CN111888664A - 一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统，包括质子产生系统、质子束输运系统、中子发生器和治疗床；治疗床的一侧设置有中子发生器，中子发生器通过质子束输运系统与质子产生系统连接；中子发生器中的反射体可将逸出中子反射回慢化体，使超热中子在出口部位的注量率最大化；热中子吸收层和尾部的γ屏蔽层可以减少患者在治疗过程中受到热中子和γ的影响，减少对健康组织产生的损害；准直器为锥形孔状，可对出口中子束进行整形，控制中子束的尺寸，形状，并吸收一部分方向异常的中子，最终在出口处获得治疗所需中子束，并通过笔形扫描束等设备照向治疗床上的患者。
Description
技术领域
本发明涉及放射性医疗器械领域，具体为一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统。
背景技术
相较于传统癌症治疗手段，硼中子俘获治疗(BNCT)因其治疗过程对其他组织损伤小，且其较高的线性能量转移受到广泛关注。
硼中子俘获治疗通过向人体注入具有亲肿瘤组织的无毒的含硼药物，含硼药物进入人体后不断富集在肿瘤组织后，通过超热中子照射肿瘤部位。由于硼(10B)与热中子有异常大的俘获截面，超热中子进入人体组织后慢化为热中子后，与富集癌组织中的硼(10B)发生俘获反应，释放出α粒子和Li粒子及γ射线，且相比γ射线具有更高线性能量转移，导致相对生物效应和生物损伤增强；且在细胞中，α粒子射程为5μm，Li粒子射程为9μm，射程范围仅约一个细胞大小，这可在杀死肿瘤细胞同时，尽可能的保护正常细胞，实现精准治疗。
硼中子俘获治疗用中子源一般为反应堆中子源或基于加速器的中子源，反应堆中子源一般体积大，造价高，中子源能量跨度大，不易针对性的慢化得到所需超热中子，且产生核废料并有核污染风险；而基于超导回旋加速器的中子源结构更加紧凑，且制造及维护成本相对较低，中子源能量范围可控，可根据需要通过能量选择器选择入射质子的能量，并通过慢化器获得所需的超热中子，针对性较高，使用风险低，能更为可靠的应用于城市内的医院使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于城市地区肿瘤治疗的基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统，以超导磁体为主磁铁的超导回旋加速器作为质子束的主加速器，提供最大5T的磁场强度，RF腔提供10-20kV的加速电压，对于质子束，其引出能量范围为1.0-5.0MeV；引出后的束流通过质子束输运系统偏转聚焦，并调节束流能量将质子束能量控制到打靶所需能量区间，中子产生装置内的靶受到轰击后产生中子，并在产生装置内慢化，获得治疗所需超热中子；再通过固定治疗床或旋转治疗床照射到患者体内，进行治疗，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统，包括质子产生系统、质子束输运系统、中子发生器和治疗床；治疗床的一侧设置有中子发生器，中子发生器通过质子束输运系统与质子产生系统连接；
所述质子产生系统包括离子源、超导回旋加速器、RF射频功率源和真空系统；用于产生并加速质子，超导回旋加速器能产生最大T的磁场；
所述质子束输运系统包括真空输运管道、二级铁、四级铁和能量选择装置；对质子束进行输运，聚焦和偏转，并使质子束连续且能量可调；
所述中子发生器包括靶材、慢化体、反射体、屏蔽层和准直器，所述反射体的内部设置有慢化体，慢化体一侧的侧壁中部位置设置有靶材，慢化体的另一侧设置有准直器，位于靶材对立一侧的反射体侧壁上设置有热中子吸收层，热中子吸收层的一侧设置有屏蔽层。
作为本发明进一步的方案：所述质子产生系统通过离子源将氢转化为质子，质子在超导回旋加速器加速获得能量，其产生的质子束流能量范围为1.0MeV-5.0MeV。
作为本发明进一步的方案：所述质子束输运系统通过真空管道、二极铁和四级铁输运质子产生系统产生的质子束流，并通过能量选择装置对质子束流进行能量选择。
