МИШЕННАЯ СТАНЦИЯ
TARGET STATION

82
68
Изобретение относится к технике, используемой для получения радиоизотопов на высокоинтенсивных пучках протонов, и может быть использована для получения целевых медицинских изотопов Sr и Ge.
82
82
В настоящее время одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся направлений ядерной медицины является кардиодиагностика на основе метода позитрон-но-эмиссионной томографии (ПЭТ), основанной на применении изотопных генераторов. Традиционные методы получения циклотронных радиоизотопов предполагают в каждом цикле производства использование последовательности технологических операций, осуществляемых, как правило, в ручном режиме: изготовление и монтаж одноразовой мишени на ионопроводе ускорителя, демонтаж облученной мишени, механическое вскрытие мишени, растворение активного вещества. Все эти операции достаточно трудоемки, дорогостоящи и должны проводиться в специальных условиях. В отличие от традиционных методов предлагаемый способ получения Sr позволяет достаточно просто автоматизировать процедуру извлечения Sr из мишени в непрерывном режиме во время наработки, исключив из процедуры выделения стронция из мишени трудоемкие и дорогостоящие операции радиохимического передела, свойственные другим методам.
82
В настоящее время Sr получают облучением протонами (Ер≈100÷800 МэВ) твердотельных мишеней из молибдена, металлического рубидия или его соединений на ускорителях высоких энергий.
82
82
82
Известен способ получения Sr по реакции Mo(p,spallation) (Thomas K.Е. Strontium-82 Production at Los Alamos National Laboratory. - Applied Radiation and Isotopes, 1987, v. 38, №3, p.p. 175-180). Мишени из металлического молибдена диаметром 1.9-6.4 см, толщиной 1.25÷1.9 см облучали пучками протонов энергией 800 МэВ. В результате реакции скалывания образовывался Sr. Длительность облучения различных мишеней составляла от 2 до 30 суток. Номинальный ток пучка протонов - 500 мкА. Затем мишени растворяли в смеси азотной и фосфорной кислоты в присутствии перекиси водорода. После чего многоступенчатым химическим переделом выделяли Sr.
Этот способ имеет существенные недостатки, заключающиеся в следующем:
82
- для получения Sr используется уникальная дорогостоящая установка, в основном предназначенная для фундаментальных исследований: мезонная фабрика Лос-Аламосской национальной лаборатории США;
- технология основана на использовании одноразовой мишени;
82
- наряду со Sr в мишени образуется большое количество радиоактивных примесей;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени и утилизацией большого количества радиоактивных отходов;
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
Известен способ получения Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из металлического рубидия (Жуйков Б.Л., Коханюк В.М., Глушенко В.Н. и др. Получение стронция-82 из мишени металлического рубидия на пучке протонов с энергией 100 МэВ. - Радиохимия, 1994, том 36, стр. 494-498). Мишени из металлического рубидия представляли собой диски диаметром 30 мм и толщиной 11 мм, заключенные в герметичные оболочки из нержавеющей стали. Толщина входного окна оболочки составляла 0.13-0.2 мм. Оболочки заряжались металлическим рубидием в боксе в инертной атмосфере. Для этого рубидий в ампуле разогревали электропечью до 80-90°С, отбирая жидкий рубидий с помощью медицинского шприца, вводили жидкий металл через штуцер в оболочку. Облучение мишеней проводили на линейном ускорителе пучком протонов с энергией 100 МэВ при токах пучка 6-10 мкА. Длительность облучения достигала 10 суток. Технология переработки мишени включала механическое вскрытие кассеты и растворение мишени в изобутаноле, разрушение образующегося при растворении мишени изобутонолята рубидия и отделение органической фазы путем отгонки, отделение изотопов стронция от рубидия на ионообменной колонке.
К недостаткам данного способа, как и в предыдущем примере, можно отнести:
82
- использование для получения Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий (линейный ускоритель ИЯИ РАН, г. Троицк);
- достаточно сложна процедура изготовления мишени;
- технология основана на использовании одноразовой мишени;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
82
82
78
82
82
Кроме того, существенным недостатком данного способа следует считать высокую потенциальную взрывоопасность, обусловленную использованием металлического рубидия. Известен способ получения Sr в реакциях Kr(α,xn) и Kr(3He,xn) при облучении ускоренными пучками α-частиц или 3Не мишени из природного криптона (Tarkanyi F., Qaim S.M., Stocklin G. Excitation Functions of 3Не- and α-Particle Induced Nuclear Reactions on Natural Krypton: Production of Sr at a Compact Cyclotron. - Applied Radiation and Isotopes, 1988, v. 39, №2, p.p. 135-143). При использовании в качестве мишени природного криптона и ускоренных α-частиц или 3Не с начальной энергией 604-80 МэВ наработка Sr возможна на всех изотопах Kr за исключением Kr. Однако наработка Sr на каждом из изотопов при использовании природного криптона не оптимальна, так как величины сечений ядерных реакций, приводящих к образованию Sr на каждом из изотопов криптона, изменяются в широком диапазоне (от 0 до от σmax) в энергетическом интервале торможения в мишени заряженных частиц.
