CN109923619A - 低密度多孔铱 - Google Patents

Abstract

本公开涉及辐射源，诸如活性插入物，其通常在胶囊内含有多孔或微孔铱或其化合物、合金或复合物，及其制备方法。具有铱的多孔性或微孔性或低密度合金成分导致活性插入物内的铱密度降低。

Description

低密度多孔铱

发明背景

本申请是于2017年5月19日提交的名称为“低密度球形铱(Low DensitySpherical Iridium)”的PCT/US2017/033508的部分继续申请，根据35U.S.C§119(e)主张于2016年8月24日提交的美国临时申请序列号62/378,881以及于2016年5月24日提交的美国临时申请序列号62/340,777的优先权，其内容通过引用整体并入本文并用于所有目的。

技术领域

本公开涉及γ辐射源，其通常是在胶囊内含有铱的微珠或铱的低密度合金或化合物或复合物以及上述构造的多孔变体，及其制造方法。

背景技术

用于医疗、工业和其他过程的各种类型的辐射源的现有技术已得到很好的发展。然而，寻求进一步的改进，特别是有关于制造成本和产品性能方面。

Bakker Klass的PCT/NL2004/000401(也被公布为WO 2004109716 A2)中公开了用于产生伽马射线源的现有技术方法。该方法包括步骤：铱或钴盘的中子辐射、并将盘叠在一起以形成圆柱体。类似地，现有技术包括名称为“用于增强铱伽马辐射源的设备及方法(Device and Method for Enhanced Iridum Gamma Radiation Sources)”的PCT/US2015/029806(也被公布为WO 2015175326A1)；翻译名称为“用作例如用于焊缝放射成像和癌症治疗的伽马辐射源的含铱铸件(Iridium-Containing Molding Useful as a GammaRadiation Source e.g.,For Weld Seam Radiography and Cancer Treatment)”的德国专利文献DE 19824689CI；以及名称为“用于增强铱伽马辐射源的设备及方法(Device andMethod for Enhanced Iridium Gamma Radiation Sources)”的PCT/US2015/029806。

关于金属球的制造的其他现有技术包括于1946年2月12日授予Taylor的名称为“制造小金属球的方法”(Method for Making Small Metallic Spheres)的美国专利号2,394,727，以及在以下找到的信息：

http://www.orau.org/ptp/collection/sources/3mdisk.htm；以及

http://www.nrc.gov/docs/ML0415/ML041550720.pdf。

制造多孔铱的方法可在以下文献中找到：G.F.Ulrich的《熔块排放组件扩散粘结的冶金完整性(The Metallurgical Integity of the Frit Vent Assembly DiffusionBond)》，1994年6月，文献Y/DV-1321，橡树岭(Oak Ridge)Y-12工厂，马丁-玛丽埃塔(MartinMarietta)能量系统公司。

发明内容

因此，本公开的目的是提供用于医疗和工业应用的辐射源的改进。本公开的实施例可以对于现有技术实现以下目的中的多个目的——制造成本降低、焦点尺寸减小(特别是对于圆柱形几何形状的天然铱盘源)、活化产率增加、输出增加(由于密度降低从而更多输出Ci/mg)、由于降低的密度而产生更柔和的发射能谱、(即，更占优势的较低能量发射)以及近乎球形或准球形几何形状(导致改善的图像质量)，但通常包括围绕其圆周的平坦侧面以避免及其尖锐的切向盖部件。此外，在本公开的实施例中，可以减少或消除放射性粉末处理。

设想本公开的实施例可以增加铱-192输出效率，可能在11-17％的范围内，特别是如果可以使用具有球形或准球形几何形状的50％至65％致密铱来制造源。这可以进一步导致铱-192源含量和年消耗量减少11％至17％。此外，较柔和的输出能谱与近似球面焦点几何形状相结合可以使图像质量接近富集铱-192源的图像质量。进一步设想，这可能潜在地导致活化产率增加7-11％，由此导致总体18-28％效率增益。

任选地，可以活化低密度多孔铱的平坦面盘或其化合物、合金、复合物或多孔变体以产生含有Ir-192的盘。在活化之后，可以堆叠盘以形成圆柱体，并且以这种形式用于制造常规的圆柱形焦点几何形状源，或者它们可以在活化之后被压紧、压实或变形，以产生更多球形或准球形焦点几何形状。

