CN106304604B - 一种用于中子俘获治疗的中子发生器 - Google Patents
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Abstract
本发明公开了一种用于中子俘获治疗的中子发生器，解决了现有氘氘中子发生器的体积大、结构复杂、产额小的问题。本发明包括真空腔体，设置在真空腔体上的抽真空系统，设置在真空腔体内的靶系统，产生氘离子并将氘离子引出到靶系统上的离子源系统，所述离子源系统包括设置在真空腔体内的放电室（9），设置在放电室（9）上的引出电极（10）；所述引出电极（10）的数量为多个，均匀分布在放电室（9）一周的侧壁上；所述靶系统包括位于真空腔体内且围绕放电室（9）一周的侧壁设置的靶件（11），与靶件（11）连接的负高压电源（13）。本发明的氘氘中子产额达到1012n/s，满足中子俘获治疗肿瘤的研究需求，且具有体积小、寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子发生器，具体涉及一种用于中子俘获治疗的中子发生器。
背景技术
由美国生物物理学家G. L. Locher于1936年首次提出的硼中子俘获治疗肿瘤的基本原理，把硼选择性地浓集于某种肿瘤内，然后用热中子照射它，就能有效的杀灭肿瘤细胞。虽然经过几十年研究，但中子俘获治疗肿瘤并未投入临床应用，制约其发展的最大瓶颈之一是中子源。中子源获得的途径有核反应堆、中子发生器、静电加速器、回旋加速器等。但在现有技术中，反应堆中子源将可能产生环境污染、辐射防护也很困难；静电加速器、回旋加速器等形成的中子源存在体积大、价格高、结构复杂的问题。
2000年，美国Verbeke JM,等人在Appl Radiat Isot 期刊53卷第801–809页发表了题为“密封加速器管中子发生器的研制”（“Development of a sealed-accelerator-tube neutron generator”）的文章，介绍了小型密封氘氚中子源，通过该小型密封氘氚中子源产生的高能中子经过慢化后，实现对肿瘤进行热中子俘获治疗，但该技术存在缺点是:氚会对环境造成放射性污染，且由于该中子源是密封的结构，该密封结构使中子源工作寿命较短。
并且通过该文章推算，氘氘中子产额达到1012n/s才能用于中子俘获治疗肿瘤研究，而现有小型中子发生器存在氘氘中子产额不够高，并不能安装在医院用于中子俘获治疗肿瘤。
发明内容
本发明的目的在于解决现有氘氘中子发生器的体积大、结构复杂、产额小的问题，提供解决上述问题的一种用于中子俘获治疗的中子发生器。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于中子俘获治疗的中子发生器，包括真空腔体，设置在真空腔体上的抽真空系统，设置在真空腔体内的靶系统，产生氘离子并将氘离子引出到靶系统上的离子源系统。
所述离子源系统包括设置在真空腔体内的放电室，设置在放电室上的引出电极；所述引出电极为多孔，这些孔均匀分布在放电室一周的侧壁；所述靶系统包括位于真空腔体内且围绕放电室一周设置的靶件，靶件与负高压电源连接。
通过本发明中引出电极360度均匀分布在放电室侧壁上的设置，能增大引出的氘离子束流，同时使引出的氘离子束流均匀分布打击到靶件上，同时，由于靶件和放电室之间无须设置抑制电极，可以最大化的减小放电室与靶件之间的间隙，进而无需采用复杂的强流离子束聚焦装置。同时，通过靶件围绕放电室一周设置的方式，使靶面积很大，可以承受大的功率容量，进而能保证引出的氘离子束流全部均匀地打在靶件上，在减小体积的同时增大引出的氘离子束流。检测发现，通过本发明的设置使引出的氘离子束流可达1.5A，氘氘中子产额可达到1012n/s量级，满足用于中子俘获治疗肿瘤研究的条件，效果十分显著。
