DE112012006830T5

DE112012006830T5 - Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon

Info

Publication number: DE112012006830T5
Application number: DE112012006830.0T
Authority: DE
Inventors: Bong Hwan Hong; Won Taek HWANG; Tae Keun YANG; In Su Jung; Joon Sun Kang; Yeun Soo Park
Original assignee: Korea Inst Radl & Med Sciences; Korea Institute of Radiological and Medical Sciences
Current assignee: Korea Inst Radl & Med Sciences; Korea Institute of Radiological and Medical Sciences
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2015-05-21
Also published as: KR101366689B1; WO2014030792A1; US20150170777A1

Abstract

Ein Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Hohlraumelement mit einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Konzentrats für eine nukleare Reaktion auf. Das Hohlraumelement umfasst: einen vorderen Dünnfilm mit einer vorderen Öffnung und einer hinteren Öffnung, ein vorderes Kühlelement, das mit dem Hohlraumelement gekoppelt ist, ein Thermosiphon-Induktionselement, das mit der hinteren Öffnung verbunden ist und das einen mit dem Hohlraum verbundenen Thermosiphon-Strömungskanal aufweist, um zu ermöglichen, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat mittels eines Thermosiphon-Effekts strömen kann, und ein hinteres Kühlelement, das mit der Rückseite des Thermosiphon-Induktionselements gekoppelt ist und das einen Kühlwasserzuführungsraum aufweist.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Das erfinderische Konzept betrifft ein Schwerwasser(H₂ ¹⁸O)-Target-Gerät zur Herstellung von Isotopen mit verbesserter Kühlungsleistung, bei dem, wenn unter Anwendung einer nuklearen Reaktion zwischen Protonen und H₂ ¹⁸O (Schwerwasser) als radioaktives Isotop ¹⁸F gebildet wird, eine Erwärmung und ein Druckanstieg in einem Hohlraum minimiert werden kann, wenn Protonen von einer Energie vorgegebener Protonen auf einen hohen Strom gestrahlt werden.
STAND DER TECHNIK
Allgemein wird Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verbreitet zur Frühdiagnose von Tumoren und verschiedenen Erkrankungen angewendet.
Heutzutage wird PET in einem erweiterten Bereich von Diagnosen angewendet. Daher wurden radioaktive Medizinprodukte zur Positronenemission mit verschiedenen markierten Positronenemissionsisotopen entwickelt. Repräsentative Beispiele dieser radioaktiven Medizinprodukte beinhalten FDG (2-[18F]Fluoro-2-deoxy-D-glucose), die bei der Krebsdiagnose verwendet wird, und L-[11C-Methyl]methionin, das bei der Diagnose eines Hirntumors unter anderen Arten von Krebs anwendbar ist.
Wenn Protonen auf H₂ ¹⁸O (schweres Wasser) gestrahlt werden, wird durch eine nukleare ¹⁸O(p, n)¹⁸F-Reaktion ¹⁸F erzeugt, und die Protonen werden von einem Gerät zum Synthetisieren des erzeugten ¹⁸F chemisch synthetisiert, so dass letztendlich FDG hergestellt werden kann. Daher ist ein Gerät zum Erzeugen von ¹⁸F, das ein Grundstoff ist, erforderlich, und dieses Gerät wird als H₂ ¹⁸O(Schwerwasser)-Target-Gerät bezeichnet. Ein Beispiel des Target-Geräts ist im koreanischen Patent mit der Registrier-Nr. 1065057 offenbart.
Die Menge an ¹⁸F, die im Target-Gerät erzeugt wird, wird als Ausbeute angegeben. Die Ausbeute des Target-Geräts ist proportional zur Energie von Protonen, die in der Einheit Elektronenvolt (eV) bei einem nuklearen Reaktionsverfahren eingestrahlt werden, und die Anzahl an Protonen repräsentiert als Strom. Die Proton-Gesamtenergie wird als Produkt der Energieeinheit eines Protons und der Anzahl an Protonen angegeben. Allerdings wird bei einem nuklearen Reaktionsverfahren derzeit nur ein geringer Teil der Protonen für die nukleare Reaktion genutzt, und die Energie der meisten Protonen wird in Wärme umgewandelt. Wenn daher die Energie der Protonen oder der Strom erhöht werden, um die Ausbeute des Target-Geräts zu verbessern, nimmt das H₂ ¹⁸O (Schwerwasser) im Target-Gerät eine große Menge an Energie auf, und schweres Wasser im Hohlraum erfährt gleichzeitig einen Phasenübergang und liegt in einem Hochtemperatur- und Hochdruckzustand vor. Solch harte Bedingungen haben einen nachteiligen Einfluss auf die Lebensdauer des Target-Geräts. Das heißt, es tritt aufgrund eines Phasenübergangs eines Reaktionspartners im Hohlraum und Hitzebelastung durch hohe Temperatur (high-temperature heat perturbation) eine teilweise Dichteveränderung des schweren Wassers auf, so dass die Ausbeute des Target-Geräts verringert wird.
