TW201515011A - 濾屏與中子束源 - Google Patents

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Abstract

本發明提供之濾屏，包括：第一層，係由鐵組成；第二層，係由1體積份之氟化鋰、20至50體積份之鋁、與50至80體積份之氟化鋁組成；以及第三層，係由1重量份之氟化鋰與99至100重量份之氟化鎂組成，其中第二層位於第一層與第三層之間。

Description

濾屏與中子束源
本發明係關於中子束源，更特別關於產生中子束之濾屏結構。
硼中子捕獲治療(BNCT)的原理如下：含硼藥物經由血液循環與腫瘤細胞結合，再用中子束以腫瘤組織的位置為中心照射，使硼吸收中子後產生鋰與氦原子，準確破壞癌細胞而不破壞其他正常的組織。
對患者而言，BNCT僅會造成極小損傷，且不需外科手術與麻醉。在治療腦腫瘤時若BNCT採用穿透力較低的熱中子，需額外打開病人的頭蓋骨；若BNCT採用超熱中子，則不需打開病人的頭蓋骨。
目前大部份的BNCT的中子束源為源自研究用原子爐。由於原子爐通常無法設置於醫院中，因此醫生與患者需配合原子爐的所在進行治療。與此相較，加速器型的中子束源不但成本低，且可設置於醫院中以節省醫生與患者的時間。
綜上所述，目前亟需開發加速器型的中子束源以利BNCT的發展。
本發明一實施例提供之濾屏，包括：第一層，係 由鐵組成；第二層，係由1體積份之氟化鋰、20至50體積份之鋁、與50至80體積份之氟化鋁組成；以及第三層，係由於1重量份之氟化鋰與99重量份之氟化鎂組成。其中第二層位於第一層與第三層之間。
本發明一實施例提供之中子束源，包括：加速器；鈹靶材；以及上述之濾屏，其中鈹靶材位於加速器與濾屏之間，且濾屏之第一層位於鈹靶材與濾屏第三層之間。
10‧‧‧中子束源
11‧‧‧加速器
13‧‧‧靶材
14‧‧‧鉛壁
15‧‧‧濾屏
15A‧‧‧第一層
15B‧‧‧第二層
15C‧‧‧第三層
16‧‧‧匯聚元件
17‧‧‧患者
20‧‧‧屏蔽
第1圖係本發明一實施例中，中子束源之示意圖。
第2圖係本發明一實施例中，濾屏之示意圖。
第3圖係本發明一實施例中，含匯聚元件之中子束源的示意圖。
如第1圖所示，本發明實施例之中子束源10主要由三個部份構成：加速器11、靶材13、與濾屏15，且靶材13位於加速器11與濾屏15之間。舉例來說，加速器11可為購自Sumitomo之迴旋加速器。加速器11係用以提供能量為接近30MeV與電流為1mA以上的質子撞擊靶材13，以產生快中子。上述快中子穿過濾屏15後，產生調整後的超熱中子束。依據國際原子能總署(IAEA)之建議，BNCT所用之超熱中子通率需大於或等於109cm-2‧s-1，且伴隨每個超熱中子的快中子劑量及伴隨每個超熱中子的加馬射線劑量小於2×10-11cGy‧cm2。其中加馬射線劑量建議值容易達成，故實施例主要探討超熱中子通率 及伴隨每個超熱中子的快中子劑量。若超熱中子通率過低，則會延長患者17照射治療的時間。若快中子劑量過高，則有可能會損傷患者17的其他正常組織。若加速器11提供的質子能量過高，則會增加屏蔽設計的困難，且對提升中子的產率有限。若加速器11提供的質子能量過低，則中子的產率不足，需增加電流來彌補。
在本發明一實施例中，靶材13的材質為鈹，其厚度介於0.55cm至0.58cm之間。若靶材13的厚度過厚，則靶材散熱不易。若靶材13的厚度過薄，則中子的產率會下降。
在本發明一實施例中，濾屏15之總厚度介於67.5cm至70cm之間，且濾屏15之截面積為0.5~1.13平方米，相當於半徑介於40cm至60cm之圓形。若濾屏15之總厚度過薄，則無法有效降低快中子劑量。若濾屏15之總厚度過厚，則無法產生足夠的超熱中子通率。若濾屏15的截面積過大，將使濾屏重量增加、費用增加，而對提升中子束品質幫助有限，卻使平均超熱中子通率強度下降。若濾屏15的截面積過小，在相同厚度下將無法有效降低快中子劑量。
濾屏15為三層結構如第2圖所示，第二層15B位於第一層15A與第三層15C之間，且第一層15A位於前述之靶材13與第三層15C之間，即質子撞擊靶材13產生的中子依序穿過第一層15A、第二層15B、與第三層15C。第一層15A係由鐵組成。鐵與中子的非彈性碰撞將1MeV以上的中子減速到1MeV以下。在本發明一實施例中，第一層15A的厚度介於25cm至40cm之間。若第一層15A之厚度過薄，則1MeV以上的中子會太多。 若第一層15A之厚度過厚，則修飾1MeV以下中子之其他濾屏材料厚度會不足，會影響中子束品質。第二層15B係由1體積份之氟化鋰、20至50體積份之鋁、與50至80體積份之氟化鋁組成，見美國專利號5730918。