CN116600856A - 用于产生、慢化和配置用于中子俘获治疗的中子束的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于产生、慢化和配置中子束的装置，包括：入口开口(1)，质子束通过入口开口(1)引入；靶(2)，质子束针对该靶加速以产生中子；慢化体(3)，其使中子达到超热范围的能量；反射罩(4)，其包围慢化体(3)；过滤级(5)；中子束的出口开口(6)；以及屏蔽体(7)，其用于抑制不通过所述出口开口排出装置的中子和伽马辐射。过滤级(5)包括至少三层，分别用于过滤：快中子、热中子和伽马辐射。本发明用于中子俘获治疗，更具体地，用于硼治疗。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种用于产生、慢化和配置束的装置，更具体地，该束为用于中子俘获治疗的中子束。
背景技术
硼中子俘获疗法(通常基于“硼中子俘获疗法”的英文首字母缩写为BNCT)是一种实验性癌症放射疗法，其独特之处在于它具有细胞水平的选择性，使得可以以分化的方式控制施用于健康组织和肿瘤组织的剂量。以这种方式，可以杀死肿瘤细胞而不损伤周围的健康组织。BNCT技术主要基于用中子辐照此前已给予硼化合物的患者(因为10B很有可能被中子俘获)。通常，所述中子束是通过核反应堆产生的，或最近使用粒子加速器产生。硼优先与癌细胞结合，使得当中子与硼相互作用时，发生杀死或严重损伤癌细胞的核反应，使相邻组织的细胞几乎没有任何损伤。
为了能够实施硼中子俘获治疗，需要具有特定性质的中子束。该中子束必须是超热类型的(即，具有在0.5eV和10keV之间的能量)并且具有适于待治疗的肿瘤类型的强度。此外，该束一定具有低的热中子(能量小于0.5eV)、快中子(能量大于10keV)以及伽马辐射的污染。同样，治疗必须考虑超热中子的热化效应(即，这些中子穿过组织时其能量降低的过程，3至6cm深度时达到热峰值)。此外，要求中子束具有低发散度，因为这允许将对肿瘤的辐射剂量最大化，而患者身体的其余部分接收最低的可能剂量。这些条件已经在国际原子能机构(英文首字母缩写为IAEA)的1223号技术文件中标准化(参见D.Rorer等人的文献：“中子俘获治疗的现状(Current Status of Neutron Capture Therapy,IAEA TECDOC1223)，IAEA TECDOC 1223.”，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency)，维也纳，2011)。
在现有技术中(例如，I.伯勒斯(I.Porras)等人，“癌症的中子俘获治疗展望(Perspectives on Neutron Capture Therapy of Cancer)”，CERN Proc.，1，295-304，2019；和托雷斯-桑切斯(Torres-Sánchez)等人，“用于硼中子俘获治疗的超热中子能量上限(On the upper limit for the energy of epithermal neutrons for Boron NeutronCapture Therapy)”，辐射物理与化学(Radiation Physics and Chemistry)，156，240-244，2019)，已经公开了用于BNCT治疗的最佳中子能量在几keV(1-10keV)的范围内，这取决于其所施用的组织。此外，为了确保中子束在BNCT治疗中的适用性，建议测量与辐射在组织中的穿透能力有关的下列质量因素：
-优势深度(因其英文首字母缩写更常被称为AD)：其被定义为肿瘤接收的辐射剂量等于在健康组织中沉积的最大剂量时在组织中的深度。该参数确定BNCT治疗的推荐最大施用深度。
-可治疗的深度(TD)：其表示肿瘤组织中的剂量是在健康组织中沉积的最大剂量的两倍时的深度。因此它决定了BNCT治疗最有效的区域。
-优势深度剂量率(ADDR)：其等同于健康组织中的最大剂量率。如果治疗时间是固定的，则允许得知健康组织接收的最大剂量。
-治疗比率(TR)：其由肿瘤中的最大剂量与健康组织中的最大剂量之比给出。因此，该参数应该被最大化以防止对健康组织的损害。
IAEA还定义了关于与所产生的中子的能量有关的参数的其他一系列建议：
