МАТЕРИАЛ МИШЕНИ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПУЧКА ЧАСТИЦ Российский патент 2025 года по МПК A61N5/10 

Область техники

Изобретение относится к мишени для системы облучения радиоактивными лучами и, в частности, к мишени для устройства для генерирования пучка частиц.

Уровень техники

С развитием ядерных технологий терапия радиоактивными лучами, такая как кóбальт 60, линейный ускоритель, электронный пучок или тому подобное, стала одним из основных средств лечения онкологических заболеваний. Однако традиционная фотонная или электронная терапия ограничена физическими условиями самих радиоактивных лучей, и, таким образом, также будет наносить вред большому количеству здоровых тканей на пути луча при уничтожении опухолевых клеток. При этом из-за различной степени чувствительности опухолевых клеток к радиоактивным лучам, традиционная лучевая терапия обычно оказывает слабый лечебный эффект на злокачественные опухоли (например, мультиформную глиобластому и меланому) с радиорезистентностью.

Для уменьшения радиационного поражения здоровых тканей вокруг опухолей, к лучевой терапии применяется концепция таргетной терапии, используемая в химиотерапии. Что касается опухолевых клеток с высокой радиорезистентностью, в настоящее время также активно разрабатываются источники излучения с высокой относительной биологической эффективностью (RBE), такие как протонная терапия, терапия тяжелыми частицами, нейтронозахватная терапия и т. п. Здесь нейтронозахватная терапия сочетает в себе два вышеупомянутых понятия, например, бор-нейтронозахватная терапия (BNCT) является лучшим выбором при лечении онкологического заболевания, чем традиционные радиоактивные лучи, за счет специфической агрегации борсодержащих лекарств в опухолевых клетках в сочетании с точным регулированием и контролем пучка.

В терапии BNCT с ускорителем протонный пучок ускоряется ускорителем, чтобы достичь энергии, достаточной для преодоления кулоновских отталкивающих сил атомного ядра мишени, и вызывать ядерную реакцию с мишенью для генерации нейтронов. Следовательно, во время генерации нейтронов мишень подвергается облучению ускоренным протонным пучком с очень высоким энергетическим уровнем, и температура мишени значительно возрастает, при этом металлические части мишени легко вспениваются, что негативно влияет на срок службы мишени.

Поэтому существует необходимость в создании нового технического средства для решения вышеупомянутых проблем.

Раскрытие сущности изобретения

Для решения вышеуказанных проблем, согласно аспекту изобретения, предусмотрена мишень для устройства для генерирования нейтронного пучка, причем мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой, теплорассеивающий слой и теплопроводящий слой, активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противовспенивающий слой расположен сзади активного слоя в направлении падения пучка заряженных частиц и выполнен с возможностью подавлять вспенивание, индуцированное пучком заряженных частиц, теплорассеивающий слой передает тепло, выделенное в мишени, и теплопроводящий слой проводит тепло активного слоя к теплорассеивающему слою.

Предпочтительно, теплопроводящий слой может быть расположен между активным слоем и противовспенивющим слоем и соединен с теплорассеивающим слоем. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающий слой выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени; через противовспенивающий слой проведение тепла по существу не осуществляется, и для противовспенивающего слоя необходимо учитывать только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Кроме того, теплопроводящий слой и теплорассеивающий слой могут окружать противовспенивающий слой, а теплорассеивающий слой или теплопроводящий слой могут быть сформированы с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя.

Кроме того, вмещающая полость может иметь нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой.

Предпочтительно, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и материал каждого из теплорассеивающего слоя и теплопроводящего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta.

Предпочтительно мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от противовспенивающего слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из теплорассеивающего и теплопроводящего слоя до центральной оси.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя и изоляции активного слоя от воздуха, и противоокислительный слой, активный слой, теплопроводящий слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой могут быть последовательно расположены в направлении падения пучка заряженных частиц.

Кроме того, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок, а противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Кроме того, противоокислительный слой может быть изготовлен из Al или Al₂O₃ или полиимида и обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке или замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, и материал противоокислительного слоя выбирается с учетом того, чтобы он не мог легко подвергался коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком.

Кроме того, полиимид может иметь следующую молекулярную структурную формулу:

.

Согласно второму аспекту изобретения предложена мишень для устройства для генерирования пучка частиц, причем мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой, активный слой выполнен с возможностью генерирования пучка частиц, противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавления вспенивания активного слоя во время генерирования пучка частиц, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой отводят тепло, выделенное в мишени, противовспенивающий слой расположен между первым теплорассеивающим слоем и вторым теплорассеивающим слоем, и первый теплорассеивающий слой проводит тепло активного слоя ко второму теплорассеивающему слою. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, первый теплорассеивающий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, ко второму теплорассеивающему слою, тепло на втором теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени; через противовспенивающий слой проведение тепла по существу не выполняется, и для противовспенивающего слоя необходимо учитывать только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Предпочтительно, первый теплорассеивающий слой может быть расположен между активным слоем и противовспенивающим слоем и соединен со вторым теплорассеивающим слоем, так что первый теплорассеивающий слой имеет большую площадь, контактирующую с активным слоем, и может быстро проводить тепло ко второму теплорассеивающему слою.

Кроме того, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой могут окружать противовспенивающий слой, и первый теплорассеивающий слой или второй теплорассеивающий слой могут быть сформированы с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Теплопроводность по существу не осуществляется через противовспенивающий слой и для противовспенивающего слоя нужно учитывать только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Кроме того, вмещающая полость может иметь нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя, и противоокислительный слой, активный слой, первый теплорассеивающий слой, противовспенивающий слой и второй теплорассеивающий слой могут быть расположены последовательно. Противоокислительный слой обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, а материал противоокислительного слоя выбирается с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком.

Кроме того, активный слой, первый теплорассеивающий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок, а противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из противовспенивающего слоя и противоокислительного слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из первого теплорассеивающего и второго теплорассеивающего слоя до центральной оси.

Кроме того, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и​ ​материал каждого из первого теплорассеивающего слоя и второго теплорассеивающего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta, и материал противоокислительного слоя может представлять собой Al или Al₂O₃ или полиимид.

Кроме того, полиимид может иметь следующую молекулярную структурную формулу:

.

Согласно третьему аспекту изобретения предложена мишень для устройства для генерирования пучка частиц, причем мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой, активный слой выполнен с возможностью генерирования пучка частиц, противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавления вспенивания активного слоя во время генерирования пучка частиц, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой передают тепло, выделенное в мишени, наружу и соединены друг с другом, первый теплорассеивающий слой расположен между активным слоем и противовспенивающим слоем. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие показатели рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, первый теплорассеивающий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, ко второму теплорассеивающему слою, тепло на втором теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени; первый теплорассеивающий слой имеет большую площадь, контактирующую с активным слоем, и может быстро проводить тепло ко второму теплорассеивающему слою.

Предпочтительно, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой могут окружать противовспенивающий слой, и первый теплорассеивающий слой или второй теплорассеивающий слой могут быть сформированы с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Через противовспенивающий слой теплопроводность, по существу, не осуществляется и для противовспенивающего слоя должны учитываться только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя, и противоокислительный слой, активный слой, первый теплорассеивающий слой, противовспенивающий слой и второй теплорассеивающий слой могут быть расположены последовательно. Противоокислительный слой обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, а материал противоокислительного слоя выбирается с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком.

Кроме того, активный слой, первый теплорассеивающий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок, а противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из противовспенивающего слоя и противоокислительного слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из первого теплорассеивающего и второго теплорассеивающего слоя до центральной оси.

Кроме того, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и материал каждого из первого теплорассеивающего слоя и второго теплорассеивающего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta, и материал противоокислительного слоя может представлять собой Al или Al₂O₃ или полиимид.

Кроме того, полиимид может иметь следующую молекулярную структурную формулу:

.

Согласно четвертому аспекту изобретения предложена мишень для устройства для генерирования пучка частиц, мишень включает в себя противоокислительный слой, активный слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой, активный слой взаимодействует с падающим пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавлять вспенивание активного слоя во время генерирования пучка частиц, противоокислительный слой представляет собой полимерную пленку и изолирует активный слой от воздуха, чтобы обеспечить возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой также может предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя.

Предпочтительно материал полимерной пленки может представлять собой полиимид со следующей молекулярной структурной формулой:

.

