JP6956854B2 - 中性子捕捉療法システム - Google Patents

Description

本発明は、放射線照射システムに関し、特に中性子捕捉療法システムに関する。

原子科学の発展に従って、コバルト６０、線形加速器、電子ビームなどの放射線療法は、既に癌治療の主な手段の１つとなった。しかし、従来の光子又は電子療法は、放射線そのものの物理的条件の制限で腫瘍細胞を殺すと共に、ビーム経路上の数多くの正常組織に損傷を与え、また、腫瘍細胞により放射線に対する感受性の度合いが異なっており、従来の放射線療法では、放射線耐性の高い悪性腫瘍（例えば、多形神経膠芽腫（ｇｌｉｏｂｌａｓｔｏｍａ ｍｕｌｔｉｆｏｒｍｅ）、黒色腫（ｍｅｌａｎｏｍａ））に対する治療効果が良くない。

腫瘍の周囲の正常組織の放射線損傷を軽減するために、化学療法（ｃｈｅｍｏｔｈｅｒａｐｙ）における標的療法概念は、放射線療法に用いられ、また、放射線耐性の高い腫瘍細胞に対し、現在では生物学的効果比（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ、ＲＢＥ）の高い放射線源が積極的に開発され、例えば、陽子線治療、重粒子治療、中性子捕捉療法などがある。このうち、中性子捕捉療法は、上記２つの構想を結びつけたものであり、例えば、ホウ素中性子捕捉療法では、ホウ素含有薬物が腫瘍細胞に特異的に集まり、高精度な中性子ビームの制御と合わせることで、従来の放射線と比べて、より良い癌治療オプションを提供する。

加速器中性子捕捉療法システムでは、加速器により荷電粒子ビームを加速し、前記荷電粒子ビームがビーム整形体内のターゲットの原子核のクーロン反発力に打ち勝つのに十分なエネルギーを有するまで加速され、前記ターゲットと原子核反応が発生して中性子を生成し、中性子を生成する過程において高出力の加速された荷電粒子ビームの照射を受けるため、ターゲットの温度が大きく上昇することにより、ターゲットの耐用年数に影響する。

冷却装置を有する中性子捕捉療法システムは、一般的に冷却媒体を流入させるための管状の第２の冷却部と、冷却媒体を流出させるための管状の第３の冷却部と、第２、第３の冷却部の間に接続され、ターゲットと直接接触してターゲットを冷却するための第１の冷却部とを含む。該構造では、管状の第２、第３の冷却部は、空気中に露出し、ターゲットに生成した中性子の一部は、第２、第３の冷却部の周囲から空気を通ってビーム整形体の外部に散乱するため、有効な中性子の収率を低減し、かつビーム整形体の外部に散乱した中性子は、中性子捕捉療法システム内の器械に影響して、放射線の漏洩を引き起こす可能性があり、中性子捕捉療法システムの耐用年数を低減し、かつ安全上の放射線リスクがある。

上記問題を解決するために、本願の１つの実施例に係る中性子捕捉療法システムは、ビーム整形体と、ビーム整形体内に設けられた真空管及び少なくとも１つの冷却装置とを含み、ビーム整形体は、ビーム入口と、真空管を収容する収容キャビティと、収容キャビティの端部に隣接した減速体と、減速体を囲む反射体と、減速体に隣接した熱中性子吸収体と、ビーム整形体内に設けられた放射線遮蔽体と、ビーム出口とを含み、真空管の端部にターゲットが設けられ、冷却装置は、ターゲットを冷却し、ターゲットは、ビーム入口から入射した荷電粒子ビームと原子核反応が発生して中性子を生成し、中性子は、中性子ビームを形成し、中性子ビームは、１本の中性子ビーム軸線を規定し、減速体は、ターゲットにより生成された中性子を熱外中性子エネルギー領域に減速させ、反射体は、逸脱した中性子を減速体に導いて熱外中性子ビーム強度を向上させ、熱中性子吸収体は、熱中性子を吸収して治療時に浅い正常組織への過度の線量を回避し、放射線遮蔽体は、漏れた中性子及び光子を遮蔽して非照射領域の正常組織の線量を減少させ、ビーム整形体内に冷却装置を収容する少なくとも１つの収容管路がさらに設けられ、冷却装置と収容管路の内壁との間に充填物が充填されている。

従来技術と比較して、本実施例に記載の技術手段は、冷却装置と収容管路の内壁との間に充填物を充填し、中性子捕捉療法装置の耐用年数を延長し、中性子の漏洩を防止し、中性子ビーム強度を向上させるという有益な効果を有する。

好ましくは、充填物がアルミニウム合金又は鉛合金であり、冷却装置と収容管路の内壁との間に充填物が充填されていないという技術手段に比べて、熱外中性子の収率を効果的に高め、高速中性子汚染を低減し、照射時間を短縮することができる。

