TW201627008A - 使用旋轉式中子源材料產生中子 - Google Patents

Abstract

公開一種用於生成中子的系統和方法，尤其是從鋰靶。該系統和方法包括可旋轉結構內含中子源材料和質子束產生器。該結構可繞對稱軸旋轉，而當該結構旋轉時，質子束產生器係組構以在該中子源引導質子束，從而產生中子。公開本發明的各種實施例。該系統和方法可以用在各種應用中，其中包括硼中子俘獲療法。

Description

使用旋轉式中子源材料產生中子

本發明涉及使用質子加速器和中子源材料產生中子的方法和系統。

加速器類Accelerator-based)中子源具有許多潛在的應用，包括醫療、生產同位素、易爆/裂變(fissile)材料檢測、貴金屬礦石分析、成像和醫療技術。其中硼中子俘獲療法(BNCT,boron neutron capture therapy)是一個特定領域，它是一種癌症治療技術，首先硼優先地集中於患者的惡性腫瘤，中子束通過患者瞄準含硼腫瘤。當硼原子捕獲中子，產生具有足夠的能量的顆粒，造成組織嚴重損壞。效果是高度局部化，並且，其結果是，這種技術可以用作一個高選擇性治療癌症的方法，專門針對細胞。

許多這些活動目前在核子研究反應堆進行，其中子很豐富。然而，許多實際問題使這種方法充滿挑戰，包括安全、核子材料處理、和日常中許多研究反應堆的最終報廢和除役辦法。加速器類中子源也可以用來作為一種成本相對較低的，結構緊湊的替代方案。一個小的， 相對便宜的直線加速器可以用於加速離子，例如質子，然後再將其集中於能夠產生中子的靶(target)。

其中，最常用的提議靶材是Li(鋰，lithium)，質子經⁷Li(p,n)⁷Be反應以產生中子。該反應具有高中子產量，並產生適度能量的中子，兩者都適用於許多應用。該反應需要能量至少1.88百萬電子伏(MeV)的質子源。更高的質子能量可增加中子產量和能量。通常提出的高產量操作點的質子能量位於~2.4-2.7MeV。高的質子電流(proton current)對應於更高的中子產生速率，因此高電流質子加速器是可取的。這樣的系統是已知的，特別是10-50mA(毫安培)的質子電流和1.9-3.0MeV的質子能量操作範圍，適合於這樣的應用。

除了質子加速器，加速器類的中子源需要源材料，如Li，作為質子束的靶材。該技術的主要挑戰是掌握高功率粒子束(beam)對靶的處理。質子束的能量在靶以熱的形式耗散，必須在靶材被破壞之前移除。已有兩個主要移排熱的方法。第一個是固定的固體靶，從背面集中冷卻。第二個是液體靶，將粒子束射到液體源材料的流動噴射流。然而，這兩種方法都有顯著缺點，特別是當Li被用作中子源。Li具有相對低的熔化溫度(180℃)和相對低的熱導率，這使得移除固體靶的熱量令其表面不會過熱和熔融是非常具有挑戰性的。另外，暴露在強烈質子束中，會迅速導致固體Li起泡，以致需要頻繁換靶。這些問題的解決方案已經被提出，但迄今尚未展示全產能的固體靶。 而液體靶的解決方案已被描述，一般的困擾來自緩慢的加熱時間和流動的Li有潛在固化的風險，如果在迴路中溫度降得過低，會導致Li的電荷被無意中轉入靶室。流動的液態Li也需要大量的Li來填滿的迴路、泵和熱交換器，這導致高成本以及高反應性的Li有顯著安全隱患。

因此，雖然使用質子加速器產生中子束有顯著潛力，但需要解決起泡和排熱的問題，且不必使用大體積的Li靶。

本發明涉及用於產生中子，包括含有中子源材料和質子束產生器的可旋轉結構系統。該結構可繞旋轉軸旋轉，而當其旋轉時，質子束產生器引導質子束射向中子源材料上，由此產生中子。該系統可使用在各種應用中，其中包括BNCT。

在一個實施方案中，可旋轉結構是一個盤形的結構，具有基座(base)包括居中定位在基座內可旋轉的輪轂(hub)，該基座復包括至少一個基座段(base segment)，該基座段具有一個面向外側的外表面可容納中子源材料，特別是一層固體中子源材料，例如Li。該輪轂包括至少一個延伸到基座段的冷卻劑管路。質子束產生器引導質子束射向包含在基座段的中子源材料上。較好的是盤狀結構可繞旋轉軸旋轉，而質子束沿粒子束路徑大致平行於旋轉軸方向。

在另一個實施方案中，可旋轉的結構，基 本上是有垂直外壁連接基座的圓柱形結構。外壁包括至少一個壁段(wall segment)，有面向內側的外表面構造，可容納液體中子源材料的薄膜，如Li。質子束產生器引導質子束射向包含在壁段的液體中子源材料的薄膜上。較好的是，該圓柱形結構可繞旋轉軸旋轉，並具有一水平基座連接到基本上垂直的外壁，而質子束沿粒子束路徑基本上垂直於旋轉軸方向。

本發明進一步涉及一種產生中子，特別是使用本發明的系統的方法。因此，本發明的方法提供了一種可旋轉結構，其包括中子源材料。該結構繞旋轉軸旋轉，當其旋轉時，質子束產生器提供質子束射向該中子源材料，由此產生中子。該方法可使用在各種應用中，其中包括BNCT。

