источник протонов или нейтронов высокой энергии

Формула изобретения

1. Компактное устройство для создания ядерных частиц, включающее: ионный источник, ускоритель и мишенную установку; причем ионный источник используется для получения ионного пучка и функционально связан с ускорителем ионного пучка; ускоритель используется для приема ионного пучка и его ускорения для получения ускоренного ионного пучка; мишенная установка функционально связана с указанным ускорителем и содержит облучаемый материал мишени для извлечения ядерных частиц, который реагирует с ускоренным пучком для излучения ядерных частиц, при этом мишенная установка имеет форму и размеры: а) магнитной мишенной камеры, б) линейной мишенной камеры, функционально связанной с высокоскоростным синхронизированным насосом, или в) линейной мишенной камеры, функционально связанной с системой извлечения изотопов.

2. Устройство по п.1, в котором мишенная установка является магнитной мишенной камерой, имеющей: а) верхнюю и нижнюю части, б) первый магнит, который крепится к верхней части, и в) второй магнит, который крепится к нижней части, причем первый и второй магниты вызывают рециркуляцию ионного пучка в мишенной камере.

3. Устройство по п.1, в котором мишенная установка является линейной мишенной камерой.

4. Устройство по п.1, в котором высокоскоростной синхронизированный насос включает: а) по меньшей мере одну лопасть, б) по меньшей мере один промежуток в/между по меньшей мере одной лопасти для прохождения ионного пучка, в) по меньшей мере один синхросигнал, г) контроллер, функционально соединенный по меньшей мере с одним синхросигналом и ускорителем, причем контроллер выполнен с возможностью изменения напряжения ускорителя для открытия и закрытия доступа ионного пучка в мишенную камеру.

5. Устройство по п.1, в котором ионный источник включает: а) вход для ввода первичной текучей среды для ионизации и выход, б) вакуумную камеру, имеющую первый и второй концы, причем первый конец соединен с указанным входом, в) функционально соединенную с вакуумной камерой ВЧ антенну для положительной ионизации первичной текучей среды с целью создания ионного пучка, причем вакуумная камера обеспечивает прохождение ионного пучка от входа к выходу из ионного источника, и г) ионный инжектор, функционально связанный со вторым концом вакуумной камеры и имеющий первую часть, соединенную со второй частью, причем первая часть ионного инжектора выполнена с возможностью коллимации ионного пучка.

6. Устройство по любому из пп.1-5, в котором ускоритель включает ускоритель с электродным возбуждением.

7. Устройство по п.6, в котором ускоритель включает: а) первый конец и второй конец, причем первый конец соединен со второй частью ионного инжектора, б) вакуумную камеру, имеющую внутреннюю и внешнюю области, проходящие от первого до второго конца ускорителя, и обеспечивающие прохождение ионного пучка от первого конца до второго конца ускорителя, в) по меньшей мере два ускоряющих электрода, расположенных вдоль и проходящих внутрь указанной камеры, для создания электрического поля с напряжением, уменьшающимся от первого конца ко второму концу указанного ускорителя, так, что энергия ионного пучка увеличивается от первого ко второму концу ускорителя, и г) противокоронирующее кольцо, соединенное каждым ускоряющим электродом снаружи камеры, для уменьшения электрического поля.

8. Устройство по п.7, включающее систему излучения изотопов, функционально связанную с мишенной установкой, и содержит материал для извлечения изотопов.

9. Устройство по п.8, в котором система извлечения изотопов включает систему труб для протекания материала для извлечения изотопов, включающего вторичную текучую среду, ядерные частицы, проникающие в трубы системы извлечения изотопов и вступающие в реакцию с вторичной текучей средой для создания радиоизотопов.

10. Устройство п.9, в котором мишенная камера имеет стенки, которые пропускают ядерные частицы, а система извлечения изотопов располагается вблизи мишенной камеры.

11. Устройство по п.8 или 9, в котором мишенная камера имеет стенки, которые не пропускают ядерные частицы, а система извлечения изотопов располагается в мишенной камере.

12. Устройство по п.7, включающее материал для извлечения изотопов, находящийся вблизи мишенной камеры, стенки которой выполнены с возможностью пропускания ядерных частиц.

13. Устройство по любому из пп.1-5, 7-10, 12, дополнительно включающее: дифференциальную насосную систему, выполненную с возможностью ограничения потока молекул от мишенной камеры к указанному ускорителю и, в свою очередь, включающую: а) первый и второй концы, причем первый конец соединен со вторым концом ускорителя, б) по меньшей мере одну вакуумную камеру, обеспечивающую прохождение ионного пучка от первого ко второму концу дифференциальной насосной системы, в) по меньшей мере один вакуумный насос, соединенный с каждой вакуумной камерой для снижения давления; и г) выход вакуумного насоса, соединенный с вакуумным насосом.

14. Устройство по п.13, включающее систему фильтрации газа, установленную между дифференциальной системой откачки и мишенной камерой и, в свою очередь, включающую: а) первый конец и второй конец, б) сорбционную ловушку, расположенную на первом конце системы фильтрации газов, соединенном со вторым концом мишенной камеры, улавливающую водород, выходящий из мишенной камеры, в) по меньшей мере одну азотную ловушку, расположенную на втором конце системы фильтрации газов, подсоединенную к сорбционной ловушке, захватывающей примеси текучей среды, выходящие из мишенной камеры, г) по меньшей мере один запорный клапан вакуумного насоса, выполненный с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, имеющий один конец, который соединен с указанными ловушками, второй конец, который соединен с выходом вакуумного насоса дифференциальной насосной системы, и третий конец, и е) клапан откачки, который выполнен с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями и соединен с третьим концом запорного клапана вакуумного насоса и который при его нахождении в открытом положении, а также нахождении в закрытом положении запорного клапана вакуумного насоса, обеспечивает отведение примесей потока текучей среды от системы фильтрации газа.

15. Способ извлечения ядерных частиц, включающий: активацию ионного источника для производства ионного пучка; ускорение ионного пучка до энергии, достаточной для получения ускоренного ионного пучка; направление пучка ускоренных ионов в мишенную установку, содержащую соответствующий облучаемый материал мишени для извлечения ядерных частиц, реагирующий с указанным пучком, для производства ядерных частиц, согласно которому мишенная установка имеет форму и размеры: а) магнитной мишенной камеры, б) линейной мишенной камеры, функционально связанной с высокоскоростным синхронизированным насосом, или в) линейной мишенной камеры, функционально связанной с системой извлечения изотопов.

16. Способ по п.15, который включает взаимодействие ядерных частиц с выбранным радионуклидным материалом для производства, по меньшей мере одного радионуклида.

17. Способ по п.15 или 16, согласно которому ионный пучок включает ионы ² H, а облучаемый материал мишени для извлечения ядерных частиц включает ³He.

18 Способ по п.15 или 16, согласно которому ионный пучок включает ионы ²H, а облучаемый материал мишени для извлечения ядерных частиц включает ³ Н.

19. Способ по п.15 или 16, согласно которому материалом для извлечения изотопов является , или ⁹⁸Mo.

20. Способ по п.15 или 16, согласно которому материалом для извлечения изотопов является , а генерируемым изотопом является ¹³N.

21. Способ по п.15 или 16, согласно которому материалом для извлечения изотопов является , а генерируемым изотопом является ¹⁸F.

22. Способ по п.15 или 16, согласно которому материалом для извлечения изотопов является ⁹⁸Mo, а генерируемым изотопом является ⁹⁹Mo.

23. Способ по п.15 или 16, согласно которому ускоренный ионный пучок является ионным пучком с током, по меньшей мере, 50 мА и энергией, по меньшей мере, 100 кэВ.

24. Способ по п.15 или 16, согласно которому излучаемые ядерные частицы являются протонами с энергией 0,3-30 МэВ.

25. Способ по п.15 или 16, согласно которому облучаемый материал находится под давлением от 0 мТорр до 100 Торр.

26. Способ по п.15 или 16, согласно которому излучаемые ядерные частицы являются протонами с энергией 10-20 МэВ.

27. Способ по п.15 или 16, согласно которому облучаемый материал находится под давлением от 100 мТорр до 30 Торр.

28. Способ по п.15 или 16, согласно которому излучаемые ядерные частицы являются нейтронами с энергией 0,1-30 МэВ.

29. Способ по п.15 или 16, согласно которому излучаемые ядерные частицы являются нейтронами с энергией 2-20 МэВ.

30. Способ п.24, согласно которому генерируется изотоп ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O, ¹³ N, ⁶³Zn или ¹²⁴I.

31. Способ по п.28, согласно которому генерируется изотоп ¹³¹I, ¹³³ Xe, ¹¹¹In, ¹²⁵I или ⁹⁹Mo.

32. Способ по п.15 или 16, согласно которому ядерными частицами являются протоны или нейтроны.

33. Способ по п.15 или 16, согласно которому радионуклидами являются ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O, ¹³N, ⁶³Zn, ¹²⁴I, ¹³¹I, ¹³³Xe, ¹¹¹ In, ¹²⁵I или ⁹⁹Mo.

34. Способ по п.15 или 16, согласно которому генерирующий ядерные частицы материал включает ³He, ²H или ³H.

35. Способ извлечения протонов или нейтронов с использованием устройства по п.1.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка притязает на приоритет по предварительной патентной заявке США № .61/017288, поданной 28 декабря 2007 года, и предварительной патентной заявке США № .61/139985, поданной 22 декабря 2008 года, которые полностью включены в настоящее описание.

