CN102422724B

CN102422724B - 同位素生产系统和回旋加速器

Info

Publication number: CN102422724B
Application number: CN201080020362.7A
Authority: CN
Inventors: J·诺尔林; T·埃里克松
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: RU2011142845A; CA2759467A1; EP2428101B1; RU2526190C2; US8153997B2; CN102422724A; US20100282978A1; BRPI1007583A2; CA2759467C; JP5619144B2; JP2012526356A; KR101686690B1; WO2010129100A1; EP2428101A1; KR20120020110A; BRPI1007583B1

Abstract

一种回旋加速器，其包括磁轭，该磁轭具有围绕加速室的轭体。该回旋加速器还包括磁体组件以产生磁场以沿期望路径引导充电粒子。该磁体组件位于加速室中。磁场经加速室并在磁轭内传播，其中磁场的一部分作为杂散场逸出磁轭之外。该回旋加速器还包括与轭体直接联接的真空泵。该真空泵构造成将真空导入加速室。该磁轭尺寸设置为使得真空泵不会经受超过75高斯的磁场。

Description

同位素生产系统和回旋加速器

相关申请的交叉引用

本申请包括与以下与本申请同时提交的美国专利申请NO.12/435,931(公布号No.2010-0283371A1)，其题目为为“ISOTOPE PRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON HAVING REDUCED MAGNETIC STRAY FIELDS”，以及美国专利申请No.12/435,903(公布号No.2010-0282978A1)，其题目为“ISOTOPE PRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON HAVING A MAGNET YOKE WITH A PUMP ACCEPTANCE CAVITY”中公开的主题有关的主题，这两个申请整体通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明的实施例总体涉及回旋加速器，且更具体地涉及用于生产放射性同位素的回旋加速器。

背景技术

放射性同位素(也叫做放射性核素)在医疗、成像和研究以及与医疗无关的其它应用方面具有若干应用。生产放射性同位素的系统典型地包括粒子加速器，例如回旋加速器，其使一束带电粒子加速并将该束引入靶材以生成同位素。回旋加速器使用电场和磁场来使粒子加速并沿加速室内的螺旋状轨道引导粒子。当使用回旋加速器时，将加速室抽空以去除会与加速的粒子互相作用的不希望的气体粒子。例如，当加速的粒子是负氢离子(H-)时，加速室内的氢气分子(H₂)或水分子可从氢离子剥离弱约束电子。当从此离子剥离该电子时，离子变成不再受加速室内的电场和磁场影响的中性粒子。该中性粒子不可恢复地被损失并且还可能导致加速室内其它不希望的反应。

为了维持加速室的抽空状态，回旋加速器使用与该腔室流体联接的真空系统。然而，常规的真空系统可能具有不理想的质量或特性。例如，常规的真空系统会是大型的并需要很大的空间。这可能是有问题的，尤其是当回旋加速器和真空系统必须在本来不是为使用大型系统而设计的病房内使用时。此外，现有的真空系统典型地具有若干互相连接的构件，例如多个泵(包括不同类型的泵)、阀、管道和夹具。为了有效地操作真空系统，可能需要监视每个构件(例如，通过传感器和仪表)并单独控制这些构件中的一些。此外，对于若干互相连接的构件，可能存在较多其中可能由于零件损坏或磨损而发生泄漏的接口或区域。这可能使得真空系统的维护费钱和费时。

除以上外，常规的真空系统可能使用扩散泵。例如，在一种已知的真空系统中，若干扩散泵与加速室流体联接。扩散泵使用工作流体(例如，油)以通过使油沸腾为蒸气并引导该蒸气通过喷射组件来产生真空。然而，扩散泵内的油可能回流到回旋加速器的加速室内。这可能降低真空系统去除气体粒子的能力，这又负面地影响回旋加速器的效率。此外，加速室内的油可导致损坏由回旋加速器用来形成电场的电气构件的放电。

因此，需要从加速室去除不希望的气体粒子的改进的真空系统。还需要与已知的真空系统相比空间要求较低、维护要求较低、复杂度较低或者较便宜的真空系统。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种回旋加速器，其包括磁轭，该磁轭具有围绕加速室的轭体。该回旋加速器还包括磁体组件，以产生沿期望路径引导带电粒子的磁场。该磁体组件位于加速室中。磁场穿过加速室并在磁轭内传播，其中磁场的一部分作为杂散场逸出磁轭之外。该回旋加速器还包括与轭体直接联接的真空泵。该真空泵构造成将真空导入加速室。该磁轭尺寸定制为使得真空泵不会经受超过75高斯的磁场。

根据另一实施例，提供了一种回旋加速器，其包括磁轭，该磁轭具有围绕加速室的轭体。该回旋加速器还包括磁体组件，以产生沿期望路径引导带电粒子的磁场。该磁体组件位于加速室中。磁场穿过加速室并在磁轭内传播，其中磁场的一部分作为杂散场逸出磁轭之外。该回旋加速器还包括与轭体直接联接的真空泵。该真空泵构造成将真空导入加速室。该真空泵是具有用以产生真空的旋转风扇的无流体泵。

根据又一实施例，提供了一种同位素生产系统，其包括磁轭，该磁轭具有围绕加速室的轭体。该同位素生产系统还包括磁体组件，以产生沿期望路径引导带电粒子的磁场。该磁体组件位于加速室中。磁场穿过加速室并在磁轭内传播，其中磁场的一部分作为杂散场逸出磁轭之外。该同位素生产系统还包括与轭体直接联接的真空泵。该真空泵构造成将真空导入加速室。该磁轭尺寸定制为使得真空泵不会经受超过75高斯的磁场。该同位素生产系统还包括定位成接受用于生成同位素的带电粒子的靶系统。