К недостаткам данного способа можно отнести:
82
- относительно низкий выход Sr в мишени из природного криптона;
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
82
Известен способ получения радиоизотопа Sr по реакциям Kr(α,xn)Sr либо Kr(3He,xn)Sr (Зарядский В.А., Латушкин С.Т., Новиков В.И., Оглоблин А.А., Унежев В.Н., Чувилин Д.Ю., Шатров А.В., Ярцев Д.И.; Патент №2441290 от 27.01.2012 г. "Способ получения радиоизотопа стронций-82"). Способ включает облучение на циклотроне или линейном ускорителе пучком α-частиц или ядер 3Не каскадной мишени, состоящей из модулей с изотопами криптона, расположенными последовательно, в порядке убывания их атомных масс по направлению пучка ускоренных частиц, и накопление в ней в процессе одной или нескольких пороговых ядерных реакций Kr(α,xn)Sr или, соответственно, одной или нескольких пороговых ядерных реакций Kr(3Не,xn)Sr целевого радиоизотопа Sr.
82
К недостаткам данного способа можно отнести эксплуатационные ограничения оптимальной по выходу Sr каскадной мишени, состоящие в необходимости жесткого согласования длины модулей с изотопами криптона с током пучка и давлением газа в них. Необходимость указанного согласования связана с появлением градиента плотности газа в мишени под действием пучка заряженных частиц и, как результат, изменением оптимальных длин пробега в модулях каскадной мишени.
82
82
82
Известен способ получения Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из хлорида рубидия (Mausner L.F., Prach Т., Srivastava S.C. Production of Sr by Proton Irradiation of RbCl. - Applied Radiation and Isotopes, 1987, v. 38, №3, p.p. 181-184). С целью дегидратации хлорид рубидия выдерживали в вакууме в течение 48 часов, затем прессовали с усилием 75 тонн в 35 г. таблетку 0.81 см толщиной и 4.44 см диаметром. Таблетка из хлорида рубидия помещалась в капсулу из нержавеющей стали и заваривалась в вакууме электронным лучом. Затем капсула с хлоридом рубидия облучалась протонами на ускорителе Брукхевенской национальной лаборатории, позволяющем ускорять протоны до энергии 200 МэВ. Ток пучка протонов составлял 45 мкА. После облучения капсулу транспортировали в защитном контейнере в горячую лабораторию и через 6 дней выдержки вскрывали. Затем хлорид рубидия растворяли в 100 мл 0.1 М NH4OH:0.1 М NH4Cl и после многоступенчатого радиохимического передела выделяли Sr.
Технической проблемой аналога является:
82
- использование для получения Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий;
- достаточно сложна процедура изготовления мишени; -технология основана на использовании одноразовой мишени;
- из-за плохой теплопроводности хлорида рубидия при токах выше нескольких мкА возможен перегрев в центре мишени и сублимация хлорида рубидия, что приводит к уменьшению эффективной толщины мишени и, соответственно, выхода целевого продукта;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
Радиоизотопы нарабатываются при облучении мишени высокоинтенсивным протонным пучком, что сопровождается большим тепловыделением в мишени, которое снимается посредством принудительного водяного охлаждения. После окончания сеанса облучения мишень транспортируется в горячую камеру, где происходят дальнейшие процедуры с целью отделения целевого радиоизотопа.
Известна установка для наработки радиоизотопов на пучке ускорителя ИЯИ РАН, описанная в [Б.Л. Жуйков, "Производство изотопов в Институте ядерных исследований РАН: реальность и перспективы", УФН, 181:9 (2011), 1004-1011; Phys. Usp., 54:9 (2011), 968-974]. Пучок протонов с энергией до 160 МэВ и интенсивностью до 140 мкА поступает ступает на мишень из рубидия.