Предпочтительно, противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Предпочтительно мишень может дополнительно содержать теплопроводящий слой. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорасеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени; противовспенивающий слой может быть расположен между теплопроводящим слоем и теплорассеивающим слоем, теплопроводящий слой может быть соединен с теплорассеивающим слоем, а теплопроводящий слой или теплорассеивающий слой может быть сформирован с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Через противовспенивающий слой проведение тепла по существу не осуществляется и для противовспенивающего слоя должны учитываться только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Кроме того, вмещающая полость может иметь нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой. Кроме того, теплопроводящий слой может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от противовспенивающего слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из теплопроводящего и теплоплорассеивающего слоя до центральной оси.

Кроме того, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок.

Кроме того, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и материал каждого из теплопроводящего и теплорассеивающего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta. Кроме того, активный слой может иметь толщину от 49 мкм до 189 мкм и может полностью реагировать с протонным пучком, имеющим энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ, так что загрязнение γ-лучами уменьшается, не происходит выделение энергии из-за избыточной толщины и теплорассеивающие характеристики мишени не изменяются; противовспенивающий слой может быть выполнен с возможностью подавления пенообразования, индуцированного пучком заряженных частиц, и может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм, так что водород, генерируемый пучком падающих заряженных частиц в мишени, может быстро диффундировать, концентрация водорода ослабляется или водород выделяется наружу, пенообразование, индуцированное пучком падающих заряженных частиц, эффективно подавляется, тем самым предотвращая или уменьшая деформацию мишени из-за пенообразования и продлевая срок службы мишени.

Согласно пятому аспекту изобретения предусмотрена подложка мишени для устройства для генерирования пучка частиц, подложка содержит противовспенивающий слой, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой, противовспенивающий слой выполен с возможностью подавлять вспенивание мишени во время генерирования пучка частиц, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой передает тепло, выделенное в мишени, наружу, при этом противовспенивающий слой расположен между первым теплорассеивающим слоем и вторым теплорассеивающим слоем, а первый теплорассеивающий слой соединен со вторым теплорассеивающим слоем.

Предпочтительно, первый теплорассеивающий слой и второй теплорассеивающий слой могут окружать противовспенивающий слой, и первый теплорассеивающий слой или второй теплорассеивающий слой могут быть сформированы с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Кроме того, вмещающая полость может иметь нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой.

Предпочтительно, первый теплорассеивающий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на второй теплорассеивающий слой путем образования пленок.

Предпочтительно мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из первого теплорассеивающего слоя и второго теплорассеивающего слоя до центральной оси.

Предпочтительно, материал каждого из первого теплорассеивающего слоя и второго теплорассеивающего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta.

Согласно шестому аспекту изобретения предусмотрена система нейтронозахватной терапии, содержащая устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка. Устройство генерации нейтронов содержит ускоритель и мишень, а пучок заряженных частиц, генерируемый ускорением ускорителя, взаимодействует с мишенью для генерации нейтронного пучка. Узел формирования пучка содержит отражатель, замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, экран защиты от излучения и выход пучка. Замедлитель замедляет нейтроны, генерируемые из мишени в область энергии надтепловых нейтронов. Отражатель окружает замедлитель и направляет отклоненные нейтроны обратно в замедлитель для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Поглотитель тепловых нейтронов выполнен с возможностью поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерной дозы, прикладываемой к здоровым тканям на неглубоких слоях во время лечения. Экран защиты от излучения расположен вокруг выхода пучка для экранирования просочившихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу, применяемую к здоровым тканям в областях, не подверженных облучению. Мишень включает в себя активный слой, противовспенивающий слой, теплорассеивающий слой и теплопроводящий слой, активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противовспенивающий слой расположен сзади активного слоя в направлении падения пучка заряженных частиц и выполнен с возможностью подавлять вспенивание, вызванное пучком заряженных частиц, тплорассеивающий слой расположен сзади противовспенивающего слоя в направлении падения пучка заряженных частиц и передает тепло, выделенное в мишени, и теплопроводящий слой проводит тепло активного слоя к теплорассеивающему слою. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени.

Предпочтительно, теплопроводящий слой может быть расположен между активным слоем и противовспенивающим слоем и соединен с теплорассеивающим слоем, так что теплопроводящий слой имеет большую площадь, контактирующую с активным слоем, и может быстро проводить тепло к теплорассеивающему слою.

Предпочтительно теплорассеивающий слой и теплопроводящий слой могут окружать противовспенивающий слой, а теплопроводящий слой соединен с теплорассеивающим слоем. Через противовспенивающий слой проведение тепла по существу не осуществляется и для противовспенивающего слоя должны учитываться только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности. Кроме того, теплорассеивающий слой или теплопроводящий слой может быть сформирован с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Кроме того, вмещающая полость может содержать нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой.

Предпочтительно, противовспенивающий слой может быть изготовлен из материала для подавления пенообразования, такого как материал с коэффициентом диффузии водорода не менее 10 E-6 см²/с при 200°C. Кроме того, материал противовспенивающего слоя может содержать по меньшей мере один из Nb, Ta, Pd, V, их сплава или их соединения; каждый из теплорассеивающего слоя и теплопроводящего слоя изготовлен из теплопроводящего материала. Кроме того, материал каждого из теплорассеивающего и теплопроводящего слоя может содержать по меньшей мере один из Cu, Fe, Al, их сплава или их соединения.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя и расположенный перед активным слоем в направлении падения пучка заряженных частиц. Противоокислительный слой обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, а материал противоокислительного слоя выбирается с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком. Кроме того, материал противоокислительного слоя может содержать по меньшей мере один из Al, Ti, его сплава, его соединения или нержавеющей стали.

Кроме того, противоокислительный слой, активный слой, теплопроводящий слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой могут быть последовательно расположены в направлении падения пучка заряженных частиц.

Кроме того, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок, а противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой. Кроме того, в вакуумной среде материалы противоокислительного слоя, активного слоя, теплопроводящего слоя и противовспенивающего слоя последовательно испаряются в газы для осаждения в теплорассеивающем слое, так что толщина каждого слоя мишени может точно регулироваться.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из противовспенивающего слоя и противоокислительного слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из первого теплорассеивающего и второго теплопроводящего слоя до центральной оси.

Кроме того, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, пучок заряженных частиц представляет собой протонный пучок, и материал каждого из теплорассеивающего слоя и теплопроводящего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta, и материал противоокислительного слоя может представлять собой Al или Al₂O₃ или полиимид.

Кроме того, полиимид может иметь следующую молекулярную структурную формулу:

.

Кроме того, протонный пучок может иметь энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ, которая может производить большое поперечное сечение, взимодействующее с литиевой мишенью, в то время как избыточные быстрые нейтроны не генерируются, для получения лучшего качества пучка. Активный слой может иметь толщину от 49 мкм до 189 мкм и может полностью реагировать с протонами, так что загрязнение γ-лучами уменьшается, не происходит выделение энергии из-за избыточной толщины, а теплорассеивающие характеристики мишени не изменяются; противовспенивающий слой может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм, так что водород, генерируемый пучком падающих заряженных частиц в мишени, может быстро диффундировать, концентрация водорода понижается или водород выделяется наружу, пенообразование, индуцированное пучком падающих заряженных частиц, эффективно подавляется, тем самым предотвращая или уменьшая деформацию мишени из-за пенообразования и продлевая срок службы мишени; противоокислительный слой может иметь толщину более 5 нм, теплопроводящий слой может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм, а срок службы мишени может быть не менее 200 мА⋅ч.

Предпочтительно, система нейтронозахватной терапии может дополнительно содержать процедурный стол и коллиматор, при этом нейтронный пучок, генерируемый устройством генерации нейтронов, проходит через узел формирования пучка и облучает пациента на процедурном столе, а между пациентом и выходом пучка расположено устройство защиты от излучения для экранирования излучения пучка, выходящего из выхода пучка, в здоровые ткани пациента. Коллиматор расположен в задней части выхода пучка для сходимости нейтронного пучка, в узле формирования пучка расположены первая охлаждающая трубка и вторая охлаждающая трубка, а теплорассеивающий слой мишени имеет вход охлаждения, выход охлаждения и извилистый канал охлаждения, расположенный между входом охлаждения и выходом охлаждения. Конец первой охлаждающей трубки и конец второй охлаждающей трубки соединены соответственно с входом охлаждения и выходом охлаждения мишени, а другой конец первой охлаждающей трубки и другой конец второй охлаждающей трубки соединены с внешним источником охлаждения. Изогнутая геометрия извилистого канала охлаждения представляет собой непрерывно изогнутую гладкую кривую, или изогнутые сегменты, или прямые сегменты, последовательно соединенные встык, а непрерывно изогнутая гладкая кривая представляет собой синусоидальную волновую функцию. Извилистый канал расширяет путь циркуляции, который может увеличивать площадь поверхности стенки теплопередачи, контактирующей с охлаждающей средой, тем самым увеличивая поверхность рассеивания тепла, при этом образуя вторичный поток, увеличивая эффект перемешивания, улучшая способность к теплопередаче и эффект рассеивания тепла и помогая продлить срок службы мишени. В канале охлаждения используется непрерывно изогнутая плавная кривая, такая как синусоидальная волновая функция, которая может дополнительно уменьшать сопротивления потоку, индуцированные путями потока.