さらに、収容管路は、前記収容キャビティの内壁外に位置する。

好ましくは、前記冷却装置は、ターゲットを冷却するための第１の冷却部と、第１の冷却部の両側に位置し、かつそれぞれ第１の冷却部に連通する第２の冷却部及び第３の冷却部とを含み、前記収容管路は、ターゲットと減速体との間に位置する第１の収容管路と、第１の収容管路の両側に位置し、かつそれぞれ第１の収容管路に連通する第２、第３の収容管路とを含み、第１、第２、第３の冷却部は、それぞれ第１、第２、第３の収容管路内に収容され、前記充填物は、第２の冷却部と第２の収容管路の内壁との間及び第３の冷却部と第３の収容管路の内壁との間に充填されている。

さらに、第２、第３の冷却部は、管状構造であり、前記第２、第３の収容管路は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸する、横断面が円形である管路として設けられる。

好ましくは、第１の冷却部は、真空管の端部に位置して前記ターゲットと平面接触し、前記第２の冷却部と第３の冷却部は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸し、かつそれぞれ真空管の上下両側に位置して第１の冷却部と共にコ字型構造を形成し、第２、第３の収容管路は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸し、かつそれぞれ真空管の上下両側に位置して前記第１の収容管路と共にコ字型構造を形成する。

好ましくは、第１の冷却部は、真空管の端部に位置して前記ターゲットと平面接触し、前記第２の冷却部及び第３の冷却部と中性子ビーム軸線との間の夾角は０°より大きく、かつ１８０°以下であり、第２、第３の収容管路と中性子ビーム軸線との間の夾角は、０°より大きく、かつ１８０°以下である。

好ましくは、第２の冷却部は、第１の冷却部に冷却媒体を流入させ、前記第３の冷却部は第１の冷却部中の冷却媒体を流出させる。

さらに、反射体は、中性子ビーム軸線の両側に、いずれも減速体より突出し、前記真空管は、反射体で囲まれた延伸部と、前記延伸部から延伸して減速体に嵌入された嵌入部とを含み、前記ターゲットは、前記嵌入部の端部に設けられている。

好ましくは、減速体は少なくとも１つの円錐状体を含むように設けられている。

本願の実施例に記載されている「円錐体」又は「円錐状体」は、図面に示されている方向に沿って、片側から他側まで、その外輪郭の全体的な傾向が次第に小さくなる構造を意味し、外輪郭の１本の輪郭線が線分、例えば、円錐状体の対応する輪郭線であってもよく、円弧、例えば、球状体の対応する輪郭線であってもよく、外輪郭の表面全体は、滑らかな遷移のものであってもよく、滑らかではない遷移のものであってもよく、例えば、円錐状体又は球状体の表面に多くの突起及び溝が形成される。

本願の実施例１に係る中性子捕捉療法システムの概略図であり、冷却装置の第２の冷却部及び第３の冷却部は、中性子ビーム軸線と平行である。 本願の実施例１に係る図１中の中性子ビーム軸線に垂直な中性子捕捉療法システムの断面図である。 本願の実施例１に係る中性子捕捉療法システムの概略図であり、真空管とビーム整形体との間の隙間に充填物が充填されていない。 本願の実施例１に係る中性子捕捉療法システムの冷却装置の部分拡大概略図である。 本願の実施例２に係る中性子捕捉療法システムの概略図であり、冷却装置の第２の冷却部及び第３の冷却部は、中性子ビーム軸線と垂直である。 本願の実施例３に係る中性子捕捉療法システムの概略図であり、冷却装置の第２の冷却部及び第３の冷却部と中性子ビーム軸線との夾角は９０°より大きい。 本願の実施例に係る中性子捕捉療法システムの冷却装置のターゲット構造の概略図である。

中性子捕捉療法は、効果的な癌治療の手段として、近年では、その適用が増加しており、そのうち、ホウ素中性子捕捉療法が最も一般的なものとなり、ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子は原子炉又は加速器で供給できる。本願の実施例は、加速器ホウ素中性子捕捉療法を例とし、加速器ホウ素中性子捕捉療法の基本モジュールは、一般的に荷電粒子（陽子、重陽子など）の加速に用いられる加速器、中性子生成部、熱除去システム及びビーム整形体を含む。加速後の荷電粒子と金属中性子生成部との作用により中性子が生成され、適切な原子核反応は、必要な中性子収率及びエネルギー、提供可能な加速荷電粒子のエネルギー及び電流、金属中性子生成部の物理的・化学的特性などにより選定される。よく検討されている原子核反応は、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ及^９Ｂｅ（ｐ，ｎ）^９Ｂであり、この両方はすべて吸熱反応であって、エネルギー閾値がそれぞれ１．８８１ＭｅＶと２．０５５ＭｅＶである。ホウ素中性子捕捉療法の理想的中性子源はｋｅＶエネルギーレベルの熱外中性子であるため、理論的には、エネルギーが閾値よりやや高い陽子による金属リチウム中性子生成部への衝突で、比較的低いエネルギーの中性子が生成され、あまり多くの減速処理を要することなく臨床適用が可能になり、しかし、リチウム（Ｌｉ）金属及びベリリウム（Ｂｅ）金属の２種の中性子生成部は、閾値エネルギーの陽子と作用する断面が大きくないので、十分な中性子束を確保するために、一般的には比較的高いエネルギーを持つ陽子で原子核反応を引き起こす。