-超热通量(φepi)：其测量轰击到组织的超热中子通量。建议指出，该参数应大于每平方厘米每秒的109超热中子(n)(单位：n/cm2s)。
-热中子和超热中子的比率：φth/φepi，其中φth为热中子通量，其应低于0.05(按每单位来表示)。
-总电流(Jn)和总通量的比率：Jn/φn，其与所产生的束的方向和发散度有关。该参数越大，束聚焦越好，并且肿瘤组织附近的健康组织越少地被辐射。期望该参数大于0.7。
-每个超热中子的快中子剂量(Dfast)：期望将该参数最小化至低于2.10-13Gy·cm2/n。
-每个超热中子的伽马辐射剂量(Dγ)：与前述相同，期望将该剂量最小化以减少患者接收的辐射。其值必须低于2.10-13Gy·cm2/n。
经常使用组织参考模型的模拟，例如ICRU4标准组织模体(由“国际辐射单位和测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements)”推荐)和斯奈德(Snyder)脑模型(参见W.S.斯奈德(W.S.Snyder)等人，“均匀分布在异质模体中的单能光子源的吸收分数估计(Estimates of absorbed fractions for monoenergeticphoton sources uniformly distributed in various organs ofa heterogeneousphantom)”，橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)，Tenn.，J.Nucl.Med.10：Suppl.No.3，7-5，1969)来比较不同的BNCT治疗装置。
在过去，使用来自核反应堆的中子源进行BNCT。作为参考，应该提及FiR-l设施(位于赫尔辛基的核反应堆，目前已被拆除)和京都的KURRI设施。然而，目前由于低能量和高强度加速器技术的发展，BNCT治疗可以在医院环境中进行(参见布鲁格，R.M.(Brugger，R.M.)等人，“调查员报告(Rapporteurs’report)：中子俘获治疗的中子束设计、发展和性能(Neutron beam design，development，and performance for neutron capturetherapy)”斯普林格(Springer)，波士顿，MA，1990.3-12)。例如，“基于回旋加速器的超热中子源”(缩写为C-BENS并且位于京都)是基于回旋加速器的BNCT设施，用于产生超热中子源，并且当前正在运行。
近年来，已努力寻找最佳中子束，对产生中子的不同反应进行了测试，例如7Li(p，n)，9Be(p，n)或9Be(d，n)，如在以下文献中所公开的：A.J.克雷纳(A.J.Kreiner)等人“基于加速器的BNCT的现状(Present status of accelerator-based BNCT)”实用肿瘤学和放射治疗报告(Reports of Practical Oncology&Radiotherapy)，21.2(2016):95-101。然而，由这些反应产生的中子的能量超过BNCT治疗中所需的能量(几百keV至MeV的量级)。因此，需要一种对中子束进行产生、慢化和配置以用于中子俘获治疗的装置(DPMC)，其使所产生的中子适应治疗需要，并且能够充分满足IAEA的所有建议，仅考虑中子的超热范围，即0.5eV-10keV，这是最适合BNCT治疗的。
发明内容
如前面部分所述，在对应于对中子束进行产生、慢化和配置的装置(DPMC)的领域中，需要开发能够满足所有国际原子能机构(IAEA)建议的装置，这些建议仅考虑在超热范围(0.5ev-10keV)内的中子。本发明通过能够提供更适合和更安全地用于硼中子俘获治疗的能量范围的装置提供了对所述需要的解决方案。
更具体地，本发明的主要对象涉及基于由质子束产生中子的中子束的DPMC，其允许获得在1eV和20keV之间高于109n/(s·cm2)的中子通量，同时保持(i)热中子通量低于总通量的5％，(ii)1eV和20keV之间每中子低于2·10-13n/(s·cm2)的快中子产生的剂量，以及(iii)1eV和20keV之间每中子低于2·10-13n/(s·cm2)的次级光子产生的剂量。
该中子束的DPMC基于由质子束产生中子，其包括：
-入口开口，质子束通过入口开口引入；
