中子捕获治疗系统及用于粒子线产生装置的靶材的制作方法

本发明一方面涉及一种辐射线照射系统，尤其涉及一种中子捕获治疗系统；本发明另一方面涉及一种用于辐射线照射系统的靶材，尤其涉及一种用于粒子线产生装置的靶材。

背景技术：

随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastomamultiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。

为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relativebiologicaleffectiveness,rbe)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的中子射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。

在加速器硼中子捕获治疗中，加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，质子束加速至足以克服靶材原子核库伦斥力的能量，与靶材发生核反应以产生中子，因此在产生中子的过程中靶材会受到非常高能量等级的加速质子束的照射，靶材的温度会大幅上升，同时靶材的金属部分容易起泡，从而影响靶材的使用寿命。

因此，有必要提出一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种中子捕获治疗系统，包括中子产生装置和射束整形体，所述中子产生装置包括加速器和靶材，所述加速器加速产生的带电粒子线与所述靶材作用产生中子线，所述射束整形体包括反射体、缓速体、热中子吸收体、辐射屏蔽体和射束出口，所述缓速体将自所述靶材产生的中子减速至超热中子能区，所述反射体包围所述缓速体并将偏离的中子导回至所述缓速体以提高超热中子射束强度，所述热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，所述辐射屏蔽体围绕所述射束出口设置在所述反射体后部用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量，所述靶材包括作用层、基座层和散热层，所述作用层与带电粒子线作用产生中子线，所述基座层支撑所述作用层，所述散热层包括曲折状的冷却通道。曲折状的通道延长了流通路径，能够增加传热壁面与冷却介质的接触面积从而增加散热表面，同时形成二次流，增加搅混效应，提升传热能力和散热效果，有助于延长靶材的寿命。

作为一种优选地，中子捕获治疗系统还包括治疗台和准直器，所述中子产生装置产生的中子线通过所述射束整形体照射向所述治疗台上的患者，所述患者和射束出口之间设置辐射屏蔽装置以屏蔽从所述射束出口出来的射束对患者正常组织的辐射，所述准直器设置在所述射束出口后部以汇聚中子线，所述射束整形体内设置第一、第二冷却管，所述靶材具有冷却进口、冷却出口，所述冷却通道设置在所述冷却进口和冷却出口之间，所述第一、第二冷却管的一端分别与所述靶材的冷却进口和冷却出口连接，另一端连接到外部冷却源，所述曲折状的冷却通道的弯曲几何为连续弯曲的平滑曲线或依次首尾相连的曲线段或直线段，所述连续弯曲的平滑曲线为弦波函数。

进一步地，靶材位于所述射束整形体内，所述加速器具有对带电粒子线进行加速的加速管，所述加速管沿带电粒子线方向伸入所述射束整形体并依次穿过所述反射体和缓速体，所述靶材设置在所述缓速体内并位于所述加速管端部，所述第一、第二冷却管设置在所述加速管与所述反射体和缓速体之间。

本发明另一方面提供了一种用于粒子线产生装置的靶材，所述靶材包括作用层、基座层和散热层，所述作用层用于产生所述粒子线，所述基座层支撑所述作用层，所述散热层包括曲折状的冷却通道。曲折状的通道延长了流通路径，能够增加传热壁面与冷却介质的接触面积从而增加散热表面，同时形成二次流，增加搅混效应，提升传热能力和散热效果，有助于延长靶材的寿命。

作为一种优选地，曲折状的冷却通道的弯曲几何为连续弯曲的平滑曲线或依次首尾相连的曲线段或直线段,所述连续弯曲的平滑曲线为弦波函数。冷却通道采用连续弯曲的平滑曲线，如弦波函数，能进一步减少流动路径造成的流动阻力。

作为另一种优选地，曲折状的冷却通道包括多个曲折状的壁平行排列形成的多个子平行曲折通道或一个或多个曲折状的壁以螺旋线展开形成的多个子螺旋曲折通道，至少2个相邻的所述子平行曲折通道或子螺旋曲折通道中的冷却介质流通方向不同。相邻的子平行曲折通道或子螺旋曲折通道中的冷却介质流通方向不同，进一步增加散热效率。

作为另一种优选地，散热层包括第一板和第二板，所述第一板具有面向所述作用层的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述曲折状的冷却通道形成在所述第二侧上或所述第二板上与所述第一板相对的一侧上。