在一個實施方案中，可旋轉結構是一個具有基座的盤形結構，包括居中定位在基座內的可旋轉的輪轂，該基座復包括至少一個基座段，具有一個面向外側的外表面可容納中子源材料，特別是一層固體中子源材料，例如Li。該輪轂包括至少一個延伸到基座段的冷卻劑管路。該盤形結構繞旋轉軸旋轉時，質子束產生器提供質子束沿大致平行於旋轉軸的粒子束路徑射向該固體中子源材料，由此產生中子。

在另一個實施方案中，可旋轉的結構，具有垂直外壁連接基座的圓柱形結構。外壁包括至少一個壁段，有面向內側的外表面構造，可容納液體中子源材料的 膜。基座上有固體中子源材料，而液體中子源材料是熔化固體中子源材料所形成。該圓柱形構造圍繞旋轉軸旋轉，液體中子源材料從基座流向牆段的面向內側的外表面，從而形成薄膜。質子束產生器提供質子束沿大致垂直於旋轉軸的粒子束路徑射向該液體中子源材料膜，由此產生中子。

應當理解的是，前述一般描述和以下詳細描述都只是示例和說明性的，並且旨在提供對本發明的進一步說明，如專利要求。

100‧‧‧系統

110‧‧‧可旋轉結構

125‧‧‧外部殼體

130‧‧‧基座

140‧‧‧外壁

160‧‧‧輪轂

170‧‧‧馬達

190‧‧‧質子束

191‧‧‧開口

192‧‧‧孔

210‧‧‧凹槽

215‧‧‧基座隔板

220‧‧‧壁段

225‧‧‧凸起壁隔板

300‧‧‧固態Li

310‧‧‧液態Li

320‧‧‧薄膜

400‧‧‧系統

410‧‧‧可旋轉結構

420‧‧‧基座段

425‧‧‧外部殼體

426‧‧‧中子反射層

430‧‧‧基座

435‧‧‧固體Li層

460‧‧‧輪轂

490‧‧‧質子束

491‧‧‧調節器

492‧‧‧瞄準儀

401‧‧‧系統

411‧‧‧可旋轉結構

421‧‧‧基座段

431‧‧‧基座

436‧‧‧固態Li層

450‧‧‧電機部件

461‧‧‧可旋轉輪轂

470‧‧‧冷卻管線

475‧‧‧饋線

422‧‧‧基座段

500‧‧‧BNCT系統

510‧‧‧質子束產生器

515‧‧‧粒子束傳輸系統

520‧‧‧中子源靶

526‧‧‧反射器

550‧‧‧中子產生系統

570‧‧‧中子束

580‧‧‧患者定位和處理系統

591‧‧‧粒子束調節器

592‧‧‧粒子束瞄準儀

598‧‧‧目標

599‧‧‧患者

第1圖和第2圖示出了可以在本發明的系統和方法中使用的可轉動圓柱形結構的具體實施例。

第3a至3c圖示出本發明的系統和方法，在各個階段形成的液體中子源的薄膜的具體的實施例。

第4a至4d圖示出可使用在本發明系統和方法中的旋轉盤形結構的特定實施方式。

第5圖示出了本發明的一個BNCT系統的實施例。

本發明涉及一種用於產生中子的方法和系統。

本發明的系統包括一個可轉動的結構，如一個平台(platform)或架子(stage)，其包括中子源材料，旋轉時，質子束產生器提供質子束射向該中子源材料，由此產生中子。中子源材料可以是任何已知的中子產生材料， 在本領域中，包括，例如，Li，並且可以使用各種根據例如已知的技術，將其定位在可旋轉結構的任何地方上，例如，源材料的類型和形式及可旋轉結構的設計。較好的是，可旋轉的結構包括定位在該可旋轉結構的外部，外側表面，其可以容易地暴露於質子束方向的中子源材料。

該結構可繞旋轉軸旋轉，並可以具有各種不同的整體形狀，例如盤形(包括圓形)，環形，或圓柱形，這取決於整個系統的設計要求。較好的是，可旋轉的結構是對稱的，垂直該結構的中心軸線旋轉。根據需要，根據不同的靶材應用，可旋轉結構可以包含在一個外部殼體內。此外，可旋轉結構可以使用各種不同的材料，這取決於，例如，中子源材料的化學反應性、源材料所需的形式和成本等條件。例如，可旋轉結構可包括不銹鋼或鉬。

該可旋轉結構包括基座，其通常是平坦的，但可以進一步包括根據需求的附加各種部件或特徵，例如，包含固體及/或液體形式的中子源材料。基座可進一步包括一個旋轉裝置，例如馬達和軸。較好的是，該基座包括可旋轉的中央輪轂，該輪轂包括傳輸熱交換劑(例如加熱流體或冷卻劑)到基座及/或可旋轉結構的各部分或部件的各種方式。基座也可以有通道、以及可旋轉結構的各種部件，以幫助傳輸流體。此外，基座可以包括至少一個中子源材料容納部位，將該中子源材料固定於靶材位置。形狀、大小、位置、和容納部位數量將取決於中子源材料的類型和形式，基底提供源材料的方法以及可轉動的設計 結構。

在本發明的實施方式，可旋轉結構包括基座，該基座包括至少一個基座段，該基座段包括該中子源材料，其較好的是固體。該基座可以為垂直或水平設置，取決於質子束產生器的結構和位置。可旋轉結構的整體形狀可以改變，但較好的是為盤形，可包括環形、圓形或接近圓形(具有多邊形形狀近似圓形的盤)基座。因此，較好的是可旋轉結構是對稱的，具有垂直基座中心軸線的旋轉。另外，在本實施方式中，該基座可以是大致平坦的，或者，可以包括一個環形階梯或傾斜區域，包括基座段，這取決於，例如，系統的整體設計和形狀。較好的是，包括源材料的基座段基本上是平的。

