用于内源式产生放射性同位素的装置

摘要

用于放射性同位素内源式产生、尤其是用于PET的装置，其特征在于包括：一其内表面至少部分地处理成抗离子注入而且相对于核反应产物惰性化的真空容器(1)。一设置在上述真空容器(1)里面的一对电极(4，5)，一电容器组(2)，一把上述电容器组(2)连接到上述电极(4，5)以致在后者之间产生放电因而形成等离子体而且建立用于开展产生放射性同位素的核反应的一些条件的装置(3，16)，一象这样的装置不超过50nH的等效电路总电感，安装到真空容器(1)用于形成不高于10-6Torr真空度的装置(10)，一安装到上述真空容器(1)用于在形成真空以后以一定压力引入至少一种通常保证在放电期间形成等离子的反应气体和随后达到象这样1015keV-s/cm3数量级的等离子体的一些吸持条件的装置(11)，以及一安装到上述真空容器(1)用于抽取出气体而且把气体贮藏在气体色谱仪的圆筒内的装置。

权利要求

1.一种用于放射性同位素内源式产生的装置，包括：-真空容器，真空容器的内表面至少部分地处理成抗离子注入而且相对于核反应产物惰性化，-设置在上述真空容器里面的一对同轴圆柱形电极，-电容器组，

-把上述电容器组连接到上述电极以在后者之间产生放电，因而形成电弧放电类等离子体、而且建立用于开展产生放射性同位素的核反应的条件的装置，上述连接装置包括同轴电缆，把具有下列技术要求的快速开关插入这些电缆中：-额定电流不小于50kA

-电感不大于50nH

-接通时间不大于50ns

-抖动不大于2ns

-不小于1Hz的重复能力

-6

-安装到上述真空容器用于形成不高于10 Torr的真空度的装置，-安装到上述真空容器用于在形成真空以后以大约10Torr压力引入至少一种通常保

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证在放电期间形成等离子体的反应气体和随后达到象这样10 keV·s/cm 数量级的等离子体的限制条件的装置，-安装到上述真空容器用于抽取出气体而且把气体贮藏在气体色谱仪的圆筒内的装置，以及-捕集装置，捕集装置包括与二个同轴电极连接的一对同轴零件，各种同轴电缆的屏蔽线与外部同轴零件连接，而各种同轴电缆的内芯导线在跨越过所述外部同轴零件后与内部同轴零件连接。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于真空容器是圆柱形的而且具有用球形壳体密封的一个端面。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于给真空容器的内侧面衬以陶瓷层。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于给真空容器的内侧面衬以钒族中的重金属。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于给真空容器的内侧面衬以钒。

6.根据权利要求4的装置，其特征在于给真空容器的内侧面衬以钽。

7.根据权利要求4的装置，其特征在于给真空容器的内侧面衬以钨。

8.根据权利要求4的装置，其特征在于真空容器至少部分镀有镍。

9.根据权利要求1的装置，其特征在于所述捕集装置的总电感不超过50nH。

10.根据权利要求1的装置，其特征在于真空容器安装真空泵。

11.根据权利要求1的装置，其特征在于真空容器安装至少一个反应气体源。

12.根据权利要求11的装置，其特征在于真空容器安装连接不同反应气体的数个气体源的混合器。

13.根据权利要求1的装置，其特征在于真空容器安装一种用于抽取气体，用于气体过滤以捕获放射性同位素，和用于在上述的捕获以后把气体重新引入真空容器内的外部回路。

14.根据权利要求1的装置，其特征在于真空容器安装用于以低温方法抽取气体的冷却回路。

说明书

用于内源式产生放射性同位素的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于放射性同位素内源式产生、尤其是用于PET的装置。 背景技术

[0002] 正电子放射层X射线摄影法(PET)因代表用于研究活体内生理学过程和生理学-生理机能过程的现今最先进技术而出名，PET是一种在检测由于注入放射性药剂在监视下输送到器官的特定放射性同位素而引起的放射性发射的情况下患者的三维扫描。 [0003] 近年来，PET表明了在技术上的明显改进。其中一种改进可能提到组合多种方式的PET/CAT系统、用于图像处理的强而有力的软件和三维探测技术(3D)的改进。 [0004] 在二十世纪九十年代第一个五年内发展起来的三维探测模式(PET3D)以检测包含相对于检测轴平面倾斜的并发线在内的所有并发线为基础：PET3D在检测效率上得到显著提高，比以前二维模式增加至少五倍，导致在PET图像中S/N比率上大大改进，S/N比率18 18
在用 F-FDG(用 氟标记的氟-Deossi-葡萄糖)全身研究中是头等重要的。 [0005] 图像重建得益于迭代数值方法，所以有许多优点：在肿瘤的解剖学上定位和立体清晰度方面的改进，补偿几何学上的失真(强制性地必须预先具备与一些CAT图像组合)，以及定量示踪粒子俘获过程。

