CN218652758U - Bnct用锂靶 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种BNCT用锂靶，包括：各向异性碳基板，其是将多个碳原子C以六边形格子状结合而成的单层石墨烯层叠而构成的多层石墨烯，沿着相邻单层石墨烯的间距的上下方向设置而构成的；锂金属膜，在各向异性碳基板中，设置在有相邻单层石墨烯的间隔的上表面上；冷却用金属膜，在各向异性碳基板中，设置在有相邻单层石墨烯的间隔的下表面的端部上；以及冷却用流路，设置在冷却用金属膜下方，使其可以接触冷却用金属膜的下表面。从锂金属膜的上方照射质子p，生成中子n。
Description
技术领域
本申请涉及一种BNCT用锂靶。
背景技术
众所周知，目前加速器硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Thetapy，以下简称BNCT)中使用的中子源，一般设想的是利用9Be(p，n)9B反应、7Li(P，n)7Be反应、2H(2H,n)3He反应、3H(2H,n)4He反应等。
其中，在9Be(p,n)9B反应中，靶材铍(Be)是一种固体金属，且铍的熔点为1278℃，熔点非常高又十分稳定，因此易于操作，经常被采用。
但是，当使用这种9Be(p,n)9B反应时，为了产生BNCT所需的中子量，需要将质子加速能量提高到30MeV，相应产生的中子能量也会升高。为此，需要将中子能量降低到BNCT所需的热能区，需要准备很大的减速剂。因此，在BNCT中，需要利用其他可以有效产生低能量中子的核反应。
在7Li(p,n)7Be反应中，质子的加速能量相比9Be(p,n)9B反应，较低地设置为2.5MeV，比9Be(p,n)9B反应中的质子的加速能量低一个数量级，产生的中子能量也比Be靶相比显著偏低，因此，具有可以使用薄的减速剂的优点。另一方面，2H(2H，n)3He反应和3H(2H，n)4He反应中，需要吸收了氘气和氚气的金属靶材。由于氚是极难处理的放射性物质，靶材制作上存在困难重重、缺乏实用性的问题。因此，目前在BNCT中，7Li(p,n)7Be反应的利用受到关注。
然而，为了将7Li(p,n)7Be反应中所需的金属锂(Li)靶材用于产生中子，必须要克服几个问题。首先，金属锂与空气中的氧气、水分非常容易发生反应，会变成氧化锂或氢氧化锂，并变成粉末状，所以金属锂的处理上必须十分小心。第二，金属锂的熔点为179，℃非常低，会使7Li(p,n)7Be发生反应，因此当用质子束(质子射线)照射锂时会发热，高效地冷却金属锂靶是需要解决的一个问题。
为解决这些锂靶的问题，目前为止提出了好几种方案。例如，非专利文献1(株式会社CICS，“管理编号24-105利用新材料靶材技术治疗复发性癌症的加速器型中子俘获治疗系统的开发”(在线)，日本医疗研究开发机构(AMED)委托医工协同创新促进事业，(2021年12月27日搜索)，互联网＜URL：https://www.med-device.jp/development/org/24-105.html＞)中，公开了国立癌症研究中心中央医院里使用的锂靶。该锂靶是将锂薄薄地蒸镀到具有高导热性的圆锥形金属材料的表面，从而构成圆锥形锂靶。在这种圆锥形锂靶中，通过增大质子撞击的面积，可以防止因质子照射产生的热量所导致的锂的温度升高。
此外，在非专利文献2(B Bayanov et al,“Neutron producing target foraccelerator based neutron capture therapy”，Journal of Physics:ConferenceSeries 41(2006)460-465)中，公开了在超高纯度铜基板上蒸镀储氢金属的钯，然后在钯上面蒸镀锂，制作而成的锂靶。这种锂靶是通过使其背面接触冷却水来防止锂的温度上升。另外，通过加速器打入的质子即氢原子射入钯中，可以防止因基板表面金属晶格的破坏(以下称为起泡)而导致锂从基板剥离。
