CN109964542A - 目标组件和同位素产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种目标组件，该目标组件用于同位素产生系统。目标组件包括目标主体，该目标主体具有产生室和与产生室相邻的光束腔。产生室被配置为保持目标材料。光束腔通向目标主体的外部并且被配置为接收入射在产生室上的粒子光束。目标组件还包括目标片，该目标片被定位成将光束腔和产生室分离。目标片具有暴露于产生室的侧面，使得目标片在同位素产生期间与目标材料接触。该目标片包括石墨烯。

Description

目标组件和同位素产生系统
背景技术
本文所公开的主题整体涉及同位素产生系统，并且更具体地涉及具有用粒子光束照射的目标材料的同位素产生系统。
放射性同位素(也称为放射性核素)应用于如下几种领域：医学治疗、成像和研究以及其他非医学相关的应用。产生放射性同位素的系统通常包括粒子加速器诸如回旋加速器，其加速带电粒子(例如，H-离子)光束并且将该粒子光束引导到目标材料中以生成同位素。回旋加速器是一种复杂的系统，其使用电场和磁场来加速和引导带电粒子在加速室内沿预定轨道运动。当粒子到达轨道的外部部分时，带电粒子形成粒子光束，该粒子光束指向目标组件，该目标组件保持用于同位素产生的目标材料。
目标材料(通常为液体、气体或固体)包含在目标组件的室内。目标组件形成光束通道，该光束通道接收粒子光束并且允许粒子光束入射在室内的目标材料上。为了将目标材料包含在室内，通过一个或多个箔使光束通道与室分离。例如，室可由目标主体内的空隙限定。目标箔覆盖一个侧面上的空隙，并且目标组件的一部分可覆盖空隙的相对侧面，以限定其间的室。粒子光束穿过目标箔并且在相对较小体积的目标材料内储存相当大的能量，从而导致在室内生成大量热能。将该热能的一部分转移到目标箔上。
目标箔在目标箔的邻接产生室的侧面上经历升高的温度和压力。升高的温度和压力引起应力，使目标箔容易破裂、熔化或产生其他损坏。如果箔被损坏，则进入产生室的能级增加。较高的能级可生成不需要的同位素或其他杂质，使得目标材料不可用。
此外，目标箔吸收来自粒子光束的能量。该能量可能以其他方式对产生室内的反应有用。此外，随着时间的推移，目标箔变得高度活化，并且给必须更换目标箔的技术人员带来健康问题。当来自目标箔的活化离子被目标材料吸收时，目标箔也可能污染目标介质。此外，当目标材料的温度较低时，至少一些反应的同位素产生可能更好。
为了解决过热箔的难题，传统系统包括将热能从目标箔转移出去的冷却系统。冷却系统引导冷却介质(例如，氦气)通过从箔中吸收热能的冷却室。然而，尽管存在冷却系统，但目标箔和目标材料的温度仍可变得过高，并且仍存在其他挑战，诸如上述那些挑战。
发明内容
在一个实施方案中，提供了用于同位素产生系统的目标组件。该目标组件包括目标主体，该目标主体具有产生室和与该产生室相邻的光束腔。该产生室被配置为保持目标材料。光束腔通向目标主体的外部并且被配置为接收入射在产生室上的粒子光束。目标组件还包括目标片，该目标片被定位成将光束腔和产生室分离。该目标片具有暴露于产生室的侧面，使得目标片在同位素产生期间与目标材料接触。该目标片包括石墨烯。
在一些方面，该目标片包括基本上由石墨烯组成的石墨烯层。
在一些方面，该目标片还包括相对于石墨烯层堆叠的室层。该室层定位在石墨烯层和产生室之间并且暴露于产生室，使得目标材料在同位素产生期间与室层接触。任选地，该室层不含在被粒子光束激活时产生长寿命同位素的材料。任选地，该室层包含金、铌、钽、钛或者包括上述中的一者或多者的合金。
在一些方面，该目标片具有至少20微米的厚度。
在一些方面，该目标片包括基本上由石墨烯组成的石墨烯层，该石墨烯层具有至少20微米的厚度。
在一些方面，目标主体包括网格部分，该网格部分设置在光束通道中。网格部分具有与目标片的前侧面相接的后侧面。网格部分支撑目标片，以降低由产生室内压力升高而破裂的可能性。
在一个实施方案中，提供了同位素产生系统，其包括被配置为生成粒子光束的粒子加速器。同位素目标组件包括目标主体，该目标主体具有产生室和与产生室相邻的光束腔，该产生室被配置为保持目标液体，该光束腔通向目标主体的外部并且被配置为接收入射在产生室上的粒子光束，该目标组件还包括目标片，该目标片被定位成将光束腔和产生室分离，该目标片具有暴露于产生室的侧面，使得目标材料在同位素产生期间与目标片接触，其中该目标片包括石墨烯。
在一些方面，该目标片包括基本上由石墨烯组成的石墨烯层。
在一些方面，该目标片还包括相对于石墨烯层堆叠的室层。该室层定位在石墨烯层和产生室之间并且暴露于产生室，使得目标材料在同位素产生期间与室层接触。任选地，该室层不含在被粒子光束激活时产生长寿命同位素的材料。任选地，该目标片具有至少20微米的厚度。
在一些方面，目标主体包括网格部分，该网格部分设置在光束通道中，该网格部分具有与目标片的前侧面相接的后侧面，该网格部分支撑目标片以降低由产生室内压力升高而破裂的可能性。
在一些方面，同位素产生系统还包括流体控制系统，该流体控制系统被配置为使硝酸中的68硝酸锌流入产生室。
在一个实施方案中，提供了生成放射性同位素的方法。该方法包括将目标材料提供到目标组件的产生室中。该目标主体具有产生室和与该产生室相邻的光束腔。该产生室被配置为保持目标液体。该光束腔被配置为接收入射在产生室上的粒子光束。目标组件还包括目标片，该目标片被定位成将光束腔和产生室分离。该目标片具有暴露于产生室的侧面，使得目标材料在同位素产生期间与目标片接触。该目标片包括石墨烯。该方法还包括将粒子光束引导到目标材料上。粒子光束穿过目标片入射到目标材料上。
在一些方面，目标材料包括硝酸中的68硝酸锌。石墨烯层暴露于目标材料，使得目标材料在同位素产生期间与石墨烯层接触。任选地，入射到目标材料上的粒子光束的能量介于7MeV和24MeV之间。
在一些方面，目标材料包括天然的14N2气体。任选地，目标片包括室层，该室层设置在产生室和石墨烯层之间。该室层阻碍非活性碳从石墨烯层向产生室的流动。
附图说明
图1为根据实施方案的同位素产生系统的框图。
图2为根据实施方案的提取系统和目标系统的侧视图。