Daher ist eine Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Kühlung von H₂ ¹⁸O (Schwerwasser) im Target-Gerät eine signifikante Lösung zur Verbesserung der Lebensdauer und der Produktionsausbeute des Target-Geräts.
Wenn Partikelstrahlen auf ein flüssiges Target gestrahlt werden, um radioaktive Isotopen herzustellen, steigt der Innendruck in Verbindung mit einer großen Wärmemenge. Insbesondere der Druck ist eine Variable zur Bestimmung der Lebensdauer des Target-Geräts. 1 ist eine konzeptionelle Ansicht eines Prinzips zur Kühlung eines Konzentrats, das im Hohlraum eines Target-Geräts aus dem Stand der Technik aufgenommen ist.
Um die Produktionsausbeute an radioaktiven Isotopen zu erhöhen, sollte eine Strommenge an Partikelstrahlen erhöht werden. Um den dadurch bedingten Druckanstieg zu überwinden, sollte eine wirksame Kühlung des flüssigen Targets vorgenommen werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES ERFINDERISCHEN KONZEPTS
TECHNISCHE AUFGABE
Das erfinderische Konzept stellt ein Target-Gerät mit einer verbesserten Konstruktion zur Verfügung, bei dem eine Kühlungsleistung im Vergleich zu einem Target-Gerät aus dem Bekannten erheblich verbessert ist, so dass schweres Wasser in einem Hohlraum bei einem nuklearen Aktionsverfahren effektiv gekühlt werden kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Gemäß einem Aspekt des erfinderischen Konzepts wird ein Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon, das ein Hohlraumelement mit einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Konzentrats für eine nukleare Reaktion aufweist, und wobei das Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mittels einer nuklearen Reaktion zwischen den Protonen, die auf das Konzentrat im Hohlraum eingestrahlt werden, und dem Konzentrat radioaktive Isotopen herstellt, wobei das Hohlraumelement umfasst:
einen vorderen Dünnfilm mit einer vorderen Öffnung und einer hinteren Öffnung, die so angeordnet sind, dass sie auf entgegengesetzte Seiten des Protonenstrahlungswegs gerichtet sind, und die mit dem Hohlraum derart verbunden sind, dass der Hohlraum mit der äußeren Umgebung in kommunizierender Verbindung stehen kann, wobei der vordere Dünnfilm so angeordnet ist, dass er die vordere Öffnung verschließt,
ein vorderes Kühlelement, das mit dem Hohlraumelement so gekoppelt ist, dass der vordere Dünnfilm derart gestützt ist, dass der vordere Dünnfilm durch den Anstieg des Drucks im Hohlraum bei der nuklearen Reaktion nicht anschwellen kann, und das auf dem Protonenstrahlungsweg angeordnet ist, wobei das vordere Kühlelement eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, die in der Protonenstrahlungsrichtung ausgebildet sind,
ein Thermosiphon-Induktionselement, das mit der hinteren Öffnung verbunden ist, und das einen mit dem Hohlraum verbundenen Thermosiphon-Strömungskanal aufweist, um zu ermöglichen, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat mittels eines Thermosiphon-Effekts strömen kann, und
ein hinteres Kühlelement, das mit der Rückseite des Thermosiphon-Induktionselements gekoppelt ist, und das einen Kühlwasserzuführungsraum aufweist, zur Verfügung gestellt.
