CN202802547U - 医院中子照射器的中子束照射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种医院中子照射器的中子束照射装置，包括中子源，中子源包括堆芯和对称位于堆芯两侧的石墨瓦和铝瓦；中子束照射装置还包括位于石墨瓦一侧的热中子照射装置与位于铝瓦一侧的超热中子照射装置；热中子照射装置包括依次相邻的中子减速器、第一γ射线屏蔽器、以及热中子准直器；超热中子束装置包括依次相邻的第一Cd屏、减速过滤器、第二Cd屏、超热束γ射线屏蔽器、以及超热准直器。本实用新型的两条中子束既可单独使用也可以同时使用，提高了中子源的利用率，使其适宜从人体表面直到深至6cm范围的各种肿瘤的照射。

Description

医院中子照射器的中子束照射装置

技术领域

本实用新型涉及一种医院中子照射器的中子束照射装置，特别是涉及一种实现了两条中子束既可单独使用也可以同时使用，提高了中子源的利用率的医院中子照射器的中子束照射装置。 

背景技术

1932年B.Chadwich发现了中子。 

1936年G.L.Locher便提出了硼中子俘获疗法（BNCT）的设想。1951年William.H.Sweet等首先应用BNCT于治疗脑胶质瘤。限于当时的条件，治疗并不成功。上个世纪六十年代末，日本学者H.Hatamaka在哈佛大学麻省总医院学习后，对BNCT很感兴趣。回国后与Sweet等仍坚持对这一技术进行研究改进。找到了肿瘤对有特异吸收和浓缩的含硼药物。改进了中子束品质。经过半个世纪的探索实践，终于在日本首先创立了热中子俘获疗法的标准技术。III、IV期脑胶质瘤经治疗后，5年存活率达到30%以上的空前记录。对于小的、浅表性肿瘤的治疗效果尤佳。但是，由于热中子在人体组织内穿透能力差，这项技术仍包括一个外科手术，因此，近年来，人们在BNCT研究和临床试验中，欧美国家（包括日本在内）普遍采用，不需外科手术的，治疗的深部位肿瘤的超热中子束。目前已经通过了第一，第二阶段的临床试验。正在通过第三阶段的疗效试验。 

由上述对BNCT技术历史的简略回顾，可知，要实现较好的硼中子俘获治疗效果，必须包括有较合适的中子源；必须有能产生适当中子强度和品质的中子束装置；和包括好的含硼药物在内的医疗设施三大模块。本实用新型中子束照射装置是针对以医院中子照射器的中子源而设计建造的。 

目前已开展BNCT研究和临床试验的国家有日本、美国、俄罗斯、意大利、瑞典、芬兰等二十多个国家。他们所用的中子源均为上世纪六、七十年代开始建造的大中型研究性核反应堆，所用的中子束装置都是在现有研究堆上的热中子柱或水平实验孔道改造而成。与医院中子照射器的中子源相比，它们的源强要高出1～2个数量级，甚至更高。这允许他们在中子束装置轴向上有较大的伸缩空间。但是中子束装置须用现存堆上已有孔道改扩建，因此在垂直束流装置轴方向上扩展的空间往往受到限制。另外，大中型研究堆是一种综合性核科学和工程技术的研究、应用工具，在其上建造的中子束装置开展BNCT工作，受场地、时间安排和经费等因素限制。BNCT只能是其辅助任务，随其它重要任务插空进行。现有大中型研究型堆上改建的中子束装置，一个堆上只能建造一个中子束装置。 

已建中子束装置一些部件（如减速/过滤器，反射器等）受当时可利用的材料和加工工艺限制，影响部件功能的有效性和综合利用功能。 

早期建造的中子束流装置束流出口处为一种垂直平面，既不能使患者取位与束流轴向成垂直（90°）照射（即有照射死角），也必须对患者的颈肩部和头部非照射部分另外附加中子和γ屏蔽措施实现起来比较麻烦。 

已建的中子束装置束流闸门多采用电机驱动的固体旋塞式或插拔式，推拉式闸门。也有采用注排水式闸门。这些闸门建造需要大的空间，维护成本高。 

在已建的束流装置的出口处，多采含用高丰度6Li聚乙烯材料以屏蔽和准直中子束，降低患者接受的无用的剂量水平，提高束的品质。但是这种材料是重要的战略物资不论国内或者国外都极难买到，比较现实的是需要找到一种合适的材料来代替它。 

