ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА, ПРИМЕНЯЕМЫЙ В НЕЙТРОНОЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ Российский патент 2019 года по МПК A61N5/10 

Область техники

Изобретение относится к элементу для формирования пучка, и, в частности, оно относится к элементу для формирования пучка, применяемому в нейтронозахватной терапии.

Предшествующий уровень техники

С развитием атомной науки лучевая терапия с использованием кобальта-60, линейных ускорителей, пучков электронов и т.д. стала одним из основных способов лечения рака. Тем не менее традиционная лучевая терапия с использованием фотонов или электронов ограничена физическими условиями самой радиации и не только уничтожает опухолевые клетки, но и может привести к повреждению большого количества нормальных тканей; кроме того, поскольку опухолевые клетки обладают разной чувствительностью к радиационным лучам, обычная лучевая терапия не подходит в отношении эффективности лечения злокачественных опухолей, обладающих более высокой радиационной стойкостью (например, мультиформной глиобластомы (glioblastoma multiforme), меланомы (melanoma)).

Для того чтобы уменьшить радиационное повреждение нормальных тканей вокруг опухолей, в области лучевой терапии используется концепция целенаправленной терапии в области химиотерапии (chemotherapy); для лечения опухолевых клеток с высокой радиационной стойкостью сегодня также активно разрабатываются источники излучения, обладающие высокой относительной биологической эффективностью (relative biological effectiveness, ОБЭ), например в протонной терапии, терапии с использованием тяжелых частиц, нейтронозахватной терапии и т.д. При этом нейтронозахватная терапия объединяет две вышеуказанные концепции: например, бор-нейтронозахватная терапия позволяет накапливаться борсодержащим препаратам в опухолевых клетках и в сочетании с точным контролем пучка нейтронов обеспечивает лучшие способы лечения рака по сравнению с традиционной лучевой терапией.

Особенность бор-нейтронозахватной терапии (boron neutron capture therapy, БНЗТ) заключается в применении препаратов, содержащих бор (¹⁰B), дающих большее сечение захвата нейтронов; за счет захвата нейтронов ¹⁰B (n,α) ⁷Li и реакции деления атомного ядра возникает два вида тяжелых заряженных частиц ⁴He и ⁷Li. На фиг. 1 и фиг. 2 соответственно показаны схематическое изображение реакции бор-нейтронного захвата и уравнение ядерной реакции при захвате нейтронов ¹⁰B (n,α)⁷, при этом средняя энергия двух видов заряженных частиц составляет приблизительно 2,33 МэВ, они характеризуются высокой линейной передачей энергии (linear energy transfer, ЛПЭ) и малым радиусом действия; линейная передача энергии и радиус действия α-частиц соответственно составляют 150 кэВ/мкм и 8 мкм, а линейная передача энергии и радиус действия тяжелых заряженных частиц ⁷Li соответственно составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм; общий радиус действия двух видов частиц равен величине одной клетки, так что радиационное повреждение живых организмов ограничено клеточным уровнем; если борсодержащие препараты избирательно собраны в опухолевых клетках и выбран подходящий источник нейтронного излучения, то не может иметь места серьезное повреждение нормальных тканей, и достигается основная цель, заключающаяся в том, чтобы локально уничтожить опухолевые клетки.

Поскольку эффективность бор-нейтронозахватной терапии зависит от концентрации борсодержащих препаратов в опухолевых клетках и количества тепловых нейтронов, то она также известна как бинарная терапия рака (binary cancer therapy). Из этого можно сделать вывод, что в дополнение к разработке борсодержащих препаратов огромное значение в исследованиях бор-нейтронозахватной терапии имеет улучшение потока и качества источника нейтронного излучения.

Суть изобретения

Для того чтобы улучшить поток и качество источника нейтронного излучения, в одном аспекте настоящего изобретения предлагается элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, который содержит вход для пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к мишени, отражатель, окружающий замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю, а также защитный экран от излучения и выход для пучка, выполненные в элементе для формирования пучка; при этом мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось; замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; материал замедлителя получен из одного или более смешанных материалов, содержащих PbF₄, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF₂, и смеси материалов, содержащих Li, составляющей 0,1-5% по весу одного или более смешанных материалов, содержащих PbF₄, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF₂, при этом из материала замедлителя в виде порошка или порошковой заготовки с помощью технологии спекания порошков посредством устройства для спекания порошков получен блок; отражатель отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси, обратно к основной оси для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов с целью предотвращения воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани во время терапии; защитный экран от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов с целью уменьшения дозы для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, который содержит вход для пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к мишени, отражатель, окружающий замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю, а также защитный экран от излучения и выход для пучка, выполненные в элементе для формирования пучка; при этом мишень и пучок протонов, идущий от входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось; замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; материал замедлителя получен по меньшей мере из одного материала, содержащего LiF, Li₂CO₃, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF₂, при этом из материала замедлителя в виде порошка или порошковой заготовки с помощью технологии спекания порошков посредством устройства для спекания порошков получен блок; отражатель отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси, обратно к основной оси для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов с целью предотвращения воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани во время терапии; защитный экран от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов с целью уменьшения дозы для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

Элемент для формирования пучка дополнительно предназначен для бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя, при этом в процессе бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя происходит ускорение пучка протонов с помощью ускорителя; мишень выполнена из металла; происходит такое ускорение пучка протонов, которого достаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания атомного ядра мишени и обеспечения ядерной реакции с указанной мишенью с целью получения нейтронов; элемент для формирования пучка выполнен с возможностью замедления нейтронов до диапазона энергии надтепловых нейтронов и уменьшает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, при этом диапазон энергии надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергии тепловых нейтронов составляет меньше 0,5 эВ, а диапазон энергии быстрых нейтронов составляет больше 40 кэВ; отражатель выполнен из материала, обладающего способностью отражать нейтроны; поглотитель тепловых нейтронов выполнен из материала с большим эффективным сечением для тепловых нейтронов.

Предпочтительно, отражатель выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni; поглотитель тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li; между поглотителем тепловых нейтронов и выходом для пучка предусмотрен воздушный канал; защитный экран от излучения содержит экран для фотонов, выполненный из Pb, и экран для нейтронов, выполненный из PE.

Для того чтобы эффективно замедлять пучок нейтронов, в одном аспекте замедлитель предпочтительно выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу.

Более того, конусы имеют первый диаметр, второй диаметр и третий диаметр, при этом длина первого диаметра составляет от 1 см до 20 см, длина второго диаметра составляет от 30 см до 100 см, а длина третьего диаметра составляет от 1 см до 50 см; плотность материала замедлителя составляет от 80% до 100% теоретической плотности.

Кроме того, между замедлителем и отражателем предусмотрены зазоры для усиления потока надтепловых нейтронов; материал замедлителя получен из порошка, содержащего MgF₂, и порошковой смеси, содержащей ⁶LiF, составляющей 0,1-5% по весу порошка с MgF₂.

В другом аспекте устройство для спекания порошков представляет собой устройство для спекания с горячим прессованием или устройство искрового плазменного спекания, а технология спекания порошков представляет собой технологию спекания с горячим прессованием или технологию искрового плазменного спекания.

Предпочтительно, что устройство для спекания с горячим прессованием содержит нагревательную печь, давящее устройство, расположенное в указанной нагревательной печи, форму, порошок или порошковую заготовку, загруженные в форму, и управляющее устройство, предназначенное для управления нормальной работой устройства для спекания с горячим прессованием; технология спекания с горячим прессованием включает следующие этапы: заполнение формы соответствующим количеством порошка или порошковой заготовки; включение печи для спекания с горячим прессованием с целью предварительной установки параметров давления и температуры; сдавливание посредством давящего устройства, выполненного с возможностью перемещения, порошка или порошковой заготовки в форме; управление посредством управляющего устройства нормальной работой устройства для спекания с горячим прессованием; и подачу электрического тока для получения блока путем спекания.

В качестве альтернативы, устройство искрового плазменного спекания содержит первый электрод, второй электрод, электропроводящую форму, расположенную между первым электродом и вторым электродом, генератор импульсного тока, предназначенный для обеспечения тока в форме, давящее устройство с нажимными элементами для осуществления давления и управляющее устройство, предназначенное для управления генератором импульсного тока и давящим устройством; по меньшей мере один из первого электрода и второго электрода выполнен с возможностью перемещения; по меньшей мере один из первого электрода и второго электрода соединен с давящим устройством для обеспечения возможности сдавливания порошка, размещенного в форме; технология искрового плазменного спекания включает следующие этапы: заполнение формы соответствующим количеством порошка; перемещение второго электрода для сдавливания порошка в форме; включение посредством управляющего устройства генератора импульсного тока для подачи в электропроводящую форму электричества для получения тем самым плазмы, при этом происходит активация поверхности частиц порошка и повышение температуры; и получение блока путем спекания.

Устройство искрового плазменного спекания дополнительно содержит систему измерения перемещения для измерения перемещения давящего устройства, систему контроля атмосферы для контроля атмосферы в форме, систему водяного охлаждения для обеспечения охлаждения и устройство измерения температуры, которое предназначено для измерения температуры в устройстве искрового плазменного спекания; технология искрового плазменного спекания дополнительно включает следующие этапы: управление посредством управляющего устройства системой измерения перемещения для обеспечения нормальной работы системы измерения перемещения; управление посредством управляющего устройства системой контроля атмосферы для обеспечения атмосферы в форме при нормальной работе; управление посредством управляющего устройства системой водяного охлаждения для обеспечения нормальной работы системы водяного охлаждения; и управление посредством управляющего устройства устройством измерения температуры для обеспечения температуры в устройстве искрового плазменного спекания при нормальной работе.

Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «цилиндр» или «цилиндрический» означает конструкцию, которая в отношении своего внешнего профиля остается в основном неизменной в показанном направлении от одной стороны к другой стороне, при этом во внешнем профиле одна из линий профиля может быть отрезком: например, соответствующая линия профиля цилиндра также может быть дугой прилегающего отрезка большей кривизны, например соответствующей линией профиля сферы большей кривизны; вся поверхность внешнего профиля может быть поверхностью плавного перехода, а также может не быть поверхностью плавного перехода; например, на поверхности цилиндра или сферы большей кривизны выполнено множество выступов и канавок.

Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «конус» или «конусообразный» означает конструкцию, которая в отношении своего внешнего профиля постепенно уменьшается в показанном направлении от одной стороны к другой стороне, при этом во внешнем профиле одна из линий профиля может быть отрезком: например, соответствующая линия профиля конуса также может быть дугой, например соответствующей линией профиля сферы; вся поверхность внешнего профиля может быть поверхностью плавного перехода, а также может не быть поверхностью плавного перехода; например, на поверхности конуса или сферы выполнено множество выступов и канавок.

Описание графических материалов

Для того чтобы более точно описать техническое решение в вариантах осуществления настоящего изобретения, ниже кратко описаны прилагаемые графические материалы, которые необходимо использовать в сочетании с вариантами осуществления настоящего изобретения. Разумеется, прилагаемые графические материалы в представленном ниже описании показывают только некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, и специалисты в данной области техники без особых усилий также могут предложить на основе этих графических материалов другие графические материалы.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение реакции бор-нейтронного захвата.

На фиг. 2 представлено уравнение ядерной реакции при захвате нейтронов ¹⁰B (n,α) ⁷Li.

На фиг. 3 представлен схематический вид сверху элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором между замедлителем и отражателем предусмотрены зазоры.

На фиг. 4 представлен схематический вид сверху элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен из двух конусов и зазоры согласно первому варианту осуществления заполнены материалом замедлителя.

На фиг. 5 представлен схематический вид сверху элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен из двух конусов и зазоры согласно первому варианту осуществления заполнены материалом отражателя.

На фиг. 6 представлен график выхода нейтронов, дифференцированного по энергии нейтронов и величине угла.

На фиг. 7 представлен схематический вид сверху элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен в виде цилиндра.

На фиг. 8 представлен схематический вид сверху элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен из цилиндра и конуса.

На фиг. 9 представлено сематическое изображение устройства для получения материала замедлителя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором указанное устройство для получения является устройством искрового плазменного спекания.

На фиг. 10 представлено сематическое изображение устройства для получения материала замедлителя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором указанное устройство для получения является устройством для спекания с горячим прессованием.

Варианты осуществления изобретения

Нейтронозахватная терапия все чаще используется в последние годы как эффективное средство лечения рака, при этом наиболее распространена бор-нейтронозахватная терапия; нейтроны, обеспечиваемые для бор-нейтронозахватной терапии, могут предоставляться посредством ядерного реактора или ускорителя. В вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве примера рассматривается бор-нейтронозахватная терапия с применением ускорителя, и к основным компонентам для бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя обычно относится ускоритель, предназначенный для ускорения заряженных частиц (например, протонов, дейтронов и т.д.), мишень, система отвода тепла и элемент для формирования пучка, при этом в результате воздействия ускоренных заряженных частиц на металлическую мишень возникают нейтроны; в соответствии с выходом и энергией нейтронов, величиной энергии и электрического тока получаемых ускоренных заряженных частиц, физическо-химическими свойствами металлической мишени и другими характеристиками выбирается соответствующая ядерная реакция, при этом обычно рассматриваемые ядерные реакции имеют ⁷Li (p,n)⁷Be и ⁹Be (p,n)⁹B, и эти две реакции представляют собой эндотермические реакции. Пороговая величина энергии двух ядерных реакций соответственно составляет 1,881 МэВ и 2,055 МэВ, поскольку идеальным источником нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии являются надтепловые нейтроны с энергией в кэВ. В теории, если для бомбардировки мишени из лития используются протоны с энергией, которая только немного выше, чем пороговое значение, то могут быть получены нейтроны с относительно низкой энергией, которые можно использовать в терапии в условиях стационара без необходимости в слишком долгой обработке. Однако сечение при взаимодействии мишеней из лития (Li) и бериллия (Be) с протонами с низкой пороговой энергией мало, чтобы получить довольно большой поток нейтронов, и обычно для запуска ядерной реакции выбирают протоны с более высокой энергией.

Идеальная мишень должна характеризоваться высоким выходом нейтронов, при этом энергия полученных нейтронов распространяется рядом с диапазоном надтепловых нейтронов (подробнее описано ниже), возникновением не слишком сильного излучения, безопасностью и простотой в эксплуатации, термостойкостью и другими свойствами; однако в действительности невозможно получить ядерную реакцию, которая удовлетворяет всем требованиям, и в вариантах осуществления настоящего изобретения используется мишень, полученная из лития. Тем не менее специалистам в данной области техники хорошо известно, что мишень также может быть получена из других металлических материалов, а не только из вышеуказанных металлических материалов.

Требования к системе отвода тепла варьируются в зависимости от выбранных ядерных реакций; например, из-за точки плавления и коэффициента теплопроводности металлических мишеней (из лития) в реакции ⁷Li (p,n)⁷Be требования к системе отвода тепла более высокие по сравнению с реакцией ⁹Be (p,n)⁹B. В вариантах осуществления настоящего изобретения используется ядерная реакция ⁷Li (p,n)⁷Be.

Независимо от того, что источником нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии является ядерная реакция между заряженными частицами из реактора или ускорителя и мишенью, в результате получают поле смешанного излучения, то есть пучки содержат нейтроны и фотоны с энергией от низкой до высокой; в дополнение к надтепловым нейтронам в бор-нейтронозахватной терапии глубоко расположенных опухолей чем больше содержание других излучений, тем больше попадание неселективной дозы на нормальные ткани, поэтому следует максимально сократить излучения в ненужных дозах. Кроме параметров качества пучков, чтобы лучше определить распространение дозы нейтронов в организме человека, в вариантах осуществления настоящего изобретения для расчета дозы используется протез головы человека; посредством протеза параметры качества пучков будут использоваться в качестве основы для проектирования пучка нейтронов, что будет подробно описано ниже.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) в отношении источников нейтронов, применяемых в клинической бор-нейтронозахватной терапии, устанавливает пять рекомендаций в отношении параметров качества пучков нейтронов, и эти пять рекомендаций можно использовать для сравнения преимуществ и недостатков разных источников нейтронов, а также для обеспечения справочной информации при выборе способа получения нейтронов и проектировании элемента для формирования пучка. Эти пять рекомендаций заключаются в следующем:

Поток надтепловых нейтронов (epithermal neutron flux) > 1×10⁹ нейтрон/см²с.

Загрязнение быстрыми нейтронами (fast neutron contamination) < 2×10^-13 Гр-см²/нейтрон.

Загрязнение фотонами (photon contamination) < 2×10^-13 Гр-см²/нейтрон.

Соотношение потоков тепловых и надтепловых нейтронов (thermal to epithermal neutron flux ratio) < 0,05

Соотношение между током и потоком надтепловых нейтронов (epithermal neutron current to flux ratio) > 0,7

Примечание: диапазон энергии надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергии тепловых нейтронов составляет меньше 0,5 эВ, а диапазон энергии быстрых нейтронов составляет больше 40 кэВ.

1. Поток надтепловых нейтронов:

Продолжительность терапии в условиях стационара зависит от потока нейтронов и концентрации борсодержащих препаратов в опухолях. Если концентрация борсодержащих препаратов в опухолях довольно высокая, то требования к потоку нейтронов можно снизить; наоборот, если концентрация борсодержащих препаратов низкая, то необходим поток надтепловых нейтронов высокой плотности, чтобы обеспечивать достаточную дозу в отношении опухоли. Согласно требованиям МАГАТЭ к потоку надтепловых нейтронов количество надтепловых нейтронов в секунду на квадратный сантиметр должно составлять больше 10⁹; благодаря лучу нейтронов с таким потоком в отношении современных борсодержащих препаратов в основном можно обеспечивать продолжительность терапии в пределах 1 часа, при этом короткая продолжительность терапии не только обеспечивает комфорт пациентам, но и обеспечивает эффективное использование времени пребывания борсодержащих препаратов в опухоли.

2. Загрязнение быстрыми нейтронами:

Поскольку быстрые нейтроны могут вызывать ненужные дозы в нормальных тканях, то они, следовательно, рассматриваются как загрязнение; размер дозы положительно коррелирует с энергией нейтронов, так что при создании пучков нейтронов необходимо свести к минимуму содержание быстрых нейтронов. Загрязнение быстрыми нейтронами определяется как доза быстрых нейтронов, связанная с единичным потоком надтепловых нейтронов; МАГАТЭ рекомендует значение загрязнения быстрыми нейтронами, которое составляет меньше 2×10^-13 Гр-см²/нейтрон.

3. Загрязнение фотонами (загрязнение γ-лучами):

γ-лучи относятся к сильному излучению и могут привести к неселективному осаждению дозы на пути пучка, поэтому уменьшение содержания γ-лучей является обязательным требованием при создании пучка нейтронов; загрязнение γ-лучами определяется как доза γ-лучей, связанная с единичным потоком надтепловых нейтронов; МАГАТЭ рекомендует значение загрязнения γ-лучами, которое составляет меньше 2×10^-13 Гр-см²/нейтрон.

