用于离子束靶衬底的表面修饰的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请涉及2016年5月5日提交的申请号为15/147,565的美国专利申请，其全部公开内容通过引用并入本文。

本公开总体上涉及可用于硼中子俘获疗法的中子发生靶的设计和制造方法。

背景技术：

中子源具有许多潜在应用，包括医疗、同位素生产、爆炸/可裂变材料的检测、贵金属矿石的测定、成像等等。感兴趣的特定领域是硼中子俘获疗法(bnct)，这是一种癌症治疗技术，其中硼优先集中在患者的恶性肿瘤中，然后中子束在含硼的肿瘤处穿过患者。当硼原子俘获中子时，就会产生具有足够能量的粒子，从而严重破坏肿瘤所在的组织。该作用高度局域化，并因此该技术可用作高度选择性的癌症治疗方法，仅作用于特异性靶向的细胞。

目前，许多利用中子源的活动是在中子很多的核研究反应堆上进行的。但是，许多实际问题(例如安全性、核材料处理以及许多研究反应堆的寿命即将终止和退役)使该方法具有挑战性。基于加速器的中子源可以用作相对低成本、紧凑的替代方案。例如，可以使用较小的、相对便宜的线性加速器来对离子(例如质子)进行加速，然后将其聚焦在能够产生中子的靶上。

技术实现要素：

本发明涉及一种制造中子发生靶的方法。该方法可以包括对靶衬底的表面进行修饰以形成一个或多个表面特征。该方法还可以包括在靶衬底的表面上设置中子源层。

在一些实施方式中，该方法可以包括材料去除过程或材料添加(增材)过程。材料去除过程可以包括喷砂、蚀刻或抛光。材料添加过程可以包括真空沉积、镀覆或印刷。

在一些实施方式中，靶衬底可以包括铜、铝，钛、钼或不锈钢中的至少一者。中子源层可以包括锂、铍或碳中的至少一者。

在一些实施方式中，可以将中子源层压制在靶衬底的表面上。在一些实施方式中，可以通过蒸发将中子源层沉积在靶衬底的表面上。

在一些实施方式中，该方法可以包括将中子源层和靶衬底加热至一高温并保持一持续时间，以在中子源层和靶衬底之间形成结合。在一些实施方式中，所述高温可以在介于约100摄氏度至约500摄氏度之间。在一些实施方式中，所述持续时间可以在介于约0.1小时与10小时之间。

在一些实施方式中，该方法还可以包括对中子源层的顶表面进行修饰以形成一个或多个表面特征。

本公开还涉及一种中子发生靶。所述靶可以包括具有不平坦表面的靶衬底。所述不平坦表面可包括一个或多个表面特征。所述靶还可以包括中子源层，该中子源层设置在靶衬底的表面上并结合至该靶衬底。

在一些实施方式中，所述一个或多个表面特征可以凹进靶衬底中。所述一个或多个表面特征的深度可介于约1微米至约50微米之间。

在一些实施方式中，所述一个或多个表面特征可以从靶衬底突出。所述一个或多个表面特征的高度可以介于约1微米至约50微米之间。

在一些实施方式中，所述一个或多个表面特征可包括平均间距介于约1微米与约50微米之间的多个表面特征。

在一些实施方式中，靶衬底可以包括铜、铝、钛、钼或不锈钢中的至少一者。中子源层可以包括锂、铍或碳中的至少一者。

在一些实施方式中，中子源层的厚度可以介于约10微米至约500微米之间。

附图说明

下面描述本公开的具体实施方式并在图1至图5中示出。这些实施方式仅通过示例的方式呈现。许多修改和其他实施方式在本领域普通技术人员的认知范围内，并且被认为落入本公开的范围内。另外，本领域技术人员应该理解，特定条件和配置是示例性的，并且实际条件和配置将取决于具体的系统。本领域技术人员将仅使用常规实验就能够识别和验证所示特定元件的等同物。

