TWI717348B - 產生用於硼中子捕獲治療之中子的設備及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述用於生產用於諸如硼中子捕獲治療(BNCT)的應用之中子的設備及方法。設備可包括具有冷卻劑入口及冷卻劑出口之旋轉夾具，及多個中子生產分段。該等多個中子生產分段中每一中子生產分段可移除地耦接至該旋轉夾具，且包括基板，該基板具有界定於該基板中的冷卻劑溝道迴路及安置於該基板上的固體中子源層。該冷卻劑溝道迴路處於與該冷卻劑入口及該冷卻劑出口流體連通中。

Description

產生用於硼中子捕獲治療之中子的設備及方法 相關申請案
本申請案主張2015年5月6日申請的美國臨時專利申請案第62/157,652號之申請日之權益，該美國臨時專利申請案之內容藉此以引用方式整體併入本文。
發明領域
本揭示案係關於用於使用中子源材料產生中子之方法及系統。
發明背景
中子源具有許多潛在應用，包括醫療、同位素生產、爆炸性/可裂材料偵測、貴金屬礦石之試金、成像及其他。特定興趣領域為硼中子捕獲治療(BNCT)，硼中子捕獲治療為優先將硼集中在患者的惡性腫瘤中且在含硼腫瘤處使中子束瞄準穿過患者的癌治療技術。當硼原子捕獲中子時，產生粒子，該等粒子具有充分的能量以對存在含硼腫瘤的組織造成嚴重破壞。效應為高度局部化的，且因此，此技術可用作極具選擇性的癌治療方法，僅影響特定標靶的細胞。
使用中子源的許多活動目前在中子豐富的核研究反應堆處進行。然而，諸如安全性、核材料處置及許多研究反應堆之壽命終止及退役之接近的許多實踐問題使得此方法具有挑戰性。基於加速器之中子源可用作相對低價的緊湊替代物。例如，小的相對廉價的直線加速器可用來使諸如質子的離子加速，該等離子隨後可集中在能夠產生中子的標靶上。然而，此技術之主要挑戰在於，傳統標靶架構無法適當的處置由質子束給予標靶的大功率，從而導致對標靶的實質破壞。
發明概要
本發明描述用於生產用於諸如硼中子捕獲治療(BNCT)的應用之中子的設備及方法。設備可包括具有冷卻劑入口及冷卻劑出口之旋轉夾具，及多個中子生產分段。該等多個中子生產分段中每一中子生產分段可移除地耦接至該旋轉夾具，且包括基板，該基板具有界定於該基板中的冷卻劑溝道迴路及安置於該基板上的固體中子源層。該冷卻劑溝道迴路處於與該冷卻劑入口及該冷卻劑出口流體連通中。
在一些實施例中，設備可包括具有冷卻劑入口及冷卻劑出口之旋轉夾具，及多個中子生產分段。該等多個中子生產分段中每一中子生產分段可移除地耦接至旋轉夾具。該等多個中子生產分段中每一中子生產分段可包括：基板，其具有界定於其中的冷卻劑溝道迴路，該冷卻劑溝道迴路處於與冷卻劑入口及冷卻劑出口流體連通中；以及固體中子源層，例如包含鋰、鈹或其他中子產生材料，該固體中子源層安置於基板之表面上。每一固體中子源層具有主表面，該主表面可實質上垂直於旋轉夾具之旋轉軸地安置，相對於旋轉夾具之旋轉軸以固定角度(例如，約90度或約0度)安置，或相對於旋轉夾具之旋轉軸實質上平行地安置。基板可包含銅、鋁、鈦及不銹鋼中至少一者。
在一些實施例中，旋轉夾具包括真空密封。
在一些實施例中，冷卻劑溝道迴路包括具有例如介於約0.5mm與約3mm之間的尺寸(例如，寬度或直徑)之微溝道。微溝道可具有實質上圓形或矩形橫截面形狀。
在一些實施例中，冷卻劑溝道迴路包括多個實質上線性溝道，該等多個實質上線性溝道實質上平行於固體中子源層之主表面地定向。該等多個溝道中之溝道可由多個壁界定，該等多個壁中每一壁安置於該等多個溝道中之兩個相鄰溝道之間，該等多個壁中每一壁具有為該等多個溝道中每一溝道之寬度的約兩倍的寬度。
在一些實施例中，該等多個中子生產分段中每一分段具有為以下各者之一的形狀：環帶之一部分、扇形或截短扇形。固體中子源層之厚度可介於約0.01mm與約3mm之間，或介於約0.09mm與約2mm之間。該等多個中子生產分段及旋轉夾具共同地可界定具有約1公尺之外徑的圓盤或圓筒。該等多個中子生產分段包括至少三個，或至少五個，或總共十六個中子生產分段。
在一些實施例中，方法包括旋轉可移除地耦接至旋轉夾具的多個分段，該等多個分段中之分段包括固體中子源層。冷卻劑流過該等多個分段之冷卻劑溝道迴路，且質子束經導向固體中子源材料，使得質子束在圓盤旋轉時順序地接觸該等多個分段之一系列分段中每一個之表面(例如，以約10cm之束斑大小)，以便引起中子自圓盤之發射。質子束可具有介於約1.88MeV與約3MeV之間的能量及/或介於約10mA與約100mA之間的電流。該等多個分段可以至少約100RPM，例如約1,000RPM之速度旋轉。
A-A’、B-B’‧‧‧線
X‧‧‧旋轉軸
Y‧‧‧軸
H‧‧‧中心輪轂部分
P、1699‧‧‧患者
100、1200、1500、1501‧‧‧系統
102、1510、1511‧‧‧可旋轉結構
104、104A-104D、1522‧‧‧分段
106、106A-106D、505‧‧‧基板
108、108A-108D‧‧‧中子源層
110‧‧‧嵌入式冷卻劑溝道
110A-110D‧‧‧冷卻劑溝道/冷卻溝道
112‧‧‧旋轉夾具
112A、935A、935B‧‧‧入口
112B、937‧‧‧出口
113、1610‧‧‧質子束產生器
113A、1266、1590、1690‧‧‧質子束
113B、1670‧‧‧中子束
200、300‧‧‧BNCT設備
215、315‧‧‧腔室出入門
302‧‧‧標靶圓盤
302A、402A‧‧‧輪轂
319‧‧‧自旋馬達
321‧‧‧框架
323‧‧‧後蓋
325‧‧‧腔室
327、1268‧‧‧孔徑
402‧‧‧可旋轉標靶總成
404‧‧‧可移出標靶花瓣
431‧‧‧水封
433‧‧‧鐵磁流體旋轉真空密封
435‧‧‧冷卻劑入口
437‧‧‧冷卻劑出口
504、704、804、904‧‧‧花瓣
508‧‧‧金屬化表面
510‧‧‧冷卻微溝道
535、837‧‧‧水入口
537、835‧‧‧水出口
650‧‧‧機器人
652‧‧‧可縮回標靶護罩
654‧‧‧移動式機器人搬運車
656‧‧‧屏蔽箱
810‧‧‧微溝道
1260‧‧‧可旋轉結構/結構
1261、1525‧‧‧外部殼體
1262‧‧‧水平基底/基底
1263‧‧‧豎直外壁
1264、1560、1561‧‧‧可旋轉輪轂
1265‧‧‧馬達
1267‧‧‧開口
1270、1370‧‧‧凹槽
1272‧‧‧隆起基底分離器
1274、1374‧‧‧壁分段
1276‧‧‧隆起壁分離器
1360‧‧‧結構
1371‧‧‧固體鋰
1373‧‧‧液體鋰
1375‧‧‧液體鋰薄膜
1520、1521‧‧‧基底分段
1526‧‧‧中子反射體
1530、1531‧‧‧豎直基底
1535、1536‧‧‧固體鋰層
1570‧‧‧冷卻劑線路
1575‧‧‧進給器線路
1600‧‧‧BNCT系統
1615‧‧‧束運送系統
1620‧‧‧中子源標靶
1626‧‧‧反射器
1650‧‧‧中子產生系統
1680‧‧‧患者定位及治療系統
1691‧‧‧束緩和劑
1692‧‧‧束準直儀
1698‧‧‧標靶
本揭示案之特定實施例在以下予以描述且展示於圖1至圖18中。此等實施例僅以實例之方式呈現。許多修改及其他實施例在一般技術者之範疇內，且如屬本揭示案之範疇而被涵蓋。另外，熟習此項技術者應瞭解，特定條件及組態為示範性的，且實際條件及組態將取決於特定系統。熟習此項技術者將亦能夠僅使用常規實驗認識且識別所示特定元件之等效物。
圖1A為根據本揭示案之一些實施例的適合於在硼中子捕獲治療(BNCT)中使用之設備的方塊圖。
圖1B為根據一些實施例的圓盤形可旋轉結構之平面圖的圖示。
圖1C為展示圖1B之可旋轉結構的對應於圖1B之線A-A’的橫截面圖的圖示。
圖1D為根據一些實施例的圖1B之可旋轉結構在 用作硼中子捕獲治療(BNCT)之部分期間的圖示。
圖1E為根據一些實施例的圓筒形可旋轉結構之透視圖的圖示。
圖1F為展示圖1E之可旋轉結構的對應於圖1E之線B-B’的橫截面圖的圖示。
圖1G為根據一些實施例的圖1E之可旋轉結構在用作BNCT之部分期間的圖示。
圖2為根據本揭示案之一些實施例的BNCT設備之繪圖。
圖3為根據本揭示案之一些實施例的BNCT設備之分解圖的呈現。
圖4A為根據本揭示案之一些實施例的可旋轉標靶總成之透視圖的呈現。
圖4B為圖4A之可旋轉標靶總成之側視圖的呈現。
圖5A為根據本揭示案之一些實施例的花瓣之繪圖。
圖5B為根據本揭示案之一些實施例的花瓣之展示微溝道的透視圖的呈現。