此外，在JP2021-243640A(专利文献1)中公开了用质子碰撞产生中子的靶材与锂材料以及非金属材料复合而形成的复合型靶材。另有JP2013-054889A(专利文献2)中，公开了用质子碰撞产生中子的靶材与铍材料以及锂材料中的其中一种材料，按晶体取向性碳材料重叠而形成的复合体即复合型靶材。此外，在JP2013-206726A中(专利文献3)，公开了用质子碰撞产生中子的靶材与铍材料、锂材料以及碳材料复合而成的复合型靶材。该复合型靶材的表面上实施真空密封的同时，靶材的外侧或内侧的某一位置设置了具有冷媒流路的冷却机构。这个碳材料至少含有各向同性石墨材料和结晶取向性碳材料的其中之一。通过这样的结构，利用低能质子，BNCT中对患者和医生有害的，且会辐射设备的速中子降能之后可以产生低能量中子。此外，快速去除靶材产生的热量成为可能，通过这种高效的散热，可以实现以下效果：过去很难用作固体靶材的低熔点锂(熔点：180℃左右)可以作为固体靶材使用，可以防止靶材的氢脆化，防止锂材料与非金属材料在接触界面上的剥离等。
此外，在WO 2017/183693A1(专利文献4)中，公开了具有由铍材料或锂材料构成的金属膜和由石墨膜构成的基板，利用加速质子与金属膜及基板表面碰撞而产生中子的靶材。该靶材中，石墨膜的膜面方向的导热系数为1500W/(m·K)以上，膜面方向的导热性是膜面厚度方向导热性的100倍以上，石墨膜的厚度为大于1μm，小于100μm。因此，对质子束照射有着充分的耐久性和耐热性，可有效降低辐射活化，且与传统靶材相比，可以非常薄。因此，可用低加速能量质子束产生最适用于癌症治疗用途的低能的热中子和超热中子。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题
近年来，为使BNCT可以设置在一般的医院和病房楼，通过利用7Li(p,n)7Be反应进一步促进了低能化和小型化，优质的新型锂靶的探索和开发正在积极进行中。
非专利文献1所记载的技术，需要在制作困难的锥形金属上蒸镀锂，因此存在着特异性高、通用性差的问题。非专利文献2所记载的技术，通过储氢金属钯吸收质子来防止起泡，但存在着如果钯不能完全吸收质子，则无法完全防止起泡的问题。
此外，专利文献1-3所记载的技术中，除了锂材料以外，还采用了作为非金属材料的碳材料，将碳材料的晶体取向性碳材料及各向同性石墨材料组合在一起。专利文献4所记载的技术中，利用了碳材料的石墨膜的导热性。然而，这些技术存在着没能充分活用碳材料特性的问题。
因此，本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种用于BNCT的锂靶，该锂靶能够极为有效地去除因质子照射所产生的热量和防止起泡。
解决问题的方法
本申请涉及的用于BNCT的锂靶，包括，各向异性碳基板和锂金属膜，冷却用金属膜，冷却用流路。各向异性碳基板是，由多个碳原子结合成六角形格子状晶体的单层石墨烯层叠构成的多层石墨烯，使相邻单层石墨烯之间的间隔沿着上下方向设置构成。锂金属膜设置在所述各向异性碳基板中，相邻单层石墨烯间隔存在的上表面。冷却用金属膜设置在所述各向异性碳基板中，相邻单层石墨烯间隔存在的下表面端部。为使冷却介质可以接触到所述冷却用金属膜的下表面，冷却用流路设在所述冷却用金属膜的下方。BNCT用锂靶，是通过从所述锂金属膜上方来照射质子从而产生中子。
本申请的有益效果：
本申请至少一种实施方式提供的BNCT用锂靶，可以极为高效地去除因质子照射而产生的热和防止起泡。
附图说明
图1A是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶的断面图；
图1B是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶的俯视和仰视立体图；
图2A是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶中，体现照射质子时热传递方法的示例的概况断面图；
图2B是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶中，中子和质子通过时的示例的概况断面图；
图3是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶上，设置中间金属膜情况的示例的概况断面图；