进一步，所述离子源系统还包括微波发生器，一端与微波发生器连接，另一端延伸到放电室内的波导，设置在波导上的微波调谐器，与波导连接的环形器，通过连接管与放电室连通的氘气瓶，设置在真空腔体上或真空腔体外的陶瓷绝缘体，以及用于产生作用于放电室的磁场的永磁体。
本发明采用大功率微波离子源，因而其工作寿命长、性能稳定、无极、耐腐蚀、能在低真空下工作。且本发明中微波发生器产生频率为2.45GHz、功率为3kW的微波，经波导传输到放电室，在放电室中，电子在永磁体形成的磁场中沿磁场线作回旋运动，产生电子回旋共振条件，电子和氘原子的碰撞过程产生等离子体，等离子体被限制在磁场中，磁场的综合作用导致等离子体有一个较长的约束时间，进而增加了碰撞几率，得到高密度的氘离子，微波离子源产生的电流密度比高频离子源大两个数量级以上。
并且，通过永磁体位置和结构的优化设置，本发明不仅仅能将永磁体产生的磁场作用到放电室内，使产生的磁场满足电子回旋共振条件，同时还能形成磁绝缘效应，抑制二次电子，效果更加显著。
优选地，陶瓷绝缘体、放电室和靶件同轴设置，陶瓷绝缘体、放电室和靶件均设置为筒状结构，靶件位于陶瓷绝缘体内，放电室位于靶件内，该永磁体位于真空腔体外，陶瓷绝缘体的直径不超过300mm。通过上述设置，能使永磁体产生的磁场可以完全作用到放电室内。本发明中该引出电极设置在低电位，而靶件设置为高电位，通过本发明靶件结构的优化设置，可以采用同一负高压电源对氘离子进行引出和加速，因而简化了高压设备，进一步减小本发明的体积。
更为优选地，陶瓷绝缘体和靶件均为横截面呈圆形的筒状结构。
为了有效调节流入放电室内的氘气的量，所述连接管上还设置有电动针阀。
进一步，所述离子源系统上还设置有低电位循环水装置，该低电位循环水装置出水口通过水管与放电室的入水口相连，放电室的出水口通过水管与微波发生器的入水口相连，微波发生器的出水口通过水管与环形器的入水口相连，环形器的出水口通过水管与低电位循环水装置的入水口相连。
本发明通过低电位循环水装置的设置，有效实现离子源系统的冷却，进而延长离子源系统的使用寿命。
进一步，所述靶系统还包括高电位循环水装置，该高电位循环水装置的出水口通过水管与靶件入水口相连，靶件的出水口通过水管与高电位循环水装置的入水口相连。靶件优选为氘钛靶件。
靶件通过水管与高电位循环水装置连接，在本发明工作时可以有效带走靶件上的热量，因此增长靶件的使用寿命。
靶件通过高电位循环水装置冷却，离子源系统通过低电位循环水装置冷却，通过上述设置不会在水中产生高电压差，因此不会带来高压绝缘和有害气体问题，效果显著。
进一步，所述靶系统包括用于固定靶件的上法兰，该靶件顶端固定在上法兰下方；所述离子源系统还包括用于固定放电室的下法兰，该放电室固定在下法兰上方；所述陶瓷绝缘体位于上法兰与下法兰之间，且该陶瓷绝缘体、上法兰与下法兰之间固定后形成真空腔体，该下法兰上设置有抽真空孔，该真空腔体通过抽真空系统抽真空后形成高真空室。
优选地，所述永磁体为环状，并由多个组合在一起，该环状的永磁体套接在陶瓷绝缘体上，永磁体优选为钐钴永磁体。该环状结构的永磁体与螺旋管磁铁相比，环状结构的永磁体最大限度的减少了离子源的尺寸，减小体积。
进一步，所述靶系统还包括固定在上法兰上方且与负高压电源连接的高压端盖板，该高压端盖板通过不锈钢圆柱固定在上法兰上，该负高压电源通过不锈钢圆柱与连接在上法兰上的靶件连通。
进一步，所述抽真空系统包括用于抽取真空腔体内气体的分子泵，以及通过管道连接在分子泵上的干泵。优选地，所述管道为波纹管。
优选地，本发明中所述微波调谐器为三销钉调配器，所述陶瓷绝缘体为高压陶瓷圆柱体，高压陶瓷材料为现有，在此不再赘述。
一种中子发生器的氘氘中子的产生过程，包括：
步骤一、通过抽真空系统进行抽真空操作，使真空腔体内真空度达到1×10-4 Pa；启动负高压电源，使靶件与引出电极之间产生130kV的高压；
