一种医用核素生产的高功率固体靶的制作方法

1.本发明属于强流质子回旋加速器应用技术领域，具体涉及一种中能质子束生产医用核素的高功率固体靶。


背景技术：

2.利用中能质子束生产的短寿命放射性核素在影像学(如：sr-82，as-72)，α发射体核素(如：ac-225)和诊疗一体化(如：cu-67)等。放射性核素在在肿瘤特异性显像，pet免疫显像，心肌显像等影像学上有广阔前景。与目前常用的β放射性核素治疗相比，α放射性核素产生的α射线能量高射程短，具有极强的辐射生物学效应、治疗精准且辐射防护交容易，同时，α射线引起的dna断裂不可修复，可有效地杀死病灶部位的肿瘤细胞以及缺氧条件下的癌细胞，使得，近年来α靶向药物研究取得了快速进展。另外，固体靶生产的核素在肿瘤诊疗一体化发展、新型靶向与免疫治疗疗效评估等方面发挥了越来越广泛而重要的作用。
3.固体靶生产上述核素部件，具有接受束流产生核反应、冷却靶片、吸收垃圾束流能量等作用。中高能回旋加速器的医用核素辐照靶站，要求固体靶的接收束流功率高、可适应多种不同高功率束流能量的需求。
4.按照现有结构制作固定靶温度超高，温度超高的原因是高功率束流能量比较高、束流能量高则温度高、温度高导致水槽的水容易汽化，汽化区域水槽温度进一步升高，同时压力升高，在温度和压力的共同作用下损坏固体靶靶。
5.解决固定靶温度超高的难点在于：靶片由锗或钍制作(束流打在锗或钍上发生反映，分别用于产生同位素as-72和锕-225)，锗或钍的导热系数很低，虽然靶片下方有夹层，夹层为铜、且导热效果很好，并且铜片下表面还紧贴冷水槽，但由于锗或钍的导热系数很低，仍然不能通过铜或水将束流产生的热量带走。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术存在的问题，提出一种医用核素生产的高功率固体靶，目的在于解决现有技术固体靶温度超高，温度超高导致水槽的水容易汽化，汽化后产生压力，压力超过限度则将靶涨破的问题。
7.本发明为解决现有技术存在的问题采用以下技术方案。
8.一种医用核素生产的高功率固体靶，该固体靶的上表面布设有靶片、该靶片用于接收质子束流、并发生核反应产生核元素；靶片的下方设有一排梳状的水槽，该梳状的水槽用于束流穿过靶片后进入水槽将热量带走；所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角；
9.其特点是：
10.在靶片和水槽之间设有能量沉积层，该能量沉积层用于选择束流通过的能量、以及用于水槽和靶片之间的密封；该能量沉积层包括单一材料靶片的能量沉积层，该单一材料靶片的能量沉积层包括生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层；或者该能量
沉积层包括复合材料靶片的能量沉积层，该复合材料靶片的能量沉积层包括生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层；复合层的每一层对应选择通过的束流能量；
11.所述生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为钍，用于能量范围在100mev-60mev之间的质子束流与钍元素的核反应；第二层为铜，用于能量范围在60mev-45mev之间的束流的能量沉积与热传导；第三层为水和铜，用于能量范围在45mev—0mev之间的束流能量沉积和热传导。
12.所述第一层的厚度为1.15毫米,1.15＝8.3*sinθ，其中，1.15为厚度，8.3为射程，θ＝8
°
；所述第二层的厚度为0.3毫米，0.3＝2.14*sinθ：所述第三层的厚度为3.75毫米,3.75＝7*sinθ。
13.所述梳状的水槽，设有用于存水的齿槽、以及用于间隔相临齿槽的齿；其齿槽的宽度尽量大于齿的宽度；其每个齿槽的宽度与高度比约1:7；每个齿的宽度为0.4-4毫米；每个齿槽的宽度为0.8-2毫米，共20个冷却水沟槽。
14.所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角，该夹角在设计阶段随质子功率增加而减小，当设计定型后，角度不再变化，当束流能量为20000瓦时，选取的角度θ为8
°
。
15.所述生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为铜，用于能量范围在70mev-37mev之间的束流的能量沉积与热传导；第二层为锗，用于能量范围在37mev-27mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第三层为铜；用于能量范围在27mev-18mev之间的束流的能量沉积与热传导；第四层为锗，用于能量范围在18mev-5mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第五层为铜；用于能量范围在5mev—0mev之间的束流的能量沉积与热传导，该层铜之后为水槽。
