一种热中子束流整形装置的制作方法

1.本发明涉及bnct硼中子俘获治疗的技术领域，尤其涉及一种用于治疗浅表肿瘤的热中子束流整形装置。


背景技术：

2.bnct装置用于治疗的中子束能量覆盖范围为＜0.5ev
‑
10kev，入射人体后，中子继而被肿瘤细胞内富集程度高的硼
‑
10原子俘获，释放出带电粒子并杀死肿瘤细胞。而bnct适合治疗的肿瘤类型有很多，其中可以分为浅表肿瘤和深部肿瘤，肿瘤处于的部位深度不同，其所需的中子束能量亦不相同。其中深部肿瘤需要能量较高的超热中子束(0.5ev
‑
10kev)进行治疗，而针对浅表肿瘤则需要能量较低的热中子(＜0.5ev)进行治疗。
3.基于治疗浅表肿瘤用的热中子束能量，现有bnct装置采用的热中子束流整形装置，其大量的热中子束流整形装置采用的是含氚或者含铍的慢化材料，而氚或者铍具有较优的中子学性能，其吸收截面较低，慢化效率相对来说也比较高，但是氚或者铍等材料价格极贵，不适合作为中小型中子源的慢化体材料。其次，含氢的慢化体也是较为广泛采用的技术路线，这是由于氢的原子序数最小，与中子单次弹性散射碰撞中子损失的能量最大，再者氢的弹性散射截面较大，可以使整体的慢化体体积更紧凑，更紧凑的慢化体体积可以使几何衰减降到最低。
4.氢元素的弹性散射截面具有一定的特殊性，其对于能量大于10kev的高能中子的弹性散射截面较低，但是对于低于10kev的中子弹性散射截面较大，这使得10kev处的弹性散射截面需要是1mev的4倍，若使用大块状的含氢慢化体，这种慢化大于10kev的高能中子所需的慢化体的尺寸较大，而慢化低于10kev的中子所需的慢化体尺寸较小。总而言之，高能中子在完全没有被慢化的同时已经有大量的热中子在慢化体中与氢反生碰撞和吸收等反应，但由于氢材料的吸收截面较大，高能中子若要完全慢化则需要较大的含氢慢化体，而较大的含氢慢化体容易使热中子被大量吸收，解决该技术问题指日可待；另外，现有的束流整形装置中出口端的辐射防护设计大多采用铅作为伽马屏蔽材料，但是铅对中子的弹性散射较大，虽然能有效屏蔽伽马射线，但也使出口处的中子通量大幅减少。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的一个或多个问题，提出了一种热中子束流整形装置，旨在解决上述背景技术中提出的技术问题。
6.在本发明的一个方面中，提出的一种热中子束流整形装置，其包括质子通道和装置主体，所述的装置主体设置在质子通道的后端，所述质子通道是具有直线内腔通道的，且所述质子通道内设置有靶体；
7.所述的装置主体包括反射体和慢化体，所述慢化体设置在质子通道的末端，所述质子通道和慢化体的外周设置有反射体；
8.所述慢化体内开设有环形槽，所述环形槽内设置有圆锥体，所述环形槽与圆锥体
形成一锥形槽。
9.在本发明的另一个方面中，提出的一种热中子束流整形装置，包括质子通道和装置主体，所述的装置主体设置在质子通道的后端，所述质子通道是具有直线内腔通道的，且所述质子通道内设置有靶体；
10.所述的装置主体包括反射体和慢化体，所述慢化体设置在质子通道的末端，所述质子通道和慢化体的外周设置有反射体。
11.在一些实施方式中，所述慢化体包括中部慢化体和后部慢化体，所述中部慢化体设置在质子通道的后端，且所述中部慢化体的后表面与后部慢化体的前表面相抵连接。
12.在一些实施方式中，所述慢化体还包括前部慢化体，所述前部慢化体设置在质子通道的末端，且所述前部慢化体设置在中部慢化体的前表面，并设置在中部慢化体与靶体之间。
13.在一些实施方式中，所述后部慢化体内开设有环形槽，所述环形槽内设置有圆锥体，所述后部慢化体内的环形槽与圆锥体形成一锥形槽。
14.在一些实施方式中，所述锥形槽的两侧壁厚范围为30～50mm。
15.在一些实施方式中，所述圆锥体轴截面的圆锥顶角角度范围为70
°
～90
°
。
16.在一些实施方式中，所述圆锥体的轴线长度范围为100～120mm。
