基于高功率电子加速器生产医用同位素的方法和设备与流程

本发明属于医用放射性诊断和治疗核素领域，具体涉及一种基于用高功率电子加速器发射的电子束的韧致辐射和靶物质的光核反应生产99mo等医用同位素的方法及设备。
背景技术：
：随着核医学成像诊断技术γ相机和spec/ct得到广泛应用，所用示踪放射性药物也快速发展。最常用和典型的是钼锝发生器(99mo-99mtc，下称母牛)。母牛是99mo，其半衰期66小时可以应付从生产地运送到使用地附近分离出99mtc的衰变消耗。99mtc发射的γ射线能量很低，140kev对人体损伤很小，成像定位准。含99mtc的适用于各种人体器官的药物多达几十种，仅我国获批准生产的体内所有放射性药品有35种，其中99mtc放射性药品就占16种，18f标记药物1种。钼锝母牛用量极大。全世界每年要用99mtc近四千万剂(人次)。99mo世界年产50万“6天居里”(实际出堆时约230万居里。经处理和运输过程，平均按6天衰变后剩余量结算，叫“6天居里”，6天居里意味着靶件材料在辐照和加工处理分离后6天的活度，一般情况一个“6天居里”对应4.5居里)。在现行的美国药典、欧洲药典和中国药典中分别收录了69种、56种、24种放射性药品质量标准，所涉及的核素种类分别为22个、19个、11个，均以99mo-99mtc标记药物的数量最多。在18f标记药物质量标准方面，欧洲药典收录最多达6种，美国收录2种，我国的药典仅收录1种(即18f-fdg)。所以，尽管近几年来，由于pet/petct/petmri的快速发展，虽然99mo在所有成像放射性药物的占比有所下降，由2010年的85％下降到2017年的78％左右，但仍占市场的绝大部分份额，其余主要是pet用的发射正电子短寿命同位素18f等。2010年99mo的产值为30多亿美元，到2017年快速增加到41亿美元。有些情况下，pet可代替spect，但大多数情况代替不了。而且，一次pet用药比spect贵3-4倍。因此，钼锝母牛在核医学诊断和治疗领域的应用还将在很长时间内占绝对的地位，重要性也不容置疑，市场价值不仅巨大，而且年增长速度高达15％。二十一世纪之前，以99mo为代表的放射性同位素生产几乎全靠反应堆。自2000年以来，由于长时间的高负荷运转，特别是近10年以99mo为代表的放射性同位素需求激增，导致辐照装置频繁出现故障，需要定期检修维护，甚至停堆检修。近年来，全球用于生产放射性同位素的几个反应堆发生了一系列的停堆事件，造成了99mo(99mtc的母体)等核素生产危机频发，加之许多反应堆是上世纪五、六十年代建造的，到本世纪已到设计寿命，因而引起全球99mtc供应短缺。而且这些反应堆大都用的是93％的高浓铀heu，高浓铀是武器级材料。而为了生产钼锝母牛，世界每年消耗量竟达40-50公斤(约可做两颗原子弹)。加之，以99mo为代表的放射性同位素半衰期不长，反应堆辐照几天后即达饱和，烧掉的235u只占4％，废料可做大量脏弹，是核恐怖隐患。涉核活动的安全问题一直倍受各国政府和公众的关注，相关标准和要求也越来越严苛。今后，同位素生产环节必将更加重视公众受照和环境污染的风险。本世纪初，国际原子能机构iaea和美国能源部都决定对民用高浓铀严加限制和取缔，辐照装置从2015年开始实施靶件转换，这将导致同位素供应能力降低，更加剧了99mo的供应紧张问题。目前，世界上有九个99mo生产堆和六个主要加工处理厂，均是上世纪五、六十年代建造，其中两个反应堆已于2015年和2018年停止生产，其余也将于2030年关闭。2011年至2015年经合组织核能机构(oecdn/ea)公布了一系列题为《医用同位素供应：99mo的全球长期需求评估》的报告，99mo全球供应链2017年将出现短期供应短缺，预计将于2023年，最晚于2026年之前出现辐照能力的长期严重短缺。为了不用高浓铀生产99mo，放弃裂变机制，改用中子捕获反应98mo(n,γ)99mo反应，将浓缩的98mo放在反应堆中照射。