ВВЕДЕНИЕ

Источники протонов и нейтронов, такие как ядерные реакторы, устройства для проведения реакции расщепления, циклотроны, линейные ускорители или существующие ускорители пучков с мишенями, обычно используют для производства короткоживущих радиоизотопов для медицинских целей. Эти традиционные источники имеют множество недостатков, включая массивную и дорогостоящую конструкцию и то, что они производят значительное количество высокоэнергетического излучения, которое требует применения экранирующих средств. Экранирующие средства, как правило, дороги и имеются лишь в немногих местах. Кроме того, недостатком таких источников, как циклотроны и линейные ускорители, является ограниченный срок службы мишеней, если их используют в качестве источника нейтронов. Только небольшое число этих источников расположено в учреждениях здравоохранения, что затрудняет лечение пациентов, которым может принести пользу использование изотопов, особенно изотопов с коротким периодом полураспада в связи с их быстрым распадом. Когда необходимы изотопы с коротким периодом полураспада, только медицинские учреждения, которые имеют доступ к средствам производства изотопов, могут производить изотопы в достаточных количествах для того, чтобы быть доставленными пациенту до их распада.

Кроме ограниченной доступности существующие устройства испытывают различные технические проблемы, которые зависят от типа устройства. В устройствах, основанных на твердых мишенях, мишень может быть быстро повреждена облучением гелием, когда пучок содержит частицы гелия, или мишень быстро насыщается дейтерием, когда пучок содержит частицы дейтерия. Такое насыщение дейтерием приводит к удалению гелия из мишени с быстрым снижением производительности по времени и является источником нежелательных ²H-²H ядерных реакций, которые создают высокоэнергетические нейтроны и требуют значительного экранирования. Кроме того, число протонов, которые могут быть эффективно захвачены в устройствах с твердой мишенью, может быть ограничено, потому что протоны испускаются изотропно, и многие из них будут попросту похоронены в глубине материала мишени. Кроме того, что мишень имеет короткий срок службы, выход этих устройств может быть ограничен из-за проблем, связанных с поддержанием мишени в холодном состоянии.

Существующие устройства, основанные на газовых мишенях, могут иметь ограничения, связанные с тем, что ионный пучок не достигает полной энергии, необходимой для реакции, например в устройствах, содержащих инерционную электростатическую камеру, в режиме фонового пучка, или с коротким сроком службы тонкого окна, разделяющего мишень, находящуюся под высоким давлением, и область низкого давления вблизи ускорителя. Кроме того, важным значением для достижения успешного результата может быть фоновое давление газа. Слишком высокое или слишком низкое давление может привести к неэффективной эксплуатации, и результирующие уровни производства могут быть слишком низкими для использования, в том числе для медицинских процедур.

Эти и другие ограничения при использовании традиционных источников протонов или нейтронов не позволяют сделать возможным получение изотопов в малых и отдаленных районах, и, кроме того, приводят к значительным капитальным вложениям в такое крупное оборудование.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Компактный источник протонов или нейтронов высокой энергии, в соответствии с принципами настоящего изобретения, лишен недостатков, присущих известным источникам протонов или нейтронов. В соответствии с изобретением устройство может получать как протоны, так и нейтроны, путем изменения типа топлива и ускоряющего напряжения. Устройство включает ионный источник, ускоритель и мишенную установку, которая имеет форму и размеры магнитной мишенной камеры, линейной мишенной камеры, функционально связанной с высокоскоростным синхронизированным насосом, или линейной мишенной камеры с системой извлечения изотопов. Источник протонов высокой энергии, в соответствии с настоящим изобретением, может также включать высокоскоростной насос, который синхронизирован с ионным источником потока ионов от ускорителя. Указанный насос предотвращает отток большей части материала из мишенной камеры и позволяет устранить необходимость в дифференциальной насосной системе, и/или обеспечивает возможность использования меньшей линейной мишенной камеры.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен источник протонов высокой энергии с низким уровнем излучения для получения медицинских изотопов. Источник, согласно настоящему изобретению, производит протоны высокой энергии (>10 МэВ), посредством ² H-³He реакции ядерного синтеза. Образованные изотопы могут быть использованы для осуществления диагностической процедуры с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), а также других процедур, связанных с визуализацией, и лечебных процедур. В частности, источник протонов согласно настоящему изобретению может быть использован для извлечения таких изотопов, как ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O, ¹²⁴I и ¹³N. Возможность создания ¹³N, ¹¹ С и ¹⁵O в устройстве с низким излучением, согласно настоящему изобретению, может способствовать развитию новых методов визуализации.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство с источником протонов высокой энергии для получения медицинских изотопов, которое является менее дорогостоящим и более компактным, чем традиционные технологические решения, такие как циклотроны. Источник протонов высокой энергии для получения медицинских изотопов испускает минимальное излучение по сравнению с традиционными технологиями, сводя к минимуму или устраняя необходимость в специальных бункерах для размещения генератора излучения, что позволяет обеспечить более широкий доступ пациентов.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен источник протонов высокой энергии для получения медицинских изотопов, который может функционировать при сочетании высокого давления мишенной камеры и низкого давления секции ускорителя, с использованием специализированной дифференциальной насосной системы. Такое сочетание позволяет прикладывать высокие рабочие напряжения (300 кВ до 500 кВ и более) при высоком уровне производительности (>10¹³ протонов/сек) протонов высокой энергии (>10 МэВ). Настоящее изобретение может включать магнитную мишенную камеру, которая обеспечивает возможность использования более низких давлений и имеет меньшие размеры по сравнению с известными ускорителями типа «пучок-мишень». В магнитной мишенной камере ионы топлива движутся вокруг силовых линий магнитного поля, проходя больший путь в короткой камере по сравнению с ионным пучком, который движется по проходящей через более длинную камеру линии, близкой к прямой.

Согласно еще одному аспекту источник нейтронов, в соответствии с принципами настоящего изобретения, может генерировать сильные потоки изотропных нейтронов. Поток изотропных нейтронов высокой энергии может быть получен путем изменения вида топлива с ²H-³He на ²H-²He, ²H-³He, или ³H-³He и соответствующей настройкой напряжения ускорителя. Источник нейтронов высокой энергии может производить материалы для радиофармацевтических препаратов, включая ⁹⁹Mo, который распадается на ^99mTc (мета-стабильный ⁹⁹Tc), который, в свою очередь, используется для медицинских диагностических процедур, а также на ¹³¹I, ¹³³ Xe, ¹¹¹In и ¹²⁵I.

Согласно другим аспектам изобретения, источник протонов или нейтронов, в соответствии с настоящим изобретением, может быть использован для научных исследований таких, как изучение влияния облучения протонами и нейтронами высокой энергии физической среды, материалов, а в случае протонов - электрических и магнитных полей. Источник протонов, в соответствии с настоящим изобретением, может также быть использован для осуществления превращения материалов, включая отходы атомной промышленности, и насыщения материалов протонами для улучшения физических свойств. Источник нейтронов может быть использован для осуществления превращения материалов, включая отходы атомной промышленности; окраски драгоценных камней; облучения нейтронами материалов для повышения физических свойств; выявления скрытых веществ, таких, как ядерное оружие, взрывчатка, наркотики и биологические препараты; а также в качестве вспомогательного устройства для подкритического реактора.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение может быть наилучшим образом понято из подробного описания конкретных вариантов его реализации, представленных в настоящем документе со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 показывает первый вид генератора с магнитной мишенной камерой.

фиг.2 показывает второй вид генератора с магнитной мишенной камерой.

фиг.3 показывает первый вид генератора с линейной мишенной камерой.

фиг.4 показывает первый вид ионного источника.

фиг.5 показывает ионный источник в разрезе.

фиг.6 показывает первый вид ускорителя.

фиг.7 показывает ускоритель в разрезе.

фиг.8 показывает первый вид дифференциального насоса.

фиг.9 показывает дифференциальный насос в разрезе.

фиг.10 показывает первый вид фильтрующей системы для фильтрации газа.

фиг.11 показывает первый вид магнитной мишенной камеры.

фиг.12 показывает магнитную мишенную камеру в разрезе.

фиг.13 показывает первый вид линейной мишенной камеры.

фиг.14 показывает линейную мишенную камеру в разрезе и вариант реализации системы получения изотопов для производства изотопов ¹⁸F и ¹³N.

фиг.15 показывает первый вид генератора с линейной мишенной камерой и синхронизированным высокоскоростным насосом.

фиг.16 показывает вид в разрезе синхронизированного высокоскоростного насоса в состоянии извлечения изотопов, обеспечивающем прохождение ионного пучка.

фиг.17 показывает синхронизированный высокоскоростной насос в разрезе в заглушенном состоянии, не обеспечивающем прохождение ионного пучка.

фиг.18 показывает принципиальную схему генератора с линейной мишенной камерой, синхронизированным высокоскоростным насосом и контроллером, согласно одному из вариантов реализации.

фиг.19 показывает график энергии торможения (КэВ/мкм) в зависимости от энергии ионов (КэВ) ³He газа на ²H ионах при давлении газа 10 торр и температуре 25°C.

фиг.20 показывает график энергии торможения (КэВ/мкм) в зависимости от энергии ионов (КэВ) ³Не газа на ²H ионах при давлении газа в 10 торр и температуре 25°C.

фиг.21 показывает график скорости реакции ядерного синтеза (реакций/секунду) в зависимости от энергии падающего ионного пучка (КэВ) для ионного пучка ²H, соударяющегося с мишенью ³Не при токе 100 мА ионного пучка и давлении 10 торр.

Подробное описание

Настоящее изобретение представляет собой компактное устройство, которое может являться источником протонов или нейтронов высокой энергии. Согласно одному из вариантов реализации в устройстве, реализующем принципы настоящего изобретения, проходят (дейтерия и гелия-3) реакции ядерного ²H- ³He синтеза с получением протонов, которые затем могут быть использованы для создания других изотопов. Согласно другому варианту реализации, предлагаемое устройство является источником нейтронов, полученных путем изменения базовой реакции на реакции ²H-³H, ²H-²H, или ³H-³H.

