CN107921273A

CN107921273A - 用于中子捕获治疗的射束整形体

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Publication number: CN107921273A
Application number: CN201680022431.5A
Authority: CN
Inventors: 刘渊豪; 陈韦霖; 李珮仪; 张敏娟; 徐文玉
Original assignee: Neuboron Medtech Ltd
Current assignee: Neuboron Medtech Ltd
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: CN107921273B

Abstract

一种用于中子捕获治疗的射束整形体，包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在缓速体外的反射体、与缓速体邻接的热中子吸收体、设置在射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，靶材与自射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成限定一根主轴的中子射束，缓速体将自靶材产生的中子减速至超热中子能区，缓速体的材料由MgF₂制成或含有MgF₂和占有MgF₂的重量百分比为0.1‑5％的含有⁶LiF混合制成，其经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，反射体将偏离主轴的中子导回主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

Description

用于中子捕获治疗的射束整形体

用于中子捕获治疗的射束整形体技术领域

本发明涉及一种射束整形体，尤其涉及一种用于中子捕获治疗的射束整形体。

背景技术

随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤（如：多行性胶质母细胞瘤

( gl ioblastoma multiforme ), 黑色素细胞瘤（melanoma) ) 的治疗成效往往不佳。

为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗（chemotherapy) 中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应（relative biological effectiveness, RBE) 的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的中子射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。

硼中子捕获治疗（Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) 是利用含硼（^WB) 药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由 a ) ⁷Li中子捕获及核分裂反应产生 ⁴He和 ⁷Li两个重荷电粒子。参照图 1和图 2，其分别示出了硼中子捕获反应的示意图和 (!!， a ) ⁷Li中子捕获核反应方程式，两荷电粒子的平均能量约为 2. 33MeV，具有高线性转移（Linear Energy Transfer, LET) , 短射程特征， α粒子的线性能量转移与射程分别为 150 keV/ μ πκ 8 μ πι, 而 ⁷Li重荷粒子则为 175 keV/ y m、 5 μ πι, 两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。因硼中子捕获治疗的成效取决于肿瘤细胞位置含硼药物浓度和热中子数量，故又被称为二元放射线癌症治疗（binary cancer therapy) ; 由此可知，除了含硼药物的开发，中子射源通量与品质的改善在硼中子捕获治疗的研究中占有重要角色。发明内容

为了改善中子射源的通量与品质，本发明的一个方面提供一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在缓速体外的反射体、与缓速体邻接的热中子吸收体、设置在射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，靶材与自射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴，缓速体将自靶材产生的中子减速至超热中子能区，缓速体的材料由含有 PbF₄、 A1₂0₃、 A1F₃、 0^₂或 MgF₂ 中的一种或多种混合材料和占有含有 PbF₄、 A1₂0₃、 A1F₃、（¾ 或 MgF₂中的一种或多种混合材料的重量百分比为 0. 1-5%的含有 ⁶Li元素的材料混合制成，其中缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，反射体将偏离主轴的中子导回主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

本发明的另一方面提供一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在缓速体外的反射体、与缓速体邻接的热中子吸收体、设置在射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，靶材与自射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴，缓速体将自靶材产生的中子减速至超热中子能区，缓速体的材料由含有 LiF、 Li₂C0₃、 A1₂0₃、 A1F₃、 CaF₂或 MgF₂中的至少一种材料制成，其中缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，反射体将偏离主轴的中子导回主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

射束整形体进一步用于加速器硼中子捕获治疗，加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，靶材由金属制成，质子束加速至足以克服靶材原子核库伦斥力的能量，与靶材发生核反应以产生中子，射束整形体能将中子缓速至超热中子能区，并降低热中子及快中子含量，超热中子能区在 0. 5eV到 40keV之间，热中子能区小于 0. 5eV，快中子能区大于 40keV，反射体由具有中子反射能力强的材料制成，热中子吸收体由与热中子作用截面大的材料制成。

作为一种优选地，反射体由 Pb或 Ni中的至少一种制成，热中子吸收体由 ⁶Li制成，热中子吸收体和射束出口之间设有空气通道，辐射屏蔽包括由 Pb制成的光子屏蔽和由 PE制成的中子屏蔽。

为了有效的对中子射束进行减速，一方面，作为一种优选地，缓速体设置成两个相反方向相互邻接的锥体状。

进一步地，锥体状包括第一直径、第二直径和第三直径，第一直径长度为 lcm-20cm，第二直径长度为 30cm-100cm，第三直径长度为 lcm-50cm，缓速体的材料的密度为理论密度的 80%- 100%。

再进一步地，缓速体和反射体之间设置间隙通道以提高超热中子通量，缓速体的材料由含有 MgF₂粉末和占有 MgF₂粉末重量百分比为 0. 1-5%的 ⁶LiF粉末混合制成。

另一方面，粉末烧结设备为热压烧结设备或放电等离子烧结设备，粉末烧结工艺为热压烧结工艺或放电等离子烧结工艺。

优选地，热压烧结设备包括加热炉、置于加热炉内的加压装置、模具、装入模具内的粉末或粉末压坯和用于控制热压烧结设备正常工作的控制装置，热压烧结工艺包括如下步骤：用适量的粉末或粉末压坯填充模具；开启热压炉以预设压力和温度参数；移动加压装置对模具内的粉末或粉末压坯加压；控制装置控制热压烧结设备在正常工作的情形下；通电以烧结成块。

作为另一种优选地，放电等离子烧结设备包括第一电极、第二电极、置于第一电极和第二电极之间的导电模具、给模具提供脉冲电流的脉冲电流发生器、带有用于加压的加压件的加压装置和用于控制脉冲电流发送器和加压装置的控制装置，第一电极和第二电极中的至少一个能够移动，第一电极和第二电极中的至少一个与加压装置相连从而能够加压置于模具内的粉末；放电等离子烧结工艺包括如下步骤：将适量的粉末填充模具；移动第二电极对模具内的粉末加压；通过控制装置打开脉冲电流发生器以将导电模具导电从而产生等离子体，粉末颗粒表面被活化和发热；烧结成块。

放电等离子烧结设备进一步包括用于测量加压装置的位移的位移测量系统，用于控制模具内气氛的气氛控制系统，用于冷却的水冷系统，用于测量放电等离子烧结设备内的温度的温度测量装置，放电等离子烧结工艺进一步包括如下步骤：控制装置控制位移测量系统以确保位移测量系统正常工作，控制装置控制气氛控制系统以确保模具内气氛在正常工作的情形下，控制装置控制水冷系统以确保水冷系统正常工作，控制装置控制温度测量装置以确保放电等离子烧结设备内的温度在正常工作的情形下。

