CN116705377A - 束流整形装置及加速器硼中子俘获治疗设备 - Google Patents

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张巍
夏兆东
程凡杰
潘翠杰
马骁笛
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Abstract

本申请实施例提供了一种束流整形装置及加速器硼中子俘获治疗设备。束流整形装置包括慢化体，用于对入射的快中子束流进行慢化，以向外出射热中子束流或超热中子束流；准直体，用于对热中子束流或超热中子束流进行准直，其中准直体限定形成准直腔；能谱调节体，设置于准直腔内，用于对热中子束流或超热中子束流的能谱进行调节。本申请实施例通过在准直体的准直腔内设置能谱调节体，能够对慢化后的中子束流的能谱进行调节，从而使得具有本申请实施例的束流整形装置的加速器硼中子俘获治疗设备能够输出更大范围的中子能谱。

Description

束流整形装置及加速器硼中子俘获治疗设备
技术领域
本发明实施例涉及硼中子俘获治疗技术领域，特别涉及一种束流整形装置及加速器硼中子俘获治疗设备。
背景技术
加速器硼中子俘获治疗(BNCT)能够应用于癌症治疗、同位素药物生产以及中子照相技术等领域中。癌症治疗、同位素药物生产以及中子照相技术分别需要利用不同能量范围的中子束流对靶区域进行辐照。
束流整形装置是加速器硼中子俘获治疗设备的关键组成部分之一，其位于靶后，作用包括将加速器打靶产生的快中子(0.5MeV<E<10MeV)整形慢化到热中子(E<0.5eV)或超热中子(0.5eV<E<10keV)能量范围。目前，已有的加速器硼中子俘获治疗设备输出的中子能谱仅能够应用于特定技术领域，不能满足在其他技术领域中使用。
发明内容
针对上述技术问题，本申请实施例提供了一种束流整形装置，其能够根据需要对中子束流的能谱进行调节，从而使得加速器硼中子俘获治疗设备能够应用于不同的技术领域中。本申请实施例还提供了一种加速器硼中子俘获治疗设备。
第一方面，本申请实施例提供了一种束流整形装置，包括：慢化体，用于对入射的快中子束流进行慢化，以向外出射热中子束流或超热中子束流；准直体，用于对热中子束流或超热中子束流进行准直，其中准直体限定形成准直腔；能谱调节体，设置于准直腔内，用于对热中子束流或超热中子束流的能谱进行调节。
第二方面，本申请实施例提供了一种加速器硼中子俘获治疗设备，包括：加速器，用于提供具有预设能量范围的质子束流；靶件，用于接收质子束流，并形成快中子束流；根据本申请第一方面的束流整形装置，用于对快中子束流进行慢化准直，以向外出射热中子束流或超热中子束流。
本申请实施例通过在准直体的准直腔内设置能谱调节体，能够对慢化后的中子束流的能谱进行调节，从而使得具有本申请实施例的束流整形装置的加速器硼中子俘获治疗设备能够输出更大范围的中子能谱，从而扩展加速器硼中子俘获治疗设备的应用领域。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明一个实施例的束流整形装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的束流整形装置的示意性透视图，图中箭头表示中子输运方向；
图3和图4分别是根据本发明不同实施例的束流整形装置中能谱调节体与准直体的结构示意图；
图5是根据本发明另一个实施例的束流整形装置的主体沿中子输运方向的切面示意图；
图6是图5所示的结构的局部放大示意图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
附图标记说明：
10、底座；11、基座；12、滑轨；
20、主体；21、慢化体；210、预慢化层；211、第一慢化层；212、铝层；213、第二慢化层；2131、铝复合材料层；
22、γ射线屏蔽体；
23、准直体；231、准直腔；