Перед подробным описанием вариантов реализации настоящего изобретения следует отметить, что оно не ограничено применением конструктивных деталей и расположением компонентов, приведенных в нижеследующем описании или показанных на нижеследующих чертежах. Изобретение также имеет другие варианты реализации. Кроме того, следует отметить, что терминология настоящего изобретения используется для целей описания и не является ограничивающей. Использование в настоящем документе выражений "включающий", "содержащий" или "имеющий" и их вариаций указывает на объединение терминов, их эквивалентов, а также дополнительных терминов, перечисленных за этими выражениями. Термины "установленный", "соединенный", "поддерживаемый" и " сочлененный " и их варианты используются в широком смысле и объединяют прямые и непрямые крепления, соединения, опоры и сочленения, если не указано иное. Кроме того, термины "соединенный" и "сочлененный" обозначают не только физические или механические соединения или сочленения.

Перед описанием по меньшей мере одного из вариантов реализации настоящего изобретения следует отметить, что изобретение не ограничено применением деталей, описанных в приведенном ниже описании и примерах. Указанные описание и примеры не ограничивают объем настоящего изобретения, ограниченный формулой изобретения. Настоящее изобретение может иметь другие варианты практической реализации и использования.

Кроме того, не предполагается, что какая-либо ссылка, включая патент или патентный документ, приведенная в данной заявке, является прототипом. В частности, следует отметить, что ссылка на какой-либо документ в настоящем описании не означает признания того, что эти документы являются частью общеизвестных знаний в данной области техники в Соединенных Штатах или в любой другой стране, если не указано иное. Любые пояснения при ссылках на документы точно определяют притязания авторов этих документов, а заявитель настоящего изобретения сохраняет за собой право оспаривать точность и релевантность приведенных в настоящем описании документов.

Аспекты настоящего изобретения в описании могут быть представлены в виде диапазонов. Следует отметить, что указание диапазонов предназначено только для удобства и краткости изложения и не должно рассматриваться в качестве строгого ограничения. Таким образом, для специалиста очевидно, что для различных целей, в частности для составления письменного описания, все диапазоны в рамках данного документа также включают различные возможные поддиапазоны и сочетания поддиапазонов, а также все целые и дробные числовые величины в этих диапазонах. В качестве примера, диапазон от 20% до 40% может быть разбит на диапазоны от 20% до 32,5% и от 32,5% до 40%, от 20% до 27,5% и от 27,5% до 40% и т.д. Любой диапазон приведен с целью описания и может быть разбит, по меньшей мере, на равные доли, две, три, четыре, пять, десять и т.д. В качестве одного из примеров, каждый приведенный диапазон может быть разбит на нижнюю треть, среднюю треть, и верхнюю треть и т.д. Кроме того, для специалиста очевидно, что такие фразы, как "до", "по меньшей мере", "больше чем", "меньше чем" и подобные им, включают заданное числовое значение и обозначают соответствующие диапазоны, которые могут быть последовательно разбиты на поддиапазоны, как указано выше. Кроме того, все приведенные диапазоны соотношений также включают все соотношения, входящие в соответствующий диапазон соотношений. Выше приведены только примеры конкретного применения. Кроме того, в настоящем описании взаимозаменяемыми являются выражение "заключающийся/заключается между" первым числовым значением и вторым числовым значением и выражение "заключающийся/составляет от" первого числового выражения «до» второго числового выражения.

Кроме того, использование в настоящем документе выражений "содержащий", "включающий", "имеющий" и их вариаций указывает на объединение перечисленных за этими выражениями терминов, их эквивалентов, а также дополнительных терминов, например, описывающих другие преобразования или ингредиенты, которые не влияют на окончательный результат. К таким выражениям также относятся "состоящий из" и "состоящий по существу из". Использование выражения "состоящий по существу из" означает, что используемая смесь или способ может включать дополнительные компоненты и/или операции, но только в том случае, если такие дополнительные компоненты и/или операции не оказывают существенного влияния на изменение основных и предлагаемых характеристик заявленной смеси или способа.

С учетом недостатков, присущих традиционным источникам протонов или нейтронов, в настоящем изобретении предложен новый источник протонов или нейтронов высокой энергии, который может быть использован для производства медицинских изотопов. Устройство в соответствии с настоящим изобретением потребляет небольшое количество энергии для создания реакции ядерного синтеза, в результате которой создаются протоны и нейтроны более высокой энергии, которые в свою очередь могут быть использованы для производства изотопов. Потребление небольшого количества энергии позволяет сделать устройство более компактным по сравнению с традиционными устройствами.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением выполнено с возможностью получения протонов, которые могут быть использованы для создания других изотопов, в том числе ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O, ¹³ N, ⁶³Zn, ¹²⁴I. При изменении типа топлива, устройство в соответствии с настоящим изобретением может также использоваться для получения больших потоков изотропных нейтронов, которые, в свою очередь, могут быть использованы для получения изотопов, в том числе ¹³¹I, ¹³³Xe, ¹¹¹In, ¹²⁵I, ⁹⁹Mo (который распадается с образованием ^99mTc). Таким образом, объектом настоящего изобретения является новый компактный источник протонов или нейтронов высокой энергии для использования, например, с целью получения медицинских изотопов, который имеет много преимуществ по сравнению с известными источниками протонов или нейтронов.

Настоящим изобретением является устройство для извлечения протонов и нейтронов, подходящих для производства различных радионуклидов (или радиоактивных изотопов). Устройство включает плазменный источник ионов, в качестве которого может быть использован ионный генератор с ВЧ возбуждением, ускоритель, например, с электродным возбуждением, и мишенную установку. При производстве радиоизотопов на основе протонов устройство может также включать систему извлечения изотопов. Ионный источник плазмы с ВЧ возбуждением создает и коллимирует ионный пучок, направленный вдоль заданного пути, при этом ионный источник плазмы включает вход для ввода первичной текучей среды. Управляемый ускоритель с электродным возбуждением принимает ионный пучок и ускоряет его для получения ускоренного ионного пучка. Мишенная установка принимает ускоренный ионный пучок. Мишенная установка содержит облучаемый материал мишени для извлечения ядерных частиц, например протонов или нейтронов, который реагирует с ускоренным пучком, что, в свою очередь, приводит к излучению ядерных частиц, т.е. протонов и нейтронов. Для производства радиоизотопов мишенная установка может иметь боковины, которые пропускают ядерные частицы. Система извлечения изотопов расположена вблизи или внутри мишенной установки и содержит материал для производства изотопов, который реагирует на ядерные частицы для извлечения радионуклидов (или радиоизотопов).

Рассмотрим прилагаемые чертежи. Устройство, реализующее принципы настоящего изобретения, обозначено ссылочными номерами 10 или 11 и имеет две конфигурации: магнитную конфигурацию 10 и линейную конфигурацию 11. Шесть основных секций или компонентов устройства соединены, как показано на фиг.1 и фиг.2, для магнитного устройства и, как показано на фиг.3, для линейной конфигурации. Устройство 10, реализующее принципы настоящего изобретения, включает ионный источник 20, ускоритель 30, дифференциальную насосную систему 40, мишенную установку, которая включает мишенную камеру 60 или 70, систему 80 удержания ионов, а также систему 90 извлечения изотопов. Настоящее изобретение дополнительно может включать систему 50 фильтрации газа. Устройство, согласно настоящему изобретению, также может включать синхронизированный высокоскоростной насос 100 вместо дифференциальной насосной системы 40 или в дополнение к ней. Насос 100 особенно удобен для работы при линейной конфигурации мишенной камеры.

Ионный источник 20 (фиг.4 и фиг.5) включает вакуумную камеру 25, высокочастотную (ВЧ) антенну 24, а также ионный инжектор 26, состоящий из первой части 23 ионного инжектора и последней части 35 ионного инжектора (фиг.6). Для обеспечения возможности работы ионного источника с высокоплотной геликоновой модой для создания высокоплотной плазмы 22, которая, в свою очередь, позволяет получить больший ионный ток, в устройстве может иметься магнит (не показан). Напряженность поля магнита колеблется примерно от 50 Гс до 6000 Гс, наиболее подходящими являются величины примерно от 100 Гс до 5000 Гс. Магниты могут быть ориентированы с возможностью создания осевого поля (ориентация север-юг, параллельно пути ионного пучка) или поля касповой геометрии (ориентация север-юг, перпендикулярно пути ионного пучка, при этом внутренний полюс сопряженных магнитов попеременно меняется с северного на южный). Осевое поле может создавать геликоновую моду (плотная плазма), в то время как поле касповой геометрии вместо геликолновой индуктивной моды может создавать плотную плазму. Газовпускной патрубок 21 находится на одном конце вакуумной камеры 25, а первая часть 23 ионного инжектора 26 находится на другом. Патрубок 21 обеспечивает подачу одного из требуемых видов топлива, которое может включать ¹H₂, ²H₂, ³H₂, ³ He и ¹¹B или ¹H, ²H, ³ H, ³He и ¹¹B. Поток газа через патрубок 21 соответствующим образом регулируется посредством регулятора массового расхода (не показан), который может управляться пользователем или автоматически. ВЧ антенна 24 соответствующим образом обвита вокруг вакуумной камеры 25. Кроме того, ВЧ антенна 24 может находиться внутри вакуумной камеры 25. ВЧ антенна 24 подходящим образом располагается вблизи вакуумной камеры так, что радиочастотное излучение, излучаемое антенной 24, вызывает возбуждение содержимого (например, топливный газ) вакуумной камеры 25, формируя, например, плазму. ВЧ антенна 24 включает трубку 27 из одного или нескольких витков. ВЧ трубка или провод 27 могут быть изготовлены из проводящих и гибких материалов, таких как медь, алюминий или нержавеющая сталь.

