СИСТЕМА НЕЙТРОНОЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ И МИШЕНЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКА ЧАСТИЦ
NEUTRON CAPTURE THERAPY SYSTEM AND TARGET FOR BEAM PARTICLE GENERATION DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к системе облучения, в частности, к системе нейтронозахватной терапии; а согласно другому аспекту - к мишени для системы облучения, в частности, к мишени для устройства генерации пучка частиц.
Уровень техники
[0002] В ходе развития ядерных технологий такие средства радиотерапии, как Кобальт-60, линейные ускорители и электронные пучки являются одними из главных средств лечения рака. Однако обычная фотонная или электронная терапия подвержена физическим ограничениям, свойственным радиоактивным лучам; например, при разрушении опухолевых клеток будут повреждены многие здоровые ткани на пути пучка. С другой стороны, чувствительность опухолевых клеток к радиоактивным лучам сильно различается, поэтому в большинстве случаев лечение при обычной лучевой терапии недостаточно эффективно для устойчивых к радиации злокачественных опухолей (таких как мультиформная глиобластома и меланома).
[0003] С целью уменьшения радиационного повреждения здоровой ткани, окружающей участок опухоли в лучевой терапии была использована применяемая в химиотерапии терапия с использованием мишени. Для опухолевых клеток с высокой устойчивостью к радиации были разработаны источники радиации с высокой RBE (относительной биологической эффективностью), в том числе для терапии протонами, тяжелыми частицами и нейтронозахватной терапии. Входящая в их число нейтронозахватная терапия объединяет мишенную терапию с RBE, как в бор-нейтронозахватной терапии (BNCT). В силу специфической группировки бор-содержащих препаратов в опухолевых клетках и точного дозирования нейтронного пучка, BNCT представляется лучшим выбором терапии рака, чем обычная радиотерапия.
[0004] В основанной на использовании ускорителя бор-нейтронозахватной терапии пучок протонов ускоряется ускорителем до энергии, достаточной для преодоления ядерного кулоновского отталкивания мишени, и взаимодействует с ядрами мишени для генерации нейтронов. Поскольку в процессе генерации нейтронов мишень облучается пучком ускоренных протонов с очень высоким энергетическим уровнем, температура
мишени значительно повышается, и металлическая часть мишени легко вспучивается, что может повлиять на срок службы мишени.
[0005] Следовательно, необходимо предложить новое техническое решение для решения вышеуказанных проблем.
Раскрытие изобретения
[0006] Для решения вышеупомянутых проблем в одном аспекте настоящего изобретения предложена система нейтронозахватной терапии, включающая в себя устройство генерации нейтронов и блок формирования пучка, при этом устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, и пучок заряженных частиц, создаваемый при ускорении в ускорителе, взаимодействует с мишенью для генерации нейтронного пучка, блок формирования пучка включает в себя отражатель, замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, радиационный экран и выход пучка, при этом замедлитель замедляет нейтроны, генерируемые в мишени до диапазона энергий эпитермальных нейтронов, отражатель окружает замедлитель и направляет отклоняющийся нейтрон назад к замедлителю для увеличения интенсивности пучка эпитермальных нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать передозировки в поверхностных здоровых тканях во время терапии, радиационный экран расположен сзади отражателя вокруг выхода пучка, причем радиационный экран предназначен для экранирования утекающих нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровой ткани в необлучаемой области, мишень включает в себя активный слой, опорный слой и теплорассеивающий слой, при этом активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерации нейтронного пучка опорный слой поддерживает активный слой, а теплорассеивающий слой включает в себя трубчатый элемент, состоящий из трубок, расположенных рядом друг с другом. Использование трубчатого элемента в качестве теплорассеивающей конструкции увеличивает поверхность рассеивания тепла, улучшает эффект рассеивания тепла и помогает продлить срок службы мишени.
[0007] В другом аспекте настоящего изобретения предложена мишень для устройства генерации пучка частиц, мишень включает в себя активный слой, опорный слой и теплорассеивающий слой, активный слой предназначен для генерации пучка частиц, опорный слой поддерживает активный слой, и теплорассеивающий слой включает в себя трубчатый элемент, состоящий из трубок, расположенных рядом друг с другом. Использование трубчатого элемента в качестве теплорассеивающей конструкции увеличивает поверхность рассеивания тепла, улучшает эффект рассеивания тепла, и помогает продлить срок службы мишени.
[0008] В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается система нейтронозахватной терапии, включающая в себя устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка, при этом устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, и пучок заряженных частиц, генерируемый при ускорении в ускорителе, взаимодействует с мишенью для генерации нейтронного пучка, узел формирования пучка включает отражатель, замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, радиационный экран и выход пучка, замедлитель замедляет нейтрон, генерируемый в мишени, до диапазона энергий эпитермальных нейтронов, отражатель окружает замедлитель и направляет отклоняющийся нейтрон обратно к замедлителю для увеличения интенсивности пучка эпитермальных нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать передозировки в поверхностных здоровых тканях во время терапии, радиационный экран расположен на задней части отражателя вокруг выхода пучка для защиты от отклоняющихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровой ткани в необлучаемой области, мишень включает в себя вход охлаждения, выход охлаждения и канал охлаждения, размещенный между входом охлаждения и выходом охлаждения, в канале охлаждения размещен, по меньшей мере, один выступающий участок, и выступающий участок имеет поверхность охлаждения. Рассеивание тепла мишени достигается за счет использования охлаждающей среды, циркулирующей в канале охлаждения для улучшения рассеивания тепла; за счет выступающего участка в канале охлаждения дополнительно увеличивается поверхность рассеивания тепла и/или образуются вихревые токи, способствующие увеличению срока службы мишени.