17.在一些实施方式中，所述后部慢化体后表面设置有屏蔽体，所述屏蔽体的厚度范围为130～150mm。
18.在一些实施方式中，所述屏蔽体的后表面上设置有碱金属卤化物薄层，所述碱金属卤化物薄层的厚度范围为1～3mm。
19.在一些实施方式中，所述反射体是聚乙烯，并设置在质子通道和慢化体的外侧。
20.在一些实施方式中，所述慢化体是聚乙烯，并设置在质子通道的末端。
21.在一些实施方式中，所述反射体包括外反射体和内反射体，所述内反射体设置在质子通道的外侧，所述外反射体设置在内反射体和慢化体的外侧。
22.在一些实施方式中，所述内反射体是聚乙烯，所述外反射体是碳。
23.在一些实施方式中，所述前部慢化体是聚乙烯，其厚度范围为20～40mm。
24.在一些实施方式中，所述中部慢化体是氟化铝，其厚度范围为80～100mm，宽度范围为120～140mm。
25.在一些实施方式中，所述后部慢化体是聚乙烯，其厚度范围为100～120mm。
26.在一些实施方式中，所述反射体与慢化体是一体成型的。
27.在一些实施方式中，所述内反射体与后部慢化体是一体成型的。
28.在一些实施方式中，所述靶体设置在装置主体的内部。
29.本发明提供的一种热中子束流整形装置，具有如下的有益效果：
30.1、本发明通过采用alf3，使中子进入到聚乙烯慢化体部分的时候，大部分中子的能量都是处于10kev附近或者低于10kev，从而减少高于10kev的高能中子含量；
31.2、本发明通过采用前部聚乙烯慢化体，以增强alf3对高能中子慢化至10kev附近的慢化能力，无需采用较大体积的alf3材料，减少整体慢化体的体积，进而减少慢化体占用装置主体空间的体积，更紧凑的装置体积有利于提升中子通量；
32.3、本发明通过采用锥形槽结构，可使原本被慢化体吸收或者散射至出口以外区域
的热中子从槽中被引出至出口端，同时，锥形而非竖直形的结构可避免靶体出射的中子不经碰撞或者经过较少的碰撞就从锥形槽逃逸，合适的锥角可以使从锥形槽逃逸的中子均是经过多次碰撞以后的热中子；
33.4、本发明的锥形槽所获得的中子通量增益是热中子增益，而不是高能中子增益，从而避免高能中子从锥形槽中逃逸至装置主体的出口端，提高了出口端射出热中子的强度及纯度；
34.5、本发明通过采用铋作为伽马的屏蔽材料，所以屏蔽体采用铋能实现对中子的高透明度，并且大大有效地屏蔽伽马射线；
35.6、本发明通过采用碳作为反射体的主要材料，并设置于慢化体的周围，碳作为反射体材料产生的伽马射线较少，并能有效地反射中子至慢化体区域；
36.7、本发明通过采用具有中间开口的6lif薄层，可以有效的吸收热中子而不释放伽马射线，使得最终射出的热中子束流集中于位于出口端处的肿瘤病灶区，保护肿瘤周围的危及器官。
附图说明
37.为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：
38.图1是本发明热中子束流整形装置的实施例一的横截面示意图；
39.图2是本发明热中子束流整形装置的实施例二的横截面示意图；
40.图3是本发明热中子束流整形装置的实施例三的横截面示意图；
41.图4是本发明热中子束流整形装置的实施例四的横截面示意图；
42.图5是本发明热中子束流整形装置的实施例五的横截面示意图；
43.图6是本发明热中子束流整形装置的实施例六的横截面示意图；
44.其中，图中各附图标记：
[0045]1‑
质子通道、11
‑
靶体；
[0046]2‑
装置主体、21
‑
反射体、211
‑
内反射体、212
‑
外反射体、22
‑
前部慢化体、23
‑
中部慢化体、24
‑
后部慢化体、241
‑
环形槽、242
‑
圆锥体、243
‑
锥形槽、25
‑
屏蔽体、26
‑
碱金属卤化物薄层、27
‑
开口。
具体实施方式
[0047]
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0048]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当