-靶，其通过核反应与质子束相互作用以产生限定传播主轴的中子束；
-冷却模块，用于冷却靶以防止所述靶熔化；
-慢化体，其与靶相邻，其中在核反应中产生的中子被慢化至超热范围的能量；
-反射罩，其包围慢化体，以将偏转的中子重定向到主轴并增加超热中子通量；
-过滤级，其至少包括：快中子过滤层、热中子过滤层和伽马辐射过滤层；
-中子束的出口开口，其与过滤级相邻；和
-屏蔽体，其围绕出口开口布置以抑制不通过所述出口开口排出装置的中子和伽马辐射。
该装置的组成和尺寸允许获得具有上述特征的中子通量。
该DPMC的特征在于，在中子束通过出口开口排出装置之前，过滤级作用在中子束上。所获得的中子束可以例如施用于患者的组织。
在本发明的优选实施例中，通过粒子加速器获得撞击入口开口的质子束，该质子束针对由金属材料制造的靶加速，以产生中子。
在另一优选实施例中，靶包括7Li，并且与入射的质子束发生的核反应是7Li(p，n)7Be。
在特定实施例中，慢化体包括以下材料中的至少一者：石墨、D2O、AlF3、CaF2、Li2CO3、MgF2、Al2O3、Fe。特别地，如果能量源(质子束)是低能量源，则优选使用MgF2。如果源是高能量源，则优选用AlF3逐渐代替MgF2，并依次用CaF2和Fe代替这两者。
在其他特定实施例中，慢化体包括至少一个具有以下几何形状之一的部分：圆柱形、圆锥形、棱形、截头棱锥形。
在本发明的一些优选实施例中，反射罩包括以下材料中的至少一者：Ni、Pb、BeO、Bi。
在本发明的一些有利实施例中，过滤级的快中子过滤层包括以下材料中的至少一者：Al、Fe、Ni。
在本发明的其它特别实施例中，过滤级的热中子过滤层包括以下材料中的至少一者：10B、6Li、Gd、Cd、LiF。从而减少了在施用中子束期间健康表面组织将接受的过度热辐射。热中子不适于在组织中施用，因为它们难以深入穿透到这些组织中，使得它们仅在用于表面或浅表的病变时才可施用。Gd和Cd是具有最大热俘获有效截面的材料之一，因此如果不需要以相同的方式最小化伽马辐射的产生，则使用Gd和Cd来去除热中子将是最佳的。在这两种情况下，伽马辐射的产生都是显著的，这意味着作为伽马辐射过滤器的Pb或Bi的厚度更大。可替代地，可以将该过滤层放置在慢化之前的部分中，使得伽马辐射由于通过其余材料而被部分衰减，但是在这种情况下，其作为热中子衰减器的效果将被降低。
在本发明的其它优选实施例中，过滤级的伽马辐射过滤层包括以下材料中的至少一者：Pb、Bi。通过这种方式，可以减少通过本发明获得的中子束的伽马辐射污染。
由于本发明的过滤级至少包括的三个上述层，使得不是超热中子的辐射源减少。这使得所产生的中子束的能谱具有高能量选择性，其最大值在2keV-3keV的范围内，并且非常适合中子俘获治疗，更具体地非常适合BNCT。
在本发明的一些特别实施例中，中子束的出口开口包括至少一个具有以下几何形状之一的部分：圆柱形、圆锥形、棱形、截头棱锥形。这样，使得所获得的中子束的发散度减小。
在本发明的某些有利实施例中，中子束的出口开口(6)包括用于停止辐射的可移动封闭件。
在本发明的其它实施例中，围绕中子束的出口开口布置的屏蔽体包括以下材料中的至少一者：LiF、6LiF、B4C、聚乙烯、Pb、Bi。在其他优选实施例中，屏蔽体仅包括Pb和锂化聚乙烯。在一些甚至更有利的实施例中，将另外的两个天然LiF和富含6Li的LiF层添加到Pb层和锂化聚乙烯层中。由于屏蔽体，可以抑制从主轴偏转的大多数中子和与其相关的伽马辐射，以便减少由正常组织或靠近被辐照组织的区域接收的辐射剂量，其中接收的残余辐射应该尽可能最低。B4C是通常使用的材料，因为它具有10B并且是固体。
本发明的中子束的DPMC的优选用途包括硼中子俘获治疗。由于过滤级，在本发明的中子束排出之前，所述中子束具有适于在这种类型的治疗中使用的能谱。
在本文中，词语“包括”(及其派生词)不应以排他的方式理解，而应理解为允许所定义的内容可能包括附加的元件或步骤。
附图说明
提供一组附图来完成对本发明的描述，这些附图是描述的组成部分并示出了本发明的优选实施例。这些附图应以说明性而非限制性的方式解释，并在下面详细描述。
图1通过二维轴向截面示出了本发明的优选实施方式，其中示出了装置的主要尺寸以及构成该装置的材料。
图2示出了图1所示的本发明的三维视图，其具有能够观察材料和层在其内部的分布的径向截面。
