СИСТЕМА НЕЙТРОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ
NEUTRON CAPTURE THERAPY SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится в целом к системе радиоактивного облучения и, более конкретно, к системе нейтрон-захватной терапии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] По мере развития атомной технологии лучевая терапия, такая как кобальт-60, линейные ускорители и электронные пучки, стала одним из основных средств для терапии рака. Однако обычная фотонная или электронная терапия подвержена физическим ограничениям радиоактивных лучей; например, многие здоровые ткани на пути пучка могут быть повреждены при разрушении опухолевых клеток. С другой стороны, чувствительность опухолевых клеток к радиоактивным лучам сильно различается, таким образом, в большинстве случаев обычная лучевая терапия неэффективна при лечении радиорезистентных злокачественных опухолей (таких как мультиформная глиобластома и меланома).
[0003] Для уменьшения радиационного повреждения здоровой ткани, окружающей участок опухоли, в лучевой терапии применяют целевую терапию при химиотерапии. При этом для опухолевых клеток с высокой стойкостью к облучению также разработаны источники излучения с высокой относительной биологической эффективностью (RBE), в том числе такие, как протонная терапия, терапия с использованием тяжёлых частиц и нейтрон-захватная терапия. Среди них нейтрон-захватная терапия комбинирует целевую терапию с RBE, например бор-нейтронозахватная терапия (BNCT). Благодаря специальному группированию борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолевых клетках и точной регулировке пучка нейтронов BNCT является лучшим выбором для терапии рака, чем традиционная лучевая терапия.
[0004] В системе основанной на ускорителе нейтрон-захватной терапии ускоритель ускоряет пучок заряженных частиц, и пучок заряженных частиц ускоряется достаточно для преодоления энергии кулоновского отталкивания ядер атомов мишени в блоке формирования пучка, при этом между пучком заряженных частиц и мишенью происходят ядерные реакции для генерации нейтронов. Таким образом, при генерации нейтронов мишень облучается ускоренным пучком заряженных частиц с большой мощностью, при этом температура мишени значительно повышается, и в результате уменьшается срок службы мишени.
[0005] Система нейтрон-захватной терапии с охлаждающим устройством обычно имеет трубчатую вторую охлаждающую часть, выполненную с возможностью подачи охлаждающей среды, трубчатую третью охлаждающую часть, выполненную с возможностью выпуска охлаждающей среды, и первую охлаждающую часть, которая соединена между второй охлаждающей частью и третьей охлаждающей частью, находятся в непосредственном контакте с мишенью и выполнена с возможностью охлаждения мишени. В такой конструкции трубчатая вторая охлаждающая часть и трубчатая третья охлаждающая часть подвергаются воздействию воздуха, при этом некоторые нейтроны, генерируемые из мишени, проходят через воздух вокруг второй охлаждающей части и третьей охлаждающей части для рассеивания снаружи блока формирования пучка, и в результате эффективный выход нейтронов уменьшается. Кроме того, нейтроны, рассеиваемые снаружи блока формирования пучка, воздействуют на инструменты системы нейтрон-захватной терапии и могут вызвать утечку излучения, что приводит к сокращению срока службы системы нейтрон-захватной терапии и радиоактивным опасностям.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Для решения упомянутой выше проблемы, в одном аспекте настоящего изобретения предложена система нейтрон-захватной терапии. Данная система нейтрон-захватной терапии содержит блок формирования пучка, вакуумную трубку, расположенную в блоке формирования пучка, и по меньшей мере одно охлаждающее устройство. Блок формирования пучка имеет вход пучка, приемную полость, в которой размещена вакуумная трубка, замедлитель, смежный с концом приемной полости, отражатель, окружающий замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, смежный с замедлителем, радиационный экран, расположенный в блоке формирования пучка, и выход пучка. Мишень расположена на конце вакуумной трубки, охлаждающее устройство выполнено с возможностью охлаждения мишени, мишень вступает в ядерную реакцию с пучком заряженных частиц, входящим через вход пучка, для генерации нейтронов, нейтроны образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет ось пучка нейтронов, замедлитель замедляет нейтроны, генерируемые из мишени, до области энергий надтепловых нейтронов, отражатель направляет отклоняющиеся нейтроны обратно в замедлитель для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов, узел поглотителя тепловых нейтронов выполнен с возможностью поглощения тепловых нейтронов для защиты поверхностной здоровой ткани от передозировки в течение лечения, радиационный экран выполнен с возможностью экранирования утекающих нейтронов и фотонов для снижения дозы на здоровую ткань в необлучаемой области, в блоке формирования луча расположен по меньшей мере один приемный трубопровод для размещения охлаждающего устройства, и между охлаждающим устройством и внутренней стенкой приемного трубопровода размещен наполнитель.
[0007] По сравнению с предшествующим уровнем техники техническое решение, раскрытое в данном варианте осуществления, обладает следующими преимуществами: наполнитель размещен между охлаждающим устройством и внутренней стенкой приемного трубопровода для увеличения срока службы системы нейтрон-захватной терапии, предотвращения утечки нейтронов и усиления интенсивности пучка нейтронов.
