CN110089201A - 用于产生放射性同位素的气体靶系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及气体靶系统(100)，具有：主体(110)，主体具有截锥形的腔室；冷却回路，其具有至少一个导道，导道围绕腔室的至少一部分；窗部，其面对腔室的入口定位以封闭腔室，窗部具有薄板和支承格栅，所述薄板是可透粒子加速器发射的粒子束的至少一部分的，所述支承格栅配置成承受腔室内部与气体靶系统(100)外部之间的压差，薄板定位在支承格栅与腔室(120)之间；以及法兰支承件(160)，其保持窗部，密封地固定在主体上，具有用于紧固到粒子加速器(170)出口的机械紧固界面。

Description

用于产生放射性同位素的气体靶系统

技术领域

本申请涉及通过用带电粒子束、特别是高能即至少1兆电子伏(MeV)的粒子束辐照压力下的气态靶流体来产生放射性同位素的靶系统。

背景技术

例如在核医学中，正电子放射断层照相是一种需要正电子放射的放射性同位素或者由这些相同的放射性同位素示踪的分子的成像技术。

为了产生放射性同位素，靶系统安装在粒子加速器输出端。

靶系统例如具有一个或多个待辐照靶。每个靶具有一种放射性同位素前体，当前体被辐照时，该前体可产生相应的放射性同位素。因此，靶系统安装在粒子加速器输出端，靶位于加速器发射的粒子束的轴线上。因此，粒子加速器产生的粒子束可辐照靶系统的靶以产生放射性同位素。

但是，现有技术中的靶系统具有不同的缺陷。

发明内容

本申请的主题旨在提出一种改进型的气体靶系统，其还带来其他优点。

为此首先提出一种气体靶系统，具有：

-主体，主体具有：

--腔室，腔室配置成容纳待用粒子加速器发射的粒子束辐照的靶气体，所述腔室至少具有截锥形区段、封闭截锥形区段的大底的基部、以及开口，所述开口相对于截锥形区段与基部对置，开口形成入口以便粒子束的至少一部分进入腔室中；

-冷却回路，冷却回路具有至少一个导道，导道具有入口和出口并围绕腔室的至少一部分，导道定位成尽量靠近由粒子束与腔室中容纳的气体相互作用而加热的部分，即例如腔室一表面和下述窗部；

-窗部，窗部面对腔室的入口定位以封闭腔室，窗部是可透质子的，以允许粒子加速器发射的粒子束的质子引入腔室中，窗部具有薄板和支承格栅，所述薄板是可透粒子加速器发射的粒子束的至少一部分的，所述支承格栅配置成承受腔室内部与气体靶系统外部之间的压差，薄板定位在支承格栅与腔室之间；以及

-法兰支承件，法兰支承件保持窗部，密封地固定在主体上，具有用于紧固到粒子加速器输出端的机械紧固界面；法兰支承件还配置成密封地封闭腔室，以及至少一方面确保气体靶系统外部空气与在冷却回路中循环的冷却流体之间的密封性，而另一方面确保粒子加速器的粒子束线路中形成的真空与腔室中容纳的压力下的靶气体之间的密封性。

因此，具有这种接纳靶气体的腔室并借助于这种冷却回路进行充分冷却的这种产生气态放射性同位素的靶系统，允许在较为紧凑的空间中在所述靶气体与入射质子之间进行所需的核反应。

特别是，冷却回路例如是用于同时冷却腔室和至少窗部薄板的唯一回路。

这种用于产生放射性同位素的气体靶系统还允许更稳定地产生放射性同位素，可使用比通常更大的压力，借助于改进型冷却回路尤其如此。

腔室的长度，即腔室基部与入口之间的距离，于是可以缩短，同时具有考虑到质子束在与靶气体碰撞时的散射现象的“倒圆锥”形状。

但是，长度的这种缩短取决于压差。在一实施例中，通过使该长度缩短一半，即长度例如从约180毫米变成约90毫米，压力例如可以加倍。

因此，系统比起现有技术的系统紧凑性提高，从而能增加辐射防护设备的效率，因为其可使这些设备定位成尽量靠近核反应区，必要时对于相同外部体积增大这些设备构成材料的厚度。