本发明实施例中所述的 "柱体"或 "柱体状"是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势基本不变的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆柱体状的对应的轮廓线，也可以是曲率较大的接近线段的圆弧，如曲率较大的球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆柱体状或曲率较大的球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。本发明实施例中所述的 "锥体"或 "锥体状"是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势逐渐变小的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆锥体状的对应的轮廓线，也可以是圆弧，如球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆锥体状或球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是硼中子捕获反应示意图。

图 2是 (11， α ) ⁷Li中子捕获核反应方程式。图 3是本发明第一实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体的平面示意图，其中，在缓速体和反射体之间设置有间隙通道。

图 4是本发明第二实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体的平面示意图，其中，缓速体设置成双锥体，且第一实施例中的间隙通道位置以缓速体材料填充。

图 5是本发明第三实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体的平面示意图，其中，缓速体设置成双锥体，且第一实施例中的间隙通道位置以反射体材料填充。

图 6是中子能量与中子角度双微分的中子产率图。

图 7是本发明第四实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体的平面示意图，其中，缓速体设置成柱体。

图 8是本发明第五实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体的平面示意图，其中，缓速体设置成柱体 +锥体。

图 9是本发明其中一个实施例中的缓速体材料的制备装置示意图，其中，该制备装置为放电等离子烧结设备。

图 10是本发明其中一个实施例中的缓速体材料的制备装置示意图，其中，该制备装置为热压烧结设备。

具体实施方式

中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，供应硼中子捕获治疗的中子可以由核反应堆或加速器供应。本发明的实施例以加速器硼中子捕获治疗为例，加速器硼中子捕获治疗的基本组件通常包括用于对带电粒子（如质子、氘核等）进行加速的加速器、靶材与热移除系统和射束整形体，其中加速带电粒子与金属靶材作用产生中子，依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有 ⁷Li (p，n) ¾e 及¾6 ， n) ⁹B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为 1. 881MeV和 2. 055MeV, 由于硼中子捕获治疗的理想中子源为 keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属（Li ) 和铍金属（Be ) 两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区（将在下文详细描述)、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性，但实际上并无法找到符合所有要求的核反应，本发明的实施例中采用锂金属制成的靶材。但是本领域技术人员熟知的，靶材的材料也可以由其他除了上述谈论到的金属材料之外的金属材料制成。

针对热移除系统的要求则根据选择的核反应而异，如 ⁷Li (p，n) ¾e因金属靶材（锂金属）的熔点及热导系数差，对热移除系统的要求便较 ⁹Be (p，n) ¾ 高。本发明的实施例中采用 ⁷Li (p, n) ¾e的核反应。

无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应，产生的皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子；对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。除了空气射束品质因素，为更了解中子在人体中造成的剂量分布，本发明的实施例中使用人体头部组织假体进行剂量计算，并以假体射束品质因素来作为中子射束的设计参考，将在下文详细描述。

国际原子能机构（IAEA) 针对临床硼中子捕获治疗用的中子源，给定了五项空气射束品质因素建议，此五项建议可用于比较不同中子源的优劣，并供以作为挑选中子产生途径、设计射束整形体时的参考依据。这五项建议分别如下：

超热中子射束通量 Epithermal neutron flux > 1 x 10⁹ n/ cm²s

快中子污染] ¾st neutron contamination < 2 x 10— ¹³ Gy-cm²/n

光子污染 Photon contamination < 2 x 10— ¹³ Gy-cm²/n

热中子与超热中子通量比值 thermal to epithermal neutron flux ratio < 0. 05 中子电流与通量比值 epithermal neutron current to flux ratio > 0. 7

注：超热中子能区在 0. 5eV到 40keV之间，热中子能区小于 0. 5eV，快中子能区大于 40keV。

1、超热中子射束通量：

中子射束通量和肿瘤中含硼药物浓度共同决定了临床治疗时间。若肿瘤含硼药物浓度够高，对于中子射束通量的要求便可降低；反之，若肿瘤中含硼药物浓度低，则需高通量超热中子来给予肿瘤足够的剂量。 IAEA对于超热中子射束通量的要求为每秒每平方厘米的超热中子个数大于 10⁹，此通量下的中子射束对于目前的含硼药物而言可大致控制治疗时间在一小时内，短治疗时间除了对病人定位和舒适度有优势外，也可较有效利用含硼药物在肿瘤内有限的滞留时间。

2、快中子污染：

由于快中子会造成不必要的正常组织剂量，因此视之为污染，此剂量大小和中子能量呈正相关，因此在中子射束设计上应尽量减少快中子的含量。快中子污染定义为单位超热中子通量伴随的快中子剂量， IAEA对快中子污染的建议为小于 2 X 10— ¹³ Gy-cm²/n o

3、光子污染（ γ射线污染）： γ射线属于强穿辐射，会非选择性地造成射束路径上所有组织的剂量沉积，因此降低 γ 射线含量也是中子束设计的必要要求， γ 射线污染定义为单位超热中子通量伴随的 γ射线剂量， IAEA对 γ射线污染的建议为小于 2 χ 10— ¹³ Gy-cm²/n。

4、热中子与超热中子通量比值：

由于热中子衰减速度快、穿透能力差，进入人体后大部分能量沉积在皮肤组织，除黑色素细胞瘤等表皮肿瘤需用热中子作为硼中子捕获治疗的中子源外，针对脑瘤等深层肿瘤应降低热中子含量。 IAEA对热中子与超热中子通量比值建议为小于 0. 05。

5、中子电流与通量比值：

中子电流与通量比值代表了射束的方向性，比值越大表示中子射束前向性佳，高前向性的中子束可减少因中子发散造成的周围正常组织剂量，另外也提高了可治疗深度及摆位姿势弹性。 IAEA对中子电流与通量比值建议为大于 0. 7。

利用假体得到组织内的剂量分布，根据正常组织及肿瘤的剂量 -深度曲线，推得假体射束品质因素。如下三个参数可用于进行不同中子射束治疗效益的比较。

1、有效治疗深度：

肿瘤剂量等于正常组织最大剂量的深度，在此深度之后的位置，肿瘤细胞得到的剂量小于正常组织最大剂量，即失去了硼中子捕获的优势。此参数代表中子射束的穿透能力，有效治疗深度越大表示可治疗的肿瘤深度越深，单位为 cm。

