CN107439057A - 用于同位素产生系统的靶体及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据一个示例性实施例公开了一种用于同位素产生系统的靶系统的靶体。所述靶体包括靶室，所述靶室具有第一室和第二室，所述第一室具有第一表面区域，所述第二室具有大于所述第一表面区域的第二表面区域。所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质。一部件连接到所述靶体并且配置成产生放射。

Description

用于同位素产生系统的靶体及其使用方法

背景技术

本说明书中公开的主题大体涉及同位素产生系统，并且更确切地说，涉及同位素产生系统的靶体。

放射性同位素(也称为“放射性核素”)具有在医疗、成像和研究方面的若干应用，以及其他非医学相关应用。产生放射性同位素的系统通常包括产生粒子束的粒子加速器。所述粒子加速器将粒子束引导到靶室中的靶材料。在某些情况下，靶材料是液体(也称为“启动液体”)，例如富水(enriched water)。放射性同位素是在粒子束入射到靶室中的启动液体上时通过核反应产生的。

氟18(Fluorine-18，18F)是用于医疗应用例如正电子发射计算机断层扫描(PET)的基本产品。18F的需求不断增加，为提高18F的产量，需要更高的射束电流。与使用更高射束电流相关的一个限制是靶体中的传热不足。换言之，增加18F产量的问题在于由于传热不足，现有的水靶无法接收更高的射束电流。确切地说，数千瓦的射束功率倾入更小容积(几毫升)的水靶中。如果富水量增加，那么靶体尺寸和富水成本将会增加。

需要一种用于同位素产生系统的增强靶体。

发明内容

本说明书公开了一种根据一个示例性实施例的用于同位素产生系统的靶系统的靶体。所述靶体包括具有靶室，所述靶室具有第一室和第二室，所述第一室具有第一表面区域，并且所述第二室具有大于所述第一表面区域的第二表面区域。所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质。部件连接到所述靶体并且配置成产生放射。

本说明书公开了一种根据另一个示例性实施例的同位素产生系统。所述同位素产生系统包括加速器和靶系统，所述靶系统设置在靠近所述加速器处。所述靶系统包括具有靶室的靶体，所述靶室包括具有第一表面区域的第一室和具有第二表面区域的第二室，所述第二表面区域大于所述第一表面区域。所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质。部件连接到所述靶体并且配置成产生放射。

本说明书公开一种根据另一个示例性实施例的用于操作同位素产生系统的方法。所述方法涉及将来自加速器的带电粒子束引导到形成于靶系统靶体中的靶室，以及通过连接到所述靶体的部件产生放射。所述方法进一步涉及将所述带电粒子束聚焦到容纳于所述靶室第一室中的液体靶介质，以及响应于所述带电粒子束的聚焦而蒸发所述液体靶介质。所述方法还涉及冷凝所述靶室的第二室中的汽化靶介质，以及将冷凝靶介质引导至所述第一室中。所述第一室具有第一表面区域，并且所述第二室具有大于所述第一表面区域的第二表面区域。

附图说明

在参考附图阅读以下具体实施方式之后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号表示所有附图中类似的部分，其中：

图1是根据一个示例性实施例的同位素产生系统的方框图；

图2是根据一个示例性实施例的靶系统的分解透视图；

图3是根据一个示例性实施例的靶系统的侧视图；

图4是根据一个示例性实施例的靶体的前透视图；

图5是根据另一个示例性实施例的靶体的透视图；

图6是根据一个示例性实施例的第二室的一部分的示意图；

图7是根据一个示例性实施例的第二室的一部分的示意图；

图8是根据图4所示实施例的散热器的透视图；以及

图9是根据一个示例性实施例的射束电流与蒸汽容积比的变化的图形表示。

具体实施方式

本说明书公开一种根据本发明特定实施例的用于同位素产生系统的靶系统的靶体。所述靶体包括靶室，所述靶室包括具有第一表面区域的第一室以及具有第二表面区域的第二室，所述第二表面区域大于所述第一表面区域。所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质。所述靶体进一步包括部件，所述部件连接到所述靶体并且配置成产生放射。本说明书公开一种根据一个具体实施例的具有示例性靶体的同位素产生系统。本说明书公开一种根据另一个具体实施例的用于操作同位素产生系统的方法。