在一实施例中，靶系统是用粒子加速器发射的带电粒子束辐照靶气体来产生放射性同位素¹¹C的靶系统。

优选地，腔室配置成具有压力下的靶气体，所述压力为约15巴(1.5兆帕)至约50巴(5兆帕)之间，乃至约20巴(2兆帕)至约50巴之间，甚至约40巴(4兆帕)至约50巴之间。

至少40巴的靶气体压力例如可显著减小阻留粒子束所需的腔室深度。

在一实施例中，腔室的靶气体具有至少一种放射性同位素¹¹C(碳11)前体。

优选地，所述至少一种放射性同位素¹¹C前体具有氮气体(¹⁴N)。

根据一特别有利的实施例，窗部具有钎焊装配件，其由薄板和支承格栅组成，薄板定位在腔室入口，可使带电粒子进入腔室，支承格栅开有孔，用作薄板的结构支承件，配置成承受在系统使用期间在窗部两侧产生的压差，即在粒子加速器的真空与充填腔室的气体的压力之间的压差。

支承格栅例如具有等距离的孔口和/或六边形的开口例如蜂窝状开口。

支承格栅的空隙/材料面积比例如为约70％至约90％之间，优选为约72％至约85％之间。

支承格栅例如用钨或者氮化铝制成。

支承格栅的厚度例如为约1毫米至约3毫米。

薄板厚度小，即例如根据选用的材料，薄板厚度等于或小于100微米，甚至80微米，甚至30微米，甚至20微米。

薄板例如用钨制成；于是其厚度例如为约20微米至约30微米之间。

根据另一实施例，薄板用CVD(“Chemical Vapor Deposition”)合成金刚石制成，即用通过化学气相淀积工艺获得的合成金刚石制成；于是其厚度例如为约70微米至约80微米之间。

例如，冷却回路的导道在主体的壁中形成。

在一优先实施例中，冷却回路的导道具有至少一个螺旋形部分，螺旋形部分围绕腔室的至少一部分。

例如，螺旋形部分从导道的入口起延伸，围绕腔室的至少一部分直至腔室的基部，然后又从基部起围绕腔室的至少一部分直至导道的出口。

在一实施例中，主体具有前表面，前表面形成窗部的薄板的至少一部分用的支承面。

在一特殊实施例中，导道的入口和出口同时通到主体的前表面。

在一有利的实施例中，主体具有凹槽，凹槽开在主体的前表面中，凹槽至少部分地围绕腔室的入口；凹槽形成冷却回路的一部分。

因此，在辐照腔室中容纳的靶气体的过程中，冷却回路允许不仅限制腔室中容纳的靶气体变热，而且也限制窗部变热。

例如，导道的入口和出口通到凹槽中。

冷却回路例如是非低温的回路。其例如含有在回路中循环的冷却液体例如冷却水。

例如，冷却回路例如在腔室开口附近具有冷却流体进口。

在一实施例中，冷却流体进口具有与导道连通的管。

例如，冷却流体进口配置成使冷却流体一方面在围绕配置成容纳待辐照气体的腔室的导道的螺旋形部分中循环，另一方面在面对窗部周边就位的凹槽中循环。

在另一实施例中，冷却回路也具有冷却流体排出口。

冷却流体排出口例如定位在冷却流体进口旁侧。

在一优先实施例中，冷却流体进口和/或排出口在凹槽和导道的螺旋形部分之间与导道连通。

优选地，主体前表面正交于腔室的截锥形区段的中央的中轴线和/或粒子加速器发射的粒子束的扩散轴线。

法兰支承件形成机械连接界面，例如通过密封圈例如O形密封圈的压缩，允许同时保持窗部以及在冷却液体、环境空气、(粒子加速器的)二次真空与(腔室的)靶气体之间界面的密封性。

