用于制备医用放射性同位素的设备转让专利
申请号 : CN201580070900.6
文献号 : CN107112064B
文献日 : 2019-08-13
发明人 : K·A·沃洛舒恩 , E·R·奥利瓦斯 , G·E·戴尔
申请人 : 洛斯阿拉莫斯国家安全股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于放射性同位素生产的设备,包括:
壳体;
盘保持器,其位于所述壳体内并被配置成将一个或多个靶材保持在所述壳体中,用于放射性同位素生产;
至少一个弯曲窗,其耦合到所述壳体并且定位成与靶材保持器相邻,所述至少一个弯曲窗具有凸曲面,所述凸曲面朝向所述靶材保持器定向成朝向所述壳体内,所述至少一个弯曲窗可操作,以将辐射从壳体外面传送到所述靶材保持器中,用于照射由所述靶材保持器在所述壳体内保持的一个或多个靶材,以从所述一个或多个靶材产生放射性同位素;
其中,所述靶材保持器包括冷却剂流入部分,所述冷却剂流入部分可操作以在放射性同位素生产期间接收流过所述壳体的冷却剂,使得所述冷却剂从所述靶材保持器所保持的一个或多个靶材中去除热量,并且使得所述冷却剂去除所述至少一个弯曲窗的热量;并且其中,所述靶材保持器包括冷却剂流出部分,所述冷却剂流出部分可操作以在所述冷却剂穿过所述一个或多个靶材和所述至少一个弯曲窗并且从所述一个或多个靶材和所述至少一个弯曲窗去除热量之后,从所述靶材保持器排出冷却剂,其中,所述至少一个弯曲窗包括耦合到所述壳体并且位于所述靶材保持器的相对侧上的两个弯曲窗,所述两个弯曲窗均具有从靶材保持器的相对侧朝向所述靶材保持器定向的凸曲面,所述两个弯曲窗可操作,以将辐射从两个不同方向传送到所述靶材保持器中,用于同时从两个不同方向照射所述一个或多个靶材。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,至少一个弯曲窗的凸面具有球面曲率。
3.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述至少一个弯曲窗具有与凸面相对的凹面。
4.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述壳体和所述盘保持器被设置成从所述弯曲窗的凸面和由所述靶材保持器保持在壳体内部的靶材的相邻表面之间的通道提供冷却剂,使得所述弯曲窗被流过壳体内部的凸面的冷却剂冷却。
5.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述至少一个弯曲窗的凸面向内突出到所述壳体内的冷却剂流动路径中,以引起从所述弯曲窗向所述冷却剂增加的热传递。
6.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述靶材保持器被配置成将多个靶材保持在所述盘保持器内。
7.根据权利要求6所述的设备,其中,所述靶材保持器被配置成在所述盘保持器内保持多个盘状靶材,所述盘状靶材定向成基本上彼此平行并且彼此间隔开,以在靶材之间提供冷却剂流动路径。
8.根据权利要求7所述的设备,其中,所述盘保持器包括散热片,所述散热片被配置成保持所述多个盘状靶材并被配置成允许冷却剂在所述散热片之间和所述靶材之间流动。
9.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述靶材保持器被配置成保持多个包装的球形靶材。
10.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述靶材保持器被配置成保持单个靶材,所述单个靶材包括穿过该单个靶材的多个冷却剂流动通道。
11.根据权利要求1或2所述的设备,还包括一个或多个靶材,所述靶材包括安装在所述靶材保持器中的钼。
12.根据权利要求1或2所述的设备,还包括一个或多个靶材,所述靶材包括安装在所述靶材保持器中的Mo-100。
13.根据权利要求1或2所述的设备,还包括第一电子束源,其定位成将第一电子束传送到所述至少一个弯曲窗处,使得所述第一电子束穿过所述至少一个弯曲窗并且然后穿过所述靶材保持器内部的至少一个靶材。
14.根据权利要求13所述的设备,还包括第二电子束源,其定位成将第二电子束传送到所述设备的第二弯曲窗处,使得所述第二电子束穿过所述第二弯曲窗并且然后穿过所述靶材保持器内部的至少一个靶材。
