CN113454734B - 屏蔽设施及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在实施例中，本公开是一种设施，其包括：装置，被配置为产生能量范围为5MeV至500MeV的能束；第一放射屏蔽壁，围绕该装置；第二放射屏蔽壁，围绕第一放射屏蔽壁；放射屏蔽填充材料，位于的第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁之间，形成第一屏障。在实施例中，该放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的原子序数为12至83的元素，并且该第一屏障的厚度为0.5米至6米。

Description

屏蔽设施及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月14日提交的序列号为62/779,822的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。

联邦政府资助的研究或开发

无

技术领域

在实施例中，本公开大体上涉及放射屏蔽和强子屏蔽领域，强子例如是与强子治疗相关联的以及与放射治疗中的光子屏蔽的应用相关联的质子、中子、π介子和重离子。在实施例中，本公开大体上涉及放射屏蔽领域，包括但不限于放射治疗、核电、科学研究和工业加速器，其中独立于结构的屏蔽材料的优化可能是有益的。

背景技术

粒子生成和加速设施用于许多应用，例如科学研究、发电、工业无损检测和医疗。多年来，光子(x射线和伽马射线)和电子束形式的放射已用于诊断、治疗、靶向、工业、航空航天和研究目的。用于这些目的的能量水平的范围从低KeV水平(5KeV到250KeV)直到25MeV，其中，10MeV到25MeV光子和电子束代表当今放射治疗中通常采用的最高能量。由于这些放射类型和能量水平历来代表了所有此类用途的绝大多数，因此为容纳这种放射而建造的拱顶(vault)历来采用最适合物理挑战的组合的材料、装置和方法，这些物理挑战是这些类型的放射和如此使用的能量和强度水平所特有的。鉴于这一系列物理挑战，目标相对简单：阻止或遏制电子和光子和/或由初级放射源的相互作用产生的任何其他形式的次级电离辐射。高能电子束以及它们产生的任何次级(散射)放射相对容易被阻止。高能光子具有更强的穿透力并产生更多的散射放射，因此需要更坚固的屏蔽结构(拱顶)。因此，光子放射、穿透和衰减的物理特性是制定常规放射治疗屏蔽方案时的主要考虑因素；即在所用材料的选择以及防护拱顶(containment vault)的设计和构造时。从历史上看，对于这些物理要求和约束最常用的方案是混凝土拱顶和/或混凝土块，其中壁和天花板的厚度从两(2)英尺到八(8)英尺，其中，混凝土用于满足屏蔽要求，同时也用作结构，或是结构上独立的。近年来，已经引入了另一种方案，其将屏蔽组件和结构组件分开，并使用不同的材料满足这两个要求中的每一个。例如，RAD技术医疗系统(RAD Technology Medical Systems)的PRO系统拱顶和临时放射治疗拱顶(TRV)均使用组装的钢模块来满足拱顶的结构要求，并且这些模块还充当容器以容纳“任何足够密集的可以很容易地在当地采购的颗粒材料”以满足屏蔽要求。这些现有的RAD技术方案允许典型的放射肿瘤学或工业拱顶模块化且易于运输，但由于使用密度低于混凝土的屏蔽材料，因此通常在物理上比浇筑的混凝土或混凝土块拱顶更大。由于相对较低的能量，整体尺寸(占地面积)的差异通常不够显著以至于没有意义。但在可运输性、可恢复性和适应性方面的差异代表屏蔽行业的范式转变。也就是说，RAD技术的(RAD Technology’s)现有的拱顶与传统的混凝土拱顶有一个共同的特点：它们的设计和建造是为了屏蔽中程能量光子甚至从中产生的更低能量的次级中子。然而，次级中子放射相对较小，因此不是重要的考虑因素。通过添加一两英寸的硼酸聚乙烯和可能的一些附加的胶合板或石膏，少量的次级中子放射得到处理：拱顶的基本设计保持不变。

然而，近年来，质子加速器越来越受欢迎并普及了新的不同的治疗方式：质子治疗。这些质子加速器运行的能量比光子和电子束方式大得超过一个完整的数量级，并带来了一系列全新的物理挑战以及随之而来的对新屏蔽方案的需求。来自质子、中子或其他重粒子例如强子的产生和/或使用的放射无论是初级束还是作为初级束的副产品产生的次级放射，都必须被屏蔽以保护附近的职员、公众和设备。因此，包含该设备的设施的设计和构造必须提供对各种放射类型、能量和强度的充分衰减，以防止暴露于人，有时还包括设施内外的设备。此类设施内外的放射水平也必须符合适当的联邦和州法规。

质子和其他重离子加速器设施通常由厚度可达8到20英尺或更大的混凝土壁、天花板和地板制成。混凝土参与设施的屏蔽和结构两者。然而，事实证明，这在时间、金钱和不动产(大小/占地面积)方面非常昂贵。在能量有时会超过250MeV/核子(质子或中子)来加速质量更大的质子和重离子粒子(例如，碳离子)的情况下，屏蔽物理挑战不仅更加巨大，而且与传统放射治疗有着根本的不同。

该新挑战的主要关注点是中子穿透。质子和中子的质量是电子的1800多倍，这些新粒子束加速器的加速能量可以比光子和电子束方式中传统使用的最高能量高超过10倍。与伽马放射一样，中子与物质发生散射和吸收相互作用。这些相互作用形成了用于屏蔽中子放射的方法的基础。然而，与主要与物质中的原子电子相互作用的伽马放射不同，中子主要与原子核相互作用。因此，有利于中子屏蔽的材料类型与在衰减伽马放射方面最有效的致密、高原子序数吸收剂完全不同。一般来说，对于快中子，散射相互作用比俘获相互作用更有可能。此外，由于中子的能量通过散射相互作用而减少，所以附加的中子相互作用(例如俘获)的概率和数量增加。高能质子(或重离子)与加速装置内、空气中、患者体内的对象或组成部分、与室中的其他对象甚至与屏蔽壁本身的相互作用导致次级放射或散射放射。这也发生在传统的光子和电子束方式中。然而，与光子和电子方式不同的是，在这些更高能量下，质量更大的强子粒子会经历不同的相互作用，并产生显著水平的中子放射，涵盖从接近零到束能量的宽的能量谱。每个不同的能量粒子会经历不同的初级反应，具有不同的反应概率。质子基本上完全被患者吸收，而产生的次级粒子、光子、以及最重要的是中子-穿透屏蔽屏障并成为主要的屏蔽挑战。这种广谱、高能、高通量的中子放射挑战需要完全不同的屏蔽方法。

此外，这种新的放射环境的重大挑战是“激活”，其中，传统的屏蔽材料-混凝土-由于长时间暴露于非常高能量的放射而变得具有放射性。这种“激活的”混凝土的某些组分需要数年甚至数十年的时间才能衰减到安全水平，因此可能是直接且长期的安全隐患。

从屏蔽的观点来看，传统的强子和放射设施具有许多缺点。传统的屏蔽壁通常由混凝土混合物组成，并通过连续的浇筑操作就地形成，这导致调度困难和大量时间损失，从而转换为失去市场机会(收入)。必须使用极厚混凝土壁增加了强子束设施本已很大的成本和占地面积，并减少了设施内和财产本身的可用空间量。此外，它不允许对所得到的结构进行容易的修理或修改。结构在其使用寿命结束时的退役和移除由于需要移除和适当地处置屏蔽屏障中的放射性材料而变得复杂。在传统的混凝土屏蔽拱顶中，一些混凝土屏障材料由于受到大的、高能粒子的长期轰击而被放射性激活。由于具有显著的放射性半衰期，该材料必须留在原地、被保护起来并与人类互动隔离，或者根据适用的法律和法规进行分解和处置，并以大量的劳动力、时间和金钱为代价。此外，混凝土是不均匀的，这会导致屏蔽壁的屏蔽密度不一致或其他特性变化以及随着时间而劣化，导致放射粒子的不完全俘获和/或减慢。

混凝土的使用还可能需要在浇筑的结构内嵌入多个导管和管道，这些导管和管道的数量可能很大并且必须通过构造而路径复杂以确保没有穿过屏蔽的空隙。由于屏蔽壁结构上是在传统的浇筑的混凝土中心，钢筋(钢条)材料也嵌入混凝土壁中以增加结构的抗拉强度。导管路径不仅必须迂回以避免产生屏蔽空隙，而且还必须在钢筋网格内进行管理，这在设计和放置方面既昂贵又耗时。

本文提出的屏蔽方案是非结构性的，因此不需要这样的钢筋网格。此外，导管可以在被带到现场之前放置在模块中，再次减少复杂的设计所需的总现场施工时间。与浇筑的混凝土不同，如果未来的系统更改或升级需要修改或扩展导管或管道，或者如果在现有的布局中发现有问题，本文提出的可移动填充设计方案将允许对穿过屏蔽的任何和所有穿透进行修改。

在实施例中，本公开解决了本文标识的挑战，包括但不限于：(a)消除对结构化屏蔽的需要；(b)使得更易于运输屏蔽材料，促进再利用或有效退役；(c)便于更容易安装和移除屏蔽材料；(d)优化基于各种基本过程相互作用的中子衰减；(e)减少屏蔽材料的长效(长半衰期)激活以及降低退役成本和难度。