Кроме того, мишень может быть расположена в узле формирования пучка, ускоритель снабжен ускорительной трубкой для ускорения пучка заряженных частиц, ускорительная трубка проходит в узел формирования пучка в направлении пучка заряженных частиц и последовательно проходит через отражатель и замедлитель, мишень расположена в замедлителе и расположена на конце ускорительной трубки, а первая охлаждающая трубка и вторая охлаждающая трубка расположены между ускорительной трубкой и отражателем и замедлителем.

Согласно седьмому аспекту изобретения предложена система нейтронозахватной терапии, содержащая устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка. Устройство генерации нейтронов содержит ускоритель и мишень, а пучок заряженных частиц, генерируемый ускорением ускорителя, взаимодействует с мишенью для генерации нейтронного пучка. Узел формирования пучка содержит отражатель, замедлитель, поглотитель тепловых нейтронов, экран защиты от излучения и выход пучка. Замедлитель замедляет нейтроны, генерируемые из мишени в область энергии надтепловых нейтронов. Отражатель окружает замедлитель и направляет отклоненные нейтроны обратно в замедлитель для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Поглотитель тепловых нейтронов выполнен с возможностью поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерной дозы, прикладываемой к здоровым тканям на неглубоких слоях во время лечения. Экран защиты от излучения расположен вокруг выхода пучка для экранирования просочившихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу, прикладываемую к здоровым тканям в областях, не подверженных облучению. Мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой, причем активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавлять вспенивание активного слоя во время генерирования нейтронного пучка, а активный слой имеет толщину от 49 мкм до 189 мкм и может полностью реагировать с протонным пучком, так что загрязнение γ-лучами уменьшается, не происходит выделение энергии из-за избыточной толщины и теплорассеивающие характеристики мишени не изменяются.

Предпочтительно активный слой может иметь толщину 97 мкм.

Предпочтительно мишень может дополнительно содержать теплопроводящий слой, расположенный между активным слоем и противовспенивающим слоем, соединенный с теплорассеивающим слоем, и проводящий тепло активного слоя к теплорассеивающеему слою. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени. Кроме того, теплопроводящий слой может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм, противовспенивающий слой может иметь толщину от 5 мкм до 50 мкм и может быстро диффундировать водород, генерируемый пучком падающих заряженных частиц в мишени, так что концентрация водорода уменьшается или водород выделяется наружу, пенообразование, вызванное пучком падающих заряженных частиц, эффективно подавляется, тем самым предотвращая или уменьшая деформацию мишени из-за пенообразования и продлевая срок службы мишени.

Предпочтительно, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и пучок заряженных частиц может иметь энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ, которая может генерировать высокое поперечное сечение, взаимодействующее с литиевой мишенью, в то время как избыточные быстрые нейтроны не генерируются, для получения лучшего качества пучка.

Кроме того, материал каждого из теплорассеивающего слоя и теплопроводящего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta.

Кроме того, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от противовспенивающего слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из теплорассеивающего и теплопроводящего слоя до центральной оси.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью изоляции активного слоя от воздуха и имеющий толщину более 5 нм, противоокислительный слой обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, а материал противоокислительного слоя выбирают с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком; противоокислительный слой может быть изготовлен из Al₂O₃ или полиимида, и противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Согласно восьмому аспекту изобретения предложена мишень для устройства для генерирования пучка частиц, причем мишень последовательно содержит противоокислительный слой, активный слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой в направлении падения пучка заряженных частиц. Активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерации нейтронного пучка и имеет толщину от 49 мкм до 189 мкм и может полностью реагировать с протонами, так что загрязнение γ-лучами уменьшается, не происходит выделение энергии из-за избыточной толщины и теплорассеивающие характеристики мишени не изменяются; противоокислительный слой изолирует активный слой от воздуха и имеет толщину более 5 нм, противоокислительный слой обеспечивает возможность мишени находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, и противоокислительный слой может также предотвращать переполнение мишени побочным продуктом активного слоя, а материал противоокислительного слоя выбирается с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии активным слоем и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, индуцированное протонным пучком; противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавления пенообразования, индуцированного пучком заряженных частиц, и имеет толщину 5 от мкм до 50 мкм, так что водород, генерируемый пучком падающих заряженных частиц в мишени, может быстро диффундировать, концентрация водорода ослабляется или водород высвобождается наружу, пенообразование, вызванное пучком падающих заряженных частиц, эффективно подавляется, тем самым предотвращая или уменьшая деформацию мишени из-за пенообразования и продлевая срок службы мишени.

Предпочтительно, пучок заряженных частиц может иметь энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ3, которая может производить большое поперечное сечение, взаимодействующее с литиевой мишенью, в то время как избыточные быстрые нейтроны не генерируются, для получения лучшего качества пучка.

Предпочтительно мишень может дополнительно содержать теплопроводящий слой, проводящий тепло активного слоя к теплорассеивающему слою и имеющий толщину от 5 мкм до 50 мкм. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени.

Кроме того, противовспенивающий слой может быть расположен между теплорассеивающим слоем и теплопроводящим слоем, теплопроводящий слой может быть соединен с теплорассеивающим слоем, а теплорассеивающий слой или теплопроводящий слой может быть сформирован с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя. Через противовспенивающий слой проведение тепла по существу не осуществляется и для противовспенивающего слоя должны учитываться только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности.

Кроме того, материал активного слоя может представлять собой Li, или соединение Li, или сплав Li, и материал каждого из теплорассеивающего слоя и теплопроводящего слоя может представлять собой Cu, или соединение Cu, или сплав Cu, и материал противовспенивающего слоя может представлять собой Ta, или соединение Ta, или сплав Ta, и противоокислительный слой может быть выполнен из Al или Al₂O₃ или полиимида.

Кроме того, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок, а противоокислительный слой может быть нанесен на активный слой путем образования пленки, или противоокислительный слой может представлять собой полимерную пленку и быть нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой.

Кроме того, мишень может иметь форму пластины и иметь центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от каждого из активного слоя и противоокислительного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от противовспенивающего слоя до центральной оси, а максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из теплорассеивающего и теплопроводящего слоя до центральной оси.

Согласно девятому аспекту изобретения предложено устройство обработки мишени для устройства для генерирования пучка частиц, причем мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой, активный слой выполнен с возможностью генерирования пучка частиц, противовспенивающий слой выполнен с возможностью подавления вспенивания активного слоя во время генерирования пучка частиц, а теплорассеивающий слой передает тепло, выделенное в мишени, наружу. Устройство обработки содержит вакуумную камеру, откачивающее устройство, испаритель, кронштейн и нагревательное устройство, причем откачивающее устройство выполнено с возможностью выкачивания вакуумной камеры с образованием вакуумной среды; испаритель выполнен с возможностью последовательного испарения материалов противовспенивающего слоя и активного слоя в газы в вакуумной камере; кронштейн выполнен с возможностью размещения теплорассеивающего слоя; а нагревательное устройство выполнено с возможностью нагревания теплорассеивающего слоя, и затем материалы газов последовательно осаждаются на поверхности теплорасеивающего слоя, обращенной к испарителю. Используя устройство обработки можно точно контролировать толщину каждого слоя мишени.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя, и испаритель может испарять активный слой в газ, а затем испарять противоокислительный слой в газ.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать теплопроводящий слой, проводящий тепло активного слоя к теплорассеивающему слою, и испаритель может испарять противовспенивающий слой в газ, затем испарять теплопроводящий слой в газ, а затем испарять активный слой в газ. Поскольку противовспенивающий слой имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени.

Кроме того, устройство обработки может дополнительно содержать устройство определения толщины пленки, выполненное с возможностью определения толщины каждого из активного слоя и противовспенивающего слоя и управления скоростью осаждения газов.

