DE212022000080U1

DE212022000080U1 - Eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen

Info

Publication number: DE212022000080U1
Application number: DE212022000080.3U
Authority: DE
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2032-05-19
Also published as: WO2023016022A1; CN113724908A

Abstract

Eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen, umfassend einen Protonenkanal und einen Vorrichtungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist, der Protonenkanal ein linearer, innerer Hohlraumkanal ist und ein Target im Protonenkanal angeordnet ist;
dass der Vorrichtungskörper einen Reflektor und einen Moderator umfasst, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist;
dass im Moderator eine Ringnut vorgesehen ist, wobei ein Kegel in der Ringnut angeordnet ist und die Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung bilden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität einer chinesischen Patentanmeldung mit dem Titel „Eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen“, die am 11. August 2021 beim chinesischen Patentamt mit der Anmeldenummer 202110916804.6 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt davon wird durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen.
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der BNCT (Bor-Neutroneneinfangtherapie) und insbesondere eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen zur Behandlung von oberflächlichen Tumoren.
Stand der Technik
Der Energiebereich der zur Behandlung eingesetzten Neutronenstrahlen der BNCT-Einrichtung beträgt <0,5 eV bis 10 keV Nach dem Eintritt in den menschlichen Körper werden die Neutronen dann von den in Tumorzellen hochangereicherten Bor-10-Atomen eingefangen, die geladene Teilchen freisetzen und Tumorzellen abtöten. Es gibt viele für die BNCT-Behandlung geeignete Tumorarten, die in oberflächliche Tumoren und tiefliegende Tumoren unterteilt werden können. Je nach Tiefe des Tumors ist auch die benötigte Neutronenstrahlenergie unterschiedlich. Bei der Behandlung tiefliegender Tumoren sind hochenergetische epithermische Neutronenstrahlen (0,5 eV bis 10 keV) erforderlich und bei der Behandlung oberflächlicher Tumoren sind thermische Neutronen mit geringerer Energie (<0,5eV) erforderlich.
Für die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen, die auf thermischer Neutronenstrahlenergie zur Behandlung von oberflächlichen Tumoren basiert und in der bestehenden BNCT-Einrichtung verwendet wird, werden in der Regel Moderatormaterialien verwendet, die Tritium oder Beryllium enthalten. Tritium und Beryllium weisen bessere neutronische Eigenschaften auf, deren Absorptionsquerschnitt geringer und deren Moderationseffizienz relativ hoch ist. Allerdings sind Materialien wie Tritium oder Beryllium extrem teuer und als Moderatormaterialien für kleine und mittlere Neutronenquellen nicht geeignet. Des Weiteren sind wasserstoffhaltige Moderatoren eine weit verbreitete Technologie. Dies liegt daran, dass die Ordnungszahl von Wasserstoff am kleinsten ist und der Energieverlust der Neutronen bei einer einzigen Streukollision am größten ist. Außerdem ist der elastische Streuquerschnitt von Wasserstoff größer, was das Volumen des gesamten Moderators kompakter macht, wodurch die geometrische Dämpfung minimiert wird.
Der elastische Streuquerschnitt des Wasserstoffelements weist eine gewisse Besonderheit auf. Für hochenergetische Neutronen, deren Energie größer als 10 keV ist, ist der elastische Streuquerschnitt kleiner und für Neutronen, deren Energie unter 10 keV ist, ist der elastische Streuquerschnitt größer, sodass der elastische Streuquerschnitt bei 10 keV das 4-fache von 1 MeV betragen muss. Wenn ein voluminöser wasserstoffhaltiger Moderator verwendet wird, ist die Größe des Moderators, die zum Moderieren hochenergetischer Neutronen mit einer Energie über 10 keV erforderlich ist, relativ groß und ist die Größe des Moderators, die zum Moderieren von Neutronen mit einer Energie unter 10 keV erforderlich ist, relativ klein. Alles in allem hat, während hochenergetische Neutronen überhaupt nicht moderiert werden, bereits innerhalb des Moderators eine große Anzahl thermischer Neutronen mit Wasserstoff reagiert, wie z. B. durch Kollision und Absorption. Aufgrund des großen Absorptionsquerschnitts von Wasserstoffmaterialien ist jedoch ein großer wasserstoffhaltiger Moderator erforderlich, wenn hochenergetische Neutronen vollständig moderiert werden sollen. Größere wasserstoffhaltige Moderatoren neigen dazu, eine große Anzahl thermischer Neutronen zu absorbieren. Die Lösung dieses technischen Problems steht kurz bevor. Darüber hinaus sehen die meisten Strahlenschutzdesigns am Auslassende bestehender Strahlformungsvorrichtungen Blei zur Abschirmung von Gammastrahlen vor. Blei weist jedoch eine große elastische Neutronenstreuung auf, das zwar Gammastrahlen effektiv abschirmen kann, aber auch den Neutronenfluss am Auslass stark reduziert.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Probleme im Stand der Technik zu lösen und eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen bereitzustellen.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die vorgeschlagene Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen einen Protonenkanal und einen Vorrichtungskörper, wobei der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist, der Protonenkanal ein linearer, innerer Hohlraumkanal ist und ein Target im Protonenkanal angeordnet ist.
