TWI649012B - Target and neutron capture treatment system for neutron beam generating device - Google Patents

Abstract

一種用於中子線產生裝置的靶材及中子捕獲治療系統，能提高中子產率以獲得足夠的中子用於治療。本發明的中子捕獲治療系統，包括中子產生裝置和射束整形體，中子產生裝置包括加速器和靶材，加速器加速產生的帶電粒子線與靶材作用產生中子線，靶材包括作用層和基座層，作用層能夠與入射粒子線作用產生所述中子線，基座層既能抑制由入射粒子線引起的發泡又能支撐所述作用層，作用層包括第一作用層和第二作用層，入射粒子線沿入射方向依次穿過第一作用層和第二作用層。

Description

用於中子線產生裝置的靶材及中子捕獲治療系統

本發明一方面係關於一種用於輻射線照射系統的靶材，特別是有關於一種用於粒子線產生裝置的靶材；本發明另一方面係關於一種輻射線照射系統，特別是有關於一種中子捕獲治療系統。

隨著原子科學的發展，例如鈷六十、直線加速器、電子射束等放射線治療已成為癌症治療的主要手段之一。然而傳統光子或電子治療受到放射線本身物理條件的限制，在殺死腫瘤細胞的同時，也會對射束途徑上大量的正常組織造成傷害；另外由於腫瘤細胞對放射線敏感程度的不同，傳統放射治療對於較具抗輻射性的惡性腫瘤(如：多行性膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素細胞瘤(melanoma))的治療成效往往不佳。

為了減少腫瘤周邊正常組織的輻射傷害，化學治療(chemotherapy)中的標靶治療概念便被應用於放射線治療中；而針對高抗輻射性的腫瘤細胞，目前也積極發展具有高相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)的輻射源，如質子治療、重粒子治療、中子捕獲治療等。其中，中子捕獲治療便是結合上述兩種概念，如硼中子捕獲治療，借由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性集聚，配合精準的中子射束調 控，提供比傳統放射線更好的癌症治療選擇。

在加速器硼中子捕獲治療中，加速器硼中子捕獲治療通過加速器將質子束加速，質子束加速至足以克服靶材原子核庫倫斥力的能量，與靶材發生核反應以產生中子，如何提高中子產率以獲得足夠的中子用於治療是系統設計中的核心問題。

因此，有必要提出一種新的技術方案以解決上述問題。

為了解決上述問題，本發明一方面提供了一種用於中子線產生裝置的靶材，其包括作用層和基座層，作用層能夠與入射粒子線作用產生中子線，基座層既能抑制由入射粒子線引起的發泡又能支撐作用層，作用層包括第一作用層和第二作用層，入射粒子線沿入射方向依次穿過第一作用層和第二作用層。採用沿粒子線入射方向設置的第一作用層和第二作用層，能夠增加中子產率。

第一、第二作用層的材料均為能夠與入射粒子線發生核反應的材料，第一、第二作用層的材料不同。

第一作用層的材料為Be或其合金，第二作用層的材料為Li或其合金，入射粒子線為質子線，第一、第二作用層分別與質子線發生⁹Be(p,n)⁹B及⁷Li(p,n)⁷Be核反應來產生中子，質子線的能量為2.5MeV-5MeV，中子產率為7.31E-05 n/proton-5.61E-04 n/proton。採用Be或其合金作為第一作用層，能夠防止第一、第二作用層被氧化，不易被第二作用層腐蝕且能夠減小入射質子束的損耗及質子束導致的發熱，同時能夠與質子發生核反應，進一步地增加中子產率。

