RU217786U1 - Устройство для производства радионуклида германий-68 на основе металлического галлия в жидкой фазе - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ядерной технологии, а именно, к конструкциям циклотронных мишеней при производстве радионуклида Германий-68, широко применяемого в составе радионуклидных генераторов для получения меченых радионуклидной меткой препаратов, используемых для ПЭТ-КТ диагностики рака, локализации метастазов и т.п. Устройство для производства радионуклида Германий-68 при облучении материала мишени потоком ускоренных заряженных частиц включает подложку, представляющую собой объемную протяженную деталь, выполненную из инертного к материалу мишени металла, содержащую основание с бортиками, формирующими углубление для размещения охлаждающей среды, и щелевой канал, размещенный в основании и предназначенный для заполнения материалом мишени, в качестве которого использован металлический галлий в жидкой фазе, при этом нижняя поверхность основания, закрывающая щелевой канал, выполнена проницаемой для потока ускоренных заряженных частиц. Техническим результатом является увеличение полезного выхода радионуклида Германий-68 (увеличение производительности мишенного устройства) при упрощении процесса изготовления мишени. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к ядерной технологии, а именно к конструкциям циклотронных мишеней при производстве радионуклида Германий-68, широко применяемого в составе радионуклидных генераторов для получения меченых радионуклидной меткой препаратов, используемых для ПЭТ-КТ диагностики рака, локализации метастазов и т.п. Также Германий-68 может быть использован в составе калибровочных источников ионизирующего излучения.

Уровень техники

В настоящее время, в связи с постоянным развитием технологий ядерной медицины, расширяется применение методов сканирования с использованием позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), в частности для препаратов на основе молекул типа PSMA, DOTA и т.п. Для эффективного мечения таких молекул одним из наиболее подходящих изотопов, сочетающим подходящие химические свойства, период полураспада и свойства излучения, является радионуклид Галлий-68. Основным способом получения данного радионуклида является применение генераторов на основе радионуклида Германий-68. Производство Германия-68 осуществляется путём облучения мишеней на основе природного галлия протонами с энергией около 30 МэВ (реакция вида Ga-69(p,2n)->Ge-68), осуществляемым на специализированных циклотронах. При этом, поскольку металлический галлий имеет температуру плавления около 29°С, то в условиях облучения, которое неизбежно сопровождается интенсивным нагревом, сохранить его в твёрдой фазе практически невозможно. Кроме того, жидкий галлий агрессивен к конструкционным материалам, таким как сталь, медь, алюминий и т.п. В этой связи актуальным является разработка устройства, обеспечивающего высокий полезный выход Германия-68, позволяющего в качестве мишени использовать жидкий металлический (природный) галлий.

Из уровня техники известны мишени на основе сплавов галлий-никель, обладающих несколько большей температурой плавления [Stevenson N. R. et al. A new production method for germanium-68. – SCAN-9410198, 1994. – №. TRI-PP-94-62] по сравнению с чистым галлием. Однако применение известных решений приводит к уменьшению полезного выхода радионуклида, поскольку атомов галлия на пути протонов в мишени оказывается существенно (на 20-40%) меньше, по сравнению со случаем использования чистого галлия. Кроме того, технологический процесс изготовления таких мишеней достаточно сложен и продолжителен [Sounalet T. et al. Strontium-82 and future Germanium-68 production at the ARRONAX facility //Nuclear Data Sheets. – 2014. – Т. 119. – С. 261-266], поскольку включает нанесение сплава слоем в 300 мкм на диск радиусом 1 см, что занимает около 6 часов (в оптимальных условиях). В случае наличия выраженного локального максимума концентрации галлия в сплаве существует риск локального расплавления сплава, с последующим распылением радиоактивного мишенного вещества по вакуумному объёму.

Известна капсула для облучения металлического галлия, замкнутого в оболочку из инертного металла, в виде ниобиевой подложки и ниобиевой фольги, соединённых методом электронно-лучевой сварки [Arzumanov A. A. et al. Technique for irradiation of Nb-Ga targets at Kazakhstan isochronous cyclotron //17th International Conference on Cyclotrons and Their Applications (Tokyo, Japan. – 2004. – С. 28]. Однако в данном решении ток протонов, при котором мишень может безопасно эксплуатироваться, существенно ограничен (~40 мкА).