Der Vorrichtungskörper umfasst einen Reflektor und einen Moderator, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist.
Im Moderator ist eine Ringnut vorgesehen, wobei ein Kegel in der Ringnut angeordnet ist und die Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung bilden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine vorgeschlagene Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen einen Protonenkanal und einen Vorrichtungskörper, wobei der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist, der Protonenkanal ein linearer, innerer Hohlraumkanal ist und ein Target im Protonenkanal angeordnet ist.
Der Vorrichtungskörper umfasst einen Reflektor und einen Moderator, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist.
In einigen Ausführungsarten umfasst der Moderator einen mittleren Moderator und einen hinteren Moderator, wobei der mittlere Moderator am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist und die hintere Oberfläche des mittleren Moderators an der vorderen Oberfläche des hinteren Moderators anliegt.
In einigen Ausführungsarten umfasst der Moderator ferner einen vorderen Moderator, wobei der vordere Moderator am Ende des Protonenkanals angeordnet ist und er auf der vorderen Oberfläche des mittleren Moderators angeordnet ist und sich zwischen dem mittleren Moderator und dem Target befindet.
In einigen Ausführungsarten ist eine Ringnut im hinteren Moderator vorgesehen, wobei ein Kegel in der Ringnut angeordnet ist und die im hinteren Moderator vorgesehene Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung bilden.
In einigen Ausführungsarten liegt die Wandstärke auf zwei Seiten der Kegelausnehmung im Bereich von 30 bis 50 mm.
In einigen Ausführungsarten liegt der Kegelspitzenwinkel des Achsenabschnitts des Kegels im Bereich von 70° bis 90°.
In einigen Ausführungsarten liegt die Achslänge des Kegels im Bereich von 100 bis 120 mm.
In einigen Ausführungsarten ist ein Abschirmkörper auf der hinteren Oberfläche des hinteren Moderators angeordnet, wobei die Dicke des Abschirmkörpers im Bereich von 130 bis 150 mm liegt.
In einigen Ausführungsarten ist eine Alkalihalogenid-Dünnschicht auf der hinteren Oberfläche des Abschirmkörpers angeordnet, wobei die Dicke der Alkalihalogenid-Dünnschicht im Bereich von 1 bis 3 mm liegt.
In einigen Ausführungsarten besteht der Reflektor aus Polyethylen und ist außerhalb des Protonenkanals und des Moderators angeordnet.
In einigen Ausführungsarten besteht der Moderator aus Polyethylen und ist am Ende des Protonenkanals angeordnet.
In einigen Ausführungsarten umfasst der Reflektor einen äußeren Reflektor und einen inneren Reflektor, wobei der innere Reflektor außerhalb des Protonenkanals und der äußere Reflektor außerhalb des inneren Reflektors und des Moderators angeordnet ist.
In einigen Ausführungsarten besteht der innere Reflektor aus Polyethylen und der äußere Reflektor aus Kohlenstoff.
In einigen Ausführungsarten besteht der vordere Moderator aus Polyethylen und weist eine Dicke von 20 bis 40 mm auf.
In einigen Ausführungsarten besteht der mittlere Moderator aus Aluminiumfluorid, wobei dessen Dicke im Bereich von 80 bis 100 mm und dessen Breite im Bereich von 120 bis 140 mm liegt.
In einigen Ausführungsarten besteht der hintere Moderator aus Polyethylen und weist eine Dicke von 100 bis 120 mm auf.
In einigen Ausführungsarten sind der Reflektor und der Moderator einstückig ausgebildet.
In einigen Ausführungsarten sind der innere Reflektor und der hintere Moderator einstückig ausgebildet.
In einigen Ausführungsarten ist das Target innerhalb des Vorrichtungskörpers angeordnet.
