CN105917251A - 中子射线检测装置及中子捕捉疗法装置 - Google Patents

中子射线检测装置及中子捕捉疗法装置 Download PDF

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Abstract

检测中子射线的中子射线检测装置具备：闪烁体(13)，在有放射线入射时产生光；光纤(14)，传送在闪烁体(13)中产生的光；及剂量计算部(21)，根据通过光纤(14)传送的光来计算中子剂量。光纤(14)在闪烁体(13)侧端部的壁部具有使光漫反射的反射部(14d)。

Description

中子射线检测装置及中子捕捉疗法装置
技术领域
本发明涉及一种具备传送在闪烁体中产生的光的光纤的中子射线检测装置及中子捕捉疗法装置。
背景技术
以往，作为检测中子的中子射线检测装置，例如已知有专利文献1中所记载的中子射线检测装置。专利文献1中所记载的中子射线检测装置中，使用若有中子入射则发光的闪烁体，将在闪烁体中产生的光利用光电倍增管转换成电信号。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-71381号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在此，可以想到若在中子射线的产生源附近配置光电倍增管，则光电倍增管因中子射线而劣化。为此，期望在远离中子射线的产生源的场所设置光电倍增管。因此，可以想到在闪烁体的后段设置光纤并在远离闪烁体的场所配置光电倍增管，而不是在闪烁体的后段直接设置光电倍增管。
在该情况下，从闪烁体朝向光纤的光的一部分并不在光纤的壁面全反射而会向光纤外透射。其结果，发生光的损失，难以辨别中子射线与其他放射线(伽马射线)，计算中子剂量时的计算精度下降。
因此，本发明的目的在于提供一种能够抑制中子剂量的计算精度下降的中子射线检测装置及中子捕捉疗法装置。
用于解决技术课题的手段
本发明的一实施方式为检测中子射线的中子射线检测装置，其具备：闪烁体，在有放射线入射时产生光；光纤，传送在闪烁体中产生的光；及计算部，根据通过光纤传送的光来计算中子剂量，光纤在闪烁体侧端部的壁部具有使光漫反射的反射部。
该中子射线检测装置中，在传送在闪烁体中产生的光的光纤的闪烁体侧端部的壁部设有反射部。由此，在光纤的闪烁体侧端部，欲向光纤外射出的光由反射部漫反射。漫反射的光的一部分不会向光纤外透射而在光纤内前进。由此，能够抑制入射到光纤中的光向光纤外透射。因此，能够抑制入射到光纤内的光的损失，能够抑制在计算部中计算的中子剂量的计算精度下降。
反射部在光纤的壁部可以从闪烁体侧端部形成至达到预先规定的长度的位置。在此，当使光入射到光纤时，根据光入射到光纤内时的角度关系，在光入射侧的端部附近，光向光纤外透射的情况较多。另一方面，在光纤内前进一定程度的光在光纤内被全反射，因此透射的情况较少。因此，通过从光容易透射的部分即闪烁体侧端部达到预先规定的长度的位置为止设置反射部，能够有效地抑制向光纤外透射的光。
当将光纤的直径设为φ、将通过光纤内的光在光纤内全反射时的临界角设为θ、并将形成反射部的预先规定的长度设为L时，可以满足L＝φ/tanθ。在该情况下，在光纤中的闪烁体侧端部，可以仅在光容易向光纤外透射的部位设置反射部。
反射部可以由散射用涂料形成。在该情况下，能够轻松地形成反射部。
本发明的另一实施方式为具备上述中子射线检测装置的中子捕捉疗法装置。
该中子捕捉疗法装置中，在光纤的闪烁体侧端部，入射到光纤内的光由反射部漫反射。漫反射的光的一部分不会向光纤外透射而在光纤内前进。由此，能够抑制入射到光纤中的光向光纤外透射。因此，能够抑制入射到光纤内的光的损失，能够抑制在计算部中计算的中子剂量的计算精度下降。并且，中子捕捉疗法装置中，通过中子射线检测装置来检测照射到患者的中子射线的一部分。为了增加患者的治疗中所使用的中子射线来高效地进行治疗，期望用于中子射线的检测的中子射线的量较少。因此，该中子捕捉疗法装置中，由于能够抑制入射到光纤内的光的损失，因此即使是较少的入光量，也能够在中子射线检测装置中高效地计算中子剂量。由此，能够抑制由于检测中子射线而照射到患者的中子射线的剂量减少，能够高效地进行患者的治疗。
发明效果