四川成都的中国核动力研究院就是采用这种方法。但产量有限，难以满足目前99mo的巨大市场需求。更重要的是建造核反应堆成本很高，高达数亿美元，而且存在安保和后续的放射性废料处理问题，所以全世界范围内很少有专门为生产裂变99mo等放射性核素的专用核反应堆，都是建造多用途的研究性堆，兼顾生产裂变99mo等核素。四川成都的中国核动力研究院从十几年前就开始论证设计专用的医用同位素生产反应堆(mipr)，但到目前为止还没有建造。针对以上99mo的生产和供应问题，出现了一些基于加速器生产99mo的方法和技术。专利cn108696980a用质子回旋加速器的40-80mev质子轰击100mo通过(p，pn)反应生产99mo。但该能量质子在100mo中的射程短，靶不能太厚(远小于1.00mm)，不仅太薄的100mo样品靶不宜加工，更重要的是参加反应的100mo原子数少，导致产生99mo量少，即99mo产额低。同时，使用质子束在100mo直接生产99mo经常会导致由可存在于浓缩100mo样品靶中的其他稳定的mo同位素产生其他tc、nb等放射性同位素杂质。技术实现要素：为了解决现有技术中基于加速器生产99mo的方法存在的产额低、100mo样品靶加工难度大及会产生其他tc同位素杂质的问题，本发明提供一种基于高功率电子加速器生产医用同位素的方法和设备，电子束经专用转换靶生成的x射线，轰击100mo样品靶利用光核反应100mo(γ,n)99mo生产99mo，并通过可编程机器人系统(以下简称机器人)实现自动操作。本发明同样适用于如15o，13n，11c，88y，123i，125i，111in，57co和30p，38k，62cu，64cu，47sc和225ac等多种医用放射性同位素的生产。电子束经专用转换靶产生20至50mev范围内的高能轫致辐射，20至50mev范围内的高能轫致辐射在100mo中的辐射长度为约10mm，这显著长于相同能量的质子的辐射长度。因此，与质子反应相比，光中子反应的有效靶厚度也更大。另外，韧致辐射与mo较少的反应通道数限制了不需要的同位素杂质的产生，并且轫致辐射与存在于100mo样品靶中的其他少量mo同位素的光中子反应通常产生稳定的mo，是非放射性杂质。本发明的技术解决方案是提供一种基于高功率电子加速器的医用同位素生产方法，利用高功率电子加速器出射的高能电子束轰击转换靶产生韧致辐射，利用韧致辐射与样品靶发生光核反应生产目标医用同位素，然后通过机器人及传送带将含有目标医用同位素的样品靶自动转运到热室，通过放化分离程序将目标医用同位素从样品靶分离纯化出来。进一步地，上述医用同位素为99mo，上述样品靶为100mo；转换靶的材料为金属钨w或金属钽ta。进一步地，该方法共计5种光核反应同时发生共同生产99mo：100mo(γ,n)99moet＝9.1mev(1)100mo(γ,p)99mnb(t1/2＝15s)→99moet＝16.5mev(2)100mo(γ,p)99mnb(t1/2＝2.6m)→99moet＝16.9mev(3)100mo(n,2n)99moet＝8.3mev(4)98mo(n,γ)99mo(5)进一步地，高功率电子加速器为rhodotron、电子直线加速器或电子回旋加速器；高功率电子加速器出射的高能电子束能量大于20mev。进一步地，高功率电子加速器出射的高能电子束能量为35-60mev。本发明还提供一种样品靶装置，其特殊之处在于：包括水冷套与样品靶；上述水冷套包括内层壳体、外层壳体、内层壳体与外层壳体之间形成的冷却腔体及与冷却腔体相通的进水口与出水口；内层壳体向外层壳体方向凹进，形成凹部；上述样品靶固定在所述凹部内。