密封圈例如定位在法兰支承件的一表面与主体的相应表面之间。

在一特殊实施例中，法兰支承件的用于紧固到粒子加速器输出端的机械紧固界面配置成保持粒子束线路真空的密封性。

用于紧固到粒子加速器输出端的机械紧固界面例如具有环和密封圈例如O形密封圈。环和密封圈例如保持在法兰支承件中。

在一特别有利的实施例中，窗部插置在主体与法兰支承件之间，例如，法兰支承件用螺钉固定在主体上。这允许易于拆卸和/或重装窗部，以例如通过固紧螺钉例如四个螺钉简单地拧松和/或拧紧法兰支承件的至少一部分来替换窗部。

例如，主体前表面具有密封圈，例如O形密封圈，和/或法兰支承件具有密封圈，例如O形密封圈，其可面对主体前表面的密封圈就位。

必要时，至少薄板被楔紧、压紧在主体的密封圈与法兰支承件的密封圈之间。

当系统安装在粒子加速器上时，这例如可有利于冷却回路、靶气体与粒子加速器侧真空之间的密封性。

在一实施例中，主体具有通道，通道穿过腔室基部通到腔室中，通道配置成向腔室填充气体以及从腔室排空所述气体。

在另一实施例中，腔室基部具有凹形表面。表面例如呈凹圆形。

在一特别有利的实施例中，主体用铝合金AS7G6制成。

在另一特别有利的实施例中，主体用增材制造工艺、例如选择性激光熔化(SLM工艺：Selective Laser Melting)制成。

因此特别易于使冷却回路集成于主体壁中，例如至少冷却流体循环导道的最靠近窗部和/或主体内表面(即腔室壁)的一些部分中，和/或易于改变管的形状例如在圆形截面与矩形截面之间改变，以使热交换最佳化。

例如，靶系统可内接在约为50x63x120毫米的最大体积中。

附图说明

根据一实施例，本发明将清楚地得以理解，通过阅读参照附图以说明性和非限制性方式给出的以下详细描述，其优点将更好地体现出来，附图中：

图1以透视图示出根据本发明的一实施例的靶系统，

图2是图1所示系统的沿竖直平面(未示出)的剖面图，

图3是图1和2所示系统的分解图，以及

图4对于图1至3所示系统的应用例，示出由数字模拟获得的以摄氏度(℃)为单位的温度场(靶变热)的一例子。

具体实施方式

前述附图中所示的相同的构件以相同的数字标号标示。

图1至4示出根据本发明的一实施例的气体靶系统100。

参照图1和2，这里，气体靶系统100具有：

-主体110，主体具有：

--腔室120，腔室配置成容纳待用粒子加速器(未示出)发射的粒子束F辐照的靶气体，所述腔室120至少具有截锥形区段121、封闭截锥形区段121的大底的基部122、以及开口112，所述开口相对于截锥形区段121与基部122相对，开口形成入口以便粒子束F的至少一部分进入腔室120中；

-冷却回路130，冷却回路具有至少一个导道140，导道具有入口141和出口142并围绕腔室120的至少一部分；

-窗部150，窗部面对腔室120的入口112定位以封闭腔室，窗部是可透质子的，以允许粒子加速器发射的粒子束F的质子引入腔室中，窗部150具有薄板151和支承格栅152，所述薄板是可透粒子加速器发射的粒子束F的至少一部分的，所述支承格栅152配置成承受腔室120内部与气体靶系统100外部之间的压差，薄板151定位在支承格栅152与腔室120之间；以及

-法兰支承件160，法兰支承件保持窗部150，密封地固定在主体110上，具有用于紧固到粒子加速器170输出端的机械紧固界面；法兰支承件160还配置成例如借助下述专用的法兰180密封地封闭腔室120，以及至少一方面确保气体靶系统外部空气与在冷却回路130中循环的冷却流体之间的密封性，而另一方面确保粒子加速器的粒子束线路中形成的真空与腔室120中容纳的压力下的靶气体之间的密封性。