Die erfindungsgemäße Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen weist die folgenden vorteilhaften Effekte auf:

1. In der vorliegenden Erfindung beträgt, wenn Neutronen in den Polyethylen-Moderator eintreten, die Energie der meisten Neutronen unter Verwendung von AlF₃ etwa 10 keV oder weniger als 10 keV, wodurch der Gehalt an hochenergetischen Neutronen mit einer Energie über 10 keV verringert wird;
2. In der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung des vorderen Polyethylen-Moderators die Moderationsfähigkeit von AlF₃ für die Moderation hochenergetischer Neutronen in Bezug auf die Energie auf etwa 10 keV reduziert und somit verbessert. Es besteht daher keine Notwendigkeit, ein größeres Volumen an AlF₃-Material zu verwenden, wodurch das Volumen des gesamten Moderators reduziert und somit das vom Moderator im Vorrichtungskörper eingenommene Volumen reduziert wird. Ein kompakteres Vorrichtungsvolumen ist der Erhöhung des Neutronenflusses förderlich;
3. In der vorliegenden Erfindung können durch die Verwendung der Kegelausnehmung die thermischen Neutronen, die ursprünglich vom Moderator absorbiert oder in andere Bereiche als den Auslass gestreut wurden, von der Ausnehmung zum Auslassende geführt werden. Gleichzeitig kann die eher konische als vertikale Struktur verhindern, dass die vom Target emittierten Neutronen ohne Kollision oder mit wenigen Kollisionen aus der Kegelausnehmung entweichen. Durch einen geeigneten Kegelwinkel kann erreicht werden, dass die aus der Kegelausnehmung austretenden Neutronen nach mehreren Kollisionen zu thermischen Neutronen werden;
4. In der vorliegenden Erfindung entspricht die durch die Kegelausnehmung bewirkte Verstärkung des Neutronenflusses eher einer thermischen als einer hochenergetischen Neutronenverstärkung. Auf diese Weise wird verhindert, dass hochenergetische Neutronen aus der Kegelausnehmung zum Auslassende des Vorrichtungskörpers entweichen, um die Intensität und Reinheit der vom Auslassende emittierten thermischen Neutronen zu verbessern;
5. In der vorliegenden Erfindung wird Wismut als Material zur Abschirmung der Gammastrahlen verwendet, sodass der Abschirmkörper durch die Verwendung von Wismut eine hohe Durchlässigkeit für Neutronen erreichen und dabei Gammastrahlen wirksam abschirmen kann;
6. In der vorliegenden Erfindung wird Kohlenstoff als Hauptmaterial des Reflektors verwendet und ist um den Moderator herum angeordnet. Durch Verwendung von Kohlenstoff als Reflektormaterial kann erreicht werden, dass weniger Gammastrahlen erzeugt werden und können Neutronen effektiv zum Bereich des Moderators reflektiert werden;
7. In der vorliegenden Erfindung können thermische Neutronen durch die Verwendung einer ⁶LiF-Dünnschicht mit einer mittleren Öffnung effektiv absorbiert werden, ohne dass dabei Gammastrahlen freigesetzt werden, sodass der schlussendlich emittierte thermische Neutronenstrahl auf den am Auslassende befindlichen Bereich der Tumorläsion konzentriert wird, um die gefährdeten Organe um den Tumor herum zu schützen.

Figurenliste
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen;
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen;
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen.

Bezugszeichenliste

1: Protonenkanal;
11: Target;
2: Vorrichtungskörper,
21: Reflektor;
211: innerer Reflektor;
212: äußerer Reflektor;
22: vorderer Moderator;
23: mittlerer Moderator;
24: hinterer Moderator;
241: Ringnut;
242: Kegel;
243: Kegelausnehmung;
25: Abschirmkörper;
26: Alkalihalogenid-Dünnschicht;
27: Öffnung

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail beschrieben, und es sollte angemerkt werden, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung, aber nicht zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung dienen. In dieser detaillierten Beschreibung sind zahlreiche spezielle Details wiedergegeben, um ein Gesamtverständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu vermitteln. Für den Fachmann ist jedoch verständlich, dass die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ohne diese speziellen Einzelheiten realisiert werden können. Bei anderen Beispielen werden herkömmlich bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen nicht in Einzelheiten beschrieben, um die erfindungsgemäßen Ausführungsformen nicht zu verschleiern.
