CN1922695B - 用于产生放射性同位素的靶装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐照单元，用于通过粒子束辐照靶材料来产生感兴趣的放射性同位素，包括形成空腔(7)的金属型芯(2)，该空腔(7)被设计用来容纳靶材料并被辐照窗口封闭，其特征在于，所述金属型芯(2)包括至少两个不同材料的分离的金属部件(8，9)，所述至少两个不同材料的分离的金属部件(8，9)至少由包括所述空腔(7)的第一部件(8)和第二部件(9)构成。

Description

用于产生放射性同位素的靶装置
技术领域
本发明涉及一种通过利用粒子束辐照靶材料来产生放射性同位素，如18F的靶装置，该靶材料包括所述放射性同位素的前体。
本发明的一个应用涉及核医疗学，并且特别地涉及正电子发射X线断层摄影术。
背景技术
正电子发射X线断层摄影术(PET)是一种精确且非侵入式的医疗成像技术。实践中，将由发射正电子的放射性同位素标记的放射药剂分子注射到患者的机体中，该放射性同位素就地分解发出γ射线。这些γ射线由成像装置探测和分析，以便三维地重建所注射的放射性同位素在生物体上的分布并获取它的组织浓度。
氟18(T1/2＝109.6分钟)是感兴趣的四个发射轻正电子的放射性同位素(11C，13N，15O，18F)中唯一一个其半衰期足够长，允许在其生产场所外部使用的放射性同位素。
在由感兴趣的放射性同位素，即，氟18合成的许多放射药剂中，2-[18F]氟-2-脱氧-D-葡萄糖(FDG)是正电子发射X线断层摄影术中最常用的放射示踪物。除了形态成像之外，利用18F-FDG实施的PET可以确定肿瘤(肿瘤学)、心肌(心脏病学)和大脑(心理学)的葡萄糖的新陈代谢。
处于阴离子形态(18F-)的18F放射性同位素通过利用带电粒子束，特别是质子对靶材料进行粒子轰击而产生，在本申请中，该靶材料包含富含18O的水(H2 18O)。
为了产生所述放射性同位素，常规实践是使用一种构成辐照单元的装置，该辐照单元包括在金属部件中“挖出”并用于容纳用作前体的靶材料的空腔。该金属部件通常被称作型芯。
其中放置靶材料的空腔由对辐照粒子束透明的窗口密封，该窗口被称作“辐照窗口”。通过所述粒子与所述靶材料的相互作用发生核反应，从而产生感兴趣的反射性同位素。
粒子束有利地通过加速器，如回旋加速器加速。
由于对放射性同位素，特别是18F放射性同位素的需求不断增加，人们正努力提高上述核反应的产量。这可以通过修正粒子(质子)束的能量、利用厚靶的产量与粒子能量的相关性或者通过变更粒子束的强度，从而改变撞击靶材料的加速粒子的数量来做到。
但是，被加速粒子束辐照的靶材料所消耗的功率限制了正使用的粒子束的强度和/或能量。这是因为靶材料所消耗的功率由粒子束的能量和强度通过下面的等式确定：
P[瓦]＝E(兆电子伏)×I(微安)
其中：
-P＝以瓦表示的功率；
-E＝以兆电子伏表示的粒子束的能量；
-I＝以微安表示的粒子束的强度。
换言之，粒子束的强度和/或能量越高，靶材料所消耗的功率也会越高。
因此，应理解，加速的带电粒子束的能量和/或强度不能在生产装置的空腔内以及辐照窗口处没有迅速产生容易损坏所述窗口的过度的压力或温度的情况下增加。
此外，在产生18F放射性同位素的情况下，由于富含18O的水的成本非常高，所以只将小体积、最多几毫升的用作前体材料的靶材料放置在空腔中。因此，在这么小体积上辐照靶材料所导致的散热问题构成了要克服的主要问题。通常，对于强度为50到150微安的18兆电子伏的质子束，要消耗的功率在900W到2700W之间，其中，富含18O的水的体积为0.2到5毫升，辐照时间可能在几分钟到几小时。
更普遍地，由于靶材料的散热问题，对于银型芯中体积为2毫升的被辐照的靶材料，目前都将用于产生放射性同位素的辐照强度限制到40微安。但是，当前用在核医疗学中的回旋加速器理论上能够加速质子束而使其具有80微安到100微安或者更高的强度。因此，当前回旋加速器提供的各种可能性正在开拓中。
