Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии
Изобретение относится к области медицины. Элемент для формирования пучка предназначен для применения в нейтронозахватной терапии. Нейтронозахватная терапия предусматривает использование ускоряющей трубки, предназначенной для ускорения пучка протонов; при этом элемент для формирования пучка содержит вход для пучка, мишень, расположенную в ускоряющей трубке, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, защитный экран от излучения, установленный внутри указанного элемента для формирования пучка, и выход для пучка. Мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов. Нейтроны образуют пучки нейтронов; указанный замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов. Отражатель отражает отклонившиеся нейтроны обратно к указанному замедлителю для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов для 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 также снабжен охлаждающим приспособлением, при этом указанное охлаждающее приспособление содержит первую охлаждающую часть для охлаждения мишени, а также вторую охлаждающую часть и третью охлаждающую часть, каждая из которых проходит параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки и выполнена в сообщении с первой охлаждающей частью, при этом первая охлаждающая часть контактирует с плоской поверхностью мишени, по второй охлаждающей части в первую охлаждающую часть попадает охлаждающая среда, а по третьей охлаждающей части охлаждающая среда из первой охлаждающей части выходит. Технический результат заявленного изобретения состоит в увеличении эффективности лечения злокачественных опухолей. 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.
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.
В бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя ускоритель, применяемый в бор-нейтронозахватной терапии с применением ускорителя, ускоряет пучок протонов, при этом указанный пучок протонов ускоряется настолько, чтобы преодолеть силу кулоновского отталкивания атомного ядра мишени, и вступает в ядерную реакцию с указанной мишенью для генерирования нейтронов. Поскольку в процессе генерирования нейтронов мишень подвергается облучению пучком ускоренных протонов очень большой тепловой энергии, температура мишени значительно увеличивается, что влияет на срок годности мишени.
Следовательно, для решения вышеуказанных проблем необходимо новое техническое решение.
Суть изобретения
Для решения вышеуказанных проблем в одном аспекте настоящего изобретения предложен элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, при этом указанная нейтронозахватная терапия предусматривает использование ускоряющей трубки, предназначенной для ускорения пучка протонов; при этом указанный элемент для формирования пучка содержит вход для пучка, мишень, расположенную в ускоряющей трубке, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, защитный экран от излучения, установленный внутри указанного элемента для формирования пучка, и выход для пучка; указанная мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; указанные нейтроны образуют пучки нейтронов; указанный замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; указанный отражатель отражает отклонившиеся нейтроны обратно к указанному замедлителю для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; указанный поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов для 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; при этом указанный элемент для формирования пучка также снабжен охлаждающим приспособлением, при этом указанное охлаждающее приспособление содержит первую охлаждающую часть для охлаждения мишени, а также вторую охлаждающую часть и третью охлаждающую часть, каждая из которых проходит параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки и выполнена в сообщении с первой охлаждающей частью; при этом указанная первая охлаждающая часть контактирует с плоской поверхностью мишени; при этом по указанной второй охлаждающей части в первую охлаждающую часть попадает охлаждающая среда, а по третьей охлаждающей части охлаждающая среда из первой охлаждающей части выходит.
Выражение «проходит параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки» означает, что охлаждающая часть (независимо от второй охлаждающей части или третьей охлаждающей части) в целом проходит в направлении от одного конца ускоряющей трубки (например, в приведенном ниже тексте будет упоминаться конец встраиваемого сегмента ускоряющей трубки) к ее другому концу (например, в приведенном ниже тексте будет упоминаться конец выступающего сегмента, удаленный встраиваемого сегмента); например, охлаждающая часть волнистой трубчатой частью проходит от одного конца ускоряющей трубки к ее другому концу, или охлаждающая часть спиралевидной трубчатой частью проходит от одного конца ускоряющей трубки к ее другому концу.