2、有效治疗深度剂量率：

即有效治疗深度的肿瘤剂量率，亦等于正常组织的最大剂量率。因正常组织接收总剂量为影响可给予肿瘤总剂量大小的因素，因此参数影响治疗时间的长短，有效治疗深度剂量率越大表示给予肿瘤一定剂量所需的照射时间越短，单位为 cGy/mA-min。

3、有效治疗剂量比：

从大脑表面到有效治疗深度，肿瘤和正常组织接收的平均剂量比值，称之为有效治疗剂量比；平均剂量的计算，可由剂量-深度曲线积分得到。有效治疗剂量比值越大，代表该中子射束的治疗效益越好。

为了使射束整形体在设计上有比较依据，除了五项 IAEA建议的空气中射束品质因素和上述的三个参数，本发明实施例中也利用如下的用于评估中子射束剂量表现优劣的参数：

1、照射时间 30min (加速器使用的质子电流为 10mA)

2、 30. ORBE-Gy可治疗深度 7cm 3、肿瘤最大剂量 60. ORBE-Gy

4、正常脑组织最大剂量 12. 5RBE-Gy

5、皮肤最大剂量 11. 0RBE-Gy

注： RBE (Relative Biological Effectiveness ) 为相对生物效应，由于光子、中子会造成的生物效应不同，所以如上的剂量项均分别乘上不同组织的相对生物效应以求得等效剂量。

为了改善中子射源的通量与品质，本发明的实施例是针对用于中子捕获治疗的射束整形体提出的改进，作为一种优选地，是针对用于加速器硼中子捕获治疗的射束整形体的改进。如图 3所示，本发明第一实施例中的用于中子捕获治疗的射束整形体 10，其包括射束入口 11、靶材 12、邻接于靶材 12的缓速体 13、包围在缓速体 13外的反射体 14、与缓速体 13邻接的热中子吸收体 15、设置在射束整形体 10内的辐射屏蔽 16和射束出口 17，靶材 12与自射束入口 11入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴 X，缓速体 13将自靶材 12产生的中子减速至超热中子能区，反射体 14将偏离主轴 X的中子导回主轴 X以提高超热中子射束强度，缓速体 13和反射体 14之间设置间隙通道 18以提高超热中子通量，热中子吸收体 15用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽 16用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，作为一种优选实施例，靶材 12由锂金属制成，质子束加速至足以克服靶材原子核库伦斥力的能量，与靶材 12发生 ⁷Li (p，n) ⁷Be核反应以产生中子。射束整形体 10能将中子缓速至超热中子能区，并降低热中子及快中子含量，缓速体 13由具有快中子作用截面大、超热中子作用截面小的材料制成，作为一种优选实施例，缓速体 13由 D₂0、 A1F₃、 Fluental™, CaF₂、 Li₂C0₃ 、 MgF₂和 A1₂0₃中的至少一种制成。反射体 14由具有中子反射能力强的材料制成，作为一种优选实施例，反射体 14由 Pb或 Ni中的至少一种制成。热中子吸收体 15由与热中子作用截面大的材料制成，作为一种优选实施例，热中子吸收体 15由 ⁶Li制成，热中子吸收体 15和射束出口 17之间设有空气通道 19。辐射屏蔽 16包括光子屏蔽 161和中子屏蔽 162，作为一种优选实施例，辐射屏蔽 16包括由铅（Pb)制成的光子屏蔽 161和由聚乙烯（PE) 制成的中子屏蔽 162。

其中，缓速体 13设置成两个相反方向相互邻接的锥体状，如图 3所示的方向，缓速体 13 的左侧为向着左侧逐渐变小的锥体状，缓速体 13 的右侧为向着右侧逐渐变小的锥体状，两者相互邻接。作为一种优选地，缓速体 13的左侧设置为向着左侧逐渐变小的锥体状，而右侧也可以设置成其他形体状与该锥体状相互邻接，如柱体状等。反射体 14紧密的包围在缓速体 13周围，在缓速体 13和反射体 14之间设置有间隙通道 18，所谓的间隙通道 18指的是未用实体材料覆盖的空的容易让中子束通过的区域，如该间隙通道 18可以设置为空气通道或者真空通道。紧邻缓速体 13设置的热中子吸收体 15由很薄的一层 ⁶Li 材质制成，辐射屏蔽 16 中的由 Pb制成的光子屏蔽 161可以与反射体 14设置为一体，也可以设置成分体，而辐射屏蔽 16中由 PE制成的中子屏蔽 162可以设置在邻近射束出口 17的位置。在热中子吸收体 15 和射束出口 17之间设置有空气通道 19，于此区域可持续将偏离主轴 X的中子导回主轴 X以提高超热中子射束强度。假体 B设置在距离射束出口 17约 lcm处。本领域技术人员熟知的，光子屏蔽 161可以由其他材料制成，只要起到屏蔽光子的作用就行，中子屏蔽 162也可以由其他材料制成，也可以设置在其它地方，只要能够满足屏蔽渗漏中子的条件就行。

为了比较设置有间隙通道的射束整形体与未设置间隙通道的射束整形体的差异，如图 4 和图 5所示，其分别示出了将间隙通道采用缓速体填充的第二实施例和将间隙通道采用反射体填充的第三实施例。首先参照图 4，该射束整形体 20包括射束入口 21、靶材 22、邻接于靶材 22的缓速体 23、包围在缓速体 23外的反射体 24、与缓速体 23邻接的热中子吸收体 25、设置在射束整形体 20内的辐射屏蔽 26和射束出口 27，靶材 22与自射束入口 21入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴 XI，缓速体 23将自靶材 22产生的中子减速至超热中子能区，反射体 24将偏离主轴 XI的中子导回主轴 XI以提高超热中子射束强度，缓速体 23设置成两个相反方向相互邻接的锥体状，缓速体 23的左侧为向着左侧逐渐变小的锥体状，缓速体 23的右侧为向着右侧逐渐变小的锥体状，两者相互邻接，热中子吸收体 25用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽 26用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

作为一种优选地，第二实施例中的靶材 22、缓速体 23、反射体 24、热中子吸收体 25和辐射屏蔽 26可以与第一实施例中的相同，而其中的辐射屏蔽 26包括由铅（Pb ) 制成的光子屏蔽 261和由聚乙烯（PE)制成的中子屏蔽 262，该中子屏蔽 262可以设置在射束出口 27处。在热中子吸收体 25和射束出口 27之间设置有空气通道 28。假体 B1设置在距离射束出口 27 约 lcm处。

