CN116193701B - 一种用于放射性核素制备的固体靶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于放射性核素制备的固体靶系统，包括：固体靶元件盒、顶靶系统、激光雷达定位系统、冷却系统和控制柜。其中，固体靶元件盒包括内外两个部分，内部为进行核素制备的靶元件，外部为屏蔽盒。固体靶系统内安装有顶靶系统，当核素制备完成后，顶靶系统会将固体靶元件盒顶至回收孔。激光雷达定位系统位于顶靶系统上方，其与控制柜进行电性连接，从而保证顶靶系统能准确地将靶元件盒顶落至回收孔。冷却系统配置在靶元件盒两侧，用于给固体靶元件降温。控制柜与直流伺服电动机电性连接，用于控制所述直流伺服电动机的工作状态。本发明操作方便，靶元件可承受高强度束流轰击，可生产更高产量、更多种类的核素。

Description

一种用于放射性核素制备的固体靶系统

技术领域

本发明涉及放射性核素制备领域，特别涉及一种用于放射性核素制备的固体靶系统。

背景技术

目前对于肿瘤治疗中的放射性核素制备主要采用加速器轰击靶板，通过靶面核反应来产生放射性核素，目前应用的大部分靶系统为液体靶系统，但是液体靶系统能制备的核素较少，已经不能满足当下临床对核素种类多样化的需求，现有的固体靶系统种类较少，且核素生产效率不高，因此采用一种高效率的固体靶系统来制备更多种类的医用放射性核素，从而扩充医用放射性核素的种类，已变成了当务之急。对现有的固体靶系统效率不高的原因进行分析，得到如下结论：现有的固体靶系统大多数是将固体靶元件放置在加速器内部，待粒子轰击固体靶元件结束之后再通过机械装置将固体靶元件从加速器内部取出以后放置在屏蔽盒中，最终将屏蔽盒转运至下一热室进行分离提纯。但由于加速器内部空间极其有限，所以限制了靶元件本身尺寸。又由于安放在加速器内部的靶元件没有冷却装置对其进行冷却，从而限制了其所能承受的束流强度，这对其产量造成了极大的限制。而将靶原件安放在加速器外部的固体靶系统中，尚未有采用循环冷却水对固体靶原件进行冷却的固体靶系统，且现有的大部分固体靶系统都没有实现对靶元件进行自动换靶，也是目前现有的固体靶系统效率不高的一个原因。

综合考虑上述技术缺陷，发明一种新的高效率固体靶系统对于增大医用放射性核素的产量和种类，为肿瘤患者带去更多希望是非常有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于放射性核素制备的固体靶系统，可提升放射性核素的制备效率和增加可制备的核素种类。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于放射性核素制备的固体靶系统，包括：包括待轰击固体靶元件盒、顶靶系统、激光雷达定位系统、控制柜、冷却系统、固定底座、工作台和连接法兰；

所述待轰击固体靶元件盒位于固体靶系统的中心位置，所述待轰击固体靶元件盒背部引出三个管道，从上往下依次是上供水管道、排水管道、下供水管道，所述上供水管道和下供水管道连接至冷却系统的供水端，中间的排水管道连接至冷却系统的排水端；

所述顶靶系统位于待轰击固体靶元件盒正后方，待所述待轰击固体靶元件被轰击完成后，所述顶靶系统将轰击完成的待轰击固体靶元件盒顶出，被顶出的待轰击固体靶元件盒落入到回收孔内；

所述激光雷达定位系统用于将顶靶系统的位置信息实时传送给控制柜；

所述控制柜与所述激光雷达定位系统电性连接，用于控制所述顶靶系统的工作状态，从而准确地将轰击完成的待轰击固体靶元件盒顶出至回收孔；

所述冷却系统采用冷却水对固体靶元件进行降温，冷却水从冷却系统的供水端流向固体靶元件，对固体靶元件进行降温后，再通过冷却系统的排水端流回冷却系统；

所述固定底座与所述工作台采用导轨相连，工作台可在固定底座上前后滑动，所述待轰击固体靶元件盒、顶靶系统、激光雷达定位系统、冷却系统、控制柜均搭载于工作台上；

所述连接法兰固定于加速器，将加速器的束流接引至固定靶系统。

进一步地，所述的待轰击固体靶元件盒有内外两层结构，内部结构为固体靶元件，固体靶元件的中心位置为参与反应的位置，固体靶元件的中心材料为无氧铜，通过更换固体靶元件的中心材料进而制备所需要的核素，固体靶元件中心以外的部分采用铂为材料，用于耐腐蚀和强酸；所述待轰击固体靶元件盒的外部结构为屏蔽盒，为核素生产过程提供真空环境，减少外部环境对核素生产的干扰。

