МИШЕНЬ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2018 года по МПК H05H6/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение относится к мишени для генерации нейтронов. Более конкретно, изобретение относится к мишени для генерации нейтронов, которая включает в себя палладиевый слой и литиевый слой на подложке и генерирует нейтроны при облучении протонами литиевого слоя, а также имеет превосходную долговечность и способна сохранять способность к генерации нейтронов в течение длительного периода времени.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] С недавних пор в качестве новых методов лечения рака возлагаются надежды на практические варианты применения методов лечения с использованием нейтронов. Типичным примером такого метода является бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ). Этот метод лечения имеет преимущество в том, что борсодержащий лекарственный препарат, имеющий реакционную способность в отношении нейтронов (тепловых нейтронов), предварительно вводят в раковые клетки и облучают нейтронами пораженную зону, в результате чего могут быть избирательно убиты только раковые клетки, тогда как повреждение здоровых клеток предотвращается.

[0003] В нейтронозахватной терапии используют нейтроны, как было описано выше, и поэтому лечебное оборудование, как правило, размещают при ядерной реакторной установке. Однако ядерные реакторные установки отличаются от медицинских учреждений и тем самым неудобны в отношении ухода за пациентом и т.д., что стало препятствием для широкого распространения.

[0004] Как следствие, были проведены исследования в области генераторов нейтронов, которые позволяют генерировать/использовать нейтроны, не основываясь на ядерных реакторах. Такой нейтронный генератор главным образом включает в себя ускоритель и мишень, которая генерирует нейтроны в ответ на облучение заряженными частицами, такими как протоны, генерируемые благодаря ускорителю.

[0005] Мишень для генерации нейтронов в нейтронном генераторе включает в себя литиевый или подобный металлический слой в качестве источника для генерации нейтронов. Литиевый слой бомбардируют высокоэнергетическими заряженными частицами, в результате чего протекает реакция ядерного распада с испусканием нейтронов. В качестве мишеней для генерации нейтронов известны пластинчатые мишени и конические мишени, как описано в Патентном Документе 1. Мишень для генерации нейтронов согласно Патентному Документу 1 сформирована с конической формой, имеющей угол, рассчитанный для эффективной эмиссии нейтронов, генерируемых облучением заряженными частицами.

[0006] Фиг. 1 показывает приведенную в сечении структуру мишени для генерации нейтронов. Мишень для генерации нейтронов выполнена так, что подложка покрыта литиевым слоем, который представляет собой облучаемую протонами поверхность. Подложку часто изготавливают из меди. На оборотной стороне подложки, принимая во внимание выделение тепла вследствие реакции ядерного распада и температуру плавления лития (180°С), формируют водоохлаждаемый канал (не иллюстрирован) для охлаждения во время работы.

[0007] Кроме того, между литиевым слоем и подложкой сформирован палладиевый слой. Этот палладиевый слой предназначен для предотвращения того, чтобы протоны, которые попадают на литиевый слой и проходят через него, достигали меди (подложки). Это обусловливается тем, что, когда палладиевого слоя нет, водород, который проходит через литиевый слой, достигает медной подложки и вследствие низкой растворимости водорода в меди превращается в газообразный водород, который вызывает образование пузырей на поверхности медной подложки, приводя к отслоению на поверхности меди. Таким образом, палладиевый слой, способный удерживать/выделять водород, предусматривается для того, чтобы аккумулировать водород вне литиевого слоя, выделять абсорбированный водород из его конца и предотвращать доступ водорода к медной подложке.

ДОКУМЕНТ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0008] Патентный Документ 1: US 2010/0067640 А1

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, которые должны быть решены посредством изобретения

[0009] Мишень для генерации нейтронов, имеющая трехслойную структуру из подложки/палладиевого слоя/литиевого слоя, не имеет какой-либо проблемы в отношении ее основной функции. Однако согласно изобретению, когда такую традиционную мишень для генерации нейтронов, как описанная выше, эксплуатируют длительное время, ее способность генерировать нейтроны может снижаться или может происходить отделение литиевого слоя.

[0010] Изобретение было выполнено с учетом указанных выше обстоятельств и представляет мишень для генерации нейтронов, включающую в себя литиевый слой, технические характеристики которой не ухудшаются независимо от долговременной работы и в которой отделение литиевого слоя может быть предотвращено в большей степени, чем раньше.

СРЕДСТВА РАЗРЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

[0011] Для разрешения описанных выше проблем, во-первых, были изучены факторы деградации технических характеристик традиционных мишеней для генерации нейтронов, имеющих трехслойную структуру из подложки/палладиевого слоя/литиевого слоя. Затем, в качестве такого фактора было обнаружено влияние образования сплава на границе раздела между литиевым слоем и палладиевым слоем.