图3为根据实施方案的目标组件的后透视图。
图4为图3的目标组件的前透视图。
图5为图3的目标组件的分解图。
图6为横向于Z轴线截取的目标组件的截面图，其示出了吸收目标组件的热能的冷却通道。
图7为横向于X轴线截取的图3的目标组件的截面图。
图8为横向于Y轴线截取的图3的目标组件的截面图。
图9为示出根据实施方案的方法的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解前面的发明内容以及下面对某些实施方案的详细描述。就附图示出各种实施方案的框图的范围而言，这些框不一定表示硬件之间的划分。因此，例如，框中的一者或多者可在单件硬件或多件硬件中实现。应当理解，各种实施方案不限于附图中所示的布置和工具。
如本文所用，以单数形式叙述且以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确地说明这种排除。此外，对“一个实施方案”的引用并非旨在被解释为排除也包含所叙述的特征的其他实施方案的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包括”或“具有”一个元件或具有特定属性的多个元件的实施方案可包括不具有该属性的其他这类元件。
图1为根据实施方案形成的同位素产生系统100的框图。同位素产生系统100包括具有若干子系统的粒子加速器102(例如，回旋加速器)，该子系统包括离子源系统104、电场系统106、磁场系统108、真空系统110、冷却系统122和流体控制系统125。在同位素产生系统100的使用期间，将目标材料116(例如，目标液体或目标气体)提供给目标系统114的指定产生室120。可通过流体控制系统125将目标材料116提供给产生室120。流体控制系统125可控制目标材料116通过一个或多个泵和阀门(未示出)向产生室120的流动。流体控制系统125还可通过将惰性气体提供到产生室120中来控制在产生室120内经历的压力。
在粒子加速器102的操作期间，带电粒子通过离子源系统104被放入或注入粒子加速器102中。磁场系统108和电场系统106生成相应的场，这些场在产生带电粒子的粒子光束112时相互协作。
同样如图1所示，同位素产生系统100具有提取系统115。目标系统114可定位成与粒子加速器102相邻。为了生成同位素，粒子光束112被粒子加速器102沿着光束路径117引导穿过提取系统115并进入目标系统114中，使得粒子光束112入射到位于指定产生室120处的目标材料116上。应当指出的是，在一些实施方案中，粒子加速器102和目标系统114未分离开一定间距或间隙(例如，分离开一定距离)，并且/或者不是单独的零件。因此，在这些实施方案中，粒子加速器102和目标系统114可形成单个部件或零件，使得不提供部件或零件之间的光束路径117。
同位素产生系统100被配置为产生可用于医学成像、研究和治疗的放射性同位素(也称为放射性核素)，但也可用于其他非医学相关的应用，诸如科学研究或分析。当用于医学目的时，诸如在核医学(NM)成像或正电子发射断层显像(PET)中，放射性同位素也可称为示踪剂。同位素产生系统100可产生预定量或批次的同位素，诸如用于医学成像或治疗的单独剂量。以举例的方式，同位素产生系统100可由包含硝酸中的68硝酸锌的目标液体生成68Ga同位素。同位素产生系统100还可被配置为生成质子以制备液体形式的18F-同位素。用于制备这些同位素的目标材料可能富含18O水或16O水。在一些实施方案中，同位素产生系统100也可生成质子或氘核，以便产生15O标记的水。可提供具有不同活性水平的同位素。
在一些实施方案中，同位素产生系统100使用1H-技术并且以大约10-30μA的光束电流使带电粒子至低能(例如，约8MeV或约14MeV)。在此类实施方案中，加速负氢离子并且将其引导通过粒子加速器102并进入提取系统115中。然后，负氢离子可撞击提取系统115的剥离箔(图1中未示出)，从而移除这对电子，并使该粒子成为正离子1H+。然而，在另选的实施方案中，带电粒子可为正离子，诸如1H+、2H+和3He+。在此类另选的实施方案中，提取系统115可包括静电偏转器，该静电偏转器形成将粒子光束引导向目标材料116的电场。应当指出的是，各种实施方案不限于在较低能量系统中使用，而是可用于较高能量系统(例如，高达25MeV)和较高的光束电流。
同位素产生系统100可包括冷却系统122，该冷却系统将冷却流体(例如，水或气体，诸如氦气)传送至不同系统的各个部件，以便吸收由相应部件生成的热量。例如，一个或多个冷却通道可邻近产生室120延伸并从其吸收热能。同位素产生系统100还可包括控制系统118，该控制系统可用于控制各种系统和部件的操作。控制系统118可包括用于自动控制同位素产生系统100和/或允许手动控制某些功能的必要电路。例如，控制系统118可包括一个或多个处理器或其他基于逻辑的电路。控制系统118可包括一个或多个用户界面，该一个或多个用户界面邻近或远离粒子加速器102和目标系统114定位。虽然未在图1中示出，但同位素产生系统100还可包括一个或多个辐射屏蔽和/或磁屏蔽，该一个或多个辐射屏蔽和/或磁屏蔽用于粒子加速器102和目标系统114。
同位素产生系统100可被配置为将带电粒子加速至预定的能级。例如，本文所述的一些实施方案将带电粒子加速至大约18MeV或更低的能量。在其他实施方案中，同位素产生系统100将带电粒子加速至大约16.5MeV或更低的能量。在具体实施方案中，同位素产生系统100将带电粒子加速至大约9.6MeV或更低的能量。在更具体的实施方案中，同位素产生系统100将带电粒子加速至大约7.8MeV或更低的能量。然而，本文所述的实施方案也可具有高于18MeV的能量。例如，实施方案可具有高于100MeV、500MeV或更高的能量。同样，实施方案可利用各种光束电流值。以举例的方式，光束电流可介于大约10-30μA之间。在其他实施方案中，光束电流可高于30μA、高于50μA或高于70μA。而在其他实施方案中，光束电流可高于100μA、高于150μA或高于200μA。
