CN108156742B - 中子束源产生器及其滤屏 - Google Patents

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Abstract

本发明一种中子束源产生器及其滤屏。其中该中子束源产生器，包括加速器，经由通道连接至铍靶材，以及滤屏，其中铍靶材位于通道末端并与滤屏邻近，通道与铍靶材之间的夹角α介于0度到90度之间，通道与滤屏法线的夹角β介于0度到90度之间，且该通道的剖面为非圆形。

Description

中子束源产生器及其滤屏
技术领域
本发明涉及中子束源产生器及其滤屏。
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的中子束源产生器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产生器不但成本低，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产生器以利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中子束源产生器，包括加速器，经由通道连接至铍靶材，以及滤屏，其中铍靶材位于通道末端并与滤屏邻近，通道与铍靶材之间的夹角α介于0度到90度之间，通道与滤屏法线的夹角β介于0度到90度之间，且该通道的剖面为非圆形。
本发明一实施例提供的滤屏，包括：铝、氟化镁、与氟化锂的混合层，其中该混合层由1体积份氟化镁、0.25至1体积份的铝、与0.003至0.02体积份的氟化锂组成。
附图说明
图1与图2是本发明实施例中，中子束源产生器的示意图。
图3至图13是本发明实施例中，通道、靶材、与滤屏的相对关系的示意图。
符号说明
α、β 角度
10 中子束源产生器
11 加速器
13 通道
13c 剖面
15 靶材
16、16A 反射材料
17 滤屏
17a 第一层
17b 第二层
17c 第三层
18 铋层
19 汇聚元件
19a、19b、19d 屏蔽材
19a1 聚乙烯混40wt％碳酸锂
19a2 铁氟龙
19a3 铅
19c 汇聚材
21 患者
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的中子束源产生器10主要由下述部分构成：加速器11、靶材15、连接加速器11与靶材15的通道13与滤屏17。靶材15位于通道末端并与滤屏邻近。举例来说，加速器11可为购自Advanced Cyclotron Systems Inc.的回旋加速器。加速器11用以提供能量介于19MeV至30MeV的质子束，其撞击靶材15以产生快中子。
上述快中子穿过滤屏17与汇聚19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109n·cm-2·s-1，且伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率及伴随每单位超热中子通率的加马射线剂量率小于2×10- 11cGy·cm2/n。其中加马射线剂量率建议值容易达成，故实施例主要探讨超热中子通率及伴随每单位超热中子的快中子剂量率。若超热中子通率过低，则会延长患者21照射治疗的时间。若快中子剂量率过高，则有可能会损伤患者21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15的材质为铍。
如图1所示，通道13与靶材15之间夹有角度α，通道与滤屏法线17`之间夹有角度β。在一实施例中，角度α介于0度至90度之间，角度β介于0度至90度之间。当角度β较大，则通过通道的质子斜向撞击靶材15的效果较明显。举例来说，角度β介于0到45度时的快中子剂量率下降25％，角度β介于45度到90度时的快中子剂量率可下降57％。
一般通道与靶材通常均为圆形。然而在质子束斜向入射靶材的设计中，若通道采用圆形剖面，则其投影至靶材上的图形将为椭圆形。反之，若通道采用椭圆剖面，则其投影至靶材上的图形为圆形或椭圆形。在靶材面积固定的情况下(散热效果一样)，以较小的椭圆通道可减少中子渗漏。因此，在本发明的一实施例中，该通道的剖面为非圆形。
本发明一实施例以靶材与通道之间的角度变化调整通道剖面13c的形状，使通道剖面投影至靶材上的图形面积大于通道剖面。具体而言，通道投影至靶材上的图形面积大于或等于通道的剖面面积。举例来说，当通道剖面形状为椭圆形，则通道剖面投影至靶材上的图形为圆形或椭圆形。当通道剖面形状为矩形，则通道剖面投影至靶材上的图形为方形或矩形。在一实施例中，通道剖面投影至靶材上的图形与靶材的图形重叠。
