靶系统和放射性同位素的制造方法与流程

本发明涉及医用放射性同位素生产，尤其是涉及一种靶系统和放射性同位素的制造方法。

背景技术：

1、截至目前，在人类已发现的一百多种元素里，稳定同位素约三百余种，而放射性同位素的数量已达一千五百余种；同位素技术如今已经在农业、工业、医学、地质以及考古等诸多领域得到广泛应用。在核医学领域，常借助放射性同位素开展示踪技术，对甲状腺、肝脏、肾脏、脑部、心脏、胰脏等脏器进行扫描，以此完成肿瘤等疾病的诊断与治疗，该方法具备简便安全的优势。以锝-99m、氟-18、碘-131等核素为代表的放射性药物，早已广泛应用于临床诊断与治疗当中，pet（正电子发射断层显像）、spect（单光子发射计算机断层显像）显像都属于放射性同位素的典型应用。

2、放射性同位素主要通过反应堆辐照、加速器制备、天然同位素分离、高放废液提取以及发生器制备等途径获得。回旋加速器凭借可加速粒子种类多、能量覆盖范围广、平均束流强度大等技术特点，是制备医用放射性同位素的核心设备之一，目前常被用于制备18f-fdg（氟-18标记的氟代脱氧葡萄糖）药物。加速器通过加速粒子束流轰击靶材引发核反应来制备放射性同位素，其中用于容纳靶材、承接束流照射的装置被称为靶系统。按照所容纳靶材的物理状态区分，靶系统可分为固体靶、液体靶和气体靶三类，砹-211、铜-64、镓-68、锆-89等核素都是通过固体靶制备得到的。

3、其中，砹-211（211at）的半衰期（t1/2）为7.2小时，拥有双衰变路径，衰变过程会100%释放出一个α粒子，是当前极具研究热度的α核素之一，可应用于靶向α治疗。砹本身属于卤族元素，化学性质与碘相近，具备挥发性，其熔点约为300℃，沸点约为340℃。目前生产211at(t1/2=7.2h)最常用的方案是利用回旋加速器产生的强流α粒子轰击高纯度天然铋，通过核反应209bi(α，2n)211at完成制备。该核反应起始入射能量为20.7mev，需要注意的是，当入射能量超过28.6mev时，会触发核反应209bi(α，3n)210at(t1/2=8.1h)，而210at衰变会生成长半衰期核素210po(t1/2=138.4d)，因此生产过程中需要控制210at的生成量。综合产物产量考量，制备砹-211的最佳入射能量区间为28mev~29mev。金属铋的导热系数极低（7.97 w·k-1·m-1），熔点也仅为271℃，因此，铋靶的热管理与冷却是211at靶系统设计过程中的重点与难点。

4、在砹-211的规模化生产中，外靶系统是当前主流的技术路线之一。现有外靶系统一般会在靶室与加速器主真空腔之间设置真空膜，将加速器真空环境与氦气环境分隔开，其冷却通常采用“靶前氦气冷却+靶后水冷”的方案，即在靶前氦气通过导管主要对真空膜表面进行冷却，同时带走铋靶少量热量，在靶后对铋靶进行水冷带走表层大部分热负荷，避免靶面温度过高导致砹-211挥发损失。

5、但这种传统结构存在以下不足：

6、第一、加速器产生的α粒子束流需要先后穿过真空膜与氦气环境才能辐照到靶材，会额外增加束流能量损耗，降低束流利用率，例如已有文献记载，30mev的α粒子束流经过40μm碳膜窗的能量损耗约为1.42mev，再经过60mm氦气（1.25atm）后的能量损耗约为0.34mev，最终入射靶面的能量仅为28.34mev。

7、第二、α粒子的质量是质子的4倍，带电量是质子的2倍，对真空膜造成的位移损伤（dpa）远高于质子，真空膜长期接受α束流照射会出现辐照硬化、脆化、发热与热应力累积、起泡剥落甚至穿孔漏真空等问题，在50μa~200eμa的高强度α束流条件下，真空膜的有效使用寿命可能缩短至数月，大幅增加了维护时长与成本。

8、第三、氦气冷却仅能带走约十分之一的总热负荷，核心散热仍依赖靶背水冷，但氦气供应系统结构复杂，需要配套过滤、增压、流量控制、热交换等多个子系统，还需要定期加注氦气或更换氦气瓶，维护成本较高。

9、因此，急需一种可实现降低束流损耗、控制铋靶温度、减少系统维护成本的靶系统。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种靶系统，所述靶系统可以在实现靶体温度可控的前提下，降低束流损耗和系统维护成本，提高靶系统的可靠性。