可以制造具有弯曲、圆顶或其他形状面的低密度多孔铱或其化合物、合金、复合物或多孔变体的盘，使得这些盘在中间比在圆周处更厚。图4中显示了一些实际实例。可以活化这些实例以生产含有Ir-192的盘。在活化之后，可以堆叠这些盘，然后将盘压紧、压实或变形以产生球形或准球形焦点几何形状。以这种方式成形的盘可以通过压紧、压实或变形更容易地转换成球形或准球形焦点几何形状，如图5所示，从而产生制造优势。

使用球形或准球形低密度铱-192或其化合物、合金、复合物或多孔变体可实现与用环形铱实现的类似产率和输出效率增益，但没有堆叠成圆柱形结构的环状体的图像质量或焦点尺寸缺点。

可替代地，也可以在球形或准球形源腔中使用随机填充或部分随机填充的微粒来制备球形或准球形低密度铱-192或其化合物、合金、复合物或多孔变体。多孔微粒可以被压紧、压实或变形以产生球形或准球形焦点几何形状。

应当注意，多孔铱或其化合物、合金、复合物或多孔变体中的孔尺寸可以变化，并且在亚微米尺寸(有时称为微孔)到大约亚毫米尺寸(有时称作多孔性)的范围内。

可通过几种不同方法制备多孔铱或其化合物、合金、复合物或多孔变体。一种方法是在一定温度下(通常在1000℃以上，但更通常在1300℃以上)加热微球或微粒，，加热长度足以在微球或微粒的接触点引发持久的粘结和熔合的一段时间。

微孔铱或其化合物、合金、复合物或多孔变体也可以通过以下过程制备：在通常高于1000℃，但更通常高于1300℃的温度下部分烧结细碎粉末持续一段时间，这段时间足以在细碎粉末的接触点处引发持久颗粒间粘结和熔合，但不足以完成致密化过程。由于在铱或铱合金、化合物或复合物内形成的空隙、空穴或通道，这种微孔产品的密度小于百分之百的理论铱密度。

同位素富集的铱-191粉末可用作制备低密度多孔铱或其化合物、合金、复合物或多孔变体的原料。可以通过气态天然同位素丰度六氟化铱或四氟化铱的气体离心同位素富集通过还原富集的工艺气体以产生高度无定形形式的元素富集的铱-191(通常称为铱黑)，来制备这种形式的铱。通过这种工艺生产的铱缺乏结晶度，具有非常小的平均粒度(通常为亚纳米)，具有非常高的内表面积并且是多孔的。

已经发现，这种无定形(或基本上无定形)的铱粉末可以被冷压以形成具有30-50％的理论铱密度的压块。它们可以通过在意想不到的低温(远低于结晶材料常见的温度)下烧结而部分致密化、粘结和熔合。由于高内表面积和高非晶格能量导致的高表面能可以在低于预期温度的情况下导致致密化、结晶、晶粒生长和颗粒间熔合。

已经发现，在低至1300℃的温度下，可以实现基本上无定形的纯铱粉末——诸如通过气体离心富集过程产生的材料——的部分致密化。此外，添加某些非活化、低活化或相容活化(即产生最小干扰伽马射线发射)并且熔点低于铱的烧结添加剂可以形成合金、金属间化合物或其与铱的组合。这些添加剂包括但不限于铝、钒、硼-11、硅、磷、硫、碳、铍、钛、镍、钨或其合金及金属间化合物，其进一步降低烧结温度并可增强部分致密化过程和/或提高延展性以在较低温度和时间下实现优异的粘结性和改进的机械性能。

具有天然同位素组成的细碎的无定形或基本上无定形的铱粉末也可以类似地被部分致密化和粘结。

部分致密的、粘结的、多孔的、低密度的铱组分可以制成为盘、圆柱体、线、颗粒或微球的形式。它们可以堆叠或以其他方式组装在一起，然后压紧、压实或机械变形以产生球形或准球形焦点几何形状，这对于放射线照相源制造和放射线图像质量都是最佳的。