Die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ bedeutet in dieser Beschreibung, dass ein(e) bestimmte(s) Merkmal, Struktur oder Eigenschaft, das/die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Die Verwendung der Phrase „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen dieser Beschreibung bezieht sich somit nicht notwendigerweise auf ein und dieselbe Ausführungsform. Außerdem können bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen im Rahmen der in den Ansprüchen dargelegten Definition der Erfindung auf geeignete Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt, dass die Zeichnungen zum Zwecke der Erläuterung für den Fachmann dienen und dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Es sollte klar sein, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „gekoppelt“ oder „verbunden“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element gekoppelt oder verbunden ist, aber auch dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Wird hingegen ein Element als mit einem anderen Element „direkt gekoppelt“ oder „direkt verbunden“ bezeichnet, sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente. So wie der Begriff „und/oder“ hier verwendet wird, umfasst er irgendwelche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der dazugehörigen aufgelisteten Posten.
Die erfindungsgemäße Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen umfasst einen Vorrichtungskörper und einen Protonenkanal mit einem linearen, inneren Hohlraumkanal. In der vorliegenden Erfindung ist die Protoneneinfallsrichtung die Vorwärtsrichtung und ist die Protoneneinfallsstelle des Protonenkanals das vordere Ende, sodass der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals und das Target im Protonenkanal angeordnet ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das hintere Ende des Protonenkanals in das Innere des Vorrichtungskörpers hineinragt, sodass das Target ebenfalls im Inneren des Vorrichtungskörpers angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst der Vorrichtungskörper einen Reflektor und einen Moderator, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist.
Es sollte bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beachtet werden, dass in der vorliegenden Erfindung hochenergetische Neutronen schnelle Neutronen mit einer Energie höher als 10 keV, mittelenergetische Neutronen epithermische Neutronen mit einer Energie zwischen 0,5 eV und 10 keV und niederenergetische Neutronen thermische Neutronen mit einer Energie unter 0,5 eV sind.
Es sollte bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beachtet werden, dass in der vorliegenden Erfindung das Auslassende das Ende ist, an dem Neutronen von der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen emittiert werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel von 1 umfasst die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen einen mittleren Moderator und einen hinteren Moderator.
Angesichts der Probleme im Stand der Technik wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein erstes Ausführungsbeispiel vorgeschlagen. Die Probleme sind im Folgenden beschrieben: Aufgrund des großen Absorptionsquerschnitts des wasserstoffhaltigen Moderators (Polyethylen) wird zum vollständigen Moderieren hochenergetischer Neutronen ein größerer wasserstoffhaltiger Moderator (Polyethylen) benötigt. Für vorhandene Moderatoren werden bereits voluminöse wasserstoffhaltige Moderatoren (in der Regel Polyethylen) verwendet. Die Verwendung dieser voluminösen wasserstoffhaltigen Moderatoren führt jedoch dazu, dass, wenn hochenergetische Neutronen nicht vollständig zu thermischen Neutronen moderiert werden, eine große Anzahl von mittelenergetischen Neutronen/thermischen Neutronen innerhalb des wasserstoffhaltigen Moderators (Polyethylen) mit Wasserstoff reagiert, wie z. B. durch Kollision und Absorption, sodass mittelenergetische Neutronen/thermische Neutronen in großen Mengen absorbiert werden. Außerdem nehmen diese voluminösen wasserstoffhaltigen Moderatoren viel Volumen und Raum im Vorrichtungskörper ein. Daher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Moderator AlF₃ (Aluminiumfluorid) zugesetzt. Wenn Neutronen in den Polyethylen-Moderator eintreten, beträgt dadurch die Energie der meisten Neutronen etwa 10 keV oder weniger als 10 keV (nämlich hochenergetische Neutronen oder mittelenergetische Neutronen), wodurch der Gehalt an hochenergetischen Neutronen mit einer Energie über 10 keV reduziert wird. Genauer gesagt umfasst der Moderator einen mittleren Moderator und einen hinteren Moderator, wobei der mittlere Moderator AlF₃ (Aluminiumfluorid) ist, der hintere Moderator PE (Polyethylen) ist, AlF₃ am Ende des Protonenkanals angeordnet ist und die hintere Oberfläche des AlF₃ an der vorderen Oberfläche des hinteren Moderators (PE) anliegt. Wenn zur Erzeugung hochenergetischer Neutronen der Protonenstrahl aus dem Protonenkanal auf das Target trifft, treffen die hochenergetischen Neutronen, da die hochenergetischen Neutronen gestreut werden und die Einfallsrichtung der Protonen die Vorwärtsrichtung ist, zuerst auf das AlF₃. Da AlF₃ die Eigenschaften hat, hochenergetische Neutronen auf eine Energie von etwa 10 keV zu moderieren, liegt der größte Teil der Neutronenenergie nach dem Passieren von AlF₃ bei etwa 10 keV oder weniger als 10 keV (nämlich hochenergetische Neutronen oder mittelenergetische Neutronen), wodurch der Gehalt an auf den hinteren Moderator treffenden hochenergetischen Neutronen mit einer Energie über 10 keV reduziert wird. Anschließend treffen die Neutronen nahe oder unter 10 keV auf den hinteren Moderator, wobei Neutronen nahe oder unter 10 keV durch den hinteren Polyethylen-Moderator schnell moderiert werden, sodass thermische Neutronen vom Auslassende emittierten werden. Darüber hinaus werden weniger thermische Neutronen absorbiert, wodurch das Problem, dass durch vorhandene voluminöse wasserstoffhaltige Moderatoren viel Volumen und Raum im Vorrichtungskörper eingenommen werden, gelöst werden kann und somit die Absorption von thermischen Neutronen durch Polyethylen stark gehemmt wird. Um im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beste Wirkung zu erzielen, beträgt gemäß der Simulation die bevorzugte Dicke des mittleren Moderators (AlF₃) 90 mm, die bevorzugte Breite 130 mm und die bevorzugte Dicke des hinteren Moderators (PE) 110 mm.