图1a是根据本公开的一些实施方式的适用于硼中子俘获疗法(bnct)的设备的框图。

图1b是根据本公开的一些实施方式的盘形的可旋转结构的平面图。

图1c是示出对应于图1b的线a-a'的图1b的可旋转结构的截面图。

图1d是根据本公开的一些实施方式的用作硼中子俘获疗法(bnct)的一部分的使用期间的图1b的可旋转结构的图示。

图2a至图2b是根据本公开的一些实施方式的中子发生靶的截面图。

图3是根据本公开的一些实施方式的用于制造中子发生靶的方法的流程图。

图4是根据本公开的一些实施方式的用于制造中子发生靶的方法的流程图。

图5是根据本公开的一些实施方式的bnct系统的截面示意图。

具体实施方式

本发明涉及可用于硼中子俘获疗法(bnct)的中子发生靶的设计和制造方法。

bnct是一种用于癌症治疗的靶向放射疗法，在癌症治疗期间，患者会被注入富含硼的溶液(例如果糖bpa)。然后硼被癌细胞选择性地例如在肿瘤部位吸收。例如，由锂中子源产生的中子通过核反应与硼相互作用：¹⁰b+nth→[¹¹b]*→α+⁷li+2.31mev。通过用在肿瘤部位附近热化的超热中子通量照射患者的肿瘤部位，癌细胞被α粒子和锂离子杀死。释放的α粒子和锂离子具有非常短的射程，例如约5-9微米，因此该射程的尺寸类似于癌细胞。

bnct治疗需要高通量的超热中子，通常介于1ev和10kev之间。临床治疗所需的通量约为1×10⁹n/cm²/s。从历史上看，bnct治疗是在核研究反应堆设施处进行的，但是，基于加速器的中子源对于在医院环境中广泛实施的治疗是首选的。

为了使用加速器产生适当水平的中子通量，已经提出了几种核反应。最有希望的反应之一是⁷li(p，n)→⁷be反应。该反应具有高的中子产率并产生中等能量的中子，这两种条件对于许多应用而言都是期望的。通过该反应产生的中子通量对于bnct是合乎需要的，例如因为该通量可以容易地调制为没有太多高能量的中子的超热中子。为了用基于加速器的中子源完成该反应，将承载有源材料(例如锂)的靶呈现给由质子加速器产生的质子束。中子从源材料中发射出来，并且该中子可以通过束整形组件进行调制和准直以形成所需的用于治疗的中子“束”。质子束的尺寸可以与束整形组件的出口处的中子束的尺寸相当或比其更小。例如，质子束的尺寸可以介于约20mm至约150mm之间。用于bnct的锂p，n反应的一般方法有两种：“接近阈值”，其中质子束能量约为1.9mev；和“高于阈值”，其中质子束能量约为2.5mev。“接近阈值”的方法的优点在于，来自靶的中子能量分布接近用于治疗的超热能分布，因此只需使用最小的调制。“高于阈值”的方法产生了更高的中子能量分布，因此使用更多的调制，但是利用了反应截面中约2.3mev处的大峰，从而导致了更高的中子初始产率。

本公开的实施方式使用直接冷却的模块化的旋转靶架构方法克服了上述的中子发生系统的问题。例如，在一些实施方式中，诸如盘或鼓之类的可旋转结构包括附接到中央轮毂(本文也称为“旋转固定件”)的多个区段化的靶“瓣状件”(本文中也称为“区段”)，其中每个瓣状件都通过自己的专用微通道被直接冷却。可以说多个靶瓣状件共同构成了靶。每个瓣状件可包括衬底和设置在衬底表面上的固态中子源层。一个示例性系统包括位于平面的可旋转结构上的16个瓣状件，每个瓣状件占据所述可旋转结构的圆周的22.5度，其中该可旋转结构的外径(od)约为1米，并且半连续的锂条沿径向方向在瓣状件上沉积0.14米且定中心于0.84米的直径圆。

图1a是根据本公开的一些实施方式的适用于bnct的设备的框图。如图1a所示，可旋转结构102包括多个靶瓣状件或区段104a-104d，并且所述多个区段104a-104d中的每个区段具有耦接到对应的中子源层108a-108d的对应的衬底106a-106d。一个或多个中子源层108a-108d可以包括固态锂。所述衬底106a-106d中的一个或多个包括相应的冷却剂通道(110a-110d)，例如微通道，所述冷却剂通道用于主动冷却相关联的衬底和/或中子源层(例如，将中子源层108a-108d维持在固体状态)。区段104a-104d可选地耦接至旋转固定件112，该旋转固定件112具有用于引导冷却剂流体的入口112a和出口112b。区段104a-104d可以通过以下项中的一种或多种而耦接到旋转固定件112：螺钉、螺栓、快速拆卸配件、夹具和/或类似物。冷却剂流体可包括以下一种或多种：水(例如，去离子水，其提供比油更高的热容量和导热性，并且与城市用水相比具有较低的腐蚀性)、乙二醇、乙二醇/水混合物、传热油(例如，以避免在失效期间可能发生的水/锂相互作用)、“镓铟锡合金(galinstan)”(商业液态镓/铟/锡混合物)、液氮和/或其他冷却剂。旋转固定件112可被构造成经由诸如旋转的水密封件和/或旋转的真空密封件之类的耦接件而耦接至外部主轴组件和/或驱动马达。当区段104a-104d连接到旋转固定件112时，冷却剂通道110a-110d可以与旋转固定件112的入口112a和出口112b以密封的方式流体连通。图1a还描绘了质子束发生器113和质子束113a。