第一作用層的厚度為5μm-25μm，第二作用層的厚度為80μm-240μm。

第二作用層與基座層通過澆注、蒸鍍或濺射工藝連接，第一作用層通過HIP處理將基座層封閉形成一個容腔和/或將第二作用層包圍。

第二作用層和基座層之間設置附著層，附著層的材料包括Cu、Al、Mg或Zn中的至少一種。

本發明之用於中子線產生裝置的靶材還包括散熱層，散熱層包括冷卻通道，冷卻通道是通過增材製造形成的。散熱層具有冷卻通道，提升了散熱效果，有助於延長靶材的壽命。

基座層由抑制發泡的材料製成，散熱層由導熱材料或既能導熱又能抑制發泡的材料製成，抑制發泡的材料或既能導熱又能抑制發泡的材料包括Fe、Ta或V中的至少一種，導熱材料包括Cu、Fe、Al中的至少一種，散熱層和基座層通過HIP工藝連接。

散熱層和基座層至少部分為相同的材料或是一體的，相同的材料為Ta或Ta-W合金。

本發明另一方面提供了一種中子捕獲治療系統，其包括中子產生裝置和射束整形體，中子產生裝置包括加速器和靶材，加速器加速產生的帶電粒子線與靶材作用產生中子線，射束整形體包括反射體、緩速體、熱中子吸收體、輻射屏蔽體和射束出口，緩速體將自靶材產生的中子減速至超熱中子能區，反射體包圍緩速體並將偏離的中子導回至緩速體以提高超熱中子射束強度，熱中子吸收體用於吸收熱中子以避免治療時與淺 層正常組織造成過多劑量，輻射屏蔽體圍繞射束出口設置在反射體後部用於屏蔽滲漏的中子和光子以減少非照射區的正常組織劑量，該靶材如上述。

本發明實施例之靶材，其作用層包括第一作用層和第二作用層，入射粒子線沿入射方向依次穿過第一作用層和第二作用層。採用沿粒子線入射方向設置的第一作用層和第二作用層，能夠增加中子產率。