ERGEBNISSE DER ERFINDUNG
In einem Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon gemäß der vorliegenden Erfindung werden Anstiege in Temperatur und Druck eines Konzentrats aufgrund einer nuklearen Reaktion in einem Hohlraum in einer Weise induziert, dass eine natürliche Konvektion in dem im Hohlraum aufgenommenen Konzentrat aufgrund eines Thermosiphon-Effekts in Verbindung mit Kühlwasser auftritt, so dass eine Kühlungsleistung erheblich verbessert werden kann.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine konzeptionelle Ansicht eines Prinzips zur Kühlung eines Konzentrats, das im Hohlraum eines Target-Geräts aus dem Stand der Technik aufgenommen ist.
2 ist eine konzeptionelle Ansicht eines Prinzips zur Kühlung eines Konzentrats, das im Hohlraum eines Target-Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Konstruktion eines Target-Geräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht von Hauptelementen des in 3 dargestellten Target-Geräts.
5 ist eine Ansicht eines Zustands, in dem die in 4 dargestellten Elemente miteinander verbaut sind.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht der Linie VI-VI von 5.
7 ist ein Schaubild, das die Kühlungsleistung eines Target-Geräts in Abhängigkeit davon zeigt, ob ein interner Thermosiphon-Strömungskanal vorhanden ist.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
2 ist eine konzeptionelle Ansicht eines Prinzips zur Kühlung eines Konzentrats, das im Hohlraum eines Target-Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Konstruktion eines Target-Geräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht von Hauptelementen des in 3 dargestellten Target-Geräts. 5 ist eine Ansicht eines Zustands, in dem die in 4 dargestellten Elemente miteinander verbaut sind. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht der Linie VI-VI von 5. 7 ist ein Schaubild, das die Kühlungsleistung eines Target-Geräts in Abhängigkeit davon zeigt, ob ein interner Thermosiphon-Strömungskanal vorhanden ist.
Mit Bezug zu den 2 bis 7 umfasst ein Target-Gerät 10 für radioaktive Isotopenflüssigkeiten (nachfolgend als ”Target-Gerät” bezeichnet) mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Hohlraumelement mit einem Hohlraum, in dem ein Konzentrat für eine nukleare Reaktion aufgenommen ist, und es bildet radioaktive Isotopen bei einer nuklearen Reaktion zwischen Protonen, die auf das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat gestrahlt werden, und dem Konzentrat. Das Target-Gerät wird beispielsweise zum Herstellen von ¹⁸F bei einer nuklearen Reaktion zwischen den auf ein H₂ ¹⁸O-Konzentrat gestrahlten Protonen und dem H₂ ¹⁸O-Konzentrat verwendet. In 2 stellt der Pfeil ”Y” eine Strömungsrichtung des Kühlwassers dar, und der Pfeil ”S” stellt eine Strömungsrichtung des H₂ ¹⁸O-Konzentrats dar.
Das Target-Gerät 10 umfasst ein Hohlraumelement 20, einen vorderen Dünnfilm 30, ein vorderes Kühlelement 40, ein Thermosiphon-Induktionselement 60 und ein hinteres Kühlelement 70.
Das Hohlraumelement 20 umfasst einen Hohlraum 22, eine vordere Öffnung 24 und eine hintere Öffnung 26. Das Hohlraumelement 20 kann unter Verwendung eines Metalls mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit, wie Kupfer (Cu), gefertigt werden.
Der Hohlraum 22 ist ein Raum, der in der Mitte des Hohlraumelements 20 ausgebildet ist. Das H₂ ¹⁸O-Konzentrat ist im Hohlraum 22 aufgenommen. Das H₂ ¹⁸O-Konzentrat ist H₂O, in dem 95% oder mehr H₂ ¹⁸O konzentriert sind. Eine thermochemisch stabile Schicht, die mit Titan (Ti) oder Niob (Nb) überzogen ist, kann auf einer inneren Umfangsfläche des Hohlraums 22 vorgesehen sein.
Der Hohlraum 22 ist durch die vordere Öffnung 24 und die hintere Öffnung 26 nach außen hin offen. Der Hohlraum 22 weist zu einer Ebene senkrecht zu einem Protonenstrahlungsweg einen runden Querschnitt auf. Ein Volumen des Hohlraums 22 beträgt ungefähr 1,0 cm³ bis 6,0 cm³, es stellt ein Volumen des H₂ ¹⁸O-Konzentrats dar und wird in der Regel für eine nukleare Reaktion genutzt. Das Volumen des Hohlraums 22 ist im Wesentlichen ein Volumen, das einen Thermosiphon-Strömungskanal 64 aufweist, der im Thermosiphon-Induktionselement 60 angeordnet ist, das nachfolgend beschrieben wird. Es kann eine Mehrzahl von Kühlrippen auf einer äußeren Umfangsfläche des Hohlraumelements 20 vorgesehen sein. Im Hohlraumelement 20 ist entlang einer Umfangsrichtung des Hohlraums 22 ein Raum ausgebildet, in dem das Kühlwasser strömt.
