一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀

摘要

本发明属于一种抗癌核素中子刀，具体公开一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀，该中子刀的堆芯侧壁外套有侧铍反射环，堆芯底部安装有底铍反射盘；侧铍反射环的一侧外设有左铝瓦件，侧铍反射环的另一侧外设有右石墨瓦件，左铝瓦件和右石墨瓦件插入下筒体内；下筒体左侧紧接铝制水平混合束箱体壁层，下筒体另一侧紧接铝制水平热中子柱的箱体壁层，与下筒体左右相接的箱体的壁层都为弧板形，箱体内构筑不同功能的照射座。下筒体底板下方安装有垂直超热中子照射座。该抗癌核素中子刀在一次开堆后能够照射多个病人，同时还照顾不同癌类病人可同时达标照射。

说明书

技术领域

本发明属于一种抗癌核素中子刀，即实现硼或钆中子俘获治癌的一种核反 应堆中子源照射装置，具体涉及一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀。

背景技术

经过各国研究堆60余年的硼中子俘获疗法(BNCT)应用研究，形成了依 据治疗部位不同的束流分类：

皮层肿瘤照射(0-1.5cm)——热中子束；

人体浅部肿瘤照射(1.5-4.5cm)——过热中子束(混合束)；

人体深部肿瘤照射(4.5-7.0cm)——超热中子束；

脏器(部分或整件)的离体照射——热中子柱。

现行BNCT临床用堆中，一座堆仅设一条热束或一条超热中子束，虽然日 本的用堆一束具备三种功能(热、混、超热互换)，阿根廷采用了超热与混合的 一束两用设计，但其每设定一种功能就得停堆调节束慢化剂厚度和(或)镉调 节层厚度，以及进行反射、屏蔽层的调整，设定后还需复核新束的参数与性能， 临床使用效率低，仅适合目前单例试治，不能满足将来例行治疗之需。

目前，国内现有技术中子源的热束仅提供动物实验或浅部肿瘤照射之用， 其超热束的束流强度过低，治疗所需照射时间过长。

BNCT例行治疗装置，一次开堆不仅照射病人数量尽可能多，同时还照顾不 同癌类病人可同时达标照射，目前现有技术中的中子源装置无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀，该中子 刀在一次开堆后能够照射多个病人，同时还照顾不同癌类病人可同时达标照射。

实现本发明目的的技术方案：一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀， 该抗癌核素中子刀包括堆芯、左铝瓦件、右石墨瓦件、侧铍反射环、底铍反射 盘、水平混合中子照射座、水平热中子柱照射座、垂直超热中子照射座，堆芯 侧壁外套有侧铍反射环，堆芯底部安装有底铍反射盘；侧铍反射环的一侧外设 有左铝瓦件，侧铍反射环的另一侧外设有右石墨瓦件，左铝瓦件和右石墨瓦件 插入下筒体内；下筒体左侧紧接铝制水平混合束箱体壁层，下筒体另一侧紧接 铝制水平热中子柱箱体壁层，与下筒体左右相接的箱体的壁层都为弧板形，水 平混合束箱体壁层的外侧安装有水平混合中子照射座，水平混合中子照射座嵌 在水平混合束箱体壁层内，水平热中子柱箱体壁层外侧安装有水平热中子柱照 射座，水平热中子柱照射座嵌在水平热中子柱箱体壁层内，下筒体底板下方安 装有垂直超热中子照射座。

所述的水平混合中子照射座包括减速过滤器、混合束反射器、混合束准直 器、混合束外准直器、混合束外准直器口，水平混合束箱体壁层外侧设有减速 过滤器，减速过滤器的外侧嵌在混合束反射器内，混合束准直器的内侧嵌在混 合束反射器外侧内，混合束准直器的外侧外包裹有混合束外准直器，混合束准 直器外侧端部处嵌有混合束外准直器口。

