CN115120894B - 一种中子产生装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种中子产生装置，涉及放射治疗技术领域。包括加速器、中子发生器、中子射束整形器；加速器，用于产生质子束流；中子发生器，用于与质子束流作用产生第一中子束流；中子射束整形器，用于慢化第一中子束流，形成第二中子束流；中子发生器包括旋转底盘和承载体，旋转底盘上间隔分布靶材，并与承载体连接，加速器的引出频率和占空比分布基于靶材的分布、旋转底盘的旋转速率变化，承载体内嵌有冷却剂循环通路。本装置可以降低与非靶材的作用几率，降低污染，确保质子束流持续稳定与靶材发生反应，提供了束流的利用率，有利于获得产额更大，纯净度更高的中子束流，提升治疗效果，提高治疗的增益。

Description

一种中子产生装置
技术领域
本申请涉及放射治疗领域，特别是涉及一种中子产生装置。
背景技术
恶性肿瘤已成为我国居民的首要死亡原因，以2015年为例，估计全国共新发恶性肿瘤392.9万例，其中死亡病例233.8万例。手术、放疗和化疗是治疗癌症的三大手段之一。其中放射治疗因为其具有损伤较小、治疗痛苦小、患者较易接受等优点，成为使用最广泛的治疗手段之一。
二十一世纪，基于加速器的硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy，BNCT)装置成为主流的放射治疗方式，该装置如图1所示，图1为一种现有技术的基于加速器的硼中子俘获治疗装置示意图。图1中，硼中子俘获治疗装置，包括加速器200、中子产生部10、射束整形体20、支撑件21、反射体22、准直体30。其原理是基于热中子与10B（硼）的反应。在俘获热中子后，10B变为处于激发态的11B，此过程中产生的7Li（锂）和4He（氦）是具有高线性能量转移(Linear Energy Transfer, LET)和相对生物学效应(Relative BiologicalEffectiveness, RBE)特性的粒子，具有较强的细胞杀伤力，并且其能量沉积在约10μm的范围内，这与一个细胞的直径相当。因此，若使得10B富集在肿瘤细胞中，便可以实现对肿瘤细胞的精准杀伤，并保护肿瘤周围的健康细胞。因此硼中子俘获治疗在治疗如恶性肝癌、脑胶质瘤和软骨肉瘤等肿瘤方面有很好的应用前景。
然而，现有技术中硼中子俘获治疗装置的中子利用率较低，以及中子束流中非预期的中子，如热中子、快中子等杂质较多。
发明内容
本申请提供了一种中子产生装置，能够减少中子束流浪费，提高中子的利用效率。
本申请公开了如下技术方案：
本申请提供了一种中子产生装置，包括加速器、中子发生器、中子射束整形器；
所述加速器的出口对准所述中子发生器，所述中子射束整形器包裹在所述中子发生器的外部；
所述加速器，用于产生质子束流；
所述中子发生器，用于与所述质子束流作用产生第一中子束流，所述第一中子束流的能量大于第一预设阈值；
所述中子射束整形器，用于慢化所述第一中子束流，形成第二中子束流，所述第二中子束流的能量小于第二预设阈值，所述第二中子束流的能量大于第三预设阈值；
所述中子发生器包括旋转底盘和承载体，所述旋转底盘上间隔分布靶材，并与所述承载体连接，所述加速器的引出频率和占空比分布基于所述靶材的分布、所述旋转底盘的旋转速率变化，所述承载体内嵌有冷却剂循环通路。
可选地，所述中子射束整形器，包括慢化体；
所述慢化***于所述中子发生器后；
所述慢化体，用于与第一中子束流发生非弹性碰撞，使所述第一中子束流损失能量，形成第二中子束流。
可选地，所述中子射束整形器，还包括屏蔽反射体；
所述屏蔽反射体包裹在所述慢化体和所述中子发生器的外部；
所述屏蔽反射体，用于屏蔽所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子以及反射所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子。
可选地，所述屏蔽反射体包括屏蔽体和反射体；
所述屏蔽体，用于屏蔽所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子；
