CN112567477A - 中子活化器、包含该中子活化器的中子活化系统以及实施该中子活化器的中子活化方法 - Google Patents
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Abstract
中子活化器、包含该中子活化器的中子活化系统以及实施该中子活化器的中子活化方法。一种中子活化器(10)，其包含中子源(11)和第一反射器‑慢化器(35)，中子源包含壳体(12)、金属靶材(20)、冷却回路，所述壳体沿着纵向轴线(B)延伸，所述金属靶材配置为通过与质子射束(5)的相互作用来产生中子，该靶材(20)包含相对于纵向轴线(B)横向布置的至少一个板(21)，所述冷却回路被配置用于冷却金属靶材(20)，所述第一反射器‑慢化器包括被配置用于容纳中子源(11)和待活化材料的活化区域(36)。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子活化器、一种包含该中子活化器的中子活化系统以及一种实施该中子活化器的中子活化方法。
尽管不限于此，但本发明适用于通过产生合适的中子场来对可注射产品(可能是可注射的)剂量进行活化。
本发明尤其涉及一种用于产生所关注的放射性同位素的中子活化器，其工作原理是基于质子射束与固体靶材的相互作用来产生中子，该中子然后在固体组件中慢化/反射以为所感兴趣的同位素(例如165Ho和176Lu)中的(n，γ)反应来获得有利的中子谱。该中子活化器适于接收能量为约16MeV至约30MeV且质子强度高于1mA并至高1.5mA的质子射束。
背景技术
癌症肿瘤的治疗基于三种主要的疗法类别(通常结合使用以增加康复机会)：外科手术、化学疗法和外部放射疗法。
除了(如在乳腺肿瘤或宫颈肿瘤中进行的)外科手术或化学疗法以外，通常建议进行近距离放射疗法或“原位”放射疗法，或者作为替代方案，构成(如肝癌或其他肝肿瘤的治疗、在美国的前列腺癌中进行的)独家一线治疗。
快速分裂的细胞特别敏感地受到辐射损伤。因此，可以通过在目标区域施用或种植小型辐射源(通常为γ发射体或β发射体)来控制或消除某些癌变。
近距离放射疗法的主要优点在于，其对人体的总辐射较小以将健康组织的暴露降至最低、更容易定位到目标肿瘤，并具有成本效益。
发射β-的放射性同位素可以通过相对应稳定同位素的中子辐射来产生。
目前，这种同位素仅在研究型核反应堆中产生，但主要缺点在于欧洲用于医疗用途的反应堆利用率低，还存在时间安排紧张和老化问题。
因此，仍然需要改进使用回旋加速器来有效产生用于医学用途的中子活化放射性同位素的方法。
本公开的目的之一是提出一种在核反应堆中产生用于医学用途的放射性同位素的替代方案。
另一目的是提高用于医疗用途的放射性同位素产生方法的效率。
本发明的另一目的是提供一种用于对材料进行中子活化以产生放射性同位素的设备及方法。
WO 98/59347公开了一种材料，该材料通过分布在中子源周围的中子扩散介质中从而暴露于中子通量，该材料可以用于从包括在所暴露材料中的易获得同位素的转变来产生有用的放射性同位素，特别是为医学应用来产生有用的放射性同位素。中子源由被带电粒子射束轰击的铍靶材或锂靶材来组成。
该方法的主要缺点在于，为了在中子于材料中的弹性散射路径期间将这些中子包含在系统中，活化器的尺寸很大。这也导致了中子通量的相应稀释，特别是在较低能量下(在几次散射相互作用之后)的相应稀释。
WO 2016/037656公开了一种增强共振区域中的捕获的方法和活化器。中子通量的强度通过反射器和/或慢化器来进行优化。
关于WO 98/59347，其提出了一些通用方法，这些方法旨在减小活化器尺寸，同时利用了铅的中子弹性散射特性，并因此利用了活化区域中的绝热共振交叉原理。但这种方法并非是活化所考虑同位素的最有效方法。
与WO 98/59347和WO 2016/037656中公开的活化器相比，在本申请人的未决专利申请EP17305461.0中提出了一种改进系统。该专利申请描述了一种中子活化器，其包含：
-包含金属靶材的中子源，该金属靶材适于接收能量为16MeV至100MeV的质子射束，并能够维持至高1mA的质子强度，
-铍第一反射器-慢化器，其在中子源外围并包含中子活化区域，
-以及可选地，第二反射器-慢化器，其嵌入所述铍第一反射器-慢化器。