现有技术中已经提出了克服由放射性同位素生产装置内空腔中的靶材料所造成的散热问题的解决方案。特别是，人们已经提出设置用于冷却靶材料的装置。
相应地，文献BE-A-1011263公开了一种辐照单元，它包括由银或钛制成的型芯，所述型芯包括挖出的空腔，该空腔由窗口封闭，靶材料放置在该空腔中。该型芯与“扩散体”元件配合布置，该“扩散体”元件包围所述空腔的外壁，以便形成双层壁的壳罩，使得用于冷却所述靶材料的制冷剂循环。为了促进热流出空腔，需要空腔的壁尽可能薄。但是，在将银用作空腔材料的时候，当壁厚小于1.5毫米时，壁的多孔性造成了问题。
用于制造根据本发明的装置的材料必须谨慎地选择。特别地，型芯材料的选择尤其重要。的确有必要在辐照期间避免产生不需要的副产品，这些副产品会导致残余放射性。例如，必须避免产生这种放射性同位素，它通过发射高能γ粒子分解并且由于放射性安全问题而难以在靶上进行任何机械干预。的确，在辐照之后测得的型芯的总的放射性以及所述型芯的总的清空必须尽可能低。钛在化学上惰性，但在质子辐照下产生半衰期为16天的48V。因此，在使用钛的情况下，靶窗口会破裂，它的更换将给维修工程师带来严重的问题，该维修工程师会遭到电离性辐照。
此外，当选择根据本发明的装置的型芯材料时，另一关键参数是它的导热率。因此，银是一种良好的导体，但却具有这样的缺点：在几次辐照操作后，它形成能够堵塞清空系统的银的化合物。
对于型芯，理想地是使用铌，该材料的导热率(53.7W/m/K)尽管比银(429W/m/K)低8倍，但比钛(21.9W/m/K)高2.5倍。铌在化学上惰性并产生少量半衰期长的同位素。因此，铌是一种很好的折中方案。但是，在型芯设计复杂的情况下，铌是一种难以使用的材料，因为它难以机加工。刀瘤可能出现在工具上，导致很高的工具磨损。甚至，工具可能断裂。使用放电加工也不是解决办法：电极在要机加工的零件尚未成型的情况下就磨损了。特别地，在文献BE-A-1011263中公开的型芯结构复杂，难以用铌制造。
另外，使用现有技术的型芯形式和材料难以产生更加长的型芯，更加长的型芯能给热交换提供更大的表面，因此是有益的。
钽也是一种具有使人感兴趣性能的材料，但是和铌一样，它难以机加工。钽具有稍高(好)于铌的热导率(57.5W/m/K)。
文献WO02101757涉及一种用于产生含18F的氟化物的装置，其中有一长空腔，用于容纳要被辐照的气态或液态靶材料。该空腔可以由铌制成。但是，该装置并不包括要引入到辐照单元中、包括空腔且形成所谓“型芯”的分离部件。WO02101757的装置包括组装在一起的几个部件，但是在单元与型芯之间没有区别。对于US5917874、US2001/0040223、US5425063所公开的辐照装置，情况也一样。
发明内容
因此，最接近的现有技术为专利BE1011263。本发明的目的是针对该文献所述的辐照装置提出一种更好的解决方案，即，包括辐照单元和如上所述的型芯的装置。
本发明的特别目的是提供一种具有型芯的辐照单元，该型芯至少部分地由铌或钽制成，并被设计成提供内部冷却装置。
所述辐照单元用于通过粒子束辐照靶材料来产生放射性同位素，该辐照单元包括靶本体和包含有空腔的金属型芯，该空腔被设计用来容纳靶材料并被辐照窗口封闭，该金属型芯能够被插入所述靶本体中，其中，所述金属型芯包括至少两个不同材料的分离的金属部件，所述至少两个不同材料的分离的金属部件至少由第一部件和第二部件构成，所述第一部件被设计成用于产生较长的空腔，以及所述第二部件包围所述第一部件而形成用于引导冷却介质的通道。
本申请还涉及一种用在上述辐照单元中的型芯，该型芯为形成有空腔的金属型芯的形式，该空腔被设计用来容纳靶材料并被辐照窗口封闭，该型芯能够被插入所述靶本体中，其中，所述型芯包括至少两个不同材料的分离的金属部件，所述至少两个不同材料的分离的金属部件至少由第一部件和第二部件构成，所述第一部件被设计成用于产生较长的空腔，以及所述第二部件包围所述第一部件而形成用于引导冷却介质的通道。