[0008] Предпочтительно наполнитель представляет собой алюминиевый сплав или свинцовый сплав. По сравнению с техническим решением, в котором наполнитель не размещен между охлаждающим устройством и внутренней стенкой приемного трубопровода, техническое решение, описанное в данном варианте осуществления, может эффективным образом увеличить выход надтепловых нейтронов, уменьшить загрязнение быстрыми нейтронами и уменьшить время облучения.
[0009] Кроме того, приемный трубопровод расположен снаружи внутренней стенки приемной полости.
[0010] Предпочтительно охлаждающее устройство содержит первую охлаждающую часть, выполненную с возможностью охлаждения мишени, вторую охлаждающую часть и третью охлаждающую часть, расположенные с двух сторон первой охлаждающей части и, соответственно, сообщающиеся с первой охлаждающей частью, при этом приемный трубопровод включает в себя первый приемный трубопровод, расположенный между мишенью и замедлителем, второй приемный трубопровод и третий приемный трубопровод, расположенные с двух сторон первого приемного трубопровода и, соответственно, сообщающиеся с первым приемным трубопроводом, причем первая охлаждающая часть, вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть размещены соответственно в первом приемном трубопроводе, втором приемном трубопроводе и третьем приемном трубопроводе, при этом наполнитель размещен между второй охлаждающей частью и внутренней стенкой второго приемного трубопровода и между третьей охлаждающей частью и внутренней стенкой третьего приемного трубопровода.
[0011] Кроме того, вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть представляют собой трубчатые конструкции, при этом второй приемный трубопровод и третий приемный трубопровод представляют собой трубы, проходящие вдоль направления, параллельного оси пучка нейтронов.
[0012] Предпочтительно первая охлаждающая часть расположена на конце вакуумной трубки, чтобы находиться в плоскостном контакте с мишенью, при этом вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть проходят в направлении, параллельном оси пучка нейтронов, и соответственно расположены на верхней стороне и нижней стороне вакуумной трубки с образованием "["-образной конструкции с первой охлаждающей частью, причем второй приемный трубопровод и третий приемный трубопровод проходят в направлении, параллельном оси пучка нейтронов, и соответственно расположены на верхней стороне и нижней стороне вакуумной трубки с образованием "["-образной конструкции с первым приемным трубопроводом.
[0013] Предпочтительно первая охлаждающая часть расположена на конце вакуумной трубки, чтобы находиться в плоскостном контакте с мишенью, при этом угол между осью пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части и третьей охлаждающей части больше 0° и меньше или равен 180°, и угол между осью пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода и третьего приемного трубопровода больше 0° и меньше или равен 180°.
[0014] Предпочтительно вторая охлаждающая часть выполнена с возможностью введения охлаждающей среды в первую охлаждающую часть, при этом третья охлаждающая часть выполнена с возможностью выведения охлаждающей среды в первой охлаждающей части.
[0015] Кроме того, отражатель выступает из замедлителя с обеих сторон оси пучка нейтронов, при этом вакуумная трубка включает в себя выдвижную секцию, окруженную отражателем, и вставную секцию, проходящую от выдвижной секции и вставленную в замедлитель, причем мишень расположена на конце вставной секции.
[0016] Предпочтительно модератор содержит по меньшей мере один конический элемент.
[0017] "Конус" или "конический элемент" в вариантах осуществления настоящего изобретения представляет собой конструкцию с общим внешним контуром, постепенно уменьшающимся от одной стороны к другой в направлении на чертежах. Одна линия контура внешнего контура может быть отрезком линии, например, линией контура, соответствующей коническому элементу, или может быть дугой, например, линией контура, соответствующей сферическому элементу. Вся поверхность внешнего контура может иметь плавный переход или может иметь неплавный переход. Например, на поверхности конического элемента или сферического элемента расположены множество выступов и канавок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0018] Фиг. 1 - схематический вид системы нейтрон-захватной терапии согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть охлаждающего устройства параллельны оси пучка нейтронов;
[0019] фиг. 2 - вид в разрезе системы нейтрон-захватной терапии в направлении, перпендикулярном оси пучка нейтронов с фиг. 1 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
[0020] фиг. 3 - схематический вид системы нейтрон-захватной терапии согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором наполнитель не размещен в зазоре между вакуумной трубкой и блоком формирования пучка;
[0021] фиг. 4 - вид с частичным увеличением охлаждающего устройства системы нейтрон-захватной терапии согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
[0022] фиг. 5 - схематический вид системы нейтрон-захватной терапии согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, в котором вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть охлаждающего устройства перпендикулярны оси пучка нейтронов;
[0023] фиг.6 - схематический вид системы нейтрон-захватной терапии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, в котором угол между осью пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части и третьей охлаждающей части охлаждающего устройства превышает 90°; и
[0024] фиг. 7 - схематический конструктивный вид мишени в системе нейтрон-захватной терапии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
7
7
9
9
[0025] В последние годы нейтронзахватная терапия (NCT) все чаще применяется в качестве эффективного средства для лечения рака, и наиболее распространена бор-нейтронозахватная терапия (BNCT). Нейтроны для NCT могут подаваться ядерными реакторами или ускорителями. При рассмотрении в качестве примера основанной на ускорителе системы нейтрон-захватной терапии (AB-BNCT), его основные компоненты включают в себя, в целом, ускоритель для ускорения заряженных частиц (таких как протоны и дейтроны), мишень, систему отвода тепла и блок формирования пучка. Ускоренные заряженные частицы взаимодействуют с металлической мишенью для получения нейтронов, при этом подходящие ядерные реакции всегда определяются в соответствии с такими характеристиками, как требуемый выход и энергия нейтронов, доступные энергия и ток ускоренных заряженных частиц и реализация металлической мишени, среди которых наиболее обсуждаются две: Li (p, n) Be и Be (p, n) B, обе они являются эндотермической реакцией. Их энергетические пороги составляют 1,881 МэВ, соответственно, и 2,055 МэВ. Надтепловые нейтроны с уровнем энергии кэВ считаются идеальными источниками нейтронов для BNCT. Теоретически, бомбардировка литиевой мишени с использованием протонов с энергией, немного превышающей эти пороговые значения, может производить нейтроны с относительно низкой энергией, так что эти нейтроны могут быть использованы в медицинских целях без сильных замедлений. Однако Li (литий), Be (бериллий) и протоны с пороговой энергией не обладают большим эффективным сечением. Для получения достаточных потоков нейтронов обычно выбирают протоны с высокой энергией для запуска ядерных реакций.