进一步地，所述激光雷达定位系统使得顶靶系统的工作精度达到毫米量级，确保顶靶工作安全准确地完成。

进一步地，所述冷却系统包含温度计与流量计，对冷却水进行状态监测；冷却系统与所述待轰击固体靶元件盒采用第一电磁离合器连接，便于分离，且冷却系统使固体靶元件承受

的热流密度，进而提高了核素生产效率。

进一步地，平移电机驱动工作台在固定底座上相对移动，固定底座与地面机械连接。

进一步地，所述连接法兰上有真空泵接口，使得核素制备环境为真空，且所述连接法兰与所述待轰击固体靶元件盒采用第二电磁离合器进行连接和分离。

进一步地，还包括备用固体靶元件盒，其放置在隔离板上，隔离板位于待轰击固体靶元件盒正上方。

进一步地，所述待轰击固体靶元件盒与备用固体靶元件盒的结构完全相同，在当前一个待轰击固体靶元件盒完成核素制备任务落入回收孔后，通过换靶伺服电机将隔离板向后撤出，从而使得备用固体靶元件盒通过两侧沟槽落入预定工作位置。

进一步地，所述冷却系统后方为顶针，顶针与其后方的支撑架机械连接，支撑架两侧安放导轨，支撑架可在导轨上前后滑动。

进一步地，所述支撑架上安装激光雷达定位系统，支撑架与激光雷达定位系统机械连接，支撑架下方配置丝杆，丝杆通过正转或反转带动支撑架前进和后退，丝杆后方与顶靶伺服电机连接，通过顶靶伺服电机带动丝杆正转或反转。

进一步地，所述控制柜包括控制器、Wi-Fi模块和人机交互界面，信号控制站及相关控制按钮。

进一步地，所述激光雷达定位系统固定安装在支撑架上，会将顶针的实时位置传送给控制柜，从而准确地将固体靶元件盒顶至回收孔处。控制器通过继电器与所述伺服电机连接，用于控制所述伺服电机的工作状态。Wi-Fi模块设置在所述箱体内，Wi-Fi（行动热点）模块与控制器电性连接，信号控制站通过无线网络与所述Wi-Fi模块无线连接。

进一步地，所述冷却系统包括水箱、排水管道、供水管道、流量计、齿轮泵、电机，其中供水管道有两组，两组供水管分别连接至所述待轰击固体靶元件盒的上接口和下接口，排水管道设有一组，该组排水管道连接至所述靶元件盒的中接口，齿轮泵与流量计安放于所述冷却系统内部。

由上述可知，本发明具有顶靶系统，通过控制柜控制固体靶系统末端的伺服电动机的正反转及转速，进而通过丝杠传动使顶靶系统进行顶靶操作，其操作流程是使用顶针将固体靶元件盒顶出至回收孔，再由传送带送入热室。具体地，可以在控制板中加入PWM模块，以PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号的脉冲宽度来控制输出的电压及电流，进而控制伺服电动机的转速，使得顶靶系统完成相应动作，例如，当顶靶时，控制柜通过控制占空比从而使得丝杠旋转，进而推动顶针不断接近靶元件，当顶针接近靶元件时，冷却系统内部的电磁离合器会先断开，从而固体靶元件盒的冷却管道会和冷却系统的供水排水管道断开，并且控制柜自动调节占空比使得伺服电机速度降低，从而控制靶元件掉落时，落点处于回收孔内；当靶元件被顶出后，通过控制柜调节电流方向，从而使得伺服电机反转，带动丝杠反转，从而使得顶靶系统撤回，在快要触碰到末端时，控制占空比将速度降低，本发明由于加入了激光雷达定位系统，可将顶针实时位置传送回控制柜，从而使得顶靶系统可以准确回到初始位置。