4. Соотношение потоков тепловых и надтепловых нейтронов:

Из-за высокой скорости ослабления и низкой проникающей способности потока тепловых нейтронов большая часть энергии оседает в кожных тканях после попадания в организм, поэтому кроме тепловых нейтронов, которые используются как источник нейтронов в бор-нейтронозахватной терапии меланомы и других новообразований на коже, следует сократить дозу тепловых нейтронов, предназначенных для терапии опухолей головного мозга и других глубоких опухолей. МАГАТЭ рекомендует соотношение потоков тепловых и надтепловых нейтронов, которое составляет меньше 0,05.

5. Соотношение между током и потоком надтепловых нейтронов:

Соотношение между электрическим током и потоком надтепловых нейтронов представляет направленность пучка; чем больше это соотношение, тем лучше направленность вперед пучков нейтронов; повышение направленности вперед пучков нейтронов может сократить дозу нейтронов в окружающих нормальных тканях, вызванную рассеянием нейтронов; также можно увеличить глубину лечения и повысить свободу расположения. МАГАТЭ рекомендует соотношение между электрическим током и потоком надтепловых нейтронов, которое составляет больше 0,7.

С помощью протеза определяется распределение дозы внутри тканей, и в соответствии с кривой зависимости дозы в нормальных тканях и новообразованиях от глубины определяются параметры качества пучков в протезе. Следующие три параметра могут быть использованы для сравнения эффективности терапии посредством разных пучков нейтронов.

1. Эффективная глубина лечения:

Доза, применяемая для лечения опухолей, равна глубине при максимальной дозе для нормальных тканей; доза, получаемая опухолевыми клетками вне этой глубины, меньше максимальной дозы для нормальных тканей, и эффективность бор-нейтронозахватной терапии теряется. Этот параметр обозначает проникающую способность пучка нейтронов, чем больше эффективная глубина лечения, тем больше глубина излечимых опухолей; этот параметр выражается в сантиметрах.

2. Мощность дозы на эффективной глубине лечения:

Мощность дозы на эффективной глубине лечения также равна максимальной мощности дозы для нормальных тканей. Поскольку суммарная доза, получаемая нормальными тканями, может влиять на величину суммарной дозы для опухолей, то этот параметр влияет на продолжительность терапии, при этом чем больше мощность дозы на эффективной глубине лечения, тем короче требуемое время воздействия определенной дозой на опухоль; этот параметр выражается в сГр/мА-мин.

3. Соотношение эффективной терапевтической дозы:

Соотношение между средней дозой, получаемой опухолевыми тканями, и средней дозой, получаемой нормальными тканями, от поверхности головного мозга до эффективной глубины, называют соотношением эффективной терапевтической дозы; средняя доза может быть вычислена посредством криволинейного интеграла зависимости дозы от глубины. Чем больше соотношение эффективной терапевтической дозы, тем лучшее эффективность лечения с помощью этого пучка нейтронов.

Для того, чтобы обеспечить основание для сравнения при проектировании элемента для формирования пучка, в дополнение к пяти рекомендуемым МАГАТЭ параметрам качества пучков и трем вышеуказанным параметрам в вариантах осуществления настоящего изобретения также используются следующие параметры, предназначенные для оценки преимуществ и недостатков дозы пучка нейтронов:

1. Время облучения ≤30 мин (применяемый в ускорителе ток протонов составляет 10 мА);

2. 30,0 ОБЭ-Гр на глубине излечимых опухолей ≥7 см;

3. Максимальная доза для опухолей ≥60,0 ОБЭ-Гр.

4. Максимальная доза для нормальной мозговой ткани ≤12,5 ОБЭ-Гр

5. Максимальная доза для кожи ≤11,0 ОБЭ-Гр

Примечание: ОБЭ (Relative Biological Effectiveness) представляет собой относительную биологическую эффективность; поскольку биологические эффекты, которые могут создавать фотоны и нейтроны, разные, то вышеупомянутые дозы соответственно умножаются на относительную биологическую эффективность различных тканей в целях получения эквивалентной дозы.

Для того чтобы улучшить поток и качество источников излучения нейтронов, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к улучшению элемента для формирования пучка, применяемого в нейтронозахватной терапии, предпочтительно к улучшению элемента для формирования пучка, применяемого в бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя. Как показано на фиг. 3, элемент 10 для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения содержит вход 11 для пучка, мишень 12, замедлитель 13, примыкающий к мишени 12, отражатель 14, окружающий замедлитель 13 снаружи, поглотитель 15 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 13, а также защитный экран 16 от излучения и выход 17 для пучка, выполненные в элементе 10 для формирования пучка; мишень 12 и пучок протонов, идущий от входа 11 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось X; замедлитель 13 замедляет нейтроны, выделенные из мишени 12, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; отражатель 14 отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси X, обратно к основной оси X, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов; между замедлителем 13 и отражателем 14 предусмотрены зазоры 18, чтобы усилить поток надтепловых нейтронов; поглотитель 15 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани; защитный экран 16 от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

В процессе бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя пучок протонов ускоряется с помощью ускорителя; в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения мишень 12 выполнена из лития; пучок протонов ускоряется настолько, чтобы преодолеть силу кулоновского отталкивания атомного ядра мишени; в результате ядерной реакции ⁷Li (p,n)⁷Be с мишенью 12 получают нейтроны. Элемент 10 для формирования пучка может снижать скорость нейтронов до диапазона энергии надтепловых нейтронов и снижает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов; замедлитель 13 выполнен из материала с большим эффективным сечением для быстрых нейтронов и малым эффективным сечением для надтепловых нейтронов; в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения замедлитель 13 выполнен по меньшей мере из одного из D₂O, AlF₃, Fluental^TM, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ и Al₂O₃. Отражатель 14 выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражать нейтроны; в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отражатель 14 выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni. Поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из материала с большим эффективным сечением для тепловых нейтронов; в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li; между поглотителем 15 тепловых нейтронов и выходом 17 для пучка предусмотрен воздушный канал 19. Защитный экран 16 от излучения содержит экран 161 для фотонов и экран 162 для нейтронов; в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения защитный экран 16 от излучения содержит экран 161 для фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 162 для нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE).

Кроме того, замедлитель 13 выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу; в направлении, показанном на фиг. 3, левая сторона замедлителя 13 представляет собой конус, который постепенно уменьшается влево, а правая сторона замедлителя 13 представляет собой конус, который постепенно уменьшается вправо, при этом два конуса примыкают друг к другу. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения левая сторона замедлителя 13 выполнена в виде конуса, который постепенно уменьшается влево, а правая сторона может быть выполнена другой формы, например в виде цилиндра и т. д., и примыкать к указанному конусу. Отражатель 14 плотно окружает замедлитель 13; между замедлителем 13 и отражателем 14 предусмотрен зазор 18; указанный зазор 18 подразумевает пустую зону, не занимаемую твердым материалом, через которую легко проходят пучки нейтронов; например, указанным зазором 18 может быть воздушный канал или пустой канал. Поглотитель 15 тепловых нейтронов, расположенный в непосредственной близости от замедлителя, выполнен из очень тонкого слоя ⁶Li; экран 161 для фотонов, выполненный из Pb, в защитном экране 16 от излучения может быть выполнен с отражателем 14 как одно целое, но также может быть выполнен отдельно; и экран 162 для нейтронов, выполненный из PE, в защитном экране 16 от излучения может быть установлен рядом с выходом 17 для пучка. Между поглотителем 15 тепловых нейтронов и выходом 17 для пучка предусмотрен воздушный канал 19; в этой зоне нейтроны, отклоняющиеся от основной оси X, можно непрерывно возвращать к основной оси X, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов. Протез B установлен на расстоянии приблизительно 1 см от выхода 17 для пучка. Специалистам в данной области техники хорошо известно, что экран 161 для фотонов может быть выполнен из других материалов, если он продолжает выполнять функцию защиты от фотонов; экран 162 для нейтронов также может быть выполнен из других материалов, а также может быть установлен в других местах, если он продолжает отвечать требованиям к защите от утечки нейтронов.

Для того чтобы сравнить разницу между элементом для формирования пучка с зазором и элементом для формирования пучка без зазора, на фиг. 4 и фиг. 5 соответственно показан второй вариант осуществления настоящего изобретения, в котором зазор закрыт замедлителем, и третий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором зазор закрыт отражателем. Как показано на фиг. 4, указанный элемент 20 для формирования пучка содержит вход 21 для пучка, мишень 22, замедлитель 23, примыкающий к мишени 22, отражатель 24, окружающий замедлитель 23 снаружи, поглотитель 25 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 23, а также защитный экран 26 от излучения и выход 27 для пучка, выполненные в элементе 20 для формирования пучка; мишень 22 и пучок протонов, идущий от входа 21 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось X1; замедлитель 23 замедляет нейтроны, выделенные из мишени 22, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; отражатель 24 отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси X1, обратно к основной оси X1, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов; замедлитель 23 выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу, при этом левая сторона замедлителя 23 представляет собой конус, который постепенно уменьшается влево, а правая сторона замедлителя 23 представляет собой конус, который постепенно уменьшается вправо, при этом два конуса примыкают друг к другу; поглотитель 25 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани; защитный экран 26 от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

Предпочтительно, во втором варианте осуществления мишень 22, замедлитель 23, отражатель 24, поглотитель 25 тепловых нейтронов и защитный экран 26 от излучения могут быть такими же, как в первом варианте осуществления, и защитный экран 26 от излучения согласно этому варианту осуществления содержит экран 261 для фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 262 для нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), при этом указанный экран 262 для нейтронов может быть расположен на выходе 27 для пучка. Между поглотителем 25 тепловых нейтронов и выходом 27 для пучка предусмотрен воздушный канал 28. Протез B1 установлен на расстоянии приблизительно 1 см от выхода 27 для пучка.