圖6為根據本揭示案之一些實施例的機器人交換設備的圖解。
圖7A為根據本揭示案之一些實施例的花瓣附接之繪圖。
圖7B為根據本揭示案之一些態樣的圖7A之附接 至輪轂的花瓣之繪圖。
圖8A為根據本揭示案之一些實施例的展示用於微溝道佈置之平均鋰表面溫度的熱圖。
圖8B為圖8A之微溝道佈置的壓力圖。
圖8C為用於圖8A之微溝道佈置之微溝道速度的圖。
圖8D為展示用於圖8A之微溝道佈置的自入口至出口之溫度變化的熱圖。
圖9為根據本揭示案之一些實施例的雙入口微溝道佈置之呈現。
圖10為根據本揭示案之一些實施例的在BNCT系統之使用期間隨時間推移的溫度的圖表。
圖11A為根據本揭示案之一些實施例的可旋轉標靶總成對映冷卻劑速度之側視圖的呈現。
圖11B為圖11A之可旋轉標靶總成對映壓力之側視圖的呈現。
圖12及圖13為可用於本文所描述之BNCT系統中的可旋轉圓柱形結構的示意圖。
圖14A至圖14C展示根據本揭示案之一些實施例的液體中子源之薄膜之形成的各種階段。
圖15A至圖15D展示根據本揭示案之一些實施例的可旋轉圓盤形結構之各種實施例。
圖16為根據本揭示案之一些實施例的BNCT系統之在橫截面上的示意圖。
較佳實施例之詳細說明
本揭示案係關於用於產生中子之方法、設備及系統。在一些實施例中，系統包括用於硼中子捕獲治療(BNCT)之固體鋰中子生產標靶。
BNCT為用於癌治療之標靶輻射治療，在該標靶輻射治療期間，以諸如果糖-BPA的富硼溶液灌輸患者。硼隨後例如在腫瘤部位處由癌細胞選擇性地吸收。例如由鋰中子源產生的中子藉由以下核反應與硼相互作用：10B+nth→[11B]*→α+7Li+2.31MeV。藉由以在腫瘤部位附近熱化的超熱中子之通量照射患者之腫瘤部位，癌細胞被α粒子及鋰離子殺死。所釋放的α粒子及鋰離子具有極短範圍，例如約5微米至9微米，且因此在大小上與癌細胞類似。
BNCT治療需要超熱中子之高通量，通常介於1eV與10keV之間。臨床治療所需要的通量為大約1x109n/cm2/s。歷史上，BNCT治療已在核研究反應堆設施處進行，然而，基於加速器之中子源對於醫院環境中的治療之廣泛實行為優選的。
為使用加速器生產中子通量之適當水平，已提出若干核反應。最有前途的反應之一為7Li(p,n)→7Be反應。此反應具有高中子產率且生產具有適度能量之中子，兩者情況對於許多應用為合意的。由此反應生產的中子通量對於BNCT為合意的，例如因為通量可經容易地緩和至無許多高能中子的超熱中子。為使用基於加速器之中子源實現此 反應，向藉由質子加速器產生的質子束呈現承載源材料(例如，鋰)的標靶。中子自源材料發射，並且可經緩和且藉由束成形組件準直至所要中子「束」以用於治療。質子束大小可在束成形組件之出口處具有相較於中子束的可比較大小或較小大小。例如，質子束大小可介於約40mm與約150mm之間。存在用於BNCT之鋰P,N反應的兩個一般方法：質子束能量為約1.9MeV的「近臨限值」，及質子束能量為約2.5MeV的「超臨限值」。「近臨限值」方法具有以下優點：來自標靶之中子能量分佈接近用於治療之超熱能量分佈，因此僅可使用最小緩和。「超臨限值」方法生產中子之較高能量分佈，且因此可使用較多緩和，但在約2.3MeV下利用反應截面中之大頂點，從而導致高得多的最初中子產率。
用於BNCT之基於鋰之中子產生通常根據以下兩個主要方法之一來進行：使用流過質子束的液體鋰之薄膜，及使用呈固體形式的鋰。一些液體鋰方法係基於針對國際聚變材料放射測試設施(IFMIF)進行的工作，且諸如日本東京工業大學及以色列Soreq NRC的群尤其對於BNCT已依賴此形式。
對於基於加速器之中子產生方法存在至少三個主要困難。第一，固體鋰之材料性質使得該固體鋰難以適應由質子束給予標靶的高功率(及相關聯熱)，因為鋰具有180℃之相對低的熔化溫度及85W/mK之適度導熱性。若質子束之作為標靶中之熱消散的能量未經有效移除，則可毀壞標靶。第二，自P,N核反應生產的7Be為放射性的，從而 主要釋放0.5MeV的加馬。第三，沉積於標靶中(例如，沉積於鋰中或沉積於鋰以下的材料中)的氫可損壞標靶材料，從而限制標靶之壽命且使故障之前的標靶之維護成為必要。
用於熱移除的所提出方法已包括：使用自背部強烈地冷卻的靜止固體標靶，及使用束衝擊液體材料之流動噴射的液體標靶。然而，此等兩個方法中之兩者具有顯著缺點。
關於靜止標靶方法，如以上所述，鋰具有相對低的熔化溫度及相對低的導熱性，此狀況使得在不使固體標靶之表面過熱及熔化的情況下安全地移除或消散來自固體標靶的質子束之高熱通量為具有挑戰性的。另外，對強烈的質子束之暴露可快速導致標靶材料之起泡及其他氫損壞，使得需要頻繁的標靶置換，且對應的標靶壽命對於諸如BNCT的醫院應用可不切實際。針對固體標靶提出的冷卻方法已包括水噴射衝擊(例如，麻省理工學院及UK伯明翰大學之群)及微溝道冷卻(例如，日本國立癌症中心的癌智能照護系統及比利時的離子束應用)。針對延長固體鋰標靶壽命所提出的方法包括：(1)使用鋰之薄層(~50微米至100微米，使得質子沉積在鋰背後)，並且諸如鈀或鐵的薄抗起泡材料置放在鋰與銅之間；以及(2)使用厚鋰(>250微米，使得質子沉積在鋰中)且將壽命限制於鋰在置換之前可處置的任何事物。
液體標靶方法之優點在於，標靶可處置相對大的 功率密度且操作極長的時期而不需要置換。然而，流動液體鋰方法亦需要大量鋰，以裝滿迴路、泵及換熱器，此狀況導致高成本及來自極具反應性的鋰之顯著安全危害。液體鋰為腐蝕性的，且在與水混合時可為爆炸性的。另外，需要大量設備來維持呈液體形式之鋰，泵送鋰，與鋰交換熱，且提供防火安全。有些人認為液體鋰標靶不適合於醫院環境。液體標靶可遭受緩慢的加熱時間，且若迴路中之溫度下降得過低則遭受流動鋰之潛在固化，從而使鋰電荷無意中轉移至標靶腔室中。
本揭示案之實施例使用直接冷卻、模組化旋轉標靶架構方法克服以上所描述的中子產生系統問題。例如，在一些實施例中，諸如圓盤或圓筒的可旋轉結構包括多個分段式標靶「花瓣」(本文中亦被稱為「分段」)，該等多個分段式標靶「花瓣」附接至中心輪轂(本文中亦被稱為「旋轉夾具」)，其中每個花瓣經由其自有的專用微溝道直接冷卻。該等多個標靶花瓣共同地可據稱為構成標靶。每個花瓣可包括基板及安置於基板之表面上的固體中子源層。示範性系統包括平面可旋轉結構上之16個花瓣，每個花瓣佔據可旋轉結構之圓周之22.5度，其中可旋轉結構具有約1公尺之外徑(OD)，且鋰之半連續條帶在以0.84公尺直徑為中心的徑向方向上於花瓣上沉積0.14公尺。
本文所描述的設計提供優於先前設計的若干優點。第一，先前基於微溝道之技術通常限於近似0.1公尺或更小之標靶尺寸，例如因為在較大標靶尺寸下，跨於微溝 道的壓力降與其他方法相比較過大而為不切實際的。使用本文闡述的圓盤及圓筒設計，在尺寸上各自具有近似0.1公尺的一組並列進給微溝道標靶分段在旋轉結構上經順序地照射，從而導致比使用單一入口/出口方法將實踐的大得多的微溝道冷卻區域。
第二，旋轉結構組態使中子源(例如，鋰)與液體冷卻劑之間的冷卻區域與靜止標靶相比增加至少一個數量級(例如受圓盤或圓筒直徑限制)，而不需要使入射表面傾斜且在如此進行時遭受固有的幾何學低效率。
第三，將標靶分段成多個花瓣便於系統維護，因為可單獨地替換花瓣，而非替換整個標靶。旋轉運動適用於機器人花瓣交換，而不需要干擾束成形總成及嵌入式劑量測定設備。
第四，量測可與用於標靶之設計材料進行比較，且若強度超過臨限值或若束位置經偵測為距中心過遠(即，超過距標靶中心的預定距離)，則可以閘門遮閉或聯鎖系統。
用於BNCT之分段式直接冷卻旋轉標靶
圖1A為根據本揭示案之一些實施例之適合於在BNCT中使用之設備的方塊圖。如圖1中所示，可旋轉結構102包括多個標靶花瓣或分段104A-104D，且該等多個分段104A-104D中每一分段具有耦接至對應中子源層108A-108D的對應基板106A-106D。中子源層108A-108D可包括固體鋰。基板106A-106D中一或多個包括用於主動冷卻 相關聯基板及/或中子源層(例如，以將中子源層108A-108D維持在固體形式中)的對應冷卻劑溝道(110A-110D)，諸如微溝道。分段104A-104D選擇性地耦接至旋轉夾具112，該旋轉夾具具有用於傳導冷卻劑流體之入口112A及出口112B。分段104A-104D可經由以下各者中一或多者耦接至旋轉夾具112：螺釘、螺栓、快速分離接頭、夾鉗及/或類似者。冷卻劑流體可包括以下各者中一或多者：水(例如，去離子水，其提供相較於油類的較高熱容量及導熱性，以及與都市用水相比較的較低腐蝕活性)、乙二醇、乙二醇/水混合物、傳熱油類(例如，以在故障期間避免可能的水/鋰相互作用)、「Galinstan」(商用液體鎵/銦/錫混合物)、液氮及/或其他冷卻劑。旋轉夾具112可經組配來經由諸如旋轉水密封及/或旋轉真空密封的聯結器耦接至外部心軸總成及/或驅動馬達。當分段104A-104D連接至旋轉夾具112時，冷卻劑溝道110A-110D可處於與旋轉夾具112之入口112A及出口112B密封流體溝道中。圖1A亦描繪質子束產生器113及質子束113A。