发明内容

在实施例中，本公开是一种设施，包括：

a.装置，被配置为产生能量范围为5MeV至500MeV的放射能束，

b.第一屏蔽屏障，围绕该装置，其中，该第一屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米，并且其中，该第一屏蔽屏障包括：

i.第一放射屏蔽壁，围绕该装置，

ii.第二放射屏蔽壁，围绕第一放射屏蔽壁，

iii.放射屏蔽填充材料，位于第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁之间，形成第一屏障，其中，该放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的原子序数在12至83之间的元素。

在实施例中，原子序数从12至83的元素选自由铁、铅、钨和钛组成的组。

在又一个实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的磁铁矿和赤铁矿中的至少一个。

在另一个实施例中，放射屏蔽填充材料是粒状的。

在另一个实施例中，束的能量范围选自由5MeV至70MeV、5MeV至250MeV和5MeV至300MeV组成的组。

在其他实施例中，第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁中的至少一个包括安装在结构外骨骼上的面板。

在又一个实施例中，第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁中的至少一个为钢。

在另一个实施例中，该设施还包括第二屏蔽屏障，其中，该第二屏蔽屏障包括：第三放射屏蔽壁，围绕第一屏蔽屏障的第二放射屏蔽壁；并且第二放射屏蔽填充材料位于第二放射屏蔽壁和第二屏蔽屏障的第三放射屏蔽壁之间，其中，第二放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之二十五的原子序数为1至8的元素，并且其中，第二屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米。

在实施例中，第三放射屏蔽壁包括安装在结构外骨骼上的面板。

在另一个实施例中，第三放射屏蔽壁是钢。

在又一个实施例中，原子序数在1至8之间的元素选自由氢、碳、氧和硼组成的组。

在实施例中，第二放射屏蔽填充材料包括硼砂、石膏、硬硼酸钙石、塑料复合材料或石灰中的至少一种。

在实施例中，放射能束包括以下中的至少一个：粒子或光子。

在实施例中，粒子是强子。

在实施例中，强子包括质子、中子、π介子、氘核、较重离子(具有A>2)或其任何组合中的至少一种。

在又一个实施例中，本公开是一种设施，包括：

a.多个电子装置，

b.第一屏蔽屏障，围绕多个电子装置，其中，该第一屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米，并且其中，该第一屏蔽屏障包括：

i.第一放射屏蔽壁，围绕多个电子装置，

ii.第二放射屏蔽壁，围绕第一放射屏蔽壁，

iii.放射屏蔽填充材料，位于第一放射屏蔽壁之间，其中，该放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的原子序数为12至83的元素。

在又一个实施例中，原子序数在12至83之间的元素选自由铁、铅、钨和钛组成的组。

在实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的磁铁矿和赤铁矿中的至少一个。

在实施例中，放射屏蔽填充材料是粒状的。

在实施例中，第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁中的至少一个包括安装在结构外骨骼上的面板。

在另一个实施例中，第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁中的至少一个是钢。

在另一个实施例中，该设施包括第二屏蔽屏障，其中，该第二屏蔽屏障包括：第三放射屏蔽壁，其被第一屏蔽屏障的第一放射屏蔽壁围绕；以及第二放射屏蔽填充材料，位于第一屏蔽屏障的第一放射屏蔽壁和第二屏蔽屏障的第三放射屏蔽壁之间，其中，第二放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之二十五的原子序数为1至8的元素，并且其中，第二屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米。

在实施例中，第三放射屏蔽壁包括安装在结构外骨骼上的面板。

在另一个实施例中，第三放射屏蔽壁是钢。

在其他实施例中，原子序数为1至8的元素选自由氢、碳、氧和硼组成的组。

在实施例中，第二放射屏蔽填充材料包括硼砂、石膏、硬硼酸钙石、塑料复合材料或石灰中的至少一种。

在一些实施例中，第一屏蔽屏障是结构性的。

在一些实施例中，第一屏蔽屏障是非结构性的。

在一些实施例中，第二屏蔽屏障是结构性的。

在一些实施例中，第二屏蔽屏障是非结构性的。

在一些实施例中，可以存在附加的屏蔽屏障。例如，可以存在三、四、五、六、七、八个屏蔽屏障，等等。这些屏蔽屏障中的一些或全部可以是结构性的。这些屏蔽屏障中的一些或全部可以是非结构性的。

附图说明

将参考附图进一步解释本公开，其中，在多个视图中相同的结构由相同的标记表示。所示附图不一定按比例绘制，而是重点通常放在说明本公开的原理上。此外，某些特征可能被夸大以示出特定组件的细节。

图1A和1B示出了位于入射在水靶(模拟的质子放射治疗患者)上的230MeV质子束直接下游的屏障的表面上的未屏蔽中子注量角分布。圆心将是初级束撞击点，半径增加表示与初级束轴的距离增加。在一种情况下(图1A)，描绘了相等的面积，而在另一种情况下(图1B)，描绘了相等的半径。通常注意到，在一些实施例中，放射注量随着距初级束的角距离的增加而下降。

图2示出了与由浇筑的混凝土组成的现有技术的屏障相比，根据本公开实施例的有助于最终终止中子穿过由磁铁矿和硬硼酸钙石聚集物组成的二元屏蔽壁/屏障的运动的过程的相对分布。在一些实施例中，屏障材料之间的主要相互作用的差异是值得注意的。

图3示出了根据本公开实施例的作为不同材料的变化的相对量的函数的常规混凝土壁和模块化的可运输的二元屏障壁的性能。本研究针对3米的总二元屏障厚度，其中，α(alpha)＝第一屏障(A)元件与第二后续屏障(B)元件的厚度比。因此，α＝无穷大，是由材料A组成的非复合的单一材料的3米的壁。圆圈大小是对应的剂量值的图形表示。示出了通常用于安全屏蔽设计的2mSv/年的年剂量线。非混凝土材料可以提供出色的屏蔽(即，每相同厚度的透射剂量减少)。

图4示出了根据本公开实施例的作为总屏障厚度的函数的常规混凝土壁和由变化的相对量的磁铁矿和硬硼酸钙石(圆圈)以及赤铁矿和硬硼酸钙石(方形)组成的模块化的可运输的二元屏障壁的性能。在此，α＝第一屏障(A)与第二屏障(B)的厚度比。因此，α＝无穷大，是由材料A组成的非复合的单一材料壁。示出了通常用于安全屏蔽设计的2mSv/年的年剂量线。同样，在一些实施例中，替代材料可能优于混凝土。

图5、6A、6B和6C各自示出了入射在模拟患者的水靶圆柱体上的质子束的GEANT4射线迹线，产生源自靶的中子和其他粒子，穿过根据本公开实施例的二元屏障，并最终通过模拟的检测器体积来评估透射剂量。屏障壁中吸收的光子(黑色)和中子(灰色)的路径是可见的。图5的彩色版本以绿色和蓝色示出了其他粒子。

图7示出了根据本公开实施例的模块化质子治疗设施。

图8示出了图7中所示的模块化质子治疗设施的分解图。

图9示出了类似于图7的多层模块化质子治疗设施的非限制性示例的全截面侧视图。

图10示出了类似于图7的多层模块化质子治疗设施的非限制性示例的全截面侧视图。

图11示出了构成类似于图7的多层模块化质子治疗设施的非限制性示例的顶层的底部模块组的平面图。

图12示出了类似于图7的多层模块化质子治疗设施的非限制性示例的较低层的平面图。该设施被构造为具有两个屏蔽材料屏障(即，内部屏障和外部屏障)，由围绕中央处理室的两个不同的阴影区域表示。该设施示出为具有屏蔽材料的双重屏障，由围绕中央室的两个不同的阴影区域表示。该设施的内部空间可以被划分为多个内部室，这些室可以布置成容纳需要屏蔽的人和/或设备。例如，在一些实施例中，人和/或敏感电子装置(未示出)可以位于设施的内部室中并且被屏蔽以免受外部放射。可替代地，在其他实施例中，放射发射源可以位于该设施的内部室中，并且设施外的人可以通过屏蔽壁被屏蔽以免受由设施内部的初级和次级放射发射源产生的放射。

图13示出了用于本公开的屏蔽设施的非限制性优化驱动器。

图14是描述图13的非限制性优化驱动器如何影响示例性屏蔽设施的设计的示例性流程图。

附图构成本说明书的一部分并且包括本公开的说明性实施例并示出了其各种目的和特征。此外，附图不一定按比例绘制，某些特征可能被夸大以显示特定组件的细节。此外，图中所示的任何测量结果、规格等旨在说明而非限制。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。

具体实施方式

在已经公开的那些益处和改进中，本公开的其他目的和优点将从以下结合附图的描述中变得显而易见。本文公开了本公开的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种形式体现的本公开内容的说明。此外，结合本公开的各种实施例给出的每个示例旨在说明而非限制。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有明确规定，否则以下术语采用与本文明确相关的含义。本文使用的短语“在一个实施例中”和“在一些实施例中”不一定指代相同的实施例，尽管可以如此。此外，本文使用的短语“在另一个实施例中”和“在一些其他实施例中”不一定指代不同的实施例，尽管可以如此。因此，如下所述，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以容易地组合本公开的各种实施例。

