CN112837838A - 一种医用放射性同位素生产装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种医用放射性同位素生产装置，包括用于产生电子束团的电子源、用于增强或回收电子束团能量的强流电子加速器、通过电子束团轰击产生γ射线的韧致辐射靶、用于引发核反应的核反应靶、用于收集电子束团的垃圾桶以及多个用于改变电子束团运动方向的磁铁和用于电子束团传输的传输段。本发明通过采用强流电子加速器，提高了电子束团的平均功率，从而提高放射性同位素生产效率，有利于提高产量；并且，通过对打靶后的电子剩余能量进行回收，使得装置具有高的能量利用率，有利于节能降耗。
Description
技术领域
本发明属于核医学领域，具体地说涉及一种医用放射性同位素生产装置。
背景技术
随着核医学的迅速发展，医用放射性同位素在疾病诊断和临床治疗中发挥着越来越重要的作用。其中，99mTc同位素在临床上可以应用于肿瘤阳性定位诊断和脏器动态观测，尤其在心脑血管系统疾病的动态诊测方面得到了广泛应用，在全世界核医学放射性同位素中的应用比例达到80％以上。因此，发展成熟、高效、低廉的99mTc同位素生产装置十分必要。目前主要生产方式通过反应堆驱动，高浓缩235U经反应堆辐照裂变产生99Mo，然后99Mo经分离纯化后衰变产生99mTc，主要反应为n+235U→99Mo+X和99Mo→99mTc+β+ν。但是，这种方式存在工序复杂、成本较高、反应堆数量少和老化严重等问题，而且所使用的高浓缩235U可用于核武器及核爆装置制备，存在一定的核扩散风险。加速器驱动的99Mo/99mTc生产技术需要在加速器内加速初级带电粒子(电子、质子等)，然后轰击靶件产生高能次级粒子(光子、中子)，再与钼靶或铀靶相互作用产生99Mo。其中，电子加速器驱动的同位素生产装置虽然具有体积小、结构简单、周期短、成本低的特点，但是对电子能量的利用率相对较低，需要高平均功率电子加速器驱动，造成很大的能源消耗。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种医用放射性同位素生产装置。本发明提供如下技术方案：
一种医用放射性同位素生产装置，包括用于产生电子束团的电子源、用于增强或回收电子束团能量的强流电子加速器、通过电子束团轰击产生γ射线的韧致辐射靶、用于引发核反应的核反应靶、用于收集电子束团的垃圾桶以及多个用于改变电子束团运动方向的磁铁和用于电子束团传输的传输段，电子源产生的电子束团通过强流电子加速器获得能量后轰击到韧致辐射靶上产生γ射线，产生的γ射线再轰击核反应靶进行核反应，穿过韧致辐射靶的电子束团被引回强流电子加速器，将大部分能量交回强流电子加速器后被垃圾桶收集。
进一步的，电子束团经过强流电子加速器加速后，轰击韧致辐射靶产生γ射线，并损失部分能量，所述强流电子加速器和所述韧致辐射靶之间设有用于向韧致辐射靶传输电子束团的匹配传输段和用于向强流电子加速器传输电子束团的返回传输段，所述匹配传输段和所述返回传输段均由二极磁铁和四极磁铁组成。
进一步的，所述电子源和所述强流电子加速器之间设有用于引导电子束团在电子源和强流电子加速器之间运动方向的第一偏转磁铁组。
进一步的，所述第一偏转磁铁组由三个二极磁铁组成，三个二极磁铁按特定方向排布使电子束团运动方向只能从电子源运动到强流电子加速器内，而反方向的电子束团只能从强流电子加速器运动到垃圾桶内。
进一步的，所述第一偏转磁铁组包括第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁，其中第一偏转磁铁和第三偏转磁铁磁场方向相同，第二偏转磁铁磁场方向与之相反，电子束团从电子源依次经第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁的偏转运动到强流电子加速器内，而反方向的电子束团从强流电子加速器经第三偏转磁铁的偏转运动到垃圾桶内。
进一步的，所述强流电子加速器和所述韧致辐射靶之间设有用于引导电子束团在强流电子加速器和韧致辐射靶之间运动方向第二偏转磁铁组。
进一步的，所述第二偏转磁铁组包括并束磁铁、第四偏转磁铁和第五偏转磁铁，电子束团经并束磁铁偏转后进入匹配传输段，再经第四偏转磁铁的偏转引导轰击到韧致辐射靶上，穿过韧致辐射靶的电子束团经第五偏转磁铁的偏转进入返回传输段，然后再经过并束磁铁的偏转返回强流电子加速器。