这种气体靶系统结构特别紧凑，如图中能看出这点。

这种系统尤其用于产生放射性同位素，例如¹¹C。

主体例如是整体件。

例如，主体用铝合金AS7G6制成，特别是用增材制造工艺、例如选择性激光熔化(SLM工艺：Selective Laser Melting)制成，从而允许同时制造其具有的腔室120以及冷却回路，有利地，冷却回路在主体的壁内部形成，如后所述。

实际上，主体110这里具有壁111。

壁111限定腔室120，这里另外，壁在其厚度中还具有冷却回路的至少一部分。

在前部，这里在附图中的左部，主体110具有法兰180，该法兰具有前表面181。

在本实施例中，法兰180尤其具有凸柱，凸柱具有前表面181和限定凸柱周廓的周边表面，这里周边表面正交于前表面181。

这里，法兰180的截面基本上呈四边形，乃至方形，如图3更清楚所示的。

法兰180这里具有四个孔185。每个孔185这里接纳一螺栓186，螺栓可使主体110与法兰支承件160装配在一起。

从前表面181起，主体具有开口112，腔室120从该开口延伸。

主体110具有凹槽182，这里凹槽构成冷却回路的一部分，该凹槽围绕开口112的至少一部分，开在前表面181中。但是，凹槽182优选具有环形形状，环绕开口112。

因此，凹槽182允许冷却窗部150，窗部的薄板151的至少一部分这里抵靠地连接到前表面181上，如后所述。

在本实施例中，导道140的入口141和出口142通到凹槽182，这也是为什么图2中该入口和出口共同指示出。

另外，这里，在凹槽182与开口112之间，主体还具有沟槽183，沟槽183开在前表面181中，接纳密封圈184。密封圈184这里用于窗部150的薄板151的支承，从而有助于形成密封连接。

最后，这里，法兰180还具有冷却流体进口187和排出口188，分别用于冷却液体进入冷却回路130和从冷却回路130排出。

在所示的实施例中，进口187和排出口188当然是随意示出，显然可以相对于彼此颠倒顺序。

这里，进口和排出口例如具有带相应软管的接合部。

进口187和/或排出口188例如具有管，其与导道连通，附图未示出。

特别是，进口187和排出口188这里在入口141和出口142之后与导道140连通，这里，入口141和出口142通到凹槽182(这里，“之后”应理解为是相对于粒子束F引入腔室中而言的)。

根据另一实施例，入口141和进口187重合，和/或出口142和排出口188重合。

从法兰180起，主体110然后具有主要部分190，该主要部分具有腔室120的绝大部分。主要部分190例如呈圆柱形，或者这里尤其是截锥形部分，截锥形部分至少具有腔室120的截锥形区段121。

因此，主体110的截锥形的主要部分190从法兰180起扩大，如同腔室120从主体的开口112起扩大，开口112也形成腔室120的入口开口112。

因此，圆形的开口112的直径小于腔室的截锥形区段121的整个圆形截面的直径。

因此，在工作时，粒子束F可经开口112引入腔室120中以辐照腔室容纳的气体。

最后，主体由基部191封闭，基部191具有腔室120的基部122。

腔室120的基部122例如是凹圆形表面，例如呈圆顶形状。

因此，从开口112开始，腔室具有水滴形状。腔室截面从开口112起增大直至基部122(在基部处，其截面因其圆形形状而缩小)。

主体110的基部191还具有专用的通道，该通道穿过主体壁，通到腔室120中。气体靶系统100具有连接端头192，例如传统1/16"连接件，其引入该专用的通道中，可向腔室120填注靶气体或从腔室排空靶气体。

如前所述，腔室120在主体110内部形成，由壁111围绕。

在主体110的壁111中，主要在壁111的围绕腔室120的部分中，这里，主体110具有冷却回路130的导道140。

这里，导道140具有螺旋形部分，螺旋形部分从主体的法兰180开始，然后向主体后部延伸直至主体的基部191中，以回到主体的前部，即又回到法兰180处。导道140在螺旋形部分直至这里通到主体110法兰180的凹槽182中的入口141及出口142之间继续。