请参照图 5，该射束整形体 30包括射束入口 31、靶材 32、邻接于靶材 32的缓速体 33、包围在缓速体 33外的反射体 34、与缓速体 33邻接的热中子吸收体 35、设置在射束整形体 30内的辐射屏蔽 36和射束出口 37，靶材 32与自射束入口 31入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴 X2，缓速体 33将自靶材 32产生的中子减速至超热中子能区，反射体 34将偏离主轴 X2的中子导回主轴 X2以提高超热中子射束强度，缓速体 33设置成两个相反方向相互邻接的锥体状，缓速体 33的左侧为向着左侧逐渐变小的锥体状，缓速体 33 的右侧为向着右侧逐渐变小的锥体状，两者相互邻接，热中子吸收体 35 用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽 36用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

作为一种优选地，第三实施例中的靶材 32、缓速体 33、反射体 34、热中子吸收体 35和辐射屏蔽 36可以与第一实施例中的相同，而其中的辐射屏蔽 36包括由铅（Pb ) 制成的光子屏蔽 361和由聚乙烯（PE)制成的中子屏蔽 362，该中子屏蔽 362可以设置在射束出口 37处。在热中子吸收体 35和射束出口 37之间设置有空气通道 38。假体 B2设置在距离射束出口 37 约 1cm处。

下面采用 MCNP 软件（是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LosAlamos National Laboratory)开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、带电粒子或者耦合中子 /光子 /带电粒子输运问题的通用软件包）对这三种实施例的模拟计算：

其中，如下表一示出了空气中射束品质因素在这三种实施例中的表现（表格中各名词的单位同上所述，在此不再赘述，下同）：

表一：空气中射束品质因素

其中，如下表二示出了剂量表现在这三种实施例中的表现:

表二：剂量表现

剂量表现缓速体填充间隙通道反射体填充间隙通道间隙通道有效治疗深度 10. 9 10. 9 11. 0 有效治疗深度剂量率 4. 47 4. 60 4. 78

有效治疗剂量比 5. 66 5. 69 5. 68 其中，如下表三示出了评估中子射束剂量表现优劣的参数在这三种实施例中的模拟数值：表三：评估中子射束剂量表现优劣的参数

注：从上述的三个表中可以得知：在缓速体和反射体之间设置有间隙通道的射束整形体，其中子射束的治疗效益最好。

由于自锂靶材产生的中子具有前向平均能量较高的特性，如图 6所示，中子散射角度在 0 ° -30 ° 之间的平均中子能量约为 478keV，而中子散射角度在 30 ° -180 ° 之间的平均中子能量约只有 290keV，若能借由改变射束整形体的几何形状，使前向中子与缓速体产生较多的碰撞，而侧向中子经较少碰撞便可到达射束出口，则理论上应可达到中子缓速最佳化，有效率的提高超热中子通量。下面从射束整形体的几何形状着手，来评价不同射束整形体的几何形状对于超热中子通量的影响。

如图 7所示，其示出了第四实施例中的射束整形体的几何形状，该射束整形体 40包括射束入口 41、靶材 42、邻接于靶材 42的缓速体 43、包围在缓速体 43外的反射体 44、与缓速体 43邻接的热中子吸收体 45、设置在射束整形体 40内的辐射屏蔽 46和射束出口 47，靶材 42与自射束入口 41入射的质子束发生核反应以产生中子，缓速体 43将自靶材 42产生的中子减速至超热中子能区，反射体 44将偏离的中子导回以提高超热中子射束强度，缓速体 43 设置成柱体状，优选地，设置成圆柱体状，热中子吸收体 45用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽 46用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量，在热中子吸收体 45和射束出口 47之间设置有空气通道 48。

如图 8所示，其示出了第五实施例中的射束整形体的几何形状，该射束整形体 50包括射束入口 51、靶材 52、邻接于靶材 52的缓速体 53、包围在缓速体 53外的反射体 54、与缓速体 53邻接的热中子吸收体 55、设置在射束整形体 50内的辐射屏蔽 56和射束出口 57，靶材 52与自射束入口 51入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴 X3，缓速体 53将自靶材 52产生的中子减速至超热中子能区，反射体 54将偏离主轴 X3的中子导回主轴 X3以提高超热中子射束强度，缓速体 53设置成两个相反方向相互邻接的锥体状，缓速体 53的左侧为柱体状，缓速体 53的右侧为向着右侧逐渐变小的锥体状，两者相互邻接，热中子吸收体 25用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽 26用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

作为一种优选地，第五实施例中的靶材 52、缓速体 53、反射体 54、热中子吸收体 55和辐射屏蔽 56可以与第一实施例中的相同，而其中的辐射屏蔽 56包括由铅（Pb ) 制成的光子屏蔽 561和由聚乙烯（PE )制成的中子屏蔽 562，该中子屏蔽 562可以设置在射束出口 57处。在热中子吸收体 55和射束出口 57之间设置有空气通道 58。假体 B3设置在距离射束出口 57 约 1cm处。

下面采用 MCNP软件对第二实施例中双锥体的缓速体、第四实施例中的柱体的缓速体及第五实施例中的柱体 +锥体的模拟计算：

其中，如下表四示出了空气中射束品质因素在这三种实施例中的表现：

表四：空气中射束品质因素

其中，如下表五示出了剂量表现在这三种实施例中的表现:

表五：剂量表现

剂量表现柱体柱体 +锥体双锥体

有效治疗深度 11. 8 10. 9 10. 9 有效治疗深度剂量率 2. 95 4. 28 4. 47 有效治疗剂量比 5. 52 5. 66 5. 66

其中，如下表六示出了评估中子射束剂量表现优劣的参数在这三种实施例中的模拟数值：表六：评估中子射束剂量表现优劣的参数

注：从上述的三个表中可以得知：将缓速体设置成至少一个锥体状，其中子射束的治疗效益较好。

本发明实施例中所述的 "柱体"或 "柱体状"是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势基本不变的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆柱体状的对应的轮廓线，也可以是曲率较大的接近线段的圆弧，如曲率较大的球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆柱体状或曲率较大的球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。

本发明实施例中所述的 "锥体"或 "锥体状"是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势逐渐变小的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆锥体状的对应的轮廓线，也可以是圆弧，如球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆锥体状或球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。