Как показано на фиг. 5, указанный элемент 30 для формирования пучка содержит вход 31 для пучка, мишень 32, замедлитель 33, примыкающий к мишени 32, отражатель 34, окружающий замедлитель 33 снаружи, поглотитель 35 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 33, а также защитный экран 36 от излучения и выход 37 для пучка, выполненные в элементе 30 для формирования пучка; мишень 32 и пучок протонов, идущий от входа 31 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось X2; замедлитель 33 замедляет нейтроны, выделенные из мишени 32, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; отражатель 34 отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси X2, обратно к основной оси X2, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов; замедлитель 33 выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу, при этом левая сторона замедлителя 33 представляет собой конус, который постепенно уменьшается влево, а правая сторона замедлителя 33 представляет собой конус, который постепенно уменьшается вправо, при этом два конуса примыкают друг к другу; поглотитель 35 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани; защитный экран 36 от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

Предпочтительно, в третьем варианте осуществления мишень 32, замедлитель 33, отражатель 34, поглотитель 35 тепловых нейтронов и защитный экран 36 от излучения могут быть такими же, как в первом варианте осуществления, и защитный экран 36 от излучения согласно этому варианту осуществления содержит экран 361 для фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 362 для нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), при этом указанный экран 362 для нейтронов может быть расположен на выходе 37 для пучка. Между поглотителем 35 тепловых нейтронов и выходом 37 для пучка предусмотрен воздушный канал 38. Протез B2 установлен на расстоянии приблизительно 1 см от выхода 37 для пучка.

В отношении этих трех вариантов осуществления посредством программного обеспечения MCNP (комплект программ для решения задач, связанных с переносом нейтронов, фотонов и заряженных частиц или взаимодействующих нейтронов, фотонов и заряженных частиц в трехмерных комплексных геометрических структурах с использованием способов Монте-Карло, разработанный в Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory), США) проводятся аналоговые вычисления.

Кроме того, в приведенной ниже таблице 1 отображены показатели в отношении параметров качества пучков этих трех вариантов осуществления (единицы параметров такие же, как указанные выше, и повторно ниже не рассматриваются).

Таблица 1. Параметры качества пучков

Кром того, в приведенной ниже таблице 2 отображены показатели дозы в этих трех вариантах осуществления:

Таблица 2. Показатели дозы

Кроме того, в приведенной ниже таблице 3 отображены числовые значения моделирования параметров, предназначенных для оценки преимуществ и недостатков показателей дозы пучка нейтронов, в этих трех вариантах осуществления:

Таблица 3. Параметры для оценки показателей дозы нейтронных лучей

Примечание: вышеуказанные три таблицы показывают, что элемент для формирования пучка, у которого между замедлителем и отражателем предусмотрен зазор, лучше всего повышает эффективность терапии, в которой применяются пучки нейтронов.

Так как нейтроны, полученные из мишени из лития, обладают более высокой средней энергией, то, как видно на фиг. 6, средняя энергия нейтронов составляет приблизительно 478 кэВ, когда угол рассеяния нейтронов составляет 0-30°, и средняя энергия нейтронов составляет всего лишь приблизительно 290 кэВ, когда угол рассеяния нейтронов составляет 30-180°; если путем изменения геометрической формы элемента для формирования пучка можно обеспечить довольно сильное столкновение направленных вперед нейтронов с замедлителем и направленные в стороны нейтроны под действием более слабого столкновения могут достичь выхода для пучка, то теоретически должна обеспечиваться оптимизация замедления нейтронов и поток надтепловых нейтронов с повышением эффективности. Ниже, исходя из геометрической формы, дается оценка влияния разной геометрической формы на поток надтепловых нейтронов.

На фиг. 7 показана геометрическая форма элемента для формирования пучка согласно четвертому варианту осуществления; указанный элемент 40 для формирования пучка содержит вход 41 для пучка, мишень 42, замедлитель 43, примыкающий к мишени 42, отражатель 44, окружающий замедлитель 43 снаружи, поглотитель 45 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 43, а также защитный экран 46 от излучения и выход 47 для пучка, выполненные в элементе 40 для формирования пучка; мишень 42 и пучок протонов, идущий от входа 41 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; замедлитель 43 замедляет нейтроны, выделенные из мишени 42, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; отражатель 44 отражает отклонившиеся нейтроны обратно, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов; замедлитель 43 выполнен цилиндрической формы, предпочтительно выполнен в виде цилиндра; поглотитель 45 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани; защитный экран 46 от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлучаемых зонах; между поглотителем 45 тепловых нейтронов и выходом 47 для пучка предусмотрен воздушный канал 48.

На фиг. 8 показана геометрическая форма элемента для формирования пучка согласно пятому варианту осуществления; указанный элемент 50 для формирования пучка содержит вход 51 для пучка, мишень 52, замедлитель 53, примыкающий к мишени 52, отражатель 54, окружающий замедлитель 53 снаружи, поглотитель 55 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 53, а также защитный экран 56 от излучения и выход 57 для пучка, выполненные в элементе 50 для формирования пучка; мишень 52 и пучок протонов, идущий от входа 51 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов; пучки нейтронов определяют основную ось X3; замедлитель 53 замедляет нейтроны, выделенные из мишени 52, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; отражатель 54 отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси X3, обратно к основной оси X3, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов; замедлитель 53 выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу, при этом левая сторона замедлителя 53 представляет собой цилиндр, а правая сторона замедлителя 53 представляет собой конус, который постепенно уменьшается вправо, при этом оба примыкают друг к другу; поглотитель 25 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани; защитный экран 26 от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

Предпочтительно, в пятом варианте осуществления мишень 52, замедлитель 53, отражатель 54, поглотитель 55 тепловых нейтронов и защитный экран 56 от излучения могут быть такими же, как в первом варианте осуществления, и защитный экран 56 от излучения согласно этому варианту осуществления содержит экран 561 для фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 562 для нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), при этом указанный экран 562 для нейтронов может быть расположен на выходе 57 для пучка. Между поглотителем 55 тепловых нейтронов и выходом 57 для пучка предусмотрен воздушный канал 58. Протез B3 установлен на расстоянии приблизительно 1 см от выхода 57 для пучка.

В отношении замедлителя из двух конусов согласно второму варианту осуществления, замедлителя в виде цилиндра согласно четвертому варианту осуществления и замедлителя из цилиндра и конуса согласно пятому варианту осуществления посредством программного обеспечения MCNP проводятся аналоговые вычисления.

Кроме того, в приведенной ниже таблице 4 отображены показатели в отношении параметров качества пучков этих трех вариантов осуществления:

Таблица 4. Параметры качества пучков

Кром того, в приведенной ниже таблице 5 отображены показатели дозы в этих трех вариантах осуществления:

Таблица 5. Показатели дозы

Кроме того, в приведенной ниже таблице 6 отображены числовые значения моделирования параметров, предназначенных для оценки преимуществ и недостатков показателей дозы пучка нейтронов, в этих трех вариантах осуществления:

Таблица 6. Параметры для оценки показателей дозы нейтронных лучей

Примечание: вышеуказанные три таблицы показывают, что замедлитель, выполненный по меньшей мере с одним конусом, повышает эффективность терапии, в которой применяются пучки нейтронов.

Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «цилиндр» или «цилиндрический» означает конструкцию, которая в отношении своего внешнего профиля остается в основном неизменной в показанном направлении от одной стороны к другой стороне, при этом во внешнем профиле одна из линий профиля может быть отрезком: например, соответствующая линия профиля цилиндра также может быть дугой прилегающего отрезка большей кривизны, например соответствующей линией профиля сферы большей кривизны; вся поверхность внешнего профиля может быть поверхностью плавного перехода, а также может не быть поверхностью плавного перехода; например, на поверхности цилиндра или сферы большей кривизны выполнено множество выступов и канавок.

Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «конус» или «конусообразный» означает конструкцию, которая в отношении своего внешнего профиля постепенно уменьшается в показанном направлении от одной стороны к другой стороне, при этом во внешнем профиле одна из линий профиля может быть отрезком: например, соответствующая линия профиля конуса также может быть дугой, например соответствующей линией профиля сферы; вся поверхность внешнего профиля может быть поверхностью плавного перехода, а также может не быть поверхностью плавного перехода; например, на поверхности конуса или сферы выполнено множество выступов и канавок.

В одном важном аспекте улучшения потока источника излучения необходимо рассмотреть материалы, из которых сделан замедлитель, и ниже замедлитель 13 подробно описан на примере первого варианта осуществления и фиг. 3.

Замедлитель 13 представляет собой конструкцию из двух конусов, при этом конусы обращены в противоположных направлениях; материал замедлителя 13 получен из материала на основе по меньшей мере одного из AlF₃, или CaF₂, или MgF₂; замедлитель 13 имеет первый диаметр D1, второй диаметр D2 и третий диаметр D3. В месте первого диаметра предусмотрено отверстие, чтобы размещать мишень 12; второй диаметр D2 проходит в месте максимального размера конструкции из двух конусов. Что касается бор-нейтронозахватной терапии, то, чтобы получить достаточный эффект замедления, длина первого диаметра D1 составляет 1-20 см, длина второго диаметра D2 составляет 30-100 см, а длина третьего диаметра D3 составляет 1-50 см; предпочтительно, длина первого диаметра D1 составляет 10 см, длина второго диаметра D2 составляет 70 см, а длина третьего диаметра D3 составляет 30 см. Для того, чтобы получить замедлитель 13 таких больших размеров, а его плотность составляла 80-100% теоретической плотности, дальше представлено приготовление трех материалов замедлителя.

1. Выращивание кристаллов

Прежде всего, в качестве примера берут MgF₂, как подробно описано в заявке на патент изобретения № CN 102925963 A, которая берется в качестве справочного материала для выращивания кристалла. В способе выращивания кристалла обычно затравочный кристалл и порошок, содержащий MgF₂, помещают в тигель и потом определенным способом выращивают монокристалл MgF₂.

