CN108136200B - 用于硼中子俘获治疗的中子靶 - Google Patents

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Abstract

描述了用于诸如硼中子俘获治疗(BNCT)的用途的产生中子的设备和方法。设备可包括具有冷却剂入口和冷却剂出口的旋转固定装置以及多个产生中子的部分(segment)。所述多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分均可去除地与所述旋转固定装置相连，并且包括具有限定于其中的冷却剂通道回路的基板和布置于其上的固体中子源层。冷却剂通道回路与冷却剂入口和冷却剂出口流体连通。

Description

用于硼中子俘获治疗的中子靶
相关申请
本申请要求于2015年5月6日提交的美国临时专利申请第 62/157,652号的申请日权益，该专利申请的内容通过引用以其整体在此并入。
发明领域
本公开涉及使用中子源材料生成中子的方法和系统。
背景技术
中子源具有多种潜在用途，包括药物治疗、同位素生产、爆炸性/ 核裂变材料检测、贵金属矿石分析、成像等。特别受关注的领域是硼中子俘获治疗(BNCT)，其是癌症治疗技术，其中硼优先集中于患者的恶性肿瘤中，且中子束透过患者瞄准于含硼肿瘤处。当硼原子俘获中子时，所产生的粒子的能量足以引起其所存在的组织的严重损伤。该作用是高度局部化的，因此，该技术可用作高选择性癌症治疗方法，仅对特异性靶定细胞起作用。
采用中子源的许多活动目前在富含中子的核研究反应堆中进行。然而，许多实践问题(诸如安全性、核材料处理以及许多研究堆的使用寿命终止和退役的方法)使得该方法具有挑战性。基于加速器的中子源可用作相对低成本的紧凑型替代品。例如，相对廉价的小型直线加速器可用于加速离子，诸如质子，后者随后可聚焦于能够产生中子的靶上。然而，这一技术的主要挑战在于传统靶结构不能充分处理质子束所赋予靶的高功率(highpower)，从而导致靶的重大损坏。
发明内容
描述了用于诸如硼中子俘获治疗(BNCT)的用途的产生中子的设备和方法。设备可包括具有冷却剂入口和冷却剂出口的旋转固定装置以及多个产生中子的部分(segment)。多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分均可去除地与所述旋转固定装置相连，并且包括具有限定于其中的冷却剂通道回路的基板和布置于其上的固体中子源层。冷却剂通道回路与冷却剂入口和冷却剂出口流体连通。
在一些实施方式中，设备可包括具有冷却剂入口和冷却剂出口的旋转固定装置以及多个产生中子的部分。多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分可去除地与所述旋转固定装置相连。多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分可包括：具有限制于其中的冷却剂通道回路的基板，所述冷却剂通道回路与冷却剂入口和冷却剂出口流体连通；和固体中子源层，例如包括锂、铍或其它生成中子的材料，其布置于基板表面上。每个固体中子源层具有主要表面，其可布置为基本垂直于旋转固定装置的旋转轴，以固定角(例如，约90度或约0度) 布置，或布置为基本平行于旋转固定装置的旋转轴。基板可包括铜、铝、钛和不锈钢中的至少一种。
在一些实施方式中，旋转固定装置包括真空密封。
在一些实施方式中，冷却剂通道回路包括例如尺寸(例如，宽度或直径)为约0.5mm至约3mm的微通道。微通道可具有基本圆形或矩形的横截面形状。
在一些实施方式中，冷却剂通道回路包括多个基本直线形的通道，其方向基本平行于固体中子源层的主要表面。多个通道中的通道可通过多个壁限定，所述多个壁中的每个壁均布置在多个通道的相邻通道之间，多个壁中的每个壁的宽度为多个通道中的每个通道的约2倍。
在一些实施方式中，多个产生中子的部分中的每个部分具有以下形状之一：环形的一部分、扇形或截端扇形。固体中子源层的厚度可为约0.01mm至约3mm，或者约0.09mm至约2mm。多个产生中子的部分和旋转固定装置可共同限定外径为约1米的盘或鼓。多个产生中子的部分包括至少3个或至少5个或总共16个产生中子的部分。
在一些实施方式中，方法包括将与旋转固定装置可去除地连接的多个部分旋转，所述多个部分中的部分包括固体中子源层。将冷却剂流动通过多个部分的冷却剂通道回路，并且将质子束指向固体中子源材料，使得在盘旋转时质子束依次接触多个部分中的一系列部分中的每个的表面(例如，以约10cm的束斑尺寸)，从而引起中子从盘的发射。质子束可具有约1.88MeV至约3MeV的能量和/或约10mA至约100 mA的电流。多个部分可以至少约100RPM的速度旋转，例如约1,000 RPM。
附图说明
本公开的具体实施方式在下文中描述并如图1-16 中所示。这些实施方式仅通过举例的方式阐述。许多修改和其它实施方式可在本领域普通技术人员的范围内，并且意图落入本公开的范围。此外，本领域技术人员应理解具体条件和结构是示例性的，并且实际条件和结构将取决于具体系统。本领域技术人员还能使用不超过常规实验而意识到和鉴定所示具体要素的等同物。
图1A是根据本公开一些实施方式的适合用于硼中子俘获治疗 (BNCT)中的设备的图。
图1B是根据一些实施方式的盘形可旋转结构的平面图的图表。
图1C是显示图1B中可旋转结构的横截面视图的图表，对应于图 1B中的A-A’线。
图1D是根据一些实施方式图1B的可旋转结构在用作硼中子俘获治疗(BNCT)的一部分时的图表。
图1E是根据一些实施方式的鼓形可旋转结构的透视图的图表。
图1F是显示图1E中的可旋转结构的横截面视图的图表，对应于图1E中的B-B’线。
图1G是根据一些实施方式图1E的可旋转结构在用作BNCT的一部分时的图表。
图2是根据本公开的一些实施方式的BNCT设备的绘图。
图3是根据本公开一些实施方式的BNCT设备的放大视图的透视图。
图4A是根据本公开一些实施方式的可旋转靶组件(target assembly) 的透视图。
图4B是图4A的可旋转靶组件的透视侧视图。
图5A是根据本公开一些实施方式的瓣片(petal)的绘图。
图5B是根据本公开一些实施方式的瓣片的透视图，示出了微通道。
图6是根据本公开一些实施方式的机器人交换设备的图解。
图7A是根据本公开一些实施方式的瓣片连接(petal attachment)的绘图。
图7B是根据本公开一些方面的连接到轮轴(hub)的图7A的瓣片的绘图。
图8A是显示根据本公开一些实施方式的微通道设置的平均锂表面温度的热图(thermal map)。
图8B是图8A的微通道设置的压力图。
图8C是图8A的微通道设置的微通道速度图。
图8D是显示图8A的微通道设置的入口到出口的温度变化的热图。
图9是根据本公开一些实施方式的双-入口微通道设置的透视图。
图10是根据本公开一些实施方式的BNCT系统使用过程中温度随时间变化的绘图。
图11A根据本公开一些实施方式的可旋转靶组件的透视侧视图，测绘了冷却剂的速度。
图11B是图11A的可旋转靶组件的透视侧视图，测绘了压力。
图12和13是可用于本文所述的BNCT系统中的可旋转圆柱形结构的示意图。
图14A-14C示出了根据本公开一些实施方式的液体中子源膜形成的不同阶段。
图15A-15D示出了根据本公开一些实施方式的可旋转盘形结构的不同实施方式。
图16是根据本公开一些实施方式的BNCT系统的横截面示意图。
具体实施方式
本公开涉及生成中子的方法、设备和系统。在一些实施方式中，系统包括用于硼中子俘获治疗(BNCT)的固体锂中子生产靶 (production target)。
BNCT是用于癌症治疗的靶向放射疗法，在此过程中对患者灌输以富硼溶液，诸如果糖-BPA。硼随后被癌细胞选择性吸附，例如，在肿瘤部位。例如由锂中子源所产生的中子通过以下核反应与硼相互作用：10B+nth→[11B]*→α+7Li+2.31MeV。通过用一定通量的超热中子(其使肿瘤附近热化)辐射患者的肿瘤部位，癌细胞被α粒子和锂离子杀死。所释放的α粒子和锂离子具有极短的范围，例如约5-9微米，因此与癌细胞尺寸类似。
