CN111105888A - 一种基于电子加速器和89y2o3生产90y的系统及方法 - Google Patents

一种基于电子加速器和89y2o3生产90y的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统及生产方法，其包括电子产生段、电子加速段、电子‑光子转换部、光子‑中子转换部、中子整形慢化部、靶辐照部、第一冷却部、第二冷却部、第三冷却部和收集部。本发明提出一种新型的基于电子加速器的90Y的生产方式，避免了现有生产方式的不足，提高了90Y生产的便携性与安全性。

Description

一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统及方法
技术领域
本发明属于核技术应用领域，尤其涉及一种基于电子加速器的90Y生产系统。
背景技术
90Y是一种重要的医用放射性核素，在肿瘤的放射性免疫治疗(Radioimmunotheragy,RIT)中具有广阔的应用前景。它具有适当的物理半衰期(T＝64.0h),发射纯β﹣粒子；高β能量(最大能量2.3MeV，平均能量0.93MeV)；平均组织射程2.5mm，最大为11.9mm，以细胞直径20um计算，可杀死150-200个细胞直径范围内的细胞，在500-600个细胞直径范围内有杀伤作用，且衰变的字子体90Zr稳定无毒。
90Y有两种生产方法：一种是在反应堆中利用中子辐照高纯的89Y2O3靶生产90Y。反应堆辐照生产90Y是利用89Y(n,γ)90Y反应，将89Y2O3制成靶在反应堆中辐照生成90Y。采用这种方法的缺点是无法满足远离反应堆的地方对90Y的需求，所得到的90Y比活度较低，不能直接用于放射性免疫治疗。另外一种是从90Sr的衰变平衡体系中分离出90Y。90Sr是235U的裂变产物，裂变产额约为5.772％。从90Sr衰变平衡体系中分离90Y操作比较简单，无需中子源，能够在远离反应堆的地方生产，所得的90Y比活度较高，但是这种方法在分离过程中将不可避免地带来少量高毒性的90Sr的玷污，对人体造成伤害。
专利CN108028086A提出一种基于电子加速器的90Y生产方式，是通过电子束流轰击高原子序数物质，产生光中子，光中子进一步与天然锆或浓缩锆材料相互作用产生90Y，通过90Zr(n，p)90Y反应产生90Y，但是天然锆中90Zr的含量只有51.45％，采用中子直接轰击天然锆或浓缩锆材料会造成90Y的产率不高，若对91Zr进行提取，则会增加生产的成本与设备复杂度。
因此，有必要提出一种高效率的90Y生产方式，能够在远离反应堆的地方生产高活度、不含有毒物质的90Y。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提供一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统及方法，能够克服现有的90Y生产方式的不足，在远离反应堆的地方生产活度高、安全性高的90Y，用于放射性免疫治疗。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其包括以下结构：
电子产生段，用于产生电子；
电子加速段，用于对电子束进行加速和运输；
电子-光子转换部，用于接收电子加速段传输的电子束流并将其转化为轫致辐射光子；
光子-中子转换部，用于接收电子-光子转换部产生的轫致辐射光子并将其转化成中子；
中子整形慢化部，用于接收光子-中子转换部的中子并整形慢化成1MeV以下中子；
靶辐照部，接收中子整形慢化部的1MeV以下中子并轰击靶座，其中靶座内容纳1个或多个89Y2O3靶盘；
第一冷却部，与电子-光子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却电子-光子转换部；
第二冷却部，与光子-中子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却光子-中子转化部；
第三冷却部，与靶辐照部密封连接，使用冷却液循环冷却靶辐照部；
收集部，与靶辐照部连接，收集靶辐照部产生的90Y。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：电子产生段产生的电子能量在9MeV以下。当电子能量大于9MeV时，电子轰击重金属靶在产生韧致辐射光子的同时也会产生较多的中子，从而导致韧致辐射光子的不纯，中子会与光中子靶会反应产生别的杂质粒子，为了尽可能提高韧致辐射光子的纯度，因此，本发明将电子的能量控制在9MeV以下。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述电子加速段包括加速通道、微波功率源、真空设备和束流导引聚焦系统，所述加速通道与电子产生段连接，所述真空设备、微波功率源与束流导引聚焦系统分别与加速通道连接。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述加速通道为一种金属管道，用来运输电子束流。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述真空设备是用于加速通道抽真空与监测加速通道真空状态的设备。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述导引聚焦系统，是用一定形态的电磁场来引导并约束加速通道中的电子，使之沿着预定的轨道受加速电场的加速。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述导引聚焦系统为圆形加速器的主导磁场或四极透镜场。