Согласно десятому аспекту изобретения предложен способ обработки мишени для устройства для генерирования пучка частиц, причем мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой, теплорассеивающий слой и теплопроводящий слой, активный слой выполнен с возможностью генерирования пучка частиц, противовспенивающий слой выолнен с возможностью подавлять вспенивание активного слоя во время генерирования пучка частиц, теплорассеивающий слой передает тепло, выделенное в мишени, а теплопроводящий слой проводит тепло активного слоя к теплорассеивающему слою. Способ обработки включает следующие этапы. Противовспенивающий слой, теплопроводящий слой и активный слой последовательно наносят на теплорассеивающий слой путем формирования пленок. Поскольку противовспенивающий слой имеет слабые характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое, к теплорассеивающему слою, теплопроводящий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, к теплорассеивающему слою, тепло на теплорассеивающем слое выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени; с помощью способа обработки можно точно контролировать толщину каждого слоя мишени.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя, и способ обработки может включать следующие этапы. Противоокислительный слой в форме пленки покрывает активный слой, или противоокислительный слой наносят на активный слой путем формирования пленки.

Предпочтительно способ образования пленки может представлять собой физическое осаждение из паровой фазы (PVD), напыление, термическую сварку или осаждение атомного слоя (ALD).

Согласно одиннадцатому аспекту изобретения предложен способ обработки мишени для устройства для генерирования нейтронного пучка, причем мишень включает в себя противоокислительный слой, активный слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой, активный слой взаимодействует с пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противоокислительный слой расположен перед активным слоем в направлении падения пучка заряженных частиц и выполнен с возможностью предотвращения окисления активного слоя, противовспенивающй слой расположен за активным слоем в направлении падения пучка заряженных частиц и выполнен с возможностью подавления пенообразования, индуцированного пучком заряженных частиц, а теплорассеивающий слой расположен сзади противовспенивающего слоя в направлении падения пучка заряженных частиц и переносит тепло, выделенное в мишени, наружу. Способ обработки противоокислительного слоя отличается от способа обработки активного слоя.

Предпочтительно, мишень может дополнительно содержать теплопроводящий слой, проводящий тепло активного слоя к теплорассеивающему слою, и противовспенивающий слой, теплопроводящий слой и активный слой могут быть последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем образования пленок. Кроме того, в вакуумной среде материалы противовспенивающего слоя, теплопроводящего слоя и активного слоя последовательно испаряются в газы для осаждения в теплорассеивающем слое, так что толщина каждого слоя мишени может точно регулироваться.

Предпочтительно, противоокислительный слой может быть полимерной пленкой и нанесен на активный слой с помощью процесса покрытия пленкой. Кроме того, использование полимерной пленки удобно в сборке и имеет низкую стоимость.

Согласно системе нейтронозахватной терапии и мишени для устройства для генерирования пучка частиц согласно изобретению, первый теплорассеивающий слой выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое, ко второму теплорассеивающему слою, тепло на второй теплорассеивающий слой выводится через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически показана система нейтронозахватной терапии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 2 схематически показана мишень в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 3 схематически в разобранном виде показана мишень с фиг. 2.

На фиг. 4 схематически показан первый вариант осуществления теплорассеивающего слоя мишени с фиг. 2.

На фиг. 5 схематически показана первая пластина теплорассеивающего слоя с фиг. 4.

На фиг. 6 схематически показан второй вариант осуществления теплорассеивающего слоя мишени с фиг. 2.

На фиг. 7 схематически показана первая пластина теплорассеивающего слоя с фиг. 6.

На фиг. 8 схематически показана мишень устройства обработки в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 9 показана блок-схема способа обработки мишени в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 10 показан смоделированный и рассчитанный выход нейтронов при бомбардировании протонами 2,2 МэВ литиевых (Li) мишеней с различной толщиной в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 11 показан смоделированный и рассчитанный выход нейтронов при бомбардировании протонами 2,5 МэВ литиевых (Li) мишеней с различной толщиной в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 12 показан смоделированный и рассчитанный выход нейтронов при бомбардировании протонами 3 МэВ литиевых (Li) мишеней с различной толщиной в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Варианты осуществления изобретения будут дополнительно подробно описаны ниже со ссылками на чертежи, чтобы позволить специалисту в данной области техники осуществить это изобретение со ссылкой на описание изобретения.

Как показано на фиг. 1, система нейтронозахватной терапии в варианте осуществления предпочтительно представляет собой систему 100 терапии BNCT и содержит устройство 10 генерации нейтронов, узел 20 формирования пучка, коллиматор 30 и процедурный стол 40. Устройство 10 генерации нейтронов содержит ускоритель 11 и мишень T, ускоритель 111 ускоряет заряженные частицы (такие как протоны, дейтериевые ядра и тому подобное) для генерации пучка C заряженных частиц, такого как протонный пучок, пучок C заряженных частиц направляется на мишень T и взаимодействует с мишенью T для генерации нейтронного пучка N. Предпочтительно, мишень T представляет собой металлическую мишень. Подходящая ядерная реакция выбирается в соответствии с такими характеристиками, как требуемый выход и энергия нейтронов, доступные энергии ускоренных заряженных частиц, текущие, физические и химические свойства металлической мишени и тому подобное. Обычно ядерные реакции включают ⁷Li(p, n) ⁷Be и ⁹Be(p, n) ⁹B, обе из которых являются эндотермическими реакциями и имеют энергетические пороги 1,881 МэВ и 2,055 МэВ соответственно. Идеальным источником нейтронов для BNCT является надтепловой нейтрон на энергетическом уровне кэВ, при этом теоретически, когда для бомбардировки металлической литиевой мишени используются протоны с энергиями только немного выше порогового значения, могут генерироваться нейтроны с относительно низкими энергиями для клинического применения, не слишком замедляя лечение. Площади поперечного сечения металлических мишеней из лития (Li) и бериллия (Be), взаимодействующие с протонами пороговых энергий, не велики, поэтому для инициирования ядерной реакции обычно выбираются протоны с более высокими энергиями, чтобы генерировать достаточно большой поток нейтронов. Идеальная мишень должна иметь высокий выход нейтронов, распределение генерируемой нейтронной энергии близко к области энергии надтепловых нейтронов (это будет подробно описано ниже), должно отсутствовать слишком сильное проникающее излучение, и присутствовать такие характеристики, как безопасность, дешевизна, простота в эксплуатации, устойчивость к высокой температуре, или тому подобные. Однако ядерные реакции, которые отвечают всем требованиям, невозможно найти в реальности. Специалистам в данной области техники хорошо известно, что мишень T также может быть изготовлена из сплава Li и Be, соединения Li и Be или других материалов, например, мишень T может быть образована танталом (Ta) или вольфрамом (W), сплавом Ta и W, соединением Ta и W или тому подобным. Ускоритель 11 может быть линейным ускорителем, циклотроном, синхротроном, синхроциклотроном. Нейтронный пучок N, генерируемый устройством 10 генерации нейтронов, направляют к пациенту 200 на процедурном столе 40 после последовательного прохождения через узел 20 формирования пучка и коллиматор 30. Узел 20 формирования пучка выполнен с возможностью регулирования качества нейтронного пучка N, генерируемого устройством 10 генерации нейтронов, а коллиматор 30 выполнен с возможностью сведения нейтронного пучка N, так что нейтронный пучок N имеет высокие характеристики наведения во время лечения. Узел 20 формирования пучка дополнительно содержит отражатель 21, замедлитель 22, поглотитель 23 тепловых нейтронов, экран 24 защиты от излучения и выход 25 пучка. Нейтроны, генерируемые устройством 10 генерации нейтронов, имеют большие энергетические спектры, содержимое других видов нейтронов и фотонов требуется максимально уменьшить, за исключением надтепловых нейтронов, отвечающих требованиям лечения, чтобы избежать травмирования оператора или пациента. Следовательно, нейтроны, выходящие из устройства 10 генерации нейтронов, должны проходить через замедлитель 22, чтобы регулировать энергии (> 40 кэВ) быстрых нейтронов в нем до области энергии надтепловых нейтронов (от 0,5 эВ до 40 кэВ). Замедлитель 22 выполнен из материала, имеющего большое поперечное сечение, взаимодействующее с быстрыми нейтронами, и небольшое поперечное сечение, взаимодействующее с надтепловыми нейтронами. В варианте осуществления изобретения замедлитель 22 выполнен по меньшей мере из одного из D₂O, AlF₃, Fluental™, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ или Al₂O₃. Отражатель 21 окружает замедлитель 22 и отражает нейтроны, рассеиваемые вокруг при прохождении через замедлитель 22 обратно к нейтронному пучку N для улучшения коэффициента использования нейтронов, и выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражения нейтронов. В варианте осуществления отражатель 21 выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni, поглотитель 23 тепловых нейтронов (< 0,5 эВ) расположен в задней части замедлителя 22 и выполнен из материала, имеющего большое поперечное сечение, взаимодействующее с тепловыми нейтронами. В варианте осуществления поглотитель 23 тепловых нейтронов изготовлен из Li-6 и выполнен с возможностью поглощения тепловых нейтронов, проходящих через замедлитель 22, для уменьшения содержания тепловых нейтронов в нейтронном пучке N, что позволяет избежать приложения чрезмерной дозы к здоровым тканям на неглубоких слоях во время лечения. Следует понимать, что поглотитель тепловых нейтронов также может быть объединен с замедлителем, а материал замедлителя содержать Li-6. Экран 24 защиты от излучения расположен вокруг выхода 25 пучка и выполнен с возможностью экранирования нейтронов и фотонов, просочившихся из частей, отличных от выхода 25 пучка, а материал экрана 24 защиты от излучения содержит по меньшей мере один из материала, экранирующего фотоны, или материала, экранирующего нейтроны. В этом варианте осуществления материал экрана 24 защиты от излучения включает свинец (Pb), используемый в качестве экранирующего фотоны материала, и полиэтилен (PE), используемый в качестве экранирующего нейтроны материала. Следует понимать, что узел 20 формирования пучка может также иметь другие конфигурации, предусматривающие возможность получения пучка надтепловых нейтронов, необходимого для лечения. Коллиматор 30 расположен в задней части выпускного отверстия 25 пучка, и пучок надтепловых нейтронов, выходящий из коллиматора 30, направляется к пациенту 200, и после прохождения через здоровые ткани в неглубоких слоях пучок надтепловых нейтронов замедляется до тепловых нейтронов для достижения опухолевой клетки M. Следует понимать, что коллиматор 30 также может быть исключен или заменен другими конструкциями, а нейтронный пучок выходит из выпускного отверстия 25 пучка и непосредственно направляется к пациенту 200. В варианте осуществления между пациентом 200 и выходом 25 пучка дополнительно расположено устройство 50 защиты от излучения для экранирования излучения пучка, выходящего из выхода 125 пучка, к здоровым тканям пациента, но следует понимать, что устройство 50 защиты от радиации может не быть предусмотрено.