区段104a-104d的每个区段可以具有以下形状中的一者：环形的一部分、饼形或“扇形”(定义为由圆或椭圆的两个半径以及半径之间的弧所包围的平面图形)、截断的扇形(即扇形的一部分)、正方形和矩形。

中子源层108a-108d可以包括固态形式的锂、铍或其他合适的中子源，并且该中子源层的厚度足以产生所需的中子通量，例如对于锂为至少约10μm，或至少约90μm(例如，约400μm)、或介于约10μm与约200μm之间、或介于约90μm与约150μm之间。

中子源层108a-108d可以通过热结合而粘附到区段104a-104d的衬底106a-106d上。例如，在一些实施方式中，所述衬底106a-106d中的一个或多个包括铜，并且锂中子源层108a-108d通过压力和温度方法而结合到一个或多个铜衬底106a-106d。由于锂是一种活泼金属，它可以与铜形成混合物(汞齐)。当正确地结合时，在铜和锂之间形成低的热阻。在一个或多个中子源层108a-108d的这种厚度下，在使用期间，质子沉积在锂中，这与位于锂之下的铜相反。在某些情况下，直至1×10¹⁹离子/cm²的剂量，中子产率均没有下降，并且可以预期1×10²⁰离子/cm²以及更高的剂量是可能的。中子源层108a-108d在辐照期间可以变化，例如变得更脆和/或颜色不同，但是只要它保持完整并产生相同或几乎相同的中子产率，就适合使用。

替代地或另外地，中子源层108a-108d可以以例如约100微米的薄层被蒸发到衬底106a-106d上。这样的设计中也可以包括非常薄的、抗起泡的中间层(如上所述，在固定靶中已经完成)。基底的瓣状件或衬底可由铜或铝制成。甚至可以使用诸如不锈钢、钛和钼之类的材料，因为所分布的热功率远低于固定的情况。

图1b是根据一些实施方式的盘形的可旋转结构的平面图。如图所示，可旋转结构102具有中央轮毂部分“h”，有多个区段104附接到该中央轮毂部分“h”并且从该该中央轮毂部分散发开。每个区段104包括具有主表面的相应中子源层，该主表面可以例如基本上垂直于所述可旋转结构102的旋转轴线。所述旋转轴线可以被定义为穿过轮毂“h”的中心并且基本垂直于该轮毂的轴线。图1c是示出图1b的可旋转结构的对应于图1b的线a-a'的截面图。如图1c所示，中子源层108设置在具有嵌入式冷却剂通道110的衬底106上。

图1d是根据一些实施方式的用作硼中子俘获疗法(bnct)的一部分的使用期间的图1b的可旋转结构的图。如图所示，所述可旋转结构102绕其旋转轴线旋转，并且质子束发生器113向可旋转结构102发射质子束113，使得质子束113a接触可旋转结构102的表面，例如在区段104的中子源层处接触可旋转结构102的表面。质子束113a(例如，在预定位置处)可以是静止的、或在可旋转结构102的预定区域上光栅化，其中该预定区域可以是固定的或可以随时间变化。质子束113a可以与可旋转结构102的接触表面形成角度，例如约90度。由于可旋转结构102正在旋转，因此可旋转结构102的区段104可顺序地与质子束113a接触。由于质子束113a与一个或多个区段104的中子源层的相互作用，产生中子束113b，并将中子束113b(例如，经由准直仪或其他的束整形结构)引向患者p的治疗区域。

现有技术中的中子发生靶的一种主要失效模式是在该靶中引入氢。沉积在靶中的氢可能会损坏靶材料，引起靶的起泡，限制靶的使用寿命，并且在失效之前必须对靶进行维修。起泡是由于内部的氢压力超过靶材料的强度而导致的靶内材料损坏(例如分层、剥落、冒泡等)。当质子束撞击该靶时，质子停止的深度取决于质子和中子源材料的能量。例如，在具有结合到铜衬底上的厚的锂中子源层(约400μm)的靶中，2.6mev的质子束可以停止在锂层中。相反，如果使用较薄的锂中子源层(介于约100μm至约200μm之间)，则质子束可以停止在铜层中。当氢的集中度达到使内部压力超过材料强度的点时，可能会起泡。起泡可发生在锂层中或铜层中。