BNCT治疗需要高通量(通常为1eV至10keV)的超热中子。临床治疗所需的通量在1x109n/cm2/s的数量级上。历史上，BNCT治疗已在核研究反应堆设施上实施，但对于治疗在医院环境中的广泛实施来说优选基于加速器的中子源。
为使用加速器产生合适水平的中子通量，已提出了若干核反应。最有希望的反应之一是7Li(p,n)→7Be反应。该反应具有高中子产量，并且产生具有适度能量的中子，这两个条件对于许多用途来说都是理想的。该反应所产生的中子通量对于BNCT来说是理想的，例如，因为该通量能容易地调整为超热中子而不会有许多高能量中子。为使用基于加速器的中子源来实现该反应，将承载源材料(例如，锂)的靶呈现于由质子加速器生产的质子束。中子由源材料发射，并且可被射束整形组件调整和校准为治疗所需的中子“束”。质子束尺寸可具有与在射束整形组件出口处的中子束相比相当的尺寸或较小的尺寸。例如，质子束尺寸可为约40mm至约150mm。对于用于BNCT的锂P,N反应来说有两种一般方法：“近阈法”，其中质子束能量为约1.9MeV，以及“超阈法”，其中质子束能量为约2.5MeV。“近阈”法的优点在于来自靶的中子能量分布接近于治疗的超热能量分布，因此仅需使用最小的调整。“超阈”法产生较高能量的中子分布，因此可使用更多调整，但是利用了反应截面中约2.3MeV的高峰值，导致高得多的初始中子产量。
用于BNCT的锂-基中子生成通常根据两种主要方法之一进行：使用流过质子束的液体锂膜，和使用固体形式的锂。一些液体锂方法是基于为the International FusionMaterials Irradiation Facility(国际聚变材料辐射装置，IFMIF)所做的工作，并且诸如日本的the Tokyo Institute of Technology(东京理工学院)和以色列的Soreq NRC的团队已为BNCT 专门建立了这种形式。
基于加速器的中子生成方法至少存在三种主要困难。首先，固体锂的材料性质使其难以适应质子束赋予靶的高功率(以及相关的热)，因为锂具有180℃的相对低的熔点和85W/mK的中等导热性。如果质子束的能量(其在靶中作为热被耗散)没有被充分去除，靶会被损坏。其次，从P,N核反应产生的7Be是放射性的，主要释放0.5MeV的γ。第三，沉积在靶中(例如在锂中或在锂下面的材料中)的氢可能会损坏靶材料，限制靶的寿命，并且使靶必须在故障之前维修。
所提出的热去除方法包括：使用固定式固体靶，所述固体靶从其背后被强力冷却；和使用液体靶，其中射束撞击在液体源材料的流动射流上。然而，这两种方法都有显著缺点。
对于固定靶方法，如上所述，锂具有相对低的熔点和相对低的导热性，这使得难以从固体靶上安全去除或耗散质子束的高热通量而不会过热和熔化其表面。此外，暴露于强质子束可迅速导致靶材料的起泡和其它氢损伤，因此需要频繁的靶更换，并且相应的靶寿命不能实际用于诸如BNCT的医院用途。所提出的固体靶的冷却方法已包括水喷射撞击(water jet impingement)(例如，Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院)和UK的the University of Birmingham(伯明翰大学)的团队)和微通道冷却(例如，日本的CancerIntelligence Care Systems at the National CancerCenter(国家癌症中心的癌症情报保障系统)和比利时的IonBeamApplications(离子束应用))。所提出的用于延长固体锂靶寿命的方法包括：(1)使用薄层锂(～50-100微米，由此使得质子沉积在锂之后)以及位于锂和铜之间的薄的耐起泡材料(诸如钯或铁)；和(2)使用厚锂(>250微米，由此使得质子沉积在锂中)并将寿命限制为在更换之前可以处理的锂。
液体靶方法的优点是靶能处理相对高的功率密度和运行极长时间而无需更换。然而，流动液体锂方法也需要大量锂以充满回路、泵和热交换器，这导致高成本和因高反应性锂所致的显著的安全隐患。液体锂是腐蚀性的，并且在与水混合时可以是爆炸性的。此外，需要大量设备将锂保持在液体形式，将其用泵输送，与其热交换，以及提供消防安全。某些人认为液体锂靶不适合用于医院设施。如果回路中的温度降得过低，液体靶会苦于缓慢的加热时间和可能的流动锂固化，导致锂的电荷无意中转移到靶室内。
本公开的实施方式克服了上面所述的使用直接冷却的模块化旋转靶结构方法的中子生成系统的问题。例如，在一些实施方式中，诸如盘或鼓的可旋转结构包括连接到中心轮轴(hub，在本文中也称为“旋转固定装置”)的多个分段的靶“瓣片”(segmented target“penal”)(在本文中也称为“部分(segment)”)，其中每个瓣片经由其自身的专用微通道被直接冷却。多个靶瓣片可被称为共同构成靶。每个瓣片可包括基板和布置在基板表面上的固体中子源层。示例性的系统包括在平面的可旋转结构上的16个瓣片，每个瓣片占据可旋转结构的圆周的22.5度，而可旋转结构的外径(OD)为约1米，并且半连续锂带在瓣片上在以0.84米直径为中心的径向方向上沉积0.14米。
本文所述的设计相对于先前的设计提供了若干优点。首先，先前的基于微通道的技术通常被限制在约0.1米或更小的靶尺寸，例如因为与其它方法相比，靶尺寸越大，整个微通道上的压降就会过大而难以实用。使用本文所阐述的盘和鼓设计，各自尺寸为约0.1米的一组平行进料的微通道靶部分在旋转结构上依次被辐射，导致微通道的被冷却面积比使用单个入口/出口方法的实际情况要大得多。
其次，与固定靶相比，旋转结构构造将中子源(例如，锂)与液体冷却剂之间的冷却面积提高了至少一个数量级(受例如盘或鼓直径所限)，而无需调整入射表面的角度和经历这种情况下固有的几何效率低下。
第三，将靶分割为多个瓣片有利于系统维修，因为瓣片可独立更换，而不是更换整个靶。旋转移动适于机器人瓣片更换而无需破坏射束整形组件和嵌入式剂量学装置。
第四，测量结果可与靶的设计数据相比较，并且如果强度超出阈值或者如果检测到射束位置离中心太远(例如，超出与靶中心的预定距离)，系统可被关闭或互锁。
用于BNCT的分段式直接冷却旋转靶
图1A是根据本公开一些实施方式的适合用于BNCT中的设备的图。如图1中所示，可旋转结构102包括多个靶瓣片或部分104A-104D，多个部分104A-104D中的每个部分均具有与相应的中子源层 108A-108D相连的相应的基板106A-106D。中子源层108A-108D可包括固体锂。基板106A-106D中的一个或多个包括相应的冷却剂通道 (110A-110D)，诸如，用于主动冷却相关的基板和/或中子源层(例如，将中子源层108A-108D保持为固体形式)的微通道。部分104A-104D 任选连接到具有用于引导冷却剂流体的入口112A和出口112B的旋转固定装置112。部分104A-104D可经由以下中的一个或多个连接到旋转固定装置112：螺丝、螺栓、快速断开配件、夹具和/或类似装置。冷却剂流体可包括以下中的一种或多种：水(例如，去离子水，其与油相比提供了更高的热容量和导热性，并且与自来水相比提供了更低的腐蚀活性)、乙二醇、乙二醇/水混合物、热传递油(例如，为避免故障期间可能的水/锂相互作用)、“Galinstan”(一种商业的液体镓/铟/锡混合物)、液氮和/或其它冷却剂。旋转固定装置112可构造为经由连接器 (coupling)(诸如旋转水封和/或旋转真空密封)连接至外部的主轴总成 (spindle assembly)和/或驱动马达。当部分104A-104D连接到旋转固定装置112时，冷却剂通道110A-110D可与旋转固定装置112的入口 112A和出口112B密闭流体连通。图1A还描绘了质子束生成器113 和质子束113A。
部分104A-104D中的每个部分可具有以下形状之一：环形的一部分、饼形或“扇形”(定义为被圆形或椭圆形的两个半径以及其中的弧所封闭的平面图形)、截端扇形(即，扇形的一部分)、正方形和矩形。
