CN104575653B - 滤屏与中子束源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滤屏与中子束源。滤屏包括：第一层，由铁组成；第二层，由1体积份的氟化锂、20至50体积份的铝与50至80体积份的氟化铝组成；以及第三层，由1重量份的氟化锂与99至100重量份的氟化镁组成，其中第二层位于第一层与第三层之间。

Description

滤屏与中子束源
技术领域
本发明涉及一种中子束源，更特别涉及一种产生中子束的滤屏结构。
背景技术
硼中子捕获治疗(BNCT)的原理如下：含硼药物经由血液循环与肿瘤细胞结合，再用中子束以肿瘤组织的位置为中心照射，使硼吸收中子后产生锂与氦离子，准确破坏癌细胞而不破坏其他正常的组织。
对患者而言，BNCT仅会造成极小损伤，且不需外科手术与麻醉。在治疗脑肿瘤时若BNCT采用穿透力较低的热中子，需额外打开病人的头盖骨；若BNCT采用超热中子，则不需打开病人的头盖骨。
目前大部分的BNCT的中子束源为源自研究用原子炉。由于原子炉通常无法设置于医院中，因此医生与患者需配合原子炉的所在进行治疗。与此相较，加速器型的中子束源不但成本低，且可设置于医院中以节省医生与患者的时间。
综上所述，目前亟需开发加速器型的中子束源以利BNCT的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明一实施例提供的滤屏，包括：第一层，由铁组成；第二层，由1体积份的氟化锂、20至50体积份的铝与50至80体积份的氟化铝组成；以及第三层，由1重量份的氟化锂与99重量份的氟化镁组成。其中第二层位于第一层与第三层之间。
本发明一实施例提供的中子束源，包括：加速器；铍靶材；以及上述的滤屏，其中铍靶材位于加速器与滤屏之间，且滤屏的第一层位于铍靶材与滤屏第三层之间。
附图说明
图1是本发明一实施例中，中子束源的示意图；
图2是本发明一实施例中，滤屏的示意图；
图3是本发明一实施例中，含汇聚元件的中子束源的示意图。
符号说明
10 中子束源；
11 加速器；
13 靶材；
14 铅壁；
15 滤屏；
15A 第一层；
15B 第二层；
15C 第三层；
16 汇聚元件；
17 患者；
20 屏蔽。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的中子束源10主要由三个部分构成：加速器11、靶材13与滤屏15，且靶材13位于加速器11与滤屏15之间。举例来说，加速器11可为购自Sumitomo的回旋加速器。加速器11用以提供能量为接近30MeV与电流为1mA以上的质子撞击靶材13，以产生快中子。上述快中子穿过滤屏15后，产生调整后的超热中子束。依据国际原子能总署(IAEA)的建议，BNCT所用的超热中子通率需大于或等于109cm-2·s-1，且伴随每个超热中子的快中子剂量及伴随每个超热中子的加马射线剂量小于2×10-11cGy·cm2。其中加马射线剂量建议值容易达成，故实施例主要探讨超热中子通率及伴随每个超热中子的快中子剂量。若超热中子通率过低，则会延长患者17照射治疗的时间。若快中子剂量过高，则有可能会损伤患者17的其他正常组织。若加速器11提供的质子能量过高，则会增加屏蔽设计的困难，且对提升中子的产率有限。若加速器11提供的质子能量过低，则中子的产率不足，需增加电流来弥补。
在本发明一实施例中，靶材13的材质为铍，其厚度介于0.55cm至0.58cm之间。若靶材13的厚度过厚，则靶材散热不易。若靶材13的厚度过薄，则中子的产率会下降。
在本发明一实施例中，滤屏15的总厚度介于67.5cm至70cm之间，且滤屏15的截面积为0.5～1.13平方米，相当于半径介于40cm至60cm的圆形。若滤屏15的总厚度过薄，则无法有效降低快中子剂量。若滤屏15的总厚度过厚，则无法产生足够的超热中子通率。若滤屏15的截面积过大，将使滤屏重量增加、费用增加，而对提升中子束品质帮助有限，却使平均超热中子通率强度下降。若滤屏15的截面积过小，在相同厚度下将无法有效降低快中子剂量。