Кроме того, указанная ускоряющая трубка имеет встраиваемый сегмент и выступающий сегмент, при этом указанная мишень установлена на конце встраиваемого сегмента ускоряющей трубки; указанный встраиваемый сегмент расположен в замедлителе, а указанный выступающий сегмент выступает из замедлителя и окружен отражателем; указанная первая охлаждающая часть расположена между мишенью и замедлителем; указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть проходят параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки до внешней стороны встраиваемого сегмента ускоряющей трубки и расположены внутри элемента для формирования пучка.
Так как ускоряющая трубка встроена в замедлитель, для удобства охлаждения мишени во встроенной ускоряющей трубке охлаждающее приспособление выполнено
-образной конструкции. В частности, указанная первая охлаждающая часть расположена на конце ускоряющей трубки и контактирует с плоской поверхностью указанной мишени; указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть соответственно расположены на верхней и нижней сторонах ускоряющей трубки и вместе с первой охлаждающей частью образуют -образную конструкцию. Специалистам в данной области техники будет понятно, что расположение второй охлаждающей части и третьей охлаждающей части на верхней и нижней сторонах ускоряющей трубки представляет собой лишь предпочтительный вариант осуществления. Конечно, вторую охлаждающую часть и третью охлаждающую часть необязательно располагать на верхней и нижней сторонах ускоряющей трубки: например, обе охлаждающие части можно расположить рядом друг с другом на одной стороне ускоряющей трубки.
Кроме того, указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть выполнены в виде трубчатых элементов из меди, при этом указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть перпендикулярны поверхности контакта мишени с первой охлаждающей частью.
Кроме того, указанная первая охлаждающая часть содержит первую контактную часть, непосредственно контактирующую с мишенью, вторую контактную часть, контактирующую с замедлителем, и охлаждающий канал, находящийся между первой контактной частью и второй контактной частью, по которому проходит подаваемая охлаждающая среда, при этом указанный охлаждающий канал содержит входной канал, сообщающийся со второй охлаждающей частью, и выходной канал, сообщающийся с третьей охлаждающей частью.
Для обеспечения возможности более свободно вводить и выводить охлаждающую среду в охлаждающий канал и из него также можно одновременно до определенной степени снижать давление охлаждающей воды в охлаждающем канале. Верхняя сторона указанного входного канала расположена в верхней части верхней стороны второй охлаждающей части, а нижняя сторона указанного выходного канала расположена в нижней части нижней стороны третьей охлаждающей части.
Кроме того, чтобы можно было обеспечить более рациональные размеры замедлителя для достижения лучшего замедления генерируемого пучка нейтронов и обеспечения посредством элемента для формирования пучка лучшего качества пучка, указанный замедлитель снабжен по меньшей мере одним элементом в виде конуса. Указанный конус имеет первый торец, второй торец и основную часть, соединяющую первый торец со вторым торцом; встраиваемый сегмент указанной ускоряющей трубки расположен между первым торцом и вторым торцом конуса; указанная первая охлаждающая часть расположена между мишенью и вторым торцом конуса.
Указанная мишень содержит литиевый слой мишени и препятствующий окислению слой, расположенный с одной стороны литиевого слоя мишени и предназначенный для защиты литиевого слоя мишени от окисления.
Кроме того, для способствования охлаждению мишени указанная первая контактная часть выполнена из теплопроводных материалов или из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов; указанная вторая контактная часть выполнена из препятствующих образованию пены материалов. Другими словами первая контактирующая часть и вторая контактирующая часть в целом могут быть выполнены из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов, или первая контактная часть выполнена из теплопроводных материалов, у которых теплопроводные свойства лучше, чем свойства, препятствующие образованию пены, а вторая контактная часть выполнена из препятствующих образованию пены материалов. Такое устройство способствует рассеиванию тепла мишени и препятствует образованию пены.
Указанный препятствующий окислению слой выполнен из Al или нержавеющей стали; при выполнении указанной первой контактной части из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов указанная первая контактная часть выполнена из любого из Fe, Ta или V; указанная вторая контактная часть выполнена из любого из Fe, Ta или V; указанная охлаждающая среда представляет собой воду.