[0006] 也有一些大家知道的在单步执行中PET和CAT层析X射线摄影法两者都包含，从单个控制台控制以及安装在单个病床上的组合式PET/CAT系统。那些系统使得有可能在单次检查中获得PET和CAT图像，而减少检查时间，并且由于协同使用图像，因此获得更好的综 合诊断。由于这些改进，因此PET/CAT检查成为一种用于肿瘤早期诊断，用于心脏和大脑病理分析以及用于在整个活体内生理过程和生理学-生理机能过程研究的极好技术方法。

[0007] 目前，为PET/CAT检查而需要的正电子放射性同位素是小型回旋加速器产生的，小型回旋加速器能够加速质子和氘核，质子和氘核撞击在适当的靶子上，引起核反应，而产11 13 15 18
生 C、N、O、F。

[0008] 著名的小型回旋加速器是General Electric的MINitrace和PETtrace、EBCO的TR系列和IBA的Cyclone系列。

[0009] 尤其是MINItrace具有下列特性：

[0010] 质子加速一值到9.6Mev；

[0011] 组合式辐射保护屏；

[0012] 垂直磁铁；

[0013] 50kVA电源；

[0014] 控制和诊断系统根据工作站来运行。

[0015] PETtrace系统(16.5Mev负离子同步回旋加速器，质子和氘核加速器)要求用2
130KVA代之，面积不小于80m，包含辅助设备，和重量25-27metric ton(米制吨)。 [0016] 用于PETtrace系统的产生速率大约为3ci/hour。

[0017] IBA的装有钛靶分离器18/9(18Mev质子，9Mev氘核小型回旋加速器)具有下列特性：

[0018] 能量 18Mev

[0019] 束强度 37μA

[0020] 照射时间 120Min

[0021] 厚靶产率 234±10mci/MA·Sat

[0022] 放射性强度 4.6±0.2EOB(Ci)

[0023] 在PET诊断系统中主要局限性是需要非常短暂的核素的辐射线发射，短命核素意味着在产生以后快速裂变，而使其在短时间内失效。

[0024] 目前对这个问题的解决方法在于把回旋加速器设置在PET中心附近以便现场产生放射性同位素。

[0025] 这样的解决方法具有经济、管理和辐射防护几类的问题。

[0026] 从经济观点来说，包含所有构造和辅助设备系统的小型回旋加速器的成本大体需要用4-5百万欧元。就关于辐射防护而论，在设备周围的强辐射场要求一些苛刻的建筑物(混凝土厚达200cm，取决于设备)。象这些有很大放射性危险性的系统需要足以满足所有与整套设备联结的技术系统要求的设计(空气变换、电、火防护)。从管理观点来看，回旋加速器始终必须得到辐射防护法规托管中心管辖核准(一些政府部门和代理机构担负环境保护)，而其本身也需要冗长而要求苛刻的工艺规程。更进一步，装置的复杂体系结构(磁铁、射频、离子源、提取系统以及真空、控制和冷却系统、靶子)即使不在生产中也要求连续24小时运行。包含这些频繁需要维修的任一次停工意味着在保证中断诊断放射性情况下恢复最佳运行状态的长而复杂过渡过程。

[0027] 大家知道另外有一段时间解决方法需要从外部供应源获取放射性同位素，但是这也有一些问题。首先，对短命放射性同位素的需要促成获取比这段时间所需要的更大的量，15
以补偿其快裂变，而且完全排除使用非常短暂的放射性同位素。例如，O有122s的半衰期，意味着从产生刚20min以后放射性降低999/1000，如果人们想要在自产生的20min以后使
15
用 O，那么就应该获取1000倍的需要量。

[0028] 其次，把放射性同位素从产生输送到使用现场要求若干安全措施，以防止辐射和危害环境，更不用说意外事件和恐怖主义活动。

[0029] 最后，任何时候存在着供应中断(维修)的可能性，可以在医生(检查取消)和经济自然状态两者的明显负面影响的情况下截断放射性。

发明内容

[0030] 根据这样的现有技术发展水平，本发明意欲着手处理和解决的主要问题在于推荐一种在产生短命放射性同位素方面能够有效而有优势地替换回旋加速器并且排除回旋加速器出现的问题的装置。