球形或准球形低密度铱-192的焦点尺寸通常不大于常规叠盘100％致密圆柱形源几何形状的对角线的尺寸。

如此得到的源将发射较低能量的伽马射线，从而改善图像对比度和分辨率。

附图说明

根据以下描述和附图，本公开的其他目的和优点将变得显而易见，其中：

图1是本公开的制造过程的典型实施例的流程图，可以预想到其一些变化形式。

图2示出了根据本公开的实施例的根据铱密度计算出的伽马能量谱丰度。

图3示出了具有相同焦点尺寸的圆柱形堆叠与球体的体积比，以及利用本公开的实施例实现的发射和照射产率的典型增加。

图4A是本公开的盘设计选择方案的侧视图。

图4B是现有技术盘设计的侧视图。

图5A是在压紧、压实或变形以产生球形或准球形之前的盘堆叠的优选实施例的侧视图。

图5B是压紧、压实或变形从而产生球形或准球形之后的盘堆叠的优选实施例的侧视图。

图6示出了未使用半铁饼形端部件挤压、压实或变形为球形/准球形几何形状的盘堆叠。

图7示出了包含粘结的微球和粘结添加剂的盘的横截面图。

图8A和图8B分别示出了由申请人定义的台柱体(shiltoid)和球柱体(vosoid)形状。

图9是本公开的盘的实施例的平面图。

图10是沿图9的平面10-10的横截面图。

具体实施方式

现在详细参考附图，可以看出图1是本公开的典型过程100的全局示意图。在框102、102’或102”处提供天然铱。框102处的天然铱被直接提供给制造盘或微粒的框110。框102’处的天然铱在框108处形成合金或被提供以烧结添加剂，然后提供给制造盘或微粒的框110。框102”处的天然铱被提供给气体离心富集框104，富集的铱框106，并且选择性地，在框108处形成合金或被提供以烧结添加剂，然后被提供给制造盘或微粒的框110。微粒或微珠的直径通常为0.25-0.60mm，在许多实施例中优选为0.40mm。可替代地，在许多实施例中可以使用微圆柱体，其直径为0.20-0.50mm，优选为0.30mm。这些微圆柱体可以通过在活化之前或之后切割所需直径的铱丝来形成。

无论起点(102、102’或102”)如何，来自框110的盘或微粒形式的铱选择性地被提供给框112以进行部分致密化，诸如通过烧结或一些其它技术。铱随后选择性地被提供给激光密封表面框114，然后分别被提供给活化和测量框116、118。如图的上部分支所示，来自测量框118的铱可以在框120处装载到胶囊中，选择性地在框122处在壳体中被压紧、压实或变形，然后在框128处对源进行焊接。可替代地，如图的下部分支所示，来自测量框118的铱可以在于框126(类似于框120)处装载入胶囊之前在框124处首先被堆叠和压紧、压实或变形，然后在框128处对源进行焊接。

参考图2，可以看到典型的伽马能谱，其显示根据图1概述的过程类型按照低密度铱的铱密度计算的能谱丰度。

类似地，参考图3，可以看到，与现有技术的100％致密铱相比发射和辐射产率的典型增加，并且在较低能量下成比例地更高的发射。例如，值得注意的是，给定直径“d”(诸如但不限于3.82毫米)的53％致密球的体积比100％致密正圆柱体(具有3.82毫米的对角线“d”)的体积多89％。这种正圆柱体的高度和直径均等于2.7毫米(3.82毫米除以2.0的平方根)。这些尺寸对于含有天然铱-192的标准圆柱形100Ci铱-192源的有效尺寸来说是相当典型的。然而，参考球体或准球体具有相同的焦点尺寸并且估计比参考正圆柱体的输出高出11％至17％(注意，输出的相对增加取决于测量发射的方向：轴向、径向、4π或其他)。因此，预期球形或准球形低密度铱-192以约11-17％的范围提高源输出效率。预期反应器产率增加7-11％，预期组合的反应器产率加上输出效率增加将达到18-28％的级别。