附图说明

图1是根据一个实施例形成的同位素生产系统的框图。

图2是根据一个实施例形成的回旋加速器的侧视图。

图3是图2中所示的回旋加速器的底部的侧视图。

图4是可与图2中所示的回旋加速器一起使用的真空泵和涡轮分子泵的侧视图。

图5是可与图2中所示的回旋加速器一起使用的轭体的一部分的透视图。

图6是可与图2中所示的回旋加速器一起使用的磁体和轭组件的平面图。

图7A是回旋加速器的底部的正视截面图，示出了其中经受的磁场。

图7B是回旋加速器的底部的正视截面图，示出了其中经受的磁场。

图8是根据另一实施例形成的同位素生产系统的透视图。

图9是可与图6中所示的同位素生产系统一起使用的备选回旋加速器的侧视截面图。

图10A-10E是示出泵接纳(PA)腔内沿延伸穿过该PA腔的平面经受的磁场的曲线图。

具体实施方式

图1是根据一个实施例形成的同位素生产系统100的框图。系统100包括回旋加速器102，该回旋加速器102具有若干子系统，包括离子源系统104、电场系统106、磁场系统108和真空系统110。在回旋加速器102的使用过程中，通过离子源系统104将带电粒子置于回旋加速器102内或喷射到回旋加速器102中。磁场系统108和电场系统106生成互相配合以产生带电粒子的粒子束112的相应场。带电粒子沿预定路径在回旋加速器102内被加速和引导。系统100还具有提取系统115和包括靶材116的靶系统114。

为了生成同位素，粒子束112由回旋加速器102沿束传输路径117引导通过提取系统115并被引入靶系统114，使得粒子束112入射在位于对应的靶区120的靶材116上。系统100可具有多个靶区120A-120C，单独的靶材116A-116C位于该处。可使用转移装置或系统(未示出)来相对于粒子束112转移靶区120A-120C，使得粒子束112入射在不同的靶材116上。在转移过程中也可维持真空。备选地，回旋加速器102和提取系统115可以沿不止一条路径引导粒子束112，而是可以针对每个不同的靶区120A-120C沿独特的路径引导粒子束112。

美国专利No. 6,392,246、No. 6,417,634、No. 6,433,495和7,122,966以及美国专利申请公报No. 2005/0283199中描述了具有上述子系统中的一个或多个的同位素生产系统和/或回旋加速器的实例，所有这些专利通过引用而整体结合在本文中。美国专利No. 5,521,469、No. 6,057,655和美国专利申请公报No. 2008/0067413和2008/0258653中还提供了另外的实例，所有这些专利全文通过引用而整体结合在本文中。

系统100构造成生产可用于医学成像、研究和治疗中的放射性同位素(也叫做放射性核素)，而且还用于与医学无关的其它应用，例如科学研究和分析。当用于医学用途例如核医学(NM)成像或正电子反射断层造影术(PET)成像时，放射性同位素也可叫做示踪物。举例而言，系统100可生成用以制造液体形式的¹⁸F^-同位素、作为CO₂的¹¹C同位素和作为NH₃的¹³N同位素的质子。用于制造这些同位素的靶材116可为增浓的¹⁸O水、天然¹⁴N₂气体和¹⁶O水。系统100也可生成氘核以便生产¹⁵O气体(氧气、二氧化碳和一氧化碳)和¹⁵O标记水。

在一些实施例中，系统100使用¹H^-技术并使带电粒子变成具有大约10-30μA的束电流的低能量(例如，约7.8MeV)。在此类实施例中，负氢离子被加速并引导通过回旋加速器102且进入提取系统115。然后，负氢离子可撞击提取系统115的剥离箔(未示出)，从而去除该对电子并使粒子成为正离子¹H⁺。然而，在备选实施例中，带电粒子可为正离子，例如¹H⁺、²H⁺和³He⁺。在此类备选实施例中，提取系统115可包括产生将粒子束引向靶材116的电场的静电偏转器。

系统100可包括冷却系统122，该冷却系统122将冷却流体或工作流体输送到不同系统的各种构件以便吸收相应构件所生成的热量。系统100还可包括控制系统118，该控制系统118可由技术人员用于控制各种系统和构件的操作。控制系统118可包括紧邻或者远离回旋加速器102和靶系统114定位的一个或更多用户接口。虽然在图1中未示出，但系统100还可包括用于回旋加速器102和靶系统114的一个或更多辐射屏蔽板。

系统100可以以预定的量或批次生产同位素，例如用于医学成像或治疗中的单独的剂量。用于上列示例性同位素形式的系统100的生产能力可为：对于¹⁸F^-在20μA在少于约10分钟内50 mCi；对于¹¹CO₂在30μA在约三十分钟内300 mCi；而对于¹³NH₃在20μA在少于约10分钟内100 mCi。