[0026] Предполагается, что мишень, считающаяся идеальной, обладает преимуществами высокого выхода нейтронов, распределения энергии полученных нейтронов вблизи диапазона энергий надтепловых нейтронов (см. подробности ниже), небольшого излучения с сильным проникновением, безопасности, низкой стоимости, легкого доступа, стойкости к действию высоких температур и т. д. Однако на практике никакие ядерные реакции не могут удовлетворить всем требованиям. Мишень в данных вариантах осуществления настоящего изобретения выполнена из лития. Однако, как хорошо известно специалисту в данной области техники, материалы мишени могут быть другими металлами, помимо упомянутых выше.
7
7
9
9
7
7
[0027] Требования к системе отвода тепла различаются в зависимости от выбранных ядерных реакций. Для Li (p, n) Be требуется больше, чем для Be (p, n) B из-за низкой температуры плавления и низкого коэффициента теплопроводности металлической (литиевой) мишени. В данных вариантах осуществления настоящего изобретения используется Li (p, n) Be. Можно видеть, что температура мишени, облучаемой ускоренным пучком заряженных частиц при большом уровне энергии, неизбежно значительно повышается, при этом в результате ухудшается срок службы мишени.
[0028] Независимо от того, происходят ли источники нейтронов BNCT из ядерного реактора или ядерных реакций между заряженными частицами ускорителя и мишенью, создаются лишь поля смешанного радиоактивного излучения, т.е. пучки содержат нейтроны и фотоны с энергиями от низкой до высокой. Что касается BNCT в глубине опухолей, за исключением надтепловых нейтронов, чем больше остаточное количество луча радиоактивного излучения, тем выше доля неселективного осаждения дозы в здоровой ткани. Таким образом, радиоактивное излучение, действующее на ненужную дозу, должно быть максимально уменьшено. Помимо показателей качества пучка в воздухе, доза вычисляется с использованием протеза ткани головы человека для понимания распределения дозы нейтронов в организме человека. Показатели качества пучка протеза используются ниже в качестве проектной контрольной величины для пучков нейтронов, что подробно описывается ниже.
[0029] Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) представило пять предложений касательно показателей качества пучка в воздухе для клинических источников нейтронов BNCT. Данные предложения могут быть использованы для различения источников нейтронов и в качестве эталона для выбора способов получения нейтронов и проектирования блока формирования пучка, они представлены следующим образом:
9
2
[0030] Поток надтепловых нейтронов > 1 × 10 н/смс
-13
2
[0031] Загрязнение быстрыми нейтронами < 2 × 10 Гр-см/н
-13
2
[0032] Загрязнение фотонами < 2 × 10 Гр-см/н
[0033] Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов < 0,05
[0034] Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов > 0,7
[0035] Примечание: диапазон энергий надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов ниже 0,5 эВ, и диапазон энергий быстрых нейтронов выше 40 кэВ.
[0036] 1. Поток надтепловых нейтронов
9
[0037] Поток надтепловых нейтронов и концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в участке опухоли совместно определяют время клинической терапии. Если борсодержащие фармацевтические препараты в участке опухоли имеют достаточно высокую концентрацию, поток надтепловых нейтронов может быть уменьшен. Напротив, если концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях находится на низком уровне, требуется, чтобы надтепловые нейтроны в большом потоке надтепловых нейтронов обеспечивали достаточные дозы для опухолей. Заданный стандарт на поток надтепловых нейтронов от МАГАТЭ составляет более 10 надтепловых нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. В данном потоке пучков нейтронов время терапии может быть приблизительно установлено меньше часа с помощью борсодержащих фармацевтических препаратов. Таким образом, помимо того, что пациентам удобно разместиться, и они чувствуют себя более комфортно в течение более короткого времени терапии, может быть эффективным образом использовано ограниченное время пребывания борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях.