进一步地，散热层具有冷却进口和冷却出口，所述曲折状的冷却通道连通所述冷却进口和冷却出口，所述冷却进口和冷却出口均设置在所述第一板和第二板之一上，或分别设置在所述第一板和第二板上。第一板和/或第二板的材料为ta或ta-w合金或cu，所述曲折状的冷却通道的横截面形状为矩形、圆形、多边形或椭圆形。

更进一步地，冷却进口和/或冷却出口外围还设置有周向壁，所述第二板与所述周向壁面向所述第二板的表面紧密接触，在所述第一板和第二板之间形成容腔，使得从所述冷却进口进入的冷却介质只能通过所述冷却出口出去。

附图说明

图1为本发明实施例中的中子捕获治疗系统示意图；

图2为本发明实施例中的靶材的示意图；

图3为图2中的靶材的散热层的第一实施例的示意图；

图4为图3中的散热层的第一板的示意图；

图5为图2中的靶材的散热层的第二实施例的示意图；

图6为图5中的散热层的第一板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1，本实施例中的中子捕获治疗系统优选为硼中子捕获治疗系统100，包括中子产生装置10、射束整形体20、准直器30和治疗台40。中子产生装置10包括加速器11和靶材t，加速器11对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速，产生如质子线的带电粒子线c，带电粒子线c照射到靶材t并与靶材t作用产生中子线(中子束)n，靶材t优选为金属靶材。依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有⁷li(p,n)⁷be及⁹be(p,n)⁹b，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881mev和2.055mev，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为kev能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不需太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(li)和铍金属(be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区(将在下文详细描述)、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性，但实际上并无法找到符合所有要求的核反应。本领域技术人员熟知的，靶材t也可以由li、be之外的金属材料制成，例如由ta或w及其合金等形成。加速器11可以是直线加速器、回旋加速器、同步加速器、同步回旋加速器。

中子产生装置10产生的中子束n依次通过射束整形体20和准直器30照射向治疗台40上的患者200。射束整形体20能够调整中子产生装置10产生的中子束n的射束品质，准直器30用以汇聚中子束n，使中子束n在进行治疗的过程中具有较高的靶向性。射束整形体20进一步包括反射体21、缓速体22、热中子吸收体23、辐射屏蔽体24和射束出口25，中子产生装置10生成的中子由于能谱很广，除了超热中子满足治疗需要以外，需要尽可能的减少其他种类的中子及光子含量以避免对操作人员或患者造成伤害，因此从中子产生装置10出来的中子需要经过缓速体22将其中的快中子能量调整到超热中子能区，缓速体22由与快中子作用截面大、超热中子作用截面小的材料制成，本实施例中，缓速体22由d2o、alf3、fluental、caf2、li2co3、mgf2和al2o3中的至少一种制成；反射体21包围缓速体22，并将穿过缓速体22向四周扩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强的材料制成，本实施例中，反射体21由pb或ni中的至少一种制成；缓速体22后部有一个热中子吸收体23，由与热中子作用截面大的材料制成，本实施例中，热中子吸收体23由li-6制成，热中子吸收体23用于吸收穿过缓速体22的热中子以减少中子束n中热中子的含量，避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量；辐射屏蔽体24围绕射束出口25设置在反射体后部，用于屏蔽从射束出口25以外部分渗漏的中子和光子，辐射屏蔽体24的材料包括光子屏蔽材料和中子屏蔽材料中的至少一种，本实施例中，辐射屏蔽体24的材料包括光子屏蔽材料铅(pb)和中子屏蔽材料聚乙烯(pe)。可以理解，射束整形体20还可以有其他的构造，只要能够获得治疗所需超热中子束即可。准直器30设置在射束出口25后部，从准直器30出来的超热中子束向患者200照射，经浅层正常组织后被缓速为热中子到达肿瘤细胞m，可以理解，准直器30也可以取消或由其他结构代替，中子束从射束出口25出来直接向患者200照射。本实施例中，患者200和射束出口25之间还设置了辐射屏蔽装置50，屏蔽从射束出口25出来的射束对患者正常组织的辐射，可以理解，也可以不设置辐射屏蔽装置50。

患者200服用或注射含硼(b-10)药物后，含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞m中，然后利用含硼(b-10)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由¹⁰b(n,α)⁷li中子捕获及核分裂反应产生⁴he和⁷li两个重荷电粒子。两荷电粒子的平均能量约为2.33mev，具有高线性转移(linearenergytransfer,let)、短射程特征，α短粒子的线性能量转移与射程分别为150kev/μm、8μm，而⁷li重荷粒子则为175kev/μm、5μm，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。

