CN108401354A - 一种用于加速器中子源的旋转靶 - Google Patents

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Abstract

一种用于加速器中子源的旋转靶系统，其特征在于，包括旋转靶、冷却液循环单元和旋转驱动单元，其中所述旋转靶包括一液冷环和设置在液冷环中心的连接盘，所述液冷环上设置有靶层，所述连接盘与所述液冷环通过轮毂支撑相连，所述旋转驱动单元与所述连接盘的一侧固定连接，用于驱动所述旋转靶旋转，所述冷却液循环单元用于向所述液冷环提供冷却液。本发明采用环形靶层，通过旋转将局部照射产生的热量分散到整个环上，通过环的大面积冷却，降低局部照射产生的高热，冷却效率高，效果好，可实现大功率热量的冷却，很好地控制靶的温度。

Description

一种用于加速器中子源的旋转靶
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，具体涉及一种用于加速器中子源的旋转靶。
背景技术
硼中子俘获治疗技术一种基于分子靶向的二元重离子治疗技术。硼中子俘获治疗(BNCT)基本原理是：将某种亲肿瘤的含硼药物注入患者体内，含硼药物迅速聚集于肿瘤细胞内，然后经热中子或超热中子照射后发生10B(n，α)7Li反应，释放出高传能线密度(LET)和射程很短的α和7Li粒子，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。相对于常规放射治疗而言，BNCT具有两大优势：1)由于含硼药物具有靶向性且α和7Li粒子的杀伤作用仅限于摄取10B药物的细胞及其紧邻细胞，从而使得中子对未摄取10B的正常组织的辐射损伤效应可以控制在安全的剂量水平；2)BNCT利用高LET的α和7Li粒子杀死肿瘤细胞，高LET的粒子相对低LET例子有更高的辐射生物学效应，使单次治疗剂量增大，能做到单次或两次辐照就完成全部治疗。由此可知，BNCT技术可以在细胞水平高选择性地杀死肿瘤细胞，从原理上讲是治疗恶性肿瘤的理想方法。
热中子的产生可以通过核反应堆中子源慢化，也可以通过加速器中子源产生。由于反应堆存在体积庞大、运营复杂、成本高、涉及核燃料安全等问题，并且缺乏部署性、使用弹性以及延续性，极大的限制了BNCT设施的建造数目，进而限制了BNCT的发展及临床应用，造成多处BNCT计划终止。为了解决核反应堆中子源存在的问题，BNCT物理学家从20世纪90年代中期开始寻找可能的替代方法，提出加速器驱动中子源的替代方案。其基本原理是利用粒子加速器将带电粒子加速至一定能量以上后，轰击特定的靶材料，使带电粒子与选定靶材料原子核直接发生核反应，进而以次级粒子的形式放出中子。上述核反应可以细分为两种：一种是低反应阈能，如7Li(p，n)7Be核反应，所需能量在数个百万电子伏特(MeV)；另一种则是高反应阈能，称为裂变或散裂中子源，所需能量在十亿电子伏特(GeV)之上。目前国际组织集中讨论的BNCT装置均属于第一种核反应形式。随着加速器技术的发展，不断涌现出流强达几十毫安的强流质子源，利用核反应7Li(p，n)7Be，只需要高于1.89MeV的质子打锂靶就可以获得产额超过6.3×109(n/mA s)的中子，经过慢化适形后可以发展出已能够满足硼中子俘获临床治疗所需的超热中子流。基于加速器的中子源以其较低的建造与维护费用和便捷安全稳定的运行方式，非常有望成为医院普及使用的硼中子俘获治疗用中子源，从而快速推广BNCT成为一种大众化的医学治疗方法。
2008年夏天开始，日本京都大学原子反应器研究所与三井住友重工开始建造以回旋加速器与铍靶为基础的基于加速器硼中子俘获治疗(AB-BNCT)设施，并于2009年夏天前完成建造。根据设计，该设施的超热中子束输出强度可达国际原子能总署的建议值。该AB-BNCT设施已于2012年11月底正式开展了全世界第一个AB-BNCT临床试验，被视为BCNT领域的划时代创举。2008年以来由基于反应堆的中子源进化为加速器中子源的突破为BNCT带来了革命性的颠覆，彻底使得BNCT成为一个可能真正被应用于临床治疗的先进癌症治疗技术。目前世界各主要BNCT研究团队均积极投入到AB-BNCT的开发上；日本、意大利、俄罗斯、挪威、美国、阿根廷、英国等国家都在研制基于加速器中子源的硼中子俘获治疗设备，其中产生中子束的靶是关键部件。