图3示出了在从Li源到出口开口的本发明的不同点的中子的能谱，以便证明材料的适当选择如何使热中子通量和快中子通量最小化，而不减少超热中子通量并且在2keV-3keV处达到能谱最大值。阴影区域示出了超温范围(0.5eV-10keV)。
图4以对数尺度示出了在本发明的出口开口中获得的辐射的最终能谱，与两个参考BNCT治疗设施(赫尔辛基(芬兰)中的FiR-1和京都(日本)中的C-BENS)的比较。阴影区域示出了超温范围(0.5eV-10keV)。
图5以线性尺度示出了在本发明的出口开口中获得的辐射的最终能谱与跟图4中相同的设施的比较。阴影区域示出了超温范围(0.5eV-10keV)。
图6以对数尺度示出了(超热、热和快)中子通量和伽马辐射通量在本发明的出口开口正对的径向方向上的横向分布。
上述附图带有一系列参考标记，对应于以下元件：
(1)入口开口
(2)靶
(3)慢化体
(4)反射罩
(5)过滤级
(6)出口开口
(7)屏蔽体
(W1)空气在束的方向上从最后的过滤层(5)到入口开口(1)的厚度。
(W2)慢化体(3)在束的方向上从靶(2)到过滤级(5)的厚度。
(L1)快中子过滤层的厚度
(L2)热中子过滤层的厚度
(L3)伽马辐射过滤层的厚度
(L4)实施例中的慢化体前面的部分或前部的厚度，其直径随着接近出口开口而减小。
(L5)慢化体的后部的厚度，其直径保持不变。
(L6)罩(4)在束的方向上从慢化体(3)到入口开口的厚度。
慢化体后部的直径
罩(4)的直径
装置的直径，包括侧部屏蔽体(7)
(R1)前部屏蔽体(7)的准直器的内径
(R2)前部屏蔽体(7)的准直器的外径
具体实施方式
图1示出了本发明的优选实施方式，其具有轴对称性和圆柱形-锥形几何结构。首先，需要借助于加速器(图中未示出)将质子束加速直到2.1MeV(然而，其他值也同样可用)，并通过本发明的入口开口(1)或引入管来引入该质子束，可以满足IAEA的所有建议。在质子束的这种能量下，由本发明产生的中子具有108.4keV的平均能量和350.4keV的最大能量。接下来，质子束轰击靶(2)，在这种情况下，靶是位于加速器的引入管末端的锂片(7Li)，并且通过核反应7Li(p，n)7Be产生中子。该质子束根据主轴定向。然而，本发明的其它优选实施例可涉及不同的核反应来产生中子，例如，9Be(p，n)。本发明还包括靶(2)的冷却模块，该冷却模块未在图中示出，但是为了防止该靶(2)由于可达到的高温而熔化，该冷却模块是必要的。
慢化体(3)的芯围绕锂靶(2)放置并在前向方向上和侧向方向上延伸。慢化体(3)在所述前向方向上从靶(2)至过滤器(5)的厚度(W2)为21.80cm(±10％)，优选为21.8cm。优选地，慢化体用MgF2制造。可以用作慢化体(3)的其它材料是Al、Mg或Ca这些金属与F的组合，以及石墨形式的碳、或水(H2O或重水，即D2O)。根据它们的中子相互作用特性来选择这些材料。因此，需要具有高弹性有效截面和低吸收有效截面的同位素。中子可以通过弹性碰撞逐渐失去能量。这种通过碰撞的能量损失对于轻质同位素(如氢或氘，或碳)而言更大。元素Al、Mg、Ca或F的适合性主要是由于它们的能量共振在几十至几百keV的范围内，这允许通过慢化来减少过渡到超热范围的高能中子的量。由于MgF2的弹性有效截面较大，而每次捕获产生的伽马射线低于其他材料(如水)，因此选择MgF2而不是其他材料。此外，核并非轻到以至于在每次碰撞中损失很大比例的能量，这允许中子更逐步和可控制地损失它们的能量。其它金属如Al或Ca具有更高的能量共振，因此它们的使用不如镁适合于低能源。在本发明的其它优选实施方式中，可以用以下材料中的至少一者来制造慢化体：D2O、Al2O3、Li2CO3或本领域技术人员已知的具有等同或类似性质的其它材料。在图1中，慢化体(3)包括一圆柱形部分和另一圆锥形部分。然而，在其它优选实施例中，慢化体(3)包括至少一个具有以下几何形状之一的部分或轮廓：圆柱形、棱柱形、截头棱锥形、圆锥形。
优选地，包围慢化体(3)设置反射罩(4)，该反射罩由具有高弹性碰撞有效截面的材料制成，并且同时具有高质量数，使得中子在这些碰撞中不会损失更多的能量，此外，中子向后产生的概率更高，这允许中子朝着慢化体的芯被回收。因此，反射器将偏转的中子重定向到中子束的主轴，这增加了超热中子通量。在其后部，从慢化体到入口开口，罩(4)在束的方向上具有25.00cm(±40％)的厚度(L6)。