根据本发明的各种实施方式，能够抑制中子剂量的计算精度下降。
附图说明
图1是表示具备本发明的一实施方式的中子射线检测器的中子捕捉疗法装置的示意图。
图2是表示设置于准直器的中子射线检测器的剖视图。
图3是表示中子捕捉疗法装置的控制部的块图。
图4是表示光纤中的闪烁体侧的端部的结构的剖视图。
图5是用于说明向光纤外射出的光的剖视图。
图6表示变形例中的光纤的闪烁体侧的端部的结构的剖视图。
图7是表示在光纤中设置反射部的情况和未设置反射部的情况下的光检测器的检测结果的表。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的一实施方式进行说明。另外，在附图的说明中，对相同的要件标注相同的符号，并省略重复的说明。
图1所示的中子捕捉疗法装置1为利用硼中子捕捉疗法(BNCT：Boron Neutron Capture Therapy)来进行癌症治疗的装置。中子捕捉疗法装置1中，例如向被供给有硼(10B)的患者(被照射体)50的肿瘤照射中子射线N。
中子捕捉疗法装置1具备回旋加速器2。回旋加速器2为使阴离子等带电粒子加速以形成带电粒子束R的加速器。本实施方式中，带电粒子束R为从阴离子剥离电荷而生成的质子束。质子束通过被加速的阴离子在回旋加速器2内被箔剥离器等剥离电子而生成，并从回旋加速器2射出。该回旋加速器2例如具有生成射束半径40mm、60kW(＝30MeV×2mA)的带电粒子束R的能力。另外，加速器并不限定于回旋加速器，也可以是同步加速器或同步回旋加速器、直线加速器等。
从回旋加速器2射出的带电粒子束R被送至中子射线生成部M。中子射线生成部M具有靶7、减速件9及准直器10。从回旋加速器2射出的带电粒子束R通过射束导管3向配置于射束导管3的端部的靶7行进。沿着该射束导管3设有多个四极电磁铁4、电流检测部5及扫描电磁铁6。多个四极电磁铁4例如使用电磁铁进行带电粒子束R的射束轴调整或射束直径调整。
电流检测部5在带电粒子束R的照射过程中实时检测照射到靶7的带电粒子束R的电流值(即，电荷、照射剂量率)。电流检测部5中使用不对带电粒子束R造成影响而能够测定电流的非破坏型DCCT(DC CurrentTransformer)。电流检测部5向后述的控制部20输出检测结果。另外，“剂量率”是指单位时间的剂量。
具体而言，为了消除四极电磁铁4的影响来高精度地检测照射在靶7上的带电粒子束R的电流值，将电流检测部5设于比四极电磁铁4更靠下游侧(带电粒子束R的下游侧)的接近扫描电磁铁6处。即，由于扫描电磁铁6以不使带电粒子束R始终对靶7的相同位置进行照射的方式扫描，因此当将电流检测部5配设于比扫描电磁铁6更靠下游侧时，需要大型的电流检测部5。而通过将电流检测部5设置于比扫描电磁铁6更靠上游侧，能够缩小电流检测部5。
扫描电磁铁6扫描带电粒子束R，并进行带电粒子束R对靶7的照射控制。该扫描电磁铁6控制带电粒子束R对靶7的照射位置。
中子捕捉疗法装置1通过向靶7照射带电粒子束R来产生中子射线N，并向患者50射出中子射线N。中子捕捉疗法装置1具备靶7、屏蔽体8、减速件9、准直器10及伽马射线检测部11。
并且，中子捕捉疗法装置1具备控制部20。控制部20由CPU[Central Processing Unit]、ROM[Read Only Memory]、RAM[RandomAccess Memory]等构成，是综合控制中子捕捉疗法装置1的电控单元。
靶7受到带电粒子束R的照射来生成中子射线N。其中，靶7例如由铍(Be)、锂(Li)、钽(Ta)、钨(W)形成，例如呈直径为160mm的圆板状。另外，靶7的形状并不限定于板状，例如也可以为液状。
减速件9使在靶7中生成的中子射线N的能量减速。减速件9具有包含第1减速件9A和第2减速件9B的层叠结构，所述第1减速件9A主要使中子射线N中所包含的快中子减速，所述第2减速件9B主要使中子射线N中所包含的超热中子减速。
屏蔽体8进行屏蔽，以免所产生的中子射线N及伴随该中子射线N的产生而产生伽马射线等向外部放出。屏蔽体8以包围减速件9的方式设置。屏蔽体8的上部及下部比减速件9更延伸至带电粒子束R的上游侧，在这些延伸部设有伽马射线检测部11。
准直器10对中子射线N的照射场进行整形，其具有供中子射线N通过的开口10a。准直器10例如为在中央具有开口10a的块状部件。