15.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述至少一个弯曲窗包含元素金属或金属合金。
16.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述至少一个弯曲窗包含金属合金,所述金属合金选自沉淀硬化INCONEL合金、铝和铍的合金、钢、难熔金属合金、钼和铼的合金、奥氏体合金、马氏体-铁素体合金、以及钛和锆以及钼(TZM)的合金。
17.根据权利要求1或2所述的设备,其中,所述至少一个弯曲窗包含元素铝。
18.根据权利要求1或2所述的设备,还包括冷却系统,其耦合到所述壳体并且被配置成引导冷却剂通过所述壳体和所述靶材保持器。
19.根据权利要求18所述的设备,其中,所述冷却剂包括氦气。
说明书 :
用于制备医用放射性同位素的设备
究和开发协议进行的。
技术领域
背景技术
发明内容
过窗的中心处。因此,窗的中心可以相对不移动的周边热膨胀。在这些条件下,膨胀中心可以从原始平坦窗的平面中弯曲,因为来自射束的加热与加压冷却剂的组合在窗上产生应
力,导致窗变形,并且这可以导致窗失效。
弯曲窗和第二弯曲窗。这些窗可以位于盘保持器的相对侧上,其弯曲表面朝向盘保持器内
的盘向内定向。在其他实施例中,在靶材的一侧上仅设置一个窗,或者提供超过两个窗,例如,在靶材的三个或更多个侧边上。
离开盘保持器。与非弯曲窗相比,弯曲的窗形状减少了由射束引起的加热和冷却剂压力造
成的在窗上的应力。
盘保持器内的盘向内定向。在操作期间,第一电子束穿过第一窗,然后穿过由钼-100制成的靶盘,从而产生放射性同位素钼-99。第二电子束也可以穿过第二窗,然后穿过钼-100的靶盘,从而产生钼-99的额外的放射性同位素。该设备还包括与靶盘和/或两个弯曲窗的内表
面接触的冷却剂。在操作期间,当电子束穿过弯曲的窗并照射钼-100的靶盘时,冷却剂通过壳体流到盘保持器,在此处冷却盘和窗。与平坦窗相比,弯曲的窗形状减少了由射束引起的加热和冷却剂压力造成的在窗上的应力。
附图说明
的内部冷却照射的盘和窗;
冷却剂最快,冷却剂流速随着冷却剂接近窗和第一靶材之间的最小距离的平面而增加,在
该平面处,流动达到最大速度,随后,冷却剂速度降低;
24A的靶材的剖视图;图24D是图24C的一部分的放大图;以及
具体实施方式
持器、一个或多个弯曲窗以及一个或多个靶材。靶材由壳体内的靶材保持器保持在期望的
定向,使得所施加的辐射穿过弯曲的窗并进入或穿过靶材,以在靶材中产生所需的放射性
同位素。靶材可以包括以特定方式设置以与施加的辐射相互作用的任何数量的单独靶材单
元,例如,盘或球体。壳体还被配置成引导冷却剂通过靶材保持器,在靶材上方,和/或至少穿过弯曲窗的内表面,以抽出由照射产生的热量。窗可以具有以期望的方式成形入射辐射
束的曲率,以有效地在靶材中产生放射性同位素。
相对侧上,其相应的弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定向。在操作期间,第一电子束穿过第一窗,然后穿过靶盘,从而产生同位素。第二电子束也可以穿过第二个窗,然后穿过靶盘,从而产生额外的同位素。射束照射导致加热窗和靶盘。盘保持器中的入口允许来自壳体的
冷却剂进入盘保持器并冷却盘和弯曲窗。盘保持器中的出口允许冷却剂离开盘保持器。弯
曲的窗形状可以帮助成形射束,并且可以帮助最小化由射束引起的加热和冷却剂压力造成
的在窗上的应力。
上彼此平行,在盘之间具有狭窄的空间。该设备还包括第一弯曲窗和第二弯曲窗,第一弯曲窗和第二弯曲窗位于盘保持器的相对侧上,其相应的弯曲表面朝向盘保持器内的盘向内定
向。在操作期间,第一电子束穿过第一窗,然后穿过由钼-100制成的靶盘,从而产生放射性同位素钼-99。第二电子束也可以穿过第二窗,然后穿过钼-100的靶盘,从而产生钼-99的额外的放射性同位素。来自电子束源的第一电子束穿过第一弯曲窗。同时或稍后,第二电子束穿过第二弯曲窗。当电子束穿过窗并且然后穿过钼-100的靶盘时,冷却剂的流动通过壳体
到达盘保持器,在所述盘保持器处,冷却剂冷却盘和窗。
温度。弯曲的窗形状还可以导致机械应力和压力引起的热应力的降低。
具有矩形横截面或其他横截面形状。壳体12可以包括尺寸适于以相应形状容纳窗18的圆形