理想的なターゲットには、中性子収率が高く、生成した中性子のエネルギー分布が熱外中性子エネルギー領域（後ほど詳細に説明）に近く、強い透過性のある放射線をあまり多く生成せず、安全かつ簡単で操作しやすく、耐高温性を持つなどの特性が必要とされるが、実際に全ての要件を満たす原子核反応は見つからない。本願の実施例では、リチウム金属で製造されたターゲットを採用する。ただし、当業者に知られているように、ターゲットの材料に、上記の金属材料以外のその他の金属材料を採用できる。

熱除去システムの要件は、選定された原子核反応により異なり、例えば、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの場合、金属ターゲット（リチウム金属）の低い融点と低い熱伝導率により、熱除去システムに対する要求は^９Ｂｅ（ｐ，ｎ）^９Ｂより厳しくなる。本願の実施例では、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの原子核反応を採用する。このことから分かるように、高エネルギーレベルの加速荷電粒子ビームによって照射されたターゲットの温度は必然的に著しく上昇するため、ターゲットの耐用年数に影響を与える。

ホウ素中性子捕捉療法の中性子源は原子炉或いは加速器による荷電粒子とターゲットとの原子核反応によるものであり、生成するのはすべて混合放射線場である。即ち、ビームは低エネルギーから高エネルギーまでの中性子及び光子を含む。深部腫瘍のホウ素中性子捕捉療法について、熱外中性子を除くその他の放射線の含有量が多ければ多いほど、正常組織での非選択的線量沈着の割合も大きくなるので、これらの不必要な線量を引き起こす放射線をできる限り低減する必要がある。エアビームの品質要素の他に、中性子による人体における線量分布をさらに理解するために、本発明の実施形態は、人間の頭部組織の人工器官を用いて線量を算出し、そして人工器官におけるビームの品質要素を中性子ビーム設計の参考とする。後ほど詳細に説明する。

国際原子力機関（ＩＡＥＡ）は臨床ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子源について、エアビームの品質要素に関する５提案を出している。この５提案は異なる中性子の長所と短所を比較するために利用できる他、中性子生成経路の選定及びビーム整形体の設計をする時の参考として利用できる。この５提案は次の通りである。
・熱外中性子束（ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ）＞１×１０^９ｎ／ｃｍ^２ｓ
・高速中性子汚染（ｆａｓｔ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）＜２×１０^−１３Ｇｙ−ｃｍ^２／ｎ
・光子汚染（ｐｈｏｔｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）＜２×１０^−１３Ｇｙ−ｃｍ^２／ｎ
・熱中性子束と熱外中性子束との比（ｔｈｅｒｍａｌ ｔｏ ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ）＜０．０５
・中性子流とフラックスとの比（ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ）＞０．７
注：熱外中性子エネルギー領域は０．５ｅＶ〜４０ｋｅＶであり、熱中性子エネルギー領域は０．５ｅＶより小さく、高速中性子エネルギー領域は４０ｋｅＶより大きい。

１．熱外中性子束：
中性子束と腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度とで臨床治療の時間が決まる。腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が十分に高ければ、中性子束への要求を緩められる。それに対し、腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が低ければ、高フラックスの熱外中性子で腫瘍に十分な線量を与える必要がある。ＩＡＥＡの提案では、熱外中性子束について、平方センチメートル当たり１秒の熱外中性子が１０^９個より多いことを求めている。既存のホウ素含有薬物にとって、このフラックスでの中性子ビームで治療時間を大体１時間以内に抑えられる。短い治療時間で、位置決めと快適さの改善、及び、腫瘍におけるホウ素含有薬物の限られた滞留時間の効果的利用に貢献できる。

２．高速中性子汚染：
高速中性子は、正常組織への不必要な線量を引き起こすので、汚染とみなされる。この線量と中性子エネルギーとには、正の相関関係があるので、中性子ビームの設計において、できる限り高速中性子の含有量を減らす必要がある。高速中性子汚染は、単位熱外中性子束に伴う高速中性子の線量と定義される。ＩＡＥＡは、高速中性子汚染を２×１０^−１３Ｇｙ−ｃｍ^２／ｎより小さくすることを推奨している。

３．光子汚染（γ線汚染）：
γ線は強い透過性の放射線に属し、非選択的にビーム経路にあるすべての組織で線量沈着を引き起こすので、γ線の含有量を減らすことも中性子ビームの設計の必要条件である。γ線汚染は、単位熱外中性子束に伴うγ線の線量と定義される。ＩＡＥＡは、γ線汚染を２×１０^−１３Ｇｙ−ｃｍ^２／ｎより小さくすることを推奨している。