100‧‧‧硼中子捕獲治療裝置

10‧‧‧中子產生裝置

11‧‧‧加速器

111‧‧‧加速管

12‧‧‧散熱層

121‧‧‧管狀件

122‧‧‧支撐件

1221‧‧‧第一支撐部

1222‧‧‧第二支撐部

1223‧‧‧第三支撐部

123‧‧‧突出部

124‧‧‧第二壁

13‧‧‧基座層

14‧‧‧作用層

15‧‧‧抗氧化層

16‧‧‧附著層

17‧‧‧連接部

20‧‧‧射束整形體

21‧‧‧反射體

22‧‧‧緩速體

23‧‧‧熱中子吸收體

24‧‧‧輻射屏蔽體

25‧‧‧射束出口

30‧‧‧準直器

40‧‧‧治療台

50‧‧‧輻射屏蔽裝置

51‧‧‧醫學影像掃描裝置

52‧‧‧資料處理及三維建模裝置

53‧‧‧屏蔽體

531‧‧‧中心通孔

200‧‧‧患者

T‧‧‧靶材

C‧‧‧帶電粒子線

N‧‧‧中子線

M‧‧‧腫瘤細胞

P‧‧‧冷卻通道

P1‧‧‧第一冷卻通道

P2‧‧‧第二冷卻通道

P3‧‧‧第三冷卻通道

IN‧‧‧冷卻進口

OUT‧‧‧冷卻出口

D1‧‧‧第一冷卻管

D2‧‧‧第二冷卻管

S‧‧‧冷卻表面

W‧‧‧內壁

D‧‧‧冷卻介質流通方向

P'、P"‧‧‧子通道

圖1為本發明實施例中的中子捕獲治療系統示意圖。

圖2為本發明實施例中的靶材的示意圖。

圖3為圖2中的靶材的局部放大示意圖。

圖4為圖2中的靶材的散熱層從方向A看過去的示意圖。

圖5a為圖2中的靶材的散熱通道內壁的第一實施例的示意圖。

圖5b為圖2中的靶材的散熱通道內壁的第一實施例的沿軸線 B-B的示意圖。

圖6a為圖2中的靶材的散熱通道內壁的第二實施例的示意圖。

圖6b為圖2中的靶材的散熱通道內壁的第二實施例的沿軸線 C-C的示意圖。

圖7為圖2中的靶材的散熱通道內壁的第三實施例的示意圖。

下面結合附圖對本發明實施例做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

如圖1，本實施例中的中子捕獲治療系統優選為硼中子捕獲治療系統100，包括中子產生裝置10、射束整形體20、準直器30和治療台40。中子產生裝置10包括加速器11和靶材T，加速器11對帶電粒子(如質子、氘核等)進行加速，產生如質子線的帶電粒子線C，帶電粒子線C照射到靶材T並與靶材T作用產生中子線(中子束)N，靶材T優選為金屬靶材。依據所需的中子產率與能量、可提供的加速帶電粒子能量與電流大小、金屬靶材的物化性等特性來挑選合適的核反應，常被討論的核反應有⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B，這兩種反應皆為吸熱反應。兩種核反應的能量閾值分別為1.881MeV和2.055MeV，由於硼中子捕獲治療的理想中子源為keV能量等級的超熱中子，理論上若使用能量僅稍高於閾值的質子轟擊金屬鋰靶材，可產生相對低能的中子，不需太多的緩速處理便可用於臨床，然而鋰金屬(Li)和鈹金屬(Be)兩種靶材與閾值能量的質子作用截面不高，為產生足夠大的中子通量，通常選用較高能量的質子來引發核反應。理想的靶材應具備高中子產率、產生的中子能量分佈接近超熱中子能區(將在下文詳細描述)、無太多強穿輻射產生、安全便宜易於操作且耐高溫等特性，但實際上並無法找到符合所有要求的核反應。本領域技術人員熟知的，靶材T也可以由Li、Be之外的金屬材料製成，例如由Ta或W及其合金等形成。加速器11可以是直線加速器、迴旋加速器、同步加速器、同步迴旋加速器。

中子產生裝置10產生的中子束N依次通過射束整形體20和 準直器30照射向治療台40上的患者200。射束整形體20能夠調整中子產生裝置10產生的中子束N的射束品質，準直器30用以會聚中子束N，使中子束N在進行治療的過程中具有較高的靶向性。射束整形體20進一步包括反射體21、緩速體22、熱中子吸收體23、輻射屏蔽體24和射束出口25，中子產生裝置10生成的中子由於能譜很廣，除了超熱中子滿足治療需要以外，需要盡可能的減少其他種類的中子及光子含量以避免對操作人員或患者造成傷害，因此從中子產生裝置10出來的中子需要經過緩速體22將其中的快中子能量調整到超熱中子能區，緩速體22由與快中子作用截面大、超熱中子作用截面小的材料製成，本實施例中，緩速體22由D₂O、AlF₃、Fluental、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的至少一種製成；反射體21包圍緩速體22，並將穿過緩速體22向四周擴散的中子反射回中子射束N以提高中子的利用率，由具有中子反射能力強的材料製成，本實施例中，反射體21由Pb或Ni中的至少一種製成；緩速體22後部有一個熱中子吸收體23，由與熱中子作用截面大的材料製成，本實施例中，熱中子吸收體23由Li-6製成，熱中子吸收體23用於吸收穿過緩速體22的熱中子以減少中子束N中熱中子的含量，避免治療時與淺層正常組織造成過多劑量；輻射屏蔽體24圍繞射束出口25設置在反射體後部，用於屏蔽從射束出口25以外部分滲漏的中子和光子，輻射屏蔽體24的材料包括光子屏蔽材料和中子屏蔽材料中的至少一種，本實施例中，輻射屏蔽體24的材料包括光子屏蔽材料鉛(Pb)和中子屏蔽材料聚乙烯(PE)。可以理解，射束整形體20還可以有其他的構造，只要能夠獲得治療所需超熱中子束即可。準直器30設置在射束出口25後部，從準直器30出來的超熱中子束向患者200照射，經淺層正常組織 後被緩速為熱中子到達腫瘤細胞M，可以理解，準直器30也可以取消或由其他結構代替，中子束從射束出口25出來直接向患者200照射。本實施例中，患者200和射束出口25之間還設置了輻射屏蔽裝置50，屏蔽從射束出口25出來的射束對患者正常組織的輻射，可以理解，也可以不設置輻射屏蔽裝置50。