24、反射体；
25、屏蔽体；251、屏蔽壳体；252、侧向屏蔽体；
26、能谱调节体；261、能谱调节层；
27、外壳；
28、靶后中子反射体；
29、靶件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
在本发明实施例的描述中“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。
在相关技术中，在设计加速器硼中子俘获治疗设备时，通常针对具体应用的技术领域选择加速器提供的质子能量(例如选择14MeV加速器或者18MeV加速器)，束流整形装置仅针对特定质子能量的加速器将中子慢化至使用时所需要的范围。换言之，在相关技术中，束流整形装置不能根据不同使用场景的需要而对加速器转换的中子束流的能谱进行调节。由此，在相关技术中，加速器硼中子俘获治疗设备难以在多个不同的应用领域中转用，或者至少需要整体更换束流整形装置。
针对上述技术问题，本申请实施例提供了一种束流整形装置，其能够根据需要对中子束流的能谱进行调节，从而使得加速器硼中子俘获治疗设备能够应用于不同的技术领域中。
参见图1和图2，本发明实施例的束流整形装置包括：慢化体21和准直体23。慢化体21用于对入射的快中子束流进行慢化，以向外出射热中子束流或超热中子束流。准直体23用于对来自慢化体21的热中子束流或超热中子束流进行准直，其中准直体23限定形成准直腔231。
特别地，本申请实施例的束流整形装置还包括：能谱调节体26。能谱调节体26设置于准直腔231内，用于对热中子束流或超热中子束流的能谱进行调节。
本申请实施例通过在准直体23的准直腔231内设置能谱调节体26，能够对慢化后的中子束流的能谱进行调节，从而使得具有本申请实施例的束流整形装置的加速器硼中子俘获治疗设备能够输出更大范围的中子能谱，从而扩展加速器硼中子俘获治疗设备的应用领域。
本申请的发明人发现，如果在准直腔231外(例如准直器的上游)的束流通道设置能谱调节体26，则有一部分中子在经过下文提及的反射体24反射后能够直接进入能谱调节体26从而进入准直腔231，而不是经由慢化体21进行充足的慢化后再进入准直腔231。这会导致从准直腔231出射的中子慢化不均匀，存在较多的快中子。本申请的发明人进一步发现，在准直腔231内设置能谱调节体26，有利于使只有经过慢化体21充分慢化后再进入准直腔231内的中子才能被进一步调节能谱，从而保证了慢化体21对入射的快中子束流的慢化效果，同时还能够利用能谱调节体26对出射的中子束流的能谱进行微调。
由此可见，本申请实施例的能谱调节体26由于设置在准直体23的准直腔231内，既不会影响慢化体21对入射的快中子束流的慢化效果，也不会影响准直腔231的准直效果，同时还能够合理利用准直腔231内空间而无需额外增大束流整形装置的空间。
在一些实施例中，参见图3和图4，能谱调节体26包括一个或多个能谱调节层261。每个能谱调节层261包括：容器和填充于容器中的水。在这样的实施例中，水起到对中子能够进行调节的作用。容易理解，为了保证均匀地对中子束流进行能谱调节，容器内的水应填满整个容器内腔。
参见图4，当能谱调节体26包括多个能谱调节层261时，每个能谱调节层261的厚度可以相同，从而通过布置不同层数的能谱调节层261实现对中子束流的能谱进行精细的调节。例如能谱调节体26可以包括4个能谱调节层261，每个能谱调节层261的厚度均可以为10mm，根据对能谱的需求选择放置能谱调节层261的数量。
在另一些实施例中，每个能谱调节层261的厚度可以不相同，从而通过布置不同厚度的能谱调节层261实现对能谱进行精细的调节。
在一些实施例中，容器可以由聚甲基丙烯酸(PMAA)制成。PMAA仅包含碳氢氧原子，和水中的氢氧原子对中子的散射作用基本等效，从而可以根据每一能谱调节层261的容器厚度对中子的能谱调节。在其他实施例中，容器可以由玻璃制成。