Известно также техническое решение [US20210225546A1], где оболочка мишени может выполняться из сплава ниобий-цирконий. Добавление в состав материала оболочки циркония, хотя и может положительно влиять на механические свойства материала, но приводит к существенному накоплению в оболочке радиоактивных изотопов с высокопроникающим ионизирующим излучением, в том числе Ниобий-90, Цирконий-88, Иттрий-88 и др., что затрудняет переработку мишени и увеличивает срок хранения облучённой оболочки как ТРО (твёрдые радиоактивные отходы).

Известно и широко применяется техническое решение для облучения мишеней интенсивным пучком, когда охлаждаемая с обратной стороны подложка с нанесённым на неё мишенным веществом, располагается под очень острым (6-15 градусов) углом к пучку [Stevenson N. R., Gelbart W. Z. External high current targetry for radioisotope production. – 1992]. Однако данное решение применяется исключительно для твёрдых мишеней, реализация которых в случае галлия возможна лишь при применении сплавов (Ga-Ni, Ga-Ag и т.п.).

Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства для получения радионуклида Германий-68 на основе металлического галлия, используемого в жидкой фазе (без специально внесённых примесей).

Раскрытие полезной модели

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной полезной модели, заключается в увеличении полезного выхода радионуклида Германий-68 (увеличение производительности мишенного устройства) при упрощении процесса изготовления мишени.

Технический результат достигается при использовании устройства для производства радионуклида Германий-68 при облучении потоком ускоренных заряженных частиц (с энергией не менее 25 МэВ), включающего подложку, представляющую собой объемную профилированную протяженную деталь, выполненную из инертного к материалу мишени металла, содержащую основание с бортиками, формирующими углубление (выемку) для размещения охлаждающей среды (жидкости), и щелевой канал, размещенный в основании и предназначенный для заполнения материалом мишени, в качестве которого использован металлический галлий в жидкой фазе, при этом нижняя поверхность основания, закрывающая щелевой канал, выполнена проницаемой для потока ускоренных заряженных частиц.

При этом щелевой канал в предпочтительном варианте реализации устройства сформирован углублением (выемкой), выполненным в основании с его нижней стороны и имеет прямоугольную форму поперечного сечения.

Нижняя поверхность основания, закрывающая щелевой канал, в предпочтительном варианте реализации устройства выполнена в виде металлического листа, обеспечивающего функцию входного окна для потока ускоренных заряженных частиц, а именно из ниобиевой или молибденовой фольги толщиной не более 0.15 мм, при этом фольга герметично соединена с основанием со стороны его нижней поверхности по периметру щелевого канала.

Щелевой канал может быть выполнен с соотношением сторон (длина:ширина) от 3:1 до 8:1 и высотой не более 1 мм. Основание может быть выполнено толщиной от 2 до 4 мм и может иметь ступенчатый профиль поперечного сечения, при этом выемка в основании, предпочтительно, выполнена по всей его поверхности.

Подложка может быть выполнена, например, в форме корытца или пластины предпочтительно, из ниобия или молибдена, и может быть снабжена входным каналом, соединенным с щелевым каналом для его заполнения металлическим галлием в жидкой фазе. Входной канал может быть снабжен заглушкой (пробкой) для герметизации канала, выполненной из ниобия либо молибдена, с резьбой, при этом канал выполнен с ответной резьбой.

Предлагаемое решение обеспечивает возможность облучения металлического галлия в жидкой фазе (без специально внесённых примесей) пучком ускоренных частиц большой интенсивности (токи 100 мкА и более, при энергии около 30 МэВ), что существенно увеличивает полезный выход радионуклида, при этом упрощается процесс изготовления мишеней.

В отличие от известных аналогов, использующих сплавы галлий-никель, галлий-серебро и т.п., в устройстве происходит облучение по существу чистого галлия, что позволяет увеличивать количество получаемого Германия-68.

Устройство имеет большую площадь поверхности входного окна и теплоотвода, что позволяет реализовать работу с существенно большим током протонов (100 мкА среднего тока ускоренных протонов и более).

Кроме того, в отличие от известных аналогов, использующих металлический галлий, в составе устройства используется тонкое (0,15 мм или менее) входное окно из ниобия или молибдена, что снижает тепловыделение во входном окне и потерю энергии проходящих через него протонов.