因此，本发明具有操作方便且靶元件回收准确率高的一种靶元件回收方式，在现有的固体靶元件回收装置中，通常是采用多轴机械臂去加速器的靶元件出口进行取靶，但由于多轴机械臂各轴在重复定位中会出现误差，而靶元件本身体积较小，所以在多次作业后，靶元件的回收准确率将会大幅度降低，所以在作业一段时间后，又必须重新对多轴机械臂进行定位校准。因此本发明针对这一问题提出了一种新的靶元件回收方式，由于采用了导轨定位和传感器双重定位措施，使得靶元件回收的准确率得到较大提升，避免了传统靶元件回收方式中机械臂重复定位导致误差的情况。同时通过控制柜控制伺服电动机的正反转及转速，使得操作人员避免了辐射的威胁，使得靶系统在比较复杂的环境也可以很好的完成放射性核素的制备任务。由于反应面为固体，大大增加了可制备核素的范围，为医用核素治疗癌症提供了更多的选择。除此之外，还给固体靶元件加入了冷却系统，使得靶元件能承受更高的束流强度，让核素的产量得到进一步提高。

附图说明

图1为本发明实施例的固体靶系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的固体靶系统的俯视图；

图3为本发明实施例的固体靶系统的侧视图；

图4为本发明实施例的固体靶系统的主视图；

图5为本发明实施例的固体靶元件盒的主视图；

图6为本发明实施例的固体靶元件盒的侧视图；

图7为本发实施例的固体靶元件盒的内部靶元件结构示意图；

图8为本发明实施例的固体靶元件盒与冷却系统连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为达到上述目的，本发明实施提供了一种用于放射性核素制备的固体靶系统固体靶系统，如图1至图7所示，包括：

冷却系统102，其包括水箱1、电机2、齿轮泵3、第一电磁离合器4、温度计5、流量计6。

如图8所示，水箱1位于冷却系统102中间位置，水箱1上设置了三条管道，中间管道连接至待轰击固体靶元件盒103上的排水管道203，左右管道分别连接至待轰击固体靶元件盒103的上供水管道202和下供水管道204，并且在左右管道的管路中加入温度计5和流量计6，均采用电性连接。中间管道上安装有电机2和齿轮泵3，电机2与齿轮泵3机械连接，齿轮泵3与中间管道机械连接。水箱1上所设置的三条管道与待轰击固体靶元件盒103上的上供水管道202、排水管道203、下供水管道204之间采用第一电磁离合器4进行连接。

顶靶换靶系统，包括换靶伺服电机106、丝杆108、顶靶伺服电机109、导轨110、顶针112、支撑架113、待轰击固体靶元件盒103、备用固体靶元件盒104、隔离板105；

控制系统，包括控制柜111、激光雷达定位系统107；

还包括回收孔101、工作台114、固定底座115、平移电机116、真空泵接口117、束流入口118、连接法兰119、第二电磁离合器120、传送带121、束流接口201、上供水管道202、排水管道203、下供水管道204、靶托205、束流轰击面206。

如图1所示，回收孔101位于固体靶系统的最前端，待轰击固体靶元件盒103位于回收孔101后方。备用固体靶元件盒104放置在隔离板105上，隔离板105位于待轰击固体靶元件盒103正上方。隔离板两侧配备了换靶伺服电机106，换靶伺服电机106与隔离板105机械连接。待轰击固体靶元件盒103后方为冷却系统102，冷却系统102的管道与待轰击固体靶元件盒103的管道通过图8所示的第一电磁离合器4连接。

如图2所示，冷却系统102后方为顶针112，顶针112与其后方的支撑架113机械连接，支撑架113两侧安放了导轨110，支撑架113可在导轨110上前后滑动。

如图1，图2所示，支撑架113上安装激光雷达定位系统107，支撑架113与激光雷达定位系统107机械连接，支撑架113下方配置了丝杆108，丝杆108通过正反转带动支撑架113前进和后退，丝杆108后方与顶靶伺服电机109连接，通过顶靶伺服电机109带动丝杆108正转或反转。

如图2和图3所示，工作台114两侧配置了平移电机116，平移电机116可驱动工作台114在固定底座115上相对移动，固定底座115与地面机械连接。传送带121安放在回收孔101正下方，控制柜111固定在工作台114侧面。

如图4和图5所示，待轰击固体靶元件盒103前方的束流接口201与第二电磁离合器120连接，第二电磁离合器120前方配置有连接法兰119，连接法兰119与加速器出口机械连接，连接法兰119中心为束流入口118，在束流入口118侧边引出一真空泵接口117，与真空泵（未示出）进行机械连接。