[0009] Четвертый аспект настоящего изобретения представляет мишень для устройства генерации пучка частиц, при этом мишень включает в себя активный слой, опорный слой и теплорассеивающий слой, активный слой предназначен для генерации пучка частиц, опорный слой поддерживает активный слой, теплорассеивающий слой содержит канал охлаждения, по которому циркулирует охлаждающая среда, в канале охлаждения, по меньшей мере, один выступающий участок, и выступающий участок имеет поверхность охлаждения.
Отвод тепла от мишени достигается применением охлаждающей среды, циркулирующей в канале охлаждения для улучшения эффекта рассеивания тепла; за счет выступающего участка в канале охлаждения дополнительно увеличивается поверхность рассеивания тепла и/или образуются вихревые токи, способствующие увеличению срока службы мишени.
[0010] Пятый аспект настоящего изобретения предусматривает мишень для устройства генерации нейтронного пучка, при этом мишень включает в себя активный слой и опорный слой, причем активный слой имеет возможность взаимодействовать с падающим пучком частиц, чтобы генерировать пучок нейтронов, опорный слой способен как подавлять вспучивания, вызванные падающим пучком частиц, так и поддерживать активный слой, активный слой включает в себя первый активный слой и второй активный слой, и падающий пучок частиц последовательно проникает через первый активный слой и второй активный слой в направлении падения. Выход нейтронов может быть увеличен путем использования первого активного слоя и второго активного слоя, расположенных вдоль направления падения пучка частиц.
[0011] Шестой аспект настоящего изобретения представляет систему нейтронозахватной терапии, включающую в себя устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка, при этом устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, и пучок заряженных частиц, генерируемый при ускорении в ускорителе, взаимодействует с мишенью, генерируя нейтронный пучок, узел формирования пучка включает в себя отражатель, замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, радиационный экран и выход пучка, замедлитель замедляет нейтрон, генерируемый в мишени, до диапазона энергий эпитермальных нейтронов, отражатель окружает замедлитель и направляет отклоняющийся нейтрон обратно к замедлителю для увеличения интенсивности пучка эпитермальных нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать передозировки в поверхностных здоровых тканях во время терапии, радиационный экран расположен на задней части отражателя вокруг выхода пучка для защиты от утекающих нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровой ткани в необлучаемой области, мишень включает в себя активный слой и опорный слой, активный слой способен взаимодействовать с падающим пучком частиц для генерации пучка нейтронов, опорный слой способен как подавлять вспучивания, вызванные падающим пучком частиц, так и поддерживать активный слой, активный слой включает в себя первый активный слой и второй активный слой, и падающий пучок частиц последовательно проникает через первый активный слой и второй активный слой в направлении падения. Выход нейтронов может быть увеличен путем использования первого активного слоя и второго активного слоя, расположенных вдоль направления падения пучка частиц.
Краткое описание чертежей
[0012] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение системы нейтронозахватной терапии в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0013] Фиг.2 представляет собой схематическое изображение мишени в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0014] Фиг.3 представляет собой увеличенное схематическое изображение части мишени из фиг.2.
[0015] Фиг.4 представляет собой схематическое изображение теплорассеивающего слоя мишени из фиг. 2, если смотреть с направления А.
[0016] Фиг.5a представляет собой схематическое изображение первого варианта осуществления внутренней стенки теплорассеивающего протока мишени из фиг.2.
[0017] Фиг.5b представляет собой схематическое изображение первого варианта осуществления внутренней стенки теплорассеивающего протока мишени из фиг.2 вдоль оси B-B.
[0018] Фиг.6а представляет собой схематическое изображение второго варианта осуществления внутренней стенки теплорассеивающего протока мишени из фиг.2.
[0019] Фиг.6b представляет собой схематическое изображение второго варианта осуществления внутренней стенки теплорассеивающего протока мишени из фиг.2 вдоль оси C-C.
[0020] Фиг.7 представляет собой схематическое изображение третьего варианта осуществления внутренней стенки теплорассеивающего протока мишени из фиг.2.
Осуществление изобретения
[0021] Варианты осуществления настоящего изобретения будут далее описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники осуществить его на практике, руководствуясь приведенной информацией.