在一实施例中，椭圆形通道13的剖面13c垂直于通道13的管壁。通道13的剖面13c的横向尺寸(椭圆形的短轴)＝靶材15的横向尺寸×sinα，且通道13的剖面的纵向尺寸(椭圆形的长轴)＝靶材15的纵向尺寸。如此一来，通道13的剖面13c投影至靶材15上的图形，将与靶材15实质上重叠。举例来说，当通道13投影至靶材15的图形为直径d的圆形时，通道13的剖面13c的形状为椭圆，其长轴＝d且短轴＝d×sinα。当通道13投影至靶材15的形状为边长d的方形时，通道13的剖面13c的形状为长方形，其长边为d且短边为d×sinα。除上述形状外，本技术领域中具有通常知识者自可选择适当通道13投影至靶材15的图形，与对应的剖面13c。依据通道13的剖面13c与靶材15之间的角度，调整通道13的剖面13c其形状的作法，可提高超热中子通率强度。
在图1中，靶材15紧贴滤屏17。但在另一实施例中，通道与滤屏法线17`的夹角β介于45度到90度之间，而通道13与靶材夹有角度α，角度α的范围如前述，在此不赘述。
上述滤屏17可为图示的三层结构，但也可为单层结构，或更多层结构。在一实施例中，滤屏17的总厚度介于54cm至67.5cm之间。若滤屏17的总厚度过薄，则无法有效降低快中子剂量。若滤屏17的总厚度过厚，则射束出口处中子束的超热中子通率无法达到足够强度。
本发明实施例的滤屏17，包括：铝、氟化镁、与氟化锂的混合层，其中该混合层由1体积份氟化镁、0.25至1体积份的铝、与0.003至0.02体积份的氟化锂组成。
在一实施例中，滤屏17，例如是三层结构，第二层17b位于第一层17a与第三层17c之间，且第一层17a位于靶材15与第二层17b之间，即质子撞击靶材15产生的中子依序穿过第一层17a、第二层17b、与第三层17c。第一层17a由铁组成，例如：铁与中子的非弹性碰撞将1MeV以上的中子减速到1MeV以下。在一实施例中，第一层17a的厚度介于15cm至26cm之间。若第一层17a的厚度过薄，则1MeV以上的中子会太多。若第一层17a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17b由1体积份的氟化铝、0.25至1体积份的铝、与0.013至0.02体积份的氟化锂所组成。在一实施例中，第二层17b的厚度介于20cm至35cm之间。若第二层17b的厚度过厚，在滤屏17总厚度固定的情况下第三层17c厚度太薄，则中子减速不够，使快中子剂量率会过高。若第二层17b的厚度过薄，相对第三层17c厚度需较厚以降低快中子剂量率，但同时超热中子通率会过低。第三层17c由1重量份的氟化锂与99至100重量份的氟化镁所组成。在一实施例中，上述滤屏17的三层结构中的第三层17c也可由铝、氟化镁、与氟化锂的混合层所组成，其中混合层由1体积份氟化镁、0.25至1体积份的铝、与0.003至0.02体积份的氟化锂组成。
在一实施例中，第三层17c的厚度介于5cm至10cm之间。若第三层17c的厚度过厚，则减速过快，超热中子通率会过低。若第三层17c的厚度过薄，则减速不够，快中子剂量率会过高。在一实施例中，第二层的材料包覆在第一层的外部周围。在一实施例中，第一层17a的面积小于第二层17b的面积，且第二层的面积小于第三层17c(混合层)的面积。在一实施例中，上述滤屏用于中子束源产生器中。
在一实施例中，可在滤屏17外侧设置厚度15公分以上的铅壁(即反射材料16)，以进一步增加最后产生的超热中子通率。
如图1与图2所示，汇聚元件19位于第三层17c与患者21之间。汇聚元件19的设计可参考Y-W H.Liu,T.T.Huang,S.H.Jiang,H.M.Liu,(2004)“Renovation of EpithermalNeutron Beam for BNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.。汇聚元件19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率。图1的设计为质子撞击穿过靶材15后形成的中子束多数直接进入滤屏17。图2的设计为质子撞击靶材15后产生的中子束，多数经靶材15背侧的反射材料16如铅反射再进入滤屏17。在某些实施例中，可将靶材15背侧的反射材料16厚度增加至45cm，以增加反射的中子通率强度。在图1与图2中，滤屏17的第一层17a、第二层17b、与17c的面积相同。但在某些实施例中，第三层17c的面积最大，第二层17b的面积为第三层17c的面积的81％至100％，而第一层17a的面积为第三层17c的面积的16％至100％，以形成前窄后宽的滤屏。在一实施例中，第二层17b可进一步围绕第一层17a。前窄后宽的滤屏与圆柱状的滤屏相较，前窄后宽的滤屏具有提高超热中子通率强度的效果。