患者200服用或注射含硼(B-10)藥物後，含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞M中，然後利用含硼(B-10)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，借由¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕獲及核分裂反應產生⁴He和⁷Li兩個重荷電粒子。兩荷電粒子的平均能量約為2.33MeV，具有高線性轉移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特徵，α短粒子的線性能量轉移與射程分別為150keV/μm、8μm，而⁷Li重荷粒子則為175keV/μm、5μm，兩粒子的總射程約相當於一個細胞大小，因此對於生物體造成的輻射傷害能局限在細胞層級，便能在不對正常組織造成太大傷害的前提下，達到局部殺死腫瘤細胞的目的。

下面結合圖2、圖3和圖4對靶材T的結構做詳細的說明。

靶材T設置在加速器11和射束整形體20之間，加速器11具有對帶電粒子線C進行加速的加速管111，本實施例中，加速管111沿帶電粒子線C方向伸入射束整形體20，並依次穿過反射體21和緩速體22，靶材T設置在緩速體22內並位於加速管111的端部，以得到較好的中子射束品質。

靶材T包括散熱層12、基座層13和作用層14，作用層14與帶電粒子線C作用產生中子線，基座層13支撐作用層14。本實施例中，作 用層14的材料為Li或其合金，帶電粒子線C為質子線，靶材T還包括位於作用層14一側用於防止作用層氧化的抗氧化層15，基座層13能同時抑制由入射質子線引起的發泡，帶電粒子線C沿入射方向依次穿過抗氧化層15、作用層14和基座層13。抗氧化層15的材料同時考慮不易被作用層腐蝕且能夠減小入射質子束的損耗及質子束導致的發熱，如包括Al、Ti及其合金或者不銹鋼中的至少一種。本實施例中，抗氧化層15為同時能夠與質子發生核反應的材料，起到上述作用的同時能進一步地增加中子產率，此時，抗氧化層同時為作用層的一部分，如採用Be或其合金，入射質子束的能量高於與Li和Be發生核反應的能量閾值，分別產生兩種不同的核反應，⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B；另外，Be具有高熔點及良好的導熱特性，其熔點為1287℃，熱傳導率為201W/(m K)，相對於Li(熔點為181℃，熱傳導率為71W/(m K))的耐高溫及散熱性能具有極大優勢，進一步增加了靶材的壽命，並且其與質子發生(p,n)核反應的反應閾值約為2.055MeV，多數採用質子射束的加速器中子源，其能量皆高於該反應閾值，而鈹靶亦是鋰靶以外的最佳選擇。與採用其他材料，如Al，的抗氧化層相比，由於Be的存在，中子產率得到了提高。本實施例中，質子線能量為2.5MeV-5MeV，能夠與鋰靶產生較高的作用截面，同時不會產生過多的快中子，獲得較好的射束品質；作用層14的厚度為80μm-240μm，與質子能發生充分的反應，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能；在達到上述效果的同時保證較低的製造成本，抗氧化層15的厚度為5μm-25μm。在對比試驗中，採用蒙地卡羅軟體分別模擬2.5MeV、3MeV、3.5MeV、4MeV、4.5MeV、5MeV的質子束由垂直於靶材T的作用表面的方向依次射入抗氧化層15、作用層14(Li)及基座層13(Ta，將在後文詳述)，抗氧化層15的材料以Al與Be進行對比，抗氧化層15厚度分別為5μm、10μm、15μm、20μm、25μm，作用層14厚度分別為80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，基座層13厚度對中子產率幾乎沒有影響可視實際情況調整，得到的中子產率(即每個質子產生的中子個數)結果如表1、表2所示。使用Be作為鋰靶抗氧化層相對於Al的中子產率提升比例計算結果如表3所示，由結果知，使用Be作為抗氧化層材料時，中子產率相對於Al有明顯提升，可以獲得的中子產率為7.31E-05 n/proton-5.61E-04 n/proton。