滤屏15为三层结构如图2所示，第二层15B位于第一层15A与第三层15C之间，且第一层15A位于前述的靶材13与第三层15C之间，即质子撞击靶材13产生的中子依序穿过第一层15A、第二层15B与第三层15C。第一层15A由铁组成。铁与中子的非弹性碰撞将1MeV以上的中子减速到1MeV以下。在本发明一实施例中，第一层15A的厚度介于25cm至40cm之间。若第一层15A的厚度过薄，则1MeV以上的中子会太多。若第一层15A的厚度过厚，则修饰1MeV以下中子的其他滤屏材料厚度会不足，会影响中子束品质。第二层15B由1体积份的氟化锂、20至50体积份的铝与50至80体积份的氟化铝组成，见美国专利号5703918。在本发明一实施例中，第二层15B的厚度介于10cm至37.5cm之间。若第二层15B的厚度过厚，在滤屏15总厚度固定的情况下第三层厚度太薄，则中子减速不够，使快中子剂量会过高。若第二层15B的厚度过薄，相对第三层厚度需较厚以降低快中子剂量，但同时超热中子通率会过低。第三层15C由1重量份的氟化锂与99至100重量份的氟化镁组成。若氟化锂的比例过低(即氟化镁的比例过高)，则热中子占比会增加。若氟化锂的比例过高(即氟化镁的比例过低)，则伴随每个超热中子的快中子剂量提高。在本发明一实施例中，第三层15C的厚度介于5cm至20cm之间。若第三层15C的厚度过厚，则减速过快，超热中子通率会过低。若第三层15C的厚度过薄，则减速不够，快中子剂量会过高。
在本发明一实施例中，可在滤屏15外侧设置厚度15厘米以上的铅壁14，以进一步增加最后产生的超热中子。若铅壁14的厚度过厚，则太重。为避免辐射线穿出滤屏15，可采用屏蔽20包覆滤屏15。在本发明一实施例中，屏蔽20可为水泥。
在一实施例中，加速器11产生能量为30MeV且电流为1mA的质子束，上述中子束源10所产生的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.5×10-11cGy·cm2。
在本发明一实施例中，可进一步设置汇聚元件16如图3所示。汇聚元件16位于患者17与滤屏15之间，且滤屏15位于汇聚元件16与靶材13之间。汇聚元件16的设计可参考Y-WH.Liu,T.T.Huang,S.H.Jiang,H.M.Liu,(2004)“Renovation of Epithermal NeutronBeam for BNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.。汇聚元件16在集中维持超热中子通率强度的同时可降低快中子的剂量。举例来说，加速器11产生能量为30MeV且电流为1mA的质子束，而具有汇聚元件16的中子束源10其产生的超热中子通率介于1.7×109～2.0×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.0×10-11～2.6×10-11cGy·cm2。若加速器11产生能量为30MeV且电流为2mA的质子束，具有汇聚元件16的中子束源10所产生的超热中子通率成等比例增加，介于3.4×109～4.0×109cm-2·s-1，快中子剂量率也成等比例增加，因此伴随每一超热中子的快中子剂量不变，介于2.0×10-11～2.6×10-11cGy·cm2。由于上述中子束源10可产生足够的超热中子通率与较低的快中子剂量率，因此适用于加速器型硼中子捕获治疗。
当加速器产生质子能量略有变动时，能产生上述理想超热中子束的滤屏三层结构的厚度范围也会略有变动。
当加速器产生的质子能量增为31MeV且电流为1mA，能产生理想超热中子的滤屏三层结构为:第一层的厚度介于27.5cm至40cm之间，第二层的厚度介于10cm至35cm之间，第三层的厚度介于7.5cm至20cm之间。在一实施例中，中子束源10所产生的中子束的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.7×10-11cGy·cm2。
如加速器产生的质子能量减为29MeV且电流为1mA，能产生理想超热中子的滤屏三层结构为:第一层的厚度介于25cm至37.5cm之间，第二层的厚度介于12.5cm至37.5cm之间，第三层的厚度介于5cm至17.5cm之间。在一实施例中，中子束源10所产生的中子束的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.5×10-11cGy·cm2。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数实施例配合所附图示，作详细说明如下：
实施例
以下实验采用的模拟计算软体为Los Alamos National Laboratory开发的MCNPX，且截面库采用ENDF/B-7。
以下实施例1至4中，加速器产生能量为30MeV且电流为1mA的质子，靶材为0.55cm厚的铍。滤屏的第一层由铁组成，第二层由1重量份的氟化锂、30重量份的铝与69重量份的氟化铝组成(相当于1体积份的氟化锂、31体积份的铝与68体积份的氟化铝组成)，且第三层由1重量份的氟化锂与99重量份的氟化镁组成。