В процессе облучения галлий в устройстве находится в жидкой фазе в замкнутой (герметичной) оболочке. Устройство размещается под пучком протонов, ускоренных до энергии не менее чем 25 МэВ, причём угол между плоскостью передней (входной для пучка) поверхности устройства и осью пучка протонов находится в диапазоне 5-15 градусов.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, продольный разрез; на фиг.2 – общий вид устройства, поперечный разрез; на фиг.3 представлен чертеж устройства, вид сверху; на фиг.4 – чертеж устройства, продольный разрез; на фиг.5 – чертеж устройства, вид сбоку; на фиг.6 представлена детализация основного элемента устройства – металлической мишени, имеющей форму «корытца»; на фиг.7 – графики распределения частиц в пучке протонов по энергии после прохождения через входное окно из ниобия различной толщины: 1 – 0,02 мм, 2 – 0,05 мм, 3 – 0,10 мм, 4 – 0,15 мм. Угол падения протонов с энергией 30 МэВ на мембрану - 84 градуса (6 градусов между направлением движения протонов и мембраной); на фиг.8 – графики распределения частиц в пучке протонов по энергии после прохождения через входное окно из молибдена различной толщины 1 – 0,02 мм, 2 – 0,05 мм, 3 – 0,10 мм, 4 – 0,15 мм. Угол падения протонов с энергией 30 МэВ на мембрану - 84 градуса (6 градусов между направлением движения протонов и мембраной); на фиг.9 представлена схема мишенного устройства (шаттла) с мишенью (заявленным устройством), на фиг.10 – схема экспериментального стенда.

Позициями на фигурах обозначены: 1 – устройство для производства радионуклида Германий-68 (или металлическая мишень) в виде подложки (или корпуса); 2 – основание подложки; 3 – бортики подложки; 4 – углубление (выемка) для размещения охлаждающей среды (жидкости); 5 – щелевой канал для заполнения галлием; 6 – галлий; 7 – нижняя поверхность основания (мембрана) или входное окно для потока ускоренных заряженных частиц; 8 – входной канал (отверстие); 9 – резьбовая пробка; 10 – верхняя стенка щелевого канала; 11 – торцевая стенка щелевого канала; 12 – алюминиевая основа мишенного устройства; 13 - фиксирующая рамка для мишени 1; 14 - мишенный узел экспериментального стенда, содержащий мишень 1; 15 - термоэлектрические преобразователи; 16 – установка охлаждения жидкости; 17 – расходомер с манометром; 18 – многоканальный АЦП; 19 – персональный компьютер (ПК).

Осуществление полезной модели

Устройство (мишень) сконфигурировано с возможностью его применения на коммерчески производимых циклотронах, например, Cyclone 30 (C-30), Cyclone IKON, MCC-30/15, TR-30, CYPRIS MP-30, в которых для производства радионуклидов, как правило, используют твердотельную мишень в виде подложки с целевым материалом, предназначенной для облучения потоком заряженных частиц с большим средним током.

Заявляемое устройство 1 содержит подложку для размещения облучаемого материала, представляющую собой объемную профилированную протяженную деталь (фиг.1), выполненную из инертного металла, например, ниобия или молибдена. Подложка снабжена по меньшей мере одним углублением, сконфигурированным с возможностью размещения в нем охлаждающей среды, при этом в основании подложки под углублением выполнен щелевой канал, предназначенный для заполнения облучаемым материалом. Подложка может иметь форму прямоугольной пластины, в которой с одной ее стороны выполнена выемка для размещения охлаждающей среды, с противоположной стороны в проекции данной выемки выполнен протяженный щелевой канал для размещения мишенного материала. Подложка может иметь и другую форму, обеспечивающую размещение охлаждающей среды и мишенного материала, как указано выше. При этом в предпочтительном варианте выполнения подложка имеет конфигурацию, позволяющую ее фиксировать внутри специального узла мишенного устройства циклотрона, так называемом «шаттле». Для увеличения площади теплоотводящей поверхности подложка может быть снабжена ребрами, бороздками и другими средствами, известными из уровня техники, выполненными с возможностью контакта с охлаждающей средой. В предпочтительном варианте осуществления полезной модели подложка имеет форму «корытца», содержащего основание 2 с бортиками 3, которые формируют углубление 4 (выемку) для размещения охлаждающей среды (жидкости). В основании 2 подложки сформирован щелевой канал 5, предназначенный для заполнения облучаемым материалом, в качестве которого использован галлий 6 в жидкой фазе (фиг.2). Нижняя поверхность основания 2, закрывающая щелевой канал 5, и являющаяся его нижней стенкой, выполнена проницаемой для потока ускоренных заряженных частиц.