Außerdem kann im Prozess des vorliegenden Ausführungsbeispiels für den Reflektor auch PE (Polyethylen) verwendet werden und können der Reflektor (PE) und der hintere Moderator (PE) einstückig ausgebildet sein. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das Gehäuse des Vorrichtungskörpers im Prozess des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus Polyethylen hergestellt ist.
Wenn im ersten Ausführungsbeispiel AlF₃ verwendet wird, um das Eintreten von Neutronen in den Polyethylen-Moderator zu ermöglichen, beträgt die Energie der meisten Neutronen etwa 10 keV oder weniger als 10 keV, sodass der Gehalt an hochenergetischen Neutronen mit einer Energie über 10 keV reduziert wird. Allerdings ist die mittlere freie Weglänge von AlF₃ relativ gering. Wenn AlF₃ allein verwendet wird, um hochenergetische Neutronen auf etwa 10 keV zu moderieren, ist ein großes Volumen an AlF₃-Material erforderlich, was dazu führt, dass das Volumen des gesamten Moderators zu groß wird, was zu einer großen geometrischen Dämpfung der vom Auslassende emittierten Neutronen führt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel von 2 umfasst die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen ferner einen vorderen Moderator.
Im obigen Ausführungsbeispiel ist die mittlere freie Weglänge von AlF₃ relativ gering. Wenn AlF₃ allein verwendet wird, um hochenergetische Neutronen auf etwa 10 keV zu moderieren, ist ein großes Volumen an AlF₃-Material erforderlich, was dazu führt, dass das Volumen des gesamten Moderators zu groß wird, was zu einer großen geometrischen Dämpfung der vom Auslassende emittierten Neutronen führt. Angesicht dieses Problems wird daher in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein zweites Ausführungsbeispiel vorgeschlagen. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel der Moderator ferner einen vorderen Moderator umfasst, wobei der vordere Moderator auf der vorderen Oberfläche des mittleren Moderators (AlF₃) angeordnet ist und sich zwischen dem AlF₃ und dem Target befindet. Der vordere Moderator ist Polyethylen (PE). Um im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beste Wirkung zu erzielen, beträgt gemäß der Simulation die bevorzugte Dicke der PE-Dünnschicht 30 mm. Um die Moderationsfähigkeit von AlF₃ für die Moderation hochenergetischer Neutronen in Bezug auf die Energie auf etwa 10 keV zu erhöhen, muss kein großes Volumen an AlF₃-Material verwendet werden, wodurch das Volumen des gesamten Moderators reduziert und somit das durch den Moderator eingenommene Volumen des Vorrichtungskörpers reduziert wird. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass der Moderator im Prozess des vorliegenden Ausführungsbeispiels schließlich eine PE+AlF₃+PE-Konfiguration bildet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist ein vorderer Polyethylen-Moderator (PE) auf der vorderen Oberfläche des AlF₃ hinzugefügt, um die Moderationsfähigkeit von AlF₃ für die Moderation hochenergetischer Neutronen auf etwa 10 keV zu verbessern. Allerdings kann beim Moderator mit dieser PE+AlF₃+PE-Konfiguration der Fluss der vom Auslassende emittierten Neutronen die Anforderung von 10⁹n/cm²/s nicht erfüllen, sodass der Fluss der von der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen emittierten Neutronen die für die BNCT geforderten Anforderungen an den Strahlstrom nicht erfüllen kann.
