TWI819708B - 中子捕獲治療系統及用於粒子束產生裝置的靶材 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種中子捕獲治療系統及用於粒子束產生裝置的靶材，能提升靶材的散熱性能，減少起泡，增加靶材壽命。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束與靶材作用產生中子束，靶材包括抗氧化層、作用層、抗發泡層、散熱層，作用層與帶電粒子束作用產生中子束，抗發泡層抑制所述帶電粒子束引起的起泡，抗氧化層為高分子薄膜，沿帶電粒子入射方向位於作用層前面，用於防止所述作用層被氧化。

Description

中子捕獲治療系統及用於粒子束產生裝置的靶材
本發明一方面涉及一種輻射線照射系統，尤其涉及一種中子捕獲治療系統；本發明另一方面涉及一種用於輻射線照射系統的靶材，尤其涉及一種用於粒子束產生裝置的靶材。
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，配合精准的中子射束調控，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透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，因此在產生中子的過程中靶材會受到非常高能量等級的加速質子束的照射，靶材的溫度會大幅上升，同時靶材的金屬部分容易起泡，從而影響靶材的使用壽命。
因此，有必要提出一種新的技術方案以解決上述問題。
為瞭解決上述問題，本發明一方面提供了一種用於中子束產生裝置的靶材，包括作用層、抗發泡層、散熱層和導熱層，所述作用層與帶電粒子束作用產生中子束，所述抗發泡層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述作用層的後面，並能夠抑制所述帶電粒子束引起的起泡；所述散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層。
作為一種優選地，所述導熱層設置在所述作用層和所述抗發泡層之間，所述導熱層與所述散熱層連接，由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命；熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
進一步地，所述導熱層與所述散熱層包圍所述抗發泡層，所述散熱層或者所述導熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。
更進一步地，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層設置有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。
作為一種優選地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述散熱層、導熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金。
作為一種優選地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述散熱層和所述導熱層到所述中心軸線的最大距離。
作為一種優選地，所述靶材還包括用於防止作用層被氧化的抗氧化層，所述抗氧化層將所述作用層與空氣隔離，沿帶電粒子束的入射方向依次設置所述抗氧化層、作用層、導熱層、抗發泡層和散熱層。
進一步地，所述作用層、導熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。
進一步地，所述抗氧化層由Al或Al2O3或聚醯亞胺製成，抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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。
更進一步地，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式：
Figure 111126669-A0305-02-0006-1
本發明第二方面提供一種用於粒子束產生裝置的靶材，所述靶材包括作用層、抗發泡層、第一散熱層和第二散熱層，所述作用層用於產生所述粒子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述第一、第二散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述抗發泡層設置在所述第一、第二散熱層之間，所述第一散熱層將所述作用層的熱量傳導到所述第二散熱層。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置第一散熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到第二散熱層，並在第二散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命；熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
作為一種優選地，所述第一散熱層設置在所述作用層和所述抗發泡層之間，且所述第一散熱層與所述第二散熱層連接，使得第一散熱層具有與作用層較大的接觸面積並能夠將熱量快速傳導到第二散熱層。
進一步地，所述第一散熱層和所述第二散熱層包圍所述抗發泡層，所述第一散熱層或者所述第二散熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
更進一步地，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層具有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。
作為一種優選地，所述靶材還包括防止所述作用層被氧化的抗氧化層，所述抗氧化層、作用層、第一散熱層、抗發泡層和第二散熱層依次設置。抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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。
進一步地，所述作用層、第一散熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述第二散熱層上，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層和所述抗氧化層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述第一散熱層和所述第二散熱層到所述中心軸線的最大距離。