[0031] 一般来说，通过二种不同的模式、称为内源式(产生发生在装置 里面的等离子体内的时候)和外源式(产生发生在等离子体外面的靶子上的时候)、能够实现放射性同位素产生。

[0032] 本发明涉及一种用于放射性同位素内源式产生、尤其是用于PET的装置，包括：真空容器，真空容器的内表面至少部分地处理成抗离子注入而且相对于核反应产物惰性化；设置在上述真空容器里面的一对同轴圆柱形电极；电容器组；把上述电容器组连接到上述电极以在后者之间产生放电，因而形成电弧放电类等离子体、而且建立用于开展产生放射性同位素的核反应的条件的装置，上述连接装置包括同轴电缆，把具有下列技术要求的快速开关插入这些电缆中：额定电流不小于50kA，电感不大于50nH，接通时间不大于50ns，抖-6
动不大于2ns，不小于1Hz的重复能力；安装到上述真空容器用于形成不高于10 Torr的真空度的装置；安装到上述真空容器用于在形成真空以后以大约10Torr压力引入至少一种
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通常保证在放电期间形成等离子体的反应气体和随后达到象这样10 keV·s/cm 数量级的等离子体的限制条件的装置；安装到上述真空容器用于抽取出气体而且把气体贮藏在气体色谱仪的圆筒内的装置；以及捕集装置，捕集装置包括与二个同轴电极连接的一对同轴零件，各种同轴电缆的屏蔽线与外部同轴零件连接，而各种同轴电缆的内芯导线在跨越过所述外部同轴零件后与内部同轴零件连接。

附图说明

[0033] 在以下所述中，在参照附图，完全以详细说明但没有限制的实施例方式描述、实现本发明的一个具体实施方式中进一步理解本发明，附图中：

[0034] 图1表示本发明的总示意图；

[0035] 图2表示电容器组与电极的连接器细部的成断片的等角投影图； [0036] 图3表示同轴电缆与捕集装置的连接及其细部；

[0037] 图4表示在实验了解上述装置的实施例中放电电流与电极之间的曲线图；和 [0038] 图5表示捕集装置一容器装配的等角投影图。

具体实施方式

[0039] 参阅图1，根据本发明的装置可以定义为一种以脉冲模式运作、能够产生、加速和约束等离子体、在合适条件下发生热核反应导致产生短暂的正电子放射性同位素的装置。 [0040] 该装置包括并联连接，高电压高电流电容器组2，一些高电压高电流快速开关3，二个置于高真空容器1里面的圆柱形同轴电极4、5，给电容2充电的电源6，和使电容器2通过快速开关3与电极4、5电连接的高电压高电流传输线。

[0041] 真空容器1优选具有圆柱形形状，圆柱形状含有与捕集装置上侧面和与外部(负)电极5连接的底基面以及被平面法兰或者球形壳体密封的顶基面。通过合适的绝缘装置安装成上述底基面与捕集装置上侧面连接，内部电极4同样通过例如含至少95％Al2O3致密多孔性陶瓷材料的合适绝缘装置而与外部电极5绝缘。

[0042] 真空容器装备有水冷却系统。真空容器1的内表面全部或部分(即只有在法兰盘上)涂敷护层以便避免所产生的同位素附着；更确切地说，衬以避免化学附着和离子注入的材料，例如陶瓷材料或重金属(镍)或者钒族金属而尤其是钒本身、钽或钨。 [0043] 真空容器1设置分别与真空系统10、引入反应气体的系统11和用于抽取反应产物的系统连接的开孔7、8、9。

[0044] 另一个开孔19可以用来达到把用泵17从容器抽出而且通过提供放射性同位素化学捕获的过滤器18过滤的气重新引入真空容器1内的目的。

[0045] 对于每个快速开关电子线路23来说是与控制触发器24和用于引入象干空气、SulPur exafluoria和去离子化水那样冷却和操作用流体的系统25有关联的。 [0046] 通过电感非常低的同轴电缆16和特别设计的金属捕集装置13(优选钢或铜-铍)来获得快速开关3和电极4、5之间的连接。这个后者 是由两部分组成的，外面部分电学上接地而里面部分充电；由与圆形厚块连接的圆柱形环组成每个部分；两块厚块有相同对称轴而且被1cm厚的一层介电材料(例如迭尔林)分隔开；两个环被10cm的空气间隙分隔开。还用能够保护整个结构避免来自放电过程的电动力而且能够制止相对位移的一些合适的直立金属零件来增强两块厚块的机械刚性。两块厚块也当用于水冷却系统的支座用。 [0047] 用同轴电缆16来完成与电容组的连接，同轴电缆16的屏蔽导线连接到捕集装置的外部零件15而同轴电缆16的内芯导线跨过上述外部零件而与内部零件14连接。通过连接器的电连接能够保证最小的电阻和最少的电阻性发热。