7
7
9
9
[0022] Как показано на фиг.1, система нейтронозахватной терапии в этом варианте осуществления представляет собой систему 100 бор-нейтронозахватной терапии, которая включает в себя устройство 10 генерации нейтронов, узел 20 формирования пучка, коллиматор 30 и процедурный стол 40. Устройство 10 генерации нейтронов включает в себя ускоритель 11 и мишень Т, и ускоритель 11 ускоряет заряженные частицы (такие как протоны, дейтроны и т. д.) для генерации пучка P заряженных частиц, такого как пучок протонов, и пучок P заряженных частиц облучает мишень T и взаимодействует с мишенью T для генерации нейтронного пучка N, и мишень T является металлической мишенью. Подходящие ядерные реакции всегда определяются в соответствии с такими характеристиками как желаемые выход нейтронов и их энергия, доступные энергия и ток ускоренных заряженных частиц и материалы для металлической мишени, среди которых наиболее обсуждаемыми являются Li (p, n) Be and Be (p, n) B и обе являются эндотермическими реакциями. Их энергетические пороги составляют 1.881 МэВ и 2,055 МэВ соответственно. Эпитермальные нейтроны с энергией на уровне кэВ считаются идеальными источниками нейтронов для BNCT (бор-нейтронозахватной терапии). Теоретически бомбардировка литиевой мишени с использованием протонов с энергией немного выше пороговых значений может производить нейтроны с относительно низкой энергией, поэтому нейтроны могут быть применены клинически без многих ослаблений. Однако Li (литий) и Be (бериллий) и протоны пороговой энергии обладают невысоким сечением взаимодействия. Для того чтобы произвести достаточные нейтронные потоки, для запуска ядерных реакций обычно выбираются протоны с высокой энергией. Мишень, считающаяся идеальной, должна обладать преимуществами высокого выхода нейтронов, распределением энергий производимых нейтронов вблизи диапазона энергий эпитермальных нейтронов (подробности см. далее), малым уровнем глубоко проникающей радиации, безопасностью, низкой стоимостью, доступностью, высокой термостойкостью и т. д. Но в действительности никакие ядерные реакции не могут удовлетворить все требования. Тем не менее, как хорошо известно специалистам в данной области техники, материалы для мишени могут быть изготовлены из других металлов, помимо лития или бериллия, например, тантала (Та) или вольфрама (W). Ускоритель 11 может быть линейным ускорителем, циклотроном, синхротроном, синхроциклотроном.
2
3
2
2
3
2
2
3
[0023] Нейтронный пучок N, генерируемый устройством 10 генерации нейтронов, последовательно проходит через блок 20 формирования пучка и коллиматор 30 и затем облучает пациента 200 на процедурном столе 40. В узле 20 формирования пучка имеется возможность регулировать свойства нейтронного пучка N, генерируемого устройством 10 генерации нейтронов, а коллиматор 30 предназначен для концентрирования нейтронного пучка N, с тем, чтобы нейтронный пучок N имел более высокую направленность во время процесса лечения. Узел 20 формирования пучка дополнительно включает в себя отражатель 21, замедлитель 22, поглотитель 23 тепловых нейтронов, радиационный экран 24 и выход 25 пучка. Нейтроны, генерируемые устройством 10 генерации нейтронов, имеют широкий спектр энергий, и помимо эпитермальных нейтронов, требующихся для лечения, желательно уменьшить количество других типов нейтронов и фотонов в максимально возможной степени, чтобы избежать нанесения вреда операторам или пациентам. Поэтому нейтроны, выходящие из устройства 10 генерации нейтронов, следует пропустить через замедлитель 22, чтобы довести энергию быстрых нейтронов до области энергий эпитермальных нейтронов. Замедлитель 22 выполнен из материала, имеющего большое сечение взаимодействия, главным образом, с быстрыми нейтронами, но слабо воздействующего на эпитермальные нейтроны. В данном варианте осуществления замедлитель 13 выполнен, по меньшей мере, из одного среди DO, AlF, Fluental, CaF, LiCO, MgF и AlO. Отражатель 21 окружает замедлитель 22 и отражает нейтроны, рассеянные в замедлителе 22, обратно в нейтронный пучок N, чтобы улучшить использование нейтронов, и выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражать нейтроны. В данном варианте осуществления отражатель 21 выполнен из, по меньшей мере, одного из Pb или Ni. Поглотитель 23 тепловых нейтронов, который выполнен из материала, имеющего большое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами, находится позади замедлителя 22. В данном варианте осуществления поглотитель 23 тепловых нейтронов выполнен из Li-6. Поглотитель 23 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, проходящих через замедлитель 22, чтобы снизить содержание тепловых нейтронов в нейтронном пучке N и тем самым избежать передозировки в поверхностных здоровых тканях во время лечения. Радиационный экран 24 расположен сзади отражателя вокруг выхода 25 пучка для экранирования нейтронов и фотонов, которые утекают из участков отличных от участка выхода 25 пучка. Материал радиационного экрана 24 содержит, по меньшей мере, один из материала, экранирующего фотоны, и материала, экранирующего нейтроны. В данном варианте осуществления материал радиационного экрана 24 включает в себя материал, экранирующий фотоны, - свинец (Pb) и материал, экранирующий нейтроны, - полиэтилен (РЕ). Следует понимать, что узел 20 формирования пучка может иметь другие конфигурации, при которых может быть получен требуемый для лечения пучок эпитермальных нейтронов. Коллиматор 30 размещен позади выхода 25 пучка, и пучок эпитермальных нейтронов, выходящий из коллиматора 30, облучает пациента 200 и замедляется до тепловых нейтронов, чтобы достичь опухолевой клетки М после прохождения через поверхностные здоровые ткани. Должно быть понятно, что коллиматор 30 может также быть исключен или заменен другими структурами, а нейтронный пучок от выхода 25 пучка непосредственно облучает пациента 200. В данном варианте осуществления устройство 50 радиационной защиты расположено между пациентом 200 и выходом 25 пучка для экранирования излучения от выхода 25 пучка на здоровую ткань пациента. Должно быть понятно, что устройство 50 радиационной защиты также может быть не предусмотрено.
