ПОРИСТЫЙ ИРИДИЙ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
POROUS LOW DENSITY IRIDIUM

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки PCT/US2017/033508 под названием "Low Density Spherical Iridium", поданной 19 мая 2017 г., в которой испрашивается приоритет согласно 119(e) Раздела 35 Кодекса законов США по предварительной заявке на патент США № 62/378,881, поданной 24 августа 2016 г., и по предварительной заявке на патент США № 62/340,777, поданной 24 мая 2016 г., содержание которых настоящим включено сюда путем ссылки для всех целей и во всей их полноте.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относитсяк источнику гамма-излучения, обычно содержащему микрошарики иридия или сплавы, компаунды или композиты иридия низкой плотности и пористые их варианты, подвергнутые инкапсулированию, и к способам их производства.
Уровень техники
Источники излучения различных типов для медицинских, промышленных и других процессов хорошо известны на предшествующем уровне техники. Однако, поиски дополнительных улучшений продолжаются, в частности, в отношении производственной экономики и характеристик изделий.
Способ производства источника гамма-излучения на предшествующем уровне техники раскрыт в PCT/NL2004/000401 (также опубликованном как документ WO 2004109716 A2) в классе Баккера. Этот способ включает этапы нейтронного облучения дисков иридия или кобальта и укладки дисков столбиками для формирования цилиндра. Аналогично, из уровня техники известен документ PCT/US2015/029806 (также опубликованный как WO 2015175326 Al) под названием "Device and Method for Enhanced Iridum Gamma Radiation Sources"; немецкий патентный документ DE 19824689 Cl с переведенным заголовком "Iridium-Containing Molding useful as a Gamma Radiation Source e.g., For Weld Seam Radiography and Cancer Treatment"; и документ PCT/US2015/029806 под названием "Device and Method for Enhanced Iridium Gamma Radiation Sources."
[0005] Дополнительно, уровень техники, относящийся к производству металлических сфер, содержит патент США № 2,394,727 под названием "Method for Making Small Metallic Spheres", выданный 12 февраля 1946 г., автор Тейлор, и информацию об этом можно найти на следующих сайтах:
http://www.orau.org/ptp/collection/sources/3mdisk.htm; и
http://www.nrc.gov/docs/ML0415/ML041550720.pdf.
Способы производства пористого иридия можно найти в документе "The Metallurgical Integrity of the Frit Vent Assembly Diffusion Bond", автор G.B. Ulrich, июнь 1994 г., документ Y/DV-1321, Oak Ridge Y-12 Plant, Martin Marietta Energy Systems, Inc.
Задачи и сущность изобретения
Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении улучшений радиоактивных источников, используемых для медицинских и промышленных применений. Варианты осуществления изобретения могут решать множество следующих задач по сравнению с предшествующим уровнем: снижение затрат на изготовление, уменьшенные фокальные размеры (в частности, в отношении источников с дисками из натурального иридия с цилиндрической геометрией), повышенный выход при активации, повышенный выход (больше выходных Кюри/мг, благодаря пониженной плотности), более мягкий спектр эмиссии за счет пониженной плотности (то есть, значительно более низкой энергетической эмиссии) и почти сферической или квазисферической геометрии (приводящей в результате к улучшенному качеству изображения), но обычно содержащей плоские боковые стороны вокруг ее окружности, чтобы избежать чрезмерно острых тангенциальных компонент крышки. Дополнительно, в вариантах осуществления этого изобретения может быть сокращена или исключена работа с порошком.
Предполагается, что варианты осуществления настоящего изобретения могут увеличить выходную эффективность иридия-192, вероятно, в диапазоне 11-17 процентов, в частности, если источники могут изготавливаться, используя иридий с 50-65-процентной плотностью со сферической геометрией. Это дополнительно может приводить в результате к снижению содержания иридия-192 в источнике на 11-17 процентов и уменьшению его годового потребления. Дополнительно, более мягкий выходной спектр в сочетании с почти сферическим фокальным размером могут приводить в результате к качеству изображения, приближающемуся к качеству изображения цилиндрических источников с обогащенным иридием-192. Дополнительно предполагается, что это потенциально может приводить к повышенному на 7-11 процентов выходу активации, ведущему к общему выигрышу в эффективности на 18-28 процентов.