所述反射体，用于将所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子反射回所述慢化体。
可选地，所述中子射束整形器，还包括过滤体；
所述过滤体对准所述慢化体的出口；
所述过滤体，用于过滤所述慢化体在形成第二中子束流时散射出的γ射线、能量小于所述第三预设阈值的中子以及能量大于所述第一预设阈值的中子。
可选地，所述过滤体包括热中子过滤体、快中子过滤体和γ射线过滤体；
所述热中子过滤体，用于过滤所述能量小于所述第三预设阈值的中子；
所述快中子过滤体，用于过滤所述能量大于所述第一预设阈值的中子。
可选地，所述中子射束整形器，还包括准直体；
所述准直***于所述屏蔽反射体后；
所述准直体，用于产生一定形状轮廓的辐射野。
可选地，所述慢化体的材料为氟化物、重水、聚乙烯以及石墨中的一种或多种。
可选地，所述屏蔽体的材料为含硼聚乙烯。
可选地，所述反射体的材料为聚四氟乙烯、氧化铍、氧化铝以及铅中的一种或多种。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请通过加速器产生质子束流，通过中子发生器与质子束流作用产生第一中子束流，通过中子射束整形器慢化第一中子束流，形成第二中子束流。其中，加速器的引出频率、占空比分布与靶材的分布、旋转底盘的旋转速率同步，使得靶材进入束流线的频率与加速器的引出频率及占空比分布一致，即束流配送与转速同步的方法，降低了与非靶材的作用几率，降低了污染，确保质子束流持续稳定与靶材发生反应，提高了质子束流的利用率，有利于获得产额更大，纯净度更高的中子束流，提升治疗效果，提高治疗的增益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种现有技术的基于加速器的硼中子俘获治疗装置示意图；
图2为本申请实施例提供的一种中子产生装置示意图；
图3为本申请实施例提供的一种中子发生器示意图；
图4为本申请实施例提供的一种旋转底盘正视示意图。
具体实施方式
下面先对本申请所涉及的技术术语进行介绍。
加速器：加速器（accelerator）是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。
中子发生器：中子发生器（neutron generator）指代与带电粒子相互作用产生中子的反应靶及其承载体和控制***，用于与高能带电粒子束流作用产生第一中子束流，第一中子束流的能量大于第一预设阈值。
中子射束整形器：中子射束整形器包含慢化体，还可以包括屏蔽反射体、过滤体、准直体，用于慢化第一中子束流，形成第二中子束流，第二中子束流的能量小于第二预设阈值，大于第三预设阈值。
占空比：占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。
加速器、中子发生器、中子射束整形器可以应用到中子产生装置上，从而进行硼中子俘获治疗。然而，现有技术中硼中子俘获治疗装置经常造成中子束流的浪费，导致中子利用率较低，以及中子束流中非预期的中子如热中子、快中子等杂质较多。
有鉴于此，本申请提供了一种中子产生装置，可以通过加速器产生质子束流，通过中子发生器与质子束流作用产生第一中子束流，通过中子射束整形器，慢化第一中子束流，形成第二中子束流。其中，加速器的引出频率、占空比分布与靶材的分布、旋转底盘的旋转速率同步，使得靶材进入束流线的频率与加速器的引出频率及占空比分布一致，即束流配送与转速同步的方法，降低了与非靶材的作用几率，降低了污染，确保质子束流持续稳定与靶材发生反应，提高了束流的利用率，有利于获得产额更大、纯净度更高的中子束流，提升治疗效果，提高治疗的增益。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种中子产生装置示意图。
该中子产生装置包括加速器201、中子发生器202、中子射束整形器203。其中，中子射束整形器203包含慢化体205，还可以包括屏蔽反射体204、过滤体206、准直体207。加速器201的出口对准中子发生器202，中子射束整形器203包裹在中子发生器202的外部。