Ионный инжектор 26 включает по меньшей мере одну профилированную часть (23, 35). Каждая часть ионного инжектора включает ускоряющий электрод 32, выполненный соответствующим образом из проводящих материалов, которые могут включать металлы и сплавы, для обеспечения эффективной коллимации ионного пучка. Например, электроды могут соответствующим образом выполняться из проводящего металла с низким коэффициентом распыления, например, вольфрама. К другим подходящим материалам относятся алюминий, сталь, нержавеющая сталь, графит, молибден, тантал и другие. Один конец ВЧ антенны 24 подсоединен к выходу согласующей цепи ВЧ импеданса (не показана), а другой конец заземлен. Согласующая цепь ВЧ импеданса позволяет настраивать антенну для согласования импеданса, требуемого указанным генератором, и создания радиочастотного резонанса. ВЧ антенна 24 соответствующим образом создает широкий диапазон высоких частот, в том числе без ограничения от 0 Гц до десятков КГц, десятков МГц, ГГц и выше. ВЧ антенна 24 может иметь водяное охлаждение от внешнего водоохладителя (не показан), для обеспечения рассеивания большой мощности при минимальном изменении сопротивления. Согласующая цепь через один из витков ВЧ антенны 24 может быть подключена к ВЧ электрогенератору (не показан). Ионный источник 20, согласующая цепь и ВЧ электрогенератор могут быть изолированными (незаземленными) и иметь самый высокий ускоряющий потенциал, который может быть получен путем подсоединения к высоковольтному источнику напряжения. ВЧ электрогенератор может регулироваться дистанционно, так что интенсивность пучка может управляться пользователем, или, альтернативно, компьютерной системой. ВЧ антенна 24, соединенная с вакуумной камерой 25, соответствующим образом положительно ионизирует топливо, создавая ионный пучок. Альтернативные средства для создания ионов известны специалистам и могут включать устройства СВЧ разряда, электронной ударной ионизации и лазерной ионизации.

Ускоритель 30 (фиг.6 и фиг.7) соответственно включает вакуумную камеру 36, один конец которой с использованием стыковочного фланца 31 ионного источника подсоединен к ионному источнику 20, а другой конец с использованием стыковочного фланца 33 дифференциальной насосной системы присоединен к дифференциальной насосной системе 40. Первая часть ускорителя является последней частью 35 ионного инжектора 26. По меньшей мере, один круговой ускоряющий электрод 32, предпочтительно от 3 до 50, более предпочтительно от 3 до 20 электродов, может быть установлен вдоль оси вакуумной камеры 36 ускорителя и проходить внутрь вакуумной камеры 36 ускорителя, сохраняя при этом границу вакуума. Через центры ускоряющих электродов 32 проходят отверстия (которые меньше отверстий камеры ускорителя), которые соответствующим образом центрированы по продольной оси (от конца ионного источника к концу дифференциального насоса) вакуумной камеры ускорителя для обеспечения прохода ионного пучка. Минимальный диаметр отверстия в ускоряющем электроде 32 увеличивается в соответствии с силой ионного пучка или количеством ионных пучков и может составлять примерно от 1 мм до 20 см в диаметре и, предпочтительно, примерно от 1 мм до 6 см в диаметре. Снаружи вакуумной камеры 36, ускоряющие электроды 32 могут быть подключены к противокоронирующим кольцам 34, что уменьшает электрическое поле и минимизирует коронный разряд. Эти кольца могут быть погружены в диэлектрическое масло или изолирующий диэлектрический газ, например SF₆. Для удобства стыковочный фланец 33 дифференциального насоса, который облегчает подключение к дифференциальной насосной системе 40, располагается на выходе ускорителя.

Специалистам известно, что на каждый ускоряющий электрод 32 ускорителя 30 может быть подано напряжение смещения либо от высоковольтных источников питания (не показаны), либо с резистивного делителя (не показан). Указанный делитель, в большинстве случаев, является предпочтительным ввиду его простоты. В конструкции с резистивным делителем, конец ионного источника ускорителя может быть связан с высоковольтным источником питания, а второй и последующие ускоряющие электроды 32 могут быть заземлены. Промежуточные напряжения ускоряющих электродов 32 могут быть заданы резистивным делителем. Для предотвращения попадания электронов из мишенной камеры назад в ускоритель 30, на последнюю часть ускорителя через последний ускоряющий электрод предпочтительно подается отрицательное напряжение смещения.

Согласно другому варианту реализации вместо ускорителя 30, описанного выше, может быть использован линейный ускоритель (например, ВЧ квадрупольный). Линейный ускоритель может иметь меньшую эффективность и больший размер по сравнению с ускорителем 30, описанным выше. Первый конец линейного ускорителя может быть подключен к ионному источнику 20, а другой конец - к дифференциальной насосной системе 40. Для извлечения частиц высокой энергии линейные ускорители могут использовать высокую частоту вместо постоянного тока и высокого напряжения и могут быть сконструированы известным для специалистов образом.

Дифференциальная насосная система 40 (фиг.8 и фиг.9) включает редукционные барьеры 42 для снижения давления, которые соответствующим образом отграничивают в дифференциальной насосной системе 40 по меньшей мере одну часть. Каждый из редукционных барьеров 42 соответственно включает тонкую сплошную пластину или по меньшей мере одну длинную узкую трубку диаметром, как правило, 1 см, с небольшим отверстием в центре диаметром, примерно от 1 мм до 20 см, предпочтительно примерно от 1 мм до 6 см. Каждая часть включает вакуумную камеру 44, соответствующие редукционные барьеры 42 и вакуумные насосы 17, каждый из которых имеет выход 41 вакуумного насоса. Каждая вакуумная камера 44 может иметь по меньшей мере один, предпочтительно от 1 до 4, вакуумный насос 17, в зависимости от того имеет ли она три, четыре, пять или шесть портов. Два порта вакуумной камеры 44 соответствующим образом ориентированы относительно линии потока частиц и используются для входа и выхода ионного пучка из дифференциальной насосной системы 40. Указанные порты каждой камеры 44 также могут находиться в том же месте, где находятся редукционные барьеры 42. Остальные порты каждой камеры 44 с использованием соединительных фланцев соответствующим образом соединены с вакуумными насосами 17 или могут быть подсоединены к различным приборам и устройствам управления. Выходящие газы из вакуумных насосов 17 попадают через выход 41 вакуумного насоса в дополнительный вакуумный насос или компрессор (не показаны), если это необходимо, и подаются в систему 50 фильтрации газа. Кроме того, в случае необходимости, указанный дополнительный вакуумный насос может быть расположен между системой 50 фильтрации газа и мишенной камерой 60 или 70. При наличии дополнительного этапа сжатия, он может осуществляться между вакуумными насосами 17 и системой 50 фильтрации. Один конец дифференциальной насосной системы с использованием стыковочного фланца 45 ускорителя связан с ускорителем 30, а другой конец с использованием стыковочного фланца 43 мишенной камеры соединен с портом 46 выхода пучка в мишенную камеру (60 или 70). Дифференциальная насосная система 40 может также включать устройство генерации турбулентных потоков (не показано) для нарушения ламинарного течения. Устройство генерации турбулентных потоков может ограничивать поток текучей среды и может включать поверхностные возмутители или другие элементы или их сочетания для нарушения ламинарного течения. Турбулентное течение, как правило, медленнее, чем ламинарное и поэтому позволяет снизить скорость утечки текучей среды из мишенной камеры в дифференциальную насосную секцию.

Система 50 фильтрации газа с использованием изолирующих клапанов 51 вакуумного насоса соответствующим образом соединена с выходами 41 вакуумного насоса дифференциальной насосной системы 40 или с дополнительными компрессорами (не показаны). Система 50 фильтрации газа (фиг.10) включает по меньшей мере одну барокамеру или "ловушку" (13, 15), над которыми проходит выход 41 вакуумного насоса. Ловушки соответствующим образом захватывают примеси текучей среды, которые могут выходить из мишенной камеры или источника ионов, и которые, например, могут попадать в систему из атмосферы. Ловушки могут быть охлаждены до криогенных температур с помощью жидкого азота (азотные ловушки 15). Таким образом, холодные жидкостные ловушки 13, 15 обеспечивают преобразование газа, например атмосферных загрязнителей, в жидкость и его удержание в ловушках 13, 15. Пройдя последовательно через по меньшей мере одну азотную ловушку 15, газ направляется в соответствующую титановую сорбционную ловушку 13, которая поглощает загрязняющий газообразный водород, такой как дейтерий, который может выходить из мишенной камеры или ионных источников и приводить к загрязнению мишенной камеры. Выход сорбционной ловушки 13 через запорный клапан мишенной камеры 52 системы 50 фильтрации газа соответствующим образом подсоединен к мишенной камере 60 или 70. Система 50 фильтрации газа может быть полностью удалена из устройства 10, если требуется обеспечить постоянный поток газа в систему и осуществление его выхода через выход 41 вакуумного насоса, в другой вакуумный насос (не показан) и за пределы этой системы. Без системы 50 фильтрации газа, работа устройства 10 не будет существенно изменена. Устройство 10, функционирующее в качестве источника нейтронов, может не включать сорбционную ловушку 13 или систему 50 фильтрации газа.

Запорные клапаны 51 вакуумного насоса и запорные клапаны 52 мишенной камеры могут обеспечивать возможность изоляции системы 50 фильтрации газа от остальной части устройства и ее присоединения к внешнему насосу (не показан) через выходной клапан 53 откачки, при насыщении ловушки газом. Так, если запорные клапаны 51 вакуумного насоса и запорные клапаны 52 мишенной камеры закрыты, выходные клапаны 53 откачки могут быть открыты для откачки примесей.

Мишенная камера 60 (фиг.11 и фиг.12 для магнитной системы 10) или мишенная камера 70 (фиг.13 и фиг.14 для линейной системы 11) может быть заполнена мишенным газом под давлением примерно от 0 до 100 тор, или примерно от 100 мтор до 30 тор, предпочтительно примерно от 0,1 до 10 тор, и примерно от 100 мтор до 30 тор соответственно. Конфигурация мишенной камеры 60 или 70 может изменяться в зависимости от ее назначения и может иметь большое количество вариаций. В качестве мишенной камеры для линейной системы 14 может использоваться цилиндр примерно от 10 см до 5 м в длину и примерно от 5 мм до 100 см в диаметре. Предпочтительно, мишенная камера 70 для линейной системы 14 может быть примерно от 0,1 м до 2 м в длину и примерно от 30 до 50 см в диаметре.