[0048] 现在参照单脉冲描述根据本发明装置的运作，虽然以1Hz频率重复动作似乎更适合于产生相当大量的放射性同位素。

[0049] 装置的单脉冲运作包括以所选择的电压给该组电容器2充电，然后在电极4、5上迅速(以几微秒)放电，因此能量储存在该组内。

[0050] 然而，在放电以前必须在容器1里面形成真空，因为容器通过开孔7与真空泵10连接实现容器真空。

[0051] 在达到所要求的真空度以后，用适当系统监测真空度而真空度必须不超过-610 Torr，使真空泵10停止运转而且通过开孔8把反应气体引入容器1。

[0052] 用于引入反应气体的系统11优选包含混合器20，把来自装有最纯类型的反应气体的气瓶21、21的导管安装到混合器20上。

[0053] 在容器1里面反应气体或者反应气体混合物的压力是所使用反应气体的函数而且必须是10Torr数量级。

[0054] 电容器2放电在电极4和5之间产生离子化的气体，离子化气体转换成等离子体状态而且等离子体向电极末端移动。

[0055] 在放电过程中流动的总电流可以达到3MA。

[0056] 一旦等离子体到达电极末端，等离子体就被出现的强磁场压缩，因此达到吸持状15 3
态类型的热核等离子体，而相当于10 KeV·S/cm 数量级的一种等离子体粒子密度、能量和吸持时间的结合。

[0057] 在几十毫微秒以后过程结束了，而在真空容器1里面存在着含有感兴趣的放射性同位素的反应气体。

[0058] 用压缩气体方法或者用低温方法能够完成通过开孔9从真空容器1提取含有感兴趣的放射性同位素的反应气体。在前一种情况下，用泵系统通过开孔8抽取气体，或者用通过开孔8引入的不同气体把气体推出容器，在后一种情况下，优选用通过液氮的冷却回路来冷却气体，以致气体冷凝成液体，而然后以液体的形式抽取出。这后一种情况由于需要用冷却回路装备真空容器而要求更复杂的装置，但是保证把含有放射性同位素的气体完全抽取出。

[0059] 如以前所指出的那样，一旦把气体从真空容器1抽取出，就能够过滤气体，以便分离出放射性同位素而且把无放射性同位素的气体重新引入真空容器。

[0060] 在一定次数的放电以后，给真空容器1来一个完全彻底的冲洗。 [0061] 在根据本发明的装置中能够使用的核反应是例如下列所述：

[0062] -12C(3He，n)14O

[0063] -12C(3He，d)13N

[0064] -12C(3He，4He)11C

[0065] -14N(3He，d)15O

[0066] -14N(3He，4He)13N

[0067] -12C(3He，n)14O

[0068] -16O(3He，p)18F

[0069] -16O(3He，4He)15O

[0070] -12C(d，n)13N

[0071] -14N(d，n)15O

[0072] -16O(d，n)17F

[0073] -17O(d，n)18F

[0074] -3He(d，p)4He

[0075] 根据本发明的装置显然比用于产生放射性同位素的传统装置更有优势，而尤其是：

[0076] -其成本比小型回旋加速器的成本少四分之一，

[0077] -在一些前面所述的反应的情况下没有产生中子，因而消除了与屏蔽和通常辐射防护测量有关的问题和成本，

[0078] -可以获得高纯度的放射性同位素，

[0079] -以气态的形式获得适用于生产放射性药剂的放射性同位素，

[0080] -能够生产各种各样不同的放射性同位素，

[0081] -能够在极接近于与PET站有关的放射化学车间之处安装装置。 [0082] 下面关于用于产生18F和15O的装置的实施例将有助于进一步理解本发明。 [0083] -用下列所设计的数据来构成装置：

