一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置的制作方法

本发明涉及中子束整形，尤其涉及一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置。

背景技术：

1、硼中子俘获治疗（boron neutron capture therapy,bnct）是一种二元靶向放射治疗技术，其基本原理是将含硼药物优先富集于肿瘤细胞中，再利用中子束照射病灶区域，通过10b(n,α)7li核反应释放高传能线密度（let）的α粒子和7li重离子，从而选择性杀伤肿瘤细胞而对周围正常组织损伤较小。

2、bnct治疗对中子束的品质有着严格要求。治疗所需的中子束能量范围应为超热中子能区，因为超热中子具有适中的穿透深度，能够在到达深部肿瘤组织时被热化并引发硼中子俘获反应。然而，反应堆或加速器中子源产生的初始中子束为混合能谱中子，能量范围从10-3ev至107ev，其中快中子（>10 kev）和热中子（<0.5 ev）成分均不利于治疗——快中子会造成非选择性的正常组织剂量负担，而热中子则在浅表组织被大量吸收，无法到达深部肿瘤。因此，bsa的核心功能是将混合能谱中子转化为适用于治疗的超热中子束，同时抑制快中子和热中子成分，并控制伴随的伽马射线剂量。

3、现有bsa的慢化体设计主要存在两种技术路线。一种采用多层不同材料的组合，如氟化铅/氟化铋/氟化镁/氧化铍/重水等多至6层的复杂结构。这种设计虽然能够实现较好的中子能谱调控效果，但存在以下突出问题：（1）材料种类过多导致采购、加工和装配成本高昂；（2）某些层厚度极薄，<1 cm，对中子学性能贡献极小但显著增加了制造难度和公差控制要求；（3）部分材料如重水d2o需要密封容器，引入额外的结构复杂性和中子损失。另一种路线采用单一慢化体材料如纯mgf2，结构简单但能谱调控能力有限，难以在超热中子通量与束流品质之间取得理想的平衡。因此，本申请提出一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对背景技术中存在材料种类过多、结构复杂、制造成本高或性能不足等技术问题，提出一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置。

2、本发明的技术方案：一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，包括慢化体，所述慢化体沿中子入射方向依次由第一氟化铋层、氟化镁主慢化层和第二氟化铋层构成。

3、可选的，所述第一氟化铋层的厚度为1.8～2.2cm，所述氟化镁主慢化层的厚度为18.5～20.5cm，所述第二氟化铋层的厚度为4.0～5.2cm。

4、可选的，还包括设置于中子源靶后方的后向反射环，所述后向反射环由氟化镁制成，其轴向长度为25～35cm，内径等于靶半径，外径等于反射体外半径。

5、可选的，还包括设置于所述慢化体外围的径向反射体，所述径向反射体由氟化镁制成。

6、可选的，还包括设置于出射端面的热中子吸收层，所述热中子吸收层由镉制成，其厚度为0.005～0.02cm。

7、可选的，还包括设置于慢化体出口端的延伸准直环，所述延伸准直环由氟化镁制成，其内孔为锥形结构，入口半径等于慢化体半径，出口半径等于测量孔半径，所述延伸准直环的厚度为1～20cm。

8、可选的，所述慢化体的半径为12～18cm，反射体外半径为35～45cm，靶半径为8～12cm，出口孔半径为5～9cm。

9、可选的，所述慢化体的材料仅由氟化铋和氟化镁两种氟化物构成。

10、可选的，所述第一氟化铋层和所述第二氟化铋层的密度为8.0～8.5g/cm3，所述氟化镁主慢化层的密度为2.8～3.2g/cm3。

11、与现有技术相比，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

12、本发明仅使用bif3和mgf2两种慢化体材料，构成三层对称结构。材料种类的减少，减少了材料采购环节所涉及的物料种类及供应商数量，降低了采购管理的复杂度；在加工环节，仅需针对两种材料建立加工工艺规程，减少了工艺准备时间和设备调整频次；在装配环节，部件种类少、接口关系简单，简化了装配流程。上述因素共同作用，使得整体制造成本得到有效控制。

13、本发明三层结构中各层厚度均在2.0 cm以上，该厚度范围属于常规机械加工的适宜尺寸。厚尺寸部件在装夹、定位和切削加工过程中具有更好的结构刚性，不易发生加工变形；各层厚度在机加工中的尺寸公差易于保证，无需采用针对薄片材料的特殊加工工艺；在装配环节，厚尺寸部件的搬运、叠放和定位操作简便，各层之间的配合精度容易达到设计要求。上述特征使得本发明的制造过程不依赖高精度薄片加工设备，降低了加工难度和制造成本。

14、本发明中氟化铋层位于慢化体前后两端，形成包夹氟化镁主慢化体的三层构型。位于入射端的第一氟化铋层利用铋元素的高原子序数所赋予的非弹性散射截面，对入射的高能快中子进行初步慢化，降低进入主慢化层的中子平均能量；位于出射端的第二氟化铋层对经主慢化层慢化后的中子能谱进行尾部整形，通过铋元素的能谱调控作用使超热能区的中子通量最大化。三层结构各司其职，前层分担主慢化层的慢化负荷，后层补充主慢化层在能谱精细调控方面的不足。

15、本发明通过上述三层氟化物结构的协同作用，在出口处获得了符合bnct临床治疗要求的超热中子束。经蒙特卡罗模拟验证，出口中子束的各项品质指标包括超热中子通量、快中子剂量比、伽马剂量比、热中子污染程度及束流前向性均达到bnct治疗规定的约束条件，保证了该装置在临床环境中的可用性和安全性。

16、综上所述，本发明以仅两种材料的简洁三层结构，在保持各层厚度处于易加工尺寸范围的前提下，通过前后氟化铋层的分工协同，实现了满足bnct治疗标准的超热中子束输出，在结构简化、制造便利性与束流品质之间取得了兼顾。

1.一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，包括慢化体，其特征在于，所述慢化体沿中子入射方向依次由第一氟化铋层、氟化镁主慢化层和第二氟化铋层构成。

2.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，所述第一氟化铋层的厚度为1.8～2.2cm，所述氟化镁主慢化层的厚度为18.5～20.5cm，所述第二氟化铋层的厚度为4.0～5.2cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，还包括设置于中子源靶后方的后向反射环，所述后向反射环由氟化镁制成，其轴向长度为25～35cm，内径等于靶半径，外径等于反射体外半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，还包括设置于所述慢化体外围的径向反射体，所述径向反射体由氟化镁制成。

5.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，还包括设置于出射端面的热中子吸收层，所述热中子吸收层由镉制成，其厚度为0.005～0.02cm。

6.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，还包括设置于慢化体出口端的延伸准直环，所述延伸准直环由氟化镁制成，其内孔为锥形结构，入口半径等于慢化体半径，出口半径等于测量孔半径，所述延伸准直环的厚度为1～20cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，所述慢化体的半径为12～18cm，反射体外半径为35～45cm，靶半径为8～12cm，出口孔半径为5～9cm。

8.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，所述慢化体的材料仅由氟化铋和氟化镁两种氟化物构成。

9.根据权利要求1所述的一种基于三层氟化物结构的超热中子束整形装置，其特征在于，所述第一氟化铋层和所述第二氟化铋层的密度为8.0～8.5g/cm3，所述氟化镁主慢化层的密度为2.8～3.2g/cm3。