該可旋轉結構的基座段可以是內部或基座上的任何部分，並包括一個面向外側的外表面(即，朝向質子束產生器)，其包含中子源材料，特別是，固體中子源材料的層，例如Li。因此，該基座可以例如通過凸起分離器(raised separators)分離而被劃分成不同的基座段，或者可以是一個連續的表面。例如，可旋轉結構可包括一個圓形基座，其可以是環形基座段或可以是餡餅形(pie-shaped)或部分餡餅形基底段。以這種方式，外表面可以是中子源材料的連續層，或者可以是定位在各種靶段(targeted segments)的外部或部分沿外側表面的層。較好的是，基座段的外表面的中子源材料是垂直於來自質子束產生器的質子束。然而，這些段可以傾斜或成角度，以增加該質子束接觸固體 源材料的表面積。可替換地，可引導粒子束本身，以一定的角度撞擊中子源材料，從而增大了接觸面積。

本實施例的可旋轉結構，可以使用各種不同的材料，這取決於，例如，中子源材料的化學反應性、固體源材料層所需的形式和成本等條件。例如，可旋轉結構可包括不銹鋼或鉬。基座段較好的是包括高導電性材料，如銅，鋁或鉬。可以使用本領域中已知的任何方法，在基座段的外表面提供源材料固體層。例如，該層可以使用已知方法沉積或直接塗覆到外側表面。也可以提供預成形的層，隨後放置或直接定位到基座段的外表面。此外，外表面可以包括一個或多個中子源材料的容納部位和固體中子源材料，以非成層的形式(如薄片，碎片或丸形)設置在這些部分內，以熔化並冷卻至形成固體源材料層。此固體源層可以直接設置在基座段表面，也可以使用一個或多個中間(intermediate)層，特別是改善由層到段表面的鍵結合(bonding)及熱接觸。該中間層復可以提供一個物理屏障以防止源材料和該段表面的化學相互作用。例如，對於一個固態Li靶材，可以銅為插入(intervening)層，以加強Li靶材到鋁基底段的鍵結合，同時防止鋁與Li融合。中間層也可以用於增加靶材起泡的劑量門檻。當暴露於質子高積分通量，大多數材料最終由於氫氣的積累和該材料中晶粒範圍的端部損害以致起泡。如果選擇源材料的厚度小於在該材料中的質子深入範圍，則質子將停止在更深的層。這種較深的層可以由被選擇用於其抵抗起泡，如鐵、鉭、或 其它本領域公知的材料。此起泡制止層可以包括結合或阻擋層，或者可以是除了任何結合或阻擋層。其他方法都是本領域的普通技術人員已知的。源材料的固體層的厚度可以變化，這取決於，例如，在靶應用中，質子束的功率，和該層的曝光(exposure)時間。一般的固體層是2mm厚或更小，例如約0.1至約1mm，或約0.05mm至約0.5mm。

此外，對於該實施例中，基座包括居中定位在基座內可旋轉的輪轂，利用基座及/或外壁各部件可傳輸熱交換劑，例如加熱流體或冷卻劑。作為具體例子，該基座可以包括至少一個冷卻劑管路，從中央旋轉的輪轂單元延伸到基座段，其中包含固體中子源材料。以這種方式，冷卻劑可以被輸送到基座上以冷卻外側外表面，經由設置在其中的通道，使冷卻劑與外表面熱交換，特別是當質子束被聚焦，並與該固體中子源材料層反應時。

在本發明另一個的實施方案中，可旋轉結構包括連接到外壁的基座，而該外壁包括該中子源材料。較好的是可旋轉結構是對稱的，具有垂直基座中心軸線的旋轉。結構可以改變，但的整體形狀最好是圓柱形或大致圓柱形，包括：連接著基本上垂直外壁的基座。例如，可旋轉結構可以是水平的基座，如一個圓形的基座，連接到沿其外圍上的垂直或基本垂直的壁。

該可旋轉結構的外壁包括內側外表面(即，面向基座的中心)，其包含中子源材料，而特別是，液體的中子源材料膜，例如Li。各種不同的技術可以用於此膜， 且較好的實例描述如下。此外，外壁可以是從垂直向外(即，遠離基座的中心)成角度或傾斜幾度(如1-2度)，因此沒有精確地與旋轉軸平行，這是為了協助形成液體中子源材料膜。

對於本實施方式中，該可旋轉結構的外壁可以是一個連續的圓環，具有一個連續的面向內側的外表面，或者可以分割成多個不同的壁段，從而將面向內側的外表面分成為不同部分，包含成為液體中子源材料的薄膜的靶。例如，外壁可包括多個壁段，每一個都具有類似的形狀和大小。壁段可具有彎曲的形狀，形成總體為圓形的橫截面形狀的圓弧段(arc segments)外壁，或者可以是平的，整個圓環形形狀接近該外壁。外壁的面向內側的外表面可使用多種方法細分為壁段，例如，通過附連到外壁外表面的凸起分離器，由外壁內縮形成凹腔或凹陷，或者通過物理分離和外壁劃分成可拆卸壁段片。

該可旋轉結構的基座，較好的是鄰接在外壁上。因此，基座和外壁可形成為一個單元，或者，可以是連接或接合在一起的單獨部件。基座可具有多種不同的形狀，但最好是環形、圓形或接近圓形(具有多邊形形狀近似圓形)。對於該實施例中，基座是大致平坦的，並且包括居中定位在基座內可旋轉的輪轂以及利用基座及/或外壁各部件可傳輸熱交換劑，例如加熱流體或冷卻劑。作為具體例子，該基座可以包括至少一個冷卻劑管路，從中心輪轂部延伸到外壁的一個或多個壁段，從而提供冷卻劑以冷 卻外壁的面向內側的外表面，例如通過設在其中的通道，使冷卻劑與外表面熱交換。