在本發明一實施例中，第二層15B之厚度介於10cm至37.5cm之間。若第二層15B之厚度過厚，在濾屏15總厚度固定的情況下第三層厚度太薄，則中子減速不夠，使快中子劑量會過高。若第二層15B之厚度過薄，相對第三層厚度需較厚以降低快中子劑量，但同時超熱中子通率會過低。第三層15C係由1重量份之氟化鋰與99至100重量份之氟化鎂組成。若氟化鋰之比例過低(即氟化鎂之比例過高)，則熱中子佔比會增加。若氟化鋰之比例過高(即氟化鎂之比例過低)，則伴隨每個超熱中子的快中子劑量提高。在本發明一實施例中，第三層15C之厚度介於5cm至20cm之間。若第三層15C之厚度過厚，則減速過快，超熱中子通率會過低。若第三層15C之厚度過薄，則減速不夠，快中子劑量會過高。
在本發明一實施例中，可在濾屏15外側設置厚度15公分以上之鉛壁14，以進一步增加最後產生的超熱中子。若鉛壁14的厚度過厚，則太重。為避免輻射線穿出濾屏15，可採用屏蔽20包覆濾屏15。在本發明一實施例中，屏蔽20可為水泥。
在一實施例中，加速器11產生30MeV/1mA之質子束，上述中子束源10所產生的超熱中子通率超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.5×10-11cGy cm-2。
在本發明一實施例中，可進一步設置匯聚元件16 如第3圖所示。匯聚元件16位於患者17與濾屏15之間，且濾屏15位於匯聚元件16與靶材13之間。匯聚元件16之設計可參考Y-W H.Liu,T.T.Huang,S.H.Jiang,H.M.Liu,(2004)“Renovation of Epithermal Neutron Beam for BNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.。匯聚元件16在集中維持超熱中子通率強度的同時可降低快中子的劑量。舉例來說，加速器11產生30MeV/1mA之質子束，而具有匯聚元件16之中子束源10其產生的超熱中子通率介於1.7×109~2.0×109 cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.0×10-11~2.6×10-11 cGy cm-2。若加速器11產生30MeV/2mA之質子束，具有匯聚元件16之中子束源10所產生的超熱中子通率成等比例增加，介於3.4×109~4.0×109cm-2s-1，快中子劑量率亦成等比例增加，因此伴隨每一超熱中子的快中子劑量不變，介於2.0×10-11~2.6×10-11cGy cm-2。由於上述中子束源10可產生足夠的超熱中子通率與較低的快中子劑量率，因此適用於加速器型硼中子捕獲治療。
當加速器產生質子能量略有變動時，能產生上述理想超熱中子束的濾屏三層結構之厚度範圍也會略有變動。
當加速器產生的質子能量增為31MeV/1mA，能產生理想超熱中子的濾屏三層結構為：第一層之厚度介於27.5cm至40cm之間，第二層之厚度介於10cm至35cm之間，第三層之厚度介於7.5cm至20cm之間。在一實施例中，中子束源10所產生的中子束之超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.7×10-11cGy cm-2。
如加速器產生的質子能量減為29MeV/1mA，能產生理想超熱中子的濾屏三層結構為：第一層之厚度介於25cm至37.5 cm之間，第二層之厚度介於12.5cm至37.5cm之間，第三層之厚度介於5cm至17.5 cm之間。在一實施例中，中子束源10所產生的中子束之超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.5×10-11cGy cm-2。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
實施例
以下實驗採用之模擬計算軟體為Los Alamos National Laboratory開發的MCNPX，且截面庫採用ENDF/B-7。
以下實施例1至4中，加速器產生30MeV/1mA之質子，靶材為0.55cm厚之鈹。濾屏之第一層係由鐵組成，第二層係由1重量份之氟化鋰、30重量份之鋁、與69重量份之氟化鋁組成(相當於1體積份之氟化鋰、31體積份之鋁、與68體積份之氟化鋁組成)，且第三層係由1重量份之氟化鋰與99重量份之氟化鎂組成。
實施例1
取不同厚度之第一層、第二層、與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏。含有上述濾屏之中子束源產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨每一超熱中子的快中子劑量如第1 表所示：