所述的水平混合中子照射座还包括第一中子屏蔽器、第二中子屏蔽器、混 合束γ屏蔽器、第三中子屏蔽器，混合束准直器的中部外包裹有第二中子屏蔽 器，混合束外准直器口位于混合束外准直器内，混合束外准直器口、混合束准 直器内部形成水平混合中子束孔道；混合束外准直器外包裹有混合束γ屏蔽器 和第三中子屏蔽器，混合束γ屏蔽器位于第三中子屏蔽器内侧；第一中子屏蔽 器包裹在混合束反射器外部，且第二中子屏蔽器的外侧面与混合束γ屏蔽器内 侧面贴合。

所述的减速过滤器由石墨层、Al层、MgF2层组合而成，混合束准直器为 中空的铋制圆锥台形准直器，第三中子屏蔽器和混合束外准直器口均由含LiF 质量百分比70％的聚乙烯制成，混合束外准直器材料为Pb重量百分比80％、Poly 重量百分比19％、B4C重量百分比1％的Pb-B-Poly，混合束反射器和混合束γ 屏蔽器由铅砖砌成，第一中子屏蔽器为B4C重量百分比10％的B-Poly板；第二 中子屏蔽器由包含B4C质量百分比10％的聚乙烯板制成的圆锥台空腔、以及填 充于圆锥台空腔之内的石墨块组成。

所述的水平热中子柱照射座包括第一中子减速器、热柱反射器、第二中子 减速器，水平热中子柱箱体壁层外侧设有第一中子减速器，第一中子减速器外 侧设有热柱反射器，热柱反射器内设有第二中子减速器，第二中子减速器中心 开有热柱照射腔。

所述的水平热中子柱照射座还包括位于第一中子减速器与热柱反射器之间 的第一γ屏蔽屏，位于热柱照射腔内的第二γ屏蔽屏，用于包裹热柱反射器的 热柱中子屏蔽器，位于热柱中子屏蔽器外侧的热柱γ屏蔽器。

所述的第一中子减速器和第二中子减速器由核级石墨块垒砌而成，第一γ 屏蔽屏、第二γ屏蔽屏的材料均为铋，热柱反射器和热柱γ屏蔽器均由铅砖砌 成，热柱中子屏蔽器为B4C重量百分比10％的B-Poly板。

所述的垂直超热中子照射座包括自上而下布置的石墨慢化体、第一Cd屏、 慢化过滤器、第二Cd屏、超热束准直器、超热束外准直器、超热束外准直器口， 石墨慢化体顶部嵌在水平混合束箱体壁层与水平热中子柱箱体壁层之间。

所述的垂直超热中子照射座还包括超热束第一反射器、第一中子吸收器、 超热束第二反射器、第二中子吸收器、超热束外准直器、超热束γ屏蔽器、第 三中子吸收器，慢化过滤器外包裹有超热束第一反射器，超热束第一反射器外 包裹有第一中子吸收器；超热束准直器上部外包裹有超热束第二反射器，超热 束准直器中部外包裹有第二中子吸收器，超热束准直器下部外包裹有超热束外 准直器；超热束外准直器上部外包裹有第三中子吸收器、超热束γ屏蔽器，超 热束γ屏蔽器底面与第三中子吸收器顶面贴合；超热束外准直器口嵌在超热束 外准直器内、且位于超热束准直器端部处，超热束准直器、超热束外准直器口 内形成垂直超热中子孔道。