進一步地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述第一散熱層、第二散熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金，所述抗氧化層的材料為Al或Al2O3或聚醯亞胺。
更進一步地，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式：
Figure 111126669-A0305-02-0008-2
本發明第三方面提供一種用於粒子束產生裝置的靶材，所述靶材包括作用層、抗發泡層、第一散熱層和第二散熱層，所述作用層用於產生所述粒子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述第一、第二散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述第一、第二散熱層相互連接，所述第一散熱層設置在所述作用層和所述抗發泡層之間。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置第一散熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到第二散熱層，並在第二散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命；第一散熱層具有與作用層較大的接觸面積並能夠將熱量快速傳導到第二散熱層。
作為一種優選地，所述第一散熱層和所述第二散熱層包圍所述抗發泡層，所述第一散熱層或者所述第二散熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
作為一種優選地，所述靶材還包括防止所述作用層被氧化的抗氧化層，所述抗氧化層、作用層、第一散熱層、抗發泡層和第二散熱層依次設置。抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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。
進一步地，所述作用層、第一散熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述第二散熱層上，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層和所述抗氧化層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述第一散熱層和所述第二散熱層到所述中心軸線的最大距離。
進一步地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述第一散熱層、第二散熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金，所述抗氧化層的材料為Al或Al2O3或聚醯亞胺。
更進一步地，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式：
Figure 111126669-A0305-02-0010-3
本發明第四方面提供一種用於粒子束產生裝置的靶材，所述靶材包括抗氧化層、作用層、抗發泡層和散熱層，所述作用層與入射的帶電粒子束發生作用產生中子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述抗氧化層為高分子薄膜，抗氧化層將所述作用層與空氣隔離，使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材。
作為一種優選地，所述高分子薄膜的材料為聚醯亞胺，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式： 。
作為一種優選地，所述抗氧化層透過膜覆蓋的工藝加工到所述作用層上。進一步地，所述抗氧化層具有大於5nm的厚度。
作為一種優選地，所述靶材還包括導熱層，由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效地將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由於溫度過高引起的變形，延長靶材壽命；所述抗發泡層設置在所述導熱層和所述散熱層之間，所述導熱層與所述散熱層連接，並且所述導熱層或所述散熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
進一步地，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層具有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。更進一步地，所述導熱層具有5μm-50μm的厚度。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述導熱層和所述散熱層到所述中心軸線的最大距離。
進一步地，所述作用層、所述導熱層、所述抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上。
進一步地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述導熱層、所述散熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金。更進一步地，所述作用層具有49μm-189μm的厚度，與能量2.2MeV-3MeV的質子束發生充分反應，降低γ射線污染，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能；所述抗發泡層構造為抑制所述帶電粒子束引起的起泡並具有5μm-50μm的厚度，能夠快速擴散由入射帶電粒子束在靶材中產生的氫，減弱氫的集中度或將氫釋放到外部，有效抑制入射帶電粒子束引起的起泡，從而避免或減少靶材由起泡引起的變形，延長靶材壽命。
本發明第五方面提供了一種用於粒子束產生裝置的靶材的基材，所述基材包括抗發泡層、第一散熱層和第二散熱層，所述抗發泡層能夠抑制所述靶材在產生所述粒子束過程中的起泡，所述第一、第二散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述抗發泡層設置在所述第一、第二散熱層之間，且所述第一散熱層與所述第二散熱層連接。