实施例1
取不同厚度的第一层、第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏。含有上述滤屏的中子束源产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第1表所示：
第1表
由第1表的比较可知，第二层中的铝原子量较大而无法有效降低快中子的速度，因此需增加第二层的厚度以降低快中子剂量，但增加第二层厚度也会降低超热中子通率。第三层的镁原子量较小可有效降低快中子速度，但也降低超热中子通率。当第一层与第二层的总厚度(实施例1-1)等于第一层与第三层的总厚度(实施例1-4)时，实施例1-4的超热中子通率小于实施例1-1的超热中子通率。由实施例1-3与1-4的比较可知，当采用第一层与第二层作为滤屏的第二层厚度，需比采用第一层与第三层作为滤屏的第三层厚度多7.5cm才可达相近的快中子剂量。由实施例1-3、1-4与1-5的比较可知，在伴随每一超热中子的快中子剂量相近且合理较低的情况下，采用三层结构的实施例1-5产生的超热中子通率较高，且厚度比实施例1-3少5cm。
实施例2
实施例2-1与实施例1-5类似，差别在于将第二层与第三层对调。虽然实施例2-1的超热中子通率较高，但其快中子剂量率也随之提高。为降低实施例2-1的快中子剂量率，需增加第三层的厚度如实施例2-2。然而实施例2-2的快中子剂量率虽与实施例1-5的快中子剂量相近，但其超热中子通率却也因而降低。由上述可知，实施例1-5中第一层、第二层与第三层的排列顺序优于实施例2-1与2-2中第一层、第三层与第二层的排列顺序。
第2表
实施例3
将第一层的厚度固定为30cm，分别搭配不同厚度的第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏，并进一步搭配Y-W H.Liu,T.T.Huang,S.H.Jiang,H.M.Liu,(2004)“Renovation of Epithermal Neutron Beam for BNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.所公开的汇聚元件。含有上述滤屏与汇聚元件的中子束源产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第3表所示：
第3表
由第3表与第1表、第2表的比较可知，汇聚元件可维持超热中子通率强度，并降低快中子剂量率。
实施例4
取不同厚度的第一层、第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏，且未使用汇聚元件。含有上述滤屏的中子束源产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第4表所示：
第4表
由第4表可知，采用适当厚度的第一层、第二层与第三层作为滤屏的中子束源，可提供足够的超热中子通率与低快中子剂量率。
实施例5
加速器产生能量为31MeV且电流为1mA的质子，取不同厚度的第一层、第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏，且未使用汇聚元件。含有上述滤屏的中子束源产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第5表所示：
第5表
实施例6
加速器产生能量为29MeV且电流为1mA的质子，取不同厚度的第一层、第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏，且未使用汇聚元件。含有上述滤屏的中子束源产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第6表所示：
第6表
实施例7
加速器产生能量为30MeV且电流为1mA的质子，取不同厚度的第一层、第二层与第三层组成圆形截面(半径50cm)的滤屏，且搭配实施例3所述的汇聚元件。含有上述滤屏的中子束源经汇聚后产生的超热中子通率、快中子剂量率与伴随每一超热中子的快中子剂量如第7表所示：
第7表
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种滤屏，包括：
第一层，由铁组成；
