УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИЦИНСКИХ ИЗОТОПОВ
PRODUCTION DEVICE AND METHOD OF MEDICAL ISOTOPES

ДАННЫЕ О РОДСТВЕННЫХ ЗАЯВКАХ
[0001] Настоящая заявка является переведенной на национальную стадию в США международной заявкой № PCT/US2009/042587 с датой регистрации 1 мая 2009 г, формула изобретения которой полностью соответствует и испрашивает приоритет по предварительной заявке США №61/050,096 с датой регистрации 2 мая 2008 г., полностью включенной в настоящую заявку по ссылке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к устройству и способу производства медицинских изотопов. В частности, изобретение относится к устройству и способу производства нейтронно генерируемых медицинских изотопов с использованием или без использования подкритического реактора и низкообогащенного урана (HOY).
99
99
99
[0003] Радиоактивные изотопы часто используются врачами, работающими в области ядерной медицины. Наиболее часто используемым из этих изотопов является Mo. Значительная часть запасов 99Мо вырабатывается из высокообогащенного урана (BOY). Используемый ВОУ обогащен достаточно, чтобы производить из него ядерное оружие. ВОУ экспортируется из США для ускорения производства весьма необходимого Mo. Предпочтительно производить необходимый Mo без использования ВОУ.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном из вариантов выполнения изобретения предложен гибридный реактор, выполненный с возможностью производить медицинский изотоп. Реактор включает ионный источник, выполненный с возможностью вырабатывать ионный пучок из газа, целевую камеру, включающую цель, взаимодействующую с ионным пучком с целью получения нейтронов, и активирующий элемент, расположенный в непосредственной близости от целевой камеры, и включающий исходный материал, взаимодействующий с нейтронами с целью получения медицинского изотопа посредством ядерной реакции. Аттенюатор расположен в непосредственной близости от активирующего элемента, и выбирается для поддержания ядерной реакции на подкритическом уровне, отражатель расположен в непосредственной близости от целевой камеры, и выбирается для отражения нейтронов по направлению к активирующему элементу, а замедлитель по существу окружает активирующий элемент, аттенюатор и отражатель.
[0005] Согласно другому варианту выполнения изобретения предложен гибридный реактор, выполненный с возможностью производства медицинского изотопа. Реактор включает область ядерной реакции, включающую длинный целевой путь, который по существу окружает определенное пространство. Область ядерной реакции обеспечивает возможность вырабатывать поток нейтронов в пределах целевого пути. Отражатель по существу окружает длинный целевой путь и обеспечивает возможность отражать часть потока нейтронов по направлению к определенному пространству. Активирующий элемент расположен в рамках определенного пространства и включает исходный материал, реагирующий с частью потока нейтронов с целью получения медицинского изотопа в ходе ядерной реакции. Аттенюатор расположен внутри активирующего элемента, и выбирается для поддержания ядерной реакции на подкритическом уровне, а замедлитель по существу окружает активирующий элемент, аттенюатор и отражатель.
[0006] В другом варианте выполнения, изобретение обеспечивает способ производства медицинского изотопа. Способ включает возбуждение газа с целью получения ионного пучка, ускорение ионного пучка, и пропускание ионного пучка через длинный целевой путь, включая целевой газ. Целевой газ и ионы вступают в реакцию ядерного синтеза с целью получения нейтронов. Способ также включает отражение части нейтронов при помощи отражателя, который по существу окружает длинный целевой путь, расположение исходного материала внутри камеры активации поблизости от длинного целевого пути, и поддержание реакции деления ядра между частью нейтронов и исходным материалом с целью получения медицинского изотопа. Способ дополнительно включает расположение аттенюатора поблизости от камеры активации, и превращение части нейтронов в тепловые нейтроны с целью усиления, реакции деления ядра в камере активации.
[0007] В еще одном варианте выполнения, изобретение обеспечивает способ производства медицинского изотопа. Способ включает возбуждение газа с целью получения ионного пучка, ускорение ионного пучка, и пропускание ионного пучка через по существу линейный целевой путь, включая целевой газ. Целевой газ и ионы вступают в реакцию ядерного синтеза с целью получения свободных нейтронов. Способ также включает отражение части свободных нейтронов при помощи отражателя, расположенного радиально кнаружи от целевого пути, расположение исходного материала внутри камеры активации поблизости от целевого пути, и осуществление реакции между свободными нейтронами и исходным материалом с целью получения медицинского изотопа без использования ядерного топлива.
[0008] Прочие аспекты и варианты выполнения изобретения будут ясны из нижеприведенного подробного описания и сопутствующих чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Изобретение может быть лучше объяснено и понято при использовании ссылок на подробное описание конкретных вариантов выполнения, представленных здесь в совокупности с сопутствующими чертежами, где:
[0010] Фиг.1 показывает один вид генератора с магнитной целевой камерой.
[0011] Фиг.2 показывает другой вид генератора с магнитной целевой камерой.
[0012] Фиг.3 показывает один вид генератора с линейной целевой камерой.
[0013] Фиг.4 показывает один вид источника ионов.
[0014] Фиг.5 показывает вид в разрезе источника ионов.
[0015] Фиг.6 показывает один вид ускорителя.
[0016] Фиг.7 показывает вид в разрезе ускорителя.
[0017] Фиг.8 показывает один вид дифференциальной откачки.
[0018] Фиг.9 показывает вид в разрезе дифференциальной откачки.
[0019] Фиг.10 показывает один вид системы фильтрации газа.
[0020] Фиг.11 показывает один вид магнитной целевой камеры.
[0021] Фиг.12 показывает вид в разрезе магнитной целевой камеры.
[0022] Фиг.13 показывает один вид линейной целевой камеры.
[0023] Фиг.14 показывает вид в разрезе линейной целевой камеры, иллюстрируя примерную систему выработки изотопов для производства 18F и,3N.
[0024] Фиг.15 показывает один вид генератора с линейной целевой камерой и синхронизированным высокоскоростным насосом.
[0025] Фиг.16 показывает вид в разрезе синхронизированного высокоскоростного насоса в состоянии экстракции, позволяющем прохождение ионного пучка.
[0026] Фиг.17 показывает вид в разрезе синхронизированного высокоскоростного насоса в состоянии подавления, не позволяющем прохождения ионного пучка.
[0027] Фиг.18 показывает схематическую диаграмму генератора с линейной целевой камерой и синхронизированным высокоскоростным насосом, а также один вариант выполнения контроллера.
3
2
[0028] Фиг.19 показывает график силы сопротивления (keV/цт) к энергии ионов (keV) для силы сопротивления газа He к ионам H при давлении газа 10 торр и температуре 25°C.
3
2
[0029] Фиг.20 показывает график силы сопротивления (keV/µm) к энергии ионов (keV) для силы сопротивления газа He к ионам Н при давлении газа 10 торр и температуре 25°C.
2
3
[0030] Фиг.21 показывает график скорости реакции синтеза (реакции в секунду) к падающей энергии ионного пучка (keV) для падения пучка H в 100 mA, сталкивающегося с целью He при 10 торр.
[0031] Фиг.22 показывает вид в перспективе гибридного реактора, включающего участок синтеза и участок деления, и подходящего для получения медицинских изотопов;
[0032] Фиг.23 показывает вид в перспективе другого варианта гибридного реактора, включающего участок синтеза и участок деления, и подходящего для получения медицинских изотопов;
[0033] Фиг.24 показывает схематический вид сбоку реактора ядерного синтеза, демонстрирующий различные слои материала;
[0034] Фиг.25 показывает схематический вид сверху реактора ядерного синтеза, изображенного на фиг.24, демонстрирующий различные слои материала;
[0035] Фиг.26 показывает схематический вид сбоку другого реактора ядерного синтеза, демонстрирующий различные слои материала;
[0036] Фиг.27 показывает схематический вид сверху реактора ядерного синтеза, изображенного на фиг.26, демонстрирующий различные слои материала;
99
98
[0037] Фиг.28 показывает схематический вид сбоку другого реактора ядерного синтеза, демонстрирующий различные слои материала, где указанный реактор особенно подходит для получения изотопов Mo из Mo; и
[0038] Фиг.29 показывает схематический вид сверху реактора ядерного синтеза, изображенного на фиг.28, демонстрирующий различные слои материала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039] Перед тем, как варианты выполнения настоящего изобретения будут подробно описаны, необходимо отметить, что изобретение не ограничено в применении деталями конструкции и расположением компонентов, описанными в нижеследующем описании или проиллюстрированными на нижеследующих чертежах. Возможны иные варианты выполнения изобретения, и его различное использование и выполнение. Также необходимо понимать, что использованные здесь термины и обороты служат для описательных целей и не должны восприниматься как ограничивающие. Использование здесь терминов "включающий", "состоящий из" или "имеющий", а также их вариантов, призвано обозначить набор описанных далее элементов и их эквивалентов, а также дополнительные элементы. Если не обозначено или ограничено иное, термины "закреплен", "соединен", "поддерживается" и "связан", а также их варианты, используются в широком смысле и включают прямые и косвенные варианты закрепления, соединения, опоры и связи. Кроме того, "соединен" и "связан" не ограничены физическими или механическими соединениями или связями.
[0040] Перед тем, как приступить к описанию хотя бы одного варианта выполнения, необходимо понимать, что изобретение не ограничено в применении деталями, описанными в нижеследующем описании в качестве Примеров. Указанное описание и Примеры не призваны ограничить объем изобретения, обозначенный в сопутствующей формуле изобретения. Возможны иные варианты выполнения изобретения, или его различное использование и выполнение.
[0041] На протяжении настоящего описания, различные аспекты настоящего изобретения могут быть представлены в виде диапазона. Необходимо понимать, что описание в виде диапазона приводится лишь для удобства и краткости, и не должно восприниматься как жесткое ограничение объема изобретения. Соответственно, специалисту должно быть понятно, что для любых и всех целей, в частности в вопросе обеспечения письменного описания, все описанные здесь диапазоны также включают любые и все возможные субдиапазоны и комбинации субдиапазонов, а также все целые и дробные числовые величины в пределах указанного диапазона. В качестве единственного примера отметим, что диапазон от 20% до 40% может быть разбит на диапазоны от 20% до 32.5% и от 32.5% до 40%, от 20% до 27.5% и от 27.5% до 40%, и т.д. Любой приведенный диапазон может быть легко распознан как достаточно описательный и позволяющий разбить один и тот же диапазон на по меньшей мере равные половины, три, четыре, пять, десять равных частей, и т.д. В качестве неограничивающего примера, каждый описанный здесь диапазон может быть разбит на нижнюю треть, среднюю треть и верхнюю треть, и т.д. Кроме того, специалисту также будет ясно, что такие обороты, как "в пределах до", "по меньшей мере", "больше чем", "менее чем", "выше чем", и т.п.включают приведенное число и ссылаются на диапазоны, которые по существу могут быть разбиты на субдиапазоны, как объяснено выше. Таким же образом, все описанные здесь соотношения также включают все субсоотношения, находящиеся в пределах более широкого соотношения. Это лишь примеры конкретных обозначений. Кроме того, фразы "в пределах между" первым указанным числом и вторым указанным числом и "в пределах от" первого указанного числа "до" второго указанного числа здесь взаимозаменяемы.