称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0049]
本发明提出的一种热中子束流整形装置，包括装置主体和具有直线内腔通道的质子通道，本发明以质子入射的方向为正方向，以质子通道的质子入射处为前端，所以，该装置主体是设置在质子通道的后端，质子通道内设置有靶体，本领域技术人员容易理解的是：质子通道的后端是伸入到该装置主体的内部，进而靶体也是设置在装置主体的内部；以及，该装置主体包括反射体和慢化体，慢化体设置在质子通道的末端，质子通道和慢化体的外周设置有反射体。
[0050]
同时，在本发明所有实施例过程中需要说明的是：本发明所提及的高能中子是高于10kev的快中子，本发明所提及的中能中子是位于0.5ev至10kev之间的超热中子，本发明所提及的低能中子是低于0.5ev的热中子。
[0051]
以及，在本发明所有实施例过程中需要说明的是：本发明所提及的出口端为中子在本发明热中子束流整形装置射出的终端。
[0052]
如图1所示的实施例一：包括中部慢化体和后部慢化体的热中子束流整形装置
[0053]
针对现有技术中的问题，在本发明的一个方面，提出了第一个实施例，主要是由于含氢慢化体(聚乙烯)的吸收截面较大，高能中子若要完全慢化则需要较大的含氢慢化体(聚乙烯)，而现有慢化体已有采用大块状的含氢慢化体(一般采用聚乙烯)，但是，采用该大块状的含氢慢化体使得高能中子在没有完全被慢化到热中子时，已经有大量的中能/热中子在含氢慢化体(聚乙烯)中与氢反生碰撞和吸收等反应，使得中能或热中子被大量吸收，以及，大块状的含氢慢化体非常占用装置主体的体积及空间，所以，本实施例的慢化体中加入了alf3(氟化铝)，这样可以使得中子进入到聚乙烯慢化体部分的时候，大部分中子的能量都是处于10kev附近或者低于10kev(即高能中子或中能中子)，从而减少高于10kev的高能中子含量，具体来说：所述的慢化体包括中部慢化体和后部慢化体，该中部慢化体是alf3(氟化铝)，该后部慢化体是pe(聚乙烯)，alf3设置在质子通道的末端，且alf3的后表面与该后部慢化体(pe)的前表面相抵连接，当质子束流从质子通道击打靶体产生高能中子后，因为高能中子是四处散射的，所以以质子入射的方向为正方向，则高能中子首先入射到alf3上，因为alf3具备将高能中子慢化到10kev能量附近的特点，故经过alf3后的中子能量大多是处于10kev附近或者低于10kev(即高能中子或中能中子)，从而减少高于10kev的高能中子含量入射到后部慢化体上，接着处于10kev附近或者低于10kev的中子入射到后部慢化体上，后部聚乙烯慢化体能使处于10kev附近或者低于10kev的中子被迅速慢化，使得出口端射出的是热中子，且对热中子吸收较小，也解决了现有大块状的含氢慢化体占用装置主体的体积及空间的问题，从而极大抑制聚乙烯对热中子的吸收作用。为了使本实施例能达到最佳效果，经仿真模拟，中部慢化体(alf3)的优选厚度为90mm，优选宽度为130mm，而后部慢化体(pe)的优选厚度为110mm。
[0054]
另外，本实施例过程中的反射体也可采用pe(聚乙烯)，反射体(pe)与后部慢化体(pe)可以是一体成型的，本领域技术人员容易理解的是，本实施例过程中的装置主体的外壳是采用聚乙烯材料制作。
[0055]
虽然本第一实施例采用alf3使中子进入到聚乙烯慢化体部分的时候，大部分中子的能量都是处于10kev附近或者低于10kev，从而减少高于10kev的高能中子含量，但是alf3的平均自由程较低，且在单独采用alf3将高能中子慢化至10kev附近时需要较大体积的alf3材料，从而造成整体慢化体的体积还是过于大，导致出口端射出的中子几何衰减较大。
[0056]
如图2所示的实施例二：还包括前部慢化体的热中子束流整形装置
[0057]