４．熱中性子束と熱外中性子束との比：
熱中性子は、減衰速度が速く、透過性も弱く、人体に入ると大部分のエネルギーが皮膚組織に沈着するので、黒色腫など皮膚腫瘍にホウ素中性子捕捉療法の中性子源として熱中性子を使用する場合以外、例えば脳腫瘍などの深部腫瘍の場合、熱中性子の含有量を減らす必要がある。ＩＡＥＡは、熱中性子束と熱外中性子束との比を０．０５より小さくすることを推奨している。

５．中性子流とフラックスとの比：
中性子流とフラックスとの比は、ビームの方向性を示す。その比が大きいほど、ビームの前向性が強くなる。強い前向性を持つ中性子ビームでは、中性子の発散による周辺の正常組織への線量を減らせる他、治療可能デプス及び位置決め姿勢の柔軟性を向上させることができる。ＩＡＥＡは、中性子流とフラックスとの比を０．７より大きくすることを推奨している。

中性子捕捉療法システムのビーム整形体のターゲット冷却問題を解決するとともに、高い品質の中性子ビームを得るために、図１−４を参照して、本願の実施例１が一種の中性子捕捉療法システム１を提供して、中性子捕捉療法システム１は、ビーム整形体１０と、ビーム整形体１０内に設けられた冷却装置２０及び真空管３０とを含む。

図１及び図２に示すように、ビーム整形体１０は、ビーム入口１１と、真空管３０を収容するための収容キャビティ１２と、冷却装置２０を収容するための収容管路１３と、収容キャビティ１２の端部に隣接した減速体１４と、減速体１４を囲む反射体１５と、減速体１４に隣接した熱中性子吸収体１６と、ビーム整形体１０内に設けられた放射線遮蔽体１７と、ビーム出口１８とを含む。真空管３０の端部にターゲット３１が設けられ、ターゲット３１は、ビーム入口１１から入射し、かつ真空管３０を通った荷電粒子ビームと原子核反応が発生して中性子を生成し、中性子は、中性子ビームを形成し、中性子ビームは、ビーム出口１８から射出し、かつ真空管３０の中心軸線と基本的に重なる１本の中性子ビーム軸線Ｘを規定する。減速体１４は、ターゲット３１により生成された中性子を熱外中性子エネルギー領域に減速させ、反射体１５は、中性子ビーム軸線Ｘから逸脱した中性子を減速体１４に導いて熱外中性子ビーム強度を向上させる。反射体１５は、中性子ビーム軸線Ｘの両側に、いずれも減速体１４より突出する。熱中性子吸収体１６は、熱中性子を吸収して治療時に浅い正常組織への過度の線量を回避する。放射線遮蔽体１７は、漏れた中性子及び光子を遮蔽して非照射領域の正常組織の線量を減少させる。

加速器中性子捕捉療法システムは、加速器により荷電粒子ビームを加速し、好ましい実施例として、ターゲット３１は、リチウム金属で製造され、荷電粒子ビームがターゲットの原子核のクーロン反発力に打ち勝つのに十分なエネルギーを有するまで加速され、ターゲット３１と^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ原子核反応が発生して中性子を生成し、ビーム整形体１０は、中性子を熱外中性子エネルギー領域に減速させ、かつ熱中性子及び高速中性子の含有量を低減することができる。減速体１４は、高速中性子との作用断面が大きく、熱外中性子との作用断面が小さい材料で製造され、反射体１５は、中性子反射能力が強い材料で製造され、熱中性子吸収体１６は、熱中性子との作用断面が大きい材料で製造される。好ましい実施例として、減速体１４は、Ｄ_２Ｏ、ＡｌＦ_３、Ｆｌｕｅｎｔａｌ^ＴＭ、ＣａＦ_２、Ｌｉ_２ＣＯ_３、ＭｇＦ_２及びＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つで製造され、反射体１５は、Ｐｂ又はＮｉのうちの少なくとも１つで製造され、熱中性子吸収体１６は、^６Ｌｉで製造される。

図１に示すように、減速体１４は、少なくとも１つの円錐状体を有する構造として設けられて、熱外中性子束を向上させる。本実施例では、減速体１４は、２つの円錐状体で構成される。減速体１４は、第１の端部１４１と、第２の端部１４２と、第１の端部１４１と第２の端部１４２との間に位置する第３の端部１４３とを有する。第１、第２、第３の端部１４１、１４２、１４３の横断面は円形であり、かつ第１の端部１４１と第２の端部１４２の直径は、第３の端部１４３の直径より小さい。第１の端部１４１と第３の端部１４３との間に第１の円錐状体１４６が形成され、第３の端部１４３と第２の端部１４２との間に第２の円錐状体１４８が形成される。本願の実施例における減速体の「円錐体」又は「円錐状体」構造は、減速体が中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って、片側から他側まで、その外輪郭の全体的な傾向が次第に小さくなる構造を意味し、外輪郭の１本の輪郭線が線分、例えば、円錐状体の対応する輪郭線であってもよく、円弧、例えば、球状体の対応する輪郭線であってもよく、外輪郭の表面全体は、滑らかな遷移のものであってもよく、滑らかではない遷移のものであってもよく、例えば、円錐状体又は球状体の表面に多くの突起及び溝が形成される。