[0042] Такие термины, как "по существу", "около", "примерно" и т.п., используются здесь для описания свойств и характеристик, которые могут отклоняться от идеального или описанного значения, при этом не оказывая существенного влияния на работу устройства. Например, термин "по существу параллельные" может быть использован для описания элементов, которые желательно являются параллельными, но могут отклоняться на угол до 20 градусов при условии, что указанное отклонение не оказывает существенного негативного влияния на устройство. Сходным образом, термин "по существу линейный" может включать слегка искривленный путь или слегка извилистый путь при условии, что отклонение от прямой не оказывает существенного негативного влияния на работу устройства.
[0043] Фиг.22 иллюстрирует устройство гибридного реактора 5а, подходящего для получения медицинских изотопов. Прежде всего, термин "гибридный реактор" используется здесь для обозначения реактора, включающего участок, осуществляющий реакцию ядерного синтеза, и участок, осуществляющий реакцию деления ядра. В частности, проиллюстрированный реактор 5а подходит для получения изотопа 99Мо из 98Мо, или из раствора НОУ. Гибридный реактор 5а включает участок синтеза 10 и участок деления 8, работающие совместно для получения желаемых изотопов. В конструкции, изображенной на фиг.22, используются десять отдельных участков синтеза 10. Каждый участок синтеза 10 выполнен в виде участка магнитного синтеза 10, и работает в качестве источника нейтронов, как будет отмечено при объяснении фиг.1 и 2. Естественно, иные варианты могут использовать меньшее число участков синтеза 10, большее число участков синтеза 10, или иные варианты выполнения участков синтеза.
[0044] Фиг.23 иллюстрирует другой вариант устройства гибридного реактора 5b, подходящего для получения медицинских изотопов. В конструкции, изображенной на фиг.23, линейные участки синтеза 11 работают в качестве источников нейтронов, как будет отмечено при объяснении фиг.3 и 4. В конструкции, изображенной на фиг.23, линейные участки синтеза 11 расположены таким образом, что пять участков синтеза 11 расположены на конце участка деления 8, а другие пять участков синтеза 11 расположены на противоположном конце участка деления 8. Естественно, при жалании могут быть выполнены другие варианты, в которых используется иное число участков синтеза 11, или иные варианты расположения участков синтеза.
2
3
2
3
2
2
3
3
[0045] Как показано на фиг.1-3, каждый участок синтеза 10, 11 обеспечивает компактное устройство, которое способно работать в качестве источника протонов высокой энергии, или источника нейтронов. В одном варианте выполнения, участки синтеза 10, 11 используют реакции синтеза Н-Не (дейтерий-гелий 3) для получения протонов, которые затем могут быть использованы для выработки других изотопов. В другом варианте выполнения, участки синтеза 10, 11 выполняют роль источников нейтронов путем изменения базовых реакций на реакции H-H, H-H, или H-H.
[0046] Учитывая недостатки, свойственные обычным источникам протонов или нейтронов, области 10, 11 ядерной реакции обеспечивают новый высокоэнергетичный источник протонов или нейтронов (иногда обозначаемый здесь в общем виде как ионный источник, но правильнее также называть его источником частиц), который может быть использован для производства медицинских изотопов. Каждая область синтеза 10, 11 использует небольшое количество энергии для проведения ядерной реакции, при помощи которой затем вырабатываются более высокоэнергетичные протоны или нейтроны, которые могут быть использованы для производства изотопов. Использование небольшого количества энергии позволяет создать более компактное, по сравнению с известными, устройство.
18
11
15
13
63
124
131
133
111
125
99
99m
[0047] Каждая область 10, 11 ядерной реакции вырабатывает протоны, которые могут быть использованы для получения других изотопов, включая, но не ограничиваясь F, C, O, N, Zn, I, и многие другие. При смене типа топлива, каждая область ядерной реакции также может быть использована для выработки сильных потоков нейтронов, которые могут быть использованы для получения изотопов, включая, но не ограничиваясь, I, Xe, In, I, Mo (который разлагается до Tc), и многие другие. Благодаря этому, каждая область 10, 11 обеспечивает новый, компактный, высокоэнергетичный источник протонов или нейтронов, который можно применять для таких целей, как получение медицинских изотопов, и который обладает многими преимуществами над упомянутыми источниками протонов или нейтронов.
[0048] В целом, каждый участок синтеза 10, 11 обеспечивает механизм для выработки протонов или нейтронов, которые, в свою очередь, используются для получения ряда радионуклидов (радиоизотопов). Ссылаясь на фиг.1 и 2, каждый магнитный участок синтеза 10 включает плазменный ионный источник 20, который может включать РЧ генератор ионов и/или антенну 24, ускоритель 30, приводимый в действие электродами, и целевую систему, включающую целевую камеру 60. Если вырабатываются протонные радиоизотопы, аппарат может также включать систему экстракции изотопов 90. РЧ плазменный ионный источник 20 вырабатывает и коллимирует ионный пучок, направленный вдоль заданного пути, где ионный источник 20 включает вход для принятия первой жидкости. Электродный ускоритель 30 принимает ионный пучок и ускоряет ионный пучок для получения ускоренного ионного пучка. Целевая система принимает ускоренный ионный пучок. Целевая система содержит выводящий ядерные частицы, например, выводящий протоны или выводящий нейтроны, целевой материал, способный вступать в реакцию с ускоренным пучком, и который, в свою очередь, выделяет ядерные частицы, т.е. протоны или нейтроны. Для получения радиоизотопов целевая система может иметь боковые стенки, пропускающие ядерные частицы. Система экстракции изотопов 90 размещена в непосредственной близости от целевой системы или внутри нее, и содержит выводящий изотопы материал, способный вступать в реакцию с ядерными частицами для получения радионуклида (или радиоизотопа).
[0049] Необходимо отметить, что несмотря на то, что здесь описан РЧ генератор ионов, иные системы и устройства также хорошо подходят для выработки желаемых ионов. Например, другие варианты могут использовать устройство с дугой постоянного тока вместо или в дополнение к РЧ генератору ионов или источнику ионов. Другие варианты могут использовать источники ионов с горячим катодом, источники ионов с холодным катодом, лазерные источники ионов, автоэмиссионные источники, и/или источники с полевым испарением вместо или в дополнение к источнику с дугой постоянного тока и/или РЧ генератору ионов или источнику ионов. Таким образом, изобретение не должно быть ограничено вариантами, использующими РЧ генератор ионов или ионный источник.
[0050] Как было отмечено выше, участок синтеза может быть выполнен в магнитной конфигурации 10 и/или линейной конфигурации 11. Шесть главных участков или компонентов устройства соединены, как показано на фиг.1 и фиг.2 для магнитной конфигурации 10, и на фиг.3 для линейной конфигурации 11. Каждый участок синтеза, расположенный либо в магнитной конфигурации, либо в линейной конфигурации, включает ионный источник, обозначаемый обычно номером 20, ускоритель 30, систему дифференциальной откачки 40, целевую систему, которая включает целевую камеру 60 для магнитной конфигурации 10 или целевую камеру 70 для линейной конфигурации 11, систему удержания ионов, обычно обозначаемую как 80, и систему экстракции изотопов, обычно обозначаемую как 90. Каждый участок синтеза может дополнительно включать систему фильтрации газа 50. Каждый участок синтеза может также включать синхронизированный высокоскоростной насос 100 вместо или в дополнение к системе дифференциальной откачки 40. Насос 100 наиболее подходит для использования в линейной конфигурации целевой камеры.
1
2
3
3
11
1
2
3
3
11
2
2
2
[0051] Ионный источник 20 (фиг.4 и фиг.5) включает вакуумную камеру 25, радиочастотную (РЧ) антенну 24 и ионный инжектор 26, включающий первый этап ионного инжектора 23 и последний этап ионного инжектора 35 (фиг.6). В конструкцию может быть включен магнит (не показан), позволяющий источнику ионов работать в геликонной моде высокой плотности для создания плазмы 22 с более высокой плотностью с целью получения более сильного потока ионов. Интенсивность поля указанного магнита находится в пределах от примерно 50 G до примерно 6000 G, предпочтительно от примерно 100 G до примерно 5000 G. Магниты могут быть ориентированы для создания осевого поля (ориентация север-юг, параллельно пути ионного пучка) или зубчатого поля (ориентация север-юг, перпендикулярно пути ионного пучка, где внутренний полюс чередуется от севера к югу для соседних магнитов). Осевое поле может создать геликоновую моду (плотную плазму), а зубчатое поле может генерировать плотную плазму, но не геликоновую индуктивную моду. Вход для газа 21 расположен на одном конце вакуумной камеры 25, а первый этап 23 ионного инжектора 26 расположен на другом ее конце. Вход для газа 21 обеспечивает один из желаемых типов топлива, которые могут включать H, H, H, He, и B, или могут включать H, H, H, He, и B. Поток газа на входе 21 регулируется при помощи контроллера массового потока (не показан), который может управляться пользователем или быть автоматическим. РЧ антенна 24 обмотана вокруг внешней стороны вакуумной камеры 25. В другом варианте, РЧ антенна 24 может находиться внутри вакуумной камеры 25. В любом варианте, РЧ антенна 24 находится в непосредственной близости от вакуумной камеры, благодаря чему радиочастотное излучение, вырабатываемое РЧ антенной 24 возбуждает содержимое (т.е. топливо в виде газа) вакуумной камеры 25, например, формируя плазму. РЧ антенна 24 включает трубку 27, имеющую один или несколько витков. РЧ трубка или провод 27 может быть выполнен из проводящего и гибкого материала, такого как медь, алюминий или нержавеющая сталь.
[0052] Ионный инжектор 26 включает один или несколько формованных этапов (23, 35). Каждый этап ионного инжектора включает ускоряющий электрод 32, выполненный из проводящих материалов, которые могут включать металлы и сплавы, для обеспечения эффективной коллимации ионного пучка. Например, электроды могут быть выполнены из проводящего металла с низким коэффициентом распыления, например, из вольфрама. Другие подходящие материалы могут включать алюминий, сталь, нержавеющую сталь, графит, молибден, тантал и др. РЧ антенна 24 соединена одним концом с выходом схемы РЧ согласования сопротивления (не показана), а другим концом заземлена. Схема РЧ согласования сопротивления может настраивать антенну для согласования с сопротивлением, требуемым генератором, и установления высокочастотного резонанса. РЧ антенна 24 предпочтительно генерирует широкий диапазон радиочастот, включая, но не ограничиваясь следующими: от 0 Гц до десятков кГц, до десятков МГц, до ГГц и выше. РЧ антенна 24 может охлаждаться водой из внешнего водного охладителя (не показан), благодаря чему она может выдерживать высокую рассеянную мощность с минимальными изменениями в сопротивлении. Схема согласования на витке РЧ антенны 24 может быть соединена с РЧ генератором мощности (не показан). Ионный источник 20, схема согласования, и РЧ генератор мощности могут быть плавающими (изолированными от земли) при наивысшем потенциале ускорителя или немного выше, и указанный потенциал может быть получен путем электрического соединения с высоковольтным источником энергии. РЧ генератор мощности может регулироваться удаленно, благодаря чему интенсивность пучка может контролироваться пользователем, или, в другом варианте, вычислительной системой. РЧ антенна 24, соединенная с вакуумной камерой 25, положительно ионизирует топливо, формируя ионный пучок. Альтернативные варианты формирования ионов известны специалисту, и могут включать СВЧ-разряд, ионизацию электронным ударом и лазерную ионизацию.