图4A是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶的参考例和实施例的平面照片；
图4B是本申请一种实施方式的BNCT用锂靶的参考例和实施例的立体照片；
编号：1BNCT用锂靶，10各向异性碳基板，11锂金属膜，12冷却用金属膜，13冷却用流路，14支架。
具体实施方式
在下文中将参照附图，对本申请的实施方式进行说明，为理解本申请提供参考。不过，以下实施方式是将本申请付诸具体实行的一种示例，并非是限定本申请的技术范围。
如图1A和图1B所示，本实施方式涉及的BNCT用锂靶1包括各向异性碳基板10、锂金属膜11、冷却用金属膜12和冷却用流路13。
各向异性碳基板10是将多个碳原子C以六边形格子状结合而成的单层石墨烯10a层叠而构成的多层石墨烯10b，沿着相邻单层石墨烯10a的间距g的上下方向设置而构成的。即，以往是将多层石墨烯10b的最上层的单层石墨烯10a设置在上表面，相邻单层石墨烯10a的间隔g沿左右方向或纵深方向设置。本申请中，通过在上下方向竖立多层石墨烯10b，沿上下方向设置相邻单层石墨烯10a的间隔g，并且该间隔g设置为沿上下方向延伸的微细通孔。另外，各向异性碳基板10如图1B所示，例如，结构为圆盘状。
另，锂金属膜11，设置在各向异性碳基板10中，存在相邻单层石墨烯10a的间隔g的上表面10c。即，锂金属膜11以覆盖各向异性碳基板10的上表面10c的间隔g的方式设置。
此外，冷却用金属膜12设置在各向异性碳基板10中，相邻单层石墨烯10a的间隔g存在的下表面10d(底面)的端部10d1处。这里，冷却用金属膜12如图1B所示，例如，设置成甜甜圈形状(圆环形状)。
此外，为使冷却介质R可以与冷却用金属膜12的下表面接触，冷却用流路13设置在冷却用金属膜12的下方。在此，冷媒用流路13如图1B所示，例如，与冷却用金属膜12的形状相对应而设置成圆筒状，某一部位设有冷却介质R流入的入口，在另一部位设有供冷却介质R流出的出口。
此外，除了冷却介质R沿多层石墨烯的各向异性碳基板10的下表面10d流动的形式外，为发挥最大程度的除热效果，也可以采用把冷却介质R进行雾化，使其可以从各向异性碳基板10的下表面10d处喷射的形式。因此，可以利用冷却介质R蒸发时夺去的气化热。
另外，BNCT用锂靶1上设有支架14以固定各向异性碳基板10，锂金属膜11、冷却用金属膜12、冷却用流路13。支架14从侧面把持住各向异性碳基板10、锂金属膜11、冷却用金属膜12和冷却用流路13。
如图2A所示，BNCT用锂靶1通过从锂金属膜11上方照射质子p(质子束)来产生中子n。
因此，可以极为有效地去除质子照射所产生的热量和防止起泡。即，在本申请中，各向异性碳基板10在多层石墨烯10b中，相邻单层石墨烯10a的间隔g沿上下方向设置构成。这个多层石墨烯10b的排列方式与以往的排列方式完全不同。
这里，单层石墨烯10a的导热系数为3000W/(m·K)，超过了金刚石的导热系数。这种单层石墨烯10a发挥导热系数的部分，通常具有沿单层石墨烯10a的面方向的特性，换言之，具有沿相邻单层石墨烯10a的间隔g方向的特性。
此外，把几个单层石墨烯10a层叠形成的多层石墨烯10b是沿相邻单层石墨烯10a的间隔g的方向(单层石墨烯10a的面方向与垂直方向)，具有能透过气体的透气性。
此外，单层石墨烯10a的断裂强度为130GPa，是十分坚韧的物质。在这里，单层石墨烯10a的断裂强度通常是针对单层石墨烯10a面方向上的特性。
因此，在本申请中，为了把层叠的石墨烯10b中相邻单层石墨烯10a的间隔g，沿质子p被射入的上下方向进行设置，使碳基板10具有各向异性。
由此，首先，即使来自加速器的质子p被锂金属膜11照射而在锂金属膜11产生热h，在锂金属膜11的下方，相邻单层石墨烯10a的间隔g沿上下方向进行设置，产生的热量h沿单层石墨烯10a的面方向瞬间向下扩散。即，由于各向异性碳基板10的特殊异向性，锂金属膜11产生的热量h可以十分高效地立即向下释放。