第二层，由1体积份的氟化锂、20至50体积份的铝与50至80体积份的氟化铝组成；以及
第三层，由1重量份的氟化锂与99至100重量份的氟化镁组成，
其中该第二层位于该第一层与该第三层之间。
2.如权利要求1所述的滤屏，其中该滤屏的总厚度介于67.5cm至70cm之间，且该滤屏的截面是半径介于40cm至60cm的圆形。
3.如权利要求1所述的滤屏，其中该第一层的厚度介于25cm至40cm之间，该第二层的厚度介于10cm至37.5cm之间，且该第三层的厚度介于5cm至20cm之间。
4.一种中子束源，包括：
加速器；
铍靶材；以及
权利要求1所述的滤屏，
其中该铍靶材位于该加速器与该滤屏之间，且该滤屏的第一层位于该铍靶材与该第三层之间。
5.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为30MeV且电流为1mA的质子束，该滤屏的第一层的厚度介于25cm至40cm之间，该第二层的厚度介于10cm至37.5cm之间，且该第三层的厚度介于5cm至20cm之间。
6.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为29MeV且电流为1mA的质子束，该滤屏的第一层的厚度介于25cm至37.5cm之间，该第二层的厚度介于12.5cm至37.5cm之间，且该第三层的厚度介于5cm至17.5cm之间。
7.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为31MeV且电流为1mA的质子束，该滤屏的第一层的厚度介于27.5cm至40cm之间，该第二层的厚度介于10cm至35cm之间，且该第三层的厚度介于7.5cm至20cm之间。
8.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为30MeV且电流为1mA的质子束撞击该铍靶材，以产生中子；以及
中子穿过该滤屏后，产生调整后的中子束，其中调整后的中子束的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.5×10-11cGy·cm2。
9.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为29MeV且电流为1mA的质子束撞击该铍靶材，以产生中子；以及
中子穿过该滤屏后，产生调整后的中子束，其中调整后的中子束的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.5×10-11cGy·cm2。
10.如权利要求4所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为31MeV且电流为1mA的质子束撞击该铍靶材，以产生中子；以及
中子穿过该滤屏后，产生调整后的中子束，其中调整后的中子束的超热中子通率介于1.7×109～1.9×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.9×10-11～3.7×10-11cGy·cm2。
11.如权利要求4所述的中子束源，还包括一汇聚元件，且该滤屏位于该铍靶材与该汇聚元件之间。
12.如权利要求11所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为30MeV且电流为1mA质子撞击该铍靶材，以产生中子；以及
中子穿过该滤屏与该汇聚元件后，产生调整后的中子束，
其中调整后的中子束的超热中子通率介于1.7×109～2.0×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.0×10-11～2.6×10-11cGy·cm2。
13.如权利要求11所述的中子束源，其中：
该加速器产生能量为30MeV且电流为2mA质子撞击该铍靶材，以产生中子；以及
中子穿过该滤屏与该汇聚元件后，产生调整后的中子束，
其中调整后的中子束的超热中子通率介于3.4×109～4.0×109cm-2·s-1，且伴随每一超热中子的快中子剂量介于2.0×10-11～2.6×10-11cGy·cm2。
14.如权利要求4所述的中子束源，还包括一铅壁围绕该滤屏的侧壁。
15.如权利要求14所述的中子束源，其中该铅壁的厚度为至少15cm。
16.如权利要求4所述的中子束源，用于加速器型硼中子捕获治疗。
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