同位素产生系统100可具有多个产生室120，其中单独的目标材料116A-C位于多个产生室中。可使用移位装置或系统(未示出)相对于粒子光束112移动产生室120，使得粒子光束112入射在不同的目标材料116上。另选地，粒子加速器102和提取系统115可不沿仅一条路径引导粒子光束112，但可沿着针对每个不同产生室120A-C的独特路径引导粒子光束112。此外，从粒子加速器102到产生室120的光束路径117可为基本上线性的，或者另选地，光束路径117可在沿该路径的一个或多个点处弯曲或转向。例如，定位在光束路径117旁边的磁体可被配置为沿着不同的路径重新引导粒子光束112。
目标系统114包括多个目标组件130，但在其他实施方案中，目标系统114可仅包括一个目标组件130。目标组件130包括目标主体132，该目标主体具有多个主体部分134、135、136。目标组件130还被配置为一个或多个箔，粒子光束在与目标材料碰撞之前通过这些箔。例如，目标组件130包括第一片138和第二片140。如下文更详细地描述，第一片138和第二片140可各自接合目标组件130的网格部分(图1中未示出)。第二片140也可被称为目标片。
具体实施方案可不含用于第一片和第二片的直接冷却系统。传统的目标系统引导冷却介质(例如，氦气)通过存在于第一片和第二片之间的空间。冷却介质接触第一片和第二片且直接从第一片和第二片吸收热能，并且将热能从第一片和第二片转移出去。本文所述的实施方案可不含此类冷却系统。例如，围绕该空间的径向表面可不含流体耦接到通道的端口。然而，应当理解，冷却系统122可冷却目标系统114的其他物体。例如，冷却系统122可引导冷却水通过主体部分136以从产生室120吸收热能。然而，应当理解，实施方案可包括沿着径向表面的端口。此类端口可用于提供冷却介质以冷却第一片138和第二片140，或用于排空介于第一片138和第二片140之间的空间。
具有本文所述的一个或多个子系统的同位素产生系统和/或回旋加速器的示例可见于美国专利申请公布2011/0255646中，该专利申请公布全文以引用方式并入本文。此外，可与本文所述的实施方案一起使用的同位素产生系统和/或回旋加速器也描述于美国专利申请12/492,200、12/435,903、12/435,949、12/435,931和美国专利申请14/754,878中，这些专利中的每一者均全文以引用方式并入本文。
图2为提取系统150和目标系统152的侧视图。在例示的实施方案中，提取系统150包括第一提取单元156和第二提取单元158，每个提取单元包括箔保持器158以及一个或多个提取箔160(也称为剥离箔)。
提取过程可基于剥离箔原理。更具体地讲，当带电粒子通过提取箔160时，带电粒子(例如，加速负离子)的电子被剥离。粒子的电荷从负电荷变为正电荷，从而改变了粒子在磁场中的轨迹。提取箔160可被定位成控制包括带正电的粒子的外部粒子光束162的轨迹，并且可用于将外部粒子光束162转向指定的目标位置164。
在所示实施方案中，箔保持器158是能够保持一个或多个提取箔160的可旋转圆盘传送带。然而，不需要箔保持器158是可旋转的。箔保持器158可沿着轨道或导轨166选择性地定位。提取系统150可具有一种或多种提取模式。例如，提取系统150可被配置用于单光束提取，其中仅一个外部粒子光束162被引导至出口168。在图2中，存在六个出口168，该六个出口被列举为1-6。
提取系统150还可被配置用于双光束提取，其中两个外部光束162被同时引导至两个出口168。在双光束模式中，提取系统150可选择性地定位提取单元156、158，使得每个提取单元截获粒子光束的一部分(例如，上半部分和下半部分)。提取单元156、158被配置为沿着轨道166在不同位置之间移动。例如，驱动马达可用于沿着轨道166选择性地定位提取单元156、158。每个提取单元156、158具有覆盖出口168中的一个或多个出口的操作范围。例如，提取单元156可被分配给出口4、5和6，并且提取单元158可被分配给出口1、2和3。每个提取单元可用于将粒子光束引导至所分配的出口。
箔保持器158可以是绝缘的，以允许对剥离的电子进行电流测量。提取箔160位于光束路径的半径处，在该半径处光束已达到最终能量。在例示的实施方案中，每个箔保持器158保持多个提取箔160(例如，六个箔)并且能够绕轴线170旋转，以使得能够将不同的提取箔160定位在光束路径内。
目标系统152包括多个目标组件172。总共示出了六个目标组件172，并且每个目标组件对应于相应的出口168。当粒子光束162已通过所选提取箔160时，该粒子光束将通过相应的出口168进入对应的目标组件172。粒子光束进入对应的目标主体174的目标室(未示出)。目标室保持目标材料(例如，液体、气体或固体材料)，并且粒子光束入射到目标室内的目标材料上。粒子光束可首先入射到目标主体174内的一个或多个目标片上，如下文更详细地描述。目标组件172为电绝缘的，以便能够在粒子光束入射到目标材料、目标主体174和/或目标主体174内的目标片或其他箔时检测粒子光束的电流。
具有本文所述的一个或多个子系统的同位素产生系统和/或回旋加速器的示例可见于美国专利申请公布2011/0255646中，该专利申请公布全文以引用方式并入本文。此外，可与本文所述的实施方案一起使用的同位素产生系统和/或回旋加速器也描述于美国专利申请12/492,200、12/435,903、12/435,949、12/435,931和美国专利申请14/754,878中，这些专利中的每一者均全文以引用方式并入本文。
图3和图4分别为根据一个实施方案形成的目标组件200的后透视图和前透视图。图4为目标组件200的分解图。目标组件200被配置用于同位素产生系统，诸如同位素产生系统100(图1)。例如，目标组件200可与同位素产生系统100的目标组件130(图1)或目标组件172(图2)相似或相同。目标组件200包括目标主体201，该目标主体在图3和图4中被完全组装。
