CN110812719B

CN110812719B - 一种bnct液态锂靶装置

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Publication number: CN110812719B
Application number: CN201911293444.8A
Authority: CN
Inventors: 芶富均; 陈波; 陈建军
Original assignee: Individual
Current assignee: Pi Fujun
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2024-05-24
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN110812719A

Abstract

一种BNCT液态锂靶装置，包括真空泵、锂罐体、过滤罐体、冷却机构、电磁泵、流量计、压力计、阀门、靶室；锂罐体外层电加热丝，锂罐体上端有真空泵接头，过滤罐安装在锂罐体下端内，过滤罐内有多张滤网；冷却管安装在锂罐体内上侧；真空泵接头和真空泵连接；锂罐体和电磁泵连接；电磁泵和流量计连接，流量计和阀门连接，压力计安装在流量计出液端管道一侧；靶室包括外壳体、质子束入管、中子出管、锂靶设备，质子束入管一侧安装在外壳体一侧，外壳体另一侧有中子出口；外壳体上端有光束诊断管；质子束入管上端有冷阱管，质子束入管的另一侧和质子加速器连接；冷阱管的下端有多只挡片，锂靶设备安装在外壳体内。本发明保证了BNCT治疗癌症效果。

Description

一种BNCT液态锂靶装置

技术领域

本发明涉及癌症治疗辅助设备领域，特别是一种BNCT液态锂靶装置。

背景技术

BNCT（硼中子俘获治疗）是一种通过在肿瘤细胞内的核反应来摧毁癌细胞的治疗技术。其基本原理是先给病人注射一种与癌细胞具有很强亲和力的硼化合物。该化合物进入人体后只迅速聚集于癌细胞内，然后用热中子射线对该化合物进行照射，这种射线对人体的损伤不大，但热中子射线与进入癌细胞里的硼能发生很强的核反应，释放出一种杀伤力极强的射线；由于射线的射程很短，只有一个癌细胞的长度，所以过程中只杀死癌细胞，不损伤人体周围组织，能达到较好的癌症治疗效果。

为了尽可能减少治疗中人体受辐照时间，BNCT要求热中子通量须大于1×10¹³ m^－2s^－1；目前只有裂变反应堆产生的中子能满足这一通量密度要求，但是反应堆由于其结构及应用安全考量，不可能建在位于人口稠密区的大型医院内。为了解决这一问题，美国劳伦斯国家实验室研制了利用质子加速器获得的能量、在2.1 - 2.6 MeV和流强为20mA质子束轰击锂靶产生热中子，满足了BNCT要求的热中子通量，整个治疗时间为40分钟左右，在8 cm深处的肿瘤剂量为21Gy-Eq(光子等效吸收剂量)，能达到较好的治疗效果；更为重要的是，采用质子加速器产生中子的主要优点是伴随的射线污染少，费用低，体积较小，可安装在医院中使用。实际应用中，使用基于质子加速器的BNCT，除了产生高能离子束的加速器以外，产生中子的靶是其中两个关键技术点之一。目前，基于质子加速器的BNCT使用的都是固定锂靶，实际应用中固定锂靶热传导不好，容易产生热负荷沉积、导致设备温度上升速度慢，并且对质子加速器产生的高能脉冲引起的冲击效应承受能力有限，这样，会对基于质子加速器的BNCT治疗癌症带来一定影响。

