ИРИДИЕВЫЙ ИСТОЧНИК НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
LOW DENSITY IRIDIUM SOURCE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Эта заявка PCT испрашивает приоритет заявки на патент США с порядковым № 16/444,371, поданной 18 июня 2019 года, которая испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США с порядковым № 62/686,748, поданной 19 июня 2018 года, полное содержание которых включено сюда по ссылке для всех целей.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Настоящее раскрытие относится к усовершенствованиям в источнике гамма-излучения (включая радиологические и радиографические источники), обычно содержащем обладающие низкой плотностью сплавы или соединения или композиты иридия в механически деформируемых и сжимаемых конфигурациях, для использования в герметизированной оболочке, и к способам его производства.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0003] Усовершенствования в иридиевых источниках были описаны в PCT/US2017/033508 под названием «Low Density Spherical Iridium»; PCT/US2017/050425 под названием «Low Density Porous Iridium»; и PCT/US2015/029806 под названием «Device and Method for Enhanced Iridium Gamma Irradiation Sources». Раскрытия этих заявок полностью соответствуют их назначениям. Однако ведется поиск дальнейших улучшений и усовершенствований.
ЦЕЛИ И СУЩНОСТЬ РАСКРЫТИЯ
[0004] Таким образом, целью этой заявки является обеспечение улучшений и усовершенствований вышеупомянутого уровня техники.
[0005] Цели этого раскрытия включают в себя:
[0006] 1. Разработку деформируемого и/или сжимаемого иридиевого сплава низкой плотности, содержащего 30-85% (объемных процентов) иридия, предпочтительно в диапазоне 30-70%, более предпочтительно в диапазоне 40-60%.
[0007] 2. Легирующие компоненты идеально или обычно не должны излучать с образованием других радионуклидов, которые генерируют мешающие гамма-лучи.
[0008] 3. Легирующие компоненты идеально или обычно не должны иметь избыточно высокую плотность или большое сечение активации нейтронами, что могло бы уменьшить выход активации или уменьшить выход иридия-192 в выпускаемых источниках.
[0009] 4. Легирующие компоненты идеально или обычно должны образовывать сплав, который является технологичным в том, что этот сплав должен быть достаточно пластичным/деформируемым/сжимаемым, в то время как чистый иридий и большинство его сплавов являются хрупкими и нетехнологичными; сплав идеально или обычно должен предпочтительно иметь меньшую температуру плавления, чем у чистого иридия (была бы желательна температура плавления, меньшая 2000 градусов Цельсия, для уменьшения затрат на обработку и упрощения термических технологий); и сплав идеально или обычно должен быть практически физико-химически инертным (т.е. он не должен окисляться/корродировать/разлагаться в условиях производства или применения).
1
2
1
1
2
2
2
2
11
[00010] Общий класс соединений, которые прогнозируются имеющими пригодные механические и плотностные свойства, называют структурами Гейслера L2. Конкретнее, они содержат IrMN, где М и N представляют собой два разных металла. IrMnAl описан выше. IrCrAl является потенциальной альтернативой. Могут быть другие, например, IrAl и IrAlB.
1
1
2
2-(x+y)
x
y
[00011] Что касается соединений и структур Гейслера L2, то необходимо учитывать ряд соединений и структур. Известно, что после облучения такого соединения Гейслера L2, как IrMnAl, оно может превратиться в IrPtOsMnAl, где «x+y» является той долей иридия, которая превращается в платину и осмий. В зависимости от нейтронного потока, обогащения, времени облучения и времени распада (выгорания/превращения) при облучении обычным является приблизительно 10-20% преобразование. Иридий-191 (37,3% в природном иридии, приблизительно 80% в обогащенном иридии) активируется до иридия-192, из которого приблизительно 95% распадается до платины-192, а 5% распадается до осмия-192 в течение срока службы источника. Иридий-193 (62,7% в природном иридии, ~20% в обогащенном иридии) активируется до иридия-194, который весь распадается до платины-194 в реакторе. В общем, облученный диск может содержать около 5-20% платины и 0,25-1% осмия после активации, в зависимости от потока, времени и обогащения. Желательно, чтобы именно сплав после облучения был пластичным, деформируемым или сжимаемым. Добавление платины к иридию, вероятно, увеличит пластичность.