已建的中子束装置的出口光栏（射野）直径都只有一种规格，试验中需要不同直径的射野时改变比较麻烦。 

综上，亟需提供一种新型的医院中子照射器的中子束照射装置。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种实现了两条中子束既可单独使用也可以同时使用，提高了中子源的利用率的医院中子照射器的中子束照射装置。 

为解决上述技术问题，医院中子照射器的中子束照射装置，包括中子源，中子源包括堆芯和对称位于堆芯两侧的石墨瓦和铝瓦；中子束照射装置还包括位于石墨瓦一侧的热中子照射装置与位于铝瓦一侧的超热中子照射装置； 

热中子照射装置包括依次相邻的中子减速器、第一γ射线屏蔽器、以及热中子准直器；还包括围绕第一γ射线屏蔽器与中子减速器相邻的第二γ射线屏蔽器、围绕热中子准直器与第二γ射线屏蔽器相邻的热中子反射器、围绕热中子准直器与热中子反射器相邻的中子吸收器、围绕热中子准直器与中子吸收器相邻的铅屏、围绕热中子准直器与铅屏相邻的热束外准直器、以及围绕热束外准直器与铅屏相邻的中子和γ射线屏蔽器； 

超热中子束装置包括依次相邻的第一Cd屏、减速过滤器、第二Cd屏、超热束γ射线屏蔽器、以及超热准直器；还包括围绕减速过滤器的超热束反射器、围绕超热准直器与超热束反射器相邻的第一中子屏蔽器、围绕超热准直器与第一中子屏蔽器相邻的超热束外准直器、围绕超热束外准直器与第一中子屏蔽器相邻的第三γ射线屏蔽器、围绕超热束外准直器与第三γ射线屏蔽器相邻的第二中子屏蔽器。 

中子减速器与热中子反射器由高纯核级石墨块垒砌而成，中子减速器的径向尺寸为120cm×120cm。 

第一γ射线屏蔽器由金属铋制成，厚度120mm。 

热中子准直器为中空的铋制圆锥台形准直器，出口处为圆柱形。 

减速过滤器，由一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块、一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块组合而成；厚度之比为13：12.5：10：12.5。 

超热束反射器由铅砖砌成。 

本实用新型具有以下技术效果： 

1）本中子束装置包括两条中子束，一条中子束装置（A）输出热中子束流（E<0.4eV）；另一条中子束装置（B）输出超热中子束流0.4<E<10KeV）。它们共用医院中子照射器的中子源。两条中子束分别位于中子源对称的两侧。（见图1）两条中子束都由大体相同名称和作用的部件（例如：外箱体、减速/过滤器、中子反射器、准直器、外准直器和中子、γ屏蔽器等）构成。但它们各自采用的材料、形状和尺寸各不相同。因此虽然它们均取自同一个中子源的中子，但经过各部件的作用后，输出的却是不同能量、不同强度的中子束，这两条中子束既可单独使用也可以同时使用，提高了中子源的利用率，使其适宜从人体表面直到深至6cm范围的各种肿瘤的照射，这是其他BNCT装置上所没有的。 

2）与大中型研究堆上现有的中子束装置不同，本实用新型中子束装置通过增大相对中子源-堆芯所张的立体角来增大了中子束截面（120cm×120cm）以便把较低源强的中子尽可能多的收集到中子束装置内，以增强出口中子的注量率。理论分析（见图2）表明我们把截面积由80cm×80cm（通常采用的）增大到120cm×120cm，出口处的中子注量率增大约15%以上； 

本实用新型热中子束装置的减速器是由位于中子源内的石墨瓦和位于本装置第一铝箱体内的核级石墨砖砌体（中子减速器）组成。它的功用就是把收集来自中子源的连续能谱的热上中子，尽可能多的减速成热中子。位于石墨砌体靠近铝箱体的边缘部分石墨体也有反射中子回到中子束方向来的作 用。 