[0053] Ускоритель 30 (фиг.6 и фиг.7) предпочтительно включает вакуумную камеру 36, соединенную на одном конце с ионным источником 20 при помощи стыковочного фланца источника ионов 31, и соединенную на другом конце с системой дифференциальной откачки 40 при помощи стыковочного фланца дифференциальной откачки 33. Первый этап ускорителя также является последним этапом 35 ионного инжектора 26. По меньшей мере один круговой электрод ускорителя 32, предпочтительно от 3 до 50, более предпочтительно от 3 до 20, может быть расположен вдоль оси вакуумной камеры ускорителя 36, и проникать в вакуумную камеру ускорителя 36, при этом позволяя сохранять границу вакуума. Электроды ускорителя 32 снабжены отверстиями в их центре (меньшими, чем проходной диаметр камеры ускорителя), и предпочтительно, каждый из них центрован на продольной оси (от конца источника ионов до конца системы дифференциальной откачки) вакуумной камеры ускорителя для пропуска ионного пучка. Минимальный диаметр отверстия в электроде ускорителя 32 повышается при усилении ионного пучка или при наличии нескольких пучков ионов, и может варьироваться от примерно 1 мм до примерно 20 см в диаметре, предпочтительно от примерно 1 мм до примерно 6 см в диаметре. Вне вакуумной камеры 36, электроды ускорителя 32 могут быть соединены с антикоронными кольцами 34, которые понижают электрическое поле и минимизируют коронный разряд. Указанные кольца могут быть помещены в диэлектрическое масло или изолирующий диэлектрический газ, такой как SFg. Предпочтительно, стыковочный фланец системы дифференциальной откачки 33, облегчающий соединение с участком дифференциальной откачки 40, находится на выходе ускорителя.
[0054] Каждый электрод 32 ускорителя 40 может поставляться (bias?) либо из высоковольтных источников питания (не показаны), либо из сети резистивных пересчетных схем, как известно специалисту. Конфигурация с пересчетными схемами в большинстве случаев наиболее предпочтительна из-за ее простоты. В конфигурации с сетью резистивных пересчетных схем, конец ускорителя, прилегающий к источнику ионов, может быть соединен с высоковольтным источником энергии, а второй с конца электрод ускорителя 32 может быть заземлен. Промежуточные значения напряжения электродов ускорителя 32 могут быть установлены резистивной пересчетной схемой. Последний этап ускорителя предпочтительно имеет негативный уклон при помощи последнего электрода ускорителя для предотвращения потока электронов обратно из целевой камеры в ускоритель 30.
[0055] В альтернативном варианте выполнения, линейный ускоритель (например, РЧ четырехполюсник) может использоваться вместо ускорителя 30, описанного выше. Линейный ускоритель может обладать сниженной эффективностью и быть крупнее по сравнению с ускорителем 30, описанным выше. Линейный ускоритель может быть соединен с ионным источником 20 на первом конце и соединен с дифференциальной системой откачки 40 на другом конце. Линейные ускорители могут использовать радиочастоты вместо прямого тока и высокого напряжения для получения высокой энергии частиц, и могут быть выполнены известным специалисту способом.
[0056] Дифференциальная система откачки 40 (фиг.8 и фиг.9) включает снижающие давление барьеры 42, которые предпочтительно разделяют дифференциальную систему откачки 40 на по меньшей мере один этап. Каждый из снижающих давление барьеров 42 предпочтительно включает тонкую жесткую пластину, или одну или несколько длинных узких трубок, обычно от 1 до 10 см в диаметре с маленьким отверстием в центре, предпочтительно от примерно 0.1 мм до примерно 10 см в диаметре, более предпочтительно от примерно 1 мм до примерно 6 см. Каждый этап включает вакуумную камеру 44, сопутствующие снижающие давление барьеры 42, и вакуумные насосы 17, каждый из которых снабжен выпуском вакуумного насоса 41. Каждая вакуумная камера 44 может иметь 1 или несколько, предпочтительно от 1 до 4, вакуумных насосов 17, в зависимости от того, является ли вакуумная камера 44 3-, 4-, 5-, или 6-портовой. Два порта вакуумной камеры 44 предпочтительно направлены на линию прохождения пучка и используются для входа ионного пучка и выхода из дифференциальной системы откачки 40. Порты каждой вакуумной камеры 44 могут также находиться в том же месте, что и снижающие давление барьеры 42. Остальные порты каждой вакуумной камеры 44 предпочтительно соединены с вакуумными насосами 17 при помощи conflat фланцев, либо могут быть соединены с различными приборами или управляющими устройствами. Выпуск из вакуумных насосов 17 подается при помощи выпуска вакуумного насоса 41 в дополнительный вакуумный насос или компрессор, если это необходимо (не показан), и затем подается в систему фильтрации газа 50. В другом варианте, если необходимо, указанный дополнительный вакуумный насос может быть расположен между системой фильтрации газа 50 и целевой камерой 60 или 70. Если имеется дополнительный этап компрессии, он может располагаться между вакуумными насосами 17 и системой фильтрации 50. Дифференциальная система откачки соединена на одном конце с ускорителем 30 при помощи стыковочного фланца ускорителя 45, и на другом конце на порте выхода пучка 46 с целевой камерой (60 или 70) при помощи стыковочного фланца целевой камеры 43. Дифференциальная система откачки 40 может также включать генерирующий турбулентность аппарат (не показан) для нарушения ламинарного потока. Генерирующий турбулентность аппарат может ограничивать поток жидкости и может включать выступы на поверхности или иные элементы или их комбинации, позволяющие нарушить ламинарный поток. Турбулентный поток обычно медленнее ламинарного потока, и тем самым, может снизить скорость утечки жидкости из целевой камеры в дифференциальный участок откачки.
[0057] В некоторых вариантах, снижающие давление барьеры 42 могут быть заменены или снабжены плазмоокнами. Плазмоокна включают маленькое отверстие, сходное с используемыми в качестве снижающих давление барьеров. Однако, над отверстием накапливается плотная плазма, препятствующая протоку газа через маленькое отверстие, но пропускающая ионный пучок. Магнитное или электрическое поле формируется в отверстии или рядом с ним, удерживая плазму на месте.
[0058] Система фильтрации газа 50 предпочтительно соединена в месте расположения изоляционных клапанов вакуумного насоса 51 с выпусками вакуумного насоса 41 дифференциальной системы откачки 40, или с дополнительными компрессорами (не показаны). Система фильтрации газа 50 (фиг.10) включает одну или несколько камер давления или "ловушек" (13, 15), через которые проходит выпуск вакуумного насоса 41. Ловушки предпочтительно захватывают примеси в жидкости, которые могут высвобождаться из целевой камеры или источника ионов, и которые, например, могли проникнуть в систему из атмосферы. Ловушки могут охлаждаться до криогенных температур при помощи жидкого азота (ЖА ловушки, 15). Таким образом, холодножидкостные ловушки 13, 15 предпочтительно заставляют газ, такой как атмосферные загрязнители, переходить в жидкое состояние и оставаться в ловушках 13, 15. После протекания через одну или несколько ЖА ловушек 15, соединенных в ряд, газ предпочтительно направляется на титановую ловушку-газопоглотитель 13, которая абсорбирует загрязняющие водородные газы, такие как дейтерий, которые могут высвобождаться из целевой камеры или источника ионов, и могли бы загрязнить целевую камеру. Выход ловушки-газопоглотителя 13 предпочтительно соединен с целевой камерой 60 или 70 при помощи изоляционного клапана целевой камеры 52 системы фильтрации газа 50. Система фильтрации газа 50 может быть и вовсе удалена из устройства 10, если газ подается в систему постоянно и выпускается через выпуск вакуумного насоса 40 на другой выпуск вакуумного насоса (не показан) и затем выходит из системы. Работа устройства 10 без системы фильтрации газа 50 по существу не изменится. Устройство 10, работающее в качестве источника нейтронов, может не включать ловушку-газопоглотитель 13 системы фильтрации газа 50.
[0059] Изоляционные клапаны вакуумного насоса 51 и изоляционные клапаны целевой камеры 52 могут помочь изолировать систему фильтрации газа 50 от остального устройства, и соединить ее с внешним насосом (не показан) при помощи клапана откачки 53, когда ловушки будут насыщены газом. Таким образом, если изоляционные клапаны вакуумного насоса 51 и изоляционные клапаны целевой камеры 52 закрыты, клапаны откачки 53 могут открываться для откачивания примесей.
[0060] Целевая камера 60 (фиг.11 и фиг.12 для магнитной системы 10) или целевая камера 70 (фиг.13 и фиг.14 для линейной системы 11) могут быть наполнены целевым газом до пределов давления от примерно 0 до примерно 100 торр, от примерно 100 мторр до примерно 30 торр, предпочтительно от примерно 0.1 до примерно 10 торр, предпочтительно от примерно 100 мторр до примерно 30 торр. Геометрическая форма целевой камеры 60 или 70 может варьироваться в зависимости от основной цели использования, и может включать множество вариантов. Целевая камера может предпочтительно представлять собой цилиндр длиной от примерно 10 см до примерно 5 м с диаметром от примерно 5 мм до примерно 100 см для линейной системы 14. При использовании в гибридном реакторе, целевая камера выполнена с возможностью размещения активационной колонны в центре. Участки синтеза размещены таким образом, что они направляют пучки через целевую камеру, но вне активационной колонны. Таким образом, пучки по существу проходят в рамках кольцевого пространства. Предпочтительно, целевая камера может иметь длину от примерно 0.1 м до примерно 2 м с диаметром от примерно 30 мм до примерно 50 см для линейной системы 14.
[0061] Для магнитной системы 12, целевая камера 60 может иметь форму, напоминающую толстый блин, высотой от примерно 10 см до примерно 1 м с диаметром от примерно 10 см до примерно 10 м. Предпочтительно, целевая камера 60 для магнитной системы 12 может иметь высоту от примерно 20 см до примерно 50 см с диаметром в приблизительно 50 см. Для магнитной целевой камеры 60, пара либо постоянных магнитов, либо электромагнитов (магнит удержания ионов 12) может быть расположена на торцах "блина" вне вакуумных стенок или вокруг внешнего диаметра целевой камеры (см. фиг.11 и фиг.12). Магниты предпочтительно выполнены из материалов, включающих, но не ограниченных медью и алюминием, или сверхпроводниками или NdFeB при использовании электромагнитов. Полюса магнитов могут быть ориентированы таким образом, что они создают осевое магнитное поле в общем объеме целевой камеры. Магнитное поле предпочтительно управляется магнитной схемой, включающей магнитно-мягкие материалы, такие как сталь 1010, мю-металл, или иные материалы. Размер магнитной целевой камеры и мощность магнитного луча определяют интенсивность поля согласно уравнению (1):
<mrow><mtext>r</mtext><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mtext>1</mtext><mtext>.44</mtext><msqrt><mtext>E</mtext></msqrt></mrow><mtext>B</mtext></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
для дейтеронов, где r исчиляется в метрах, E - мощность луча в eV, а B - интенсивность поля в гаусс. Магниты могут быть ориентированы параллельно плоским торцам "блина" и поляризованы, благодаря чему существует магнитное поле, перпендикулярное направлению пучка из ускорителя 30, то есть, магниты могут быть установлены на верх и низ камеры, вызывая рециркуляцию ионов. В другом варианте выполнения, использующем магнитную целевую камеру 60, предпочтительно имеются дополнительные магниты сверху и снизу целевой камеры, создающие поля магнитного зеркала на каждом конце магнитной целевой камеры (сверху и снизу), которые формируют локализованные участки более сильного магнитного поля на обоих концах целевой камеры, создавая зеркальный эффект, заставляющий ионный пучок отражаться от концов целевой камеры. Указанные дополнительные магниты, создающие поля магнитного зеркала, могут быть постоянными магнитами или электромагнитами. Также желательно обеспечивать более сильное магнитное поле около радиального края целевой камеры для создания сходного зеркального эффекта. Таким же образом, для обеспечения желаемого сильного магнитного поля может использоваться формованная магнитная схема или дополнительные магниты. Один конец целевой камеры рабоим образом соединен с дифференциальной системой откачки 40 при помощи стыковочного фланца дифференциальной откачки 33, а порт рециркуляции газа 62 позволяет газу вновь входить в целевую камеру из системы фильтрации газа 50. Целевая камера может также включать проходные порты (не показаны), позволяющие присоединять различные генерирующие изотопы аппараты.