分段104A-104D中每一分段可具有為以下各者之一的形狀：環帶之一部分、派餅形或「扇形」(界定為由圓形或橢圓形之兩個半徑與介於該兩個半徑之間的弧包圍的平面圖)、截短扇形(亦即，扇形之一部分)、正方形及矩形。
中子源層108A-108D可包括呈固體形式且以足以生產所要中子通量之厚度的鋰、鈹或另一適合中子源， 該厚度例如對於鋰為至少約10μm，或至少約90μm(例如，約400μm)，或介於約10μm與約200μm之間，或介於約90μm與約150μm之間。
中子源層108A-108D可經由熱黏結黏附至分段104A-104D之基板106A-106D。例如，在一些實施例中，基板106A-106D中一或多者包括銅，且「厚」鋰金屬中子源層108A-108D(例如，具有400微米之厚度，其中「厚」意味大於鋰中之質子範圍，該質子範圍為約300微米)經由壓力及溫度方法黏結至一或多個銅基板106A-106D。因為鋰為反應性金屬，所以鋰可與銅形成汞齊。當適當地黏結時，形成銅與鋰之間的低熱阻。在中子源層108A-108D之此厚度下，質子在使用期間沉積於鋰中，與位於鋰之下的銅相反。在一些狀況下，不存在高達1x1019離子/平方公分之劑量的中子產率之下降，且預期1x1020離子/平方公分及更高之劑量為可能的。不同於諸如銅及鋁的在接近~1x1018離子/平方公分之劑量下展現起泡發作的材料，鋰較軟，且在不希望受理論束縛的情況下，據認為，導致起泡的氫微氣泡以常規方式可無法形成於鋰中，且因而，氫逸散而無氣泡形成。中子源層108A-108D可在照射期間改變，例如變得更易碎的及/或顏色不同，然而，只要該中子源層保持完整且生產相同或幾乎相同的中子產率，該中子源層即適合於使用。
替代地或另外，中子源層108A-108D可以例如約100微米之薄層蒸發至基板106A-106D上。極薄的抗起泡中間層亦可包括在此類設計中(如在靜止標靶中已進行的，以 上所描述)。基底花瓣或基板可由銅或鋁製成。甚至諸如不銹鋼、鈦及鉬的材料為可能的，因為所分散熱功率比在靜止狀況下低得多。
中子源層108A-108D可例如經由在英國伯明翰大學開發的如在A.V.Brown(2000)Development of a High-Power Neutron Producing Lithium Target for Boron Neutron Capture Therapy(博士論文)中所描述的方法熱黏結至對應基板106A-106D。系統100經組配來用於快速機器人標靶/花瓣交換，可具有大熱安全限度，且可包括於高架設計或用於旋轉地繞患者等角點移動輻射源之其他設計中。
在一些實施例中，冷卻劑溝道110A-110D之製造包括例如使用銑削或狹槽切割工具將溝槽機械加工至對應基板106A-106D之一半或兩半之表面中。兩側隨後可經黏結在一起，使得溝槽界定冷卻劑溝道。黏結可包括銅焊、錫焊及/或膠黏。對於銅焊，銅可呈現挑戰，因為即使銅已處於硬或半硬狀態中，銅焊製程亦使銅回至極軟情況。可進行加工硬化以例如使用一組滾模來往返地彎曲銅焊的銅總成以達成回火來使銅回火。可使用不涉及部件之變形的熱及淬火方法來使諸如鋁的其他材料回火。當銅焊或錫焊時，可檢查冷卻劑溝道110A-110D以確保銅焊或焊錫材料尚未芯吸至溝道中，此可減少銅焊或焊錫材料之流動或甚至完全阻擋銅焊或焊錫材料。替代地，冷卻劑溝道110A-110D可例如經由銑削、放電銑削、「爆孔」或鑽孔(例如，化學鑽孔、深鑽孔)機械加工為通孔。通孔可經容易地檢查堵塞， 且不移除材料之回火。冷卻劑溝道110A-110D之每一末端上的蓋帽隨後可經焊接(例如，電子束焊接)至每一末端以提供進給、返回及轉向流體通道。替代地或除電子束焊接之外，蓋帽可經由鎢極惰性氣體(TIG)焊接、錫焊、摩擦焊接、o環或其他方法緊固至冷卻劑溝道110A-110D。替代地或另外，冷卻劑溝道110A-110D可藉由將管(例如，薄壁銅管)銅焊至板料來形成。
本揭示案涵蓋各種不同冷卻劑溝道幾何形狀及製造方法。例如，冷卻劑溝道110A-110D之橫截面形狀可為圓形或矩形，並且尺寸自約0.5mm至約1.5mm(亦即，微溝道)或直至3mm變動。
在一些實施例中，冷卻溝道110A-110D藉由多個壁界定，該等多個壁中每一壁安置在兩個相鄰冷卻溝道110A-110D之間。該等多個壁中每一壁具有可為比相鄰溝道更寬的因數的寬度。例如，每一壁可為冷卻溝道110A-110D中相鄰冷卻溝道之寬度的約兩倍。
冷卻劑溝道110A-110D之長度可實質上彼此相等且相當於或大於束大小，例如對於120mm直徑束的約140mm長。溝道之大小(例如，長度)可基於束大小來選擇/設計。溝道至溝道節距亦可根據所要的應用加以設計。例如，在一些實施例中，使用「2：1節距」，此可指代1mm溝道，接著為1mm壁，接著為另一1mm溝道等。在一些實施例中，花瓣溝道具有3：1節距，例如具有將溝道分開的2mm壁之1mm溝道。3：1節距可減少冷卻劑之總流量，同時適當地冷 卻花瓣，而2：1節距可在冷卻方面(但在較高總冷卻劑流量下)更有效。
圖1B為根據一些實施例的圓盤形可旋轉結構之平面圖的圖示。如所示，可旋轉結構102具有中心輪轂部分「H」，該中心輪轂部分具有附接至該中心輪轂部分且自該中心輪轂部分散發的多個分段104。分段104各自包括具有主表面的對應中子源層，該主表面可例如實質上垂直於可旋轉結構102之旋轉軸。旋轉軸可界定為通過輪轂「H」之中心且實質上垂直於該輪轂的軸。圖1C為展示圖1B之可旋轉結構的對應於圖1B之線A-A’的橫截面圖的圖示。如圖1C中所示，中子源層108安置於具有嵌入式冷卻劑溝道110的基板106上。
圖1D為根據一些實施例的圖1B之可旋轉結構在用作硼中子捕獲治療(BNCT)之部分期間的圖示。如所示，可旋轉結構102繞其旋轉軸旋轉，且質子束產生器113朝向可旋轉結構102發射質子束113，使得質子束113A例如在分段104之中子源層處接觸可旋轉結構102之表面。質子束113A可為靜止的(例如，在預定位置處)或在可旋轉結構102之預定區域上方光柵掃描，其中預定區域可為固定的或可隨時間推移而改變。質子束113A可與可旋轉結構102之接觸表面形成例如約90°之角度。因為可旋轉結構102正旋轉，所以可旋轉結構102之分段104可由質子束113A順序地接觸。由於質子束113A與分段104之中子源層之相互作用，中子束113B經產生且朝向患者P之治療區域導向(例如，經由準直 儀或其他束成形結構)。
圖1E為根據一些實施例的圓筒形可旋轉結構之透視圖的圖示。如所示，可旋轉結構102具有基底部分及附接至該基底部分且自該基底部分散發的多個分段104，該等分段相對於基底形成固定角度(例如，90°，或至少45°之角度)。分段104包括具有主表面的對應中子源層，該主表面可例如實質上平行於可旋轉結構102之旋轉軸。旋轉軸可界定為通過基底部分之中心且實質上垂直於該基底部分的軸。圖1F為展示圖1E之可旋轉結構之分段承載部分的對應於圖1E之線B-B’的橫截面圖的圖示。中子源層108安置於具有嵌入式冷卻劑溝道110的基板106上。
圖1G為根據一些實施例的圖1E之可旋轉結構在用作BNCT之部分期間的圖示。如所示，圓筒形可旋轉結構102繞其旋轉軸旋轉，且質子束產生器113朝向可旋轉結構102發射質子束113，使得質子束113A例如在分段104之中子源層處接觸可旋轉結構102之表面。質子束113A可為靜止的(例如，在預定位置處)或在可旋轉結構102之預定區域上方光柵掃描，其中預定區域可為固定的或可隨時間推移而改變。質子束113A可與可旋轉結構102之接觸表面形成例如約90°之角度。因為可旋轉結構102正旋轉，所以可旋轉結構102之分段104可由質子束113A順序地接觸。由於質子束113A與分段104之中子源層之相互作用，中子束113B經產生且朝向患者P之治療區域導向(例如，經由準直儀或其他束成形結構)。