作为本发明进一步的方案：所述中子发生器中靶材为锂靶，慢化体的材料为FLUENTAL，反射体的材料为铅；屏蔽层材料为铋。
作为本发明进一步的方案：所述慢化体、反射体和准直器为长方体或者圆柱体形状。
作为本发明进一步的方案：所述质子束流、靶材、慢化体、反射体和准直器的中心线在同一轴线上。
作为本发明进一步的方案：所述治疗床为固定治疗床或旋转治疗床，固定治疗床为碳纤维治疗床，能够实现高能射线的超低损失的穿透，能够最大精度的控制治疗过程，旋转治疗床可±185°旋转，使用于治疗病人的的中子能在360°各个方向出射，提升治疗效果。
本发明的有益效果：
1、质子束输运系统出口的质子束流能量满足2.3MeV＜E＜2.5MeV后，进入位于治疗床前端的中子发生器，轰击靶材产生大量中子，慢化体材料在10keV以上的能量区间有较大散射截面，产出的快中子在慢化体的作用下能量不断减弱，达到超热中子能区(0.5eV＜E＜10keV),同时，慢化体材料含6Li,可俘获能量较低的热中子，提高获得的超热中子的剂量；
2、中子发生器中的反射体可将逸出中子反射回慢化体，使超热中子在出口部位的注量率最大化；热中子吸收层和尾部的γ屏蔽层可以减少患者在治疗过程中受到热中子和γ的影响，减少对健康组织产生的损害；准直器为锥形孔状，可对出口中子束进行整形，控制中子束的尺寸，形状，并吸收一部分方向异常的中子，最终在出口处获得治疗所需中子束，并通过笔形扫描束等设备照向治疗床上的患者。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统的示意图；
图2为本发明中子发生器的结构示意图。
图中：1、质子产生系统；2、质子束输运系统；3、中子发生器；31、靶材；32、慢化体；33、反射体；34、准直器；35、热中子吸收层；36、屏蔽层；4、治疗床。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统，包括质子产生系统1、质子束输运系统2、中子发生器3和治疗床4；治疗床4的一侧设置有中子发生器3，中子发生器3通过质子束输运系统2与质子产生系统1连接；
所述质子产生系统1包括离子源、超导回旋加速器、RF射频功率源和真空系统；用于产生并加速质子，超导回旋加速器能产生最大5T的磁场；质子产生系统1用于提供满足打靶能量范围的质子束；
所述质子束输运系统2包括真空输运管道、二级铁、四级铁和能量选择装置；对质子束进行输运，聚焦和偏转，并使质子束连续且能量可调；
所述中子发生器3包括靶材31、慢化体32、反射体33、屏蔽层36和准直器34，所述反射体33的内部设置有慢化体32，慢化体32一侧的侧壁中部位置设置有靶材31，慢化体32的另一侧设置有准直器34，位于靶材31对立一侧的反射体33侧壁上设置有热中子吸收层35，热中子吸收层35的一侧设置有屏蔽层36；中子发生器3与所述质子输运系统连接，质子输运系统输送质子束进入中子发生器，轰击中子发生器内的固态锂靶，发生7Li(p，n)反应，反应产生大量的快中子(E＞10keV),快中子进入中子发生器中的慢化器，经过反射体进行反射，慢化为超热中子(0.5eV＜E＜10keV),再通过位于同一轴线上的准直器，热中子吸收层以及γ屏蔽层，获得射出中子束。
质子产生系统1通过离子源将氢转化为质子，质子在超导回旋加速器加速获得能量，其产生的质子束流能量范围为1.0MeV-5.0MeV。
质子束输运系统2通过真空管道、二极铁和四级铁输运质子产生系统1产生的质子束流，并通过能量选择装置对质子束流进行能量选择。
中子发生器3中靶材31为锂靶，慢化体32的材料为FLUENTAL，反射体33的材料为铅；屏蔽层36材料为铋。
慢化体32、反射体33和准直器34为长方体或者圆柱体形状。
质子束流、靶材31、慢化体32、反射体33和准直器34的中心线在同一轴线上。
治疗床4为固定治疗床或旋转治疗床，固定治疗床为碳纤维治疗床，能够实现高能射线的超低损失的穿透，能够最大精度的控制治疗过程，旋转治疗床可±185°旋转，使用于治疗病人的的中子能在360°各个方向出射，提升治疗效果。