作為一種優選地，所述第一散熱層和所述第二散熱層包圍所述抗發泡層，所述第一散熱層或者所述第二散熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。進一步地，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層設置有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。
作為一種優選地，所述第一散熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述第二散熱層上。
作為一種優選地，所述基材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述第一散熱層和所述第二散熱層到所述中心軸線的最大距離。
作為一種優選地，所述第一散熱層、第二散熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金。
本發明第六方面提供一種中子捕獲治療系統，包括中子產生裝置和射束整形體，所述中子產生裝置包括加速器和靶材，所述加速器加速產生的帶電粒子束與所述靶材作用產生中子束，所述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，所述緩速體將自所述靶材產生的中子減速至超熱中子能區，所述反射體包圍所述緩速體並將偏離的中子導回至所述緩速體以提高超熱中子射束強度，所述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，所述輻射屏蔽體圍繞所述射束出口設置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，所述靶材包括作用層、抗發泡層、散熱層和導熱層，所述作用層與帶電粒子束作用產生所述中子束，所述抗發泡層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述作用層的後面並能夠抑制所述帶電粒子束引起的起泡，所述散熱層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述抗發泡層的後面並將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。
作為一種優選地，所述導熱層設置在所述作用層和所述抗發泡層之間，且所述導熱層與所述散熱層連接，使得導熱層具有與作用層較大的接觸面積並能夠將熱量快速傳導到散熱層。
作為一種優選地，所述所述散熱層和所述導熱層包圍所述抗發泡層，且所述導熱層與所述散熱層連接。熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。進一步地，所述散熱層或者所述導熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。更進一步地，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層設置有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。
作為一種優選地，所述抗發泡層由抑制發泡的材料製成，如在200℃下的氫擴散係數不小於10E-6cm2/s的材料，進一步地，所述抗發泡層的材料包括Nb、Ta、Pd、V及其合金、化合物中的至少一種；所述散熱層、導熱層由導熱材料製成，進一步地，所述散熱層、導熱層的材料包括Cu、Fe、Al及其合金、化合物中的至少一種。
作為一種優選地，所述靶材還包括防止所述作用層被氧化的抗氧化層，所述抗氧化層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述作用層的前面，抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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，進一步地，所述抗氧化層的材料包括Al、Ti及其合金、化合物或者不銹鋼中的至少一種。
進一步地，沿所述帶電粒子束入射方向依次設置所述抗氧化層、所述作用層、所述導熱層、所述抗發泡層和所述散熱層。
進一步地，所述作用層、導熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。更進一步地，在真空環境下將所述抗氧化層、作用層、導熱層、抗發泡層的材料依次蒸發為氣體沉積到所述散熱層上，能夠精確控制靶材各層的厚度。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層和所述抗氧化層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述散熱層和所述導熱層到所述中心軸線的最大距離。
進一步地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述帶電粒子束為質子束，所述散熱層、導熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金，所述抗氧化層的材料為Al或Al2O3或聚醯亞胺。
更進一步地，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式：
Figure 111126669-A0305-02-0017-4
更進一步地，所述質子束能量為2.2MeV-3MeV，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；所述作用層具有49μm-189μm的厚度，與質子能發生充分的反應，降低γ射線污染，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能；所述抗發泡層具有為5μm-50μm的厚度，能夠快速擴散由入射帶電粒子束在靶材中產生的氫，減弱氫的集中度或將氫釋放到外部，有效抑制入射帶電粒子束引起的起泡，從而避免或減少靶材由起泡引起的變形，延長靶材壽命；所述抗氧化層的厚度大於5nm，所述導熱層具有5μm-50μm的厚度，所述靶材的使用壽命不小於200mA-h。