Следует обратить особое внимание на то, что указанный здесь «монокристалл» означает отдельно выращенный и формованный кристалл, а не одно зерно кристалла (то есть только один кристалл и только одно зерно, в этом зерне регулярно расположены молекулы и атомы). Понятно, что такое одно зерно кристалла соответствует нескольким зернам кристаллов (то есть у каждого зерна разные размеры и формы, и ориентация также беспорядочна, нет четкой формы, а также не проявляется анизотропия). Дальше определение «монокристалла» в этом документе аналогично.

Исследования показали, что PbF₄, AlF₃, CaF₂ и Al₂O₃ также могут быть получены подобным способом.

2. Спекание порошков

Дополнительно спекают порошок или порошковую заготовку из MgF₂, или AlF₃, или CaF₂; в процессе спекания частицы порошка подвергаются относительному течению, диффузии, растворению, рекристаллизации и другим физико-химическим процессам, чтобы сильнее уплотнить порошок и ликвидировать при этом часть или все поры. Существует много способов спекания; например, твердофазное спекание, то есть температура спекания ниже точки плавления каждого компонента в порошке; жидкофазное спекание, то есть, если в порошковой заготовке два указанных выше компонента, то спекание может происходить при превышении точки плавления определенных компонентов, поэтому при спекании в порошковой заготовке возникает небольшое количество жидкой фазы; спекание с горячим прессованием, то есть во время спекания порошок подвергают давлению, чтобы обеспечить его уплотнение, при этом горячее прессование сочетает формование и спекание порошков, то есть является технологическим процессом прямого получения изделия; искровое плазменное спекание, то есть прерывистое импульсное напряжение постоянного тока, полученное посредством специального оборудования для управления питанием, подают на образец порошка, и в дополнение к тому, что можно использовать эффект содействия спеканию (воздействие электрического разряда и электрический нагрев), вызванный традиционно применяемой электроэрозионной обработкой, также эффективно используется технология высокоскоростного спекания, в которой эффект содействия спеканию, вызванный явлением искрового разряда (мгновенно приводит к возникновению плазмы высокой температуры), возникающего на начальном этапе импульсного разряда, приводит к уплотнению посредством мгновенного поля высокой температуры. С помощью технологии спекания порошков материалы замедлителя посредством устройства для спекания порошков из порошка или порошковой заготовки превращаются в блок.

Специалистам в данной области техники хорошо известно о том, что приготовление смеси, содержащей по меньшей мере один или несколько из MgF₂, или AlF₃, или CaF₂, в качестве материала для замедлителя также может осуществляться другими способами спекания. Предпочтительно, ниже будут приведены примеры осуществления, в которых в качестве способа спекания порошков применяют спекание с горячим прессованием и искровое плазменное спекание.

В дальнейшем описание спекания порошков осуществляется на примере смеси порошков, в которой к порошку MgF₂, или MgF₂, добавляют ⁶LiF в количестве 0,1-5% по весу порошка MgF₂; предпочтительно, далее описание спекания порошков осуществляется на примере смеси порошков, в которой MgF₂ добавляют ⁶LiF в количестве 0,1-5% по весу порошка MgF₂.

Замедлитель в элементе для формирования пучка играет очень важную роль, поскольку он отвечает за замедление нейтронов; необходимо максимально ограничить интенсивность быстрых нейтронов, при этом нельзя слишком замедлять такие нейтроны, как тепловые нейтроны, а с другой стороны, также необходимо ограничить γ-лучи, полученные в процессе замедления. Исследование показало, что равномерное добавление в замедлитель небольшого количества материала, содержащего ⁶Li, может эффективно ограничить интенсивность γ-лучей, хотя и немного снижает интенсивность нейтронов, но по-прежнему сохраняет качество исходного пучка. В дальнейших исследованиях смесь порошков, в которой к порошку MgF₂ добавляют ⁶LiF в количестве 0,1-5% по весу порошка MgF₂, сравнивали с отдельным порошком MgF₂, в который не добавляли порошок ⁶LiF, при этом указанная смесь порошков может более эффективно поглощать тепловые нейтроны и эффективно ограничивать γ-лучи.

Специалистам в данной области техники хорошо известно применение смеси материала, содержащего ⁶Li, который добавляют к порошку MgF₂ в количестве 0,1-5% по весу порошка MgF₂, в качестве материала замедлителя; при этом материал, содержащий ⁶Li, может быть в любой форме, которая любым способом позволяет легко смешивать его с порошком MgF₂: например, указанный материал, содержащий ⁶Li, может представлять собой жидкость, а также может представлять собой порошок. Указанный материал, содержащий ⁶Li, может представлять собой любое соединение, которое любым способом позволяет легко смешивать его с порошком MgF₂: указанный материал, содержащий ⁶Li, может представлять собой ⁶LiF или ⁶Li₂CO₃. Предпочтительно, порошок или порошковую заготовку, в которые к порошку MgF₂ добавляют ⁶LiF в количестве 0,1-5% по весу порошка MgF₂ дополнительно подвергают спеканию; в процессе спекания частицы порошка подвергаются относительному течению, диффузии, растворению, рекристаллизации и другим физико-химическим процессам, чтобы сильнее уплотнить порошок и ликвидировать при этом часть или все поры. Существует много способов спекания; например, твердофазное спекание, то есть температура спекания ниже точки плавления каждого компонента в порошке; жидкофазное спекание, то есть, если в порошковой заготовке два указанных выше компонента, то спекание может происходить при превышении точки плавления определенных компонентов, поэтому при спекании в порошковой заготовке возникает небольшое количество жидкой фазы; спекание с горячим прессованием, то есть во время спекания порошок подвергают давлению, чтобы обеспечить его уплотнение, при этом горячее прессование сочетает формование и спекание порошков, то есть является технологическим процессом прямого получения изделия; искровое плазменное спекание, то есть прерывистое импульсное напряжение постоянного тока, полученное посредством специального оборудования для управления питанием, подают на образец порошка, и в дополнение к тому, что можно использовать эффект содействия спеканию (воздействие электрического разряда и электрический нагрев), вызванный традиционно применяемой электроэрозионной обработкой, также эффективно используется технология высокоскоростного спекания, в которой эффект содействия спеканию, вызванный явлением искрового разряда (мгновенно приводит к возникновению плазмы высокой температуры), возникающего на начальном этапе импульсного разряда, приводит к уплотнению посредством мгновенного поля высокой температуры. С помощью технологии спекания порошков материалы замедлителя посредством устройства для спекания порошков из порошка или порошковой заготовки превращаются в блок.

Специалистам в данной области техники хорошо известно о том, что приготовление порошка, в котором в смесь, содержащую по меньшей мере одно или несколько из MgF₂, или AlF₃, или CaF₂, или PbF₄, добавляют ⁶LiF, в качестве материала для замедлителя также может осуществляться другими способами спекания. Предпочтительно, ниже будут приведены примеры осуществления, в которых в качестве способа спекания порошков применяют спекание с горячим прессованием и искровое плазменное спекание.

2.1 Искровое плазменное спекание

Искровое плазменное спекание сочетает в себе плазменную активацию, горячее прессование и омический нагрев; скорость прироста тепла высокая, продолжительность спекания короткая, температура спекания низкая, зерна кристаллов равномерные, обеспечивается возможность регулирования тонкой структуры спекаемого элемента, а плотность получаемого материала высокая; и оно также имеет такие преимущества, как простота в эксплуатации, высокая воспроизводимость, безопасность и надежность, экономия пространства, экономия энергии, снижение себестоимости и т.д. Из-за сильного импульсного тока, прилагаемого между частицами порошка в искровом плазменном спекании, между частицами порошка есть положительный и отрицательный полюсы, обеспечиваемые электрическим полем; под действием импульсного тока между частицами возникает разряд, который возбуждает плазму, частицы высокой энергии, полученные в результате разряда, сталкиваются с контактной частью между частицами, заставляя вещество испаряться и выполнять очищающую и активирующую функцию; электроэнергия накапливается в диэлектрическом слое кластера частиц, и в диэлектрическом слое происходит периодический быстрый разряд. Поскольку между порошком или порошковой заготовкой существует импульсный ток, а импульсный ток появляется мгновенно, прерывисто и с высокой частотой, нагрев от разряда, создаваемый в неконтактной части частиц порошка, и электрический нагрев, создаваемый в контактной части частиц порошка, будут значительно способствовать диффузии атомов частиц порошка, при этом коэффициент диффузии намного больше, чем при обычном горячем прессовании, и, следовательно, достигается высокая скорость спекания порошков. Кроме того, благодаря применению импульсного тока, в порошке в отношении мест, подвергаемых действию разряда, и мест, подвергаемых электрическому нагреву, происходит быстрый переход, чтобы спекание порошков или порошковой заготовки могло быть однородным. В процессе искрового плазменного спекания, когда между частицами происходит разряд, может мгновенно возникать местная высокая температура, составляющая от нескольких тысяч градусов до десяти тысяч градусов, что вызывает испарение и плавление на поверхности частиц и образует в точке контакта частиц горловину; поскольку определенное количество теплоты сразу передается из центра нагревание на поверхность частиц и распространяется вокруг, горловина быстро охлаждается, и, таким образом, давление паров становиться ниже, чем в других местах. То, что скопление вещества в газовой фазе в горловине формирует переход от испарения к затвердению, который выше, чем в традиционных способах спекания, является еще одной важной особенностью процесса искрового плазменного спекания. Зерна кристаллов подвергаются нагреванию импульсного тока и вертикальному однонаправленному давлению, и диффузия кристалла и диффузия по границам зерен были усилены, что ускорило процесс уплотнения спеканием; поэтому при сравнительно низкой температуре и в сравнительно короткое время можно получить высококачественный спекаемый элемент. Процесс искрового плазменного спекания можно рассматривать как результат сочетания разряда частиц, контактного нагрева и повышения давления.