具体地，对于具有本申请实施例的加速器硼中子俘获治疗设备，通过设置合适厚度的能谱调节层261，应用于BNCT临床治疗时可以在癌症治疗区域位于表面(黑色素瘤-皮肤表层)进行治疗；通过设置合适厚度的能谱调节层261能够使加速器硼中子俘获治疗设备提供满足要求的热中子束流，以使加速器硼中子俘获治疗设备还能够应用于热中子成像技术。
在本申请的一些实施例中，为了避免影响准直体23的准直效果，能谱调节体26的总的厚度一般为6厘米以下，由此使得能谱调节层261的能谱调节范围有限，可以认为能谱调节层261能够对中子束流的能谱进行“微调”，例如将超热中子调节成热中子。BNCT临床治疗需要超热中子束流及热中子束流切换(微调)，此时仅需要运用能谱调节层261就可以进行精细调节实现其相应的功能。
经过慢化体21出射后的中子束是一个各向同性的发散束，准直体23可以控制其束流形状、方向和大小，减少出射的中子束流中不需要的中子和未屏蔽的γ射线。
准直体23可以采用铅或铋或石墨或其中任意两者组合。准直体23整体可以为长方体，内侧端面与慢化体21贴合(当装置还包括伽马射线屏蔽体22时，内侧与伽马射线屏蔽体22贴合)，外侧端面为中子束流应用面。
准直腔231通常为截锥形孔道，截锥形孔道面对慢化体21一侧的内径大于远离慢化体21一侧的内径。能谱调节体26相应地具有截锥形状，能谱调节体26的外表面与截锥形孔道的内表面贴合。能谱调节体26位于准直腔231面对慢化体21的一侧。能谱调节体26的表面与准直腔231面对慢化体21的一侧端面平齐。
在一些具体的实施例中，截锥形孔道的高度为200mm，作为中子束流应用面一端的直径为160mm，另一端的直径在720mm-160mm内调节。
参见图5和图6，在一些实施例中，慢化体21沿中子输运方向依次包括：第一慢化层211、铝层212以及第二慢化层213，其中第一慢化层211和第二慢化层213由铝复合材料制成。
在本申请实施例中，设置第一慢化层211的作用是使经由第一慢化层211慢化后的中子束中，能量位于纯Al的散射截面峰附近的中子通量最高，由此，一方面能够显著提高慢化效率，另一方面有利于缩短整个束流通道的长度，从而减少中子泄漏和加速器硼中子俘获治疗设备的体积。
本申请实施例在两层铝复合材料层之间设置铝层212，先使经由第一慢化层211慢化后的中子束中，能量位于纯Al的散射截面峰附近的中子通量最高，提高利用纯Al进行慢化时的慢化效率；而后再利用铝复合材料层进一步对低能的中子进行慢化，相比慢化体21全部使用铝复合材料或全部使用纯Al，大大提高了整体的慢化效率。
纯Al的厚度可以在50mm-150mm之间。
第一慢化层211的厚度可以根据试验或理论计算获得。容易理解，通过试验或理论计算，可以获得任一位置的中子能谱。可以根据纯Al的散射截面峰对应的中子能量和进入第一慢化层211的中子能谱确定纯Al的位置，从而确定第一慢化层211的厚度。
铝复合材料可以为高密度铝基复合材料。在一些实施例中，铝复合材料的密度例如可为(2.90±0.5)g/cm3。在一些实施例中，铝复合材料可以为Fluental，其成分按质量比计，包含69％的AlF3，30％的Al和1％的LiF。Fluental中的F核素对于快中子散热截面较大，降能快；AlF3、Al对低能的中子的散热截面较大。F在第一慢化层211中起到主要的慢化作用；AlF3、Al在第二慢化层213中起主要的慢化作用。
在一些实施例中，第二慢化层213可以包括多个活动组合在一起的铝复合材料层2131。例如，将Fluental机械加工为多块同厚度板状结构，根据应用场景可选择进行拆卸拼装。本申请实施例通过调节铝复合材料层2131的数量，调节第二慢化层213的厚度，能够对中子能谱进行大幅度调节。本申请实施例通过设置铝复合材料/铝/铝复合材料的夹层结构，并进一步将第二慢化层213的厚度设置为可以调节，降低慢化过程中中子吸收，泄漏的概率，可以避免中子束流中快中子剂量高的技术问题，使得出射的中子束能够为109n/cm2s的超热中子通量，达到国际上IAEA(国际原子能机构)推荐的应用于BNCT临床的建议值。