伽马射线检测部11在中子射线的生成过程中(即，向患者50照射中子射线N的过程中)实时检测通过带电粒子束R的照射而从中子射线生成部M产生的伽马射线。作为伽马射线检测部11可以采用闪烁体或电离箱、其他各种伽马射线检测设备。本实施方式中，伽马射线检测部11在靶7的周围设置于比减速件9更靠带电粒子束R的上游侧。
伽马射线检测部11分别配置于向带电粒子束R的上游侧延伸的屏蔽体8的上部及下部的内侧。另外，伽马射线检测部11的数量并没有特别限定，可以是一个，也可以是三个以上。当设置三个以上的伽马射线检测部11时，能够以规定间隔设置成包围靶7的外周。伽马射线检测部11向控制部20(参考图2)输出伽马射线的检测结果。中子捕捉疗法装置1也可以是不具备该伽马射线检测部11的结构。
如图2所示，在准直器10中设有用于在中子射线的生成过程中(即，向患者50照射中子射线N的过程中)实时检测通过准直器10的开口10a的中子射线N的中子射线检测器12。中子射线检测器12的至少一部分设置于形成在准直器10的贯穿孔10b(在与开口10a正交的方向上形成的贯穿孔)中。中子射线检测器12具有闪烁体13、光纤14及光检测器15。
闪烁器13为将所入射的放射线(中子射线N、伽马射线)转换为光的荧光体。闪烁器13的内部结晶根据所入射的放射线的剂量成为激发状态，并产生闪烁光。闪烁器13设置于准直器10的贯穿孔10b内，并向准直器10的开口10a露出。闪烁器13通过开口10a内的中子射线N或伽马射线入射到闪烁器13而发光。闪烁器13可以采用6Li玻璃闪烁器、LiCAF闪烁器、涂布有6LiF的塑料闪烁器、6LiF/ZnS闪烁器等。
另外，图2中用直线示出中子射线N的行进方向，但实际上中子射线N以扩散的方式行进。因此，设置于贯穿孔10b内的闪烁器13上也会照射中子射线N，能够通过闪烁器13检测中子射线N。
在此，优选通过闪烁体13仅检测中子射线N。然而，在生成中子射线N时或者基于减速件9的中子射线N的减速时会产生伽马射线，该伽马射线也通过闪烁体13被检测。
光纤14作为传递在闪烁体13中产生的光的光导发挥作用。光检测器15检测通过光纤14而被传递的光。作为光检测器15例如可以采用光电倍增管或光电管等各种光检测设备。光检测器15在检测光时向控制部20输出电信号(检测信号)。
如图3所示，控制部20具有剂量计算部(计算部)21及照射控制部22。控制部20与电流检测部5、伽马射线检测部11及光检测器15(中子射线检测器12)电连接。
剂量计算部21根据电流检测部5检测的带电粒子束R的电流值的检测结果，在带电粒子束R的照射过程中实时测定(计算)照射到靶7的带电粒子束R的剂量。剂量计算部21按时间对测定出的带电粒子束R的电流值逐次积分，并实时计算带电粒子束R的剂量。
剂量计算部21根据伽马射线检测部11检测的伽马射线的检测结果，在中子射线N的照射过程中实时测定(计算)伽马射线的剂量。
另外，剂量计算部21根据中子射线检测器12检测的中子射线N的检测结果来测定(计算)通过准直器10的开口10a的中子射线N的剂量。剂量计算部21从光检测器15接收检测信号，辨别与中子射线有关的信号和与伽马射线有关的信号。剂量计算部21与光检测器15一同构成辨别部。
剂量计算部21判定与由光检测器15接收的光有关的检测信号的波高(光量)是否超过判定阈值Qth，辨别基于中子射线N的检测信号与基于伽马射线的检测信号。闪烁体13中，中子射线N及伽马射线作为放射线而入射，因此根据光量的强度辨别中子射线N与伽马射线。
剂量计算部21根据计算出的带电粒子束R的剂量、伽马射线的剂量及中子射线N的剂量，在中子射线N的照射过程中综合性地实时计算在靶7中产生的中子射线N的剂量。中子射线N的剂量等的通过剂量计算部21计算的计算结果例如显示于显示器31。如此，中子射线检测器12及剂量计算部21构成检测中子射线的中子射线检测装置。
照射控制部22根据由剂量计算部21计算出的中子射线N的剂量来控制带电粒子束R对靶7的的照射。照射控制部22向回旋加速器2及扫描电磁铁6发送指令信号来控制带电粒子束R对靶7的照射，由此进行从靶7生成的中子射线N对患者的照射控制。照射控制部22以剂量计算部21所计算的中子射线N的剂量符合预先设定的治疗计划的方式进行中子射线N的照射控制。