发明内容

为了克服现有基于质子加速器的BNCT，因采用固定锂靶，实际应用中，固定锂靶热传导不好，容易产生热负荷沉积、导致设备温度上升速度慢，对质子加速器产生的高能脉冲引起的冲击效应承受能力有限，会对治疗癌症带来影响的弊端，本发明提供了在各部件共同作用下，能循环产生流动的液态锂靶，液态锂熔点低、沸点高，使得基于质子加速器的BNCT可选择的运行温度和压力较低，更能消除热负荷沉积导致的温度快速上升，并可承受质子加速器产生高能脉冲引起的冲击效应，由此保证了基于质子加速器的BNCT治疗癌症效果的一种BNCT液态锂靶装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种BNCT液态锂靶装置，包括真空泵、锂罐体、过滤罐体、冷却机构、电磁泵、流量计、压力计、阀门、靶室；其特征在于所述锂罐体的外层环绕固定安装有电加热丝，锂罐体的上端一侧有真空泵接头，过滤罐固定安装在锂罐体下端内，过滤罐的底部间隔距离分布有滤孔，过滤罐的内部由上至下间隔距离固定安装有多张滤网，多张滤网由上至下滤孔逐渐变小；所述冷却机构的环形冷却管固定安装在锂罐体的内上侧，冷却机构的冷却管进液口和冷却机构的出液管固定连接，冷却管的出液口和冷却机构的进液管固定连接；所述真空泵接头和真空泵的进气端固定连接；所述锂罐体出液管和电磁泵的进液管固定连接；所述电磁泵的出液管和流量计的进液端固定连接，流量计出液端和阀门的进液端固定连接，压力计的进液管安装在流量计出液端管道的一侧；所述靶室包括外壳体、质子束入管、中子出管、锂靶设备，质子束入管的一侧固定安装在外壳体的一侧，外壳体另一侧有中子出口；所述外壳体的上端有光束诊断管，光束诊断管内有光纤摄像头，光纤摄像头和显示设备经光纤线连接；所述质子束入管的上端有冷阱管，质子束入管的另一侧和质子加速器的出口固定连接；所述位于冷阱管的下端间隔距离有多只挡片，挡片的外径小于质子束入管的内径；所述锂靶设备安装在外壳体内。

进一步地，所述锂靶设备是弧形流面、一端为开放式结构，在其上端有进液靶管，进液靶管的下部内径较上部内径变窄且倾斜一定角度朝向锂靶设备的内侧端，在靶室的外壳体下端有出液靶管，出液靶管上端和锂靶设备下端错开，且在外壳体下端内具有一定高度，进液靶管上端、出液靶管下端和阀门的出液端、过滤罐体进液管的上端分别固定连接，靶室的外壳体外下端安装有电发热丝。

进一步地，所述过滤罐体进液管上端一段位于环形冷却管的内中部，并和环形冷却管的内侧端紧密贴合。

进一步地，所述锂罐体上下是封闭式结构。

进一步地，所述靶室外壳体的另一侧下端中部固定安装有观察管。

进一步地，所述和锂罐体、电磁泵、冷却机构、流量计、压力计、阀门、靶室连接的管道及管道接头外侧均包裹有一层隔热材料。

本发明有益效果是：本发明在锂罐中存放一定量的金属锂，电加热丝加热将其熔化后，通过电磁泵将液态锂输送至靶室，在靶室形成液态锂流面，利用加速器获得的质子束轰击流动液态锂流面，产生中子。再通过中子与聚集于癌细胞内的硼化合物发生核反应来摧毁癌细胞。本发明能循环产生流动的液态锂靶，液态锂熔点低、沸点高，使得基于质子加速器的BNCT可选择的运行温度和压力较低，更能消除热负荷沉积导致的温度快速上升，并可承受质子加速器产生高能脉冲引起的冲击效应，由此保证了基于质子加速器的BNCT治疗癌症效果。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