После того, как бор (B-10)-содержащее лекарственное средство принимается пациентом 200 или вводится пациенту 200, борсодержащее лекарственное средство селективно агрегируется в опухолевой клетке M, а затем генерируются две сильно заряженные частицы 4He и 7Li с использованием характеристики бор (B-10)-содержащего лекарственного средства, имеющего большой участок захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтронов ¹⁰B (n, α) ⁷Li и реакции ядерного деления. Эти две заряженные частицы имеют среднюю энергию около 2,33 МэВ и обладают характеристиками высокой линейной передачи энергии (LET) и малого размера. LET и размер α-частиц составляют 150 кэВ/мкм и 8 мкм соответственно, LET и размер сильно заряженной частицы ⁷Li составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм соответственно, и эти две частицы имеют общий размер, приблизительно эквивалентный размеру клетки, так что радиационное повреждение организма может быть ограничено клеточным уровнем, и задача локального уничтожения опухолевой клетки может быть решена с учетом того, чтобы не вызвать слишком большого повреждения здоровых тканей.

Ниже со ссылкой на фиг. 2 и фиг. 3 подробно описана структура мишени T.

Мишень T расположена между ускорителем 11 и узлом 20 формирования пучка, а ускоритель 11 имеет ускорительную трубку 111, выполненную с возможностью ускорения пучка заряженных частиц C. В варианте осуществления ускорительная трубка 111 проходит в узел 20 формирования пучка в направлении пучка C заряженных частиц и последовательно проходит через отражатель 21 и замедлитель 22, при этом мишень T расположена в замедлителе 22 и расположена на конце ускорительной трубки 111 для получения лучшего качества нейтронного пучка.

Мишень T содержит активный слой 12, противовспенивающий слой 13, (первый) теплорассеивающий слой 14 и (второй теплорассеивающий слой) теплопроводящий слой 15. Активный слой 12 взаимодействует с пучком C заряженных частиц для генерации нейтронного пучка, и во время генерации нейтронов мишень подвергается облучению пучком C ускоренных заряженных частиц с очень высоким уровнем энергии, так что происходит вспенивание мишени, и температура мишени увеличивается, что приводит к сокращению срока службы мишени. Противовспенивающий слой 13 расположен сзади активного слоя 12 в направлении падения пучка C заряженных частиц и способен быстро диффундировать водород, генерируемый пучком падающих заряженных частиц C в мишень T, так что концентрация водорода уменьшается или водород выделяется наружу, а пенообразование, вызванное пучком падающих заряженных частиц C, эффективно подавляется, тем самым предотвращая или уменьшая деформацию мишени T из-за пенообразования и продлевая срок службы мишени. Противовспенивающий слой 13 изготовлен из материала для подавления пенообразования, такого как материал с коэффициентом диффузии водорода не менее 10 Е-6 см²/с при 200°С, и в варианте осуществления материал противовспенивающего слоя 13 включает по меньшей мере один из Nb, Ta, Pd, V, их сплава или их соединения. Теплорассеивающий слой 14 расположен сзади противовспенивающего слоя 13 в направлении падения пучка C заряженных частиц и передает тепло, выделенное в мишени, чтобы выпустить его через охлаждающую среду, так что температура мишени снижается, предотвращается деформация мишени из-за слишком высокой температуры и продлевается срок службы мишени. Поскольку противовспенивающий слой 13 имеет низкие характеристики рассеивания тепла и не может эффективно проводить тепло, выделенное в активном слое 12, к теплорассеивающему слою 14, теплопроводящий слой 15 выполнен с возможностью прямого и быстрого проведения тепла, выделенного в активном слое 12, к теплорассеивающему слою 14. Каждый из теплорассеивающего слоя 14 и теплопроводящего слоя 15 изготовлен из теплопроводящего материала, и в варианте осуществления материал каждого из теплорассеивающего слоя 14 и теплопроводящего слоя 15 содержит по меньшей мере одно из Cu, Fe, Al, их сплава или их соединения. Теплопроводящий слой 15 расположен между активным слоем 12 и противовспенивающим слоем 13 и соединен с теплорассеивающим слоем 14, то есть, противовспенивающий слой 13 расположен между теплорассеивающим слоем 14 и теплопроводящим слоем 15, соединенными друг с другом, такое расположение позволяет теплопроводящему слою 15 иметь большую площадь, контактирующую с активным слоем 12, и быстро проводить тепло к теплорассеивающему слою 14. Теплопроводность через противовспенивающий слой 13, по существу, не осуществляется и для противовспенивающего слоя 13 должны учитываться только противовспенивающие характеристики, без учета его теплопроводности. Как показано на фиг. 3, в варианте осуществления теплорассеивающий слой 14 и теплопроводящий слой 15 окружают противовспенивающий слой 13, теплопроводящий слой 15 сформирован с вмещающей полостью 151, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя 13, вмещающая полость 151 имеет нижнюю поверхность 1511 и боковую стенку 1512, соединенную с нижней поверхностью 1511, а противовспенивающий слой 13 имеет верхнюю поверхность 131, контактирующую с нижней поверхностью 1511, и наружную стенку 132, контактирующую с боковой стенкой 1512. Следует понимать, что вмещающая полость также может быть образована теплорассеивающим слоем или теплопроводящим слоем и теплорассеивающим слоем совместно. Мишень T может дополнительно содержать противоокислительный слой 16, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя 12 и расположенный перед активным слоем 12 в направлении падения пучка C заряженных частиц, причем противоокислительный слой 16 и теплопроводящий слой 15 охватывают активный слой 12 совместно, то есть изолируют активный слой 12 от воздуха, что обеспечивает возможность мишени T находиться на воздухе без специального средства хранения, что очень удобно, особенно при установке и замене мишени, что значительно снижает стоимость. Противоокислительный слой 16 также может предотвращать переполнение мишени T побочным продуктом (таким как ⁸Be) активного слоя 12, и материал противоокислительного слоя 16 выбирают с учетом того, чтобы он не мог легко подвергаться коррозии из-за активного слоя и мог уменьшить потерю падающего протонного пучка и нагревание, вызванное протонным пучком, например, материал противоокислительного слоя 16 содержит по меньшей мере одно из Al, Ti, их сплава, их соединения или нержавеющей стали. В одном варианте осуществления в материале противоокислительного слоя 16 используется Al₂O₃, поскольку он обладает лучшим противоокислительным эффектом за счет предварительного окисления, а радиоактивные продукты Al, активированные нейтронами, имеют короткие периоды полураспада, уменьшая вторичное излучение. В другом варианте осуществления противоокислительный слой 16 представляет собой полимерную пленку, такую как полиимидная (PI) пленка, и полиимид имеет следующую молекулярную структуру:

.