本发明还提供一种基于高功率电子加速器的医用同位素生产装置，其特殊之处在于：包括高功率电子加速器、靶盒、转换靶、样品靶、机器人及计算机；上述靶盒包括盒体及屏蔽门，上述盒体内安装有底盘；上述底盘轴向方向开有台阶通孔，上述台阶通孔与高功率电子加速器的电子束流出口同轴，且台阶通孔的入口孔直径与高功率电子加速器的电子束流直径一致；上述转换靶嵌在上述台阶通孔的出口孔内；上述底盘内且沿通孔外围开设有冷却通道，上述底盘上还设置有与冷却通道相通的进水通道与出水通道；上述水冷套包括内层壳体、外层壳体、内层壳体与外层壳体之间形成的冷却腔体及与冷却腔体相通的进水口与出水口；内层壳体向外层壳体方向凹进，形成凹部；上述样品靶固定在上述凹部内；高功率电子加速器的电子束流出口紧挨着底盘入口孔，样品靶紧贴着转换靶；上述机器人用于将含有目标医用同位素的样品靶自动转运到热室；上述计算机包括存储器及处理器，上述存储器内存储计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时，实现以下步骤：步骤一、高功率电子加速器出射电子束流前，开启位于进水管与出水管上的阀门，为样品靶进行冷却；同时开启与冷却通道相连的进水通道与出水通道上的阀门，对转换靶进行冷却；步骤二、电子束打靶结束后，关闭位于进水管与出水管的阀门，同时关闭与冷却通道相连的进水通道与出水通道上的阀门；步骤三、开启靶盒的屏蔽门；步骤四、控制机器人断开水冷套的进水管和出水管；步骤五、控制机器人夹住水冷套；步骤六、控制机器人把水冷套放入铅盒中，把铅盒盖住；步骤七、控制机器人把铅盒移动到到热室，通过放化分离程序将99mo从100mo样品靶分离纯化出来。进一步地，上述样品靶形状为柱体、倒半球形或半椭球形；上述样品靶的形态为金属、粉末高压烧结盘、氧化物粉末状或溶液态。进一步地，上述靶盒的主体材料为不锈钢，其内壁设置有一定厚度的铅层或钨层；上述底盘为不锈钢底盘；上述样品靶为100mo样品靶，上述转换靶的材料为金属钨w或金属钽ta；100mo样品靶是预浓缩的100mo，靶中100mo的含量大于99.5％；上述转换靶的直径为40mm、厚为3.5-4.5mm。进一步地，上述水冷套的材料为铜、铝或钢；通过锻压或挤压的方式，使水冷套的内层壳体与100mo样品靶紧密接触在一起；上述冷却通道沿通孔外围周向蛇形排布；进水口、出水口、进水通道与出水通道上均设有温度传感器。本发明的有益效果是：1、通过本发明生产的99mo比产额高，放射性杂质少。由于20至50mev的轫致辐射在100mo中的辐射长度为长(约10mm)，所以可使用更多的100mo用于反应，所以99mo的产额较大。即使100mo样品靶中含少量的其它mo同位素，由于光核反应生成的也是稳定同位素，而且韧致辐射与mo较少的反应通道数限制了不需要的同位素杂质的产生，所以产品中其它放射性杂质很少。2、本发明水冷套既是水冷管路，又是靶容器，方便样品的制作、装卸和溶解。由于水冷套的铜不溶解于双氧水，而100mo很容易就被双氧水溶解，所以样品靶100mo不需从水冷套中取出，可整体进行溶解，收集溶解后的钼过氧化物溶液，进一步进行mo-tc的分离和纯化，回收不能溶解铜水冷套进行后续处理。水冷套作为一次性使用件，非常方便样品的制作、装卸和溶解。3、本发明靶盒安装、拆卸和转运安全、快速、可靠。本发明利用可编程机器人系统控制水冷系统的自动开启、关闭、断开和连接，自动控制靶盒的安装和拆卸、转运。安全、快速、可靠。而且可根据使用过程出现的问题经验不断修正、更新和优化。4、本发明样品靶的形态可以是金属盘或粉末高压烧结盘，也可以是氧化物粉末状，也可以是溶液态。可满足不同状态样品的生产。5、本发明不仅可生产99mo，还可生产，如15o，13n，11c，88y，123i，125i，111in，57co和30p，38k，62cu，64cu，47sc和225ac等多种医用放射性同位素，但不限于所列这些同位素。