CN115607853A - 一种新型中子调控系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中子束流调控技术领域，尤其涉及一种新型中子调控系统和方法，系统包括芯片和设有多个对中子束流进行慢化吸收的液体材料层的液态中子调控装置；芯片用于：根据目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，并进行填充，以将液态中子调控装置接收的中子束流的能谱转换为目标能谱。通过调整实际需要的能谱对应的液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，能够得到实际需要的能谱，以实现对中子束流的能谱的实时调控。
Description
技术领域
本发明涉及中子束流调控技术领域，尤其涉及一种新型中子调控系统和方法。
背景技术
现有的用于硼中子俘获治疗(BNCT)的能谱调控系统，作用是将加速器或者反应堆产生的中子，调节成满足人体治疗需求的中子束流。
现有的能谱调控系统设计均是固体，无法实时更换。故通常装置一般为一种结构，中子治疗束流只有一种类型的能谱。如果想要更换治疗束流能谱，需要替换固体材料，耗时耗力，且必须停机，等待固体材料活化水平降低后，用专门工具进行材料替换。这样无法做到在治疗过程中实时调控中子束流的能谱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种新型中子调控系统和方法。
本发明的一种新型中子调控系统的技术方案如下：
包括芯片和设有多个对中子束流进行慢化吸收的液体材料层的液态中子调控装置；
所述芯片用于：根据目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，并进行填充，以将液态中子调控装置接收的中子束流的能谱转换为目标能谱。
本发明的一种新型中子调控系统的有益效果如下：
通过调整实际需要的能谱对应的液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，能够得到实际需要的能谱，以实现对中子束流的能谱的实时调控。
在上述方案的基础上，本发明的一种新型中子调控系统还可以做如下改进。
进一步，所述液态中子调控装置还包括束流管道和靶，所述束流管道用于接收中子束流，并通过所述靶射至液态中子调控装置的液体材料层。
进一步，多个液体材料层包括：用于容纳乙醇的乙醇层、用于容纳氢氧化锂溶液的氢氧化锂溶液层、用于容纳水的水层、和用于容纳硼酸的硼酸层。
进一步，所述靶、所述乙醇层、所述氢氧化锂溶液层、所述水层和所述硼酸层依次排列设置，所述束流管道接收的质子束流在所述靶上产生中子束流，再依次通过所述乙醇层、所述氢氧化锂溶液层、所述水层和所述硼酸层后射出。
进一步，所述液态中子调控装置还包括设有腔体的铅材料层，所述束流管道、所述靶、所述乙醇层、所述氢氧化锂溶液层、所述水层和所述硼酸层均位于所述铅材料层的容腔内，且所述腔体的两侧均设有开口，所述束流管道靠近所述腔体一侧的开口设置，所述硼酸层靠近所述腔体的另一侧的开口设置。
进一步，所述液态中子调控装置还包括含硼聚乙烯材料层，所述含硼聚乙烯材料层覆设在所述铅材料层的外表面上。
进一步，所述液态中子调控装置还包括镉屏，所述镉屏覆设在所述腔体的靠近所述硼酸层的开口上。
进一步，所述液态中子调控装置还包括含氟化锂的聚乙烯制成的材料层，所述材料层上开设有通孔，且所述通孔与所述腔体的开口正对。
进一步，所述材料层呈圆台的形状，通孔贯穿圆台的上底和下底面。
进一步，所述铅材料层的材质为纯铅、铅锑合金或铅钨合金。
本发明的一种新型中子调控方法的技术方案如下：
采用上述任一项所述的一种新型中子调控系统，方法包括：
生成液态中子调控系统的蒙特卡洛模型，并结合用户的信息，得到所述用户对应的目标能谱；
所述液态中子调控系统根据所述目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，以将接收的中子束流的能谱转换为所述目标能谱。
本发明的一种新型中子调控方法的有益效果如下：
通过调整实际需要的能谱对应的液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，能够得到实际需要的能谱，以实现对中子束流的能谱的实时调控。
附图说明
图1为本发明实施例的一种新型中子调控系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种新型中子调控方法的流程示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、束流管道；2、靶；3、铅材料层；4、含硼聚乙烯材料层；5、乙醇层；6、氢氧化锂溶液层；7、水层；8、硼酸层；9、镉屏；10、材料层。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的一种新型中子调控系统，包括芯片和设有多个对中子束流进行慢化吸收的液体材料层的液态中子调控装置；
芯片用于：根据目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，并进行填充，以将液态中子调控装置接收的中子束流的能谱转换为目标能谱。
通过调整实际需要的能谱对应的液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，能够得到实际需要的能谱，以实现对中子束流的能谱的实时调控。