目标主体201由三个主体部分202、204、206、目标插入件220(图5)和网格部分225(图5)形成。主体部分202、204、206限定目标主体201的外部结构或外部。具体地讲，目标主体201的外部结构由主体部分202(其可称为前主体部分或凸缘)、主体部分204(其可称为中间主体部分)和主体部分206(其可称为后主体部分)形成。主体部分202、204和206包括具有通道和凹槽以形成各种特征部的刚性材料块。该通道和凹槽可保持目标组件200的一个或多个部件。
目标插入件220和网格部分225(图5)也包括具有通道和凹槽以形成各种特征部的刚性材料块。主体部分202、204、206、目标插入件220和网格部分225可通过合适的紧固件彼此固定，所述紧固件示出为多个螺栓208(图4和图5)，每个螺栓具有对应的垫圈(未示出)。当彼此固定时，主体部分202、204、206、目标插入件220和网格部分225形成密封的目标主体201。密封的目标主体201被充分构造成防止或严格限制流体或气体从目标主体201泄漏。
如图3所示，目标组件200包括沿后表面213定位的多个配件212。配件212可作为端口操作，提供进入目标主体201的流体通道。配件212被配置为操作地耦接到流体控制系统，诸如流体控制系统125(图1)。配件212可为氦气和/或冷却水提供流体通道。除了由配件212形成的端口外，目标组件200还可包括第一材料端口214和第二材料端口215(如图6所示)。第一材料端口和第二材料端口214、215与目标组件200的产生室218(图5)流体连通。第一材料端口和第二材料端口214、215操作地耦接到流体控制系统。在示例性实施方案中，第二材料端口215可向产生室218提供目标材料，而第一材料端口214可提供工作气体(例如，惰性气体)，用于控制产生室218内的目标液体所经历的压力。然而，在其他实施方案中，第一材料端口214可提供目标材料，并且第二材料端口215可提供工作气体。
目标主体201形成允许粒子光束(例如，质子光束)入射到产生室218内的目标材料上的光束通道221。粒子光束(由图4中的箭头P指示)可通过通道开口219(图4和图5)进入目标主体201。粒子光束从通道开口219穿过目标组件200行进至产生室218(图5)。在操作期间，产生室218填充有目标液体或目标气体。例如，目标液体可为约2.5毫升(ml)的包含指定同位素(例如，H2 18O)的水。产生室218被限定在目标插入件220内，该目标插入件可包括例如具有腔222(图5)的铌材料，该腔在目标插入件220的一个侧面上打开。目标插入件220包括第一材料端口和第二材料端口214、215。第一材料端口和第二材料端口214、215被配置为接纳例如配件或喷嘴。
参照图5，目标插入件220在主体部分206和主体部分204之间对齐。目标组件200可包括密封环226，该密封环定位在主体部分206和目标插件220之间。目标组件200也包括目标片228和密封边界236(例如，边界)。目标片228定位在主体部分204和目标插入件220之间并且覆盖腔222，从而封闭产生室218。主体部分206还包括腔230(图5)，该腔的尺寸和形状被设定成在其中接纳密封环226和目标插入件220的一部分。
目标组件200的前片240可定位在主体部分204和主体部分202之间。前片240可为类似于目标片228的合金盘。前片240与主体部分204的网格部分238对齐。前片240和目标片228可在目标组件228中具有不同的功能。在一些实施方案中，前片240可被称为降低粒子光束P的能量的降解片。例如，前片240可将粒子光束的能量降低至少10％。入射到目标材料上的粒子光束的能量可介于7MeV和24MeV之间。在更具体的实施方案中，入射到目标材料上的粒子光束的能量可介于13MeV和15MeV之间。前片240和目标片228可分别在诸如权利要求中被称为第一片和第二片。
在一些实施方案中，目标片228包括一个或多个石墨烯层(例如，多晶石墨烯)。在具体实施方案中，目标片228仅为单个石墨烯层。该石墨烯层(或多个层)可被设计或选择成具有预定的质量。以举例的方式，石墨烯层的面积密度可介于0.1mg/cm2和2.0mg/cm2之间。石墨烯层密度可以大约介于1.5mg/cm2和2.0g/cm3之间。石墨烯层可具有提供足够屈服强度特性的厚度。在具体实施方案中，目标片228的厚度可为至少20微米或至少25微米。在更具体的实施方案中，目标片228的厚度可为至少30微米或至少35微米或至少40微米。在具体实施方案中，目标片228的厚度可为至多100微米或至多50微米。然而，应当理解，各种实施方案可使用其他尺寸(例如，厚度)。例如，可使用除本文所述的那些厚度之外的更大厚度或更小厚度。
石墨烯层可具有预定的导热性能。例如，在一些实施方案中，测得的热扩散率可为至少1308mm2/s。面内热导率可为至少1400W/mK，其中测得的薄层电阻介于约10欧姆/平方和270欧姆/平方之间。在该示例中，石墨烯层在25℃的温度和Cp 0.73J/gK的比热下可具有1.55g/cm3的堆积密度。发现石墨烯箔样品的面内热导率为1480W/mK。测得的石墨烯薄膜的薄层电阻在13-260欧姆/平方的范围内。
任选地，目标片228可包括不是石墨烯层的层。例如，室层可相对于石墨烯层堆叠。图7示出了一个此类目标片228。如图所示，目标片228包括相对于彼此堆叠的石墨烯层294和室层292。如本文所用，室层和石墨烯层在以下情况下“相对于彼此堆叠”：如果室层和石墨烯层的相应侧面彼此面对，并且所述侧面(a)基本上彼此固定，其中例如侧面彼此粘结或者一层镀覆或涂覆到另一层；(b)是离散的但彼此直接接合(例如，压在一起)；或者(c)具有定位在室层和石墨烯层之间的一个或多个其他层，并且基本上固定到一个或多个其他层或者直接接合该一个或多个其他层。例如，侧面中的每个侧面可直接接合或粘结到公共层的相对两侧。如果存在多个层，则多个层可被夹在一起。石墨烯层和室层接合或粘结到夹层结构的相对侧面。在一些实施方案中，石墨烯层可接合该石墨烯层的任一侧面上的其他层。
在具体实施方案中，室层被配置为暴露于产生室内的目标材料。室层可不含当被粒子光束激活并暴露于目标材料时产生长寿命同位素的材料。例如，该室层可为惰性金属材料。该室层可包含例如金、铌、钽、钛或者包括上述中的一者或多者的合金。在具体实施方案中，该室层可基本上由金、铌、钽或钛组成。