По сравнению с аналогами, известными из предшествующего уровня техники, настоящее изобретение имеет следующие преимущества: элемент для формирования пучка согласно настоящему изобретению, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, посредством установленного охлаждающего приспособления охлаждает мишень, при этом он характеризуется простотой конструкции и легкостью монтажа и может обеспечить получение пучков нейтронов более высокого качества.
Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «конус» или «конический элемент» 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, если на поверхности конуса или сферы выполнено множество выступов и канавок.
Слова «контактировать», «сообщаться» и т.д., применяемые в вариантах осуществления настоящего изобретения, указывают на то, что соединение двух или более элементов может быть как непосредственным, так и опосредованным, то есть они включают в себя «непосредственно контактировать» и «опосредованно контактировать», «непосредственно сообщаться» и «опосредованно сообщаться».
Описание прилагаемых графических материалов
Фиг. 1 - схематическое изображение элемента для формирования пучка, предназначенного для применения в нейтронозахватной терапии;
фиг. 2 - схематическое изображение -образного охлаждающего приспособления согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 - схематическое изображение I-образного охлаждающего приспособления согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 - схематическое изображение конструкции мишени согласно настоящему изобретению.
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.), элемент для генерирования нейтронов, система отвода тепла и элемент для формирования пучка, при этом в результате воздействия ускоренных заряженных частиц на металлический элемент для генерирования нейтронов возникают нейтроны; в соответствии с необходимым выходом и энергией нейтронов, величиной энергии и электрического тока получаемых ускоренных заряженных частиц, физико-химическими свойствами металлического элемента для генерирования нейтронов 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 элемента для генерирования нейтронов 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 эффективное сечение при взаимодействии элементов для генерирования нейтронов из лития (Li) и бериллия (Be) с протонами с такой 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 энергии 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. Таким образом, температура мишени под воздействием излучения пучка ускоренных протонов высокой энергии неизбежно будет расти, что влияет на срок годности мишени.
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 x 109 нейтрон/см2с.
Загрязнение быстрыми нейтронами (fast neutron contamination) < 2 x 10-13 Гр-см2/нейтрон.
Загрязнение фотонами (photon contamination) < 2 x 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 ограниченного 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 2x10-13 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 2x10-13 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 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 током и потоком надтепловых нейтронов, которое составляет больше 0,7.
Чтобы одновременно с решением проблемы охлаждения мишени посредством элемента для формирования пучка, используемого в нейтронозахватной терапии, можно было получить пучок нейтронов лучшего качества, согласно настоящему изобретению предложен элемент 10 для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, при этом элемент 10 для формирования пучка содержит охлаждающее приспособление 20, обеспечивающее охлаждение мишени.
Как показано на фиг. 1, указанный элемент 10 для формирования пучка содержит вход 11 для пучка, ускоряющую трубку 12, расположенную внутри элемента 10 для формирования пучка, мишень 13, установленную в ускоряющей трубке 12, замедлитель 14, примыкающий к мишени 13, отражатель 15, окружающий указанный замедлитель 14 снаружи, поглотитель 16 тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю 14, защитный экран 17 от излучения, установленный внутри указанного элемента 10 для формирования пучка, и выход 18 для пучка. Указанная мишень 13 и пучок протонов, идущий от указанного входа 11 для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; указанные нейтроны образуют пучки нейтронов; указанные пучки нейтронов определяют основную ось X. Указанный замедлитель 14 замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени 13, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; указанный отражатель 15 отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси X пучка нейтронов, обратно к указанному замедлителю 14, чтобы повысить интенсивность пучка надтепловых нейтронов. Указанный поглотитель 16 тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов, чтобы во время терапии избежать воздействия чрезмерных доз на поверхностные нормальные ткани. Указанный защитный экран 17 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 происходит ускорение пучка протонов с помощью ускорителя; в одном предпочтительном варианте осуществления мишень 13 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 13 получают нейтроны; элемент 10 для формирования пучка выполнен с возможностью замедления нейтронов до диапазона энергии надтепловых нейтронов и уменьшает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов.