放射線遮蔽体１７は、光子線遮蔽体１７１及び中性子線遮蔽体１７２を含み、好ましい実施例として、放射線遮蔽体１７は、鉛（Ｐｂ）で製造された光子線遮蔽体１７１と、ポリエチレン（ＰＥ）で製造された中性子線遮蔽体１７２とを含む。

収容キャビティ１２は、反射体１５及び減速体１４の第１の円錐状体１４６で囲まれて形成された円柱状キャビティである。収容キャビティ１２は、反射体１５で囲まれて形成された反射体収容キャビティ１２１と、反射体収容キャビティ１２１から延伸し、減速体１４で囲まれて形成された減速体収容キャビティ１２２とを含む。

収容管路１３は、中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って延伸し収容キャビティ１２の両側に位置し、かつ１８０°を隔てて設けられた第２、第３の収容管路１３２、１３３と、中性子ビーム軸線Ｘに垂直な平面内に設置され、かつターゲット３１と減速体１４との間に位置する第１の収容管路１３１とを含む。第２、第３の収容管路１３２、１３３は中性子ビーム軸線Ｘの方向に延伸して収容キャビティ１２を超え、かつそれぞれ第１の収容管路１３１に連通する。すなわち、第１の収容管路１３１は、収容キャビティ１２の端部に位置し、かつターゲット３１と減速体１４との間に位置し、第２の収容管路１３２と第３の収容管路１３３は、それぞれ収容キャビティ１２の両側に位置し、かつそれぞれ第１の収容管路１３１に連通することにより、収容管路３０の全体は「コ」字型構造として設けられる。図３に示すように、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、それぞれ反射体収容キャビティ１２１の外側に位置する第２、第３の反射体収容管路１３２１、１３３１と、それぞれ第２、第３の反射体収容管路１３２１、１３３１から延伸して減速体収容キャビティ１２２の外側に位置する第２、第３の減速体収容管路１３２２、１３３２とを含む。本実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って延伸し、かつ中性子ビーム軸線Ｘと平行であり、すなわち、第２、第３の収容管路１３２、１３３と中性子ビーム軸線Ｘとの間の夾角は０°である。

本実施例では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、収容キャビティ１２に連通し、すなわち収容キャビティ１２内に収容された真空管３０の外面部分が第２、第３の収容管路１３２、１３３内に露出し、他の実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は収容キャビティ１２に連通しなくてもよく、すなわち、第２、第３の収容管路１３２、１３３と収容キャビティ１２との間は、反射体１５と減速体１４により隔てられる。以上より、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、収容キャビティ１２の内壁外に位置する。本願の実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、真空管３０の軸線方向に沿って延伸した円弧状管路として設けられ、他の実施形態では、方形、三角形又は他の多角形の管路で代替されてよい。本願の実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、収容キャビティ１２の円周方向に隔てられ、互いに独立した２つの収容管路であり、他の実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３は、収容キャビティ１２の円周方向に連通し、すなわち、収容キャビティ１２を囲む１つの収容管路で代替される。

真空管３０は、反射体で囲まれた延伸部３２と、延伸部３２から延伸して減速体１４に嵌入された嵌入部３４とを含み、すなわち、延伸部３２は、反射体収容キャビティ１２１内に収容され、嵌入部３４は、減速体収容キャビティ１２２内に収容される。ターゲット３１は、真空管３０の嵌入部３４の端部に設けられる。本実施形態では、冷却装置２０が嵌入部の真空管３０中のターゲット３１を冷却するとともに、ビーム整形体１０が良好な品質の中性子ビームを得ることを確保するために、真空管３０の一部は、減速体１４内に嵌設される。

図７に示すように、ターゲット３１は、リチウムターゲット層３１１と、リチウムターゲット層３１１の片側に位置してリチウムターゲット層３１１の酸化を防止する酸化防止層３１２とを含む。ターゲット３１の酸化防止層３１２は、Ａｌ又はステンレスで製造される。