应当指出的是，目标片228和前片240不限于圆盘或圆形形状，并且可以不同的形状、构型和布置提供。例如，目标片228和前片240中的一者或两者，或者附加片，可以是方形、矩形或椭圆形等。另外，应当指出的是，目标片228和前片240并不限于仅由石墨烯形成，而是在各种实施方案中包括活化材料，诸如可在其中诱发放射性的中等或高度活化材料，如在本文中更详细地描述。在一些实施方案中，目标片228和前片240可包括一个或多个金属层。所述层可包括例如Havar。在一些实施方案中，Havar可提供不暴露于目标材料并支撑石墨烯层的背衬。Havar具有Co(42％)、Cr(19.5％)、Ni(12.7％)、W(2.7％)、Mo(2.2％)、Mn(1.6％)、C(0.2％)、Fe余量的标称组成。
在操作期间，当粒子光束从主体部分202穿过目标组件200进入产生室218时，目标片228和前片240可能会被深度激活(例如，在其中诱发的放射性)。目标片228和前片240将加速室内的真空与腔222中的目标材料隔离开。网格部分238可设置在目标片228和前片240之间并与其中的每一者接合。任选地，目标组件200未被配置为允许冷却介质在目标片228和前片240之间通过。应当指出的是，目标片228和前片240被配置为具有允许粒子光束穿过其中的厚度。因此，目标片228和前片240可变得高度辐射和活化。
一些实施方案提供目标组件200的自屏蔽，该目标组件主动屏蔽目标组件200以屏蔽和/或防止来自激活的目标片228和前片240的辐射离开目标组件200。因此，目标片228和前片240被有源辐射屏蔽层封装。具体地讲，主体部分202、204和206中的至少一者，并且在一些实施方案中全部主体部分，由减弱目标组件200内的辐射的材料形成，并且具体地讲由目标片228和前片240形成。应当指出的是，主体部分202、204和206可由相同材料、不同材料或相同或不同材料的不同数量或组合形成。例如，主体部分202和204可由相同的材料诸如铝形成，并且主体部分206可由铝和钨的组合形成。
主体部分202、主体部分204和/或主体部分206被形成为使得每一者的厚度，特别是在目标片228和前片240之间以及目标组件200的外部提供屏蔽，以减少从其发射的辐射。应当指出的是，主体部分202、主体部分204和/或主体部分206可由密度值大于铝的密度值的任何材料形成。另外，主体部分202、主体部分204和/或主体部分206中的每一者可由如本文更详细描述的不同材料或材料组合形成。
图6为目标组件200的截面图。作为参考，将目标组件200相对于相互垂直的X轴线、Y轴线和Z轴线取向。该截面图由平面290形成，该平面横向于Z轴线并穿过主体部分204取向。在例示的实施方案中，主体部分204为基本上均匀的材料块，该材料块被成形为包括网格部分238和冷却网络242。例如，主体部分204可被模制或压铸，以包括本文所述的物理特征。在其他实施方案中，主体部分204可包括彼此固定的两个或更多个元件。例如，网格部分238可类似地成形为网格部分225(图5)，并且相对于主体部分204的剩余部分是独立和离散的。在该另选实施方案中，网格部分238可定位在剩余部分的空隙或腔内。
如图所示，穿过主体部分204的平面290与网格部分238和冷却网络242相交。冷却网络242包括彼此互连以形成冷却网络242的冷却通道243-248。冷却网络242还包括与目标主体201的其他通道(未示出)流体连通的端口249、250。冷却网络242被配置为接收冷却介质(例如，冷却水)，该冷却介质从目标主体201吸收热能并将热能从目标主体201转移出去。例如，冷却网络242可被配置为从网格部分238或目标室218中的至少一者吸收热能(图5)。如图所示，冷却通道244、246邻近网格部分238延伸，使得在网格部分238和冷却通道244、246之间形成相应的热路径252、254(通常由虚线表示)。例如，网格部分238与冷却通道244、246之间的间隙可小于10mm、小于8mm、小于6mm，或者在某些实施方案中，小于4mm。可在实验设置期间使用例如建模软件或热成像来识别热路径。
网格部分238包括彼此耦接以形成网格或框架结构的内壁256的布置。内壁256可被配置为(a)为目标片228和前片240(图5)提供足够的支撑，以及(b)与目标片228和前片240紧密接合，使得可将热能从目标片228和前片240转移到内壁256和网格部分238或主体部分204的外围区域。
图7和图8分别为横向于X轴线和Y轴线截取的目标组件200的截面图。如图所示，目标组件200处于可操作状态，其中主体部分202、204、206、目标插入件220和网格部分225相对于彼此沿Z轴线堆叠并固定到彼此。应当理解，图中所示的目标主体201是可如何构造和组装目标主体的一个具体示例。还设想了包括可操作特征(例如，网格部分)的其他目标主体设计。
目标主体201包括一系列腔或空隙，粒子光束P延伸穿过这些腔或空隙。例如，目标主体201包括产生室218和光束通道221。产生室218被配置为在操作期间保持目标材料(未示出)。目标材料可通过例如第一材料端口214流入和流出产生室218。产生室218被定位成接收被引导通过光束通道221的粒子光束P。粒子光束P从粒子加速器(未示出)诸如粒子加速器102(图1)接收，该粒子加速器在示例性实施方案中为回旋加速器。
光束通道221包括从通道开口219延伸到前片240的第一通道段(或前通道段)260。光束通道221还包括在前片240和目标片228之间延伸的第二通道段(或后通道段)262。为了进行示意性的说明，前片240和目标片228已被加厚以便于识别。网格部分225定位在第一通道段260的末端。网格部分238限定了整个第二通道段262。在例示的实施方案中，网格部分238为主体部分204的整体部分，并且网格部分225是夹置在主体部分202和主体部分204之间的独立且离散的元件。