另外，對於本實施例中，基座可進一步包括至少一個中子源材料容納部位，例如一個凹槽(trough)或孔，其中為固體中子源材料，如Li，可放置和固定，特別是基座轉動時。凹槽的容積較好的是大於在其中設置在中子源材料的體積，因此，足以充分容納熔融的源。充足的總容積是指足以保持生產所需的中子束源所需的總容積。凹槽可以內或在基座上位於任何地方，但最方便的是位在基座和該外壁之間的交界處，其允許在凹槽和外壁之間的流體連通。雖然一個連續凹槽或孔都可以使用，較好的是提供多個凹槽和每個凹槽與相鄰凹槽由一個凸起分離器或分割器(divider)分離。以這種方式，凹槽或孔內形成的液體中子源材料可以沿基座的特定位置被維持在重要部分，並且，特別是在基座和外壁之間的交界處。較好的是，當該基座包括多個凹槽，外壁復包括多個壁段，每個凹槽之中，具有一個或多個流體連通，較好的是一個壁段。因此，液體中子源材料重要的部分在於有流體連通的壁段，其內表面包含源材料膜。

該基座包括一個或多個凹槽，該基座復包括至少一個饋線(feeder line)從中央輪轂部延伸到一個或多個凹槽，從而提供熱交換流體來加熱和熔融位於凹槽的固體中子源材料，如通過設置在基座附近或者凹槽的下方的通道，以使與凹槽的流體熱交換。以這種方式，中子源 材料可被轉化為液體形式。可替代地，該系統可以包括至少一個熱源，諸如一個或多個內部的加熱器或加熱燈，定位配置以加熱固體中子源材料。這可以應用到一個凹槽各別或所有凹槽同時(如通過旋轉結構)加熱，以根據需要形成液體中子源材料。此外，引導質子束射到中子源物質薄膜，產生如下面討論的，重新引導粒子束到凹槽，其功率被用於幫助啟動該中子源材料的熔化。

本實施例中的可旋轉結構，可以使用各種不同的材料，這取決於，例如，中子源材料的化學反應性、液態源材料所需的形式和成本等條件。例如，可旋轉結構可包括不銹鋼或鉬。令人驚奇的是，在本發明中，液體中子源材料潤濕材料的能力，並不是用於形成可轉動的結構材料的決定性的因素。例如，已知的是Li具有相對高的表面張力(約400達因(dynes)/cm在200℃)和相對低的密度(約0.5g/cm²)，從而導致Li有非常高的傾向成為“球形“或在平坦表面上收縮成厚泥球(thick puddles)，使得製造薄而均勻的液態Li膜具有挑戰性。為了解決這個問題，在本發明中可使用由Li容易潤濕表面的材料製作可旋轉結構。但是，這將使移除未使用或更換耗盡的Li或是系統維護更具挑戰。本發明的系統和方法，在所需的操作溫度(例如低於300℃)，不能很好地由Li潤濕的材料都可以使用，同時提供經濟和功能優勢。

如上所述，本發明的系統復包括一個質子束產生器。在本領域中已知的任何質子束來源均可以使 用，包括例如，質子束產生器，包括一個質子加速器，這取決於，例如，質子束靶，其應用將得到中子束。例如，從Li靶(⁷Li(p,n)⁷Be)產生中子，反應需要至少1.88MeV至約2.4-2.7MeV能量的質子源。高電流質子加速器是較好的，例如質子加速器的30-50mA的質子電流和1.9-2.7MeV的質子能量操作條件。質子束產生器產生的質子束可聚焦於中子源材料(無論是作為如上所述的液態膜或固體層)從而產生中子。

此外，本系統和方法中，中子生產期間可以監測和描繪粒子束。可旋轉結構在圓周方向上被分割，使得有許多凹陷各自含有一個Li的膜或層。在每對凹陷之間，一個單一的小孔可以鑽在基座段或垂直外壁上，以形成多孔狀，例如，在外壁內側的螺旋形圖案。法拉第杯(faraday cup)可放置該旋轉結構後面，使得該粒子束穿過前面孔照射在此杯上。從法拉第杯收集的數據，結合從旋轉結構的時間訊息，可以用來重建該粒子束在每一轉的一個二維輪廓，而無需中斷中子的生產。這個訊息將確保所需的粒子束輪廓，位置和強度被維持的。

因此，本發明進一步涉及使用本發明所述系統生產中子的方法。以上描述的任何部件都可以根據需要被包括在內。因此，在一個實施方案中，該方法包括提供具有一個基座的盤形可旋轉的結構，包括居中定位在基座內可旋轉的輪轂，該基座包含至少一個有外側外表面的基座段以容納固體中子源材料層，例如Li，並且該輪轂包 括至少一個延伸到基座段的冷卻劑管路。當盤形結構圍繞旋轉軸旋轉，由質子束產生器提供質子束射向固體中子源材料層，從而產生中子。較好的是，質子束沿粒子束路徑大致平行於旋轉軸方向。

在另一個實施方案中，可旋轉的結構，具有連接到一個基本上垂直外壁的基座的圓柱形結構。較好的是，外壁包括至少一個壁段，具有容納液體中子源材料膜，諸如Li的內側外表面。本發明方法的實施方式，固體中子源材料被設置在基座上，較好的是在位於基座和外壁之間的接合處有一個或多個凹槽或孔，允許在凹槽和外壁之間的流體連通，而液體中子源材料是熔化固體中子源材料所成。該圓柱形構造圍繞旋轉軸旋轉，液體中子源材料從基座流向牆段的面向內側的外表面，從而形成薄膜。由質子束產生器提供的質子束射向液體中子源材料膜，從而產生中子。較好的是，質子束沿基本上垂直於旋轉軸的路徑方向(例如，形成的角度的旋轉軸約80°至約100°，包括從約85°至約95°)。