图1中所示，一种BNCT液态锂靶装置，包括真空泵（型号CFB-1200K）、锂罐体1、过滤罐体2、冷却机构3、高温液态金属电磁泵4、高温流量计5(型号F03-25)、高温压力计6（型号DEC-308DⅢER）、高温阀门7、靶室8；所述锂罐体1的外层环绕固定安装有电加热丝9(功率2.5Kw)，锂罐体1的上端右侧焊接有一个真空泵接头11，过滤罐2固定安装在在锂罐体1下端内、且下端及四周和锂罐体1内下端及四周间隔一定距离，过滤罐2的底部间隔一定距离分布有若干直径1mm的滤孔方便过滤后锂液体流出，过滤罐2的内部由上至下层叠安装有滤网21，滤网21由上至下滤孔逐渐变小，最上端滤孔是50目（30张，交错放置），中间滤孔是80目（20张，交错放置），最下端滤孔是120目（10张，交错放置）；所述冷却机构的环形冷却管3固定安装在锂罐体1的内上侧，冷却机构的冷却管3进液口和冷却机构的出液管经管道、管道接头固定连接，冷却管3的出液口和冷却机构的进液管经管道、管道接头固定连接；所述冷却管3的进液口上端、出液口下端分别位于锂罐体1的左端上外部、右端下外部，真空泵接头11的上端位于锂罐体1的右端上外部，真空泵接头11和真空泵的进气端经管道、管道接头固定连接；所述锂罐体1左中部出液管和电磁泵4的进液管经管道、管道接头固定连接；所述电磁泵4的出液管和流量计5的进液端经管道、管道接头固定连接，流量计5出液端和阀门7的进液端经管道、管道接头固定连接，压力计6的进液管安装在流量计5出液端管道的右侧、且压力计6的进液管和流量计5出液端管道内部空间相通；所述靶室8包括具有上盖的外壳体81、质子束入管82、中子出管83、液态锂靶设备84，质子束入管82的左侧端焊接在外壳体81的右端中部且和外壳体81内部空间相通，外壳体左侧端中部有一个开口作为中子出口83；所述外壳体81的上盖上端中部焊接有一个光束诊断管89，光束诊断管89内上端具有光纤摄像头（具有耐高温功能），光纤摄像头和显示设备经光纤线连接；所述质子束入管82的右部上端焊接有一根和其内部空间相通的冷阱管85，质子束入管82的右侧端和质子加速器的出口经管道、管道接头连接；所述位于冷阱管85的下端质子束入管82的内部位置间隔一定距离焊接有多只挡片86，挡片86的外径小于质子束入管82的内径3mm；所述液态锂靶设备84安装在外壳体81内。

图1中所示，液态锂靶设备84是弧形流面、右端为开放式结构，在其上端中部焊接有一根和液态锂靶设备相通的进液靶管84-1，进液靶管84-1的下部内径较上部内径变窄且倾斜一定角度朝向锂靶设备84的右内侧端，在靶室的外壳体下端中部靠前焊接有一根出液靶管84-2（和锂靶设备84下端错开，且在外壳体81下端内具有5mm高度），液态锂靶设备84安装在外壳体81内后，其进液靶管84-1上端、出液靶管84-2下端和阀门7的出液端右侧、过滤罐体2上中部进液管的上端经管道及管道接头分别固定连接，靶室的外壳体81外下端安装有电发热丝84-3，外壳体81位于电发热丝84-3的下外侧端有保温层。过滤罐体（上下为封闭式结构）2上中部进液管上端一段位于环形冷却管3的内中部，并和环形冷却管3的内侧端紧密贴合。锂罐体1上下是封闭式结构。靶室8外壳体的右侧下端中部焊接安装有一根和外壳体内部空间相通的观察管87，观察管87处于倾斜状态左端高度高、右端高度低，观察管87的右侧固定安装有一只耐高温圆形钢化玻璃板。和锂罐体1、电磁泵4、冷却机构3、流量计5、压力计6、阀门7、靶室8连接的管道及管道接头外侧均包裹有一层隔热材料。