接着，对光纤14的详细内容进行说明。如图4所示，光纤14的一端与闪烁体13的侧面抵接。光纤14的另一端连接于光检测器15。光纤14包含长条状的纤芯14a、覆盖纤芯14a的外周面的包层14b及覆盖包层14b的外周面的遮罩14c。在包层14b的闪烁体13侧的端部的外周面即包层14b的外周面与遮罩14c的内周面之间设有反射部14d。另外，图4中，为了示出通过纤芯14a及包层14b的光的轨迹，省略在纤芯14a及包层14b中表示剖面的阴影线。
反射部14d使欲向纤芯14a及包层14b外射出的光漫反射。本实施方式中，通过在包层14b的外周面(壁部)涂布氧化钛(散射用涂料)而形成反射部14d。反射部14d并不限定于氧化钛，只要是能够使光漫反射的材料，则可以涂布其他的散射用涂料，或者由其他的散射用材料形成。反射部14d在包层14b的外周面从闪烁体13侧的端部形成至达到预先规定的长度L的位置。
从闪烁体13入射到光纤14内的光的一部分在纤芯14a与包层14b的边界面全反射，并向光纤14的另一端侧传送(例如通过轨迹R1的光)。并且，从闪烁体13入射到光纤14内的光的一部分从纤芯14a通过包层14b并在反射部14d中漫反射(例如通过轨迹R2的光)。在反射部14d中漫反射的光的一部分向光纤14的另一端侧传送。
在此，对通过光纤14传送的光进行说明。以下，使用图5，以未设置反射部14d的光纤14X为例进行说明。在光纤14X中，按规格规定开口数(NA＝n×sinθ：n为真空中的折射率)。从闪烁体13入射到光纤14中的光中，只有以相对于光纤14的轴线方向为临界角θ以下的角度入射的光(例如通过轨迹R11的光)才会在光纤14内反复进行全反射并被传送。另外，临界角θ根据开口数被确定。
从闪烁体13入射到光纤14中的光中，以相对于光纤14的轴线方向为大于临界角θ的角度入射的光(例如通过轨迹R12的光)无法在纤芯14a与包层14b的边界面全反射而向光纤14外射出。如此，在闪烁体13中产生并向光纤14侧前进的光中，只有2π(1-cosθ)范围内的光才会反复进行全反射并在光纤14内被传送。
本实施方式中，如图4所示，通过在光纤14中设置反射部14d，使欲向光纤14外射出的光漫反射。由反射部14d漫反射的光的一部分向纤芯14a与包层14b的边界面以能够全反射的角度入射。如此，通过设置反射部14d，能够在光纤14内传送欲向光纤14外射出的光的一部分。
反射部14d设置于从闪烁体13入射到光纤14中的光向光纤14外直接射出的区域。在包层14b的外周面设置反射部14d的长度L能够利用下式求出。
L＝φ/tanθ
另外，φ设为包层14b的直径，θ设为用于使通过光纤14内的光全反射的临界角。
接着，通过光纤14传送由闪烁体13产生的光，并使用图7对在光检测器15中检测出的结果进行说明。在此，使用了开口数为0.22、直径为1mm的光纤14。并且，将设置反射部14d的长度L设为6mm。并且，图7所示的数值表示各测定了5次时的值。
当如图7所示那样设置反射部14d时，光检测器15的检测结果成为0.24±0.027mW。另一方面，当未设置反射部14d时，光检测器15的检测结果成为0.132±0.010mW。如此，通过设置反射部14d，通过光纤14传送的光量增多1.6倍左右。
本实施方式如以上那样构成，且在传送在闪烁体13中产生的光的光纤14的包层14b的外周面设有反射部14d。由此，在光纤14的闪烁体13侧的端部，入射到光纤14内的光由反射部14d漫反射。漫反射的光的一部分不会向光纤14外透射而在光纤14内前进。由此，能够抑制入射到光纤14中的光向光纤14外透射。因此，能够抑制入射到光纤14内的光的损失，能够抑制在剂量计算部21中计算的中子剂量的计算精度下降。
在此，为了精度良好地计算所照射的中子射线N的剂量，需要辨别通过闪烁体13检测出的中子射线N与伽马射线。因此，当闪烁体13中的检测结果没有被适当地传送至光检测器15时，检测数据量减少，难以精度良好地辨别中子射线N与伽马射线。因此，若如本实施方式那样，入射到光检测器15的光的量增多，则从光检测器15向剂量计算部21输出的电信号的总数增多。由此，剂量计算部21能够根据较多的信息(电信号)来进行辨别与中子有关的信号和与伽马射线有关的信号的处理，容易辨别与中子有关的信号和与伽马射线有关的信号。由此，剂量计算部21能够精度良好地计算中子射线N的剂量。