82
При таких параметрах пучка выход изотопов Sr за один сеанс облучения (250 час) около 5 Ки.
82
Технической проблемой аналога является то, что при таких параметрах пучка выход изотопов Sr3a один сеанс облучения (250 час) около 5 Ки. Учитывая большой спрос в мире на медицинские изотопы, целесообразно стремиться увеличивать их наработку. Для этого необходимо как увеличение тока пучка, так и создание мишеней, способных работать с существенно более высокой интенсивностью пучков.
82
Также известна установка, описанная в [http://hepd.pnpi.spb.ru/hepd/events/meetings/sessiya_2014/dec24/RIC-80_%20Panteleev.pdf], опубл.: 24.12.2014. Данное решение выбрано за прототип.В нем описано мишенное устройство для селективного выделения Sr-82 из облученного мишенного вещества, в котором устройство содержит мишенный контейнер, нагреваемую трубку-коллиматор, танталовую фольгу-коллектор. В прототипе используется метод высокотемпературного выделения изотопного генератора для ПЭТ Sr из мишенного вещества RbCl, облученного на пучке синхроциклотрона ПИЯФ. Получены эффективности выделения стронция-82 (80-90)% из мишенных материалов RbCl и металлического рубидия для мишенных веществ массой несколько граммов. В режиме online на установке ИРИС из мишени карбида урана высокой плотности получены Ra-223, 224, а также другие изотопы радия и измерены их выходы.
82
Технической проблемой прототипа является то, что прототип позволяет работать на токе пучка до 200 мкА, при этом даст выход целевых изотопов Sr порядка 10 Ки. Учитывая большой спрос в мире на медицинские изотопы, целесообразно стремиться увеличивать их наработку. Для этого необходимо как увеличение тока пучка, так и создание мишеней, способных работать с существенно более высокой интенсивностью пучков.
Задачей настоящего изобретения является разработка инновационной технологии производства в промышленных объемах медицинского изотопа стронция-82, необходимого для осуществления диагностики методом позитронно-эмиссионной томографии различных кардиологических заболеваний», в рамках которой предусматривается возможность наработки изотопов при облучении мишеней пучком протонов с током до 375 мкА.
Техническим результатом полезной модели - является создание мишенной станции, способной обеспечить наработку медицинских изотопов при токе пучка до 375 мкА.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена мишенная станция, предназначенная для наработки изотопов в высокоинтенсивных пучках протонов, состоящая из корпуса, мишени, отличающаяся тем, что состоит из комбинированного корпуса, нижняя часть которого выполнена из алюминия и расположена на нижнем этаже в зоне размещения протонного ускорителя, а верхняя часть выполнена из нержавеющей стали и расположена в верхнем этаже рабочей зоны горячей камеры, причем верхняя и нижняя части отделены комбинированной защитой из слоев стали и бетонного перекрытия между этажами, а внутри корпуса установлена транспортная система с подвижной кареткой, к которой закреплена мишенная камера; корпус мишенной станции заполнен теплоносителем и имеет вход и выход, подключенные к циркуляционному насосу; мишенная камера по меньшей мере содержит две мишени.
Предпочтительно, транспортная система включает в себя электродвигатель, ведущую и ведомую звездочки, цепь и каретку, на которой крепится мишенная камера.
Предпочтительно, транспортная система помещена в цилиндрический корпус мишенной станции.
Предпочтительно, в качестве теплоносителя использована вода. Цилиндрический корпус заполнен водой с высотой водяного столба 4-5 м от положения мишенной камеры во время обручения.
Мишенная камера представляет собой изготовленный из алюминиевого сплава корпус, в который помещены рубидиевая и галлиевая мишени, закрепленные фиксатором.
Корпус мишенной камеры имеет прорези и отверстия для прохода охлаждающей воды, как вдоль торцевых стенок мишеней, так и по цилиндрическим поверхностям.
Предпочтительно, элементы мишенной станции в области пучка протонов выполнены из алюминиевых сплавов.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показано схематичное изображение мишенной станции.
На Фиг. 2 показано устройство мишенной камеры.
На Фиг. 3 показана схема принудительного охлаждения поверхности мишеней струями теплоносителя.