由于冷凝面积增大和逐滴冷凝，所述示例性靶室可增加汽化靶介质的冷凝冷却。传热系数增大，并且产生的射束电流增加，从而使氟18(18F)的产量提高。

图1是根据一个示例性实施例的具有粒子加速器12(例如，等时性回旋加速器)的同位素产生系统10的方框图，所述粒子加速器包括离子源系统14、电场系统16、磁场系统18和真空系统20。磁场系统18和电场系统16生成相应的场，这些场相互作用以产生带电粒子的粒子束22。尽管在一个实施例中，粒子加速器12可以是回旋加速器，但其他实施例可使用不同类型的粒子加速器来产生带电粒子束。

同位素产生系统10进一步包括提取系统24和靶系统26，所述靶系统包括一个或多个靶体28，所述靶体具有相应的靶介质(未示出)。靶系统26设置在靠近粒子加速器12处。粒子束22从粒子加速器12经由提取系统24并且沿射束传送通道30引导至靶系统26。当使用粒子束22辐射靶介质时，靶介质通过核反应生成放射性同位素。进一步地，还可以在一个或多个靶体28内生成热能。

在所示的实施例中，同位素产生系统10包括具有相应靶室32A、32B、32C的多个靶体28A、28B、28C，靶介质放置在所述靶室内。位移装置或系统(未示出)可用于使靶室32A、32B、32C相对于粒子束22位移，以便粒子束22在不同生产阶段入射到不同靶介质上。在另一个实施例中，粒子加速器12和提取系统24可沿不仅一个路径引导粒子束22，而可沿靶室32A、32B、32C各自对应的唯一路径引导粒子束22。此外，射束传送通道30可以从粒子加速器12到靶室32A、32B、32C大体呈线性，或者，射束传送通道30可从粒子加速器12到靶室32A、32B、32C大体呈线性。例如，沿射束传送通道30定位的磁体(未示出)可配置成沿不同路径重定向粒子束22。

同位素产生系统10配置成生成可以用于医疗成像、研究和治疗，但是也可用于其他非医疗相关应用例如科学研究或分析的放射性同位素(也称为“放射性核素”)。当用于医疗用途时，例如用于核医学(NM)成像或正电子发射断层摄影(PET)成像应用时，所述放射性同位素可称为“示踪剂”。举例来说，同位素产生系统10可生成用于形成液体形式同位素的质子，例如18F同位素。在另一个示例中，所述同位素产生系统可用于生成13N同位素。用于制造此类同位素的靶介质可以是富集18O水或16O水。

在一些实施例中，负氢离子通过粒子加速器12加速和引导到提取系统24中。随后，所述负氢离子可撞击提取系统24的剥离箔(图1中未示出)，从而移除一对电子并生成阳离子1H+的粒子。在替代性实施例中，带电粒子可以是阳离子，例如1H+、2H+和3He+。在该等替代性实施例中，提取系统24可包括生成电场的静电偏转器，所述电场将粒子束引向靶室32A、32B、32C。

同位素产生系统10还可配置成将带电粒子加速到预定的能量级。在一些实施例中，带电粒子加速到近似小于或等于18MeV的能量。在其他实施例中，同位素产生系统10将带电粒子加速到近似小于或等于16.5MeV的能量。在一些其他实施例中，带电粒子加速到高于100MeV、500MeV或更高的能量。同位素产生系统100可产生近似数量或批次的同位素，例如用于医疗成像或治疗的各个剂量。

在所示实施例中，同位素产生系统10进一步包括冷却系统34，所述冷却系统将冷却流体传送至多个部件，以吸收由相应部件产生的热量。同位素产生系统10进一步包括控制系统36，所述控制系统可供技术人员用于控制多个部件的操作。控制系统36可包括位于粒子加速器12和靶系统26附近的一个或多个用户接口。同位素产生系统10还可包括用于粒子加速器12和靶系统26的一个或多个辐射屏蔽和/或磁屏蔽。