此处，冷却用金属膜12设置在各向异性碳基板10的下表面10d的端部10d1，冷却介质R通过冷却用流路13与冷却金属膜12的下表面接触。由此，产生的热量h可以瞬间被冷却介质R所冷却。即，可以防止热量h的蓄积。因此，不仅是锂金属膜11，各向异性碳基板10上积累的热量h也可以被有效地去除。
另外，在各向异性碳基板10的下表面10d的端部10d1设置冷却用金属膜12，在不阻碍中子n通过的各向异性碳基板10的中央区域的形式下，在基板10的下表面10d的端部10d1位置使其接触冷却介质R，可以冷却各向异性碳基板10。
此处，锂金属膜11，当7Li(p，n)7Be反应没有恰当地进行，质子p被射入各向异性碳基板10时，由于相邻单层石墨烯10a的间隔g的设置，被射入的质子p沿相邻单层石墨烯10a的间隔g向下逸出，使得质子p(氢原子)不会残留在各向异性碳基板10上。即，可以有效预防因质子残留在基板上所产生的起泡(氢脆化)。
另外，通过单层石墨烯10a较高的断裂强度来提高各向异性碳基板10自身的耐久性。因此，各向异性碳基板10可以长时间使用。
如上所述，本申请涉及的BNCT用锂靶1可以极为有效地去除热h和防止起泡，且具有优异的耐久性，因此与传统的锂靶相比，BNCT用靶材(中子发生靶材)可以长时间使用。另外，由于BNCT靶材本身结构简单，可以构成更小型的BNCT用靶材，并且BNCT用靶材与照射中子n的患者之间的距离可以缩小。通过这个方法,可以实现BNCT整体上的小型化。
在这里，各向异性碳基板10的尺寸上没有特别限定，例如，比较理想的是上表面10c的横向尺寸为1cm～20cm范围内，上下方向的厚度在1mm～20mm范围内，例如可选择5mm、10mm、15mm等等。
此外，各向异性碳基板10的形状上没有特别限定，例如，除圆盘形以外，还可以是长方体形、多边体形。
此外，各向异性碳基板10的制造方法上没有特别限定，例如，可以是化学气相沉积法(CVD)。
此外，锂金属膜11的尺寸上没有特别限定，例如，比较理想的是，上表面的纵向尺寸与各向异性碳基板10的上表面10c的纵向尺寸相对应，上表面的横向尺寸与各向异性碳基板10的上表面10c的横向尺寸相对应。另外，锂金属膜11的上下方向的厚度在1μm～500μm范围内比较理想，例如可选择50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm等等。
此外，构成锂金属膜11的锂的种类没有特别限定，例如，可以是锂、锂合金等。
此外，锂金属膜11的配置方法没有特别限定，例如可以是蒸镀法。
此外，冷却用金属膜12的形状没有特别限定，例如，根据各向异性碳基板10的下表面10d的形状，除了圆环形以外，还可以是C字形、口字形、コ字形。
此外，冷却用金属膜12的上下方向的厚度没有特别限定，例如，比较理想的是在1μm～100μm范围内，例如可选择10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm等等。
此外，构成冷却用金属膜12的金属的种类上没有特别限定，例如，可以是导热系数高的铜、铜合金等。
此外，冷却用金属膜12的配置方法上没有特别限定，例如可以是蒸镀法。
此外，冷却用流路13的形状没有特别限定，例如，可以是与冷却用金属膜12下表面的形状对应的圆筒状，也可以是与冷却用金属膜12下表面的一部分相对应的形状。
此外，在冷却用流路13中流动的冷却介质R的种类没有特别限定，例如，可以是冷却水等液体、也可以是氦气等导热系数高的气体。
此外，冷却用流路13的入口和出口的构成没有特别限定，例如，图1A、图1B所示，入口和出口可以相邻也可以分开。
此外，支架14的结构上没有特别限定，例如，可以是从侧面把持各向异性碳基板10、锂金属膜11、冷却用金属膜12、冷却用流路13的框架。将支架14作为框架，例如，可以在BNCT的靶材设置位置上做成可拆卸的支架盒子来使用。
还有，对构成支架14的材料没有特别限定，例如，可以是导热系数高的金属、碳材料等。
此处，在上述说明中，虽然锂金属膜11是设置在各向异性碳基板10的上表面10c的正上方，但如图3所示，也可以在各向异性碳基板10和锂金属膜11之间设置中间金属膜15。