在本申请实施例中，第二慢化层213调节能谱的程度大于能谱调节体26调节的程度。例如，当加速器硼中子俘获治疗设备应用于同位素药物生产时，由于不同同位素生产对中子束流能量要求范围较大，此时可以通过拆装第二慢化层213中的铝复合材料层2131，使得出射的中子束满足需求。当加速器硼中子俘获治疗设备应用于中子照相技术时，此时可以通过拆装第二慢化层213中的铝复合材料层2131，使得出射的中子束满足需求。当加速器硼中子俘获治疗设备应用于热中子成像时，可以通过拆装能谱调节层261，使得出射的中子束满足需求。
在一些实施例中，当加速器提供的质子能量不同时，可以通过调节第一慢化层211的厚度，使经由第一慢化层211慢化后的中子束中，能量位于纯Al的散射截面峰附近的中子通量最高。
在另一些实施例中，第一慢化层211的厚度保持不变，慢化体21还可包括预慢化层210，活动地设置于第一慢化层211的一侧，用于对进入第一慢化层211之前的快中子进行慢化。
例如，当加速器提供的质子能量为14MeV时，通过第一慢化层211保证慢化体21中Al的慢化效率，使进入Al层的中子能谱处于Al能够高效慢化的范围。当加速器提供的质子能量为18MeV时，为了保证慢化体21中Al的慢化效率，使进入Al层的中子能谱处于Al能够高效慢化的范围，可在第一慢化层211远离铝层212的一侧设置预慢化层210。预慢化层210可以大幅降低快中子的能量，使得第一慢化层211应用于预慢化层210后相对低能中子束流，从而能够使进入Al层的中子能谱处于Al能够高效慢化的范围。本申请实施例通过针对慢化体21的设计，使得本申请实施例的束流整形装置能够适合于14MeV至18MeV小型回旋加速器硼中子俘获治疗设备。
预慢化层210的厚度可以为100mm-350mm。通过设置预慢化层210，能够进一步避免出射的中子束流中快中子剂量高。
预慢化层210可以由铝复合材料、铁、铅和钨中的一种或多种形成。
在一些实施例中，预慢化层210可以为由铅制成的铅块。铅块的厚度可以为150mm-200mm。在一些实施例中，预慢化层210可以为由Fluental制成的块体。Fluental块体的厚度可以为300mm-350mm左右。由此可见，相比Fluental块体，利用铅块可以缩短整个中子束通道的长度，有利于减少中子泄漏。
在一些实施例中，束流整形装置还包括：反射体24和形成在反射体24的周向外侧的屏蔽体25。
中子在经过慢化体21时会向各个方向发散，反射体24包裹在慢化体21外侧，其作用是反射中子，将从慢化体21逃逸出的中子反射回慢化体21，增加中子利用率，使得束流通道的出口处中子通量尽可能高。反射体24可以由铅制成。
屏蔽体25包括：屏蔽壳体251和侧向屏蔽体252。屏蔽壳体251由含硼聚乙烯制成。侧向屏蔽体252由聚乙烯制成，设置于屏蔽壳体251内。侧向屏蔽体252包括上板体、下板体以及连接上板体和下板体的两个侧板体，上板体、下板体以及两个侧板体与中子输运方向平行。在含硼聚乙烯内设置聚乙烯更有利于屏蔽从中心(慢化体21，反射体24)慢化过程中泄漏的中子。
反射体24和屏蔽体25共同限定形成供中子束流运输的束流通道，慢化体21和准直体23设置在束流通道中。束流通道的出口处设置准直体23，束流通道的进口处用于设置中子转换靶以及接收质子束流。质子束流可以来自于加速器，质子束流打在轰击中子转换靶上，形成快中子束流。束流通道的进口处还设有靶后中子反射体28，其材料为铅，使中子转换靶靶管可以通过的同时增加工作中四周中子反射。
在具体的实施例中，屏蔽壳体251可以为长方体，屏蔽壳体251的壁厚可以为100mm，与中子束出射方向平行的四个侧面的尺寸可以为1200mm-1600mm，与中子束出射方向垂直的两个端面的尺寸可以为1400mm。含硼聚乙烯内部水平方向上下左右四面为厚度100mm厚度矩形聚乙烯屏蔽，应用时聚乙烯长度与外部含硼聚乙烯配合。