中子源层108A-108D可包括固体形式的锂、铍或另一种合适的中子源，其厚度足以产生理想的中子通量，例如对于锂来说，至少约10 μm，或至少约90μm(例如，约400μm)，或者约10μm至约200μm，或者约90μm至约150μm。
中子源层108A-108D可经由热结合粘附到部分104A-104D的基板 106A-106D上。例如，在一些实施方式中，基板106A-106D中的一个或多个包括铜，且“厚”锂金属中子源层108A-108D(例如，厚度为400 微米，在这里“厚”表示大于锂中的质子范围，后者为约300微米)经由压力和温度方法结合到一个或多个铜基板106A-106D上。由于锂是活性金属，其可与铜形成混合物。当合适地结合时，在铜和锂之间形成了低热阻。在这样的中子源层108A-108D厚度时，质子在使用中沉积到锂中，与位于锂下方的铜相反。在一些情况中，高达1x1019离子/cm2的剂量的中子产量没有降低，并且可期望可以得到1x 1020离子/cm2及以上的剂量。与诸如铜和铝的材料不同，它们在接近-1x 1018离子/cm2的剂量时显示开始起泡，锂更柔软，并且不希望受理论限制，认为导致起泡的氢微泡不能以通常的形式在锂中形成，因此氢逸出但没有起泡形成。中子源层108A-108D在辐射过程中可改变，例如变得更易碎和/或颜色不同，然而只要其保持完整并且产生相同或接近相同的中子产量，其仍适合使用。
或者或另外地，中子源层108A-108D可以薄层(例如约100微米) 的形式蒸发到基板106A-106D上。在这样的设计中也可以包括极薄的耐起泡中间层(如在上面所述的固定靶中所做的)。基础瓣片或基板可由铜或铝制成。甚至诸如不锈钢、钛和钼的材料也是可以的，因为所分配的热功率远低于固定靶的情况。
中子源层108A-108D可热结合到相应的基板106A-106D，例如经由如在以下文献中描述的UK的伯明翰大学所开发的方法，A.V. Brown(2000)Development of a High-PowerNeutron Producing LithiumTarget for Boron Neutron Capture Therapy(博士学位论文)。系统100可构造用于快速机器人靶/瓣片更换，可具有大的热安全裕度，并且可被包含在门架设计(Gantry design)或用于将放射源围绕患者中心点(patient isocenter)旋转移动的其它设计。
在一些实施方式中，冷却剂通道110A-110D的制造包括在相应的基板106A-106D的一个或两个半部的表面中机械加工凹槽，例如使用铣削工具或割缝工具。两侧可随后结合在一起，使凹槽限定冷却剂通道。结合可包括硬钎焊(brazing)、软钎焊(soldering)和/或胶粘。对于硬钎焊，铜可能会有困难，因为即使铜已经处于硬或半硬状态，硬钎焊将铜恢复极软条件(dead soft condition)。可进行加工硬化将铜回火，例如使用一组辊压模将焊铜组件来回弯曲以实现回火。诸如铝的其它材料可使用不涉及部件变形的热和淬火方法来退火。当硬钎焊或软钎焊时，可检查冷却剂通道110A-110D以确保硬钎焊或软钎焊材料没有被芯吸进入通道，这会降低其流动或者甚至将其完全阻塞。或者可选地，可将冷却剂通道110A-110D机械加工为通孔，例如，经由铣削、电火花铣削、“孔爆出”或钻孔(例如，化学钻孔、深钻孔等)。容易检查通孔的阻塞，并且其不会去除材料的回火。随后可将冷却剂通道110A-110D 的每个末端上的盖子焊接(例如，电子束焊接)到每个末端上以提供进料、返回和转向流体通路。作为电子束焊接的替代或者除此之外，还可经由以下方式将盖子紧固到冷却剂通道110A-110D上：钨惰性气体 (TIG)焊接、软钎焊、摩擦焊接、O型环或其它方法。或者或此外，冷却剂通道110A-110D可通过将管(例如，薄壁铜管)硬钎焊到板上来形成。
本公开设想了多种不同的冷却剂通道几何形状和构建方法。例如，冷却剂通道110A-110D的横截面形状可为圆形或矩形，尺寸为约 0.5mm至约1.5mm(即，微通道)，或最多3mm。
在一些实施方式中，冷却通道110A-110D由多个壁限定，多个壁中的每个壁布置在两个相邻的冷却通道110A-110D之间。多个壁中的每个壁的宽度可以是比相邻通道更宽的因子。例如，每个壁的宽度可为冷却通道110A-110D中相邻冷却通道的宽度的约两倍。
冷却剂通道110A-110D的长度可基本彼此相等，并且在射束尺寸的数量级上或比其更大，例如，对于120mm直径的射束可为约140mm 长。通道的尺寸(例如，长度)可根据射束尺寸选择/设计。通道与通道的间距(pitch)也可根据理想用途来设计。例如，在一些实施方式中，使用“2:1间距”，这可表示1mm通道然后是1mm壁，然后是另一个1mm 通道等。在一些实施方式中，瓣片通道具有3:1间距，例如1mm通道用2mm壁将其隔开。3:1间距可减少冷却剂的总流量同时充分冷却瓣片，而2:1间距对冷却可更有效(但需要更高的总冷却剂流量)。
图1B是根据一些实施方式的盘形可旋转结构的平面图。如所示的，可旋转结构102具有中心轮轴部分“H”，其带有与其相连接并从其上伸出的多个部分104。部分104各自包括相应的具有主要表面的中子源层，其可例如基本垂直于可旋转结构102的旋转轴。旋转轴被定义为通过轮轴“H”的中心并基本与其垂直的轴。图1C显示图1B的可旋转结构的横截面的图，其对应于图1B的A-A’线。如图1C中所示，中子源层108布置在带有嵌入的冷却剂通道110的基板106上。
图1D是根据一些实施方式的图1B的可旋转结构在用作硼中子俘获治疗(BNCT)的一部分时的图。如所示的，可旋转结构102围绕其旋转轴旋转，并且质子束生成器113朝向可旋转结构102发射质子束113，使得质子束113A接触可旋转结构102的表面，例如，在部分104的中子源层处。质子束113A可为固定的(例如，在预定位置处)或在可旋转结构102的预定区域呈光栅(rastering)，其中所述预定区域可为固定的或可随时间改变。质子束113A可与可旋转结构102的接触表面形成一定角度，例如约90°。由于可旋转结构102是旋转的，可旋转结构102 的部分104可依次被质子束113A接触。由于质子束113A与部分104 的中子源层的相互作用，生成中子束113B并将其导向(例如，经由瞄准仪或其它射束整形结构)患者P的治疗区域。
图1E是根据一些实施方式的鼓形可旋转结构的透视图。如所示的，可旋转结构102具有底座部分和与其相连接并从其上伸出的多个部分104，所述部分相对于底座形成固定角(例如，90°或至少45°的角度)。部分104包括具有主要表面的中子源层，其可例如基本平行于可旋转结构102的旋转轴。旋转轴可定义为通过底座部分的中心并基本与其垂直的轴。图1F是显示图1E的可旋转结构的带有部分的部分的横截面的图，对应于图1E的B-B’线。中子源层108布置在带有嵌入的冷却剂通道110的基板106上。
图1G是根据一些实施方式的图1E的可旋转结构在用作BNCT的一部分时的图。如所示的，鼓形可旋转结构102围绕其旋转轴旋转，并且质子束生成器113朝向可旋转结构102发射质子束113，使得质子束113A接触可旋转结构102的表面，例如，在部分104的中子源层处。质子束113A可为固定的(例如，在预定位置处)或在可旋转结构102的预定区域上呈光栅，其中所述预定位置可为固定的或者可随时间改变。质子束113A可与可旋转结构102的接触表面形成一定角度，例如约 90°。由于可旋转结构102是旋转的，可旋转结构102的部分104可被质子束113A依次接触。由于质子束113A与部分104的中子源层的相互作用，生成中子束113B并将其导向(例如，经由瞄准仪或其它射束整形结构)患者P的治疗区域。
图2是根据某些实施方式的BNCT设备200的绘图，示出了室检修门215。图3是根据某些实施方式的BNCT设备300(其类似于图2 的BNCT设备200)的放大透视图。如图3中所示，设备300包括框架 321、其中限定有孔327的室325和室检修门315。带有轮轴302A的靶盘302的尺寸设为配合于室325内，并且当在室内安装时，其经由后盖323紧固在室和框架321上。主轴总成317构造为机械连接到靶盘302的轮轴302A并且在被旋转马达319驱动时使靶盘302旋转。尽管在图3中显示和描述为盘，也可设想其它靶几何形状，诸如，筒、鼓、圆柱等。