步骤二、在高压作用下，离子源系统的氘离子从引出电极输出，形成氘离子束，该氘离子束通过高压作用加速打击到靶件上产生能量为2.54MeV的D-D聚变中子。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过呈360度均匀分布在放电室侧壁上多孔引出电极以及围绕放电室一周的侧壁的靶件的设置，能使放电室引出的氘离子束流增大，可以达到1.5A以上，由于靶面积很大，可以承受大的功率容量，使氘氘中子产额达到1012n/s，满足中子俘获治疗肿瘤的研究需求；
2、本发明360度引出电极和靶件的优化设置，同时，在它们之间无须设置抑制电极，能减小引出电极和靶件之间的间隙，使引出的氘离子全部均匀打靶上，空间电荷效应很小，没有复杂的聚焦装置，结构更加紧凑；
3、本发明中的永磁体的设置，既可以产生等离子体放电的激励磁场，又可以产生二次电子的抑制磁场，有利于进一步减小体积，增加离子束流；
4、本发明的靶系统和离子源系统的工作寿命均很长，因此本发明的使用寿命和工作寿命很长；
5、本发明采用氘靶，不会产生有害气体，对环境无污染，本发明在开机时才有中子输出，关机时无射线输出，可以安装在医院进行对肿瘤中子俘获治疗。
6、本发明的中子发生器虽主要用于中子俘获治疗，但不局限于此，也可用于中子照相和无损检测等需要小型化、高氘氘中子产额的领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-微波发生器，2-环形器，3-微波调谐器，4-波导，5-低电位循环水装置，6-电动针阀，7-氘气瓶，8-陶瓷绝缘体，9-放电室，10-引出电极，11-靶件，12-永磁体，13-负高压电源，14-高压端盖板，15-上法兰，16-高电位循环水装置，17-加速间隙，18-下法兰，19-高真空室，20-分子泵，21-波纹管，22-干泵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种用于中子俘获治疗的中子发生器，如图1所示，包括真空腔体，设置在真空腔体上的抽真空系统，设置在真空腔体内的靶系统，将离子引导到靶系统上的离子源系统。
其中，离子源系统包括设置在真空腔体内的放电室9，设置在放电室9上的引出电极10；所述引出电极10的数量为多个，均匀分布在放电室9的一周的侧壁，即，该引出电极10呈360度均匀分布在放电室9的侧壁上，如图1所示；所述靶系统包括位于真空腔体内且围绕放电室9一周设置的靶件11，与靶件11连接的负高压电源13。
步骤一、通过抽真空系统进行抽真空操作，当真空腔体内真空度达到1×10-4 Pa时；启动负高压电源，使靶件与引出电极之间产生130kV的高压；
步骤二、在高压作用下离子源系统的氘离子从引出电极输出，形成氘离子束，该氘离子束通过高压作用加速打击到靶件上产生能量为2.54MeV的D-D聚变中子。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例优化了靶系统和离子源系统的结构，具体设置如下：
所述离子源系统还包括微波发生器1，一端与微波发生器1连接，另一端延伸到放电室9内的波导4，设置在波导4上的微波调谐器3，与波导4连接的环形器2，通过连接管与放电室9连通的氘气瓶7，设置在真空腔体上或真空腔体外的陶瓷绝缘体8，以及设置真空腔体外且用于产生作用于放电室9的磁场的永磁体12。
本实施例中，靶件11和陶瓷绝缘体8均设置为筒状结构，靶件11位于筒状结构的陶瓷绝缘体8内部，该放电室9则位于该筒状结构的靶件11内部，即靶件11套在放电室9上，陶瓷绝缘体8套在靶件11上。本发明中该筒状结构的靶件11和陶瓷绝缘体8的横截面优选设置为圆形，此时，该放电室9也设置成圆柱状结构，该引出电极10呈360度均匀分布在圆柱状结构的放电室9的侧壁上，放电室9与靶件11之间则形成加速间隙17。本实施例中陶瓷绝缘体、放电室和靶件同轴设置，当陶瓷绝缘体的横截面为圆形时，陶瓷绝缘体的直径不超过300mm。