[0062] В магнитной конфигурации целевой камеры 60, магнитное поле удерживает ионы в целевой камере. В линейной конфигурации целевой камеры 70, внесенные ионы удерживаются целевым газом. При использовании целевой камеры как источника протонов или нейтронов, может потребоваться экранирование для защиты оператора устройства от излучения, а указанное экранирование может обеспечиваться бетонными стенами, предпочтительно толщиной по меньшей мере в один фут. В другом варианте, устройство может храниться в подземном бункере на расстоянии от пользователей, либо в роли экрана может выступать вода или иная жидкость, или комбинация указанных средств.
[0063] Как дифференциальная система откачки 40, так и система фильтрации газа 50 могут выходить в целевую камеру 60 или 70. Дифференциальная система откачки 40 предпочтительно обеспечивает ионный пучок, а система фильтрации газов 50 подает поток фильтрованного газа для заполнения целевой камеры. Дополнительно, при генерации изотопов, вакуумный проходной порт (не показан) может быть закреплен на целевой камере 60 или 70, позволяя системе экстракции изотопов 80 соединяться с выходом из системы.
[0064] Система экстракции изотопов 90, включающая систему выработки изотопов 63, может иметь любую конфигурацию, обеспечивающую исходные соединения или материалы, и удаляющую изотопы, выработанные внутри или в непосредственной близости от целевой камеры. Например, система выработки изотопов 63 может включать активационную трубку 64 (фиг.12 и 14), представляющую собой круто закрученную спираль, помещаемую внутрь цилиндрической целевой камеры и имеющую стенки 65. В другом варианте, при использовании целевой камеры типа "блин" с системой удержания ионов 80, она может включать спираль, которая покрывает устройство вдоль окружности "блина" и две спирали на верхнем и нижнем торцах "блина", соединенные последовательно. Стенки 65 активационных трубок 64, используемые в указанных конфигурациях, достаточно прочны, чтобы избежать разрыва, но при этом достаточно тонки, благодаря чему протоны свыше 14 Мэв (приблизительно от 10 до 20 Мэв) могут проходить сквозь них, сохраняя большую часть своей энергии. В зависимости от материала, стенки трубок могут иметь толщину от примерно 0.01 мм до примерно 1 мм, предпочтительно около 0.1 мм. Стенки трубок предпочтительно выполнены из материала, не вырабатывающего нейтроны. Тонкостенные трубки могут быть выполнены из таких материалов, как аллюминий, технический углерод, медь, титан или нержавеющая сталь. Проходные порты (не показаны) могут соединять активационную трубку 64 с внешней средой, а результат или продукт в виде богатой соединениями жидкости может отправляться в теплообменник (не показан) для охлаждения и в химический сепаратор (не показан), где результат или продукт в виде соединений изотопов отделяется от смеси исходных соединений, соединений продуктов, и примесей.
[0065] В другом варианте, показанном на фиг.15, высокоскоростной насос 100 расположен между ускорителем 30 и целевой камерой 60 или 70. Высокоскоростной насос 100 может использоваться вместо дифференциальной системы откачки 40 и/или системы фильтрации газа 50. Высокоскоростной насос предпочтительно включает одну или несколько лопастей или роторов 102 и синхросигнал 104, находящийся в рабочем соединении с контроллером 108. Высокоскоростной насос может синхронизироваться с потоком ионного пучка из участка ускорителя, благодаря чему пучок или пучки ионов могут проходить через по меньшей мере один зазор 106 между или на лопастях 102 в тот момент, когда зазоры 106 совпадают с ионным пуком. Синхросигнал 104 может быть выполнен путем размещения одного или нескольких маркеров вдоль вала насоса или на по меньшей мере одной лопасти. Маркеры могут быть оптическими или магнитными, либо иными известными специалисту маркерами. Синхросигнал 104 может указывать на положение лопастей 102 или зазора 106, а также на то, совпадает ли зазор с ионным пуком, позволяя прохождение ионного пучка от первого этапа 35 ускорителя 30 через высокоскоростной насос 100 и в целевую камеру 60 или 70. Синхросигнал 104 может использоваться в качестве переключателя строб-импульса на напряжении экстракции ионного пучка, позволяя пучку ионов выходить из источника ионов 20 и ускорителя 30, и входить в высокоскоростной насос 100. При прохождении по системе от источника ионов 20 к ускорителю 30, к высокоскоростному насосу 100 и к целевой камере 60 или 70, пучок может быть включен на промежутке времени, когда ионный пучок и зазор 106 совпадают, а затем отключаться перед тем, и в то время, когда ионный пучок и зазор 106 не совпадают. Координация синхросигнала 104 и ионного пучка может выполняться контроллером 108. В одном варианте выполнения контроллера 108 (фиг.18), контроллер 108 может включать блок обработки строб-сигнала ПО, высоковольтный блок изоляции 112, и высокоскоростной переключатель 114 для управления напряжением ускорителя 30 от напряжения подавления (ионный пучок отключен; разность может составлять 5-10 кВ) до напряжения экстракции (ионный пучок включен; разность может составлять 20 кВ). Синхросигнал 104 предпочтительно создает логический импульс, проходящий через задержку, или иной алгоритм, или подходящие средства, известные специалисту. Блок обработки строб-сигнала может изменять работу турбины высокоскоростного насоса, приспосабливаясь под задержки, а высокоскоростной переключатель 114 может представлять собой MOSFET-переключатель или иной подходящий переключатель, известный специалисту. Высоковольтный блок изоляции 112 может быть оптоволоконным соединением или иным подходящим соединением, известным специалисту. Например, синхросигнал 104 может указывать на наличие или отсутствие зазора 106 лишь раз за оборот лопасти 102, а один строб-сигнал может подавать сигнал набору электронных механизмов при помощи контроллера 108 с целью выработки набора из n строб-сигналов за оборот лопасти, если за один оборот области возникает n зазоров. В другом варианте, синхросигнал 104 может указывать на наличие или отсутствие зазора 106 для каждого из m зазоров за оборот лопасти, а каждый из m строб-сигналов может подавать сигнал набору электронных механизмов при помощи контроллера 108 с целью выработки одного строб-сигнала за оборот лопасти, если за один оборот области возникает m зазоров. Логические импульсы могут передаваться или координироваться при помощи контроллера 108 на первый этап участка ускорителя 35 (экстрактор ионов) таким образом, что логический импульс инициирует смену состояния участка ускорителя 35 от состояния подавления к состоянию экстракции, и наоборот. Если ускоритель был, например, +300 кВ, первый этап ускорителя 35 может склоняться к +295 кВ, когда в высокоскоростном насосе 100 нет зазора 106, благодаря чему положительный ионный пучок не проходит от +295 кВ к +300 кВ, и первый участок ускорителя 35 может склоняться к +310 кВ, когда в высокоскоростном насосе 100 есть зазор 106, благодаря чему ионный пучок проходит через ускоритель 30 и через зазоры 106 в высокоскоростном насосе 100 в целевую камеру 60 или 70. Разность напряжений между состояниями подавления и экстракции может быть относительно небольшой, такой как от примерно 1 кВ до примерно 50 кВ, предпочтительно от примерно 10 кВ до примерно 20 кВ. Небольшое изменение напряжения может способствовать быстрому переходу между состоянием подавления (фиг.17) и экстракции (фиг.16). Синхросигнал 104 и контроллер 108 могут работать при помощи любых известных средств, включая, но не ограничиваясь полупроводниками и оптоволокном. Промежуток времени, в ходе которого ионный пучок включен и выключен, может зависеть от таких факторов, как скорость вращения лопастей 102, количество лопастей или зазоров 106, и линейные размеры лопастей или зазоров.
18
13
18
18
16
13
18
13
8
13
<mrow><msubsup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>18</mtext></mrow></msubsup><mtext>O</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>16</mtext></mrow></msubsup><mtext>O</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>18</mtext></mrow></msubsup><mtext>O</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>16</mtext></mrow></msubsup><mtext>O</mtext></mrow>
[0066] Изотопы F и N, используемые для ПЭТ, можно вырабатывать при помощи ядерных реакций в каждом участке синтеза с использованием конфигураций, показанных на фиг.12 и 14. Указанные изотопы могут быть созданы из своих материнских изотопов, O (для F) и О (для N) путем бомбардировки протонами. Источником материнского изотопа может быть жидкость, такая как вода (
или
), которая может протекать через систему выработки изотопов при помощи системы внешней откачки (не показана), и вступать в реакцию с высокоэнергетичными протонами в целевой камере для создания желаемого итогового продукта. При производстве F или N, вода (
или
соответственно) проводится через систему выработки изотопов 63, а высокоэнергетичные протоны, созданные при помощи вышеупомянутых реакций синтеза, могут проникать сквозь стенки трубки 64, и сталкиваться с исходным соединением, вызывая реакции (p, α), производящие, F или N. В закрытой системе, например, богатая изотопами вода может затем циркулировать по теплообменнику (не показан) для охлаждения жидкости, а затем поступать в химических фильтр (не показан), такой как ионообменная смола, для отделения изотопа от жидкости. Водная смесь затем может возвращаться в целевую камеру (60 или 70), в то время как изотопы храняться в фильтре, шприце, или в ином известном средстве до тех пор, пока не произведено количество изотопа, достаточное для проведения ПЭТ или иных процедур.
18
13
[0067] Несмотря на то, что выше описана трубчатая спираль, для получения тех же или иных радионуклидов могут использоваться и многие другие геометрические формы. Например, система выработки изотопов 63 может предпочтительно представлять собой параллельные петли или плоскую панель с ребрами. В другом варианте выполнения, к стенке вакуумной камеры может быть прикреплена водяная рубашка. Для выработки F или N, спираль может быть заменена любыми видами тонкостенных форм, включая тонкие окна, или может быть заменена твердым веществом, содержащим высокую концентрацию кислорода, которое после преобразований удаляют и обрабатывают. Прочие изотопы могут быть созданы при помощи иных средств.