4
7
10
7
7
[0024] После того, как пациенту 200 введены или впрыснуты бор (B-10)-содержащие фармацевтические препараты, бор-содержащие фармацевтические препараты селективно накапливаются в опухолевой клетке М, и затем используется то преимущество, что бор (B-10)-содержащие фармацевтические препараты имеют высокое сечение взаимодействия при захвате нейтронов и производят He и Li тяжелые заряженные частицы посредством B(n,α)Li захвата нейтронов и реакции ядерного деления. Две заряженные частицы со средней энергией около 2,33 МэВ, имеют высокую линейную передачу энергии (LET) и малую длину пробега. LET и длина пробега альфа-частицы имеют значения 150 кэВ/микрометр и 8 микрометров, соответственно, в то время как у тяжелой заряженной частицы Li они составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм, соответственно, а общая длина пробега двух частиц приблизительно равняется размеру клетки. Поэтому радиационное повреждение живых организмов может быть ограничено на клеточном уровне. Будут разрушены только опухолевые клетки при отсутствии больших повреждений здоровой ткани.
[0025] Структура мишени T будет подробно описана ниже со ссылкой на фиг.2, 3 и 4.
[0026] Мишень T размещена между ускорителем 11 и узлом 20 формирования пучка, и ускоритель 11 имеет ускоряющую трубку 111, где ускоряется пучок Р заряженных частиц. В данном варианте осуществления ускоряющая трубка 111 проникает в узел 20 формирования пучка в направлении пучка P заряженных частиц и последовательно проходит через отражатель 21 и замедлитель 22. Мишень Т расположена в замедлителе 22 и помещена на конце ускоряющей трубки 111, чтобы получить лучшее качество нейтронного пучка.
7
7
9
[0027] Мишень Т включает в себя теплорассеивающий слой 12, опорный слой 13 и активный слой 14, при этом активный слой 14 взаимодействует с пучком P заряженных частиц, генерируя нейтронный пучок, и опорный слой 13 поддерживает активный слой 14. В данном варианте осуществления материал активного слоя 14 представляет собой Li или его сплав, а пучок заряженных частиц P является пучком протонов. Мишень T дополнительно включает в себя антиокислительный слой 15 на одной стороне активного слоя 14 для предотвращения окисления активного слоя, опорный слой 13 может одновременно подавлять вспучивание, вызываемое падающим пучком протонов. Пучок P заряженных частиц последовательно проникает через устойчивый к окислению слой 15, активный слой 14 и опорный слой 13 в направлении падения. В качестве материала устойчивого к окислению слоя 15 следует рассматривать материал, менее подверженный коррозии со стороны активного слоя и способный уменьшить как потери падающего пучка протонов, так и генерируемое пучком протонов тепло, такой как, по меньшей мере, один из Al, Ti и их сплавов или нержавеющая сталь. В данном варианте осуществления материал антиокислительного слоя 15 может, при выполнении вышеупомянутых функций, одновременно участвовать в ядерной реакции с протонами, что может дополнительно увеличить выход нейтронов. При этом антиокислительный слой также является частью активного слоя, материалом антиокислительного слоя 15 может быть Be или его сплав. Энергия падающего пучка протонов выше порога энергии ядерной реакции с Li и Be, что может привести к двум различным ядерным реакциям, Li (p, n) Be и Be (p, n). Кроме того, Be имеет высокую температуру плавления и хорошую теплопроводность, его температура плавления составляет 1287°С, теплопроводность составляет 201 Вт/(м К). Ве имеет большое преимущество перед Li (температура плавления 181°C, теплопроводность 71 Вт/(м К)) по высокой термостойкости и теплорассеянию, что может дополнительно увеличить срок службы мишени. Порог реакции Be и протона для (p, n) ядерной реакции составляет около 2,055 МэВ, энергия большинства источников нейтронов на основе ускорителей, использующих протонные пучки, находится выше порога реакции, и бериллиевая мишень также является лучшим выбором в дополнение к литиевой мишени. Выход нейтронов улучшается благодаря присутствию Be по сравнению с антиокислительным слоем с использованием других материалов, таких как Al. В данном варианте осуществления энергия протонного пучка составляет 2,5МэВ - 5МэВ, что может привести к высокому сечению взаимодействия с литиевой мишенью при отсутствии, в то же время, генерации излишних быстрых нейтронов и получению, таким образом, лучшего качества пучка. Активный слой 14 в достаточной степени реагирует с протонами при толщине 80 мкм - 240 мкм, и не может вызывать чрезмерного накопления энергии из-за большой толщины, которое могло бы повлиять на процесс теплорассеяния в мишени. Для достижения вышеуказанных эффектов, при обеспечении низких затрат на производство, устойчивый к окислению слой 15 имеет толщину от 5 до 25 мкм. Для моделирования протонных пучков были предложены программные средства по методу Монте-Карло, энергия протонных пучков, которые последовательно проникали в антиокислительный слой 15, активный слой 14 (Li) и опорный слой 13 (Ta, который будет описан позже) в направлении, перпендикулярном активной поверхности мишени Т, составила 2,5 МэВ, 3 МэВ, 3,5 МэВ, 4 МэВ, 4,5 МэВ и 5 МэВ, соответственно. Проводится сравнение Al и Be как материала устойчивого к окислению слоя 15. Антиокислительный слой 15 имеет толщину 5мкм, 10мкм, 15мкм, 20мкм, 25мкм, соответственно, а активный слой 14 имеет толщину 80 мкм, 120 мкм, 160 мкм, 200 мкм, 240 мкм, соответственно, а толщина опорного слоя 12 оказывает незначительное влияние на выход нейтронов и может быть скорректирована в соответствии с реальной ситуацией. Получаемый выход нейтронов (то есть количество нейтронов, генерируемых на протон) показан в таблицах 1 и 2. Результаты расчета степени увеличения выхода нейтронов при использовании Be в качестве антиокислительного слоя литиевой мишени по сравнению с Al показаны в Таблице 3. Из этих результатов найдено, что, когда в качестве материала антиокислительного слоя был применен Be, выход нейтронов значительно увеличен по сравнению с Al, и полученный выход нейтронов составил 7,31E-05 н/протон - 5,61E-04 н/протон.