在一个重要的改善射源通量方面，有必要讨论缓速体的材料制成，下文以第一实施例及附图 3为例，对缓速体 13做进一步详述。

缓速体 13呈现出两个锥体方向完全相反的双锥状结构，缓速体 13的材料由含有 41 或 CaF₂或 MgF₂中的至少一种材料制成，缓速体 13具有第一直径 D1、第二直径 D2和第三直径 D3。第一直径 D1处设置有开口以便容纳靶材 12，第二直径 D2设置为双锥状结构的最大尺寸处。对于 BNCT而言，为了达到足够的缓速效果，第一直径 D1长度为 lcm-20cm，第二直径 D2长度为 30cm-100cm，第三直径 D3长度为 lcm-50cm，作为一种优选地，第一直径 D1长度为 10cm，第二直径 D2长度为 70cm，第三直径 D3长度为 30cm。为了得到如此大尺寸的缓速体 13，且其材料的密度为理论密度的 80%-100%，提供如下三种缓速体材料的制备。

1· 长晶

首先以 MgF₂为例，请进一步参照发明专利申请公开号为 CN102925963A, 在此全文引入作为长晶制备的参考。作为长晶的方式，通常将种晶和含有 MgF₂的粉末放入坩埚内，通过一定的方式生长 MgF₂单晶。

需要特别留意的是，这里所谓的 "单晶"是指单次生长成型的单颗晶体，而并不是单个晶粒（即只有一种晶形且只含有一个晶粒，该晶粒内分子、院子都是有规则地排列）。更好理解的是这种单个晶粒与多个晶粒（即每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性）相对应。下文关于 "单晶" 的定义与此处相同。

经过调研， PbF₄、 A1F₃、 CaF n Al₂0₃也可以通过类似的方式制备。

2. 粉末烧结

将 ^^ 或 1 或 CaF₂的粉末或粉末压坯进一步结合起来，在烧结过程中粉末颗粒要发生相互流动、扩散、溶解、再结晶等物理化学过程，使粉末进一步致密，消除其中的部分或全部孔隙。烧结方式可以有很多种，如固相烧结，即烧结温度在粉末体中各组元的熔点以下；液相烧结，即粉末压坯中如果有两种以上的组元，烧结有可能在某种组元的熔点以上进行，因而烧结时粉末压坯中出现少量的液相；热压烧结，即在烧结时，对粉末体施加压力，以促进其致密化过程，热压是把粉末的成形和烧结结合起来，直接得到制品的工艺过程；放电等离子烧结，即通过将特殊电源控制装置发生的 ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块。

本领域技术人员熟知的，其他的烧结方式也可实现 1^ 或 41 或 CaF₂中的至少一种或几种混合物作为缓速体的材料的制备。作为一种优选地，下文以热压烧结和放电等离子烧结作为粉末烧结的实施例。

再以 1^ 粉末或者 MgF₂添加占 MgF₂粉末重量百分比的 0. 1-5%的 ⁶LiF的混合粉末为例，来进行粉末烧结的介绍，优选地，下面以 MgF₂添加占 MgF₂粉末重量百分比的 0. 1-5%的 ⁶LiF 的混合粉末为例来进行粉末烧结的介绍。

缓速体在射束整形体中扮演着极为重要的角色，其担负着中子缓速的重责大任，需要尽可能地抑低快中子强度，又不能将中子过度缓速为热中子，另一方面，也必须抑低减速过程中所衍生出的 γ射线。经研究表明，在缓速体中均匀地添入少量的含有 ⁶Li的材料，可以有效地抑低 γ射线的强度，虽将使中子强度略减，但仍保有原有射束的品质。经进一步研究，将 MgF₂粉末掺杂占 MgF₂粉末重量百分比的 0. 1-5%的 ⁶LiF的粉末混合，相比于单独的未添加 ⁶LiF粉末的 MgF₂粉末，该混合粉末能够更加有效地吸收热中子并且有效地抑制 γ射线。将 MgF₂粉末掺杂占 MgF₂粉末重量百分比的 0. 1-5%的含有 ⁶Li的材料混合作为一种缓速体材料，本领域技术人员熟知的，该含有 ⁶Li的材料可以是任何易于与 MgF₂粉末掺杂在一起的任何物质形态，如该含有 ⁶Li的材料可以是液体、也可以是粉末。该含有 ⁶Li的材料可以是任何易于与 MgF₂粉末掺杂在一起的任何化合物，该含有 ⁶Li的材料可以是 ⁶LiF或 ⁶Li₂C0₃。作为一种优选地，将 MgF₂粉末与占 MgF₂粉末重量百分比的 0. 1-5%的 ⁶LiF的粉末或粉末压坯进一步结合起来，在烧结过程中粉末颗粒要发生相互流动、扩散、溶解、再结晶等物理化学过程，使粉末进一步致密，消除其中的部分或全部孔隙。烧结方式可以有很多种，如固相烧结，即烧结温度在粉末体中各组元的熔点以下；液相烧结，即粉末压坯中如果有两种以上的组元，烧结有可能在某种组元的熔点以上进行，因而烧结时粉末压坯中出现少量的液相；热压烧结，即在烧结时，对粉末体施加压力，以促进其致密化过程，热压是把粉末的成形和烧结结合起来，直接得到制品的工艺过程；放电等离子烧结，即通过将特殊电源控制装置发生的 ON-OFF 直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块。

本领域技术人员熟知的，其他的烧结方式也可实现 1^ 或 41 或 & 或 PbF₄中的至少一种或几种混合物再添加 ⁶LiF的粉末作为缓速体的材料的制备。作为一种优选地，下文以热压烧结和放电等离子烧结作为粉末烧结的实施例。

2. 1 放电等离子烧结

放电等离子烧结融等离子活化、热压、电阻加热为一体，升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得材料的致密度高，并且有着操作简单、再现性高、安全可靠、节省空间、节省能源及成本低等优点。放电等离子烧结由于强脉冲电流加在粉末颗粒间，在粉末颗粒间存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电。由于粉末或粉末压坯之间存在脉冲电流，而脉冲电流是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化。再者，由于脉冲电流的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部位都会快速移动，使粉末或粉末压坯的烧结能够均匀化。放电等离子烧结过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至 1 万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在颗粒接触点形成颈部，由于热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位。气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发-凝固传递是放电等离子烧结过程的另一个重要特点。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散都得到加强，加速了烧结致密化过程，因此用较低的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。放电等离子烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。