図４に示すように、冷却装置２０は、鉛直方向に沿って配置され、かつターゲット３１の前方に位置し、ターゲット３１を冷却するための第１の冷却部２１と、中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って延伸して真空管３０の両側に位置し、かつ中性子ビーム軸線Ｘに平行な第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３とを含み、第１の冷却部は第２、第３の冷却部２２、２３の間に接続される。第１の冷却部２１は、中性子ビーム軸線Ｘに垂直な方向に沿って配置された第１の収容管路１３１内に収容され、第２、第３の冷却部２２、２３は、それぞれ中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って配置された第２、第３の収容管路１３２、１３３内に収容される。第２の冷却部２２は、第１の冷却部２１に冷却媒体を流入させ、第３の冷却部２３は、第１の冷却部２１中の冷却媒体を流出させる。第１の冷却部２１は、ターゲット３１と減速体１４との間に位置し、第１の冷却部２１の片側は、ターゲット３１と直接接触し、他側は減速体１４と接触する。第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３は、それぞれ反射体収容キャビティ１２１の外側に位置する第１、第２の冷却セグメント２２１、２３１と、第１、第２の冷却セグメント２２１、２３１から延伸し、かつ減速体収容キャビティ１２２の外側に位置する第３、第４の冷却セグメント２２２、２３２とを含む。第３、第４の冷却セグメント２２２、２３２は、それぞれ第１の冷却部２１に連通する。すなわち、第１の冷却部２１は、真空管３０の嵌入部１２１の端部に位置し、かつターゲット３１の片側に位置してターゲット３１と直接接触し、第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３は、それぞれ収容キャビティ１２内の真空管３０の上下両側に位置し、かつそれぞれ第１の冷却部２１に連通することにより、冷却装置２０の全体は「コ」字型構造として設けられる。本実施形態では、第１の冷却部２１は、ターゲット３１と平面接触し、第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３は、いずれも銅製造の管状構造であり、かつ第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３は、中性子ビーム軸線Ｘの方向に沿って延伸し、かつ中性子ビーム軸線Ｘと平行であり、すなわち、第２の冷却部２２及び第３の冷却部２３と中性子ビーム軸線Ｘとの間の夾角は０°である。

第１の冷却部２１は、第１の接触部２１１と、第２の接触部２１２と、第１の接触部２１１と第２の接触部２１２との間に位置する、冷却媒体が通過する冷却槽２１３とを含む。第１の接触部２１１は、ターゲット３１と直接接触し、第２の接触部２１２は、減速体１４と直接接触してもよく、空気による間接接触してもよい。冷却槽２１３は、第２の冷却部２２に連通する流入槽２１４と、第３の冷却部２３に連通する流出槽２１５とを有する。第１の接触部２１１は、熱伝導性材料で製造される。流入槽２１４の上縁は、第２の冷却部２２の上縁の上方に位置し、流出槽２１５の下縁は、第３の冷却部２３の下縁の下方に位置する。このように配置する利点は、冷却装置２０において、冷却水を冷却槽２１３中によりスムーズに流入させ、かつターゲット３１をタイムリーに冷却させ、加熱された冷却水を冷却槽２１３からスムーズに流出させることができるとともに、冷却槽２１３中の冷却水の水圧をある程度で低下させることができる。

第１の接触部２１１は、熱伝導性材料（例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌなどの熱伝導性の高い材料）、又は熱伝導性を有し、かつ発泡を抑制できる材料で製造され、第２の接触部２１２は、発泡を抑制する材料で製造され、発泡を抑制する材料、又は熱伝導性を有し、かつ発泡を抑制できる材料は、Ｆｅ、Ｔａ又はＶのいずれか１種で製造される。ターゲット３１は、高エネルギーレベルの加速照射を受けて温度が上昇し発熱し、第１の接触部２１１は、熱を放出し、かつ冷却槽２１３中に流れる冷却媒体によって熱を放出することにより、ターゲット３１を冷却する。本実施形態では、冷却媒体は水である。

本実施例では、第２、第３の収容管路１３２、１３３及び第２、第３の冷却部２２、２３と中性子ビーム軸線Ｘとの間の夾角は０°である。他の実施形態では、第２、第３の収容管路１３２、１３３及び第２、第３の冷却部２２、２３と中性子ビーム軸線Ｘとの間の夾角は、０°より大きく１８０°以下の他の任意の夾角であってもよく、例えば、図６に示すように、第２、第３の収容管路１３２’、１３３’及び第２、第３の冷却部２２’、２３’と中性子ビーム軸線Ｘ’との間の夾角は９０°であり、図７に示すように、第２、第３の収容管路１３２’’、１３３’’及び第２、第３の冷却部２２’’、２３’’と中性子ビーム軸線Ｘ’’との間の夾角は１３５°である。

図５は、本願の実施例２における中性子捕捉療法システム１’の概略図を示し、冷却装置２０’の第２の冷却部２２’及び第３の冷却部２３’は中性子ビーム軸線Ｘ’と垂直であり、すなわち、冷却装置２０’は、「Ｉ」字型構造として設けられて、嵌入式の真空管３０’中のターゲット３１’を冷却する。「Ｉ」字型冷却装置２０’における第１の冷却部２１’は、コ字型冷却装置２０の第１の冷却部２１と同じように設けられるが、「Ｉ」字型冷却装置２０’の第２の冷却部２２’及び第３の冷却部２３’と第１の冷却部２１’が中性子ビーム軸線Ｘ’に垂直な同じ平面内に位置し、かつ第２の冷却部２２’及び第３の冷却部２３がそれぞれ中性子ビーム軸線Ｘに垂直な方向に沿って減速体１４’から穿設され、すなわち、第２の冷却部２２’及び第３の冷却部２３’と中性子ビーム軸線Ｘ’との間の夾角が９０°であることにより、冷却装置の全体が矩形、すなわち上記「Ｉ」字型構造として設けられる点で相違する。