常用的加速器中子靶有锂靶和铍靶，质子轰击靶体时会产生大量的热，为了减少质子对靶的损伤，延长靶的使用寿命，需要及时将热量带走，防止靶体融合或碎了。常规的冷却方式很难将靶体的温度降低，因此，日本科学家报道了直通式冷却流道靶结构(Hiroaki Kumada，Toshikazu Kurihara，et al.Development of beryllium-basedneutron target system with three-layer structure for accelerator-basedneutron source for boron neutron capture therapy，Applied Radiation andIsotopes，2015，106，78-83)、针孔式冷却靶结构(So Kamada，Masashi Takada，etal.Development of target system for intense neutron source of p-Li reaction，Applied Radiation and Isotopes，2014，88，195-197)以及液体靶结构(S.Halfon，A.Arenshtam，et al.，Demonstration of a high-intensity neutron source based ona liquid-lithium target for Accelerator based Boron Neutron Capture Therapy，Applied Radiation and Isotopes，2015，106，57-62)。俄罗斯科学家报道了局部冷却靶(S.Yu.Taskaev，Accelerator Based Epithermal Neutron Source，Physics ofParticles and Nuclei，2015，46，956-990)。
现有靶冷却系统对靶的冷却效果不佳，大功率(大于15kW)运行时难以获得好的冷却效果，真空靶的维护维修难，造价高。
加速器中子源靶在质子轰击靶体时产生的大量热，如何获得好的冷却效果，不仅关系到靶的使用效率，而且还关系到靶的使用寿命。本发明旨在解决加速器中子源靶冷却的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于加速器中子源的旋转靶，用于提高加速器中子靶的冷却效率。
本发明的用于加速器中子源的旋转靶系统包括旋转靶、冷却液循环单元和旋转驱动单元，其中所述旋转靶包括一液冷环和设置在液冷环中心的连接盘，所述液冷环上设置有靶层，所述连接盘与所述液冷环通过轮毂支撑相连，所述旋转驱动单元与所述连接盘的一侧固定连接，用于驱动所述旋转靶旋转，所述冷却液循环单元用于向所述液冷环提供冷却液。
优选地，所述液冷环包括液冷层和用于密封所述液冷层的液冷层盖板，优选地，所述液冷层和所述液冷层盖板之间设置有密封圈。
优选地，所述冷却液循环单元与所述连接盘通过旋转接头连接，所述冷却液循环单元包括液冷入口管和液冷出口管，所述液冷入口管通过所述旋转接头与所述液冷环的液冷层入口相连，所述液冷出口管通过所述旋转接头与所述液冷环的液冷层出口相连。
优选地，所述靶层的材质为锂、铍或碳。
优选地，所述液冷层包括用于冷却液循环的流道，优选地，所述流道为S形或C形。
优选地，所述流道的总宽度为5～25cm，流道高度为0.5～3cm、流道宽度为0.5～1.5cm，流道之间的间隔为0.5～1.0cm。
优选地，所述液冷环的外径为60～180cm，内径为40～160cm。
优选地，所述液冷环和所述连接盘的材质为金属，优选为铜、铝、铁或其合金。
优选地，所述旋转驱动单元包括电机，所述电机通过电机减速器和连接轴与所述连接盘固定连接。
优选地，所述旋转靶系统包括支架，用于支撑所述旋转靶系统。
与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益效果包括：
(1)采用环形靶层，通过旋转将局部照射产生的热量分散到整个环上，通过环的大面积冷却，降低局部照射产生的高热，冷却效率高，效果好，可实现大功率热量的冷却，很好地控制靶的温度。
(2)通过液冷层冷却液流动将热量带走，达到靶层冷却目的。
(3)整个靶结构紧凑，在大气环境中运行，拆换方便，实用性和可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例中旋转靶系统的简示图。
图2为本发明实施例中旋转靶系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中旋转靶系统的侧视图。
图4为本发明实施例中连接盘支撑及液冷环结构实物图。
图5为本发明实施例中旋转靶系统的组装图。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种用于加速器中子源的旋转靶系统，包括旋转耙100、冷却液循环单元200和旋转驱动单元300、整个旋转靶系统支撑在一支撑单元400上，质子束500入射到旋转耙100的靶层上，结构示意图如图1所示。靶层的材质可以为锂、铍或碳等。
如图2和3所示，旋转靶100包括一液冷环3和设置在液冷环中心的连接盘6，液冷环3包括液冷层和用于密封液冷层的液冷层盖板4，液冷层盖板4上设置有靶层5，连接盘6与液冷环3通过轮毂支撑相连。