另外，系统100可使用的相对于已知的同位素生产系统减小的空间量，使得系统100具有将允许系统100被保持在密闭空间内的尺寸、形状和重量。例如，系统100可装配在本来不是为粒子加速器建造的预先存在的房间内，例如医院或临床环境中。由此，回旋加速器102、提取系统115、靶系统114和冷却系统122的一个或更多构件可被保持在大小和形状设置为装配在密闭空间中的公共壳体124内。举例而言，壳体124所用的总体积可为2m³。壳体124的可能尺寸可包括2.2m的最大宽度、1.7m的最大高度和1.2m的最大深度。壳体和其中的系统的组合重量可为大约10000kg。壳体124可由聚乙烯(PE)和铅制成并具有配置成从回旋加速器102衰减中子通量和γ射线的厚度。例如，壳体124可沿壳体124的衰减中子通量的预定部分具有至少约100mm的厚度(在围绕回旋加速器102的内表面与壳体124的外表面之间测量)。

该系统100可构造成使带电粒子加速到预定的能量水平。例如，本文所述的一些实施例使带电粒子加速到大约18 MeV或更小的能量。在其它实施例中，系统100使带电粒子加速到大约16.5 MeV或更小的能量。在特定实施例中，系统100使带电粒子加速到大约9.6 MeV或更小的能量。在更多的特定实施例中，系统100使带电粒子加速到大约7.8 MeV或更小的能量。

图2是根据一个实施例形成的回旋加速器200的侧视图。回旋加速器200包括具有围绕加速室206的轭体204的磁轭202。轭体204具有厚度T₁在其间延伸的相对的侧面208和210并且还具有长度L在其间延伸的顶端212和底端214。轭体204可包括将侧面208和210与顶端212和底端214相结合的过渡区域或拐角部216-219。更具体而言，顶端212分别通过拐角部216和217与侧面210和208相结合，而底端分别通过拐角部219和218与侧面210和208相结合。在该示例性实施例中，轭体204具有大致圆形的截面，且由此，长度L可代表轭体204的直径。轭体204可由铁制成并且大小和形状设置为当回旋加速器200操作时产生期望磁场。

如图2中所示，轭体204可被分为限定其间的加速室206的相对的轭区段228和230。轭区段228和230构造成沿磁轭202的中间平面232彼此相邻地定位。如图所示，回旋加速器200可竖直定向(相对于重力方向)使得中间平面232垂直于水平平台220延伸。平台220构造成支撑回旋加速器200的重量，并且例如可以是房间的地板或混凝土板。回旋加速器200具有中心轴线236，该中心轴线236在轭区段228和230之间水平延伸并穿过轭区段228和230(并分别穿过对应的侧面210和208)。该中心轴线236垂直于中间平面232延伸通过轭体204的中心。加速室206具有位于中间平面232和中心轴线236的交点处的中心区域238。在一些实施例中，中心区域238是加速室206的几何中心。还示出磁轭202包括在中心轴线236上方延伸的上部231和在中心轴线236下方延伸的下部233。

轭区段228和230分别包括在加速室206内跨中间平面232彼此相对的磁极248和250。磁极248和250可通过极隙G_P彼此分离。磁极248包括磁极顶部252并且磁极250包括正对磁极顶部252的磁极顶部254。磁极248和250以及极隙G_P大小和形状设置为当回旋加速器230操作时产生期望磁场。例如，在一些实施例中，极隙G_P可为3cm。

回旋加速器200还包括位于加速室206内或紧邻加速室206的磁体组件260。磁体组件260构造成有利于使用磁极248和250产生磁场以沿期望路径引导带电粒子。磁体组件260包括以距离D₁跨中间平面232彼此间隔开的一对相对的磁体线圈264和266。磁体线圈264和266可为例如铜合金电阻线圈。备选地，磁体线圈264和266可以是铝合金。磁体线圈可大致呈圆形并围绕中心轴线236延伸。轭区段228和230可分别形成大小和形状设置为分别接纳对应的磁体线圈264和266的磁体线圈空腔269和270。图2中还示出，回旋加速器200可包括将磁体线圈264和266与加速室206隔开并有利于将磁体线圈264和266保持就位的腔室壁272和274。

加速室206构造成允许带电粒子如¹H^-离子沿预定的弯曲路径在其中加速，该路径绕中心轴线236以螺旋方式缠绕并保持大致沿中间平面232。带电粒子首先紧邻中心区域238定位。当回旋加速器200启动时，带电粒子的路径可围绕中心轴线236形成轨道。在所示的实施例中，回旋加速器200是同步回旋加速器，由此带电粒子的轨道具有围绕中心轴线236弯曲的部分和更呈直线的部分。然而，本文所述的实施例并不限于同步回旋加速器，而是还包括其它类型的回旋加速器和粒子加速器。如图2中所示，当带电粒子围绕中心轴线236进行轨道运动时，带电粒子可从加速室206的上部231中的页面(page)弹出并进入加速室206的下部233中的页面。随着带电粒子围绕中心轴线236进行轨道运动，在带电粒子的轨道与中心区域238之间延伸的半径R扩大。当带电粒子到达沿该轨道的预定位置时，带电粒子被引导进入或通过提取系统(未示出)并离开回旋加速器200。

加速室206可在粒子束112形成之前和形成过程中处于抽空状态。例如，在产生粒子束之前，加速室206的压力可为大约1×10^-7毫巴。当粒子束激活并且H₂气体流经位于中心区域238的离子源(未示出)时，加速室206的压力可为大约2×10-5毫巴。由此，回旋加速器200可包括可紧邻中间平面232的真空泵276。真空泵276可包括从轭体204的端部214径向向外突出的部分。如以下将更详细地说明的，真空泵276可包括构造成抽空加速室206的泵。