请参照图 9，其揭示了一种放电等离子烧结设备的示意图。放电等离子烧结设备 100包括第一电极 101、第二电极 102、置于第一电极 101和第二电极 102之间的导电模具 103、给模具 103提供脉冲电流的脉冲电流发生器 104、带有用于加压的加压件 1051、 1052的加压装置 105和用于控制脉冲电流发生器 104和加压装置 105的控制装置 106，第一电极 101和第二电极 102中的至少一个能够移动，加压件 1051、 1052中的至少一个能够移动，作为一种优选地，第一电极 101和加压件 1051固定，第二电极 102和加压件 1052能够移动，从而能够加压置于模具 103内的粉末或粉末压坯 107。作为一种优选地，导电模具 103设置为铅或石墨。放电等离子烧结设备 100进一步包括用于测量加压装置 105的位移的位移测量系统 108，用于控制所述模具 103内气氛的气氛控制系统 109，用于控制水冷真空室 110来冷却的水冷系统 111，用于测量放电等离子烧结设备 100内的温度的温度测量装置 112。模具 103和粉末或粉末压坯 107通上脉冲电流，除了提供放电冲击压力和焦耳热进行烧结之外，进一步利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现快速烧结，从而使得粉末或粉末压坯 107从粉末状态变成块状，所谓的块状为一体成型，而不需要如长晶的方式，由单晶通过打磨或抛光等工序拼接成适合缓速体尺寸大小。

该放电等离子烧结设备 100利用直流脉冲电流直接通电烧结和加压，经控制装置 106通过调节脉冲直流电流的大小控制升温速率和烧结温度。整个烧结过程可在真空环境下进行，也可在保护气氛中进行，如氧气或氢气。

在氧气气氛下，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学反应作用，使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合物，正离子空位增加，同时使闭口气孔中的氧可直接进入晶格，并和氧离子空位一样沿表面进行扩散，扩散和烧结加速。当烧结由正离子扩散控制时，氧化气氛或氧分压较高并有利于正离子空位形成，促进烧结；由负离子扩散控制时，还原气氛或较低的氧分压将导致氧离子空位产生并促进烧结。

在氢气气氛下烧结样品时，由于氢原子半径很小，易于扩散并有利于闭口气孔的消除，氧化铝等类型的材料于氢气气氛下烧结可得到接近于理论密度的烧结体样品。

烧结温度是等离子快速烧结过程中一个关键的参数之一。烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下的相转变、晶粒的生长速率、样品的质量要求以及样品的密度要求。一般情况下，随着烧结温度的升高，试样致密度整体呈上升趋势，这说明烧结温度对样品致密度程度有明显的影响，烧结温度越高，烧结过程中物质传输速度越快，样品越容易密实。

但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，其力学性能就越差。而温度太低，样品的致密度就很低，质量达不到要求。温度与晶粒大小之间的矛盾在温度的选择上要求一个合适的参数。

延长烧结温度下的保温时间，一般都会不同程度地促进烧结完成，完善样品的显微结构，这对粘性流动机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理的烧结影响较小。在烧结过程中，一般保温仅 1分钟时，样品的密度就达到理论密度的 96.5%以上，随着保温时间的延长，样品的致密度增大，但是变化范围不是很大，说明保温时间对样品的致密度虽然有一定的影响，但是作用效果不是很明显。但不合理地延长烧结温度下的保温时间，晶粒在此时间内急剧长大，加剧二次重结晶作用，不利于样品的性能要求，而时间太短会引起样品的致密化下降，因此需要选择合适的保温时间。

时间升温速率的加快，使得样品在很短的时间内达到所要求的温度，晶粒的生长时间会大大减少，这不仅有利于抑制晶粒的长大，得到大小均匀的细晶粒陶瓷，还能节约时间、节约能源以及提高烧结设备的利用率。但是，由于设备本身的限制，升温速率过快对设备会造成破坏性影响。因此在可允许的范围内尽可能的的加快升温速率。但是，在实测的实验数据中反映到。与烧结温度和保温时间不同，升温速率对样品致密度的影响显示出相反的结果，即随着升温速率的增大，样品致密度表现粗化逐渐下降的趋势，有学者提出这是因为在烧结温度附近升温速率的提高相当于缩短了保温时间，因而样品致密度会有所下降。在实际的高温烧结过程中，升温过程一般分为三个阶段，分别为从室温至 600°C左右、 600°C至 900°C左右、 900 至烧结温度：第一阶段是准备阶段，升温速率相对比较缓慢；第二阶段是可控的快速升温阶段，升温速率一般控制在 100~500(°C/min)_; 第三阶段是升温的缓冲阶段，该阶段温度缓慢升至烧结温度，保温时间一般是 1~7分钟，保温后随炉冷却，冷却速率可达 300°C/min。

粉末经充分放电处理后立即进行压制成形与烧结。烧结材料在电阻焦耳热和压力的共同作用下发生严重的塑性变形，施加成形压力有利于增强粉末颗粒间的接触、增加烧结面积、排出烧结粉末间的残余气体、提高制件强度、密度及其表面光洁度。成形压力的大小一般根据烧结粉末的压缩性和对烧结材料密度、强度等性能的要求决定，一般在 15〜30 MPa 范围内，有时可能高达 50 MPa，甚至更高。通常，成形压力越大，烧结材料的密度越高。加压持续时间对烧结材料密度也有很大的影响，合适的加压时间视烧结材料的种类、粉末粒度和所烧结材料的几何尺寸而不同，需要通过实验确定。实验证明，加压持续时间等于或稍大于放电时间，这是获取最高密度烧结材料的必要条件。从烧结和固相反应机理容易理解，压力越大，样品中颗粒堆积就越紧密，相互的接触点和接触面积增大烧结被加速。这样能使样品得到更好的致密度，并能有效的抑制晶粒长大和降低烧结温度。因此选择的压力一般为 30~50Mpa。不过有研究表明，当烧结时外压力为 30Mpa和 50Mpa时，样品的致密度相差并不大，这说明致密度随压力增大的现象仅在一定范围内较为明显。放电等离子烧结相比于常规烧结技术有以下优点：烧结速度快；改进材料显微结构和提高材料的性能。

本领域技术人员熟知的，模具可以使用其他的导电材料制成，放电等离子烧结设备也可以设置成两个电极均固定不动，而只有至少一个加压件能够移动。

放电等离子烧结的主要工艺流程共分四个阶段。第一阶段：向粉末样品施加初始压力，使粉末颗粒之间充分接触，以便随后能够在粉末样品内产生均匀且充分的放电等离子；第二阶段：施加脉冲电流，在脉冲电流的作用下，粉末颗粒接触点产生放电等离子，颗粒表面由于活化产生微放热现象；第三阶段：关闭脉冲电源，对样品进行电阻加热，直至达到预定的烧结温度并且样品收缩完全为止；第四阶段：卸压。合理控制初始压力、烧结时间、成形压力、加压持续时间、烧结温度、升温速率等主要工艺参数可获得综合性能良好的材料。