Die vordere Öffnung 24 und die hintere Öffnung 26 sind so angeordnet, dass sie zu entgegengesetzten Seiten des Protonenstrahlungswegs gerichtet sind. Die vordere Öffnung 24 und die hintere Öffnung 26 sind mit dem Hohlraum 22 so verbunden, dass der Hohlraum 22 mit der Außenseite in kommunizierender Verbindung stehen kann.
Die Protonen werden durch die vordere Öffnung 24 in den Hohlraum 22 gestrahlt. Die gesamte Energie der eingestrahlten Protonen wird in dem H₂ ¹⁸O-Konzentrat, das im Hohlraum 22 aufgenommen ist, absorbiert.
Der vordere Dünnfilm 30 ist so angeordnet, dass er die vordere Öffnung 24 bedeckt. Das in den Hohlraum 22 eingefüllte H₂ ¹⁸O-Konzentrat fließt nicht nach außen, sondern wird aufgrund des vorderen Dünnfilms 30 in einem Zustand gehalten, in dem das H₂ ¹⁸O-Konzentrat im Hohlraum 22 aufgenommen ist. Der vordere Dünnfilm 30 ist mit dem Hohlraum 22 in einem Zustand gekoppelt, in dem der vordere Dünnfilm 30 von einem Dichtungselement (nicht gezeigt), wie Polyethylen, abgedichtet ist.
Der vordere Dünnfilm 30 ist aus Metall, wie Ti oder Nb, gebildet. Eine Dicke des vorderen Dünnfilms 30 beträgt in der Regel einige Zehner-Mikrometer (μm) (tens of μm). Genauer gesagt, die Dicke des vorderen Dünnfilms 30 kann 50 μm betragen.
Das vordere Kühlelement 40 ist mit dem Hohlraumelement 20 so gekoppelt, dass der vordere Dünnfilm 30 gestützt ist. Der vordere Dünnfilm 30 ist zwischen dem vorderen Kühlelement 40 und dem Hohlraumelement 20 angeordnet. Das vordere Kühlelement 40 weist eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 42 auf. Die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 42 sind so ausgebildet, dass sie durch das vordere Kühlelement 40 in eine Protonenstrahlungsrichtung verlaufen. Eine Gesamtfläche der Durchgangsöffnungen 42 kann 80% oder mehr einer Gesamtfläche der vorderen Öffnung 24 betragen. Die Durchgangsöffnungen 42 des vorderen Kühlelements 40 sind nicht in einem vorderen Gitterbereich 44 ausgebildet, und die Protonen kommen nicht durch Bereiche zwischen den Durchgangsöffnungen 42. Daher bewirken die Protonen, die nicht durch den vorderen Gitterbereich 44 kommen, einen Energieverlust. Daher beträgt die Gesamtfläche der Durchgangsöffnungen 42 weniger als 80% der Gesamtfläche der vorderen Öffnung 24, so dass ein übermäßiger Energieverlust der Protonen auftritt und dazu führt, dass der Wirkungsgrad der Produktion von ¹⁸F sinkt und damit nicht wünschenswert ist. Die Durchgangsöffnungen 42 können senkrecht zum Protonenstrahlungsweg kreisförmige oder hexagonale Querschnitte aufweisen. Die Durchgangsöffnungen 42 sind an ihren Querschnitten senkrecht zum Protonenstrahlungsweg honigwabenförmig angeordnet. Ein Raum, in dem das Kühlwasser strömt, ist im vorderen Kühlelement 40 ausgebildet. Bei der Strahlung von Protonen wird Wärme, die im vorderen Gitterbereich 44 des vorderen Kühlelements 40 erzeugt wird, und Wärme, die bei der nuklearen Reaktion erzeugt wird, vom Kühlwasser gekühlt. Das vordere Kühlelement 40 kann unter Verwendung von Metall mit guter thermischer Leitfähigkeit gefertigt werden, wie aus Aluminium (Al) oder Cu. Das vordere Kühlelement 40 stützt den vorderen Dünnfilm 30 so, dass der vordere Dünnfilm 30 aufgrund eines Anstiegs von Temperatur und Druck des Konzentrats im Hohlraum 22 nicht anschwellen kann.