在一些实施例中，轭区段228和230可朝向和远离彼此移动使得可以进入加速室206(例如，为了修理或维护)。例如，轭区段228和230可通过在轭区段228和230旁边延伸的铰链(未示出)结合。可通过使对应的轭区段绕铰链的轴线枢转来打开轭区段228和230中的任一个或两个。作为另一个示例，可通过使轭区段中的一个远离另一个线性地横向移动来使轭区段228和230彼此分离。然而，在备选实施例中，当进入加速室206(例如，通过通向加速室206内的磁轭202的孔或开口)时，轭区段228和230可以是整体形成的或者保持密封在一起。在备选实施例中，轭体204可具有未均匀分隔的区段和/或可包括超过两个区段。例如，轭体可具有如图8中关于磁轭504所示的三个区段。

加速室206可具有沿中间平面232延伸并关于中间平面232大致对称的形状。例如，加速室206可为大致盘形并且包括在磁极顶部252和254之间限定的内空间区域241和在腔室壁272和274之间限定的外空间区域243。粒子在回旋加速器200操作过程中的轨道可在空间区域241内。加速室206也可包括远离空间区域243径向向外延伸的通路，例如通向真空泵276的通路P₁(在图3中示出)。

图2中还示出轭体204具有限定轭体204的包络线207的外表面205。包络线207具有与由不带小的空腔、切口或凹部的外表面205限定的轭体204的总体形状大致相同的形状。(出于说明的目的，在图2中示出包络线207大于轭体204。)例如，包络线207的一部分通过沿由端部214的外表面205限定的平面延伸的虚线表示。如图2中所示，包络线207的截面是由侧面208和210、端部212和214以及拐角部216-219的外表面205限定的八边多边形。如以下将更详细地说明的，轭体204可形成允许构件或装置渗透到包络线207中的通路、切口、凹部、空腔等。

此外，磁极248和250(或者，更具体而言，磁极顶部252和254)可通过其间的空间区域241分开，带电粒子在该区域内沿期望路径被引导。磁体线圈262和266也可通过空间区域243分开。特别地，腔室壁272和274可在其间具有空间区域243。此外，空间区域243的周边可由还限定加速室206的周边的壁表面354限定。壁表面354可绕中心轴线236周向延伸。如图所示，空间区域241沿中心轴线236延伸等于极隙G_P(图3)的距离，而空间区域243沿中心轴线236延伸距离D₁。

如图2中所示，空间区域243绕中心轴线236围绕空间区域241。空间区域241和243可共同形成加速室206。因此，在所示实施例中，回旋加速器200不包括仅围绕空间区域241从而限定空间区域243作为回旋加速器的加速室的单独的罐或壁。更具体而言，真空泵276可通过空间区域243与空间区域241流体联接。进入空间区域241的气体可通过空间区域243从空间区域241抽空。真空泵276与空间区域243流体联接。

图3是回旋加速器200且更具体而言下部233的放大侧视截面图。轭体204可限定在加速室206上直接敞开的端口278。真空泵276可在端口278处与轭体204直接联接。端口278提供通入真空泵276的进口或开口以便不想要的气体粒子流经其中。端口278可成形(连同回旋分离器200的其它因素和尺寸)为提供气体粒子通过端口278的期望传导。例如，端口278可具有圆形、正方形或另一种几何形状。

真空泵276定位在由轭体204形成的泵接纳(PA)空腔282内。PA空腔282与加速室206流体联接并在加速室206的空间区域243上敞开并且可包括通路P₁。当定位在PA空腔282内时，真空泵276的至少一部分位于轭体204的包络线207(图2)内。真空泵276可沿中间平面232远离中心区域238或中心轴线236径向向外突出。真空泵276可以突出或可以不突出超过轭体204的包络线207。举例而言，真空泵276可位于加速室206与平台220之间(即，真空泵276位于加速室206正下方)。在其它实施例中，真空泵276也可在另一个位置沿中间平面232远离中心区域238径向向外突出。例如，在图2中真空泵276可在加速室206上方或后方。在备选实施例中，真空泵276可沿平行于中心轴线236的方向远离侧面208或210中的一个突出。另外，虽然图3中仅示出一个真空泵276，但备选实施例可包括多个真空泵。此外，轭体204可具有另外的PA腔室。

更具体而言，真空泵276可在端口278处与轭体204直接联接并定位在轭体204与平台220之间并且相对于重力方向G_F定向。真空泵276可定向为使得真空泵276的纵向轴线299随重力方向G_F延伸(即，G_F和纵向轴线299彼此平行地延伸)。在备选实施例中，真空泵276的纵向轴线299可相对于重力方向G_F形成角度θ。角度θ例如可大于10度。在其它实施例中，角度θ为约90度。在其它实施例中，角度θ大于90度。如图所示，角度θ可沿由沿重力方向延伸的轴线和中心轴线236形成的平面旋转(即，角度θ绕伸入和伸出页面的轴线旋转)。然而，角度θ也可沿中间平面232旋转。由此，真空泵276可定向为使得纵向轴线299沿中间平面232朝中心部分238径向延伸。

在特定实施例中，真空泵276是涡轮分子泵或无流体真空泵。使用油扩散泵的已知真空系统可以不如上所述成角度θ定向，因为油可能溢入加速室。然而，本文所述的一些泵，例如涡轮分子泵，可与轭体204直接联接或成大于10度的角度θ定向，因为此类泵不需要可能溢入加速室206的流体。此外，此类泵可成等于90度的角度θ或至少部分上下颠倒定向。