1,8
0,2
1,6
0,4
3
0,25
0,75
[00012] Даже если диски из необлученного сплава не имеют оптимальных механических свойств для производства источников, облученные диски могут иметь такие свойства. Четырехкомпонентные сплавы, которые содержат малые количества других ингредиентов, таких как платина или осмий, но без ограничения ими, или других целевых добавок, введенных до облучения (таких как хром, но без ограничения им), могут улучшить физико-химические и механические свойства без отрицательного влияния на активацию. Трехкомпонентные и четырехкомпонентные сплавы синтезируются с учетом превращения 10-20 атомных % иридия в его дочерние ядра платины и осмия в ядерном реакторе. Характерные в этом отношении сплавы включают IrPtMnAl и IrPtMnAl, также включающие в себя очень малый процент осмия. Дополнительным характерным сплавом является IrZrV.
89
90
90
x
y
0,9
0,1
0,8
0,2
[00013] Подобным образом, иттрий, сплавленный с иридием, имеет увеличенную пластичность. Стабильный, природный иттрий активируется с очень малым сечением с образованием очень малого количества радиоактивного иттрия, чистого бета-излучателя с периодом полураспада 64 часа. Поэтому он является приемлемым металлом для совместного с иридием облучения. Он не создает длительно мешающие гамма-лучи. Кроме того, Y распадается до стабильного циркония. Поэтому иттрий является одной из предпочтительных легирующих добавок. Наиболее вероятный состав – IrY (т.е. сплав 50/50 атомных процентов), но другие соотношения IrY могут также иметь увеличенную пластичность. Дополнительные характерные сплавы включают IrY, IrPtY и IrPtY.
2
3
3
[00014] Плотность IrMnAl по сообщениям или вычислениям составляет 13,89 г/см против 22,56 г/см у чистого иридия (т.е. 61,5%). Дополнительные исследования могут подтвердить или уточнить это число. Это немного больше, чем оптимальное значение для многих применений, и, таким образом, этот сплав может быть использован для пористых или трехмерных (3-D) печатных форм, которые содержат пустые пространства, так что результирующая плотность может быть уменьшена до оптимального диапазона 30-85% (предпочтительно в диапазоне 30-70%, более предпочтительно 40-60%), как показано на различных фигурах этой заявки. Также предполагается, что эти соединения могут иметь антиферромагнитные свойства.
2
[00015] Эти сплавы могут быть образованы смешиванием порошкообразных элементов в молярных пропорциях, например, Ir+Mn+Al, и нагреванием, например, посредством дуговой плавки или использования высокотемпературной вакуумной печи. В качестве варианта этого базового способа, при некоторых обстоятельствах предполагается, что предпочтительно сначала создать предварительный сплав Mn+Al и затем смешать/обработать его с чистым иридием. MnAl плавится при температуре приблизительно 1500 градусов Цельсия.
7
3
[00016] Другие подходы могут включать в себя предварительное сплавление иридия и алюминия и затем добавление Mn или Mn+Al позже. Сообщают, что сплав состава AlIr (т.е. 30 мол.% иридия) имеет эвтектику при температуре приблизительно 1930 градусов Кельвина (1657 градусов Цельсия).
(1−x)
x
7
11
7
3
14
7
7
2
[00017] Сошлемся на статью «Antiferromagnetism in γ-Phase Mn-Ir Alloys», опубликованную в Journal of the Physical Society of Japan в 1974 году, стр. 445-450 (Online ISSN: 1347-4073, Print ISSN 0031-9015). Эта статья указывает на то, что существуют антиферромагнитные неупорядоченные γ-фазные сплавы MnIr (0,05<x<0,35). Предполагается, что смешивание сплава Ir+Mn в этом диапазоне составов, например, порошка или гранул MnIr, с порошком или гранулами AlIr в эквимолекулярных пропорциях, с последующей термической обработкой (посредством дуговой плавки или печи), дадут сплав с составом IrMnAl (=IrMnAl).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00018] Дополнительные цели и преимущества настоящего раскрытия станут понятны из нижеследующего описания и сопутствующих чертежей, на которых:
[00019] Фиг. 1 является перспективным изображением варианта осуществления деформируемого и сжимаемого диска с использованием деформируемого сжимаемого иридиевого сплава по настоящему раскрытию.
[00020] Фиг. 2 является видом сбоку сжимаемого диска по фиг. 1.