作為一種優選地，中子捕獲治療系統還包括治療台和準直器，所述中子產生裝置產生的中子束透過所述射束整形體照射向所述治療臺上的患者，所述患者和射束出口之間設置輻射屏蔽裝置以屏蔽從所述射束出口出來的射束對患者正常組織的輻射，所述準直器設置在所述射束出口後部以匯聚中子束，所述射束整形體內設置第一、第二冷卻管，所述靶材的散熱層具有冷卻進口、冷卻出口和設置在所述冷卻進口和冷卻出口之間的曲折狀的冷卻通道，所述第一、第二冷卻管的一端分別與所述靶材的冷卻進口和冷卻出口連接，另一端連接到外部冷卻源，所述曲折狀的冷卻通道的彎曲幾何為連續彎曲的平滑曲線或依次首尾相連的曲線段或直線段，所述連續彎曲的平滑曲線為弦波函數。曲折狀的通道延長了流通路徑，能夠增加傳熱壁面與冷卻介質的接觸面積從而增加散熱表面，同時形成二次流，增加攪混效應，提升傳熱能力和散熱效果，有助於延長靶材的壽命。冷卻通道採用連續彎曲的平滑曲線，如弦波函數，能進一步減少流動路徑造成的流動阻力。
進一步地，靶材位於所述射束整形體內，所述加速器具有對帶電粒子束進行加速的加速管，所述加速管沿帶電粒子束方向伸入所述射束整形體並依次穿過所述反射體和緩速體，所述靶材設置在所述緩速體內並位於所述加速管端部，所述第一、第二冷卻管設置在所述加速管與所述反射體和緩速體之間。
本發明第七方面提供了一種中子捕獲治療系統，所述中子捕獲治療系統包括中子產生裝置和射束整形體，所述中子產生裝置包括加速器和靶材，所述加速器加速產生的帶電粒子束與所述靶材作用產生中子束，所述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，所述緩速體將自所述靶材產生的中子減速至超熱中子能區，所述反射體包圍所述緩速體並將偏離的中子導回至所述緩速體以提高超熱中子射束強度，所述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，所述輻射屏蔽體圍繞所述射束出口設置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，所述靶材包括作用層、抗發泡層、散熱層，所述作用層與帶電粒子束作用產生所述中子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生中子束過程中的發泡，所述作用層的厚度為49μm -189μm，與質子束能發生充分的反應，降低γ射線污染，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能。
作為一種優選地，所述作用層的厚度為97μm。
作為一種優選地，所述靶材還包括導熱層，所述導熱層設置在所述作用層與所述抗發泡層之間，且所述導熱層與所述散熱層連接，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。更進一步地，所述導熱層的厚度為5μm-50μm，所述抗發泡層的厚度為5μm-50μm，抗發泡層能夠快速擴散由入射帶電粒子束在靶材中產生的氫，減弱氫的集中度或將氫釋放到外部，有效抑制入射帶電粒子束引起的起泡，從而避免或減少靶材由起泡引起的變形，延長靶材壽命。
作為一種優選地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述帶電粒子束能量為2.2MeV-3MeV，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。
進一步地，所述散熱層、導熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金。
進一步地，所述作用層、導熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述散熱層和所述導熱層到所述中心軸線的最大距離。
作為一種優選地，所述靶材還包括抗氧化層，所述抗氧化層將所述作用層與空氣隔離並具有大於5nm的厚度，抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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；所述抗氧化層由Al2O3或聚醯亞胺製成，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。
本發明第八方面提供了一種用於粒子束產生裝置的靶材，沿帶電粒子束的入射方向依次包括抗氧化層、作用層、抗發泡層和散熱層，所述作用層與帶電粒子束作用產生中子束並具有49μm-189μm的厚度，與質子能發生充分的反應，降低γ射線污染，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能；所述抗氧化層將所述作用層與空氣隔離並具有大於5nm的厚度，抗氧化層使得靶材可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在進行靶材安裝、更換時十分便利，抗氧化層還可以防止作用層的副產物溢出靶材，抗氧化層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；所述抗發泡層構造為抑制所述帶電粒子束引起的起泡並具有5μm-50μm的厚度，能夠快速擴散由入射帶電粒子束在靶材中產生的氫，減弱氫的集中度或將氫釋放到外部，有效抑制入射帶電粒子束引起的起泡，從而避免或減少靶材由起泡引起的變形，延長靶材壽命。
作為一種優選地，所述帶電粒子束的能量為2.2MeV-3MeV，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。
作為一種優選地，所述靶材還包括導熱層，所述導熱 層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層，所述導熱層具有5μm-50μm的厚度。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。
進一步地，所述抗發泡層設置在所述散熱層和所述導熱層之間，且所述導熱層與所述散熱層連接，所述散熱層或所述導熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。熱量傳導基本不通過抗發泡層，抗發泡層僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。
進一步地，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述散熱層、導熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金，所述抗氧化層由Al2O3或聚醯亞胺製成。
進一步地，所述作用層、導熱層、抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上，所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上或所述抗氧化層為高分子薄膜並透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。