下面结合图2对靶材t的结构做详细的说明。

靶材t设置在加速器11和射束整形体20之间，加速器11具有对带电粒子线c进行加速的加速管111，本实施例中，加速管111沿带电粒子线c方向伸入射束整形体20，并依次穿过反射体21和缓速体22，靶材t设置在缓速体22内并位于加速管111的端部，以得到较好的中子射束品质。

靶材t包括散热层12、基座层13和作用层14，作用层14与带电粒子线c作用产生中子线，基座层13支撑作用层14。散热层12由导热材料(如cu、fe、al等导热性能好的材料)或既能导热又能抑制发泡的材料制成；基座层13由抑制发泡的材料制成；抑制发泡的材料或既能导热又能抑制发泡的材料包括fe、ta或v中的至少一种。本实施例中，作用层14的材料为li或其合金，带电粒子线c为质子线，靶材t还包括位于作用层14一侧用于防止作用层氧化的抗氧化层15，基座层13能同时抑制由入射质子线引起的发泡，带电粒子线c沿入射方向依次穿过抗氧化层15、作用层14和基座层13。抗氧化层15的材料同时考虑不易被作用层腐蚀且能够减小入射质子束的损耗及质子束导致的发热，如包括al、ti及其合金或者不锈钢中的至少一种。本实施例中，抗氧化层15为同时能够与质子发生核反应的材料，起到上述作用的同时能进一步地增加中子产率，此时，抗氧化层同时为作用层的一部分，如采用be或其合金，入射质子束的能量高于与li和be发生核反应的能量阀值，分别产生两种不同的核反应，⁷li(p,n)⁷be及⁹be(p,n)⁹b；另外，be具有高熔点及良好的导热特性，其熔点为1287℃，热传导率为201w/(mk)，相对于li(熔点为181℃，热传导率为71w/(mk))的耐高温及散热性能具有极大优势，进一步增加了靶材的寿命，并且其与质子发生(p,n)核反应的反应阀值约为2.055mev，多数采用质子射束的加速器中子源，其能量皆高于该反应阀值，而铍靶亦是锂靶以外的最佳选择。与采用其他材料，如al，的抗氧化层相比，由于be的存在，中子产率得到了提高。本实施例中，质子线能量为2.5mev-5mev，能够与锂靶产生较高的作用截面，同时不会产生过多的快中子，获得较好的射束品质；作用层14的厚度为80μm-240μm，与质子能发生充分的反应，也不会过厚造成能量沉积，影响靶材散热性能；在达到上述效果的同时保证较低的制造成本，抗氧化层15的厚度为5μm-25μm。在对比试验中，采用蒙地卡罗软件分别仿真2.5mev、3mev、3.5mev、4mev、4.5mev、5mev的质子束由垂直于靶材t的作用表面的方向依次射入抗氧化层15、作用层14(li)及基座层13(ta，将在后文详述)，抗氧化层15的材料以al与be进行对比，抗氧化层15厚度分别为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm，作用层14厚度分别为80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，基座层12厚度对中子产率几乎没有影响可视实际情况调整，得到的中子产率(即每个质子产生的中子个数)结果如表1、表2所示。使用be作为锂靶抗氧化层相对于al的中子产率提升比例计算结果如表3所示，由结果知，使用be作为抗氧化层材料时，中子产率相对于al有明显提升，可以获得的中子产率为7.31e-05n/proton-5.61e-04n/proton。

表1、使用al作为锂靶抗氧化层的中子产率(n/proton).e为入射质子线能量

表2、使用be作为锂靶抗氧化层的中子产率(n/proton).e为入射质子线能量

表3、使用be作为锂靶抗氧化层相对于al的中子产率提升比例.e为入射质子线能量

基座层13采用ta制成时，具有一定的散热效果同时能够减少起泡，抑制质子与li发生非弹性散射而释放γ，及阻止多余的质子通过靶材；本实施例中，基座层13的材料为ta-w合金，在保持上述ta的优良性能的同时能明显地改善纯钽强度低、热传导性差的劣势，使得作用层14发生核反应产生的热量能由基座层及时传导出去。ta-w合金中w的重量百分比为2.5％-20％，以保证基座层抑制发泡的特性，同时基座层具有更高的强度和热传导性，进一步延长靶材使用寿命。采用粉末冶金、锻造、压制等将ta-w合金(如ta-2.5wt％w、ta-5.0wt％w、ta-7.5wt％w、ta-10wt％w、ta-12wt％w、ta-20wt％w等)制成板状的基座层13，在质子线能量为1.881mev-10mev，基座层的厚度至少为50μm，以充分吸收多余的质子。