本申请还涉及上述型芯的制造方法，包括以下步骤：通过机加工形成第一部件，所述第一部件设计成包括一较长的空腔，所述第一部件由第一材料制成；形成第二部件，所述第二部件围绕所述第一部件而形成用于引导冷却介质的通道，所述第二部件采用与第一材料不同的材料制成；利用螺栓或通过焊接组装所述第一部件和第二部件。
本申请还涉及上述辐照单元的使用方法，用于在开始辐照之前填充占空腔的容积的大约50％的靶材料。
附图说明
图1是根据本发明的辐照单元的各部件的三维视图；
图2是根据本发明的组装好的装置的剖视图；
图3显示辐照单元的部件之一的右剖视图、后视图、左剖视图以及透视图；和
图4显示辐照单元的另一个构成部件的前视图、剖视图、后视图和透视图。
具体实施方式
为了在空腔内容纳被辐照而产生放射性同位素的材料，本发明涉及一种辐照单元。该单元包括用于冷却空腔的内部冷却装置以及包括该空腔的金属型芯。该单元的发明点在于该型芯由至少两个部件制成，所述至少两个部件由不同材料制成并组装在一起。包括空腔的部件如此设计，即，它易于由任何材料制造，使得它能够由例如最适合于辐照目的的铌或钽制造。然后，型芯的另一部件或另一些部件能够由另一材料制造。本发明同样还涉及金属型芯本身。
附图中公开了辐照单元的优选实施例。图1是辐照单元组件、包括用于冷却介质的管线的三维视图。辐照单元包括靶本体1和型芯2。靶本体连接到冷却介质入口4和出口5。
组装好的辐照单元在图2中可见，其中靶本体1再一次可见。型芯2包括第一金属部件8，它包括其中要放入靶材料的空腔7。型芯同样包括第二金属部件9，其包围空腔7，以形成用于引导冷却介质围绕该空腔的通道。用于提供冷却介质的装置以管6的形式存在，它要连接到冷却入口。在该管的端部，安装有“扩散体”元件3，它实质上是这样一种元件：其与供给管连接并按下述方式布置成包围空腔，即，在所述扩散体和所述第二部件之间形成用于冷却介质的返回路径。
根据本发明的优选实施例，型芯2系由通过螺栓10组装在一起的两个金属部件8和9制成。真实的金属与金属的接触以及O形环30和32的存在分别提供了两个部件8和9以及部件9与靶本体1之间的几乎完美的密封，从而防止冷却水逸出到辐照单元之外。第一部件8包括空腔7。由于其简单的结构，该部件8易于制造，这意味着它可以由最适于辐照目的的金属，特别是铌制造。第二金属部件9自身通过螺栓11拧紧到靶本体1上。因为该第二部件不与靶材料直接接触，它能由另一材料，如不锈钢或任何常规材料制成。通过由两个部件制成，本发明的型芯允许空腔壁由理想材料、铌或钽制成，而不会遇到制造复杂的铌或钽结构的实际问题。此外，该设计还允许用铌或钽制造带有比现有的型芯中所可能的更长的空腔7。特别地，根据本发明，可以在型芯中制造长度达到40毫米的空腔。
空腔7由对于加速粒子束透明的辐照窗口密封。该窗口在图2中未示出。它被放置成抵靠所述结构，并由O形环40封闭起来。窗口有利地由Havar制成，并且厚度在25到200微米之间，优选地在50到75微米之间。
图3显示了根据优选实施例的第一部件8的剖视图和透视图。图4显示了第二部件9的剖视图和透视图。部件8主要包括平直的圆环形部分16，其具有内圆形侧边和外圆形侧边(分别用50，51表示)。圆筒形部分17从平直部分的内侧边垂直凸起，且半球形部分18位于圆筒形部分17的顶部，从而从该侧封闭空腔。空腔的内直径为11.5毫米，总长度为25毫米，形成2毫升的容积用于容纳靶材料。空腔的长度可以根据所需容积而适配。在以较多的靶材料为代价的情况下，较大的外表面允许空间中的靶材料与冷却装置之间更好地进行热交换。采用本发明使用两个部件的设计，即使在难以机加工诸如铌或钽的材料的时候，也能制造出具有总长度为50毫米或更大长度的空腔的第一部件8。在平直部分中有孔19，以将第一部件8拧紧到第二部件9上。由于铌或钽的热导率比银型芯低，所以需要圆筒形部分17和半球形部分18尽可能薄，以促进空腔7中靶材料与冷却水的热交换。已经发现可以接受0.5毫米的厚度，以获得想要的热交换，且没有多孔性问题的困扰。本发明的发明人已经发现，特别是对于长度大的型芯，只有采用两个部件设计的型芯才能获得这样的薄壁。