这里，导道140通过进口187和排出口188被供给冷却流体，进口187和排出口188在一方面主体的前表面181处的导道140入口141和出口142、另一方面导道140的螺旋形部分之间与导道连通。

因此，导道140围绕腔室120，定位成尽量靠近由于粒子束F与腔室120中容纳的气体相互作用而加热的部分，即尤其是腔室表面(即主体内表面)和窗部150。

如前所述，气体靶系统100还具有窗部150，窗部具有薄板151和支承格栅152。

窗部可同时使质子进入腔室并借助于如后所述的法兰支承件160密封封闭腔室。

为便于窗部150定位，前表面181可能具有凹空部，窗部150可能布置在凹空部中。

优选地，窗部借助于下述法兰支承件160保持在主体110上，法兰支承件有助于使窗部抵靠到主体的前表面181上，通过在界面使用密封圈而可确保空气/二次真空/冷却流体/靶气体的密封性。

支承格栅152可保持薄板151，以便承受系统100使用时处于二次真空之下(支承格栅侧)的粒子束F的入射部分与处于例如20至50巴之间的气体压力之下的腔室120(薄板侧)之间的压差。

薄板151定位在支承格栅152与主体110的前表面181之间。这里，薄板151覆盖前表面181的至少一部分，特别是至少覆盖凹槽182，以便薄板能够由与腔室120的冷却回路相同的冷却回路130进行冷却，其中该凹槽至少部分地围绕腔室120的开口112。

因此，这里，薄板同时覆盖开口112、凹槽182并抵靠在位于开口112与凹槽182之间的密封圈184上。

支承格栅152例如用钨或者氮化铝制成，其厚度例如为约1毫米至约3毫米之间。

支承格栅152例如具有圆形或六边形的孔口。

薄板151厚度小，即其厚度等于或小于100微米。

例如，对于用钨制成的薄板，其厚度例如为约20微米至约30微米之间；而对于用CVD积合成金刚石制成的薄板，其厚度例如为约70微米至约80微米之间。

最后，气体靶系统100具有法兰支承件160。

法兰支承件160例如是整块件，这里，其截面基本上呈四边形，特别是方形。

这里，法兰支承件具有孔161，这些孔面对法兰180的孔185，用于接纳螺栓186，螺栓有助于使法兰支承件160紧固于主体的法兰180。

法兰支承件160具有沟槽162，沟槽162开在法兰支承件160的后表面中，接纳密封圈163。

因此，在本实施例中，法兰支承件160的密封圈163面对主体110的密封圈184。因此，窗部150被卡紧、楔紧在法兰支承件160的密封圈163与主体110的密封圈184之间。

为了进一步确保冷却回路的密封性，法兰支承件160还具有沟槽164，沟槽164接纳密封圈165。

这里，沟槽164开在周边壁中，这里，周边壁正交于法兰支承件160的后表面，该后表面凹陷地形成于法兰支承件160中。因此，密封圈165围绕法兰支承件160的后表面。

因此，法兰支承件160的周边壁与主体110的法兰180的凸柱的周边表面配合。

因此，密封圈165定位在法兰支承件160的后表面的周边壁与主体110的法兰180的凸柱的周边表面之间。

因此还可考虑密封圈165环绕、紧围主体110的法兰180的凸柱。

因此，法兰支承件160的密封圈163和165布置在主体的法兰180的凹槽182的两侧。

因此，法兰支承件160配置成例如通过与主体110的法兰180配合，而密封封闭腔室120，至少一方面确保靶系统外部空气与在冷却回路130中循环的冷却流体之间的密封性，另一方面确保系统100使用时粒子加速器的粒子束线路中形成的真空与容纳于腔室120中的压力下的靶气体之间的密封性。