圖2為根據某些實施例之BNCT設備200的繪圖，其展示腔室出入門215。圖3為根據某些實施例的類似於圖2之BNCT設備200的BNCT設備300之分解圖的呈現。如圖3中所示，設備300包括框架321、其中界定有孔徑327的腔室325，及腔室出入門315。具有輪轂302A的標靶圓盤302經定尺寸以裝配在腔室325內，且在安裝於腔室中時，經由後蓋323緊固至腔室及框架321。心軸總成317經組配來機械地耦接至標靶圓盤302之輪轂302A，且在由自旋馬達319驅動時旋轉標靶圓盤302。雖然在圖3中展示且描述為圓盤，但亦涵蓋諸如轉筒、圓筒、圓柱等的其他標靶幾何形狀。
圖4A為根據某些實施例的可旋轉標靶總成之透視圖的呈現。將冷卻劑移動至可旋轉結構102中及移出可旋轉結構102為特殊的工程學挑戰。在本揭示案之一些實施例中，使用具有流入流出的共軸流體的鐵磁流體旋轉空氣至真空密封，接著為雙重流動旋轉流體至空氣密封，諸如「Deublin」密封。如圖4A中所示，可旋轉標靶總成402包括輪轂402A及多個可移出標靶花瓣404。鐵磁流體旋轉真空密封433之第一末端安設至輪轂402A，且鐵磁流體旋轉真空密封433之第二末端經由水封(例如，Deublin旋轉水封)431耦接至冷卻劑入口435及冷卻劑出口437。圖4B為圖4A之可旋轉標靶總成之側視圖的呈現。
圖5A為根據本揭示案之一些實施例的諸如圖4A之花瓣404的花瓣之前視圖的繪圖。花瓣504可包括基板505及選擇性的金屬化表面508(例如，銅、鈀薄膜)，該基板可 包括銅、鋁或其他材料(例如，陶瓷材料)，鋰將經置放至該選擇性的金屬化表面上。金屬化表面508可經由噴鍍(例如，電化學噴鍍)、物理氣相沉積金屬噴鍍等形成。圖5B為根據某些實施例的花瓣之後透視圖的呈現，其展示微溝道。花瓣504包括水入口535、水出口537及具有例如約1mm x 0.75mm之橫截面積的多個冷卻微溝道510。雖然關於圖5B展示且描述為包括「水入口」及「水出口」，但替代地或另外可使用任何其他類型的冷卻流體。另外，雖然關於圖5B展示且描述為具有矩形橫截面，但本文所描述之花瓣之微溝道可具有任何其他橫截面形狀，諸如圓形、正方形、多邊形等。
機器人花瓣交換
如以上所述，用於使用加速器產生中子通量之有前途的反應為7Li(p,n)→7Be反應。然而，因為鋰P,N反應產生放射性的7Be，所以發射~0.5MeV光子且存在強輻射場。因而，在一些實行方案中，BNCT系統包括機器人以進行廢/用過的花瓣/分段之交換，以便限制對工人之輻射曝露(限制於合理抑低「ALARA」的位準)。圖6展示經組配來用於機器人標靶維護的系統(亦即，機器人交換設備)之實例。如圖6中所示，諸如由美國公司FANUC及瑞士公司Stäubli製造的該等機器人的商用現成工業機器人650(已存在於房間內或帶至房間內(例如，經由移動式機器人搬運車654))定位於標靶前面。在機器人控制的標靶交換期間，工人可離開房間且關閉拱頂房間屏蔽門。此時，一或多個可縮回標靶護 罩652打開，從而顯現真空埠，機器人650可經由該真空埠接近標靶花瓣。機器人可例如藉由索引可旋轉結構逐一移除廢的/用過的花瓣，且將該等廢的/用過的花瓣置放於諸如襯鉛箱(亦被稱為「鉛罐」)的屏蔽箱656中或將該等廢的/用過的花瓣運送至該屏蔽箱，以防止對工人的輻射曝露。另外，因為鋰與濕空氣反應，所以所儲存花瓣可經保持在諸如氬或礦物油的非反應性介質中，以便防止7Be變得升空。
置換(例如，新鮮的新的花瓣或回收的花瓣)花瓣可由機器人650或人工地在此時安裝或稍後安裝。因為鋰與濕空氣相互作用，所以房間之環境可保持極乾燥，較佳地在交換期間處於約1%至2%的相對濕度下，且一旦真空返回至系統，則可使房間濕潤。替代地，可使用具有負載鎖的手套箱來移動且/或安裝花瓣，例如其中機器人650處於手套箱內側。
在一些實施例中，機器人650保持在軌道上的治療房間中，且僅屏蔽箱656經運送至房間中及運送出房間。
在一些實施例中，機器人650進行標靶花瓣之卸載，而非安裝。
花瓣設計
花瓣可以各種方式附接至旋轉夾具(或「輪轂」)。圖3至圖5中所示之一方法利用藉由定位銷子制約且藉由螺栓保持固定的面密封。在其他實施例中，機械加工的定位特徵可併入部件中，且偏心夾鉗而非螺栓可用來制約部件。 附接機構應經選擇以承受顯著的離心自旋力。在仍然其他實施例中，用於將花瓣附接至輪轂之方法展示於圖7A至圖7B中。在一些實施例中，此方法可使用活塞密封而非面密封來密封自輪轂至花瓣704的水。另外，密封可經機械加工以允許該等密封以一角度插入以在一組固定柵欄下方滑動。一旦機器人已鬆開花瓣，彈簧柱塞可將花瓣保持於適當位置中。一旦自旋，離心力抵靠柵欄鎖定花瓣。存在此設計之若干優點。第一，不存在可卡住或磨損且導致製程之故障的螺紋形式。第二，活塞密封實質上與輪轂中之徑向流體進給對準，藉此消除流動中之兩個90°彎曲且減少跨於系統之壓力降。第三，機構與可考慮的其他夾鉗機構相比為低輪廓的及精緻的。
在一些實施例中，微溝道佈置包括用於花瓣804之兩組微溝道陣列，如圖8A至圖8D中所示，該花瓣具有微溝道810、水入口837及水出口835。此設計允許微溝道變得極接近於對應花瓣之邊緣(亦即，較靠近花瓣之間的間隔)。在其他實施例中，使用微溝道背後的較大返迴路徑，以便減少跨於花瓣的壓力降，然而，此設計亦整個花瓣較厚且將較高總流量用於微溝道中之給定流體速度。
花瓣效能
進行用於具有兩組微溝道陣列之微溝道佈置的花瓣冷卻之模擬。模擬參數定義如下：質子束：2.6MeV，30mA(78kW)，高斯束近似法，
Figure 105114181-A0305-02-0023-4
=20,±3
Figure 105114181-A0305-02-0023-1
=□120mm(99.7%)
水流量：總計0.002m3/s(32加侖/分鐘，每花瓣2加侖/分鐘)，20℃入口溫度
標靶圓盤：中心線直徑：□840mm，旋轉速度：10Hz(600RPM)
鋰厚度：400μm。
圖8A至圖8D展示模擬結果。例如，圖8A為花瓣804之熱圖，其展示在旋轉期間的平均鋰表面溫度之分佈。最高平均鋰表面溫度為51℃。圖8B為用於花瓣804之壓力圖，其展示0.002m3/s(32加侖/分鐘)之水流量之壓力降為2巴(29psi)。壓力降為所要的流率及微溝道之限制之函數。流量愈大，或溝道愈小，需要自入口至出口的愈大壓力來達成該流量。另外，當可旋轉結構正旋轉時，圓盤之周邊處的實際壓力由於施加至冷卻劑的離心力而增大。然而，壓力差及對應流率為相同的。
圖8C為用於花瓣804之微溝道速度的圖，且圖8D為用於花瓣804之熱圖，其展示自入口至出口的冷卻劑溫度變化。圖8D中可見的自左至右的溫度上升延伸至表面，如在圖8A中可見，其中中心左邊緣比中心右邊緣更熱。優於傳統設計之改良包括增大的水流量(較高壓力)、增大的自旋速度(高達30Hz，1800RPM)及較平坦束輪廓(與高斯型相比)。
在一些實行方案中，具有□84cm之中心線直徑的中子標靶藉由30mA之2.6MeV質子(1.9 x 1020離子/秒)撞擊。假定
Figure 105114181-A0305-02-0024-2
=2cm之質子束分佈，1.4 x 1014離子/平方公分/ 秒之中心線劑量率在100小時內得到5 x 1019離子/平方公分之峰值或最大沉積劑量(在花瓣上的束之中心線處)。因為此劑量較好地在固體鋰上的質子之可接受劑量限制內，所以容易達成超過100小時的標靶壽命。
對圖8A至圖8D中所示的花瓣實施例之精修可包括花瓣804邊緣上的兩個冷水入口而非一個，其中個別流動經選路以便返回至共用/中心返回空腔，藉此遠離花瓣之邊緣而選路熱水，且因此改良熱預算。此組態示意性地展示於圖9中。圖9描繪具有兩個入口935A、935B、一出口937的花瓣904。
在花瓣之轟擊期間，亦即，當質子進入固體鋰時，該等質子減速，從而在與該等質子之能量損失成正比的一定程度上釋放熱及諸如中子的其他粒子，直至該等質子達到固體鋰中的近似250μm深處靜止為止。在一些實行方案中，加速器源生產功率為高達100kW的質子束(在2.6MeV下40mA)。為適應此功率，束直徑可經定大小以在標靶或花瓣表面處為約110mm至120mm全寬度(6
Figure 105114181-A0305-02-0025-3