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] Теплорассеивающий слой 12 выполнен из теплопроводящего материала (например, материала, имеющего хорошую теплопроводность, такого как Cu, Fe, Al и т. п.) или материала, обладающего свойствами хорошей теплопроводности и подавления вспучивания; опорный слой 13 выполнен из материала, который подавляет вспучивание; материалом, подавляющим вспучивание, или обладающим свойствами теплопроводности и подавления вспучивания, может быть, по меньшей мере, один из Fe, Ta или V. Теплорассеивающий слой может иметь разнообразные конфигурации, например, плоской пластины. В этом варианте осуществления теплорассеивающий слой 12 включает в себя трубчатый элемент 121 и опорный элемент 122. Как трубчатый элемент 121, так и опорный элемент 122 изготовлены из меди, которая обладает лучшими характеристиками рассеивания тепла и более низкой стоимостью. Трубчатый элемент 121 состоит из расположенных рядом трубок и установлен и смонтирован посредством опорного элемента 122, а опорный элемент 122 прикреплен к замедлителю 22 или к концевому участку ускоряющей трубки 111 с помощью соединительного элемента, такого как болт или винт. Должно быть понятно, что могут быть предусмотрены другие разъемные соединения для облегчения замены мишени. Конструкция трубок увеличивает площадь рассеяния тепла, улучшает эффективность теплорассеяния и помогает продлить срок службы мишени. Теплорассеивающий слой 12 дополнительно имеет каналы Р охлаждения для прохождения охлаждающей среды. В данном варианте осуществления охлаждающей средой является вода, и внутренняя часть трубок, составляющих трубчатый элемент 121, по меньшей мере, частично образует каналы Р охлаждения, и охлаждающая среда протекает через внутреннюю часть трубок, отводя их тепло. Внутренняя часть трубок действует как каналы охлаждения, что дополнительно усиливает эффект рассеивания тепла и продлевает срок службы мишени. Форма, количество и размер трубок определяются в соответствии с размером имеющейся мишени. На чертежах схематично показаны только четыре круглые трубки. Следует понимать, что они также могут представлять собой квадратные трубки, многоугольные трубки, эллиптические трубки или тому подобное, а также их комбинации. Соседние трубки могут быть рядом друг с другом, так что их внешние поверхности соприкасаются друг с другом, или могут быть разнесены. Форма поперечного сечения внутреннего отверстия трубок также может быть различной, такой как круглая, многоугольная, эллиптическая и тому подобная, и разные поперечные сечения могут иметь разные формы. Поскольку диаметр каждой трубки при реальном изготовлении трубчатого элемента небольшой, и внутри трубчатого элемента имеются каналы охлаждения, обычный процесс производства сложен. В данном варианте осуществления предусмотрено аддитивное производство при изготовлении трубчатого элемента для облегчения формирования небольших и сложных конструкций. Во-первых, выполняется трехмерное моделирование трубчатого элемента, и данные трехмерной модели трубчатого элемента вводятся в компьютерную систему и накладываются на данные двумерного среза. Затем исходный материал (например, медный порошок) послойно обрабатывается с помощью компьютерно управляемой системы аддитивного изготовления, и в результате, после наложения получаются трехмерные изделия.
[0032] Когда опорный слой 13 выполнен из Та, он обладает определенным эффектом теплорассеяния и может уменьшить вспучивание, подавить неупругое рассеяние между протонами и Li, которое порождает гамма-кванты, и предотвратить проникновение избыточных протонов через мишень. В этом варианте осуществления материал опорного слоя 13 представляет собой сплав Ta-W, который может значительно улучшить низкую прочность и плохую теплопроводность чистого тантала при сохранении вышеуказанной превосходной эффективности Та, так что тепло, генерируемое в результате ядерной реакции в активном слое 14, может быть вовремя отведено опорным слоем. При этом теплорассеивающий слой также может быть, по меньшей мере, частично выполнен из того же материала или структурно интегрирован с опорным слоем. Весовой процент W в сплаве Та-W составляет 2,5% -20%, чтобы обеспечить свойство подавления вспучивания опорного слоя, и опорный слой обладает повышенной прочностью и теплопроводностью, что дополнительно продлевает срок службы мишени. Из сплава Та-W, такого как Та-2,5 мас.% W, Та-5,0 мас.% W, Та-7,5 мас.% W, Та-10 мас.% W, Та- 12 мас.% W, Ta-20 мас.% W и тому подобного формируют пластинообразный опорный слой 13 методом порошковой металлургия, ковки, прессования и тому подобного. При энергии протонного пучка 1,888 МэВ-10 МэВ, толщина опорного слоя составляет, по меньшей мере, 50 мкм для достаточного поглощения избыточных протонов.