Указанный замедлитель 14 выполнен из материала с большим эффективным сечением для быстрых нейтронов и малым эффективным сечением для надтепловых нейтронов; указанный отражатель 15 выполнен из материала, обладающего способностью отражать нейтроны; поглотитель 16 тепловых нейтронов выполнен из материала с большим эффективным сечением для тепловых нейтронов. В одном предпочтительном варианте осуществления замедлитель 14 выполнен по меньшей мере из одного из D2O, AlF3, Fluental™, CaF2, Li2CO3, MgF2 и Al2O3; отражатель 15 выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni; поглотитель 16 тепловых нейтронов выполнен из 6Li. Защитный экран 17 от излучения содержит экран 171 для фотонов и экран 172 для нейтронов; в одном предпочтительном варианте осуществления защитный экран 17 от излучения содержит экран 171 для фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 172 для нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE).
Указанная ускоряющая трубка 12 имеет встраиваемый сегмент 121 и выступающий сегмент 122, при этом указанная мишень 13 установлена на конце встраиваемого сегмента 121 ускоряющей трубки 12. Указанный встраиваемый сегмент 121 расположен в замедлителе 14, а указанный выступающий сегмент 122 выступает из замедлителя 14 и окружен отражателем 15. В этом варианте осуществления ускоряющая трубка 12 встроена в замедлитель 14, чтобы одновременно с охлаждением охлаждающим приспособлением 20 мишени 13, расположенной во встраиваемой ускоряющей трубке 12, элементом 10 для формирования пучка обеспечивалось получение лучшего качества пучка нейтронов, при этом охлаждающее приспособление 20 выполнено следующим образом.
Указанное охлаждающее приспособление 20 содержит первую охлаждающую часть 21, предназначенную для охлаждения мишени 13, а также вторую охлаждающую часть 22 и третью охлаждающую часть 23, проходящие вдоль осевой линии ускоряющей трубки 12 и расположенные с двух сторон ускоряющей трубки 12, при этом посредством указанной второй охлаждающей части 22 в первую охлаждающую часть 21 подается охлаждающая среда, а посредством третьей охлаждающей части 23 охлаждающая среда выводится из первой охлаждающей части 21. Указанная первая охлаждающая часть 21 расположена между мишенью 13 и замедлителем 14, при этом указанная первая охлаждающая часть 21 одной стороной контактирует с мишенью 13, а другой стороной контактирует с замедлителем 14. Каждая из указанных второй охлаждающей части 22 и третьей охлаждающей части 23 проходит снаружи выступающего сегмента 122 ускоряющей трубки 12 к внешней стороне встраиваемого сегмента 121 ускоряющей трубки 12, сообщается с первой охлаждающей частью 21 и расположена внутри замедлителя 14. Другими словами, первая охлаждающая часть 21 расположена на конце встраиваемого сегмента 121 ускоряющей трубки 12, расположена с одной стороны от мишени 13 и непосредственно контактирует с мишенью 13; указанные вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 соответственно расположены на верхней и нижней сторонах ускоряющей трубки 12 и сообщаются с первой охлаждающей частью 21; таким образом, все охлаждающее приспособление 20 выполнено в виде -образной конструкции. В этом варианте осуществления указанная первая охлаждающая часть 21 контактирует с плоской поверхностью мишени 13; вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 выполнены в виде трубчатых элементов из меди; кроме того, вторая охлаждающая часть 22 и третья охлаждающая часть 23 перпендикулярны поверхности контакта первой охлаждающей части 21 с мишенью 13 (см. фиг. 2).
