CN110967727A - 一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于二元靶向放射疗法技术领域，具体涉及一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，用于对BNCT照射束进行测量，包括内部设有高纯锗半导体探测器(1)的γ屏蔽筒(2)，设在γ屏蔽筒(2)的入射一端内部的γ屏蔽准直器(3)，设置在γ屏蔽筒(2)的入射一端之外的第一中子屏蔽层(4)和第二中子屏蔽层(5)；BNCT照射束依次通过第一中子屏蔽层(4)、第二中子屏蔽层(5)、γ屏蔽准直器(3)照射到高纯锗半导体探测器(1)上，该γ能谱仪具有高能量分辨率，小巧轻便，便于操作。

Description

一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪
技术领域
本发明属于二元靶向放射疗法技术领域，具体涉及一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪。
背景技术
硼中子俘获治疗(BNCT)是一种二元靶向放射疗法，即将亲肿瘤细胞的硼携带剂药物注射入患者血液中，含硼药物通过代谢作用在肿瘤细胞中聚集，再利用与10B俘获反应截面大的低能中子(热或超热中子—热中子束治疗浅表肿瘤，超热中子束治疗深部肿瘤)辐照病灶区，产生高传能线密度(LET)的α粒子和7Li核，两者在组织中的组合射程约为12～13μm，与一个细胞的尺寸相当，从而有选择性地杀死肿瘤细胞，达到精准治疗的功效。由照射束的产生方式和治疗的需要决定，BNCT照射束具有如下特点：1)能量范围宽(中子：热能～约10MeV，并以热中子或超热中子为主要成分；γ：几十keV～约10MeV)；2)辐射强度高(中子注量率：约109cm-2s-1；γ注量率：约107cm-2s-1；3)通常为锥形准直的发散束，且伴随较强的室散射本底(由治疗室墙壁和顶棚散射造成)。
为确定BNCT照射束的源项参数，需要使用锗探测器对BNCT照射束中的γ射线进行探测，由于BNCT照射束特点的限制，为避免高强度中子和γ射线对锗探测器引起的辐射损伤以及测量***的过饱和效应，可采取的测量方式主要有两种：1)直接测量法，即对BNCT照射束和锗探测器进行适当的屏蔽，降低辐射强度，直接测量BNCT照射束的初级γ射线能谱；2)间接测量法，即利用适当的散射体(与光子的相互作用康普顿散射为主，与中子的相互作用截面低)对BNCT照射束进行散射，在某一散射角测量散射束的次级γ射线能谱，再进行谱的重建来获得BNCT照射束的初级γ射线能谱。第二种方式存在如下缺点：1)由于BNCT照射器通常采用锥形准直器，出射束并非平行束，因而测量的次级γ射线能量与初级γ射线能量可能存在不唯一对应的关系，从而对谱的重建带来较大误差；2)由于次级γ射线能谱相对于初级γ射线能谱压缩严重，因而在重要的高能区测量不确定度较大(约20％)；3)为提高能量分辨，需使锗探测器对散射体的张角尽可能小，因而与直接测量法类似，也需对锗探测器进行屏蔽和准直。
目前国际上针对BNCT照射束γ能谱测量的装置很少，只有W.F.A.R.Verbakel等人为欧盟高通量堆(HFR，位于荷兰)照射束设计的如图1所示的测量***，其采用如上所述的直接测量法，锗探测器为能量分辨率高的高纯锗半导体探测器(HPGe)，中子屏蔽体采用聚乙烯(30cm×30cm×30cm)，γ屏蔽准直体采用铅(30cm×30cm×30cm，其中心轴线开有5mm准直孔)。该***的问题在于：1)中子屏蔽体和γ屏蔽准直体分别采用单纯的聚乙烯和铅，无法有效地屏蔽中子和γ射线，为避免对锗探测器引起的辐射损伤以及测量***的过饱和效应，测量需在距离照射束出口较远处进行；2)整个屏蔽准直***较为庞大笨重(体积大于54000cm3)，重量大于320kg)，且较为分散，操作不便；3)中子屏蔽体采用单纯的聚乙烯，且体积大，由1H(n,γ)2H俘获反应产生的次级γ射线较多，对测量的初级γ射线能谱造成的影响较大。
发明内容