慢化体还将靶和加速器的管道的部分覆盖至后部(束入口)。在优选的实施例中，慢化体的总厚度(L4+L5)在24.64cm-36.96cm之间。
此外，反射罩(4)的材料应吸收在慢化过程中产生的伽马辐射。由于该原因，高原子序数材料这项任务的理想选择。因此，用于该功能的最佳材料是铅和铋。Pb具有比Bi大的弹性碰撞有效截面，使得它通常被用作反射器，但在前向方向除外，在前向方向，束的发散度是要考虑的因素。在径向和向后的方向上，增加Pb层的厚度(L6)可以回收从慢化体(3)的芯逃逸的更多中子。这种关系一直持续至到达超热中子增加饱和的最大厚度。
在慢化体(3)的芯之后设置也被反射罩(4)包围的过滤级(5)。该过滤级(5)的功能是提供对无助于BNCT治疗的中子能谱(快中子和热中子)的附加过滤，并且降低对超热中子通量影响最小的伽马辐射。优选地，所述过滤级(5)至少包括以下层：
-快中子过滤层：该层完善了慢化，并且通过选择性地去除由于它们的共振产生的一些快中子，从根本上执行了对获得的中子的能谱进行过滤的功能。该层的厚度(L1)为1.00cm(±15％)。在图1中，该层由铝片构成，其厚度为1cm。然而，其它元素例如Fe或Ni也是合适的。
-热中子过滤层：该层的目的是抑制束的热中子。慢化过程随后产生相当大量的热中子，其应在束用于BNCT治疗之前从束中去除。Li是具有大的热俘获有效截面的材料。该特性使其成为最佳的热中子过滤器。
该层的厚度(L2)为0.20cm(±20％)。特别地，在图1的实施方式中，该层是仅2mm厚的LiF片，但允许去除到达它的一半以上的热中子通量。也可用于该热中子过滤层的其它材料是B和Cd，它们虽然具有较大的俘获有效截面，但是也会产生伽马辐射，需要在反射罩(4)中产生较大量的Pb或Bi来去除伽马辐射。
-伽马辐射过滤层：该层被设计用于减轻伽马辐射，但是尽可能少地影响超热中子通量。该层的厚度(L3)为1.00cm(±10％)。在图1中，该层由1cm厚的Bi片构成，这允许获得具有较低发散度的较大中子通量。
优选地，伽马辐射的过滤层最后根据所产生的中子束的行进方向布置。甚至更优选地，热中子的过滤层和伽马辐射的过滤层根据所产生的中子束的行进方向按该顺序布置。
在图1中可以看出，过滤级(5)根据所产生的中子束的行进方向按所述顺序包括铝层、LiF层和Bi层。然而，所提及的层可以以任何技术上可能的顺序布置，并且甚至可以与慢化体的块的一部分互换。在本发明的其它优选实施例中，包括多个包含在过滤级(5)中的一个或多个层。
由于过滤级(5)，所获得的中子的能谱适于BNCT治疗(快中子和热中子已经被过滤，以允许使热中子通量保持在总通量的5％以下，并且还去除了残余的伽马辐射)。
接下来，设置有出口开口(6)，该出口开口(6)确定束的形状和聚焦。特别地，它具有如图1所示的圆柱-圆锥形部分。为此，该开口包括也优选由Pb制成的准直锥，这使得可以在考虑到中子束发生器倾斜的情况下对中子束整形。过大的倾斜度(即，非常长的准直锥)过大地减小了超热通量。相反，过小的倾斜度(即，非常平的锥)产生束的过度发散。可用于BNCT治疗的中子束从充满空气的出口开口(6)排出。应当注意，在本发明的一些优选实施方式中，出口开口(6)包括狭缝和/或突起。同样，在其它有利的实施方式中，开口(6)包括可移动的闭合件(也称为束闸)，该闭合件可被远程致动以停止辐照，该闭合件包括Li和Pb的双层。
最后，设置了各种屏蔽体(7)层，其起到保护患者免受伽马辐射的作用，并吸收中子，否则中子将通过出口开口(6)以外的其它地方排出。在出口开口(6)之后放置各种材料，这些材料使得可以吸收中子，否则这些中子将以不受控制的方式排出本发明。如图1所示，该屏蔽体(7)包括至少两个层，每个层包括以下材料中的一者：
-锂化聚乙烯，其包富含6Li的聚乙烯以吸收热中子，作为用于反射罩(4)的覆盖物。由于该聚乙烯包含氢，因此其允许中子的能量快速降低到热范围，而6Li则在不产生伽马辐射的情况下俘获中子。由于该层，可以在这些方向上排出的中子被热化和吸收，作为附加的辐射保护措施。
-铅，用于吸收伽马辐射。
在获得具有足够高比例的6Li的混合物的情况下，屏蔽体(7)可以仅包含上述两层(Pb层和锂化聚乙烯层)。可替代地，可另外使用以下两个层来增加6Li同位素的浓度：天然LiF层和富含6Li的LiF层，其与天然LiF层一起防止获得的中子束由于偏离主轴而受到污染。