)，從而導致束中約1 x 107W/m2之平均功率密度及例如約6 x 107W/m2之高得多的2D高斯分佈之峰值。此為質子束正撞擊鋰時鋰經歷的通量，該通量可被稱為「瞬時」熱通量。在可旋轉結構上求平均值，束中心線直徑乘以束之「高度」得出掃掠面積。對於840mm之束中心線，此得出約4 x 105W/m2之平均通量，並且中心線上的峰值通量為約8 x 105W/m2。
平均熱通量可藉由使可旋轉結構更大或更小來改變。較小可旋轉結構平均每單位面積將具有更多熱來消散，而較大可旋轉結構每單位面積將具有較少熱來消散。自旋速度亦為可旋轉結構設計之重要態樣。可旋轉結構自旋得愈緩慢，當質子束越過花瓣時，溫度峰值愈大。可旋轉結構自旋得愈快，溫度峰值愈小。對於600RPM之自旋速度，高斯型之中心線上的溫度峰值為近似60℃，且對於1,200RPM，溫度峰值為近似30℃。應注意，不同於在靜止組態(不包括掃描或復原束)中，本文所描述之對可旋轉結構之熱效應包括暫變分量。換言之，當束超過花瓣時，溫度將迅速上升且隨後隨著圓盤旋轉而下降。
圖10展示當質子束穿越花瓣時與穩定狀態的溫度差量/偏差。最高線係在鋰之表面處的束之中心線處。如可看出，對於給定參數(亦即，1,200RPM之旋轉速度及12cm+/-3σ之束直徑，並且78kW之總功率(2.6MeV、30mA))，暫態溫度變化在約10℃之平均溫度的情況下為約35℃至40℃。自25℃至30℃之平均值的此暫態為除平均表面溫度峰值之外的暫態。因此，固體鋰經歷的最大表面溫度為穩定狀態及暫態解之總和，亦即51℃+30℃=81℃。應注意，此強烈地取決於自旋速度、總功率及束直徑。
圖11A為根據某些實施例的可旋轉標靶總成對映冷卻劑速度之側視圖的呈現，且圖11B為圖11A之可旋轉標靶總成對映壓力之側視圖的呈現。跨於標靶總成需要來達成所計算的流量的總壓力為心軸/輪轂差量壓力及花瓣差量壓力之總和，亦即2巴+1.3巴=3.3巴(48psi)。圖11A展 示8m/s之峰值水速度以及入口1135及出口1137。圖11B描繪跨於1.3巴之心軸的壓力降。
本文所描述的標靶設計優於其他固體鋰之優點在於，較大的有效鋰表面面積可適應相較於靜止標靶上可能的較高功率。如本文所界定且在84cm中心線上具有12cm束直徑的用於可旋轉結構之冷卻面積之等效圓形直徑在靜止組態中將為63.5cm，該圓形直徑對於實踐BNCT設計而言過大。另外，分段式架構自維修觀點以及自製造觀點而言為便利的，因為可以較小增量(例如，約10cm x約10cm)進行鋰之應用。本文所描述的實施例之較大有效鋰表面面積亦意味，與其他固體組態相比較，壽命長得多，例如，長出與表面面積之比成正比的量。另外，當與靜止標靶比較時，花瓣可更容易地且在不干擾束成形總成(BSA)的情況下以機器人方式交換。
本揭示案之可旋轉結構考慮到簡單束定位及在照射期間的強度量測，例如使用可旋轉結構背後的法拉第杯及可旋轉結構周圍的各種點處的一系列孔或狹槽。此資訊對於束調諧及系統之安全聯鎖為有用的。另外，當與液體鋰標靶比較時，可旋轉固體結構提供與靜止標靶相同的安全效益。可旋轉結構之花瓣與靜止標靶相比亦更容易由機器人交換，因為束成形總成(緩和器)可停留在適當位置中。
額外實施例
以上針對7Li(p,n)→7Be所描述的系統可擴展至 使用其他中子生產材料的其他中子生產反應。除使用1.9MeV質子束的「近臨限值」方法及在鋰上使用2.5MeV質子束的「超臨限值」方法之外，已針對BNCT提出的其他反應包括：使用4MeV質子束的9Be(p,n)、使用1.5MeV氚束的9Be(d,n)，及使用1.5MeV氘束的13C(d,n)。為利用此等反應，鈹之固體片材可代替鋰熱黏結至花瓣且以4MeV質子或1.5MeV氘核轟擊。另外，鋰可以石墨或碳之薄片材替換以使用13C(d,n)反應生產中子。
本揭示案之系統可包括：可旋轉結構，諸如平臺或載物台，該可旋轉結構上安置有中子源材料；以及質子束產生器，其經組配來在可旋轉結構繞旋轉軸旋轉時將質子束導向可旋轉結構上的中子源材料，藉此產生中子。中子源材料可為任何中子產生材料，例如鋰，且可經由取決於例如源材料之類型及形式以及可旋轉結構之設計的技術定位在可旋轉結構上任何地方。在一些實施例中，可旋轉結構包含定位在可旋轉結構之外部面向外的表面上的中子源材料，該外部面向外的表面可容易地曝露於所導向的質子束。
可旋轉結構可繞旋轉軸旋轉，且可具有各種不同整體形狀，諸如圓盤形的(包括圓形的)、環形的或圓柱形的，此取決於例如整體系統設計要求。在一些實行方案中，可旋轉結構為對稱的，具有垂直於結構且在結構之中心的旋轉軸。可旋轉結構可根據需要含於外部殼體內，此取決於應用。另外，可旋轉結構可使用各種不同材料形成，此取 決於例如中子源材料之化學反應性、含有呈源材料之所要形式之源材料所需要的條件，及成本。例如，可旋轉結構可包括不銹鋼或鉬。
可旋轉結構可包括基底，該基底為實質上平坦的，但可根據需要進一步包括各種額外組件或特徵，以便例如含有固體及/或液體形式之中子源材料。基底可進一步包括用於旋轉之構件，諸如馬達及軸。在一些實施例中，基底可包括中心可旋轉輪轂，該中心可旋轉輪轂包含將諸如加熱流體或冷卻劑的傳熱劑遞送至基底及/或可旋轉結構之各種部分或組件的各種構件。溝道亦可提供於基底中以及可旋轉結構之各種組件中，以幫助遞送此等流體。此外，基底可包括至少一中子源材料容器區段，該至少一中子源材料容器區段經組配來將中子源材料保持在標靶位置中。容器區段之形狀、大小、位置及數目可取決於例如中子源材料之類型及形式、將源材料提供至基底上的方法，及/或可旋轉結構之設計。
在一些實施例中，可旋轉結構為圓盤形結構，該圓盤形結構具有基底，該基底包含可旋轉輪轂，該可旋轉輪轂中心地定位在基底內。基底亦可包括至少一基底分段，該至少一基底分段具有面向外的外部表面，該面向外的外部表面經組配來含有且/或攜帶中子源材料。中子源材料可包括諸如鋰的固體中子源材料之層。輪轂可包括至少一冷卻劑線路，該至少一冷卻劑線路延伸至至少一基底分段。質子束產生器經組配來將質子束導向由基底分段含有或攜 帶在基底分段上的中子源材料。在一些實施例中，圓盤形結構可繞旋轉軸旋轉，且質子束可經沿實質上平行於旋轉軸的束路徑導向。
在一些實施例中，可旋轉結構為圓柱形結構，該圓柱形結構具有基底(例如，水平基底)，該基底連接至實質上垂直外壁(例如，豎直外壁)。外壁可包括至少一壁分段，該至少一壁分段具有面向內的外部表面，該面向內的外部表面經組配來含有諸如液體鋰的液體中子源材料之薄膜，且質子束產生器可經組配來將質子束導向含於壁分段上的液體中子源材料之薄膜。圓柱形結構可繞旋轉軸旋轉，且質子束可經沿實質上垂直於旋轉軸的束路徑導向。
在一些實施例中，產生中子之方法可使用本文所描述的可旋轉結構實施例中之任何實施例。例如，可提供包含中子源材料的可旋轉結構。可旋轉結構可繞旋轉軸旋轉，且當可旋轉結構旋轉時，由質子束產生器產生的質子束可經導向中子源材料，藉此產生中子。
在一些實施例中，可旋轉結構包括圓盤形結構，該圓盤形結構具有基底及中心地定位在基底內的可旋轉輪轂，基底可包括具有面向外的外部表面的至少一基底分段，該面向外的外部表面具有固體中子源材料之層。輪轂可包括至少一冷卻劑線路，該至少一冷卻劑線路延伸至至少一基底分段。當圓盤形結構繞旋轉軸旋轉時，由質子束產生器產生的質子束經沿例如實質上平行於旋轉軸的束路徑的束路徑導向固體中子源材料之層，使得在質子束與固體中 子源材料之間的相互作用時產生中子。
在一些實施例中，可旋轉結構可為圓柱形結構，該圓柱形結構具有基底，該基底連接至實質上垂直外壁，外壁可包括至少一壁分段，該至少一壁分段具有面向內的外部表面，該面向內的外部表面經組配來含有液體中子源材料之薄膜。固體中子源材料可提供於基底上，且液體中子源材料可藉由使固體中子源材料熔化來形成。當圓柱形結構繞旋轉軸旋轉時，液體中子源材料可自基底流動至壁分段之面向內的外部表面，藉此形成液體中子源材料之薄膜。由質子束產生器產生的質子束可經沿例如實質上垂直於旋轉軸的束路徑的束路徑導向液體中子源材料之薄膜，使得在質子束與液體中子源材料之間的相互作用時產生中子。
應理解，先前一般描述及以下詳細描述僅為示範性的及解釋性的。熟習此項技術者可在不脫離本揭示案之範疇的情況下對本揭示案之製程做出各種修改及增添。
在一些實施例中，可旋轉結構包括基底，該基底具有至少一基底分段，該至少一基底分段包括中子源材料，該中子源材料可為固體。基底可例如基於質子束產生器之組態及位置垂直地或水平地定位。可旋轉結構之整體形狀可變化，且在一些實施例中為圓盤形的，具有環形的、圓形的或接近圓形的(亦即，具有近似圓形圓盤的多邊形形狀)基底。可旋轉結構可為對稱的，具有垂直於基底且在基底之中心的旋轉軸。基底可為實質上平坦的，且可包括環形 分級或傾斜區域，該環形分級或斜角區域包含基底分段。基底分段亦可為實質上平坦的。