对于低能量质子射束，即从约16MeV到约30MeV的质子射束，为了维持用于目标活化过程的便利性能，需要高质子强度，尤其是高于1mA并至高1.5mA的质子强度。在这些高质子强度下，热应力在金属靶材上引入高机械应力。
需要一种能够持久承受高质子强度的改进的中子活化器。
通过创新的方式，发明人已经证明该靶材的特定设计能够解决该问题。他们开发了一种新的靶材设计，该设计显示出改进的热性能和机械性能。
发明内容
这些目的和其他目的通过当前公开的本发明来实现，本发明第一方面提出了一种用于对材料进行中子活化的中子活化器，该中子活化器包含：
-中子源，其包含：
壳体，所述壳体沿着纵向轴线延伸，旨在平行于射束轴线来布置，尤其是同轴于射束轴线来布置，所述壳体具有开口，质子射束能够通过该开口进入到中子源中，以及
金属靶材，其被配置为通过与质子射束的相互作用来产生中子，该靶材包含至少一个板，所述至少一个板优选地由包含铍和/或钽的材料来制成，所述至少一个板相对于纵向轴线横向地，尤其是垂直地来布置，所述板具有指向壳体开口的上游表面和与该上游表面相反的下游表面，
冷却回路，其被配置为冷却金属靶材，
-第一反射器-慢化器，其优选地由包含铍的材料制成，并包括活化区域，该活化区域被配置为容纳中子源和待活化材料。
金属靶材可以包含相邻的多个板，所述相邻的多个板彼此平行地布置并且定心在纵向轴线上。
所述金属靶材的至少一个板可以是具有圆形轮廓的盘。
所述金属靶材的至少一个板可以是弯曲的，其上游表面为凸形且下游表面为凹形。
使用弯曲板代替平坦板将会减少机械变形应力引起的潜在损伤，该机械变形应力是由冷却流体压力、加速器真空(对于第一板而言)和质子射束沉积能量导致的热机械变形来引入的。
可以优化每个板的厚度，以使得由温度梯度产生的应力保持在弹性极限之内，并且使得板的数量导致质子在面向冷却介质(优选为水)中壳体端壁的端板之后刚好完全停止，其中在该冷却介质中发生中子产生和慢化。
在特定实施例中，可以优化板的数量、其厚度和/或其曲率半径，以使得：
(i)从质子射束中接收的部分质子具有足够的能量，以将其入射能量的一部分释放到每个板中，直到端板有射束进入为止，然后在靶材之外将布拉格峰的热能释放到端部冷却剂流体相中，
(ii)与从质子射束中接收到的所有质子都在其内释放出其热量的靶材中的功率密度相比，该靶材内部的功率密度降低到至少50％，
(iii)在靶材中生成的中子数量至少等于具有这样厚度的靶材中生成的中子数量的70％，所述厚度使得从质子射束接收的所有质子在靶材内部释放其热能。
替代地，可以优化靶材板的厚度，以使得：
(i)从质子射束中接收的质子在金属靶材内损失了其所有能量，并且
(ii)由每个靶材板中的温度梯度产生的应力保持在金属靶材的弹性极限之内，同时仍将流到端板表面上的冷却液温度保持在沸点以下。
特别地，所述金属靶材的至少一个板具有优选地为30mm至60mm的垂直于所述纵向轴线测得的横向尺寸和为横向尺寸的至少一半的曲率半径。
对所述曲率半径进行优化，以保证有效的冷却流体传输并保证便利的材料制造。
所述金属靶材的至少一个板的在上游表面与下游表面之间测量的厚度为50μm至1mm。
替代地，使金属靶材和质子射束围绕板的中心轴线来相对于彼此旋转，以便稀释靶材盘中的功率密度。
冷却回路可以配置为使冷却流体流至少沿金属靶材的板的下游表面相对于纵向轴线横向地循环。
中子源的壳体可以包含侧壁和端壁，该侧壁围绕纵向轴线在限定开口的第一端和与第一端相反的第二端之间延伸，该端壁在侧壁的第二端处相对于纵向轴线横向延伸，冷却回路被配置为使作为冷却流体的液体(优选为水)流在壳体的端壁与所述板的面向该端壁的下游表面之间循环。
当金属靶材包含相邻的多个板时，冷却回路可以被配置为使作为冷却流体的气体(优选为氦气)流在相应的相邻板的彼此面对的下游表面和上游表面之间循环。
在特定实施例中，可以在1bar至10bar的静态压力下通过气体(优选为氦气)流来冷却靶材，并且在每个板之间该气体流在板表面附近的速度为200m/s至500m/s。对于端板，可以在1bar至20bar的静态压力下通过液体(优选为水)流来冷却下游表面，并且该液体流在下游表面附近的速度为8m/s至60m/s。
第一反射器-慢化器的活化区域可以包含：
-孔，其沿着孔轴线延伸并且被配置为容纳中子源以使得孔轴线与纵向轴线同轴；以及