在本发明的不同优选实施方式中，可以存在多个前述材料的屏蔽体(7)的一个或多个层：锂化聚乙烯、铅、LiF、富含6Li的LiF。在其它实施方式中，锂化聚乙烯可以用硼化聚乙烯代替。
已经根据屏蔽体(7)将被中子束穿过的方向描述了屏蔽体(7)的层。然而，它们可以以任何技术上可能的顺序布置。出口开口(6)由此在其圆锥形和圆柱形部分中都被铅和LiF层覆盖。然而，应注意，图1所示的屏蔽体(7)的层的布置仅是说明性示例，且可根据设计要求而变化。
总之，DPMC应当能够产生高通量的超热中子束，同时将热中子通量和快中子通量减小到最小。在BNCT中施用的中子的最佳能量是几keV，因为它允许治疗深部肿瘤，因此能谱的最大值应当在该能量范围内。同样，应尽可能地避免伽马辐射对束的污染。最后，中子束应具有良好的准直和不是很高的发散度。换句话说，所产生的中子应朝向前方向排出，并且在排出出口开口(6)之后，束不应过度地打开。应当注意，在本发明中，存在两个不同的伽马辐射过滤器，但它们的功能是不同的：被包括在过滤级(5)中的一层，它过滤将通过出口开口(6)排出的、并将用于治疗的束的辐射；而包括在屏蔽体(7)中的伽马辐射的过滤器仅影响相对于主轴偏转的中子。
在图1所示的本发明的优选实施例中，设计由两个应预先给定的参数产生：A(14cm)和(8cm)。其余的参数代表设计的最佳尺寸。然而，DPMC在所述参数的某一容差范围内操作，使得每个参数的最佳值如下表示为厘米数，以及在不显著降低其功能的情况下所允许的百分比变化：/>(50，±10％)，/>(120，±15％)，/>(130，±20％)，R1(10，±10％)，R2(45，±50％)，W1(19.80，±10％)，W2(21.80，±10％)，L1(1.00，±15％)，L2(0.20，±20％)，L3(1.00，±10％)，L4(6.20，±10％)，L5(24.60，±10％)，L6(25.00，±40％)，L7(57.00，±20％)，L8(70.80，±20％)，L9(1.00，±50％)，L10(1.00，±50％)，L11(5.00，±10％)，L12(4.00，±25％)，L13(3.00，±25％)，T1(2.00，±50％)，T2(2.00，±50％)。出口开口的尺寸设计为A＝14cm。然而，A±2δ的修改随之带来的是其它相关径向尺寸的变化，如下：/>和/>将变化±2δ(与A相同)，而R1和R2的变化为A的变化的一半(±δ)。以这种方式，可以根据靶(2)的引入要求来修改束的入口开口(1)。图1的设计也在图2中以三维视图示出。应当注意，该装置具有轴对称性。
图1和2中所示的优选实施例的验证是通过将IAEA所施加的质量参数与所述设计所获得的质量参数进行比较来实现的。首先，已经通过蒙特卡罗模拟分别针对2.0MeV和2.1MeV的质子束以及两种类型的模体验证了DPMC，该两种类型的模体为：填充有ICRU-4标准组织的圆柱形模体模型和另一Snyder模体模型。
对模体的模拟结果总结在表1中。
表1
使用以下等式来估计总辐射当量剂量(DT)，单位为当量戈瑞(Grays)(Gy-Eq):
DT＝(w||th+χr·wB)Dth+wfast·Dfast+D
其中Dth是热中子剂量，r＝0.422并且χ表示与治疗一起施用的硼的浓度(其在肿瘤组织中的值为约35，在健康组织中的值为约10)；而wth、wfast和wB是一系列加权参数，分别取决于热中子、快中子和硼所贡献的相对生物效应(RBE)。特别地，对于肿瘤组织和对于健康组织，wth如同wfast都等于3.2。相反，与健康组织(wB＝1.3)相比，肿瘤组织(其中wB＝3.8)中硼的权重更高。
其次，在表2中，基于IAEA推荐，比较在DPMC中获得的中子束的各种质量参数。特别地，分别显示了对于2.0MeV和2.1MeV的质子束的结果。超热能量的极限(LE)设定在10keV和20keV。应当注意，由快中子产生的剂量的大约一半对应于能量在10MeV-20keV范围内的中子。此外，当入射质子束具有2.1MeV的能量时，本发明满足所有IAEA建议，而在2.0MeV的情况下，其仅在超热通量方面下降。要注意的另一个方面是，由于所提出的优选实施例，可以仅考虑0.5eV-10keV范围内的超热中子(这是最适合BNCT治疗的)来满足IAEA要求。这是由于过滤级(5)和屏蔽体(7)以及形成它们的材料而实现的。