Полиимид устойчив к высокой температуре и обладает высокими изоляционными характеристиками, превосходными механическими характеристиками и высокими характеристиками устойчивости к излучению, а также имеет температуру термического разложения, достигающую 400 градусов Цельсия или выше, может эффективно экранировать нейтроны высокой энергии и может уменьшать радиационное повреждение здоровых тканей в случае глубоких опухолей; и полимерная пленка наносится на активный слой 12 с помощью процесса покрытия пленкой (такого, как горячее прессование, склеивание или тому подобное), который удобен в сборке и имеет низкую стоимость. Следует понимать, что противоокислительный слой может быть не предусмотрен.

В варианте осуществления протонный пучок используется для бомбардировки литиевой мишени для генерации нейтронов, и протонный пучок последовательно проходит через противоокислительный слой 16, активный слой 12, теплопроводящий слой 15, противовспенивающий слой 13 и теплорассеивающий слой 14 в направлении падения. Протонный пучок имеет энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ, которая может создать большое поперечное сечение, взаимодействующее с литиевой мишенью, в то время как избыточные быстрые нейтроны не генерируются, для получения лучшего качества пучка; активный слой 12 имеет толщину от 49 мкм до 189 мкм и может полностью реагировать с протонами, так что загрязнение γ-лучами уменьшается, не происходит выделение энергии из-за избыточной толщины и теплорассеивающие характеристики мишени не изменяются.

Для моделирования протонных пучков с энергиями 2,2 МэВ, 2,5 МэВ и 3МэВ, бомбардирующих литиевые мишени с разной толщиной соответственно, используется программное обеспечение моделирования для получения выходов нейтронов в случае литиевых мишеней с разной толщиной. Как показано на фиг. 10-12, выход нейтронов является самым высоким, когда протонный пучок имеет энергию 2,2 МэВ, а активный слой мишени, соответственно, имеет толщину 49 мкм; выход нейтронов является самым высоким, когда протонный пучок имеет энергию 2,5 МэВ, а активный слой мишени, соответственно, имеет толщину 97 мкм; выход нейтронов является самым высоким, когда протонный пучок имеет энергию 3 МэВ, а активный слой мишени, соответственно, имеет толщину 189 мкм.

В варианте осуществления протонный пучок имеет энергию 2,5 МэВ, а активный слой 12 мишени имеет толщину 97 мкм, может быть получен нейтронный пучок, необходимый для облучения, при этом выход нейтронов не слишком мал.

После активации Ta нейтронами образуются радиоактивные продукты, толщина противовспенивающего слоя 13 должна быть как можно более малой при условии полного поглощения остаточного протонного пучка, а толщина противовспенивающего слоя 13 может составлять от 5 мкм до 50 мкм. Чтобы уменьшить потери энергии протонного пучка, толщина противоокислительного слоя 16 должна быть как можно более малой и может составлять более 5 нм; теплопроводящий слой 15 изготовлен из меди со сверхвысокой чистотой и имеет толщину от 5 мкм до 50 мкм, чтобы удовлетворять требованиям быстрой теплопередачи к теплорассеивающему слою 14; а срок службы мишени составляет не менее 200 мА⋅ч.

Мишень Т в целом имеет форму пластины и имеет центральную ось А, перпендикулярную поверхности пластины. Следует понимать, что вышеописанная толщина представляет собой толщину каждого слоя мишени T вдоль центральной оси A мишени T, и толщина края каждого слоя мишени T может отличаться в соответствии с конструктивными требованиями.

Теплорассеивающий слой 14 может иметь множество конфигураций, и толщина теплорассеивающего слоя 14 может быть выбрана для удовлетворения требований в соответствии с охлаждающими конструкциями. В первом варианте осуществления теплорассеивающего слоя, показанного на фиг. 4 и фиг. 5, теплорассеивающий слой 14 имеет форму пластины и содержит первую пластину 141 и вторую пластину 142, первая пластина 141 имеет первую сторону 1411, обращенную к активному слою 12, и вторую сторону 1412, противоположную первой стороне 1411, на второй стороне 1412 образован канал Р охлаждения для циркуляции охлаждающей среды, а вторая пластина 142 находится в плотном контакте со второй стороной 1412 первой пластины 141. Следует понимать, что охлаждающий канал P также может быть расположен на стороне второй пластины 142, противоположной первой пластине 141. Охлаждающий канал P имеет извилистую форму, извилистый охлаждающий канал P содержит множество параллельных и извилистых подканалов P1, то есть множество извилистых стенок W расположены параллельно, между смежными стенками W образована извилистая канавка S (то есть параллельный и извилистый подканал P1). Геометрия изгиба параллельного и извилистого подканала P1 представляет собой синусоидальную волновую функцию:

.

Здесь представляет собой фазовый угол, x является координатой направления циркуляции (подробно описанного ниже) охлаждающей среды, k представляет собой амплитуду, а T представляет собой период.

Следует понимать, что охлаждающий канал P может также иметь другую извилистую форму, такую как непрерывно изогнутая гладкая кривая или изогнутые сегменты или прямые сегменты, последовательно соединенные встык. Извилистый канал расширяет путь циркуляции, который может увеличивать площадь поверхности стенки теплопередачи, контактирующей с охлаждающей средой, тем самым увеличивая поверхность рассеивания тепла, при этом образуя вторичный поток, увеличивая эффект перемешивания, улучшая способность к теплопередаче и эффект рассеивания тепла и помогая продлить срок службы мишени. В охлаждающем канале P используется непрерывно изогнутая плавная кривая, такая как синусоидальная волновая функция, которая может дополнительно уменьшать сопротивления потоку, производимые путями потока. Извилистый канал P охлаждения также может иметь другие конфигурации.

Теплорассеивающий слой 14 также имеет вход IN охлаждения и выход OUT охлаждения, канал P охлаждения сообщается со входом IN охлаждения и выходом OUT охлаждения, и охлаждающая среда поступает из входа IN охлаждения, проходит через канал P охлаждения, а затем выходит из выхода OUT охлаждения. Мишень Т подвергают облучению ускоренного протонного пучка с высоким уровнем энергии, температура мишени повышается, и мишень выделяет тепло. Теплопроводящий слой и теплорассеивающий слой отводят тепло, и тепло выводится через охлаждающую среду, циркулирующую в канале охлаждения, для охлаждения мишени T. Имеется три входа IN охлаждения и три выхода OUT охлаждения, соответственно, эти входы охлаждения и выходы охлаждения симметрично расположены на обоих концах канала P охлаждения на первой пластине 141 и проходят и проникают в первую пластину в направлении от первой стороны 1411 ко второй стороне 1412. На второй стороне 1412 дополнительно образованы входная канавка S1 и выходная канавка S2, и входная канавка S1 и выходная канавка S2 сообщаются с входом охлаждения, выходом охлаждения и каждым параллельным и извилистым подканалом P1 соответственно, так что охлаждающая среда, поступающая из входа IN охлаждения, входит в каждый параллельный и извилистый подканал P1 из входной канавки S1, а затем выходит из выхода OUT охлаждения через выходную канавку S2. Следует понимать, что могут быть другие количества или формы входов охлаждения и выходов охлаждения, и вход охлаждения и выход охлаждения также могут быть расположены на второй пластине одновременно или могут быть расположены на первой пластине и второй пластине, соответственно. На периферии входа IN охлаждения и выхода OUT охлаждения дополнительно расположена окружная стенка W1, вторая пластина 142 находится в плотном контакте с поверхностью окружной стенки W1, обращенной ко второй пластине 142, и между первой пластиной 141 и второй пластиной 142 образована полость, так что охлаждающая среда, поступающая из входа IN охлаждения, может выходить только через выход OUT охлаждения, поверхность второй пластины 142, контактирующая с первой пластиной 141, является плоскостью, а высота извилистой стенки W равна высоте окружной стенки W1. Следует понимать, что также может быть ступенчатая поверхность или другая конфигурация. При этом высота извилистой стенки W может отличаться от высоты окружной стенки W1, если каждый параллельный и извилистый подканал P1 не зависит друг от друга. Направления D циркуляции охлаждающей среды в смежных параллельных и извилистых подканалах P1 (общее направление циркуляции охлаждающей среды в канале охлаждения) также могут быть различными, что дополнительно повышает эффективность рассеивания тепла. Входная канавка S1 и выходная канавка S2 могут иметь другие конфигурации, например, позволяющие охлаждающей среде последовательно протекать через каждый параллельный и извилистый подканалы P1. В варианте осуществления материал каждой из первой пластины и второй пластины представляет собой Cu, который имеет хорошие характеристики рассеивания тепла и низкую стоимость. Количество и размеры канавок S, образующих канал P охлаждения, определяются в соответствии с размером фактической мишени, и канавка также может иметь различные формы поперечного сечения, такие как прямоугольник, круг, многоугольник, эллипс или тому подобное, и различные поперечные сечения также могут иметь разные формы.