最后，法兰支承件160具有用于紧固在粒子加速器170输出端的机械紧固界面。

在本实施例中，用于紧固在粒子加速器170输出端的机械紧固界面这里至少具有环171和O形密封圈172。

特别是，环171和O形密封圈172这里嵌接在法兰支承件160中。

为此，法兰支承件160在前表面具有凹槽166，该凹槽限定中央柱167。

环171被压入凹槽166中，O形密封圈172紧围中央柱167。

最后，法兰支承件160例如具有电子靶识别编码中心168，其例如是电子构件，配置成识别靶。

这里，电子靶识别编码中心168插置在为此而布置在法兰支承件160的前表面的一角的槽座中，例如由可拆卸的固定件例如螺钉固连于此。

图4允许观察到：在工作中，前述气体靶系统100在窗部150处具有低于515℃、尤其是约为478-512℃的最大发热量，而系统100的外表面、外壳保持在低于约85℃，特别是约51℃至约84℃之间的温度。至于腔室120的一表面，该表面则由冷却系统保持在低于约249℃、甚至低于约200℃的温度。

Claims (15)

1.一种气体靶系统(100)，具有：

-主体(110)，主体具有：

--腔室(120)，腔室配置成容纳待用粒子加速器发射的粒子束(F)辐照的靶气体，所述腔室(120)至少具有截锥形区段(121)、封闭截锥形区段的大底的基部(122)、以及开口(112)，所述开口相对于截锥形区段与基部对置，开口形成入口以便粒子束的至少一部分进入腔室中；

-冷却回路(130)，冷却回路具有至少一个导道(140)，导道具有入口(141)和出口(142)并围绕腔室(120)的至少一部分；

-窗部(150)，窗部面对腔室的入口定位以封闭腔室，窗部是可透质子的，以允许粒子加速器发射的粒子束(F)的质子引入腔室中，窗部具有薄板(151)和支承格栅(152)，所述薄板是可透粒子加速器发射的粒子束(F)的至少一部分的，所述支承格栅(152)配置成承受腔室内部与气体靶系统外部之间的压差，薄板(151)定位在支承格栅(152)与腔室(120)之间；以及

-法兰支承件(160)，法兰支承件保持窗部(150)，密封地固定在主体(110)上，具有用于紧固到粒子加速器(170)输出端的机械紧固界面；法兰支承件(160)还配置成密封地封闭腔室(120)，以及至少一方面确保气体靶系统外部空气与在冷却回路(130)中循环的冷却流体之间的密封性，而另一方面确保粒子加速器的粒子束线路中形成的真空与腔室(120)中容纳的压力下的靶气体之间的密封性。

2.根据权利要求1所述的气体靶系统(100)，其特征在于，冷却回路的导道(140)在主体的壁(111)中形成。

3.根据权利要求1或2所述的气体靶系统(100)，其特征在于，冷却回路的导道(140)具有至少一个螺旋形部分，螺旋形部分围绕腔室(120)的至少一部分。

4.根据权利要求3所述的气体靶系统(100)，其特征在于，螺旋形部分从导道的入口(141)起延伸，围绕腔室(120)的至少一部分直至腔室的基部(122)，然后又从基部(122)起围绕腔室(120)的至少一部分直至导道的出口(142)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，支承格栅(152)的空隙/材料面积比为约70％至约90％之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，支承格栅(152)用钨或者氮化铝制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，支承格栅(152)的厚度为约1毫米至约3毫米之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，薄板(151)的厚度等于或小于100微米，甚至80微米、甚至30微米、又甚至20微米。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，薄板(151)用钨或者合成金刚石制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，主体(110)具有前表面(181)，前表面形成窗部(150)的薄板(151)的至少一部分用的支承面。

11.根据权利要求10所述的气体靶系统(100)，其特征在于，主体(110)具有凹槽(182)，凹槽开在前表面(181)中，凹槽至少部分地围绕腔室的入口；凹槽(182)形成冷却回路(130)的一部分。

12.根据权利要求11所述的气体靶系统(100)，其特征在于，导道(140)的入口(141)和出口(142)同时通到凹槽(182)。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，窗部(150)插置在主体(110)与法兰支承件(160)之间。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，腔室的基部(122)具有凹形表面。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的气体靶系统(100)，其特征在于，主体用铝合金AS7G6和/或用增材制造工艺制成。