ЦИКЛОТРОН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ Российский патент 1996 года по МПК H05H13/00 H05H13/02 

Изобретение относится к ускорительной технике, преимущественно к циклотронам, и может быть использовано при сооружении новых или при реконструкции существующих устройств для производства радиоактивных газов.

В настоящее время существует большой интерес к производству на циклотронах радиоактивных газов типа углерод -11, азот-13, кислород-15, фтор-18 для позитронно-эмиссионных томографов. Циклотоны, используемые для этих целей, оборудуются системой выпуска пучка из ускорительной камеры и газовой мишенью [1] причем газовая мишень отделяется от ускорительной камеры тонкой фольгой.

Пучок ускоренных ионов, выведенный из ускорительной камеры, проходит через фольгу в газовую мишень, где взаимодействует с газообразным веществом мишени, находящимся, как правило, при давлении выше атмосферного.

Как система выпуска пучка циклотрона, так и газовая мишень являются довольно сложными устройствами. Так, система выпуска пучка содержит ненадежный высоковольтный электростатический дефлектор. Эффективность работы такой системы составляет 50-70% В последние годы получило распространение ускорение и выпуск отрицательных ионов водорода или дейтерия перезарядкой в положительные ионы на тонкой углеродистой фольге. Этот способ имеет 100%-ную эффективность, однако ведет к существенному усложнению источника ионов и вакуумной системы циклотрона.

Фольга, разделяющая ускорительную камеру и газовую мишень, изготавливается из тонкого (0,01-0,05 мм) тантала, нержавеющей стали или молибдена. В зависимости от фольги, энергии и типа ускоряемой частицы потери энергии на фольге составляют от 10 до 30% Они особенно существенны при минимальных используемых энергиях (3 МэВ) при ускорении дейтронов. Потери энергии на фольге приводят к снижению получаемой активности, к нагреву фольги и выходу ее из строя. Для повышения надежности используют две фольги, расположенные по ходу пучка. Фольги разделяют ускорительную камеру от атмосферы и атмосферу от газообразного вещества мишени. Между фольгами циркулирует газообразный гелий, охлаждающий фольги, что повышает надежность мишени, однако усложняет ее конструкцию и удваивает потери энергии [2]
Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности и упрощение конструкции существующих устройств для производства радиоактивных газов. Конечный продукт радиоактивные газы по изобретению получаются без использования системы выпуска пучка, разделительных фольг и газовой мишени. Эффективность предложения особенно существенна при низких энергиях ускоряемых ионов, имеющих наибольшее практическое значение.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в подаче газообразного мишенного вещества в зону циркулирующего пучка и в совмещении таким образом в ускорительной камере циклотрона процессов ускорения и утилизации пучка.

В связи с низким давлением, при котором в ускорительной камере находится мишенное вещество (3-7) Е-3 Па вместо 115 кПа в газовых мишенях, повышение тока пучка до нескольких миллиампер, вместо 10-20 мкА, используемых в газовых мишенях, и пробега в веществе мишени до 1-3 км вместо 15-20 см в газовых мишенях по расчетам дадут соизмеримый выход активности.

Для повышения тока пучка и пробега ионов в районе максимальной энергии циклотрон должен иметь ряд особенностей, указанных ниже: фиксированная энергия ускоряемых ионов. Все указанные выше позитронно-эммитирующие изотопы могут производиться на циклотроне из газообразного мишенного вещества соответствующим выбором типа и энергии ускоряемых ионов.

Интенсивность внутреннего пучка, достигающая несколько миллиампер, может быть легко получена на изохронном циклотроне с азимутальной вариацией магнитного поля.

Большая длина пробега иона в процессе ускорения, особенно в зоне максимальной энергии, может быть получена снижением прироста энергии за оборот к конечному радиусу, например изменением азимутальной протяженности дуанта с радиусом. Действительно, в изохронном режиме ускорения прирост энергии за оборот пропорционален дуантному напряжению и sin, где q кратность ускорения (q ω_гвч/ω_обр), θ- угловая протяженность дуантов. В начальной стадии ускорения, когда радиус иона составляет менее половины конечного 0 < R < R_к/2, для получения высокой интенсивности пучка прирост энергии должен быть близок к максимальному, что достигается выбором 1≥ sin ≥ 0,5. В области радиусов < R ≅ R_к, когда завершается формирование интенсивного и центрированного пучка, необходимо, чтобы 0,5≥ sin ≥ 0. Указанные условия выполняются, например, в ускоряющей структуре, работающей при q=2 (частота ускоряющего напряжения вдвое превышает частоту обращения ионов) при изменении угловой протяженности дуантов от 90^о в центральной зоне (0 < R < R_к/2) до 180^она конечном радиусе ускорения. При q=3 угловая протяженность дуантов должна изменяться от 180^о (в центре) до 120^о (на R_к). За счет снижения прироста энергии к конечному радиусу (в пределе до 0) происходит накопление пучка в области R_к и резко (в пределе до бесконечности) увеличивается число оборотов и длина траектории ионов при ускорении.