因此，目标主体201的网格部分225、238设置在光束通道221中。如图7所示，网格部分225具有前侧面270和后侧面272。网格部分238还具有前侧面274和后侧面276。网格部分225的后侧面272和网格段238的前侧面274彼此邻接，两者间有界面280。网格部分238的后侧面276面向产生室218。在例示的实施方案中，网格部分238的后侧面276接合目标片228。前片240定位在界面280处的网格部分225、238之间。
同样如图7所示，网格部分225具有径向表面281，该径向表面围绕光束通道221并限定光束通道221的一部分的轮廓。该轮廓平行于由X轴线和Y轴线限定的平面延伸。网格部分238具有径向表面283，该径向表面围绕光束通道221并限定光束通道221的一部分的轮廓。该轮廓平行于由X轴线和Y轴线限定的平面延伸。在例示的实施方案中，径向表面283不含流体地耦接到目标主体的通道的端口。更具体地讲，在一些实施方案中，第二通道段262可不具有通过其泵送的用于冷却目标片228和前片240的强制流体。然而，在另选的实施方案中，冷却介质可被泵送穿过其中。然而，在其他实施方案中，可使用端口来排空第二通道段262。
网格部分225、238具有相应的内壁282、284，所述内壁限定穿过其中的网格通道286、288。网格部分225、238的内壁282、284分别与前片240的相对侧面接合。网格部分238的内壁284接合目标片228和前片240。网格部分225的内壁282仅接合前片240。前片240和目标片228横向于粒子光束P的光束路径取向。粒子光束P被配置为穿过网格通道286、288朝向产生室218。
在一些实施方案中，由内壁282形成的网格结构和由内壁284形成的网格结构是相同的，使得网格通道286、288彼此对齐。然而，实施方案不需要具有相同的网格结构。例如，网格部分225可不包括内壁282中的一个或多个，并且/或者内壁282中的一个或多个可不与对应的内壁284对齐，或者反之亦然。此外，设想内壁282和内壁284在其他实施方案中可具有不同的尺寸。
任选地，前片240被配置为在粒子光束P入射到前片240上时显著降低粒子光束P的能级。更具体地讲，粒子光束P可在第一通道段260中具有第一能级并且在第二通道段262中具有第二能级，其中第二能级基本上小于第一能级。例如，第二能级可比第一能级低5％以上(或为第一能级的95％或更低)。在某些实施方案中，第二能级可比第一能级低10％以上(或为第一能级的90％或更低)。然而，在更具体的实施方案中，第二能级可比第一能级低15％以上(或为第一能级的85％或更低)。然而，在更具体的实施方案中，第二能级可比第一能级低20％以上(或为第一能级的80％或更低)。以举例的方式，第一能级可为约18MeV，并且第二能级可为约14MeV。然而，应当理解，在其他实施方案中，第一能级可具有不同的值，而在其他实施方案中，第二能级可具有不同的值。
在其中前片240显著降低了粒子光束P的能级的此类实施方案中，前片240可被表征为降解片。降解片240可具有当粒子光束P穿过前片240时产生显著损失的厚度和/或组成。例如，前片240和目标片228可具有不同的组成和/或厚度。前片240可包括铝，并且目标片228可包括如本文所述的石墨烯。另选地，前片240也可包括石墨烯层。
在具体实施方案中，前片240和目标片228具有不同的厚度。例如，前片240的厚度可为至少0.10毫米(mm)(或100微米)。在具体实施方案中，前片240具有介于0.15mm和0.50mm之间的厚度。
在一些实施方案中，目标片228为剥离片160厚度的至少五倍(5X)，或者为剥离片160厚度的至少八倍(8X)。在具体实施方案中，目标片228为剥离片160厚度的至少十倍(10X)，为剥离片160厚度的至少十五倍(15X)，或者为剥离片160厚度的至少二十倍(20X)。
虽然在一些实施方案中，前片240可被表征为降解片，但在其他实施方案中，前片240可不为降解片。例如，前片240可不显著降低或仅名义上降低粒子光束P的能级。在这种情况下，前片240可具有与目标片228的特征相似的特征(例如，厚度和/或组成)。
前片240中的损失对应于在前片240内生成的热能。在前片240内生成的热能可被包括网格部分238的主体部分204吸收，并传送到冷却网络242，其中热能从目标主体201转移。
虽然当粒子光束入射到目标片228上时可在该目标片内生成一些热能，但当粒子光束P入射到目标材料上时，来自目标片228的大部分热能可在产生室218内生成。产生室218由目标插入件220的内表面266和目标片228限定。当粒子光束P与目标材料碰撞时，生成热能。这种热能可通过目标片228传送或转移到主体部分204中，并且被流经冷却网络242的冷却介质吸收。
在目标组件200的操作期间，不同的腔可经历不同的压力。例如，当粒子光束P入射到目标材料上时，第一通道段260可具有第一操作压力，第二通道段262可具有第二操作压力，并且产生室218可具有第三操作压力。第一通道段262与可被排空的粒子加速器流体连通。由于在产生室218内生成的热能和气泡，第三操作压力可能非常大。例如，压力可介于0.50和15.00兆帕(MPa)之间，或者更具体地讲，介于0.50和11.00MPa之间。此外，压力可快速上升和下降，使得目标片228经历取决于目标材料的高压爆裂。
在例示的实施方案中，第二操作压力可以是网格部分238的操作温度的函数。因此，第一操作压力可小于第二操作压力，并且第二操作压力可小于第三操作压力。
网格部分225、238被配置为与前片240的相对侧面紧密接合。此外，内壁282可防止第二通道段262和第一通道段260之间的压差将前片240移离内壁284。内壁284可防止介于产生室218和第二通道段262之间的压差将目标片228移动到第二通道段262中。产生室218中的较大压力迫使目标片228抵靠内壁284。因此，内壁284可紧密接合前片240和目标片228并从其吸收热能。同样如图7和图8所示，周围的主体部分204也可紧密接合前片240和目标片228并从其吸收热能。