-至少一个活化通道，其在孔附近沿着平行于孔轴线的通道轴线延伸，该活化通道被配置用于装载待活化材料。
特别地，活化区域可以包含围绕孔来分布的多个活化通道。
中子活化器还可以包含容纳第一反射器-慢化器的第二反射器-慢化器。
通常，所述第一反射器-慢化器以及可选地所述第二反射器-慢化器的体积不超过边长1米的立方体，优选地不超过边长0.75米的立方体，例如为边长0.50米的立方体。
根据第二方面，本发明提出一种用于材料的中子活化的中子活化系统，其包含：
-发生器，所述发生器被配置为沿着射束轴线产生质子射束，该质子射束的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，并且质子强度高于1mA且至高1.5mA，
-如前所定义的中子活化器，其布置为使得中子源的壳体的纵向轴线平行于，尤其是同轴于射束轴线，并且质子射束能够通过开口进入到中子源中。
当第一反射器-慢化器的活化区域包含孔和至少一个活化通道时，中子活化系统还可以包含用于装载待活化材料的供应装置，该供应装置连接到活化通道。
根据第三方面，本发明提出一种用于材料的中子活化的方法，该方法实施(implement)如前所定义的中子活化器，该方法包含以下步骤：
-将材料装载到第一反射器-慢化器的活化区域中，
-在金属靶材的板的上游表面上，沿着中子源壳体的纵向轴线通过开口来发射质子射束，以与板相互作用并产生中子，该质子射束的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，且其质子强度高于1mA且至高1.5mA，
-冷却金属靶材。
可以实施该方法以用于产生放射性同位素，优选地用于生产放射性药物。例如，所述放射性同位素可以是适于核医学应用的发射β-的放射性同位素，优选地为166Ho、186Re、188Re、177Lu、198Au、90Y、227Ra和161Tb。
在该方法的另一特定实施例中，所述待活化材料可以包含在微米粒子或纳米粒子(例如氧化钬微米/纳米粒子)内或以微米粒子或纳米粒子(例如氧化钬微米/纳米粒子)的形式存在。通常，微米/纳米粒子可以处于液体悬浮液中。
在特定实施例中，所述材料可以包含在胶囊中，并且可以通过在嵌入反射器-慢化器中的活化通道内移动该胶囊来将所述胶囊放置在活化区域处。
附图说明
通过对优选但非限制性实施例的以下详细描述，将更清楚地理解本发明的其他目的和优点。参照附图给出该详细描述，其中：
-图1是根据本发明实施例的中子活化系统的示意图，该中子活化系统包含被配置为沿射束轴线产生质子射束的发生器、被布置用以接收该质子射束的中子活化器以及用于装载被中子源产生的中子所激活的材料样本的供应装置，
-图2是图1的中子活化系统的中子活化器的放大示意图，该中子活化器包含中子源、容纳该中子源的第一反射器-慢化器以及容纳该第一反射器-慢化器的第二反射器-慢化器，
-图3是图2的中子活化器的中子源的放大示意图，
-图4是图2的中子活化器的中子源的变型的放大示意图。
具体实施方式
图1示出了用于材料2的中子活化的中子活化系统1的实施例。尽管不限于此，但中子活化系统1在放射性同位素，优选地在放射性药物(诸如适用于核医学应用的发射β-放射性同位素，优选地为166Ho、186Re、188Re、177Lu、198Au、90Y、227Ra和161Tb)的生产中具有特殊应用。
在特定实施例中，待活化材料可能以液体悬浮的形式包含在例如氧化钬微米粒子或纳米粒子的微米粒子或纳米粒子内或者以例如氧化钬微米粒子或纳米粒子的微米粒子或纳米粒子的形式存在。氧化钬粒子的示例在“利用氧化钬亚微米粒子的居里疗法的新形式”中进行了描述，其发表于2009年10月10日至14日在西班牙巴塞罗那进行的2009年度EANM(欧洲核医学协会年会)。
在所示实施例中，中子活化系统1包含：
-发生器3(诸如回旋加速器4)，其被配置为沿射束轴线A产生质子射束5，该质子射束5的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，并且质子强度高于1mA且至高1.5mA，
-中子活化器10，其被配置为通过与质子射束5的相互作用而产生中子，以对待活化材料2进行活化，以及
-用于装载待活化材料41的一个或多个样本的供应装置40。