本实用新型热中子束装置的第一γ射线屏蔽器是由位于束装置中央的铋屏及其它外围的铅屏组成。它们的作用是屏蔽来自中子源的裂变产物的γ射线和中子沿途活化结构材料所产生的二次γ射线。采用铋材料做γ射线屏蔽器的好处是其中子活化截面小（^pbσ_a≈6^biσ_a），所产生的二次γ量少且能量较低，易于屏蔽和自屏；反之，若采用铅材料，则不仅将大大降低中子强度，并且会使总γ强度增加2.4倍.此外，本装置所采用的大型金属鉍制γ射线屏蔽器(760×760×120mm)在国内核反应堆上为首次采用。 

本应用新型中子束装置的热中子准直器是位于中子束装置后部中央。由铋制成的空腔、圆锥和圆柱组成。其作用是将偏离主束流方向的中子散射回主束流前进方向，使出口中子束基本平行向前，以降低中子束强度与患者位置之间强烈的依赖关系，减少患者的照射损伤。 

3)本实用新型中子束装置的热束外准直器的设置，方便了患者照射时灵活定位（即使与束流方向成垂直摆放也没有问题，而在有些无外准直器的装置上却做不到）。外准直器的设置有也助于降低患者頚、肩部所受的中子剂量。外准直器的材料由新研制的含高重量百分比的天然LiF（LiF70%）聚乙烯代替了价格昂贵并且几乎无法得到的高丰度（≥90%）⁶LiF或⁶Li₂co₃，理论计算结果表明，通过这种替代，使束流出口处的热上中子沾污和γ射线沾污均好于使用含⁶LiF聚乙烯的。此外，热束外准直器所使用的大型、高重量百分比的LiF（LiF70%）聚乙烯及其加工成型在国内外均为首次。 

本实用新型中子束装置的热中子反射器是由高纯核级石墨块砌成，其作用是把偏离出准直器的中子再返回到主束流中来，以增强出口处的中子束流强度。 

4)本实用新型中子束装置的中子和γ射线组合屏蔽器（中子吸收器，铅屏，中子和γ射线屏蔽器）位于中子束装置的末端。它们依次为B-Poly板， Pb板和Pb-B-Poly板。B-Poly板主要是屏蔽准直器外围的中子，减少中子对其后的Pb屏板的活化。在B-Poly板中，B₄C的重量百分比为10%；Pb屏板则是用于降低准直器外围的γ射线，而Pb-B-Poly板则是既屏蔽中子也屏蔽γ射线该板材的成分为Pb(80^wt%),Poly(19^wt%),B₄C(1^wt%)，用以降低照射室的中子和γ射线本底，减少患者在照射治疗中受到辐射伤害。三种屏蔽材料的组合使用提高了屏蔽中子和γ射线的能力，缩短中子束的轴向距离，增强中子束出口强度。 

5）本实用新型中子束装置的热束外准直器口是由含70^wt%LiF聚乙烯代替含⁶LiF聚乙烯制成，解决了⁶Li材料极难获得的问题。 

6）本实用新型热中子装置在中子源强仅为2.53×10¹⁵时，达到如下的主要参数： 

Φ_th:1.64×10⁹n/cm²·s（理论值）Φ_th-热中子注量率 

      1.74×10⁹n/cm²·s（实验值） 

本实用新型热中子束装置在中子源强比由大中型反应堆提供的中子源强小1～2个数量级的不利条件下，其出口的热中子强度和品质均达到了同类BNCT装置的水平，这在世界上是仅有的。(见表1)。 

7）本实用型超热中子束装置的中子减速过滤器是由铝瓦、前镉屏、铝块、三氧化二铝陶瓷体和后镉屏构成。本减速过滤器采用了新研究、制作的大块Al₂O₃陶瓷体零件组成的砌体和厚铝板堆构成，厚铝板和Al₂O₃砌体呈间隔排列。与松装Al₂O₃相比，三氧化二铝陶瓷体的密度高，（ρ>93%ρ₀（理论值）而松装Al₂O₃的密度只能达85%ρ₀（理论值）左右，这使提高了减速快中子的效率，缩短减速/过滤器占用的轴向空间；与易加工的小块Al₂O₃陶瓷体相比，大大减少了砌缝，从而减少了漏束，大块Al₂O₃相陶瓷体的使用。增强了束流强度，改善了束流品质。 