[00021] Фиг. 3 является перспективным изображением сжимаемого диска по фиг. 1.
[00022] Фиг. 4 является видом сбоку сжимаемого диска по фиг. 1, после сжатия, в герметизированной оболочке.
[00023] Фиг. 5А и 5В являются видом спереди и видом сбоку дополнительного варианта осуществления сжимаемого диска по настоящему раскрытию.
[00024] Фиг. 6А-6Е являются видами спереди вариантов осуществления настоящего раскрытия в виде лопастей вентилятора.
[00025] Фиг. 7A-7H показывают дополнительные варианты осуществления сжимаемых дисков по настоящему раскрытию.
[00026] Фиг. 8A-8G показывают другие дополнительные варианты осуществления сжимаемых дисков по настоящему раскрытию.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
2
[00027] В соответствии с вышеупомянутым, сплав IrMnAl образует один вариант осуществления источника гамма-излучения по настоящему раскрытию (включая радиологические и радиографические источники). Он считается имеющим пластичные свойства, подобные стали. Дополнительно, не ожидается, что марганец и алюминий будут генерировать мешающие гамма-лучи после активации посредством облучения нейтронами. В этом сплаве могут также находиться платина, осмий, хром или их смеси.
2
[00028] Ожидается, что этот сплав или подобные сплавы (например, с тройными добавками других, неактивирующихся элементов) имеют пригодные механические свойства для изготовления деформируемых/сжимаемых источников излучения. Хотя добавление марганца немного увеличивает плотность относительно иридия плюс алюминий или иридия плюс алюминий плюс бор-11, ожидается, что металлургические свойства IrMnAl могут обеспечить значительные преимущества при обработке.
[00029] Сплавы иридия-марганца-меди также применимы в настоящем раскрытии. Ожидается, что эти сплавы пластичны и имеют температуру плавления, значительно меньшую 2000 градусов Цельсия и потенциально составляющую вплоть до 1300 градусов Цельсия в зависимости от состава сплава после облучения. Эти сплавы описаны в патенте США № 4406693 под названием «Method for Refining Contaminated Iridium», выданном 27 сентября 1983 года. Однако ожидается, что алюминий будет предпочтительнее меди в качестве третьего элемента сплава в большинстве применений.
[00030] Иттрий, сплавляемый с индием, также является релевантным для настоящего раскрытия материалом.
[00031] Кроме того, уменьшенной плотности можно добиться в некоторых вариантах осуществления посредством использования пористых, микропористых или макропористых (т.е. пенометалла) форм выбранного сплава.
[00032] Все источники излучения обычно выполнены с возможностью вставляться в герметизированную оболочку.
[00033] Обращаясь теперь к фиг. 1-4, можно увидеть иллюстрации одного варианта осуществления деформируемой/сжимаемой несплошной формы источника 100 гамма-излучения (который может быть радиологическим или радиографическим источником), который может быть изготовлен с использованием деформируемого/сжимаемого иридиевого сплава. Источник 100 гамма-излучения может быть изготовлен посредством трехмерной печати, но не ограничен этим. Дополнительно, источник 100 гамма-излучения, а также все раскрытые здесь варианты осуществления реализованы в герметизированной оболочке. Источник 100 гамма-излучения по фигурам 1-4 включает в себя центральные кольцо или диск 102 вместе с верхним и нижним кольцами или дисками 104, 106 несколько меньшего диаметра. Кольца 102, 104, 106, в общем, имеют общую ось 108 вращения, как показано на фиг. 2-4, и, в общем, параллельны друг другу в несжатой или равномерно сжатой конфигурации. Верхнее кольцо 104 расположено выше центрального кольца 102 посредством плеч 110, 112, 114, спирально закручивающихся наружу от внешней окружной поверхности верхнего кольца 104 к внутренней окружной поверхности центрального кольца 102. Подобным образом, нижнее кольцо 106 расположено ниже центрального кольца 102 посредством плеч 120, 122, 124, спирально закручивающихся наружу от внешней окружной поверхности нижнего кольца 106 к внутренней окружной поверхности центрального кольца 102. Упругость и гибкость спирально закручивающихся плеч 110, 112, 114, 120, 122, 124 позволяет силам, в общем параллельным оси 108 вращения, сжимать источник 100 гамма-излучения из конфигурации, показанной на фиг. 1 и 2, в конфигурацию, показанную на фиг. 4. Кроме того, в сжатой конфигурации по фиг. 4 источник 100 гамма-излучения герметизирован внутри оболочки 117. Специалистам в данной области техники будет понятно, что для разных применений могут быть использованы разные формы и конфигурации оболочки и что могут быть использованы формы, отличные от формы показанной оболочки.