Далее представлено более детальное описание одного из возможных вариантов реализации заявленного устройства, не ограничивающего его сущность, демонстрирующее возможность осуществления полезной модели с достижением заявленного технического результата. Изменениям могут подвергаться отдельные конструктивные элементы устройства, например, форма подложки, геометрические размеры устройства, форма выемки для охлаждающей среды и профиль её поверхности.

Существенным в конструкции подложки является наличие углубления (выемки) для размещения охлаждающей среды (жидкости) и щелевого канала с входным окном, проницаемым для потока ускоренных заряженных частиц.

Упомянутые конструктивные элементы могут быть выполнены из металлической заготовки любыми известными из уровня техники средствами, включая фрезерование исходной заготовки до получения детали с заданной формой внешней и внутренней поверхности. При этом в детали с верхней ее стороны формируют углубление, которое в одном из вариантов может напоминать форму корытца. При этом существенным является формирование основания корытца, имеющего по существу двойное дно, зазор между стенками которого образует щелевой канал. Основание имеет преимущественно плоскую поверхность, площадь которой соответствует площади щелевого канала.

Щелевой канал 5 выполнен в основании 2 подложки, предпочтительно по всей его поверхности, обеспечивая, таким образом, наибольшую площадь взаимодействия с потоком ускоренных заряженных частиц при производстве радионуклида Германий-68 в соответствующей установке.

В предпочтительном варианте осуществления полезной модели щелевой канал 5 имеет прямоугольный профиль поперечного сечения с соотношением сторон от 3:1 до 8:1, высотой не более 1 мм. Верхняя стенка 10 щелевого канала 5 (фиг.2), через которую осуществляется охлаждение размещенного в канале облучаемого материала, как правило имеет толщину не более 3 мм, что совместно с бортиками 3, обеспечивает эффективный отвод тепла от разогретого галлия в процессе его облучения. Нижняя стенка щелевого канала (или нижняя поверхность 7 основания, закрывающая щелевой канал) выполняет функцию входного окна для потока ускоренных заряженных частиц, предпочтительно выполнена в виде мембраны, сформированной из тонкого металлического листа, например, ниобиевой или молибденовой фольги толщиной не более 0,15 мм, при этом фольга герметично соединена с основанием 2 со стороны его нижней поверхности по периметру щелевого канала 5. Торцевые стенки 11 канала 5 могут иметь толщину 2 – 4 мм. Щелевой канал также может быть сформирован в исходной металлической заготовке с помощью фрезерования, в виде углубления (выемки) в основании с нижней стороны заготовки.

Подложка снабжена, по меньшей мере, одним отверстием - входным каналом 8, используемым для заполнения щелевого канала 5 галлием в жидкой фазе (фиг.4, 5). При этом входной канал может быть выполнен с одной из сторон подложки. Предпочтительным является выполнение двух входных каналов с противоположных сторон подложки, например, как показано на фиг.1. Входной канал в конкретном варианте реализации выполнен в бортике подложки, имеет Г-образный профиль его продольного сечения, при этом бортик имеет достаточную толщину (ширину) для технической реализации данного канала.

После заполнения внутренней полости щелевого канала 5 галлием отверстия 8 закрывают заглушкой или пробкой, которая также может иметь различные варианты выполнения. В конкретной реализации для обеспечения герметичности входного канала, соединенного с щелевым каналом, заглушка выполнена из ниобия либо молибдена, снабжена резьбой для герметизации канала, при этом канал выполнен с ответной резьбой. В другом варианте реализации полезной модели заглушка имеет в своём составе уплотняющий элемент из ниобия либо молибдена.

Подложка может быть снабжена дополнительными элементами, такими как пазы или зубцы для размещения прокладок, фиксирующих устройств, а также элементами для взаимной фиксации узлов при сварке, закрытия технологических отверстий и др.

Описание работы объекта или его использования

Полезная модель может быть использована в качестве элемента производственного комплекса по получению радионуклида Германий-68, широко применяемого в составе радионуклидных генераторов [RU2126271C1] для получения меченых радионуклидной меткой препаратов, используемых для ПЭТ-КТ диагностики рака, локализации метастазов и т.п.