進一步地，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於所述中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層和所述抗氧化層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述散熱層和所述導熱層到所述中心軸線的最大距離。
本發明第九方面提供了一種用於粒子束產生裝置的靶材的加工設備，所述靶材包括作用層、抗發泡層、散熱層，所述作用層用於產生所述粒子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述加工設備包括真空室、排氣裝置、蒸發源、支架和加熱裝置；所述排氣裝置用於對所述真空室排氣以形成真空環境；所述蒸發源用於將所述抗發泡層、作用層的材料在所述真空室中依次蒸發為氣體；所述支架用於放置所述散熱層；所述加熱裝置用於將所述散熱層加熱後，使得所述氣體的材料依次沉積在所述散熱層面向所述蒸發源的表面。採用該加工設備，能夠精確控制靶材各層的厚度
作為一種優選地，所述靶材還包括用於防止所述作用層被氧化的抗氧化層，所述蒸發源將所述作用層蒸發為氣體後將所述抗氧化層蒸發為氣體。
作為一種優選地，所述靶材還包括導熱層，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層，所述蒸發源將所述抗發泡層蒸發為氣體後將所述導熱層蒸發為氣體，然後再將所述作用層蒸發為氣體。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。
進一步地，所述加工設備還包括膜厚度檢測裝置，所述膜厚度檢測裝置用於檢測所述作用層、抗發泡層的厚度並控制氣體的沉積速度。
本發明第十方面提供了一種用於粒子束產生裝置的靶材的加工方法，所述靶材包括作用層、抗發泡層、散熱層和導熱層，所述作用層用於產生所述粒子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述散熱層將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層，所述加工方法包括在所述散熱層上依次以形成膜的方式加工所述抗發泡層、導熱層、作用層。由於抗發泡層散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層的熱量傳導到散熱層，設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命；採用該加工方法，能夠精確控制靶材各層的厚度。
作為一種優選地，所述靶材還包括抗氧化層，所述抗氧化層用於防止所述作用層被氧化，所述加工方法包括將薄膜狀的抗氧化層覆蓋到所述作用層上，或者將所述抗氧化層以形成膜的方式加工到所述作用層上。
作為一種優選地，所述形成膜的方式為物理氣相沉積、濺鍍、熱焊鍍或原子層沉積。
本發明第十一方面提供了一種用於中子束產生裝置的靶材的加工方法，所述靶材包括抗氧化層、作用層、抗發泡層和散熱層，所述作用層與帶電粒子束作用產生中子束，所述抗氧化層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述作用層的前面並防止所述作用層被氧化，所述抗發泡層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述作用層的後面並能夠抑制所述帶電粒子束引起的起泡，所述散熱層沿所述帶電粒子束的入射方向位於所述抗發泡層的後面並將沉積在所述靶材中的熱量傳遞出來，所述抗氧化層與所述作用層的加工方法不同。
作為一種優選地，所述靶材還包括導熱層，所述導熱層將所述作用層的熱量傳導到所述散熱層，所述抗發泡層、導熱層、作用層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上。進一步地，在真空環境下將所述作抗發泡層、導熱層、作用層的材料依次蒸發為氣體沉積到所述散熱層上，能夠精確控制靶材各層的厚度。
作為一種優選地，所述抗氧化層為高分子薄膜，所述抗氧化層透過膜覆蓋工藝加工到所述作用層上。且採用高分子薄膜組裝方便，成本較低。
本發明所述的中子捕獲治療系統及用於粒子束產生裝置的靶材，透過設置導熱層將沉積在作用層的熱量直接快速傳導到散熱層，並在散熱層透過冷卻介質將熱量排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。
下面結合附圖對本發明的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，產生如質子束的帶電粒子束C，帶電粒子束C照射到靶材T並與靶材T作用產生中子束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的合金、化合物或其他材料製成，例如由Ta或W及其合金、化合物等形成。加速器11 可以是直線加速器、回旋加速器、同步加速器、同步回旋加速器。
中子產生裝置10產生的中子束N依次透過射束整形體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用以匯聚中子束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(>40keV)調整到超熱中子能區(0.5eV-40keV)，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、FluentalTM、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(<0.5eV)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，可以理解，熱中子吸收體也可以是和緩速體一體的，緩速體的材料中含有Li-6；輻射屏蔽體24圍繞射束出口25設置，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10 B(n,α) 7 Li 中子捕獲及核分裂反應產生4 He 和7 Li 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150 keV/μm、8μm，而7 Li 重荷粒子則為 175 keV/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具有對帶電粒子束C進行加速的加速管111，本實施例中，加速管111沿帶電粒子束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包括作用層12、抗發泡層13、（第一）散熱層14和（第二散熱層）導熱層15。