散熱層12由導熱材料(如Cu、Fe、Al等導熱性能好的材料)或既能導熱又能抑制發泡的材料製成；基座層13由抑制發泡的材料製成；抑制發泡的材料或既能導熱又能抑制發泡的材料包括Fe、Ta或V中的至少一種。散熱層可以有多種構造，如為平板狀，本實施例中，散熱層12包括管狀件121及支撐件122，管狀件121和支撐件122的材料都為Cu，具有較好的散熱性能且成本較低，管狀件121由多個管並排組成並通過支撐件122進行定位安裝，支撐件122通過螺栓或螺釘等連接件固定到緩速體22內或加速管111端部，可以理解，還可以採用其他可拆卸的連接，便於更換靶材。管的構造增大了散熱面積，提升了散熱效果，有助於延長靶材的壽命。散熱層12還具有供冷卻介質流通的冷卻通道P，本實施例中，冷卻介質為水，組成管狀件121的管內部至少部分形成冷卻通道P，冷卻介質流經 管的內部帶走其熱量，管內部作為冷卻通道，進一步增強了散熱效果，延長靶材壽命。管的形狀、個數及大小根據實際靶的尺寸決定，圖中僅示意性地畫出了4個圓管，可以理解，其也可以為方管、多邊形管、橢圓管等及其組合；相鄰的管可以是緊挨的使其外表面相互接觸，也可以是間隔開的；管的內孔橫截面形狀也可以是多樣的，如圓形、多邊形、橢圓形等，不同的橫截面還可以具有不同的形狀。由於管狀件在實際製造中每個管的直徑較小，且內部有冷卻通道，常規的生產工藝難度較大，本實施例中採用增材製造來獲得管狀件，方便微小結構和複雜結構的成型。首先對管狀件進行三維建模，將管狀件的三維模型資料登錄到電腦系統中，並分層成二維切片資料，通過電腦控制的增材製造系統將原材料(如銅粉)進行逐層製造，疊加後最終獲得三維產品。

基座層13採用Ta製成時，具有一定的散熱效果同時能夠減少起泡，抑制質子與Li發生非彈性散射而釋放γ，及阻止多餘的質子通過靶材；本實施例中，基座層13的材料為Ta-W合金，在保持上述Ta的優良性能的同時能明顯地改善純鉭強度低、熱傳導性差的劣勢，使得作用層14發生核反應產生的熱量能由基座層及時傳導出去，此時，散熱層也可以至少部分與基座層採用相同的材料或一體構造。Ta-W合金中W的重量百分比為2.5%-20%，以保證基座層抑制發泡的特性，同時基座層具有更高的強度和熱傳導性，進一步延長靶材使用壽命。採用粉末冶金、鍛造、壓製等將Ta-W合金(如Ta-2.5wt%W、Ta-5.0wt%W、Ta-7.5wt%W、Ta-10wt%W、Ta-12wt%w、Ta-20wt%W等)製成板狀的基座層13，在質子線能量為1.881MeV-10MeV，基座層的厚度至少為50μm，以充分吸收多餘的質子。

本實施例中，靶材T的製造工藝如下：S1：將液態的鋰金屬澆注到基座層13上形成作用層14，也可以採用蒸鍍或濺射等處理，鋰和鉭之間還可以設置極薄的附著層16，附著層16的材料包括Cu、Al、Mg或Zn中的至少一種，同樣可採用蒸鍍或濺射等處理，提高基座層與作用層的附著性；S2：將基座層13與散熱層12的管狀件121進行HIP(Hot Isostatic Pressing：熱等靜壓)處理；S3：抗氧化層15同時進行HIP處理或通過其他工藝將基座層13封閉形成一個容腔和/或將作用層14包圍；S4：支撐件122與管狀件121通過焊接、壓裝等方式進行連接。