放电室9柱壁上均匀设置条栅状孔，该条栅状孔形成引出电极10，本实施例中该条栅状孔的数量优选设置为二十四个。
本实施例中，该靶系统还包括用于固定靶件11的上法兰15，该靶件11顶端通过不锈钢螺钉固定在上法兰15下方。该离子源系统还包括用于固定放电室9的下法兰18，该放电室9通过不锈钢螺钉固定在下法兰18上方。
本实施例中该陶瓷绝缘体8优选设置在真空腔体上，即，该陶瓷绝缘体8位于上法兰15与下法兰18之间，陶瓷绝缘体8的上下两端均分别通过金属密封圈与上法兰15和下法兰18相连，即该陶瓷绝缘体8、上法兰15与下法兰18之间固定后形成真空腔体。该下法兰18上设置有抽真空孔，该真空腔体通过抽真空系统抽真空后形成高真空室19，如图1所示。
本实施例中该永磁体为环状结构，该永磁体直接套接在陶瓷绝缘体上。本实施例中氘气瓶7的连接管上还设置有电动针阀6，实现了对放电室9的氘气的输送与调节。
本实施例中该氘气瓶7上的连接管优选为铜管，本实施例中的靶件11优选为氘钛靶，本实施例中的陶瓷绝缘体8优选由高压陶瓷材料制成，本实施例中的微波调谐器3优选为电动三销钉调配器，本实施例中的永磁体12优选为钐钴永磁体。
本实施例中中子的产生过程如下：
a) 启动干泵22，对整个中子发生器进行低真空抽气；
b) 当高真空室19的真空度低于0Pa时，启动分子泵20；当高真空室19的真空度达到1×10-4 Pa时，微波发生器1开启，磁控管产生频率为2.45GHz、功率为3kW的微波，经波导2传输到放电室9；调节微波调谐器3，使馈入放电室9的微波功率达到最佳效率；在放电室9中，馈入放电室9的微波电子在永磁体12形成的磁场中沿磁场线作回旋运动，电子和氘原子的碰撞过程产生等离子体；等离子体被限制在磁场中，磁场的综合作用导致等离子体有一个较长的约束时间，进而增加了碰撞几率，得到高密度的氘离子；
c）启动负高压电源13，在靶件11和引出电极10之间形成130kV的高压，在高压的作用下，强流氘离子通过360度设置的引出电极10输出并加速，经过加速间隙17到达氘钛靶，氘离子束与氘钛靶中的氘原子相互作用，形成氘氘反应产生能量为2.54MeV的D-D聚变中子，中子产额最大达到1012n/s量级。
本实施例中，通过永磁体12的优化设置，能使该永磁体12产生双重作用，既是等离子体放电的激励磁场，又形成磁绝缘效应，抑制二次电子的产生。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，本实施例中增加有低电位循环水装置5和高电位循环水装置16，如图1所示，具体设置如下：
所述离子源系统上还设置有低电位循环水装置5，该低电位循环水装置5出水口通过水管与放电室9的入水口相连，放电室9的出水口通过水管与微波发生器1的入水口相连，微波发生器1的出水口通过水管与环形器2的入水口相连，环形器2的出水口通过水管与低电位循环水装置5的入水口相连。
所述靶系统还包括高电位循环水装置16，该高电位循环水装置16的出水口通过水管与靶件11入水口相连，靶件11的出水口通过水管与高电位循环水装置16的入水口相连。
通过上述设置能降低靶系统和离子源系统工作时产生的热量，延长靶系统和离子源系统的使用寿命，同时低电位循环水装置5和高电位循环水装置16分开设置的方式，能有效地避免水中产生高电压差，而且不会带来高压绝缘和有害气体问题。
实施例4
本实施例与实施例2或3的区别在于本实施例中进一步优化了靶系统的结构，具体设置如下：
所述靶系统还包括固定在上法兰15上方且与负高压电源13连接的高压端盖板14，该高压端盖板14通过不锈钢圆柱固定在上法兰15上，该负高压电源13通过不锈钢圆柱与连接在上法兰15上的靶件11连通。
本实施例中负高压电源13的输出通过高压电缆与高压端盖板14相连，该负高压电源13顺次通过高压端盖板14、不锈钢圆柱和上法兰15后，再与靶件11相连，如图1所示。
实施例5
本实施例与实施例1或2或3或4的差别在于，本实施例提供了一种抽真空系统的具体结构设置，设置方式如下：