[0038] 2. Загрязнение быстрыми нейтронами
-13
2
[0039] Излишняя доза на здоровой ткани, производимая быстрыми нейтронами, рассматривается как загрязнение. Доза имеет прямую зависимость от энергии нейтронов, таким образом, количество быстрых нейтронов в пучках нейтронов должно быть максимально уменьшено. Доза быстрых нейтронов на единицу потока надтепловых нейтронов определяется как загрязнение быстрыми нейтронами, причем, согласно МАГАТЭ, предполагается, что оно меньше 2 * 10 Гр-см/н.
[0040] 3. Загрязнение фотонами (загрязнение гамма-излучением)
-13
2
[0041] Глубоко проникающее радиоактивное излучение гамма-лучей может избирательно приводить к осаждению дозы на всех тканях на пути пучка, так что уменьшение количества гамма-излучения также является необходимым требованием при проектировании пучков нейтронов. Доза гамма-излучения, приходящаяся на единицу потока надтепловых нейтронов, определяется как загрязнение гамма-излучением, которое, как предполагается согласно МАГАТЭ, должно составлять менее 2 * 10 Гр-см/н.
[0042] 4. Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
[0043] Тепловые нейтроны обладают настолько быстрой скоростью распада и небольшой глубиной проникания, что они оставляют большую часть энергии в тканях кожи после попадания в тело. За исключением опухолей кожи, таких как меланоцитома, тепловые нейтроны служат источниками нейтронов BNCT, в других случаях, таких как опухоли головного мозга, количество тепловых нейтронов должно быть уменьшено. В соответствии с МАГАТЭ рекомендованное отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов составляет менее 0,05.
[0044] 5. Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
[0045] Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов обозначает направление пучка, при этом чем выше это отношение, тем лучше направление вперед пучков нейтронов, причем пучки нейтронов в улучшенном направлении вперед могут уменьшать дозу, окружающую здоровую ткань, в результате рассеяния нейтронов. Дополнительно улучшается обрабатываемая глубина, а также возможность размещения. В соответствии с МАГАТЭ отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов предпочтительно составляет более 0,7.
[0046] Для того, чтобы позволить блоку формирования пучка системы нейтрон-захватной терапии решить проблему охлаждения мишени и получить относительно хорошее качество пучка нейтронов, как показано на фиг. 1 - фиг. 4, первый вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает систему 1 нейтрон-захватной терапии. Система 1 нейтрон-захватной терапии содержит блок 10 формирования пучка, охлаждающее устройство 20, расположенное в блоке 10 формирования пучка, и вакуумную трубку 30.
[0047] Как показано на фиг. 1, 2, блок 10 формирования пучка имеет вход 11 пучка, приемную полость 12, выполненную с возможностью вмещения вакуумной трубки 30, приемный трубопровод 13, выполненный с возможностью вмещения охлаждающего устройства 20, замедлитель 14, смежный с концом приемной полости 12, отражатель 15, окружающий замедлитель 14, поглотитель 16 тепловых нейтронов, смежный с замедлителем 14, радиационный экран 17, расположенный в блоке 10 формирования пучка, и выход 18 пучка. Мишень 31 расположена на конце вакуумной трубки 30, при этом ядерные реакции происходят между мишенью 31 и пучком заряженных частиц, входящим через вход 11 пучка и проходящим через вакуумную трубку 30, для генерации нейтронов, причем нейтроны образуют пучок нейтронов, и пучок нейтронов испускается из выхода 18 пучка и определяет одну ось X пучка нейтронов, в целом совпадающую с центральной осью вакуумной трубки 30. Замедлитель 14 замедляет нейтроны, генерируемые из мишени 31, до области энергий надтепловых нейтронов, при этом отражатель 15 направляет нейтроны, отклоненные от оси X пучка нейтронов, обратно к замедлителю 14, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов. Отражатель 15 выступает от замедлителя 14 с обеих сторон оси X пучка нейтронов. Поглотитель 16 тепловых нейтронов выполнен с возможностью поглощения тепловых нейтронов для защиты поверхностной здоровой ткани от передозировки в течение лечения. Радиационный экран 17 выполнен с возможностью экранирования утекающих нейтронов и фотонов для уменьшения дозы для здоровой ткани в необлучаемой области.
7
7
6
2
3
2
2
3
2
2
3
[0048] В основанной на ускорителе системе нейтрон-захватной терапии ускоритель ускоряет пучок заряженных частиц. В одном варианте осуществления мишень 31 выполнена из металлического лития. Пучок заряженных частиц ускоряется до энергии, достаточной для преодоления энергии кулоновского отталкивания атомных ядер мишени, при этом между пучком заряженных частиц и мишенью 31 происходит ядерная реакция Li ( p, n) Be для генерации нейтронов, причем блок 10 формирования пучка может замедлять нейтроны до области энергий надтепловых нейтронов и уменьшать содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов. Замедлитель 14 выполнен из материала с большим сечением реакции на быстрых нейтронах и небольшим сечением реакции на надтепловых нейтронах, при этом отражатель 15 выполнен из материала с высокой отражательной способностью нейтронов, причем поглотитель 16 тепловых нейтронов выполнен из материала с большим сечением реакции на тепловых нейтронах. В одном варианте осуществления замедлитель 14 выполнен по меньшей мере из одного из DO, AlF, Fluental™, CaF, LiCO, MgF и AlO, отражатель 15 выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni, и поглотитель 16 тепловых нейтронов выполнен из Li.