如图1与图2所示，汇聚元件19包含汇聚材19c，以及屏蔽材19a、19b与19d。堆叠的屏蔽材19a与19b具有开口，而汇聚材19c与屏蔽材19d各自位于屏蔽材19a与19b的开口的侧壁上。在一实施例中，屏蔽材19a为聚乙烯混40wt％碳酸锂，屏蔽材19b为铁氟龙，汇聚材19c为铋，而屏蔽材19d为聚乙烯混40wt％碳酸锂(其中锂为浓缩的6Li)。在某些实施例中，屏蔽材19a(如聚乙烯混40wt％碳酸锂)的厚度自20cm缩小至5cm，其余15cm改为铅，可进一步增强中子束出口的超热中子通率强度。此外，由于上述设计可增强超热中子通率强度，因此加速器产生的质子束其能量不需高达30MeV。举例来说，能产生19MeV至24MeV的质子的加速器11足以应用于上述设计，即可降低加速器11的成本。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件为Los Alamos National Laboratory开发的MCNPX，且截面库采用ENDF/B-7。
比较例1与实施例1至4中，中子束源产生器的模拟条件为加速器产生能量为30MeV且电流为1mA(30MeV/1mA)的质子束，靶材为0.55cm厚且直径为19cm的铍。滤屏的第一层由铁组成，第二层由1体积份的氟化铝、0.517体积份的铝、与0.017体积份的氟化锂组成，第三层由1重量份的氟化锂与99重量份的氟化镁组成。第一层的厚度为27.5cm，第二层的厚度为32.5cm，第三层的厚度为7.5cm，组成半径50cm圆柱状的滤屏。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 forBNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.所揭露的汇聚元件19，以及在三层滤屏17与汇聚元件19之间，夹设有厚度5cm的铋层18。
比较例1
如图3所示，比较例1的靶材15紧贴滤屏17，而通道13垂直于靶材15，即两者之间的夹角α为90度，通道13与滤屏法线17`的夹角β为0度(即通道与滤屏的法线为同一方向)。上述通道13的剖面13c为直径为20cm的圆形。上述中子束源产生器于汇聚口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第1表所示。
实施例1
如图4所示，实施例1的靶材15紧贴滤屏17，而通道13与靶材15之间的夹角α为45度，通道13与滤屏法线17`的夹角β为45度。上述通道13的剖面13c为直径为20cm的圆形。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第1表所示。
实施例2
如图5所示，实施例2的靶材15紧贴滤屏17，而通道13与靶材15之间的夹角α为30度，通道13与滤屏法线17`的夹角β为60度。上述通道13的剖面13c为直径为20cm的圆形。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第1表所示。
实施例3
如图6所示，实施例3的靶材15紧贴滤屏17，而通道13与靶材15之间的夹角α为15度，通道13与滤屏法线17`的夹角β为75度。上述通道13的剖面13c为直径为20cm的圆形。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第1表所示。
实施例4
如图7所示，实施例4的靶材15垂直于滤屏17，而通道13垂直于靶材15，即两者之间夹角α为90度，通道13与滤屏法线17`的夹角β为90度。上述通道13的剖面13c为直径为20cm的圆形。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第1表所示。
第1表
Figure BDA0001197390780000071
Figure BDA0001197390780000081
由第1表可知，当通道的质子束与滤屏法线夹一角度，可有效降低每单位超热中子通率所伴随的快中子剂量率。
实施例5
实施例5与实施例3(图6)类似，差别在于实施例5的第一层17a的厚度为22cm，第二层17b的厚度为25cm，且第三层17c的厚度为10cm，总计厚度为57cm(比实施例3的滤屏厚度少10.5cm)。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第2表所示。
实施例6