3
2
2
[0068] Механизм работы участков синтеза описан ниже со ссылкой на фиг.1 и 3. Перед началом работы одного из участков синтеза, соответствующая целевая камера 60 или 70 предпочтительно наполняется сначала предварительным потоком целевого газа, такого как He, через ионный источник 20 при выключенной подаче энергии, позволяя газу проходить через аппарат 10 и в целевую камеру. В ходе работы, реагирующий газ, такой как H, поступает в ионный источник 20 и положительно ионизируется РЧ полем, формируя плазму 22. Когда плазма 22 внутри вакуумной камеры 25 расширяется по направлению к ионному инжектору 26, плазма 22 начинает подвергаться влиянию более отрицательного потенциала в ускорителе 30. Это заставляет положительно заряженные ионы ускоряться по направлению к целевой камере 60 или 70. Электроды ускорителя 32 этапов (23 и 35) в источнике ионов 20 коллимируют пучок или пучки ионов, придавая каждому из них почти одинаковый профиль ионного пучка на протяжении первого этапа ускорителя 30. В другом варианте, первый этап ускорителя 30 может формировать строб-сигналы или включение и выключение ионного пучка, как описано выше. По мере прохождения пучка через ускоритель 30, он получает дополнительную энергию на каждом из этапов, достигая значений энергии, доходящих до 5 Мэв, до 1 Мэв, предпочтительно до 500 Кэв, предпочтительно от 50 Кэв до 5 Мэв, предпочтительно от 50 Кэв до 500 Кэв, и предпочтительно от 0 до 10 ампер, предпочтительно от 10 до 100 миллиампер, к тому моменту, как он достигает последнего этапа ускорителя 30. Указанный потенциал предоставляется внешним источником энергии (не показан), способным вырабатывать желаемое напряжение. Некоторый нейтральный газ из источника ионов 20 может также вытекать в ускоритель 30, но давление в ускорителе 30 поддерживается на минимальном уровне при помощи дифференциальной системы откачки 40, или синхронизированного высокоскоростного насоса 100 с целью предотвращения излишне высокого давления и поломки системы. Пучок продолжает движение с высокой скоростью, попадая в дифференциальную систему откачки, где он проходит зону сравнительно низкого давления, короткие этапы с минимумом взаимодействия. Оттуда он проходит в целевую камеру 60 или 70, сталкиваясь в целевым газом высокой плотности, составляющей предпочтительно от 0 до 100 торр, предпочтительно от 100 мторр до 30 торр, предпочтительно от 5 до 20 торр, замедляясь и вызывая ядерные реакции. Полученные ядерные частицы могут быть протонами от примерно 0.3 Мэв до примерно 30 Мэв, предпочтительно протонами от примерно 10 Мэв до примерно 20 Мэв, или нейтронами от примерно 0.1 Мэв до примерно 30 Мэв, предпочтительно нейтронами от примерно 2 Мэв до примерно 20 Мэв.
[0069] В варианте выполнения линейной целевой камеры 70, ионный пучок проходит по существу по прямой, и сталкивается с целевым газом высокой плотности, вызывая ядерные реакции до тех пор, пока подача указанного пучка не прекратится.
2
В варианте выполнения магнитной целевой камеры 60, ионный пучок изогнут и проходит по существу по спирали с радиусом орбиты (для ионов дейтерия, H), получаемым из уравнения (2):
<mrow><mtext>r</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>240*</mtext><msqrt><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow></msqrt></mrow><mtext>B</mtext></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
i
где r - радиус орбиты в см, T E - энергия ионов в Эв, а В - сила магнитного поля в гаусс. Для пучка ионов дейтерия в 500 Кэв и силы магнитного поля в 7 кГа, радиус орбиты составит около 20.6 см, и предпочтительно помещается в камеру с радиусом 25 см. Несмотря на то, что возможна нейтрализация ионов, скорость, с которой Происходит ре-ионизация, значительно выше, и частица проводит большую часть времени в виде иона.
[0070] Ионы, уловленные магнитным полем, совершают движение по орбите до тех пор, пока ионный пучок не прекратится, проходя очень длинный путь в короткой камере. Благодаря более длинному пути по сравнению с линейной целевой камерой 70, магнитная целевая камера 60 также может работать при более низком давлении. Таким образом, магнитная целевая камера 60 может являться предпочтительной конфигурацией. Магнитная целевая камера может быть меньше, чем линейная целевая камера, и при этом сохранять длинный путь, так как ионный пучок может циркулировать множество раз в одном и том же пространстве. Продукты синтеза в маленькой камере могут быть более концентрированными. Как было раскрыто выше, магнитная целевая камера может работать при более низком давлении, чем линейная камера, облегчая работу системы откачки, так как более длинный путь может обеспечить такое же общее число столкновений с газом более низкого давления, как и короткий путь и газ более высокого давления в камере с линейным ускорителем.
[0071] Из-за перепада давления между ускорителем 30 и целевой камерой 60 или 70, газ может вытекать из целевой камеры в дифференциальную систему откачки 40. Вакуумные насосы 17 могут быстро устранять газ, достигая тем самым снижения давления в примерно от 10 до 100 раз, или выше. Указанный "вытекший" газ затем фильтруется и рециклируется при помощи системы фильтрации газа 50, и закачивается обратно в целевую камеру, благодаря чему достигается более экономичная работа системы. В другом варианте, высокоскоростной насос 100 может быть ориентирован таким образом, что поток направлен обратно в целевую камеру, благодаря чему предотвращается утечка газа из целевой камеры.
18
13
16
13
18
18
13
18
124
124
11
14
11
15
63
[0072] Несмотря на то, что настоящее изобретение описывает гибридный реактор, является возможным получать определенные изотопы при помощи одного лишь участка синтеза. Если подобное является желаемым, описанная здесь система экстракции изотопов вносится в целевую камеру 60 или 70. Указанное устройство позволяет высокоэнергетичным протонам взаимодействовать с исходным нуклидом желаемого изотопа. В случае получения F или N, указанная цель может иметь водяную основу (O для N и O для F), и протекает по тонкостенным трубкам. Толщина стенки достаточно мала для того, чтобы протоны 14.7 Мэв, полученные из реакций синтеза, проходили через них, без значительной потери энергии, что позволяет им преобразовывать исходный изотоп в желаемый конечный изотоп. Богатая N или F вода затем фильтруется и охлаждается при помощи внешней системы. Другие изотопы, такие как I (из Te или др.), C (из N или B или др.), 150 (из N или др.), и Zn, также могут быть получены указанным способом. В вариантах, использующих участок деления для получения желаемых изотопов, систему экстракции изотопов 90 можно не использовать.
[0073] Если желаемый продукт показывает протоны, используемые для некой иной цели, целевая камера 60 или 70 может быть соединена с другим аппаратом, обеспечивающим высокоэнергетичные протоны для указанных целей. Например, участок синтеза может использоваться в качестве источника ионов для протонной терапии, где пучок протонов ускоряется и используется для облучения раковых клеток.
99
98
99
99m
131
133
111
125
[0074] Если желаемым продуктом являются нейтроны, такие устройства, как система экстракции изотопов 90, не требуются, так как нейтроны могут проходить сквозь стенки вакуумной системы с лишь небольшой аттенюацией. Для производства нейтронов, топливо в инжекторе меняют либо на дейтерий, либо на тритий, а целевой материал меняют либо на тритий, либо на дейтерий, соответственно. Выход нейтронов может достигать примерно 1015 нейтронов в секунду или больше. Кроме того, можно удалить ловушку-газопоглотитель 13. Соединение исходного изотопа может быть помещено вокруг целевой камеры 60 или 70, а выпущенные нейтроны могут преобразовывать соединение исходного изотопа в желаемое соединение конечного изотопа. В другом варианте, система экстракции изотопов может по-прежнему или дополнительно использоваться внутри или поблизости от целевой камеры. Замедлитель (не показан), который замедляет нейтроны, может использоваться для повышения эффективности нейтронного взаимодействия. Замедлители в случае с нейтронами могут быть выполнены из любого материала или материалов, замедляющих нейтроны. Подходящие замедлители могут быть выполнены из материалов с низкой атомной массой, которые редко способны абсорбировать тепловые нейтроны. Например, для получения Mo из исходного соединения Mo, может использоваться водный замедлитель. Mo разлагается до Tc, который может использоваться в процедурах медицинской визуализации. Другие изотопы, такие как I, Xe, In, и I, также могут быть получены подобным способом. При использовании участка синтеза в качестве источника нейтронов, указанный участок синтеза может включать экранирование, такое как бетон или жидкость, такую как вода, с толщиной слоя по меньшей мере в один фут для защиты операторов от излучения. В другом варианте, источник нейтронов может храниться под землей для защиты операторов от излучения. Порядок использования и работы с изобретением в нейронном режиме идентичен обозначенному в описании выше.
[0075] Уровень синтеза при столкновении пучка с плотным целевым газом может быть вычислен. Относительный рост уровня синтеза для ионного пучка, сталкивающегося с плотным целевым газом, приведен в уравнении (3):
<mrow><mtext>df</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mtext>n</mtext><mtext>b</mtext></msub><mtext>*</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>ion</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>e</mtext></mfrac><mtext>*σ</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mtext>*dl</mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
b
ion
3
-19
2
где df(E) - уровень синтеза (реакций в секунду) в дифференциальном энергетическом интервале dE, n - плотность целевого газа (частиц на м), I - сила потока ионов (A), е - основной заряд 1.6022*10 кулон на частицу, σ(E) - энергозависимый профиль (м), a dl - значение увеличения длины пути, на котором энергия частицы обозначена как E. Так как частица замедляется после того, как попадает внутрь цели, частица имеет значение энергии Е лишь на бесконечно малой длине пути.
i
[0076] Для вычисления общего уровня синтеза из пучка, останавливающегося в газе, уравнение (2) интегрируется по всей длине пути частицы от точки, где ее энергия имеет максимальное значение E до точки, в которой она останавливается, как показано в уравнении (4):
<mrow><mtext>F</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mtext>0</mtext><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mtext>n</mtext><mtext>b</mtext></msub></mrow></mrow></mstyle><mtext>*</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>ion</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>e</mtext></mfrac><mtext>*σ</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mtext>dl</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>n</mtext><mtext>b</mtext></msub><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>ion</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>e</mtext></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mtext>0</mtext><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow></msubsup><mrow><mtext>σ</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mtext>dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
i
3
где F(E) is - общий уровень синтеза из пучка с изначальной энергией E, останавливающегося в газообразной цели. Чтобы решить указанное уравнение, значение увеличения длины пути dl приводится в энергетическом виде. Указанное взаимоотношение определяется силой сопротивления газа, которая является экспериментально измеренной функцией, и может накладываться (?) на различные типы функций. Так как подобное наложение и наложение профиля синтеза могут быть достаточно сложными, указанные интегралы были вычислены в цифровом виде. Данные об остановке дейтерия в газе He при 10 торр и 25°C были получены при помощи программного обеспечения Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM; James Ziegler, www.srim.org), и показаны на фиг.19.
[0077] Для прогноза промежуточных величин было использовано уравнение. Многочлен десятого порядка был наложен на данные, показанные на фиг.19. Коэффициенты приведены в Таблице 1, а результат наложения с наиболее совпадающим многочленом десятого порядка показан на фиг.20.
ТАБЛИЦА 1.