此外，如本文所使用的，术语“或”是包含性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”，除非上下文另有明确规定。术语“基于”不是排他性的，允许基于未描述的其他因素，除非上下文另有明确规定。此外，在整个说明书中，“一个”、“一”和“该”的含义包括复数引用。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。

以下公开至少部分用于支持本文详述的实施例。在实施例中，本公开解决：(1)强子束应用(例如质子和重离子治疗)以及其他应用(例如发电)，其中中子屏蔽是主要关注点；(2)专门使用模块化屏蔽作为促进最佳屏蔽材料选择和设计的方法，例如这里介绍的广谱中子衰减；(3)使用非结构性的铁矿石(或其他)材料，但这些材料仍是室壁组成的一部分；(4)可运输的中子屏蔽方案(与束集堆和其他固定的屏蔽应用相反)；以及(5)使用不同组分的多个屏障来更好地优化屏蔽壁。

在实施例中，本公开针对强子(质子、中子、π介子、重离子等)屏蔽的模块化方法，提供了屏蔽中的可运输性和调整放射屏蔽方案以针对放射类型(质子、中子、π介子等)以及针对广泛且连续的能量谱进行优化的能力两者的组合。

为了评估电离放射对人体的影响，通过测量人体组织等效介质的小测试体积中给定点处吸收的能量来确定物理剂量。对于其他形式的放射，尤其是中子，生物效应还取决于放射类型和能量。正如1MeV中子的影响与200MeV中子的影响不同，200MeV中子的生物效应和其他方面的影响与200MeV质子或200MeV光子的影响也大不相同。在中子的情况下，物理(吸收的)剂量(以格雷单位表示并以焦耳/千克为单位进行测量)乘以能量相关转换系数Sv(E)以得出西韦特剂量或有效剂量(E)。此外，当放射能量是分布(光谱)时，Sv(E)和注量f(E)的乘积必须在所有相关光谱能量上积分。对于Sv(E)和f(E)的卷积，Sv(E)必须表示为等效的不连续函数Wk。ICRP92,2007 Publication 103 Radiation Weighting Factors(2007年公布的103个放射权重因子)，对于放射类型k，w_k以数字和特定中子和其他粒子能带的连续曲线的形式给出，如下所示：

加权因子：按粒子类型和能量

·所有能量的光子、电子和μ介子：w_k＝1

·E<1MeV的“慢”或“热”中子：w_k＝2.5+18.2exp(-(ln(E))²/6)

·E从1到50MeV的“快”中子：w_k＝5+17.2exp(-(ln(2E))²/6)

·E>50MeV的“高能快”中子：w_k＝2.5+3.5exp(-(ln(0.04E))²/6)

·E>2MeV的质子：w_k＝2

·所有能量的α粒子、裂变碎片和重核：w_k＝20(最大)

对电子装置的损害不同于对人的损害，但它也遵循能量相关谱，其中，中子损害峰值通常在约1MeV处，这与上述(其中较高的能量范围具有最大的w_k(加权)值)明显不同。

次级中子放射是质子或其他强子束设施(例如碳离子放射治疗中使用的那些)中的主要屏蔽挑战，并且通常用于涉及各种高能束(强子或其他)的许多应用。图1A和1B展示了使用两种不同的方法从入射在水体模型(模拟人体组织)或靶上的示例质子束创建的中子注量分布。在图1A中，在靶上的入射束的直接下游的空间束覆盖范围以典型的治疗室距离被划分成相等的面积。这样，每个区域的中子数可以直接看作对应的中子注量。在图1B中，每部分的面积发生变化，但半径的增量保持恒定。这种方法允许人们评估中子数量随初级束方向的半径的增加而变化的程度。然而，这两种方法都得到根据半径的相同的注量行为。

在屏蔽应用中也可以考虑放射源能量以及产品几何形状。平均中子能量和注量会随着入射束角的变化而变化，但从处于0度(垂直于屏障)的例如230MeV质子束产生的中子的最大能量可能高达入射质子能量减去从束路径中的任何材料释放中子所需的结合能。当中子穿过屏蔽屏障时，它与屏蔽材料相互作用，并且中子的能量会随着每次相互作用而减少，减少的量取决于相互作用的类型和严重程度。经由这些相互作用，中子能量可以降低到～eV水平，比最高eV能量小6或更多个数量级。这产生了广泛的能量谱，涵盖了如上所述的一系列加权因子(w_k)。此外，不同的束流可用于不同的情况。在放射肿瘤学设置中，这通常由针对给定治疗为患者开定的剂量规定。然而，这种注量也可能是能量相关的，就像部署在回旋加速器型加速器中的能量降级器系统的情况一样。

存在多种类型的在中子衰减中起作用的相互作用，包括但不限于电离和核断裂(fragmentation)。电离描述了从中性原子中移除带电粒子。核断裂过程是较大核断裂成较小核的过程。

在一些实施例中，本公开针对被配置为执行“非破坏性测试”的设施。如本文所使用的，术语“非破坏性测试”是指用于评估材料、组件或系统的特性而不会对材料、组件或系统造成损坏的技术。

在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为350kV至1.5MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为350kV至1MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为350kV至500kV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为350kV至400kV的粒子束的装置。

在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为400kV至1.5MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为500kV至1.5MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为1MeV至1.5MeV的束的装置。

在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为400kV至500MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为400kV至1MeV的束的装置。在一些实施例中，被配置为执行非破坏性测试的设施包括被配置为产生能量范围为500kV至1MeV的束的装置。

在实施例中，除其他之外，本公开还有助于优化范围从吸收慢(热)中子(<1MeV)到中等快中子和高能快中子(1MeV直至束能量)的方案。

在一些实施例中，该设施包括位于第一屏障和/或第二屏障内的具有5MeV至500MeV能量范围的粒子束。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV至400MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV至300MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV至250MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV至150MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV到100MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV至75MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是5MeV到50MeV。

在一些实施例中，该设施包括位于第一屏障和/或第二屏障内的具有50MeV至500MeV能量范围的束或放射源。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是100MeV到500MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是150MeV至500MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是250MeV至500MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是300MeV到500MeV。在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是400MeV到500MeV。

在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围是1MeV到5MeV。

在一些实施例中，位于设施内的束或放射源的能量范围不受限制。例如，在一些实施例中，能量可以低至1keV。在一些实施例中，能量可以超过100GeV。

在实施例中，本公开提供了模块化的且可运输的屏蔽方案。这是通过将所得到的屏蔽设施(拱顶)的屏蔽组件与其结构组件分离来实现的。换句话说，结构目标是使用一组材料和方法来实现的，而屏蔽目标是使用一组不同的材料和方法来实现的。在实施例中，本公开采用先前由于其缺乏结构特性而被忽视和忽略的衰减材料。此处特别利用这一事实以允许广泛的能量谱吸收，但也涵盖其他期望的益处。在确定不同屏蔽材料的合意性和有效性时存在多种且有时冲突的特性，例如但不限于低成本、可用性、均匀性、不溶解性、高密度或高原子序数、低原子序数、最小中子再生、高中子俘获截面、致密性、易用性、低毒性和低放射激活潜力。在实施例中，本公开涉及强子束产生和生成、宇宙射线和任何放射设施结构，其中，屏蔽不是设施结构的结构元件并且允许使用多种粒状屏蔽材料。

在实施例中，第一屏障放射屏蔽填充材料包括具有足够相互作用截面(相互作用概率的量度，其可以以靶(barn)为单位进行测量)以优化屏障的屏蔽性能的元素。在实施例中，放射屏蔽填充材料可以至少部分地基于下表1中所示的数据来确定。

表1

表1(以上)提供了针对不同类型的能量吸收机制(弹性和非弹性散射，以及俘获反应)的用于质子治疗癌症治疗的屏蔽的关注的截面范围。这里，硼中的低MeV中子的相对较高的俘获截面是显而易见的。查看混凝土中氢的弹性散射截面范围也很有启发性。这里，光谱低能端的截面较大，但高能中子的截面相对较小。

在实施例中，本公开突出了在广泛的能量谱上的中子屏蔽的优化。该方法不仅有利于所有必要的人员保护，而且还减少了对电子组件的损坏，其中，例如，单粒子效应(SEE)和单粒子翻转(SEU)会导致治疗室中的设备故障，或者在其他应用中-大型仓库型的计算机服务器设施或战略性地面电子装置中的设备故障。即使在低剂量区域中，SEE也可能是个问题，并且SEE主要由诸如质子或热中子等强子引起。

在对其没有结构要求，或者甚至没有“自支撑结构完整性”要求(例如混凝土块那样)的情况下，放射屏蔽填充材料可以针对最大全能量谱中子吸收进行优化，并且通过聚焦于核断裂而主要针对更高能量的中子。不同能量的中子被不同的中子终止过程阻止、吸收或以其他方式减轻。在一些实施例中，与当前行业标准对与混凝土壁相关联的电离过程的依赖相反，本公开提出了聚焦于并且利用核断裂(也称为“散裂”)的屏蔽方案。