有利地，根据本发明的中子活化器10在材料41样本周围的局部活化区域36中提供具有所关注能量的经优化的中子通量，同时保持足够紧凑用于与中小型回旋加速器4一同使用。因此，适合对放射性同位素的活化剂量进行常规和工业化生产，以用于临床前研究和临床研究以及产品商业化。
如图2所示，中子活化器10包含：
-中子源11，其包含金属靶材20，该金属靶材被配置为通过与质子射束5的相互作来产生中子，
-冷却回路25，其被配置为用于冷却金属靶材20，
-第一反射器-慢化器35，其包括活化区域36，该活化区域被配置为用于容纳中子源11和材料41的样本，以及
-第二反射器-慢化器45，其容纳第一反射器-慢化器35。
中子源11
图3中详细示出的中子源11包含壳体12，金属靶材20布置在该壳体中。
壳体12包含侧壁13，该侧壁是围绕纵向轴线B的具有圆形横截面的筒状。侧壁13具有限定开口14的第一端13a以及与该第一端13a相反的第二端13b。壳体12还包含在侧壁13的第二端13b处相对于纵向轴线B横向延伸的端壁15。
如图1所示，在用于中子活化系统1中时，将外壳布置为使得其纵向轴线B平行于质子射束5的射束轴线A，并且其开口14指向回旋加速器4，以使得质子射束5可以通过开口14进入到壳体12中。特别地，在所示实施例中，壳体的纵向轴线B和质子射束5的射束轴线A是同轴的。在其他实施例中，壳体的纵向轴线B和质子射束5的射束轴线A能够是平行的，并同时彼此间隔开。
将金属靶材20配置为允许中子有效且优化地产生，并具有良好的热机械特性。
在图1至图3所示的实施例中，金属靶材20包含一系列的六个板21，每个板具有呈圆形轮廓的盘的形式。将每个板21的限定其轮廓的外边缘固定到壳体12的侧壁13的内表面，使得板21定心在纵向轴线B上，其具有相对于壳体12的纵向轴线B横向地，尤其是垂直地布置的轮廓。板21彼此平行。
特别地，板21的材料包含铍和/或钽。板的材料优选地在铍或钽之间选择。
每个板21是弯曲的，具有有指向壳体12开口14的凸形的上游表面21a，以及与上游表面21a相反的凹形的下游表面21b。
板21的在其上游表面21a与下游表面21b之间测得的厚度可以为50μm至1mm。例如，最接近开口14的第一板21(在本领域中也称为“窗口”)的厚度可以是0.3mm，接下来的四个板21相对于质子射束5的方向的厚度可以是0.8mm，并且面向壳体12端壁15的最后一个板21的厚度为0.4mm。
板21的垂直于纵向轴线B测得的横向尺寸(即在当前盘的情况下其直径)优选地为30mm至60mm，例如为50mm。
板21的曲率半径优选地为横向尺寸的至少一半。
冷却回路25被配置为使冷却流体26流至少沿金属靶材20的板21的下游表面21b相对于纵向轴线B横向地循环。在图3中，冷却回路25包含：
-入口通道29，其被布置用于在相应的相邻板21彼此面对的上游表面21a和下游表面21b之间以及在壳体12的端壁15与最后一个板21的下游表面21b之间输送冷却流体26，
-用于去除冷却流体26的出口通道30。
特别地，冷却流体26在相应的相邻板21的彼此面对的上游表面21a和下游表面21b之间是优选为氦气的气体27流。冷却流体26在壳体12的端壁15与最后一个板21的下游表面21b之间是优选为水的液体28流。用于冷却最后一个板21的液体(诸如水)流能够限制热应力并因此限制板21的重要变形，该变形在接收质子射束的最后的高能部分(即布拉格峰(Bragg Peak))时可能会导致机械弱化或裂纹，并且该液体流还在中子产生和慢化中起到附加作用，从而优化了活化区域内的中子通量。
因此，在板21的上游表面21a和下游表面21b上形成冷却区域，除了施加有真空的窗口(第一板21)的上游表面21a，因为其被直接连接到在真空条件下工作的质子射束发生器。
将相邻板21之间距离的大小确定为使得可以沿着板21的上游表面21a和下游表面21b来获得冷却流体26的最优速度分布。该距离例如为0.2mm。
在特定实施例中，热电偶可以例如在外边缘上附接到板21，以用于监测板21的热状态。