[0012] В ходе облучения протонами для генерации нейтронов температура поверхности мишени может достигать от около 100 до 140°С. Эта температура поверхности мишени обычно не является достаточно высокой для образования сплава между различными металлами или из них. Однако в диаграмме состояния системы «литий-палладий» существует область, в которой формируется эвтектический сплав при температуре эвтектики 145°С. Поэтому при объединении лития и палладия может образовываться эвтектический сплав.

[0013] Поскольку литий-палладиевый эвтектический сплав, который является гетерофазным, препятствует тому, чтобы поступивший в литий водород достигал палладиевого слоя, он ухудшает функцию палладиевого слоя и снижает способность мишени генерировать нейтроны. Кроме того, гетерофазное состояние уменьшает адгезионную прочность между палладиевым слоем и литиевым слоем. Палладиевый слой претерпевает изменения размеров, то есть он расширяется во время поглощения водорода и сокращается во время выделения водорода, и такое снижение адгезионной прочности обусловливает отслоение во время изменений размеров в палладиевом слое.

[0014] Из этих соображений следует, что для сохранения производительности мишени и предотвращения отслоения необходимо подавлять образование эвтектического сплава на границе поверхности между литиевым слоем и палладиевым слоем. В результате дополнительного исследования было обнаружено, что во избежание непосредственного контакта между литиевым слоем и палладиевым слоем является предпочтительным обеспечить заранее заданный барьерный слой между упомянутыми двумя слоями, и была достигнута цель изобретения.

[0015] Более конкретно, изобретение представляет собой мишень для генерации нейтронов, включающую в себя подложку, покрытую палладиевым слоем и литиевым слоем так, что поверхность литиевого слоя облучается заряженными частицами для генерирования нейтронов, и мишень дополнительно включает в себя между палладиевым слоем и литиевым слоем барьерный слой, выполненный из металла, который не образует эвтектический сплав ни с палладием, ни с литием.

[0016] Далее будет более подробно описан каждый элемент изобретения. Поскольку мишень для генерации нейтронов согласно изобретению имеет четырехслойную структуру, включающую в себя подложку, палладиевый слой, барьерный слой и литиевый слой, то будет детально описан каждый элемент.

[0017] Подложку предпочтительно изготавливают из меди, как и ранее. Как было описано выше, хотя температура поверхности мишени в результате облучения протонами является относительно низкой, мишень необходимо охлаждать. Медь имеет высокую теплопроводность и тем самым представляет собой металл, пригодный в качестве водоохлаждаемой подложки. Ее обрабатываемость также является превосходной.

[0018] Также применимым является такой же палладиевый слой, как ранее. Как правило, палладиевый слой формируют на подложке способом образования тонкой пленки, таким как металлизация или напыление. Толщина палладиевого слоя предпочтительно составляет от 20 до 100 мкм. Когда толщина составляет менее 20 мкм, водород не может быть в достаточной мере абсорбирован из литиевого слоя. Когда толщина превышает 100 мкм, снижается эффект водяного охлаждения медной подложки.

[0019] На палладиевом слое формируют барьерный слой, который является признаком изобретения. В качестве составляющего барьерный слой материала предпочтителен металл, выбранный из меди, железа, кобальта, никеля, титана и циркония или сплава, содержащего любой из этих металлов. Барьерный слой контактирует как с палладиевым слоем, так и с литиевым слоем. Поэтому не может быть использован материал, который образует фазу сплава с этими металлами при температуре поверхности во время работы мишени (от около 100 до 140°С). В этом температурном диапазоне металлы не формируют фазу сплава ни с палладием, ни с литием. Кроме того, железо, титан и цирконий по сравнению с другими металлами имеют относительно высокую способность растворять водород и поэтому являются преимущественными в том отношении, что не происходит образование пузырей в самом барьерном слое.

[0020] Что касается толщины барьерного слоя, необходимо учитывать его функционирование и влияние водорода, который поступает в литиевый слой. То есть, когда барьерный слой тонок, атомная диффузия между палладиевым слоем и литиевым слоем не может быть подавлена, что создает возможность образования фазы сплава. Между тем, хотя составляющие барьерный слой металлы имеют относительно высокую способность растворять водород по сравнению с другими металлами, растворимость водорода в них часто является более низкой сравнительно с палладием. Поэтому, когда барьерный слой является чрезмерно толстым, водород накапливается в барьерном слое и преобразуется в газ, вызывая образование пузырей. Из вышеуказанных соображений следует, что толщина барьерного слоя предпочтительно варьирует в диапазоне от 0,5 до 5 мкм.

