CN110223796B - 一种同位素生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同位素生产设备。它包括直线加速器和与之相对应的靶系统；所述直线加速器包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合形成；所述末端引出束线用于输出供所述靶系统使用的质子束流，所述靶系统用于同位素的产生。本发明同位素生产设备能够满足多种同位素生产的需求，提高了同位素生产能力和效率，也节约了设备制造成本。在此基础上进一步对加速单元模块化、增加引出束线数量，使得一台本发明同位素生产设备就能够满足多种同位素同时生产的需求，同位素生产效率提高数十倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种同位素生产设备，属于同位素生产设备技术领域。
背景技术
一百多年前天然性的发现，引起了人类对宇宙和知识更新的一场伟大变革。当今世界，放射性元素及放射性同位素的应用遍及医学，工业，农业和科学研究等各个领域，在很多应用场合，放射性同位素至今尚无代用品。发射性同位素几乎在全球所有国家使用，其中有50个国家拥有进行同位素生产和分离的设施。
大量的放射性同位素生产通常使用研究反应堆和回旋加速器。同位素生产设施还包括了核动力厂、同位素分离装置和非专门从事同位素的普通加速器。正在运行的研究堆在全世界有600个，但只有将近100个堆用于同位素生产。全世界有约50台回旋加速致力于放射性药物的生产，生产的同位素主要是201TI等，还有约125台回旋加速器用于断层扫描摄像PET工作，这类应用在不断扩展，全球估计每年都需要新建25台，由PET回旋加速器的同位素有18F、11C等。各个国家都对同位素有强烈的需要，但实际上没有一个国家对使用的同位素都能自给自足。对同位素生产能力和生产效率的提升需要，非常迫切。
由于反应堆用于同位素生产的缺点来自于反应堆本身建造费用昂贵和安全性，而且反应堆用于同位素生产的时间通常只占其运行时间的5％或更多一些，欧洲和美国的反应堆存在老化，一旦关闭，同位素生产能力将下降，需要有新的装置取代它们。
因此，放射性同位素的生产多采用回旋加速器，但是，回旋加速器用于同位素生产的缺点也是非常明显的，主要体现在以下两方面。
(1)引出束流强度低，同位素生产效率低
回旋加速器用于同位素生产，引出束流强度低，最高水平也只是在数百μA量级，这主要是因为回旋加速器是弱聚焦结构，流强一旦增加，束流空间电荷力将非常显著，整个回旋加速器的效率会降低，较好的回旋加速器效率接近90％，部分回旋加速器效率甚至不到30％，束流丢失会带来明显的热问题和辐射活化问题，为了降低辐射剂量到人类可接受水平，还需要厚混泥土来将整个加速器屏蔽起来。另一方面，回旋加速器束流引出也困难，流强增加，会进一步增加引出带来的热问题和活化问题。
(2)引出束流能量固定，同位素生产能力单一
回旋加速器引出的束流能量是固定的，这意味着每台回旋加速器只能实现某种特定同位素的生产，对于不同同位素的生产，需要多台回旋加速器，功能单一。为了实现能量可调，通常在回旋加速器后接一个能量调制器，利用散射将束流的能量降低。但这种方式会产生大量的辐射，容易造成器件的活化，增加屏蔽成本，而且散射后的束流品质差，束流大部分会丢失，通过效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种同位素生产设备，本发明同位素生产设备具有高效率、低束损的特点，一台设备就能提供多种同位素生产需求的束流，大大提高同位素生产能力和效率。
本发明提供的一种同位素生产设备，它包括直线加速器和与之相对应的靶系统；
所述直线加速器包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合形成；
所述末端引出束线用于输出供所述靶系统使用的质子束流，所述靶系统用于同位素的产生。
本发明中，设在所述常温前端加速器后指的是设置在所述常温前端加速器出口端后面。