Как вариант, диски с плоскими торцами из иридия низкой плотности или компаунда, сплава, композита или их пористого варианта могут быть активированы, чтобы получить диски, содержащие иридий-192. После активации диски могут укладываться стопкой друг на друга, чтобы формировать цилиндр, и в такой форме использоваться для изготовления традиционных цилиндрических источников с фокальной геометрией, или могут после активации компрессироваться, сжиматься или деформироваться, чтобы создавать более сферические или квазисферические фокальные геометрии.
Диски из иридия низкой плотности или компаунда, сплава, композита или их пористого варианта, имеющие изогнутые, куполообразные или как-либо иначе сформованные торцы, могут изготавливаться таким образом, чтобы быть более толстыми в середине, чем на периферии. Некоторые практические примеры показаны на фиг. 4. В них активация может производиться, чтобы получать диски, содержащие иридий-192. После активации такие диски могут укладываться столбиком и затем компрессироваться, сжиматься или деформироваться, чтобы получать сферические или квазисферические фокальные геометрии. Диски, которые формуются таким образом, могут легко преобразовываться в сферическую или квазисферическую фокальную геометрию посредством компрессии, сжатия или деформации, как показано на фиг. 5, что дает производственные преимущества.
Использование сферического или квазисферического иридия-192 низкой плотности или компаунда, сплава, композита или пористого его варианта может достигать выхода и выигрышей по общей эффективности, подобных достигнутым с кольцевым иридием, но без недостатков в отношении качества изображения или фокального размера, присущих кольцевым источникам, уложенным в цилиндрическую конфигурацию.
Альтернативно, сферический или квазисферический иридий-192 низкой плотности или компаунд, сплав, композит или их пористый вариант могут также изготавливаться, используя случайным (или почти случайным) образом уложенные микрогранулы в сферической или квазисферической полости источника. Пористые микрогранулы могут компрессироваться, сжиматься или деформироваться, чтобы получать сферические или квазисферические фокальные геометрии.
Следует заметить, что размер пор внутри пористого иридия или компаунда, сплава, композита или пористого их варианта может варьироваться и находиться в диапазоне от субмикрометрических размеров (иногда упоминаемых как микропористость) до приблизительно субмиллиметровых размеров (иногда упоминаемых как пористость).
o
Пористый иридий или компаунд, сплав, композит или их пористый вариант могут изготавливаться несколькими различными способами. Один из способов состоит в нагревании микросфер или микрогранул при температуре обычно выше 1000C, но чаще, выше 1300°C в течение времени, достаточно длительного, чтобы инициировать долговременное связывание и сплавление их в точках контакта.
Микропористый иридий или компаунд, сплав, композит или их пористый вариант могут также изготавливаться посредством частичного спекания тонко молотого порошка при температуре обычно выше 1000°C, но чаще, выше 1300°C в течение времени, достаточно длительного, чтобы инициировать долговременное связывание между частицами и сплавление их в точках контакта, но не настолько длительного, чтобы привести к процессу полного уплотнения. Такой микропористый продукт будет иметь плотность, меньшую одной сотой процента от теоретической плотности иридия, благодаря пузырькам, кармана или каналам, сформированным внутри иридия или сплава, компаунда или композита иридия.
Изотопически обогащенный порошок иридия-191 может использоваться в качестве сырьевого материала для изготовления пористого иридия низкой плотности или компаунда, сплава, композита или их пористого варианта. Эта форма иридия может изготавливаться посредством изотопического обогащения в газовой центрифуге газообразного натурального изотопически избыточного гексафторида иридия или тетрафторида иридия, снижая количество обогащенных технологических газов, чтобы получить высокоаморфную форму элементарного обогащенного иридия-191, часто упоминаемого как "черный" иридий (iridium-black). Иридий, полученный посредством таких процессов теряет кристалличность, имеет очень малый средний размер частиц (обычно, субнанометрический), имеет очень высокую площадь внутренней поверхности и является пористым.