Мишенная камера 60 магнитной системы 12 может напоминать «лепешку», примерно от 10 см до 1 м в высоту и примерно от 10 см до 10 м в диаметре. Предпочтительно, мишенная камера 60 магнитной системы 12 может быть примерно от 20 см до 50 см в высоту и примерно 50 см в диаметре. Пара постоянных магнитов или электромагнитов (удерживающий магнит 12 для удержания ионов) магнитной мишенной камеры 60 может располагаться на верхних поверхностях такой «лепешки», за пределами стен, ограничивающих вакуум, или вокруг внешнего диаметра мишенной камеры (см. фиг.11 и фиг.12). Магниты предпочтительно изготовлены из материалов, таких как медь и алюминий, сверхпроводников или NdFeB для электромагнитов. Полюса магнитов могут быть ориентированы с возможностью создания в мишенной камере осевого магнитного поля. Указанное магнитное поле, соответственно, управляется с помощью магнитной цепи, включающей магнитные материалы высокой проницаемости, таких как сталь марки 1010, мю-металл или других материалов. Размер магнитной мишенной камеры и магнитной энергии пучка определяет силу поля согласно формуле (1)

для дейтронов, где r измеряется в метрах, E - энергия пучка в эВ, B - напряженность магнитного поля в Гс. Магниты могут быть ориентированы параллельно верхним поверхностям указанных «лепешек» и поляризованы с возможностью образования магнитного поля, перпендикулярного направлению пучка из ускорителя 30, т.е. магниты могут быть установлены на верхней и нижней частях камеры для обеспечения рециркуляции ионов. В другом варианте реализации, согласно которому используется магнитная мишенная камера 60, на верхней и нижней частях камеры соответствующим образом расположены дополнительные магниты для создания полей магнитного зеркала на обоих концах магнитной мишенной камеры (сверху и снизу), которые создают локальные районы сильного магнитного поля на обоих концах мишенной камеры, обеспечивая тем самым зеркальный эффект, что приводит к отражению ионного пучка от концов мишенной камеры. Указанные дополнительные магниты, создающие поля магнитного зеркала, могут быть постоянными магнитами или электромагнитами. Один конец мишенной камеры с использованием стыковочного фланца 33 дифференциальной насосной системы с возможностью функционального взаимодействия соединен с дифференциальной насосной системой 40, а канал 62 рециркуляции газа обеспечивает возможность повторного поступления газа в мишенную камеру из системы 50 фильтрации газа. Мишенная камера также может включать проходные каналы (не показаны) для обеспечения соединения с различными устройствами извлечения изотопов.

Магнитное поле ограничивает положение ионов в магнитной мишенной камере 60. В линейной мишенной камере 70, вводимые ионы ограничиваются мишенным газом. При использовании мишенной камеры в качестве источника протонов или нейтронов, может возникать необходимость в использовании экрана для защиты оператора устройства от излучения, а экранирование может быть осуществлено бетонными стенками, толщиной по меньшей мере в один фут. В качестве альтернативы, устройство может быть расположено под землей или в бункере, удаленном от пользователей, а в качестве экрана могут быть использованы вода, другие жидкости или их сочетания.

Как дифференциальная насосная система 40, так и система 50 фильтрации газа могут входить в мишенную камеру 60 или 70. Дифференциальная насосная система 40, соответственно, обеспечивает ионный пучок, в то время как система 50 фильтрации газа подает поток отфильтрованного газа для заполнения мишенной камеры. Кроме того, в случае получения изотопов, вакуумный проход (не показан) может быть установлен в мишенной камере 60 или 70, для обеспечения сообщения системы 90 извлечения изотопов с внешней средой.

Система 90 извлечения изотопов, включающая систему 63 получения изотопов, может иметь любое количество конфигураций для обеспечения исходных соединений или материалов, а также удаления изотопов, полученных внутри или в непосредственной близости от мишенной камеры. Система 63 получения изотопов может, например, включать активационную трубку 64, которая включает туго закрученную спираль, проходящую только внутри цилиндрической мишенной камеры и имеющую стенки 65. Кроме того, в случае мишенной камеры, выполненной в виде «лепешки», с удерживающей системой 80 для удержания ионов, она может включать спираль, которая покрывает устройство по окружности такой «лепешки» и две последовательно соединенные спирали, на верхней и нижней стенке указанной «лепешки». Стенки 65 активационных трубок 64, используемых в таких конфигурациях, достаточно прочны, чтобы противостоять разрыву, и достаточно тонки, чтобы протоны с энергией свыше 14 МэВ (примерно от 10 до 20 МэВ) могли пройти через них, сохранив большую часть своей энергии. В зависимости от материала, стенки трубки могут быть толщиной примерно от 0,01 мм до 1 мм и, предпочтительно, около 0,1 мм. Стенки трубок, предпочтительно, изготовлены из материалов, из которых не получают нейтроны.

Тонкостенные трубки могут быть изготовлены из таких материалов, как алюминий, углерод, медь, титан или нержавеющая сталь. Проходы (не показаны) могут соединять активационные трубки 64 с внешней средой системы, так что образовавшаяся текучая среда, насыщенная смесями, может проходить в теплообменник (не показан) для охлаждения и химический сепаратор (не показан), в котором образовавшиеся смеси, насыщенные изотопами, отделяются от исходных смесей, дочерних смесей и примесей.

В другом варианте реализации, показанном на фиг.15, высокоскоростной насос 100 располагается между ускорителем 30 и мишенной камерой 60 или 70. Высокоскоростной насос 100 может заменить дифференциальную насосную систему 40 и/или систему 50 фильтрации газа. Высокоскоростной насос соответственно включает по меньшей мере одну лопасть или ротор 102 и синхросигнал 104, который функционально соединен с контроллером 108. Высокоскоростной насос может быть синхронизирован с ионным пучком, вытекающим из части ускорителя, так, что ионный пучок или ионные пучки могут проходить через по меньшей мере один промежуток 106 в/между лопастях 102 в то время, когда промежутки 106 лежат на одной прямой с ионным пучком. Синхросигнал 104 может быть создан с помощью по меньшей мере одного маркера, расположенного вдоль вала насоса или на по меньшей мере одной из лопастей. Маркеры могут включать оптические, магнитные или другие известные подходящие маркеры. Синхросигнал 104 может указывать на расположение лопастей 102 или промежутка 106 и на то, совпадают ли они, обеспечивая проход ионного пучка от первой части 35 ускорителя 30 через высокоскоростной насос 100 до мишенной камеры 60 или 70. Синхросигнал 104 может использоваться в качестве импульсного переключателя от напряжения извлечения ионного пучка, для обеспечения выхода ионного пучка из ионного источника 20 и ускорителя 30 и входа в высокоскоростной насос 100. При прохождении через систему от ионного источника 20 к ускорителю 30, к высокоскоростному насосу 100 и к мишенной камере 60 или 70, ионный пучок может оставаться включенным некоторый период времени, в течение которого ионный пучок и промежуток 106 совпадают, а затем выключиться, когда ионный пучок и промежуток 106 перестают совпадать. Координация синхросигнала 104 и ионного пучка может осуществляться контроллером 108. Согласно одному из вариантов реализации контроллер 108 (фиг.18) может включать блок 110 преобразования импульсов, блок 112 изоляции высокого напряжения и высокоскоростной переключатель 114 для установки напряжения ускорителя 30 от гасящего напряжения (ионный пучок выключен; разница может быть в 5-10 кВ) до извлекающего напряжения (ионный пучок включен; разница может быть 20 кВ). Синхросигнал 104 создает соответствующий логический импульс, который передается через замедляющее или другое логическое устройство, или другими подходящими способами, известными в данной области. Блок 110 преобразования импульсов может изменять параметры работы турбины высокоскоростного насоса для соответствия задержке, а в качестве высокоскоростного переключателя 114 может использоваться полевой транзистор с МОП-структурой или могут применяться другие подходящие технологии переключения, известные в данной области техники. Блок 112 изоляции высокого напряжения может включать волоконный световод или другие соединения, известные в данной области техники. Синхросигнал 104, например, может указывать на наличие или отсутствие промежутка 106 за один оборот лопасти 102 только один раз, а одиночный импульс с помощью контроллера 108 может подавать сигнал набору электронных устройств на генерацию набора из n импульсов при n промежутках за один оборот лопасти. Кроме того, синхросигнал 104 может свидетельствовать о наличии или отсутствии промежутка 106 из m промежутков при вращении лопасти, а одиночный импульс с помощью контроллера 108 может подавать сигнал набору электронных устройств на генерацию набора из m импульсов при m промежутках за один оборот лопасти. Логические импульсы могут быть переданы или координированы с помощью контроллера 108 в первую часть ускорителя 35 (извлекатель ионов), так, что логический импульс переключают первую часть ускорителя 35 из заглушенного состояния в состояние извлечения и наоборот. При напряжении ускорителя, например, +300 кВ, если в высокоскоростном насосе 100 отсутствует промежуток 106, то на первую часть ускорителя 35 может подаваться напряжение смещения +295 кВ, так что положительный ионный пучок не будет проходить от напряжения +295 кВ к напряжению +300 кВ, а если в высокоскоростном насосе 100 имеется промежуток 106, то на первую часть ускорителя 35 может подаваться напряжение смещения +310 кВ, так что ионный пучок будет проходить через ускоритель 30 и через промежутки 106 в высокоскоростном насосе 100 до мишенной камеры 60 или 70. Разница напряжений при заглушенном состоянии и состоянии извлечения может иметь относительно небольшие значения, например, примерно от 1 кВ до 50 кВ, предпочтительно, примерно от 10 кВ до 20 кВ. Малое изменение напряжения может приводить к быстрой смене заглушенного состояния (фиг.17) на состояние извлечения (фиг.16). Синхросигнал 104 и контроллер 108 могут приводиться в действие с использованием любых подходящих средств, известных в данной области, в том числе без ограничения с использованием полупроводников и оптоволоконных кабелей. Период времени, в течение которого ионный пучок включен и выключен, может зависеть от таких факторов, как скорость вращения лопастей 102, числа лопастей или промежутков 106 и размеров лопастей или промежутков.