针对上述实施例当中alf3的平均自由程较低，且在单独采用alf3将高能中子慢化至10kev附近时需要较大体积的alf3材料，从而造成整体慢化体的体积还是过于大，导致出口端射出的中子几何衰减较大的问题，所以，在本发明的另一个方面，提出了第二个实施例，与第一实施例不同的是：本第二实施例中的慢化体，还包括：前部慢化体，前部慢化体设置在中部慢化体(alf3)的前表面，且设置在alf3与靶体之间，该前部慢化体是聚乙烯(pe)，为了使本实施例能达到最佳效果，经仿真模拟，该pe薄层的优选厚度为30mm，以增强alf3对高能中子慢化至10kev附近的慢化能力，无需采用较大体积的alf3材料，减少整体慢化体的体积，进而减少慢化体占用装置主体空间的体积。本领域技术人员容易理解的是，本实施例过程中的慢化体最终形成pe alf3 pe的构型。
[0058]
虽然本第二实施例在alf3前表面增加前部聚乙烯慢化体(pe)，以增强alf3对高能中子慢化至10kev附近的慢化能力，但是，在这种pe alf3 pe构型的慢化体中，出口端射出的中子通量不能满足109n/cm2/s的要求，使得本发明热中子束流整形装置射出的中子通量无法满足bnct所要的束流要求。
[0059]
如图3所示的实施例三：开设有锥形槽的热中子束流整形装置
[0060]
针对上述实施例当中采用pe alf3 pe构型的慢化体，出口端射出的热中子通量不能满足109n/cm2/s要求的问题，所以，在本发明的另一个方面，提出了第三个实施例，采用锥形槽结构以提高出口端射出的热中子通量。具体来说，本第三实施例与第二实施例不同的是：本第三实施例中的后部慢化体内开设有环形槽，即在后部聚乙烯慢化体内开设有环形槽，环形槽内设置有聚乙烯圆锥体，该圆锥体的底面位于中子入射的方向(即质子入射的正方向)，圆锥体的顶角位于中子出射的方向，同时，圆锥体的轴线与alf3的后表面相垂直，且该圆锥体的底面与alf3的后表面相抵连接，以及，该圆锥体的轴线优选与后部慢化体的厚度相等，在本第一实施例当中，后部慢化体的优选厚度为110mm，则本第三实施例中圆锥体的轴线优选厚度为110mm，本领域技术人员容易理解的是，圆锥体的顶角(轴线顶点)位于后部慢化体的后表面上，该圆锥体的轴截面的顶角角度优选为80
°
，由此可知，该圆锥体的底面半径为110*tan40
°
mm。因为圆锥体是设置在环形槽内的，从而环形槽与圆锥体形成一锥形槽，该锥形槽的两侧壁厚范围为30～50mm，优选为40mm，需要说明的是，该锥形槽的两侧壁厚，是圆锥体的侧面(不垂直于轴线的边旋转而成的曲面叫做圆锥的侧面)与环形槽的内壁面之间的距离，由此可知，该锥形槽的两侧壁是互相平行的，即圆锥体的侧面与环形槽的内壁面是平行的。本第三实施例通过采用锥形槽结构，只要锥形槽的锥角合适，即只要圆锥体的轴截面的顶角角度合适，进而避免靶体出射的中子不经碰撞或者经过较少的碰撞就从锥形槽逃逸，也就是说，锥角较大可以使从锥形槽逃逸的中子均是经过多次碰撞以后的热中子，进而来说，锥形槽所获得的中子通量增益是热中子增益，而不是高能中子增益，从而避免高能中子从锥形槽中逃逸至装置主体的出口端，提高了出口端射出热中子的强度及纯度。
[0061]
在本第三实施例过程中采用的锥形槽结构(即环形槽与圆锥体形成的一锥形槽)不限于设置一个，可以设置两个或两个以上，只需要通过蒙特卡洛软件的模拟计算可以得到较优的开槽尺寸，从而使出口端热中子通量及纯度达到较优水平。
[0062]
如图4所示的实施例四：设置有屏蔽体的热中子束流整形装置
[0063]
针对上述的所有实施例当中，装置主体的出口端会混杂大量的伽马射线，混杂的伽马射线对肿瘤的治疗是有害的，且辐照后装置主体所带来的感生放射性造成工作场所的射线污染及影响人员身体健康的问题，所以，为了解决该技术问题，本第一实施例中后部慢化体(聚乙烯)的后表面设置有用于屏蔽伽马射线的屏蔽体，在一般的辐射防护设计中多采用铅(pb)作为伽马的屏蔽材料，但是pb对中子的弹性散射较大，所以，本发明采用铋(bi)作为伽马的屏蔽材料，所以屏蔽体采用bi能实现对中子的高透明度，且大大有效地屏蔽伽马射线，同时为了使本实施例能达到最佳效果，经仿真模拟，该屏蔽体的优选厚度为140mm。