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：所述微波功率源为磁控管或者速调管，用于在加速通道中提供特定频率的微波，从而实现对电子的加速。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：电子-光子转换部为钨靶、金靶或者钽靶中的一种或多种。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：光子-中子转换部将光子转换成中子；光子-中子转换部的材料为Be、重水、BeD2、贫化铀中的一种或多种。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：中子慢化整形部包括光中子通道、中子慢化层、中子反射层、中子准直层和光子过滤层，所述中子慢化层设置在光中子通道四周，所述中子反射层设置在中子慢化层四周，所述光子过滤层设置在光中子通道和中子准直层之间，中子准直层设置在光中子通道出口。
根据本发明所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其进一步地优选技术方案是：靶辐照部包含1个或多个89Y2O3靶盘，其中89Y2O3与中子相互作用产生90Y。
基于上述系统，本发明还提供了采用上述系统产生90Y的方法，其包括：
产生电子；
接收电子束流并将其转化为轫致辐射光子；
接收轫致辐射光子并将其转化成中子；
用于中子并整形慢化成1MeV以下中子；
接收上述1MeV以下的中子并轰击89Y2O3靶盘，相互作用产生90Y。
本申请相比现有技术的有益效果是:
90Y的生产可以通过反应89Y(n，γ)90Y来实现，而在自然界中Y元素的成分百分之百是89Y，若采用89Y材料作为靶材，则中子能够与89Y充分反应，提高90Y的生产效率，通过电子加速器与89Y材料结合成产90Y，既能克服反应堆生产90Y的众多缺点，同时能够克服专利CN108028086A中靶材不纯、提取困难的不足。
基于此，本发明提出了一种基于电子加速器的90Y生产方式，能够克服现有的90Y生产方式的不足，在远离反应堆的地方生产活度高、安全性高、生产效率高的90Y，用于放射性免疫治疗。
本发明提供了一种基于电子加速器的90Y生产系统，能够克服现有的90Y生产方式的不足，在远离反应堆的地方生产活度高、安全性高的90Y，用于放射性免疫治疗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明系统原理框图。
图2是电子加速段的基本结构
图3轫致辐射原理。
图4是中子转换过程示意图。
图5是中子慢化整形装置的示意图。
图6是中子与89Y的反应截面示意图。
图7是89Y(n，γ)90Y反应示意图。
图8是中子与90Zr的反应截面示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例
如图1所示是本发明系统原理框图，本系统中主要包括了电子产生段，用于产生电子；电子加速段，用于对电子束进行加速和运输；电子-光子转换部，用于接收电子加速段传输的电子束流并将其转化为轫致辐射光子；光子-中子转换部，用于接收电子-光子转换部产生的轫致辐射光子并将其转化成中子；中子整形慢化部，用于接收光子-中子转换部的中子并整形慢化成1MeV以下中子；靶辐照部，接收中子整形慢化部的1MeV以下中子并轰击靶座，其中靶座内容纳1个或多个89Y2O3靶盘；第一冷却部，与电子-光子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却电子-光子转换部；第二冷却部，与光子-中子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却光子-中子转化部；第三冷却部，与靶辐照部密封连接，使用冷却液循环冷却靶辐照部；收集部，与靶辐照部连接，收集靶辐照部产生的90Y。
该系统中的电子产生段产生能量在9MeV以下的电子束流，电子加速段，用于对电子产生段产生的电子进行加速和输运。如图2所示，电子加速段包括加速通道、微波功率源、真空设备和束流导引聚焦系统，所述加速通道与电子产生段连接，所述真空设备、微波功率源与束流导引聚焦系统分别与加速通道连接。
其中加速通道为一种金属管道，用来运输电子束流。
真空设备，是用于加速通道抽真空与监测加速通道真空状态的设备。
导引聚焦系统，是用一定形态的电磁场来引导并约束加速通道中的电子，使之沿着预定的轨道受加速电场的加速。如圆形加速器的主导磁场或四极透镜场。
微波功率源为磁控管或者速调管，用于在加速通道中提供特定频率的微波，从而实现对电子的加速。
电子-光子转换部接收电子加速段传来的9MeV以下电子束流，并将接收的电子转换成轫致辐射光子，其中电子-光子转换部是钨靶、金靶或者钽靶中的至少一种。
本发明的轫致辐射的原理如图3所示，由于电子的质量较轻，电子在靠近原子核的过程中，收到原子核的库仑力作用，运动速度和方向发生改变，减少的能量以射线的形式发射出来，发射的射线即为轫致辐射光子，第一冷却部采用冷却液循环的方式对电子-光子转换部进行冷却。
光子-中子转换部为一块具有一定形状和厚度的靶，收集9MeV以下的光子，并通过反应产生中子，其反应原理如图4所示，光子-中子转换部所采用的靶为Be或重水，BeD2或贫化铀中的至少一种，第二冷却部采用冷却液循环的方式对光子-中子转换部进行冷却。