Указанная первая охлаждающая часть 21 имеет первую контактную часть 211, вторую контактную часть 212 и охлаждающий канал 213, находящийся между первой контактной частью 211 и второй контактной частью 212, по которому проходит подаваемая охлаждающая среда. Указанная первая контактная часть 211 непосредственно контактирует с мишенью 13, а указанная вторая контактная часть 212 может контактировать с замедлителем 14 непосредственно, а также может контактировать с ним опосредованно через воздух. Указанный охлаждающий канал 213 содержит входной канал 214, сообщающийся со второй охлаждающей частью 22, и выходной канал 215, сообщающийся с третьей охлаждающей частью 23. Указанная первая контактная часть 211 изготовлена из теплопроводного материала. Верхняя сторона указанного входного канала 214 расположена в верхней части верхней стороны второй охлаждающей части 22, а нижняя сторона указанного выходного канала 215 расположена в нижней части нижней стороны третьей охлаждающей части 23. Преимущества такого устройства состоят в том, что посредством охлаждающего средства 20 можно более свободно подавать охлаждающую воду в охлаждающий канал 213 и своевременно охлаждать мишень 13, и нагревшуюся охлаждающую воду также можно более свободно выводить из охлаждающего канала 213; в то же время также можно до определенной степени снижать давление охлаждающей воды в охлаждающем канале 213.
Конечно, чтобы производить охлаждение мишени 13 во встраиваемой ускоряющей трубке 12, охлаждающее приспособление также можно выполнить в виде I-образной конструкции. Первая охлаждающая часть 21’ указанного I-образного охлаждающего приспособления 20 аналогична первой охлаждающей части 21 -образного охлаждающего приспособления 20 и отличается в том, что вторая охлаждающая часть 22’ и третья охлаждающая часть 23’ указанного I-образного охлаждающего приспособления 20 расположены в одной плоскости с первой охлаждающей частью 21’, и вторая охлаждающая часть 22’ и третья охлаждающая часть 23 проходят через замедлитель 14 перпендикулярно осевой линии ускоряющей трубки 12, и таким образом образуется вышеуказанная I-образная конструкция (см. фиг. 3). Указанное I-образное охлаждающее приспособление 20, не смотря на то что оно тоже может охлаждать мишень 13, требует выполнения в замедлителе 14 каналов 24, в которые вставлялась бы вторая охлаждающая часть 22’ и третья охлаждающая часть 23’, что затрудняет сборку. Кроме того, поток нейтронов и параметры качества пучков в воздухе в элементе 10 для формирования пучка с I-образным охлаждающим приспособлением хуже по сравнению с потоком нейтронов и параметрами качества пучков в воздухе в элементе 10 для формирования пучка с -образным охлаждающим приспособлением.
С замедлителем 14, выполненным из материала AlF----3 (2,78 г/см---), в качестве примера 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) в отношении элементов для формирования пучка соответственно с -образным и I-образным охлаждающим приспособлением проводятся аналоговые вычисления.
Кроме того, в приведенной ниже таблице 1 отображены показатели в отношении параметров качества пучков в воздухе этих двух вариантов осуществления:
Таблица 1.
Примечание: чтобы примерно оценить поток надтепловых нейтронов и загрязнение быстрыми нейтронами, диапазон энергии надтепловых нейтронов берется в пределах от 0,5 эВ до 10 кэВ, диапазон энергии тепловых нейтронов берется менее 0,5 эВ, а диапазон энергии быстрых нейтронов берется более 10 кэВ.
Кроме того, в приведенной ниже таблице 2 отображены показатели в отношении потока нейтронов этих двух вариантов осуществления:
Таблица 2. Поток нейтронов (нейтрон/см2-мА)
Примечание: чтобы примерно оценить поток надтепловых нейтронов и загрязнение быстрыми нейтронами, диапазон энергии надтепловых нейтронов берется в пределах от 0,5 эВ до 10 кэВ, диапазон энергии тепловых нейтронов берется менее 0,5 эВ, а диапазон энергии быстрых нейтронов берется более 10 кэВ.