图2是根据一个示例性实施例的靶系统26的分解透视图，其中示出可组装在一起的多个部件。然而，本说明书中所图示和描述的部件只是示例性的，并且靶系统26可根据其他配置进行构造。靶系统26包括射束导管38和靶壳体40，所述靶壳体配置成连接到射束导管38。射束导管38包围(enclose)射束通道30(如图1所示)。靶壳体40包括多个壳体部分42、28、44。壳体部分42称为配置成连接到射束导管38的前壳体部分。壳体部分28也称为靶体，并且壳体部分44称为后壳体部分。虽然未示出，但靶系统26连接到输送和去除包括放射性同位素的液体靶介质的流体系统。

靶系统26进一步包括两个安装构件46、48和盖板50。壳体部分42、28、44，安装构件46、48和盖板50可由同一种材料或不同材料制成。例如，壳体部分42、28、44，安装构件46、48和盖板50可由包括铝、钢、钨、镍、铜、铁、铌等的金属或金属合金制成。在一些实施例中，多个部件的材料可基于材料的导热性和/或材料屏蔽辐射的能力进行选择。多个部件可模制、压铸和/或机械加工成包括本说明书中所公开的操作特征，例如多个开口、凹口、通道或空腔。在一些实施例中，多个部件可通过增材制造方法制成。

在所示实施例中，壳体部分43、28、44以及安装构件46、48包括延伸通过相应部件的通道52、54、56、58、60、62、64、66。未示出延伸通过安装构件46的通道。空腔68可延伸贯通靶体28的厚度。在其他实施例中，空腔68只延伸到靶体28中的有限深度。窗口70提供通向空腔68的入口。靶系统26包括喷嘴或阀72、74，所述喷嘴或阀配置成插入通道52、66的相应开口76、78中。而且，喷嘴或阀80、82配置成插入靶体28的相应开口中。

靶系统26进一步包括多个密封件84和紧固件86。密封件84配置成密封部件之间的接口，以维持靶系统26内的预定压力(例如，由通道52、54、56、58、60、62、64、66形成的流体回路)，以防止受到来自周围环境的污染以及/或者防止流体逸出到周围环境中。紧固件86将多个部件彼此固定。而且，靶系统26可包括至少一个箔部件88。粒子束配置成入射在箔部件88上以产生放射。

图3是根据一个示例性实施例的靶系统26的侧视图。当完全构建靶系统26时，靶体28夹在壳体部分42、44之间，以便包围靶腔68(如图2所示)以形成靶室(未在图3中示出)。射束导管38连接到壳体部分42并且配置成接收粒子束并且将粒子束传送到靶室。当构造靶壳体40时，通道52、54、56、58、60、62、64、66(如图2所示)形成流体回路，所述流体回路引导工作流体(举例而言，冷却流体，例如水)通过靶壳体40，以吸收热能并将热能从靶壳体40传递出去。进入流体可从喷嘴72进入并可通过喷嘴74流出。

参照图4，其中示出根据一个示例性实施例的靶体28的前透视图。在所示实施例中，示出了靶体28的一个靶室32A。靶室32A包括第一室90和第二室92，所述第一室具有第一表面区域91，所述第二室具有大于所述第一表面区域91的第二表面区域93。第一室90配置成容纳供带电粒子束22(如图1所示)轰击的液体靶介质94。第一室90进一步具有窗口96，窗口用于将液体靶介质94与加速器内的真空隔离，同时允许带电粒子束穿过液体靶介质94。