[0033] В этом варианте осуществления процесс изготовления мишени T происходит так:
[0034] S1: жидкий металлический литий выливается на опорный слой 13 для формирования активного слоя 14, и может также быть обработан путем испарения или распыления, между литием и танталом может быть размещен чрезвычайно тонкий адгезионный слой 16, а материал адгезионного слоя 16 включает в себя, по меньшей мере, один из Cu, Al, Mg или Zn, и он также может быть обработан путем испарения или распыления для улучшения адгезии между опорным слоем и активным слоем;
[0035] S2: опорный слой 13 и трубчатый элемент 121 теплорассеивающего слоя 12 подвергают горячему изостатическому прессованию;
[0036] S3: устойчивый к окислению слой 15 одновременно подвергают горячему изостатическому прессованию или другим видам обработки для герметизации опорного слоя 13, чтобы сформировать полость и/или окружить активный слой 14;
[0037] S4: опорный элемент 122 и трубчатый элемент 121 соединены сваркой, опрессовыванием или подобным образом.
[0038] Вышеуказанные этапы S1, S2, S3 и S4 располагаются не в произвольном порядке. Например, антиокислительный слой 15, и опорный слой 13 могут быть подвергнуты горячему изостатическому прессованию или другим видам обработки для герметизации опорного слоя 13, чтобы сформировать полость, и в полость заливают жидкий металлический литий для формирования активного слоя 14. Следует понимать, что опорный элемент 122 также может отсутствовать, а трубки могут быть соединены и закреплены как одно целое с помощью сварки или другого средства. Опорный слой 13, активный слой 14, и антиокислительный слой 15 на каждой трубке формируют отдельно, а затем располагают трубчатый элемент и соединяют его с опорным элементом 122. После соединения совокупность опорного слоя 13, активного слоя 14 и устойчивого к окислению слоя 15, сформированных на каждой из трубок, может быть прерывистой, и между соседними трубками необходимо сформировать соединительный участок 17, и соединительный участок 17 также состоит из опорного слоя 13, активного слоя 14 и устойчивого к окислению слоя 15. Вся мишень разделена на множество отдельных функциональных участков, что дополнительно уменьшает вспучивание металлического антиокислительного слоя. При этом соединение между опорным элементом 122 и трубчатым элементом 121 на этапе S4 также может быть разъемным, и мишень T может быть частично заменена, чтобы продлить срок службы мишени и снизить стоимость лечения пациента. Следует понимать, что опорный слой 13, активный слой 14 и устойчивый к окислению слой 15 на каждой трубке также могут быть сформированы как одно целое, и затем соединены с трубчатым элементом, так что активный слой мишени T после соединения является непрерывным как целое, и это является предпочтительным при взаимодействии пучка Р заряженных частиц с мишенью T. При этом опорный элемент 122 и трубчатый элемент 121 также могут быть получены как одно целое путем аддитивного изготовления, что уменьшает трудности в обработке и сборке. Форма поперечного сечения совокупности, образованной опорным слоем 13, активным слоем 14 и устойчивым к окислению слоем 15, перпендикулярного центральной линии трубки, также может быть различной, например, она соответствует внешней поверхности контура боковины трубчатого элемента, соединяющейся с опорным слоем 13, с активным слоем 14, и устойчивым к окислению слоем 15. В данном варианте осуществления она имеет форму дуги, которая увеличивает область взаимодействия мишени T с пучком Р заряженных частиц и область, в которой теплорассеивающий слой 12 контактирует с опорным слоем 13 и отводит тепло. Активный слой 14 на каждой трубке покрывает, по меньшей мере, 1/4 наружной окружности трубки, то есть угол активного слоя в окружном направлении от центральной линии трубки составляет не менее 45 градусов.
[0039] В данном варианте осуществления опорный элемент 122 включает в себя первый участок 1221 и второй опорный участок 1222, симметрично размещенные на двух концах трубчатого элемента 121, имеющие, соответственно, вход IN охлаждения и выход OUT охлаждения, и каналы P охлаждения сообщаются с входом IN охлаждения и выходом OUT охлаждения. Каналы P охлаждения включают в себя первый канал Р1 охлаждения на первом опорном участке, второй канал Р2 охлаждения на втором опорном участке и третий канал P3 охлаждения, образованный внутри трубок, составляющих трубчатый элемент 121. Охлаждающая среда поступает из входа IN охлаждения на первый опорный участок 1221, входит внутрь каждой из трубок, составляющих трубчатый элемент 121, через первый канал P1 охлаждения, а затем выходит из выхода OUT охлаждения через второй канал P2 охлаждения во второй опорный участок. Температура мишени Т увеличивается при облучении пучком ускоренных протонов с высоким уровнем энергии и генерирует тепло, которое отводится опорным слоем и теплорассеивающим слоем, и выносится охлаждающей средой, циркулирующей в трубчатом элементе и опорном элементе, тем самым охлаждая мишень Т.