作用層12與帶電粒子束C作用產生中子束，在產生中子的過程中靶材會受到非常高能量等級的加速帶電粒子束C的照射，從而引起靶材起泡和溫度上升，造成靶材使用壽命降低。抗發泡層13沿帶電粒子束C入射方向位於作用層12的後面並能夠快速擴散由入射帶電粒子束C在靶材T中產生的氫，減弱氫的集中度或將氫釋放到外部，有效抑制入射帶電粒子束C引起的起泡，從而避免或減少靶材T由起泡引起的變形，延長靶材壽命；抗發泡層13由抑制發泡的材料製成，如在200℃下的氫擴散係數不小於10E-6cm2/s的材料，一實施例中，抗發泡層13的材料包括Nb、Ta、Pd、V及其合金、化合物中的至少一種。散熱層14沿帶電粒子束C入射方向位於抗發泡層13的後面並將沉積在靶材中的熱量傳遞出來透過冷卻介質排出，降低靶材的溫度，防止靶材由溫度過高引起的變形，延長靶材壽命。由於抗發泡層13散熱性能較差，不能有效將沉積在作用層12的熱量傳導到散熱層14，設置導熱層15將沉積在作用層12的熱量直接快速傳導到散熱層14。散熱層14、導熱層15由導熱材料，製成，一實施例中，散熱層14、導熱層15的材料包括Cu、Fe、Al及其合金、化合物中的至少一種。導熱層15設置在作用層12和抗發泡層13之間，且導熱層15與散熱層14連接，即抗發泡層13設置在相互連接的散熱層14和導熱層15之間，這樣的設置使得導熱層15具有與作用層12較大的接觸面積並能夠將熱量快速傳導到散熱層14，熱量傳導基本不通過抗發泡層13，抗發泡層13僅需考慮抗起泡的特性而不用考慮其熱傳導性。如圖3，本實施例中，散熱層14和導熱層15包圍抗發泡層13，導熱層15形成有用於容納抗發泡層13的容納空間151，容納空間151包括底面1511和與底面1511相連的側壁1512，抗發泡層13設置有與底面1511接觸的頂面131和與側壁1512接觸的外壁132，可以理解，容納空間也可以由散熱層形成或由導熱層和散熱層共同形成。靶材T還可以包括防止作用層12被氧化的抗氧化層16，抗氧化層16沿帶電粒子束C入射方向位於作用層12的前面，抗氧化層16與導熱層15共同將作用層12封閉，即將作用層12與空氣隔離，使得靶材T可以暴露在空氣中而不需要特殊存儲，尤其是在 進行靶材安裝、更換時十分便利，且極大地降低了成本，抗氧化層16還可以防止作用層12的副產物(如8Be)溢出靶材T，抗氧化層16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、化合物或者不銹鋼中的至少一種；一實施例中，採用Al2O3，由於其預氧化具有更好的抗氧化作用，同時Al被中子活化後的放射性產物半衰期較短，降低二次輻射；另一實施例中，抗氧化層16為高分子薄膜，如聚醯亞胺(PI，polyimide)膜，聚醯亞胺具有如下分子結構：
Figure 111126669-A0305-02-0032-5
 聚醯亞胺耐高溫並具有高絕緣性能、優良的機械性能、很高的耐輻照性能、熱分解溫度達400攝氏度以上，可有效屏蔽高能中子，對深部腫瘤能夠降低對正常組織的輻射損傷；且將高分子薄膜以膜覆蓋工藝(如熱壓、膠粘等)加工到作用層12上，組裝方便、成本較低。可以理解，也可以不設置抗氧化層。
一實施例中，採用質子束轟擊鋰靶產生中子，質子束沿入射方向依次穿過抗氧化層16、作用層12、導熱層15、抗發泡層13和散熱層14，質子束能量為2.2MeV-3MeV，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12的厚度為49μm -189μm，與質子能發生充分的反應，降低γ射線污染，也不會過厚造成能量沉積，影響靶材散熱性能。
利用仿真軟件分別模擬2.2MeV、2.5MeV及3MeV能量質子束轟擊不同厚度的鋰靶，獲得不同鋰靶厚度下的中子產量，如圖10-12所示，質子束能量為2.2MeV，對應靶材作用層厚度為49μm時，中子產量最高；質子束能量為2.5MeV，對應靶材作用層厚度為97μm時，中子產量最高；質子束能量為3MeV，對應靶材作用層厚度為189μm時，中子產量最高。
本實施例質子束能量為2.5MeV，靶材作用層12的厚度為97μm，可以獲得照射所需的中子束，同時中子產率不會太低。
Ta被中子活化後會產生放射性產物，抗發泡層13的厚度在將殘餘的質子束全部吸收的前提下應儘量薄，抗發泡層13的厚度可以為5μm-50μm；為降低質子束的能量損失，抗氧化層16的厚度應儘量薄，可以大於5nm；導熱層15為滿足將熱量快速傳導到散熱層14，採用超高純度的Cu，厚度為5μm-50μm；靶材使用壽命不小於200mA-h。
靶材T整體為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線A，可以理解，上文所述的厚度為靶材T各層沿靶材T的中心軸線A的厚度，靶材T各層邊緣根據結構需要厚度可能有所不同。
散熱層14可以有多種構造，散熱層14的厚度根據冷卻結構滿足需求即可，在圖4和圖5示出的散熱層的第一實施例中，散熱層14為板狀，包括第一板141和第二板142，第一板141具有面向作用層12的第一側1411和與第一側1411相對的第二側1412，第二側1412上形成供冷卻介質流通的冷卻通道P，第二板142與第一板141的第二側1412緊密接觸，可以理解，冷卻通道P也可以設置在第二板142上與第一板141相對的一側上。冷卻通道P為曲折狀，曲折狀的冷卻通道P包括多個子平行曲折通道P1，即由多個曲折狀的壁W平行排列，相鄰的壁W之間形成曲折狀的槽S（即子平行曲折通道P1）。子平行曲折通道P1的彎曲幾何為弦波函數：
其中， 為相位角、 為冷卻介質流通方向（下文詳述）的坐標、k為振幅、T為週期。
可以理解，冷卻通道P還可以為其他的曲折形狀，如連續彎曲的平滑曲線或依次首尾相連的曲線段或直線段，曲折狀的通道延長了流通路徑，能夠增加傳熱壁面與冷卻介質的接觸面積從而增加散熱表面，同時形成二次流，增加攪混效應，提升傳熱能力和散熱效果，有助於延長靶材的壽命。冷卻通道P採用連續彎曲的平滑曲線，如弦波函數，能進一步減少流動路徑造成的流動阻力。曲折狀的冷卻通道P也可以有其他的排布方式。