Устройство монтируют внутри специального узла мишенного устройства циклотрона, так называемом «шаттле». Шаттл фиксирует устройство таким образом, чтобы нижняя поверхность мишени – подложки, заполненной галлием, оказывалась в вакуумном объёме мишенного устройства. При этом шаттл и устройство внутри него зафиксированы таким образом, чтобы обеспечить угол между осью пучка ускоренных частиц и поверхностью входного окна устройства порядка 6 градусов (или иной конструктивно предусмотренный в диапазоне 5-15 градусов). К верхней стороне устройства подводят поток охлаждающей жидкости, как показано на фиг. 2.

После того, как шаттл с устройством установлен и подана охлаждающая жидкость, на обращённую в вакуум поверхность мишени (входное окно 7) направляют пучок ускоренных в циклотроне протонов, с энергией около 30 МэВ (в некоторых реализациях возможна энергия в диапазоне 25-42 МэВ) и током, значение которого может достигать 100 мкА и более. Длительность процесса облучения может варьироваться в зависимости от тока пучка, количества необходимого к наработке германия-68, технологического регламента и иных факторов, но может достигать ~ 400 часов. Допускаются перерывы в облучении, обусловленные эксплуатационными особенностями циклотрона, либо режимом работы, расписанием и регламентами эксплуатирующей его организации.

В процессе облучения протоны проходят через мембрану входного окна 7 с минимальными потерями энергии (фиг. 7, 8) и провоцируют ядерные реакции в объёме металлического галлия, в том числе приводя к реакциям вида Ga-69(p,2n) -> Ge-68 и Ga-71(p,4n) -> Ge-68, в результате которых в объёме галлия накапливается Германий-68.

По окончании облучения ток ускоренных частиц выключают, после чего шаттл с устройством удаляют из мишенного устройства циклотрона в радиационно-защитный шкаф или иную специально организованную систему хранения радиоактивных материалов. Там шаттл с устройством выдерживают до распада наиболее радиоактивных и короткоживущих радионуклидов, побочных продуктов облучения, таких как Германий-69, Галлий-67 и др. Время выдержки определяется специалистами по радиационной безопасности от эксплуатирующей организации, но может составлять примерно от 1 до 5 недель.

После истечения времени выдержки шаттл с устройством перемещают в радиационно-защитный бокс для манипуляций, где устройство извлекают из шаттла, после чего производят разрушение (путём прокалывания или разрезания) входного окна и извлечение слоя галлия, в твёрдом, предварительно замороженном виде, либо в виде расплава. Извлечённый галлий поступает на переработку, где из него методами физической химии выделяют Германий-68. Подложка и входное окно хранятся и утилизируются как твёрдые радиоактивные отходы (ТРО).

Пример реализации полезной модели

Для проведения исследований были изготовлены опытные образцы мишени и мишенного устройства (фиг.9). Испытания были проведены на испытательном стенде, пучке ускоренных электронов (фиг.10), пучке ускоренных протонов ускорителя Cyclone-30 с энергией 30 МэВ.

Опытные образцы мишени были изготовлены из металлической пластины путём фрезерования. С одной (верхней) стороны пластины выполнялась протяженная выемка с плоским дном (основанием), предназначенная для обеспечения протекания охлаждающей жидкости. С противоположной (нижней) стороны пластины выполнялся выступ, по существу, прямоугольной формы с соотношением сторон (длина/ширина) около 5,5 : 1 и высотой 2,5, 3 и 3,5 мм. Следует отметить, что в данном случае соотношение сторон определялось параметрами испытательного оборудования (мишенной станции циклотрона) и нет никаких технических препятствий изготовлению мишени аналогичной конструкции с соотношением сторон выступа порядка 3,5 : 1 или 7 : 1. В описанном выступе на всю его поверхность, за исключением бортика шириной порядка 2 мм, методом фрезерования была сформирована выемка прямоугольного сечения с плоским дном и глубиной до 1 мм. В торцевой поверхности пластины выполнялось методами сверления либо электроэррозии одно отверстие для последующей заливки галлия, соединяющее выемку на нижней стороне пластины с торцевой поверхностью. Поверх бортика на нижней поверхности устройства методом электронно-лучевой сварки, в нескольких случаях с применением дополнительной накладки (фиг.4) герметично присоединен вырезанный по внешнему габариту бортика лист тонкой фольги (0,1, 0,05 или 0,02 мм ) из ниобия либо молибдена. В образованную между пластиной и фольгой полость (щелевой канал) через отверстие в торцевой поверхности заливали в расплавленном виде галлий, после чего отверстия заглушали путём заваривания.