真空泵276包括罐壁280和被保持在其中的真空或泵组件283。罐壁280大小和形状设置为配合在PA空腔282内并且将泵组件283保持在其中。例如，当罐壁280从回旋加速器200延伸到平台220时罐壁280可具有大致圆形的截面。备选地，罐壁280可具有其它截面形状。罐壁280可在其中提供足够的空间用于泵组件283有效地操作。壁表面354可限定开口356并且轭区段228和230可形成紧邻端口278的对应的边沿部分286和288。边沿部分286和288可限定从开口356延伸到端口278的通路P₁。端口278在通路P₁和加速室206上开口并具有直径D₂。开口356具有直径D₅。直径D₂和D₅可构造成使得回旋加速器200在生产放射性同位素的过程中以期望效率操作。例如，直径D₂和D₅可基于加速室206的大小和形状，包括极隙G_P，以及泵组件283的操作传导率。作为具体示例，直径D₂可为约250mm到约300mm。

泵组件283可包括有效地抽空加速室206使得回旋加速器200在生产放射性同位素的过程中具有期望操作效率的一个或更多泵送装置284。泵组件283可包括一个或更多动量传递型泵、正排量型泵和/或其它类型的泵。例如，泵组件283可包括扩散泵、离子泵、低温泵、旋转叶片或粗抽泵和/或涡轮分子泵。泵组件283还可包括多个一种类型的泵或使用不同类型的泵的组合。泵组件283还可具有使用前述泵的不同特征或子系统的混合泵。如图3中所示，泵组件283还可与可将空气释放到周围环境中的旋转叶片或粗抽泵285成串联流体联接。

此外，泵组件283可包括用于去除气体粒子的其它构件，例如另外的泵、罐或腔室、管道、衬垫、包括通气阀的阀、仪表、密封件、油和排气管。另外，泵组件283可包括冷却系统或连接到冷却系统上。另外，整个泵组件283可装配在PA空腔282内(即，包络线207内)，或者备选地，仅一个或更多构件可位于PA空腔282内。在该示例性实施例中，泵组件283包括至少部分位于PA空腔282内的至少一个动量传递型真空泵(例如，扩散泵或涡轮分子泵)。

还示出了真空泵276可与加速室206内的压力传感器312通信联接。当加速室206达到预定压力时，泵送装置284可自动启动或自动关闭。虽然未示出，但加速室206或PA空腔282内可有另外的传感器。

图4示出可用作真空泵276(图2)的根据一个实施例形成的涡轮分子泵376的侧视图。涡轮分子泵376可与轭体204直接联接(即，不通过远离轭体204从PA空腔伸出的管道或导管与轭体联接)。涡轮分子泵376可在磁轭的端口378与平台375之间沿中心轴线290延伸。涡轮分子泵376包括与旋转风扇305操作联接的电动机302。旋转风扇305可包括转子叶片304和定子叶片306的一个或更多级。各转子叶片304和定子叶片306从沿中心轴线290延伸的轴291径向向外突出。在使用中，涡轮分子泵376作为压缩机类似地操作。转子叶片304、定子叶片306和轴291绕中心轴线290旋转。沿通路P₂流动的气体粒子经端口378进入涡轮分子泵376并且最初被一组转子叶片304撞击。转子叶片304成形为推动气体粒子远离回旋加速器的加速室，例如加速室206(图3)。定子叶片306定位在对应的转子叶片304附近并且也推动气体粒子远离该加速室。该过程继续通过风扇305的转子叶片304和定子叶片306的其它级，使得空气流沿朝涡轮分子泵376的底部区域392远离加速室的方向移动(箭头F指示该流动方向)。当气体粒子达到涡轮分子泵376的底部区域392时，可迫使气体粒子经排气管或管道308从涡轮分子泵376流出。排气管308引导从加速室去除的空气通过从罐壁380突出的出口310。出口310可与旋转轮叶泵或粗抽泵(未示出)流体联接。

图5是轭区段228的孤立的透视图并且更详细地示出磁极248、线圈空腔268和通向真空泵276(图2)的端口278(图2)的通路P₁。图5中X、Y和Z轴线指示轭区段228的定向。中间平面232由X轴线和Y轴线形成。中心轴线236沿Z轴线延伸。轭区段228具有包括等于图2中所示的长度L的直径D₃的大致圆形本体。轭区段228包括在环部321内限定的侧面敞开的空腔320。环部321具有围绕中心轴线236延伸并限定侧面敞开的空腔320的周边的内表面322。轭区段228还具有围绕环部321延伸的外表面326。环部321的径向厚度T₂被限定在内表面322与外表面326之间。

如图所示，磁极248位于侧面敞开的空腔320内。环部321和磁极248彼此同心并具有延伸穿过其中的中心轴线236。磁极248和内表面322在二者之间限定线圈空腔268的至少一部分。在一些实施例中，轭区段228包括沿环部321延伸并平行于由径向线237和239限定的平面的配合面324。配合面324构造成当轭区段228和230沿中间平面232(图2)配合在一起时与轭区段230的相对配合面(未示出)配合。