如图6所示，待轰击固体靶元件盒103背部引出三个管道，从上往下依次是上供水管道202、排水管道203、下供水管道204。

图7为待轰击固体靶元件盒103的内部靶元件结构示意图，其中心为束流轰击面206，束流轰击面206外部为靶托205，束流轰击面206内嵌于靶托205的凹槽中。

所述待轰击固体靶元件盒103与备用固体靶元件盒104结构完全相同，设置备用固体靶元件盒104的目的是当前一个待轰击固体靶元件盒103完成核素制备任务落入回收孔101后，可通过换靶伺服电机106将隔离板105向后撤出，从而上方的备用固体靶元件盒104通过两侧沟槽会落入靶元件盒的预定工作位置，从而提高了核素的生产效率，也可根据加速器的一个工作周期设置对应的备用靶元件盒数量（数量可≥1个），从而最大化核素生产效率。由于待轰击固体靶元件盒103与备用固体靶元件盒104结构完全相同，因此下文只对待轰击固体靶元件盒103进行叙述。

所述待轰击固体靶元件盒103的详细结构图如图5至图7所示，由于固体靶系统的工作台114可通过导轨在下部分固定底座115上滑动，所以在平移电机116的驱动下，固体靶系统第二电磁离合器120可与束流接口201相连或断开，连接法兰119与加速器出口相连，在束流入口118处安放有真空膜，真空泵接口117与真空泵（未示出）相连，在核素制备前，真空泵会将束流入口118左端抽成真空状态。轰击开始时束流轰击面206会承受束流轰击，为了防止靶托205和束流轰击面206被高温损伤，冷却系统102开始通过固体靶元件盒103上的上供水管道202和下供水管道204给靶托205和束流轰击面206进行水冷降温，完成冷却任务的水流会通过排水管道203排出。

当束流轰击结束后，第二电磁离合器120断开，待轰击固体靶元件盒103与加速器端分离，在平移电机116的带动下，上部分主机回到初始位置，此时上部分主机中的回收孔101正对传送带121，随后顶针112开始顶靶工作。顶针112与支撑架113机械连接，通过控制柜111控制顶靶伺服电动机109的正反转，继而通过丝杠传动使得顶针112伸缩。具体地，通过STM32微控制器中PWM模块或者搭建外围的PWM发生电路，以PWM信号的脉冲宽度来控制输出的电压及电流，进而控制顶靶伺服电动机109的转速及正反转，使得顶针112完成各种动作。当顶靶时，通过控制柜111使得顶靶伺服电动机109正转，随后顶针112将会不断接近待轰击固体靶元件盒103，与此同时待轰击固体靶元件盒103上的管道会与冷却系统102断开，待轰击固体靶元件盒103与冷却系统102采用电磁离合器进行通断，具体原理如图8所示。最终顶针112会将待轰击固体靶元件盒103顶落至回收孔101，在回收孔101下方设置有传送带121，会将待轰击固体靶元件盒103送入到核素分离室，以便进行后续的核素提取工作，而固体靶系统也将进行下一次的核素制备任务。

在顶靶系统中的顶针112头部可设置缓冲垫，对顶针112及靶元件起到保护的作用；

在所述控制柜111内，内置了电源模块用于给固体靶系统中的伺服电机及各微控制器供电；

所述控制柜111与所述换靶伺服电机106、所述顶靶伺服电机109采用电性连接，用于控制所述换靶伺服电机106、所述顶靶伺服电机109的工作状态。

因此，本发明具有便于回收靶元件盒的顶靶系统，相比于现有技术中的升降取靶运靶装置，降低了整个固体靶系统的制造费用，同时通过控制柜111控制顶靶伺服电机109的正反转及转速，使得固体靶系统可以安全地将固体靶元件盒103进行自动化回收，使得固体靶系统在狭小的环境中也可以很好的完成核素的制备任务。由于采用了PWM模块和激光雷达定位系统，使得顶靶过程的准确性大大提高。

所述控制柜111包括控制器、Wi-Fi模块和人机交互界面，信号控制站及相关控制按钮；控制站通过无线网络与所述Wi-Fi模块无线连接，Wi-Fi模块与控制器电性连接；

本控制柜111在工作的时候，可以人为地使用外部终端通过信号控制站发送遥控指令给控制柜111，继而通过控制柜111控制换靶伺服电机106和顶靶伺服电机109的工作状态，从而保证固体靶系统的工作状态安全稳定。