图4A示出了可压紧、可压实或可变形的盘轮廓的实例，其可以根据图1中概述的过程类型来实现。与图4B所示的现有技术设计(其中常规的平坦盘轮廓由矮圆柱形产生)相反，图4A的盘10通过椭圆围绕其短轴线的旋转来近似产生(对于稍微类似的形状也参见图9和10)。可替代的盘轮廓选自以下各种图示轮廓之一：11(具有尖锐圆周边缘的中央平坦的横截面区域)、12(具有钝圆周边缘的中央平坦的横截面区域)、13(具有钝圆周边缘的中央平坦狭窄的横截面区域)、14(具有少量圆度的圆周边缘的中央平坦狭窄的横截面区域)、15(具有一定圆度的圆周边缘的铁饼或椭圆形)、16(具有一定圆度的圆周边缘的较薄铁饼或椭圆形)和17(铁饼或椭圆形，其具有一定圆度的圆周边缘以及在图4A的取向上向上平移的中央部分18以提供堆叠对准特征，使得多个堆叠的盘17可以顺序地相互嵌套)。这些盘厚度通常为0.1至0.7mm，厚度通常不超过0.75mm。

图5A示出了盘10(或者可替换地，盘11至17中的任何一个)的堆叠，其被制备用于压紧、压实或变形(参见图1的框122和124)以形成图5B的球形或准球形辐射源90。

如图6所示的辐射源90的另一替代实施例含有铱-191，其形式为具有活性插入物的上述最佳铱密度范围(选自30-85％、40-70％或50-65％)的金属、合金、化合物，复合物或多孔变体，其中半铁饼形、半椭圆形或具有倒角的端部件22、24被设置在一叠扁平盘26的每一端。盘26可以最佳地为厚度约0.25毫米或厚度最大约0.5毫米，以使活化效率最大化，并使活化期间的中子自屏蔽最小化。弯曲的端部件22、24可以最佳地具有约0.5毫米或最大约0.75毫米的中心厚度，以使活化效率最大化，并使活化期间的中子自屏蔽最小化。这形成具有弯曲的(或倒角的)端部的圆柱体(类似于圆顶的球柱体和台柱体形状)。

如申请人所自定义的并且如图8A所示，通过使八边形围绕其垂直轴线旋转来形成台柱体(shiltoid)。类似地，由申请人自定义并且如图8B所示，通过在圆内刻出八边形，保留形成顶部、底部和垂直侧面的交替的八边形壁，同时保留其余部分的圆形部分，然后将所得到的形状围绕其垂直轴线旋转，如此形成球柱体(vosoid)。尽管图6中的几何形状的形状不像优选的形状那样呈球形，但这可能具有其他优点。它可以使用常规照射靶几何形状来进行常规盘照射。

另一种替代方案包括使用多孔铱，可能包括非活化、低活化或相容活化的烧结添加剂或粘结剂，例如但不限于铝、钒、硼-11、硅、磷、硫、碳、铍、钛、镍、钨或它们的任何合金，诸如DOP26合金及其金属间化合物。此外，一些铂-192和锇-192可作为铱-192的β-衰变产物就地产生。取决于复合物、化合物或合金的具体元素比例或物理状态，可以实现不同程度的延展性和粘结。较低的延展性构造可能是脆性的，从而导致响应于应力的断裂。较高延展性的构造可允许复合物、化合物或合金被压紧、压实或变形成所需的形状，诸如但不限于球形或准球形。

此外，在某些情况下，具有足够物理冲击力的研磨可以使铱与诸如铝或钒等添加剂结合或合金结合(即，在铱颗粒与添加剂颗粒之间的交汇区域处形成合金)。具有铝或钒添加剂的冷压铱可以产生铱密度小于100％的所得产物(由于添加剂和/或多孔性的存在)。

此外，可以使用液体添加剂进行液体烧结，所述液体添加剂例如为但不限于加热到其熔点以上的铝，这种铝可以就地熔化或倒入一定体积的铱微球中，所得产物的铱密度小于100％(由于添加剂的存在)。液体添加剂在降低的温度下硬化并将铱微球保持在适当位置。在一些实施例中，微球或微粒可以以与铝或钒或其它相容的低密度粘结金属粘结的单层来提供，以形成低密度粘结微球或微粒40的盘18(参见图7)，其可使用常规盘照射靶来活化，在活化后被堆叠，然后被压紧、压实或以其他方式变形以形成球形或准球形源插入物。

进一步的实施方案包括将铱压制成纳米颗粒形式(有时被称为“铱黑”)，产生无定形(非结晶)产物，与常规的固体铱相比，其铱密度为30-50％，更通常为约35％。类似地，纳米颗粒形式的铱和铝可以被混合并加热以实现颗粒之间的粘结，然后被压制成盘。