实施例6与实施例4(图7)类似，差别在于实施例6的第一层17a的厚度为22cm，第二层17b的厚度为25cm，第三层17c的厚度为10cm，总计厚度为57cm(比实施例4的滤屏厚度少10.5cm)。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第2表所示。
第2表
Figure BDA0001197390780000082
Figure BDA0001197390780000091
由第2表可知，质子束夹一角度入射滤屏可降低滤屏厚度，以达更强的超热中子通率强度。
实施例7
实施例7与实施例5类似，差别在于实施例7的通道13的剖面13c由圆形改为椭圆形，其长轴为20cm，而短轴为5.2cm。如此一来，通道13的剖面投影至靶材15上的图形将与靶材15完全重叠，如图8所示。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第3表所示。
实施例8
实施例8与实施例6类似，差别在于实施例8的靶材15与滤屏17之间夹角为15度，如图9所示，且通道13的剖面13c改为椭圆形，其长轴为20cm，而短轴为5.2cm。如此一来，通道13的剖面投影至靶材15上的图形将与靶材15完全重叠。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第3表所示。
第3表
Figure BDA0001197390780000092
Figure BDA0001197390780000101
由第3表可知，依据通道剖面与靶材之间的角度，可在靶材面积固定的情况下(散热效果一样)，以较小的椭圆通道可减少中子渗漏，进一步提高超热中子通率强度。
实施例9
实施例9与实施例8类似，差别在于实施例9的靶材15背侧的反射材料(铅)加厚15cm(如反射材料16A)。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第4表所示。
第4表
Figure BDA0001197390780000102
Figure BDA0001197390780000111
如第4表所示，增加靶材背侧的反射材料厚度(如反射材料16A)可增加超热中子通率强度，且几乎不增加快中子剂量率。
实施例10
实施例10与实施例9类似，差别在于实施例10将滤屏17的第一层17a的面积缩小至原本的16％，并将第二层17b的面积缩小至原本的81％，以形成前窄后宽的滤屏17如图10所示。第一层17a(半径15cm的铁)其外部周围设置5cm厚的第二层17b材料(第二层由1体积份的氟化铝、0.517体积份的铝、与0.017体积份的氟化锂组成)，在此实施例中，第一层外部周围的第二层材料与铁(第一层材料)的体积比为9:7。上述中子束源产生器产生的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第5表所示。
实施例11
实施例11与实施例10类似，差别在于实施例11省略汇聚元件19与滤屏17之间的铋层18，如图11所示。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第5表所示。
实施例12
实施例12与实施例11类似，差别在于实施例12中围绕汇聚元件19的聚乙烯混40wt％碳酸锂19a1的厚度自20cm缩小至5cm，其余15cm改为铅19a3，如图12所示。上述中子束源产生器产生的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第5表所示。
实施例13
实施例13与实施例12类似，差别在于实施例13中围绕汇聚元件19的屏蔽材19a中，聚乙烯混40wt％碳酸锂19a1的厚度自5cm缩小至1cm，其余4cm改为铁氟龙19a2，如图13所示。上述中子束源产生器产生的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第5表所示。
第5表
Figure BDA0001197390780000121
Figure BDA0001197390780000131
由第5表可知，将滤屏17调整为前窄后宽、省略铋层18、调整围绕汇聚元件的屏蔽材19a(聚乙烯混40wt％碳酸锂)的厚度、或将屏蔽材改为多层结构(例如：双层(聚乙烯混40wt％碳酸锂/铅)或三层结构(聚乙烯混40wt％碳酸锂/铁氟龙/铅))，可进一步改善超热中子通率强度。
实施例14
实施例14与实施例13类似，差别在于实施例14的第三层17c改为铝、氟化镁、与氟化锂的混合层。混合层的形成方法如下:先秤重铝91.80公克，氟化镁204.20公克与氟化锂2.99公克的混合粉末，并将此混合粉末置于钢球球磨罐中进行球磨混合，再利用真空热压成型技术在真空度10-2torr于600℃/330MPa的温度及压力下持温30分钟将此粉末制备成块材。得到1体积份的氟化镁、0.526体积份的铝、与0.018体积份的氟化锂组成的混合层作为块材。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第6表所示。