可旋轉結構之「基底分段」可涉及基底內或上的任何部分，且可包括例如：(1)經組配來含有中子源材料的面向外的外部表面(亦即，面朝質子束產生器)，及(2)諸如鋰的固體中子源材料之層。基底可劃分成例如藉由隆起分離器分離的多個基底分段，或基底及該基底之分段可形成一連續表面。在一些實施例中，可旋轉結構具有圓形基底，該圓形基底包含環形基底分段或包含餅形或部分餅形基底分段。以此方式，外部表面可包含中子源材料之一連續層，或可包括沿外部面向外的表面定位於各種標靶分段或區段中的層。基底分段之外部表面可經安置，使得該基底分段之主表面垂直於由質子束產生器產生且導向中子源材料的質子束。然而，分段可傾斜或成角度，以便增大固體源材料之由質子束接觸的表面面積。替代地，束自身可經導向來以一角度撞擊中子源材料，藉此增大接觸面積。
可旋轉結構可使用各種不同材料形式，此取決於例如中子源材料之化學反應性、生產固體源材料之層所需要的條件，及成本。例如，可旋轉結構可包含不銹鋼或鉬。基底分段可包括一或多個高傳導性材料，諸如銅、鋁或鉬。源材料之固體層可藉由直接將固體源材料沉積或塗覆在基底分段之外部表面上提供於該外部表面上。替代地或另外，預形成層可經直接置放或定位至基底分段之外部表面上。在一些實施例中，外部表面亦包括一或多個中子源材料容 器區段，且以非層形式(諸如薄片、塊或小丸)之固體中子源材料可經提供於此等區段內，熔化且冷卻以形成固體源材料之層。雖然固體源層可直接提供至基底分段表面上，但一或多個中間層亦可用來例如改良層至分段表面之黏結(及相應地，熱接觸)。此層亦可提供實體阻障以防止源材料與分段之間的化學相互作用。例如，對於固體鋰標靶，介入銅層可用來提供鋰標靶至鋁基底分段之改良黏結，同時防止鋁藉由鋰的汞齊作用。中間層亦可用來增大標靶中的起泡之劑量臨限值。當曝露於質子之高影響時，大多數材料由於氫氣之累積而最終起泡，且在材料中的粒子之範圍之末端處損壞。若源材料之厚度經選擇為小於該材料中的質子之範圍，則質子將停止或「制動」於較深層中。此較深層可由抗起泡的材料製成，該材料諸如鐵、鉭或此項技術中已知的其他材料。此氣泡停止層可包括黏結或阻障層，或可為除任何黏結或阻障層之外的層。源材料之固體層之厚度可取決於例如標靶應用、質子束之功率及層之曝露時間而變化。例如，固體層可為2mm厚或更小，自約0.1mm至約1mm，或自約0.05mm至約0.5mm。
在一些實施例中，基底包括中心地定位在基底內的可旋轉輪轂，以及將諸如加熱流體或冷卻劑的傳熱劑遞送至基底之各種部分的各種構件。例如，基底可包括至少一冷卻劑線路，該至少一冷卻劑線路自中心可旋轉輪轂單元延但至基底分段，該基底分段包括固體中子源材料。以此方式，冷卻劑可諸如經由提供於基底中的溝道遞送以冷 卻該基底之面向外的外部表面，當質子束經聚焦且與固體中子源材料之層反應時，該等溝道允許冷卻劑與外部表面之熱連通。
液體中子源材料
在一些實施例中，可旋轉結構包括基底，該基底連接至外壁，且外壁包括中子源材料。可旋轉結構可為對稱的，具有垂直於基底且在基底之中心的旋轉軸。結構之整體形狀可為圓柱形的或實質上圓柱形的，包含連接至實質上垂直外壁的基底。例如，可旋轉結構可為水平基底，諸如圓形基底，該水平基底沿其外圓周連接至豎直或實質上豎直壁。
可旋轉結構之外壁可包括面向內的外部表面(亦即，面朝基底之中心)，該面向內的外部表面經組配來含有中子源材料，諸如液體中子源材料之薄膜，該液體中子源材料例如鋰。各種不同技術可用來含有薄膜，以下描述其中的若干技術。另外，外壁可自豎直向外(亦即，遠離基底之中心)成幾度的角度或傾斜幾度(諸如1-2度)，且因此可並非精確地與旋轉軸平行，例如以幫助液體中子源材料之薄膜之形成。
在一些實施例中，可旋轉結構之外壁為具有一連續面向內的外部表面的連續圓形環，或經分段成多個相異壁分段，藉此將面向內的外部表面分成各種區段，該等各種區段經組配來各自含有液體中子源材料之標靶量的薄膜。例如，外壁可包括多個壁分段，各自具有類似形狀及大小。 壁分段可具有彎曲形狀，從而形成外壁之整體圓形橫截面形狀之弧形分段，或可為平坦的，藉此近似外壁之整體圓形環。外壁之面向內的外部表面可使用各種方法分段成壁分段，該等方法包括例如藉由提供附接至外壁之外部表面的隆起分離器、藉由在外壁內形成鋸齒形袋部或凹陷，或藉由將外壁實體上分成及劃分成可拆卸的壁分段塊。
可旋轉結構之基底較佳地與外壁相連。因此，基底及壁可經形成為一個單元，或替代地，可為連接或黏結在一起的分離組件。基底可具有各種不同形狀，諸如環形的、圓形的或接近圓形的(具有近似圓的多邊形形狀)。在一些實施例中，基底為實質平坦的，且包含中心地定位在基底內的可旋轉輪轂，以及將諸如加熱流體或冷卻劑的傳熱劑遞送至基底及/或外壁之各種部分的構件。例如，基底可包括至少一冷卻劑線路，該至少一冷卻劑線路自中心輪轂單元延伸至外壁之一或多個壁分段，藉此諸如經由提供於外壁中的溝道遞送冷卻劑以冷卻外壁之面向內的外部表面，該等溝道允許冷卻劑與外部表面的熱連通。
在一些實施例中，基底進一步包括至少一中子源材料容器區段，諸如凹槽或井，例如當基底旋轉時，諸如鋰的固體中子源材料置放且保持在該至少一中子源材料容器區段中。凹槽之體積可大於將要定位於其中的中子源材料之體積，且因而足以含有作為熔化物的源。所有容器區段之總體積可經選擇，以便足以保持生產所要的中子束所需要的源之總體積。凹槽可在基底內或上位於任何地方， 例如，處於基底與外壁之間的接合處，藉此容許凹槽與外壁之間的流體連通。雖然可使用一連續凹槽或井，但亦可提供多個凹槽，在該狀況下，每一凹槽可藉由隆起分離器或間隔物與相鄰凹槽分離。以此方式，形成於凹槽或井內的液體中子源材料可含於沿基底的特定位置處的不連續部分內，該等特定位置例如在基底與外壁之間的接合處。在一些實施例中，當基底包括多個凹槽時，外壁亦包括多個對應壁分段，其中每一凹槽處於與一或多個壁分段流體連通中。因此，液體中子源材料之不連續部分將處於與壁分段流體連通中，該壁分段具有內表面，該內表面經組配來含有源材料之薄膜。
當基底包含一或多個凹槽時，基底亦可包括自中心輪轂單元延伸至凹槽中一或多者的至少一進給器線路，藉此諸如經由溝道遞送傳熱流體以加熱且熔化定位於凹槽中的固體中子源材料，該等溝道係在凹槽附近或之下提供於基底中以允許流體與凹槽之熱連通。以此方式，中子源材料可經轉換至液體形式。替代地，系統可包括至少一熱源，諸如經定位且經組配來加熱固體中子源材料的一或多個內部加熱器或熱燈。此加熱可根據需要例如藉由旋轉結構來一次施加於一凹槽或同時施加於所有凹槽，以形成液體中子源材料。另外，如以下所論述地產生的將要導向中子源材料之薄膜的質子束可經重新導向至凹槽上，其中束功率用來幫助開始中子源材料之熔化。
在一些實施例中，可旋轉結構係使用各種不同材 料中一或多者形成，此取決於例如中子源材料之化學反應性、含有呈液體形式之源材料所需要的條件，及成本。例如，可旋轉結構可包含不銹鋼或鉬。令人驚訝地，在本揭示案中，液體中子源材料將用來形成可旋轉結構材料的材料弄濕之能力並非必要的。不希望受理論束縛，發明者注意到，鋰具有相對高的表面張力(在200℃下近似400達因/公分)及相對低的密度(近似0.5g/cm2)，此導致鋰在平坦表面上滾成球或收縮成厚膠泥之極高趨勢，從而使產生液體鋰之薄的均勻薄膜具有挑戰性。為解決此問題，本文所描述的可旋轉結構可以容易由鋰弄濕的材料形成。然而，此將使移除未使用的或廢鋰以用於置換或系統維護更具挑戰性。在本揭示案之一些實施例中，可使用在所要操作溫度下(諸如低於300℃)未由鋰弄濕的材料，從而提供經濟優點及功能優點兩者。
如以上所述，在一些實施例中，系統可包括質子束產生器。可使用質子束之任何源，包括例如包含質子加速器的質子束產生器，且質子束源之選擇可取決於例如質子束標靶及/或所得中子束之所要的應用。對於臨床BNCT，所需要的中子之能量範圍在1eV與10keV之間。對於使用~2.5MeV質子束的「超臨限值」方法，生產的中子之平均能量為約600keV。總能量範圍在熱中子與2.5MeV中子之間，但在600keV下於橫截面中存在強烈峰值。因此，中子應藉由經由一陣列材料及厚度過濾該等中子「緩和」(亦即，減速)至超熱範圍。例如，對於自鋰標靶(7Li(p,n)7Be)的中子 生產，反應需要具有自至少1.88MeV至約2.4-2.7MeV之能量的質子之源。高電流質子加速器為較佳的，諸如以30-50mA之質子電流及1.9-2.7MeV之質子能量操作的質子加速器。來自質子束產生器的質子束可經聚焦在中子源材料(作為液體薄膜或固體層，如以上所描述)上，藉此產生中子。