附图说明图1为本发明实施例基于高功率电子加速器生产医用同位素的设备结构示意图；图2为本发明实施例转换靶安装结构示意图；图3为本发明实施例不锈钢底盘的剖面示意图；图4为本发明实施例样品靶安装结构剖视图；图5为本发明实施例转换靶及样品靶安装结构示意图；图6为本发明实施例可编程机器人结构示意图；图中附图标记为：1-高功率电子加速器，2-靶盒，3-转换靶，4-样品靶，5-机器人，6-电机，7-传送带，8-热室，9-电子束流线，10-底盘，11-冷却通道，12-进水通道，13-出水通道，14-水冷套，15-外层壳体，16-内层壳体，17-冷却腔体，18-进水口，19-出水口，20-夹爪，21-活动关节，22-底座。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。本发明利用高功率电子加速器出射的高能电子束轰击转换靶产生韧致辐射，利用韧致辐射与样品靶100mo发生光核反应生产99mo，含99mo的100mo样品靶通过可编程机器人系统及传送带自动转运到热室，通过放化分离程序将99mo从100mo样品靶分离纯化出来。该光核反应除了通常的100mo(γ,n)99mo可生产99mo外，还发生如下几种光核反应也生产99mo，共计5种光核反应同时发生共同生产99mo。100mo(γ,n)99mo主反应(阈能et＝9.1mev)(1)100mo(γ,p)99mnb(t1/2＝15s)→99mo(et＝16.5mev)(2)100mo(γ,p)99mnb(t1/2＝2.6m)→99mo(et＝16.9mev)(3)100mo(n,2n)99mo(et＝8.3mev)(4)98mo(n,γ)99mo(5)本实施例中高功率电子加速器为rhodotron，其他实施例中还可以是电子直线加速器或电子回旋加速器等。高功率电子加速器发出的电子束的效率大于20％以上，电子束能量范围为35-60mev，当电子束能量为40mev时，束流功率可达100kw以上。且高功率电子加速器能连续工作提供电子束，至少能连续工作1天(24小时)，优选能连续工作6天。从图1可以看出，本实施例装置主要由高功率电子加速器1、靶盒2、转换靶3、100mo样品靶及自动化系统等构成，自动化系统包含机器人5、传送带7及计算机等设备，计算机内存储的计算机程序对机器人5及传送带7进行控制。该靶盒2主体为不锈钢材料，具有50mm厚的铅或钨内衬，50mm铅(或钨)既起屏蔽作用，又起散射增强效应，还能对穿过转换靶3的高能电子再产生韧致辐射的增强效应。且靶盒2的屏蔽门带有导轨，可以通过自动化系统开启、关闭屏蔽门。转换靶3通过设置在靶盒2内的底盘10固定，可长期使用，该底盘10的材料为不锈钢。如图2所示，该底盘10设置在靶盒2内侧，其中心沿轴向开有台阶通孔，转换靶3精密的嵌在该台阶通孔的出口孔内，该台阶通孔的入口孔径与高功率电子加速器1的电子束流直径一致，台阶通孔的出口孔径大于台阶通孔的入口孔径。高功率电子加速器1的电子束流出口紧挨着底盘10入口孔，且与不锈钢底盘10上的台阶通孔同轴。本实施例台阶通孔的入口孔径为20mm，即为转换靶3的有效直径，出口孔直径为40mm；选择高转换效率和耐高温的金属钨w或金属钽ta为转换靶3的材料。当电子束能量为40mev时，优选厚为3.5-4.5mm金属钨w靶。为了对转换靶3进行冷却，如图3所示，该底盘10内部还开有冷却通道11，该冷却通道11蛇形排布在台阶通孔的外围，进水通道12与出水通道13沿底盘10径向设置；通过进水通道12可以向冷却通道11内注入蒸馏水或去离子水。因此该不锈钢底盘10不仅可以固定支撑转换靶3，还可以为转换靶3提供冷却。在进水通道12与出水通道13上还可以设有温度探针或温度传感器，用于冷却水温度监测。100mo样品靶通过设置在靶盒2内的水冷套14固定，且通过固定压板将样品靶4与转换靶3安装到一起，样品靶4紧贴着转换靶3，如图5所示。