對於本實施方式，熔化固體中子源材料與旋轉結構的旋轉，可先後發生或同時發生，這取決於，例如，旋轉速度和加熱源的和熔化的相對速率。例如，若旋轉速度約500rpm，則可產生至少約150g的離心力。液態膜的厚度可以變化，這取決於，例如，在靶的應用中，質子束的功率，及該膜的曝光時間。通常液態膜為5mm厚度或更小，例如從約1mm至約3mm。成膜條件取決於液 體源材料和外壁外表面的特性。足夠的離心力，作用於液體源以產生具有所需厚度且紮實平坦的連續薄膜。例如，對於Li源，約600rpm的旋轉頻率，可產生至少約200g的離心力，這預期會足以產生約1.25mm的Li膜，其中Li不會潤濕段材料(segment material)。使用足夠體積的Li，可提供更厚的薄膜，如2mm厚，將確保由表面張力支配的泥球效應(behavior of the puddle)不會發生，並且將擴展並覆蓋在基座的所有凹陷。

本發明的系統和方法的特定實施方案描述如下，在第1至5圖中示出。然而，應當清楚，對本領域技術人員，這是性質而不是限制性的說明，僅作為示例的方式。許多修改和其它實施例在本領域的普通技術人員中的範圍內，應被認為落入本發明的範圍之內。此外，本領域的技術人員應該理解，特定的條件和配置是示例性的，實際的條件和構造將取決於具體的系統上。那些熟練的技術人員也將能夠識別和確定當量於所示的特定元素，使用不超過常規實驗。

本發明的中子產生系統的一個實施例的具體實例，如第1圖所示，系統100包括可旋轉結構110具有容納在外部殼體125的旋轉軸線X。可旋轉結構110具有整體圓柱形形狀和連接到垂直外壁140的水平基座130，此140被分段成多個壁段，可更清楚地在第2圖看到。系統100中復包括中心定位於基座130的可旋轉的輪轂160，其包括冷卻劑管線及/或饋線以應傳熱流體的需要。 馬達170帶動結構110旋轉。如該具體例子中，質子束190通過開口191進入結構110，191位於外壁140的頂邊緣之上，並傳遞到另一側，撞擊旋轉經過的液體中子源膜。產生中子並自結構110的孔192射出，對於該圓柱形構造，質子束沿粒子束路徑基本上垂直於旋轉軸，僅通過外壁140的高度。可以加入幾度輕微向外傾斜，以便協助成膜，並會帶來的粒子束路徑接近垂直。

第2圖示出可旋轉結構110進一步的細節，如圖所示，結構110的水平基座部分由凸起基座隔板215被分成成多個凹槽210。此外，結構110的外壁部分也由凸起壁隔板225被分割成多個壁段220。如圖所示，在基座和外壁之間的接合處每個凹槽210被定位在鄰近相應的壁段220。

形成液體中子源材料膜(例如Li)的一個具體例子，示於第3a至3c圖。如第3a圖中，固態Li300在管狀的形式(儘管其它形式和形狀也是可能的)定位於結構110的凹槽210內，不論是經過連接到中央旋轉的輪轂的水平基座饋線通道，或是通過內部加熱器，如靠近凹槽的加熱燈，提供熱量到凹槽。如第3b圖所示，加熱熔化固態Li 300，以產生液態Li 310。凹槽210的容積比液態Li 310的體積大，而液體中子源材料在其中。與熔化步驟同，或後續，以足夠的速度旋轉結構110，使液態Li 310爬上壁段220(由箭頭A表示)，從而形成液態Li薄膜320(第3c圖中示出)。壁段220包含薄膜320，對於給定的旋轉速度 和條件，具有適當容積，表面特性，及分離器的高度。

質子束射向旋轉的Li膜靶，當其通過粒子束，將產生中子流。這種方法具有中子源靶材-液態Li體積最小化的優點，同時還避免起泡的問題，並預期為固體中子靶或過早固化的液體靶。此外，因為液體源(即，Li)並不需要流動，如果無意地發生凝固並無顯著影響。事實上，在本發明的方法和系統中，Li可維持或低於其熔點，為兩相體系(two-phase system)操作。許多粒子束的能量將由Li的相位變化吸收，當粒子束通過靶時將溫度峰值最小化。這預期會降低Li沸騰的風險，使在較低的溫度操作，同時避免起泡的問題。此外，相較於靜止靶，因為旋轉靶所產生的熱量分佈在一個大的面積，排熱效果提高，同時如大多數應用方法所期望，中子源也保持在一個小區域。另外可用冷卻線路經循環冷卻來排熱，線路來自水平基座的中心輪轂單元延伸到外壁的一個或多個壁段，其提供冷卻劑與該外壁的面向內側的外表面熱交換，例如通過設置在其中的通道。而且，傳熱流體也用於熔化Li，位於熱交換的面向內側的外表面，諸如連接通道，來保持液態膜的溫度。

本方法和系統的其他預期優點包括快速，可用機器人移除中子源材料做更換或系統維護。例如，Li靶可被允許在水平基座的凹槽固化。如果凹槽是用具有合適的抗粘表面為Li的材料製備的，Li的球粒會形成，這可是直接移除，或者，一個可移動的凹槽都可以使用。這將 最大限度地減少停機維護或更換Li，也將顯著降低維護人員的輻射危害，其與包含Li反應產物相關聯的放射性鈹(Be,beryllium)。額外的好處也是可能的，均屬於本公開內容的益處。