Im dritten Ausführungsbeispiel von 3 ist die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen mit einer Kegelausnehmung versehen.
Im obigen Ausführungsbeispiel weist der Moderator eine PE+AlF₃+PE-Struktur auf und der Fluss der vom Auslassende emittierten Neutronen erfüllt nicht die Anforderung von 10⁹n/cm²/s. Angesicht dieses Problems wird daher in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein drittes Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, bei dem eine Kegelausnehmung zur Verbesserung des Flusses der vom Auslassende emittierten Neutronen verwendet wird. Insbesondere besteht der Unterschied zwischen dem dritten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass im dritten Ausführungsbeispiel eine Ringnut im hinteren Moderator vorgesehen ist, d. h. eine Ringnut ist im hinteren Polyethylen-Moderator vorgesehen, wobei ein Kegel aus Polyethylen in der Ringnut angeordnet ist, die untere Oberfläche des Kegels in die Einfallsrichtung der Neutronen zeigt (nämlich der Vorwärtsrichtung des Protoneneinfalls), der Spitzenwinkel des Kegels in die Austrittsrichtung der Neutronen zeigt, gleichzeitig die Achse des Kegels senkrecht zur hinteren Oberfläche des AlF₃ steht, die untere Oberfläche des Kegels an der hinteren Oberfläche des AlF₃ anliegt und die Achse des Kegels vorzugsweise gleich der Dicke des hinteren Moderators ist. Im ersten Ausführungsbeispiel beträgt die bevorzugte Dicke des hinteren Moderators 110 mm, sodass im dritten Ausführungsbeispiel die bevorzugte Dicke der Achse des Kegels 110 mm beträgt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet kann leicht nachvollziehen, dass der Spitzenwinkel (Achsenscheitel) des Kegels auf der hinteren Oberfläche des hinteren Moderators angeordnet ist und der Spitzenwinkel des Achsenabschnitts des Kegels vorzugsweise 80° beträgt. Daraus ist ersichtlich, dass der Radius der unteren Oberfläche des Kegels 110 mm × tan 40° beträgt. Da der Kegel in der Ringnut angeordnet ist, bilden die Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung. Die Wandstärke auf zwei Seiten des Kegels liegt im Bereich von 30 bis 50 mm und beträgt vorzugsweise 40 mm. Es sollte angemerkt werden, dass die Wandstärke auf zwei Seiten des Kegels (die Oberfläche, die durch die Drehung der Seite gebildet wird, die nicht senkrecht zur Achse steht, wird als Seite des Kegels bezeichnet) der Abstand zwischen der Seitenfläche des Kegels und der Innenwandfläche der Ringnut ist. Es ist ersichtlich, dass die zwei Seitenwände der Kegelausnehmung parallel zueinander sind, d. h. die Seitenfläche des Kegels ist parallel zur Innenwandfläche der Ringnut. Im dritten Ausführungsbeispiel reicht zur Verwendung der Struktur der Kegelausnehmung schon, wenn der Kegelwinkel der Kegelausnehmung geeignet ist, d. h. wenn der Scheitelwinkel des Achsenabschnitts des Kegels geeignet ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die vom Target emittierten Neutronen ohne Kollision oder mit wenigen Kollisionen aus der Kegelausnehmung austreten, d. h. je größer der Kegelwinkel ist, desto mehr Neutronen können nach mehreren Kollisionen aus der Kegelausnehmung austreten und alle thermische Neutronen sein, sodass die durch die Kegelausnehmung bewirkte Verstärkung des Neutronenflusses eher einer thermischen als einer hochenergetischen Neutronenverstärkung entspricht, wodurch verhindert wird, dass hochenergetische Neutronen aus der Kegelausnehmung zum Auslassende des Vorrichtungskörpers entweichen, um die Intensität und Reinheit der vom Auslassende emittierten thermischen Neutronen zu verbessern.
Die im dritten Ausführungsbeispiel verwendete Kegelausnehmungstruktur (nämlich eine Kegelausnehmung, die durch eine Ringnut und einen Kegel gebildet ist) ist nicht auf eine beschränkt und kann zwei oder mehr sein. Um die optimale Größe der Ausnehmung zu erhalten, braucht nur unter Verwendung der Monte-Carlo-Software eine Simulationsrechnung durchgeführt zu werden, sodass der thermische Neutronenfluss und die Reinheit am Auslassende ein optimales Niveau erreichen können.
Im vierten Ausführungsbeispiel von 4 ist die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen mit einem Abschirmkörper versehen.