此外，在本揭示案之實施例中，束在中子生產期間可經監視及描繪輪廓。可旋轉結構可沿圓周方向分段，使得存在各自含有鋰之薄膜或層的許多凹陷。單個小孔可經鑽孔於介於每一對凹陷之間的基底分段或豎直外壁中，使得該等多個孔將在外壁之內側上形成例如螺旋圖案。法拉第杯可置放在旋轉結構後面，使得當孔在束前面穿過時束衝擊在該法拉第杯上。與來自旋轉結構之定時資訊組合的自法拉第杯收集的資料可用來在每一繞轉時重建束之二維輪廓。此資訊在確保維持所要的束輪廓、位置及強度中為有用的。
在一些實施例中，方法包括提供圓盤形可旋轉結構，該圓盤形可旋轉結構具有帶有中心地定位的可旋轉輪轂的基底，基底包含至少一基底分段，該至少一基底分段具有面向外的外部表面，該面向外的外部表面經組配來含有諸如鋰的固體中子源材料之層，且輪轂包含至少一冷卻劑線路，該至少一冷卻劑線路延伸至基底分段。當圓盤形結構繞旋轉軸旋轉時，由質子束產生器提供的質子束經導向固體中子源材料之層，藉此產生中子。質子束可經沿實質上平行於旋轉軸的束路徑導向。
在另一實施例中，可旋轉結構為圓柱形結構，該圓柱形結構具有連接至實質上垂直外壁的基底。外壁可包括至少一壁分段，該至少一壁分段具有面向內的外部表面，該面向內的外部表面經組配來含有諸如鋰的液體中子源材料之薄膜。固體中子源材料可提供於基底上，例如提供於定位在基底與外壁之間的接合處的一或多個凹槽或井中，從而容許凹槽與外壁之間的流體連通，且液體中子源材料可藉由使固體中子源材料熔化來形成。當圓柱形結構繞旋轉軸旋轉時，液體中子源材料自基底流動至壁分段之面向內的外部表面，藉此形成薄膜。由質子束產生器提供的質子束經導向液體中子源材料之薄膜，藉此產生中子。例如，質子束可經沿實質上垂直於旋轉軸(例如，與旋轉軸形成自約80°至約100°或自約85°至約95°的角度)的路徑導向。
固體中子源材料之熔化可在可旋轉結構之旋轉之前或與可旋轉結構之旋轉同時發生，此取決於例如旋轉速度及源之加熱及熔化之相對速率。例如，旋轉速度可為約500RPM，從而產生至少約150gs之離心力。液體薄膜之厚度可取決於例如標靶應用、質子束之功率及薄膜之曝露時間而變化。液體薄膜可為5mm厚或更小(例如，自約1mm至約3mm)。用於形成薄膜之條件可取決於液體源材料及外壁之外部表面之性質。應將充分的離心力施加於液體源，以便生產具有所要的厚度之平坦的實質上連續薄膜。例如，對於鋰源，對應於近似200gs之離心力，可使用近似600之旋轉頻率，預期該旋轉頻率在未由鋰弄濕的分段材料之狀 況下足以生產近似1.25mm之鋰薄膜。足以提供諸如2mm厚的較厚薄膜的鋰體積之使用將確保膠泥之行為將不受表面張力支配，且將展開以覆蓋基座中之整個凹陷。
中子產生系統之一實施例的特定實例展示於圖12中。如所示，系統1200包括具有旋轉軸X的可旋轉結構1260，該可旋轉結構含於外部殼體1261內。可旋轉結構1260具有整個圓柱形形狀且包括水平基底1262，該水平基底連接至豎直外壁1263，該豎直外壁經分段成多個壁分段，在圖13中更清楚地看到該等多個壁分段。系統1200進一步包括中心地定位在基底1262內的可旋轉輪轂1264，該可旋轉輪轂根據需要包括用於傳熱流體之冷卻劑線路及/或進給器線路。馬達1265使結構1260旋轉。如此特定實例中所示，質子束1266經由外壁1263之頂部邊緣上方的開口1267進入結構1260，且傳遞至相對側，從而在液體中子源薄膜旋轉經過時撞擊該液體中子源薄膜。中子經產生且經由孔徑1268退出結構1260。因此，對於此圓柱形結構，質子束經沿實質上垂直於旋轉軸的束路徑導向，該束路徑稍微偏離垂直僅外壁1263之高度。增添幾度之稍微向外尖端可為合意的，以便幫助薄膜形成，且將使束路徑更接近於垂直。
圖13展示關於可旋轉結構1260之進一步細節。如所示，結構1260之水平基底部分由隆起基底分離器1272劃分成多個凹槽1270。另外，結構1260之外壁部分由隆起壁分離器1276劃分成多個壁分段1274。如所示，每一凹槽1270與對應壁分段1274鄰接地定位於基底與外壁之接合處。
諸如鋰的液體中子源材料之薄膜之形成的特定實例展示於圖14A至圖14C中。如圖14A中所示，呈管形式(但其他形式及形狀為可能的)之固體鋰1371定位於結構1360之凹槽1370內。熱經由連接至中心可旋轉輪轂中之進給器線路的水平基底中之溝道或藉由定位在凹槽附近的諸如熱燈的內部加熱器提供至凹槽。如圖14B中所示，加熱使固體鋰1371熔化以生產液體鋰1373。凹槽1370具有較高液體鋰1373之體積的體積，且因此液體中子源材料含於該等凹槽中。與熔化步驟同時地，或在熔化步驟以後，以充分速度旋轉結構1360，以使液體鋰1373爬上且爬進壁分段1374中(由箭頭A指示)，藉此形成液體鋰薄膜1375(圖14C中所示)。壁分段1374經適當地組配來含有薄膜1375，從而具有適當體積、表面性質及用於給定旋轉速度及條件之分離器高度。
當鋰薄膜標靶旋轉穿過束時經導向該鋰薄膜標靶的質子束可生產所要的中子流，具有最小化對於中子源標靶而言所需要的液體鋰之體積之效益，同時亦避免起泡問題，此為固體中子標靶或過早固化的液體標靶所期望的。另外，因為液體源(亦即，鋰)不需要流動，所以在意外固化發生的情況下不存在顯著關注。在一些實施例中，可將鋰維持在其熔化點處或以下，從而作為二相系統操作。多數束能量將由鋰之相變吸收，從而在標靶通過束時最小化任何溫度峰值。此將預期降低使鋰沸騰之風險，從而允許在較低溫度下操作，同時仍消除起泡問題。此外，與使用靜 止標靶的方法相比，改良熱移除，因為當標靶旋轉時，所產生的熱遍佈大面積，同時亦將中子源維持在小區域中，如對於大多數應用合意的。額外熱移除可藉由穿越冷卻劑線路循環冷卻劑來提供，該等冷卻劑線路自水平基底中之中心輪轂單元延伸至外壁之一或多個壁分段，藉此諸如經由提供於外壁中的溝道將冷卻劑遞送至處於與外壁之面向內的外部表面熱連通中。另外，用來使鋰熔化的傳熱流體亦可諸如經由連接溝道循環至處於與面向內的外部表面熱連通中，從而維持液體薄膜之溫度。
本方法及系統之額外預期效益包括中子源材料之迅速的機器人移除以用於置換或系統維護。例如，可允許鋰標靶在水平基底之凹槽中固化。若使用具有用於鋰之適合的抗黏著表面之材料準備凹槽，可直接移除的鋰之小丸將形成，或替代地，可使用可移除凹槽。此將最小化用於維護或鋰置換之當機時間，且將亦顯著地降低與含於鋰中的放射性鈹反應產物相關聯的對維護人員的輻射危害。考慮到本揭示案之效益，額外效益亦為可能的。
本揭示案之中子產生系統之另一實施例的特定實例展示於圖15A中。如所示，系統1500包括具有旋轉軸X的可旋轉結構1510，該可旋轉結構含於外部殼體1525內且由中子反射體1526包圍。可旋轉結構1510具有整體圓盤形狀且包括豎直基底1530，該豎直基底具有包含基底分段1520的環形階梯式區域，固體鋰層1535提供於該基底分段上。基底1530進一步包括可旋轉輪轂1560(在圖15A中僅部 分可見)，且根據需要包括用於傳熱流體之冷卻劑線路及/或進給器線路，以在旋轉時冷卻固體鋰層1535。可旋轉結構1510繞軸X旋轉，且當固體鋰層1535旋轉經過時質子束1590撞擊該固體鋰層，藉此產生中子，該等中子經由緩和劑1591及準直儀1592退出。因此，對於此圓盤形可旋轉結構，質子束經沿實質上平行於旋轉軸的路徑導向。
此實施例之額外特定實例展示於圖15B至圖15D中。關於圖15B，展示系統1501，該系統包含具有整體圓盤形狀的可旋轉結構1511，該可旋轉結構進一步包括豎直基底1531，該豎直基底具有基底分段1521，固體鋰層1536提供於該等基底分段上。此在圖15C中更清楚地看出，圖15C為可旋轉結構1511的前視圖。基底1531包括可旋轉輪轂1561，該可旋轉輪轂包括多個冷卻劑線路1570及進給器線路1575，該等多個冷卻劑線路及進給器線路將輪轂1561連接至基底分段1521，以在結構1511藉由馬達總成1550繞軸Y旋轉時，將冷卻劑遞送至固體鋰層1536。輪轂及相關聯線路或溝道在圖15D中更清楚地看出，圖15D為可旋轉結構1511的後視圖。另外，分段1522以剖視圖展示於圖15C及圖15D中，該剖視圖展示分段中用以在鋰層1536後面遞送冷卻劑的溝道。可旋轉結構1511繞軸Y旋轉，且當固體鋰層1536旋轉經過時，質子束1590撞擊該固體鋰層，藉此產生中子，該等中子經由標靶之背部退出。因此，對於此圓盤形可旋轉結構，質子束經沿實質上平行於旋轉軸的路徑導向。