本發明另一個的中子產生系統的實施例的具體例子，示於第4a圖。如圖所示，系統400包括可旋轉結構410具有容納在外部殼體425的旋轉軸線X及包圍的中子反射層426。旋轉結構410具有大致地圓盤形狀，並包括垂直基座430，其具有環狀的台階區域，包括基座段420其中含固體Li層435。基座430復包括可旋轉的輪轂460(僅在第4a圖中部分可見)，其包括冷卻劑管線及/或饋線用於熱交換流體，並根據需要在旋轉時同步進行冷卻固態Li層435。可旋轉結構410繞軸線X旋轉，當其旋轉過去時，質子束490撞擊固態Li層435，從而產生中子，通過調節器491和瞄準儀492射出。對此盤形可旋轉結構，質子束是基本平行於旋轉軸的路徑方向。

此實施例的另外的具體例子示於第4b至4d圖。基於第4b圖，系統401包括可旋轉結構411具有大致地圓盤形狀，其中，復包括垂直基座431具有基座段421其中含固態Li層436。在第4c圖中可以更清楚地看到，它是可轉動結構411的正視圖。基座431包括可旋轉輪轂461，其包括多個冷卻管線470和饋線475連接輪轂461至基座段421提供冷卻劑至固態Li層436，結構411經電機部件450繞軸線X旋轉。此樞紐和關聯的線路或通道在第 4d圖中可以更清楚地看到，這是可旋轉結構411的後視圖。基座段422示於第4c圖和第4d圖中，在剖視圖裡，基座段的通道遞送冷卻劑到Li層436背面。可旋轉結構411繞軸線X旋轉，當其旋轉過去時，質子束491撞擊固態Li層436，從而產生中子，通過靶背面出口射出。因此，對此盤形可旋轉結構，質子束是基本平行於旋轉軸的路徑方向。

這些實施例還具有減少所需的中子源靶材Li量的優點。當冷卻劑通過管線或通道從中央輪轂延伸到基座段作循環，當其旋轉時熱會從固體靶移除，將過熱和起泡現象最小化，並相對於使用固定靶的方法，允許使用更薄的固體靶。因為靶旋轉，所以產生的熱量分佈在大的面積，同時如大多數應用方法所期望，中子源也保持在一個小區域。另外，旋轉盤形結構可根據產生中子束靶的位置需要，以垂直、水平或以任何角度定位。這提供了本發明的系統具有相當大的設計靈活性。此外，基座段可以從該可旋轉結構快速、單獨的拆卸，可用機器人移除中子源材料做更換或系統維護。例如，固態Li靶可單獨的附著於基座段，如第4c圖和第4d圖所示。基座段的分離，例如，該基座包括冷卻劑和饋線通道，可以快速和容易地移除和更換，以減少進行維護或更換中子源的停機時間，也將顯著降低維護人員的輻射危害。額外的好處也是可能的，均屬於本公開內容的益處。

由本發明的系統和方法所產生的中子可以 使用在各種不同的應用。例如，所得到的中子可用於生產同位素，易爆/裂變(fissile)材料檢測，貴金屬礦石分析，成像和醫療技術。作為一個具體的例子，該中子可以作為BNCT用於治療癌症的一部分。

因此，本發明還涉及BNCT系統以及一個BNCT方法。本BNCT系統和方法的一般原理實施例圖，示於第5圖以及部分地在第4圖。例如，參考第5圖，未按比例繪製，BNCT系統500包括中子產生系統550和患者定位和處理系統580。中子產生系統550包括質子束產生器510和中子源靶520，其被設置在可旋轉結構(未示出)上。任何本發明和上述的可轉動結構均可使用。質子束產生器510可以根據中子源靶520的需求，安裝於各種相對不同的位置，這取決於，例如，設施擺放位置的大小及設計。各種已知的彎曲或聚焦磁性體可用於導引所產生的質子束射到靶上。

由質子束產生器510產生的質子束590，穿過粒子束傳輸系統515，其可以包括，例如，各種類型的聚焦磁鐵，並與中子源靶520反應，由此產生中子，其通常產生在源周圍的各方向，此取決於它們的能量-更高能量的中子從靶向前移動，而較低能量的中子垂直或從源背面散射。產生的中子束570具有BNCT治療所需的能量和方向，中子產生系統550復包括反射器526，粒子束調節器591和粒子束瞄準儀592。不論中子束反射器，調節器，或粒子束瞄準儀/定位器(delimiter)在本領域中是已知能使用 的，並且每一個都可以被定位在靶的周圍，以捕獲所期望的所需能量範圍的中子。例如，反射器526可以被定位在靶的側面和後面，如第4圖和第5圖中，並且可包括本領域中已知的任何材料，該材料具中子相對非吸收性，如高原子序數材料(包括鉛，鉍，或氧化鋁)，或碳質材料(包括石墨)。以這種方式，低能量反向散射的中子被反射回系統，從而保護或屏蔽周圍部件以及患者599。在前方，可以通過調節器591捕獲相對更高能量的中子(也包括材料具中子相對非吸收性)，以降低它們的能量到期望的超熱(epithermal)範圍。以這種方式，例如，具有初始能量約500千電子伏(keV)的中子可降低到最終能量約1電子伏特(eV)至約10keV，這是BNCT治療的範圍期望。合適的調節劑(moderator)材料是本領域已知的，並且包括，例如，重水(D₂O)、氟化鎂、氟化鋰、氟化鋁(AlF₃)、鋁、聚四氟乙烯(Teflon)、以及它們的混合物。最後，如圖所示，粒子束瞄準儀592可被定位調節器591之後，以產生所需中子束聚焦到患者599的目標598。