[0084] -放电电压 VO＝30KV

[0085] -最大总电感 LT＝40nH

[0086] -峰值总电流 IT＝1÷3MA

[0087] -总电阻 RT＝1÷10mΩ

[0088] -总电容器组能量 ET＝150KJ

[0089] -重复频率 V＝1Hz

[0090] 组中的各个电容器具有下列技术要求

[0091] -型号 Ga32899

[0092] -电容量 C＝11μF

[0093] -最大工作电压 Vmax＝36KV

[0094] -最大损坏电压 Vdmage＝40KV

[0095] -峰值工作电流 Ic＝150KA

[0096] -工作电压反向 60％

[0097] -最大电压反向 80％

[0098] -工作条件下寿命周期 1E6

[0099] -电感 Lc＝30nH

[0100] -尺寸 31×41×68cm

[0101] -重量 140kg

[0102] 已知用于电源的设计要求为：

[0103] -电压 Vo＝30KV

[0104] -可输出能量 157.5KJ(每个周期)

[0105] -电容器组放电时间 τc＝1/v＝0.5÷0.8s

[0106] -平均可输出电流 Ips＝QT/Tc＝12÷22A

[0107] -峰值可输出功率 Pps＝IpsVo＝360÷660KVA

[0108] -获得具有下列技术要求的电源：

[0109] -可输出能量 157.5KJ(每个周期)

[0110] -电容器组充电时间 τc＝1/v＝0.8s

[0111] -平均可输出电流 Ips＝QT/τc＝12÷14A

[0112] -峰值可输出功率 Pps＝IpsVo＝360÷420KVA

[0113] 能够以单脉冲模式和重复模式两种模式来控制电源，在后一种情况下利用用于快速开关3的触发单元的计时。

[0114] 快速开关3具有下列技术要求：

[0115] -型号 REB3SG-183 Montecucco-lino型(即，具体由R.E Beverly111 & ASS设计的)

[0116] -触发类型 场畸变

[0117] -最小工作电压 15KV

[0118] -最大工作电压 65KV

[0119] -工作峰值电流 ISG＝160KA

[0120] -最大峰值电流 250KA

[0121] -最大移动电荷 0.36C每次放电

[0122] -电感 LSG＝27nH

[0123] -接通时间 22ns

[0124] -击穿时间 600ns

[0125] - 在 使 用 中 气 体 Ar、Ne、H2、N2、合 成 空 气、压 缩 空 气 ( 有 不同性能)

[0126] -到装置的输出线 每个开关4条同轴电缆

[0127] -同轴电缆 Dielectric Science DS 2248

[0128] 装置装有用于冷却电极的系统，用于真空容器内气体重复循环的 系统和用于快速开关的气体重复循环的系统，也把该系统设计成冷却开关，使得开关有可能以1Hz重复方式运转。

[0129] 包括电容器和快速开关的独立单元的电感为LC+LSG＝57nH。假定Lcable为一条同轴电缆的平均电感(取于电缆直径和长度，而因此取决于装置的几何结构)，则在电极上游的总电感L为

[0130]

[0131] 在充电期间通过装入含高压二极管的合适噪声抑制缓冲电路的分配器箱并联连接一些电容器。

[0132] 使32个电容器与捕集装置连接，又与电极4、5连接的同轴电缆16为128条，而每一条电缆16传输最大电流25KA，也就是1/4Icmax。

[0133] 每条同轴电缆大约1.5m长。

[0134] 捕集装置由28.5cm高具有16cm半径的外部环组成。

[0135] 真空容器是用不锈钢制造而用具有惰性化效果的镍层覆盖上法兰盘的内表面。 [0136] 真空容器的形状是圆柱形的，具有30liter容积，严格地说，所需要的最小容积，3
为的是避免不必要浪费 He。

[0137] 用模拟代码来选定电极尺寸，用于模拟的输入参数为电路总电阻，在电极上游上的总电感，以及气体类型和压力。模拟的目标是得出在符合收缩效应时候的情况下使电流峰值增加到最大程度的一些条件。采用下列一些参数：

[0138] -电路电阻 10mΩ

[0139] -在电极上游的电感 25nH

[0140] -气体 D2

[0141] -压力 10torr

[0142] 图4表示放电电流的典型曲线图。在时间t＝3.6μs附近能够辨别出大约1450KA的电流最大值。在用于电极的下列技术要求的情况下获得这个结果：

[0143] -外电极半径 8.5cm

[0144] -内电极半径 4.8cm

[0145] -电极长度 16cm

[0146] -电极间间隙 3.7cm

[0147] 测定在这样的技术要求的情况下电极的最大电感为9.1nH。