在具体实施方案中，目标组件200被配置为生成同位素，该同位素被置于可能对粒子加速器有害的液体内。例如，用于生成68Ga同位素的原料可包括高酸性溶液。为了阻止该溶液的流动，前片240可完全覆盖光束通道221，使得第一通道段260和第二通道段262不是流体连通的。这样，不期望的酸性材料可能不会无意中从产生室218流出，流过第二通道段262和第一通道段260，并进入粒子加速器。为了降低这种可能性，前片240可更耐破裂。例如，前片240可包括具有更大结构完整性的材料(例如，铝)和减小破裂可能性的厚度。
在其他实施方案中，目标组件200不含目标片228，但包括前片240。在此类实施方案中，网格部分238可形成产生室的一部分。例如，目标材料可以是气体并且位于限定在前片240和腔222之间的产生室内。网格部分238可设置在产生室中。在此类实施方案中，在产生期间仅使用单个片(例如，前片240)，并且该单个片保持在两个网格部分225、238之间。
图9示出了生成放射性同位素的方法300。例如，方法300可采用本文所述的各种实施方案(例如，同位素产生系统、目标系统和/或方法)的结构或方面。该方法包括在302处将目标材料提供到目标主体或目标组件(诸如目标主体201或目标组件200)的产生室中。在一些实施方案中，目标材料为酸性溶液。在具体实施方案中，方法300被配置为通过水溶液中的68Zn(p,n)68反应生成68Ga。更具体地讲，方法300被配置为由硝酸中的68硝酸锌生成68Ga同位素。
然而，应当理解，不需要实施方案以生成68Ga同位素。多种目标材料可用于生成其他同位素。以举例的方式，放射性同位素产生系统可生成质子以制造液体形式的18F-同位素、CO2形式的11C同位素和NH3形式的13N同位素。用于制造这些同位素的目标材料可富含18O水、天然14N2气体、16O水。放射性同位素产生系统也可生成质子或氘核，以便产生15O气体(氧气、二氧化碳和一氧化碳)和15O标记的水。
在具体实施方案中，目标材料可以是天然的14N2气体，并且目标片可包括将石墨烯与产生室分离的室层。例如，室层可包括金、铌、钽、钛，包括上述中的一者或多者的合金，或用于预期应用的另一种惰性材料。室层可阻碍非活性碳从石墨烯层向产生室的流动。
目标主体具有光束通道，该光束通道接收粒子光束并允许粒子光束入射在目标材料上。目标主体还包括网格部分诸如网格部分238，其设置在光束通道中。网格部分238被配置为支撑包括石墨烯层的目标片。将目标片暴露于目标材料(例如，液体)。任选地，附加网格部分，诸如网格部分225设置在光束通道中。前片(例如，降解箔)可定位在两个网格部分之间。第一网格部分和第二网格部分中的每一者都具有前侧面和后侧面。第一网格部分的后侧面和第二网格部分的前侧面彼此邻接，两者间有界面。第二网格部分的后侧面面向产生室。
在另选的实施方案中，目标主体不包括用于支撑目标片的任何网格部分。在此类实施方案中，用产生室产生的压力可足够低，使得目标片可承受同位素产生期间的压力。另选地或除此之外，石墨烯层可具有指定的厚度和/或拉伸强度，使得目标片可承受同位素产生期间的压力。另选地或除此之外，附加层可定位成支撑石墨烯层。例如，Havar层可定位在目标片的后面，使得在同位素产生期间目标片定位在产生室和Havar层之间。
该方法还包括在304处将粒子光束引导到目标材料上。在一些实施方案中，同位素产生系统100使用1H-技术并以大约10-30μA的指定光束电流将带电粒子带到指定能量。粒子光束穿过任选的前片(例如，降解片或箔)并通过目标片进入产生室中。在一些实施方案中，前片可将粒子光束的能量降低至少10％。入射到目标材料上的粒子光束的能量可小于24MeV，小于18MeV，或小于8MeV。入射到目标材料上的粒子光束的能量可介于7MeV和24MeV之间。在具体实施方案中，入射到目标材料上的粒子光束的能量可介于12MeV和18MeV之间。在更具体的实施方案中，入射到目标材料上的粒子光束的能量可为约13MeV至约15MeV。然而，应当理解，粒子光束的能量可大于或小于上述值。例如，在一些实施方案中，粒子光束的能量可大于24MeV。
对于相同的同位素产生过程，与常规箔(例如，铝、Havar)相比，包括石墨烯层的目标片在同位素产生期间可导致目标片中较低的温度。因此，目标片可通过允许需要较低温度并且先前无法由目标系统执行的同位素产生过程来增强目标系统的能力。此外，与用于相同同位素产生过程的常规箔相比，包括石墨烯层的目标片可从粒子束吸收更少的能量。此外，与用于相同同位素产生过程的常规箔相比，包括石墨烯层的目标片可随着时间推移而变得活化程度较低。与用于相同同位素产生过程的常规箔相比，包括石墨烯层的目标片可对目标介质的污染更小。
本文所述的实施方案并非旨在限于生成用于医疗用途的放射性同位素，而是还可生成其他同位素并使用其他目标材料。此外，各种实施方案可结合具有不同取向(例如，垂直或水平取向)的不同种类的回旋加速器以及不同的加速器(诸如直线加速器或激光诱导加速器，而不是螺旋加速器)来实施。此外，本文所述的实施方案包括制造如上所述的同位素产生系统、目标系统和回旋加速器的方法。
本文所述的实施方案并非旨在限于生成用于医疗用途的放射性同位素，而是还可生成其他同位素并使用其他目标材料。此外，各种实施方案可结合具有不同取向(例如，垂直或水平取向)的不同种类的回旋加速器以及不同的加速器(诸如直线加速器或激光诱导加速器，而不是螺旋加速器)来实施。此外，本文所述的实施方案包括制造如上所述的同位素产生系统、目标系统和回旋加速器的方法。
应当理解，以上描述旨在是例示性的而非限制性的。例如，上述实施方案(和/或其各方面)可彼此组合使用。另外，在不脱离本发明主题的范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明主题的教导内容。本文所述的尺寸、材料类型、各种部件的取向以及各种部件的数量和位置旨在定义某些实施方案的参数，并且决不是限制性的而仅仅是示例性实施方案。在阅读以上描述后，在权利要求的实质和范围内的许多其他实施方案和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明主题的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在…中”用作相应术语“包含”和“其中”的通俗中文等同物。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求。此外，以下权利要求的限制不是用装置加功能格式书写的，也不旨在基于35U.S.C.§112(f)来解释，除非并且直到这些权利要求限制明确地使用短语“用于…的装置”，然后是没有其他结构的功能陈述。