加速器201，用于产生、加速质子束流，并按照一定的占空比引出质子束流。加速器201用于利用磁场、电场产生具有合适能量和注量率、通量率(流强)的带电粒子束流。由于带电粒子流强越高，中子产额越高，所以在一些实施例中，可以选择射频四极加速器(RFQ加速器)、带电粒子加速器、球形静电加速器、直线加速器、回旋加速器等，本申请不做限定。射频四极加速器是一种通过射频聚焦后实现带电粒子束流加速的装置，它作为离子直线加速器的低能加速装置，广泛应用于核物理、原子核物理、材料辐照、生物辐照、以及癌症治疗等领域。因其带电粒子流强较高，因此也使中子产额得到提升。
中子发生器202，用于与质子束流作用产生第一中子束流。第一中子束流的能量大于第一预设阈值，第一预设阈值可以是1MeV（兆电子伏特）。其中，中子发生器202指与带电粒子发生作用产生中子的反应靶及其承载体和控制***。如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种中子发生器示意图，中子发生器202包括旋转底盘301、承载体302、靶材303。如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种旋转底盘正视示意图，旋转底盘301上间隔分布靶材303，并与承载体302连接。旋转底盘301上承载有靶材303，各个靶材303以旋转底盘301的几何中心为圆心均匀分布在旋转底盘301上，各个靶材303到旋转底盘301的几何中心的距离均相同。并且，靶材303与靶材303之间存在间隙，驱动部件通过轴承带动旋转底盘301按照预设速度以轴承为轴旋转，以使各个靶材303依次与加速器201的出口相对齐，使靶材303与加速器201产生的质子束流作用，产生第一中子束流。其中，加速器采用引出频率、占空比分布和靶材分布、旋转速率相匹配的引出控制策略，使得靶材进入束流线的频率与加速器的引出频率及占空比分布一致，即与带电粒子束脉冲相匹配，从而避免造成束流浪费，提高中子的利用效率，从而获得产额更大、纯净度更高的中子束流。在使用加速器201击打靶材产生中子时，需要考虑到靶的材料，对于靶的材料本申请不做限定。在一些实施例中，可以选用质子束流轰击Li靶或Be靶来产生中子。在一些实施例中，旋转底盘301上承载的靶材303可以多于3个。
在一种实施例中，承载体302内附加冷却剂循环通路。冷却剂循环通路是通过利用外界能量使热量从温度较低的物质（或环境）转移到温度较高的物质（或环境）的通路。在一些实施例中，可按所使用的制冷剂种类的不同，采用氟利昂冷却剂循环通路、氨冷却剂循环通路、混合工质冷却剂循环通路及空气等工质的冷却剂循环通路。因此，本申请实例中，一方面通过旋转底盘对靶材进行旋转从而避免带电粒子长时间照射同一位置，一方面也利用冷却剂循环加速靶材散热，即通过双重方式保护靶片，提升了靶材的热工条件，使其发热不再严重。
中子射束整形器203包含慢化体205，还可以包括屏蔽反射体204、过滤体206、准直体207，本申请不做限定。
中子射束整形器203用于慢化第一中子束流，形成第二中子束流，第二中子束流的能量小于第二预设阈值，大于第三预设阈值。其中，慢化指将能量较大的快中子在碰撞的过程中损失热量，使快中子的能量和速度逐渐降低为热中子或超热中子的过程。第一中子束流的能量大于第一预设阈值，第一预设阈值可以是1MeV（兆电子伏特）。第二中子束流的能量小于第二预设阈值，大于第三预设阈值，第二预设阈值可以是10keV（千电子伏特）或者40keV，第三预设阈值可以是0.5eV（电子伏特）。
在一些实施例中，可以把高能中子慢化至超热中子能量范围，也可以把高能中子慢化至热中子能量范围。热中子可以是能量范围低于第三预设阈值的中子，第三预设阈值可以是0.5eV，例如热中子的能量范围为E＜0.5eV。超热中子可以是能量范围高于第三预设阈值、低于第二预设阈值的中子，第二预设阈值可以是10keV或者40keV，例如超热中子的能量范围为0.5eV＜E＜10keV。