2、本发明还旨在提供一种放射性同位素的制造方法，以应用上述的靶系统。

3、根据本发明实施例的靶系统，用于制备211at，包括：靶室，所述靶室设有束流入射口和抽真空接口；通断控制件，所述通断控制件设在所述靶室上，用于打开或关闭所述束流入射口；靶体，所述靶体设在所述靶室内；冷却装置，所述冷却装置与所述靶体相连，用于对所述靶体换热；所述靶体包括靶片、支撑架和传输梭，所述传输梭正对所述束流入射口的一端敞开，所述支撑架设在所述传输梭内，所述靶片设在所述支撑架上，所述靶片的正面设有靶材层，所述靶片的背面设有冷却流道，所述冷却流道与所述冷却装置连通，所述靶片相对所述传输梭的轴线方向倾斜，以使所述靶材层对应所述束流入射口。

4、根据本发明实施例的靶系统，通过这种结构能省去传统系统的真空膜和氦气冷却，在束流照射过程中，粒子束无需穿过真空膜与氦气环境，可以避免传统方案由于设置真空膜导致的能量损耗，提高束流利用率，还能精简整体结构，又从根源上消除真空膜受辐照损伤和氦气供应带来的运行维护负担，同时达成束流高利用率、高效热管理与低维护成本的多重优化目标。

5、在本发明的一些实施例中，所述靶室包括依次连通的第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分远离所述第二部分的一端形成所述束流入射口，所述通断控制件设在所述第一部分上，所述抽真空接口设在所述第二部分上，所述靶体和所述冷却装置设在所述第三部分上，所述靶体密封所述第三部分和所述第二部分的连接处。

6、在本发明的一些实施例中，所述第三部分的内部设有第一区域和第二区域，所述第三部分远离所述第二部分的一端设有传输接口，所述传输接口连通所述第二区域，所述靶体设在所述第一区域内，所述靶体与所述传输接口沿所述第一区域和所述第二区域的并排方向布置，所述靶系统包括拆卸机构，所述拆卸机构驱动连接所述靶体，以驱使所述靶体从所述第一区域移动至所述第二区域。

7、在本发明的一些实施例中，所述靶片和所述传输梭的轴线之间的夹角为5°~45°。

8、在本发明的一些实施例中，所述靶室设有安装口，所述冷却装置安装于所述安装口，所述靶系统包括拆卸机构，所述拆卸机构包括第一驱动件和第二驱动件，所述第一驱动件驱动连接所述冷却装置，以驱使所述冷却装置与所述支撑架沿所述传输梭的轴线方向结合或脱离，所述第二驱动件驱动连接所述传输梭沿垂直于所述传输梭的轴线方向移动，所述靶室设有传输接口，所述传输接口和所述第一驱动件设在所述靶室的相同侧。

9、在本发明的一些实施例中，所述支撑架设有凹槽，所述凹槽具有槽底面，所述槽底面与所述靶片平行设置，所述槽底面设有输送冷却介质的入口和出口，所述靶片设在所述凹槽内，所述靶片的背面与所述槽底面之间形成有间隙，所述冷却装置具有输送冷却介质的进流通道和出流通道，所述进流通道与所述入口连通，所述出流通道和所述出口连通。

10、在本发明的一些实施例中，所述入口处所述冷却介质的温度小于等于20℃，且流量大于等于2l/min。

11、根据本发明实施例还提供的一种放射性同位素的制造方法，采用如前文任一项的所述的靶系统制备所述放射性同位素，所述方法包括：将所述靶室的束流入射接口与加速器的出口对接；将所述通断控制件保持在关闭状态，并通过所述抽真空接口对所述靶室抽真空，以使所述靶室内的真空度和所述加速器的真空腔内的真空度保持一致；将所述通断控制件打开，使所述靶室与所述加速器的真空腔连通；将所述加速器的束流引入所述靶室并轰击所述靶体，以及控制所述冷却装置对所述靶体冷却降温；在照射结束，关闭所述通断控制件和所述抽真空接口。

12、根据本发明实施例的放射性同位素的制造方法，通过采用前述靶系统，能够在高真空、无膜窗干扰的环境下实现束流对靶体的直接轰击，既有效降低束流能量损耗，提高束流利用率，又降低系统维护成本，同时保障同位素产率的稳定性与可重复性。同时，在照射过程中同步启动冷却装置，确保靶体在热负荷下保持结构稳定，避免因过热导致靶材性能退化或放射性产物损失，进一步保障同位素产率的稳定性与可重复性。

13、在本发明的一些实施例中，所述将所述加速器的束流引入所述靶室并轰击所述靶体的步骤中，所述加速器的发射束流为α粒子束，所述靶体的靶材为铋，以制备211at。

14、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。