在实施例中，本公开被配置为提供屏蔽屏障，该屏蔽屏障增加1MeV范围内的衰减水平以提供用于电子设备的专用放射屏障。

在实施例中，本公开是单一屏障或多屏障或双屏障，该单一屏障包括具有原子序数为12至83的元素(以下称为“高Z元素”)的材料，该多屏障或双屏障包括具有高Z元素的材料和具有原子序数为1至8的元素(以下称为“低Z元素”)的材料两者。例如，在质子治疗设施中可以看出其作用，在质子治疗设施中，～1MeV中子是对电子装置的放射损坏的主要关注点，而对于-200MeV中子，在考虑到对人的剂量而采用的品质因数(Q)(测得的剂量的倍数)更高。在治疗室屏蔽壁的最后几英寸中产生的大量透射的低能(“慢”或“热”)中子对位于中心的员工或一般人群的透射剂量没有显著地贡献-因此他们在混凝土和其他标准屏蔽方法中通常被忽略。然而，在使用本文详述的本公开的实施例的二元屏障的情况下，低能中子也可以在第二屏障中被吸收以也保护电子装置。

在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12至70的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12至65的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12到60的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12到50的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12至40的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12到30的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12至25的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12到20的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为12至15的元素的材料的单一屏障。

在实施例中，本公开是包括具有原子序数为15至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为20至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为25至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为30至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为40至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为50至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为60至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为65至83的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为70至83的元素的材料的单一屏障。

在实施例中，本公开是包括具有原子序数为15至70的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为20至65的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为25至60的元素的材料的单一屏障。在实施例中，本公开是包括具有原子序数为30至50的元素的材料的单一屏障。

在实施例中，本公开是单一屏障或多屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至8的元素(以下称为“低Z元素”)的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至7的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至6的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至5的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至4的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至3的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为1至2的元素的材料两者。

在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为2至8的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为3至8的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为4至8的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为5至8的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为6至8的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为7至8的元素的材料两者。

在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为2至7的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为3至6的元素的材料两者。在实施例中，本公开是多屏障或双屏障，其包括具有本文详述的任何范围内的高Z元素的材料和具有原子序数为4至5的元素的材料两者。

在实施例中，本文描述的本公开可以满足退役要求，因为它提供了通过屏蔽材料是松散的粒状填充材料而更容易地从壁中提取该屏蔽材料的方式，并且因为可能存在较少的易受长期激活影响的材料。

此外，因为可以选择要移除的潜在有放射性的屏蔽材料以具有以秒、天或周而不是几年或几十年测量的明显更快的衰减时间(更短的半衰期)，并且因为它不是建筑物的结构性的一部分，因此在退役过程期间具有更高的整体安全性。与传统的混凝土屏蔽结构不同，利用本文提出的设计，在移除屏蔽材料的同时，整个结构可以保持完整并对工人而言是安全的。

在实施例中，本公开提供了一种构造强子束设施的新方法，其中该设施通过提供建筑物结构的内部外骨骼和外部外骨骼来构造。在内部外骨骼和外部外骨骼之间是在内壁和外壁之间形成的一系列容器、器皿或空隙，内壁和外壁包括外骨骼或安装在外骨骼上。这些空隙填充有非结构性的放射屏蔽填充材料。如本文所使用的，术语“非结构性”是指非承重；甚至不能像混凝土块的情况那样自支撑。因此，“非结构性”材料不会固化或提供任何种类的结构或支撑。因为放射屏蔽填充材料是非结构性的，不像混凝土是结构性的，所以可以主要针对其放射屏蔽能力及其屏蔽机制来选择放射屏蔽填充材料的组分，而不针对任何结构考虑因素或要求。

在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料位于形成第一屏障的第一放射屏蔽壁和第二放射屏蔽壁之间。在一些实施例中，放射屏蔽填充材料包括具有高Z元素的材料和/或依赖于核断裂作为主要的衰减方法的其他材料。放射屏蔽填充材料高Z元素的非限制性示例包括铁、铅、钨和钛。在一些实施例中，放射屏蔽填充材料包括磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、褐铁矿或菱铁矿。在实施例中，放射屏蔽填充材料是聚集体的形式，因此是粒状材料。

在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的至少一种高Z元素。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之六十的至少一种高Z元素。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之七十的至少一种高Z元素。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之八十的至少一种高Z元素。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十的至少一种高Z元素。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十五的至少一种高Z元素。

在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的铁、铅、钨、钛或其组合。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之六十的铁、铅、钨、钛或其组合。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之七十的铁、铅、钨、钛或其组合。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之八十的铁、铅、钨、钛或其组合。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十的铁、铅、钨、钛或其组合。在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十五的铁、铅、钨、钛或其组合。

在实施例中，用于放射屏蔽的高Z元素的选择至少部分地基于核结合能。以各种形式(同位素)存在的铁是地球上最丰富的元素，而镍是地壳中第22位最丰富的元素，并且不是很容易获得或不便宜。在所有核素中，铁的每个核子质量最低，而核结合能最高(56Fe中每个核子8.8MeV，56Fe为天然丰度为91.75％的最常见的铁同位素)，使其成为结合最紧密的核之一，仅58Fe(0.28％自然丰度)和稀有的62Ni(3.6％自然丰度)超过它。在这里，我们利用这些事实进行屏蔽。在所有容易获得的屏蔽材料中，铁矿石材料具有最大的结合能。这意味着与从其他核中敲击出中子相比，平均需要(消耗)更多的能量来将中子从铁核中敲击出来，因此，这些材料吸收了大量能量，使得铁成为—在本公开的一些实施例在此利用的断裂过程中的—最佳的、同时也是可可获得的屏蔽材料。

铁矿石材料增强了包含它们的钢模块的天然“法拉第笼”环境。这对于电磁场可能导致背景噪声或干扰感关注信号的应用(例如，在敏感的研究实验室设备或医学应用(诸如磁共振成像(MRI)中)非常重要。法拉第笼专门用于保护敏感电子设备免受外部射频干扰(RFI)的影响，或将产生RFI的装置(例如蜂窝和无线电发射器)包围起来，以防止其无线电波干扰附近的其他设备。它们还用于保护人员和设备免受诸如静电放电等电流的影响。通常在医疗设施中使用的紧急无线电通信也可能受到干扰。

在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至9米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至8米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至7米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至6米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至5米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至4米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至3米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至2米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为0.5米至1米。

在一些实施例中，第一屏障的厚度为1米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为2米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为3米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为4米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为5米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为6米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为7米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为8米至10米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为9米至10米。

在一些实施例中，第一屏障的厚度为2米至9米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为3米至8米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为4米至7米。在一些实施例中，第一屏障的厚度为5米至6米。

在一些实施例中，第一屏障或第二屏障包括多个传感器。在其他实施例中，传感器被配置为检测第一屏障中的屏蔽材料何时应该被移除。在实施例中，传感器被配置为检测第一屏障中的屏蔽材料何时已经被激活。在实施例中，传感器是定时器，其被配置为确定何时移除第一屏障中的屏蔽材料。在实施例中，传感器被校准以测量封闭的拱顶内产生的放射。

在实施例中，利用不同屏蔽材料的第二屏障。在这里，高能快中子被高密度(例如，具有高Z元素的材料)内的反应阻止或减速，但这些反应会导致产生低能量的快中子和/或慢中子或热中子。对于后者，高密度材料不一定提供最佳屏蔽，因为不同的反应在不同的能量范围内占主导地位。为了最佳地吸收这种较低能量的放射，可以部署包括至少一种低Z元素的二级内部屏障。例如，可以在治疗室内设置这样的第二内部屏障以保护电子装置。或者，可以在例如治疗室壁的外部设置这样的第二外部屏障，以为员工提供附加的保护。

在实施例中，还可以部署多屏障选项，其中例如高密度材料在两侧被具有如上的低Z元素的材料包围以实现内部和外部低能量屏蔽优化两者。这种方法可以附加地用于例如需要内部或外部屏蔽的并排治疗室的情况，但一个室的内部是相邻室的外部。

在本公开的实施例中，放射屏蔽填充材料位于第二放射屏蔽壁和第三放射屏蔽壁之间，形成第二屏障。在一些实施例中，放射屏蔽填充材料包括具有低Z元素的材料。放射屏蔽填充材料低Z元素的非限制性示例包括氢、碳、氧和硼。在一些实施例中，放射屏蔽填充材料包括硼砂、石膏、硬硼酸钙石、塑料复合材料或石灰中的至少一种。在实施例中，放射屏蔽填充材料是聚集体的形式，因此是粒状材料。

在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的至少一种低Z元素。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之六十的至少一种低Z元素，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之七十的至少一种低Z元素。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之八十的至少一种低Z元素。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十的至少一种低Z元素。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十五的至少一种低Z元素。

在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的氢、碳、氧、硼或其组合。在本公开的实施例中，在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之六十的氢、碳、氧、硼或其组合。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之七十的氢、碳、氧、硼或其组合。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之八十的氢、碳、氧、硼或其组合。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十的氢、碳、氧、硼或其组合。在本公开的实施例中，形成第二屏障的放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之九十五的氢、碳、氧、硼或其组合。

