一种基于电子加速器生产放射性同位素的靶系统及其使用方法与流程

本发明涉及加速器的靶结构，具体涉及一种基于电子加速器生产放射性同位素的靶系统。

背景技术：

1、放射性同位素是指具有不稳定原子核，能自发地放出α、β、γ等射线的同位素，是核技术应用的源头之一。随着核医学的快速发展，医用放射性同位素在疾病诊断和临床治疗中的应用日益广泛。目前常用的医用放射性同位素有99mtc、125i、123i、14c、68ga、177lu、18f、90y、89sr等，这些核素主要通过反应堆或加速器制备。加速器具有可加速的粒子种类多，能量范围广，平均束流强度高等技术特征。与反应堆相比，加速器生产的同位素具有比活度高、半衰期短的特点，大多衰变发射β+或单能γ射线，不发射β-电子，患者受到的辐射剂量较小，安全性更高。(刘宁.加速器制备医用放射性同位素的现状与展望[j].同位素，2022，35(5)：424-438；刘鹏.医用放射性同位素制备的现状与展望[j].同位素，2024，37(1)：77-90；鲁振龙.加速器在医学上的应用[j].原子核物理评论，1989，6(1)：38-42)

2、加速器可以通过光核反应生产放射性同位素，即加速器产生高能电子束轰击转换靶并产生韧致辐射γ光子，γ光子和样品靶元素发生光核反应生成放射性同位素。例如，用γ光子辐照100mo靶产生99mo，辐照226ra靶产生223ra、224ra和225ra。γ光子的能量对放射性同位素的种类有重要影响，必须准确地控制γ光子的能量以形成所期望的同位素，而γ光子的能量直接取决于电子束的能量。由于仅有小部分电子束能量被转换成韧致辐射，剩余部分被转换为热量，若未及时散热，不仅存在熔靶的可能，核素等产物挥发易造成放射性污染。因此，对转换靶和样品靶的有效冷却尤为重要。常见的冷却器有氦气流冷却和水冷却，二者各有优缺点。氦冷系统常用gifford-mcmahon制冷机与脉冲管制冷机等价格昂贵的设备，并且需要特殊设计的容器和管道以实现闭环氦气流、减少氦气泄露，此外还要减少其在室温环境中部件的漏热。水冷系统操作简单、成本低廉，可以采用常规制冷机对循环水进行降温，更易实现工业化生产，但水冷却在样品靶的使用中存在一些缺陷。例如，高辐射水平下水可能发生辐射裂解，生成强烈的自由基和过氧化物，促使样品靶表面形成黑色残留物进而损害其性能；高辐射产生的氢气与氧气混合达到一定比例可能引发爆炸问题，严重时甚至会破坏靶系统，危及加速器的真空系统；冷却水中核素的残留会使样品靶受到氧化和侵蚀。为了减缓靶片的氧化与腐蚀，需加入缓冲液(如氢氧化锂、氨水等)或牺牲金属(铜、钛、不锈钢等)。此外，辐照后的样品靶通常需要物理处理或/和化学处理以便于实现目标核素的分离与纯化，在这一过程中常因溶解不充分或化学污染等因素造成目标核素的损失。(j-m·吉茨f·斯蒂谢尔博.包括弯曲转换器的用于通过轫致辐射生成放射性同位素的系统.202310202229.2[p]；a·蒂勒.用于生产光核反应的轫致辐射的大功率转换器靶组件、相关设备和方法.202280087167.9[p]；张宇皓.一种气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置.202010224009.6[p]；p·谢弗.用于锝-99m的回旋加速器生产的方法、系统和装置.201711477557.4[p]；p·w·h·德贾格.放射性同位素的生产.201680078016.1[p])

3、因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

技术实现思路

1、为解决上述存在的问题，本发明提出一种基于电子加速器生产放射性同位素的靶系统，其可以弥补现有电子加速器靶系统制靶复杂繁琐、样品靶溶靶时产生损失及冷却过程中存在的安全隐患等缺点，同时也能克服加速器在运行时对生产人员造成的辐射伤害，具有结构紧凑，操作方便，安全性高等特点。

2、本发明所采用的技术方案是提供一种基于电子加速器生产放射性同位素的靶系统，包括电子源系统、靶基体和远程控制区，其特殊之处在于：所述电子源系统包括电子注入段和电子加速段，所述电子注入段为电子产生设备，用于产生电子；所述电子加速段用于运输和加速电子；所述电子加速段连接所述电子注入段和所述靶基体；

3、所述靶基体包括束流连接管、电子-光子转换区、靶辐照区、第一冷却区、第二冷却区和屏蔽体；所述靶辐照区两侧对称分布有所述束流连接管、所述电子-光子转换区和所述第一冷却区，所述第一冷却区与所述电子-光子转换区密封连接，所述第二冷却区位于所述靶辐照区底部，所述靶基体其余部分为所述屏蔽体；