散熱層14還具有冷卻進口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，冷卻介質從冷卻進口IN進入，通過冷卻通道P，然後從冷卻出口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，導熱層和散熱層將熱量導出，並透過流通在冷卻通道內的冷卻介質將熱量帶出，從而對靶材T進行冷卻。冷卻進口IN和冷卻出口OUT各有3個，對稱設置在第一板141上冷卻通道P的兩端，並在第一側1411到第二側1412的方向上延伸貫通，在第二側1412上還形成有進口槽S1和出口槽S2，進口槽S1、出口槽S2分別連通冷卻進口IN、冷卻出口OUT和各個子平行曲折通道P1，使得從冷卻進口IN進入的冷卻介質從進口槽S1分別進入各個子平行曲折通道P1，再經過出口槽S2從冷卻出口OUT出去。可以理解，冷卻進口IN和冷卻出口OUT可以為其他的個數或其他的形式，還可以同時設置在第二板上或分別設置在第一板上和第二板上。冷卻進口IN和冷卻出口OUT外圍還設置有周向壁W1，第二板142與周向壁W1面向第二板142的表面緊密接觸，在第一板141和第二板142之間形成容腔，使得從冷卻進口IN進入的冷卻介質只能通過冷卻出口OUT出去，第二板142與第一板141接觸的面為平面，曲折狀的壁W的高度和周向壁W1的高度相同；可以理解，也可以為階梯面或其他構造，此時曲折狀的壁W的高度和周向壁W1的高度可能不同，只要使得各個子平行曲折通道P1之間是相互獨立的即可。相鄰的子平行曲折通道P1中的冷卻介質流通方向D（冷卻通道中冷卻介質整體的流通方向）也可以不同，進一步增加散熱效率。進口槽S1和出口槽S2可以有其他的設置方式，如使得冷卻介質依次流經各個子平行曲折通道P1。本實施例中，第一板和第二板的材料都為Cu，具有較好的散熱性能且成本較低。形成冷卻通道P的槽S的個數及大小根據實際靶的尺寸決定，槽的橫截面形狀也可以是多樣的，如矩形、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。
第一板141和第二板142一起透過螺栓或螺釘等連接件或其他固定結構，如焊接等，固定到緩速體22內或加速管111端部，或者第一板141和第二板142先連接再將其中之一固定到緩速體22內或加速管111端部。可以理解，散熱層還可以採用其他可拆卸的連接進行固定或安裝，便於更換靶材；散熱層14還可以具有支撐件（圖中未示出），第一板141和/或第二板142透過支撐件進行固定，冷卻進口IN和冷卻出口OUT也可以設置在支撐件上。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。冷卻介質可以為去離子水，具備極低的電導率，防止在高電壓環境下產生漏電流及對中子束的生成產生幹擾，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。
如圖6和圖7，為散熱層的第二實施例，下面僅描述與第一實施例不同的地方。在散熱層的第二實施例中，曲折狀的冷卻通道P´包括多個子螺旋曲折通道P1´，即由一個或多個曲折狀的壁W´圍繞同一中心以螺旋線展開，每個壁W´在徑向上形成很多層，各個壁W´形成的層在徑向上交互排列，相鄰的層之間形成槽S´（即子螺旋曲折通道P1´）。子螺旋曲折通道P1´的軌跡函數為：
其中， 為中心半徑、 為外半徑、 為極坐標角度、K為振幅、T為週期。
冷卻進口IN´設置在第二板142´的中心，與各子螺旋曲折通道P1´的中心貫通，冷卻出口OUT´有4個，周向平均設置在第一板141´上冷卻通道P´的外圍，在第一側1411´到第二側1412´的方向上延伸貫通，可以理解，還可以有其他的設置方式。冷卻通道P´的中心，即各子螺旋曲折通道P1´的中心，作為進口槽S1´，在第一板141´的第二側1412´上還形成有出口槽S2´，出口槽S2´連通冷卻出口OUT´和各個子螺旋曲折通道P1´，使得從冷卻進口IN´進入的冷卻介質從冷卻通道P´中心分別進入各個子螺旋曲折通道P1´，再經過出口槽S2´從冷卻出口OUT´出去。冷卻出口OUT´外圍設置有周向壁W1´，第二板142´與周向壁W1´面向第二板142´的表面緊密接觸，在第一板141´和第二板142´之間形成容腔，使得從冷卻進口IN´進入的冷卻介質只能通過冷卻出口OUT´出去，第二板142´與第一板141´接觸的面為平面，曲折狀的壁W´的高度和周向壁W1´的高度相同；可以理解，也可以為階梯面或其他構造，此時曲折狀的壁W´的高度和周向壁W1´的高度可能不同，只要使得各個子螺旋曲折通道P1´之間是相互獨立的即可。相鄰的子螺旋曲折通道P1´中的冷卻介質流通方向也可以不同，進一步增加散熱效率。第一板141´的中心處還可以設置有突出部1413´，用於整流和增加傳熱面積，降低中心熱點溫度。突出部1413´的高度可以高於壁W´和周向壁W1´的高度，並伸入第二板上的冷卻進口IN´；突出部1413´的形狀可以為實心錐體、空心錐體、片狀等。
為實現上述靶材的構造，靶材T可以採用將其他各層（抗氧化層16、作用層12、導熱層15、抗發泡層13）以形成膜的方式加工到散熱層14上，如PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）、濺鍍、熱焊鍍、原子層沉積等。如圖8，靶材T的製造工藝如下：
S10：放置散熱層14（以銅板構造），散熱層14到靶材T的中心軸線A的最大距離為R1；
S20：在散熱層14的表面以形成膜的方式加工抗發泡層13(Ta)，如透過濺鍍，抗發泡層13到中心軸線A的最大距離為R2，R2小於R1，需要對散熱層14不需要形成膜(抗發泡層13)的區域進行遮擋，如使用金屬板遮擋散熱層14的表面到中心軸線A的距離在R2-R1的區間；S30：在抗發泡層13的表面以形成膜的方式加工導熱層15(Cu)，如透過濺鍍，導熱層15到中心軸線A的最大距離為R3，R3大於R2，即進行步驟S32之前將需步驟S31中進行遮擋用的金屬板移除；S40：在導熱層15的表面以形成膜的方式加工作用層12(Li)，如透過熱焊鍍或PVD，作用層12到中心軸線A的最大距離為R4，R4小於R3，需要對步驟S32得到的工件的表面不需要形成膜(作用層12)的區域進行遮擋，如使用金屬板遮擋步驟S32得到的工件的表面到中心軸線A的距離在R4-R3的區間，本實施例中，R4小於R2，使得抗發泡層能夠完全吸收殘餘的質子；S50：在作用層12的表面以形成膜的方式加工抗氧化層16(Al2O3)，如透過原子層沉積，抗氧化層16到中心軸線A的最大距離為R5，R5大於R4，即進行步驟S34之前將需步驟S33中進行遮擋用的金屬板移除。
本實施例中，R5和R3等於R1，可以理解，也可以有其他的設置。
當抗氧化層16為高分子薄膜（如PI膜），步驟S50也可以是將高分子薄膜製品的抗氧化層16透過膜覆蓋工藝加工到作用層12上，如透過熱壓、膠粘工藝，可以採用不含水份的有機矽壓敏膠粘劑，不會與金屬層發生反應，組裝方便，成本較低；還可以是將液態的高分子薄膜材料塗布在作用層12上然後固化（也可以視為以形成膜的方式加工），如旋轉塗布，更加均勻。