在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至9米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至8米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至7米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至6米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至5米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至4米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至3米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至2米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为0.5米至1米。

在一些实施例中，第二屏障的厚度为1米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为2米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为3米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为4米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为5米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为6米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为7米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为8米至10米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为9米至10米。

在一些实施例中，第二屏障的厚度为2米至9米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为3米至8米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为4米至7米。在一些实施例中，第二屏障的厚度为5米至6米。

在一些实施例中，第一屏障包括具有低Z元素的材料，而第二屏障包括具有高Z元素的材料。换言之，在一些实施例中，第一屏障被配置为与本文详述的第二屏障的配置一致，第二屏障被配置为与本文详述的第一屏障的配置一致。

在实施例中，第一屏障和/或第二屏障中的至少一个包括具有低Z元素的材料和具有高Z元素的材料的组合。

在实施例中，取决于设施的要求，设施可以包括第三、第四、第五、第六、第七或更多个屏障，其具有本文关于第一屏障和/或第二屏障详述的材料和厚度。

在实施例中，任何屏障(第一、第二、第三、第四或更多个)可以由多个部分形成。在实施例中，每个屏障的多个部分可以被配置为允许移除形成屏障的放射填充材料的一部分。在实施例中，屏障可以由可以组合以形成第一屏障和/或第二屏障的单独的模块化部分组成。在实施例中，每个单独的模块化部分可以在使用后被移除并且用填充有未使用的放射屏蔽填充材料的模块化部分替换。在实施例中，单独的模块化部分中的一个或多个可包括如本文详述的用于指示该部分中的放射屏障填充材料何时需要更换的传感器。

在实施例中，某些材料可用作传感器以确定放射剂量。例如，塑料在存在放射的情况下会变黄，并在一定程度上也变暗。

在实施例中，本公开包括屏蔽壁，该屏蔽壁包含优化的放射屏蔽填充材料，该放射屏蔽填充材料不需要与由非优化的材料(例如，混凝土)制成的屏蔽壁一样厚以实现相同水平的放射屏蔽。在实施例中，与混凝土或混凝土块屏蔽壁相比，具有填充有如本文详述的包含高Z元素的材料的屏蔽壁的质子束设施的屏蔽壁的厚度可以减少5％至25％，同时提供相同的或更好的屏蔽能力。在一些实施例中，放射屏蔽填充材料包括一系列填充有不同放射屏蔽材料的空隙，以便在某些方向上提供不同的屏蔽屏障，这可用于提供更具体定制的放射屏蔽能力和/或尺寸效率。

图2示出了与由浇筑的混凝土组成的现有技术的屏障(右侧)相比，根据本公开实施例的有助于最终终止中子穿过由磁铁矿和硬硼酸钙石聚集体组成的二元屏蔽壁/屏障(左侧，标识为“二元屏障”)的运动的过程的相对分布。这些数字是从GEANT4蒙特卡罗模拟中获得的，其中，中子是在模拟质子放射治疗室中的患者的水靶中产生的。

如本文所使用的，开发了“GEANT4蒙特卡罗模拟”以确定作为阻挡中子衰减性能的基础的透射中子剂量，Geant4是公开可获得的(参见http://geant4 web.cern.ch)“工具包”，用于模拟粒子通过物质。其应用领域包括高能、核和加速器物理学，以及医学和空间科学研究。Geant4的三篇主要参考论文发表在Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research(物理研究中的核仪器和方法)A 506(2003)250-303、IEEETransactions on Nuclear Science(IEEE核科学汇刊)53 No.1(2006)270-278和NuclearInstruments and Methods in Physics Research A 835(2016)186-225。

图3和4以及表2呈现了针对二元和非二元壁组分研究的不同材料的示例。该研究针对3米的总二元屏障厚度，其中，α(alpha)＝第一屏障(A)元件与第二后续屏障(B)元件的厚度比。因此，α＝无穷大，是由材料A组成的非复合的单一材料的3米的壁。

图5示出了入射在水靶(模拟的质子放射治疗患者)上的230MeV质子束的直接下游的未屏蔽的中子注量角分布。

图2中列出的过程是屏蔽屏障内通过模拟评估的可能的相互作用，并且它们基于放射的粒子(初级粒子)的类型和与它们相互作用的次级粒子。然而，图2是专门为由入射在水靶(模拟的人)上的230MeV质子束产生的次级中子谱生成的，次级中子谱构成了质子治疗中心中屏蔽挑战的大约91％。

入射在典型的混凝土屏障内的水靶(模拟患者)上的230MeV质子束的这种建模揭示了混凝土屏障的主要中子运动终止过程是电离，其中电子电离构成总中子终止过程的大约60％，强子电离构成总中子终止过程的大约10％。核断裂仅占混凝土屏障中总终止过程的大约16％。这与本公开的实施例中呈现的最主要依赖于核断裂的设计形成对比。核断裂吸收更多的能量，因此是允许更薄且更易于运输的屏障的更有效的方法。我们在此再次注意到，可运输性的这一要素和提高效率的需要、即更小的占地面积是将方案的结构组件和屏蔽组件分离的附加动机。

所提出的技术的电磁和放射屏蔽特性都是多方向的。换句话说，可以通过屏蔽屏障/壁来屏蔽站在放射治疗室外面的人免受其中产生的放射，或者可以通过内部壁上战略性选择的材料屏障来屏蔽治疗室中的电子装置免受由于屏蔽屏障/壁内部的相互作用而产生的放射(次级放射或散射放射)，和/或可以屏蔽室内的电子元件免受室外产生的电磁信号或其他放射。在多材料组合屏障方法中，作为另一个示例，相邻治疗室之间的壁可以为两个室提供屏蔽。尽管这对于混凝土也是如此，但此处介绍的方法在更宽的能量谱范围上提供了更有效的屏蔽(转化为屏障厚度减小和成本更低)，并具有有效地屏蔽在混凝土拱顶中未发现的高能、高注量中子放射的附加好处，该混凝土拱顶被设计和构造为容纳能量较低的光子和电子束。在另一个示例中，例如，敏感电子装置可以放置在较大的、未受保护的设施内的较小屏蔽室中，或放置在产生放射的设施中。在所有上述应用中，应该注意的是，双屏障或多屏障方法允许在不同屏障中采用多种材料，再次提供更宽的频谱和衰减的优化。例如，在铁矿石材料可用于一种屏障的同时，密度较低的材料可用于另一种屏障以优化低能中子吸收。

例如，图3和图4比较了常规混凝土壁和根据本公开实施例的由不同相对量的磁铁矿(MR2)和硬硼酸钙石(CR2)组成的模块化的可运输的二元屏障壁的性能。此处，比率α＝L_A/L_B，即中子遇到的第一屏障(A)的厚度与中子遇到的第二屏障(B)的厚度的比率。α对应于无穷大，则是纯磁铁矿屏障。2mSv/年的透射西韦特剂量(“TSD”)的安全必要限制通常决定了最小可允许壁厚。在该示例中，圆圈大小与每种情况下透射的中子剂量即TSD成比例。在所有情况下，利用和优化核断裂的中子吸收过程的模块化可运输的壁是更好的方法。图中呈现的结果来自GEANT4蒙特卡罗模拟，并且被缩放到有点激进的质子治疗机器的年度临床使用剂量(对应于5x10¹⁵质子/年)。与依赖电离作为主要中子终止过程的结构混凝土屏蔽壁相比，根据本公开的主要由(a)高Z元素组成的屏蔽壁的主要中子终止过程是核断裂。如本文所示，通过选择和利用更有效的核断裂的衰减机制作为主要的中子终止过程，我们实现了最大的放射吸收并展示了改进的、更有效的屏蔽屏障。

因此，如图3和4所示，放射屏蔽填充材料屏障的厚度小于混凝土壁的厚度以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小5％至25％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小5％至20％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小5％至15％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小5％至10％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小10％至25％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小15％至25％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小20％至25％以实现相同的透射西韦特剂量。在实施例中，放射屏蔽填充材料屏障的厚度比混凝土壁的厚度小5％、10％、15％、20％或25％以实现相同的透射西韦特剂量。

图5、6A、6B和6C描绘了入射在水靶圆柱体(模拟患者)上的束的GEANT4射线迹线(黑色)，该束产生源自靶的次级中子射线和其它粒子，穿过根据本公开的实施例的二元屏障，并最终通过模拟的检测器体积。如图所示，很少有中子穿过屏障的第一部分，该观察结果使我们研究了初级屏障中起作用的主要吸收机制是什么。

图7示出了根据本公开实施例的多层模块化质子治疗设施700。该设施包括多个模块701，被配置为一起使用以形成设施。在实施例中，多个模块701中的一个或多个至少部分地由屏蔽填充材料(未示出)填充。

图8示出了图7中所示的模块化质子治疗设施700的分解图。在一些实施例中，多个模块701的顶部组是具有一组模块(未示出)设置在另一组模块(未示出)下方的二元层系统，每组模块具有由现场具体设计参数确定的相同或不同的厚度。