屏蔽壳体251的两个端面均开有圆孔，位于中子入射端的圆孔用于安装中子转换靶，直径可以为320mm。位于中子入射端的圆孔用于后面开有直径160mm圆孔用于慢化中子束流出口。
聚乙烯内部矩形空间通过填充铅，前面与含硼聚乙烯相同，开有直径320mm圆孔用于安装中子转换靶及靶后反射部分，开孔深度为450mm。中间形成一个边长700mm正方形空腔(用于填充慢化材料)。
在装置安装中子转换靶面直径320mm圆孔内填充铅圆柱体，圆孔直径减少至150mm左右，使中子转换靶靶管可以通过的同时增加工作中四周中子反射。
在一些实施例中，束流整形装置还可包括：γ射线屏蔽体22，位于慢化体21与准直体23之间，用于屏蔽由中子泄漏及中子束流中的伽马射线。
γ射线屏蔽体22由铅或铋制成。γ射线屏蔽体22的厚度可以为5mm左右，既能有效屏蔽伽马射线同时不降低使用过程中所需要的中子束流。
在一些实施例中，束流整形装置还可包括：外壳27，设置于屏蔽体25的外侧。外壳27的整体可以为矩形。
在一些实施例中，束流整形装置还可包括底座10，由外壳27包覆在内的结构可以称之为束流整形装置的主体20，主体20沿中子运输方向可滑动地设置于底座10上。底座10可包括基座11和设置于基座11上的滑轨12，滑轨12沿中子运输方向延伸，主体20可沿滑轨12移动。
具体地，主体20由滚动导轨支撑，采用丝杠传动，保证人工调整时灵活可靠。在使用时，束流整形装置的主体20可根据实际情况与底座10配合使用，用于中子照相技术应用和同位素药物制备或者根据临床需要“镶嵌”在BNCT治疗间与小型回旋加速器所在房间相隔的重混凝土墙间。
本申请实施例的束流整形装置具有能谱调节层261及针对慢化体21的拼接设计，可调节能谱从而调节BNCT临床治疗中在人体中的最佳治疗深度，以应用于多种癌症治疗。
本申请实施例的束流整形装置的慢化体21首次采用了铝复合材料与铝及铅(预慢化层210)的拼接设计，使目前BNCT临床应用中定义的0.5eV-10KeV超热中子束流得到更加细致的调节，临床治疗中使病人病灶区域得到更有效的治疗同时进一步减少病人健康组织的照射。
此外，本申请实施例的束流整形装置通过能谱调节实现了一个装置应用多种核技术，除上述加速器硼中子俘获治疗中外，还可以应用于同位素药物生产和中子照相技术的不同要求的中子束流参数切换，做到一个装置多种用途便捷切换。并且结合14MeV至18MeV质子小型回旋加速器尺寸及此慢化准直装置尺寸，实现了中子照相技术整体设备(加速器和束流整形装置)整体可移动工作。
在基于回旋加速器研究或临床治疗时、同位素药物生产中和中子照相技术的应用中时，可以将本申请实施例的束流整形装置的前端与14MeV至18MeV质子回旋加速器束流出口中心对接，束流整形装置后端为束流出口端。
本申请实施例还提供了一种加速器硼中子俘获治疗设备，包括：加速器，靶件29以及本申请任一实施例的束流整形装置。加速器用于提供具有预设能量范围的质子束流。靶件29用于接收质子束流，并形成快中子束流。束流整形装置用于对快中子束流进行慢化准直，以向外出射热中子束流或超热中子束流。
加速器提供的质子束流的能量为14MeV，靶件29为铍靶，来自靶件29的快中子束流直接进入第一慢化层211。也就是说，在这样的实施例中，慢化体21无需设置预慢化层210，来自靶件29的快中子束流无需经由预慢化层210慢化后再进入第一慢化层211，而是直接进入第一慢化层211进行慢化。
加速器提供的质子束流的能量为18MeV，靶件29为铍靶，束流整形装置包括预慢化层210，来自靶件29的快中子束流先进入预慢化层210再进入慢化体21的第一慢化层211。
在一些实施例中，本申请实施例的加速器可以为14MeV至18MeV质子回旋加速器。