本公开提供了一种靶设计，其显着减少了靶起泡失效。在本领域中使用的靶中，靶衬底的表面基本上是平坦的，并且中子源材料结合在靶衬底的顶表面上。具有相似能量的质子将停在靶中的相同深度处。结果，氢浓度在该深度处可能变高并导致靶损坏。

本公开示出了其中靶衬底的表面被修饰的不同的靶设计。在一些实施方式中，靶衬底可以是铜、铝、钛、不锈钢或其他金属。表面修饰的目的是增加靶衬底的粗糙度。

在一些实施方式中，可以通过材料去除过程来修饰靶衬底。例如，可以用喷砂处理对衬底进行修饰。可以根据粗糙度要求和衬底材料而使用不同的喷砂介质。在一些实施方式中，喷砂介质可以是沙子、二氧化硅、金属弹丸等。衬底也可以通过蚀刻或抛光来进行修饰。

在一些实施方式中，还可以通过材料添加过程(增材过程)来修饰靶衬底。例如，可以通过真空沉积、镀覆、印刷或其他技术将薄的材料层添加到靶衬底表面。在一些实施方式中，待添加的材料可以是铜、铝、钛、不锈钢或其他金属。

在衬底表面上产生的粗糙度或特征可以是周期性的或非周期性的。在一些实施方式中，特征的平均间距可以在约1μm与约10μm之间。特征的深度/高度可以在约5μm至约20μm之间。图2a至图2b示出了根据本公开的一些实施方式的靶的截面图。如图2a所示，可以将靶衬底202修饰成具有固定间距的周期性表面特征。如图2b所示，可以将靶衬底205修饰成具有非周期性的表面特征。表面特征的平均间距可以在1μm至10μm之间。表面特征的高度可以在5μm至20μm之间。

在所述表面被修饰后，可以彻底清洁所述靶衬底以清除所有碎屑。然后，可将中子源层设置在靶衬底上。中子源层可以是取决于不同的中子发生反应的锂、铍、石墨(碳)或其他材料。可通过压制、蒸发或其他方法将中子源层设置在靶衬底表面上，以确保中子源层与靶衬底表面紧密接触。例如，可以将锂压制在衬底上。在一些实施方式中，对于具有介于约2mev至约3mev之间的质子能量的中子发生反应，锂层的厚度可以为约100μm至约200μm。

接下来，可以将靶衬底和中子源层的组件加热到高温。可以用热板、热室或其他可以提供加热功率的设备进行加热。为了保持中子源层的纯度并避免任何不希望的反应，可以在惰性环境中进行加热，例如在充满氩气的工作箱中进行加热。加热温度和持续时间可以根据衬底材料和中子源材料而不同。例如，对于在铜衬底上带有锂的靶，在200℃下加热4小时可以在锂和铜之间形成良好的热结合和机械结合。锂可与铜形成混合物(汞齐)，得到低热阻。在一些实施方式中，加热过程可能不是必需的。例如，如果通过蒸发将锂中子源层沉积在靶衬底上，则可以跳过加热，因为在沉积期间形成的锂与靶衬底之间的结合很好。

参照图2a，中子源层203可以设置在靶衬底202的表面上。可以将整个靶组件201加热到高温以在中子源层203和靶衬底202之间形成良好的结合。参照图2b，则可以将中子源层206设置在靶衬底205的表面上，并且可以将整个靶组件204加热到高温以在中子源层206和靶衬底205之间形成良好的结合。

本文描述的具有衬底表面修饰的靶设计相对于现有技术中现有设计的优点在于：由于衬底的粗糙度，质子不会均匀地停在靶中。从而，氢将不会集中在相同的深度处。这种设计可以减少靶的起泡和材料剥落。

图3示出了描述根据本公开的一些实施方式的中子发生靶的制造方法300的流程图。所述方法300开始于步骤301，其中可以通过材料去除过程或材料添加过程来修饰靶衬底的表面。在一些实施方式中，材料去除过程可以包括喷砂、蚀刻或抛光。在一些实施方式中，材料添加过程可以包括真空沉积、镀覆或印刷。在步骤302中，可通过压制、蒸发或其他技术将中子源层设置在靶衬底的表面上。然后在步骤303中，可以将中子源层和靶衬底的整个组件加热到高温并持续一段时间，以形成良好的热结合和机械结合。