进一步的，所述返回传输段和所述并束磁铁之间还设有返回时间调节段，所述返回时间调节段由二极磁铁组成，电子束团通过返回时间调节段调节进入强流电子加速器的时间，使电子束团处于强流电子加速器的减速相位上，电子束团在减速相位上将剩余大部分能量交还给强流电子加速器。
进一步的，所述匹配传输段内设有用于对电子束团的束斑进行调整的聚焦磁铁。
进一步的，所述电子源为热阴极电子枪或光阴极电子枪，所述强流电子加速器为超导电子加速器。
有益效果：
本发明通过采用强流电子加速器，提高了电子束团的平均功率，从而提高放射性同位素生产效率，有利于提高产量；并且，通过对打靶后的电子剩余能量进行回收，使得装置具有高的能量利用率，有利于节能降耗。
附图说明
图1是本发明具体实施例中医用放射性同位素生产装置结构示意图；
图2是本发明具体实施例中第一偏转磁铁组排布及入射电子束团运动路径示意图；
图3是本发明具体实施例中第一偏转磁铁组排布及返回电子束团运动路径示意图；
附图中：1、电子源；2、强流电子加速器；3、韧致辐射靶；4、核反应靶；5、垃圾桶；6、匹配传输段；7、返回传输段；8、第一偏转磁铁组；9、第一偏转磁铁；10、第二偏转磁铁；11、第三偏转磁铁；12、并束磁铁；13、第四偏转磁铁；14、第五偏转磁铁；15、返回时间调节段。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1-3所示，一种医用放射性同位素生产装置，包括用于产生电子束团的电子源1、用于增强或回收改变电子束团能量的强流电子加速器2、通过电子束团轰击产生γ射线的韧致辐射靶3、用于引发核反应的核反应靶4、用于收集电子束团的垃圾桶5以及多个用于改变电子束团运动方向的磁铁和用于电子束团传输的传输段，电子源1产生的电子束团通过强流电子加速器2获得能量后轰击到韧致辐射靶3上产生γ射线，产生的γ射线再轰击核反应靶4进行反应，穿过韧致辐射靶的电子束团被引回强流电子加速器2，释放能量后被垃圾桶5收集。通过设置多个用于改变电子束团运动方向的磁铁和用于电子束团传输的传输段，使电子束团按照规定轨迹前进，电子源1产生的电子束团首先经过磁铁引导进入强流电子加速器2内进行增能，增能后的电子束团被磁铁引导轰击到韧致辐射靶3上，并在韧致辐射靶3上产生γ射线，产生的γ射线再轰击核反应靶4引发核反应，而穿过韧致辐射靶的电子束团由于仍然具备大部分能量，将其再次通过磁铁引回强流电子加速器2内，并使其在强流电子加速器2内将大部分能量交还给强流电子加速器2，被强流电子加速器2收回的能量还可以再次利用给新的需要增能的电子束团，最后失去大部分能量的电子束团再经过磁铁的引导引入到5内收集。
进一步的，电子束团经过强流电子加速器2加速后，轰击韧致辐射靶3后产生γ射线并损失部分能量，强流电子加速器2和韧致辐射靶3之间设有用于向韧致辐射靶3传输电子束团的匹配传输段6和用于向强流电子加速器2传输电子束团的返回传输段7，匹配传输段6和返回传输段7均由二极磁铁和四极磁铁组成。二极磁铁主要用于偏转电子，而四极磁铁主要用于聚焦电子，强流电子加速器2内电场的大小和方向随时间变化，当电子进入加速器时，电场的方向和电子运动方向相反时，电子得到加速，电场将能量交给电子；当电子进入加速器时，电场的方向和电子运动方向相同时，电子会被减速，电子将能量交还给电场。电子束团轰击韧致辐射靶3后，电子束团的能量一部分产生了γ射线，极少部分在靶上沉积为热量，剩余大部分能量还在电子束团中，因此有被回收的价值，分别设置用于向韧致辐射靶3传输电子束团的匹配传输段6和用于向强流电子加速器2传输电子束团的返回传输段7，使得轰击前后的电子束团分别按照按照规定路线前进，达到回收电子束团能量的目的。
进一步的，电子源1和强流电子加速器2之间设有用于引导电子束团在电子源1和强流电子加速器2之间运动方向的第一偏转磁铁组8。设置第一偏转磁铁组8用于改变电子束团的传输方向，使电子束团在向强流电子加速器2方向运动时能以正确的入射角度射入，而从强流电子加速器2返回的电子束团会被第一偏转磁铁组8向相反方向偏转，进而使电子束团运动到设置于相反方向的垃圾桶5内，而不至于打到电子源1上。
进一步的，第一偏转磁铁组8由三个二极磁铁组成，三个二极磁铁按特定方向排布使电子束团运动方向只能从电子源1运动到强流电子加速器2内，而反方向的电子束团只能从强流电子加速器2运动到垃圾桶5内。二极磁铁主要用于偏转电子，通过设定二极磁铁的磁场方向，就能方便的调整电子束团的运动方向。