16.所述第一层的厚度为0.65毫米，射程：4.71mm：所述第二层的厚度为0.22毫米，射程：1.64mm：所述第三层的厚度为0.1毫米，射程0.7mm：所述第四层的厚度为0.14毫米，射程1mm：所述第五层的厚度为2mm，其中0.07mm用于束流能量沉积。
17.本发明的优点效果
18.1、本发明克服了传统的偏见，改造了靶片的结构、以及夹层的结构，将传统的单层靶片和夹层，改造为复合层的靶片和复合层的夹层，由此使得核反应截面低的区域导热性能增强，同时，由于夹层(铜)的厚度由2-4厘米改进为0.3到3毫米，厚度远远小于束流在铜中的射程，使得核反应截面低的区域的束流能够穿过铜片进入水槽将热量快速带走。
19.2、本发明改进了固体靶的齿槽和齿的宽度比例，由1：1改进为2：1，使得进入水槽的束流面积增大了二分之一，由此进一步增强了固体靶的散热效果。
20.3、通过改进结构，固体靶所能承受的束流功率从几个千瓦提高到20kw，提高了放射性核素的产额。
附图说明
21.图1为靶结构示意图；
22.图2-1 232th(p,x)225ac核反应截面图；
23.图2-2natge(p,x)72as核反应截面图；
24.图3-1能量沉积层示意图一；
25.图3-2能量沉积层示意图二；
26.图4靶槽尺寸示意图；
27.图中，1：靶片；2：能量沉积层；3：靶托；4：齿槽(存水)；5：齿
具体实施方式
28.本发明设计原理
29.1、现有靶体结构温度超高的原因：第一、束流直接打在靶片上，靶片用锗或者钍制作，由于锗或者钍的热传导系数很低，致使靶片的热量传导不出去；第二、靶片和水槽之间的夹层铜的厚度为2-4厘米，束流在铜中的射程为1.3厘米，超过了这个厚度就不能穿透了，因此，现有技术虽然在夹层下面设置了水槽，但由于夹层已将束流截住，使得束流不能穿透夹层进入水槽中。
30.2、本发明的改进：第一、根据核反应横截面区域的大小，划分为高产额区域和低产额区域，如图2-1所示，按照加速器最高100mv分析，低产额区域从60mev到0mev，低产额区域大约占55％，如图2-2所示，按照加速器最高100mv分析，低产额区域从70mev-37mev、27mev-18mev、5mev—0mev，低产额区域大约占67％；第二、放弃低产额区域的产量、将低产额区域作为高散热区：将低产额区域的束流打在铜上而不是打在锗或者钍上，束流打在铜上虽然产额为零，但是由于铜的导热系数远远高于锗或者钍的导热系数，有利于67％的低产额区域的散热。第三，降低铜片的厚度。低产额区域的铜的厚度为0.1—3毫米，由于本发明束流在铜中的射程为13毫米，因此束流能够穿过铜进入水槽中。第四、水槽的改进。现有技术靶内水槽的齿槽(存水)和齿(金属)的比例约为1:1，本发明改进为齿槽(存水)和齿(金属)的比例为2:1，如图2-1所示，高产额区域占45％，如果是1:1的齿槽和齿的比例，则有22.5％的束流进入水槽的水中，另外22.5％的束流打在水槽的金属上，如果是2:1的齿槽和齿的比例，则进入水中的束流加大一半，热量带走的速度也提高1.5倍。第五、兼顾产量和散热二者的平衡。划分高产额和低产额区域的目的是提高产额。不能为了单纯的散热而将0产额区域划分太大，0产额区域太大则缩小了高产额区域，高产额区域缩小，尽管提高了高产额区域束流的功率，但提高功率所增加的产额抵不上缩小区域带来的产额损失。因此，要在总的产额提高的前提下划分高产额区域核低产额区域。
31.基于以上原理，本发明设计了一种医用核素生产的高功率固体靶。
32.一种医用核素生产的高功率固体靶如图1所示，该固体靶的上表面布设有靶片1、该靶片1用于接收质子束流、并发生核反应产生核元素；靶片的下方设有一排梳状的水槽，该梳状的水槽用于束流穿过靶片后进入水槽将热量带走；所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角；
33.其特征在于：
34.在靶片和水槽之间设有能量沉积层2，该能量沉积层2用于选择束流通过的能量、以及用于水槽和靶片1之间的密封；该能量沉积层2包括单一材料靶片的能量沉积层，该单一材料靶片的能量沉积层包括生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层；或者该能量沉积层包括复合材料靶片的能量沉积层，该复合材料靶片的能量沉积层包括生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层；复合层的每一层对应选择通过的束流能量；