散热层可以有多种构造，如为热管。在图3和图4示出的散热层的第一实施例中，散热层12为板状，包括第一板121和第二板122，第一板121具有面向作用层14的第一侧1211和与第一侧1211相对的第二侧1212，第二侧1212上形成供冷却介质流通的冷却通道p，第二板122与第一板121的第二侧1212紧密接触，可以理解，冷却通道p也可以设置在第二板122上与第一板121相对的一侧上。冷却通道p为曲折状，曲折状的冷却通道p包括多个子平行曲折通道p1，即由多个曲折状的壁w平行排列，相邻的壁w之间形成曲折状的槽s(即子平行曲折通道p1)。子平行曲折通道p1的弯曲几何为弦波函数：

其中，为相位角、x为冷却介质流通方向(下文详述)的坐标、k为振幅、t为周期。

可以理解，冷却通道p还可以为其他的曲折形状，如连续弯曲的平滑曲线或依次首尾相连的曲线段或直线段，曲折状的通道延长了流通路径，能够增加传热壁面与冷却介质的接触面积从而增加散热表面，同时形成二次流，增加搅混效应，提升传热能力和散热效果，有助于延长靶材的寿命。冷却通道p采用连续弯曲的平滑曲线，如弦波函数，能进一步减少流动路径造成的流动阻力。曲折状的冷却通道p也可以有其他的排布方式。

散热层12还具有冷却进口in和冷却出口out，冷却通道p连通冷却进口in和冷却出口out，冷却介质从冷却进口in进入，通过冷却通道p，然后从冷却出口out出来。靶材t受到高能量等级的加速质子束照射温度升高发热，基座层和散热层将热量导出，并通过流通在冷却通道内的冷却介质将热量带出，从而对靶材t进行冷却。冷却进口in和冷却出口out各有3个，对称设置在第一板121上冷却通道p的两端，并在第一侧1211到第二侧1212的方向上延伸贯通，在第二侧1212上还形成有进口槽s1和出口槽s2，进口槽s1、出口槽s2分别连通冷却进口in、冷却出口out和各个子平行曲折通道p1，使得从冷却进口in进入的冷却介质从进口槽s1分别进入各个子平行曲折通道p1，再经过出口槽s2从冷却出口out出去。可以理解，冷却进口in和冷却出口out可以为其他的个数或其他的形式，还可以同时设置在第二板上或分别设置在第一板上和第二板上。冷却进口in和冷却出口out外围还设置有周向壁w1，第二板122与周向壁w1面向第二板122的表面紧密接触，在第一板121和第二板122之间形成容腔，使得从冷却进口in进入的冷却介质只能通过冷却出口out出去，第二板122与第一板121接触的面为平面，曲折状的壁w的高度和周向壁w1的高度相同；可以理解，也可以为阶梯面或其他构造，此时曲折状的壁w的高度和周向壁w1的高度可能不同，只要使得各个子平行曲折通道p1之间是相互独立的即可。相邻的子平行曲折通道p1中的冷却介质流通方向d(冷却通道中冷却介质整体的流通方向)也可以不同，进一步增加散热效率。进口槽s1和出口槽s2可以有其他的设置方式，如使得冷却介质依次流经各个子平行曲折通道p1。本实施例中，第一板和第二板的材料都为cu，具有较好的散热性能且成本较低。形成冷却通道p的槽s的个数及大小根据实际靶的尺寸决定，槽的横截面形状也可以是多样的，如矩形、圆形、多边形、椭圆形等，不同的横截面还可以具有不同的形状。

第一板121和第二板122一起通过螺栓或螺钉等连接件或其他固定结构，如焊接等，固定到缓速体22内或加速管111端部，或者第一板121和第二板122先连接再将其中之一固定到缓速体22内或加速管111端部。可以理解，散热层还可以采用其他可拆卸的连接进行固定或安装，便于更换靶材；散热层12还可以具有支撑件(图中未示出)，第一板121和/或第二板122通过支撑件进行固定，冷却进口in和冷却出口out也可以设置在支撑件上。本实施例中，加速管111与反射体21和缓速体22之间设置第一、第二冷却管d1、d2，第一、第二冷却管d1、d2的一端分别与靶材t的冷却进口in和冷却出口out连接，另一端连接到外部冷却源。可以理解，第一、第二冷却管还可以以其他方式设置在射束整形体内，当靶材置于射束整形体之外时，还可以取消。