[00034] Фигуры 5А и 5В показывают вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, в котором концентрические компланарные кольца 125, 126, 127, 128, 129 из деформируемого/сжимаемого иридиевого сплава расположены вокруг центра 123, с радиальными структурными спицевыми сегментами 131, проходящими от центра 123 до самого внутреннего кольца 125, а затем между последовательно или поочередно концентрически смежными кольцами 125, 126; 126, 127; 127, 128; и 128, 129. Фиг. 5В показывает удлиненную форму вида сбоку источника 100 гамма-излучения. Результирующая конфигурация может быть свернутой и/или сжатой в разных формах для достижения увеличенной средней плотности. Этот источник 100 гамма-излучения, выполнен из деформируемого/сжимаемого иридиевого сплава, может быть изготовлен посредством трехмерной печати и герметизирован внутри оболочки (см. фиг. 4, элемент 117).
[00035] Фиг. 6A-6E показывают варианты осуществления источника 100 гамма-излучения, которые включают в себя ступичную область 130 в виде центрального цилиндрического вала с осью 134 вращения в центре и с проходящими от нее радиальными выступами 132 в виде пропеллера (винтового типа). Дополнительно, фиг. 6Е включает в себя внешнее круглое кольцо 136, соединяющее дистальные концы радиальных выступов 132 в виде пропеллера. Эти радиальные выступы 132 в виде пропеллера, в показанных несжатых состояниях, ориентированы под углом, аналогичным углу наклона лопасти или углу лопасти обычного пропеллера (винта). В то время как в разных применениях могут использоваться разные углы, типичный угол наклона или установки лопастей пропеллера может находиться в диапазоне от 30 до 60 градусов. Однако, в результате действия сил сжатия, в общем параллельных оси 134 вращения, угол установки радиальных выступов 132 в виде пропеллера уменьшается, так что угол между планарной поверхностью ступичной области 130 в виде центрального цилиндрического вала и радиальными выступами 132 в виде пропеллера уменьшается настолько, что радиальные выступы 132 в виде пропеллера приближаются к планарной конфигурации со ступичной областью 130 в виде центрального цилиндрического вала. Это уменьшает объем, который, в общем, окружает источник 100 гамма-излучения, тем самым увеличивая среднюю плотность в этом объеме. Эти источники 100 гамма-излучения выполнены из деформируемого/сжимаемого иридиевого сплава, могут быть изготовлены посредством трехмерной печати и герметизированы внутри оболочки (см. фиг. 4, элемент 117).
[00036] Фиг. 7A-7F показывают спиральные конфигурации источника 100 гамма-излучения, содержащие стержень, трубку или другую протяженную конфигурацию 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала. Стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 имеет первый конец 202 и второй конец 204. В спиральной конфигурации первый конец 202 размещается во внутреннем местоположении в спирали, а второй конец 204 – во внешнем местоположении в спирали. Спиральная конфигурация, вместе со свойством деформируемости и, возможно, упругости стержня, трубки или другой протяженной конфигурации 200, позволяет уплотнять спираль так, чтобы она занимала меньший объем и поэтому имела более высокую среднюю плотность. Во многих применениях эти формы адаптируемы к трехмерной печати.
[00037] Фиг. 7G показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, в котором стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала постепенно петлеобразно изогнута и размещена во все более отдаляющихся радиальных местоположениях, в пределах каждого из четырех квадрантов 230, 232, 234, 236. Как показано на фиг. 7G, перемежающиеся петли могут проходить между двумя смежными квадрантами. Результирующая структура может быть растянута или сжата в плоскости источника 100 гамма-излучения или отогнута на саму себя для изменения средней плотности источника 100 гамма-излучения. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00038] Фиг. 7Н показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, в котором стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала свернута в трехмерной спиральной форме так, чтобы образовалась квазисферическая форма, при которой стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 покрывает первую часть квазисферической формы, а вторая часть квазисферической формы оставлена открытой, причем концы 202, 204 находятся, в общем, на противоположных полюсах квазисферической формы. Результирующая трехмерная спиральная форма источника 100 гамма-излучения может быть скручена или иным образом сжата в конфигурацию с увеличенной средней плотностью. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00039] Фиг. 8A-8G показывают дополнительные варианты осуществления источника 100 гамма-излучения по настоящему раскрытию. Фиг. 8А показывает, как стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала может быть свернута или петлеобразно изогнута в одной плоскости. Этот источник 100 гамма-излучения может быть скручен или сжат в конфигурацию с увеличенной средней плотностью. Во многих применениях эта форма адаптирована к трехмерной печати.