板21的布置以及冷却回路25的布置优化了到达围绕金属靶材20的活化区域36的中子产额。特别地，当热能沉积难以实现时，将金属靶材20分成厚度小于1mm的一系列板21，利用冷却流体26进行冷却的每个板21有利地稀释板21中的功率密度，同时增加了用于热冷却的表面。另外，质子射束5的质子在处于作为冷却流体26的液体28(优选为水)中的最后一个板21之后刚好完全停止，在该冷却流体中发生中子产生和慢化，并且在该冷却流体中容易地去除余热。此外，由于质子射束5与气体27低原子量粒子的相互作用可忽略不计，因此在相应的相邻板21的彼此面对的上游表面21a和下游表面21b之间使用气体27(诸如氦气或氩气)作为冷却流体26是方便的，由此进一步促进了通过金属靶材20与质子射束5的相互作用导致的中子产生。这允许显著降低金属靶材20中的功率密度并允许改善金属靶材20的热条件，而不会显著降低中子产生。
本发明不限于先前公开的中子源11的实施例。特别地，金属靶材能够仅包含一个板，在这种情况下，冷却回路被配置为仅使得液体流沿着板的下游表面来循环，或者金属靶材能够包含以任何其他合适方式配置的任何其他数量的板。而且，能够提供相对于质子射束5的任何其他合适的板的布置。例如，板的该布置能够适用于围绕每个板中心轴线来旋转的质子射束，以便稀释板中的功率密度。
特别地，中子源11能够呈现任何其他配置，其中如在所公开实施例中那样，由温度梯度产生的应力保持在弹性极限之内，并且质子射束5的质子在冷却流体26中的最后一个板21之后刚好完全停止，在该冷却流体中发生中子产生和慢化，并且在该冷却流体中很容易地去除剩余的热沉积。
优选地，中子源11可以呈现任何配置，其中如在所公开实施例中那样，如果能量沉积在其内部的金属靶材20的厚度为使得从质子射束5接收的所有质子在其内部释放其热能，则与沉积在该金属靶材20内部的能量相比，来自相互作用的质子的能量的至少50％在金属靶材20外部损失。
在这种实施例中，中子源11可以呈现任何配置，其中如所公开实施例中那样，板21的厚度、曲率半径和数量被优化为使得与其厚度使得所有质子在其内部释放热能的独特的板21中的功率密度相比，其功率密度优选地降低到至少50％。
另外，中子源11可以呈现任何配置，其中如在所公开实施例中那样，将板的厚度、曲率半径和数量确定为使得靶材中产生的中子数量至少等于从质子射束5接收的所有质子在其内部释放其热能的金属靶材20中产生的中子数量的70％。
替代地，中子源11可以呈现任何配置，其中板21的厚度、曲率半径和数量能够被优化为使得：
(i)从质子射束5中接收到的质子在金属靶材20中损失了其所有能量，并且
(ii)由靶材中的温度梯度所产生的应力保持在金属靶材20的弹性极限之内。
例如，图4示出了中子活化器10的中子源11'的变型。该变型与先前公开实施例的不同之处在于金属靶材20'的三个板21'具有垂直于壳体12'纵向轴线B'的相应的平坦的上游表面21a和下游表面21b。根据该变型的中子源11’的其他特征类似于先前公开的特征。
第一反射器-慢化器35
第一反射器-慢化器35的功能是通过将所产生的中子反射到含有材料41的样本的活化区域36中来将这些中子集中，同时有效地将中子减慢(慢化)至适合于对所选同位素进行活化的能量。
在所示实施例中，第一反射器-慢化器35通常沿着中心轴线C呈筒状，尤其是具有圆形横截面的筒状，并且将其尺寸设置为使同位素的活化产额最大化，同时尺寸保持尽可能小。
第一反射器-慢化器35优选地由包含铍的材料制成。在有利的实施例中，第一反射器-慢化器35由铍制成，即其含有至少90％的铍金属。与其他材料相比，使用铍具有以下优点：
-它在某些限定的谱中呈现良好的容纳中子的能力，并由此在活化区域36中呈现出改善的活化效率，
-它更适合于感兴趣的放射性同位素(主要是钬粒子)的活化，
-它允许该特定反射器的低活化剂量率，因此促进了维护操作。
第一反射器-慢化器35的活化区域36包含沿孔轴线D延伸的孔37，在所示实施例中，该孔轴线D与第一反射器-慢化器3的中心轴线C同轴。孔37被配置为用于容纳中子源11，以使得孔轴线与纵向轴线B同轴。
第一反射器-慢化器35的活化区域36还包含一个或几个活化通道38，所述活化通道在孔37附近处沿着平行于孔轴线D的通道轴线E来延伸。特别地，活化区域36包含围绕孔37分布的活化通道38。例如，在所示实施例中，第一系列的活化通道38在距孔轴线D的第一距离处围绕孔37均匀地分布，并且第二系列的活化通道38在距孔轴线D的大于第一距离的第二距离处围绕孔37均匀地分布。