На фиг. 9 показано схематическое изображение устройства искрового плазменного спекания. Устройство 100 искрового плазменного спекания содержит первый электрод 101, второй электрод 102, электропроводящую форму 103, расположенную между первым электродом 101 и вторым электродом 102, генератор 104 импульсного тока, предназначенный для обеспечения тока в форме 103, давящее устройство 105 с нажимными элементами 1051, 1052 для осуществления давления и управляющее устройство 106, предназначенное для управления генератором 104 импульсного тока и давящим устройством 105; по меньшей мере один из первого электрода 101 и второго электрода 102 выполнен с возможностью перемещения, и по меньшей мере один из нажимных элементов 1051, 1052 выполнен с возможностью перемещения; предпочтительно, первый электрод 101 и нажимной элемент 1051 зафиксированы, а второй электрод 102 и нажимной элемент 1052 выполнены с возможностью перемещения, и, таким образом, можно осуществлять прессование порошка или порошковой заготовки 107, размещенных в форме 103. Предпочтительно, электропроводящая форма 103 выполнена из свинца или графита. Устройство 100 искрового плазменного спекания также содержит систему 108 измерения перемещения для измерения перемещения давящего устройства 105, систему контроля атмосферы 109 для контроля атмосферы в форме 103, систему 111 водяного охлаждения для регулирования охлаждения вакуумной камеры 110 с водяным охлаждением и устройство 112 измерения температуры, которое предназначено для измерения температуры в устройстве 100 искрового плазменного спекания. Через форму 103 и порошок или порошковую заготовку 107 пропускается импульсный ток, и в дополнение к тому, что обеспечивается воздействие электрического разряда и электрический нагрев для спекания, также можно использовать эффект содействия спеканию, вызванный явлением искрового разряда (мгновенно приводит к возникновению плазмы высокой температуры), возникающего на начальном этапе импульсного разряда, что приводит к высокоскоростному спеканию посредством мгновенного поля высокой температуры; в результате этого порошок или порошковая заготовка 107 из порошкового состояния превращаются в блок; указанный блок является цельным формованным изделием, и нет необходимости, например, в способе, в котором применяется выращивание кристаллов, в котором монокристаллы посредством шлифования, полирования или других технологических операций соединяют, чтобы получить соответствующие размеры замедлителя.

Указанное устройство 100 искрового плазменного спекания путем непосредственного пропускания постоянного импульсного тока осуществляет спекание и прессование, при этом оно посредством управляющего устройства 106 путем регулирования величины прямого импульсного тока регулирует скорость нагревания и температуру спекания. Все процессы спекания могут проходить в вакуумной среде, а также могут происходить в защитной атмосфере, например в кислороде или водороде.

В атмосфере кислорода, поскольку кислород адсорбируется поверхностью спекания или производит химическую реакцию, на поверхности кристалла образовывается нестехиометрическое соединение с вакансией положительных ион, вакансия положительных ион увеличивается, и одновременно кислород в закрытых порах может непосредственно входить в кристаллическую решетку и распространяться по поверхности с вакансией ионов кислорода, при этом диффузия и спекание ускоряются. Когда спекание управляется диффузией положительных ионов, окислительная среда или парциальное давление кислорода выше и способствуют образованию вакансии положительных ионов, что ускоряет спекание; при управлении диффузией отрицательных ионов восстановительная газовая среда или сравнительно низкое парциальное давление кислорода приводят к образованию вакансий ионов кислорода и ускоряют спекание.

При спекании образцов в атмосфере водорода, поскольку атомы водорода обладают малым радиусом, легко подвергаются диффузии и способствуют устранению закрытых пор, спекание в атмосфере водорода материала из глинозема или других типов может обеспечить получение образца спекаемого элемента с плотностью, приближающейся к теоретической.

Температура спекания является одним из ключевых параметров в процессе плазменного высокоскоростного спекания. Температура спекания определяется с учетом фазового перехода образца спекаемого элемента в условиях высокой температуры, скорости роста зерен кристаллов, требования к качеству образца и требования к плотности образца. Как правило, плотность исследуемого образца в целом имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения температуры спекания; это значит, что температура спекания оказывает явное влияние на степень плотности образца; чем выше температура спекания, тем выше скорость передачи вещества в процессе спекания, и тем более плотными являются образцы.

Однако чем выше температура, тем выше скорость роста зерен кристаллов, и тем хуже их механические свойства. Если температура слишком низкая, то плотность образца очень низкая, и качество не может отвечать требованиям. Противоречие между температурой и размером зерна кристалла требует подходящего параметра при выборе температуры.

Увеличение времени поддержания температуры спекания обычно в той или иной степени способствует спеканию, улучшает микроструктуру образца, что в отношении спекания с механизмом вязкого течения сравнительно очевидно, и влияние спекания в отношении механизма объемной диффузии и поверхностной диффузии мало. В процессе спекания температура обычно поддерживается всего лишь 1 минуту, и плотность образца достигает 96,5% и более теоретической плотности; по мере увеличения времени поддержания температуры плотность образца увеличивается, но диапазон изменения не большой, что говорит о том, что, хотя время поддержания температуры в определенной степени влияет на плотность образца, но эффективность этого не очень очевидна. Но нет смысла увеличивать время поддержания температуры спекания; зерна кристаллов в это время быстро растут, усиливается эффект вторичной рекристаллизации, что не удовлетворяет требованиям к рабочим характеристикам образца, и время слишком короткое, чтобы вызвать снижение плотности образца, поэтому нужно выбрать подходящее время поддержания температуры.

В случае увеличения скорости нагревания образец может достичь требуемой температуры в короткое время, при этом время роста зерен кристаллов значительно уменьшается, что не только позволяет сдерживать рост зерен кристаллов и получать изделия с тонкими зернами кристаллов одной величины, но и может экономить время и энергию, а также повысить эффективность использования устройства спекания. Однако из-за ограниченности самого устройства слишком высокая скорость нагревания может оказывать на устройство разрушительное влияние. В связи с этим скорость нагревания увеличивают максимально в допустимом диапазоне. Тем не менее в реальных экспериментальных данных отражено, что в случае разных температуры спекания и времени поддержания температуры, влияние скорости нагревания на плотность образца показывает обратные результаты, то есть по мере увеличения скорости нагревания плотность образца покажет тенденцию к постепенному снижению зернистости; некоторые ученые предполагают, что поскольку увеличение скорости нагревания в области температуры спекания эквивалентно сокращению времени поддержания температуры, то плотность образца может частично уменьшиться. В реальном процессе спекания в условиях высокой температуры процесс повышения температуры, как правило, делится на три этапа, а именно от комнатной температуры до приблизительно 600°℃, от 600°℃ до приблизительно 900°℃ и от 900°℃ до температуры спекания: первый этап представляет собой этап подготовки, скорость нагревания относительно медленная; второй этап представляет собой этап контролируемого быстрого нагревания, скорость нагревания, как правило, регулируется в диапазоне 100-500 (℃/мин); третий этап представляет собой буферный этап повышения температуры, на указанном этапе температура медленно поднимается до температуры спекания, как правило, время поддержания температуры составляет 1-7 мин, после поддержания температуры следует охлаждение вместе с печью, скорость охлаждения может доходить до 300°℃/мин.

После обработки электрическим разрядом порошок сразу подвергают прессованию и спеканию. Под совместным действием омического нагрева и давления происходит сильная пластичная деформация спеченных материалов; применение давления формования способствует усилению контакта между частицами порошка, увеличению площади спекания, выпуску остаточного газа между спеченным порошком, а также повышению прочности, плотности и чистоты поверхности обрабатываемой детали. Величина давления формования обычно определяется на основании сжимаемости спеченного порошка, а также требований к плотности, прочности и другим свойствам спеченных материалов; как правило, оно находится в диапазоне 15-30 МПа, иногда может доходить до 50 МПа или даже выше. Обычно чем больше давление формования, тем выше плотность спеченных материалов. Продолжительность давления также оказывает существенное влияние на плотность спеченных материалов; подходящая продолжительность давления отличается в зависимости от типа спеченного материала, размера частиц порошка и геометрических размеров спеченного материала и должна определяться посредством испытаний. Испытания показывают, что продолжительность давления равна или немного больше, чем время разряда, что является необходимым условием для получения самой высокой плотности спеченного материала. Из механизма спекания и реакции в твердой фазе легко понять, что чем больше давление, тем плотнее расположены частицы в образце; с увеличением точек взаимного контакта и площади контакта ускоряется спекание. Таким образом, можно обеспечить образцу лучшую плотность, а также можно эффективно сдерживать рост зерен кристаллов и снизить температуру спекания. Поэтому выбранное давление, как правило, составляет 30-50 МПА. Тем не менее некоторые исследования показали, что когда внешнее давление спекания составляет 30-50 МПа, то плотность образцов отличается и не большая, что свидетельствует о том, что явление увеличения плотности по мере повышения давления является сравнительно очевидным только до определенных пределов.

По сравнению с общепринятыми технологиями спекания искровое плазменное спекание имеет следующие преимущества: высокая скорость спекания; улучшение микроструктуры материала и свойств материала.

Как хорошо известно специалистам в данной области техники, форма может быть изготовлена из другого электропроводного материала, и устройство искрового плазменного спекания может быть также выполнено так, чтобы оба электрода были зафиксированы без возможности перемещения, и по меньшей мере один нажимной элемент может быть выполнен с возможностью перемещения.