[0040] Следует понимать, что первый канал P1 охлаждения и второй канал P2 охлаждения могут также быть реализованы по другим схемам, например, охлаждающая среда, поступающая из входа IN охлаждения на первом опорном участке 1221 последовательно проходит через внутреннюю часть соответствующих трубок, составляющих трубчатый элемент 121 и в конце выходит из выхода OUT охлаждения на втором опорном участке. Охлаждающая среда также может непосредственно входить и выходить из трубчатого элемента, не проходя через опорный элемент. При этом вход IN охлаждения и выход OUT охлаждения могут быть размещены на трубчатом элементе 121, а соответствующие трубки последовательно соединены для формирования каналов P охлаждения, и охлаждающая среда последовательно протекает через внутреннюю часть каждой трубки.
[0041] Опорный элемент 122 может дополнительно включать в себя третий опорный участок 1223, соединяющий первый и второй опорные участки 1221, 1222, и третий опорный участок 1223 соприкасается с другой стороной, противоположной стороне трубчатого элемента 121, соединяющейся с активным слоем 14, причем третий опорный участок 1223 также может иметь четвертый канал охлаждения, представляющий каналы P охлаждения. При этом охлаждающая среда может проходить только через опорный элемент 122 без прохождения через внутреннюю часть каждой трубки трубчатого элемента 121, и внутренняя часть каждой трубки не связана с каналами охлаждения внутри опорного элемента 122. Каналы охлаждения в опорном элементе 122 могут быть различного вида, например, спиральной формы, обеспечивающей максимально возможную область соприкосновения с трубками. Охлаждающая среда также может проходить как через внутреннюю часть трубок, так и через третий опорный участок опорного элемента или через внутреннюю часть трубки и первый, второй и третий опорные участки опорного элемента.
[0042] В этом варианте осуществления первая и вторая охлаждающие трубки D1 и D2 размещены между ускоряющей трубкой 111 и отражателем 21, а также между ускоряющей трубкой 111 и замедлителем 22, и один конец первой и второй охлаждающих трубок D1, D2 соответственно, соединен с входом IN охлаждения и выходом OUT охлаждения мишени Т, а другие концы соединены с внешним источником охлаждения. Следует понимать, что первая и вторая охлаждающие трубки также могут быть размещены в узле формирования пучка по-другому, и могут также отсутствовать, если мишень помещена вне узла формирования пучка.
[0043] Как далее показано на фиг. 5-7, в каналах P охлаждения могут быть размещены один или большее количество выступающих участков 123, имеющих поверхности S охлаждения, для увеличения поверхности рассеивания тепла и/или формирования вихревых потоков, чтобы усилить эффект рассеивания тепла. Поверхности S охлаждения - это поверхности, где охлаждающая среда может соприкасаться с выступающими участками 123 при протекании в каналах P охлаждения, и выступающие участки 123 выступают из внутренних стенок W каналов P охлаждения в направлении, перпендикулярном или наклонном к направлению D потока охлаждающей среды. Следует понимать, что выступающие участки 123 также могут выступать из внутренних стенок W каналов Р охлаждения в других формах. В направлении, перпендикулярном направлению D потока охлаждающей среды, максимальное расстояние L1, на которое выступающие участки 123 отходят от внутренних стенок W каналов P охлаждения, составляет менее половины расстояния L2 до противоположных внутренних стенок W в направлении выступания. Выступающие участки 123 не влияют на свободное протекание охлаждающей среды в каналах P охлаждения, то есть, можно сказать, что выступающие участки не приводят к разделению одного канала охлаждения на несколько практически независимых каналов охлаждения (охлаждающая среда в них не приводит к влиянию друг на друга).
[0044] В первом варианте осуществления одного канала охлаждения, показанном на фиг.5а и 5b, выступающие участки 123 выступают из внутренней стенки W канала P охлаждения в направлении, перпендикулярном направлению D потока охлаждающей среды, а внутренняя стенка W канала P охлаждения представляет собой цилиндрическую поверхность, и выступающие участки 123 являются ленточными частями, проходящими прямолинейно в направлении D потока охлаждающей среды. Следует понимать, что внутренние стенки W каналов P охлаждения могут иметь другие формы, и выступающие участки 123 могут также отходить спиралевидно или в другой форме от внутренних стенок W каналов P охлаждения в направлении потока охлаждающей среды. На фигурах имеются 10 выступающих участков, равномерно распределенных по окружности внутренней стенки W. Следует понимать, что выступающие участки также могут быть в другом количестве или размещены только на внутренней стенке W канала охлаждения в контакте с активным слоем или опорным слоем, и форма и/или длина, по меньшей мере, двух соседних выступающих участков могут также отличаться. Поперечное сечение каждого из выступающих участков 123 в направлении, перпендикулярном направлению D потока охлаждающей среды, может иметь форму прямоугольника, трапеции, треугольника или подобную. Формы или размеры разных поперечных сечений также могут быть разными, например, прерывистыми, зубчатыми или волнистыми в направлении потока охлаждающей среды. На поверхностях S охлаждения, по меньшей мере, одного из выступающих участков 123 предусмотрен, по меньшей мере, участок-подвыступ 1231. В этом варианте осуществления участок-подвыступ 1231 имеет зигзагообразную форму в поперечном сечении, перпендикулярном направлению D потока охлаждающей среды, и проходит в направлении D потока охлаждающей среды. Следует понимать, что участок-подвыступ может также иметь различные конфигурации, допускающие увеличение поверхности теплорассеяния. В данном варианте осуществления участки-подвыступы 1231 на схеме размещены только на одной из поверхностей охлаждения одного выступающего участка 123, и следует понимать, что участки-подвыступы 1231 также могут быть размещены на любой другой поверхности охлаждения одного выступающего участка 123.