活化通道38被配置为用来装载待活化材料41的样本。在这个方面，活化通道38均具有与供应装置40相连接的入口，该供应装置40布置在远离第一反射器-慢化器35的位置处。该供应装置40被配置为以容纳有待活化材料的胶囊的形式来将材料41的样本按照以下方式移动：
-通过连接胶囊装载器42和活化通道38的传输系统43从屏蔽的胶囊装载器朝向活化通道38移动，以及
-在活化发生之后，从活化通道38朝向收集装置移动。
尽管不限于此，供应装置40可以实现为气动系统，该气动系统通过施加适当的压缩空气流使得材料41的样本能够来回移动，尤其是以便将其装载到活化通道38内或者从活化通道38卸载。借助于活化通道38中的压缩空气流，气动系统还可以使活化区域36冷却，以去除在活化期间通过中子与材料41的样本的相互作用所产生的热量。
第二反射器-慢化器45
第二反射器-慢化器45容纳第一反射器-慢化器35，旨在使已经部分被慢化的并且从第一反射器-慢化器35逸出的中子进一步被减慢并将其散射回来。其主要目的是优化活化器性能，同时使非常昂贵的第一反射器-慢化器35的体积以及因此其成本最小。
优选地，第二反射器-慢化器45由聚乙烯制成，通常由高密度聚乙烯制成。慢化器的尺寸应使得包括带有金属靶材20的中子源11、冷却回路25、第一反射器-慢化器35和第二反射器-慢化器45的整个中子活化器10的尺寸不超过边长1米的立方体，优选地边长为0.75米的立方体，例如边长为0.50米的立方体。
中子活化方法
以上公开的中子活化系统1可以以用于材料的中子活化的方法来实施。
该方法包含将材料装载在第一反射器-慢化器35的活化区域36中的步骤。材料41的含有稳定靶材同位素的微米粒子或纳米粒子的胶囊形式的一个或几个样本被装载在一个或几个活化通道38中。
该方法包含使回旋加速器4发射质子射束5的步骤，该质子射束5的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，并且其质子强度高于1mA且至高1.5mA。如前所述，质子射束5在金属靶材20的窗口(第一板21)的上游表面21a上，沿着中子源11的壳体12的纵向轴线B通过开口14来发射，并朝向之后的板21传播，直到该质子射束在处于液体28中的最后一个板21之后刚好完全停止为止。金属靶材20的板21与质子射束5的相互作用生成了快速的(高能量)中子。
同时，通过在冷却回路25的入口通道29与出口通道30之间的气体(优选为氦气)流和液体(优选为水)流来冷却金属靶材20。例如，气体流的静态压力为1bar至10bar，并且在板的上游表面21a和下游表面21b附近在相邻板之间达到200m/s至500m/s的速度。对于最后一个板21，通过静态压力为1bar至20bar的液体流来冷却下游表面21b，并且该液体流在下游表面21b附近达到8m/s至60m/s的速度。该冷却旨在减小板21上的热应力，并且对于最后一个板21而言旨在避免水沸腾，并同时限制在下游表面21b上的侵蚀作用或限制金属靶材20的振动。
中子被第一反射器-慢化器35反射和慢化，并被第二反射器-慢化器45进一步慢化并被散射回去。
由此活化了活化区域36内的材料41的样本。
该方法呈现出至少以下有利效果：
-能够活化可注射形式的粒子，这是利用核反应堆难以实现的，
-使用专用回旋加速器驱动系统允许更加灵活地产生和分配活化放射性同位素，
-没有由于γ-加热(核反应堆的典型情况)而发生的粒子损伤，
-能够使用短半衰期同位素，并且能够规划重复治疗以提高治疗效率，
-能够使用不同类型和不同尺寸的微米粒子或纳米粒子来调整治疗方法以适应特定情况。
示例
在非限制性示例中，如前所述的中子活化系统1用于产生放射性同位素，优选地以用于放射性药物和医疗设备。
放射性同位素的选择取决于三个主要特性：半衰期、β-能量和γ能量(参见下表1)。半衰期越短，使得治疗单元的持续时间就越短(可以重复治疗)。更高的β-能量对应于更高的疗法效率。更高的γ能量对应于单光子发射计算机断层扫描(SPECT)的更好检测。
| 放射性同性系 | 半衰期 | β-能量(keV) | γ能量(keV) |
| 钬166 | 26.7/小时 | 1840 | 80 |
| 镥177 | 6.7/天 | 497 | 208 |
| 铼186 | 3.7/天 | 1077 | 137 |
| 铼188 | 1/小时 | 2100 | 155 |