如图5和图6，为散热层的第二实施例，下面仅描述与第一实施例不同的地方。在散热层的第二实施例中，曲折状的冷却通道p′包括多个子螺旋曲折通道p1′，即由一个或多个曲折状的壁w′围绕同一中心以螺旋线展开，每个壁w′在径向上形成很多层，各个壁w′形成的层在径向上交互排列，相邻的层之间形成槽s′(即子螺旋曲折通道p1′)。子螺旋曲折通道p1′的轨迹函数为：

其中，rin为中心半径、rout为外半径、θ为极坐标角度、k为振幅、t为周期。

冷却进口in′设置在第二板122′的中心，与各子螺旋曲折通道p1′的中心贯通，冷却出口out′有4个，周向平均设置在第一板121′上冷却通道p′的外围，在第一侧1211′到第二侧1212′的方向上延伸贯通，可以理解，还可以有其他的设置方式。冷却通道p′的中心，即各子螺旋曲折通道p1′的中心，作为进口槽s1′，在第一板121′的第二侧1212′上还形成有出口槽s2′，出口槽s2′连通冷却出口out′和各个子螺旋曲折通道p1′，使得从冷却进口in′进入的冷却介质从冷却通道p′中心分别进入各个子螺旋曲折通道p1′，再经过出口槽s2′从冷却出口out′出去。冷却出口out′外围设置有周向壁w1′，第二板122′与周向壁w1′面向第二板122′的表面紧密接触，在第一板121′和第二板122′之间形成容腔，使得从冷却进口in′进入的冷却介质只能通过冷却出口out′出去，第二板122′与第一板121′接触的面为平面，曲折状的壁w′的高度和周向壁w1′的高度相同；可以理解，也可以为阶梯面或其他构造，此时曲折状的壁w′的高度和周向壁w1′的高度可能不同，只要使得各个子螺旋曲折通道p1′之间是相互独立的即可。相邻的子螺旋曲折通道p1′中的冷却介质流通方向也可以不同，进一步增加散热效率。第一板121′的中心处还可以设置有突出部1213′，用于整流和增加传热面积，降低中心热点温度。突出部1213′的高度可以高于壁w′和周向壁w1′的高度，并伸入第二板上的冷却进口in′；突出部1213′的形状可以为实心锥体、空心锥体、片状等。

本实施例中，靶材t的制造工艺如下：

s1：将液态的锂金属或其合金浇注到基座层13上形成作用层14，也可以采用蒸镀或溅射等处理，基座层和作用层之间还可以设置极薄的附着层16，附着层16的材料包括cu、al、mg或zn中的至少一种，同样可采用蒸镀或溅射等处理，提高基座层与作用层的附着性；

s2：将基座层13与散热层12进行hip(hotisostaticpressing：热等静压)处理或其他工艺进行连接；

s3：抗氧化层15同时进行hip处理或通过其他工艺将基座层13封闭形成一个容腔和/或将作用层14包围。

上述步骤s1、s2、s3不分先后，如可以先将抗氧化层15与基座层13进行hip处理或通过其他工艺将基座层13封闭形成一个容腔，再将液态的锂金属或其合金浇注到该容腔内形成作用层14。散热层也可以至少部分与基座层采用相同的材料或一体构造，如采用ta或ta-w合金制成的第一板同时作为散热层12和基座层13，此时第二板可以采用与第一板相同的材料或仍然采用cu制成，步骤s2可以取消，作用层14通过浇注、蒸镀或溅射等工艺与第一板连接即可。

本实施例中，靶材t整体呈圆板状；可以理解，靶材t还可以为矩形板状；靶材t也可以为其他固体形状；靶材t还可以相对加速器或射束整形体是可运动的，以方便换靶或使粒子线与靶材均匀作用。作用层14也可以使用液状物(液体金属)。

可以理解，本发明的靶还可以应用于其他医疗和非医疗领域的中子产生装置，只要其中子的产生是基于粒子线与靶材的核反应，则靶材的材料也基于不同的核反应有所区别；还可以应用于其他粒子线产生装置。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，都在本发明要求保护的范围之内。