上述的同位素生产设备中，所述常温前端加速器和每个所述加速单元均设置各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统；
所述射频功率源为所述常温前端加速器和所述加速单元提供射频功率；所述馈送系统用于从所述射频功率源将射频功率馈送到所述常温前端加速器和所述加速单元中；所述低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位。
本发明中，每个加速单元的射频功率、同步相位可通过其低电平控制系统进行连续调节，进而实现对其输出能量增益的连续调节，最终实现末端引出束线上输出能量的连续调节。
上述的同位素生产设备中，所述常温前端加速器和每个所述加速单元设有同一个信号参考线，用于为所述加速单元提供一个相同的相位参考点。
上述的同位素生产设备中，一个所述加速单元包括一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器；所述耦合器功率耦合进入所述加速腔体中，所述调谐器用于所述加速腔体频率的调节。所述具有高加速梯度的加速腔体的加速梯度具体可大于5MV/m。
上述的同位素生产设备中，所述射频功率源采用固态放大器(简称SSA)；
所述低电平控制系统采用数字低电平；
所述加速腔体采用低温超导材料；
每个加速腔体能够提供0～2MeV的加速能力。
上述的同位素生产设备中，所述常温前端加速器包括依次设置的离子源、低能传输段、高频四极场加速器以及中能传输段；
所述离子源采用电子回旋共振型离子源(即ECR离子源)，提供不同流强的质子或者α粒子束流，引出高压为20kV～100kV；所述低能传输段将所述离子源束流匹配注入所述高频四极场加速器中，所述高频四极场加速器完成束流的成形和初步加速，出口所述束流能量在500keV～5MeV；所述中能传输段对所述束流品质进行离线测量，并将所述束流匹配进入后续所述加速单元或所述加速模块。
上述的同位素生产设备中，所述靶系统包含靶体、辐射屏蔽、束流诊断系统以及冷却系统；所述靶体材料选择取决于生产同位素的种类，所述束流诊断系统用于束流能量和流强的监测，所述冷却系统用于带走热量，其设计取决于所述靶体材料和结构。
上述的同位素生产设备中，每个所述加速模块的输出端设有相应的引出束线，所述引出束线用于输出供与之配套运行的所述靶系统使用的质子束流。
本发明中，单个所述加速模块能量连续可调主要因为是其包含的加速单元的电场幅值和相位都是独立可调。
上述的同位素生产设备中，所述末端引出束线和所述引出束线上均设置分束装置将束流引出；
所述分束装置具体可由切割磁铁和毫秒量级上升沿的kicker或纳秒级上升沿的kicker腔体组成。具体地，所述切割磁铁工作在直流模式，所述kicker磁铁或kicker腔体工作在脉冲模式，切割磁铁有两条通道，一条是实现束流直线传输的通道，另一条是将束流从侧边偏转45°的通道，从而使束流偏转到一级引出束线上。
上述的同位素生产设备中，所述末端引出束线和所述引出束线均通过所述分束装置引出三条次级引出束线。
本发明具有以下优点：
1、本发明中，直线加速器的能量连续可调(通过低电平控制系统调节加速单元的射频功率、同步相位能够实现)，末端引出束线能够提供多种同位素生产需求的束流，这意味着一台同位素生产设备就能够满足多种同位素生产的需求(实际应用时可以使不同种同位素生产在不同时间进行)，大大提高同位素生产能力和效率，也节约了设备制造成本。
此外，由于直线加速器为强聚集加速器，使得该直线加速器几乎没有束流损失，活化几率低，也大大减小了辐射屏蔽成本，有利于直线加速器的长期稳定运行。
2、基于本发明整个直线加速器有能力提供mA级质子束流，某条引出束线通常引出数百μA束流用于同位素生产即可。本发明进一步将能量连续可调的直线加速器进行模块化，将某些加速单元耦合在一起，形成一个个加速模块，然后在各加速模块输出端设置引出束线，使得本发明直线加速器除末端引出束线外，还有其它更多的引出束线能够同时提供不同能量的束流，实现多个靶系统的束流同时供给，满足多种同位素同时生产的需求。