图4A是根据某些实施方式的可旋转靶组件的透视图。将冷却剂移动进入和离开可旋转结构102是特殊的工程挑战。在本公开一些实施方式中，使用在流出流中的同轴流体的磁性流体旋转空气真空密封，然后双流旋转流体空气密封，诸如“Deublin”密封。如图4A中所示，可旋转靶组件402包括轮轴402A和多个可去除靶瓣片404。磁性流体旋转真空密封433的第一端安装在轮轴402A上，且磁性流体旋转真空密封433的第二端经由水密封(例如，Deublin旋转水密封)431与冷却剂入口435和冷却剂出口437相连。图4B是图4A的可旋转靶组件的侧视透视图。
图5A是根据本公开一些实施方式的瓣片(诸如，图4A的瓣片404) 的前视图。瓣片504可包括基板505(其可包括铜、铝或其它材料(例如，陶瓷材料))和其上设置了锂的任选的金属化表面508(例如，铜、钯膜)。金属化表面508可经由镀层(例如，电化学镀层)、物理蒸汽沉积金属喷涂等形成。图5B是根据某些实施方式的瓣片的后视透视图，示出了微通道。瓣片504包括水入口535、水出口537和多个冷却微通道510，所述冷却微通道510具有，例如约1mm x 0.75mm的横截面积。尽管参考图5B显示和描述了包括“水入口”和“水出口”，或者或此外，可使用任何其他类型的冷却流体。同样，尽管参考图5B显示和描述了具有矩形横截面，本文所述的瓣片的微通道可具有任何其它横截面形状，诸如，圆形、正方形、多边形等。
机器人瓣片更换
如上所述，使用加速器来生成中子通量的很有希望的反应是7Li (p,n)→7Be反应。然而，由于锂P,N反应产生放射性的7Be，会发射～0.5MeV的质子，并且存在高辐射场。因此，在一些实践中，BNCT 系统包括机器人来实施废/旧瓣片/部分的更换以限制工人的辐射暴露 (其水平低至可合理达到的水平，“ALARA”)。图6示出了构造用于机器人靶服务(即，机器人更换设备)的系统的例子。如图6中所示，商业现成的工业机器人650，诸如，美国公司FANUC和瑞士公司
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所制造的那些，无论是已存在于房间中还是被带入房间中(例如，移动机器人车654)用于服务靶，均位于靶的前方。在机器人控制的靶更换过程中，工人可离开房间并关闭地下室房间防护门(vault room shielding door)。此时，一个或多个可伸缩的靶防护物652开启，显露真空口，机器人650可经由该真空口访问靶瓣片。机器人可一个接一个地取出废/旧瓣片，例如通过将可旋转结构编号，并将它们置于或输送到防护箱656中，诸如，衬铅的箱子(也称为“pig”)，以防止工人的辐射暴露。同样，由于锂与湿空气具有反应性，所储存的瓣片可被保持在非反应性介质中，诸如，氩气或矿物油，从而防止7Be进入空气。
更换的(例如，新的或再生的)瓣片可通过机器人650或手动在此时安装或随后安装。由于锂与湿空气相互作用，房间环境可保持为非常干燥，优选在更换过程中保持在约1％至2％的相对湿度，并且在将真空返回系统时将房间加湿。或者可选地，可使用带有预真空锁的手套箱，例如，使用在手套箱内的机器人650来取出和/或安装瓣片。
在一些实施方式中，机器人650留在治疗室内的轨道上，并且仅有防护箱656被输送出入房间。
在一些实施方式中，机器人650操作靶瓣片的卸载，但不安装。
瓣片设计
瓣片可以多种方式连接到旋转固定装置(或“轮轴”)。图3-5中示出的一种方法利用了由定位销限制并通过螺栓保持固定的面密封。在其它实施方式中，可向零件中加入加工定位特征(machined locating features)来取代螺栓，并且可使用偏心夹(over centerclamp)来约束零件。连接机构应选择为耐受明显的离心旋转力。在仍然其它的实施方式中，在图7A-7B中示出了将瓣片连接到轮轴的方法。在一些实施方式中，该方法可使用活塞密封而不是面密封以阻隔来自轮轴的水到达瓣片 704。此外，密封可被加工以使其以一定角度插入从而在一组固定栅栏滑动。一旦机器人松开瓣片，弹簧定位销可将瓣片保持就位。一旦转动，离心力将瓣片相对于栅栏锁住。这种设计有若干优点。首先，没有能可卡住或磨坏并导致过程失败的螺纹形状。其次，活塞密封基本与轮中各种的径向流体进料平行，从而消除了流动中的两个90°弯曲并减少了整个系统上的压降。第三，该机构与其它可被考虑的夹具机构相比是低曲线和简洁的。
在一些实施方式中，微通道设置(microchannel arrangement)包括两组微通道阵列，如图8A-8D中所示，对于具有微通道810、水入口 837和水出口835的瓣片804来说。该设计允许微通道非常接近于相应瓣片的边缘(即，与瓣片之间的空间更近)。在其它实施方式中，使用了在微通道之后的较大返回路径以减少整个瓣片上的压降，然而这样的设计也使得整体瓣片更厚并对于微通道中的指定流体速度而言使用了更高的总流量。
瓣片性能
对具有两组微通道阵列的微通道设置进行了瓣片冷却模拟。模拟参数如下定义：
·质子束：2.6MeV，30mA(78kW)，高斯射束近似，σ＝20，±3 σ＝120mm(99.7％)
·水流量：总计0.002m3/s(32gal/min，2gal/min/瓣片),20℃入口温度
·靶盘：中心线直径：840mm，旋转速度：10Hz(600RPM)
·锂厚度：400μm。
图8A-8D示出了模拟结果。例如，图8A是瓣片804的热图，示出了旋转过程中平均锂表面温度的分布。最高的平均锂表面温度为 51℃。图8B是瓣片804的压力图，显示对于0.002m3/s(32gal/min)的水流量，压降为2巴(29psi)。压降是理想流速和微通道限制的函数。流量越大，或者通道越小，实现该流量所需的从入口到出口的压力就越大。同样，当可旋转结构旋转时，盘外周的实际压力由于施加到冷却剂上的离心力而升高。然而，压差和相应的流速是相同的。
图8C是瓣片804的微通道速度图，且图8D是热图，显示了对于瓣片804的从入口到出口的冷却剂温度变化。从左到右的升温在图8D 中可见，其延伸到表面，正如图8A中可见的，其中中心左边缘比中心右边缘更热。对于传统设计的改进包括提高的水流量(更高压力)、提高的转速(高达30Hz，1800RPM)和更平的射束曲线(与高斯相比)。
在一些实践中，中心线直径为Ф84cm的中子靶被30mA的2.6 MeV质子(1.9x 1020离子/秒)撞击。假设质子束分布为σ＝2cm，1.4x 1014离子/cm2/s的中心线放射剂量率得到了在100小时内5x 1019离子 /cm2的峰值或最大沉积剂量(在瓣片上射束的中心线处)。由于该剂量正好在固体锂上的可接受质子剂量限制之内，可容易地实现超过100小时的靶寿命。
图8A-8D中显示的瓣片实施方式上的改进可包括在瓣片804边缘上的两个冷水入口而不是一个，其中各流动被引导以返回到共同/中央的返回腔，从而将热水导离瓣片边缘，并且相应地改善热预算。该结构在图9中示意性示出。图9描绘了具有两个入口935A,935B和出口 937的瓣片904。
在瓣片轰击过程中，即当质子进入固体锂时，其减速，释放热和其它粒子(诸如，中子)达到与其能量损耗成正比的程度，直到其在固体锂中停留在大致250pm深。在一些实践中，加速器源产生功率高达 100kW的质子束(40mA，2.6MeV)。为实现这样的功率，射束直径的尺寸在靶或瓣片表面处可为约110mm至120mm全宽(6σ)，在射束中得到约1x 107W/m2的平均功率密度和2D高斯分布峰值，后者要高得多，例如，约6x 107W/m2。这是当质子束撞击锂时锂所感受到的通量，其可被称为“瞬时”热通量。在可旋转结构上平均化，射束中心线直径乘以射束“高度”得到扫掠面积(swept area)。对于840mm的射束中心线，其得到约4x105W/m2的平均通量，且中心线上的峰值通量为约8x 105 W/m2。