进一步的，第一偏转磁铁组8包括第一偏转磁铁9、第二偏转磁铁10和第三偏转磁铁11，其中第一偏转磁铁9和第三偏转磁铁11磁场方向相同，第二偏转磁铁10磁场方向与之相反，电子束团从电子源1依次经第一偏转磁铁9、第二偏转磁铁10和第三偏转磁铁11的偏转运动到强流电子加速器2内，而反方向的电子束团从强流电子加速器2经第三偏转磁铁11的偏转运动到垃圾桶5内。第一偏转磁铁9、第二偏转磁铁10和第三偏转磁铁11均为二极磁铁，均用于偏转电子，通过设定三个二极磁铁的磁场方向，就能控制电子束团只能从电子源1运动到强流电子加速器2内，而相反方向的电子束团从强流电子加速器2运动到垃圾桶5内。
进一步的，强流电子加速器2和韧致辐射靶3之间设有用于引导电子束团在强流电子加速器2和韧致辐射靶3之间运动方向第二偏转磁铁组。设置第二偏转用于引导电子按照规定路线前进，从而完成电子束团打靶及其能量回收。
进一步的，第二偏转磁铁组包括并束磁铁12、第四偏转磁铁13和第五偏转磁铁14，电子束团经并束磁铁12偏转后进入匹配传输段6，再经第四偏转磁铁13的偏转轰击到韧致辐射靶3上，穿过韧致辐射靶的电子束团经第五偏转磁铁14的偏转进入返回传输段7，然后再经过并束磁铁12的偏转返回强流电子加速器2。通过该循环，使电子束团完成从强流电子加速器2的输出和回收过程。
进一步的，返回传输段7和并束磁铁12之间还设有返回时间调节段15，返回时间调节段15由二极磁铁组成，电子束团通过返回时间调节段15调节进入强流电子加速器2的时间，使电子束团处于强流电子加速器2的减速相位上，电子束团在减速相位上将剩余大部分能量交还给强流电子加速器2。该技术为电子同腔回收技术，由于强流电子加速器2内电场的大小和方向随时间变化，通过调整电子束团进入强流电子加速器2的时间，使电子束团从加速器获得能量或者被加速器回收能量，在电子束团从电子源1输入阶段可以通过控制电子源1产生电子束团来控制电子束团在强流电子加速器2电场方向为给电子加速的时间进入，而回收的电子束团就需要在返回时间调节段15延迟以等待在强流电子加速器2电场方向适合于电子束团释放能量的时间进入。
进一步的，匹配传输段6内设有用于对电子束团的束斑进行调整的聚焦磁铁。电子束团的束斑是电子束团横向截面的形状，聚焦磁铁主要通过调整电子束团的束斑形状和大小来调整韧致辐射靶3上的γ射线产额。
进一步的，电子源1为热阴极电子枪或光阴极电子枪，强流电子加速器2为超导电子加速器。电子源1需要强流电子源1，主要包括热阴极电子枪和光阴极电子枪两类，强流电子加速器2种类较多，目前超导电子加速器是比较常用的一类。
工作过程：电子源1产生电子束团，电子束团通过第一偏转磁铁组8进入强流电子加速器2内，并被加速到一定能量；增能后的电子束团被并束磁铁12偏转进匹配传输段6，在匹配传输段6内电子束团的束斑根据γ射线的产额被调整为一定的形状和大小，调整后的电子束团被第四偏转磁铁13引导轰击到韧致辐射靶3上，产生γ射线并轰击核反应靶4，γ射线在核反应靶4上引发核反应并产生99Mo；电子束团轰击到韧致辐射靶3上能量主要分为三部分：一部分能量用于产生γ射线，一部分能量因轰击靶体以热能形式损失，靶体沉积损失的能量相对较少，还有大部分能量仍然留存在电子束团内，因此将电子束团的剩余能量回收有利于提源利用效率；穿过韧致辐射靶的电子束团被第五偏转磁铁14引导到返回传输段7，电子束团通过返回传输段7回到并束磁铁12，并通过设置在并束磁铁12之前的返回时间调整段调整返回强流电子加速器2的时间，使得调整时间后的电子束团进入强流电子加速器2内的减速相位上，电子束团将能量交还给强流电子加速器2，失去大部分能量的电子束团再经第一偏转磁铁组8中的第三偏转磁铁11的偏转作用引导进入垃圾桶5内。
本发明通过对打靶后的电子剩余能量进行回收，解决了加速器驱动的同位素生产技术对电子能量的利用率相对较低，造成很大的能源消耗的问题，提高了整个装置的能源利用效率；现有技术大多通过将电子束分束后从两侧打靶，来使电子束团更好地分布在整个靶上，从而增加生产量，但同时这也造成了轰击时在靶上更多的热量沉积，从而浪费能量，而本发明通过采用强流电子加速器，提高了电子束团的平均功率，从而提高放射性同位素生产效率，而剩余的能量又被回收再利用，因此提升了相对作用效率，使得装置具有高的能量利用率，增加了生产量。