Das Thermosiphon-Induktionselement 60 ist ein Element zur Umsetzung eines wesentlichen Wirkungseffekts der vorliegenden Erfindung. Ein Thermosiphon-Effekt ist ein Phänomen, bei dem aufgrund eines Dichteunterschieds, der durch eine Temperaturveränderung bei einem Medium bedingt ist, das Phänomen einer natürlichen Konvektion auftritt und es erfolgt eine Strömung des Mediums. In der Regel ist der Thermosiphon-Effekt ein Mechanismus, bei dem ein Fluid durch natürliche Konvektion in einem Zustand umgewälzt wird, bei dem keine Arbeit einer Anlage, wie einer externen Pumpe, beteiligt ist. Zum Beispiel wird der Thermosiphon-Effekt hauptsächlich bei einer Erwärmung durch Solarwärme angewendet.
Das Thermosiphon-Induktionselement 60 ist mit der hinteren Öffnung 26 verbunden. Das Thermosiphon-Induktionselement 60 beinhaltet ein Gehäuse 62, einen Thermosiphon-Strömungskanal 64, eine Blockstruktur 66 und einen Kühlwasserströmungsabschnitt 68.
Das Gehäuse 62 ist so angeordnet, dass es der hinteren Öffnung 26 des Hohlraumelements 20 zugewandt ist. Ein Raum, in den das Kühlwasser eingeleitet wird und durch den es strömt, ist in dem Gehäuse 62 vorgesehen. Eine Abdichtung, die dazu dient, das in dem Hohlraum 22 aufgenommene Konzentrat so einzuschließen, dass es nicht austreten kann, ist zwischen dem Gehäuse 62 und dem Hohlraumelement 20 angeordnet. Das Gehäuse 62 und das Hohlraumelement 20 können unter Verwendung eines Bauteils, wie eines Bolzens, fest aneinandergekoppelt sein. Das heißt, das Hohlraumelement 20 und das Thermosiphon-Induktionselement 60 sind unter Verwendung eines Bolzens miteinander gekoppelt.
Der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist so vorgesehen, dass das im Hohlraum 22 aufgenommene Konzentrat bedingt durch den Thermosiphon-Effekt strömen kann. Der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist mit dem Hohlraum 22 verbunden. Genauer gesagt, der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist in einer Weise ausgebildet, dass der im Gehäuse 62 gebildete Raum durch die Blockstruktur 66 unterteilt wird, wie es später noch beschrieben wird. Der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist ein Raum, der zwischen der Blockstruktur 66 und dem Gehäuse 62 ausgebildet ist. Der Thermosiphon-Strömungskanal ist ein Strömungskanal, der eine Decke und einen Boden des Hohlraums verbindet. Auf dem Thermosiphon-Strömungskanal 64 strömt das Konzentrat bei Hochtemperatur aufgrund des Thermosiphon-Effekts (des Phänomens der natürlichen Konvektion) um die Decke des Hohlraums 22 entlang eines oberen Teilbereichs der Blockstruktur 66 und wird dabei abgekühlt, so dass die spezifische Dichte des Konzentrats zunimmt und es nahe dem Boden des Hohlraums 22 strömt. Das heißt, der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist ein Weg, auf dem das im Hohlraum 22 aufgenommene Konzentrat während der nuklearen Reaktion aufgeheizt wird und so induziert wird, dass aufgrund einer Differenz der erzeugten spezifischen Dichte ein Phänomen gleichmäßiger Konvektion auftreten kann. Der Thermosiphon-Strömungskanal 64 dient dazu, einen Wärmeübertragungsbereich des Konzentrats zu vergrößern.