上述步驟S1、S2、S3和S4不分先後，如可以先將抗氧化層15與基座層13進行HIP處理或通過其他工藝將基座層13封閉形成一個容腔，再將液態的鋰金屬澆注到該容腔內形成作用層14。可以理解，支撐件122也可以省略，將多個管通過焊接或其他方式依次連接固定為一體即可。每個管上的基座層13、作用層14、抗氧化層15分別成型，再將管狀件與支撐件122定位連接，連接後各個管上形成的基座層13、作用層14、抗氧化層15的整體可能是不連續的，則需要在相鄰的管之間形成連接部17，連接部17也由基座層13、作用層14和抗氧化層15組成，整個靶材被分為多個單獨的作用部分，進一步降低了金屬抗氧化層的起泡現象，此時，S4中支撐件122與管狀件121的連接也可採用可拆卸的方式，則靶材T可以進行部分更換，延長靶材使用壽命，降低患者治療成本；可以理解，各個管上 的基座層13、作用層14、抗氧化層15也可以整體成型再連接到管狀件，這樣連接後靶材T的作用層整體是連續的，對於帶電粒子線C與靶材T發生作用是有利的，此時支撐件122與管狀件121還可以是一體通過增材製造獲得的，降低加工、裝配難度。基座層13、作用層14、抗氧化層15形成的整體在垂直于管中心線的剖面的形狀也可以是多樣的，如與管狀件連接基座層13、作用層14、抗氧化層15一側的外表面輪廓一致，本實施例中為圓弧形，增大了靶材T與帶電粒子線C作用的面積及散熱層12與基座層13接觸並傳導熱量的面積；每個管上的作用層14至少覆蓋管外周的1/4，即作用層在圓周方向與管中心線的夾角α至少為45度。

本實施例中，支撐件122包括第一支撐部1221和第二支撐部1222，對稱設置在管狀件121的兩端，分別具有冷卻進口IN和冷卻出口OUT，冷卻通道P連通冷卻進口IN和冷卻出口OUT。冷卻通道P包括第一支撐部上的第一冷卻通道P1、第二支撐部上的第二冷卻通道P2和組成管狀件121的管內部形成的第三冷卻通道P3。冷卻介質從第一支撐部1221上的冷卻進口IN進入，通過第一冷卻通道P1同時進入組成管狀件121的各個管內部，然後通過第二支撐部上的第二冷卻通道P2從冷卻出口OUT出來。靶材T受到高能量等級的加速質子束照射溫度升高發熱，基座層和散熱層將熱量匯出，並通過流通在管狀件和支撐件內的冷卻介質將熱量帶出，從而對靶材T進行冷卻。

可以理解，第一冷卻通道P1和第二冷卻通道P2還可以採用其他的設置，如使得從第一支撐部1221上的冷卻進口IN進入的冷卻介質依次通過組成管狀件121的各個管內部，最後從第二支撐部上的冷卻出口 OUT出來；冷卻介質也可以不經過支撐件，而是直接進出管狀件，此時，冷卻進口IN和冷卻出口OUT可以設置在管狀件121上，各個管依次相連組成冷卻通道P，冷卻介質依次流經各個管的內部。

支撐件122還可以包括連接第一、第二支撐部1221、1222的第三支撐部1223，第三支撐部1223與管狀件121連接作用層14的一側相對的另一側接觸，第三支撐部1223也可以具有組成冷卻通道P的第四冷卻通道，此時，冷卻介質可以僅通過支撐件122而不經過管狀件121的各個管內部，各個管內部與支撐件122內的冷卻通道均不連通，支撐件122內的冷卻通道可以有多種排布方式，如螺旋形，以儘量多的經過與管接觸的區域；冷卻介質還可以既經過管內部又經過支撐件的第三支撐部或者既經過管內部又經過支撐件的第一、第二和第三支撐部。

本實施例中，加速管111與反射體21和緩速體22之間設置第一、第二冷卻管D1、D2，第一、第二冷卻管D1、D2的一端分別與靶材T的冷卻進口IN和冷卻出口OUT連接，另一端連接到外部冷卻源。可以理解，第一、第二冷卻管還可以以其他方式設置在射束整形體內，當靶材置於射束整形體之外時，還可以取消。

