[发明专利]高能质子或中子源

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2007年12月28日的美国临时专利申请

61/017,288以及提交于2008年12月22日的美国临时专利申请61/139,985的优先权，上述两个专利均全文以引用方式并入本文中。

背景技术

通常使用诸如核反应堆、裂变设备、回旋加速器、线性加速器或现有的束-靶加速器设备之类的质子和中子源来产生医学用途的短寿命放射性同位素。这些常规源具有许多缺点，包括具有笨重且昂贵的结构、以及产生需要特殊屏蔽设施的大量高能辐射。屏蔽设施通常为昂贵的并且仅在少数位置可用。另外，诸如回旋加速器和线性加速器之类的源在用作中子源时具有寿命有限的缺点。这些源设施中有少数设置在卫生保健设施处，这样使其难于治疗本可从同位素、尤其是具有短半衰期的同位素(由于快速衰变)的使用中获益的患者。当需要短半衰期的同位素时，只有那些接近同位素产生设施的医疗设施才可能产生足以在其衰减掉之前到达患者的显著量。

除了距离受限之外，现有设备还存在取决于设备类型的各种技术问题。对于基于固体靶的设备，在照射束由氦粒子组成的情况下靶可能会被氦照射快速损坏，或者当照射束由氘粒子组成时靶快速地变得负载有氘。这种氘负载从靶处移除了氦(在一定时间内快速降低了产率)并且是不需要的²H-²H核反应的源，此核反应产生了高能中子并且迫使需要有效的屏蔽。此外，可在固体靶设备中捕获适用的质子数可能是受限的，这是因为质子是被各向同性发射的并且一些质子将被较深地埋入靶材料内。除了较短的靶寿命之外，这些设备的输出可由于与靶冷却相关的挑战而受到限制。

对于基于气体靶的现有设备而言，局限性可包括离子束不能达到反应(例如在射束背景模式下的IEC(惯性静电约束)设备中的反应)所需的完全能量、或者分隔高压靶区域和低压加速器区域的薄窗寿命较短。此外，背景气压对成功的输出可为至关重要的。过高或过低的压强可造成无效操作，并且所得的输出水平可能过低而不能应用于包括医疗程序在内的应用中。

常规质子或中子源的这些或其他缺陷妨碍了同位素产生在小型或遥远社区的应用，并且另外需要为这些大型设施进行大量的资本投资。

发明内容

实施本发明原理的高能紧凑型质子或中子源克服了先前质子或中子源的缺点。根据本发明的设备可通过改变燃料类型和加速电压来产生质子或中子。该设备包括离子源、加速器和靶系统，所述靶系统被确定大小和构造为磁靶室、操作性地耦合至高速同步泵的线性靶室、或者线性靶室和同位素引出系统。根据本发明的高能质子源还可包括与从加速器流出的离子源同步的高速泵。这种同步的高速泵防止大部分材料逸出靶室并且可免除对差压泵送系统的需要和/或允许使用较小的线性靶室。

在一个方面，本发明提供了用于产生医用同位素的高能、低辐射质子源。根据本发明的源通过²H-³He聚变反应(fusion reaction)产生高能质子(＞10MeV)。产生的同位素可用于正电子发射型断层摄影(PET)的诊断过程以及其他的成像和处理过程中。更具体地，根据本发明的质子源可用于产生诸如¹⁸F、¹¹C、¹⁵O、¹²⁴I和¹³N之类的同位素。在根据本发明的低辐射设备中产生¹³N、¹¹C和¹⁵O的能力也可有利于新成像过程的开发。

在另一方面，本发明提供了在与诸如回旋加速器之类的常规技术相比成本更低且更为紧凑的设备中产生医用同位素的高能质子源。用于产生医用同位素的高能质子源与常规技术相比具有最少的辐射量，这最大程度地降低或消除了对于容纳发生器的专用贮藏器的需要，从而使得更易于接近病人。

在另一个方面，本发明提供了可与高靶室压和低加速器部分压结合进行工作以产生医用同位素的高能质子源，其中高靶室压和低加速器部分压是利用专用差压泵送系统产生的。这种结合允许较高的工作电压(300kV至500kV或者更高)同时可产生较高输出产率(大于＞10¹³质子/秒)的高能质子(＞10MeV)。本发明可采用磁靶室，所述磁靶室与常规的束-靶加速器设备相比允许在较低的靶室压以及较小的靶室下进行工作。在磁靶室中，燃料离子环绕磁场线行进，这使得与以接近直线的形式通过较长室的射束相比，在短室内产生了长路径长度。