将本申请实施例的束流整形装置的前端(远离准直体23的一端)与14MeV至18MeV质子回旋加速器束流出口中心对接，束流整形装置的后端(准直体23所在的一端)为束流出口端。束流整形装置配合14MeV至18MeV回旋加速器正常运行工作时，束流出口端外配备有左右、高低可调的辐照样品托板用于相关束流品质实验测量的开展，托板可以更换为临床治疗所用的辐照床。对辐照样品或者临床中病人进行辐照时，首先通过理论方法计算出样品或病人的最佳辐照角度和辐照时间。然后通过加速器稳定运行提供稳定的入射中子束流对样品或病人进行辐照。最后在满足辐照要求后，停止回旋加速器运行。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种束流整形装置，包括：
慢化体，用于对入射的快中子束流进行慢化，以向外出射热中子束流或超热中子束流；
准直体，用于对所述热中子束流或超热中子束流进行准直，其中所述准直体限定形成准直腔；以及
能谱调节体，设置于所述准直腔内，用于对热中子束流或超热中子束流的能谱进行调节。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能谱调节体包括一个或多个能谱调节层，每个所述能谱调节层包括：
容器和填充于所述容器中的水。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述容器由PMAA制成。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述慢化体沿中子输运方向依次包括：
第一慢化层、铝层以及第二慢化层，其中所述第一慢化层和所述第二慢化层由铝复合材料制成。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，按质量比计，所述铝复合材料包含69％的AlF3，30％的Al和1％的LiF。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二慢化层包括多个活动组合在一起的铝复合材料层。
7.根据权利要求4所述的装置，所述慢化体还包括：
预慢化层，活动地设置于所述第一慢化层的一侧，用于对进入所述第一慢化层之前的快中子进行慢化。
8.根据权利要求7所述的装置，所述预慢化层由铝复合材料、铁、铅和钨中的一种或多种形成。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：反射体和形成在所述反射体的周向外侧的屏蔽体，所述反射体和所述屏蔽体共同限定形成供中子束流运输的束流通道，所述慢化体和所述准直体设置在所述束流通道中。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述屏蔽体包括：
屏蔽壳体，由含硼聚乙烯制成；和
侧向屏蔽体，由聚乙烯制成，设置于所述屏蔽壳体内，所述侧向屏蔽体包括上板体、下板体以及连接所述上板体和所述下板体的两个侧板体，所述上板体、所述下板体以及所述两个侧板体与中子输运方向平行。
11.一种加速器硼中子俘获治疗设备，包括：
加速器，用于提供具有预设能量范围的质子束流；
靶件，用于接收所述质子束流，并形成快中子束流；
根据权利要求1-10中任一项所述的束流整形装置，用于对所述快中子束流进行慢化准直，以向外出射热中子束流或超热中子束流。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述加速器提供的质子束流的能量为14MeV，所述靶件为铍靶，来自所述靶件的快中子束流直接进入所述束流整形装置的慢化体的第一慢化层。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述加速器提供的质子束流的能量为18MeV，所述靶件为铍靶，所述束流整形装置的慢化体包括预慢化层，来自所述靶件的快中子束流先进入所述预慢化层再进入所述慢化体的第一慢化层。
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