На этапе стендовых испытаний опытный образец мишени, выполненный в виде корытца из ниобия, заполненный галлием, инкапсулированный 50 мкм фольгой из ниобия, был установлен в опытный образец мишенного устройства (шаттл) (фиг.9). Шаттл был смонтирован в испытательном стенде с предусмотренными для функционирования в составе мишенной станции уплотнениями (фиг.10). Образец был подвергнут гидравлическим, вакуумным испытаниям, испытаниям в условиях высокоинтенсивного нагрева пучком заряженных частиц (электронным пучком с энергией 10 МэВ). Схема испытательного стенда представлена на фиг.10. Испытательный стенд с установленным опытным образцом мишенного устройства и мишени был смонтирован на выходе линейного ускорителя электронов, к испытательному стенду был подключен контур охлаждения. На выводе ускорителя была установлена пара квадрупольных линз для формирования поля облучения. Поперечный размер пучка определялся по изображению переходного излучения на титановой фольге вывода пучка посредством металлического зеркала и камеры «Видеоскан-415».

Количественная оценка измеряемых параметров производилась методом непосредственной оценки по зарегистрированным осциллограммам импульсов напряжения с выхода измерительного преобразователя, регистрацией показаний измерительных приборов из состава ускорительного комплекса, приборов экспериментального стенда. При проведении эксперимента облучение мишени начинали с работы ускорителя на частоте 10 Гц, что соответствует средней мощности электронного пучка 300 Вт; облучение прекращали в случае, если время облучения превышало 5 минут, или температура корпуса мишенной сборки превышала 70°C; регистрировали пиковые показания датчиков температуры из состава экспериментального стенда; мощность пучка повышали на фиксированную величину 300 Вт путём повышения частоты посылки импульсов на 10 Гц; при смене режима облучения выдерживали время для охлаждения корпуса мишени до температуры помещения; по окончании работ с пучком проводили необходимые измерения уровня ионизирующего излучения от элементов экспериментального стенда.

Результаты измерений, проведённых в процессе испытаний, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные результаты эксперимента.

Время проведения эксперимента, мин:сек	Частота импульсов, Гц	Т, мишени (корпуса) начальная -конечная Т3, С°	Мощность пучка электронов, Вт
5:00	10	27 – 44.5	300
5:00	20	27,3 – 58.7	600
3:00	30	25.4 – 40.9	900
3:40	40	25.2 – 56	1200
3:00	50	25 – 64.8	1500
2:40	60	24.9 – 68.1	1800
1:33	70	25 – 69.9	2100
1:58	80	25 – 71.2	2400
1:44	90	25 - 71.3	2700

Облучение проводилось сеансами по 2-5 минут с перерывами 10-20 минут с постепенным увеличением средней мощности пучка. Всего проведено 9 сеансов. По измерениям, проведённым через 20 мин после окончания последнего сеанса, мощность эффективной дозы на расстоянии 1 м от мишени составила 0,2±0,1мкЗв/ч, что соответствует нормальному фону с точностью до погрешности измерения. Ещё через 20 минут мишенный узел был демонтирован и разобран. Дополнительные измерения эффективной мощности дозы вплотную к капсуле с галлием (расстояние ~4см) показали 4±0,4мкЗв/ч. При максимальной мощности пучка электронов 2700 Вт разрушение мишени не произошло, сварные швы и ниобиевая фольга сохранили герметичность.

Измерения в процессе испытаний и собственно испытания проводили с использованием оборудования и технических средств из состава ускорительного комплекса Cyclone-30. Испытания включали проверку опытного образца мишени (макета) без мембраны и с мембраной (входным окном из ниобия толщиной 50 мкм) на совместимость с оборудованием ускорителя, герметичность, механическую прочность, возможность обеспечения номинальных параметров работы системы охлаждения, определение максимальной интенсивности пучка ускоренных протонов, при которой не возникает следов температурных деформаций или иных значимых дефектов. Испытание проводились в условиях экстремальной тепловой нагрузки на мембрану, выходящей далеко за любые предполагаемые эксплуатационные режимы из-за отсутствия отвода тепла.