35.如图2-1、3-1所示，所述生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为钍，用于能量范围在100mev-60mev之间的质子束流与钍元素的核
反应；第二层为铜，用于能量范围在60mev-45mev之间的束流的能量沉积与热传导；第三层为水和铜，用于能量范围在45mev—0mev之间的束流能量沉积和热传导。
36.所述第一层的厚度为1.15毫米,1.15＝8.3*sinθ，其中，1.15为厚度，8.3为射程，θ＝8
°
；所述第二层的厚度为0.3毫米，0.3＝2.14*sinθ：所述第三层的厚度为3.75毫米,3.75＝7*sinθ。
37.所述梳状的水槽如图1、图4所示，设有用于存水的齿槽4、以及用于间隔相临齿槽的齿5；其齿槽4的宽度尽量大于齿5的宽度；其每个齿槽4的宽度与高度比约1:7；每个齿5的宽度为0.4-4毫米；每个齿槽4的宽度为0.8-2毫米，共20个冷却水沟槽。
38.所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角，该夹角在设计阶段随质子功率增加而减小，当设计定型后，角度不再变化，当束流能量为20000瓦时，选取的角度θ为8
°
。
39.如图2-2、3-2所示，所述生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为铜，用于能量范围在70mev-37mev之间的束流的能量沉积与热传导；第二层为锗，用于能量范围在37mev-27mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第三层为铜；用于能量范围在27mev-18mev之间的束流的能量沉积与热传导；第四层为锗，用于能量范围在18mev-5mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第五层为铜；用于能量范围在5mev—0mev之间的束流的能量沉积与热传导，该层铜之后为水槽。
40.所述第一层的厚度为0.65毫米，射程：4.71mm：所述第二层的厚度为0.22毫米，射程：1.64mm：所述第三层的厚度为0.1毫米，射程0.7mm：所述第四层的厚度为0.14毫米，射程1mm：所述第五层的厚度为2mm，其中0.07mm用于束流能量沉积。
41.实施例一
42.以生产ac-225核素为例
43.确定靶材料及尺寸
44.对于100mev强流质子回旋加速器目前可产生70-100mev的中能质子束，根据核反应
232
th(p,x)
225
ac截面图，40-100mev质子束均能产生ac-225，为提高ac-225产额，能量能量范围可选择为60
‑‑
100mev，束流能量降低到60mev以后，核反应
232
th(p,x)
225
ac的反应截面减小，产额降低。因此，综合考虑靶的成本，当束流在th材料中传递一定距离l后，束流剩余的垃圾能量沉积到夹层、靶托和冷却水中。
45.假设质子束的横截面为圆形，靶和质子束方向存在一定的夹角，该夹角随质子束功率增加而减小，目前选取的角度θ为8
°
。
46.热源方程q＝k1*k2*qmax/2/(pi*σ2)*exp(-r2/(2*σ2))；
47.k1、k2为束流与靶面等效倾斜角正弦值；
48.qmax为束流总功率；
49.pi为圆周率；
50.r2＝(x*k1)2+(y*k2)251.σ为高斯分布束流的标准差；
52.质子在靶材上的能量传递距离l，靶材厚度d和倾角角度θ之间的关系：d＝l*sin(θ)
53.图2-1
232
th(p,x)
225
ac核反应截面图
54.确定靶托、冷却通道的材料及尺寸
55.低于60mev的质子能量进入靶托和冷却水中。以铜为靶托材料、水为冷却液为例，更改冷却水槽的宽度和高度等参数，可以改变沉积在水和cu中的能量比例，以达到最终沉积在钍中的质子束能量尽可能多，且靶托和靶片壁面温度不会损坏固体靶。目前靶体结构的能量阻挡性能可达到20kw，有效提高医用放射性核素的产额。冷却水槽的宽度与高度比约1:7，冷却水槽宽度与靶翅片宽度比约2:1，共约20个冷却水沟槽。
56.生产多种核素的固体靶
57.如靶结构示意图中固体靶可用于多种放射性核素生产。对于金属钍，采用电镀工艺将钍材料均匀镀在铜夹层上，由铜夹层与靶托组成冷却流道，组合成生产ac-225的固体靶。如需生产sr-82的核反应为
85
rb(p,4n)
82
sr，此时常用rbcl作为核反应物质，rbcl为粉末状材料，首先将粉末rbcl压制形成片状结构，再通过焊接，将rbcl片焊接到不锈钢壳体中，再与靶托组成冷却流道，实现固体靶的组装。更换靶片即可实现不同同位素的生产。
58.由于所用束流参数基本相同，以上所述的两种靶片可用同一靶托，实现靶托和靶片结构的标准化。