[0021] В качестве литиевого слоя, служащего функциональной поверхностью мишени для генерации нейтронов, применимы такие же слои, как ранее. Толщина литиевого слоя предпочтительно составляет от 20 до 200 мкм.

[0022] Форма мишени для генерации нейтронов согласно изобретению не является ограниченной. Может быть выбрана форма, оптимизированная для состояния падения заряженных частиц, например пластинчатая форма (дискообразная форма), коническая форма и цилиндрическая форма.

[0023] В способе изготовления мишени для генерации нейтронов согласно изобретению подложку заранее заданной формы покрывают палладиевым слоем, барьерным слоем и литиевым слоем. В качестве способа формирования каждого слоя покрытия применяют плакирование, напыление, осаждение из паровой фазы, термическое напыление или тому подобные. В частности, для палладиевого слоя предпочтительным является плакирование, а для барьерного слоя плакирование предпочтительно в случае меди, железа, кобальта и никеля, тогда как для титана и циркония предпочтительно холодное газодинамическое напыление. Кроме того, для литиевого слоя главным образом используют осаждение.

[0024] Палладиевый слой, барьерный слой и литиевый слой могут быть сформированы последовательно в непрерывном режиме. Кроме того, для беспрепятственного формирования литиевого слоя сообразно простоте обращения с литием или устройством до применения устройства может быть приготовлена конструкция, не имеющая литиевого слоя, а затем сформирован литиевый слой. Конструкция включает в себя подложку, образованный на подложке палладиевый слой и барьерный слой, сформированный на палладиевом слое (выполненный из металла, который не образует эвтектический сплав ни с палладием, ни с литием, такого как медь, железо, никель, кобальт, титан или цирконий, как было описано выше).

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Как было описано выше, в мишени для генерации нейтронов согласно изобретению барьерный слой, обеспеченный между литиевым слоем и палладиевым слоем, подавляет образование литий-палладиевого эвтектического сплава, благодаря чему может быть предотвращено снижение эффективности генерации нейтронов и обусловленное эвтектическим сплавом отделение литиевого слоя. Изобретение позволяет сохранять эффективность и долговечность мишени для генерации нейтронов и служит основой ее долговременной работы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0026] Фиг. 1 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую приведенную в сечении структуру традиционной мишени для генерации нейтронов.

Фиг. 2 представляет фотографию поперечного сечения модельного образца из сравнительного примера после нагревания при температуре 140°С.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0027] Далее будут описаны варианты осуществления изобретения. В этом варианте исполнения, во-первых, были изготовлены модельные образцы, имеющие металлические слои разнообразных типов в качестве барьерных слоев между литием и палладием, и испытаны эффекты барьерных слоев.

[0028] Для каждого образца на палладиевой пластине (размер: 20 мм×20 мм, толщина 2 мм) в качестве барьерного слоя формировали металлическую пленку из меди, железа, никеля, кобальта, титана или циркония посредством плакирования, напыления или сварки давлением и на пленку посредством ковочной сварки при комнатной температуре наносили литий с размерами 5 мм×5 мм, толщиной 2 мм. Затем образец нагревали при температуре 100°С и 140°С в течение 1,5 ч и 5 ч в атмосфере аргона. После нагревания образец погрузили в воду для растворения и удаления лития, а затем исследовали состояние поверхности образца. Когда в это время на поверхности образца обнаруживалось изменение цвета, образцы, в которых происходило образование эвтектического сплава, оценивали как «×». Результаты испытаний показаны в Таблице 1.

[0029] [Таблица 1]

ТАБЛИЦА 1 Структура образца Способ формирования пленки Толщина барьерного слоя (мкм) Образование эвтектического сплава 100°С 140°С 1,5 часа 5 часов 1,5 часа 5 часов Пример 1 Li/Cu/Pd Плакирование 4,8 О О О О Пример 2 Li/Fe/Pd Сварка давлением 4,6 О О О О Пример 3 Li/Ni/Pd Плакирование 1,0 О О О О Пример 4 Li/Co/Pd Напыление 0,6 О О О О Пример 5 Li/Ti/Pd Сварка давлением 4,8 О О О О Пример 6 Li/Zr/Pd Напыление 0,6 О О О О Сравнительный пример Li/Pd
(без барьерного слоя) - - × × × ×

О: результаты, подтверждающие образование эвтектического сплава не наблюдались.