第三，对DPMC中的中子能谱进行了分析。特别地，图3示出了DPMC内不同位置和其出口开口(6)处的中子能谱，反映了慢化和随后过滤不需要的中子的过程。设计材料的选择允许将热电子通量和快电子通量最小化而不降低超热通量。特别相关的是在MgF2层中具有最高能量的中子的慢化，通过该慢化，在2keV-3keV达到能谱最大值，这对于BNCT治疗(特别是深部肿瘤)是最佳的。
表2
此外，将其与由其它DPMC设施(特别是Fir-1和C-BENS)提供的能谱进行了比较。结果示于图4(以对数尺度)和图5(以线性尺度)中。
图6以对数尺度示出了(超热、热和快)中子通量和伽马辐射通量正好在出口开口(6)处在径向方向上的横向分布。值得注意的是在出口开口(6)处的束的良好限定，其由图的中心区域中的竖直虚线界定，并且有效地抑制所述出口开口(6)外的中子。特别地，超热中子通量在前15cm内减小了两个数量级，而对于热中子，这种衰减更加显著并且在前5cm内发生。此外，伽马辐射在整个辐射区域上被很好地衰减。这避免了获得的中子束在伽马辐射方面和因偏离主轴而受到污染。
在本发明的一些优选实施例中，反射罩(4)包括以下材料中的至少一者：Ni、Pb、BeO、Bi。在氧化铍的情况下，可用的同位素是9Be。它具有高弹性有效截面，这在直到MeV范围内几乎占了它的全部有效截面，从而在这种情况下中子吸收损失将是最小的。然而，它具有两个缺点，都是由于9Be的低质量造成的。一方面，中子碰撞主要不在大角度(向后反弹)下发生，所以许多中子将沿着它们的路径到达DPMC的外部，被轻微地偏转并且不被反射，因此需要更大厚度的材料。另一方面，与较重的核相比，弹性碰撞的运动学导致中子损失更多的能量，因此中子将被过度慢化。因此，在对于中子使用较高初始能量的情况下(比在本发明的该实施例中使用的2MeV-2.1MeV更高)，BeO可能更合适。在这种情况下，由于其在反射体和慢化体之间的中间表现，这将有助于其与MgF2一起慢化。
Claims (24)
1.一种用于产生、慢化和配置中子束的装置，所述装置基于由质子束产生中子，所述装置包括：
-入口开口(1)，所述质子束通过所述入口开口(1)引入；
-靶(2)，其布置在所述质子束引入的路径中，以便与所述束进行核相互作用并产生限定传播主轴的中子束；
-靶(2)的冷却模块；
-慢化体(3)，其与所述靶(2)相邻，具有从所述靶(2)开始在所述束的方向上到过滤级(5)的19.62cm至23.98cm的厚度(W2)，其中在所述核相互作用中产生的中子被慢化到超热范围的能量，
-反射罩(4)，其包围慢化体(3)，以将偏转的中子重定向到所述主轴并增加超热中子通量；
-出口开口(6)，所述中子束通过所述出口开口(6)排出；和
-屏蔽体(7)，其围绕所述出口开口(6)布置以抑制不通过所述出口开口(6)排出所述装置的中子和伽马辐射；和
-过滤级(5)，其与所述出口开口(6)相邻并且还被所述反射罩(4)包围，以在所述中子束通过所述出口开口(6)排出所述装置之前过滤所述中子束；其中所述过滤级(5)包括至少三个层：快中子过滤层、热中子过滤层和伽马辐射过滤层。
2.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述慢化体的总厚度(L4+L5)在24.64cm至36.96cm之间，将所述靶和加速器的管道的部分覆盖至所述入口开口。
3.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述慢化体(3)由以下材料中的至少一者制造：石墨、D2O、AlF3、CaF2、Li2CO3、MgF2、Al2O3，或其组合。
4.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述慢化体(3)由MgF2制造。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于产生、慢化和配置中子束的装置，其中，包括在所述过滤级中的所述快中子过滤层具有1.00cm±15％的厚度(L1)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于产生、慢化和配置中子束的装置，其中，包括在所述过滤级(5)中的所述快中子过滤层具有0.20cm±20％的厚度(L2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于产生、慢化和配置中子束的装置，其中，包括在所述过滤级(5)中的所述伽马辐射过滤层具有1.00cm±15％的厚度(L3)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述快中子过滤层包括Al、Fe或Ni。