开口20。
放置在开口28中的保持器14内部,盘与保持器28中的开口和窗18对准。靶材保持器14可以
包括彼此稍微间隔开的多个散热片22,其中,每个散热片22包括其中一个开口28并且保持
其中一个靶材。保持器14包括在散热片22之间延伸的冷却剂流动通道。散热片22可以包括
圆形或外圆角流入端24和尖的扩散流出端26,以减少流入端24和流出端26之间的靶材上的
冷却剂压降。多个散热片22可以经由上和下连接板30保持在一起,如图2C所示。在窗18的内表面和第一和最后一个靶盘之间还设有空间,以允许冷却剂流过窗的内表面以及盘。图2B
提供了靶材保持器14和窗18的示例性尺寸。
剖视图。尺寸以英寸(仅举几例,1.339英寸、1.230英寸以及0.01英寸)以及毫米(34、32、
0.25)为单位,出现在图2A的括号中。所示出的曲率半径的值为1.50英寸[38毫米]。窗直径、随着半径变化的厚度、以及总体尺寸将随着电子束穿过窗时在使用期间产生的相对机械和
热应力而变化,同时冷却剂流过设备,以从设备的内部冷却照射的盘和窗。
例性冷却剂系统的示意图。冷却剂系统可以利用诸如氦等各种冷却剂材料来从靶材、窗和/或其他设备部件去除热量。冷却剂系统可以以期望的压力和流速将冷却剂施加到设备10,
并且可以将从设备提取的热量交换到散热器(例如,水体)或某个其他目的地。在一些实施
例中,冷却系统可以包括具有约217gm/s的入口质量流速和约2.068MPa的入口压力的基于
闭环氦的冷却系统。例如,入口质量流速和入口压力可以应用在靶材保持器的流入端24处。
如图1B所示,壳体12可以包括具有端部开口13的细长管状体。端部开口13可以耦合到冷却
剂系统,以引导冷却剂通过其中一个开口13、通过靶材保持器14、并且通过另一个开口13流出。
部和下部44。流动通道可以在靶材40的不同部分中包括各种尺寸和形状。例如,靶材40可以包括更接近轴向端部42的更宽的狭槽型流动通道46、更接近轴向中心的更窄的狭槽型流动
通道48和/或在轴向中心部分的针孔型流动通道50。通道46和48可以在上部和下部实心部
分44之间竖直延伸,而针孔型通道50可以具有更短的高度并且在同一竖直平面中堆叠几
个。流动通道的不同尺寸和形状可以引起靶材上的加热速率的变化,在具有辐射的更大加
热的区域中具有更大的冷却剂流动和/或表面面积。示例性靶材40被配置成从两个轴向端
部照射,因此轴向对称,尽管其他实施例可以是不对称的,例如,当仅从一个轴向端部照射时。
的空间可以允许冷却剂流过整个靶材。靶材60可以包括将元件62保持为期望的包装形式的
球形外壳或保持器。外壳或保持器可以包括网状物、筛网或其他至少部分穿孔的材料,以允许冷却剂流过其进入靶材。冷却剂流动可以垂直于圆柱形整体形状的轴。在其他相似的实
施例中,靶材可以包括由包装的小球形元件组成的矩形(例如,正方形)横截面的整体形状。
矩形形状可以提供穿过靶材的更均匀的冷却剂流量分布。可以以不同的方式包装球形元
件,以调整其总体密度并调节球体之间的开放空间的相对体积和配置。在另外的其他实施
例中,靶材可以包括海绵状或多孔材料,其是整体的,作为单件,但包括用于加压冷却剂通过靶材的通道。
表面。长方体靶材可以包括与冷却剂流动方向对准的通道或其他通道/开口,以便于冷却剂的有效性。在其他实施例中,靶材可以包含球形或卵形靶材。可以使用任何形状的靶材。因此,靶材保持器具有任何对应的形状,以相对于窗保持靶材,并且便于冷却剂流过和/或通过壳体内的靶材。
的非常薄的窗外,典型的实施例窗需要主动冷却,并且冷却剂在某种程度上必然被加压,以产生流动。然后,窗受到两种机制的应力:1)来自压力负荷的机械应力以及2)材料中温度梯度的热应力。这些应力必须保持在某种限度以下,以防止窗故障。虽然在某些情况下可能采用不太保守的限制,但容许应力标准的普遍接受的和经常要求的标准是ASME锅炉和压力容
器规范”(以下简称“CODE”)。
CODE的这一部分详细描述了如何将各种应力类型(膜、弯曲和二次(热))单独和组合地与容
许应力比较。
倍的值。对于其他射束轮廓,可以取决于体积加热减少的速率。使窗弯曲,具有降低热和机械应力的作用,但曲率对也必须考虑的冷却剂流动确实具有影响。
剂。可以系统地调节曲率,可选地与厚度一起调节,该曲率通常径向增加,以减小机械应力。