此处，对构成中间金属膜15的金属没有特别限定，例如，可以是储氢金属(例如钯)或储氢金属的合金。由此，质子p可以很容易地被中间金属膜15捕获，可以防止各向异性碳基板10和锂金属膜11之间的剥离。
此外，构成中间金属膜15的金属，可以是导热系数高的金属(例如铜)或者也可以是该金属的合金。因此，即使由于质子p的照射在锂金属膜11产生热h，也可经由中间金属膜15传递到各向异性碳基板10并向下方扩散，从而能够十分有效地去除热h。
在此，中间金属膜15的上下方向的厚度上没有特别限定，例如，比较理想的是在1μm～100μm范围内。
此外，中间金属膜15的配置方法没有特别限定，例如可以是蒸镀法。
接下来，对本申请涉及的实施例进行说明。首先，如图4A和图4B所示，通过化学气相沉积法，层叠多个单层石墨烯而构成的多层石墨烯，使相邻单层石墨烯的间隔沿上下方向进行设置，准备了各向异性碳基板10。以此作为参考例。通过蒸镀法，在各向异性碳基板10上，在存在相邻单层石墨烯间隔的上表面形成厚度为200μm的金属膜11。以此为实施例。在实施例中，从金属膜11的上方照射质子时，因照射质子而产生的热量沿相邻单层石墨烯的间隔向下扩散，顺利地除去热量。此外，照射的质子沿相邻单层石墨烯之间的间隔向下穿过，没有发生起泡。在实践中，通过在各向异性碳基板10的下方设置冷却用金属膜，并设置使冷却介质与冷却用金属膜接触的冷却用流路，将可以更加有效地进行除去热量。
工业可用性：
如上所述，本申请涉及的BNCT用锂靶对BNCT的低能量化和小型化十分有用，并且作为BNCT用锂靶，能够极为有效地去除质子照射产生的热量和防止起泡。
所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种BNCT用锂靶，其特征在于，包括：
各向异性碳基板，由多个碳原子以六边形格子状结合而成的单层石墨烯层叠构成的多层石墨烯，沿着相邻单层石墨烯的间隔的上下方向设置而构成；
锂金属膜，在所述各向异性碳基板中，设置在有相邻单层石墨烯间隔的上表面；
冷却用金属膜，在所述各向异性碳基板中，设置在有相邻单层石墨烯间隔的下表面端部；
冷却用流路，使冷却介质接触所述冷却用金属膜的下表面而设置在所述冷却用金属膜下方；以及，
以上具备后，从所述锂金属膜的上方照射质子从而产生中子。
2.根据权利要求1所述的BNCT用锂靶，其特征在于，还包括支架，用于固定各向异性碳基板、锂金属膜、冷却用金属膜和冷却用流路。
3.根据权利要求1所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述各向异性碳基板在上下方向的厚度为1mm～20mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述锂金属膜在上下方向的厚度为1μm～500μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述冷却用金属膜在上下方向的厚度为1μm～100μm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述各向异性碳基板与锂金属膜之间设置中间金属膜，所述中间金属膜选择以下组中的一种：储氢金属、储氢金属的合金、铜和铜合金。
7.根据权利要求6所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述中间金属膜在上下方向的厚度为1μm～100μm，采用蒸镀法制得。
8.根据权利要求1-3任一项所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述锂金属膜选择锂或锂合金；所述冷却用金属膜选择铜或铜合金。
9.根据权利要求1-3任一项所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述各向异性碳基板采用化学气相沉积法制得。
10.根据权利要求9所述的BNCT用锂靶，其特征在于，所述锂金属膜和冷却用金属膜均选择蒸镀法制得。
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