发明人还发现，即使空腔在辐照开始前仅部分地填充有靶材料的时候，根据本发明的辐照单元也能产出高产量的使人感兴趣的放射性同位素。当填充率，即插入在空腔中的靶材料的体积与空腔的内部容积的比值低于50％，优选地大约50％的时候，可获得满意的产量。这就与现有技术的装置，特别是BE10112636中所公开的装置不同。使用该文献中的型芯，由于上述的机加工困难性，空腔必须较短。其后果是这些短的空腔必须被填充到最大程度，否则就要丧失太多的辐照能量。如果装置能使用较长的空腔，如上所述，这对热交换将是有利的，而另一结果是：即使填充率只有大约50％，也能获得良好的辐照效率。这是因为半填充的长空腔在辐照开始之后留有更多的空间可以填充蒸汽，并留有较长的距离允许蒸汽在其上与质子束反应。因此，50％的填充率与较长的空腔直接相关，并与型芯的两个部件构造相关。
如图4所示，部件9为大体中空的圆柱体，包括两个大体垂直于圆柱外周部54的平直侧部52、53。部件9包括多个孔，用于在一个平直侧部53处拧紧抵靠到第一部件8，在另一侧部52处拧到靶本体1。将要布置成抵靠第一部件8的平直侧部53配置有突出的凸棱26，其装配到围绕第一部件8的周边的凹槽27中。这样允许部件8和9相对于彼此完美地共轴线定位。
根据本发明，可以设计型芯的其它形状的部件8和9或其它子部件，这涉及一种概念更广的由不同材料制成的超过一个固体部件制成的型芯。
在所示优选实施例中，部件9具有两个在直径上相对的开口20，当型芯组装好时，其与第一部件8的两个孔21对应。这些孔21允许接近部件8内部中通到空腔7的两个管22。在组装好的辐照单元上，可以借助于中空螺栓24通过密封件25安装外部管23，用于连接到开口20和管22。然后这两个管23能够连接到一回路中，所述回路用于使流体材料循环以在所述单元中被辐照，或用于在辐照之前填充所述单元并在辐照之后清空所述单元。
此外，可以设置使用液态氦的冷却装置，以冷却辐照窗口。
另外，在附图所示的优选实施例中，部件8和9之间的密封通过容纳在第二部件9中的环形凹槽31中的O形环30实现。另一O形环32封闭第二部件9和靶本体1之间的连接。另外，在围绕用于填充和清空辐照单元7的管23的出口20的凹槽中具有O形环33，从而防止靶材料逸出到空腔7外。这些O形环非常重要，因为它们可以与可能包括化学或核活性材料的靶材料接触，并且在辐照期间必须承受空腔7内的压力。该压力可达到35巴或更高。用于O形环的材料优选地是氟橡胶。
由于这种金属对金属的接触，本发明的型芯设计成使得在靶材料(富含18O的水)与O形环之间基本没有接触。在这种结构中，没有来自氟橡胶降解所导致的化学污染。
根据可选实施例，在型芯的部件8和9之间没有O形环，而是将金箔插在所述部件之间。金箔确保了用于空腔内靶材料的良好密封。
在又一实施例中，部件8和9之间的连接不是通过螺栓实现，而是通过焊接实现。
通过给型芯的第一部件8选择适当的材料，如与空腔7中存在的化学物质，特别是含18F的物质具有很低的化学反应性的铌或钽，可以获得基本上永久耐磨的靶。此外，通过使用这种靶材料，没有任何可能堵塞靶材料在其中流动的管的产品会溶解到靶材料中。

Claims (16)

1.一种辐照单元，用于通过粒子束辐照靶材料来产生放射性同位素，该辐照单元包括靶本体(1)和包含有空腔(7)的金属型芯(2)，该空腔(7)被设计用来容纳靶材料并被辐照窗口封闭，该金属型芯能够被插入所述靶本体(1)中，其特征在于，所述金属型芯(2)包括至少两个不同材料的分离的金属部件(8，9)，所述金属型芯(2)至少由第一部件(8)和第二部件(9)构成，
所述第一部件(8)被设计成用于产生较长的空腔(7)，以及
所述第二部件(9)包围所述第一部件(8)而形成用于引导冷却介质的通道。
2.根据权利要求1的辐照单元，其特征在于，所述辐照单元还包括用于提供冷却介质的供给装置(6)以及与所述供给装置连接、包围所述第一部件(8)且被称作“扩散体”的元件(3)，被称作“扩散体”的所述元件(3)被布置成用于引导所述冷却介质围绕所述第一部件(8)；所述第二部件(9)包围所述第一部件(8)和被称作“扩散体”的所述元件(3)而在被称作“扩散体”的所述元件(3)和所述第二部件(9)之间形成所述冷却介质的返回路径。