59.需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种医用核素生产的高功率固体靶，该固体靶的上表面布设有靶片、该靶片用于接收质子束流、并发生核反应产生核元素；靶片的下方设有一排梳状的水槽，该梳状的水槽用于束流穿过靶片后进入水槽将热量带走；所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角；其特征在于：在靶片和水槽之间设有能量沉积层，该能量沉积层用于选择束流通过的能量、以及用于水槽和靶片之间的密封；该能量沉积层包括单一材料靶片的能量沉积层，该单一材料靶片的能量沉积层包括生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层；或者该能量沉积层包括复合材料靶片的能量沉积层，该复合材料靶片的能量沉积层包括生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层；复合层的每一层对应选择通过的束流能量。2.根据权利要求1所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述生产医用核素锕-225的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为钍，用于能量范围在100mev-60mev之间的质子束流与钍元素的核反应；第二层为铜，用于能量范围在60mev-45mev之间的束流的能量沉积与热传导；第三层为水和铜，用于能量范围在45mev—0mev之间的束流能量沉积和热传导。3.根据权利要求1所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述第一层的厚度为1.15毫米,1.15＝8.3*sinθ，其中，1.15为厚度，8.3为射程，θ＝8
°
；所述第二层的厚度为0.3毫米，0.3＝2.14*sinθ：所述第三层的厚度为3.75毫米,3.75＝7*sinθ。4.根据权利要求1所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述梳状的水槽，设有用于存水的齿槽、以及用于间隔相临齿槽的齿；其齿槽的宽度尽量大于齿的宽度；其每个齿槽的宽度与高度比约1:7；每个齿的宽度为0.4-4毫米；每个齿槽的宽度为0.8-2毫米，共20个冷却水沟槽。5.根据权利要求1所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角，该夹角在设计阶段随质子功率增加而减小，当设计定型后，角度不再变化，当束流能量为20000瓦时，选取的角度θ为8
°
。6.根据权利要求1所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述生产砷-72医用核素的高功率固体靶的能量沉积层从上至下的顺序为：第一层为铜，用于能量范围在70mev-37mev之间的束流的能量沉积与热传导；第二层为锗，用于能量范围在37mev-27mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第三层为铜；用于能量范围在27mev-18mev之间的束流的能量沉积与热传导；第四层为锗，用于能量范围在18mev-5mev之间的质子束流与锗元素的核反应；第五层为铜；用于能量范围在5mev—0mev之间的束流的能量沉积与热传导，该层铜之后为水槽。7.根据权利要求6所述的一种医用核素生产的高功率固体靶，其特征在于：所述第一层的厚度为0.65毫米，射程：4.71mm：所述第二层的厚度为0.22毫米，射程：1.64mm：所述第三层的厚度为0.1毫米，射程0.7mm：所述第四层的厚度为0.14毫米，射程1mm：所述第五层的厚度为2mm，其中0.07mm用于束流能量沉积。

技术总结
本发明公开了一种医用核素生产的高功率固体靶，该固体靶的上表面布设有靶片、该靶片用于接收质子束流、并发生核反应产生核元素；靶片的下方设有一排梳状的水槽，该梳状的水槽用于束流穿过靶片后进入水槽将热量带走；所述质子束流方向与靶片存在一个设定的夹角；在靶片和水槽之间设有能量沉积层，该能量沉积层用于选择束流通过的能量、以及用于水槽和靶片之间的密封；本发明将固体靶的齿槽和齿的宽度比例，由1：1改进为2：1，使得进入水槽的束流面积增大了二分之一；将传统的单层靶片和夹层，改造为复合层的靶片和复合层的夹层，使得核反应截面低的区域导热性能增强，固体靶所能承受的束流功率从几个千瓦提高到20kW，提高了放射性核素的产额。核素的产额。核素的产额。


技术研发人员：刘景源 张天爵 王雷
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25