Найдено, что такой аморфный (или, по существу, аморфный) порошок иридия может подвергаться холодной компрессии, чтобы формировать компакты, имеющие 30-50-типроцентную плотность от теоретической плотности иридия. Они могут быть частично уплотнены, связаны и сплавлены посредством спекания при неожиданно низкой температуре, значительно ниже температуры, обычной для кристаллических материалов. Высокая поверхностная энергия за счет большой внутренней площади поверхности и высокая энергия аморфной кристаллической решетки могут запускать уплотнение, кристаллизацию, рост зернистости и сплавление между частицами при более низких, чем ожидалось, температурах.
Было найдено, что частичное уплотнение, по существу, аморфного порошка чистого иридия, такого как материал, производимый в процессе обогащения газа с использованием центрифуги, может быть достигнуто при температурах ниже 1300°C. Более того, добавление некоторых присадок для спекания, которые являются неактивирующими, слабо активирующими или совместно активирующими (то есть, создающими минимально интерферирующие гамма-излучения) и имеют пониженную точку плавления по сравнению с иридием, может образовывать сплавы, интерметаллические компаунды или их сочетания с иридием. Такие присадки содержат, не ограничиваясь только этим, алюминий, ванадий, бор-11, кремний, фосфор, серу, углерод, бериллий, титан, никель, вольфрам или их сплавы и интерметаллические компаунды, которые дополнительно понижают температуру спекания и могут усиливать процесс частичного уплотнения и/или улучшать пластичность, чтобы достигать превосходного связывания с улучшенными механическими свойствами при более низкой температуре и меньшем времени.
Тонко измельченный аморфный или, по существу, аморфный порошок иридия, имеющий естественный изотопический состав, также может быть подобным образом частично уплотнен и связан.
Частично уплотненным, связанным, пористым, с низкой плотностью компонентам иридия может придаваться форма дисков, цилиндров, проволоки, гранул или микросфер. Они могут укладываться друг на друга или как-либо иначе собираться вместе и затем спрессовываться, уплотняться или механически деформироваться, чтобы создавать сферическую или квазисферическую фокальную геометрию, которая оптимальна как для производства источников рентгеновского излучения, так и для качества рентгеновского изображения.
Фокальный размер сферического или квазисферического иридия-192 низкой плотности обычно может быть не больше размера диагонали традиционной геометрии цилиндрического источника с уложенными друг на друга дисками со 100-процентной плотностью.
Полученные в результате источники могут излучать гамма-лучи с меньшей энергией, приводя в результате к улучшенным контрасту изображения и разрешающей способности.
Краткое описание чертежей
Дополнительные задачи и преимущества изобретения станут очевидны из последующего описания и сопроводительных чертежей, на которых:
Фиг. 1 - блок-схема последовательности выполнения операций типичного варианта осуществления производственного процесса, соответствующего предложенному изобретению, с предполагаемыми вариациями.
Фиг. 2 - вычисленные спектральные избыточности гамма-энергии как функция плотности иридия в соответствии с вариантом осуществления предложенного изобретения.
Фиг. 3 - объемные отношения цилиндрических укладок в зависимости от сфер, имеющих один и тот же фокальный размер, и типичное увеличение эмиссионной способности и результат облучения, достигаемые с помощью варианта осуществления предложенного изобретения.
Фиг. 4А - вид сбоку вариантов конструкции дисков, соответствующих предложенному изобретению.
Фиг. 4В - вид сбоку конструкции диска, соответствующей предшествующему уровню техники.
Фиг. 5А - вид сбоку предпочтительного варианта осуществления сборки дисков перед сжатием, сдавливанием или деформацией, чтобы произвести сферу или квазисферу.
Фиг. 5В - вид сбоку предпочтительного варианта осуществления сборки дисков после сжатия, сдавливания или деформации, произвести таким образом сферу или квазисферу.
Фиг. 6 - сборка дисков без сжатия, сдавливания или деформации, устанавливаемая в сферическую/квазисферическую геометрию, используя торцевые участки в форме полудисков.
Фиг. 7 - поперечное сечение диска, содержащего связанные микросферы и связующие присадки.