需要说明的是，图中直线箭头指向代表电子束团的运动方向，为了清楚的说明原理，本发明仅是给出装置的结构示意图，在实际使用过程中，该装备的各个部件均可以通过实际需要进行微调，但其总体工作过程不违背本发明所列内容。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：包括用于产生电子束团的电子源、用于增强或回收电子束团能量的强流电子加速器、通过电子束团轰击产生γ射线的韧致辐射靶、用于引发核反应的核反应靶、用于收集电子束团的垃圾桶以及多个用于改变电子束团运动方向的磁铁和用于电子束团传输的传输段，电子源产生的电子束团通过强流电子加速器获得能量后轰击到韧致辐射靶上产生γ射线，产生的γ射线再轰击核反应靶进行核反应，穿过韧致辐射靶的电子束团被引回强流电子加速器，将大部分能量交回强流电子加速器后被垃圾桶收集。
2.根据权利要求1所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：电子束团经过强流电子加速器加速后，轰击韧致辐射靶产生γ射线，并损失部分能量，所述强流电子加速器和所述韧致辐射靶之间设有用于向韧致辐射靶传输电子束团的匹配传输段和用于向强流电子加速器传输电子束团的返回传输段，所述匹配传输段和所述返回传输段均由二极磁铁和四极磁铁组成。
3.根据权利要求2所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述电子源和所述强流电子加速器之间设有用于引导电子束团在电子源和强流电子加速器之间运动方向的第一偏转磁铁组。
4.根据权利要求3所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述第一偏转磁铁组由三个二极磁铁组成，三个二极磁铁按特定方向排布使电子束团运动方向只能从电子源运动到强流电子加速器内，而反方向的电子束团只能从强流电子加速器运动到垃圾桶内。
5.根据权利要求4所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述第一偏转磁铁组包括第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁，其中第一偏转磁铁和第三偏转磁铁磁场方向相同，第二偏转磁铁磁场方向与之相反，电子束团从电子源依次经第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁的偏转运动到强流电子加速器内，而反方向的电子束团从强流电子加速器经第三偏转磁铁的偏转运动到垃圾桶内。
6.根据权利要求1或2所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述强流电子加速器和所述韧致辐射靶之间设有用于引导电子束团在强流电子加速器和韧致辐射靶之间运动方向第二偏转磁铁组。
7.根据权利要求6所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述第二偏转磁铁组包括并束磁铁、第四偏转磁铁和第五偏转磁铁，电子束团经并束磁铁偏转后进入匹配传输段，再经第四偏转磁铁的偏转轰击到韧致辐射靶上，穿过韧致辐射靶的电子束团经第五偏转磁铁的偏转进入返回传输段，然后再经过并束磁铁的偏转返回强流电子加速器进行能量回收。
8.根据权利要求7所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述返回传输段和所述并束磁铁之间还设有返回时间调节段，所述返回时间调节段由二极磁铁组成，电子束团通过返回时间调节段调节进入强流电子加速器的时间，使电子束团处于强流电子加速器的减速相位上，电子束团在减速相位上将剩余大部分能量交还给强流电子加速器。
9.根据权利要求2所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述匹配传输段内设有用于对电子束团的束斑进行调整的聚焦磁铁。
10.根据权利要求1所述的一种医用放射性同位素生产装置，其特征在于：所述电子源为热阴极电子枪或光阴极电子枪，所述强流电子加速器为超导电子加速器。
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