图1中所示，本发明在锂罐体1中存放一定量金属锂，锂罐体1外环绕的电加热丝9得电后产生热量将固体金属锂加热熔化（电加热丝9配套有温控设备，当温度处于250℃左右会停止加热，保证了固体金属锂在恒定的温度下加热变成液态）；真空泵得电工作一直运行，工作后产生负压吸力将锂罐体1内的空气抽出，保证了金属锂不被氧气、氮气等污染。电磁泵4得电工作后将锂罐体1内被加热融化后液态锂抽出，经流量计5、阀芯打开的阀门7、进液靶管84-1输入至液态锂靶设备84内，由于，进液靶管84-1的下部内径较上部内径变窄流入的液态锂压力会变大、且进液靶管84-1下部朝向锂靶设备8的右内侧端倾斜一定角度，在压力的作用下，液态锂会喷射至锂靶设备84内侧端上圆弧流曲面上，并均匀铺展开，液态锂会在液态锂靶设备84内侧端上形成液态锂流面，此刻质子加速器工作输出的质子束经质子束入管82进入外壳体81内作用于液态锂流面、生成所需的中子、通过中子出口83输出，并作用于人体待处理细胞（人体贴近中子出口83），通过中子与聚集于癌细胞内的硼化合物发生核反应来摧毁癌细胞。硼中子俘获治疗设备治疗前，基本原理是先给病人注射一种与癌细胞具有很强亲和力的硼化合物，硼化合物进入人体后只迅速聚集于癌细胞内，然后用热中子射线进行照射，这种射线对人体的损伤不大，但中子与进入癌细胞里的硼能发生很强的核反应，释放出一种杀伤力极强的射线，这种射线的射程很短，只有一个癌细胞的长度，所以只杀死癌细胞，不损伤周围组织，能达到较好治疗效果。本发明工作过程中，冷阱管85下端的挡片86，会将靶室8的外壳体81内液态锂蒸气阻挡（挡片不会阻挡质子束经质子束入管82进入外壳体81内），能有效防止锂蒸汽扩散至质子束入口82；保证了质子束有效进入锂靶室8的外壳体81内；锂蒸气从冷阱管85上端排出、经管道引入废锂蒸气处理设备内处理。过程中，通过调节阀门7可以调节液态锂的流量，并能通过流量计5进行流量的监测，通过压力计6检测管道内液态锂的压力；通过光束诊断管89内上端的光纤摄像头输出至显示设备的视频信号，操作人员可通过显示设备的屏幕实时观察锂靶室的外壳体81内的情况，并还能通过观察管87目视观察锂靶室的外壳体81内情况。本发明中，液态锂经锂靶室8流出后会进入锂罐体1内再次被电加热丝9加热，通过电磁泵4抽出再次流入锂靶室8内，被质子束作用生成所需热中子，达到循环工作目的，直到关闭所有用电设备电源开关为止，本发明才停止工作。本发明中，液态锂经锂靶室8流出后进入锂罐体1内前温度过高（350℃左右、质子束经质子束入管82进入外壳体81内作用于液态锂流面、生成所需的中子同时会导致液态锂温度升高），由于高温的作用，从液态锂靶设备84内难免会有金属表面脱落现象产生杂质，因此需要对流出的液态锂杂质析出沉淀后再进入锂罐体1内，防止后续杂质经电磁泵4作用进入液态锂靶设备84内，对质子加速器工作输出质子束、经质子束入管82进入外壳体81内作用于液态锂流面、生成所需中子造成一定的影响。由于本发明外壳体81下端中部靠前的出液靶管84-2和锂靶设备84下端错开，且出液靶管84-2在外壳体81下端内具有5mm高度，因此液态锂进入液态锂靶设备84内后会先落在外壳体81内下部，在液态锂的深度达到一定后（5mm）才会高于出液靶管84-2的上端高度，进而进入锂罐体1内再加热；过程中，杂质就会沉淀在外壳体81内下部，杂质析出沉淀后的锂液体再进入锂罐体1内；由于工作时外壳体外下端的电发热丝84-3处于得电发热状态，因此会将外壳体内下端上次使用后、沉淀冷却成固体的锂加热成液体，保证了液态锂的流动性（电发热丝84-3具有温控设备、温度达到200℃左右后会停止发热，使用较长时间后，可打开外壳体81的上盖，将包含杂质的固态锂取出放入等量不含杂质的固态锂即可）。