Фиг. 8А и 8В - шилтоидная и возоидная формы, соответственно, как они определены заявителями.
Фиг. 9 - вид варианта осуществления диска, соответствующего предложенному изобретению.
Фиг. 10 - вид в поперечном сечении вдоль плоскости 10-10 на фиг. 9.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Теперь обратимся к подробным чертежам, где на фиг. 1 показана общая схема типичного процесса 100, лежащего в основе предложенного изобретения. Природный иридий обеспечивается на этапах 102, 102' или 102ʺ. Природный иридий на этапе 102 предоставляется напрямую на этап 110 изготовления дисков или микрогранул. Природный иридий на этапе 102' образует сплав или обеспечивается спекаемыми добавками на этапе 108 и затем передается на этап 110 изготовления дисков или микрогранул. Природный иридий на этапе 102'' подается на этап 104 газового обогащения с помощью центрифуги, этап 106 обогащенного иридия и, как вариант, сплавляется или обеспечивается спекаемыми добавками на этапе 108 перед тем, как передаваться на этап 110 изготовления дисков или микрогранул. Микрогранулы или микрошарики во многих вариантах осуществления обычно имеют диаметр 0,25-0,60 мм, предпочтительно, 0,40 мм. Альтернативно, могут использоваться микроцилиндры с диаметром 0,20-0,50 мм, предпочтительно, 0,30 мм во многих вариантах осуществления. Эти микроцилиндры могут формироваться путем отрезания иридиевой проволоки желаемого диаметра перед или после активации.
Иридий в форме дисков или микрогранул с этапа 110, независимо от происхождения (102, 102' или 102ʺ), как вариант подается на этап 112 для частичного уплотнения, например, путем спекания или какой-либо другой технологии. Иридий в дальнейшем, как вариант, подается на этап 114 лазерного уплотнения поверхности и затем на этапы 116, 118 активации и измерения, соответственно. Как показано на верхней ветви схемы, иридий с этапа 118 измерения может на этапе 120 загружаться в капсулу, как вариант, сжатым, уплотненным или деформированным загружаться в капсулу на этапе 122 и затем на этапе 128 источник заваривается. Альтернативно, как показано на нижней ветви схемы, иридий с этапа 118 измерения может сначала на этапе 124 укладываться столбиком и сжиматься, уплотняться или деформироваться перед загрузкой в капсулу на этапе 126 (аналогично этапу 120), и затем на этапе 128 источник заваривается.
На фиг. 2 представлен типичный спектр гамма-энергии, демонстрирующий вычисленные спектральные избыточности как функцию плотности иридия для иридия пониженной плотности в соответствии с типом процессов, обобщенных на фиг. 1.
Аналогично, на фиг. 3 можно видеть типичное увеличение эмиссионной способности и выхода излучения по сравнению со 100-процентной плотностью иридия на предшествующем уровне техники и пропорционально более высокую эмиссию при более низких энергиях. Заметим, например, что сфера с 53-хпроцентной плотностью заданного диаметра "d" (такого как, но не ограничиваясь только этим, 3,82 мм) имеет на 85 процентов больший объем, чем прямой цилиндр со 100-процентной плотностью с диагональю "d" 3,82 мм. Такой прямой цилиндр имеет высоту и диаметр, равные 2,7 мм (3,82 мм, деленные на корень квадратный из 2,0). Эти размеры совершенно типичны для активных размеров стандартных цилиндрических источников с иридием-192, имеющих 100 Кюри и содержащих природный иридий-192. Однако, используемая для ссылки сфера или квазисфера имеет тот же самый фокальный размер и, согласно оценкам, от одиннадцати до семнадцати процентов более высокий выход, чем упомянутый прямой цилиндр (заметим, что относительное увеличение выхода зависит от направления эмиссии и измеряется в осевом, радиальном, 4π или других направлениях). Поэтому ожидается, что сферический или квазисферический иридий-192 низкой плотности увеличивает выходную эффективность источника в диапазоне приблизительно 11-17 процентов. При ожидаемом увеличении выхода реактора в диапазоне 7-11 процентов, предполагается, что объединенное увеличение выхода реактора и выходной эффективности составит порядка 18-28 процентов.