×: наблюдались результаты, подтверждающие образование эвтектического сплава (почернение)

[0030] Как показано в Таблице 1, в образцах, имеющих разнообразные металлы, такие как медь, введенные в качестве барьерных слоев между литием и палладием, результаты, подтверждающие образование эвтектического сплава на поверхности (поверхности барьерного слоя) не наблюдались даже после нагревания при температуре 140°С. Между тем, в образцах, не имеющих барьерного слоя (сравнительный пример), наблюдалось изменение цвета до черного на поверхности (поверхности палладия). По-видимому, это может быть отнесено на счет формирования эвтектического сплава из лития и палладия. Это изменение цвета также наблюдалось при температуре 100°С, но цвет был более светлым, чем когда нагревание проводили при температуре 140°С. По-видимому, хотя температура нагревания в 100°С является более низкой, чем температура эвтектики, эвтектический сплав был сформирован в небольшой степени.

[0031] Фиг. 2 показывает фотографию поперечного сечения образца из сравнительного примера после нагревания при температуре 140°С. Между литиевым слоем и палладиевым слоем образуется фаза, которая предполагается эвтектическим сплавом. На основе вышеизложенного было подтверждено, что, когда контакт между литием и палладием прерывается барьерным слоем, образование эвтектического сплава может быть предотвращено.

[0032] ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Здесь для подтверждения эффективности формирования барьерного слоя изготовили мишень для генерации нейтронов, имеющую форму и размеры для фактической работы. Приготовили дискообразную медную подложку с диаметром Ø 135 мм×8 мм толщины. На всей поверхности посредством плакирования сформировали палладиевый слой, а в центральной области подложки с диаметром Ø 73 мм посредством плакирования сформировали медный слой в качестве барьерного слоя. Кроме того, в центральной области подложки с диаметром Ø 60 мм осаждением из паровой фазы сформировали литиевый слой. Толщина каждого слоя была следующей: палладиевый слой: 20 мкм, барьерный слой (медь): 3 мкм, литиевый слой 100 мкм.

[0033] Эту мишень для генерации нейтронов облучали протонным пучком в качестве заряженных частиц для генерации нейтронов. В качестве ускорителя протонного пучка применяли электростатический ускоритель, а мишень облучали протонным пучком, имеющим значение энергии 2,5 МэВ, в течение 3 ч при плотности тока 63%. Дозу нейтронов, генерированных во время облучения, измеряли пропорциональным счетчиком, и ослабление дозы нейтронного излучения не наблюдалось. Затем, после завершения облучения, обследовали состояние поверхности мишени, и значительного расходования или отслоения лития не было. Соответственно было подтверждено, что мишень для генерации нейтронов согласно изобретению имеет долговечность и стабильность в условиях непрерывного облучения протонным пучком.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0034] Мишень для генерации нейтронов согласно изобретению включает в себя барьерный слой, добавленный между литиевым слоем и палладиевым слоем, чтобы предотвратить формирование литий-палладиевого эвтектического сплава. В изобретении палладий в достаточной мере исполняет свою первоначальную функцию сохранения эффективности генерации нейтронов, и может быть предотвращено отделение литиевого слоя. Мишень для генерации нейтронов согласно изобретению содействует осуществлению нейтронозахватной терапии, такой как бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ), за пределами ядерной реакторной установки, и тем самым является полезной для достижения практического применения нейтронозахватной терапии.

Изобретение относится к мишени для генерации нейтронов. Мишень включает подложку, покрытую палладиевым слоем и литиевым слоем так, что поверхность литиевого слоя облучается заряженными частицами для генерации нейтронов. Кроме того, мишень содержит барьерный слой, выполненный из металла, который не образует эвтектический сплав ни с палладием, ни с литием, расположенный между палладиевым слоем и литиевым слоем. В качестве составляющих барьерный слой металлов предпочтительны медь, железо, никель, кобальт, титан и цирконий. Техническим результатом является сохранение технических характеристик мишени при долговременной работе, а также предотвращение отделения литиевого слоя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мишень для генерации нейтронов, включающая в себя подложку, покрытую палладиевым слоем и литиевым слоем так, что поверхность литиевого слоя облучается заряженными частицами для генерации нейтронов, причем мишень для генерации нейтронов дополнительно включает в себя между палладиевым слоем и литиевым слоем барьерный слой, выполненный из металла, выбранного из меди, железа, никеля, кобальта, титана и циркония, или из сплава, содержащего любой из этих металлов, который не образует эвтектический сплав ни с палладием, ни с литием.

2. Мишень для генерации нейтронов по п. 1, причем барьерный слой имеет толщину от 0,5 до 5 мкм.