所述的慢化过滤器由Al层、Fluental层、厚Al层、Fluental层依次叠加组 合组成，Fluental层的质量百分比组成为69％AlF₃、30％Al、1％⁶LiF，超热束准 直器为中空的铋制圆锥台形准直器，超热束外准直器材料为Pb重量百分比80％、 Poly重量百分比19％、B4C重量百分比1％的Pb-B-Poly，超热束外准直器口由 含LiF质量百分比70％的聚乙烯制成，超热束第一反射器、第二反射器和超热 束γ屏蔽器均由铅砖砌成，第一中子吸收器为B4C重量百分比10％的B-Poly板， 第二中子吸收器由含B4C质量百分比10％的聚乙烯板制成的圆锥台空腔、以及 填充于圆锥台空腔之内的石墨块组成；第三中子吸收器由含LiF质量百分比70％ 的聚乙烯制成。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的抗癌核素中子刀基于微堆容积小、功率低的特点，为了获得 高的治疗剂量，治疗中子通量直接从堆芯引出，而不像大、中型堆一般通过改 造反射层外的试验孔道加以引出。本发明的抗癌核素中子刀在布局上选择打通 堆芯下方支撑重混凝土地层的方式，开发出垂直超热中子照射座的空间，安装 垂直超热中子照射座的空间作为地层部分的非应用空间，不影响堆芯的工艺运 输操作流程，保留了以微堆为核心的整体格局。

(2)本发明的抗癌核素中子刀采用水平混合中子照射座、水平热中子柱照 射座两套水平照射装置从堆容器下筒节侧向向外引出，挤掉了相应部位的池水， 照射装置中主要配置的是中子过滤与慢化材料，对中子的吸收能力比水要低， 不但不会增加堆芯的铀装量，还有节省铀装量的效果。

(3)本发明的抗癌核素中子刀的堆芯左右两侧的部分池水被水平混合中子 照射座、水平热中子柱照射座所替代，但下筒节前后两侧的相应部位无其他物 项，仍为池水所占；因而在热工上，能维持对上部池水的自然循环释热。

(4)围住堆芯的左、右与正下方的大面积水平混合中子照射座、水平热中 子柱照射座、垂直超热中子照射座也能导出部分堆芯热量，使其自然循环、自 然对流与自然导热机制基本得到保证。

(5)水平混合中子照射座，水平热中子柱照射座，垂直超热中子照射座包 围堆芯，使得堆芯周向、下向所泄出的中子几乎100％被照射座所截获，从而使 得中子而全部最为经济地应用于医治患者，提高了治疗效果。

(6)超热束照射座中慢化过滤器采用10.35cm厚Al层、15cm厚Fluental、 10cm厚Al层、15cm厚Fluental组成的慢化过滤器，可使超热束出口处参数达 到1.26×10⁹n·cm^-2·s^-1，即使考虑工程施工造成的误差，也能保证超热束达到国际 标准(1×10⁹n·cm^-2·s^-1)。

(7)混合束照射座的减速过滤器，将慢化能力较强的材料(石墨)配置在 前端和后端，慢化能力较弱的材料(Al、MgF₂)配置在中间可以有效抬高中子 通量。选择30cm厚石墨层、11cm厚Al层、9cm厚MgF₂层、13cm厚石墨组成 的减速过滤器，既不会因为慢化材料过长而导致中子通量偏低，也不会因为慢 化材料过短而导致快中子在软组织内的干扰本底偏大。混合束的出口热中子通 量和超热中子通量分别为1.1×10⁹n·cm^-2·s^-1，5×10⁸n·cm^-2·s^-1。