引き続き図５を参照すると、これに応じて、収容管路３０’も「Ｉ」字型構造として設けられ、「Ｉ」字型収容管路３０’における第１の収容管路１３１’は、コ字型冷却管路３０の第１の収容管路１３１と同じように設けられるが、「Ｉ」字型収容管路３０’の第２の収容管路１３２’及び第３の収容管路１３３’と第１の収容管路１３１’が中性子ビーム軸線Ｘ’に垂直な同じ平面内に位置し、かつ第２の収容管路１３２’と第３の収容管路１３３’がそれぞれ中性子ビーム軸線Ｘ’に垂直な方向に沿って減速体１４’から穿設され、すなわち、第２、第３の収容管路１３２’、１３３’と中性子ビーム軸線Ｘ’との間の夾角が９０°であることにより、収容管路の全体が矩形、すなわち上記「Ｉ」字型構造として設けられる点で相違する。

図６は、本願の実施例３に係る中性子捕捉療法システム１’’の概略図を示し、冷却装置２０’’の第２の冷却部２２’’及び第３の冷却部２３’’と中性子ビーム軸線Ｘ’’との間の夾角が９０°より大きく、冷却装置２０’’における第１の冷却部２１’’がコ字型冷却装置２０の第１の冷却部２１と同じように設けられるが、冷却装置２０’’の第２の冷却部２２’’及び第３の冷却部２３’’と中性子ビーム軸線Ｘ’’との間の夾角が１３５°である点で相違する。収容管路３０’’の第１の収容管路１３１’は、コ字型収容管路３０の第１の収容管路１３１と同じように設けられるが、収容管路３０’’の第２の収容管路１３２’’及び第３の収容管路１３３’’と中性子ビーム軸線Ｘ’との間の夾角が１３５°である点で相違する。

図１、図３、図５及び図６に示すように、第２、第３の冷却部２２、２３、２２’、２３’、２２’’、２３’’と第２、第３の収容管路１３２、１３３、１３２’、１３３’、１３２’’、１３３’’の内壁との間にそれぞれ隙間があり、該隙間内に、充填物４０、４０’、４０’’があり、充填物４０、４０’、４０’’は、中性子を吸収又は反射できる鉛合金又はアルミニウム合金などの物質である。充填物４０、４０’、４０’’は、該隙間内に反射又は散乱した中性子を減速体１４又は反射体１５内に反射することにより、熱外中性子の収率を向上させ、さらに被照射体の必要な照射時間を減少させることができる。一方、中性子がビーム整形体１０の外部に漏れて中性子捕捉療法システムの器械に悪影響を及ぼすことを回避し、放射線安全性を向上させる。本願の実施例では、鉛合金中の鉛の含有量は、８５％以上であり、アルミニウム合金中のアルミニウムの含有量は、８５％以上である。

充填物４０がそれぞれ空気又は鉛合金又はアルミニウム合金である場合、熱外中性子の収率、高速中性子汚染量及び照射時間に対する影響を比較するために、表１〜表３を作成して、詳細な比較を行う。

表１は、異なる収容キャビティの孔径で、充填物がそれぞれ空気、アルミニウム合金、鉛合金である場合、熱外中性子の収率（ｎ／ｃｍ^２ｍＡ）を示す。

表２は、異なる収容キャビティの孔径で、充填物がそれぞれ空気、アルミニウム合金、鉛合金である場合、高速中性子汚染量（Ｇｙ−ｃｍ^２／ｎ）を示す。

表３は、異なる収容キャビティの孔径で、充填物がそれぞれ空気、アルミニウム合金、鉛合金である場合、被照射体の必要な照射時間（分間）を示す。

表１〜表３から分かるように、収容キャビティの孔径が同じである場合、空気が充填されることに比べて、鉛合金又はアルミニウム合金が充填される場合、熱外中性子の収率が高く、高速中性子汚染量及び必要な照射時間が少ない。

本願に開示された中性子捕捉療法システムは、以上の実施例に係る内容及び図面に示す構造に限定されるものではない。例えば、減速体は、円柱体として設けられてよく、冷却装置は、複数設けられてよく、収容管路は、これに応じて複数有する。本願の基礎上で、その中の部材の材料、形状及び位置に対して行われる明らかな変更、代替又は修正は、いずれも本願の特許請求の範囲内にある。

Claims (14)