图4示出了描述根据本公开的一些实施方式的中子发生靶的制造方法400的流程图。所述方法400从步骤401开始，其中可以将中子源层设置在靶衬底上。在一些实施方式中，可将中子源层压制在靶衬底上。在一些实施方式中，可将中子源层通过蒸发而沉积在靶衬底上。在步骤402中，中子源层可以结合到靶衬底。例如，如果将中子源层压制在靶衬底上，则可以将中子源层和靶衬底加热到高温并持续一段时间以形成结合。如果中子源层是通过蒸发而沉积的，则可以跳过加热程序。在步骤403中，可以修饰中子源层的顶表面以形成一个或多个表面特征。在一些实施方式中，修饰可以是材料去除过程，其可以包括喷砂、蚀刻或抛光。在一些实施方式中，修饰可以是材料添加过程，其可以包括真空沉积、镀覆或印刷。所述方法400可以在中子源层表面上产生粗糙度，这可以导致质子的停止深度的变化，从而可以降低氢的集中度。从而可以防止靶起泡。

上面描述的用于⁷li(p，n)→⁷be的方法和系统可以扩展到使用其他中子发生材料的其他中子发生反应。除了对锂使用1.9mev的质子束的“接近阈值”方法和使用2.5mev的质子束的“高于阈值”方法外，针对bnct提出的其他反应还包括：⁹be(p，n)，使用4mev的质子束；⁹be(d，n)，使用1.5mev的氘束；和¹³c(d，n)，使用1.5mev的氘束。为了利用这些反应，可以将固态的铍片代替锂而热结合到瓣状件上，并用4mev的质子或1.5mev的氘轰击。另外，可以用石墨或碳的薄片代替锂以使用¹³c(d，n)反应来产生中子。

本发明的bnct系统和方法的实施方式的总体示意图在图5中示出。例如，参照未按比例绘制的图5，bnct系统500包括中子发生系统550以及患者定位和治疗系统580。中子发生系统550包括质子束发生器510和中子源靶520，其设置在可旋转结构(未示出)上。可以使用本公开和上面描述的任何的可旋转结构。质子束发生器510可以相对于中子源靶520设置在各种不同的位置，这取决于例如质子束发生器510和中子源靶520所放置的设施的尺寸和设计。可以使用各种已知的弯曲或聚焦磁体将所产生的质子束引导到靶。

由质子束发生器510产生的质子束590穿过束传输系统515(该束传输系统515可以包括例如各种类型的聚焦磁体)并与中子源靶520反应从而产生中子，所述中子通常根据它们的能量而生成在所述源周围的多个方向上——高能量的中子会从所述靶向前移动，而低能量的中子会垂直于所述源或从所述源散射回来。为了产生具有用于bnct治疗的所需能量和方向的中子束570，中子发生系统550还包括反射器526、束减速器591和束准直器592。可以使用本领域中已知的任何中子束反射器、减速器或束准直器/定界器，并且可以根据需要将每个中子束反射器、减速器或束准直器/定界器定位在靶周围，以便俘获具有期望能量范围的中子。例如，反射器526可以定位成靠近靶的侧面和后面(如图5所示)，并且可以包括本领域已知的对中子相对不吸收的任何材料，例如高原子序数的材料(包括铅、铋或氧化铝)或碳质材料(包括石墨)。这样，低能量的散射回的中子被反射回到系统中，从而对周围的组件以及患者599进行保护或屏蔽。减速器591(也包括对中子相对不吸收的材料)可以俘获前向的、相对较高能量的中子，以便将其能量降低到所需的超热范围。以这种方式，例如，具有约500kev的初始能量的中子可以被减小到从约1ev到约10kev的最终能量，这是bnct治疗所期望的范围。合适的减速器材料是本领域已知的，并且包括例如d2o、mgf、lif、alf3、al、teflon(特氟龙)及其混合物。最终，如图所示，束准直器592可以定位在减速器591之后，以产生所需的中子束并将其聚焦到患者599体内的靶598上。

参照图5，bnct系统500还包括患者定位和治疗系统580，其包括用于将中子束输送至患者的设备和控制器。例如，使用硼输送系统和方案，在该硼输送系统和方案中，将选定的含硼的治疗剂以规定剂量输送给患者599以产生靶598。控制系统用于精确地定位所述靶，使所述靶与预期的中子束路径重合，并且这种控制系统对于本领域技术人员而言是已知的。还可以根据需要使用在本领域中也是众所周知的其他设备和组件。

如本文所用，术语“约”和“近似”通常是指所述值的正负10％，例如，约250的值将包括225至275，而约1000将包括900至1100。

为了说明和描述的目的，已经给出了本公开的优选实施方式的前述描述。并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，修改和变化是可能的，或者可以从本发明的实践中获得。本文提出的实施方式的选择和描述是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够以各种实施方式和适于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。本发明的范围旨在由所附的权利要求书及其等同物来限定。