9.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述快中子过滤层由Al制造。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述热中子过滤层包括10B、6Li、Gd、Cd或LiF。
11.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述热中子过滤层由LiF制造。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述伽马辐射过滤层包括Pb或Bi。
13.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述伽马辐射过滤层由Bi制造。
14.根据权利要求5至13中任一项所述的装置，其中，所述伽马辐射过滤层最后根据所产生的所述中子束的行进方向布置。
15.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述快中子过滤层、所述热中子过滤层和所述伽马辐射过滤层按照根据所产生的所述中子束的所述行进方向的顺序布置。
16.根据前述权利要求中任一项所述的用于产生、慢化和配置中子束的装置，其中，所述反射罩(4)具有在所述束的方向上从所述慢化体到所述入口开口的25.00cm±40％的厚度(L6)，所述反射罩(4)包围所述慢化体(3)以将偏转的中子重定向到所述主轴。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述反射罩(4)包括以下材料中的至少一者：Ni、Pb、BeO或Bi。
18.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述反射罩(4)由Pb制成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置具有直径为A±2δ的出口开口，所述装置具有以下径向尺寸：
所述慢化体的后部的直径A±2δ+36cm，±10％
所述罩(4)的直径A±2δ+106cm，±15％
所述装置的直径A±2δ+116cm，±20％
前部屏蔽体(7)的准直器的内径(R1)：(0.5A±δ+3cm，±10％)
所述前部屏蔽体(7)的所述准直器的外径(R2)：(0.5A±δ+22.5cm，±50％)。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述靶(2)包括7Li，并且与入射的所述质子束的核相互作用是7Li(p，n)7Be。
21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，用于所述中子束的所述出口开口(6)包括至少一个具有以下几何形状之一的部分：圆柱形、圆锥形、棱形、截头棱锥形。
22.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，用于所述中子束的所述出口开口(6)包括用于停止辐射的可移动封闭件。
23.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，围绕所述中子束的所述出口开口(6)布置的所述屏蔽体(7)包括以下材料中的至少一者：LiF、6LiF、B4C、聚乙烯、Pb、Bi。
24.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其用于硼中子俘获治疗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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