Die Blockstruktur 66 ist in dem Raum im Gehäuse 62 angeordnet. Der Thermosiphon-Strömungskanal 64 ist durch die Blockstruktur 66 gebildet. Die Blockstruktur 66 kann an einer inneren Umfangsfläche des Gehäuses 62 durch Löten oder einen Bolzen befestigt sein. Indessen kann die Blockstruktur 66 integral mit dem Gehäuse 62 ausgebildet sein. Das Innere der Blockstruktur 66 stellt einen leeren Raum dar. Das heißt, der in der Blockstruktur 66 ausgebildete leere Raum stellt den Kühlwasserströmungsabschnitt 68 dar, der bewirkt, dass das in die hintere Kühlkammer 70 eingeleitete Wasser strömt, wie es später noch beschrieben wird. Das heißt, der Kühlwasserströmungsabschnitt 68 ist in einer Weise konfiguriert, dass das im Hohlraum 22 aufgenommene Konzentrat eine effektive Kühlungswirkung zeigen kann, während das Konzentrat aufgrund des Thermosiphon-Effekts strömt. Der Kühlwasserströmungsabschnitt 68 kann aufgrund des Vorhandenseins der Blockstruktur 66 ausgeführt werden. Das heißt, der mittlere Abschnitt der Blockstruktur 66 nimmt den mittleren Abschnitt des Innenraums des Gehäuses 62 ein, so dass der Thermosiphon-Strömungskanal 64 mit der Decke und dem Boden des Hohlraums 22 verbunden werden kann.
Das hintere Kühlelement 70 ist mit einem hinteren Abschnitt des Thermosiphon-Induktionselements 60 gekoppelt. Das hintere Kühlelement 70 ist derart konfiguriert, dass das Kühlwasser in das hintere Kühlelement 70 eingeleitet oder daraus abgeleitet werden kann und in einem Zustand strömen kann, in dem das hintere Kühlelement 70 mit dem Thermosiphon-Induktionselements 60 gekoppelt ist. Das heißt, das hintere Kühlelement 70 ist mit dem hinteren Abschnitt des Thermosiphon-Induktionselements 60 gekoppelt, und ein Kühlwasserzuführungsraum ist im hinteren Kühlelement 70 ausgebildet. Das in das hintere Kühlelement 70 eingeleitete Kühlwasser wird in den Kühlwasserströmungsabschnitt 68 eingeleitet, der im Thermosiphon-Induktionselement 60 angeordnet ist, und es erfolgt ein Wärmeaustausch mit dem Konzentrat, das am Umfang der Blockstruktur 66 entlangströmt, wodurch das Konzentrat effektiv abgekühlt wird.
Indessen können das vordere Kühlelement 40, das Hohlraumelement 20 oder das Thermosiphon-Induktionselement 60 und das hintere Kühlelement 70 unter Verwendung einer Kopplungseinheit, wie einem Bolzen, integral miteinander gekoppelt sein.
Nachfolgend werden die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, während ein Beispiel einer Verfahrensweise zum Herstellen von ¹⁸F unter Verwendung des Target-Geräts 10 gemäß der derzeitigen Ausführungsform mit der oben beschriebenen Konfiguration beschrieben wird. Wenn, nachdem Protonen mit einer geeigneten Energie unter Verwendung einer Partikelbeschleunigeranlage, wie einem Zyklotron, erzeugt wurden, die Protonen auf das in 6 dargestellte Target-Gerät 10 gestrahlt werden, tritt ein Teil der Protonen nicht durch den vorderen Gitterbereich 44 des vorderen Kühlelements 40 und alle Protonen werden absorbiert und der übrige Teil der Protonen passiert die Durchgangsöffnungen 42 des vorderen Kühlelements 40. Die Protonen, die durch die Durchgangsöffnungen 42 des vorderen Kühlelements 40 passieren, passieren auch den vorderen Dünnfilm 30, so dass ein Teil der Energie der Protonen im vorderen Dünnfilm 30 absorbiert wird und die übrige Energie der Protonen im H₂ ¹⁸O-Konzentrat, das im Hohlraum 22 des Hohlraumelements 20 aufgenommen ist, absorbiert wird. Auf diese Weise erfolgt, wenn die Protonen auf das H₂ ¹⁸O-Konzentrat gestrahlt werden, eine nukleare Reaktion der Protonen mit dem H₂ ¹⁸O-Konzentrat und dadurch wird ¹⁸F gebildet. Wärme, die im vorderen Gitterbereich 44 des vorderen Kühlelements 40 erzeugt wird, wenn die Protonen eingestrahlt werden, wird durch das Kühlwasser gekühlt, das durch das vordere Kühlelement 40 strömt. Indessen wird Wärme, die bei der nuklearen Reaktion zwischen den Protonen und dem H₂ ¹⁸O-Konzentrat im Hohlraum 22 erzeugt wird, durch das Kühlwasser gekühlt, das durch das Hohlraumelement 20 strömt. Bei dieser Verfahrensweise veranlasst das Thermosiphon-Induktionselement 60 das Konzentrat, aufgrund des Phänomens der Konvektion durch den Thermosiphon-Strömungskanal 64 zu strömen, da sich die spezifische Dichte des durch die nukleare Reaktion im Hohlraum 22 erwärmten Konzentrats verändert. Auf diese Weise erfolgt, da das Konzentrat rasch durch den Thermosiphon-Strömungskanal 64 strömt, ein gleichmäßiger Wärmeaustausch mit dem Kühlwasser, das um den Hohlraum 22 strömt, so dass vermieden wird, dass Temperatur und Druck des Konzentrats allzu stark ansteigen. Ebenso kann das Konzentrat, das durch den Thermosiphon-Strömungskanal 64 strömt, im Wärmeaustausch mit dem Kühlwasser, das in den Kühlwasserströmungsabschnitt 68 eingeleitet wird, der in der Blockstruktur 66 angeordnet ist, schneller abgekühlt werden.