图9和图10示出了类似于图7中所示的设施700的多层模块化质子治疗设施900的非限制性示例的全截面侧视图。这些图包括位于外壁903之间的可选的内部屏障壁902。图10还示出了用于进入较低三(3)层中的每一层上的高放射区域的走廊。

图11示出了作为多层模块化质子治疗设施1100(和700)的非限制性示例的顶层的一部分的底部模块组701(包含内部屏障1104屏蔽材料)的平面图。描绘的设施由两个屏蔽材料屏障(即内部屏障1104和外部屏障1105)构成，由示例性治疗室上方和周围的两个不同的阴影区域指示(如图12的1206所示)。构成该顶层(未示出)的顶部模块组将包含与外部屏障1105相同的屏蔽。在一些实施例中，可移除芯1106可允许通过屋顶移除屏蔽材料，以便于通往关键组件进行安装、移除和/或修理。

在一些实施例中，本公开的设施的内部空间可以被划分为多个内部室，这些室可以布置成容纳需要屏蔽的人和/或设备。例如，在一些实施例中，人和/或敏感电子装置可以在设施的内部室中并且被屏蔽以免受外部放射。替代地，在其他实施例中，放射发射源可以在设施的内部室中，并且设施外的人可以通过屏蔽壁来屏蔽由设施内部的初级和次级放射发射源产生的放射。

图12示出了多层模块化质子治疗设施1200的非限制性示例的较低层的平面图。图12包括内部屏障1204、外部屏障1205和入口迷宫(走廊)以及其中具有质子递送装置1206的治疗室(由白色空间表示)。

在本公开的一种形式中，强子束设施由一系列预制模块构成，这些模块在场外构造、运送到现场，然后在建造现场组装在一起以形成强子束设施拱顶的结构外骨骼库以及所有必要的非屏蔽空间(临床、机械等)。优选地，屏蔽模块使用常规的模块化构造技术与建筑物的所需内部结构一起预制。然而，针对强子束设施独特的放射屏蔽需求，每个屏蔽模块都有通常为钢的由各种面板组成的外部结构框架。每个模块的一些侧面由金属壁(“面板”)组成，而其他侧面则保持开放。各个模块上的面板被定向成使得当模块组装在一起时，各个面板与上方或下方模块中的面板对齐，并且可选地与任一侧的模块对齐，从而形成相对连续的内壁和外壁，其框出空隙空间。这些空隙空间随后被选定的放射屏蔽材料填充。各种模块的结构框架一旦连接在一起，就会组合以形成建筑物的内部外骨骼和外部外骨骼，并且包括模块或安装到模块上的面板组合在一起形成内壁和外壁，这些内壁和外壁建立起容纳放射屏蔽填充材料的空隙空间。在内壁和外壁之间可以有以相同方式构造的中间壁，从而存在多个可以填充不同类型屏蔽材料的空隙空间。模块还包含设施的对应功能空间(例如候诊室、控制室、容纳(例如)患者床和质子治疗装置的门架的治疗室等)的内部装饰。通过粒状屏蔽材料的单一屏障以这种模块化方式建造放射治疗设施的细节在以下文献中进行了更全面地描述：Zeik等人的第6,973,758号美国专利，以及Lefkus等人的第9,027,297号美国专利，其通过引用并入本文，并且通过针对强子束设施的所需配置而适当修改内部空间和屏蔽壁布置、壁的数量以及随之产生的空隙空间的数量和屏蔽材料、厚度和材料，该方法可以应用于创建强子束设施。

在一种改进中，屏蔽壁可以创建有不同的隔室，这些隔室可以分别填充有不同的放射屏蔽填充材料。这些不同的隔室可以用于多种目的。例如，通过经屏蔽壁的厚度创建不同的隔室，可以创建具有内部屏障(内部是指最靠近放射源)和外部屏障(外部是指远离放射源)的分层壁，该内部屏障具有针对一种类型的衰减相互作用而优化的一种类型的填充材料，该外部屏障针对另一种类型的衰减相互作用而优化。例如，内部屏障可用于将高能中子减慢到较低能态，而外部屏障可用于吸收较慢的较低能量的中子。可以以类似的方式创建附加的屏障，从而产生两个、三个、四个或更多个屏蔽屏障。如上所述，用于每个屏障的放射屏蔽填充材料是非结构性的，因此可以使用多种材料。该方法创建了用于宽能谱屏蔽的设备，利用每种材料中与任何给定应用(放射类型和能量范围)相关的主要过程。

大多数半导体电子组件容易受到放射损坏。长时间暴露于残余电离放射(如中子)可能破坏粒子治疗设施中医疗设备的电子装置。一些医疗设施每月更换电荷耦合器件(CDD)摄像头，而其他医疗设施则购买昂贵的抗放射设备，该设备可以更好地承受具有挑战性的环境。为了解决这个问题，可以优化一个或多个屏蔽屏障以减少残留的电离放射。示例是包含富氢材料(例如石膏)(对于慢化快中子最优)或富硼材料(例如硼砂或硬硼酸钙石)(对于俘获慢中子最优)的填充的二级屏障。这种方法虽然针对强子粒子治疗，但适用于各种放射环境中的电子组件，甚至包括低水平放射环境，例如，大型仓库式计算机服务器设施或战略性地面电子装置，其中甚至地面或宇宙射线可能导致经由SEE失去安全性。在电子装置中导致显著的软失效的粒子是中子、质子和π介子。

替代地，或者除了通过屏蔽壁厚度即内部屏障和外部屏障创建分区(partition)之外，可以在屏蔽填充材料中创建横向分区。横向分区的一种用途是允许独立于其他部分移除屏蔽壁的特定部分。这对于暴露于最多放射并有可能被激活的区域特别有用。通过在潜在的激活区域中创建不同的容纳填充的容器，可以定期测试这些不同的容器，然后在它们被激活时将其移除和处置，而无需拆除它们作为其一部分的的整个壁。

在可能更容易移除大块/部分中的激活部分的情况下，可以将灌浆引入填充材料中以使其固化成最易于管理的尺寸，这有利于最经济的移除、运输和处置方式。流体导管可以嵌入在这些部分中以促进灌浆的引入。

放射传感器也可以嵌入屏蔽壁的不同部分中。放射传感器可以检测到达每个壁部分的放射水平，还可以用于确定特定部分是否已被激活并需要被移除。这里建议的松散聚合方法使得其自身适用于这种类型的设备，因为它允许到达和移除仪器以进行维护、升级和维修。这对于没有用于通向仪器的电缆的导管的浇筑的混凝土中嵌入的传感器是不可能的，这会导致屏蔽中出现不需要的空隙。

形成将放射屏蔽填充与拱顶室分开的最内壁、天花板和地板的面板可以由钢或其他导电材料制成，使得它们在中央拱顶室周围或任何需要或期望的地方形成事实上的法拉第笼。该法拉第笼有助于避免通信干扰或将噪声引入质子拱顶区域内(包括质子加速器、其相关的电气和电子组件以及整个设施内和紧邻设施的所有其他计算机以及电气和电子装置中)的任何类型的任何电路中。

根据本公开的用于质子治疗中心的二元屏障的屏蔽特性的模拟是针对不同的壁厚进行建模的。本公开的建模的屏障是具有磁铁矿的内部屏障(屏障A)和硬硼酸钙石的外部屏障(屏障B)的二元屏障。建模了四种不同的内部磁铁矿屏障厚度与外部硬硼酸钙石屏障厚度的比率(α＝屏障A/屏障B)：2、5、7和无穷大(无穷大对应于磁铁矿的单一屏障，没有硬硼酸钙石屏障)。与相对较厚的混凝土壁的建模结果相比，建模的本发明的屏障都显著胜过混凝土壁。发现3米厚的建模的屏障(包括仅磁铁矿的屏障)将为230MeV质子束能量提供足够的屏蔽，以将透射西韦特剂量降低到远低于2mSv/年的目标，如图3和图4所示。

在实施例中，本公开被设计成在其使用寿命结束时使其更容易移除。退役放射设施涉及安全地从服务中移除设施并将任何残留的放射性消除或减少到允许终止任何放射使用许可的水平，其中，释放的财产以供不受限制的使用，或者在最坏的情况下在规定的限制条件下使用。

在实施例中，本公开有助于更快且更便宜的退役，因为任何放射性材料可以经由抽吸从容器中收回或硬化到容器中并且随后以可管理大小的块的形式移除。在一些实施例中，材料的粒状性质将允许激活的组分与非激活的组分的分离。在一些实施例中，可以保存至少一些分离的材料。在一些实施例中，可以存储至少一些分离的材料。在一些实施例中，可以处置掉至少一些分离的材料。在一些实施例中，可以出售至少一些分离的材料。

如本领域技术人员显而易见的，本文中阐述和并入的任何合适的技术可用于实现本公开的各种示例方面。在本公开的一个方面中，提供了一种用于设计和构造放射屏蔽设施的过程。初始步骤是确定要保护什么。例如，这可能是人、电子装置或两者。确定了要屏蔽的对象后，然后确定关注的中子能量范围、放射强度和允许的最大剂量。如上所述，这些量对于人和电子装置是不同的。