[0049] Как показано на фиг. 1, замедлитель 14 расположен в конструкции, имеющей по меньшей мере один конический элемент для увеличения потоков надтепловых нейтронов. В данном варианте осуществления настоящего изобретения замедлитель 14 имеет два конических элемента. Замедлитель 14 имеет первый конец 141, второй конец 142 и третий конец 143, расположенный между первым концом 141 и вторым концом 142. Поперечные сечения первого конца 141, второго конца 142 и третьего конца 143 являются круглыми, при этом диаметры первого конца 141 и второго конца 142 меньше диаметра третьего конца 143. Первый конический элемент 146 выполнен между первым концом 141 и третьим концом 143, при этом второй конический элемент 148 выполнен между третьим концом 143 и вторым концом 142. В данном варианте осуществления настоящего изобретения термин "конус" или "конический элемент" представляет собой элемент с контуром с сужением в направлении от одной к другой стороне вдоль направления оси X пучка нейтронов. Одна из линий контура может быть отрезком линии, подобно соответствующему отрезку конуса, или может быть дугой, подобно соответствующей дуге сферы, при этом интегральная поверхность контура может быть непрерывно соединенной или не соединенной, если поверхность формы конуса или формы сферы имеет множество выступов и канавок.
[0050] Радиационный экран 17 включает в себя экран 171 защиты от фотонов и экран 172 защиты от нейтронов. В одном варианте осуществления экран 171 защиты от фотонов выполнен из свинца (Pb), при этом экран 172 защиты от нейтронов выполнен из полиэтилена (PE).
[0051] Приемная полость 12 представляет собой цилиндрическую полость, окруженную отражателем 15 и первым коническим элементом 146 замедлителя 14. Приемная полость 12 включает в себя приемную полость 121 отражателя, окруженную отражателем 15, и приемную полость 122 замедлителя, проходящую от приемной полости 121 отражателя и окруженную замедлителем 14.
[0052] Приемный трубопровод 13 включает в себя первый приемный трубопровод 131, второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133. Второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 проходят вдоль направления оси Х пучка нейтронов, расположены с двух сторон приемной полости 12 и размещены с интервалом 180°. Первый приемный трубопровод 131 размещен в плоскости, перпендикулярной оси X пучка нейтронов, и расположен между мишенью 31 и замедлителем 14. Второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 проходят за приемную полость 12 в направлении оси X пучка нейтронов и, соответственно, соединены с первым приемным трубопроводом 131. Иными словами, первый приемный трубопровод 131 расположен на конце приемной полости 12 и расположен между мишенью 31 и замедлителем 14, а второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 расположены соответственно с двух сторон приемной полости 12 и соответственно соединены с первым приемным трубопроводом 131, таким образом, весь приемный трубопровод 30 имеет "[" -образную конструкцию. Как показано на фиг. 3, второй приемный трубопровод 132 и, соответственно, третий приемный трубопровод 133 включают в себя второй приемный трубопровод 1321 отражателя и третий приемный трубопровод 1331 отражателя, расположенные на внешней стороне приемной полости 121 отражателя, и второй приемный трубопровод 1322 замедлителя и третий приемный трубопровод 1332 замедлителя, проходящие от второго приемного трубопровода 1321 отражателя и соответственно третьего приемного трубопровода 1331 отражателя и расположенные на внешней стороне приемной полости 122 замедлителя. В данном варианте осуществления настоящего изобретения второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 проходят вдоль направления оси X пучка нейтронов и параллельны оси X пучка нейтронов, то есть угол между осью X пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода 132 и третьего приемного трубопровода 133 равен 0°.
[0053] В данном варианте осуществления настоящего изобретения второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 соединены с приемной полостью 12, то есть часть внешней поверхности вакуумной трубки 30, расположенной в приемной полости 12, открыта во втором приемном трубопроводе 132 и третьем приемном трубопроводе 133. В другом варианте осуществления второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 могут быть не соединены с приемной полостью 12, то есть второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 отделены от приемной полости 12 отражателем 15 и замедлителем 14. В заключение, второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 расположены снаружи внутренней стенки приемной полости 12. В данном варианте осуществления настоящего изобретения второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 расположены так, чтобы быть дугообразными трубами, проходящими вдоль осевого направления вакуумной трубки 30. В другом варианте осуществления второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 альтернативно могут быть прямоугольными трубами, треугольными трубами или другими многоугольными трубами. В варианте осуществления настоящего изобретения второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 являются двумя независимыми приемными трубопроводами, разделенными в окружном направлении приемной полости 12. В другом варианте осуществления второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 соединены в окружном направлении приемной полости 12, то есть второй приемный трубопровод 132 и третий приемный трубопровод 133 заменены одним приемным трубопроводом, окружающим приемную полость 12.