由第1表之比較可知，第二層中的鋁原子量較大而無法有效降低快中子的速度，因此需增加第二層的厚度以降低快中子劑量，但增加第二層厚度亦會降低超熱中子通率。第三層之鎂原子量較小可有效降低快中子速度，但亦降低超熱中子通率。當第一層與第二層之總厚度(實施例1-1)等於第一層與第三層之總厚度(實施例1-4)時，實施例1-4的超熱中子通率小於實施例1-1的超熱中子通率。由實施例1-3與1-4的比較可知，當採用第一層與第二層作為濾屏的第二層厚度，需比採用第一層與第三層作為濾屏的第三層厚度多7.5cm才可達相近的快中子劑量。由實施例1-3、1-4、與1-5的比較可知，在伴隨每一超熱中子的快中子劑量相近且合理較低的情況下，採用三層結構的實施例1-5產生的超熱中子通率較高，且厚度比實施例1-3少 5cm。
實施例2
實施例2-1與實施例1-5類似，差別在於將第二層與第三層對調。雖然實施例2-1的超熱中子通率較高，但其快中子劑量率也隨之提高。為降低實施例2-1的快中子劑量率，需增加第三層的厚度如實施例2-2。然而實施例2-2的快中子劑量率雖與實施例1-5的快中子劑量相近，但其超熱中子通率卻也因而降低。由上述可知，實施例1-5中第一層、第二層、與第三層之排列順序優於實施例2-1與2-2中第一層、第三層、與第二層的排列順序。
實施例3
將第一層之厚度固定為30cm，分別搭配不同厚度之第二層與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏，並進一步搭配Y-W H.Liu,T.T.Huang,S.H.Jiang,H.M.Liu,(2004)“Renovation of Epithermal Neutron Beam for BNCT at THOR,”Appl.Radiat.Isot.61,1039-1043.所揭露的匯聚元件。含有上述濾屏與匯聚元件之中子束源產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨 每一超熱中子的快中子劑量如第3表所示：
由第3表與第1、第2表的比較可知，匯聚元件可維持超熱中子通率強度，並降低快中子劑量率。
實施例4
取不同厚度之第一層、第二層、與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏，且未使用匯聚元件。含有上述濾屏之中子束源產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨每一超熱中子的快中子劑量如第4表所示：
由第4表可知，採用適當厚度之第一層、第二層、與第三層作為濾屏之中子束源，可提供足夠的超熱中子通率與低快中子劑量率。
實施例5
加速器產生31MeV/1mA之質子，取不同厚度之第一層、第二層、與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏，且未使用匯聚元件。含有上述濾屏之中子束源產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨每一超熱中子的快中子劑量如第5表所示：
實施例6
加速器產生29MeV/1mA之質子，取不同厚度之第一層、第二層、與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏，且未使用匯聚元件。含有上述濾屏之中子束源產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨每一超熱中子的快中子劑量如第6表所示：
實施例7
加速器產生30MeV/1mA之質子，取不同厚度之第一層、第二層、與第三層組成圓形截面(半徑50cm)的濾屏，且搭配實施例3所述之匯聚元件。含有上述濾屏之中子束源經匯聚後產生的超熱中子通率、快中子劑量率、與伴隨每一超熱中子的快中子劑量如第7表所示：
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
14‧‧‧鉛壁
15‧‧‧濾屏
15A‧‧‧第一層
15B‧‧‧第二層
15C‧‧‧第三層
20‧‧‧屏蔽

Claims (16)

  1. 一種濾屏，包括：一第一層，係由鐵組成；一第二層，係由1體積份之氟化鋰、20至50體積份之鋁、與50至80體積份之氟化鋁組成；以及一第三層，係由1重量份之氟化鋰與99至100重量份之氟化鎂組成，其中該第二層位於該第一層與該第三層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之濾屏，其中該濾屏之總厚度介於67.5cm至70cm之間，且該濾屏之截面係半徑介於40cm至60cm之圓形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之濾屏，其中該第一層之厚度介於25cm至40cm之間，該第二層之厚度介於10cm至37.5cm之間，且該第三層之厚度介於5cm至20cm之間。