На чертежах:
1 - Горячая камера, 2 - Ведущая звезда устройства транспортировки мишенной камеры в/из зоны облучения, 3 - Позиция каретки при загрузке/выгрузке мишеней в/из мишенную камеру, 4 - Цепь, обеспечивающая перемещение мишенной камеры в /из позицию облучения, 5 - Верхняя часть корпуса мишенной станции, выполненная из нержавеющей стали, 6 - Комбинированный защитный слой, 7 - Нижняя часть корпуса мишенной станции, выполненная из алюминия (инструментальный бокс), 8 - Пучок протонов, 9 - Пол ускорительного зала (нижний этаж), 10 - Подвод охлаждающей воды, 11 - Ведомая звезда, 12 -Каретка с мишенной камерой в позиции облучения, 13 - Водяной защитный слой, 14 - Потолок ускорительного зала (нижний этаж), 15 - Отвод охлаждающей воды, 16 - Пол верхнего этажа, 17 - Мишенная камера, 18 - Галлиевая мишень, 19 - Рубидиевая мишень, 20 -Теплоноситель, поступающий из коллектора, 21 - Инжекция теплоносителя через систему каналов в теле мишенной камеры, 22 - Каналы выхода теплоносителя из мишенной камеры.
Осуществление изобретения
Мишенная станция (см. Фиг. 1) размещена на двух уровнях: первый уровень (нижний этаж) - зона размещения протонного ускорителя, опирающаяся на пол 9 ускорительного зала, второй (верхний этаж) - рабочая зона, отделенная от первого комбинированной защитой 6 от генерируемого во время работы станции излучения (бетонное перекрытие между этажами, сталь).
В рабочей зоне размещена горячая камера 1, в которой осуществляется загрузка новых мишеней 17 (в поз. 3 каретки) для облучения и выгрузки их после облучения для дальнейшей переработки облученного мишенного вещества (рубидий, галлий и др.). Стенки камеры выполнены из свинца с целью зашиты персонала при операциях загрузки/выгрузки мишеней. Операции с мишенями выполняются дистанционно с помощью манипулятора.
Мишенная станция оснащена устройством транспортировки мишеней (транспортная система) обеспечивающим с помощью цепного привода установку мишеней в рабочее положение на пучок и доставку их после облучения в горячую камеру для последующих операций, схематично показанных на Фиг. 1, включает в себя каретку 12, на которой крепится мишенная камера 17 (см. Фиг. 2, Фиг. 3) электродвигатель (на чертежах не показан), ведущую 2 и ведомую 11 звездочки, цепь 4. Транспортная система помещена в цилиндрический корпус мишенной станции, верхняя часть 5 которого выполнена из нержавеющей стали, а нижняя часть 7 - инструментальный бокс - из алюминия. Такая схема позволяет уменьшить уровни остаточного излучения (наведенной радиоактивности) материалов корпуса в 30-50 раз (см. [E.N. Savitskaya, М.А. Maslov, S.A. Nikitin, V.N. Peleshko, N.V. Skvorodnev. Selection of materials for target station equipment at cyclotron CYCLON-70. Proceedings of RUPAC2018, Protvino, Russia, pp. 391-393]).
Цилиндрический корпус заполнен водой. Высота водяного столба 4-5 м от положения мишенной камеры во время обручения. Водяной столб служит для зашиты от генерируемого во время работы станции излучения, выходящего в горячую камеру.
Мишенная камера 17 (см. Фиг. 2) представляет собой изготовленный из алюминиевого сплава корпус, в который помещаются рубидиевая 19 и галлиевая 18 мишени, закрепленные фиксатором.
Корпус мишенной камеры 17 (см. Фиг. 3) имеет необходимые прорези и отверстия для прохода охлаждающей воды, как вдоль торцевых стенок мишеней, так и по цилиндрическим поверхностям.
С целью снижения уровней остаточного излучения (наведенной радиоактивности) элементы мишенной станции в области пучка протонов могут быть выполнены из алюминиевых сплавов.
Конструкция корпуса позволяет мишенной камере 17 крепиться на каретке 12 цепного привода перемещающейся по вертикальной направляющей посредством цепи 4, приводимой в движение двигателем через звездочки 2 и 11, одна из которых - 2 закреплена на двигателе в горячей камере 1, вторая 11 - внизу на фланце инструментального бокса нижней части 7.
Между верхней частью корпуса 5 горячей камеры 1 и нижней частью 7 с мишенной камерой 17 расположено потолочное перекрытие, на полу верхнего этажа 16 которого берет начало верхняя часть корпуса 5.
Ниже потолка 14 ускорительного зала нижнего этажа расположена нижняя часть корпуса 7 мишенной станции из алюминия. Вокруг стенок корпуса, проходящих через потолочное перекрытие расположен комбинированный защитный слой 6.