在一个实施例中，液冷环3分成两个半圆，每个半圆各分成4～8个独立的扇形，每个扇形采用S或C型流道结构，每个流道结构分别与液冷层入口13和液冷层出口14相连，用于冷却液的循环流动。两个半圆各有一个液冷层入口13和液冷层出口14，液冷层入口13优选靠近液冷环3内沿，液冷层出口14优选靠近液冷环3外沿。冷却液可以为水、乙醇水溶液、乙二醇水溶液、甘油水溶液、离子液体以及它们组成的防冻液等。
流道的总宽度为5～25cm，流道高度为0.5～3cm、流道宽度为0.5～1.5cm，流道之间的间隔为0.5～1.0cm。
液冷环3的外径可以为60～180cm，内径可以为40～160cm。
液冷环3和连接盘6的材质为金属，优选为铜、铝、铁或其合金。
冷却液循环单元200与连接盘6通过旋转接头2连接，冷却液循环单元200液冷入口管1和液冷出口管12，液冷入口管1通过旋转接头2与液冷环3的液冷层入口13相连，液冷出口管12通过旋转接头2与液冷环3的液冷层出口14相连。冷却液循环单元200通过同轴开关控制冷却液的循环流动。
旋转驱动单元300包括电机9，电机9通过电机减速器8和连接轴7与连接盘6固定连接。
支撑单元400包括一个支架10，支架10具有一个支架底板11。
实施例1
采用铝为材质，加工成外径为80cm、内径60cm、厚3cm的液冷环，然后在一面加工成S型流道液冷层，S型流道总宽10cm，流道高1.5cm，流道间隔0.5cm，通道宽0.5cm，见图4。
将电机与电机减速器通过轴套连接后，与连接盘通过螺丝紧扣，然后在液冷层上方加装密封圈，然后加环形盖板，用螺丝固定环形盖板。然后将旋转接头连接到轴心位置，将进出液管连接。然后在旋转靶背面添加2mm后的铍靶，用螺丝固定进行装配，最终获得装配图如图5。
采用无蒸发冷凝模型对相应的结构进行理论计算，分别对发热功率为15和30kW的局部靶(100mm*100mm)的冷却效果进行模拟，所得结果如表1所示，当入口液冷流速达到1.5米/秒以上时，对于15kW的靶体可以获得较好的冷却，靶体最高温度不高于150度(序号5和7所示)。
表1 旋转靶系统的冷却效果
本发明中旋转靶的转速可以为100～1800转/分钟，旋转靶系统的温度控制范围80～200℃。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种用于加速器中子源的旋转靶系统，其特征在于，包括旋转靶、冷却液循环单元和旋转驱动单元，其中所述旋转靶包括一液冷环和设置在液冷环中心的连接盘，所述液冷环上设置有靶层，所述连接盘与所述液冷环通过轮毂支撑相连，所述旋转驱动单元与所述连接盘的一侧固定连接，用于驱动所述旋转靶旋转，所述冷却液循环单元用于向所述液冷环提供冷却液。
2.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述液冷环包括液冷层和用于密封所述液冷层的液冷层盖板，优选地，所述液冷层和所述液冷层盖板之间设置有密封圈。
3.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述冷却液循环单元与所述连接盘通过旋转接头连接，所述冷却液循环单元包括液冷入口管和液冷出口管，所述液冷入口管通过所述旋转接头与所述液冷环的液冷层入口相连，所述液冷出口管通过所述旋转接头与所述液冷环的液冷层出口相连。
4.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述靶层的材质为锂、铍或碳。
5.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述液冷层包括用于冷却液循环的流道，优选地，所述流道为S形或C形。
6.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述流道的总宽度为5～25cm，流道高度为0.5～3cm、流道宽度为0.5～1.5cm，流道之间的间隔为0.5～1.0cm。
7.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述液冷环的外径为60～180cm，内径为40～160cm。
8.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述液冷环和所述连接盘的材质为金属，优选为铜、铝、铁或其合金。
9.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述旋转驱动单元包括电机，所述电机通过电机减速器和连接轴与所述连接盘固定连接。
10.如权利要求1所述的旋转靶系统，其中，所述旋转靶系统包括支架，用于支撑所述旋转靶系统。
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