[0045] На фиг.6a и 6b показан второй вариант осуществления одного канала охлаждения, и ниже будет описано только его отличие от первого варианта осуществления. Выступающие участки 123' представляют собой кольца, разнесенные в направлении потока охлаждающей среды. Следует понимать, что это также могут быть, по меньшей мере, части колец. Количество колец и длина канала охлаждения на фигурах являются только иллюстративными и могут быть скорректированы в соответствии с фактическими условиями. В этом варианте осуществления торцевые поверхности колец представляют собой плоскости, перпендикулярные направлению D потока охлаждающей среды, и должно быть понятно, что они также могут быть плоскостями, наклоненными к направлению D потока охлаждающей среды, или коническими поверхностями, или изогнутыми поверхностями, или им подобными.
[0046] На фиг.7, в третьем варианте осуществления одного канала охлаждения, в канале P охлаждения размещена, по меньшей мере, одна вторая стенка 124, чтобы разделить канал P охлаждения на, по меньшей мере, два независимых подканала P' и P", и направления потока охлаждающей среды различны, по меньшей мере, в двух смежных подканалах, что увеличивает эффективность рассеивания тепла. В этом варианте осуществления вторая стенка 124 является, на основе первого варианта осуществления, цилиндрической и проходит через соответствующие выступающие участки 123. Подканал P' сформирован внутри цилиндрической второй стенки 124, а подканал P" сформирован между каждыми двумя смежными выступающими участками 123 и второй стенкой 124, образуя тем самым 10 подканалов P", окружающих подканал Р'. Направления потока охлаждающей среды в подканале P' и, по меньшей мере, в одном подканале P" могут быть разными, и направления потока охлаждающей среды, по меньшей мере, в двух соседних подканалах P" также могут быть разными. Следует понимать, что вторая стенка может иметь другие расположения в зависимости от различных установок выступающих участков. Выступающие участки и участки -подвыступы на них в каналах охлаждения дополнительно увеличивают трудности изготовления, и, следовательно, выступающие участки и/или вторая стенка могут быть сформированы отдельно и затем вставлены и размещены в трубке, или сформированы как единое целое с трубкой при аддитивном изготовлении.
[0047] Следует понимать, что теплорассеивающий слой 12 также может быть предусмотрен одновременно как опорный слой 13. При этом теплорассеивающий слой 12 выполнен, по меньшей мере, частично, из материала, обладающего способностью как отводить тепло, так и подавлять образование вспучиваний, например, трубчатый элемент 121 выполнен из сплава Ta или Ta-W, а опорный элемент 122 выполнен из меди. Активный слой 14, соединен с трубкой из сплава Ta или Ta-W с помощью процесса, такого как испарение или распыление, и трубка из сплава Ta или Ta-W служит и как опорный слой 12, и как теплорассеивающий слой 13. В этом варианте осуществления мишень T в целом имеет форму прямоугольной пластины. Следует понимать, что мишень Т может также быть в форме диска, и первый опорный участок и второй опорный участок составляют полную окружность или часть окружности, в то же время длина трубок может быть различной. Мишень Т также может иметь другие пространственные формы. Мишень Т также может быть подвижной относительно ускорителя или узла формирования пучка, чтобы облегчить замену мишени или добиться равномерного взаимодействия пучка частиц с мишенью. Для активного слоя 14 может быть также предусмотрен жидкий материал (жидкий металл).
[0048] Следует понимать, что мишень из настоящего изобретения также может быть применена к другим устройствам генерации нейтронов в медицинских и немедицинской областях, если генерация нейтронов основана на ядерной реакции между пучком частиц и мишенью, материал мишени также различается исходя из различных ядерных реакций. Она может также быть применена к другим устройствам, генерирующим пучок частиц.
[0049] Термин «трубчатый элемент» в настоящем изобретении относится к целому блоку, образованному множеством отдельных трубок, расположенных на соединительном элементе и соединяемых им или в процессе присоединения, а объект, имеющий полый участок, образованный в одном или большем количестве пластинчатых элементов или полученный путем объединения одного или большего количества пластинчатых элементов не следует понимать как трубчатый элемент по настоящему изобретению.
[0050] Хотя выше были описаны иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, чтобы специалисты в данной области техники могли понять настоящее изобретение, следует понимать, что настоящее изобретение не должно ограничиваться данным объемом вариантов осуществления. Для специалистов в данной области техники до тех пор, пока различные изменения находятся в пределах сущности и объема, определенных в настоящем изобретении и в прилагаемой формуле изобретения, эти изменения очевидны и находятся в пределах объема защиты, заявленного в настоящем изобретении.