本发明的工作原理：质子产生系统1主体为超导回旋加速器，安装在加速器主体上的真空系统为加速器提供并维持不低于6.5E-4Pa的工作真空，此时向离子源通入0.2sccm的氢气流并最终稳定在0.5sccm，氢在极高的真空下，被电离获得所需质子；同时RF腔提供10-20kV的加速电压，超导线圈电流135A产生磁场，使从离子源引出的质子在电场和磁场的工作用下不断回旋并加速，最终达到质子束流引出要求的能量范围；
达到能量范围的质子束被引出加速器，进入质子束输运系统2，质子束在输运系统内能量选择器中的作用下调整束流能量，并在二极铁和四级铁作用下聚焦和偏转，以根据治疗床物理空间要求改变束流路径；
质子束输运系统2出口的质子束流能量满足2.3MeV＜E＜2.5MeV后，进入位于治疗床4前端的中子发生器3，轰击靶材31产生大量中子，慢化体32材料在10keV以上的能量区间有较大散射截面，产出的快中子在慢化体32的作用下能量不断减弱，达到超热中子能区0.5eV＜E＜10keV,同时，慢化体材料含6Li,可俘获能量较低的热中子，提高获得的超热中子的剂量；
中子发生器3中的反射体33可将逸出中子反射回慢化体，使超热中子在出口部位的注量率最大化；热中子吸收层35和尾部的γ屏蔽层36可以减少患者在治疗过程中受到热中子和γ的影响，减少对健康组织产生的损害；准直器34为锥形孔状，可对出口中子束进行整形，控制中子束的尺寸，形状，并吸收一部分方向异常的中子，最终在出口处获得治疗所需中子束，并通过笔形扫描束等设备照向治疗床4上的患者。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种基于超导回旋加速器的中子俘获治疗系统，其特征在于，包括质子产生系统(1)、质子束输运系统(2)、中子发生器(3)和治疗床(4)；治疗床(4)的一侧设置有中子发生器(3)，中子发生器(3)通过质子束输运系统(2)与质子产生系统(1)连接；
所述质子产生系统(1)包括离子源、超导回旋加速器、RF射频功率源和真空系统；
所述质子束输运系统(2)包括真空输运管道、二级铁、四级铁和能量选择装置；
所述中子发生器(3)包括靶材(31)、慢化体(32)、反射体(33)、屏蔽层(36)和准直器(34)，所述反射体(33)的内部设置有慢化体(32)，慢化体(32)一侧的侧壁中部位置设置有靶材(31)，慢化体(32)的另一侧设置有准直器(34)，位于靶材(31)对立一侧的反射体(33)侧壁上设置有热中子吸收层(35)，热中子吸收层(35)的一侧设置有屏蔽层(36)。
2.根据权利要求1所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述质子产生系统(1)通过离子源将氢转化为质子，质子在超导回旋加速器加速获得能量，其产生的质子束流能量范围为1.0MeV-5.0MeV。
3.根据权利要求1所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述质子束输运系统(2)通过真空管道、二极铁和四级铁输运质子产生系统(1)产生的质子束流。
4.根据权利要求1所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述中子发生器(3)中靶材(31)为锂靶，慢化体(32)的材料为FLUENTAL，反射体(33)的材料为铅；屏蔽层(36)材料为铋。
5.根据权利要求4所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述慢化体(32)、反射体(33)和准直器(34)为长方体或者圆柱体形状。
6.根据权利要求4所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述质子束流、靶材(31)、慢化体(32)、反射体(33)和准直器(34)的中心线在同一轴线上。
7.根据权利要求1所述的一种中子俘获治疗系统，其特征在于，所述治疗床(4)为固定治疗床或旋转治疗床，固定治疗床为碳纤维治疗床。
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