慢化体205位于中子发生器202后，可以和第一中子束流发生非弹性碰撞等相互作用，从而使第一中子损失能量，将其慢化到热中子能量范围或超热中子能量范围，同时不会产生过量的高能中子或γ射线。慢化体205的材料需要满足以下几个条件：第一，快中子散射截面大；第二，超热中子的散射截面小；第三，快中子、超热中子和热中子的吸收截面小。其中，快中子是指能量大于第一预设阈值的中子，热中子是能量小于第三预设阈值的中子；超热中子是能量小于第二预设阈值、大于第三预设阈值的中子。其中，热中子的能量范围为E<0.5eV，超热中子的能量范围为0.5eV<E<10keV，快中子的能量范围为E＞1MeV。在一些实施例中，慢化体205可以选用氟化物，如MgF2（氟化镁）、AlF3（氟化铝）、CaF2（氟化钙）等、D2O（重水）、聚乙烯、石墨等。
屏蔽反射体204指具有辐射防护屏蔽作用及中子混合束流过滤、反射作用的材料装置，屏蔽反射体204用于屏蔽慢化体205发生非弹性碰撞时散射出的中子以及反射慢化体205发生非弹性碰撞时散射出的中子。屏蔽反射体204可以进一步分为屏蔽体和反射体。屏蔽体的作用为，屏蔽慢化体205发生非弹性碰撞时散射出的中子。在一些实施例中，可以在外侧选用含硼聚乙烯（B的质量分数为10%）等作为中子的屏蔽体。反射体包裹在慢化体205和中子源外侧，其作用是中子发生器202产生的中子在方向和能量上呈各向异性分布，在穿过慢化体205时会向各个方向发散，反射体会将散射出的中子反射回慢化体205，从而提高中子利用率，使得准直体207的出束口处热中子或超热中子通量尽可能高。因此，反射体材料需要在合适的中子能量区间内有较高的弹性散射截面和较低的吸收截面。在一些实施例中，可以选用聚四氟乙烯、BeO（氧化铍）、Al2O3（氧化铝）、Pb（铅）等材料作为反射体。
过滤体206的作用是过滤热中子、快中子和γ射线等不需要的束流成分。过滤体206包括热中子过滤体、快中子过滤体和γ射线过滤体；热中子过滤体，用于过滤热中子，即能量小于所述第三预设阈值的中子；快中子过滤体，用于过滤快中子，即能量大于所述第一预设阈值的中子；γ射线过滤体，用于过滤γ射线。在经过慢化体205的慢化后，会产生很多热中子，热中子会被人体的表浅组织吸收并沉积能量。在治疗深部肿瘤时，这些表浅组织所受的剂量需要避免，因而需要过滤体206对热中子进行过滤。另外，还可能因慢化体205慢化不足而出现部分快中子。因此，过滤体206的材料需要在热中子和快中子能量范围内有较高的吸收截面，而在超热中子能量范围内有较小的吸收截面，从而不会减小超热中子通量。在一些实施例中，可以选用Li（锂）、B（硼）、Cd（镉）材料过滤热中子，选用Ni（镍）材料过滤快中子。另外，在慢化过程中，会产生一部分γ射线，其会在正常组织造成多余的剂量，所以可以另外设置γ射线过滤体206，降低中子束流中γ射线的成分。在一些实施例中，可以选用Pb和Bi作为γ过滤体材料。
准直体207主要作用是使得中子束流准直、聚焦形成需要的中子束流照射野。准直，即让发散的中子变成准直的中子，产生一定形状轮廓的辐射野。在一些实施例中，可以选用含Li或含B的聚乙烯聚合物作为准直体材料。在一些实施例中，准直体207的出束口的形状可以是圆形、多边形等多种形状，可以通过改变准直体207的出束口形状，根据实际情况选择出束口形状，满足不同要求。
在一些实施例中，慢化体205、屏蔽反射体204、过滤体206、准直体207可以根据获取目的进行调整，即是获得热中子还是超热中子进行调整。各种材料既可以顺序排列，也可以交叉排布，核心作用是获得合适的能量、流强，降低杂质污染，对中子束流进行准直和聚焦，最终获得产额更大、纯净度更高的中子束流，达到治疗用中子束流的高品质要求。
综上所述，加速器201产生质子束流，轰击中子发生器202后产生第一中子束流，第一中子束流经过中子射束整形器203的作用之后，慢化到合适的能量范围，并准直和聚焦，最终获得第二中子束流。其中，中子发生器202包括旋转底盘301、承载体302、靶材303，旋转底盘301上间隔分布靶材303，并与承载体302连接。旋转底盘301上承载有至少三个靶材303，各个靶材303以旋转底盘301的几何中心为圆心均匀分布在旋转底盘301上，各个靶材303到旋转底盘301的几何中心的距离均相同。