[0054] Вакуумная трубка 30 имеет выдвижную секцию 32, окружающую отражатель 15, и вставную секцию 34, проходящую от выдвижной секции 32 и вставленную в замедлитель 14. Иными словами, выдвижная секция 32 расположена в приемной полости 121 отражателя, и вставная секция 34 расположена в приемной полости 122 замедлителя. Мишень 31 расположена на конце вставной секции 34 вакуумной трубки 30. В варианте осуществления настоящего изобретения вакуумная трубка 30 частично вставлена в замедлитель 14, так что охлаждающее устройство 20 может охлаждать мишень 31 во вставной секции вакуумной трубки 30 и гарантировать получение пучка нейтронов лучшего качества с помощью блока 10 формирования пучка.
[0055] Как показано на фиг. 7, мишень 31 имеет литиевый слой 311 мишени и антиокислительный слой 312, расположенный на стороне литиевого слоя 311 мишени и выполненный с возможностью предотвращения окисления литиевого слоя 311 мишени. Антиокислительный слой 312 мишени 31 изготовлен из алюминия или нержавеющей стали.
[0056] Как показано на фиг. 4, охлаждающее устройство 20 имеет первую охлаждающую часть 21, вторую охлаждающую часть 22 и третью охлаждающую часть 23. Первая охлаждающая часть 21 расположена вдоль вертикального направления и размещена перед мишенью 31 для охлаждения мишени 31. Вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 проходят вдоль направления оси X пучка нейтронов и расположены на двух сторонах вакуумной трубки 30 параллельно оси X пучка нейтронов. Первая охлаждающая часть 21 подсоединена между второй охлаждающей частью 22 и третьей охлаждающей частью 23. Первая охлаждающая часть 21 размещена в первом приемном трубопроводе 131, расположенном перпендикулярно оси X пучка нейтронов. Вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 размещены во втором приемном трубопроводе 132 и, соответственно, третьем приемном трубопроводе 133, расположенных вдоль оси X пучка нейтронов. Вторая охлаждающая часть 22 выполнена с возможностью введения охлаждающей среды в первую охлаждающую часть 21, при этом третья охлаждающая часть 23 выполнена с возможностью выведения охлаждающей среды в первой охлаждающей части 21. Первая охлаждающая часть 21 расположена между мишенью 31 и замедлителем 14. Одна сторона первой охлаждающей части 21 находится в непосредственном контакте с мишенью 31, а другая сторона первой охлаждающей части 21 находится в контакте с замедлителем 14. Вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 имеют первую охлаждающую секцию 221 и, соответственно, вторую охлаждающую секцию 231, которые расположены на внешней стороне приемной полости 121 отражателя, и третью охлаждающую секцию 222 и четвертую охлаждающую секцию 232, проходящие от первой охлаждающей секции 221 и, соответственно, второй охлаждающей секции 231 и расположенные на внешней стороне приемной полости 122 замедлителя. Третья охлаждающая секция 222 и, соответственно, четвертая охлаждающая секция 232 соединены с первой охлаждающей частью 21. Иными словами, первая охлаждающая часть 21 расположена на конце вставной секции 121 вакуумной трубки 30 и расположена на одной стороне мишени 31 в непосредственном контакте с мишенью 31, вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 расположены на верхней и, соответственно, нижней сторонах вакуумной трубки 30, размещенной в приемной полости 12, и, соответственно, соединены с первой охлаждающей частью 21 так, чтобы обеспечить, чтобы все охлаждающее устройство 20 имело "["-образную конструкцию. В данном варианте осуществления настоящего изобретения первая охлаждающая часть 21 находится в плоскостном контакте с мишенью 31, вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 являются трубчатыми конструкциями, выполненными из меди, при этом вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 проходят вдоль направления оси X пучка нейтронов и параллельны оси X пучка нейтронов, то есть угол между осью X пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части 22 и третьей охлаждающей части 23 составляет 0°.
[0057] Первая охлаждающая часть 21 включает в себя первую контактную часть 211, вторую контактную часть 212 и охлаждающую канавку 213, расположенную между первой контактной частью 211 и второй контактной частью 212, причем охлаждающая среда проходит через данную охлаждающую канавку 213. Первая контактная часть 211 находится в непосредственном контакте с мишенью 31, при этом вторая контактная часть 212 может находиться в непосредственном контакте с замедлителем 14 или в опосредованном контакте с замедлителем 14 по воздуху. Охлаждающая канавка 213 имеет подающую канавку 214, соединенную со второй охлаждающей частью 22, и выпускную канавку 215, соединенную с третьей охлаждающей частью 23. Первая контактная часть 211 изготовлена из теплопроводящего материала. Верхний край подающей канавки 214 расположен над верхним краем второй охлаждающей части 22, при этом нижний край выпускной канавки 215 расположен под нижним краем третьей охлаждающей части 23. Преимущество этого расположения состоит в том, что охлаждающее устройство 20 может вводить охлаждающую воду в охлаждающую канавку 213 более плавно и своевременно охлаждать мишень 31, причем нагретая охлаждающая вода также может плавно выводиться из охлаждающей канавки 213, и, дополнительно, давление воды охлаждающей воды в охлаждающей канавке 213 может быть уменьшено.