Так, например, изотопы ¹⁸F и ¹³N, которые используются в ПЭТ сканерах, могут быть получены из ядерных реакций внутри устройства. Эти изотопы могут быть созданы из исходных изотопов ¹⁸O (для ¹⁸F) и ¹⁶O (для ¹³N) с помощью протонной бомбардировки. Источником исходных изотопов может быть жидкость, такая как вода ( и ), которая может проходить через систему получения изотопов с помощью внешней насосной системы (не показана) и вступать в реакцию с протонами высокой энергии в мишенной камере для создания требуемой смеси. Для производства ¹⁸F или ¹³ N, вода ( и соответственно) пропускается через систему 63 получения изотопов, протоны высокой энергии, созданные в результате вышеупомянутых реакций ядерного синтеза, могут проникать через стенки трубки 64, сталкиваются с исходной смесью и инициируют (p, ) реакции для производства ¹⁸F или ¹³ Н. Например, в замкнутой системе, насыщенная изотопами вода затем может циркулировать через теплообменник (не показан) для охлаждения указанной текучей среды, а затем через химический фильтр (не показан), например, ионообменные смолы, для отделения изотопов от текучей среды. Водяная смесь затем может рециркулировать в мишенной камере (60 или 70), тогда как изотопы удерживаются в фильтре; спринцовке или другом подходящем средстве, известным из уровня техники, до полной подготовки к осуществлению визуализации или других процедур.

Помимо описанной трубчатой спирали, существуют и другие конфигурации, которые могут быть использованы для производства тех же или других радионуклидов. Например, система 63 получения изотопов может включать параллельные петли или плоскую панель с ребрами. В другом варианте реализации кожух водяного охлаждения может быть прикреплен к стене вакуумной камеры. Для создания изотопов ¹⁸F или ¹³ N, спираль может быть заменена некоторым количеством тонкостенных элементов, включая тонкие окна, или может быть заменена твердым веществом, в котором имеется высокая концентрация кислорода, и которое может быть удалено и обработано после превращения. Другие изотопы могут быть получены с использованием других средств.

Вначале мишенная камера 60 и 70 заполняется первой порцией предварительно введенного через ионный источник 20 мишенного газа, такого как ³He, при отключенном питании, что позволяет газу протекать через устройство 10 и попадать в мишенную камеру. В процессе работы, реагирующий газ, такой как ² H₂, поступает в ионный источник 20 и положительно ионизируется ВЧ полем для получения плазмы 22. По мере расширения внутри вакуумной камеры 25 в сторону ионного инжектора 26, плазма 22 начинает подвергаться действию более отрицательного потенциала в ускорителе 30. Это приводит к тому, что положительно заряженные ионы разгоняются в сторону мишенной камеры 60 или 70. Ускоряющие электроды 32 (частей 23 и 35) в ионном источнике 20 коллимируют ионный пучок или ионные пучки, придавая каждому профиль почти однородного пучка в первой части ускорителя 30. Альтернативно, первая часть ускорителя 30 может обеспечивать подачу импульсов или включение/выключение ионного пучка, как описано выше. По мере продвижения в каждой части ускорителя 30 пучок получает дополнительную энергию, которая по достижении пучком последней части ускорителя может составлять до 5 МэВ, до 1 МэВ, предпочтительно до 500 КэВ, от 50 КэВ до 5 МэВ, предпочтительно от 50 КэВ до 500 КэВ, и от 0 до 10 А/с, от 10 до 100 мА/с. Этот потенциал поддерживается внешним источником питания (не показан), выполненным с возможностью подачи требуемого напряжения. Некоторое количество нейтрального газа из ионного источника 20 может также просачиваться в ускоритель 30, однако для предотвращения чрезмерного давления и выхода системы из строя давление в ускорителе 30 будет сведено к минимуму с использованием дифференциальной насосной системы 40 или синхронизированного высокоскоростного насоса 100. Ионный пучок поступает на высокой скорости в дифференциальный насос 40, где он с минимальным взаимодействием проходит через части сравнительно низкого давления, с короткой длиной пути. Отсюда он поступает в мишенную камеру 60 или 70, сталкиваясь с высокоплотным мишенным газом, находящимся под давлением от 0 до 100 тор, от 100 мтор до 30 тор, предпочтительно от 5 до 20 тор, замедляясь и инициируя ядерные реакции. Излучаемые ядерные частицы могут быть протонами с энергией примерно от 0,3 МэВ до 30 МэВ, предпочтительно, примерно, от 10 МэВ до 20 МэВ, или нейтронами с энергией, примерно, от 0,1 МэВ до 30 МэВ, предпочтительно от 2 МэВ до 20 МэВ.

В варианте реализации с линейной мишенной камерой 70, ионный пучок продолжает двигаться приблизительно прямолинейно и сталкивается с высокоплотным мишенным газом для инициации ядерных реакций вплоть до остановки пучка.

В варианте реализации с магнитной мишенной камерой 60, ионный пучок проходит по приблизительно винтовой траектории с радиусом орбиты (для ионов дейтерия, ²H), вычисляемой из уравнения (2):

где r - радиус орбиты в см, T_i - энергия ионов в эВ, B - напряженность магнитного поля в Гс. Для пучка дейтерия с энергией 500 кэВ и магнитного поля 5 КГс, радиус орбиты составляет около 20,4 см и соответственно вписывается в камеру радиуса 25 см. Несмотря на возможность нейтрализации ионов, скорость, с которой происходит реионизация, существенно больше, и частица большую часть времени является ионом.

Будучи захваченными магнитным полем, орбиты ионов до остановки пучка обеспечивают очень большую длину пути в короткой камере. Благодаря увеличению длины пути по сравнению с линейной мишенной камерой 70, магнитная мишенная камера 60 также может работать при более низком давлении. Таким образом, магнитная мишенная камера 60 может являться более подходящим конфигурационным решением. Магнитная мишенная камера может быть меньше, чем линейная мишенная камера и при этом обеспечивать большую длину пути, поскольку пучок может рециркулировать несколько раз в одном пространстве. Продукты реакции ядерного синтеза могут быть сконцентрированы в меньшей камере. Как уже отмечалось, магнитная мишенная камера может работать при более низком давлении, чем линейная мишенная камера, снижая нагрузку на насосную систему, поскольку на большей длине пути с газом под низким давлением может быть обеспечено то же количество столкновений, что и с газом под более высоким давлением на короткой длине пути в линейной мишенной камере.

Из-за градиента давления между ускорителем 30 и мишенной камерой 60 или 70, газ может вытекать из мишенной камеры в дифференциальную насосную систему 40. Вакуумные насосы 17 могут быстро удалять этот газ, обеспечивая снижение давления в 10-100 раз и более. Затем этот «вытекающий» газ фильтруется, вторично проходит через систему 50 фильтрации газа и перекачивается обратно в мишенную камеру, что обеспечивает более эффективную работу. Кроме того, высокоскоростной насос 100 может направлять поток в обратном направлении в мишенную камеру для предотвращения вытекания газа из мишенной камеры.

Если требуемым продуктом являются медицинские изотопы, система 90 извлечения изотопов, как описано в настоящем документе, устанавливается в мишенной камере 60 или 70. Это устройство позволяет протонам высокой энергии взаимодействовать с исходными нуклидами нужного изотопа. В случае производства ¹⁸F или ¹³N, мишень может быть на водной основе (¹⁶O для ¹³N и ¹⁸O для ¹⁸F) и будет протекать через систему тонкостенных труб. Толщина стенок должна быть достаточно малой, для того чтобы протоны с энергией 14,7 МэВ, получаемые за счет реакций ядерного синтеза, проходили через них без потери значительной энергии, что позволит им превращать исходный изотоп в требуемый дочерний изотоп. Затем вода, богатая ¹³N и ¹⁸F, фильтруется и охлаждается с помощью внешней системы. Также могут быть получены и другие изотопы, такие как ¹²⁴I (из ¹²⁴Te и др.), ¹¹C (из ¹⁴N и ¹¹B и др.), ¹⁵O (из ¹⁵N и др.) и ⁶³Zn.

Если требуемым продуктом являются протоны, предназначенные для других целей, мишенная камера 60 или 70 может быть соединена с другими устройствами для достижения этих целей с использованием протонов высокой энергии. Например, устройство согласно настоящему изобретению может быть использовано в качестве ионного источника для протонной терапии, в котором пучок протонов ускоряется и используется для облучения раковых клеток.

Если требуемым продуктом являются нейтроны, такого оборудования как системы 90 извлечения изотопов не требуется, так как нейтроны могут проникать через стенки вакуумной системы с небольшой потерей энергии. Для производства нейтронов, топливо в инжекторе заменяется дейтерием или тритием, материал мишени заменяется тритием или дейтерием, соответственно. При этом может быть получен выход нейтронов примерно до 10¹⁵ нейтронов/сек и более. Кроме того, может быть удалена сорбционная ловушка 13. Смесь исходного изотопа может располагаться вокруг мишенной камеры 60 или 70, а испускаемые нейтроны могут преобразовывать смесь исходного изотопа в требуемую смесь дочернего изотопа. Кроме того, система извлечения изотопов может по-прежнему или дополнительно использоваться внутри или вблизи мишенной камеры. Замедлитель (не показан), который замедляет нейтроны, может быть использован для повышения эффективности взаимодействия нейтронов. Замедлителем нейтронов может быть любой материал или материалы, которые замедляют нейтроны.