平均热通量可通过使可旋转结构更大或更小来改变。较小的可旋转结构平均每单位面积上将耗散更多热，而较大的可旋转结构每单位面积将耗散较少热。转速也是可旋转结构设计的重要方面。可旋转结构旋转得越慢，当质子束从瓣片上通过时的温度冲击就越大。可旋转结构旋转得越快，温度冲击越小。对于600RPM的转速，高斯中心线上的温度冲击大致为60℃，并且对于1,200RPM，其大致为30℃。应注意，与固定式结构(不包括扫描或恢复射束)不同，本文所述的对可旋转结构的热作用包括暂态分量。换言之，当射束在瓣片上经过时，温度将冲击并随后在盘旋转时衰退。
图10显示了当质子束通过瓣片时与稳态的温度δ/偏差。最高的线为锂表面处射束的中心线。如可见的，对于指定参数(即，1,200RPM 的转速和12cm+/-3σ的射束直径，且总功率为78kW(2.6MeV， 30mA))，瞬时温度变化为约35℃至40℃，且平均温度为约10℃。这种与平均值差25°至30℃的瞬变是在平均表面温度峰值之外的。因此，固体锂所感受到的最大表面温度是稳态和瞬时解的综合，即51℃+ 30℃＝81℃。应注意，这强烈依赖于转速、总功率和射束直径。
图11A是根据某些实施方式的可旋转靶组件的透视侧视图，测绘了冷却剂速度，且图11B是图11A的可旋转靶组件的透视侧视图，测绘了压力。在整个靶组件上实现计算流量所需的总压力是轴/轮轴δ压力和瓣片δ压力之和，即2巴+1.3巴＝3.3巴(48psi)。图11A示出了8 m/s的峰值水速以及入口1135和出口1137。图11B描绘了在整个轴上 1.3巴的压降。
本文所述的靶设计相对于其它固体锂的优点是，与固定靶上可能的相比，更大的有效锂表面积可适应更高功率。用于如本文所定义的可旋转结构的并且在80cm中心线上具有12cm射束直径的冷却面积的等效圆直径在固定式结构上将为63.5cm，这对于实际BNCT设计来说太大。同样，分区结构从维修角度以及从生产角度来说很方便，这是因为锂的涂布可以较小增量(例如，约10cm x约10cm)进行。本文所述实施方式的较大有效锂表面积也意味着与其它固体结构相比寿命要长得多，例如，其量与表面积之比成正比例。同样当与固定靶相比时，瓣片可更容易由机器人更换而不会破坏射束整形组件(BSA)。
本公开的可旋转结构允许在照射过程中的直接射束定位和强度测量，例如使用位于可旋转结构之后的法拉第筒和围绕可旋转结构的多个点处的一系列孔或狭缝。这些信息对于射束调整和系统的安全互锁是有用的。同样，当与液体锂靶相比时，可旋转固体结构提供了与固定靶相同的安全性利益。可旋转结构的瓣片与固定靶相比也更容易由机器人更换，因为射束整形组件(减速器)可停留就位。
其它实施方式
上面所述用于7Li(p,n)→7Be的系统可扩展到使用其它产生中子的材料的其它产生中子的反应。除了在锂上使用1.9MeV质子束的“近阈”方法和使用2.5MeV质子束的“超阈”方法之外，已被提出用于BNCT 的其它方法包括：使用4MeV质子束的9Be(p,n)，使用1.5MeV氘束的9Be(d,n)，和使用1.5MeV氘束的13C(d,n)。为利用这些反应，可将固体铍片热结合到瓣片上替代锂，并用4MeV质子或1.5MeV氘轰击。此外，锂可用石墨或碳片代替以13C(d,n)反应产生中子。
本公开的系统可包括其上布置有中子源材料的可旋转结构(诸如，平台或台)和构造为当可旋转结构围绕旋转轴旋转时将质子束导向可旋转结构上的中子源材料从而生成中子的质子束生成器。中子源材料可以为任何生成中子的材料，例如锂，并且可经由以下技术沉积在可旋转结构上的任何地方：该技术取决于，例如，源材料的类型和形式以及可旋转结构的设计。在一些实施方式中，可旋转结构包括可旋转结构外部的面向外侧的表面上的中子源材料，其可容易地暴露于定向质子束。
可旋转结构可围绕旋转轴旋转，并且可具有多种不同的整体形状，诸如，盘形(包括圆形)、环形或圆柱形，这取决于，例如，总体系统设计需要。在一些实践中，可旋转结构为对称的，具有垂直于结构并位于其中心的旋转轴。可旋转结构可根据需要被包含在外部壳体中，这取决于用途。此外，可旋转结构可使用多种不同材料形成，这取决于例如中子源材料的化学反应性、以其理想形式包含源材料所需的条件以及成本。例如，可旋转结构可包括不锈钢或钼。
可旋转结构可包括底座，其基本是平的，但是可根据需要进一步包括多个其它部件或特征以例如包含固体和/或液体形式的中子源材料。底座可进一步包括旋转装置，诸如，马达和axel。在一些实施方式中，底座可包括中心可旋转轮轴，其包括将热传递试剂(诸如，加热流体或冷却剂)递送到底座和/或可旋转结构的不同位置或部件的多个装置。通道还可被设置在底座中以及可旋转结构的不同部件中以帮助递送这些流体。此外，底座可包括至少一个中子源材料收纳区，其构造为将中子源材料保持在靶位。收纳区的形状、尺寸、位置和数量可取决于，例如，中子源材料的类型和形式、将源材料提供到底座上的方法和/或可旋转结构的设计。
在一些实施方式中，可旋转结构是具有底座的盘形结构，其包括在底座中心位置处的可旋转轮轴。底座还可包括至少一个具有面向外侧的外表面的底座节段，其构造为包含和/或携带中子源材料。中子源材料可包括固体中子源材料(诸如，锂)的层。轮轴可包括延伸至至少一个底座节段的至少一个冷却剂管线。质子束生成器构造为将质子束导向底座节段所容纳或携带的中子源材料。在一些实施方式中，盘形结构可围绕旋转轴旋转，并且质子束可沿基本平行于旋转轴的射束路径取向。
在一些实施方式中，可旋转结构是具有与基本垂直的外壁(例如，垂直外壁)相连的底座(例如，水平底座)的圆柱形结构。外壁可包括至少一个具有面向内侧的外表面的壁节段，其构造为包含液体中子源材料(诸如，液体锂)的膜，且质子束生成器可构造为将质子束导向壁节段上所含的液体中子源材料膜上。圆柱形结构可围绕旋转轴旋转，并且质子束可沿基本垂直于旋转轴的射束路径取向。
在一些实施方式中，生成中子的方法可使用本文所述的任何可旋转结构实施方式。例如，可提供包括中子源材料的可旋转结构。可将可旋转结构围绕旋转轴旋转，并且当可旋转结构旋转时由质子束生成器生成的质子束可被导向中子源材料，从而生成中子。
在一些实施方式中，可旋转结构包括具有底座和位于底座中央的可旋转轮轴的盘形结构，所述底座可包括至少一个具有面向外侧的外表面的底座节段，所述面向外侧的外表面具有固体中子源材料层。轮轴可包括延伸到至少一个底座节段的至少一个冷却剂管线。当盘形结构围绕旋转轴旋转时，由质子束生成器生成的质子束沿射束路径被导向固体中子源材料层，例如基本平行于旋转轴的射束路径，使得通过质子束与固体中子源材料之间的相互作用生成中子。
在一些实施方式中，可旋转结构可以是具有与基本垂直的外壁相连的底座的圆柱形结构，所述外壁可包括至少一个具有面向内侧的外表面的壁节段，所述面向内侧的外表面构造为包含液体中子源材料的膜。固体中子源材料可被提供在底座上，并且可通过熔融固体中子源材料来形成液体中子源材料。当圆柱形结构围绕旋转轴旋转时，液体中子源材料可从底座流到壁节段的面向内侧的外表面上，从而形成液体中子源材料的膜。由质子束生成器生成的质子束可沿射束路径被导向液体中子源材料的膜，例如基本垂直于旋转轴的射束路径，使得通过质子束与液体中子源材料之间的相互作用生成中子。
应理解，前面的一般描述和后面的详细描述仅是示例性和解释性的。本领域技术人员可对本公开的方法做出多种修改和添加而不会违背本公开的范围。
在一些实施方式中，可旋转结构包括具有至少一个底座节段的底座，所述至少一个底座节段包括中子源材料，所述中子源材料可为固体。底座可例如根据质子束生成器的结构和位置而垂直或水平定位。可旋转结构的整体形状可变，在一些实施方式中其为盘形的，且底座为环形、圆形或近圆形的(即，具有近似圆盘的多边形形状)。可旋转结构可为对称的，具有垂直于底座且在其中央的旋转轴。底座可以是基本平的，或者可包括构成底座节段的环形的带台阶或带角度区域。底座节段也可以是基本平的。