Порядок
Коэффициент
10
-1.416621Е-27
9
3.815365Е-24
8
-4.444877Е-21
7
2.932194Е-18
6
-1.203915Е-15
5
3.184518Е-13
4
-5.434029Е-11
3
5.847578Е-09
2
-3.832260Е-07
1
1.498854Е-05
0
-8.529514Е-05
[0078] Как видно из приведенных данных, наложение оказалось весьма точным в рассматриваемом энергетическом диапазоне. Указанное взаимоотношение позволило увеличению длины пути, dl, быть связанным с увеличением энергетического интервала по многочлену, указанному выше. Для численного решения указанного уравнения, предпочтительно выбрать либо постоянный шаг длины, либо постоянный шаг энергии, и вычислять либо количество энергии, потерянное частицей, либо расстояние, которое она прошла за указанный шаг. Так как уровень синтеза в уравнении (4) соотносится с dl, был использован способ постоянного шага длины. Рекурсивное взаимоотношение для энергии частицы Е при ее прохождении сквозь цель выражено уравнением (5):
<mrow><msub><mtext>E</mtext><mrow><mtext>n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>E</mtext><mtext>n</mtext></msub><mo>−</mo><mtext>S</mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mtext>*dl</mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
o
n+1
где n - текущий шаг (n=0 - начальный шаг, а E - начальная энергия частицы), E - энергия на следующем последовательном шаге, S(E) - показанный выше многочлен, относящийся к энергии частицы к силе сопротивления, a dl - размер последовательного шага. В форме увеличения энергии, показанной выше, Е измеряется в Кэв, a dl - в мкм.
[0079] Указанная формула обеспечивает способ определения энергии частицы, когда она проходит через плазму, что является важным фактором, так как облегчает оценку профиля синтеза при каждом значении энергии, и позволяет вычислить уровень синтеза на каждом последовательном шаге. Уровень синтеза в численном виде для каждого шага приведен в уравнении (6):
<mrow><msub><mtext>f</mtext><mtext>n</mtext></msub><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mtext>n</mtext><mtext>b</mtext></msub><mtext>*</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>ion</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>e</mtext></mfrac><mtext>*σ</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>n</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>*dl</mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
n
[0080] Для того, чтобы вычислить общий уровень синтеза, указанное уравнение было суммировано при всех значениях E до E=0 (или n*dl = диапазон частицы), как показано в уравнении (7):
<mrow><mtext>F</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mtext>E</mtext><mtext>o</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mtext>n</mtext><mo>=</mo><mtext>0</mtext></mrow><mrow><mtext>n*dl</mtext><mo>=</mo><mtext>range</mtext></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>f</mtext><mtext>n</mtext></msub><mrow><mo>(</mo><mtext>E</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>7</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
[0081] Указанный уровень синтеза известен как "выход плотной цели". Для решения уравнения, была определена начальная энергия и взят маленький размер шага dl. Был вычислен уровень синтеза на интервале dl при полной энергии. Затем было вычислено значение энергии для следующего шага, и процесс повторили. Процесс повторяется до тех пор, пока частица не остановится в газе.
13
[0082] В примере с единично ионизированным ионным пуком дейтерия, сталкивающимся с газом гелия-3 при 10 торр и комнатной температуре со значением энергии в 500 Кэв и интенсивностью в 100 миллиампер, вычисленный уровень синтеза составил примерно 2×10 единиц синтеза в секунду с выработкой того же количества высокоэнергетичных протонов (эквивалентно 3 µА протонов). Специалисту будет ясно, что указанный уровень достаточен для производства медицинских изотопов. График, показывающий уровень синтеза для столкновения ионного пучка дейтерия при 100 миллиампер с целевым газом гелия-3 при 10 торр, приведен на фиг.21.
233
233
235
[0083] Участки синтеза, описанные здесь, могут использоваться в различных целях. Согласно одному варианту, участки синтеза используются в качестве источника протонов для преобразования материалов, включая ядерные отходы и расщепляющийся материал. Участки синтеза могут также быть использованы для внесения протонов в материалы с целью улучшения их физических свойств. Например, участок синтеза может использоваться для окрашивания драгоценных камней. Участки синтеза также обеспечивают источник нейтронов, который может использоваться в нейтронной радиографии. В качестве источника нейтронов, участки синтеза могут использоваться для обнаружения ядерного оружия. Например, в качестве источника нейтронов, участки синтеза могут использоваться для обнаружения определенных ядерных материалов, которые являются материалами, используемыми для осуществления ядерных взрывов, такие как Pu, U, и материалы, обогащенные U или U. В качестве источника нейтронов, участки синтеза могут использоваться для обнаружения подземных образований, включая, но не ограничиваясь туннелями, залежами нефти, и подземными изотопическими образованиями, путем создания нейтронных импульсов и измерения отражения и/или рефракции нейтронов от других материалов. Участки синтеза могут использоваться в качестве источника нейтронов в нейтронно-активационном анализе (HAA), с помощью которого определяют элементарный состав материалов. Например, HAA может использоваться для обнаружения рассеянных элементов в диапазоне пикограмм. В качестве источника нейтронов, участки синтеза могут также использоваться для обнаружения материалов, включая, но не ограничиваясь скрытыми материалами, взрывчатыми веществами, наркотиками и биологическими агентами, путем определения атомного состава материала. Участки синтеза также могутт использоваться в качестве движителя для подкритического реактора.
[0084] Использование и работа с участком синтеза 10, 11 приведена ниже в качестве примеров, которые не должны восприниматься как ограничивающие объем изобретения.
-9
3
11
3
[0085] Участки синтеза 10, 11 могут быть выполнены в магнитной конфигурации 10 и работать в качестве источника нейтронов. Изначально в этой конфигурации система 10 является чистой и пустой, и содержит вакуум в 10 торр или ниже, а высокоскоростные насосы 17 работают на обычной скорости (два этапа, каждый из которых является турбомолекулярным насосом). Приблизительно 25-30 стандартных кубических сантиметров газа (дейтерия для получения нейтронов) запускаются в целевую камеру 60 для создания целевого газа. После того, как целевой газ запущен, то есть, после того, как заданный объем газа запущен в систему и давление в целевой камере 60 достигает примерно 0.5 торр, открывают клапан, разрешающий поток от 0.5 до 1 см/м (стандартных кубических сантиметров в минуту) дейтерия из целевой камеры 60 в ионный источник 20. Указанный газ с большой скоростью рециркулирует по системе, вырабатывая примерно следующие значения давления: в источнике ионов 20 давление составляет несколько мторр; в ускорителе 30 давление составляет около 20 µторр; над ближайшим к ускорителю этапом откачки давление составляет <20 µторр; над ближайшим к целевой камере этапом откачки давление составляет примерно 50 торр; а в целевой камере 60 давление составляет примерно 0.5 торр. После установления указанных условий, ионный источник 20 (использующий дейтерий) возбуждается путем включения источника РЧ энергии (соединенного с РЧ антенной 24 при помощи РЧ схемы согласования) на уровень около 10-30 МГц. Уровень мощности повышается от 0 до примерно 500 Вт, создавая плотную плазму дейтерия с плотностью порядка 10 частиц на см. Напряжение экстракции ионов повышается для обеспечения желаемого потока ионов (примерно 10 миллиампер) и фокусировки. Напряжение ускорителя затем повышается до 300 кВ, заставляя ионный пучок ускоряться через поточные ограничения и в целевую камеру 60. Целевая камера 60 наполняется магнитным полем силой в примерно 5000 гаусс (или 0.5 тесла), что заставляет ионный пучок рециркулировать. Ионный пучок совершает примерно 10 оборотов к тому моменту, как его энергия падает до пренебрежимо малого уровня.
10
10
[0086] В ходе рециркуляции, ионный пучок вступает в ядерные реакции с целевым газом, производя от 4×10 до 9×10 нейтронов в секунду для D. Указанные нейтроны проникают в целевую камеру 60 и распознаются соответствующими ядерными инструментами.
[0087] Нейтральный газ, вытекающий из целевой камеры 60 на участок дифференциальной откачки 40, проходит через высокоскоростные насосы 17, через холодную ловушку 13, 15, и обратно в целевую камеру 60. Холодные ловушки 13, 15 удаляют более тяжелые газы, которые со временем могли бы загрязнить систему из-за крайне мелких утечек.
-9
3
[0088] Участки синтеза 11 могут также быть выполнены в линейной конфигурации и работать в качестве источника нейтронов. Изначально в этой конфигурации система является чистой и пустой, и содержит вакуум в 10 торр или ниже, а высокоскоростные насосы 17 работают на обычной скорости (три этапа, из которых два ближних к ускорителю являются турбомолекулярными насосами, а третий является насосом отличного типа, например, насосом Рутса). Приблизительно 1000 стандартных кубических сантиметров газа дейтерия запускаются в целевую камеру 70 для создания целевого газа. После того, как целевой газ запущен, открывают клапан, разрешающий поток от 0.5 до 1 см/м (стандартных кубических сантиметров в минуту) из целевой камеры 70 в ионный источник 20. Указанный газ с большой скоростью рециркулирует по системе, вырабатывая примерно следующие значения давления: в источнике ионов 20 давление составляет несколько мторр; в ускорителе 30 давление составляет около 20 µторр; над ближайшим к ускорителю этапом откачки давление составляет <20 µторр; над центральным этапом откачки давление составляет примерно 50 µторр; над ближайшим к целевой камере 70 этапом откачки давление составляет примерно 500 µторр; а в целевой камере 70 давление составляет примерно 20 µорр.
3
[0089] После установления указанных условий, ионный источник 20 (использующий дейтерий) возбуждается путем включения источника РЧ энергии (соединенного с РЧ антенной 24 при помощи РЧ схемы согласования) на уровень около 10-30 МГц. Уровень мощности повышается от 0 до примерно 500 Вт, создавая плотную плазму дейтерия с плотностью порядка 1011 частиц на см. Напряжение экстракции ионов повышается для обеспечения желаемого потока ионов (примерно 10 миллиампер) и фокусировки. Напряжение ускорителя затем повышается до 300 кВ, заставляя ионный пучок ускоряться через поточные ограничения и в целевую камеру 70. Целевая камера 70 показывает линейную вакуумную камеру, в которой пучок движется на протяжении примерно 1 метра до того момента, как его энергия падает до пренебрежимо малого уровня.
10
10
[0090] Проходя через целевой газ, ионный пучок вступает в ядерные реакции, производя от 4×10 до 9×10 нейтронов в секунду. Указанные нейтроны проникают в целевую камеру 70 и распознаются соответствующими ядерными инструментами.
[0091] Нейтральный газ, вытекающий из целевой камеры 70 на участок дифференциальной откачки 40, проходит через высокоскоростные насосы 17, через холодную ловушку 13, 15, и обратно в целевую камеру 70. Холодные ловушки 13, 15 удаляют более тяжелые газы, которые со временем могли бы загрязнить систему из-за крайне мелких утечек.