还示出轭区段228可包括部分限定通路P₁和PA空腔282(图3)的轭凹部330。轭区段230可具有类似地成形的轭凹部340(在图6中示出)，使得轭体204(图2)形成通路P₁和PA空腔282。轭凹部330成形为当轭体204完全形成时接纳真空泵276。例如，轭凹部330可具有切口341，该切口341可为矩形形状并朝中心轴线236以深度D₄伸入轭区段228。切口341也可具有沿轭区段228的弧形部分延伸的宽度W₁。轭区段228也可形成部分限定端口278(图3)或通路P₁的台肩(ledge)部分349。包括台肩部分349和切口341的凹部330可大小和形状设置为在回旋加速器200(图2)操作过程中对磁场的影响最小或没有影响。

在一个实施例中，表面322的全部或一部分和可与粒子互相作用的任何其它表面镀有铜。镀铜表面构造成减少多孔铁表面的影响。在一个实施例中，真空泵276的内表面可包括镀铜。镀铜内表面也可构造成减小表面电阻率。

虽然未示出，但可以存在延伸穿过轭区段228的径向厚度T₂的孔、开口或通路。例如，可存在延伸穿过径向厚度T₂的RF导通和其它电连接。也可存在粒子束离开回旋加速器200(图2)的束离开通道。此外，冷却系统(未示出)可具有延伸穿过径向厚度T₂以用于冷却加速室206内的构件的管道。

在所示的实施例中，回旋加速器200是同步回旋加速器，其中磁极248的磁极顶部252形成包括峰部331-334和谷部336-339的扇形装置。如下文将更详细地说明的，峰部331-334和谷部336-339与磁极250(图2)的对应的峰部和谷部互相作用，以产生用于聚焦带电粒子的路径的磁场。

图6是轭区段230的平面图。轭区段230可具有与关于轭区段228(图2)所述类似的构件和特征。例如，轭区段230包括限定具有位于其中的磁极250的侧面敞开的空腔420的环部421。环部421可包括构造成接合轭区段228的配合面324(图5)的配合面424。还示出轭区段230包括轭凹部340。当轭体204(图2)完全形成时，切口341(图5)和切口345组合而形成PA空腔282、真空端口278和通路P₁。PA空腔282可大致为立方体形或箱形使得真空泵276可配合在其中，并且真空端口278可为圆形。然而，在备选实施例中，PA空腔282和端口278可具有其它形状。

磁极250的磁极顶部254包括峰部431-434和谷部436-439。轭区段230还包括朝彼此并朝磁极250的中心444径向向内延伸的射频(RF)电极440和442。RF电极440和442分别包括分别从茎部445和447延伸的中空D形物441和443。D形物441和443分别位于谷部436和438内。茎部445和447可与环部421的内表面422联接。还示出轭区段230可包括绕磁极250和内表面422布置的多个拦截屏板471-474。拦截屏板471-474定位成拦截加速室206内损失的粒子。拦截屏板471-474可包含铝。轭区段230还可包括也包含铝的束刮板481-484。

RF电极440和442可形成RF电极系统，例如参考图1所述的电场系统106，其中RF电极440和442使加速室206(图2)内的带电粒子加速。RF电极440和442彼此配合并形成共振系统，该共振系统包括调谐为预定频率(例如，100MHz)的感应元件和电容元件。RF电极系统可具有可包括与一个或更多放大器通信的频率振荡器的高频发电机(未示出)。RF电极系统在RF电极440和442之间产生交流电势，从而使带电粒子加速。

图7A和7B是指示底部233所经受的磁场的回旋加速器200(图2)的底部233的截面图。图7A沿由X轴线和Y轴线形成的中间平面232(图2)截取，而图7B沿由Y轴线和Z轴线形成的平面截取。出于说明的目的，未示出真空泵276(图2)。然而，真空泵276可为任何上述真空泵，包括涡轮分子泵、非扩散泵或具有旋转风扇的无流体泵。在回旋加速器200的操作过程中，回旋加速器200所生成的磁场可能从期望区域逸散并进入不希望有磁场的区域。一般将此类磁场称为“杂散场”。图7A和7B示出了影响PA空腔282的杂散场。杂散场由磁场线B指示。PA空腔282内的磁场可包括两个分量。也就是说，在磁极248和250(或磁极顶部252和254)之间生成的经真空端口278渗透到PA空腔282中的磁场(通过场线B_POLES表示)和经PA空腔282返回的方向相反的磁场(通过场线B_RETURN表示)。随着磁场线B_POLES和B_RETURN进一步远离真空端口278延伸，场线的对应的量级减小。此外，B_POLES和B_RETURN具有方向相反的磁场，这可进一步减小PA空腔282内经受的磁场的量级。

如图7A和7B中所示，回旋加速器200可构造成在磁极248和250之间生成平均磁场使得PA空腔282内出现杂散磁场。在此类实施例中，真空泵276仍可至少部分地定位在PA空腔282内和/或至少部分地定位在轭体204的包络线207内。例如，可减小或限制PA空腔282内出现的杂散磁场使得真空泵276可在PA空腔282内有效地操作。如本文所用的，在定位在PA空腔282内和/或包络线207内时“有效地操作”包括真空泵276在商业上合理的时间段操作。例如，真空泵276可操作数年而不遭受明显损坏或需要更换真空泵276。