Подходящие замедлители могут быть изготовлены из материалов с низкой атомной массой, которые слабо поглощают тепловые нейтроны. Например, для извлечения ⁹⁹Мо из исходного соединения ⁹⁸Mo, может быть использован водяной замедлитель. ⁹⁹Mo распадается до ^99m Tc, который может быть использован для медицинских процедур визуализации. Также могут быть получены и другие изотопы, такие как ¹³¹ I, ¹³³Xe, ¹¹¹In и ¹²⁵I. При использовании в качестве источника нейтронов настоящее изобретение может включать экран, такой как бетон или жидкости, такие как вода, толщиной по меньшей мере в один фут, для защиты операторов от радиации. Кроме того, для защиты оператора от радиации источник нейтронов может храниться под землей. Способ применения и эксплуатации изобретения в режиме производства нейтронов является таким же, как показано в приведенном выше описании.

Согласно настоящему изобретению, может быть рассчитана скорость ядерного синтеза для пучка, соударяющегося с плотным мишенным газом. Приращение скорости ядерного синтеза для ионного пучка, соударяющегося с плотным мишенным газом, задается уравнением (3):

где df(E) - скорость ядерного синтеза (реакции/сек) в дифференциальном энергетическом интервале dE, n_b - плотность мишенного газа (частиц/м³), l_ion - ионный ток (A), e - фундаментальный заряд 1,6022*10^-19 кулонов/частица, (E) - зависящее от энергии поперечное сечение (м² ), и dl - приращение длины пути, на котором энергия частицы равна E. Поскольку частица замедляется, попав в цель, частицы обладают энергией E только на бесконечно малом участке пути.

Для вычисления полной скорости ядерного синтеза для пучка, останавливающегося в газе, уравнение (3) интегрируется по всей длине пути частицы, от места, где энергия имеет максимальное значение E₁ , до места остановки частицы, как показано в уравнении (4):

где F(E_i) - общая скорость ядерного синтеза для пучка начальной энергией E_i, останавливающегося в мишенном газе. Для решения этого уравнения, приращение dl длины пути задается в единицах энергии. Эта взаимосвязь определяется по останавливающей способности газа, которая является функцией, полученной опытным путем, и может быть описана с помощью различных функций. Поскольку указанные соотношения и соотношения сечения ядерного синтеза являются сложными, указанные интегралы были найдены численно. Данные для остановки дейтерия в газе ³Не при давлении 10 тор и температуре 25°C были получены из компьютерной программы «Остановка и диапазон ионов в веществе» (SRIM, Джеймс Зиглер www.srim.org) и показаны на фиг.19.

Для прогнозирования промежуточных значений было использовано уравнение. Данные, показанные на фиг.19, были сведены в многочлен десятого порядка. Коэффициенты многочлена приведены в таблице 1, а результирующая кривая, наилучшим образом согласующаяся с многочленом десятого порядка, приведена на фиг.20.

Таблица 1
Порядок		Коэффициент
10		-1.416621E-27
9		3.815365E-24
8		-4.444877E-21
7		2.932194E-18
6		-1.203915E-15
5		3.184518E-13
4		-5.434029E-11
3		5.847578E-09
2		-3.832260E-07
1		1.498854E-05
0		-8.529514E-05

Как видно из этих данных, в рассматриваемом диапазоне энергий соответствие было довольно точным. Это соотношение позволяет связать приращение длины пути dl с приращением интервала энергий с помощью протабулированного выше многочлена. Для численного решения можно выбрать либо постоянный шаг длины, либо постоянный шаг энергии, что позволит подсчитать, сколько энергии потеряла конкретная частица или какой путь она проделала на заданном шаге. Поскольку скорость ядерного синтеза в уравнении (4) задана в единицах dl, для расчета был применен способ, при котором была выбрана постоянная длина шага. Рекурсивное соотношение для энергии E частицы, по мере прохождения через мишень, задается уравнением (5):

где n - текущий шаг (n=0 является первым шагом и E₀ - начальная энергия частицы), E_n+1 энергия на следующем шаге приращения, S(E) это многочлен, приведенный выше, который связывает энергию частицы с энергией торможения, и dl - размер шага приращения. Энергия приращения E измеряется в КэВ, a dl в мкм.

Эта формула позволяет определить энергию частиц при движении через плазму, что важно, поскольку облегчает определение сечения ядерного синтеза для каждого значения энергии, а также позволяет рассчитать скорость ядерного синтеза для любого шага. Скорости ядерного синтеза в случае численных расчетов, на каждом шаге, задается уравнением (6):

Для вычисления общей скорости ядерного синтеза это уравнение было просуммировано по всем значениям E _n до E=0 (или n*dl=диапазон частицы), как показано в уравнении (7):

Указанная скорость ядерного синтеза известна как «выход для толстой мишени». Для решения уравнения была определена начальная энергия и выбран небольшой размер шага dl. Была рассчитана скорость синтеза в интервале dl для полной энергии. Затем была рассчитана энергия на следующем шаге, после чего процесс повторялся. Это продолжалось до момента остановки частиц в газе.

В случае однократно ионизованного пучка дейтерия, соударяющегося с газом гелий-3 при давлении 10 тор и комнатной температуре, при энергии 500 КэВ и имеющему интенсивность 100 мА, скорость ядерного синтеза была рассчитана равной, приблизительно, 2×10¹³ слияний/сек, при получении того же числа протонов высокой энергии (что эквивалентно потоку протонов интенсивностью в 3 мкА). Как известно специалистам, этот уровень является достаточным для производства медицинских изотопов. График, показывающий скорость ядерного синтеза для пучка дейтерия, интенсивностью 100 мА, который соударяется с мишенью из гелия-3 при давлении 10 тор, показан на фиг.21.

Устройство, согласно настоящему изобретению, может быть использовано для различных целей. В соответствии с настоящим изобретением, источник протонов может быть использован для превращения материалов, включая ядерные отходы и расщепляющиеся материалы. Настоящее изобретение также может быть использовано для насыщения материалов протонами для улучшения физических свойств. Например, настоящее изобретение может быть использовано для окраски драгоценных камней. Настоящее изобретение также включает источник нейтронов, который может быть использован для нейтронной радиографии. Как источник нейтронов, изобретение может быть использовано для обнаружения ядерного вооружения. Например, как источник нейтронов, устройство может быть использовано для обнаружения специальных ядерных материалов, которые могут быть использованы для осуществления ядерных взрывов, таких как Pu, ²³³U, а также материалов, обогащенных ²³³U и ²³⁵U. Как источник нейтронов, устройство, согласно настоящему изобретению, может быть использовано для обнаружения подземных объектов, включая без ограничения такие объекты как, туннели, нефтяные скважины и подземные объекты, содержащие изотопы, путем создания нейтронных импульсов и измерения отражения и/или рефракции нейтронов от материалов. Настоящее изобретение может быть использовано в качестве источника нейтронов в нейтронно-активационном анализе (НАА), который может использоваться для определения элементного состава материалов. Например, НАА может быть использован для обнаружения микроэлементов на пиктограммах. Как источник нейтронов, изобретение может быть использовано для выявления таких материалов как, без ограничения скрытые материалы, взрывчатые вещества, наркотики и биологические вещества, путем определения атомного состава материала. Настоящее изобретение также может быть использовано в качестве исходного возбудителя для субкритического реактора.

Следует понимать, что оптимальные размерные соотношения, которые позволяют расширить варианты размеров, материалов, форм, функций и порядка работы, монтажа и эксплуатации, являются очевидными для специалиста, и все соотношения, эквивалентные показанным на чертежах и описанным в спецификации, могут быть использованы в настоящем изобретении.

Настоящее изобретение далее поясняется на примерах, которые не должны рассматриваться как ограничивающие область применения изобретения.

Примеры

Пример 1. Источник нейтронов с магнитной мишенной камерой

Первоначально система чистая и пустая содержит вакуум под давлением 10^-9 тор или ниже, а высокоскоростные насосы работают с максимальной производительностью (два насоса, каждый из которых является турбомолекулярным насосом). Примерно 25-30 нормальных кубических сантиметров газа (дейтерия для извлечения нейтронов) втекают в мишенную камеру для создания мишенного газа. После создания мишенного газа, т.е. после того, как указанный объем газа затечет в систему и давление в мишенной камере достигнет примерно 0,5 тор, открывается клапан, что обеспечивает поступление от 0,5 до 1 норм. куб. см/м (нормальных кубических сантиметров в минуту) дейтерия из мишенной камеры в ионный источник. Этот газ быстро рециркулирует в системе, создавая примерно следующие давления: в ионном источнике давление несколько мтор; в ускорителе давление около 20 мктор, над насосом, расположенным вблизи ускорителя, давление <20 мктор, над насосом, расположенным вблизи мишенной камеры, давление ~50 мтор и в мишенной камере давление ~0,5 тор. После создания таких условий, ионный источник (использующий дейтерий) возбуждается путем подачи напряжения от источника ВЧ напряжения (соединенного с ВЧ антенной через согласующую ВЧ цепь) до частоты, примерно, 10-30 МГц. Мощность увеличивается с нуля до, примерно, 500 W, создавая плотную дейтериевую плазму с плотностью порядка 10¹¹ частиц/см³. Ионное вытягивающее напряжение увеличивается для обеспечения требуемого ионного тока (около 10 мА) и ионной фокусировки. Затем напряжение на ускорителе увеличивается до 300 кВ, что приводит к ускорению прохождения ионного пучка через ограничители потока в мишенную камеру. В мишенной камере создается магнитное поле около 5000 Гаусс (или 0,5 Тл), что приводит к рециркуляции ионного пучка. Ионный пучок делает порядка 10 оборотов, прежде чем его энергия упадет до пренебрежимо малого уровня.

В процессе рециркуляции, ионный пучок инициирует ядерные реакции с мишенным газом, производя от 4×10 ¹⁰ до 9×10¹⁰ нейтронов/с для дейтерия. Эти нейтроны проникают в вакуумную камеру и обнаруживаются соответствующими приборами ядерной техники.