图5是中子慢化整形装置的示意图，慢化整形端包含光中子通道001，用于运输光中子；中子慢化层，用于将对高能中子(大于1MeV)慢化成1MeV以下中子(<0.5eV)，图6是中子与89Y的反应截面，可以看出中子与89Y的共振峰出现在1MeV以下，且能量越低，反应截面越大，1MeV以下中子与89Y的反应截面较大，当中子能量大于1MeV后，中子与89Y的反应截面较小，产生的90Y很少。中子反射层003，用于对中子进行反射，防止中子向四周发散；中子准直层004，用于中子束流的准直，使中子束流沿中心发射；光子过滤层005，用于过滤中子束流中的光子。所述中子慢化层002设置在光中子通道001的四周，所述中子反射层003设置在中子慢化层002的四周，所述光子过滤层005设置在光中子通道001和中子准直层004之间，中子准直层004设置在光中子通道001出口。
靶辐照部整体为1个靶座，用于接收中子慢化整形装置产生的1MeV以下中子，其中靶座可以容纳1个或多个89Y2O3靶盘；1MeV以下中子与89Y发生反应，产生90Y，反应过程如图7所示，中子与89Y相互作用产生1个90Y与光子，收集部对靶辐照部产生的90Y进行收集，第三冷却部采用冷却液循环的方式对靶辐照部进行冷却。
本实施例中所述的第一冷却部、第二冷却部和第三冷却部是采用的具有循环回路的冷却槽，在冷却槽内盛装冷却液，将冷却槽与设备连接，冷却液在冷却槽内循环，实现对设备的冷却。
本实施例与现有技术在产生相同两量的90Y情况下，其实验效果对比结果如下表。
对比因素 现有的电子加速器产生<sup>90</sup>Y 本申请
衰变源/中子源 光中子源 光中子源
源是否有毒性 无 无
靶材 <sup>90</sup>Zr <sup>89</sup>Y
靶所用核素天然丰度 51.45％ 100％
靶所用核素是否需要提取 需要 不需要
最大反应截面(barn) 0.1 100
能否移动 是 是
是否随开随用 是 是
安全性 高 高
对加速器能量要求 高 低
从此表可以看出，本申请相对于现有技术具有安全性高、可移动、可以随用随开，不用则立即关闭的特点，同时本申请的技术使用靶89Y具的天然成分高，不用提取，与中子反应截面高的特点，图6是中子与89Y的反应截面，图8是中子与90Zr的反应截面。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于包括：
电子产生段，用于产生电子；
电子加速段，用于对电子束进行加速和运输；
电子-光子转换部，用于接收电子加速段传输的电子束流并将其转化为轫致辐射光子；
光子-中子转换部，用于接收电子-光子转换部产生的轫致辐射光子并将其转化成中子；
中子整形慢化部，用于接收光子-中子转换部的中子并整形慢化成1MeV以下中子；
靶辐照部，接收中子整形慢化部的1MeV以下中子并轰击靶座，其中靶座内容纳1个或多个89Y2O3靶盘，其中89Y2O3与中子相互作用产生90Y；
第一冷却部，与电子-光子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却电子-光子转换部；
第二冷却部，与光子-中子转化部密封连接，使用冷却液循环冷却光子-中子转化部；
第三冷却部，与靶辐照部密封连接，使用冷却液循环冷却靶辐照部；
收集部，与靶辐照部连接，收集靶辐照部产生的90Y。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：电子产生段产生的电子能量在9MeV以下。
3.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：所述电子加速段包括加速通道、微波功率源、真空设备和束流导引聚焦系统，所述加速通道与电子产生段连接，所述真空设备、微波功率源与束流导引聚焦系统分别与加速通道连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：所述加速通道为金属管道，用来运输电子束流。
5.根据权利要求3所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：所述真空设备是用于加速通道抽真空与监测加速通道真空状态的设备。
6.根据权利要求3所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：所述导引聚焦系统为圆形加速器的主导磁场或四极透镜场，是用一定形态的电磁场来引导并约束加速通道中的电子，使之沿着预定的轨道受加速电场的加速。
7.根据权利要求3所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：所述微波功率源为磁控管或者速调管，用于在加速通道中提供特定频率的微波，从而实现对电子的加速。
8.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：电子-光子转换部为钨靶、金靶或者钽靶中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：光子-中子转换部将光子转换成中子；光子-中子转换部的材料为Be、重水、BeD2、贫化铀中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的系统，其特征在于：中子慢化整形部包括光中子通道、中子慢化层、中子反射层、中子准直层和光子过滤层，所述中子慢化层设置在光中子通道四周，所述中子反射层设置在中子慢化层四周，所述光子过滤层设置在光中子通道和中子准直层之间，中子准直层设置在光中子通道出口。
11.一种基于电子加速器和89Y2O3生产90Y的方法，其特征在于包括：
产生电子；
接收电子束流并将其转化为轫致辐射光子；
接收轫致辐射光子并将其转化成中子；
用于中子并整形慢化成1MeV以下中子；
接收上述1MeV以下的中子并轰击89Y2O3靶盘，相互作用产生90Y。
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