本发明的目的是要设计一种γ能谱仪，并解决如下技术问题：1)γ能谱仪具有高能量分辨率；2)γ能谱仪的屏蔽准直***可更为有效地屏蔽中子和γ射线，降低辐射强度，使γ能谱仪能够在靠近照射束出口处测量(屏蔽准直体前端紧贴照射束出口)；3)屏蔽准直***更为小巧轻便，便于操作；4)减少中子屏蔽体中的氢含量，尽可能减少由1H(n,γ)2H俘获反应产生的次级γ射线影响，降低测量不确定度。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，用于对BNCT照射束进行测量，其中，包括内部设有高纯锗半导体探测器的γ屏蔽筒，设在所述γ屏蔽筒的入射一端内部的γ屏蔽准直器，设置在所述γ屏蔽筒的入射一端之外的第一中子屏蔽层和第二中子屏蔽层；所述BNCT照射束依次通过所述第一中子屏蔽层、所述第二中子屏蔽层、所述γ屏蔽准直器照射到所述高纯锗半导体探测器上。
进一步，所述γ屏蔽筒的材质为铅。
进一步，所述γ屏蔽准直器为圆柱形，设有能够透过所述BNCT照射束的准直孔，所述准直孔位于所述γ屏蔽准直器的偏心轴上。
进一步，所述γ屏蔽准直器的材质为钨，厚度为10cm；所述准直孔的直径为1cm。
进一步，所述第一中子屏蔽层的材质为聚乙烯，厚度为15cm。
进一步，所述第二中子屏蔽层的材质为碳酸锂粉末，厚度为5cm。
进一步，所述第二中子屏蔽层的外层采用铝壳包裹，所述碳酸锂粉末密封于所述铝壳内。
进一步，所述碳酸锂粉末的纯度为99.99％，所述碳酸锂粉末为天然碳酸锂。
进一步，所述第一中子屏蔽层、所述第二中子屏蔽层的侧表面上设有屏蔽外壳，所述屏蔽外壳的材质为铅。
进一步，所述高纯锗半导体探测器为N型电制冷高纯锗半导体探测器，相对效率为20％-30％。
本发明的有益效果在于：
1.采用直接测量法便可获得较相对测量法更准确的测量结果。
2.采用高纯锗半导体探测器(HPGe探测器)可获得好的能量分辨率。
3.中子屏蔽体采用聚乙烯和碳酸锂的组合，中子先经过聚乙烯慢化后，会被与低能中子截面大的Li2CO3中的6Li吸收(6Li(n,α)3H反应)，从而更有效地屏蔽中子。同时，屏蔽体中的聚乙烯含量相对减少，且Li2CO3中含有的各元素与低能中子无(n,γ)反应道，不产生额外的次级γ射线，因而造成的干扰影响小。
4.γ屏蔽准直体采用钨和铅的组合，钨对γ射线的衰减系数较铅更大(钨约为107.7cm-1，铅约为66.7cm-1)，因而对γ射线的衰减效果更好，在相同衰减程度下钨的厚度更薄，体积更小。同时，采用较薄的铅即可屏蔽室散射γ本底(较直射γ射线至少低一个量级)，而铅的密度较钨小(铅为11.35g/cm3，钨为19.3g/cm3)，可使γ屏蔽准直体的重量更轻。
5.整个屏蔽体采用一体化设计，通过蒙特卡洛程序模拟优化，体积小，重量轻(约170kg)，更便于操作。
6.通过优化计算，准直孔孔径设计为10mm(尽可能小)，且采用偏心设计，可更有效地利用高纯锗半导体探测器的有效体积(其中心轴线有冷指，用于探测器冷却)，在确保适当计数率(约2000s-1)的前提下，尽可能减少次级γ射线进入HPGe探测器。
附图说明
图1是本发明背景技术部分所述的W.F.A.R.Verbakel等人设计的γ射线能谱测量***的示意图(图中的“Ge”表示锗探测器)；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪的示意图；
图中：1-高纯锗半导体探测器，2-γ屏蔽筒，3-γ屏蔽准直器，4-第一中子屏蔽层，5-第二中子屏蔽层，6-准直孔，7-屏蔽外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图2所示，本发明提供的一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，用于对BNCT照射束进行测量，包括高纯锗半导体探测器1、γ屏蔽筒2、γ屏蔽准直器3、第一中子屏蔽层4、第二中子屏蔽层5、屏蔽外壳7等部件。
高纯锗半导体探测器1设置在的γ屏蔽筒2内，γ屏蔽准直器3设置在γ屏蔽筒2的入射一端内部，第一中子屏蔽层4和第二中子屏蔽层5设置在γ屏蔽筒2的入射一端之外；BNCT照射束依次通过第一中子屏蔽层4、第二中子屏蔽层5、γ屏蔽准直器3照射到高纯锗半导体探测器1上。