由于粉末颗粒之间的拱桥效应，它们一般不能充分接触，因此，为了使电火花烧结时在样品内产生均匀并且充分放电的等离子，最大程度地活化颗粒表面以加速烧结致密化过程，需要向烧结粉末施加适当的初始压力，使粉末颗粒充分接触。初始压力的大小可随烧结粉末品种、烧结件大小和性能而不同。初压过小，放电现象只局限于部分粉末中，导致粉末局部熔化；压力过大，将会抑制放电，进而延缓烧结扩散过程。根据现有文献，为使放电持续而充分地进行，此初始压力一般不宜超过 10MPa。

当用电火花烧结导电性能较好的粉末试样时，由于电阻加热从样品的外部和内部同时进行，因此烧结时间极短，甚至是瞬间的，但烧结时间长短应视粉末质量、品种和性能而不同，一般为几秒钟到几分钟；当烧结大型、难熔金属粉末材料时，甚至长达几十分钟。烧结时间对制件密度影响较大，为使致密化过程得以充分进行，需要确保一定的烧结时间。

一般认为，放电等离子烧结过程中快速升温对粉末的烧结是很有利的，因为它抑制了材料的非致密化机制而激活了材料的致密化机制，因此，提高升温速率，能使样品的致密化程度得到提高。

作为一种优选地，放电等离子烧结工艺包括如下步骤：用适量的粉末或粉末压坯 107填充模具 103; 移动加压装置 105对模具 103内的粉末或粉末压坯 107加压；通过控制装置 106 打开脉冲电流发生器 104以将模具 103导电从而产生等离子体，粉末颗粒表面被活化和发热；烧结成块。放电等离子烧结工艺进一步包括如下步骤：控制装置 106控制位移测量系统 108 以确保位移测量系统 108正常工作，控制装置 106控制气氛控制系统 109以确保模具 103内的气氛在正常工作的情形下，控制装置 106控制水冷系统 111以确保其在正常工作的情形下，控制装置 106控制温度测量装置 112以确保放电等离子烧结设备 100内的温度在正常工作的情形下。所谓的正常工作指的是放电等离子烧结设备未发生人类感知的视觉、触觉或听觉等报警信号，如报警指示灯亮起，报警指示灯响起，报警指示振动等等诸如此类。

2. 2热压烧结

热压烧结是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热压烧结技术生产工艺十分丰富，分类目前无统一规范和标准。依据现状可以分为真空热压、气氛热压、震动热压、均衡热压、热等静压、反应热压和超高压烧结。热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，因而成型压力仅为冷压的 1/10 ; 还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产品。

为了采用热压烧结工艺制备缓速体材料，请参照图 10，热压烧结设备 200主要包括加热炉 201、置于加热炉 201内的加压装置 202、模具 203、装入模具 203内的粉末或粉末压坯 204和控制装置 205。加热炉 201通常以电作为热源，加热元件由 SiC、 MoSi或镍络丝、白金丝、钼丝等。加压装置 202要求速度平缓、保压恒定、压力灵活调节，一般有杠杆式和液压式。根据材料性质的要求，压力气氛可以是空气也可以是还原气氛或惰性气氛。模具 203要求高强度、耐高温、抗氧化且不与热压材料黏结，模具 203热膨胀系数应与热压材料一致或近似，作为一种优选地，本实施例中采用石墨模具。控制装置 205使得热压烧结设备 200在正常工作的情形下。所谓的正常工作指的是放电等离子烧结设备未发生人类感知的视觉、触觉或听觉等报警信号，如报警指示灯亮起，报警指示灯响起，报警指示振动等等诸如此类。

以 MgF₂采用热压烧结工艺制备目标缓速体为例，其生产工艺流程大致包括如下步骤， MgF₂ 原料制备原料研磨、筛分处理转入模具高温烧结高温热压烧结冷却出炉热等静压高温烧结冷却出炉磨削、抛光加工、粘接成品。

作为一种优选地，在此省略前序的粉末处理步骤和后序的烧结完成的处理步骤。热压烧结工艺包括如下步骤：用适量的粉末或粉末压坯 204填充模具 203 ; 开启热压炉 201以预设压力和温度参数；移动加压装置 202对模具 203内的粉末或粉末压坯 204加压；控制装置 205控制热压烧结设备 200在正常工作的情形下；通电以烧结成块。

需要进一步说明的是，热压烧结工艺中的步骤 "移动加压装置 202对模具 203内的粉末或粉末压坯 204加压"可以作为预加压，也可以与通电同步进行，即将步骤 "移动加压装置 202 对模具 203内的粉末或粉末压坯 204加压"和步骤 "通电以烧结成块"合二为一。

下表中列出了长晶、放电等离子烧结和热压烧结的一些参数比较，作为一种更便于本发明中揭示的中子捕获治疗的射束整形体中的缓速体应用的材料，尤其是需要制造第二直径 D2 最大达 100cm的尺寸的前提条件下，这里建议使用粉末烧结制成的缓速体材料，具体详述请见下文。

表七：长晶及粉末烧结工艺的比较

工艺材料尺寸时间成本工艺难度

MgF₂ 单晶 10- 20cm (最大直径) 半年左右 500万元左右较难曰

曰曰 A1F₃ 单晶 10- 20cm (最大直径) 半年左右 500万元左右较难

CaF₂ 单晶 10- 20cm (最大直径) 半年左右 500万元左右较难放电等离子 MgF₂ 按实际尺寸需要 1月左右 50万左右较易烧结 A1F₃ 按实际尺寸需要 1月左右 50万左右较易

CaF₂ 按实际尺寸需要 1月左右 50万左右较易

MgF₂ 按实际尺寸需要 2月左右 100万左右较易真空热压烧结 A1F₃ 按实际尺寸需要 2月左右 100万左右较易

CaF₂ 按实际尺寸需要 2月左右 100万左右较易

MgF₂ 按实际尺寸需要 2-2. 5月 50万左右较易热等静压烧结 AIF3 按实际尺寸需要 2-2. 5月 50万左右较易

CaF₂ 按实际尺寸需要 2-2. 5月 50万左右较易注：上表作为粉末主要材料而省略了各自添加的 0. 1-5%的 6LiF粉末，上表中虽仅列出了 MgF₂+LiF、 AlF₃+LiF和 CaF₂+LiF这三种缓速体材料采用如上工艺的参数比较，但本领域技术人员熟知的，其他缓速体材料如 Al₂0₃+LiF也可以很容易的做出对比。