并且，靶材303与靶材303之间存在间隙，驱动部件通过轴承带动旋转底盘301按照预设速度以轴承为轴旋转，以使各个靶材303依次与加速器201的出口相对齐，使靶材303与加速器201产生的质子束流作用。其中，加速器201可以根据旋转底盘301的转速控制质子束流的引出频率，使得所述靶材303进入束流线的频率与所述加速器201的引出频率及占空比分布一致，即与带电粒子束脉冲相匹配，从而避免造成束流浪费，提高中子的利用效率，从而获得产额更大、纯净度更高的中子束流。中子射束整形器203包含慢化体205，还可以包括屏蔽反射体204、过滤体206、准直体207。进一步地，慢化体205、过滤体206、屏蔽反射体204和准直体207结构上根据获取目的（获得热中子还是超热中子）可以调整，各种材料既可以顺序排列，也可以交叉排布，核心作用是获得合适的能量、流强，降低杂质污染，对中子束流进行准直和聚焦，最终获得产额更大、纯净度更高的中子束流，提升治疗效果，提高治疗的增益。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种中子产生装置，其特征在于，包括加速器、中子发生器、中子射束整形器；
所述加速器的出口对准所述中子发生器，所述中子射束整形器包裹在所述中子发生器的外部；
所述加速器，用于产生质子束流；
所述中子发生器，用于与所述质子束流作用产生第一中子束流，所述第一中子束流的能量大于第一预设阈值；
所述中子射束整形器，用于慢化所述第一中子束流，形成第二中子束流，所述第二中子束流的能量小于第二预设阈值，所述第二中子束流的能量大于第三预设阈值；
所述中子发生器包括旋转底盘和承载体，所述旋转底盘上间隔分布靶材，并与所述承载体连接，所述加速器的引出频率、占空比分布与所述靶材的分布、所述旋转底盘的旋转速率同步，使得所述靶材进入束流线的频率与所述加速器的引出频率及占空比分布一致，所述承载体内嵌有冷却剂循环通路。
2.根据权利要求1所述的中子产生装置，其特征在于，所述中子射束整形器，包括慢化体；
所述慢化***于所述中子发生器后；
所述慢化体，用于与第一中子束流发生非弹性碰撞，使所述第一中子束流损失能量，形成第二中子束流。
3.根据权利要求2所述的中子产生装置，其特征在于，所述中子射束整形器，还包括屏蔽反射体；
所述屏蔽反射体包裹在所述慢化体和所述中子发生器的外部；
所述屏蔽反射体，用于屏蔽所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子以及反射所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子。
4.根据权利要求3所述的中子产生装置，其特征在于，所述屏蔽反射体包括屏蔽体和反射体；
所述屏蔽体，用于屏蔽所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子；
所述反射体，用于将所述慢化体发生非弹性碰撞时散射出的中子反射回所述慢化体。
5.根据权利要求3所述的中子产生装置，其特征在于，所述中子射束整形器，还包括过滤体；
所述过滤体对准所述慢化体的出口；
所述过滤体，用于过滤所述慢化体在形成第二中子束流时散射出的γ射线、能量小于所述第三预设阈值的中子以及能量大于所述第一预设阈值的中子。
6.根据权利要求5所述的中子产生装置，其特征在于，所述过滤体包括热中子过滤体、快中子过滤体和γ射线过滤体；
所述热中子过滤体，用于过滤所述能量小于所述第三预设阈值的中子；
所述快中子过滤体，用于过滤所述能量大于所述第一预设阈值的中子。
7.根据权利要求4所述的中子产生装置，其特征在于，所述中子射束整形器，还包括准直体；
所述准直***于所述屏蔽反射体后；
所述准直体，用于产生一定形状轮廓的辐射野。
8.根据权利要求2所述的中子产生装置，其特征在于，所述慢化体的材料为氟化物、重水、聚乙烯以及石墨中的一种或多种。
9.根据权利要求4所述的中子产生装置，其特征在于，所述屏蔽体的材料为含硼聚乙烯。
10.根据权利要求4所述的中子产生装置，其特征在于，所述反射体的材料为聚四氟乙烯、氧化铍、氧化铝以及铅中的一种或多种。
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