| 钇90 | 2.7天 | 2080 | 无 |
| 金198 | 2.7天 | 1372.9 | 411.8 |
| 161 | 6.9天 | 157.4 | 74.5 |
表1
在特定实施例中，放射性同位素是适于核医学应用的发射β-的放射性同位素，优选地为166Ho、186Re、188Re、177Lu、198Au、90Y、227Ra和161Tb。
对于本发明的应用而言所关注的钬由于与其他放射性同位素相比显示了结合短半衰期和高β-能量的非常好的折衷方案。
中子活化器10是宽度为50cm、高度为50cm且长度为56cm的长方体。第一反射器-慢化器35的孔37的内径Di＝100mm、外径De＝160mm、长度为200mm。
关于活化通道38的布置，它们被设置在围绕孔轴线D以同心方式放置的一个环上，并且由均匀分布的16个活化通道38组成。每个活化通道38的装载容量为4个胶囊，从而每次生产运行的总容量为64个胶囊/剂量。
表2呈现了中子活化器10的技术参数。
表2
为了限制侵蚀作用，通过氦气流和水流进行冷却的速度分别限制在大约500m/s和10m/s，在当前尺寸下，分别对应于大约17g/s和2kg/s的流速。在这种条件下，对于由氦气进行冷却的表面而言，板21在与冷却流体26的界面处的最大温度预期为约210℃，对于由水进行冷却的表面而言，该最大温度预期为150℃。为避免沸腾，应将水至少加压至5bar。
表3总结了金属靶材20的冷却特性。
| 特征 | 值 |
| 靶材最大温度 | 760℃ |
| 靶材/氦界面处最大温度 | 210℃ |
| 靶材/水界面处最大温度 | 150℃ |
| 冷却水系统中所需最小压力 | 5bar |
| 氦冷却剂质量流量 | 17g/s |
| 水冷却剂质量流量 | 2kg/s |
表3
对于根据该示例的中子活化器10，在表4中呈现了166Ho的活化产额。
| 反射器-慢化器 | 饱和活度(Bq/g/uA) |
| 铍 | 3.5E+08 |
表4
Claims (15)
1.一种用于材料的中子活化的中子活化器(10)，所述中子活化器(10)被配置为通过与沿着射束轴线(A)发射的质子射束(5)的相互作用而产生中子，所述质子射束(5)的能量为约16MeV至30MeV，优选地为约30MeV，且质子强度高于1mA且至高1.5mA，所述中子活化器(10)包含：
-中子源(11、11')，其包含：
壳体(12、12')，所述壳体沿着纵向轴线(B、B')延伸，旨在平行于所述射束轴线(A)来布置，所述壳体(12、12')具有开口(14、14')，所述质子射束(5)能够通过所述开口进入到中子源(11、11')中，以及
金属靶材(20、20')，所述金属靶材被配置为通过与质子射束(5)的相互作用来产生中子，所述金属靶材(20、20')包含至少一个板(21、21')，所述至少一个板优选地由包含铍和/或钽的材料制成，所述至少一个板相对于纵向轴线(B，B')横向地、尤其是垂直地布置，所述板(21、21')具有指向所述壳体(12、12')的开口(14、14')的上游表面(21a)和与所述上游表面(21a)相反的下游表面(21b)，
冷却回路(25)，所述冷却回路被配置为冷却所述金属靶材(20、20')，
-第一反射器-慢化器(35)，所述反射器-慢化器优选地由包含铍的材料制成并且包括活化区域(36)，所述活化区域被配置为容纳所述中子源(11、11')和待活化材料。
2.根据权利要求1所述的中子活化器(10)，其中，所述金属靶材(20、20')包含相邻的多个板(21、21')，所述相邻的多个板彼此平行地布置并且定心在所述纵向轴线(B，B')上。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述金属靶材(20、20')的至少一个板(21、21')是具有圆形轮廓的盘。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述金属靶材(20)的至少一个板(21)是弯曲的，所述上游表面(21a)为凸形并且所述下游表面(21b)为凹形。