从上表可以得知，虽然采用长晶的方式制备缓速体材料的密度能够达到接近理论密度，如达到理论密度的 99. 99%，但是由于单晶尺寸较小，要想达到目标大尺寸的缓速体材料需要通过很多个单晶进行拼接，过程中还可能需要对其进行镜面抛光等其他工序，不仅耗时很长，而且成本和工艺难度都很大。

采用粉末烧结的方式制备缓速体材料的密度也能够达到理论密度的 80%-100%。作为一种优选地，缓速体材料的密度达到理论密度的 99. 99%。在理论密度与长晶方式获得的缓速体材料的理论密度相比基本无差别的同时，其在获得的尺寸、时间、成本和工艺难度方面均优势明显。采用放电等离子烧结制备得到的缓速体材料其实际尺寸按照需要获得，一种方式可以定制出适合需要的模具，另一种方式采用普通模具，如直径 70cm*厚度 2cm的模具，然后通过几片进行拼接就能完成，在成本和工艺难度均与真空热压烧结及热等静压烧结不相上下的前提下，其制造时间上只需要 1个月左右的时间即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明揭示的用于中子捕获治疗的射束整形体并不局限于以上实施例所述的内容以及附图所表示的结构。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的基础上对其中构件的材料、形状及位置所做的显而易见地改变、替代或者修改，都在本发明要求保护的范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

权利要求书

、一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述射束整形体包括射束入口、靶材、邻接于所述靶材的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体、设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，所述靶材与自所述射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，所述中子形成中子射束，所述中子射束限定一根主轴，所述缓速体将自所述靶材产生的中子减速至超热中子能区，所述缓速体的材料由含有 PbF₄、 A1₂0₃、 A1F₃、 & 或 MgF₂中的一种或多种混合材料和占有所述含有 PbF₄、 A1₂0₃、 A1F₃、 CaF₂ 或 MgF₂中的一种或多种混合材料的重量百分比为 0. 1-5%的含有 ⁶Li元素的材料混合制成，其中所述缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，所述反射体将偏离所述主轴的中子导回所述主轴以提高超热中子射束强度，所述热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，所述辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

、一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述射束整形体包括射束入口、靶材、邻接于所述靶材的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体、设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，所述靶材与自所述射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，所述中子形成中子射束，所述中子射束限定一根主轴，所述缓速体将自所述靶材产生的中子减速至超热中子能区，所述缓速体的材料由含有 LiF、 Li₂C0₃、 A1₂0₃、 A1F₃、（¾ 或^^ 中的至少一种材料制成，其中所述缓速体的材料经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，所述反射体将偏离所述主轴的中子导回所述主轴以提高超热中子射束强度，所述热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，所述辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

、根据权利要求 1或 2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述射束整形体进一步用于加速器硼中子捕获治疗，加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，所述靶材由金属制成，所述质子束加速至足以克服靶材原子核库伦斥力的能量，与所述靶材发生核反应以产生中子，所述射束整形体能将中子缓速至超热中子能区，并降低热中子及快中子含量，所述超热中子能区在 0. 5eV到 40keV之间，所述热中子能区小于 0. 5eV，所述快中子能区大于 40keV，所述反射体由具有中子反射能力强的材料制成，所述热中子吸收体由与热中子作用截面大的材料制成。

、根据权利要求 3所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述反射体由 Pb 或 Ni 中的至少一种制成，所述热中子吸收体由 ⁶Li制成，所述热中子吸收体和所述射束出口之间设有空气通道，所述辐射屏蔽包括由 Pb制成的光子屏蔽和由 PE制成的中子屏蔽。、根据权利要求 1或 2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述缓速体设置成两个相反方向相互邻接的锥体状。

、根据权利要求 5所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述锥体状包括第一直径、第二直径和第三直径，所述第一直径长度为 lcm-20cm，所述第二直径长度为 30cm-100cm, 所述第三直径长度为 lcm-50cm，所述缓速体的材料的密度为理论密度的 80%- 100%。

、根据权利要求 1或 2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述缓速体和所述反射体之间设置间隙通道以提高超热中子通量。

、根据权利要求 1或 2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述粉末烧结设备为热压烧结设备或放电等离子烧结设备，所述粉末烧结工艺为热压烧结工艺或放电等离子烧结工艺。

、根据权利要求 8所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述热压烧结设备包括加热炉、置于所述加热炉内的加压装置、模具、装入所述模具内的粉末或粉末压坯和用于控制所述热压烧结设备正常工作的控制装置，所述热压烧结工艺包括如下步骤：用适量的粉末或粉末压坯填充所述模具；开启所述热压炉以预设压力和温度参数；移动所述加压装置对所述模具内的粉末或粉末压坯加压；所述控制装置控制所述热压烧结设备在正常工作的情形下；通电以烧结成块。

0、根据权利要求 8所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述放电等离子烧结设备包括第一电极、第二电极、置于所述第一电极和所述第二电极之间的导电模具、给所述模具提供脉冲电流的脉冲电流发生器、带有用于加压的加压件的加压装置和用于控制所述脉冲电流发送器和所述加压装置的控制装置，所述第一电极和第二电极中的至少一个能够移动，所述第一电极和第二电极中的至少一个与所述加压装置相连从而能够加压置于所述模具内的粉末；所述放电等离子烧结工艺包括如下步骤：将适量的粉末填充所述模具；移动所述第二电极对所述模具内的粉末加压；通过控制装置打开脉冲电流发生器以将导电模具导电从而产生等离子体，粉末颗粒表面被活化和发热；烧结成块。

1、根据权利要求 10所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述放电等离子烧结设备进一步包括用于测量加压装置的位移的位移测量系统，用于控制所述模具内气氛的气氛控制系统，用于冷却的水冷系统，用于测量所述放电等离子烧结设备内的温度的温度测量装置，所述放电等离子烧结工艺进一步包括如下步骤：所述控制装置控制所述位移测量系统以确保所述位移测量系统正常工作，所述控制装置控制所述气氛控制系统以确保所述模具内气氛在正常工作的情形下，所述控制装置控制所述水冷系统以确保所述水冷系统正常工作，所述控制装置控制所述温度测量装置以确保所述放电等离子烧结设备内的温度在正常工作的情形下。