3.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)之间的接触为金属对金属的接触，所述第一部件和第二部件(8，9)之间的密封通过至少一个O形环(33)获得。
4.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)之间的密封通过所述第一部件和第二部件之间的金箔获得。
5.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)通过多个螺栓(10)组装在一起。
6.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)通过焊接组装在一起。
7.根据权利要求1所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件(8)包括具有内圆边(50)和外圆边(51)的平直的圆环形部分(16)、从所述平直的圆环形部分的内圆边垂直凸起的圆筒形部分(17)以及位于所述圆筒形部分顶上的半球形部分(18)，所述空腔(7)形成在所述圆筒形部分(17)和半球形部分(18)内。
8.根据权利要求7所述的辐照单元，其特征在于，所述圆筒形部分(17)和所述半球形部分(18)具有厚度在0.3毫米和0.7毫米之间的壁，并且所述空腔具有至少50毫米的长度。
9.根据权利要求7或8所述的辐照单元，其特征在于，所述第二部件(9)具有中空的圆柱体的形式，该中空的圆柱体具有基本垂直于圆柱侧部(54)的两个平直侧部(52，53)，所述圆柱体通过一个平直侧部(53)连接抵靠到所述第一部件(8)的平直的圆环形部分(16)上。
10.根据权利要求7或8所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)之一具有凸棱(26)，另一个具有与所述凸棱对应的凹槽(27)，以便实现所述第一部件和第二部件彼此间共轴线定位。
11.根据权利要求9所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件和第二部件(8，9)之一具有凸棱(26)，另一个具有与所述凸棱对应的凹槽(27)，以便实现所述第一部件和第二部件彼此间共轴线定位。
12.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第一部件(8)由铌或钽制成。
13.根据权利要求1或2所述的辐照单元，其特征在于，所述第二部件(9)由不锈钢制成。
14.一种用在根据前述权利要求中任一项的辐照单元中的型芯(2)，该型芯为形成有空腔(7)的金属型芯的形式，该空腔(7)被设计用来容纳靶材料并被辐照窗口封闭，该型芯能够被插入所述靶本体(1)中，其中，所述型芯(2)包括至少两个不同材料的分离的金属部件(8，9)，所述型芯(2)至少由第一部件(8)和第二部件(9)构成，
所述第一部件(8)被设计成用于产生较长的空腔(7)，以及
所述第二部件(9)包围所述第一部件(8)而形成用于引导冷却介质的通道。
15.一种根据权利要求14的型芯(2)的制造方法，包括以下步骤：
-通过机加工形成第一部件(8)，所述第一部件(8)设计成包括一较长的空腔(7)，所述第一部件(8)由第一材料制成；
-形成第二部件(9)，所述第二部件(9)围绕所述第一部件(8)而形成用于引导冷却介质的通道，所述第二部件(9)采用与第一材料不同的材料制成；
-利用螺栓(10)或通过焊接组装所述第一部件(8)和第二部件(9)。
16.一种根据权利要求1到13中任一项的辐照单元的使用方法，用于在开始辐照之前填充占空腔(7)的容积的大约50％的靶材料。
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