Auf diese Weise kann das Target-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung einen Thermosiphon-Strömungskanal in einem Raum ausbilden, der mit dem Hohlraum verbunden ist, während das gleiche Volumen des Hohlraums beibehalten wird wie im Stand der Technik, so dass das durch bei der nuklearen Reaktion erzeugte Wärme erwärmte Konzentrat aufgrund des Phänomens der Konvektion gleichmäßig strömen kann und die Kühlungsleistung erheblich verbessert werden kann. Ebenso wird das Kühlwasser in die Blockstruktur, die dazu vorgesehen ist, den Thermosiphon-Strömungskanal auszubilden, so eingeleitet, dass ein Kühleffekt des Konzentrats maximiert werden kann. 7 ist ein Schaubild, das das Kühlungsverhalten des Konzentrats in einem Target-Gerät in Abhängigkeit davon zeigt, ob ein Thermosiphon-Strömungskanal vorhanden ist. Das heißt, 7 zeigt einen zeitabhängigen Druckverlauf des Target-Geräts mit einem Hohlraum mit dem gleichen Volumen wie bei einem Target-Gerät mit dem Volumen eines quadratisch würfelförmigen Hohlraums (20 mm × 20 mm × 20 mm), wenn Protonenstrahlen von 30 MeV/20 in 8 cm³ Wasser gestrahlt werden, wobei das Target-Gerät den Thermosiphon-Strömungskanal aufweist. Gemäß 7 ist der Anstieg des Innendrucks im Target-Gerät mit dem Thermosiphon-Strömungskanal beträchtlich geringer. Daraus ist abzuleiten, dass die Kühlungsleistung erheblich verbessert ist, wenn der Thermosiphon-Strömungskanal vorgesehen ist, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist.
AUSFÜHRUNG DES ERFINDERISCHEN KONZEPTS
Das Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hohlraumelement mit einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Konzentrats für eine nukleare Reaktion und es bildet radioaktive Isotopen mittels einer nuklearen Reaktion zwischen den Protonen, die auf das Konzentrat im Hohlraum gestrahlt werden, und dem Konzentrat. Das Hohlraumelement umfasst: einen vorderen Dünnfilm mit einer vorderen Öffnung und einer hinteren Öffnung, die so angeordnet sind, dass sie auf entgegengesetzte Seiten des Protonenstrahlungswegs gerichtet sind, und die mit dem Hohlraum derart verbunden sind, dass der Hohlraum mit der äußeren Umgebung in kommunizierender Verbindung stehen kann, wobei der vordere Dünnfilm so angeordnet ist, dass er die vordere Öffnung verschließt, ein vorderes Kühlelement, das mit dem Hohlraumelement so gekoppelt ist, dass der vordere Dünnfilm derart gestützt ist, dass der vordere Dünnfilm durch den Anstieg des Drucks im Hohlraum bei der nuklearen Reaktion nicht anschwellen kann, und das auf dem Protonenstrahlungsweg angeordnet ist, wobei das vordere Kühlelement eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, die in der Protonenstrahlungsrichtung ausgebildet sind, ein Thermosiphon-Induktionselement, das mit der hinteren Öffnung verbunden ist, und das einen mit dem Hohlraum verbundenen Thermosiphon-Strömungskanal aufweist, um zu ermöglichen, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat mittels eines Thermosiphon-Effekts strömen kann, und ein hinteres Kühlelement, das mit der Rückseite des Thermosiphon-Induktionselements gekoppelt ist und das einen Kühlwasserzuführungsraum aufweist.