可选地，在上述技术方案中，液态中子调控装置还包括束流管道1和靶2，束流管道1用于接收中子束流，并通过靶2射至液态中子调控装置的液体材料层。
其中，束流管道1可为用于硼中子俘获治疗(BNCT)的能谱调控系统中的加速器的束流管道1，其结构已本领域的技术人员所悉知，而且，束流管道1的端部所设置的靶2的结构和材质也为本领域的技术人员所悉知。
可选地，在上述技术方案中，多个液体材料层包括：用于容纳乙醇的乙醇层5、用于容纳氢氧化锂溶液的氢氧化锂溶液层6、用于容纳水的水层7、和用于容纳硼酸的硼酸层8，排列方式可为如下形式：
1)第一种形式为：靶2、乙醇层5、氢氧化锂溶液层6、水层7和硼酸层8依次排列设置，此时，束流管道1接收的中子束流依次通过靶2、乙醇层5、氢氧化锂溶液层6、水层7和硼酸层8后射出。
2)第二种形式为：靶2、乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8依次排列设置，此时，束流管道1接收的中子束流依次通过靶2、乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6和硼酸层8后射出；
3)第三种形式为：靶2、水层7、乙醇层5、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8依次排列设置，此时，束流管道1接收的中子束流依次通过靶2、水层7、乙醇层5、氢氧化锂溶液层6和硼酸层8后射出；
4)第四种形式为：靶2、乙醇层5、水层7、硼酸层8、氢氧化锂溶液层6依次排列设置，此时，束流管道1接收的中子束流依次通过靶2、乙醇层5、水层7、硼酸层8和氢氧化锂溶液层6后射出；
可按照实际需要，设置乙醇层5、水层7、硼酸层8、氢氧化锂溶液层6的排列顺序。
其中，乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8均用铝合金制成，也可根据实际情况，利用其它材质制备乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8，乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8的结构一般为圆柱形，也可根据实际情况设置其它形状。
其中，乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8中的每相邻两层之间的贴合，但不固定连接，或者，乙醇层5、水层7、氢氧化锂溶液层6、硼酸层8中的每相邻两层之间通过焊接方式、粘接方式进行固定连接，或者通过螺纹固定方式进行可拆卸连接。
其中，以乙醇层5为例，对乙醇层5中的乙醇进行填充或抽出的过程进行说明，具体地：芯片通过控制水泵，对乙醇层5中的乙醇进行填充或抽出，以此类推，实现对水层7中的水、氢氧化锂溶液层6中的氢氧化锂溶液、硼酸层8中的硼酸进行填充或抽出。
其中，乙醇、氢氧化锂溶液、水、硼酸等中子慢化材料能够慢化中子，使中子束流中的超热中子相对于总中子的占比将有显著提升。
可选地，在上述技术方案中，液态中子调控装置还包括设有腔体的铅材料层3，束流管道1、靶2、乙醇层5、氢氧化锂溶液层6、水层7和硼酸层8均位于铅材料层3的容腔内，且腔体的两侧均设有开口，束流管道1靠近腔体一侧的开口设置，硼酸层8靠近腔体的另一侧的开口设置。
其中，铅材料层3的材质为纯铅、铅锑合金或铅钨合金。
可选地，在上述技术方案中，液态中子调控装置还包括含硼聚乙烯材料层4，含硼聚乙烯材料层4覆设在铅材料层3的外表面上。
其中，含硼聚乙烯材料层4的材质为含硼聚乙烯，含硼聚乙烯中的天然硼质量占比2wt％。
其中，利用含硼聚乙烯作为中子屏蔽材料，纯铅、铅锑合金或铅钨合金作为光子屏蔽材料，不仅可以降低屏蔽体周围的辐射剂量，也可以起到反射中子、增大中子产额的作用。
可选地，在上述技术方案中，液态中子调控装置还包括镉屏9，镉屏9覆设在腔体的靠近硼酸层8的开口上，利用镉制成的镉屏9能够吸收中子束流中的热中子成分，且镉屏9能够覆设在腔体的靠近硼酸层8的开口上即可，具体结构可根据实际情况设置。
可选地，在上述技术方案中，液态中子调控装置还包括含氟化锂的聚乙烯制成的材料层10，材料层10上开设有通孔，且通孔与腔体的开口正对，其中，含氟化锂的聚乙烯中的6Li为天然富集度。
可选地，在上述技术方案中，材料层10呈圆台的形状，通孔贯穿圆台的上底和下底面。采用圆台的且由含氟化锂的聚乙烯制成的材料层10，能够对中子束流的束流方向进行聚焦。
下面通过两个应用实例，对本发明的一种新型中子调控系统进行说明：
1)当目标能谱中，能量<0.5eV的热中子通量密度要求小于107n/cm2/s时，设置初始的氢氧化锂溶液层6所填充的氢氧化锂溶液浓度为10％，且该溶液中同位素6Li丰度为6.5％；硼酸层8中所填充的硼酸浓度为3.8％，且该溶液中同位素10B丰度为19％；乙醇层5中所填充的为溶液体积分数75％的乙醇，水层7中所填充的溶液为蒸馏水，通过蒙特卡洛方法，计算得到当前的治疗位置能谱，并与目标能谱进行比较。如果有不同之处，再修正氢氧化锂溶液层6、硼酸层8的成分，重新比较，如此循环往复后，使蒙特卡洛计算的能谱接近目标能谱。最终，氢氧化锂溶液层6中所填充的氢氧化锂溶液浓度为10％，且该溶液中同位素6Li丰度为30％；硼酸层8中所填充的硼酸浓度为3.8％，且该溶液中同位素10B丰度为90％，乙醇层5中所填充的为溶液体积分数75％的乙醇，水层7中所填充的溶液为蒸馏水。