一些情况下，通过人为操作固体靶系统制备核素存在一些缺点，例如顶靶伺服电机109转速过快时，通过人为的观察来控制将会产生较大的误差。为了解决该问题，所述固体靶系统配备了激光雷达定位系统107，激光雷达定位系统107可以实时检测固体靶元件盒103的实时位置，并反馈到控制柜111的人机交互界面中，帮助人员更好的了解顶靶系统的运行状态。所述激光雷达定位系统107与控制柜111内部的控制器电性连接，因此工作时控制柜111可以对激光雷达定位系统107实时发回的顶靶系统的位置信息，对顶靶系统进行实时控制，从而安全稳定地实现自主顶靶，自主回收等工作任务。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于：包括待轰击固体靶元件盒、顶靶系统、激光雷达定位系统、控制柜、冷却系统、固定底座、工作台和连接法兰；

所述待轰击固体靶元件盒位于固体靶系统的中心位置，所述待轰击固体靶元件盒背部引出三个管道，从上往下依次是上供水管道、排水管道、下供水管道，所述上供水管道和下供水管道连接至冷却系统的供水端，中间的排水管道连接至冷却系统的排水端；

所述顶靶系统位于待轰击固体靶元件盒正后方，待所述待轰击固体靶元件被轰击完成后，所述顶靶系统将轰击完成的待轰击固体靶元件盒顶出，被顶出的待轰击固体靶元件盒落入到回收孔内；

所述激光雷达定位系统用于将顶靶系统的位置信息实时传送给控制柜；

所述控制柜与所述激光雷达定位系统电性连接，用于控制所述顶靶系统的工作状态，从而准确地将轰击完成的待轰击固体靶元件盒顶出至回收孔；

所述冷却系统采用冷却水对固体靶元件进行降温，冷却水从冷却系统的供水端流向固体靶元件，对固体靶元件进行降温后，再通过冷却系统的排水端流回冷却系统；

所述固定底座与所述工作台采用导轨相连，工作台可在固定底座上前后滑动，所述待轰击固体靶元件盒、顶靶系统、激光雷达定位系统、冷却系统、控制柜均搭载于工作台上；

所述连接法兰固定于加速器，将加速器的束流接引至固定靶系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述的待轰击固体靶元件盒有内外两层结构，内部结构为固体靶元件，固体靶元件的中心位置为参与反应的位置，固体靶元件的中心材料为无氧铜，通过更换固体靶元件的中心材料进而制备所需要的核素，固体靶元件中心以外的部分采用铂为材料，用于耐腐蚀和强酸；所述待轰击固体靶元件盒的外部结构为屏蔽盒，为核素生产过程提供真空环境，减少外部环境对核素生产的干扰。

3.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述激光雷达定位系统使得顶靶系统的工作精度达到毫米量级，确保顶靶工作安全准确地完成。

4.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述冷却系统包含温度计与流量计，对冷却水进行状态监测；冷却系统与所述待轰击固体靶元件盒采用第一电磁离合器连接，便于分离，且冷却系统使固体靶元件承受

的热流密度，进而提高核素生产效率。

5.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，平移电机驱动工作台在固定底座上相对移动，固定底座与地面机械连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述连接法兰上有真空泵接口，使得核素制备环境为真空，且所述连接法兰与所述待轰击固体靶元件盒采用第二电磁离合器进行连接和分离。

7.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，还包括备用固体靶元件盒，其放置在隔离板上，隔离板位于待轰击固体靶元件盒正上方。

8.根据权利要求7所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述待轰击固体靶元件盒与备用固体靶元件盒的结构完全相同，在当前一个待轰击固体靶元件盒完成核素制备任务落入回收孔后，通过换靶伺服电机将隔离板向后撤出，从而使得备用固体靶元件盒通过两侧沟槽落入预定工作位置。

9.根据权利要求1所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述冷却系统后方为顶针，顶针与其后方的支撑架机械连接，支撑架两侧安放导轨，支撑架可在导轨上前后滑动。

10.根据权利要求9所述的一种用于放射性核素制备的固体靶系统，其特征在于，所述支撑架上安装激光雷达定位系统，支撑架与激光雷达定位系统机械连接，支撑架下方配置丝杆，丝杆通过正转或反转带动支撑架前进和后退，丝杆后方与顶靶伺服电机连接，通过顶靶伺服电机带动丝杆正转或反转。

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