如第5圖，BNCT系統500復包括患者定位和治療系統580，其包括設備和控制用於傳送中子束至患者。例如，硼遞送系統和規章被用在所選擇的含硼處理劑(boron-containing treating agent)來遞送規定的劑量給患者599的目標598，控制系統被用於精確地定位目標與預期的中子路徑，且這種控制系統將是已知本領域技術人員所熟知。根據需要附加的設備和部件也可以使用，並且也將在 該領域是眾所周知的。

本發明前面描述的較好的實施例，已經作出說明和描述的目的。它不打算是窮盡的或將本發明限制到所公開的精確形式。根據上述教導的修改和變化是可能的，或者可以從本發明的實踐中獲得。所選擇的實施例是為了解釋本發明及其實際應用的原理，以使本領域技術人員能夠利用本發明的各種實施例和各種修改適合於預期的特定用途的說明。其意圖在於本發明的範圍由所附的權利要求，以及其等同物來限定。

所主張專利範圍是：

100‧‧‧系統

110‧‧‧可旋轉結構

125‧‧‧外部殼體

130‧‧‧基座

140‧‧‧外壁

160‧‧‧輪轂

170‧‧‧馬達

190‧‧‧質子束

191‧‧‧開口

Claims (67)

1. 一種中子產生系統，包括a)圓筒形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有連接到基本上垂直外壁的基座，該外壁包括至少一個壁段，該壁段具有面向內側的外表面，該外表面係組構以容納液體中子源材料的薄膜，以及b)質子束產生器，組構以在該液體中子源材料的該薄膜引導質子束，從而產生中子。
2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該圓筒形結構具有水平的基座連接到基本上垂直的外壁。
3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該外壁包括多個壁段，每個壁段由凸起分離器與相鄰壁段隔開。
4. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在該基座內，並且包括至少一個冷卻劑管路，該冷卻劑管路延伸至該壁段，並且遞送冷卻劑至該牆段。
5. 如申請專利範圍第4項所述的系統，其中，該外壁復包括至少一個通道，該通道提供該壁段的該面向內側的外表面與該冷卻劑的熱交換。
6. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該基座包括至少一個凹槽，容納固體中子源材料，該凹槽的總容積足以容納從該固體中子源材料形成的該液體中子源材料。
7. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中，該基座包 括多個凹槽，每個凹槽由凸起分離器與相鄰凹槽隔開。
8. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中，該基座包括多個凹槽，並且該外壁包括多個壁段，每個凹槽與一個壁段流體連通。
9. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在基座內，並且包括至少一個饋線延伸至該凹槽，該饋線遞送傳熱流體至該凹槽。
10. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中，該凹槽包括多個通道，提供與該凹槽熱交換的傳熱流體。
11. 如申請專利範圍第9項所述的系統，其中，該可旋轉的輪轂復包括至少一個冷卻劑管路，該冷卻劑管路延伸至該壁段，並且遞送冷卻劑至該牆段。
12. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中，該冷卻劑是該傳熱流體。
13. 如申請專利範圍第1項所述的系統，復包括至少一個熱源，至少部分熔化固體中子源材料，以形成該液體中子源材料。
14. 如申請專利範圍第13項所述的系統，其中，該熱源是燈泡加熱器。
15. 如申請專利範圍第13項所述的系統，其中，該熱源是該質子束。
16. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該中子源材料是鋰。
17. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該薄膜的厚度小於5mm。
18. 如申請專利範圍第17項所述的系統，其中，該厚度為約1mm至約3mm。
19. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該質子束產生器包括氫離子加速器。
20. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該質子束被引導沿粒子束路徑，該粒子束路徑基本上垂直於該旋轉軸。
21. 一種硼中子俘獲療法系統，包括：a)圓筒形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有連接到基本上垂直外壁的基座，該外壁包括具有至少一個壁段，該至少一個壁段具有面向內側的外表面，以容納液體中子源材料的薄膜，以及b)質子束產生器，在該液體中子源材料的該膜引導質子束，從而產生中子。
22. 一種產生中子的方法，包括i)提供圓柱形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有連接到基本上垂直外壁的基座，該外壁包括至少一個壁段，該壁段具有面向內側的外表面，以容納液體中子源材料的薄膜；ii)在該基座上提供固體中子源材料；iii)熔化該固體中子源材料，以形成該液體中子源材料； iv)繞該旋轉軸旋轉該圓柱形結構，其中，該液體中子源材料從該基座流向該牆段的該面向內側的外表面，從而形成薄膜；以及v)在該液體中子源材料的該薄膜引導由質子束產生器所提供的質子束，從而產生中子。
23. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該圓柱形結構具有水平的基座，連接到基本上垂直的外壁。
24. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該外壁包括多個壁段，每個壁段由凸起分離器與相鄰壁段隔開。
25. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在該基座內，並且包括至少一個冷卻劑管路，延伸至該壁段，並且該方法復包括通過該冷卻劑管路傳送冷卻劑到該牆段。
26. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，該方法復包括提供傳熱流體，該提供傳熱流體通過該外壁的至少一個通道與該壁段的該面向內側的外表面熱交換。
27. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該基座包括至少一個凹槽，該凹槽容納該固體中子源材料，該凹槽的總容積足以容納從該固體中子源材料形成的該液體中子源材料。
28. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該基座包括多個凹槽，每個凹槽由凸起分離器與相鄰凹槽隔開。
29. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該基座包 括多個凹槽，並且該外壁包括多個壁段，每個凹槽與一個壁段流體連通。
30. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在該基座內，並且包括至少一個饋線，延伸至該凹槽，並且其中，該方法復包括通過該饋線傳送傳熱流體予該凹槽。
31. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該方法復包括通過該凹槽內的一個或多個通道，提供與該凹槽熱交換的傳熱流體。
32. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中，該可旋轉輪轂復包括至少一個冷卻劑管線，延伸至該壁段，並且其中，該方法復包括通過該冷卻劑管線傳送冷卻劑至該牆段。
33. 如申請專利範圍第32項所述的方法，其中，該冷卻劑是該傳熱流體。
34. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，形成液體中子源材料的步驟包括利用至少一個熱源，至少部分熔化該固體中子源材料。
35. 如申請專利範圍第34項所述的方法，其中，該熱源是燈泡加熱器。
36. 如申請專利範圍第34項所述的方法，其中，該熱源是該質子束。
37. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該中子源材料是鋰。
38. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該薄膜的厚度小於5mm。
39. 如申請專利範圍第38項所述的方法，其中，該厚度為約1mm至約3mm。
40. 如申請專利範圍第22項的方法，其中，該質子束產生器包括氫離子加速器。
41. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該質子束被引導沿粒子束路徑，該粒子束路徑基本上垂直於該旋轉軸。
42. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該圓柱形結構的轉速大於大約500rpm。
43. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，旋轉該圓柱形結構的步驟產生至少約150g的離心力。
44. 一種硼中子俘獲療法方法，包括：i)提供圓柱形結構，圓柱形結構可繞旋轉軸旋轉，並且具有連接到基本上垂直外壁的基座，該外壁包括至少一個壁段，該壁段具有面向內側的外表面，組構以容納液體中子源材料的薄膜；ii)在該基座上提供固體中子源材料；iii)熔化該固體中子源材料，形成該液體中子源材料；iv)繞該旋轉軸旋轉該圓柱形結構，其中，該液體中子源材料從該基座流向該牆段的該面向內側的外表面，從而形成該薄膜；以及 v)在該液體中子源材料的該薄膜引導由質子束產生器所提供的質子束，從而產生中子。
45. 一種產生中子的系統，包括a)盤形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有基座，該基座包括可旋轉的輪轂，居中定位在該基座內，該基座復包含至少一個基座段，具有面向外側的外表面，以容納固體中子源材料的層，以及b)質子束產生器，組構以在該固體中子源材料的該層引導質子束，從而產生中子。
46. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該基座包括多個基座段，每個基座段由凸起分離器與相鄰基座段分隔。
47. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該基座包括固體中子源材料的連續層。
48. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該可旋轉輪轂包括至少一個冷卻劑管路，延伸到基座段，該冷卻劑管路組構以遞送冷卻劑到該基座段。
49. 如申請專利範圍第48項所述的系統，其中，該基座復包括至少一個通道，該通道提供該冷卻劑與該基座段的該面向外側的外表面熱交換。
50. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該中子源材料是鋰。
51. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該層的厚度小於5mm。
52. 如申請專利範圍第51項所述的系統，其中，該厚度為約1mm至約3mm。
53. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該質子束產生器包括氫離子加速器。
54. 如申請專利範圍第45項所述的系統，其中，該質子束被引導沿粒子束路徑，該粒子束路徑大致平行於旋轉軸方向。
55. 一種硼中子俘獲療法系統，包括：a)盤形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有一個基座，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在基座內，該基座復包含至少一個基座段，具有面向外側的外表面，以容納固體中子源材料的層，以及b)質子束產生器，組構以在該固體中子源材料的該層引導質子束，從而產生中子。
56. 一種產生中子的方法，包括i)提供盤形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有一個基座，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在該基座內，該基座復包含至少一個基座段，具有面向外側的外表面，以容納固體中子源材料的層，以及ii)在該基座段的該面向外側的外表面上提供該固體中子源材料的該層；iii)繞該旋轉軸旋轉該盤形結構；以及 iv)在該液體中子源材料的該層，引導由質子束產生器所供應的質子束，從而產生中子。
57. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該基座包括多個基座段，每個基座段由凸起分離器與相鄰基座段分隔。
58. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該基座包括固體中子源材料的連續層。
59. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該可旋轉輪轂包括至少一個冷卻劑管路，延伸到該基座段，該冷卻劑管路遞送冷卻劑到該基座段。
60. 如申請專利範圍第59項所述的系統，其中，該基座復包括至少一個通道，該通道組構以提供該冷卻劑與該基座段的該面向外側的外表面的熱交換。
61. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該中子源材料是鋰。
62. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該層的厚度小於2mm。
63. 如申請專利範圍第62項所述的系統，其中，該厚度為約0.01mm至約1mm。
64. 如申請專利範圍第62項所述的系統，其中，該厚度為約0.05mm至大約0.5mm。
65. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該質子束產生器包括氫離子加速器。
66. 如申請專利範圍第56項所述的系統，其中，該質子束 被引導沿粒子束路徑，該粒子束路徑大致平行於旋轉軸方向。
67. 一種硼中子俘獲療法方法，包括：i)提供盤形結構，可繞旋轉軸旋轉，並且具有一個基座，該基座包括可旋轉的輪轂，該可旋轉的輪轂居中定位在該基座內，該基座包含至少一個基座段，具有面向外側的外表面，以容納固體中子源材料的層，以及ii)在該基座段的該面向外側的外表面上提供該固體中子源材料；iii)繞該旋轉軸旋轉該盤形結構；以及iv)在該液體中子源材料的該層引導由質子束產生器所產生的質子束，從而產生中子。