在所示实施例中，第二室92具有扇形截面。确切地说，第一室90具有第一容积，而第二室92具有大于所述第一容积的第二容积。在一个实施例中，第一室90具有22％的容积分数(volume fraction)，并且第二室92具有78％的容积分数(volume fraction)。根据所述示例性实施例，带电粒子束从加速器引导至第一室90。通过连接到靶体28的箔部件产生放射。使带电粒子聚焦到容纳于第一室90中的液体靶介质94，从而响应于带电粒子束的聚焦而蒸发液体靶介质94。此后，在靶室28的第二室92中通过使用冷却剂的冷却来冷凝汽化靶介质98，随后将冷凝靶介质100引导至第一室90。在其他实施例中，第二室92的形状可根据具体应用而变化。

如前面所述，与使用更高射束电流相关的一个限制在于传统靶体中的传热不足。换言之，增加18F产量的问题在于传统水靶由于传热不足，无法接收更高射束电流。根据本发明的实施例，第二室92设计成提供更高的冷凝接触面积，从而增大汽液比(vapor-to-liquid ratio)。在本说明书中应注意，靶体28的冷却功率随第二室92的冷凝接触面积的升高而升高。

参照图5，其中示出根据另一个示例性实施例的靶体110的透视图。在所示实施例中，靶体110包括具有大致椭圆形截面的靶室112。靶室112包括具有第一表面区域113的第一室114以及具有第二表面区域115的第二室116，第二表面区域大于第一表面区域。第二室116具体包括用于增强冷凝汽化靶介质的冷凝杆118。在所示实施例中，多个冷凝杆118具有圆形截面。在其他实施例中，冷凝杆118的数量、冷凝杆118之间的间距、冷凝杆118的尺寸和形状可根据具体应用而变化。在一个实施例中，多个冷凝杆118和靶体110由同一种材料制成。在另一个实施例中，多个冷凝杆118和靶体由不同材料制成。

带电粒子聚焦到第一室114中的液体靶介质，致使液体靶介质响应于带电粒子束的聚焦而蒸发。此后，汽化靶介质在靶室112的第二室116中冷凝，随后将冷凝靶介质引导至第一室114。

根据本发明的实施例，第二室116设有多个冷凝杆118，用于提供更高的蒸汽冷凝接触面积，从而提高蒸汽液比。在本说明书中应注意，靶体110的冷却功率随第二室116的冷凝接触面积的升高而升高。

参照图6，其中示出了根据另一个示例性实施例的第二室的一部分120的示意图。第二室的部分120包括形成在内表面124上的多个微结构122。在所示实施例中，多个微结构122包括用于增强冷凝汽化靶介质的多个微凸起。微凸起的数量、形状、定向间距和尺寸可根据具体应用而变化。多个微结构122可采用激光微加工或光刻技术形成。

根据本发明的实施例，提供微结构122可增强传热系数，从而产生汽化靶介质的逐滴式冷凝(drop wise condensation)。在一个实施例中，微结构122可大约为10-20微米。在不具有微结构122的传统系统中，发生汽化靶介质的膜状冷凝。

参照图7，其中示出根据另一个示例性实施例的第二室的一部分126的示意图。第二室的部分126包括形成在内表面130上的多个微结构128。在所示实施例中，多个微结构128包括用于增强冷凝汽化靶介质的多个微槽。微槽的数量、形状、定向间距和尺寸可根据具体应用而变化。多个微结构128可采用激光微加工或光刻技术形成。

图8示出根据图4所示实施例的散热器132的透视图。散热器132包括连接到靶体28后壁表面136的多个冷却剂微通道134。冷却剂138通过散热器132的多个微通道134进行循环，以有助于第二室92的冷凝冷却。

图9是根据一个示例性实施例的射束电流(由Y轴表示)与蒸汽容积比(由X轴表示)的变化的图形表示。在本说明书中应注意，蒸汽容积比(vapor volume ratio)指相对于第一室容积分数的第二室容积分数。曲线140指示在靶室的40摄氏度壁温下，射束电流相对于蒸汽容积比的变化。曲线142指示在靶室的60摄氏度壁温下，射束电流相对于蒸汽容积比的变化。曲线144指示射束电流在靶室的100摄氏度壁温下相对于蒸汽容积比的变化。参考曲线140、142、144，在本说明书中应注意，随着蒸汽容积比的增加和靶室壁温的降低，射束电流也随之增加。