Указанная мишень 13 содержит литиевый слой 131 мишени и препятствующий окислению слой 132, расположенный с одной стороны литиевого слоя 131 мишени и предназначенный для защиты литиевого слоя 131 мишени от окисления. Указанный препятствующий окислению слой 132 мишени 13 выполнен из Al или нержавеющей стали. Первая контактная часть 211 выполнена из теплопроводных материалов (таких как Cu, Fe, Al и другие материалы с хорошими теплопроводными свойствами) или из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов; вторая контактная часть выполнена из препятствующих образованию пены материалов, препятствующих образованию пены материалов или из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов, например из любого из Fe, Ta или V. Мишень 13 под воздействием излучения пучка ускоренных протонов высокой энергии нагревается, и указанная первая контактная часть 211 отводит тепло и удаляет тепло посредством охлаждающей среды, протекающей по охлаждающему каналу 213, и, таким образом, мишень 13 охлаждается. В этом варианте осуществления указанная охлаждающая среда представляет собой воду.
В одном предпочтительном варианте осуществления указанный замедлитель 14 содержит по меньшей мере один элемент в виде конуса 140. Указанный замедлитель 14 имеет первый торец 141 и второй торец 142, и у указанного конуса 140 есть третий торец 143, расположенный между первым торцом 141 и вторым торцом 142, и основная часть 144, соединяющая первый торец 141 с третьим торцом 143. Встраиваемый сегмент 121 указанной ускоряющей трубки 12 расположен между первым торцом 141 и третьим торцом 143 конуса 140; указанная первая охлаждающая часть 21 расположена между мишенью 13 и третьим торцом 143 конуса 140. Преимущества такого устройства состоят в том, что можно обеспечить более рациональные размеры замедлителя 14 для достижения лучшего замедления генерируемого пучка нейтронов и обеспечения посредством элемента для формирования пучка лучшего качества пучка. В частности, так как первая охлаждающая часть 21 расположена между мишенью 13 и третьим торцом 143 конуса 140, расположенный за третьим торцом 143 замедлитель 14 может замедлять нейтроны с хорошей направленностью вперед и большей энергией, то есть такое устройство позволяет длинному замедлителю в достаточной мере по-прежнему замедлять нейтроны с хорошей направленностью вперед и большей энергией; что касается нейтронов, отклонившихся от основной оси Х пучка нейтронов, то нейтроны, отклонившиеся от основной оси Х пучка, после прохождения основной части 144 и замедления попадают на отражатель 15, отражатель 15 посредством конуса замедлителя 14 под определенным углом отражает нейтроны, отклонившиеся от основной оси Х пучка нейтронов, и тем самым возвращает их к основной оси Х пучка нейтронов; в то же время конструкция конуса позволяет избежать слишком сильного замедления нейтронов с низкой энергией на пути возврата к основной оси Х пучка; одновременно с улучшением замедления нейтронов с высокой направленностью вперед можно сохранять интенсивность пучка нейтронов и тем самым обеспечить получение посредством элемента 10 для формирования пучка лучшего качества пучка нейтронов.
Применяемый в вариантах осуществления настоящего изобретения термин «конус» или «конический элемент» замедлителя означает конструкцию, которая в отношении своего внешнего профиля постепенно уменьшается в показанном направлении от одной стороны к другой стороне замедлителя, 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, если на поверхности конуса или сферы выполнено множество выступов и канавок.
Рассмотренная в этой заявке система нейтронозахватной терапии вовсе не ограничена конструкцией, описанной в представленных выше вариантах осуществления и показанной в прилагаемых графических материалах. Все очевидные изменения, замены и модификации на основе настоящего изобретения в отношении материала, формы и расположения находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения.
1. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, при этом указанная нейтронозахватная терапия предусматривает использование ускоряющей трубки, предназначенной для ускорения пучка протонов; при этом указанный элемент для формирования пучка содержит вход для пучка, мишень, расположенную в ускоряющей трубке, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель, окружающий указанный замедлитель снаружи, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, защитный экран от излучения, установленный внутри указанного элемента для формирования пучка, и выход для пучка; указанная мишень и пучок протонов, идущий от указанного входа для пучка, вызывают ядерную реакцию для получения нейтронов; указанные нейтроны образуют пучки нейтронов; указанный замедлитель замедляет нейтроны, выделенные из указанной мишени, до диапазона энергии надтепловых нейтронов; указанный отражатель отражает отклонившиеся нейтроны обратно к указанному замедлителю для повышения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; указанный поглотитель тепловых нейтронов предназначен для поглощения тепловых нейтронов для 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; отличающийся тем, что указанный элемент для формирования пучка также снабжен охлаждающим приспособлением, при этом указанное охлаждающее приспособление содержит первую охлаждающую часть для охлаждения мишени, а также вторую охлаждающую часть и третью охлаждающую часть, каждая из которых проходит параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки и выполнена в сообщении с первой охлаждающей частью; при этом указанная первая охлаждающая часть контактирует с плоской поверхностью мишени; при этом по указанной второй охлаждающей части в первую охлаждающую часть попадает охлаждающая среда, а по третьей охлаждающей части охлаждающая среда из первой охлаждающей части выходит.
2. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 1, отличающийся тем, что указанная ускоряющая трубка имеет встраиваемый сегмент и выступающий сегмент, при этом указанная мишень установлена на конце встраиваемого сегмента ускоряющей трубки; указанный встраиваемый сегмент расположен в замедлителе, а указанный выступающий сегмент выступает из замедлителя и окружен отражателем; указанная первая охлаждающая часть расположена между мишенью и замедлителем; указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть проходят параллельно направлению осевой линии ускоряющей трубки до внешней стороны встраиваемого сегмента ускоряющей трубки и расположены внутри элемента для формирования пучка.
3. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 1, отличающийся тем, что указанная первая охлаждающая часть расположена на конце ускоряющей трубки и контактирует с плоской поверхностью указанной мишени; указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть соответственно расположены на верхней и нижней сторонах ускоряющей трубки и вместе с первой охлаждающей частью образуют 
-образную конструкцию.
4. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 1, отличающийся тем, что указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть выполнены в виде трубчатых элементов из меди, при этом указанные вторая охлаждающая часть и третья охлаждающая часть перпендикулярны поверхности контакта мишени с первой охлаждающей частью.
5. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 1, отличающийся тем, что указанная первая охлаждающая часть содержит первую контактную часть, непосредственно контактирующую с мишенью, вторую контактную часть, контактирующую с замедлителем, и охлаждающий канал, находящийся между первой контактной частью и второй контактной частью, по которому проходит подаваемая охлаждающая среда, при этом указанный охлаждающий канал содержит входной канал, сообщающийся со второй охлаждающей частью, и выходной канал, сообщающийся с третьей охлаждающей частью.
6. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 5, отличающийся тем, что верхняя сторона указанного входного канала расположена в верхней части верхней стороны второй охлаждающей части, а нижняя сторона указанного выходного канала расположена в нижней части нижней стороны третьей охлаждающей части.
7. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 2, отличающийся тем, что указанный замедлитель содержит по меньшей мере один конус; указанный замедлитель имеет первый торец и второй торец, а у указанного конуса есть третий торец, расположенный между первым торцом и вторым торцом, и основная часть, соединяющая первый торец с третьим торцом; встраиваемый сегмент указанной ускоряющей трубки расположен между первым торцом и третьим торцом конуса; указанная первая охлаждающая часть расположена между мишенью и третьим торцом конуса.
8. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 5, отличающийся тем, что указанная мишень содержит литиевый слой мишени и препятствующий окислению слой, расположенный с одной стороны литиевого слоя мишени и предназначенный для защиты литиевого слоя мишени от окисления.
9. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 5, отличающийся тем, что указанная первая контактная часть выполнена из теплопроводных материалов или из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов; указанная вторая контактная часть выполнена из препятствующих образованию пены материалов.
10. Элемент для формирования пучка, предназначенный для применения в нейтронозахватной терапии, по п. 8, отличающийся тем, что указанный препятствующий окислению слой выполнен из Al или нержавеющей стали; при выполнении указанной первой контактной части из теплопроводных и препятствующих образованию пены материалов указанная первая контактная часть выполнена из любого из Fe, Ta или V; указанная вторая контактная часть выполнена из любого из Fe, Ta или V; указанная охлаждающая среда представляет собой воду.