Для увеличения выхода активности надо повысить концентрацию газообразного мишенного вещества в зоне циркулирующего пучка. С этой целью газ напускается внутрь дуантов. Внутренние полости дуантов герметизированы от ускорительной камеры. Ускоряющие щели по периметру снабжены перегородками из фольги, уменьшающими апертуру дуантов до размеров пучка по вертикали и горизонтали. Через несущие штоки внутренние полости дуантов имеют автономную систему вакуумирования, включенную в общую систему форвакуумной откачки циклотрона. Площадь внутреннего поперечного сечения штоков должна по крайней мере в пять раз превышать площадь поперечного сечения ускоряющей щели. При выполнении этого условия не менее 80% подаваемого внутрь дуантов газа будет эвакуироваться через штоки, что существенно облегчит условия поддержания рабочего вакуума в ускорительной камере. На чертеже схематически показан циклотрон для производства радиоактивных газов.

В ускорительной камере 1 размещаются дуанты 2, поддерживаемые штоками 3. Дуанты имеют угловую протяженность θ, изменяющуюся от 90^о в центре и до 180^о в районе конечного радиуса. Дуанты включены синфазно и предназначены для работы с кратностью ускорения q=2. До радиуса, равного половине конечного, дуанты обеспечивают максимальный прирост энергии за оборот sin 1, который уменьшается до 0 в районе R_к(sin 0). Ускорительная камера снабжена системой вакуумирования 4. Штоки дуантов имеют автономную систему вакуумирования 5. Напуск газообразного мишенного вещества осуществляется от системы напуска внутрь дуантов по трубкам 6. Ускоряющая щель внутри дуантов имеет перегородки 7 из фольги, уменьшающие апертуру дуантов до вертикального и радиального размера пучка.

Работу циклотрона для производства радиоактивных газов поясним на примере получения радиоактивного кислорода-15. Газообразный азот при помощи системы напуска подается внутрь дуантов, где подвергается бомбардировке ускоренными ионами дейтерия. Кислород-15, образующийся в результате реакции ¹⁴N(d, n), получается на выходе герметизированной форвакуумной системы циклотрона в потоке азота в форме молекулярного кислорода (¹⁵ОО или ¹⁵О₂). Последующая радиофармообработка позволяет получить кислород-15, например, в форме Н₂О, пригодной для использования.

Использование: изобретение относится к ускорительной технике. Сущность изобретения: в предлагаемом циклотроне газообразное мишенное вещество подается внутрь дуантов. Ускоряемые ионы взаимодействуют с веществом мишени с образованием радиоактивных газов, которые получаются на выходе герметизированной форвакуумной системы. Для повышения выхода активности азимутальная протяженность дуантов выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальный прирост энергии в начальной (от центра до половины конечного радиуса R_к) стадии ускорения. Это достигается выполнением условия . В зоне ускорения от половины конечного радиуса R_к до конечного R_к изменением азимутальной протяженности θ достигается выполнение условия , где g - кратность ускорения, что снижает темп ускорения и существенно увеличивает число оборотов, а следовательно, и длину орбиты ускоряемых ионов в зоне максимальной энергии. Дополнительно принимаются меры по предотвращению утечки мишенного вещества из дуантов в ускорительную камеру. С этой целью через поддерживающие штоки дуанты оборудуются автономной системой вакуумирования, причем площадь поперечного сечения штоков впятеро превышает площадь поперечного сечения ускоряющей щели дуантов, размеры которой в радиальном и вертикальном направлениях равны соответствующим размерам пучка ускоряемых ионов. 1 ил.

ЦИКЛОТРОН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ, содержащий полюса электромагнита, дуанты с поддерживающими штоками, ускорительную камеру с вакуумными насосами и систему напуска газообразного мишенного вещества, отличающийся тем, что угловую протяженность дуантов Q от центра полюча электромагнита до радиуса, равного 0,5 R_к, где R_к - конечный радиус ускорения, выбирают из условия

где q - кратность ускорения - целое число, равное отношению частоты ускоряющего напряжения на дуантах к частоте обращения иона, а в области радиусов от 0,5 R_к до R_к Q выбирают из условия

при этом внутри дуантов установлены трубки, соединенные с системой напуска газообразного мишенного вещества, а внутренняя полость дуантов через поддерживающие штоки сообщена с дополнительно введенной системой автономной вакуумной откачки.