Первая пластина 141 и вторая пластина 142 прикреплены вместе к замедлителю 22 или концу ускорительной трубки 111 с помощью соединительных компонентов, таких как болты, винты или тому подобное, или с помощью других фиксирующих средств, таких как сварка или тому подобное; или первая пластина 141 прикреплена ко второй пластине 142, а затем одна из первой пластины 141 и второй пластины 142 прикреплена к замедлителю 22 или концу ускорительной трубки 111. Следует понимать, что теплорассеивающий слой также может быть закреплен или установлен с использованием других разъемных соединений для облегчения замены мишени; теплорассеивающий слой 14 также может иметь опорный элемент (не показан на чертежах), по меньшей мере первая пластина 141 или вторая пластина 142 закреплены посредством опорного элемента, а вход IN охлаждения и выход OUT охлаждения также могут быть расположены на опорном элементе. В варианте осуществления между ускорительной трубкой 111 и отражателем 21 и замедлителем 22 расположены первая охлаждающая трубка D1 и вторая охлаждающая трубка D2, конец первой охлаждающей трубки D1 и конец второй охлаждающей трубки D2 соединены с входом IN охлаждения и выходом OUT охлаждения мишени T соответственно, а другой конец первой охлаждающей трубки D1 и другой конец второй охлаждающей трубки D2 соединены с внешним источником охлаждения. Охлаждающей средой может быть деионизированная вода, имеющая чрезвычайно низкую электропроводность, предотвращающая утечку тока, генерируемого в высоковольтной среде, и предотвращающая помехи при генерации нейтронного пучка. Следует понимать, что первая охлаждающая трубка и вторая охлаждающая трубка также могут быть расположены в узле формирования пучка другими способами, и когда мишень расположена вне узла формирования пучка, мишень может быть отменена.

На фиг. 6 и фиг. 7 показан второй вариант осуществления теплорассеивающего слоя, ниже описаны только те элементы из второго варианта осуществления, которые отличаются от первого варианта осуществления. Во втором варианте осуществления теплорассеивающего слоя извилистый охлаждающий канал P′ содержит множество винтовых и извилистых подканалов P1′, то есть одна или более извилистых стенок W′ развернуты по винтовой линии вокруг одного и того же центра, каждая стенка W′ образует множество слоев в радиальном направлении, слои, образованные стенками W′, расположены во взаимодействии в радиальном направлении, и между соседними слоями образована канавка S′ (то есть винтовой и извилистый подканал P1′). Траекторная функция спирального и извилистого подканала P1′:

.

Здесь R_in - центральный радиус, R_out - внешний радиус, θ - угол полярной координаты, K - амплитуда, T - период.

В центре второй пластины 142′ расположен вход IN′ охлаждения, сообщающийся с центром каждого винтового и извилистого подканала P1′. На периферии канала P' охлаждения на первой пластине 141' по окружности равномерно расположены четыре выхода OUT охлаждения, которые проходят и проникают в первую пластину в направлении от первой стороны 1411' ко второй стороне 1412'. Следует понимать, что также могут быть предусмотрены другие конфигурации. Центр канала P′ охлаждения, то есть центр каждого винтового и извилистого подканала P1′, используется в качестве входной канавки S1′, на второй стороне 1412′ первой пластины 141′ дополнительно сформирована выходная канавка S2′ и сообщена с выходом OUT′ охлаждения и каждым винтовым и извилистым подканалом P1′, так что охлаждающая среда, поступающая из входа IN′ охлаждения, входит в каждый винтовой и извилистый подканал P1′ из центра канала P′ охлаждения, а затем выходит из выхода OUT′ охлаждения через выходную канавку S2′. На периферии выхода OUT′ охлаждения расположена окружная стенка W1′, вторая пластина 142′ находится в плотном контакте с поверхностью окружной стенки W1′, обращенной ко второй пластине 142′, и между первой пластиной 141′ и второй пластиной 142′ образована полость, так что охлаждающая среда, поступающая из входа IN′ охлаждения, может выходить только через выход OUT′ охлаждения, поверхность второй пластины 142′, контактирующая с первой пластиной 141′, представляет собой плоскость, а высота извилистой стенки W′ равна высоте окружной стенки W1′. Следует понимать, что также может быть ступенчатая поверхность или другая конфигурация. Здесь высота извилистой стенки W' может отличаться от высоты окружной стенки W1', при условии, что каждый винтовой и извилистый подканал P1' не зависит друг от друга. Направления циркуляции охлаждающей среды в смежных винтовых и извилистых подканалах P1' также могут быть различными, что дополнительно повышает эффективность рассеивания тепла. В центре первой пластины 141′ может быть также расположен выступ 1413′ для регулирования потока, увеличения площади теплопередачи и снижения температуры центрального горячего пятна. Высота выступа 1413′ может быть выше высоты стенки W′ и высоты окружной стенки W1′ и проходить во вход IN′ охлаждения на второй пластине; и выступ 1413′ может иметь форму сплошного конуса, полого конуса, листа или тому подобного.

Для достижения конфигурации вышеуказанной мишени мишень T может использовать процесс нанесения других слоев (противоокислительного слоя 16, активного слоя 12, теплопроводящего слоя 15 и противовспенивающего слоя 13) на теплорассеивающий слой 14 путем формирования пленок, например, с помощью PVD (физическое осаждение из паровой фазы), напыления, термической сварки, ALD (осаждение атомного слоя) или тому подобного. Как показано на фиг. 8, способ изготовления мишени T включает следующие этапы.

На этапе S10 располагают теплорассеивающий слой 14 (выполненный в виде медной пластины), и максимальное расстояние от теплорассеивающего слоя 14 до центральной оси A мишени T составляет R1.

На этапе S20 на поверхность теплорассеивающего слоя 14 наносят противовспенивающий слой 13 (Ta) путем формирования пленки, например, напылением, и максимальное расстояние от противовспенивающего слоя 13 до центральной оси A составляет R2, при этом R2 меньше, чем R1. Область теплорассеивающего слоя 14, где образование пленки (противовспенивающего слоя 13) не требуется, должна быть экранирована, например, для экранирования области используется металлическая пластина, а расстояние от поверхности теплорассеивающего слоя 14 до центральной оси A находится в интервале R2 - R1.

На этапе S30 на поверхность противовспенивающего слоя 13 наносят теплопроводящий слой 15 (Cu) путем образования пленки, например, напылением, и максимальное расстояние от теплопроводящего слоя 15 до центральной оси A составляет R3, при этом R3 больше, чем R2. То есть металлическая пластина, используемая для экранирования на этапе S31, должна быть удалена перед выполнением этапа S32.

На этапе S40 на поверхность теплопроводящего слоя 15 наносят активный слой 12 (Li) путем формирования пленки, например, посредством термической сварки или PVD, и максимальное расстояние от активного слоя 12 до центральной оси A составляет R4, при этом R4 меньше, чем R3. Область поверхности заготовки, полученной на этапе S32, в которой образование пленки (активного слоя 12) не требуется, должна быть экранирована, например, для экранирования этой области используется металлическая пластина, а расстояние от поверхности заготовки, полученной на этапе S32, до центральной оси A находится в интервале R4 - R3. В варианте осуществления R4 меньше, чем R2, так что противовспенивающий слой может полностью поглощать остаточные протоны.

На этапе S50 на поверхность активного слоя 12 наносят противоокислительный слой 16 (Al₂O₃) путем формирования пленки, например, с помощью ALD, а максимальное расстояние от противоокислительного слоя 16 до центральной оси A составляет R5, при этом R5 больше, чем R4. То есть металлическая пластина, используемая для экранирования на этапе S33, должна быть удалена перед выполнением этапа S32.

В варианте осуществления каждый из R5 и R3 равен R1, и следует понимать, что также могут быть предусмотрены другие конфигурации.

Если противоокислительный слой 16 представляет собой полимерную пленку (такую как пленка PI (полиимид)), этап S50 также может быть реализован путем нанесения противоокислительного слоя 16, изготовленного из полимерной пленки, на активный слой 12 с помощью процесса покрытия пленкой, например, с помощью процессов горячего прессования и склеивания. Может быть использован органический силиконовый чувствительный к давлению клей без содержания влаги, который не вступает в реакцию с металлическими слоями, удобен в сборке и имеет низкую стоимость. Кроме того, на активный слой 12 может быть нанесен жидкий полимерный пленочный материал, а затем отвержден (что также может рассматриваться как обработка путем образования пленки), например, с помощью ротационного покрытия, которое является более однородным.