3、本发明中，常温前端加速器进一步采用ECR离子源和RFQ加速器，加速单元中加速腔体为低温超导腔体，使得本发明直线加速器具有传输平均流强为数十mA的束流能力，这样的话纵使所有引出束线同时工作也能引出平均流强为数个mA的束流，在该束线上采用分束的方式分出数几条次级引出束线，实现更多个靶系统的束流供给，每个靶系统上仍有平均流强约数百μA的束流，仍能满足同位素生产需要，同位素生产效率提高数十倍。简单来说，一台本发明同位素生产设备就能够满足多种同位素同时生产的需求，这也意味着一台本发明直线加速器完成数十回旋加速器的任务，大大节约了制造成本，同时在上述1、2两点的基础上显著提高了同位素的生产能力和效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的同位素生产设备的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的直线加速器中加速单元的同步稳相加速示意图。
图中各个标记如下：
11—离子源，12—低能传输段，13—RFQ加速器，14—中能传输段；21—第一加速模块，22—第二加速模块，23—第三加速模块，24—第四加速模块。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1、
本发明实施例提供一种同位素生产设备，其具体包括直线加速器和相应的靶系统；参考图1，直线加速器包括常温前端加速器、设在其后相互串联的N个相同的加速单元以及从末端加速单元输出端引出的引出束线，该末端引出束线用于输出供靶系统使用的质子束流，靶系统用于同位素的产生。
常温前端加速器和每个加速单元均具有各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统；每个加速单元的射频功率、同步相位可通过其低电平控制系统进行连续调节，进而实现对其输出能量增益的连续调节，最终实现末端引出束线上输出能量的连续调节。其中，射频功率源用于为加速单元提供射频功率，具体可以采用固态放大器SSA；馈送系统用于将射频功率从射频功率源馈送到加速单元中；低电平控制系统LLRF用于调节射频功率大小和相位，具体可以采用数字低电平。实际应用中，还包括信号参考线，用于为所有加速单元提供一个相同的相位参考点。
一个加速单元指一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器，耦合器功率耦合进入加速腔体中，调谐器用于加速腔体频率的调节，每个加速腔体能够提供0～2MeV的加速能力。可以理解的是，加速单元总数量N的取值取决于整个直线加速器所需要的最大加速能力。加速单元的加速腔体采用低温超导材料，电阻小，几乎所有射频功率都转为束流功率，被束流带走，不存在热问题，所以有能力将束流运行在连续波模式。
常温前端加速器主要包括离子源11、低能传输段12、高频四极场加速器13(即RFQ加速器)以及中能传输段14。离子源11具体采用电子回旋共振型(即ECR离子源)，提供不同流强的质子或者α粒子束流，引出高压为20kV-100kV；低能传输段12将离子源束流匹配注入RFQ加速器13中，RFQ加速器13完成束流的成形和初步加速，出口束流能量在数百keV～数个MeV；中能传输段14对束流品质进行离线测量，并将束流匹配进入后续加速结构。
靶系统包含靶体、辐射屏蔽、束流诊断以及冷却系统，靶体材料选择取决于生产同位素的种类，束流诊断系统，用于束流能量和流强的监测，冷却系统用于带走热量，其设计取决于靶体材料和结构。
在实际应用中，RFQ加速器出口的束流能量可以从数百keV～数个MeV中选定设计，一旦RFQ加速器制造完成，其出口能量Erfq就是固定的。再经过一系列独立的高加速梯度的加速单元，可以实现数十MeV的稳定加速。
本发明直线加速器的工作原理阐述如下。
一个加速单元的能量增益E＝粒子电荷q*电场强度E*渡越时间因子T*单元长度L*cos同步相位φs(即E＝q*E*T*L*cosφs)，参考图2示出的同步稳相加速示意图，每个加速单元的射频功率大小是可通过低电平控制系统调节，即电场强度E是可调，通过射频功率的调节，该加速单元获得的能量增益可以从0～最大值qETLcosφs连续可调；每个加速单元的同步相位也可通过低电平控制系统调节加速单元提取相位和参考相位的相对值来调节，当同步相位调到0°，获得最大能量增益qETL，当同步相位调到180°时，粒子获得最大减速-qETL。
质子束流通过N个加速单元后，引出束流的能量范围从Erfq-NqETL到Erfq+NqETL，一个加速单元的最大能量增益为2MeV。假设需要获得25MeV的稳定加速，需要约25-28个加速单元，一个原因是渡越时间因子T随粒子速度变化，范围从0.4到0.8，另一个原因是部分加速单元的相位为负值，意味着部分加速单元未提供最大加速能力，这是为了满足加速器纵向稳相原理，使束流获得横向、纵向稳定加速，避免束流丢失。可以理解的是，加速单元总数量N的取值取决于整个直线加速器所需要的最大加速能力。
在实际生产过程中，PET断层扫描摄像同位素的生产需要质子能量加速到7-12MeV，SPECT同位素的生产需要质子能量加速到15-19MeV，通过209Bi(a，2n)211At反应用于211At的生产需要将a粒子加速到20MeV以上。直线加速器末端具备供给3个不同能量束流的能力，在配备相应的靶系统可实现3种不同同位素的生产。
在本发明同位素生产设备的使用过程中，根据各种同位素生产需要的能量，通过一系列加速单元射频功率和同步相位的优化调整，从直线加速器末端引出束线得到任意想要能量的束流。
在实际调节过程中，可以通过使参与工作的加速单元中部分加速单元的相位为负值，满足加速器纵向稳相原理，使得束流获得横向、纵向稳定加速，避免束流丢失，实现低束损。而且，直线加速器活化风险低，节约大量屏蔽成本。
实施例2、
基于上述实施例1公开的同位素生产设备，本发明实施例2中，因此，将能量连续可调的直线加速器进行模块化，将某些加速单元耦合在一起，形成一个个加速模块，即N个加速单元中前后相邻的多个加速单元耦合形成加速模块，每个加速模块的输出端设有相应的引出束线，这些引出束线用于输出供与之配套运行的靶系统使用的质子束流。可以理解的是，单个加速模块能量连续可调主要因为是其包含的加速单元的电场幅值和相位都是独立可调。
其中，束流的引出通过分束装置实现，分束装置具体可以由切割磁铁和纳秒级上升沿的kicker腔体磁铁组成；切割磁铁工作在直流模式，kicker磁铁或kicker腔体工作在脉冲模式，切割磁铁有两条通道，一条是实现束流直线传输的通道，另一条是将束流从侧边偏转45°的通道，从而使束流偏转到一级引出束线上。
如图1所示，加速单元的总数量N＝23，加速模块的数量为4，具体包括：1～6加速单元串联耦合形成的第一加速模块21，7～12加速单元串联耦合形成的第二加速模块22，13～17加速单元串联耦合形成的第三加速模块23，18～23加速单元串联耦合形成的第四加速模块24。相应地，一级引出束线包括对应在各加速模块输出端的引出束线1、引出束线2、引出束线3和引出束线4，引出束线4同时也是整个直线加速器的末端引出束线。
在实际应用过程中，ECR离子源提供20-60keV的质子束流，常温前端加速器(ECR离子源+RFQ加速器)提供2.5MeV的质子束流。引出束线1可通过常温前端加速器+第一加速模块21提供5-7MeV质子束流，引出束线2可通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22提供7-12MeV质子束流，用于PET断层扫描摄像同位素的生产；引出束线3可通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22+第三加速模块23提供15-19MeV质子束流，用于SPECT同位素的生产；引出束线4通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22+第三加速模块23+第四加速模块提供20-25MeV质子束流，通过209Bi(a，2n)211At反应用于211At的生产。
本发明整个直线加速器有能力提供mA级质子束流，某条引出束线通常引出数百μA束流用于同位素生产即可。应用时，参考以上内容，选定实际参与工作的组件和引出束线，按照系列加速单元既定的射频功率和优化的同步相位，快速实现特定能量范围束流的供给。
综上，本发明直线加速器除末端引出束线4能够提供任意能量的稳定束流外，还有其它更多的引出束线1～3能够同时提供不同的特定能量范围的束流，实现多个靶系统的束流同时供给，满足多种同位素同时生产的需求，在实施例的基础上进一步提高了同位素生产效率。
实施例3、
基于本发明上述实施例1和实施例2公开的同位素生产设备，本发明实施例3中，针对直线加速器中常温前端加速器采用ECR离子源和RFQ加速器，加速单元的加速腔体为低温超导腔体，本发明整个直线加速器能够提供数十mA级质子束流对于所有引出束线，这样的话纵使所有引出束线同时工作也能引出平均流强为数个mA的束流，在该束线上采用分束的方式分出数几条次级引出束线，每个靶系统上仍有平均流强约数百μA的束流，仍能满足同位素生产需要。
基于此，使得至少有一条引出束线的末端通过分束装置引出多条次级引出束线，这些次级引出束线用于输出直接供与之配套运行的靶系统使用的质子束流。比如，图1示出的，引出束线1～4的末端均引出三条次级引出束线。可以理解的是，在引出次级束线时要保证最终每条束线引出束流平均流强大于数百μA，满足同位素生产需求。
其中，本发明整个直线加速器能够提供数十mA级质子束流的主要原因有以下三个方面：第一点是ECR离子源，可提供数百个mA的高品质束流；第二点是采用RFQ加速器作为前端加速器，RFQ加速器具备同时对离子束的横向聚焦作用和纵向聚束作用，能高效地将百毫安级的强流离子束加速到每核子几个MeV，得到高品质的束流；第三点是加速模块是直线加速器，直线加速器为强聚集加速器，能对数十mA强流束进行约束，保持高的束流品质，几乎不会丢失束流；进一步地，使该直线加速器中加速模块采用低温超导材料，电阻小，几乎所有射频功率都转为束流功率，被束流带走，不存在热问题，有能力将束流运行在高占空比下，由此得到平均流强为数十mA的束流。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种同位素生产设备，其特征在于：它包括直线加速器和与之相对应的靶系统；
所述直线加速器包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合形成；
所述末端引出束线用于输出供所述靶系统使用的质子束流，所述靶系统用于同位素的产生；
一个所述加速单元包括一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器；所述耦合器功率耦合进入所述加速腔体中，所述调谐器用于所述加速腔体频率的调节；
所述加速腔体采用低温超导材料；
所述常温前端加速器包括依次设置的离子源、低能传输段、高频四极场加速器以及中能传输段；
所述末端引出束线和所述引出束线上均设置分束装置将束流引出；
所述分束装置为如下任一种：1）由切割磁铁和kicker磁铁组成；2）由切割磁铁和kicker腔体组成；
所述常温前端加速器和每个所述加速单元均设置各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统；
所述射频功率源为所述常温前端加速器和所述加速单元提供射频功率；所述馈送系统用于从所述射频功率源将射频功率馈送到所述常温前端加速器和所述加速单元中；所述低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位。
2.根据权利要求1所述的同位素生产设备，其特征在于：所述常温前端加速器和每个所述加速单元设有同一个信号参考线，用于为所述加速单元提供一个相同的相位参考点。
3.根据权利要求1或2所述的同位素生产设备，其特征在于：所述射频功率源采用固态放大器；
所述低电平控制系统采用数字低电平；
每个加速腔体能够提供0~2MeV的加速能力。
4.根据权利要求1或2所述的同位素生产设备，其特征在于：每个所述加速模块的输出端设有相应的引出束线，所述引出束线用于输出供与之配套运行的所述靶系统使用的质子束流。
5.根据权利要求1所述的同位素生产设备，其特征在于：所述末端引出束线和所述引出束线均通过所述分束装置引出三条次级引出束线。
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