用于铱合金、化合物或其他复合物(包括多孔铱)的圆顶(铁饼形)盘可以有助于更容易压紧、压实或变形为活性插入物内的准球体，如图4A、图5A和图5B所示。

在部分烧结或受压的多孔低密度铱过度易碎而在没有表面破裂或腐蚀的风险的情况下难以处理的情形下，可以使用软箔金属(例如但不限于铝、钛或钒合金或其他通常非活化或低活化的合金)将盘密封在一起。其他选择可以包括盘表面的激光熔化、烧结或粘结，类似于激光雕刻实心圆的过程，其可以密封并强化盘的表面。这些圆顶(铁饼形)盘可以随后被压紧、压实或变形成球形或准球形，以用于如图5A和图5B所示的有源插入物。

可以使用铱、铱合金、复合颗粒和/或粘结剂的储备或粉末床通过三维印刷技术来实现密度降低的铱的其他实施例。这种过程还可包括随后焚烧粘结剂。

因此，最有效地实现了上述若干目的和优点。尽管本文已经详细公开并描述了本发明的优选实施例，但应该理解，本发明决不限于此。

Claims (20)

1.一种包括铱的辐射源，其中所述铱的至少一部分是多孔或微孔铱，并且其中含有所述铱的活性插入物的密度在100％致密纯铱的密度的30％至85％的范围内。

2.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱的密度在100％致密纯铱的密度的40％至70％的范围内。

3.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱的密度在100％致密纯铱的密度的50％至65％的范围内。

4.根据权利要求1所述的辐射源，其中多孔或微孔铱内的孔含有非活化、低活化或相容活化添加剂的低密度金属、合金、化合物或复合物。

5.根据权利要求1所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱为金属、合金、化合物或复合物的形式。

6.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱是包含在金属、合金、化合物或复合物内并形成球形或准球形的铱-192。

7.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱为金属、合金、化合物或复合物的多孔或微孔的低密度盘的薄盘形式。

8.根据权利要求7所述的辐射源，其中所述铱盘的厚度在0.1-0.7mm之间。

9.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱是包含在金属、合金、化合物或复合物内的铱-192，并且形式为具有平坦、弯曲或一定形状面的盘，所述盘在中间比在边缘处更厚，所述盘被堆叠、压紧或以其他方式形成为球形或准球形。

10.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述铱盘的厚度在0.1-0.7mm之间。

11.根据权利要求9所述的辐射源，其中所述铱-192包含在金属、合金、化合物或复合物内，并通过物理压紧、压实或变形的方法形成或成形为球形或准球形。

12.根据权利要求1所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱金属、合金、化合物或复合物的形式为含有多孔铱-191的直径约0.4毫米的微珠或微粒或直径约0.3毫米的微柱体。

13.根据权利要求1所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱金属、合金、化合物或复合物的形式为含有多孔铱-191的直径0.25-0.60毫米的微珠或微粒或直径0.20-0.50毫米的微柱体。

14.根据权利要求1所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱金属、合金、化合物或复合物的形式为含有多孔铱-191的直径约0.3mm的线，所述线在活化后被切割以形成微柱体。

15.根据权利要求9所述的辐射源，其中铱-191金属、合金、化合物或复合物的所述微珠、微粒或微柱体为随机填充或部分随机的构造。

16.根据权利要求1所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱含有铱-191，形式为金属、合金、化合物或复合物，其形成厚度小于0.75毫米的盘、半椭圆体或其他扁平形状。

17.根据权利要求1所述的辐射源，还包括其中含有所述铱的球形或准球形源腔。

18.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述辐射源包含形式为金属、合金、化合物或复合物的具有平坦或弯曲面的多个铱盘。

19.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述多孔或微孔铱内的孔含有非活化、低活化或相容活化添加剂的低密度金属、合金、化合物或复合物，其有助于烧结、压实或变形，其中一种或多种添加剂选自铝、钒、硼-11、硅、磷、硫、碳、铍、钛、镍、钨或其合金及金属间化合物。

20.根据权利要求2所述的辐射源，其中在中子照射之前，所述铱的形式为金属、合金、化合物或复合物，其中一种或多种添加剂选自铝、钒、硼-11、硅、磷、硫、碳、铍、钛、镍、钨或其合金及金属间化合物。