轭体204和PA空腔282的尺寸可构造为使得PA空腔282内经受的磁场不超过预定值。更具体而言，深度D₄、轭体204的厚度T₂、真空端口278的宽度W₁(图7A)、宽度W₂(图7B)和直径D₂中的一个或多个可大小和形状设置为使得PA空腔282内的磁场不超过预定值。例如，深度D₄可大于厚度T₂的一半(1/2)。此外，轭体204可限定具有厚度T₃的边沿390，该厚度T₃可为例如厚度T₂与深度D₄之差。直径D₂和厚度T₃可大小和形状设置为不仅允许预定的传导率水平，而且将PA空腔282内经受的磁场减小为预定值。在一个实施例中，厚度T₂为大约200mm，深度D₄可大于150mm，且直径D₂为大约300mm。然而，轭体204的前述尺寸仅为说明性的且并非旨在加以限制。在备选实施例中，轭体204的尺寸可为其它值。

由此，回旋加速器200可构造为使得真空泵276所经受的磁场的量级不超过预定值。例如，磁极248和250之间的平均磁场可为至少1特斯拉并且真空泵276所经受的磁场可小于约75高斯。更特别地，磁极248和250之间的平均磁场可为至少1特斯拉并且真空泵276所经受的磁场可小于约50高斯。在其它实施例中，磁极248和250之间的平均磁场可为至少1.5特斯拉并且真空泵276所经受的磁场可小于约75高斯或者可小于约50高斯。更特别地，当磁极248和250之间的平均磁场为1特斯拉或1.5特斯拉时真空泵276所经受的磁场可小于约30高斯。

真空泵276(例如，涡轮分子泵)可与真空端口278直接联接。然而，真空泵276可定位在PA空腔282中一定距离处(即，远离加速室206)使得真空泵276远离真空端口278更大的距离。在一些实施例中，在真空端口278处经受的磁场可超过其中真空泵276可有效地操作的预定值。然而，在此类实施例中，真空泵276的操作构件，例如电动机或旋转风扇，可以位于真空泵276内，使得这些操作构件所经受的磁场不会阻碍真空泵276有效地操作。

此外，在备选实施例中，PA空腔282可具有定位在其中的围绕真空泵276的屏蔽板。该屏蔽板可用于衰减真空泵276所经受的磁场。

图10A-10E是示出PA空腔内沿延伸穿过PA空腔的平面经受的磁场的曲线图。特别地，图10A-10E示出PA空腔在远离轭体的几何中心一定距离处(即，沿如图5中所示的X轴线)和沿PA空腔的宽度或直径(即，沿如图5中所示的Y轴线或Z轴线)经受的磁场。用于图10A-10E的PA空腔具有类似于通路P₁(图3)的通路，该通路从紧邻加速室的开口延伸到端口。在图10A-10E中，该开口具有250mm的直径且该端口具有300mm的直径。图10A示出磁场沿中间平面例如中间平面232(图2)或XY平面(图5)的量级；图10B示出磁场在XY平面中的z分量；图10C示出磁场沿YZ平面的量级；图10D示出磁场在YZ平面中的z分量；且图10E示出磁场在YZ平面中的y分量。

如图10A-10E中所示，PA空腔内部的磁场具有两个分量，也就是说，来自穿过PA空腔并穿入PA空腔中的磁极之间的磁场的分量和方向相反的轭磁场的分量，该分量所取的路径穿过PA空腔而不是轭体的材料(例如，铁)。图10A-10E示出磁场的量级和通过端口的两个垂直平面(中间平面z=0，而对称平面x=0)中的主要场分量。

图8是根据一个实施例形成的同位素生产系统的透视图。系统500构造成在医院或临床环境中使用并且可包括与系统100(图1)和回旋加速器(图2-6)一起使用的类似构件和系统。系统500可包括回旋加速器502和靶系统514，其中生成用于患者的放射性同位素。回旋加速器502限定加速室533，其中当回旋加速器502启动时带电粒子沿预定路径移动。当使用时，回旋加速器502使带电粒子沿预定或期望束路径536加速并将粒子引入靶系统514的靶阵列532。束路径536从加速室533延伸到靶系统514中并用虚线表示。

图9是回旋加速器502的截面。如图所示，回旋加速器502具有与回旋加速器200(图2)类似的特征和构件。然而，回旋加速器502包括磁轭504，该磁轭504可包括被夹在一起的三个区段528-530。更具体而言，回旋加速器502包括位于轭区段528和530之间的环区段529。当环区段和轭区段528-530如图所示堆叠在一起时，轭区段528和530跨中间平面534彼此正对并在其中限定磁轭504的加速室506。如图所示，环区段529可限定通向真空泵576的端口578的通路P₃。真空泵576可具有与真空泵276(图2)类似的特征和构件并且可为涡轮分子泵，例如涡轮分子泵376(图4)。

返回图8，系统500可包括护罩或壳体524，该护罩或壳体524包括向上敞开而彼此正对的可动隔板552和554。如图8中所示，两个隔板552和554都位于开启位置。壳体524可包括有利于屏蔽辐射的材料。例如，壳体可包括聚乙烯和可选的铅。当关闭时，隔板554可覆盖靶系统514的靶阵列532和用户接口558。隔板552当关闭时可覆盖回旋加速器502。

还如图所示，回旋加速器502的轭区段528可在打开位置与关闭位置之间移动。(图8示出打开位置且图9示出关闭位置。)轭区段528可附接到允许轭区段528像门或盖子一样摆开并提供到加速室533的通道的铰链(未示出)上。轭区段530(图9)也可在打开位置与关闭位置之间移动或者可被密封在环区段529(图9)上或与环区段529一体形成。