-9
11
3
[0092] В другом варианте, участки синтеза 10, выполнены в магнитной конфигурации и работают в качестве источника протонов. Изначально в этой конфигурации система является чистой и пустой, и содержит вакуум в 10 торр или ниже, а высокоскоростные насосы 17 работают на обычной скорости (два этапа, каждый из которых является турбомолекулярным насосом). Приблизительно 25-30 стандартных кубических сантиметров газа (смеси дейтерия и гелия-3 в пропорции примерно 50/50 для выработки протонов) запускаются в целевую камеру 60 для создания целевого газа. После того, как целевой газ запущен, то есть, после того, как заданный объем газа запущен в систему и давление в целевой камере 60 достигает примерно 0.5 торр, открывают клапан, разрешающий поток от 0.5 до 1 см3/м (стандартных кубических сантиметров в минуту) дейтерия из целевой камеры 60 в ионный источник 20. Указанный газ с большой скоростью рециркулирует по системе, вырабатывая примерно следующие значения давления: в источнике ионов 20 давление составляет несколько мторр; в ускорителе 30 давление составляет около 20 µторр; над ближайшим к ускорителю 30 этапом откачки давление составляет <20 µторр; над ближайшим к целевой камере 60 этапом откачки давление составляет примерно 50 мторр; а в целевой камере 60 давление составляет примерно 0.5 торр. После установления указанных условий, ионный источник 20 (использующий дейтерий) возбуждается путем включения источника РЧ энергии (соединенного с РЧ антенной 24 при помощи РЧ схемы согласования) на уровень около 10-30 МГц. Уровень мощности повышается от 0 до примерно 500 Вт, создавая плотную плазму дейтерия с плотностью порядка 10 частиц на см. Напряжение экстракции ионов повышается для обеспечения желаемого потока ионов (примерно 10 миллиампер) и фокусировки. Напряжение ускорителя затем повышается до 300 кВ, заставляя ионный пучок ускоряться через поточные ограничения и в целевую камеру 60. Целевая камера 60 наполняется магнитным полем силой в примерно 5000 гаусс (или 0.5 тесла), что заставляет ионный пучок рециркулировать. Ионный пучок совершает примерно 10 оборотов к тому моменту, как его энергия падает до пренебрежимо малого уровня.
11
11
[0093] В ходе рециркуляции, ионный пучок вступает в ядерные реакции с целевым газом, производя от 1×10 до примерно 5×10 протонов в секунду. Указанные протоны проникают в трубки системы экстракции изотопов и распознаются соответствующими ядерными инструментами.
[0094] Нейтральный газ, вытекающий из целевой камеры 60 на участок дифференциальной откачки 40, проходит через высокоскоростные насосы 17, через холодную ловушку 13, 15, и обратно в целевую камеру 60. Холодные ловушки 13, 15 удаляют более тяжелые газы, которые со временем могли бы загрязнить систему из-за крайне мелких утечек.
-9
3
[0095] В другом варианте, участки синтеза 11 выполнены в линейной конфигурации и работают в качестве источника протонов. Изначально в этой конфигурации система является чистой и пустой, и содержит вакуум в 10 торр или ниже, а высокоскоростные насосы 17 работают на обычной скорости (три этапа, из которых два ближних к ускорителю являются турбомолекулярными насосами, а третий является насосом отличного типа, например, насосом Рутса). Приблизительно 1000 стандартных кубических сантиметров газа смеси дейтерия и гелия-3 в пропорции примерно 50/50 запускаются в целевую камеру 70 для создания целевого газа. После того, как целевой газ запущен, открывают клапан, разрешающий поток от 0.5 до 1 см/м (стандартных кубических сантиметров в минуту) из целевой камеры 70 в ионный источник 20. Указанный газ с большой скоростью рециркулирует по системе, вырабатывая примерно следующие значения давления: в источнике ионов 20 давление составляет несколько мторр; в ускорителе 30 давление составляет около 20 µторр; над ближайшим к ускорителю 30 этапом откачки давление составляет <20 µторр; над центральным этапом откачки давление составляет примерно 50 мторр; над ближайшим к целевой камере 70 этапом откачки давление составляет примерно 500 мторр; а в целевой камере 70 давление составляет примерно 20 торр.
11
3
[0096] После установления указанных условий, ионный источник 20 (использующий дейтерий) возбуждается путем включения источника РЧ энергии (соединенного с РЧ антенной 24 при помощи РЧ схемы согласования) на уровень около 10-30 МГц. Уровень мощности повышается от 0 до примерно 500 Вт, создавая плотную плазму дейтерия с плотностью порядка 10 частиц на см. Напряжение экстракции ионов повышается для обеспечения желаемого потока ионов (примерно 10 миллиампер) и фокусировки. Напряжение ускорителя затем повышается до 300 кВ, заставляя ионный пучок ускоряться через поточные ограничения и в целевую камеру 70. Целевая камера 70 показывает линейную вакуумную камеру, в которой пучок движется на протяжении примерно 1 метра до того момента, как его энергия падает до пренебрежимо малого уровня.
11
11
[0097] При прохождении через целевой газ, ионный пучок вступает в ядерные реакции, производя от 1×10 до примерно 5×10 протонов в секунду. Указанные протоны проникают через стенки в трубки системы экстракции изотопов и распознаются соответствующими ядерными инструментами.
[0098] Нейтральный газ, вытекающий из целевой камеры 70 на участок дифференциальной откачки 40, проходит через высокоскоростные насосы 17, через холодную ловушку 13, 15, и обратно в целевую камеру 70. Холодные ловушки 13, 15 удаляют более тяжелые газы, которые со временем могли бы загрязнить систему из-за крайне мелких утечек.
98
98
99
99
99
[0099] В другом варианте, участки синтеза 10, 11 выполнены либо в магнитной, либо в линейной конфигурации, и используются в качестве источника нейтронов для производства изотопов. Система работает, как описано выше для магнитной целевой камеры или линейной целевой камеры 70. Твердый образец, такой как твердая пленка исходного материала Мо размещается в непосредственной близости от целевой камеры 60, 70. Нейтроны, созданные в целевой камере 60, 70, проникают через стенки целевой камеры 60, 70 и вступают в реакцию с исходным материалом Mo, создавая Mo, который может разлагаться до мета-стабильного Tn Mo распознается соответствующими инструментами и приемами, известными специалисту.
<mrow><msubsup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>16</mtext></mrow></msubsup><mtext>O</mtext></mrow>
16
13
[00100] В иных вариантах, участки синтеза 10, 11 выполнены в качестве источника протонов для производства изотопов. В этих вариантах, участок синтеза 10, 11 работает, как описано выше для магнитной целевой камеры 60 или линейной целевой камеры 70. Система включает систему экстракции изотопов внутри целевой камеры 60, 70. Исходный материал, такой как вода, содержащая
, впускают через систему экстракции изотопов. Протоны, полученные в целевой камере, проникают через стенки системы экстракции изотопов, и вступают в реакцию с O, что приводит к получению l3N. Конечный материал N экстрагируется из исходного и иного материала при помощи ионообменной смолы. N распознается соответствующими инструментами и приемами, известными специалисту.
[00101] Подводя итоги, отметим, что каждый участок синтеза 10, 11, помимо прочего, обеспечивает компактный источник высокоэнергетичных протонов или нейтронов. Настоящее описание лишь иллюстрирует принципы работы участка синтеза 10, 11. Кроме того, так как множество возможных изменений и модификаций будут очевидны для специалиста, участок синтеза 10, 11 не должен быть ограничен конкретной конфигурацией и способом работы, описанными здесь, и соответственно, все подходящие модификации и эквиваленты могут быть выполнены по желанию или требованию.
[00102] Как показано на фиг.22 и 23, участки деления 400a, 400b гибридного реактора 5a, 5b расположены рядом с целевыми камерами 60, 70 множества участков синтеза 10, 11. Участки синтеза 10, 11 размещены таким образом, что реакционное пространство 405 определено внутри целевых камер 60, 70. В частности, траектории ионов внутри целевых камер 60, 70 не входят в реакционное пространство 405, благодаря чему облучаемые материалы могут быть помещены в указанный объем. Для дальнейшего усиления потока нейтронов, множество участков синтеза 10, 11, поставлены друг на друга, и при этом могут успешно работать до десяти источников. Как показано на фиг.22, гибридный реактор 5а включает участок деления 400а и участки синтеза 10 в магнитной конфигурации для обеспечения множества размещенных "стопкой" целевых камер 60, имеющих форму "блина", но в которых ионный пучок проходит по кольцевому пути. Таким образом, реакционное пространство 405 внутри кольцевого пути может быть использовано для размещения облучаемых материалов.
[00103] Фиг.23 иллюстрирует линейную конфигурацию участков синтеза 11, соединенных с участком деления 400b, определяя гибридный реактор 5b. В этой конфигурации, пучки ионов направлены вдоль множества по существу параллельных, разделенных в пространстве линейных путей, расположенных внутри кольцевой целевой камеры 70. Реакционное пространство 405 внутри кольцевой целевой камеры 70 подходит для размещения облучаемых материалов. Таким образом, как будет ясно из дальнейшего описания, участки деления 400a, 400b, описанные со ссылкой на фиг.24-29, могут использоваться либо в магнитной, либо в линейной конфигурации участков синтеза 10, 11.
2
2
[00104] На фиг.22 и 23, участок деления 400а, 400b включает по существу цилиндрическую активационную колонну 410 (иногда называемую элементом активации), расположенную внутри резервуара 415, который содержит материал замедлителя/отражателя, подобранного для снижения уровня излучения, выходящего из участка деления 400а, 400b в ходе работы. Активационная колонна 410 размещена внутри целевой камеры 60, 70, где происходят реакции синтеза. Целевая камера 60, 70 имеет высоту около 1 м. Слой бериллия 420 может окружать целевую камеру 60, 70. Материал замедлителя обычно показывает DO или НО. В дополнение, система регенерации газа размещена на верхушке резервуара 415. Вырез 430 в центре системы регенерации газа 425 проходит внутрь активационной колонны 410, где может находиться подкритический механизм 435, включающий смесь НОУ и/или другой исходный материал. В предпочтительных конфигурациях, вырез 430 имеет радиус около 10 см и длину около 1 м.
[00105] Каждый участок синтеза 10, 11 выполнен с возможностью выпуска высокоэнергетичных нейтронов из целевой камеры. Нейтроны, выпускаемые участками синтеза 10, 11, излучаются изотропически, и несмотря на высокий уровень энергии, нейтроны, входящие в активационную колонну 410, минуют ее с минимумом взаимодействия. Целевая камера окружена 10-15 см. слоем бериллия 420, который усиливает поток быстрых нейтронов примерно вдвое. Нейтроны затем проходят в замедлитель, где они замедляются до уровня тепловой энергии и отражаются обратно в активирующий элемент 410.
15
14
12
2
12
2
[00106] Скорость производства нейтронов при подобной конфигурации предположительно составляет 10 n/с (примерная мощность источника для одной области 10, 11, работающей при 500 кВ и 100 миллиампер составляет 10 n/с, в проиллюстрированной конфигурации использовано десять таких устройств). Общий объемный поток в активирующем элементе, согласно вычислениям, составляет 2.35*10 n/см/ с погрешностью в 0.0094, а тепловой поток (менее чем 0.1 эВ) составил 1.34*10 n/см/с с погрешностью в 0.0122. Указанный уровень нейтронов значительно увеличивается в присутствии НОУ, как будет объяснено ниже.
[00107] Как описано со ссылкой на фиг.1 и 3, участок синтеза 10, 11 может быть выполнен в магнитной или линейной конфигурации. Реальным преимуществом магнитной конфигурации участков синтеза 10, 11 является то, что она обеспечивает большую длину пути в газе под относительно низким давлением. Чтобы эффективно использовать линейную конфигурацию, целевой газ должен быть охлажден и должен поддерживаться под более высоким давлением. В одном примере подобной конфигурации, несколько линий пучков ионов дейтерия направлены аксиально в целевую камеру 70 сверху и снизу от устройства, как показано на фиг.23. Несмотря на то, что целевые камеры 70 могут требовать давления до 10 торр для успешного осуществления подобного варианта, он может оказаться более простым и эффективным подходом к выполнению участка синтеза 10, 11.