繼續參閱圖5-圖7，冷卻通道P內可以設置1個或多個具有冷卻表面S的突出部123，以增大散熱表面和/或形成渦流，增強散熱效果，冷卻表面S為冷卻介質在冷卻通道P內流通時能夠與突出部123接觸的表面，突出部123從冷卻通道P的內壁W沿與冷卻介質流通方向D垂直或傾斜的方向突出，可以理解，突出部123也可以其他形式從冷卻通道P的內壁W突出。在與冷卻介質流通方向D垂直的方向，突出部123從冷卻通道P內壁W 延伸的最大距離L1小於在該延伸方向延伸到相對的內壁W的距離L2的一半，突出部123並不能影響冷卻介質在該冷卻通道P內的自由流通，也就是說突出部起不到將一個冷卻通道劃分成幾個基本獨立(冷卻介質互不影響)的冷卻通道的作用。

在圖5a和5b所示的冷卻通道的第一實施例中，突出部123從冷卻通道P的內壁W沿與冷卻介質流通方向D垂直的方向突出，冷卻通道P的內壁W為圓柱面，突出部123為呈直線形沿冷卻介質流通方向D延伸的條形件，可以理解，冷卻通道P的內壁W可以為其他形狀，突出部123還可以呈螺旋形或其他形狀從冷卻通道P的內壁W沿冷卻介質流通方向延伸。圖中突出部為10個且沿內壁W周向平均分佈，可以理解，突出部也可以為其他個數或僅設置在與作用層或基座層接觸的冷卻通道內壁W，至少2個相鄰突出部的形狀和/或突出長度也可以不同。突出部123在垂直於冷卻介質流通方向D的橫截面形狀可以是矩形、梯形、三角形等；不同橫截面形狀或大小也可以不同，如在冷卻介質流通方向呈脈衝狀、鋸齒狀或波浪狀。突出部123的冷卻表面S上設置子突出部1231，本實施例中，子突出部1231在垂直於冷卻介質流通方向D的橫截面形狀為鋸齒狀，並沿冷卻介質流通方向D延伸，可以理解，子突出部也可以具有各種不同的構造，只要能增加散熱表面即可；本實施例中，子突出部1231僅示意性地設置在突出部123的其中一個冷卻表面上，可以理解，子突出部1231還可以設置在突出部123的任意其他冷卻表面上。

圖6a和6b所示為冷卻通道的第二實施例，下面僅描述其與第一實施例不同的地方，突出部123為在冷卻介質流通方向間隔分佈的 環，可以理解，也可以為環的至少一部分。圖中環的個數和冷卻通道的長度僅為示意，可根據實際情況進行調整。本實施例中，環的端面為垂直於冷卻介質流通方向D的平面，可以理解，其也可以為與冷卻介質流通方向D傾斜的平面或為錐形面或曲面等。

參閱圖7，冷卻通道的第三實施例中，冷卻通道P內設置至少一個第二壁124將冷卻通道P分為至少2個相互獨立的子通道P'和P"，至少2個相鄰子通道中冷卻介質流通方向不同，增加散熱效率。本實施例中，第二壁124在第一實施例的基礎上為圓筒狀並穿過各突出部123，圓筒狀的第二壁124內部形成子通道P'，同時在每2個相鄰的突出部123和第二壁124之間形成1個子通道P"，從而圍繞子通道P'形成10個子通道P"，子通道P'和至少一個子通道P"中的冷卻介質流通方向不同，至少2個相鄰的子通道P"中的冷卻介質流通方向也可以不同。可以理解，第二壁根據突出部的不同設置還可以有其他的設置方式。冷卻通道內的突出部及其上的子突出部進一步增加了製造難度，因此，突出部和/或第二壁可以採用單獨成型然後插入管內進行定位，或與管一體通過增材製造獲得。