应力可以与CODE定义的如第VIII章节第5部分中限定的等效应力限制进行比较。根据应力
类型对净等效应力的相对贡献,厚度或曲率或厚度和曲率二者可能需要调整和反复计算。
通过该过程,可以获得弯曲窗的轮廓,等待制造和测试。
具有在面向内的至少部分或大部分或全部窗表面上的球体(球面曲率)的半径以及凹面外
表面的不同或相似的曲率半径。这种窗形状有助于冷却窗,同时减少热应力。对于图2A的示例性弯曲窗20,尺寸以英寸为单位给出,且还以毫米为单位(其为括号内的值)给出。
射性同位素。该分析的射束能量和总射束电流分别为42MeV和约5.71微安(每侧2.86微安,
每侧为120kW)。评估了根据压力和流速的热传递和液压性能,并检查了射束窗的热机械性
能。
导致使用90%致密材料和12mm FWHM射束的直径为29mm的优化直径。与热分析中使用的50
个盘长的靶材相比,该靶材组件为82个盘。中间盘的加热低,所以结论不变。
金718制成。靶盘和前后窗通过焊接进行连接。用于计算的窗表面是弯曲的,具有球形几何形状并且中心线处的最小厚度为0.25mm(参见图2A)。达到的温度和产生的应力随着窗厚度
而增加,因此通过使窗向中心线方向变薄来最小化热应力。由负荷引起的机械应力与窗厚
度平方成反比,因此在这种情况下,通过使窗变厚来减小应力。压力引起的应力也随着窗直径的平方而增加,因此直径增加,厚度也必须增加。
通过使用平板矩形通道相关性,计算传热系数(HTC)。在计算雷诺数和努塞尔数时,通道的液压直径将用于定义通道几何形状。以下所示的经典Colburn等式将用于定义充分发展的
湍流的局部努塞尔数NuD:
平均速度提高了15%,提高至185m/s,则HTC将增加约11.7%。实施例包括钼靶盘和INCONEL合金718窗。在表1中列出钼靶盘和INCONEL合金718窗对氦的热负荷。在表2中列出氦冷却剂的热液压流动条件。表3列出了293K下氦的特性。可以注意到,在该流速和功率下,氦的总平均温度为约130℃。
前面 1.296kW
背面 1.296kW
总计 153kW
每通道的流速 1.316L/s
通道速度 161m/s
入口速度 约50m/s
马赫数 0.16
雷诺数 13800
努塞尔数 41.623
传热系数 12990W/m2K
件如下:假设固定可用的头部仅依赖于选定的鼓风机,使用了跨过靶材0.103MPa(15psi)的压降。因此,入口处2.069MPa(300psi)的总压力以及出口处1.965MPa(285psi)的静压力与
系统质量流量是解决方案的一部分。每个通道的标称矩形截面为0.25mm(0.0098英寸)宽乘
以32.7mm(1.287英寸)高。网格样本如图5所示。钼靶材组件使用大约1960万个节点网格化。
为了减少问题的计算工作量,在XY和XZ平面内使用了对称性。流场和几何形状是对称的,对称平面处具有零法向速度,并且对称平面上的所有变量具有零法向梯度。
的平均速度的条形图,该位置被定义为平行于射束中心的平面。图9示出了冷却剂氦气温度范围293.15K到900K。
出了50个靶盘中的25个(对称拍击沉积)加上前窗的峰值温度。
大约增加40%。在图16中出现极限拉伸强度的平均值和最小值。
的von Mises应力图。图18B和18C示出了在图18A所示的两个不同位置处的线性应力(膜、弯曲和膜加弯曲)。采取保守的方法并使用811K(234MPa)的容许应力值,图18A至18C中示出了对于两个位置绘制的膜应力低于234MPa的容许阈值。此外,当观察初级膜加弯曲应力时,Pm+Pb≤1.5Sm,这也低于1.5Sm极限(351MPa)。FEA结果显示窗中峰值变形为0.138mm(见图
19)。
917.7MPa,比退火的ALLVAC值高约3.6倍,比INCO值高2.85倍。对于PH合金718,屈服强度的平均值和最小值出现在图23中,温度范围为294K至1020K。
的操作压力。下表简化和总结了上述应力结果。
佳生产诸如钼-99等放射性同位素所需的大功率、高通量靶材提供了一种解决方案。
一个或多个具体优点或解决问题。
的组合以外。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合,或者这样公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。