可旋转结构的“底座节段”可指底座之中或之上的任何部分，并且可包括，例如：(1)构造为包含中子源材料的面向外侧的外表面(即，面向质子束生成器)，和(2)固体中子源材料(诸如锂)的层。底座可分为被例如凸起隔板隔开的多个底座节段，或者底座及其节段可形成连续表面。在一些实施方式中，可旋转结构具有包括环形底座节段或者包括饼形或部分饼形底座节段的圆形底座。这样，外表面可包括一个连续的中子源材料层或者可包括沿外部的面向外侧的表面位于不同靶节段中的层。底座节段的外表面可布置为使其主要表面垂直于由质子束生成器生成并指向中子源材料的质子束。然而，节段可为倾斜或带角度的以增加将会与质子束接触的固体源材料的表面积。或者可选地，射束本身可被引导以一定角度撞击中子源材料，从而增加接触面积。
可旋转结构可使用多种不同材料形成，这取决于例如中子源材料的化学反应性、产生固体源材料层所需的条件以及成本。例如，可旋转结构可包括不锈钢或钼。底座节段可包括一种或多种高传导性材料，诸如，铜、铝或钼。固体源材料层可通过将固体源材料直接沉积或涂布于其上而被提供在底座节段的外表面上。或者或此外，可将预先形成的层直接放置或定位于底座节段的外表面上。在一些实施方式中，外表面还包括一个或多个中子源材料收纳区，且非层形式(诸如片、块或粒)的固体中子源材料可被提供在这些区中，熔融并冷却以形成固体源材料层。尽管固体源层可被直接提供在底座节段表面上，也可使用一个或多个中间层以例如改善层与节段表面的结合(以及，相应地，热接触)。该层还提供了物理屏障以防止源材料与节段之间的化学相互作用。例如，对于固体锂靶，铜插层可用于提供锂靶与铝底座节段的改善结合，同时阻止锂与铝的混合。中间层还可用于提高靶中起泡的剂量阈值。当暴露于质子的高影响时，大多数材料最终会起泡，这可归因于氢气的积累和材料中粒子范围末端的损坏。如果选择源材料的厚度小于该材料中质子的范围，则质子将停止或“制动”于较深的层中。这种较深的层可由耐起泡的材料制成，诸如，铁、钽或本领域中已知的其它材料。这种起泡停止层可包括结合或屏障层，或者可在任何结合或屏障层之外。固体源材料层的厚度可根据目标用途、质子束功率和层的暴露时间而变。例如，固体层可为2mm厚或更少，约0.1mm 至约1mm，或约0.05mm至约0.5mm。
在一些实施方式中，底座包括位于底座中心的可旋转轮轴，以及多个将热传递试剂(诸如加热流体或冷却剂)递送到底座的不同部分的装置。例如，底座可包括至少一个从中心可旋转轮轴单元延伸到包括固体中子源材料的底座节段的冷却剂管线。这样，冷却剂可例如通过其中配置的允许冷却剂与外表面的热连通的通道而被递送以冷却底座的面向外侧的外表面，同时质子束聚焦于固体中子源材料层并与其反应。
液体中子源材料
在一些实施方式中，可旋转结构包括与外壁相连的底座，且所述外壁包括中子源材料。可旋转结构可为对称的，具有垂直于底座并位于其中心的旋转轴。结构的整体形状可为圆柱或基本圆柱形的，包括与基本垂直的外壁相连的底座。例如，可旋转结构可以是水平底座，诸如，圆形的底座，所述底座沿其外周与垂直或基本垂直的壁相连。
可旋转结构的外壁可包括面向内侧的外表面(即，面向底座中心)，其构造为包含中子源材料，诸如，液体中子源材料(例如，锂)的膜。多种不同技术可用于包含膜，其中的一些如下所述。此外，外壁可与垂直向外(即，远离底座中心)成角度或倾斜数度(诸如1-2度)，因此可以不是精确平行于旋转轴，例如帮助液体中子源材料膜的形成。
在一些实施方式中，可旋转结构的外壁是连续的圆形环，其具有一个连续的面向内侧的外表面，或者被分区为多个不同的壁节段，从而将面向内侧的外表面分为多个区，所述多个区构造为各自包含目标量的液体中子源材料的膜。例如，外壁可包括各自具有相似形状和尺寸的多个壁节段。壁节段可具有曲线形状，形成外壁的整个圆形横截面形状的弧段，或者可以是平的，从而近似外壁的整体圆环形状。外壁的面向内侧的外表面可使用多种方法而被分区为壁节段，包括，例如，通过提供与外壁的外表面相连的凸起隔板，通过在外壁内形成凹进的口袋或凹陷，或者通过将外壁物理隔开并分为可拆开的壁节段块。
可旋转结构的底座优选与外壁连续。因此，底座和壁可作为一个单位形成，或者可选地，可为连接或结合在一起的独立部件。底座可具有多种不同形状，诸如，环形、圆形或近圆形的(具有近似圆的多边形形状)。在一些实施方式中，底座是大体上平的，并且包括位于底座中心的可旋转轮轴以及将热传递试剂(诸如加热流体或冷却剂)递送到底座和/或外壁的不同部分的多个装置。例如，底座可包括从中心轮轴单元延伸到外壁的一个或多个壁节段的至少一个冷却剂管线，从而诸如通过其中设置的能使冷却剂与外表面热连通的通道递送冷却剂以冷却外壁的面向内侧的外表面。
在一些实施方式中，底座进一步包括至少一个中子源材料收纳区，诸如，槽或孔，例如当底座旋转时诸如锂的固体中子源材料放置并保持于其中。槽的体积可大于要被置于其中的中子源材料的体积，因此，足以容纳作为熔体的源。所有收纳区的总体积选择为足以保留产生理想中子束所需的总源体积。槽可位于底座之中或之上的任何位置，例如在底座与外壁之间的接合处，从而允许槽与外壁之间的流体连通。尽管可使用一个连续的槽或孔，但也可提供多个槽，在这种情况中每个槽可通过凸起隔板或分隔物与相邻的槽隔开。这样，在槽或孔中形成的液体中子源材料可沿底座被包含在特定位置的不连续部分中，例如在底座和外壁之间的接合处。在一些实施方式中，当底座包括多个槽时，外壁还包括多个相应的壁节段，且每个槽与一个或多个壁节段流体连通。因此，不连续部分的液体中子源材料将与具有构造为包含源材料膜的内表面的壁节段流体连通。
当底座包括一个或多个槽时，底座还可包括至少一个从中心轮轴单元延伸到一个或多个槽的进料管线，从而递送热传递流体以加热和熔融位于槽中的固体中子源材料，诸如，通过在底座中设置的接近槽或位于槽下方的通道以使得流体能够与槽热连通。这样，中子源材料可被转化为液体形式。或者可选地，系统可包括至少一个热源，诸如，位于和构造为加热固体中子源材料的一个或多个内部加热器或加热灯。这种加热可根据需要一次用于一个槽或者同时用于所有槽(例如通过使结构旋转)以形成液体中子源材料。此外，如下面所讨论地生成的要被导向中子源材料膜的质子束可被再导向槽上，且射束功率用于帮助启动中子源材料的熔融。
在一些实施方式中，可旋转结构使用多种不同材料中的一种或多种形成，这取决于，例如，中子源材料的化学反应性、包含液体形式的源材料所需的条件以及成本。例如，可旋转结构可包括不锈钢或钼。令人惊奇地，在本公开中，液体中子源材料润湿用于形成可旋转结构材料的材料的能力不是必需的。不希望受理论限制，发明人注意到锂具有相对高的表面张力(于200℃时大致为400达因/cm)和相对低的密度(大致0.5g/cm2)，这导致锂有极高的倾向在平表面上“团球(ball-up)”或收缩成厚胶泥(thick puddles)，使得难以产生液体锂的均匀薄膜。为解决此问题，本文所述的可旋转结构可用容易被锂润湿的材料形成。然而，这将使得难以去除未使用或废弃的锂以进行更换或系统维护。在本公开的一些实施方式中，可使用在理想操作温度(诸如低于300℃) 时不容易被锂润湿的材料，以同时提供经济上和功能上的优点。
如上所述，在一些实施方式中，系统可包括质子束生成器。可使用任何质子束源，包括，例如，包括质子加速器的质子束生成器，并且质子束源的选择可取决于，例如，质子束靶和/或所得中子束的所需用途。对于临床BNCT，所需的中子能量范围是1eV至10keV。对于“超阈”方法，使用～2.5MeV质子束，所产生的中子的平均能量为约600 keV。总能量范围是介于热和2.5MeV中子之间，但是在600keV的截面存在强峰。因此，中子应当通过将其穿过材料阵列和厚度过滤而被“慢化”(即，减缓)至超热范围。例如，对于从锂靶(7Li(p,n)7Be)的中子生产，该反应需要能量为至少1.88MeV至约2.4-2.7MeV的中子源。优选高电流质子加速器，诸如，以30-50mA的质子电流和1.9-2.7MeV 的质子能量操作的质子加速器。来自质子束生成器的质子束可聚焦于中子源材料(作为液体膜或固体层，如上所述)上，从而生成中子。