[00040] Фиг. 8В показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, подобного источнику 100 гамма-излучения на фиг. 7Н. Стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала свернута в трехмерной спиральной форме так, чтобы образовалась квазиэллипсоидальная форма, при которой стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 покрывает первую часть квазиэллипсоидальной формы, а вторая часть квазиэллипсоидальной формы оставлена открытой, причем концы 202, 204 находятся, в общем, на противоположных полюсах квазиэллипсоидальной формы. Результирующая трехмерная спиральная форма источника 100 гамма-излучения может быть скручена или иным образом сжата в конфигурацию с увеличенной средней плотностью. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00041] Фиг. 8С показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, в котором лентообразная конфигурация 300 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала свернута в трехмерной форме пули или носового обтекателя. Эта форма может быть сжата вниз для образования плотно свернутой спиральной конфигурации с увеличенной средней плотностью. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00042] Фиг. 8D показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, подобного источнику 100 гамма-излучения по фигурам 1-4. На фиг. 8D относительно большее кольцо 102 обеспечено вместе с относительно меньшим кольцом 104 в верхнем положении. Кольца 102, 104, в общем, имеют общую ось 108 вращения. Кольцо 104 расположено выше кольца 102 посредством плеч 110, 112, 114, спирально закручивающихся наружу от внешней окружной поверхности кольца 104 к внутренней окружной поверхности кольца 102. Упругость и гибкость плеч 110, 112, 114 позволяют силам, в общем параллельным оси вращения, сжимать источник 100 гамма-излучения. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00043] Фиг. 8Е показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, который включает в себя последовательность смыкающихся втулок 401-409, которые со скольжением взаимодействуют со смежными изнутри или снаружи смыкающимися втулками, входя друг в друга и выходя друг из друга. Смыкающиеся втулки 401-409, которые образованы из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала, могут быть также реализованы в виде спиральной конфигурации единственного листа материала. Спиральная проволочная конфигурация 410 из аналогичного материала вставлена в пределах внутреннего диаметра смыкающейся втулки 409. Этот источник 100 гамма-излучения может быть сжат до уменьшенного объема, что приводит в результате к более высокой средней плотности. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00044] Фиг. 8F показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, который в некоторой степени подобен источнику 100 гамма-излучения по фигурам 7H и 8B тем, что стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала свернута в трехмерной спиральной форме так, чтобы образовалась квазиконическая форма (с открытым круглым основанием), при которой стержень, трубка или другая протяженная конфигурация 200 покрывает первую часть стенок квазиконической формы, а вторая часть стенок квазиконической формы оставлена открытой. Результирующая трехмерная спиральная квазиконическая форма источника 100 гамма-излучения может быть скручена или иным образом сжата в конфигурацию с увеличенной средней плотностью. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00045] Фиг. 8G показывает вариант осуществления источника 100 гамма-излучения, в котором два смежных диска 420, 422, каждый из которых включает в себя первый и второй стержни, первую и вторую трубки или другие протяженные конфигурации 201, 203 из деформируемого иридиевого сплава или аналогичного материала, свернуты в концентрическую спиральную структуру. В показанной конфигурации первый и второй стержни 201, 203 свернуты в конфигурацию по часовой стрелке в первом диске 420 и против часовой стрелки во втором диске 422. Диски 420, 422 могут быть изменены друг относительно друга, изогнуты или иным образом сжаты для изменения их средней плотности. Во многих применениях эта форма адаптируема к трехмерной печати.
[00046] Таким образом, некоторые вышеупомянутые цели и преимущества достигаются наиболее эффективно. Хотя здесь были раскрыты и подробно описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение никоим образом ими не ограничено.