如图4所示，水冷套14包括内层壳体16、外层壳体15及内外层壳体之间形成的冷却腔体17，冷却腔体17上开设进水口18与出水口19，内层壳体16向外层壳体15的方向凹进，形成凹部，将100mo样品靶通过锻压或挤压的方式，固定在该凹部内(电子束入射面敞开，如果是粉末或液体态样品则可密封)，使水冷套14的内层壳体16与100mo样品靶紧密接触在一起，防止存有空气。在进水口18与出水口19处通过氩弧焊焊接进水管与出水管，为了监测冷却水温度，在进水口18与出水口19处设有温度探针或温度传感器。水冷套14通水冷却时，保守估计，可以带走20kw的热量。因此，该水冷套14既是水冷管路，又是100mo样品靶的容器。水冷套14与100mo样品靶为一次性使用。水冷套14的材料可以是铜、铝、钢，优选铜；配合100mo样品靶的形状，水冷套14入口即凹部可以是圆柱形、半球形、半椭圆形，本实施例选用圆柱形。即100mo样品靶形状可以为圆柱体、半球形、半椭球形。当选用圆柱体时，其直径为20mm，厚度为10-20mm(也可为多层1mm的薄片叠放)；当选用半球形时，其直径为20mm；当选用半椭球形时，其直径为20mm，长短轴比例1:1.5--1:2.0。100mo样品靶直径也可以比转换靶3有效直径大2mm。100mo样品靶是预浓缩的100mo，靶中100mo的含量大于99.5％。100mo样品靶或其它样品靶4的形态可以金属或粉末高压烧结盘，也可以是氧化物粉末状，也可以是溶液态。高功率电子加速器1的电子束流线轰击转换靶3产生韧致辐射，利用韧致辐射与100mo样品靶发生光核反应生产99mo，含99mo的100mo样品靶通过机器人5及传送带7自动转运到热室8，通过放化分离程序将99mo从100mo样品靶分离纯化出来。机器人5能够抗辐射、耐腐蚀，主要由夹爪20、活动关节21及底座22等构成。活动关节21可以伸缩和旋转；夹爪20口径可调，用于夹取水冷套14与100mo样品靶，也可装卸相关固定螺丝，水冷管路等。本实施例中还包括用于传送样品的传送带7，传送带7的运动由电机6驱动，用于把装有样品的铅罐传送到热室8。计算机程序被处理器控制时，可实现以下过程：步骤一、在高功率电子加速器1出射电子束前，开启位于进水管与出水管的阀门，为100mo样品靶进行冷却；同时开启与冷却通道11相连的进水通道12与出水通道13上的阀门，对转换靶3进行冷却；步骤二、在电子束打靶结束2小时后，关闭位于进水管与出水管的阀门，同时关闭与冷却通道11相连的进水通道12与出水通道13上的阀门；步骤三、开启靶盒2的屏蔽门；步骤四、控制机器人5断开水冷套14的进水管和出水管；步骤五、控制机器人5夹住水冷套14；步骤六、松开水冷套14的固定压板；步骤七、控制机器人5把水冷套14(含100mo样品靶)放入铅盒中，把铅盒盖住；步骤八、控制机器人5把铅盒移动到传送带7上；步骤九、控制传送带7把铅盒移动到热室8，通过放化分离程序将99mo从100mo样品靶分离纯化出来。可编程的机器人5不限于实现上述功能，还可根据实际需要，修改控制程序，完成更多功能操作或工作目的。在具体的放化分离程序中，如果100mo样品靶是金属或氧化物粉末烧结压缩盘，则需要溶解含水冷套14的100mo样品靶。用双氧水对100mo样品盘进行溶解，获得钼过氧化物溶液。由于水冷套14的铜不溶解于双氧水，而100mo很容易就被双氧水溶解，收集溶解后的钼过氧化物溶液，进一步进行mo-tc的分离和纯化，回收铜水冷套14进行后续处理。双氧水对100mo样品盘进行溶解的参数如下：双氧水浓度为：30％；起始溶解温度为：70℃；加入速度为：40ml/g的比例以速度1ml/min加入，其中40ml/g指每1g100mo样品盘加入40ml双氧水。如果100mo样品靶是钼过氧化物溶液，辐照后直接进行mo-tc的分离和纯化。本发明不仅可生产99mo，还可生产，如15o，13n，11c，88y，123i，125i，111in，57co和30p，38k，62cu，64cu，47sc和225ac等多种医用放射性同位素，但不限于所列这些同位素。当前第1页1 2 3