На фиг. 4А показаны примеры сжимаемых, уплотняемых или деформируемых профилей диска, которые могут быть реализованы в соответствии с типом процессов, обобщенных на фиг. 1. В отличие от показанной на фиг. 4В конструкции на предшествующем уровне техники, в которой традиционный плоский профиль диска создается посредством заштрихованной цилиндрической формы, диск 10 на фиг. 4А аппроксимируется вращением эллипса вокруг малой оси (смотрите также фиг. 9 и 10 с отчасти похожей формой). Альтернативные профили дисков выбираются из различных показанных профилей 11 (плоская центральная область в поперечном сечении с острыми направленными краями на периферии), 12 (плоская центральная область в поперечном сечении с тупыми направленными краями на периферии), 13 (плоская узкая центральная область в поперечном сечении с тупыми направленными краями на периферии), 14 (плоская узкая центральная область в поперечном сечении со слегка скругленными краями на периферии), 15 (дисковая или эллипсоидная форма с отчасти скругленными краями на периферии), 16 (утоньшенная дисковая или эллипсоидная форма с отчасти скругленными краями на периферии), 17 (дисковая или эллипсоидная форма с отчасти скругленными краями на периферии и центральным участком 18, который проходит в направлении вверх в ориентации, показанной на фиг. 4А, чтобы обеспечить характеристику выравнивания уложенных дисков, так чтобы множество уложенных друг на друга дисков 17 могли последовательно сцепляться друг с другом). Эти диски обычно имеют толщину 0,1-0,7 мм и, как правило, не превышают по толщине 0,75 мм.
На фиг. 5А показана упаковка дисков 10 (или, альтернативно, любая из 11-17), подготовленная для сжатия, уплотнения или деформации (смотрите этапы 122 и 124 на фиг. 1), чтобы сформовать сферический или полусферический источник 90, показанный на фиг. 5В.
Альтернативный вариант осуществления источника 90 облучения, показанного на фиг. 6, содержит иридий-191 в форме металла, сплава, компаунда, композита или пористого варианта с указанным выше оптимальным диапазоном плотности иридия в активной вставке (выбирается из 30-85 процентов, 40-70 процентов или 50-65 процентов), в котором участки 22, 24 полудисковой формы, полуэллипсоидной формы или со скругленными краями располагаются на каждом конце укладки из плоских дисков 26. Диски 26 оптимально могут иметь толщину приблизительно 0,25 мм или выше до максимум 0,5 мм, чтобы максимизировать эффективность активации и минимизировать самоэкранирование от нейтронов во время активации. Криволинейные концевые участки 22, 24 оптимально могут иметь толщину приблизительно 0,5 мм в центре или до максимум 0,75 мм в центре, чтобы максимизировать эффективность активации и минимизировать самоэкранирование от нейтронов во время активации. Это формирует цилиндр с изогнутыми (или закругленными) краями (аналогично куполообразной возоидной или шилтоидной форме).
Шилтоид, название которого придумано заявителями и как показано на фиг. 8А, формируется посредством вращения восьмиугольника вокруг его вертикальной оси. Аналогично, возоид, название которого придумано заявителями и как показано на фиг. 8В, формируется посредством вписывания восьмиугольника в окружность, сохраняя чередующиеся стенки восьмиугольника, образующие вершину, днище и вертикальные боковые стороны, в то же время сохраняя круговые участки для остальных участков, и последующего вращения результирующей формы вокруг ее вертикальной оси. Хотя геометрия, показанная на фиг. 6, является менее сферической по форме, чем предпочтительные формы, она может иметь другие преимущества. Может стать возможным выполнение традиционных дисковых облучений, используя традиционную геометрию мишени облучения.