下一步骤是确定要屏蔽的对象(人或设备)相对于放射源的位置。要屏蔽的对象可以与主要放射源位于同一侧、位于相对侧或两者。该确定导致是选择使用简单的(单向的)分层屏障方法还是选择使用双向屏障方法。

接下来，基于中子能量范围和放射将穿过屏障的方向，评估和确定哪种类型的核衰减相互作用最有效地衰减该范围和类型的放射，然后选择屏蔽材料，其中朝向最佳类型的核衰减相互作用而利用该屏蔽材料的组分。目标是利用材料特性来增加最有效类型的核衰减相互作用的相对比例；即通过选择最有效的衰减方法并使用最有效地采用该(或那些)方法的材料来最大化衰减。在选择了材料并因此了解了其核衰减特性后，使用模型来计算实现使透射放射剂量低于期望阈值而需要的衰减水平所需的壁厚。

可以针对附加的材料屏障重复该过程，其中，设计参数是屏蔽材料的类型(决定其屏蔽特性)、屏蔽屏障的厚度以及屏障的顺序/排列(如果超过一个)。目标是基于要被屏蔽的实体(人和/或电子装置)的特性和要被保护的一个或多个实体相对于放射源和屏蔽壁的屏障的相对位置来优化屏蔽材料。

考虑迭代过程，其中自由变量可以是以下中的一个或多个：(a)屏障的数量；(b)每个屏障的材料选择；(c)每个屏障的材料密度(可能受到压实程度的影响)；(d)每个屏障的厚度，(e)每个屏障的顺序或排列(如果超过一个)，以及(f)可容忍的激活。虽然理论上可以选择任意数量的材料，但可以想到的是，选择的材料将首先基于它们优先利用更期望或更有效的核衰减相互作用的能力，如上所述，这是屏蔽壁的所选目的作用；即正在处理的放射的特性以及被保护/屏蔽的对象。

此外，在一些实施例中，材料选择过程针对相对便宜和/或容易获得的材料，这进一步限制了材料选择的范围。因此，一旦已经完全理解了屏蔽挑战，确定可用屏蔽材料的成本、可用性和适用性就是合理的下一步骤。例如，假设其中已经确定了三层壁是最好的方案并且已经确立了每层的期望的特性的情景，那么首先会选择三种适合该任务的材料；即针对特定类型的核衰减相互作用而优化的，并且也足够可可获得且价格低廉的材料。然后，在决定了屏障的数量和每个屏障中要使用的材料后，计算所有屏障组合的总壁厚，然后进行模拟以使用构成屏蔽壁的不同屏障的不同的相对厚度对放射衰减特性和影响进行建模。可以优化模拟以找到对于给定总壁厚的不同屏障的最有效相对厚度，甚至可以修改总壁厚(并重复迭代过程)(在模拟结果表明如此的情况下)。

在实施例中，最初可以选择不同的总壁厚，并且可以重复优化每个屏障的相对厚度的相对比率的过程。

在其他实施例中，可以选择不同的起始材料并且重复该过程以优化不同屏蔽材料的壁构造参数。在需要最小化建筑物占地面积的情况下(例如由于高土地成本或场地约束)，此方法可能最有价值。对于给定的屏蔽挑战，更高成本的屏蔽材料可以提供优异的核衰减特性和结果。因此，与使用较便宜的屏蔽材料的情况相比，可以使得屏蔽壁的总厚度更小，从而可以减少设施的总占地面积。在这种情况下，由于使用成本较高的屏蔽材料而产生的附加成本可以通过降低土地使用成本和/或增加设计自由度来抵消。

在本公开的又一个实施例中，该设施被设计成保护可能受到放射不利影响的电子装置或其他设备。在该实施例中，该设施包括可能受到放射的不利影响的多个电子装置或其他设备，而不是被配置为产生束的设备。

鉴于上述，屏蔽材料不参与设施的结构并且可以仅基于其放射屏蔽特性以及其成本和可用性来选择的事实提供了新的和前所未有的设计自由度。可以根据本公开利用这些设计自由度以就地以迄今为止不可能的成本和构造速度创建屏蔽设施结构。

在一些实施例中，设施的优化可以基于三个关键的驱动因素(driver)。这三个驱动因素可以包括但不限于屏蔽性能、屏蔽空间或屏蔽成本中的至少一个。图13中描绘了由屏蔽成本、屏蔽空间和屏蔽性能驱动的非限制性优化方案。图14示出了描绘图13的非限制性优化驱动因素如何影响示例性屏蔽设施的设计的示例性流程图。

在一些情况下，屏蔽性能是设施设计的主要驱动因素。屏蔽性能包括针对挑战类型和所需的衰减水平的优化。下一个驱动因素是可用的屏蔽空间。可用的屏蔽空间包括优化可用的物理空间以实现方案。第三驱动因素是屏蔽成本。屏蔽成本包括对实现可接受的性能所需的成本的优化。

在一些实施例中，模块化方法还允许不同区域中的不同屏蔽水平，例如在更高放射暴露或更高占用水平的区域中更高的衰减。

在一些情况下，屏蔽性能是设施设计的主要驱动因素。屏蔽性能以提供最有效的方案来衰减中子和其他亚原子粒子为基础。在以下非限制性示例中，不考虑成本。在这个示例中，敏感的电子设备需要保护以免受中子和其他亚原子粒子的影响。随着时间的推移，电子装置的完整性需要0.20的透射西韦特剂量(mSv/年)，这比人类可以安全吸收的剂量小十倍。基于保护设备的期望，必须选择性能最高的方案。附加的考虑因素包括可用空间量。空间是物理屏障的约束。允许的区域越小，屏障的效率或性能就必须越高。屏障的性能可以通过选择材料、它们的纯度、压实度和体积来优化。如上所述，在该示例中，成本不是驱动因素。在某些情况下，性能可能有几个可以优化的子驱动因素。例如，可以基于若干因素(包括但不限于光子、中子、质子或许多其他挑战)优化屏蔽性能。

在一些情况下，屏蔽空间是设施设计的主要驱动因素。当现有的位置在可允许的可用区域量内提供物理约束时，屏蔽空间可能是驱动因素。在非限制性示例中，由于靠近现有的操作和/或甚至对公众视野的敏感性，选择设施的庭院来放置新设备。屏蔽空间小于3米，性能为2.00mSv/年。有限的屏蔽空间无法为混凝土和块的传统屏蔽方法提供足够的建筑面积而且浇注混凝土的物流也很困难。因此，屏蔽效率是主要驱动因素。已知屏障的总可用面积后，下一个考虑因素将是性能；即哪些材料可以在该有限的空间内提供足够的保护。

在一些实施例中，成本不是主要驱动因素。在某些情况下，屏蔽空间可能有几个可以优化的子驱动因素。例如，可以基于若干因素(包括但不限于竖直或水平限制或总体积)优化屏蔽空间。

在一些情况下，屏蔽的成本是设施设计的主要驱动因素。屏蔽成本可能是绿地商业场所的驱动因素。将没有空间约束，性能将是典型的。在非限制性示例中，正在建造新设施，该新设施具有通常用于质子治疗的医疗装置。大学客户需要引入成本最低的方案。可用土地不是问题，也不需要特殊的衰减。该项目有几英亩的开放空间。剂量率限制也适中，为2.00mSv/年。屏蔽的成本将是主要驱动因素，而标准性能则是次要考虑因素。将基于采购成本选择屏蔽材料，采购成本受与现场的接近度的影响。在一些实施例中，纯度和体积之间存在折衷。在一些实施例中，实现相同空间的更大体积等同于更高的运送成本。因此，可用的屏蔽空间不会成为驱动因素。在某些情况下，屏蔽成本可能有若干个可以优化的子驱动因素。例如，可以基于若干个因素(包括但不限于前期节省、长期节省或时间节省中的至少一个)优化屏蔽成本。

在三个关键驱动因素中存在技术计算内的优化机会。至少部分取决于要屏蔽的放射的类型和能量，可以利用和平衡不同的相互作用。在一些实施例中，可以使用统计加权算法进行优化。可以为诸如材料成本或屏障尺寸等非限制性数量分配大量的值，通过这些值优化算法可以重新权衡结果以确定优化的方案。在实施例中，与传统屏蔽算法不同，加权计算的贝叶斯优化可以经由蒙特卡罗采样技术来部署以扫描具有统计严谨性的众多选项。

本文详述的方法的灵活性将允许设计者通过算法和潜在的机器学习和人工智能来评估各种场景以实现既定目标。使用这种方法，材料范围、物理空间、放射类型(光子、原子或亚原子)、特定能量和/或能量范围。

能量值不受限制。例如，在一些实施例中，能量可以低至1keV。在一些实施例中，能量可以高达1000GeV。还可以使用预测分析来优化所需的性能。在一些实施例中，这些方法可以实现与标准构造的传统方法显著不同的结果，标准构造的传统方法可以通过简单地使用更多体积和/或更密集的聚集体而包括有限的变量。

非限制性示例：质子放射治疗设施：

在实施例中，创建质子治疗设施的第一步是考虑治疗室壁，该治疗室壁保护放射治疗师免受放射，该放射用于治疗躺在相邻治疗室内床上的患者。该应用的中子能量范围从接近零MeV到束能量减去屏蔽材料的结合能。放射治疗师的最大允许透射西韦特剂量为2mSv/年(“阈值透射西韦特剂量”)。