该书面描述使用示例来公开各种实施方案，并且还使本领域普通技术人员能够实践各种实施方案，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。各种实施方案的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例旨在处于权利要求的范围内。
当结合附图阅读时，将更好地理解对本发明主题的某些实施方案的上述描述。就附图示出各种实施方案的功能块的图的范围而言，这些功能块不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如，功能块中的一个或多个(例如，处理器或存储器)可在单件硬件(例如，通用信号处理器、微控制器、随机存取存储器、硬盘等)中实现。类似地，程序可为独立的程序，可作为子例程结合在操作系统中，可为安装的软件包中的功能，等等。各种实施方案不限于附图中所示的布置和工具。

Claims (20)

1.一种目标组件，所述目标组件用于同位素产生系统，所述目标组件包括：
目标主体，所述目标主体具有产生室和与所述产生室相邻的光束腔，所述产生室被配置为保持目标材料，所述光束腔通向所述目标主体的外部并且被配置为接收入射在所述产生室上的粒子光束；和
目标片，所述目标片被定位成将所述光束腔和所述产生室分离，所述目标片具有暴露于所述产生室的侧面，使得所述目标片在同位素产生期间与所述目标材料接触，其中所述目标片包括石墨烯。
2.根据权利要求1所述的目标组件，其中所述目标片包括基本上由所述石墨烯组成的石墨烯层。
3.根据权利要求2所述的目标组件，其中所述目标片还包括相对于所述石墨烯层堆叠的室层，所述室层被定位在所述石墨烯层和所述产生室之间并且暴露于所述产生室，使得所述目标材料在同位素产生期间与所述室层接触。
4.根据权利要求3所述的目标组件，其中所述室层不含在被所述粒子光束激活时产生长寿命同位素的材料。
5.根据权利要求3所述的目标组件，其中所述室层包含金、铌、钽、钛或者包括上述中的一者或多者的合金。
6.根据权利要求1所述的目标组件，其中所述目标片具有至少20微米的厚度。
7.根据权利要求1所述的目标组件，其中所述目标片包括基本上由石墨烯组成的石墨烯层，所述石墨烯层具有至少20微米的厚度。
8.根据权利要求1所述的目标组件，其中所述目标主体包括网格部分，所述网格部分设置在所述光束通道中，所述网格部分具有与所述目标片的前侧面相接的后侧面，所述网格部分支撑所述目标片以降低由所述产生室内压力升高而破裂的可能性。
9.一种同位素产生系统，包括：
粒子加速器，所述粒子加速器被配置为生成粒子光束；和
目标组件，所述目标组件包括目标主体，所述目标主体具有产生室和与所述产生室相邻的光束腔，所述产生室被配置为保持目标液体，所述光束腔通向所述目标主体的外部并且被配置为接收入射在所述产生室上的粒子光束，所述目标组件还包括目标片，所述目标片被定位成将所述光束腔和所述产生室分离，所述目标片具有暴露于所述产生室的侧面，使得所述目标材料在同位素产生期间与所述目标片接触，其中所述目标片包括石墨烯。
10.根据权利要求9所述的同位素产生系统，其中所述目标片包括基本上由石墨烯组成的石墨烯层。
11.根据权利要求10所述的同位素产生系统，其中所述目标片还包括相对于所述石墨烯层堆叠的室层，所述室层定位在所述石墨烯层和所述产生室之间并且暴露于所述产生室，使得所述目标材料在同位素产生期间与所述室层接触。
12.根据权利要求11所述的同位素产生系统，其中所述室层不含在被所述粒子光束激活时产生长寿命同位素的材料。
13.根据权利要求11所述的同位素产生系统，其中所述目标片具有至少20微米的厚度。
14.根据权利要求11所述的同位素产生系统，其中所述目标主体包括网格部分，所述网格部分设置在所述光束通道中，所述网格部分具有与所述目标片的前侧面相接的后侧面，所述网格部分支撑所述目标片以降低由所述产生室内压力升高而破裂的可能性。
15.根据权利要求9所述的同位素产生系统，还包括流体控制系统，所述流体控制系统被配置为使硝酸中的68硝酸锌流入所述产生室。
16.一种生成放射性同位素的方法，所述方法包括：
将目标材料提供到目标组件的产生室中，所述目标组件具有产生室和与所述产生室相邻的光束腔，所述产生室被配置为保持目标液体，所述光束腔被配置为接收入射在所述产生室上的粒子光束，所述目标组件还包括目标片，所述目标片被定位成将所述光束腔和所述产生室分离，所述目标片具有暴露于所述产生室的侧面，使得所述目标材料在同位素产生期间与所述目标片接触，其中所述目标片包括石墨烯；以及
将所述粒子光束引导到所述目标材料上，所述粒子光束穿过所述目标片入射到所述目标材料上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述目标材料包括硝酸中的68硝酸锌，所述石墨烯层暴露于所述目标材料，使得所述目标材料在同位素产生期间与所述石墨烯层接触。
18.根据权利要求17所述的方法，其中入射到所述目标材料上的所述粒子光束的能量介于7MeV和24MeV之间。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述目标材料包括天然的14N2气体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述目标片包括室层，所述室层设置在所述产生室和所述石墨烯层之间，所述室层阻碍非活性碳从所述石墨烯层向所述产生室的流动。
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