Основной процесс искрового плазменного спекания делится на четыре этапа. Первый этап: к образцу порошка прикладывают начальное давление, чтобы обеспечить достаточный контакт между частицами порошка, чтобы затем в образце порошка можно было в достаточном количестве получить равномерную разрядную плазму; второй этап: подают импульсный ток, под действием импульсного тока в точках контакта частиц порошка образуется разрядная плазма, и на поверхности частиц из-за активации возникает микроэкзотермическое явление; третий этап: выключают импульсный источник питания, образец подвергают омическому нагреву до достижения предположительной температуры спекания и полного сжатия образца; четвертый этап: сбрасывают давление. Разумное регулирование начального давления, продолжительности спекания, давления формирования, продолжительности давления, температуры спекания, скорости нагревания и других основных технических параметров может обеспечить материалы с отличными комплексными характеристиками.

Из-за арочного эффекта между частицами порошка они обычно не могут контактировать в полной мере, поэтому для того, чтобы при искровом плазменном спекании получить в образце порошка равномерную разрядную плазму в достаточном количестве и максимально активировать поверхность частиц для ускорения процесса уплотнения спеканием, к спеченному порошку нужно применить соответствующее начальное давление, чтобы обеспечить достаточный контакт между частицами порошка. Величина начального давления может отличаться в зависимости от вида спекаемого порошка, а также размера и свойств спекаемого элемента. Если начальное давление слишком мало, явление разряда ограничено только в части порошка, в результате чего часть порошка плавится; если давление слишком велико, разряд ограничивается, и процесс диффузии при спекании замедляется. Из предшествующего уровня техники известно, что начальное давление, как правило, не должно превышать 10 МПа, чтобы обеспечивался достаточно непрерывный разряд.

Когда применяется образец порошка со сравнительно лучшими электропроводящими свойствами для искрового плазменного спекания, из-за того, что омический нагрев осуществляется одновременно с внешней стороны и внутренней стороны образца, продолжительность спекания короткая, даже мгновенная, но продолжительность спекания отличается в зависимости от качества, вида и свойств порошка и обычно составляет от нескольких секунд до нескольких минут; при спекании большого количества тугоплавкого металлического порошкового материала, продолжительность даже доходит до нескольких десятков минут. Продолжительность спекания оказывает сравнительно большое влияние на плотность обрабатываемых деталей, и, чтобы процесс уплотнения можно было осуществить полностью, необходимо обеспечить определенную продолжительность спекания.

Обычно считается, что быстрое повышение температуры в процессе искрового плазменного спекания очень полезно для спекания порошка, поскольку оно сдерживает механизмы, не имеющие отношения к уплотнению материала, и активизирует механизмы уплотнения материала, поэтому повышение скорости нагревания может обеспечить повышение степени уплотнения образца.

Предпочтительно, технология искрового плазменного спекания включает следующие этапы, на которых: заполняют форму 103 соответствующим количеством порошка или порошковой заготовки 107; перемещают давящее устройство 105, чтобы оказывать давление на порошок или порошковую заготовку 107 в форме 103; посредством управляющего устройства 106 включают генератор 104 импульсного тока, чтобы подавать на форму 103 электричество для получения тем самым плазмы, при этом поверхность частиц порошка активируется и происходит повышение температуры; путем спекания получают блоки. Технология искрового плазменного спекания дополнительно включает следующие этапы, на которых: посредством управляющего устройства 106 управляют системой 108 измерения перемещения для обеспечения нормальной работы системы 108 измерения перемещения; посредством управляющего устройства 106 управляют системой 109 контроля атмосферы, чтобы обеспечить в форме 103 атмосферу при нормальной работе; посредством управляющего устройства 106 управляют системой 111 водяного охлаждения для обеспечения ее нормальной работы; и посредством управляющего устройства 106 управляют устройством 112 измерения температуры, чтобы обеспечивать температуру в устройстве 100 искрового плазменного спекания при нормальной работе. Указанная нормальная работа означает, что устройство искрового плазменного спекания не подает визуальных, тактильных, звуковых или других сигналов тревоги, воспринимаемых человеком, как в случае, когда устройство сигнализации подает световой сигнал тревоги, устройство сигнализации подает звуковой сигнал тревоги, устройство сигнализации вибрирует и так далее.

2.2 Спекание с горячим прессованием

Спекание с горячим прессованием является способом спекания, в котором форму заполняют материалом в виде сухого порошка; затем нагревают и оказывают давление в одном направлении, чтобы одновременно осуществить формование и спекание. Технология спекания с горячим прессованием очень разнообразна, и в отношении ее классификации в настоящее время нет единых норм и стандартов. В соответствии с текущей ситуацией его можно разделить на вакуумное горячее прессование, горячее прессование в атмосфере, вибрационное горячее прессование, сбалансированное горячее прессование, горячее изостатическое прессование, реакционное горячее прессование и спекания под сверхвысоким давлением. Поскольку при спекании с горячим прессованием одновременно происходят нагревание и прессование, порошкообразный материал находится в термопластичном состоянии, что способствует контактной диффузии частиц и осуществлению процесса переноса массы потока, поэтому давление формования составляет только 1/10 давления в холодном состоянии; еще можно снизить температуру спекания и сократить продолжительность спекания, и тем самым предотвратить рост зерен кристаллов и получить хорошие продукты, характеризующиеся мелкими зернами кристаллов, высокой плотностью и отличными механическими и электрическими свойствами.

Как показано на фиг. 10, для того чтобы подготовить материалы замедлителя посредством технологии спекания с горячим прессованием, устройство 200 для спекания с горячим прессованием содержит нагревательную печь 201, давящее устройство 202, расположенное в нагревательной печи 201, форму 203, порошок или порошковую заготовку 204, загруженные в форму 203, и управляющее устройство 205. Нагревательная печь 201, как правило, посредством электричества используется в качестве источника тепла, и нагревательные элементы состоят из проволоки из SiC, MoSi или никеля, платиновой проволоки, молибденовой проволоки и т.д. Давящее устройство 202 требует стабильной скорости, постоянного поддержания давления и гибкого регулирования давления; как правило, оно рычажного типа и гидравлического типа. В зависимости от требования к характеру материала атмосфера давления может быть воздухом, а также может быть восстановительной атмосферой или инертной атмосферой. Форма 203 требует высокой прочности, термостойкости, стойкости к окислению и отсутствия загустения материала для горячего прессования; коэффициент теплового расширения формы 203 должен совпадать с этим коэффициентом у материала для горячего прессования или приближаться к нему; предпочтительно, в настоящем варианте осуществления применяется графитовая форма. Управляющее устройство 205 обеспечивает нормальную работу устройства 200 для спекания с горячим прессованием. Указанная нормальная работа означает, что устройство искрового плазменного спекания не подает визуальных, тактильных, звуковых или других сигналов тревоги, воспринимаемых человеком, как в случае, когда устройство сигнализации подает световой сигнал тревоги, устройство сигнализации подает звуковой сигнал тревоги, устройство сигнализации вибрирует и так далее.

Ниже представлен пример, в котором с применением порошка MgF₂ и технологии спекания с горячим прессованием получают необходимый замедлитель, при этом технологический процесс производства включает следующие этапы: подготавливают сырье MgF₂ - сырье измельчают и сортируют - загружают в форму - спекают под высокой температурой - спекают с горячим прессованием под высокой температурой - извлекают из печи с последующим охлаждением - спекают с горячим изостатическим прессованием под высокой температурой - извлекают из печи с последующим охлаждением - шлифуют, полируют, склеивают - готовое изделие.

Предпочтительно, здесь опущены этапы предварительной обработки порошка и этапы обработки после завершения спекания. Технология спекания с горячим прессованием включает следующие этапы, на которых: заполняют форму 203 соответствующим количеством порошка или порошковой заготовки 204; включают печь 201 для спекания с горячим прессованием, чтобы заранее установить параметры давления и температуры; посредством выполненного с возможностью перемещения давящего устройства 202 сдавливают порошок или порошковую заготовку 204 в форме 203; посредством управляющего устройства 205 управляют нормальной работой устройства 200 для спекания с горячим прессованием; подают электрический ток, чтобы спеканием получить блок.

Следует дополнительно уточнить, что этап «посредством выполненного с возможностью перемещения давящего устройства 202 сдавливают порошок или порошковую заготовку 204 в форме 203» может быть использован для обеспечения предварительного давления, а также может осуществляться одновременно с этапом подачи электрического тока, то есть этап «посредством выполненного с возможностью перемещения давящего устройства 202 сдавливают порошок или порошковую заготовку 204 в форме 203» и этап «подают электрический ток, чтобы спеканием получить блок» можно объединить в один.

В следующей таблице сравниваются некоторые параметры выращивания кристаллов, искрового плазменного спекания и спекания с горячим прессованием; в качестве более подходящего материала, который необходимо применять в замедлителе элемента для формирования пучка для нейтронозахватной терапии, раскрытого в настоящем изобретении, особенно при необходимости получения размера второго диаметра D2 максимум 100 см, рекомендуется использовать материалы, полученные спеканием порошков, как подробно описано ниже.

Таблица 7. Сравнение технологий выращивания кристаллов и спекания порошков

Примечание: в представленной выше таблице, в которой указаны основные материалы порошка, не указан порошок ⁶LiF, добавляемый в каждом случае в количестве 0,1-5%; и хотя в таблице показаны параметры сравнения только этих трех видов материалов замедлителя MgF₂+LiF, AlF₃+LiF и CaF₂+LiF, применяемых в вышеуказанных технологиях, специалисты в данной области техники знают, что их также можно легко сравнить с другими материалами замедлителя, например с Al₂O₃+LiF.