根据本说明书中所述的实施例，通过扩大第二室的冷凝面积和通过汽化靶介质的逐滴式冷凝来增强冷却冷凝效果。通过增加第二室的表面面积、容积和/或通过在第二室中提供多个冷凝杆来增加冷凝面积。通过在第二室中提供微结构来提高传热系数。气化靶介质的增强冷凝冷却可促进出现更高射束电流和增加18F产量。

尽管本说明书中已经说明和描述了本发明的某些特征，但所属领域的技术人员可以容易想到许多修改和变化。因此，应理解，所附权利要求书意图涵盖本发明真实精神范围内的所有此类修改和变化。

Claims (21)

1.一种用于同位素产生系统的靶系统的靶体，所述靶体包括：

靶室，所述包括具有第一表面区域的第一室和具有大于第二表面区域的第二室，所述第二表面区域大于所述第一表面区域；其中，所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质。

2.根据权利要求1所述的靶体，其中，所述第一室具有第一容积，且所述第二室具有大于所述第一容积的第二容积。

3.根据权利要求1所述的靶体，其中，所述第二室具有扇形截面。

4.根据权利要求1所述的靶体，其中，所述第二室进一步包括用于冷凝汽化靶介质的多个冷凝杆。

5.根据权利要求4所述的靶体，其中，所述多个冷凝杆具有圆形截面。

6.根据权利要求4所述的靶体，其中，所述多个冷凝杆和所述靶体由同一种材料制成。

7.根据权利要求1所述的靶体，其中，所述第二室包括用于冷凝汽化靶介质的多个微结构。

8.根据权利要求1所述的靶体，进一步包括散热器，所述散热器包括连接到后壁表面的多个冷却剂微通道。

9.一种同位素产生系统，包括：

加速器；以及

靶系统，所述靶系统设置在靠近所述加速器处，所述靶系统包括：

靶体，所述靶体设置在靠近所述加速器处，所述靶体包括：

靶室，所述靶室包括具有第一表面区域的第一室和具有第二表面区域的第二室，所述第二表面区域大于所述第一表面区域；其中，所述第一室配置成容纳供带电粒子束轰击的液体靶介质；以及

部件，所述部件连接到所述靶体并且配置成产生放射。

10.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中，所述第一室具有第一容积，且所述第二室具有大于所述第一容积的第二容积。

11.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中，所述第二室具有扇形截面。

12.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中，所述第二室包括用于冷凝汽化靶介质的多个冷凝杆。

13.根据权利要求12所述的同位素产生系统，其中，所述多个冷凝杆具有圆形截面。

14.根据权利要求12所述的同位素产生系统，其中，所述多个冷凝杆和所述靶体由同一种材料制成。

15.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中，所述第二室包括用于冷凝汽化靶介质的多个微结构。

16.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中所述靶体进一步包括散热器，所述散热器包括连接到后壁表面的多个冷却剂微通道。

17.一种用于操作同位素产生系统的方法，所述方法包括：

将来自加速器的带电粒子束指向形成于靶系统靶体中的靶室；

通过连接到所述靶体的部件产生放射；

将所述带电粒子束聚焦到容纳于所述靶室的第一室中的液体靶介质；

响应于所述带电粒子束的聚焦而蒸发所述液体靶介质；

在所述靶室的第二室中冷凝汽化靶介质；其中，所述第一室具有第一表面区域，并且所述第二室具有大于所述第一表面区域的第二表面区域；以及

将冷凝靶介质引导至所述第一室。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，冷凝汽化靶介质包括形成所述冷凝靶介质的多个液滴。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，冷凝汽化靶介质包括通过设在所述蒸汽室中的多个冷凝杆形成所述冷凝靶介质的多个液滴。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，冷凝汽化靶介质包括通过所述蒸汽室中的多个微结构形成所述冷凝靶介质的多个液滴。

21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括通过连接到所述靶体的后壁表面的散热器的多个微通道使冷却剂进行循环。