in situ
Дополнительная альтернатива содержит использование пористого иридия, возможно, содержащего неактивируемую, низкоактивируемую или совместно активируемую спекаемую присадку или связующее вещество, такие как, но не ограничиваясь только ими, алюминий, ванадий, бор-10, кремний, фосфор, сера, углерод, бериллий, титан, никель, вольфрам или любой из их сплавов, таких как сплав DOP26 и их интерметаллические компаунды. Дополнительно, некоторые продукты, такие как платина-192 и осмий-192, могут создаваться в качестве продукта β-распада иридия-192. В зависимости от конкретных пропорций элементов или физических состояний композита, компаунда или сплава, можно добиться варьирования степенями пластичности и сцепления. Конфигурации с пониженной пластичностью могут быть хрупкими, приводя в результате к излому вследствие напряжения. Конфигурации с более высокой пластичностью могут позволить композиту, компаунду или сплаву сжиматься, уплотняться или деформироваться в желаемую форму, такую как, например, но не ограничиваясь только этим, сфера или квазисфера.
Дополнительно, при некоторых обстоятельствах измельчение с достаточным физическим воздействием может позволить иридию и таким присадкам, как алюминий или ванадий, связываться или быть связанными в сплаве (то есть, сплав формируется в промежуточных областях взаимного пересечения между частицами иридия и частицами присадок). Иридий холодного прессования с присадкой алюминия или ванадия может создавать в результате продукт с плотностью иридия меньше 100 процентов (за счет присутствия присадки и/или пористости).
in situ,
Более того, может выполняться жидкое спекание, используя жидкую присадку, такую как, но не ограничиваясь только этим, алюминий, нагретый выше его точки плавления, который может плавиться или выливаться в объем микросфер иридия, давая в результате продукт с плотностью иридия меньше 100 процентов (за счет присутствия присадки). Жидкая присадка затвердевает при пониженной температуре и удерживает на месте микросферы иридия. В некоторых вариантах осуществления микросферы или микрогранулы могут обеспечиваться в едином слое, связанном с алюминием или ванадием или другим совместимым связующим металлом низкой плотности, чтобы формировать диск 18 из связанных микросфер или микрогранул 40 низкой плотности (смотрите фиг. 7), которые могут активироваться, используя традиционные мишени для облучения дисков, укладываемых друг на друга после активации и затем сжимаемых, уплотняемых или как-либо иначе деформируемых, чтобы сформировать вставку сферического или квазисферического источника.
Дополнительные варианты осуществления содержат прессование иридия в форме наночастиц (иногда упоминаемого как "черный иридий" (iridium black)), что ведет в результате к аморфному (некристаллическому продукту с плотностью иридия в диапазоне 30-50%, но более типично около 35 процентов по сравнению с традиционным твердым иридием. Аналогично, иридий и алюминий, оба в форме наночастиц, могут смешиваться и нагреваться, чтобы получить эффект сцепления между частицами, и затем прессоваться в диск.
Куполообразный (дискообразный) диск для сплавов, компаундов или других композитов иридия, содержащих пористый иридий, может облегчить сжатие, уплотнение или деформацию в квазисферы внутри активной вставки, как показано на фиг. 4А, 5А и 5В.
В случаях, когда частично спеченный или спрессованный пористый иридий низкой плотности чрезмерно хрупок, чтобы обращаться с ним без риска излома или эрозии поверхностей, диски могут скрепляться вместе, используя мягкие пленочные металлы (такие как, но не ограничиваясь только этим, алюминий, титан или ванадий или другие обычно неактивируемые или низкоактивируемые сплавы). Другие варианты могут содержать плавление лазером, спекание или связывание поверхностей дисков, аналогично процессу лазерного гравирования цельного круга, который может уплотнять и упрочнять поверхность диска. Эти куполообразные (дискообразные) диски могут в дальнейшем спрессовываться, сжиматься или деформироваться в сферические или квазисферические формы для использования в активной вставке, как показано на фиг. 5А и 5В.
Дополнительные варианты осуществления иридия пониженной плотности могут быть получены посредством технологии трехмерной печати, используя резервуар или ложе для порошка иридия, сплава иридия, композитных частиц и/или связующего вещества. Такой процесс может дополнительно содержать последующее выжигание связующего вещества.
Таким образом, несколько вышеупомянутых задач и преимуществ достигаются наиболее эффективным образом. Хотя здесь были подробно раскрыты и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение никоим образом этим не ограничивается.