Нейтральный газ, который вытекает из реакционной камеры в дифференциальную насосную систему, будет проходить через высокоскоростные насосы, охлаждаемую ловушку обратно в реакционную камеру. Охлаждаемые ловушки удаляют тяжелые газы, которые даже при очень небольших утечках со временем могут привести к загрязнению системы.

Пример 2. Источник нейтронов с линейной мишенной камерой

Первоначально система чистая и пустая содержит вакуум под давлением 10 ^-9 тор или ниже, а высокоскоростные насосы работают с максимальной производительностью (три насоса, два из которых расположены вблизи ускорителя и являются турбомолекулярными насосами, а третий насос является насосом другого типа, например, вакуумным насосом Рутса). Примерно 1000 нормальных кубических сантиметров газа дейтерия втекают в мишенную камеру для создания мишенного газа. После создания мишенного газа, открывается клапан, что обеспечивает поступление от 0,5 до 1 норм. куб. см/м (нормальных кубических сантиметров в минуту) дейтерия из мишенной камеры в ионный источник. Этот газ быстро рециркулирует в системе, создавая примерно следующие давления: в ионном источнике давление несколько мтор; в ускорителе давление около 20 мктор, над насосом, расположенным вблизи ускорителя, давление <20 мктор, над центральным насосом давление ~50 мтор, над насосом, расположенным вблизи мишенной камеры, давление ~500 мтор, в мишенной камере давление ~ 20 тор. После создания таких условий ионный источник (использующий дейтерий) возбуждается путем подачи напряжения от источника ВЧ напряжения (соединенного с ВЧ антенной через согласующую ВЧ цепь) до частоты, примерно, 10-30 МГц. Мощность увеличивается с нуля до, примерно, 500 W, создавая плотную дейтериевую плазму с плотностью порядка 10 ¹¹ частиц/см³. Ионное вытягивающее напряжение увеличивается для обеспечения требуемого ионного тока (около 10 мА) и ионной фокусировки. Затем напряжение на ускорителе увеличивается до 300 кВ, что приводит к ускорению прохождения ионного пучка через ограничители потока в мишенную камеру. Мишенная камера является линейной вакуумной камерой, в которой поток пройдет порядка 1 метра, прежде чем его энергия упадет до пренебрежимо малого уровня.

В процессе прохождения через мишенный газ, ионный пучок инициирует ядерные реакции с мишенным газом, производя от 4×10¹⁰ до 9×10¹⁰ нейтронов/с. Эти нейтроны проникают в вакуумную камеру и обнаруживаются соответствующими приборами ядерной техники.

Нейтральный газ, который вытекает из реакционной камеры в дифференциальную насосную систему, будет проходить через высокоскоростные насосы, охлаждаемую ловушку, обратно в реакционную камеру. Охлаждаемые ловушки удаляют тяжелые газы, которые даже при очень небольших утечках со временем могут привести к загрязнению системы.

Пример 3. Источник протонов с магнитной мишенной камерой

Первоначально система является чистой и пустой, содержит вакуум под давлением 10^-9 тор или ниже, а высокоскоростные насосы работают с максимальной производительностью (два насоса, каждый из которых является турбомолекулярным насосом). Примерно 25-30 нормальных кубических сантиметров газа (смесь дейтерия и гелия-3 в соотношении примерно 50 на 50 для извлечения протонов) втекают в мишенную камеру для создания мишенного газа. После создания мишенного газа, т.е. после того, как указанный объем газа затечет в систему и давление в мишенной камере достигнет примерно 0,5 тор, открывается клапан, что обеспечивает поступление от 0,5 до 1 норм. куб. см/м (нормальных кубических сантиметров в минуту) дейтерия из мишенной камеры в ионный источник. Этот газ быстро рециркулирует в системе, создавая примерно следующие давления: в ионном источнике давление несколько мтор; в ускорителе давление около 20 мктор, над насосом, расположенным вблизи ускорителя, давление <20 мктор, над насосом, расположенным вблизи мишенной камеры, давление ~50 мтор и в мишенной камере давление ~0,5 тор. После создания таких условий, ионный источник (использующий дейтерий) возбуждается путем подачи напряжения от источника ВЧ напряжения (соединенного с ВЧ антенной через согласующую ВЧ цепь) до частоты, примерно, 10-30 МГц. Мощность увеличивается с нуля до, примерно, 500 W, создавая плотную дейтериевую плазму с плотностью порядка 10¹¹ частиц/см³. Ионное вытягивающее напряжение будет увеличиваться для обеспечения требуемого ионного тока (около 10 мА) и ионной фокусировки. Затем напряжение на ускорителе увеличивается до 300 кВ, что приводит к ускорению прохождения ионного пучка через ограничители потока в мишенную камеру. В мишенной камере создается магнитное поле около 5000 Гаусс (или 0,5 Тл), что приводит к рециркуляции ионного пучка. Ионный пучок делает порядка 10 оборотов, прежде чем его энергия упадет до пренебрежимо малого уровня.

В процессе рециркуляции, ионный пучок инициирует ядерные реакции с мишенным газом, производя от 1×10 ¹¹ до 5×10¹¹ протонов/с. Эти протоны проникают в трубы системы извлечения изотопов и обнаруживаются соответствующими приборами ядерной техники.

Нейтральный газ, который вытекает из реакционной камеры в дифференциальную насосную систему, будет проходить через высокоскоростные насосы, через охлаждаемую ловушку, обратно в реакционную камеру. Охлаждаемые ловушки удаляют тяжелые газы, которые даже при очень небольших утечках со временем могут привести к загрязнению системы.

Пример 4. Источник протонов с линейной мишенной камерой

Первоначально система чистая и пустая содержит вакуум под давлением 10^-9 тор или ниже, а высокоскоростные насосы работают с максимальной производительностью (три насоса, два из которых расположены вблизи ускорителя и являются турбомолекулярными насосами, а третий насос является насосом другого типа, например, вакуумным насосом Рутса). Примерно 1000 нормальных кубических сантиметров газа, являющегося смесью дейтерия и гелия-3 примерно в пропорции 50 на 50, втекают в мишенную камеру для создания мишенного газа. После создания мишенного газа, открывается клапан, что обеспечивает поступление от 0,5 до 1 норм. куб. см/м (нормальных кубических сантиметров в минуту) газа из мишенной камеры в ионный источник. Этот газ быстро рециркулирует в системе, создавая примерно следующие давления: в ионном источнике давление несколько мтор; в ускорителе давление около 20 мктор, над насосом, расположенным вблизи ускорителя, давление <20 мктор, над центральным насосом давление ~50 мтор, над насосом, расположенным вблизи мишенной камеры, давление ~500 мтор, в мишенной камере давление ~20 тор. После создания таких условий, ионный источник (использующий дейтерий) возбуждается путем подачи напряжения от источника ВЧ напряжения (соединенного с ВЧ антенной через согласующую ВЧ цепь до частоты, примерно, 10-30 МГц. Мощность увеличивается с нуля до, примерно, 500 W, создавая плотную дейтериевую плазму с плотностью порядка 10 ¹¹ частиц/см³. Ионное вытягивающее напряжение увеличивается для обеспечения требуемого ионного тока (около 10 мА) и ионной фокусировки. Затем напряжение на ускорителе увеличивается до 300 кВ, что приводит к ускорению прохождения ионного пучка через ограничители потока в мишенную камеру. Мишенная камера является линейной вакуумной камерой, в которой поток пройдет порядка 1 метра, прежде чем его энергия упадет до пренебрежимо малого уровня.

В процессе прохождения через мишенный газ, ионный пучок инициирует ядерные реакции с мишенным газом, производя от 1×10¹¹ до 5×10¹¹ протонов/с. Эти протоны проникают в трубы системы извлечения изотопов и обнаруживаются соответствующими приборами ядерной техники.

Нейтральный газ, который вытекает из реакционной камеры в дифференциальную насосную систему, будет проходить через высокоскоростные насосы, охлаждаемую ловушку, обратно в реакционную камеру. Ловушки удаляют тяжелые газы, которые даже при очень небольших утечках со временем могут привести к загрязнению системы.

Пример 5. Источник нейтронов для производства изотопов

Система работает, как в примере 1 с магнитной мишенной камерой, или, как в примере 2 с линейной мишенной камерой. Твердый образец, такой, как твердая пленка, или исходный материал ⁹⁸Mo, размещается вблизи мишенной камеры. Нейтроны, созданные в мишенной камере, проникают через стенки мишенной камеры и вступают в реакцию с исходным материалом ⁹⁸Mo для создания ⁹⁹Mo, который может распадаться до метастабильного ⁹⁹T. ⁹⁹ Mo обнаруживается при помощи соответствующих приборов и технологии, известных в данной области.

Пример 6. Источник протонов для производства изотопов

Система работает, как в примере 3 с магнитной мишенной камерой, или, как в примере 4 с линейной мишенной камерой. В мишенной камере системы расположена система извлечения изотопов. Исходный материал, такой, как вода, включающая , протекает через систему извлечения изотопов. Протоны, полученные в мишенной камере, проникают через стенки системы извлечения изотопов и вступают в реакцию с ¹⁶O для производства ¹³N. Материал ¹³N извлекается из исходного материала и других материалов с использованием ионообменных смол и обнаруживается при помощи соответствующих приборов и технологии, известных в данной области.

Таким образом, объектом настоящего изобретения, в частности, является компактный источник протонов или нейтронов высокой энергии. Вышеизложенное описание рассматривается только в качестве иллюстрации принципов настоящего изобретения. Кроме того, поскольку специалистам очевидны многочисленные модификации и изменения настоящего изобретения, оно не ограничивается показанными и описанными конструкциями и принципами действия, и, соответственно, все подходящие модификации и эквиваленты использованных решений могут быть применены в рамках настоящего изобретения. Признаки и преимущества настоящего изобретения, изложены в нижеследующей формуле изобретения.