由于，从靶室进入锂罐体1内的液态锂温度在350℃左右，过高温度的液态锂直接进入锂罐体1内会造成锂罐体1内压力过高，有导致其损坏的隐患，且温度过高会造成锂液体性状发生变化，因此，需要对进入锂罐体1内前的液态锂进行降温；由于，过滤罐体2上中部进液管上端一段位于环形冷却管3的内中部，并和环形冷却管3的内侧端紧密贴合，冷却机构工作时会不断有制冷液体在冷却管内流动，因此经出液靶管84-2下端、过滤罐体2上中部进液管流入锂罐体1内前的液态锂会快速降温在200℃左右，这样不但防止了温度过高造成的不利影响，也充分利用了液态锂受质子束作用产生的热能。本发明中，进入过滤罐体2内的液态锂会先经过滤罐体2内五层滤网21层层过滤后、再从过滤罐体2下端流出进入锂罐体1内，然后再通过电磁泵4再次抽出，达到好的过滤效果。本发明能循环产生液态流动的锂靶，液态锂熔点低、沸点高，使得基于质子加速器的BNCT可选择的运行温度和压力较低，更能消除热负荷沉积导致的温度快速上升，并可承受质子加速器产生高能脉冲引起的冲击效应，由此保证了基于质子加速器的BNCT治疗癌症效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种BNCT液态锂靶装置，包括真空泵、锂罐体、过滤罐体、冷却机构、电磁泵、流量计、压力计、阀门、靶室；其特征在于，所述锂罐体的外层环绕固定安装有电加热丝，锂罐体的上端一侧有真空泵接头，过滤罐体固定安装在锂罐体下端内，过滤罐体的底部间隔距离分布有滤孔，过滤罐体的内部由上至下间隔距离固定安装有多张滤网，多张滤网由上至下滤孔逐渐变小；所述冷却机构的环形冷却管固定安装在锂罐体的内上侧，冷却机构的冷却管进液口和冷却机构的出液管固定连接，冷却管的出液口和冷却机构的进液管固定连接；所述真空泵接头和真空泵的进气端固定连接；所述锂罐体出液管和电磁泵的进液管固定连接；所述电磁泵的出液管和流量计的进液端固定连接，流量计出液端和阀门的进液端固定连接，压力计的进液管安装在流量计出液端管道的一侧；所述靶室包括外壳体、质子束入管、中子出管、锂靶设备，质子束入管的一侧固定安装在外壳体的一侧，外壳体另一侧有中子出口；所述外壳体的上端有光束诊断管，光束诊断管内有光纤摄像头，光纤摄像头和显示设备经光纤线连接；所述质子束入管的上端有冷阱管，质子束入管的另一侧和质子加速器的出口固定连接；位于冷阱管的下端间隔一定距离设置有多只挡片，挡片的外径小于质子束入管的内径；所述锂靶设备安装在外壳体内；锂靶设备是弧形流面、一端为开放式结构，在其上端有进液靶管，进液靶管的下部内径较上部内径变窄且倾斜一定角度朝向锂靶设备的内侧端，在靶室的外壳体下端有出液靶管，出液靶管上端和锂靶设备下端错开，且在外壳体下端内具有一定高度，进液靶管上端、出液靶管下端和阀门的出液端、过滤罐体进液管的上端分别固定连接，靶室的外壳体外下端安装有电发热丝；过滤罐体进液管上端一段位于环形冷却管的内中部，并和环形冷却管的内侧端紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的一种BNCT液态锂靶装置，其特征在于，锂罐体上下是封闭式结构。

3.根据权利要求1所述的一种BNCT液态锂靶装置，其特征在于，靶室外壳体的另一侧下端中部固定安装有观察管。

4.根据权利要求1所述的一种BNCT液态锂靶装置，其特征在于，和锂罐体、电磁泵、冷却机构、流量计、压力计、阀门、靶室连接的管道及管道接头外侧均包裹有一层隔热材料。