При проведении испытаний опытный образец мишени с мембраной устанавливали в опытный образец мишенного устройства (шаттл). Шаттл устанавливали в мишенную станцию ускорителя. Подключали линии подачи и отвода охлаждающей воды. Производили подачу воды в систему охлаждения, плавно увеличивали давление охлаждающей воды до достижения критериев: проектного значения расхода жидкости в 50 л/мин, давления охлаждающей жидкости в 18 бар. После успешного достижения рабочих параметров системы охлаждения снимали шаттл с мишенной станции, извлекали и исследовали опытный образец мишени на предмет остаточных деформаций. После чего установленный в мишенную станцию ускорителя опытный образец мишени с мембраной облучали пучком протонов с энергией 30 МэВ и током 10 мкА, 30 мкА и 50 мкА. Испытание представляло условия экстремальной тепловой нагрузки на мембрану, выходящей далеко за любые предполагаемые эксплуатационные режимы из-за отсутствия отвода тепла через галлий, который в нормальных условиях находится за мембраной.

По результатам проведенных испытаний была проверена совместимость разработанных устройств с оборудованием ускорителя Cyclone-30, экспериментально определена интенсивности пучка, которую может воспринять опытный образец мишени с оболочкой из ниобия на уровне до 150 мкА.

В результате проведенных исследований и испытаний были получены результаты, демонстрирующие увеличение полезного выхода радионуклида Германий-68 (увеличение производительности мишенного устройства) при упрощении процесса изготовления мишени. Типичная скорость наработки на существующих аналогах, например на галлий-никелевой мишени для циклотрона IKON, составляет, по данным производителя (IBA, Бельгия), 0,02 мКи/мкАч. Следует отметить, что данная цифра учитывает потери на радиохимическое выделение радионуклида и фактическая скорость наработки непосредственно в мишени может составлять несколько большее значение, до 0,022-0,024 мКи/мкАч.

По результатам проведённых исследований заявленного устройства выход нуклида Ge-68 составил (в различных конфигурациях устройства) от 1,64×10^-3 до 1,95×10^-3 ядра на протон, что соответствует скорости наработки радионуклида от 0,029 до 0,035 мКи/мкАч, т.е. достигнуто увеличение полезного выхода радионуклида на 20% и более по сравнению с существующими аналогами.

Claims (16)

1. Устройство для производства радионуклида Германий-68 при облучении материала мишени потоком ускоренных заряженных частиц, включающее

подложку, представляющую собой объемную протяженную деталь, выполненную из инертного к материалу мишени металла, содержащую

основание с бортиками, формирующими углубление для размещения охлаждающей среды,

и щелевой канал, размещенный в основании и предназначенный для заполнения материалом мишени, в качестве которого использован металлический галлий в жидкой фазе, при этом нижняя поверхность основания, закрывающая щелевой канал, выполнена проницаемой для потока ускоренных заряженных частиц.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что щелевой канал сформирован углублением, выполненным в основании с его нижней стороны.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что щелевой канал имеет прямоугольную форму поперечного сечения.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что нижняя поверхность основания, закрывающая щелевой канал, выполнена из ниобиевой или молибденовой фольги толщиной не более 0,15 мм, при этом фольга герметично соединена с основанием со стороны его нижней поверхности по периметру щелевого канала.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что щелевой канал выполнен с соотношением сторон (длина:ширина) от 3:1 до 8:1.

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что основание выполнено толщиной от 2 до 4 мм.

7. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что щелевой канал имеет высоту не более 1 мм.

8. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что основание имеет ступенчатый профиль поперечного сечения, при этом выемка в основании выполнена по всей его поверхности.

9. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что подложка выполнена из ниобия или молибдена.

10. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что подложка снабжена входным каналом, соединенным с щелевым каналом для его заполнения металлическим галлием в жидкой фазе.

1. Устройство по п.10, характеризующееся тем, что входной канал снабжен заглушкой для герметизации канала, выполненной из ниобия либо молибдена, с резьбой, при этом канал выполнен с ответной резьбой.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что подложка выполнена в форме корытца или пластины.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что подложка выполнена с возможностью ее крепления в мишенном узле.

Images