当使光入射到光纤14时，根据光入射到光纤14内时的角度的关系，在光入射侧的端部附近，光向光纤14外透射的情况较多。另一方面，在光纤14内前进一定程度的光在光纤14内被全反射，因此向光纤14外透射的情况较少。因此，通过从光容易透射的部分即闪烁体13侧端部至达到预先规定的长度L的位置为止设置反射部14d，能够有效地抑制向光纤14外透射的光。
如上所述，将在包层14b的外周面形成反射部14d的长度L设为满足L＝φ/tanθ的长度。在该情况下，在光纤14中的闪烁体13侧端部，能够仅在光容易向光纤14外透射的部位设置反射部14d。
通过在包层14b的外周面涂布氧化钛而形成反射部14d，能够轻松地形成反射部14d。
中子捕捉疗法装置1中，使用照射到患者的中子射线的一部分来测定中子射线的剂量。为了增加患者的治疗中所使用的中子射线来高效地进行治疗，期望用于中子射线的测定的中子射线的量较少。因此，该中子捕捉疗法装置1中，由于能够抑制从闪烁体13入射到光纤14内的光的损失，因此即使是较少的入光量，也能够高效地计算中子剂量。由此，能够抑制为了测定中子射线而照射到患者的中子射线的剂量减少，能够高效地进行患者的治疗。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。例如，上述实施方式中，从光纤14的闪烁体13侧的端部至达到利用上述式L＝φ/tanθ求出的长度L的位置为止设置反射部14d。但也可以例如在闪烁体13的大小较大等情况下，考虑闪烁体13的大小而设置反射部14d。具体而言，将相对于闪烁体13中的光纤14所抵接的侧面为相反侧的侧面作为基准。并且，在包层14b的外周面，可以从作为基准的闪烁体13的相反侧的侧面至达到长度L的位置为止设置反射部14d。在该情况下，可以考虑闪烁体13的大小而仅使欲向光纤14外射出的光通过反射部14d漫反射。
并且，在光纤14的包层14b的外周面设置反射部14d而使光漫反射，但也可以如图6所示的光纤14A那样，在包层14b的外周面形成具有纹理结构的纹理面14t。另外，纹理面14t通过设置多个具有三角锥或四角锤等锤形状的凸部而形成。并且，形成于纹理面14t的凸部的槽的间隔及深度(突出高度)大于(长于)在闪烁体13中产生的光的波长λ。由此，能够使欲向光纤14A外射出的光在纹理面14t漫反射，能够抑制光向光纤14A外透射。并且，也可以在纹理面14t蒸镀反射部14d。在该情况下，能够进一步使欲向光纤14A外射出的光漫反射。
并且，上述实施方式中，将中子射线检测装置适用于中子捕捉疗法装置1，但中子射线检测装置的用途并不受限定。例如，可以适用本发明的中子射线检测装置作为监控原子炉的运行状态的监视器。并且，也可以在测定物理实验中所使用的加速中子时使用本发明的中子射线检测装置。并且，也可以在非破坏检査用中子照射装置中使用本发明的中子射线检测装置。
符号说明
1-中子捕捉疗法装置，2-回旋加速器(加速器)，7-靶，12-中子射线检测器(中子射线检测装置)，13-闪烁体，14、14A-光纤，14d-反射部(散射用涂料)，21-剂量计算部(中子射线检测装置、计算部)。

Claims (5)

1.一种中子射线检测装置，其检测中子射线，其特征在于，具备：
闪烁体，在有放射线入射时产生光；
光纤，传送在所述闪烁体中产生的所述光；及
计算部，根据通过所述光纤传送的所述光来计算中子剂量，
所述光纤在所述闪烁体侧端部的壁部具有使所述光漫反射的反射部。
2.根据权利要求1所述的中子射线检测装置，其中，
所述反射部在所述光纤的壁部从所述闪烁体侧端部形成至达到预先规定的长度的位置。
3.根据权利要求2所述的中子射线检测装置，其中，
当将所述光纤的直径设为φ、将通过所述光纤内的光在所述光纤内全反射时的临界角设为θ、并将形成所述反射部的所述预先规定的长度设为L时，满足如下：
L＝φ/tanθ。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的中子射线检测装置，其中，
所述反射部由散射用涂料形成。
5.一种中子捕捉疗法装置，其具备权利要求1至4中任一项所述的中子射线检测装置。
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