  4. 一種中子束源，包括：一加速器；一鈹靶材；以及申請專利範圍第1項所述之濾屏，其中該鈹靶材位於該加速器與該濾屏之間，且該濾屏之第一層位於該鈹靶材與該第三層之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生30MeV/1mA之質子束，該濾屏之第一層的厚度介於25cm至40cm之間，該第二層的厚度介於10cm至37.5cm之間，且該第三層的厚度介於5cm至20cm之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生29MeV/1mA之質子束，該濾屏之第一層的厚度介於25cm至37.5cm之間，該第二層的厚度介於12.5cm至37.5cm之間，且該第三層的厚度介於5cm至17.5cm之間。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生31MeV/1mA之質子束，該濾屏之第一層的厚度介於27.5cm至40cm之間，該第二層的厚度介於10cm至35cm之間，且該第三層的厚度介於7.5cm至20 cm之間。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生30MeV/1mA之質子束撞擊該鈹靶材，以產生中子；以及中子穿過該濾屏後，產生調整後的中子束，其中調整後的中子束之超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.5×10-11cGy cm-2。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生29MeV/1mA的質子束撞擊該鈹靶材，以產生中子；以及中子穿過該濾屏後，產生調整後的中子束，其中調整後的中子束之超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.5×10-11cGy cm-2。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，其中：該加速器產生31MeV/1mA之質子束撞擊該鈹靶材，以產生中子；以及中子穿過該濾屏後，產生調整後的中子束，其中調整後的 中子束之超熱中子通率介於1.7×109~1.9×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.9×10-11~3.7×10-11cGy cm-2。
  11. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，更包括一匯聚元件，且該濾屏位於該鈹靶材與該匯聚元件之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之中子束源，其中：該加速器產生30MeV/1mA質子撞擊該鈹靶材，以產生中子；以及中子穿過該濾屏與該匯聚元件後，產生調整後的中子束，其中調整後的中子束之超熱中子通率介於1.7×109~2.0×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.0×10-11~2.6×10-11cGy cm-2。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之中子束源，其中：該加速器產生30MeV/2mA質子撞擊該鈹靶材，以產生中子；以及中子穿過該濾屏與該匯聚元件後，產生調整後的中子束，其中調整後的中子束之超熱中子通率介於3.4×109~4.0×109cm-2s-1，且伴隨每一超熱中子的快中子劑量介於2.0×10-11~2.6×10-11cGy cm-2。
  14. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，更包括一鉛壁圍繞該濾屏之側壁。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之中子束源，其中該鉛壁之厚度為至少15cm。
  16. 如申請專利範圍第4項所述之中子束源，係用於加速器型硼中子捕獲治療。
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