治疗师在束被传递的同时在治疗室外工作，因此设计目标必须考虑在束递送期间从室通过屏障进入治疗师可能正在工作的区域中的中子。(质子被快速、轻松地阻止，除了质子被阻止之前产生中子这一事实之外，质子并不是考虑因素。)在该应用中，已经发现通过经铁矿石材料利用核断裂过程可以实现最佳屏蔽。如本文所示，使用这种材料的单一屏障可以实现将透射西韦特剂量(TSD)降低至阈值透射西韦特剂量以下。在这种情况下，必要的屏障厚度将小于混凝土，混凝土通常是针对结构和屏蔽特性的组合而部署的。

可以包括由不同屏蔽材料组成的附加屏障，并且多个屏障的相对厚度被优化，如上所述。可以在整个设施的屏蔽壁或仅在选定的位置使用多个材料屏障。附加的屏蔽屏障的位置可以基于击中屏蔽壁的不同区域的预期的放射谱来选择，因为在粒子治疗设施中，放射谱不是在所有方向上均匀的。附加的屏蔽屏障的位置还可以基于该屏障另一侧的人或物(例如，敏感电子装置或不受控制的高占用等候室)来选择。例如，更厚的屏蔽可以放置在与束方向直接相对的区域(这可以在旋转完整360度的门架周围形成垂直定向的圆形“带”)。

可以基于治疗室内的电子装置的位置添加和/或优化附加的屏障。对于这种优化，对反向散射放射(在高能中子(也称为次级放射或散射放射)已经进入屏蔽壁后被散射回室的放射)进行建模，并选择屏蔽材料的内部屏障来衰减否则会散射回室内并损坏电子装置的放射。

选择了屏蔽材料后，组合的放射屏蔽特性的迭代建模如上文所解释的那样进行以找到不同屏障的必要厚度以实现设计参数(即小于2mSv/年的对于治疗师的阈值透射西韦特剂量和/或确立的对于设备最大允许剂量)。

目前的模拟已经表明磁铁矿是这种类型的质子设施的理想屏蔽材料。还发现赤铁矿是可以接受的并且可能更便宜。

尽管本文已经描述了本公开的示例性实施例和应用，包括如上所述和所包括的示例图中所示的，但无意将本公开限制于这些示例性实施例和应用或限制于示例性实施例和应用操作的方式或被描述的方式。事实上，如对本领域普通技术人员而言显而易见的，对示例性实施例的许多变化和修改都是可能的，在医学以外的领域(例如研究、电力或战略设施)中的应用也是可能的。本公开可以包括任何装置、结构、方法或功能，只要所得到的装置、结构或方法落入专利局基于本专利申请或任何相关的专利申请所授权的权利要求之一的范围内。

虽然已经描述了本公开的多个实施例，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，而不是限制性的，并且许多修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。此外，各个步骤可以以任何期望的顺序进行(并且可以添加任何期望的步骤和/或可以删除任何期望的步骤)。

Claims (28)

1.一种设施，包括：

a)装置，被配置为产生能量范围为5MeV至500MeV的放射能束，

b)第一屏蔽屏障，围绕所述装置，其中，所述屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米，并且其中，所述屏蔽屏障包括：

i)第一钢放射屏蔽壁，围绕所述装置；

ii)第二钢放射屏蔽壁，围绕所述第一钢放射屏蔽壁，并且在第一钢放射屏蔽壁与第二钢放射屏蔽壁之间形成空隙；

iii)放射屏蔽填充材料，位于所述空隙中，并且由所述第一钢放射屏蔽壁和所述第二钢放射屏蔽壁支撑在所述空隙内，其中所述屏蔽屏障的部分能够移除以通往所述空隙；其中所述放射屏蔽填充材料的至少部分能够从所述空隙移除；其中所述屏蔽屏障的移除部分能够再次附接，

其中，所述放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的原子序数为12至83的元素。

2.根据权利要求1所述的设施，其中，所述原子序数为12至83的元素选自由铁、铅、钨和钛组成的组。

3.根据权利要求1所述的设施，其中，基于放射屏蔽填充材料的总重量，所述放射屏蔽填充材料包括按重量计的至少百分之五十的磁铁矿或赤铁矿中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的设施，其中，所述放射屏蔽填充材料是粒状的。

5.根据权利要求1所述的设施，其中，所述能量范围选自由5MeV至70MeV、5MeV至250MeV和5MeV至300MeV组成的组。

6.根据权利要求1所述的设施，其中，所述第一钢放射屏蔽壁或所述第二钢放射屏蔽壁中的至少一个包括安装在结构外骨骼上的面板。

7.根据权利要求1所述的设施，还包括第二屏蔽屏障，其中，所述第二屏蔽屏障包括：

第三放射屏蔽壁，围绕所述第一屏蔽屏障的第二钢放射屏蔽壁；以及

第二放射屏蔽填充材料，位于所述第一屏蔽屏障的第二钢放射屏蔽壁和所述第二屏蔽屏障的第三放射屏蔽壁之间，

其中，所述第二放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之二十五的原子序数为1至8的元素，并且

其中，所述第二屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米。

8.根据权利要求7所述的设施，其中，所述第三放射屏蔽壁包括安装在结构外骨骼上的面板。

9.根据权利要求7所述的设施，其中，所述第三放射屏蔽壁包括钢。

10.根据权利要求7所述的设施，其中，所述原子序数为1至8的元素选自由氢、碳、氧和硼组成的组。

11.根据权利要求7所述的设施，其中，所述第二放射屏蔽填充材料包括硼砂、石膏、硬硼酸钙石、塑料复合材料或石灰中的至少一种。

12.根据权利要求1所述的设施，其中，所述放射能束包括以下中的至少一种：粒子或光子。

13.根据权利要求12所述的设施，其中，所述粒子是强子。

14.根据权利要求13所述的设施，其中，所述强子包括以下中的至少一种：质子、中子、π介子或重离子。

15.根据权利要求1所述的设施，其中，所述第一屏蔽屏障是结构性的。

16.根据权利要求1所述的设施，其中，所述第一屏蔽屏障是非结构性的。

17.一种设施，包括：

a)多个电子装置，

b)第一屏蔽屏障，围绕所述多个电子装置，其中，所述屏蔽屏障的厚度为0.5米至6米，

其中，所述屏蔽屏障包括：

i)第一钢放射屏蔽壁，围绕所述多个电子装置，

ii)第二钢放射屏蔽壁，围绕所述第一钢放射屏蔽壁，并且在第一钢放射屏蔽壁与第二钢放射屏蔽壁之间形成空隙，

iii)放射屏蔽填充材料，位于所述空隙中，并且由所述第一钢放射屏蔽壁和所述第二钢放射屏蔽壁支撑在所述空隙内，其中所述屏蔽屏障的部分能够移除以通往所述空隙；其中所述放射屏蔽填充材料的至少部分能够从所述空隙移除；其中所述屏蔽屏障的移除部分能够再次附接，其中，所述放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的原子序数为12至83的元素。

18.根据权利要求17所述的设施，其中，原子序数在12至83之间的元素选自铁、铅、钨和钛组成的组。

19.根据权利要求17所述的设施，其中，基于所述放射屏蔽填充材料的总重量，所述放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之五十的磁铁矿或赤铁矿中的至少一种。

20.根据权利要求17所述的设施，其中，所述放射屏蔽填充材料是粒状的。

21.根据权利要求17所述的设施，其中，所述第一钢放射屏蔽壁和所述第二钢放射屏蔽壁中的至少一个包括安装在结构外骨骼上的面板。

22.根据权利要求17所述的设施，还包括：

第二屏蔽屏障，其中，所述第二屏蔽屏障位于所述多个电子装置与所述第一屏蔽屏障之间，其中，所述第二屏蔽屏障 的厚度为0.5米至6米，并且其中，所述第二屏蔽屏障包括：

第三放射屏蔽壁，被所述第一屏蔽屏障的第一钢放射屏蔽壁围绕，以及

第二放射屏蔽填充材料，位于所述第一屏蔽屏障的第一钢放射屏蔽壁和所述第二屏蔽屏障的第三放射屏蔽壁之间，

其中，所述第二放射屏蔽填充材料包括按重量计至少百分之二十五的原子序数在1至8之间的元素。

23.根据权利要求22所述的设施，其中，所述第三放射屏蔽壁包括安装在结构外骨骼上的面板。

24.根据权利要求22所述的设施，其中，所述第三放射屏蔽壁是钢。

25.根据权利要求22所述的设施，其中，所述原子序数在1至8之间的元素选自由氢、碳、氧和硼组成的组。

26.根据权利要求22所述的设施，其中，所述第二放射屏蔽填充材料包括硼砂、石膏、硬硼酸钙石、塑料复合材料或石灰中的至少一种。

27.根据权利要求17所述的设施，其中，所述第一屏蔽屏障是结构性的。

28.根据权利要求17所述的设施，其中，所述第一屏蔽屏障是非结构性的。

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