Система охлаждения состоит из двух подсистем - группы охлаждения и насосной группы. Группа охлаждения обеспечивает отвод 15 охлаждающей воды, выходящей из мишенной станции 17, заполнение которой идет через подвод 10 в нижней части 7 корпуса.
Насосная группа обеспечивает циркуляцию воды на подвод 10 и отвод 15, что позволяет обеспечить охлаждение мишеней 17 недогретыми турбулентными потоками воды с кипением жидкости на охлаждаемой поверхности.
Непосредственное управление оборудованием, сбор и обработка данных осуществляется с помощью системы управления мишенной станцией.
2
Принцип работы мишенной станции основан на охлаждении мишеней, облучаемых протонным пучком 8, недогретыми турбулентными потоками воды с кипением жидкости на охлаждаемой поверхности, обеспечивающими теплосъем с мишеней на уровне до 400 Вт/см.
С целью съема большой тепловой мощности применяют охлаждение поверхности мишеней струями недогретого до температуры насыщения теплоносителя 20 (воды), который подают из коллектора. Инжекция теплоносителя 21 идет через систему каналов в теле мишенной камеры, а каналы выхода 22 теплоносителя ориентированы из тела мишенной камеры (см. Фиг. 3).
В целом наработка изотопов на высокоинтенсивных пучках протонов мишенной станции достигается за счет использования:
- конструктивного решения, позволяющего одновременно облучать две и более мишеней,
- принудительного охлаждения поверхности мишеней недогретыми потоками теплоносителя (воды), кипящего на охлаждаемых поверхностях мишеней,
- применения специальной транспортной системы,
- выполнение части элементов станции из алюминиевых сплавов, для уменьшения наведенной радиоактивности.
Предложенные конструктивные решения мишенной камеры и мишенной станции в целом, обладающие следующими преимуществами:
82
68
- Мишенная камера позволяет использовать одновременно несколько мишеней из различных материалов. Например, облучать одновременно мишени с рубидием и галлием для наработки целевых медицинских радионуклидов Sr и Ge.
- Принудительное охлаждение мишеней с использованием кипения на охлаждаемых поверхностях недогретыми потоками воды позволяет снимать большую тепловую мощность, выделяемую пучком протонов в мишенях.
- Устройство транспортировки мишеней (транспортная система) обеспечивает с помощью цепного привода установку мишеней в рабочее положение на пучок и доставку их после облучения в горячую камеру для последующих операций. Операции с мишенями производятся дистанционно с помощью манипулятора.
Таким образом, благодаря применению предложенных конструктивных решений, позволяющих: одновременно облучать набор мишеней из рубидия и галлия, системы принудительного струйного водяного охлаждения и специальной транспортной системы, можно значительно (в разы) увеличить выход медицинских изотопов.
82
82
68
Расчеты [Савицкая Е.Н., Пелешко В.Н., Солдатов А.П. Тертычный Р.Г., Хасин А.А. «ОПТИМИЗАЦИЯ НАРАБОТКИ Sr В РУБИДИЕВОЙ МИШЕНИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПРОТОНАМИ ЭНЕРГИЕЙ 70 МэВ» АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ, Т. 127, ВЫП. 5, НОЯБРЬ 2019 с 274-280] показывают, что при такой конструкции мишенной станции выход изотопов Sr и Ge за один сеанс облучения (14 суток), мишеней из металлического рубидия и галлия при токе протонного пучка 375 мкА составит 20-25 Ки и 5 Ки соответственно.
В НИЦ «Курчатовский Институт» - ИФВЭ в настоящее время проведена работа по ПНИЭР «Разработка инновационной технологии производства в промышленных объемах медицинского изотопа стронция-82, необходимого для осуществления диагностики методом позитронно-эмиссионной томографии различных кардиологических заболеваний» при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии от «27» июня 2019 г. №075.15.2019.1393, идентификатор Соглашения RFMEFI60717X0193, в рамках которой предусматривается возможность наработки изотопов при облучении мишеней пучком протонов с током до 375 мкА, что в 2,5 и в 2 раза выше, чем установках, описанных в [Б. Л. Жуйков, "Производство изотопов в Институте ядерных исследований РАН: реальность и перспективы", УФН, 181:9 (2011), 1004-1011; Phys. Usp., 54:9 (2011), 968-974] и [http://hepd.pnpi.spb.ru/hepd/events/meetings/sessiya_2014/dec24/RIC-80_%20Panteleev.pdf].