Из вышеуказанной таблицы понятно, что, хотя плотность материала замедлителя, изготовленного способом с применением выращивания кристаллов, может приближаться к теоретической плотности, например доходить до 99,99% теоретической плотности, если необходимо достичь целевого большого размера материала замедлителя, из-за малого размера монокристаллов нужно сращивать много монокристаллов, и в процессе может также понадобиться осуществить в отношении него зеркальную полировку и другие технологические операции, что не только требует много времени, но и больших расходов, а также повышает степень сложности технологии.

Плотность материала замедлителя, полученного способом спекания порошков, может доходить до 80-100% теоретической плотности. Предпочтительно, плотность материала замедлителя доходит до 99,99% теоретической плотности. Это имеет очевидные преимущества с точки зрения размера, времени, стоимости и сложности технологии, когда между теоретической плотностью и теоретической плотностью материалов замедлителя, полученных способом выращивания кристаллов, нет особой разницы. Фактические размеры материалов замедлителя, полученных способом искрового плазменного спекания, получены в соответствии с требованиями; в одном способе можно производить форму на заказ, тогда как в другом способе применяют общепринятую форму, например форму диаметром 70 см и толщиной 2 см; затем посредством нескольких кусков можно осуществить соединение, и как себестоимость, так и степень сложности технологии такие же, как у спекания с вакуумным горячим прессованием и спекания с горячим изостатическим прессованием, тогда как время для изготовления составляет всего лишь примерно 1 месяц.

Выше рассмотрены только конкретные варианты осуществления изобретения, и элемент для формирования пучка для нейтронозахватной терапии, представленный в настоящем изобретении, никоем образом не ограничивается конструкциями, описанными на основании содержания вышеизложенных вариантов осуществления и прилагаемых графических материалов. Все очевидные изменения, замены и модификации на основе настоящего изобретения в отношении материала, формы и расположения, которые предложит любой специалист в данной области техники, находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения. Поэтому объем защиты настоящего изобретения должен определяться формулой изобретения.

Использование: для нейтронозахватной терапии. Сущность изобретения заключается в том, что элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, содержит вход для пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, а также защитный экран от излучения и выход для пучка, выполненные в указанном элементе для формирования пучка; при этом мишень и пучок протонов, идущий от входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; нейтроны образуют пучки нейтронов, которые определяют основную ось; замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; материал замедлителя получен из MgF₂, или содержит MgF₂, и смеси, содержащей Li, составляющей 0,1-5% по весу от MgF₂, при этом из материала замедлителя в виде порошка или порошковой заготовки с помощью технологии спекания порошков посредством устройства для спекания порошков получен блок; отражатель отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси, обратно к основной оси для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов с целью предотвращения воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани во время терапии; защитный экран от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов с целью уменьшения дозы для нормальных тканей в необлучаемых зонах. Технический результат: обеспечение возможности улучшения потока и качества источника нейтронного излучения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил., 7 табл.

1. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, отличающийся тем, что указанный элемент для формирования пучка содержит вход для пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, а также защитный экран от излучения и выход для пучка, выполненные в указанном элементе для формирования пучка; при этом указанная мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; указанные нейтроны образуют пучки нейтронов; указанные пучки нейтронов определяют основную ось; указанный замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; материал указанного замедлителя получен из одного или более смешанных материалов, содержащих PbF₄, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF_2,, и смеси материалов, содержащих Li, составляющей 0,1-5% по весу указанного одного или более смешанных материалов, содержащих PbF₄, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF₂, при этом из материала замедлителя в виде порошка или порошковой заготовки с помощью технологии спекания порошков посредством устройства для спекания порошков получен блок; указанный отражатель отражает нейтроны, отклонившиеся от указанной основной оси, обратно к указанной основной оси для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; указанный поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов с целью предотвращения воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани во время терапии; указанный защитный экран от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов с целью уменьшения дозы для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

2. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, отличающийся тем, что указанный элемент для формирования пучка содержит вход для пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, а также защитный экран от излучения и выход для пучка, выполненные в указанном элементе для формирования пучка; при этом указанная мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; указанные нейтроны образуют пучки нейтронов; указанные пучки нейтронов определяют основную ось; указанный замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; материал указанного замедлителя получен по меньшей мере из одного материала, содержащего LiF, Li₂CO₃, Al₂O₃, AlF₃, CaF₂ или MgF₂, при этом из материала замедлителя в виде порошка или порошковой заготовки с помощью технологии спекания порошков посредством устройства для спекания порошков получен блок; указанный отражатель отражает нейтроны, отклонившиеся от указанной основной оси, обратно к указанной основной оси для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; указанный поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов с целью предотвращения воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани во время терапии; указанный защитный экран от излучения предназначен для предотвращения утечки нейтронов и фотонов с целью уменьшения дозы для нормальных тканей в необлучаемых зонах.

3. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный элемент для формирования пучка дополнительно предназначен для бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя, при этом в процессе бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя происходит ускорение пучка протонов с помощью ускорителя; указанная мишень выполнена из металла; происходит такое ускорение пучка протонов, которого достаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания атомного ядра мишени и обеспечения ядерной реакции с указанной мишенью с целью получения нейтронов; указанный элемент для формирования пучка выполнен с возможностью замедления нейтронов до диапазона энергии надтепловых нейтронов и уменьшает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, при этом диапазон энергии указанных надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергии указанных тепловых нейтронов составляет меньше 0,5 эВ, а диапазон энергии указанных быстрых нейтронов составляет больше 40 кэВ; указанный отражатель выполнен из материала, обладающего способностью отражать нейтроны; указанный поглотитель тепловых нейтронов выполнен из материала с большим эффективным сечением для тепловых нейтронов.

4. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 3, отличающийся тем, что указанный отражатель выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni; указанный поглотитель тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li; между указанным поглотителем тепловых нейтронов и указанным выходом для пучка предусмотрен воздушный канал; указанный защитный экран от излучения содержит экран для фотонов, выполненный из Pb, и экран для нейтронов, выполненный из PE.

5. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный замедлитель выполнен из двух конусов, которые противоположно направлены и примыкают друг к другу.

6. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 5, отличающийся тем, что указанные конусы имеют первый диаметр, второй диаметр и третий диаметр, при этом длина первого диаметра составляет от 1 см до 20 см, длина второго диаметра составляет от 30 см до 100 см, а длина третьего диаметра составляет от 1 см до 50 см; плотность материала указанного замедлителя составляет от 80% до 100% теоретической плотности.

7. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 1 или 2, отличающийся тем, что между указанным замедлителем и указанным отражателем предусмотрены зазоры для усиления потока надтепловых нейтронов.

8. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанное устройство для спекания порошков представляет собой устройство для спекания с горячим прессованием или устройство искрового плазменного спекания, а указанная технология спекания порошков представляет собой технологию спекания с горячим прессованием или технологию искрового плазменного спекания.

9. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 8, отличающийся тем, что указанное устройство для спекания с горячим прессованием содержит нагревательную печь, давящее устройство, расположенное в указанной нагревательной печи, форму, порошок или порошковую заготовку, загруженные в указанную форму, и управляющее устройство, предназначенное для управления нормальной работой указанного устройства для спекания с горячим прессованием; указанная технология спекания с горячим прессованием включает следующие этапы: заполнение указанной формы соответствующим количеством порошка или порошковой заготовки; включение указанной печи для спекания с горячим прессованием с целью предварительной установки параметров давления и температуры; сдавливание посредством указанного давящего устройства, выполненного с возможностью перемещения, порошка или порошковой заготовки в указанной форме; управление посредством указанного управляющего устройства нормальной работой указанного устройства для спекания с горячим прессованием и подачу электрического тока для получения блока путем спекания.

10. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 8, отличающийся тем, что указанное устройство искрового плазменного спекания содержит первый электрод, второй электрод, электропроводящую форму, расположенную между указанным первым электродом и указанным вторым электродом, генератор импульсного тока, предназначенный для обеспечения тока в указанной форме, давящее устройство с нажимными элементами для осуществления давления и управляющее устройство, предназначенное для управления указанным генератором импульсного тока и указанным давящим устройством; по меньшей мере один из указанных первого электрода и второго электрода выполнен с возможностью перемещения; по меньшей мере один из указанных первого электрода и второго электрода соединен с указанным давящим устройством для обеспечения возможности сдавливания порошка, размещенного в указанной форме; указанная технология искрового плазменного спекания включает следующие этапы: заполнение указанной формы соответствующим количеством порошка; перемещение указанного второго электрода для сдавливания порошка в указанной форме; включение посредством управляющего устройства генератора импульсного тока для подачи в электропроводящую форму электричества для получения тем самым плазмы, при этом происходит активация поверхности частиц порошка и повышение температуры; и получение блока путем спекания.

11. Элемент для формирования пучка, применяемый в нейтронозахватной терапии, по п. 10, отличающийся тем, что указанное устройство искрового плазменного спекания дополнительно содержит систему измерения перемещения для измерения перемещения давящего устройства, систему контроля атмосферы для контроля атмосферы в указанной форме, систему водяного охлаждения для обеспечения охлаждения и устройство измерения температуры, которое предназначено для измерения температуры в указанном устройстве искрового плазменного спекания; указанная технология искрового плазменного спекания дополнительно включает следующие этапы: управление посредством указанного управляющего устройства указанной системой измерения перемещения для обеспечения нормальной работы указанной системы измерения перемещения; управление посредством указанного управляющего устройства указанной системой контроля атмосферы для обеспечения атмосферы в указанной форме при нормальной работе; управление посредством указанного управляющего устройства указанной системой водяного охлаждения для обеспечения нормальной работы указанной системы водяного охлаждения и управление посредством указанного управляющего устройства указанным устройством измерения температуры для обеспечения температуры в указанном устройстве искрового плазменного спекания при нормальной работе.