2)当目标能谱中，能量<0.5eV的热中子通量密度要求大于108n/cm2/s时，设置初始的氢氧化锂溶液层6所填充的氢氧化锂溶液浓度为10％，且该溶液中同位素6Li丰度为6.5％；硼酸层8中所填充的硼酸浓度为3.8％，且该溶液中同位素10B丰度为19％；乙醇层5中所填充的为溶液体积分数75％的乙醇，水层7中所填充的溶液为蒸馏水，通过蒙特卡洛方法，计算得到当前的治疗位置能谱，并与目标能谱进行比较。如果有不同之处，再修正氢氧化锂溶液层6、硼酸层8的成分，重新比较，如此循环往复后，使蒙特卡洛计算的能谱接近目标能谱。最终，氢氧化锂溶液层6中所填充的氢氧化锂溶液浓度为1％，且该溶液中同位素6Li丰度为6.5％；硼酸层8中所填充的硼酸浓度为1％，且该溶液中同位素10B丰度为19％。乙醇层5中所填充的为溶液体积分数75％的乙醇，水层7中所填充的溶液为蒸馏水。
本发明实施例的一种新型中子调控方法，采用上述任一项的一种新型中子调控系统，方法包括：
S1、生成液态中子调控系统的蒙特卡洛模型，并结合用户的信息，得到用户对应的目标能谱；
S2、液态中子调控系统根据目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，以将接收的中子束流的能谱转换为目标能谱。
通过调整实际需要的能谱对应的液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，能够得到实际需要的能谱，以实现对中子束流的能谱的实时调控。
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (11)
1.一种新型中子调控系统，其特征在于，包括芯片和设有多个对中子束流进行慢化吸收的液体材料层的液态中子调控装置；
所述芯片用于：根据目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，并进行填充，以将液态中子调控装置接收的中子束流的能谱转换为目标能谱。
2.根据权利要求1所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述液态中子调控装置还包括束流管道(1)和靶(2)，所述束流管道(1)用于接收中子束流，并通过所述靶(2)射至液态中子调控装置的液体材料层。
3.根据权利要求2所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，多个液体材料层包括：用于容纳乙醇的乙醇层(5)、用于容纳氢氧化锂溶液的氢氧化锂溶液层(6)、用于容纳水的水层(7)、和用于容纳硼酸的硼酸层(8)。
4.根据权利要求3所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述靶(2)、所述乙醇层(5)、所述氢氧化锂溶液层(6)、所述水层(7)和所述硼酸层(8)依次排列设置，所述束流管道(1)接收的质子束流在所述靶(2)上产生中子束流，再依次通过所述乙醇层(5)、所述氢氧化锂溶液层(6)、所述水层(7)和所述硼酸层(8)后射出。
5.根据权利要求4所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述液态中子调控装置还包括设有腔体的铅材料层(3)，所述束流管道(1)、所述靶(2)、所述乙醇层(5)、所述氢氧化锂溶液层(6)、所述水层(7)和所述硼酸层(8)均位于所述铅材料层(3)的容腔内，且所述腔体的两侧均设有开口，所述束流管道(1)靠近所述腔体一侧的开口设置，所述硼酸层(8)靠近所述腔体的另一侧的开口设置。
6.根据权利要求5所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述液态中子调控装置还包括含硼聚乙烯材料层(4)，所述含硼聚乙烯材料层(4)覆设在所述铅材料层(3)的外表面上。
7.根据权利要求5所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述液态中子调控装置还包括镉屏(9)，所述镉屏(9)覆设在所述腔体的靠近所述硼酸层(8)的开口上。
8.根据权利要求7所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述液态中子调控装置还包括含氟化锂的聚乙烯制成的材料层(10)，所述材料层上开设有通孔，且所述通孔与所述腔体的开口正对。
9.根据权利要求8所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述材料层(10)呈圆台的形状，通孔贯穿圆台的上底和下底面。
10.根据权利要求5所述的一种新型中子调控系统，其特征在于，所述铅材料层(3)的材质为纯铅、铅锑合金或铅钨合金。
11.一种新型中子调控方法，其特征在于，采用权利要求1至10任一项所述的一种新型中子调控系统，方法包括：
生成液态中子调控系统的蒙特卡洛模型，并结合用户的信息，得到所述用户对应的目标能谱；
所述液态中子调控系统根据所述目标能谱确定相应液体材料层中的溶质、溶质的浓度和/或同位素丰度，以将接收的中子束流的能谱转换为所述目标能谱。
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- 2022-10-12 CN CN202211247961.3A patent/CN115607853B/zh active Active
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