1. ビーム整形体と、ビーム整形体内に設けられた真空管及び少なくとも１つの冷却装置とを含み、前記ビーム整形体は、ビーム入口と、前記真空管を収容する収容キャビティと、前記収容キャビティの端部に隣接した減速体と、前記減速体を囲む反射体と、前記ビーム整形体内に設けられた放射線遮蔽体と、ビーム出口とを含み、前記真空管の端部にターゲットが設けられ、前記冷却装置は、ターゲットを冷却し、前記ターゲットは、前記ビーム入口から入射した荷電粒子ビームと原子核反応が発生して中性子を生成し、前記中性子は、中性子ビームを形成し、前記中性子ビームは、ビーム出口から出射し、かつ１本の中性子ビーム軸線を規定し、前記減速体は、前記ターゲットにより生成された中性子を熱外中性子エネルギー領域に減速させ、前記反射体は、逸脱した中性子を前記減速体に導いて熱外中性子ビーム強度を向上させ、前記放射線遮蔽体は、漏れた中性子及び光子を遮蔽して非照射領域の正常組織の線量を減少させ、前記ビーム整形体内に前記冷却装置を収容する少なくとも１つの収容管路がさらに設けられ、前記冷却装置と収容管路の内壁との間に充填物が充填されており、前記充填物は鉛合金又はアルミニウム合金である、中性子捕捉療法システム。
2. 前記収容管路は前記収容キャビティの内壁の外に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の中性子捕捉療法システム。
3. 前記冷却装置は、ターゲットを冷却するための第１の冷却部と、第１の冷却部の両側に位置し、かつそれぞれ第１の冷却部に連通する第２の冷却部及び第３の冷却部とを含み、前記収容管路は、ターゲットと減速体との間に位置する第１の収容管路と、第１の収容管路の両側に位置し、かつそれぞれ第１の収容管路に連通する第２、第３の収容管路とを含み、第１、第２、第３の冷却部は、それぞれ第１、第２、第３の収容管路内に収容され、前記充填物は、第２の冷却部と第２の収容管路の内壁との間及び第３の冷却部と第３の収容管路の内壁との間に充填されている、ことを特徴とする請求項１に記載の中性子捕捉療法システム。
4. 前記第２、第３の冷却部は、管状構造であり、前記第２、第３の収容管路は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸する管路として設けられる、ことを特徴とする請求項３に記載の中性子捕捉療法システム。
5. 前記第１の冷却部は、真空管の端部に位置して前記ターゲットと平面接触し、前記第２の冷却部及び第３の冷却部は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸し、かつそれぞれ真空管の上下両側に位置して第１の冷却部と共にコ字型構造を形成し、第２、第３の収容管路は、中性子ビーム軸線に平行な方向に沿って延伸し、かつそれぞれ真空管の上下両側に位置して前記第１の収容管路と共にコ字型構造を形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の中性子捕捉療法システム。
6. 前記第１の冷却部は、真空管の端部に位置して前記ターゲットと平面接触し、前記第２の冷却部及び第３の冷却部と中性子ビーム軸線との間の夾角は、０°より大きく、かつ１８０°以下であり、第２、第３の収容管路と中性子ビーム軸線との間の夾角は、０°より大きく、かつ１８０°以下である、ことを特徴とする請求項３に記載の中性子捕捉療法システム。
7. 前記第２の冷却部は、第１の冷却部に冷却媒体を流入させ、前記第３の冷却部は、第１の冷却部中の冷却媒体を流出させる、ことを特徴とする請求項３に記載の中性子捕捉療法システム。
8. 前記反射体は、中性子ビーム軸線の両側に、いずれも減速体より突出し、前記真空管は、反射体に囲まれた延伸部と、前記延伸部から延伸して減速体に嵌入された嵌入部とを含み、前記ターゲットは、前記嵌入部の端部に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の中性子捕捉療法システム。
9. 前記減速体は、少なくとも１つの円錐状体を含むように設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の中性子捕捉療法システム。
10. 前記第２、第３の収容管路は、円弧状管路又は多角形管路として設けられている、ことを特徴とする請求項４又は６のいずれか一項に記載の中性子捕捉療法システム。
11. 前記第２、第３の収容管路は、前記収容キャビティの円周方向に連通し、収容キャビティを囲む収容管路として設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の中性子捕捉療法システム。
12. 前記第２、第３の収容管路は、前記収容キャビティと連通し、収容キャビティ内に収容された真空管の外面部分は、前記第２、第３の収容管路内に露出している、ことを特徴とする請求項４に記載の中性子捕捉療法システム。
13. 前記第２、第３の収容管路は、前記収容キャビティと連通せず、第２、第３の収容管路と収容キャビティとの間は、反射体及び／又は減速体により隔てられる、ことを特徴とする請求項４に記載の中性子捕捉療法システム。
14. ビームエネルギースペクトルを調整するビーム整形体と、ビーム整形体内に設けられた真空管と、中性子捕捉療法システム用のターゲットを冷却するための冷却装置と、前記冷却装置を収容する少なくとも１つの収容管路とを含み、前記冷却装置と収容管路の内壁との間に充填物が充填されており、前記充填物は鉛合金又はアルミニウム合金である、中性子捕捉療法システム。

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