此等實例亦具有最小化需要來作為中子源標靶 的鋰之量的效益。因為冷卻劑經由自中心輪轂延伸至基底分段的線路或溝道循環，所以藉此在固體標靶旋轉時自該固體標靶移除熱，從而最小化過熱及起泡，且與使用靜止標靶的方法相比，允許使用較薄固體標靶。當標靶旋轉時，所產生熱遍佈大面積，同時亦將中子源維持在小區域中，如對於大多數應用合意的。另外，可旋轉圓盤形結構可豎直地、水平地或以任何所要的角度定位，此取決於所產生中子束之標靶之位置。此為本系統提供重要的設計靈活性。此外，基底分段可自可旋轉結構單獨移除以用於中子源材料之迅速的機器人移除，以用於置換或系統維護。例如，分段式固體鋰標靶可使用於分離的但附接的基底分段上，如圖15C和圖15D中所示。分段自例如基底中包含冷卻劑及進給器溝道之部分的脫離允許快速及容易的移除及置換，從而最小化用於維護或中子源置換之當機時間，且將亦顯著地降低對維護人員之輻射危害。考慮到本揭示案之效益，額外效益亦為可能的。
藉由本揭示案之系統及方法生產的中子可使用於各種不同應用中。例如，所得中子可用於同位素生產、爆炸性及/或可裂材料偵測，用於貴金屬礦石之試金或用於各種成像及醫學的技術中。作為一特定實例，中子可經包括以作為用於癌治療之硼中子捕獲治療(BNCT)之部分。
本BNCT系統及方法之實施例之一般示意圖展示於圖16中，以及部分展示於圖15A中。例如，參考未按比例繪製的圖16，BNCT系統1600包括中子產生系統1650以及患 者定位及治療系統1680。中子產生系統1650包括質子束產生器1610及中子源標靶1620，該中子源標靶提供於可旋轉結構(未示出)上。可使用本揭示案之及以上所描述的可旋轉結構中之任何可旋轉結構。質子束產生器1610可相對於中子源標靶1620提供於各種不同位置中，此取決於例如設施之大小及設計，該質子束產生器及該中子源標靶可置放於該設施中。各種已知彎曲或聚焦磁鐵可用來將所產生質子束導向至標靶。
由質子束產生器1610生產的質子束1690通過可包括例如各種類型的聚焦磁鐵的束運送系統1615，且與中子源標靶1620反應，藉此產生中子，該等中子通常取決於該等中子之能量而圍繞源在多個方向上生產--較高能量的中子自標靶向前移動，且較低能量的中子垂直於源散射或自源散射回。為產生具有用於BNCT治療之所要能量及方向的中子束1670，中子產生系統1650進一步包括反射器1626、束緩和劑1691及束準直儀1692。可使用此項技術中已知的任何中子束反射器、緩和劑或束準直儀/定界器，且各自可根據需要圍繞標靶定位，以便捕獲具有所要能量範圍的中子。例如，反射器1626可圍繞側面且在標靶後面定位，如圖16中(以及在圖15A中，在1526處)所示，且可包含此項技術中已知的相對不吸收中子的任何材料，諸如高原子序材料(包括鉛、鉍或礬土)或含碳材料(包括石墨)。以此方式，低能量的回散射中子經反射回至系統中，藉此保護或屏蔽周圍組件以及患者1699。向前導向的相較較高能量 的中子可由緩和劑1691(亦包含相對不吸收中子的材料)捕獲，以便將該等中子之能量降低至所要的超熱範圍。以此方式，例如，具有近似500keV之初始能量的中子可經降低至自約1eV至約10keV的最終能量，此為對於BNCT治療合意的範圍。適合的緩和劑材料在此項技術中為已知，且包括例如D2O、MgF、LiF、AlF3、Al、特夫綸(Teflon)及上述各者之混合物。最終，如所示，束準直儀1692可定位在緩和劑1691之後，以生產所要的中子束且將所要的中子束聚焦至患者1699中之標靶1698上。
如圖16中所示，BNCT系統1600進一步包括患者定位及治療系統1680，該患者定位及治療系統包括用於將中子束遞送至患者之設備及控制。例如，使用硼遞送系統及協定，其中所選擇的含硼治療劑以規定劑量遞送至患者1699以便生產標靶1698。控制系統用來精確地定位標靶以與預期中子束路徑一致，且此類控制系統將為熟習此項技術者已知的。額外設備及組件亦可根據需要加以使用，且將亦為本領域中熟知的。
如本文所使用，「約」及「近似」等詞通常意味加或減所述值之10%，例如，約250之值將包括225至275，且約1,000將包括900至1,100。
已呈現本揭示案之較佳實施例之先前描述以用於例示及描述之目的。前述描述並非意欲為詳盡的，或將本發明限於所揭示之精確形式。修改及變化根據以上教示為可能的，或可自本發明之實踐獲得。本文所呈現之實施 例經選擇且描述，以便解釋本發明之原理及本發明之實際應用，以允許熟習此項技術者在各種實施例中且與適於所涵蓋特定用途的各種修改一起利用本發明。發明之範疇意欲由所附申請專利範圍及其等效物定義。
102:可旋轉結構
104A-104D:分段
106A-106D:基板
108A-108D:中子源層
110A-110D:冷卻劑溝道/冷卻溝道
112:旋轉夾具
112A:入口
112B:出口
113:質子束產生器
113A:質子束

Claims (23)

  1. 一種用以產生中子的設備，其包含：一旋轉夾具，其包括一冷卻劑入口及一冷卻劑出口；以及多個中子生產分段，該等多個中子生產分段中每一中子生產分段可移除地耦接至該旋轉夾具，該等多個中子生產分段中每一中子生產分段包含：一基板，其中界定有一冷卻劑溝道迴路，該冷卻劑溝道迴路係與該冷卻劑入口及該冷卻劑出口流體連通；以及一固體中子源層，其安置於該基板之一表面上。
  2. 如請求項1之設備，其中每一固體中子源層具有一主表面，該主表面相對於該旋轉夾具之一旋轉軸以一固定角度安置。
  3. 如請求項2之設備，其中該固定角度為約90度。
  4. 如請求項2之設備，其中該固定角度為約0度。
  5. 如請求項1之設備，其中該固體中子源層包含鋰或鈹或碳之一。
  6. 如請求項1之設備，其中該基板包含銅、鋁、鈦及不銹鋼中至少一者。
  7. 如請求項1之設備，其中該旋轉夾具包括一真空密封。
  8. 如請求項1之設備，其中該冷卻劑溝道迴路包含一微溝道。
  9. 如請求項8之設備，其中該微溝道具有介於約0.5mm與約3mm之間的一尺寸。
  10. 如請求項8之設備，其中該微溝道具有一實質上圓形橫截面形狀。
  11. 如請求項8之設備，其中該微溝道具有一實質上矩形橫截面形狀。
  12. 如請求項1之設備，其中該冷卻劑溝道迴路包含多個實質上線性溝道，該等多個實質上線性溝道實質上平行於該固體中子源層之一主表面地定向。
  13. 如請求項12之設備，其中該等多個溝道中之該等溝道由多個壁界定，該等多個壁中每一壁安置於該等多個溝道中之兩個相鄰溝道之間，該等多個壁中每一壁具有為該等多個溝道中每一溝道之一寬度的約兩倍的一寬度。
  14. 如請求項1之設備，其中該固體中子源層之一厚度介於約0.01mm與約3mm之間。
  15. 如請求項14之設備，其中該固體中子源層之該厚度介於約0.09mm與約2mm之間。
  16. 如請求項1之設備，其中該等多個中子生產分段及該旋轉夾具共同地界定具有約1公尺之一外徑的一圓盤。
  17. 如請求項1之設備，其中該等多個中子生產分段及該旋轉夾具共同地界定具有約1公尺之一外徑的一圓筒。
  18. 如請求項1之設備，其中該等多個中子生產分段包含至少三個中子生產分段。
  19. 一種用以產生中子的方法，其包含：在介於100RPM與1800RPM間的一頻率下旋轉可移除地耦接至一旋轉夾具的多個分段，該等多個分段中之分段包括一固體中子源層；使一冷卻劑流過該等多個分段之冷卻劑溝道迴路；以及將一質子束導向該固體中子源材料，使得該質子束在該圓盤旋轉時有順序地接觸該等多個分段之一系列分段中每一個之一表面，以引起中子自該圓盤之發射。
  20. 如請求項19之方法，其中該質子束具有介於約1.88MeV與約3MeV之間的一能量。
  21. 如請求項19之方法，其中該質子束具有介於約10mA與約100mA之間的一電流。
  22. 如請求項19之方法，其中該質子束以約10cm之束斑大小接觸該等多個分段之該系列分段中每一個之該表面。
  23. 如請求項19之方法，其中速度為約1,000RPM。
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