4、其中，所述束流连接管入口处连接所述电子加速段，出口处安装有所述电子-光子转换区；所述电子-光子转换区包括靶窗和转换靶，所述转换靶靠近所述靶辐照区；所述靶辐照区包括靶瓶和靶瓶槽；

5、所述远程控制区包括机器人，所述机器人安装有机械夹爪，所述机械夹爪可在计算机程序控制下协作所述机器人将所述靶瓶装载入或移取出所述靶瓶槽内。

6、进一步地，所述靶瓶槽内有多个凹槽，所述凹槽呈并列方式排布，其直径范围在8～14mm，用于固定所述靶瓶；所述凹槽之间含有间隔，所述间隔的材质需不易发生光核反应，且不易阻挡光子传播，可选自铝、铍、镁、钛及其合金。

7、进一步地，所述靶瓶材质可选自石英玻璃、石墨、氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷，用于装填靶材料。

8、进一步地，所述第一冷却区和所述第二冷却区均包括冷却腔体、管道和开口端，所述靶窗和所述转换靶之间含有空隙形成冷却腔体，所述冷却腔体上下端均密封相连管道并分别延伸至所述靶基体顶部和底部形成两个开口端；所述靶瓶槽底部含有空腔形成冷却腔体，冷却腔体下端两侧位置朝下密封相连管道并分别延伸至所述靶基体底部两侧形成两个开口端，所述开口端均伸出所述靶基体并固定在所述靶基体上，且所述开口端处均设有温度传感器。

9、进一步地，所述第一冷却区和所述第二冷却区使用的冷却介质选自冷却液或冷却气体。

10、进一步地，所述第一冷却区为真空密闭气体循环冷却体系，用于冷却所述转换靶，气体冷却剂选自氦气；所述第二冷却区为真空密闭冷却液循环冷却体系，用于冷却所述靶瓶，液体冷却剂选自水。

11、进一步地，所述靶窗为类凸凹透镜结构，凸面朝向所述转换靶；其中凸面为椭球面或球状面；所述转换靶的材料为钨或其他高z材料，高z材料选自钽、铅、铂、金、铋、钼。

12、进一步地，所述电子源系统产生的电子束流可从所述设备单侧或两侧发射；所述电子-光子转换区将所述电子加速段传输的电子转换成能量区间包含10～60mev的韧致辐射光子。

13、进一步地，所述机械夹爪为平行机械抓手，所述机械夹爪在所述靶瓶接合处安装有电子感应器。

14、此外，本发明还提供了一种基于电子加速器生产放射性同位素的靶系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

15、s1、将同位素靶材料装填入靶瓶，通过计算机控制机器人的机械夹爪将靶瓶装载到靶瓶槽中；

16、s2、开启氦冷入口和出口的阀门，对转换靶进行冷却，同时开启水冷入口和出口的阀门，对靶瓶进行冷却；

17、s3、电子束流经束流连接管轰击到转换靶发生轫致辐射产生γ光子，γ光子对靶瓶中装填的同位素靶材料进行辐照从而生产目标同位素；

18、s4、打靶结束后，关闭氦冷入口和出口以及水冷入口和出口的阀门；

19、s5、通过计算机控制机器人的机械夹爪将靶瓶放入铅罐。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明采用装有靶材料的靶瓶作为样品靶，和传统样品靶相比(如圆盘靶)，省去了靶件制备这一过程，解决了传统制靶过程较为繁琐且对靶材料形态有较高要求的问题，同时避免了因辐照后的圆盘靶溶解不充分或化学污染等因素造成目标核素损失的问题，可直接将辐照后的靶材料用于后续分离纯化操作，提高了放射性同位素产额；靶瓶使得靶材料和冷却介质分离，同时第二冷却区位于靶辐照区底部，在高辐射水平照射下避免了靶材料与冷却介质发生腐蚀氧化等反应以及冷却水辐射裂解带来的安全隐患问题。

22、2、本发明采用气体循环冷却系统对转换靶进行冷却，大大提高了转换靶的冷却效率，同时也可同步降低靶窗在电子束辐照时产生的不均匀的热分布。

23、3、本发明中靶瓶槽内可同时容纳多个靶瓶，生产时可以根据不同核反应需求进行靶瓶位置和数量的调整。相较于现有技术靶件安装位置固定只能生产单一品种的放射性同位素而言，本发明设备可同时生产多种放射性同位素且可用于放射性同位素的放大生产，因而扩大了应用范围，提高了生产效率。

24、4、本发明设计了带有电子感应器的机械夹爪用于靶瓶夹取，极大程度地减少了生产人员在操作时可能受到的辐射剂量，使得放射性同位素生产和运输过程更为安全、快速和可靠。

25、5、本发明的电子源系统产生的电子束流可从所述设备单侧或两侧发射，操作灵活，同时双侧打靶可提高放射性同位素的产额和比活度。