此外，在本公开的实施方式中，在中子生产过程中可监控和描绘射束。可旋转结构可在圆周方向上分区，从而使得存在许多各自包含锂膜或层的凹陷。可在每对凹陷之间的底座节段或垂直外壁中钻出单个小孔以使多个孔将在外壁内侧形成例如螺旋图案。法拉第杯可被置于旋转结构后方，以使得当孔从射束前方通过时射束撞击于其上。从法拉第杯收集的数据与来自旋转结构的定时信息结合起来可用于在每次旋转时重构射束的二维分布，而无需中断中子生产。该信息可用于确保维持所需的射束分布、位置和强度。
在一些实施方式中，方法包括提供盘形可旋转结构，其具有带有位于中心的可旋转轮轴的底座，所述底座包括至少一个具有构造为包含固体中子源材料(诸如，锂)层的面向外侧的外表面的底座节段，以及包括至少一个延伸至底座节段的冷却剂管线的轮轴。当盘形结构围绕旋转轴旋转时，质子束生成器所提供的质子束被导向固体中子源材料层，从而生成中子。质子束可沿基本平行于旋转轴的射束路径取向。
在另一个实施方式中，可旋转结构是具有与基本垂直外壁相连的底座的圆柱形结构。外壁可包括至少一个壁节段，所述至少一个壁节段具有构造为包含液体中子源材料(诸如锂)的面向内侧的外表面。固体中子源材料可被提供在底座上，例如在位于底座和外壁接合处的一个或多个槽中，允许槽和外壁之间的流体连通，并且液体中子源材料可通过熔融固体中子源材料形成。当圆柱形结构围绕旋转轴旋转时，液体中子源材料从底座流到壁节段的面向内侧的外表面，从而形成膜。质子束生成器所产生的质子束被导向液体中子源材料的膜处，从而生成中子。例如，质子束可沿基本垂直于旋转轴(例如，与旋转轴形成约 80°至约100°或者约85°至约95°的角度)的路径取向。
固体中子源材料的熔融可发生在可旋转结构的旋转之前或同时，这取决于例如旋转速度以及源加热和熔融的相对速率。例如，旋转速度可为约500RPM，生成至少约150gs的离心力。取决于例如目标用途、质子束的功率以及膜的暴露时间，液体膜的厚度可变。液体膜的厚度可为5mm或更小(例如，约1mm至约3mm)。形成膜的条件可取决于液体源材料和外壁外表面的性质。应对液体源施加足够的离心力以产生具有理想厚度的平的、基本连续的膜。例如，对于锂源来说，可使用大致600RPM的旋转频率，对应于大致200gs的离心力，预期在不会被锂润湿的节段材料的情况中这足以产生大致1.25mm的锂膜。使用足以提供较厚膜(诸如2mm厚)的体积的锂将确保胶泥(puddle)的行为不会受表面张力支配，并且会扩展到覆盖整个基座的凹陷。
中子生成系统的一个实施方式的具体例子在图12中显示。如所示的，系统1200包括具有包含在外部壳体1261内的旋转轴X的可旋转结构1260。可旋转结构1260具有整体圆柱形形状，并且包括与垂直外壁1263相连的水平底座1262，所述垂直外壁1263被分区为多个壁节段，其可在图13中更清楚地看见。系统1200进一步包括位于底座 1262中心的可旋转轮轴1264，其根据需要包括冷却剂管线和/或用于热传递流体的进料管线。马达1265将结构1260旋转。如本具体例子中所示的，质子束1266通过位于外壁1263的上边缘上的入口1267进入结构1260，并且通过到对面侧，当其旋转通过时撞击液体中子源。中子生成并通过孔1268离开结构1260。因此，对于此圆柱形结构，质子束沿基本垂直于旋转轴的射束路径被引导，仅有外壁1263的高度略微偏离垂直。添加稍微向外数度的尖端对于帮助膜的形成来说是理想的，并且将使射束路径更接近垂直。
图13示出了与可旋转结构1260相关的进一步细节。如所示的，结构1260的水平底座节段通过凸起底座隔板1272分为多个槽。此外，结构1260的外壁节段通过凸起壁隔板1276分为多个壁节段1274。如所示的，每个槽1270在底座与外壁的接合处与相对应的壁节段1274 相邻布置。
液体中子源材料(诸如锂)的膜的形成的具体例子在图14A-14C中示出。如图14A中所示，管形式(尽管其它形式和形状也可以)的固体锂1371位于结构1360的槽1370内。通过与中心可旋转轮轴中的进料管线相连的水平底座中的通道或者通过位于槽附近的内部加热器(诸如加热灯)将热提供到槽中。如图14B中所示，加热熔融固体锂1371 以产生液体锂1373。槽1370的体积大于液体锂1373的体积，因此液体中子源材料被包含于其中。与熔融步骤同时或者随后，将结构1360 旋转，其速度足以使液体锂1373爬上并进入壁节段1374(箭头A所指示的)，从而形成液体锂膜1375(在图14C中示出)。壁节段1374被恰当地构造为包含膜1375，具有适合于指定旋转速度和条件的体积、表面性质和隔板高度。
当锂膜靶旋转通过质子束时被导向该锂膜靶的质子束可产生理想的中子束，并且其益处在于最小化了中子源靶所需的液体锂的体积，同时还避免了对于固体中子靶或过早固化的液体靶中预期的起泡问题。此外，因为液体源(即，锂)不需要流动，即使发生了意外的固化也不会有显著关系。在一些实施方式中，锂可被保持在其熔点或以下，作为两相系统操作。大部分射束能量将被锂的相变所吸收，这最小化了当靶穿过射束时的任何温度冲击。预期这将减少锂沸腾的风险，允许在较低温度操作，同时还消除了起泡的问题。此外，与使用固定靶的方法相比改善了热去除，这是因为当靶旋转时所生成的热在大面积上传播，同时仍将中子源保持在小区域中，正如大多数用途所需的。额外的热去除可通过以下方式提供：将冷却剂通过冷却剂管线循环，所述冷却剂管线从水平底座中的中心轮轴单元延伸到外壁的一个或多个壁节段，从而将冷却剂递送至与外壁的面向内侧的外表面热连通，诸如，通过设置于其中的通道。同样，用于熔融锂的热传递流体也可被循环为与面向内侧的外表面热连通，诸如，通过连接通道，以保持液体膜的温度。
本发明方法和系统的其它预期益处包括中子源材料的快速机器人去除以进行更换或系统维修。例如，可允许锂靶在水平底座的槽中固化。如果槽是使用具有适合用于锂的防粘表面的材料制成的，则将会形成可直接去除的锂粒，或者可选地，可使用可取出的槽。这将最小化维修或锂更换的停机时间，并且还将显著减少与锂中所含的放射性铍反应产物相关的对维修人员的放射性危害。考虑到本公开的益处，其它益处也是可能的。
本公开的中子生成系统的另一个实施方式的具体例子在图15A 中示出。如所示的，系统1500包括可旋转结构1510，其具有包含在外部壳体1525内并被中子反射器1526所围绕的旋转轴X。可旋转结构 1510具有整体盘形形状，并且包括具有环状台阶式区域的垂直底座 1530，所述环状台阶式区域包括底座节段1520，其上设置有固体锂层 1535。底座1530进一步包括可旋转轮轴1560(在图15A中仅部分可见)，并且根据需要包括冷却剂管线和/或用于热传递流体的进料管线以便在旋转时冷却固体锂层1535。可旋转结构1510围绕轴X旋转，并且质子束1590在其旋转通过时撞击固体锂层1535从而生成中子，后者通过减速器(moderator)1591和瞄准仪1592离开。因此，对于这种盘形可旋转结构，质子束沿基本平行于旋转轴的路径取向。
该实施方式的其它具体例子在图15B-15D中示出。对于图15B，系统1501显示包括具有整体盘形形状的可旋转结构1511，其进一步包括具有底座节段1521的垂直底座1531，在所述底座节段1521上设置了固体锂层1536。这在图15C中可更清楚地看到，该图是可旋转结构 1511的前视图。底座1531包括可旋转轮轴1561，后者包括多个冷却剂管线1570和进料管线1575，所述管线将轮轴1561连接到底座节段 1521以便在结构1511通过马达组件1550围绕Y轴旋转时将冷却剂递送至固体锂层1536。轮轴和相关的管线或通道在图15D中可更清楚地看到，该图是可旋转结构1511的后视图。同样，节段1522在图15C 中示出，且图15D的剖视图显示了节段中将冷却剂递送到锂层1536 之后的通道。可旋转结构1511围绕轴Y旋转，且质子束1590在其旋转通过时撞击固体锂层1536从而生成中子，后者通过靶背后离开。因此对于这种盘形可旋转结构，质子束沿基本平行于旋转轴的路径取向。