此外，真空泵576可位于环区段529的泵室562和壳体524内。当隔板552和轭区段528位于打开位置时可进入泵室562。如图所示，真空泵576位于加速室533的中心区域538下方，使得从水平支撑物520延伸通过端口578的中心的竖直轴线将与中心区域538相交。还示出了轭区段528和环区段529可具有屏蔽板凹部560。束路径536延伸穿过屏蔽板凹部560。

本文所述的实施例并未旨在局限于生成医用放射性同位素，而是也可生成其它同位素并使用其它靶材。此外，在所示的实施例中，回旋加速器200是竖直定向的同步回旋加速器。然而，备选实施例可包括其它类型的回旋加速器和其它定向(例如，水平)。

应理解，以上说明旨在进行说明，而非加以限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合地使用。另外，在不脱离其范围的前提下，可做出许多改型以使具体情形或材料适合本发明的教导。虽然本文所述的材料的尺寸和类型旨在限定本发明的参数，但它们绝非限制并且是示例性实施例。在参看以上描述以后，诸多其它实施例对于本领域的技术人员来说将显而易见。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求和对此类权利要求赋予的等同装置的完整范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的通俗英语等效术语。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，且并非旨在对它们的对象施加数值要求。此外，以下权利要求的限制不是以装置加功能的格式书写且并非旨在基于美国法律第35条112款第六段来解释，除非且直到这种权利要求限制清楚地使用“用于…的装置”接着陈述功能而不存在进一步的结构。

此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种回旋加速器，包括：

磁轭，其具有围绕加速室的轭体，所述轭体包括相对的磁极顶部，所述磁极顶部之间具有空间；

用于产生磁场以沿期望路径引导带电粒子的磁体组件，所述磁体组件位于所述加速室中，所述磁场通过所述加速室并在所述磁轭内传播，其中所述磁场的一部分作为杂散场逸出所述磁轭之外；其特征在于：

所述轭体具有限定所述轭体的包络线的外表面；且

还包括与所述轭体直接联接并至少部分位于所述包络线内的真空泵，所述真空泵构造成将真空导入所述加速室；

其中，所述轭体形成所述包络线内的泵接纳PA空腔，所述PA空腔与所述加速室流体联接，所述真空泵定位在所述PA空腔中。

2.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，当所述磁极顶部之间的平均磁场为1.0特斯拉时，所述磁轭尺寸设置为使得所述真空泵不会经受超过75高斯的磁场。

3.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，当所述回旋加速器用于产生放射性同位素时，所述磁极顶部之间的平均磁场为至少1特斯拉。

4.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，所述真空泵完全定位在所述PA空腔中。

5.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，所述真空泵是涡轮分子泵。

6.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，所述真空泵是包括旋转风扇的涡轮分子泵，所述旋转风扇至少部分地定位在所述包络线内。

7.根据权利要求1所述的回旋加速器，其特征在于，所述真空泵的至少一部分在所述轭体的几何中心的650 mm内。

8.一种回旋加速器，包括：

用于产生磁场以沿期望路径引导带电粒子的磁体组件，所述磁体组件位于所述加速室中，所述磁场通过所述加速室并在所述磁轭内传播，其中所述磁场的一部分作为杂散场逸出所述磁轭之外；其特征在于，还包括：

与所述轭体联接的真空泵，所述真空泵构造成将真空导入所述加速室，所述真空泵是具有用于产生真空的旋转风扇的无流体泵，其中所述真空泵的至少一部分在所述轭体的几何中心的650 mm内，并且其中当所述磁极顶部之间的平均磁场为1特斯拉时，所述真空泵不经历超过75高斯的磁场；

其中，所述轭体形成与所述加速室流体联接的泵接纳PA空腔，所述真空泵定位在所述PA空腔中。

9.根据权利要求8所述的回旋加速器，其特征在于，所述磁轭尺寸设置为使得当所述磁极顶部之间的平均磁场为1特斯拉时所述真空泵不会经受超过50高斯的磁场。

10.根据权利要求8所述的回旋加速器，其特征在于，所述真空泵是涡轮分子泵。

11.一种同位素生产系统，包括：

用于产生磁场以沿期望路径引导带电粒子的磁体组件，所述磁体组件位于所述加速室中，所述磁场通过所述加速室并在所述磁轭内传播，其中所述磁场的一部分作为杂散场逸出所述磁轭之外；

其特征在于：

在同位素的生产期间所述磁极顶部之间的平均磁场为至少1特斯拉；且

还包括与所述轭体联接的真空泵，所述真空泵构造成将真空导入所述加速室，其中所述磁轭尺寸设置为使得在所述同位素的生产期间所述真空泵不会经受超过75高斯的磁场，并且其中所述真空泵的至少一部分在所述轭体的几何中心的650 mm内；以及

定位成接收所述带电粒子以生成同位素的靶容器;

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述磁轭尺寸设置为使得所述真空泵不会经受超过50高斯的磁场。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述真空泵是具有用于产生真空的旋转风扇的无流体泵。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述真空泵是涡轮分子泵。

15.根据权利要求11所述的同位素生产系统，其特征在于，所述同位素生产系统构造成在所述同位素的生产期间以大约9.6 MeV或更小的能量操作。

16.根据权利要求11所述的同位素生产系统，其特征在于，所述同位素生产系统构造成在所述同位素的生产期间以10-30μA的束电流操作。

17.根据权利要求11所述的同位素生产系统，其特征在于，所述同位素生产系统在所述同位素的生产期间生成正离子，并生成以下同位素的至少其中一种：¹⁸F^-同位素，¹¹C同位素，或¹³N同位素。