[0058] Первая контактная часть 211 выполнена из теплопроводного материала (такого как Cu, Fe, Al и другие материалы с хорошей теплопроводностью) или материала, который может проводить тепло и подавлять пенообразование, вторая контактная часть 212 выполнена из материала, который может подавлять пенообразование, причем материал, который может подавлять пенообразование, или материал, который может проводить тепло и подавлять пенообразование, выполнен из Fe, Ta или V. Мишень 31 облучается ускоренными частицами с высоким уровнем энергии, чтобы претерпевать повышение температуры и излучать тепло, при этом первая контактная часть 211 отводит тепло, и охлаждающая среда, текущая в охлаждающей канавке 213, отводит тепло для охлаждения мишени 31. В этом варианте осуществления охлаждающая среда представляет собой воду.
[0059] В данном варианте осуществления угол между осью Х пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода 132, третьего приемного трубопровода 133, второй охлаждающей части 22 и третьей охлаждающей части 23 составляет 0°. В другом варианте осуществления угол между осью X пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода 132, третьего приемного трубопровода 133, второй охлаждающей части 22 и третьей охлаждающей части 23 может быть любым другим углом больше 0° и меньше или равным 180°. Например, как показано на фиг. 6, угол между осью Х' пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода 132', третьего приемного трубопровода 133', второй охлаждающей части 22' и третьей охлаждающей части 23' составляет 90°. Например, как показано на фиг. 7, угол между осью Х'' пучка нейтронов и каждым из второго приемного трубопровода 132'', третьего приемного трубопровода 133'', второй охлаждающей части 22'' и третьей охлаждающей части 23'' составляет 135°.
[0060] На фиг. 5 показана принципиальная схема системы 1' нейтрон-захватной терапии согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления вторая охлаждающая часть 22' и третья охлаждающая часть 23' охлаждающего устройства 20' перпендикулярны оси X' пучка нейтронов. Иными словами, охлаждающее устройство 20' расположено в "I"-образной конструкции для охлаждения мишени 31' во вставленной вакуумной трубке 30'. Первая охлаждающая часть 21' в "I"-образном охлаждающем устройстве 20 является такой же, что и первая охлаждающая часть 21 в "["-образном охлаждающем устройстве 20. Различия заключаются в том, что вторая охлаждающая часть 22', третья охлаждающая часть 23' и первая охлаждающая часть 21' в "I"-образном охлаждающем устройстве 20' расположены в одной и той же плоскости, перпендикулярной оси X' пучка нейтронов, при этом вторая охлаждающая часть 22' и, соответственно, третья охлаждающая часть 23 проходят через замедлитель 14' вдоль направления, перпендикулярного оси X пучка нейтронов. Иными словами, угол между осью X' пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части 22' и третьей охлаждающей части 23' составляет 90°, так что все охлаждающее устройство представляет собой прямоугольную конструкцию, то есть упомянутую выше "I"-образную конструкцию.
[0061] Как снова показано на фиг. 5, приемный трубопровод 30' также расположен в "I"-образной конструкции, соответствующей "I"-образному охлаждающему устройству 20', при этом первый приемный трубопровод 131' в "I"-образной приемной трубе 30' является тем же, что и первый приемный трубопровод 131 в "["-образной охлаждающей трубе 30. Различия заключаются в том, что второй приемный трубопровод 132', третий приемный трубопровод 133' и первый приемный трубопровод 131' в "I"-образном приемном трубопроводе 30' расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси X' пучка нейтронов, при этом второй приемный трубопровод 132' и, соответственно, третий приемный трубопровод 133' проходят через замедлитель 14' в направлении, перпендикулярном оси X' пучка нейтронов. Иными словами, угол между осью X' пучка нейтронов и каждого из второго приемного трубопровода 132' и третьего приемного трубопровода 133' составляет 90°, так что весь приемный трубопровод представляет собой прямоугольную конструкцию, то есть упомянутую выше "I"-образную конструкцию.
[0062] На фиг. 6 показана принципиальная схема системы 1'' нейтрон-захватной терапии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления угол между осью X'' пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части 22'' и третьей охлаждающей части 23'' охлаждающего устройства 20'' превышает 90°, при этом первая охлаждающая часть 21'' в охлаждающем устройстве 20 '' такая же, что и первая охлаждающая часть 21 в "[" -образном охлаждающем устройстве 20. Различие заключается в том, что угол между осью X'' пучка нейтронов и каждой из второй охлаждающей части 22'' и третьей охлаждающей части 23'' в охлаждающем устройстве 20'' составляет 135°. Первый приемный трубопровод 131' в приемном трубопроводе 30' такой же, что и первый приемный трубопровод 131' в "["-образном приемном трубопроводе 30. Различие заключается в том, что угол между осью X' пучка нейтронов и каждой из второго приемного трубопровода 132'' и третьего приемного трубопровода 133'' в приемном трубопроводе 30' составляет 135°.