实施例15
实施例15与实施例14类似，差别在于实施例15的加速器产生能量为24MeV且电流为500μA(24MeV/500μA)的质子束。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第6表所示。
实施例16
实施例16与实施例14类似，差别在于实施例16的加速器产生能量为19MeV且电流为300μA(19MeV/300μA)的质子束。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、与伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率如第6表所示。
第6表
Figure BDA0001197390780000132
Figure BDA0001197390780000141
由第6表可知，第三层采用铝、氟化镁、与氟化锂的混合层材料可进一步增加超热中子通率强度，因此可搭配能量及电流较低的加速器以降低成本。
实施例17
实施例17与实施例14类似，差别在于实施例17的第三层的混合层材料混合比例不同，秤重铝54公克，氟化镁251.8公克与氟化锂0.8公克的混合粉末，得到混合层为1体积份氟化镁、0.251体积份的铝、与0.004体积份的氟化锂所组成。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率、与热中子相对超热中子的比例如第7表所示。
实施例18
实施例18与实施例14类似，差别在于实施例18的第三层的混合层材料混合比例不同，秤重铝108公克，氟化镁188.9公克与氟化锂1.6公克的混合粉末，得到混合层为1体积份氟化镁、0.667体积份的铝、与0.01体积份的氟化锂所组成。上述中子束源产生器于汇聚出口的超热中子通率、快中子剂量率、伴随每单位超热中子通率的快中子剂量率、与热中子相对超热中子的比例如第7表所示。
第7表
Figure BDA0001197390780000151
由第7表可知，第三层采用铝、氟化镁、与氟化锂的混合层材料采用不同比例，可进一步调整超热中子通率强度、快中子剂量率，及热中子通率与超热中子通率的比例。
虽然结合以上数个较佳实施例揭露了本发明，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附上的权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种中子束源产生器，包括：
加速器，经由一通道连接至一铍靶材；以及
滤屏，其中该铍靶材位于该通道末端并与滤屏邻近且该铍靶材的一面紧贴该滤屏，该滤屏包含第一层，第二层及铝、氟化镁、与氟化锂的混合层，其中该第二层位于该第一层与该混合层之间且该第二层的材料进一步围绕该第一层，该混合层由1体积份氟化镁、0.25至1体积份的铝、与0.003至0.02体积份的氟化锂组成，
其中该通道与该铍靶材之间的夹角α介于0度到90度之间，该通道与滤屏法线的夹角β介于45度到90度之间，且该通道的剖面为非圆形。
2.如权利要求1所述的中子束源产生器，其中该通道投影至靶材上的图形面积大于或等于通道的剖面面积。
3.如权利要求1所述的中子束源产生器，其中该通道剖面形状为椭圆形，使通道剖面投影至靶材上的图形成一圆形或椭圆形。
4.如权利要求1所述的中子束源产生器，其中该通道剖面形状为矩形，使通道剖面投影至靶材上的图形成一方形或矩形。
5.如权利要求1所述的中子束源产生器，其中该通道投影至靶材上的图形与靶材的图形重叠。
6.如权利要求1所述的中子束源产生器，其中该加速器产生能量为19MeV至30MeV的质子束。
7.一种滤屏，包括：
第一层，第二层及铝、氟化镁、与氟化锂的混合层，其中该第二层位于该第一层与该混合层之间且该第二层的材料进一步围绕该第一层，该混合层由1体积份氟化镁、0.25至1体积份的铝、与0.003至0.02体积份的氟化锂组成。
8.如权利要求7所述的滤屏，其中：
第一层由铁组成；以及
第二层由1体积份的氟化铝、0.25至1体积份的铝、与0.013至0.02体积份的氟化锂组成。
9.如权利要求7所述的滤屏，其中该第一层的面积小于该第二层的面积，且该第二层的面积小于该混合层的面积。
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