设备，包括：
壳体；
盘保持器，其位于所述壳体内并被配置成将一个或多个靶材保持在所述壳体中，用于放射性同位素生产；
至少一个弯曲窗，其耦合到所述壳体并且定位成与靶材保持器相邻，所述至少一个弯曲窗具有凸曲面，所述凸曲面朝向所述靶材保持器定向成朝向所述壳体内，所述至少一个弯曲窗可操作，以将辐射从壳体外面传送到所述靶材保持器中，用于照射由所述靶材保持器在所述壳体内保持的一个或多个靶材，以从所述一个或多个靶材产生放射性同位素；
其中，所述靶材保持器包括冷却剂流入部分，所述冷却剂流入部分可操作以在放射性同位素生产期间接收流过所述壳体的冷却剂，使得所述冷却剂从所述靶材保持器所保持的一个或多个靶材中去除热量，并且使得所述冷却剂去除所述至少一个弯曲窗的热量；并且
其中，所述靶材保持器包括冷却剂流出部分，所述冷却剂流出部分可操作以在所述冷却剂穿过所述一个或多个靶材和所述至少一个弯曲窗并且从所述一个或多个靶材和所述至少一个弯曲窗去除热量之后，从所述靶材保持器排出冷却剂，
其中，所述至少一个弯曲窗包括耦合到所述壳体并且位于所述靶材保持器的相对侧上的两个弯曲窗，所述两个弯曲窗均具有从靶材保持器的相对侧朝向所述靶材保持器定向的凸曲面，所述两个弯曲窗可操作，以将辐射从两个不同方向传送到所述靶材保持器中，用于同时从两个不同方向照射所述一个或多个靶材。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，至少一个弯曲窗的凸面具有球面曲率。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个弯曲窗具有与凸面相对的凹面。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述壳体和所述盘保持器被设置成从所述弯曲窗的凸面和由所述靶材保持器保持在壳体内部的靶材的相邻表面之间的通道提供冷却剂，使得所述弯曲窗被流过壳体内部的凸面的冷却剂冷却。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个弯曲窗的凸面向内突出到所述壳体内的冷却剂流动路径中，以引起从所述弯曲窗向所述冷却剂增加的热传递。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述靶材保持器被配置成将多个靶材保持在所述盘保持器内。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述靶材保持器被配置成在所述盘保持器内保持多个盘状靶材，所述盘状靶材定向成基本上彼此平行并且彼此间隔开，以在靶材之间提供冷却剂流动路径。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述盘保持器包括散热片，所述散热片被配置成保持所述多个盘状靶材并被配置成允许冷却剂在所述散热片之间和所述靶材之间流动。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述靶材保持器被配置成保持多个包装的球形靶材。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述靶材保持器被配置成保持单个靶材，所述单个靶材包括穿过该单个靶材的多个冷却剂流动通道。
11.根据权利要求1或2所述的设备，还包括一个或多个靶材，所述靶材包括安装在所述靶材保持器中的钼。
12.根据权利要求1或2所述的设备，还包括一个或多个靶材，所述靶材包括安装在所述靶材保持器中的Mo-100。
13.根据权利要求1或2所述的设备，还包括第一电子束源，其定位成将第一电子束传送到所述至少一个弯曲窗处，使得所述第一电子束穿过所述至少一个弯曲窗并且然后穿过所述靶材保持器内部的至少一个靶材。
14.根据权利要求13所述的设备，还包括第二电子束源，其定位成将第二电子束传送到所述设备的第二弯曲窗处，使得所述第二电子束穿过所述第二弯曲窗并且然后穿过所述靶材保持器内部的至少一个靶材。
15.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个弯曲窗包含元素金属或金属合金。
16.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个弯曲窗包含金属合金，所述金属合金选自沉淀硬化INCONEL合金、铝和铍的合金、钢、难熔金属合金、钼和铼的合金、奥氏体合金、马氏体-铁素体合金、以及钛和锆以及钼(TZM)的合金。
17.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个弯曲窗包含元素铝。
18.根据权利要求1或2所述的设备，还包括冷却系统，其耦合到所述壳体并且被配置成引导冷却剂通过所述壳体和所述靶材保持器。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述冷却剂包括氦气。
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