8)本实用新型超热中子束装置的超热束反射器由铅砖砌成，与采用PbF和Ni作为反射层相比Pb的价格便宜得多，而且易加工、易获得。同时，理论分析表明，使用Pb作为反射器，在束装置出口处超热中子品质不降低（即 

和 ）的情况下，超热中子的强度却增加了15%以上。 

9)本实用新型超热中子束装置的超热束外准直器由氟锂聚乙烯准直口组成。理论分析表明：准直口的第二中子屏蔽器的材料由Pb-B-Poly改换为LiF-Poly可使 

降低30%，同时可使Φepi增强6%。即提高了中子注量率又改善了中子束的品质。 

表1 本实用新型的热中子束与世界某些热中子束出口参数的比较 

表2 本实用新型的超热中子束与世界某些超热中子束出口参数的比较 

附图说明

图1为本实用新型所提供的医院中子照射器的中子束照射装置的示意图。 

图2为束流断面大小与中子注量率的关系图。 

图中：1为第一铝箱体，2为石墨瓦，3为中子减速器，4为第一 γ射线屏蔽器，5为第二γ射线屏蔽器，6为热中子反射器，7为热中子准直器，8为中子吸收器，9为铅屏，10为中子和γ射线屏蔽器，11为热束外准直器，12为热束外准直器口，13为铝瓦，14为第一Cd屏，15为减速过滤器，16为超热束反射器，17为第二Cd屏，18为超热准直器，19为超热束γ射线屏蔽器，20为第三γ射线屏蔽器，21为第一中子屏蔽器，22为超热束外准直器，23为第二铝箱体，24为超热中子束出口光栏，25第二中子屏蔽器，26为中子源。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。 

本实用新型包括两条中子束，一条为热中子照射装置（A），另一条为超热中子束装置（B），它们共用医院中子照射器的中子源（C）两条中子束照射装置分别位于中子源26对称的两侧。 

第一铝箱体1用以包容和定位热中子照射束装置内的各部件；石墨瓦2，位于堆芯的一侧；中子减速器3，由核纯石墨块垒砌而成，用以减速源中子成热中子；第一γ射线屏蔽器4由金属铋制成，厚度120mm；第二γ射线屏蔽器5由金属铅制成；热中子反射器6，呈中空的圆锥台形；热中子准直器7为中空的铋制圆锥台形准直器；中子吸收器8为热中子吸收器；铅屏9厚度为100mm；中子和γ射线屏蔽器10，由铅硼聚乙烯板制成；热束外准直器11，由含LiF（70wt%）聚乙烯做成；热束外准直器口12，由LiF（70wt%）聚乙烯做成； 

铝瓦13，由纯铝真空浇铸而成，对称位于堆芯的另一侧；第一Cd屏14，由1mm厚的Cd片做成；减速过滤器15，由一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块、一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块组合而成；厚度之比为13：12.5：10：12.5；超热中子反射器16，由铅砖砌成；超热束γ射线屏蔽器19，其厚度为100mm， 铋；第三γ射线屏蔽器20，厚度为60mm，由铅制成；第一中子屏蔽器21包括含B₄C质量百分比10%的聚乙烯板制成的圆锥台空腔，以及填充于圆锥台空腔之内的石墨块；超热束外准直器22，由铅硼聚乙烯材料做成；第二铝箱体23用以包容和定位超热中子照射束装置内的各部件；第二中子屏蔽25，由含LiF（70wt%）聚乙烯做成。 

热中子照射束装置和超热中子束装置的铝箱体第二铝箱体1、第二铝箱体23在设备加工时即与IHNI中子源装置的水池壁焊接在一起，铝箱体内各部件的组装过程如下。 

石墨瓦2已安装在IHNI中子源装置内，中子减速器3由前向后，由下至上，逐层用石墨块垒砌而成，接着先垒砌第二γ射线屏蔽器5底部的铅砖至第一γ射线屏蔽器4的下平面高度，再安装第一γ射线屏蔽器4，接着垒砌第二γ射线屏蔽器5的其余部分（第一γ射线屏蔽器4的两侧及顶部）；再垒砌热中子反射器6底层石墨块至1/3高度，将热中子准直器7放到热中子反射器6已垒砌的石墨块上；接着继续垒砌热中子反射器6的剩余部分；以后依次组装中子吸收器8，铅屏9，并用螺栓将其固定在铝箱体1的外框架上，中子和γ射线屏蔽器10和热束外准直器11先在外部组装一起后再装入第一铝箱体1内，用螺钉与铅屏9紧固，最后装上热束外准直器口12，使之成为一个完整的热中子束照射装置。 