Das Thermosiphon-Induktionselement kann eine Blockstruktur aufweisen, die einen mittleren Abschnitt des Thermosiphon-Induktionselements einnimmt, so dass der Thermosiphon-Strömungskanal mit einer Decke des Hohlraums verbunden werden kann.
Ein Kühlwasserströmungsabschnitt kann in der Blockstruktur ausgebildet sein und der Kühlwasserströmungsabschnitt kann derart ausgebildet sein, dass das Kühlwasser, das dem hinteren Kühlelement zugeführt wird, in den Kühlwasserströmungsabschnitt eingeleitet werden kann.
Eine Abdichtung kann zwischen dem Hohlraumelement und dem Thermosiphon-Induktionselement so angeordnet sein, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat nicht austreten kann, und das Hohlraumelement und das Thermosiphon-Induktionselement können unter Verwendung eines Bolzens miteinander gekoppelt sein.
Während das erfinderische Konzept insbesondere mit Bezug zu beispielhaften Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass hierzu verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Rahmen der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mit einem internen Strömungskanal als funktioneller Thermosiphon, umfassend ein Hohlraumelement mit einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Konzentrats für eine nukleare Reaktion, und wobei das Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten mittels der nuklearen Reaktion zwischen den Protonen, die auf das Konzentrat im Hohlraum eingestrahlt werden, und dem Konzentrat radioaktive Isotopen herstellt, wobei das Hohlraumelement umfasst: einen vorderen Dünnfilm mit einer vorderen Öffnung und einer hinteren Öffnung, die so angeordnet sind, dass sie auf entgegengesetzte Seiten des Protonenstrahlungswegs gerichtet sind, und die mit dem Hohlraum derart verbunden sind, dass der Hohlraum mit der äußeren Umgebung in kommunizierender Verbindung stehen kann, wobei der vordere Dünnfilm so angeordnet ist, dass er die vordere Öffnung verschließt, ein vorderes Kühlelement, das mit dem Hohlraumelement so gekoppelt ist, dass der vordere Dünnfilm derart gestützt ist, dass der vordere Dünnfilm durch den Anstieg des Drucks im Hohlraum bei der nuklearen Reaktion nicht anschwellen kann, und das auf dem Protonenstrahlungsweg angeordnet ist, wobei das vordere Kühlelement eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, die in der Protonenstrahlungsrichtung ausgebildet sind, ein Thermosiphon-Induktionselement, das mit der hinteren Öffnung verbunden ist, und das einen mit dem Hohlraum verbundenen Thermosiphon-Strömungskanal aufweist, um zu ermöglichen, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat mittels eines Thermosiphon-Effekts strömen kann, und ein hinteres Kühlelement, das mit der Rückseite des Thermosiphon-Induktionselements gekoppelt ist und das einen Kühlwasserzuführungsraum aufweist.
Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten nach Anspruch 1, bei dem das Thermosiphon-Induktionselement eine Blockstruktur umfasst, die einen mittleren Abschnitt des Thermosiphon-Induktionselements einnimmt, so dass der Thermosiphon-Strömungskanal mit einer Decke und einem Boden des Hohlraums verbunden werden kann.
Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten nach Anspruch 2, bei dem in der Blockstruktur ein Kühlwasserströmungsabschnitt ausgebildet ist und der Kühlwasserströmungsabschnitt derart ausgebildet ist, dass das Kühlwasser, das dem hinteren Kühlelement zugeführt wird, in den Kühlwasserströmungsabschnitt eingeleitet wird.
Target-Gerät für radioaktive Isotopenflüssigkeiten nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Hohlraumelement und dem Thermosiphon-Induktionselement eine Abdichtung so angeordnet ist, dass das im Hohlraum aufgenommene Konzentrat nicht austreten kann, und das Hohlraumelement und das Thermosiphon-Induktionselement unter Verwendung eines Bolzens miteinander gekoppelt sind.