[0064]
如图5所示的实施例五：采用碳作为反射体主要材料的热中子束流整形装置
[0065]
针对上述的所有实施例当中，装置主体的反射体全部采用的是pe作为反射材料，由于pe属于含氢材料，容易导致伽马射线的产生的问题，所以，为了解决该技术问题，本第二实施例中反射体包括外反射体和内反射体，内反射体设置在质子通道的外侧，外反射体设置在内反射体和慢化体的外侧，而内反射体是pe，外反射体是碳，采用碳作为反射体的主要材料，并设置于内pe反射体和慢化体的周围，经仿真模拟，这样能减少伽马射线的产生，也能降低聚乙烯的使用含量，还能有效地反射中子至慢化体区域。
[0066]
另外，由于内pe反射体是聚乙烯，后部慢化体也是聚乙烯，所以，内反射体和后部慢化体可设置成一体成型的。
[0067]
如图6所示的实施例六：设置有6lif薄层的热中子束流整形装置
[0068]
针对上述的所有实施例和实施例当中，为了达到最佳的肿瘤医疗效果，使热中子束流能与肿瘤区域对准，热中子束流只能在中间的束流引出口出射，所以，提出了第三个实施例，该实施例三与实施例一不同的是：屏蔽体的后表面上还设置有碱金属卤化物薄层，该碱金属卤化物薄层采用的是6lif，6lif薄层优选厚度为2mm，该6lif薄层的中间开设有一开口，用于引出热中子束流，由于治疗表皮肿瘤时，热中子束流准直性影响很小，只需要肿瘤区域对准热中子束流的出口即可，无需在装置主体内设置准直器，而在治疗深部肿瘤时中子才需要比较准直，这样才能不弥散在表皮层而穿透表皮直达肿瘤部位，由此可知，本实施例过程中通过采用6lif薄层并在其中间开设一用于引出热中子束流的开口，6lif薄层可以有效的吸收热中子而不释放伽马射线，经仿真模拟，采用了该具有中间开口的6lif薄层吸收掉热中子的量，造成的热中子通量减少小于5％而已，使得出口端射出的热中子通量仍能满足109n/cm2/s要求。当然，本碱金属卤化物薄层不限于采用6lif，也可以采用其它碱金属卤化物。
[0069]
本发明的有益效果是：
[0070]
1、本发明通过采用alf3，使中子进入到聚乙烯慢化体部分的时候，大部分中子的能量都是处于10kev附近或者低于10kev，从而减少高于10kev的高能中子含量；
[0071]
2、本发明通过采用前部聚乙烯慢化体，以增强alf3对高能中子慢化至10kev附近的慢化能力，无需采用较大体积的alf3材料，减少整体慢化体的体积，进而减少慢化体占用装置主体空间的体积，更紧凑的装置体积有利于提升中子通量；
[0072]
3、本发明通过采用锥形槽结构，可使原本被慢化体吸收或者散射至出口以外区域的热中子从槽中被引出至出口端，同时，锥形而非竖直形的结构可避免靶体出射的中子不经碰撞或者经过较少的碰撞就从锥形槽逃逸，合适的锥角可以使从锥形槽逃逸的中子均是经过多次碰撞以后的热中子；
[0073]
4、本发明的锥形槽所获得的中子通量增益是热中子增益，而不是高能中子增益，从而避免高能中子从锥形槽中逃逸至装置主体的出口端，提高了出口端射出热中子的强度及纯度；
[0074]
5、本发明通过采用铋作为伽马的屏蔽材料，所以屏蔽体采用铋能实现对中子的高透明度，并且大大有效地屏蔽伽马射线；
[0075]
6、本发明通过采用碳作为反射体的主要材料，并设置于慢化体的周围，碳作为反射体材料产生的伽马射线较少，并能有效地反射中子至慢化体区域；
[0076]
7、本发明通过采用具有中间开口的6lif薄层，可以有效的吸收热中子而不释放伽马射线，使得最终射出的热中子束流集中于位于出口端处的肿瘤病灶区，保护肿瘤周围的危及器官。
[0077]
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。