其中，γ屏蔽筒2和γ屏蔽准直器3构成γ屏蔽准直体，第一中子屏蔽层4和第二中子屏蔽层5构成中子屏蔽体，γ屏蔽准直体和中子屏蔽体通过机械加工制作并组装为一个整体。
γ屏蔽筒2主要用于高纯锗半导体探测器1的***室散射本底的屏蔽，γ屏蔽筒2的材质为铅。
γ屏蔽准直器3主要用于直射γ射线的屏蔽和准直，γ屏蔽准直器3为圆柱形，设有能够透过BNCT照射束的准直孔6，准直孔6位于γ屏蔽准直器3的偏心轴上。由于高纯锗半导体探测器1中心是用于探测器冷却的冷指，因而准直孔6采用偏心设计，以充分利用高纯锗半导体探测器1的探测器晶体的有效体积。
γ屏蔽准直器3的材质为钨，厚度为10cm(γ屏蔽准直器3的轴线方向的长度)；准直孔6的直径为1cm。
第一中子屏蔽层4的材质为高密度的聚乙烯，厚度为15cm(BNCT照射束入射方向的厚度)。
第二中子屏蔽层5的材质为高纯的碳酸锂粉末(Li2CO3)，厚度为5cm(BNCT照射束入射方向的厚度)。碳酸锂粉末的纯度为99.99％，碳酸锂粉末为天然碳酸锂。
第二中子屏蔽层5的外层采用铝壳包裹，碳酸锂粉末密封于铝壳内。
第一中子屏蔽层4、第二中子屏蔽层5的侧表面上设有屏蔽外壳7，屏蔽外壳7的材质为铅。
高纯锗半导体探测器1为N型电制冷高纯锗半导体探测器，可以选用不同型号的高纯锗探测器，相对效率(即探测效率)从10％至90％均可以，优选的是采用相对效率为20％-30％的高纯锗探测器。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，用于对BNCT照射束进行测量，其特征是：包括内部设有高纯锗半导体探测器(1)的γ屏蔽筒(2)，设在所述γ屏蔽筒(2)的入射一端内部的γ屏蔽准直器(3)，设置在所述γ屏蔽筒(2)的入射一端之外的第一中子屏蔽层(4)和第二中子屏蔽层(5)；所述BNCT照射束依次通过所述第一中子屏蔽层(4)、所述第二中子屏蔽层(5)、所述γ屏蔽准直器(3)照射到所述高纯锗半导体探测器(1)上。
2.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述γ屏蔽筒(2)的材质为铅。
3.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述γ屏蔽准直器(3)为圆柱形，设有能够透过所述BNCT照射束的准直孔(6)，所述准直孔(6)位于所述γ屏蔽准直器(3)的偏心轴上。
4.如权利要求3所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述γ屏蔽准直器(3)的材质为钨，厚度为10cm；所述准直孔(6)的直径为1cm。
5.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述第一中子屏蔽层(4)的材质为聚乙烯，厚度为15cm。
6.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述第二中子屏蔽层(5)的材质为碳酸锂粉末，厚度为5cm。
7.如权利要求6所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述第二中子屏蔽层(5)的外层采用铝壳包裹，所述碳酸锂粉末密封于所述铝壳内。
8.如权利要求6所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述碳酸锂粉末的纯度为99.99％，所述碳酸锂粉末为天然碳酸锂。
9.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述第一中子屏蔽层(4)、所述第二中子屏蔽层(5)的侧表面上设有屏蔽外壳(7)，所述屏蔽外壳(7)的材质为铅。
10.如权利要求1所述的用于硼中子俘获治疗照射束的γ能谱仪，其特征是：所述高纯锗半导体探测器(1)为N型电制冷高纯锗半导体探测器，相对效率为20％-30％。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200407

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