[00108] Основным относительным упрощением в линейной конфигурации является устранение компонентов, необходимых для установления магнитного поля, которое направляет луч по спирали. Отсутствие компонентов, необходимых для создания поля, делает устройство дешевле, а магниты не играют роли в аттенюации потока нейтронов. Однако, в некоторых вариантах, магнитное поле используется для коллимации ионного пучка, выработанного линейной конфигурацией участков синтеза 11, как будет описано ниже.
99
235
99
235
99
99
99
eff
eff
eff
2
2
2
eff
eff
[00109] Для того, чтобы получить Мо высокой специфичной активности в качестве конечного продукта, он должен быть выполнен из химически отличного материала для облегчения разделения. Наиболее распространенным способом достижения этой цели является деление U путем бомбардировки нейтронами. Участки синтеза 10, 11, описанные выше, вырабатывают достаточное количество нейтронов для производства большого количества Mo без дополнительных реакций, но если U уже присутствует в устройстве, имеет смысл включить его в конфигурацию, которая обеспечит приумножение нейтронов, а также обеспечит цель для производства Mo. Нейтроны, полученные делением, могут играть важную роль в повышении специфичной активности Mo, и могут повысить общий выход Mo системы. Фактор преумножения, k, связан с преумножением уравнением 1/(1-k). Указанный эффект преумножения может привести к повышению общего выхода и специфичной активности конечного продукта вплоть до 5-10 раз. k является важной функцией плотности НОУ и конфигурации замедлителя. [00110] Возможно несколько подкритических конфигураций подкритических механизмов 435, которые состоят из целей НОУ (обогащенного на 20%) в комбинации с HO (или DO). Все указанные конфигурации помещаются в описанное выше реакционное пространство камеры 405. Некоторые из рассматриваемых конфигураций включают фольгу НОУ, водный раствор соли урана, растворенной в воде, капсулированный порошок UO и др. Водные растворы особо предпочтительны благодаря отличному замедлению нейтронов, но представляют проблемы с точки зрения критичности. Для обеспечения подкритической работы, константа критичности k должна составлять меньше 0.95. Дополнительные элементы управления могут быть добавлены для снижения k в случае, если достигнуто критическое состояние. Указанные элементы управления включают, но не ограничены контрольными стержнями, впрыскиваемыми ядами, или клапанами облегчения давления, которые способны сбрасывать замедлитель и тем самым избегать критичности.
2
3
2
2
eff
[00111] Водные растворы урана имеют огромные преимущества для последующих химических процессов. Кроме того, их легко охлаждать, и они обеспечивают отличную комбинацию топлива и замедлителя. Изначальные исследования были проведены с использованием раствора нитрата урана UO(NO), но могут быть также рассмотрены и другие растворы, такие как сульфат урана, и др. В одном варианте, концентрация соли в растворе составляет около 66 г соли на 100 г HO. Раствор размещен внутри активирующего элемента 410, как показано на фиг.24 и 25. В дополнение к раствору, обеспечивается более мелкий цилиндр 500 в центре активирующего элемента 410, наполненный чистой водой. Указанный цилиндр с водой позволяет снижать значение k, благодаря чему устройство остается на подкритическом уровне, но по-прежнему позволяет использовать большой объем раствора НОУ.
2
2
[00112] В варианте с водным раствором, показанным на фиг.24 и 25, самый центральный цилиндр 500 содержит чистую воду, и окружен водной смесью нитрата урана, содержащейся между трубкой и цилиндрической стеной 505, которые взаимодействуют, определяя по существу кольцевое пространство 510. Целевая камера 60, 70 составляет следующий от центра слой, и также является кольцеобразной. Чистая вода, водная смесь нитрата урана и целевая камера 60, 70 окружены преумножителем / отражателем Be 420. Самый внешний слой 520 в этом случае показывает большой объем DO, содержащийся в резервуаре 415. DO выполняет роль замедлителя для снижения утечки излучения из участка деления 400a, 400b. Фиг.26-29 иллюстрируют сходные структурные компоненты, но содержат отличные материалы в некоторых или всех объемах, и будут обсуждены со ссылкой на указанные чертежи.
2
2
eff
[00113] Обычный способ облучения урана заключается в выполнении его либо в виде капсул диоксида урана, либо заключения порошка диоксида урана в контейнер. Указанные носители помещаются в реактор и облучаются, затем удаляются и обрабатываются. Порошки UO, используемые сейчас, содержат BOY, но предпочтительно использовать НОУ. В предпочтительных вариантах используется смесь HOY и HO, обеспечивающая K<0.95.
2
2
2
2
[00114] Фиг.26 и 27 иллюстрируют активационную колонну 410, которая включает UO в гомогенном растворе с DO. Центральный цилиндр 500 в этом варианте наполнен HO 525, так же как и самый внешний слой 530 (изображена лишь его часть). Первое кольцевое пространство 535 содержит раствор 18% HOY (обогащенный на 20%) и 82% DO. Второй кольцевой слой 540 по существу безвоздушный, в соответствии с целевыми камерами 60, 70 участка синтеза. Центральный цилиндр 500, первое кольцевое пространство 535, и второе кольцевое пространство 540 окружены слоем Be 420, который выполняет роль преумножителя и отражателя нейтронов.
99
[00115] В другом варианте, Mo экстрагируется из урана путем химического растворения фольги HOY с использованием измененного процесса Cintichem. Согласно указанному процессу, тонкая фольга, содержащая уран, помещается в участок ядерного реактора с сильным потоком, облучается в течение некоторого времени, и затем удаляется. Фольга растворяется в различных растворах и обрабатывается с использованием нескольких химических процессов.
99
98
99
99
98
99
98
99m
99
98
99
2
[00116] С точки зрения безопасности, нераспространения ядерного оружия и сохранения здоровья, предпочтительным способом производства Mo являются (n, γ) реакции с исходным материалом Mo. В результате получается Mo без загрязнений плутонием или иными продуктами деления. Производство указанным способом также не требует постоянной подачи какой-либо формы урана. Недостаток способа заключается в сложности отделения Mo от исходного Mo, что приводит к низкой специфичной активности Mo в генераторе. Кроме того, стоимость обогащенного Mo, если использовать именно его, достаточно высока. Тем не менее, был достигнут значительный прогресс в разработке новых способов элюирования для экстракции Tc высокой чистоты из Mo с низкой специфичной активностью, и подобный вариант может оказаться экономически целесообразным в будущем. Для выполнения указанного типа производства в изображенном здесь гибридном реакторе 5а, 5b, может использоваться закрепленный подкритический механизм 435 HOY, применимый для усиления потока нейтронов (скорее всего, UO), и где может быть совершено отделение от исходного Mo. Подкритический механизм 435 по-прежнему расположен внутри участка синтеза 10, 11, а активационная колонна Mo находится внутри подкритического механизма 435.
98
2
2
[00117] В предпочтительных вариантах, Mo в целом занимает 20% активационной колонны 410 (по объему). Как показано на фиг.28 и 29, самый центральный цилиндр 500 содержит гомогенную смесь 20% Mo и HO. Первый кольцевое слой 555 включает подкритический механизм 435 и состоит из смеси 18% HOY (обогащенного на 20%) и DO. Второй кольцевой слой 560 по существу безвоздушный, в соответствии с целевыми камерами 60, 70 участка синтеза. Центральный цилиндр 500, первое кольцевое пространство 555, и второе кольцевое пространство 560 окружены слоем Be 420, который выполняет роль преумножителя и отражателя нейтронов. Самый внешний слой 570 (изображена только его часть) содержит воду, которая снижает объем излучения, выходящего из участка деления 5a, 5b.
15
99
eff
[00118] Для вариантов с HOY, скорость производства и специфичной активности 99Мо были определены путем вычисления 6% выхода деления, при работе участка синтеза 10, 11 со скоростью 10 n/с K также был вычислен для различных конфигураций. В Таблице 1 приведены итоги указанных вычислений. В варианте с получением из Mo, итог (n, γ) использовался для определения скорости производства Mo. Нижеследующая таблица иллюстрирует скорости производства для различных целевых конфигураций в гибридном реакторе 5а, 5b.
Целевая конфигурация
K<sub>eff</sub>
Выход <sup>99</sup>Mo/г U (или <sup>98</sup>Mo) (Ci)
Общий выход <sup>99</sup>Мо при насыщении (6 дней kCi)
Водный раствор UO<sub>2</sub>(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
0.947
1.51
2.93
Порошок UO<sub>2</sub>
0.945
2.92
22
Природный Мо (с субкрит.)
0.943
0.68
2.69
<sup>98</sup>Mo (с субкрит.)
0.943
2.83
11.1
Природный Мо (без субкрит.)
-
0.085
0.44
<sup>98</sup>Mo (без субкрит.)
-
0.35
1.8
99
99
98
99
99
98
99
(00119] Хотя специфичная активность вырабатываемого Mo относительно постоянна для всех подкритических вариантов, некоторые конфигурации позволяют достичь значительно более высокой общей скорости производства. Причина заключается в том, что указанные конфигурации позволяют использовать значительно большие количества исходного материала. Также стоит отметить, что получение Mo из Mo настолько же эффективно, как и получение из НОУ, с точки зрения общего количества произведенного Mo. Тем не менее, процесс с НОУ все-таки более предпочтителен, так как Mo легче отделить от продуктов деления, чем от Mo, что позволяет получить Mo с высокой специфичной активностью после разделения.
98
99
98
99
[00120] В вариантах, где Mo используется для получения Mo, подкритический механизм 435 может быть удален полностью. Однако, если удалить подкритический механизм 435, специфичная активность конечного продукта будет значительно ниже. Тем не менее, некоторые факторы указывают на то, что современные генераторы могли бы использовать продукт с низкой специфичной активностью, полученный облучением Mo. Специфичная активность, полученная гибридным реактором 5a, 5b без подкритического преумножения достаточно высока для использования в некоторых из указанных технических сфер. Кроме того, в США общий спрос на Mo может быть удовлетворен при использовании нескольких производственных площадей, что позволило бы обеспечить процесс, не включающий деление ядер.
98
99
[00121] Например, в одном варианте реактора, включающего только синтез, подкритический механизм 435 не используется, а Mo находится внутри активационной колонны 410. Для повышения производства Mo, используется более мощный ионный пучок, созданный линейной конфигурацией участка синтеза 11. Предпочтительно работать с пучками ионов при уровне мощности примерно в 10 раз выше, чем требуется для описанных выше вариантов. Для достижения указанной цели, устанавливается магнитное поле для коллимации пучка и препятствования нежелательному рассеиванию пучков. Поле расположено таким образом, что оно параллельно пучкам и по существу окружает ускоритель 30 и систему откачки 40, но не обязательно проходит в целевую камеру 70. Использование такой конфигурации обеспечивает желаемый поток нейтронов без преумножающего эффекта, вырабатываемого подкритическим механизмом 435. Преимуществом данной конфигурации является то, что для получения желаемых изотопов вообще не требуется уран.
[00122] Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает, помимо прочего, новый и эффективный гибридный реактор 5a, 5b, который можно использовать для производства медицинских изотопов. Варианты выполнения гибридного реактора 5a, 5b, описанные выше и изображенные на чертежах, представлены в качестве примера и не призваны ограничить принципы и концепции изобретения. Различные свойства и преимущества изобретения обозначены в нижеследующей формуле изобретения.