一實施例中，靶材T採用在真空環境下將各層（抗氧化層16、作用層12、導熱層15、抗發泡層13）材料依次形成氣體沉積到散熱層14（PVD），如圖9，該實施例中，靶材T的加工設備300包括真空室310、排氣裝置320、蒸發源330、支架340、加熱裝置350。排氣裝置320對真空室310排氣以形成真空環境。蒸發源330將各層材料在真空室310中依次蒸發為氣體，本實施例中，蒸發源330為電子束或離子束蒸發，設置在真空室的底部。支架340用於放置散熱層14，本實施例中，支架340設置在真空室310頂部，加熱裝置350將散熱層14加熱後，氣體材料沉積在散熱層14面向蒸發源330的表面。加工設備300還可以包括膜厚度檢測裝置360，用於檢測各層材料的厚度並控制氣體沉積速度。
採用上述加工設備和工藝，能夠精確控制靶材各層的厚度，支架340還可以為旋轉結構，其上固定多個散熱層，依次進行成膜加工，提高加工效率；還可以同時加工多個靶材，可以理解，加工設備300還可以有其他的構造方式。
本實施例的靶材，由於其結構及加工工藝，具有較好的抗起泡及散熱性能，使用壽命不小於400mA-h。可以理解，本實施例的加工設備及加工方法也可以用於不具有抗氧化層或導熱層的靶材，靶材T也可以採用其他製造方式。
本實施例中，靶材T整體呈圓板狀；可以理解，靶材T還可以為矩形或其他形狀的平板狀；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束與靶材均勻作用。抗發泡層13、散熱層14和導熱層15還可以組成靶材T的基材T1，用於在其上加工不同的作用層12從而形成不同的靶材T。靶材T還可以包括用於支撐或安裝靶材的支撐部（圖未示），支撐部還可以用於安裝第一、第二冷卻管D1、D2的至少一部分，支撐部可以由鋁合金材料製成，Al被中子活化後的放射性產物半衰期較短，降低二次輻射。
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束與靶材的核反應，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束產生裝置。
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申請專利範圍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。
100:硼中子捕獲治療系統 200:患者 300:加工設備 310:真空室 320:排氣裝置 330:蒸發源 340:支架 350:加熱裝置 360:膜厚度檢測裝置 10:中子產生裝置 11:加速器 111:加速管 12:作用層 13:抗發泡層 14:（第一）散熱層 141、141´:第一板 1411、1411´:第一側 1412、1412´:第二側 1413´:突出部 142、142´:第二板 15:（第二散熱層）導熱層 151:容納空間 1511:底面 1512:側壁 16:抗氧化層 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 A:中心軸線 C:帶電粒子束 D:流通方向 D1、D2:第一、第二冷卻管 N:中子束 M:腫瘤細胞 P、P´:冷卻通道 P1:子平行曲折通道 P1´:子螺旋曲折通道 S、S´:槽 S1:進口槽 S2、S2´:出口槽 T:靶材 T1:基材 W、W´:壁 W1、W1´:周向壁 IN、IN´:冷卻進口 OUT、OUT´:冷卻出口
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中的靶材的分解示意圖； 圖4為圖2中的靶材的散熱層的第一實施例的示意圖； 圖5為圖4中的散熱層的第一板的示意圖； 圖6為圖2中的靶材的散熱層的第二實施例的示意圖； 圖7為圖6中的散熱層的第一板的示意圖； 圖8為本發明實施例中的靶材的加工設備的示意圖； 圖9為本發明實施例中的靶材的加工方法的流程圖； 圖10為本發明實施例中模擬計算的2.2MeV質子轟擊不同厚度鋰靶的中子產量； 圖11為本發明實施例中模擬計算的2.5MeV質子轟擊不同厚度鋰靶的中子產量； 圖12為本發明實施例中模擬計算的3MeV質子轟擊不同厚度鋰靶的中子產量。
100:硼中子捕獲治療系統
200:患者
10:中子產生裝置
11:加速器
111:加速管
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
C:帶電粒子束
D1、D2:第一、第二冷卻管
N:中子束
T:靶材
M:腫瘤細胞

Claims (10)

  1. 一種用於粒子束產生裝置的靶材，其中，所述靶材包括抗氧化層、作用層、抗發泡層和散熱層，所述作用層與入射的帶電粒子束發生作用產生中子束，所述抗發泡層能夠抑制所述作用層在產生所述粒子束過程中的起泡，所述抗氧化層為高分子薄膜，沿帶電粒子束入射方向位於所述作用層的前面。
  2. 如請求項1所述的靶材，其中，所述高分子薄膜的材料為聚醯亞胺，所述聚醯亞胺具有如下分子結構式： 。
  3. 如請求項1所述的靶材，其中，所述抗氧化層通過膜覆蓋的工藝加工到所述作用層上。
  4. 如請求項1所述的靶材，其中，所述靶材還包括導熱層，所述抗發泡層設置在所述導熱層和所述散熱層之間，所述導熱層與所述散熱層連接，並且所述導熱層或所述散熱層形成有用於容納所述抗發泡層的容納空間。
  5. 如請求項4所述的靶材，其中，所述容納空間包括底面和與所述底面相連的側壁，所述抗發泡層具有與所述底面接觸的頂面和與所述側壁接觸的外壁。
  6. 如請求項4所述的靶材，其中，所述靶材為平板狀並具有垂直於板面的中心軸線，在垂直於中心軸線的同一徑向上，所述作用層到所述中心軸線的最大距離小於所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離，所述抗發泡層到所述中心軸線的最大距離小於所述導熱層和所述散熱層到所述中心軸線的最大距離。
  7. 如請求項4所述的靶材，其中，所述作用層、所述導熱層、所述抗發泡層以形成膜的方式依次加工到所述散熱層上。
  8. 如請求項4所述的靶材，其中，所述作用層的材料為Li或其化合物或其合金，所述導熱層、所述散熱層的材料為Cu或其化合物或其合金，所述抗發泡層的材料為Ta或其化合物或其合金。
  9. 一種中子捕獲治療系統，包括：中子產生裝置，所述中子產生裝置包括加速器和靶材，所述加速器射出的帶電粒子束與所述靶材作用產生中子束；射束整形體，所述射束整形體能夠調整所述中子產生裝置產生的中子束的射束品質，所述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；其中，所述靶材如請求項1至8任一項所述。
  10. 如請求項9所述的中子捕獲治療系統，其中，所述加速器具有對帶電粒子束進行加速的加速管，所述加速管沿帶電粒子束入射方向伸入所述射束整形體並依次穿過所述反射體和所述緩速體，所述靶材設置在所述緩速體內並位於所述加速管端部。
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