В варианте осуществления в мишени T может использоваться процесс последовательного формирования материалов слоев (противоокислительного слоя 16, активного слоя 12, теплопроводящего слоя 15 и противовспенивающего слоя 13) в газы в вакуумной среде для осаждения в теплорассеивающем слое 14 (PVD). Как показано на фиг. 9, в варианте осуществления устройство 300 обработки мишени T содержит вакуумную камеру 310, выкачивающее устройство 20, испаритель 330, кронштейн 340 и нагревательное устройство 350. Выкачивающее устройство 320 выполнено с возможностью выкачивания вакуумной камеры 310 с образованием вакуумной среды. Испаритель 330 выполнен с возможностью последовательного испарения материалов слоев в газы в вакуумной камере 310, и в варианте осуществления испаритель 330 осуществляет испарение электронным или ионным пучком и расположен в нижней части вакуумной камеры. Кронштейн 340 выполнен с возможностью размещения теплорассеивающего слоя 14, и в варианте осуществления кронштейн 340 расположен в верхней части вакуумной камеры 310. Нагревательное устройство 350 выполнено с возможностью нагревания теплорассеивающего слоя 14, а затем материалы газов осаждаются на поверхности теплорассеивающего слоя 14, обращенной к испарителю 330. Устройство 300 обработки может также содержать устройство 360 определения толщины пленки, выполненное с возможностью определения толщины каждого слоя материала и управления скоростью осаждения газов.

Используя вышеуказанное устройство и способы обработки, можно точно контролировать толщину каждого слоя мишени. Кронштейн 340 также может иметь вращающуюся конструкцию, в которой множество теплорассеивающих слоев фиксируются и последовательно обрабатываются с образованием пленок, повышая эффективность обработки; и множество мишеней также могут обрабатываться одновременно. Следует понимать, что устройство 300 обработки может также иметь другие конфигурации.

Мишень согласно данному варианту осуществления, благодаря ее структуре и процессам обработки, обладает лучшими характеристиками противовспенивания и рассеивания тепла и имеет срок службы не менее 400 мАч. Следует понимать, что устройство обработки и способ обработки согласно варианту осуществления также могут быть применимы к мишени без противоокислительного слоя или теплопроводящего слоя, и в мишени T также могут использоваться другие способы изготовления.

В данном варианте осуществления мишень T имеет в целом форму круглой пластины. Следует понимать, что мишень T также может иметь форму прямоугольной пластины или пластины другой формы; мишень T также может иметь и другие твердые формы; и мишень T также может быть подвижной относительно ускорителя или узла формирования пучка, чтобы облегчить замену мишени или позволить пучку частиц равномерно взаимодействовать с мишенью. Противовспенивающий слой 13, теплорассеивающий слой 14 и теплопроводящий слой 15 также могут образовывать подложку T1 мишени T, где различные активные слои 12 обрабатываются с образованием различных мишеней T. Мишень T может дополнительно содержать опорную часть (не показана), выполненную с возможностью поддержки или установки мишени, опорная часть также может быть выполнена с возможностью установки по меньшей мере части первой охлаждающей трубки D1 и второй охлаждающей трубки D2, и опорная часть может быть изготовлена из материала сплава Al, радиоактивные продукты Al, активированные нейтронами, имеют короткие периоды полураспада, уменьшая вторичное излучение.

Следует понимать, что мишень по изобретению также может быть применена к устройствам генерации нейтронов в других медицинских и немедицинских областях, при условии, что генерация нейтронов основана на ядерной реакции между пучком частиц и мишенью, мишень также изготовлена из различных материалов в зависимости от различных ядерных реакций; и мишень также может быть применена к другим устройствам генерации пучка частиц.

Выше были описаны иллюстративные конкретные варианты осуществления изобретения так, чтобы специалисту в данной области техники было понятно изобретение, однако должно быть очевидно, что изобретение не ограничено объемом этих конкретных вариантов, различные изменения очевидны для специалиста в данной области и подпадают под объем правовой охраны изобретения, если эти изменения соответствуют сущности и объему правовой охраны изобретения, определенным приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к медицине. Система нейтронозахватной терапии и материал мишени для устройства генерирования пучка частиц, с помощью которого можно улучшить характеристики рассеивания тепла материала мишени, тем самым уменьшая явления вспенивания и продлевая срок службы материала мишени. Система нейтронозахватной терапии содержит устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка, причем устройство генерации нейтронов содержит ускоритель и материал мишени, пучок заряженных частиц, генерируемый посредством ускорения ускорителя, взаимодействует с материалом мишени для генерации нейтронного пучка. Материал мишени содержит активный слой, противовспенивающий слой, теплорассеивающий слой и теплопроводящий слой, причем активный слой взимодействует с пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка; противовспенивающий слой подавляет вспенивание, вызванное пучком заряженных частиц; и теплорассеивающий слой непосредственно и быстро проводит тепло, выделенное в активном слое, к теплопроводящему слою и отводит тепло, проведенное на теплопроводящий слой, с помощью охлаждающей среды. Применение данного изобретения позволит увеличить срок службы мишени. 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Мишень для устройства для генерирования пучка нейтронов, отличающаяся тем, что мишень содержит активный слой, противовспенивающий слой, теплопроводящий слой и теплорассеивающий слой, при этом активный слой взаимодействует с падающим пучком заряженных частиц для генерирования нейтронного пучка, противовспенивающий слой расположен за активным слоем в направлении падения пучка заряженных частиц и выполнен с возможностью подавлять вспенивание активного слоя во время генерирования пучка нейтронов, теплопроводящий слой передает тепло, выделенное в активном слое, прямо теплорассеивающему слою, а теплорассевающий слой выводит тепло, причем теплопроводящий слой расположен между активным слоем и противовспенивающим слоем и соединен с теплорассеивающим слоем.

2. Мишень по п.1, в которой теплопроводящий слой и теплорассеивающий слой окружают противовспенивающий слой и теплопроводящий слой или теплорассеивающий слой сформирован с вмещающей полостью, выполненной с возможностью вмещения противовспенивающего слоя.

3. Мишень по п.2, в которой вмещающая полость имеет нижнюю поверхность и боковую стенку, соединенную с нижней поверхностью, а противовспенивающий слой имеет верхнюю поверхность, контактирующую с нижней поверхностью, и наружную стенку, контактирующую с боковой стенкой.

4. Мишень по п. 1, в которой материал активного слоя представляет собой Li, или соединение Li, или сплав Li.

5. Мишень по п.4, в которой пучок заряженных частиц имеет энергию от 2,2 МэВ до 3 МэВ, а активный слой имеет толщину от 49 мкм до 189 мкм.

6. Мишень по п. 1, в которой материал противовспенивающего слоя содержит по меньшей мере один из Nb, Ta, Pd, V, их сплава или их соединения.

7. Мишень по п.1, в которой материал каждого из теплопроводящего слоя и

теплорассеивающего слоя содержит по меньшей мере один из Cu, Fe, Al, их сплава или их соединения.

8. Мишень по п.1, дополнительно содержащая противоокислительный слой, выполненный с возможностью предотвращения окисления активного слоя, и противоокислительный слой, активный слой, теплопроводящий слой, противовспенивающий слой и теплорассеивающий слой последовательно расположены в направлении падения пучка заряженных частиц.

9. Мишень по п.8, имеющая форму пластины и имеющая центральную ось, перпендикулярную поверхности пластины, и вдоль одного и того же радиального направления, перпендикулярного центральной оси, максимальное расстояние от активного слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из противовспенивающего слоя и противоокислительного слоя до центральной оси, и максимальное расстояние от противовспенивающего слоя до центральной оси меньше максимального расстояния от каждого из теплопроводящего слоя и теплорассеивающего слоя до центральной оси.

10. Мишень по п.8, в которой противовспенивающий слой имеет толщину от 5 мкм до 50 мкм, каждый из теплопроводящего слоя и теплорассеивающего слоя имеет толщину от 5 мкм до 50 мкм, а противоокислительный слой имеет толщину более 5 нм.

11. Мишень по п. 8, в которой материал противоокислительного слоя содержит по меньшей мере один из Al, Ti, их сплава, их соединения или нержавеющей стали.

12. Мишень по п.11, в которой противоокислительный слой, активный слой, теплопроводящий слой и противовспенивающий слой последовательно нанесены на теплорассеивающий слой путем формирования пленок.

13. Мишень по п.8, в которой противоокислительный слой представляет собой полимерную пленку и нанесен на активный слой способом покрытия пленкой.

14. Мишень по п.13, в которой полимерная пленка представляет собой полиимид со следующей молекулярной структурой: