CN110507914B - 中子缓速材料 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种中子缓速材料，所述中子缓速材料由含锂的物质和一种具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料组成，所述中子缓速材料应用于中子捕获治疗装置的射束整形体中作为缓速体。本发明的有益效果是通过向常规的中子缓速材料中加入含锂的物质用以提高被所述中子缓速材料缓速的中子射束的假体射束品质。

Description

中子缓速材料
技术领域
本发明涉及一种放射性射线缓速材料，尤其是一种中子缓速材料。
背景技术
中子缓速材料常见于中子捕获治疗装置的射束整形体中，用以将从中子源发射的能谱较宽的中子射束调整为具有一定能量范围的中子射束，在利用中子捕获治疗装置进行治疗的过程中，影响治疗效果的不仅有空气射束品质，还需要考虑假体射束品质。目前尚未发现针对中子射束的假体射束品质对中子缓速材料的筛选。
发明内容
在利用中子捕获治疗装置进行治疗的过程中，所述中子捕获治疗装置的假体射束品质决定了治疗效果，其中，构成所述中子捕获治疗装置中缓速体的中子缓速材料是影响假体射束品质的主要因素。所述假体射束品质包括：有效治疗深度、有效治疗深度剂量率和有效治疗剂量比，其中：
有效治疗深度(AD)是指肿瘤剂量等于正常组织最大剂量的深度，在此深度之后的位置，肿瘤细胞得到的剂量小于正常组织最大剂量，即失去了硼中子捕获的优势。此参数代表中子射束的穿透能力，有效治疗深度越大表示可治疗的肿瘤深度越深，单位为cm。
有效治疗深度剂量率即有效治疗深度的肿瘤剂量率，亦等于正常组织的最大剂量率。因正常组织接收总剂量为影响可给予肿瘤总剂量大小的因素，因此参数影响治疗时间的长短，有效治疗深度剂量率越大表示给予肿瘤一定剂量所需的照射时间越短，单位为cGy/mA-min。
有效治疗剂量比是指从大脑表面到有效治疗深度，肿瘤和正常组织接收的平均剂量比值，称之为有效治疗剂量比；平均剂量的计算。有效治疗剂量比值越大，代表该中子射束的治疗效益越好。
中子捕获治疗装置的辐射场为混合场，由于光子、中子会造成生物效应不同，所以针对快中子、热中子、和光子剂量项，分别乘以不同组织的相对生物效应(RBE)以求得等效剂量。在利用中子捕获治疗装置进行治疗的过程中发现30RBE-Gy可以有效的消灭肿瘤细胞。本发明优选有效治疗深度(AD)和肿瘤30RBE-Gy所在深度用以评价经过中子缓速材料的射束的假体射束品质。
为了使被中子缓速材料缓速的中子射束具有较好的假体射束品质，本发明提供了一种中子缓速材料，所述中子缓速材料由含锂的物质和一种具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料组成，其中所述含锂的物质的重量占中子缓速材料重量的5％～40％。
其中，本发明所述的快中子为能区大于40keV的中子，超热中子能区在0.5eV到40keV之间，热中子能区小于0.5eV。
所述材料具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质是由组成所述材料的元素所决定的，当组成所述材料的一种或几种元素具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质时，所述材料具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，常见的具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的元素包括但不限于：F、Al、Mg、O、Pb、Ba和Ca，这些元素在快中子能量区的作用截面均为共振截面区，这些元素与组成所述材料的其他元素相互作用以达到在快中子能量区有较高的中子作用截面。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料包括：Al2O3、BaF2、CaF2、(C2F4)n、PbF2、PbF4。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述含锂物质包括LiF、Li2CO3，其中Li元素具有和其他所述材料竞争吸收热中子的作用，从而在某种程度上降低了中子射束中γ射线的含量，在本发明中，所述材料和含锂物质中各种元素的含量及元素之间的相互配合作用使被所述中子缓速材料缓速的中子射束具有较好的假体射束品质。
优选的是，所述中子缓速材料中，当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为BaF2时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的25％～40％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.92倍；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为CaF2时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的35％～40％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.01倍；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为(C2F4)n时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的15％～20％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.01倍；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为PbF2时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的25％～40％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.11倍；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为PbF4时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的15％～40％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.04倍；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为Al2O3时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的25％，在这样的中子缓速材料的组成条件下，经过所述中子缓速材料的中子射束的肿瘤30RBE-Gy所在深度大于或等于经过不添加含锂物质的中子缓速材料的1.03倍。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述中子缓速材料以层叠或混合粉末压坯或混合粉末烧结的形式设置在射束整形体内以作为所述射束整形体的缓速体。
其中构成所述缓速体的中子缓速材料密度越小，所述缓速体和射束整形体的体积越大，优选的是，所述中子缓速材料中，所述中子缓速材料的密度为60％～100％的理论密度。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述射束整形体还包括包围所述缓速体的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体和设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述射束整形体用于加速器中子捕获治疗装置，所述加速器中子捕获治疗装置包括加速器、被所述加速器加速的带电粒子束、用于通过所述带电粒子束的带电粒子束入口、经与所述带电粒子束发生核反应从而产生中子束的中子产生部、用于调整经所述中子产生部产生的中子射束通量与品质的射束整形体和邻接于所述射束整形体的射束出口，其中，所述中子产生部容纳在所述射束整形体内。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述缓速体设置成包含至少一个锥体状的形状。
优选的是，所述中子缓速材料中，所述缓速体设置成两个相反方向相互邻接的锥体状。
附图说明
图1是19F元素的中子作用截面图。
图2是27Al元素的中子作用截面图。
图3是24Mg元素的中子作用截面图。
图4是16O元素的中子作用截面图。
图5是208Pb元素的中子作用截面图。
图6是138Ba元素的中子作用截面图。
图7是40Ca元素的中子作用截面图。
图8是加速器式中子捕获治疗装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它成分或其组合的存在或添加。
图1～图7分别列出7种元素的中子作用截面，其中某些元素包含不止一种同位素，这些元素及其同位素的中子作用截面虽然略有差异，但是它们的中子作用截面图谱的形状是一致的(在超热中子区域的作用截面较小，而在快中子区域呈现为共振区域)。
以下通过实施例和对比试验来说明本发明的有益效果，其中，实施例和对比试验是基于以下试验条件完成的：假体采用Modified Snyder head phantom，假体射束品质采用MCNP软件(由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室基于蒙特卡罗方法开发的)，中子缓速材料的制备方法为混合均匀后烧结，所述中子缓速材料的密度为理论密度，本发明实施例中由所述中子缓速材料构成的缓速体的几何结构为两个相反方向相互邻接的锥体状(如图8所示)，其中中子产生部伸入左边锥体的深度为10cm，中子产生部到射束出口的距离为24cm，两个锥体重叠的面的半径为40cm，
以上采用的试验条件只是为了说明本发明的有益效果，本领域技术人员熟知地，本发明的实施条件并不限于本发明实施例的实验条件。
<实施例1>
Al2O3具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的Al2O3为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表1所示。
表1：以含有Al2O3的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000041
<实施例2>
BaF2具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的BaF2为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表2所示。
表2：以含有BaF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000042
Figure BDA0002157199120000051
<实施例3>
CaF2具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的CaF2为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表3所示。
表3：以含有CaF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000052
<实施例4>
(C2F4)n具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的(C2F4)n为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表4所示。
表4：以含有(C2F4)n的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000061
<实施例5>
PbF2具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的PbF2为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表5所示。
表5：以含有PbF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000062
<实施例6>
PbF4具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的性质，以不添加任何含Li物质的PbF4为该实施例的对比试验，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表6所示。
表6：以含有PbF4的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000071
<实施例7>
本实施例以Li2CO3替代<实施例1>中的LiF，其余实验条件均和<实施例1>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表7所示。
表7：以含有Al2O3的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000072
<实施例8>
本实施例以Li2CO3替代<实施例2>中的LiF，其余实验条件均和<实施例2>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表8所示。
表8：以含有BaF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000081
<实施例9>
本实施例以Li2CO3替代<实施例3>中的LiF，其余实验条件均和<实施例3>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表9所示。
表9：以含有CaF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000082
Figure BDA0002157199120000091
<实施例10>
本实施例以Li2CO3替代<实施例4>中的LiF，其余实验条件均和<实施例4>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表10所示。
表10：以含有(C2F4)n的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000092
<实施例11>
本实施例以Li2CO3替代<实施例5>中的LiF，其余实验条件均和<实施例5>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表11所示。
表11：以含有PbF2的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000093
Figure BDA0002157199120000101
<实施例12>
本实施例以Li2CO3替代<实施例6>中的LiF，其余实验条件均和<实施例6>中的实验条件相同，通过MCNP软件计算得出该实施例和对比试验的假体射束品质如表12所示。
表12：以含有PbF4的中子缓速材料作为缓速体的中子捕获治疗装置的假体射束品质
Figure BDA0002157199120000102
根据<实施例1>到<实施例12>及其相应的对比试验可以得出：含锂物质的添加均可以使中子缓速材料在不消弱有效治疗深度的前提下能有效改善肿瘤30RBE-Gy所在深度。
对比<实施例1>到<实施例7>和<实施例8>到<实施例12>可以得出，添加不同的含锂的物质均可以有效改善肿瘤30RBE-Gy所在深度。
所述中子缓速材料应用于如图8所示的加速器式中子捕获治疗装置中作为缓速体24，所述加速器式中子捕获治疗装置包括加速器10、被所述加速器加速的带电粒子束11、用于通过所述带电粒子束11的带电粒子束入口23、经与所述带电粒子束11发生核反应从而产生中子束的中子产生部22、用于调整经所述中子产生部22产生的中子射束通量与品质的射束整形体20和邻接于所述射束整形体的射束出口25，其中，所述中子产生部22容纳在所述射束整形体20内；其中射束整形体20还包括包围所述缓速体24的反射体21、与所述缓速体24邻接的热中子吸收体26和设置在所述射束整形体20内的辐射屏蔽27。
其中，缓速体24设置成两个相反方向相互邻接的锥体状，如图8所示的方向，缓速体24的左侧为向着左侧逐渐变小的锥体状，缓速体24的右侧为向着右侧逐渐变小的锥体状，两者相互邻接。反射体21紧密的包围在缓速体24周围，在缓速体24和反射体21之间设置有间隙通道28，所谓的间隙通道28指的是未用实体材料覆盖的空的容易让中子束通过的区域，如该间隙通道28可以设置为空气通道或者真空通道。紧邻缓速体24设置的热中子吸收体26由很薄的一层6Li材质制成，辐射屏蔽27中的由Pb制成的光子屏蔽可以与反射体21设置为一体，也可以设置成分体。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种中子缓速材料，其特征在于，所述中子缓速材料由含锂物质和一种具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料组成，其中所述含锂物质的重量占中子缓速材料重量的10％～40％，所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为Al2O3、CaF2。
2.根据权利要求1所述的中子缓速材料，其特征在于，所述含锂物质包括LiF、Li2CO3。
3.根据权利要求1或2所述的中子缓速材料，其特征在于，当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为CaF2时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的35％～40％；当所述具有快中子作用截面大而超热中子作用截面小的材料为Al2O3时，含锂物质的重量占中子缓速材料重量的25％。
4.根据权利要求1或2所述的中子缓速材料，其特征在于，所述中子缓速材料的密度为60％～100％的理论密度。
5.根据权利要求1或2所述的中子缓速材料，其特征在于，所述中子缓速材料以层叠或混合粉末压坯或混合粉末烧结的形式设置在射束整形体内以作为所述射束整形体的缓速体。
6.根据权利要求5所述的中子缓速材料，其特征在于，所述射束整形体还包括包围所述缓速体的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体和设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽。
7.如权利要求6所述的中子缓速材料，其特征在于，所述射束整形体用于加速器中子捕获治疗装置，所述加速器中子捕获治疗装置包括加速器、被所述加速器加速的带电粒子束、用于通过所述带电粒子束的带电粒子束入口、经与所述带电粒子束发生核反应从而产生中子束的中子产生部、用于调整经所述中子产生部产生的中子射束通量与品质的射束整形体和邻接于所述射束整形体的射束出口，其中，所述中子产生部容纳在所述射束整形体内。
8.根据权利要求5所述的中子缓速材料，其特征在于，所述缓速体设置成包含至少一个锥体状的形状。
9.根据权利要求8所述的中子缓速材料，其特征在于，所述缓速体设置成两个相反方向相互邻接的锥体状。
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Assignee: China boron (Xiamen) medical equipment Co.,Ltd.

Assignor: NEUBORON MEDTECH Ltd.

Contract record no.: X2022320000305

Denomination of invention: Neutron retarding material

Granted publication date: 20210507

License type: Common License

Record date: 20221210

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