In allen obigen Ausführungsbeispielen findet am Auslassende des Vorrichtungskörpers eine Vermischung mit einer großen Menge Gammastrahlen statt. Eine Vermischung mit Gammastrahlen ist schädlich für die Behandlung von Tumoren. Die induzierte Radioaktivität, die durch den Vorrichtungskörper nach der Bestrahlung eingebracht wird, verursacht eine Strahlenbelastung am Arbeitsplatz und beeinträchtigt die Gesundheit des Personals. Um dieses technische Problem zu lösen, ist daher im ersten Ausführungsbeispiel die hintere Oberfläche des hinteren Moderators (Polyethylen) mit einem Abschirmkörper zum Abschirmen von Gammastrahlen versehen. Im allgemeinen Strahlenschutzdesign wird häufig Blei (Pb) als Material zur Abschirmung von Gammastrahlen verwendet. Allerdings ist die elastische Streuung von Neutronen an Pb größer, weshalb in der vorliegenden Erfindung Wismut (Bi) als Material zur Abschirmung der Gammastrahlen verwendet wird. Der Abschirmkörper kann durch die Verwendung von Wismut eine hohe Durchlässigkeit für Neutronen erreichen und dabei Gammastrahlen wirksam abschirmen. Um im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beste Wirkung zu erzielen, beträgt gemäß der Simulation die bevorzugte Dicke des Abschirmkörpers 140 mm.
Im fünften Ausführungsbeispiel von 5 wird in der Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen für den Reflektor Kohlenstoff als Hauptmaterial verwendet.
In allen obigen Ausführungsbeispielen wird PE als reflektierendes Material für den Reflektor des Vorrichtungskörpers verwendet. Da PE ein wasserstoffhaltiges Material ist, kann es leicht zur Erzeugung von Gammastrahlen führen. Um dieses technische Problem zu lösen, umfasst daher im zweiten Ausführungsbeispiel der Reflektor einen äußeren Reflektor und einen inneren Reflektor, wobei der innere Reflektor außerhalb des Protonenkanals angeordnet ist, der äußere Reflektor außerhalb des inneren Reflektors und des Moderators angeordnet ist und der innere Reflektor aus PE und der äußere Reflektor aus Kohlenstoff besteht. Dadurch, dass Kohlenstoff als Hauptmaterial des Reflektors verwendet wird und um den inneren PE-Reflektor und Moderator herum angeordnet ist, können gemäß der Simulation die Erzeugung von Gammastrahlen und der Gehalt an Polyethylen reduziert werden und ferner Neutronen effektiv zum Bereich des Moderators reflektiert werden.
Da ferner der innere PE-Reflektor aus Polyethylen und der hintere Moderator ebenfalls aus Polyethylen besteht, können der innere Reflektor und der hintere Moderator einstückig ausgebildet werden.
Im sechsten Ausführungsbeispiel von 6 ist die Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen mit einer ⁶LiF-Dünnschicht versehen.
Um die beste medizinische Wirkung in Bezug auf Tumoren zu erzielen und den thermischen Neutronenstrahl auf den Tumorbereich auszurichten, wird in allen obigen Ausführungsbeispielen der thermische Neutronenstrahl nur aus dem mittleren Strahlenausgang emittiert. Angesichts dessen wird ein drittes Ausführungsbeispiel vorgeschlagen. Der Unterschied zwischen dem dritten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass ferner eine Alkalihalogenid-Dünnschicht auf der hinteren Oberfläche des Abschirmkörpers angeordnet ist, wobei ⁶LiF für die Alkalihalogenid-Dünnschicht verwendet wird, wobei die bevorzugte Dicke der ⁶LiF-Dünnschicht 2 mm beträgt und eine Öffnung zum Herausführen des thermischen Neutronenstrahls in der Mitte der ⁶LiF-Dünnschicht vorgesehen ist. Bei der Behandlung von epidermalen Tumoren hat die Kollimation des thermischen Neutronenstrahls wenig Einfluss. Der Tumorbereich muss nur mit dem Auslass des thermischen Neutronenstrahls ausgerichtet werden, ohne dass dabei ein Kollimator im Vorrichtungskörper untergebracht zu werden braucht. Bei der Behandlung von tiefen Tumoren müssen die Neutronen stärker kollimiert werden, sodass der thermische Neutronenstrahl nicht in die Epidermis diffundiert und direkt bis zur Tumorstelle durchdringt. Es ist ersichtlich, dass im Prozess des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine ⁶LiF-Dünnschicht verwendet wird und eine Öffnung zum Herausführen thermischer Neutronenstrahlen in dieser vorgesehen ist. Durch die ⁶LiF-Dünnschicht können thermische Neutronen effektiv absorbiert werden, ohne dass dabei Gammastrahlen freigesetzt werden. Gemäß der Simulation verringert sich die Menge an thermischen Neutronen, die von der ⁶LiF-Dünnschicht mit der mittleren Öffnung absorbiert wird, in dem Maße, dass der thermische Neutronenfluss nur um weniger als 5 % reduziert wird, sodass der Fluss der vom Auslassende emittierten thermischen Neutronen immer noch die Anforderung von 10⁹n/cm²/s erfüllt. Selbstverständlich ist die Verwendung der Alkalihalogenid-Dünnschicht nicht auf ⁶LiF beschränkt. Es können auch andere Alkalimetallhalogenide verwendet werden.