这些例子还具有最小化作为中子源靶所需的锂量的益处。由于冷却剂通过从中心轮轴延伸到底座节段的管线或通道循环，由此在固体靶旋转时从其去除热，最小化了过热和起泡，并且与使用固定靶的方法相比允许使用更薄的固体靶。当靶旋转时所生成的热在大面积上传播，同时还将中子源保持在小区域中，这对于大多数用途是理想的。此外，可旋转盘形结构可垂直、水平或以任何理想的角度定位，取决于所生成的中子束的靶位置。这为本发明的系统提供了客观的设计灵活性。此外，底座节段可从可旋转结构上独立去除，以便进行中子源材料的快速机器人去除以进行进行更换或系统维护。例如，分区的固体锂靶可用在独立但相连的底座节段上，如图15C和图15D中所示的。将节段与例如包括冷却剂和进料通道的底座节段的分离允许快速和容易的去除和更换，最小化了维修或中子源更换的停机时间，并且还显著减少对维修人员的放射性危害。考虑到本公开的益处，其它益处也是可能的。
本公开的系统和方法所产生的中子可用于多种不同用途。例如，所得的中子可用于同位素生产、爆炸性和/或核裂变材料检测，用于贵金属矿石分析，或者用于多种成像和医疗技术中。作为具体例子，中子可被包含作为用于癌症治疗的硼中子俘获治疗(BNCT)的一部分。
本发明的BNCT系统和方法的实施方式的一般示意图在图16中示出，以及部分在图15A示出。例如，参考图16(其并非按比例绘制)， BNCT系统1600包括中子生成系统1650以及患者定位和治疗系统 1680。中子生成系统1650包括质子束生成器1610和中子源靶1620，其配置在可旋转结构(未示出)上。可使用本公开的和上面所述的任何可旋转结构。质子束生成器1610相对于中子源靶1620可配置在多个不同位置处，这取决于例如其所位于其中的设备的尺寸和设计。可使用多种已知的偏转或聚焦磁铁来将所生成的质子束导向靶。
质子束生成器1610所生产的质子束1690穿过束传输系统1615 (其可包括例如多种类型的聚焦磁铁)并与中子源靶1620反应，从而生成中子，所述中子通常围绕源在多个方向中产生，这取决于其能量- 较高能量的中子从靶移动前行，且较低能量的中子垂直于源散射或从源散射返回。为生成具有BNCT治疗所需的能量和方向的中子束1670，中子生成系统1650进一步包括反射器1626、射束减速器1691和射束瞄准仪1692。可使用本领域中已知的任何中子束反射器、减速器或射束瞄准仪/限定器，且每个可根据需要围绕靶定位以俘获具有理想能量范围的中子。例如，反射器1626可位于靶侧周围和靶后面，如图16 中所示(以及图15A中，1526处)，并且可包括本领域中已知的对中子相对没有吸附性的任何材料，诸如，高原子序数的材料(包括铅、铋或氧化铝)，或碳质材料(包括石墨)。这样，低能量的反向散射中子可被反射回系统，从而保护或防护周围的部件以及患者1699。向前导向的较高能量中子可被减速器1691(也包括对中子相对没有吸附性的材料) 捕获，以便将其能量减少到所需的超热范围。这样，例如，初始能量为大致500keV的中子可被降低到约leV至约10keV的最终能量，这是对BNCT治疗理想的范围。合适的减速器材料在本领域中是已知的，并且包括，例如，D2O、MgF、LiF、A1F3、Al、特氟龙(Teflon)及其混合物。最后，如所示的，射束瞄准仪1692可位于减速器1691之后以产生理想的中子束并将其聚焦于患者1699中的靶1698上。
如图16中所示，BNCT系统1600进一步包括患者定位和治疗系统1680，后者包括用于将中子束递送到患者的设备和控制器。例如，使用硼递送系统和协议，其中所选择的含硼处理剂以规定剂量递送到患者1699以产生靶1698。使用控制系统以使靶精确就位，从而与预期中子束路径一致，这样的控制系统将是本领域技术人员已知的。也可根据需要使用其它设备和部件，这也是本领域中公知的。
如本文所用的，术语“约”和“大致”大体上表示所述值加或减10％，例如，约250的值将包括225至275，而约1,000将包括900至1,100。
本公开的优选实施方式的前述说明为解释和说明的目的进行阐述。并非意图是穷举式的或者将被发明限制于所公开的精确形式。参考以上教导可做出修改和变动，或者可从本发明的实践得到修改和变动。本文所阐述的实施方式被选择和描述以解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施方式中利用本发明，并且利用适合于预期的特定用途的各种修改。意图是本发明的范围受所附权利要求及其等效范围所限制。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
旋转固定装置，包括冷却剂入口和冷却剂出口；和
多个楔形的产生中子的部分，所述多个楔形的产生中子的部分形成圆形的表面，
所述多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分可去除地与所述旋转固定装置相连，
所述多个产生中子的部分中的每个产生中子的部分包括：
基板，具有限定于其中的冷却剂通道回路，所述冷却剂通道回路包括多个径向取向的直线形的通道和限定于其中的基板的外圆周边缘处的外周区域，所述冷却剂通道回路与冷却剂入口和冷却剂出口流体连通，其中所述冷却剂通道回路设置为促进冷却剂从所述冷却剂入口迅速向外通过所述通道流入所述外周区域中并且从所述外周区域迅速向内通过所述通道流到所述冷却剂出口；和
固体中子源层，布置于所述基板的表面上，其中所述固体中子源层的厚度为0.01mm至3mm。
2.如权利要求1所述的设备，其中每个固体中子源层具有相对于所述旋转固定装置的旋转轴以固定角布置的主要表面。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述固定角为90度。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述固定角为0度。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述固体中子源层包括锂或铍或碳中的一种。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述基板包括铜、铝、钛和不锈钢中的至少一种。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述旋转固定装置包括连接所述旋转固定装置和所述冷却剂入口和冷却剂出口的真空密封。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述冷却剂通道回路包括微通道。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述微通道的尺寸为0.5mm至3mm。
10.如权利要求8所述的设备，其中所述微通道具有基本圆形的横截面形状。
11.如权利要求8所述的设备，其中所述微通道具有基本矩形的横截面形状。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述多个径向取向的直线形的通道的方向平行于所述固体中子源层的主要表面。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述多个通道中的通道由多个壁限定，所述多个壁中的每个壁位于所述多个通道中的两个相邻通道之间，所述多个壁中的每个壁的宽度为所述多个通道中的每个通道的宽度的两倍。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述固体中子源层的厚度为0.09mm至2mm。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述多个产生中子的部分和所述旋转固定装置共同限定了具有1米外径的盘。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述多个产生中子的部分和所述旋转固定装置共同限定了具有1米外径的鼓。
17.如权利要求1所述的设备，其中所述多个产生中子的部分包括至少3个产生中子的部分。
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