所述抽真空系统包括用于抽取真空腔体内气体的分子泵20，以及通过管道21连接在分子泵20上的干泵22，该管道21优选为波纹管。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于中子俘获治疗的中子发生器，包括真空腔体，设置在真空腔体上的抽真空系统，设置在真空腔体内的靶系统，将离子引导到靶系统上的离子源系统，其特征在于，
所述离子源系统包括设置在真空腔体内的放电室(9)，设置在放电室(9)上的引出电极(10)；所述引出电极(10)为多孔，均匀分布在放电室(9)一周的侧壁上；所述靶系统包括位于真空腔体内且围绕放电室(9)一周的侧壁设置的靶件(11)，与靶件(11)连接的负高压电源(13)；
所述离子源系统还包括微波发生器(1)，一端与微波发生器(1)连接，另一端延伸到放电室(9)内的波导(4)，设置在波导(4)上的微波调谐器(3)，与波导(4)连接的环形器(2)，通过连接管与放电室(9)连通的氘气瓶(7)，设置在真空腔体上或真空腔体外的陶瓷绝缘体(8)，以及设置真空腔体外且用于产生作用于放电室(9)的磁场的永磁体(12)；
所述永磁体(12)为环状结构，该环状结构的永磁体(12)套接在陶瓷绝缘体(8)上；
所述陶瓷绝缘体(8)、放电室(9)和靶件(11)同轴设置，陶瓷绝缘体(8)、放电室和靶件(11)均为筒状结构，靶件(11)位于陶瓷绝缘体(8)内，放电室(9)位于靶件(11)内，永磁体(12)位于真空腔体外。
2.根据权利要求1所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述离子源系统上还设置有低电位循环水装置(5)，该低电位循环水装置(5)出水口通过水管与放电室(9)的入水口相连，放电室(9)的出水口通过水管与微波发生器(1)的入水口相连，微波发生器(1)的出水口通过水管与环形器(2)的入水口相连，环形器(2)的出水口通过水管与低电位循环水装置(5)的入水口相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述靶系统包括用于固定靶件(11)的上法兰(15)，该靶件(11)顶端固定在上法兰(15)下方；所述离子源系统还包括用于固定放电室(9)的下法兰(18)，该放电室(9)固定在下法兰(18)上方；所述陶瓷绝缘体(8)位于上法兰(15)与下法兰(18)之间，且该陶瓷绝缘体(8)、上法兰(15)与下法兰(18)之间固定后形成真空腔体，该下法兰(18)上设置有抽真空孔，该真空腔体通过抽真空系统抽真空后形成高真空室(19)。
4.根据权利要求3所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述靶系统还包括固定在上法兰(15)上方且与负高压电源(13)连接的高压端盖板(14)，该高压端盖板(14)通过不锈钢圆柱固定在上法兰(15)上，该负高压电源(13)通过不锈钢圆柱与连接在上法兰(15)上的靶件(11)连通。
5.根据权利要求1所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述靶系统还包括高电位循环水装置(16)，该高电位循环水装置(16)的出水口通过水管与靶件(11)入水口相连，靶件(11)的出水口通过水管与高电位循环水装置(16)的入水口相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述抽真空系统包括用于抽取真空腔体内气体的分子泵(20)，以及通过管道(21)连接在分子泵(20)上的干泵(22)。
7.根据权利要求6所述的一种用于中子俘获治疗的中子发生器，其特征在于，所述管道(21)为波纹管。
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