[0063] Как показано на фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5 и фиг. 6, между вторыми охлаждающими частями 22, 22', 22'' и третьими охлаждающими частями 23, 23', 23'', и внутренними стенками вторых приемных трубопроводов 132, 132', 132'' и, соответственно, третьих приемных трубопроводов 133, 133', 133'' имеются зазоры. В зазоре расположен наполнитель 40, 40', 40''. Данный наполнитель 40, 40', 40'' представляет собой вещество, такое как свинцовый сплав или алюминиевый сплав, который может поглощать или отражать нейтроны. Наполнитель 40, 40', 40'' может отражать нейтроны, отражаемые или рассеиваемые внутрь зазора в замедлителе 14 или отражателе 15, с увеличением, таким образом, выход надтепловых нейтронов для уменьшения времени, которое требуется телу для облучения. В другом аспекте предотвращение утечки нейтронов наружу блока 10 формирования пучка, негативно влияющей на инструменты системы нейтрон-захватной терапии, повышает радиоактивную безопасность. В данном варианте осуществления настоящего изобретения содержание свинца в свинцовом сплаве больше или равно 85%, при этом содержание алюминия в алюминиевом сплаве больше или равно 85%.
[0064] Для подробного сравнения влияния на выход надтепловых нейтронов степени загрязнения быстрыми нейтронами и времени облучения, когда наполнитель 40 представляет собой соответственно воздух, свинцовый сплав, или алюминиевый сплав, приведены таблицы 1-3.
[0065] В таблице 1 показан выход надтепловых нейтронов (н/см2мА), когда наполнитель представляет собой, соответственно, воздух, алюминиевый сплав и свинцовый сплав при разных диаметрах отверстия приемной полости:
2
[0066] Таблица 1: Выход надтепловых нейтронов (н/сммА)
Диаметр отверстия приемной полости (см)
16 см
18 см
20 см
22 см
24 см
26 см
Воздух
8,20×10<sup>7</sup>
7,82×10<sup>7</sup>
7,38×10<sup>7</sup>
6,97×10<sup>7</sup>
6,56×10<sup>7</sup>
6,22×10<sup>7</sup>
Алюминиевый сплав
8,74×10<sup>7</sup>
8,58×10<sup>7</sup>
8,40×10<sup>7</sup>
8,23×10<sup>7</sup>
8,07×10<sup>7</sup>
7,88×10<sup>7</sup>
Свинцовый сплав
8,94×10<sup>7</sup>
8,88×10<sup>7</sup>
8,79×10<sup>7</sup>
8,69×10<sup>7</sup>
8,63×10<sup>7</sup>
8,53×10<sup>7</sup>
[0067] В таблице 2 показана степень загрязнения быстрыми нейтронами (Гр-см2/н), когда наполнитель представляет собой, соответственно, воздух, алюминиевый сплав и свинцовый сплав при разных диаметрах отверстия приемной полости:
2
[0068] Таблица 2: Величина загрязнения быстрыми нейтронами (Гр-см/н)
Диаметр отверстия приемной полости (см)
16 см
18 см
20 см
22 см
24 см
26 см
Воздух
7,01×10<sup>-13</sup>
7,51×10<sup>-13</sup>
8,23×10<sup>-13</sup>
8,95×10<sup>-13</sup>
9,80×10<sup>-13</sup>
1,06×10<sup>-12</sup>
Алюминиевый сплав
6,54×10<sup>-13</sup>
6,83×10<sup>-13</sup>
7,17×10<sup>-13</sup>
7,54×10<sup>-13</sup>
7,90×10<sup>-13</sup>
8,37×10<sup>-13</sup>
Свинцовый сплав
6,56×10<sup>-13</sup>
6,83×10<sup>-13</sup>
7,18×10<sup>-13</sup>
7,52×10<sup>-13</sup>
7,87×10<sup>-13</sup>
8,29×10<sup>-13</sup>
[0069] В таблице 3 показано время облучения (в минутах), которое требуется облучаемому телу, когда наполнитель представляет собой соответственно воздух, алюминиевый сплав и свинцовый сплав при разных диаметрах отверстия приемной полости:
[0070] Таблица 3: Время облучения (мин), которое требуется облучаемому телу
Диаметр отверстия приемной полости
16 см
18 см
20 см
22 см
24 см
26 см
Воздух
30,86
31,16
32,29
32,66
33,42
34,12
Алюминиевый сплав
29,65
29,07
30,46
29,42
29,22
29,39
Свинцовый сплав
28,94
28,00
28,37
27,76
27,91
28,04
[0071] Как следует из Таблиц 1 - 3, при одном и том же диаметре отверстия приемной полости, по сравнению с воздухом, когда размещен свинцовый сплав или алюминиевый сплав, выход надтепловых нейтронов выше, степень загрязнения быстрыми нейтронами меньше, и необходимое время облучения меньше.
[0072] Система нейтрон-захватной терапии согласно настоящему изобретению не ограничивается содержанием приведенных выше вариантов осуществления и конструкциями, представленными на прилагаемых чертежах. Например, замедлитель может быть выполнен в виде цилиндра, может быть предусмотрено несколько охлаждающих устройств, и соответственно использовано несколько приемных трубопроводов. Все очевидные изменения, замены или модификации материалов, форм и положений элементов на основе настоящего изобретения не выходят за рамки объема правовой охраны настоящего изобретения.