Im Folgenden werden die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung beschrieben:

Die vorstehende Beschreibung stellt nur konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht die Schutzansprüche beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die gemäß der Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung von einem Fachmann auf diesem Gebiet vorgenommen werden können, fallen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 202110916804 [0001]

Claims

Eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen, umfassend einen Protonenkanal und einen Vorrichtungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist, der Protonenkanal ein linearer, innerer Hohlraumkanal ist und ein Target im Protonenkanal angeordnet ist; dass der Vorrichtungskörper einen Reflektor und einen Moderator umfasst, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist; dass im Moderator eine Ringnut vorgesehen ist, wobei ein Kegel in der Ringnut angeordnet ist und die Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung bilden.
Eine Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen, umfassend einen Protonenkanal und einen Vorrichtungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtungskörper am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist, der Protonenkanal ein linearer, innerer Hohlraumkanal ist und ein Target im Protonenkanal angeordnet ist; dass der Vorrichtungskörper einen Reflektor und einen Moderator umfasst, wobei der Moderator am Ende des Protonenkanals und der Reflektor am Außenumfang des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator einen mittleren Moderator und einen hinteren Moderator umfasst, wobei der mittlere Moderator am hinteren Ende des Protonenkanals angeordnet ist und die hintere Oberfläche des mittleren Moderators an der vorderen Oberfläche des hinteren Moderators anliegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator ferner einen vorderen Moderator umfasst, wobei der vordere Moderator am Ende des Protonenkanals angeordnet ist und er auf der vorderen Oberfläche des mittleren Moderators angeordnet ist und sich zwischen dem mittleren Moderator und dem Target befindet.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringnut im hinteren Moderator vorgesehen ist, wobei ein Kegel in der Ringnut angeordnet ist und die im hinteren Moderator vorgesehene Ringnut und der Kegel eine Kegelausnehmung bilden.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke auf zwei Seiten der Kegelausnehmung im Bereich von 30 bis 50 mm liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelspitzenwinkel des Achsenabschnitts des Kegels im Bereich von 70° bis 90° liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achslänge des Kegels im Bereich von 100 bis 120 mm liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschirmkörper auf der hinteren Oberfläche des hinteren Moderators angeordnet ist, wobei die Dicke des Abschirmkörpers im Bereich von 130 bis 150 mm liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alkalihalogenid-Dünnschicht auf der hinteren Oberfläche des Abschirmkörpers angeordnet ist, wobei die Dicke der Alkalihalogenid-Dünnschicht im Bereich von 1 bis 3 mm liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus Polyethylen besteht und außerhalb des Protonenkanals und des Moderators angeordnet ist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator aus Polyethylen besteht und am Ende des Protonenkanals angeordnet ist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor einen äußeren Reflektor und einen inneren Reflektor umfasst, wobei der innere Reflektor außerhalb des Protonenkanals und der äußere Reflektor außerhalb des inneren Reflektors und des Moderators angeordnet ist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Reflektor aus Polyethylen und der äußere Reflektor aus Kohlenstoff besteht.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Moderator aus Polyethylen besteht und eine Dicke von 20 bis 40 mm aufweist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Moderator aus Aluminiumfluorid besteht, wobei dessen Dicke im Bereich von 80 bis 100 mm und dessen Breite im Bereich von 120 bis 140 mm liegt.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Moderator aus Polyethylen besteht und eine Dicke von 100 bis 120 mm aufweist.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor und der Moderator einstückig ausgebildet sind.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Reflektor und der hintere Moderator einstückig ausgebildet sind.
Strahlformungsvorrichtung für thermische Neutronen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Target innerhalb des Vorrichtungskörpers angeordnet ist.