可以理解，還可以將散熱層12同時作為基座層13，此時，散熱層12至少部分由既能導熱又能抑制發泡的材料製成，如採用Ta或Ta-W合金製成的管狀件121和Cu製成的支撐件122，作用層14通過蒸鍍或濺射等工藝與Ta或Ta-W合金管連接，Ta或Ta-W合金管同時作為基座層12和散熱層13。本實施例中，靶材T整體呈矩形板狀；可以理解，靶材T還可以為圓板狀，第一支撐部和第二支撐部組成整個圓周或圓周的一部分，此時管的長度可以不同；靶材T也可以為其他固體形狀；靶材T還可以相對加速器或 射束整形體是可運動的，以方便換靶或使粒子線與靶材均勻作用。作用層14也可以使用液狀物(液體金屬)。

可以理解，本發明的靶還可以應用於其他醫療和非醫療領域的中子產生裝置，只要其中子的產生是基於粒子線與靶材的核反應，則靶材的材料也基於不同的核反應有所區別；還可以應用於其他粒子線產生裝置。

本發明中的“管狀件”指的是多個單獨的管排列並通過連接件或連接工藝進行連接組成的整體，由一個或多個板狀件形成或組合形成中空部得到的帶中空部的物體不能理解為本發明的管狀件。

儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，都在本發明要求保護的範圍之內。

Claims (10)

1. 一種用於中子線產生裝置的靶材，其包括作用層和基座層，該作用層能夠與入射粒子線作用產生該中子線，該基座層既能抑制由入射粒子線引起的發泡又能支撐該作用層，該作用層包括第一作用層和第二作用層，入射粒子線沿入射方向依次穿過該第一作用層和第二作用層，該靶材進一步包括散熱層，該散熱層包括由多個單獨可分離的管並排組成的管狀件，組成該管狀件的管內部至少部分形成冷卻通道。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該第一、第二作用層的材料均為能夠與該入射粒子線發生核反應的材料，該第一、第二作用層的材料不同。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該第一作用層的材料為Be或其合金，該第二作用層的材料為Li或其合金，該入射粒子線為質子線，該第一、第二作用層分別與該質子線發生⁹Be(p,n)⁹B及⁷Li(p,n)⁷Be核反應來產生中子，該質子線的能量為2.5MeV-5MeV，中子產率為7.31E-05 n/proton-5.61E-04 n/proton。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該第一作用層的厚度為5μm-25μm，該第二作用層的厚度為80μm-240μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該第二作用層與基座層通過澆注、蒸鍍或濺射工藝連接，該第一作用層通過HIP處理將基座層封閉形成一個容腔和/或將第二作用層包圍。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該第二作用層和基座層之間設置附著層，該附著層的材料包括Cu、Al、Mg或Zn中 的至少一種。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於中子線產生裝置的靶材，該冷卻通道是通過增材製造形成的。
8. 如申請專利範圍第7項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該基座層由抑制發泡的材料製成，該散熱層由導熱材料或既能導熱又能抑制發泡的材料製成，抑制發泡的材料或既能導熱又能抑制發泡的材料包括Fe、Ta或V中的至少一種，導熱材料包括Cu、Fe、Al中的至少一種，該散熱層和該基座層通過HIP工藝連接。
9. 如申請專利範圍第7項所述之用於中子線產生裝置的靶材，其中，該散熱層和基座層至少部分為相同的材料或是一體的，該相同的材料為Ta或Ta-W合金。
10. 一種中子捕獲治療系統，包括中子產生裝置和射束整形體，該中子產生裝置包括加速器和靶材，該加速器加速產生的入射粒子線與該靶材作用產生中子線，該射束整形體包括反射體、緩速體、熱中子吸收體、輻射屏蔽體和射束出口，該緩速體將自該靶材產生的中子減速至超熱中子能區，該反射體包圍該緩速體並將偏離的中子導回至該緩速體以提高超熱中子射束強度，該熱中子吸收體用於吸收熱中子以避免治療時與淺層正常組織造成過多劑量，該輻射屏蔽體圍繞該射束出口設置在該反射體後部用於屏蔽滲漏的中子和光子以減少非照射區的正常組織劑量，其中，該靶材如申請專利範圍第1-9項之一所述。