铝瓦13装入IHNI中子源装置内，首先用502胶将第一Cd屏14粘贴于第二铝箱体23的前端面上；接着垒砌超热束反射器16底部及前侧铅砖，然后依次组装外形尺寸均为760×760mm的减速/过滤器15、第二Cd屏17和超热束γ射线屏蔽器19；接着，将超热束反射器16剩余部分（两侧和顶部）铅砖码完；然后，码砌第一中子屏蔽器21的石墨块至该部件的1/3高度，接着，将超热准直器18座入第一中子屏蔽器21已砌的石墨砌体中央；然后再完成第一中子屏蔽器21剩余石墨块的码砌；在施工现场把第三γ射 线屏蔽器20和超热束外准直器22组装到一起，然后将该组件装入第二铝箱体23内，并用螺栓与第二铝箱体23的外框架紧固；用螺钉将第二中子屏蔽器25与第三γ射线屏蔽器20和超热束外准直器22紧固在一起；最后将超热中子束出口光栏24插入到超热束外准直器22中央开口中，超热中子装置和部件组装至此完成。 

Claims (6)

1.医院中子照射器的中子束照射装置，包括中子源，所述中子源包括堆芯和对称位于所述堆芯两侧的石墨瓦和铝瓦；所述中子束照射装置还包括位于石墨瓦一侧的热中子照射装置与位于所述铝瓦一侧的超热中子照射装置；其特征在于：

所述热中子照射装置包括依次相邻的中子减速器、第一γ射线屏蔽器、以及热中子准直器；还包括围绕所述第一γ射线屏蔽器与所述中子减速器相邻的第二γ射线屏蔽器、围绕所述热中子准直器与所述第二γ射线屏蔽器相邻的热中子反射器、围绕所述热中子准直器与所述热中子反射器相邻的中子吸收器、围绕所述热中子准直器与所述中子吸收器相邻的铅屏、围绕所述热中子准直器与所述铅屏相邻的热束外准直器、以及围绕所述热束外准直器与所述铅屏相邻的中子和γ射线屏蔽器；

所述超热中子束装置包括依次相邻的第一Cd屏、减速过滤器、第二Cd屏、超热束γ射线屏蔽器、以及超热准直器；还包括围绕所述减速过滤器的超热束反射器、围绕所述超热准直器与所述超热束反射器相邻的第一中子屏蔽器、围绕所述超热准直器与所述第一中子屏蔽器相邻的超热束外准直器、围绕所述超热束外准直器与所述第一中子屏蔽器相邻的第三γ射线屏蔽器、围绕所述超热束外准直器与第三γ射线屏蔽器相邻的第二中子屏蔽器。

2.根据权利要求1所述的一种医院中子照射器的中子束照射装置，其特征在于：所述中子减速器与热中子反射器由高纯核级石墨块垒砌而成，所述中子减速器的径向尺寸为120cm×120cm。

3.根据权利要求1所述的一种医院中子照射器的中子束照射装置，其特 征在于：所述第一γ射线屏蔽器由金属铋制成，厚度120mm。

4.根据权利要求1所述的一种医院中子照射器的中子束照射装置，其特征在于：所述热中子准直器为中空的铋制圆锥台形准直器，出口处为圆柱形。

5.根据权利要求1所述的一种医院中子照射器的中子束照射装置，其特征在于：所述减速过滤器，由一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块、一层Al块、一层Al₂O₃陶瓷块组合而成；厚度之比为13：12.5：10：12.5。

6.根据权利要求1所述的一种医院中子照射器的中子束照射装置，其特征在于：所述超热束反射器由铅砖砌成。 

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