5.根据权利要求4所述的中子活化器(10)，其中，所述金属靶材(20)的至少一个板(21)具有优选地为30mm至60mm的垂直于所述纵向轴线(B)测得的横向尺寸和为所述横向尺寸的至少一半的曲率半径。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述金属靶材(20)的至少一个板(21)的在所述上游表面(21a)与所述下游表面(21b)之间测得的厚度为50μm至1mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述冷却回路(25)被配置为使冷却流体(26)流至少沿着所述金属靶材(20、20')的板(21、21')的下游表面(21a)相对于所述纵向轴线(B、B')横向地循环。
8.根据权利要求7所述的中子活化器(10)，其中，所述中子源(11)的壳体(12、12')包含侧壁(13、13')和端壁(15、15')，所述侧壁在限定所述开口(14、14')的第一端(13a)和与所述第一端(13a)相反的第二端(13b)之间围绕所述纵向轴线(B、B')延伸，所述端壁在所述侧壁(13)的第二端(13b)处相对于所述纵向轴线(B、B')横向延伸，所述冷却回路(25)被配置为使作为冷却流体(26)的优选为水的液体(28)流在壳体(12、12')的端壁(15、15')与所述板(21、21')的面向所述端壁(15、15')的下游表面(21b)之间循环。
9.根据从属于权利要求2的权利要求7和8中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述冷却回路(25)被配置为使作为冷却流体(26)的优选为氦气的气体(27)流在相应的相邻板(21、21')的彼此面对的下游表面(21b)和上游表面(21a)之间循环。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的中子活化器(10)，其中，所述第一反射器-慢化器(35)的活化区域(36)包含：
-孔(37)，所述孔沿着孔轴线(D)延伸并且被配置为用于容纳所述中子源(11、11')，使得所述孔轴线(D)与所述纵向轴线(B、B')同轴，以及
-至少一个活化通道(38)，所述至少一个活化通道在所述孔(37)附近沿着平行于所述孔轴线(D)的通道轴线(E)延伸，所述活化通道(38)被配置用以装载所述待活化材料。
11.根据权利要求10所述的中子活化器(10)，其中，所述活化区域(36)包含围绕所述孔(37)分布的多个活化通道(28)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的中子活化器(10)，还包含容纳所述第一反射器-慢化器(35)的第二反射器-慢化器(45)。
13.一种用于材料的中子活化的中子活化系统(1)，其包含：
-发生器(3)，所述发生器被配置为沿着所述射束轴线(A)产生质子射束(5)，所述质子射束(5)的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，并且质子强度高于1mA且至高1.5mA，
-根据权利要求1至12中任一项所述的中子活化器(10)，其被布置为使得所述中子源(11、11')的壳体(12、12')的纵向轴线(B、B')平行于所述射束轴线(A)，并且所述质子射束(5)能够通过所述开口(14、14')进入到中子源(11、11')中。
14.根据从属于权利要求10的权利要求13所述的中子活化系统(1)，还包含用于装载所述待活化材料的供应装置(40)，所述供应装置(40)被连接到所述活化通道(38)。
15.一种用于材料的中子活化的方法，所述方法实施根据权利要求1至12中任一项所述的中子活化器(10)，所述方法包含以下步骤：
-将所述材料装载到所述第一反射器-慢化器(35)的活化区域(36)中，
-在金属靶材(20、20')的板(21、21')的上游表面(21a)上，沿着中子源(11、11')壳体(12、12')的纵向轴线(B、B')通过开口来发射质子射束(5)，以与板(21、21')相互作用并产生中子，所述质子射束(5)的能量为约16MeV至约30MeV，优选地为约30MeV，且其质子强度高于1mA并至高1.5mA，
-冷却所述金属靶材(20、20')。
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