(8)热柱选择使用双层屏蔽，可以有效降低辐照腔内的γ本底，热柱内的 热中子通量高达1.02×10¹⁰n·cm²·s^-1。

附图说明

图1为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的剖视图；

图2为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的水平混 合中子照射座的主视剖面图。

图3为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的水平混 合中子照射座的俯视剖面图。

图4为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的水平热 中子柱照射座的主视剖面图。

图5为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的水平热 中子柱照射座的俯视剖面图。

图6为本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中子刀的垂直超 热中子照射座的主视剖面图。

图中：1为侧铍反射环，2为左铝瓦件，3为下筒体，4为水平混合束箱体 壁层，5为减速过滤器，6为第一中子屏蔽器，7为混合束反射器，8为混合束 准直器，9为第二中子屏蔽器，10为混合束γ屏蔽器，11为第三中子屏蔽器， 12为混合束外准直器，13为混合束外准直器口，14为第一中子减速器，15为 第一γ屏蔽屏，16为热柱反射器，17为第二γ屏蔽屏，18为第二中子减速器， 19为热柱中子屏蔽器，20为热柱γ屏蔽器，21为石墨慢化体，22为第一镉 屏，23为慢化过滤器，24为第二镉屏，25为超热束准直器，26为超热束 γ屏蔽器，27为第三中子吸收器，28为超热束外准直器，29为超热束外准 直器口，30为第二中子吸收器，31为超热束第二反射器，32为第一中子吸收器， 33为超热束第一反射器，34为水平混合中子照射座，35为水平热中子柱照射座， 36为垂直超热中子照射座，37为堆芯，38为底铍反射盘，39为右石墨瓦件， 40为水平热中子柱箱体壁层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图4所示，本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌核素中 子刀，该中子刀包括堆芯37、左铝瓦件2、右石墨瓦件39、侧铍反射环1、底 铍反射盘38、水平混合中子照射座34、水平热中子柱照射座35、垂直超热中子 照射座36，堆芯37侧壁外套有侧铍反射环1，堆芯37底部安装底铍反射盘38； 侧铍反射环1的一侧外设有圆弧形筒状的左铝瓦件2，侧铍反射环1的另一侧外 设有圆弧形筒状的右石墨瓦件39；左铝瓦件2与右石墨瓦件39之间留有间隙， 该间隙为供水循环空间。下筒体3一侧外紧接水平混合束箱体壁层4，下筒体3 另一侧紧接水平热中子柱箱体壁层40；水平混合束箱体壁层4的外侧安装有水 平混合中子照射座34，水平混合中子照射座34嵌在水平混合束箱体壁层4内； 水平热中子柱箱体壁层40外侧安装水平热中子柱照射座35，水平热中子柱照射 座35嵌在水平热中子柱箱体壁层40内。水平混合中子照射座34的水平中心轴 线与堆芯37水平轴线重合，水平热中子柱照射座34的水平中心轴线与堆芯37 水平轴线重合，且水平混合中子照射座34、水平热中子柱照射座35以堆芯37 的竖直轴线为中心线对称分布。底铍反射盘38下方安装有垂直超热中子照射座 36，垂直超热中子照射座36的竖直轴线与堆芯37的竖直轴线重合。

打通堆芯37下方支撑重混凝土地层，形成安装垂直超热中子照射座36的 空间，并在垂直超热中子照射座36下方设立照射室。为了保证超热束的质量与 指标，垂直超热中子照射座36占用了部分水平混合中子照射座34和水平热中 子柱座35的空间，即将垂直超热中子照射座36顶部两侧分别嵌在水平混合中 子照射座34、水平热中子柱座35内侧的底部内。

如图1、2、3所示，水平混合中子照射座34包括减速过滤器5、第一中子 屏蔽器6、混合束反射器7、混合束准直器8、第二中子屏蔽器9、混合束γ屏 蔽器10、第三中子屏蔽器11、混合束外准直器12、混合束外准直器口13，减 速过滤器5内侧开有圆弧形筒，该圆弧形筒紧接水平混合束箱体壁层4，减速过 滤器5的外侧嵌在混合束反射器7内，混合束准直器8的一侧底座嵌在混合束 反射器7外侧内，混合束准直器8的中部外包裹有第二中子屏蔽器9，混合束准 直器8的另一侧外包裹有混合束外准直器12；混合束外准直器12内、混合束准 直器8外侧端部处嵌有混合束外准直器口13。混合束外准直器口13、混合束准 直器8内部形成水平混合中子束孔道A。混合束外准直器12外包裹有混合束γ 屏蔽器10和第三中子屏蔽器11，混合束γ屏蔽器10位于第三中子屏蔽器11内 侧。第一中子屏蔽器6包裹在混合束反射器7外，第二中子屏蔽器9的外侧面 与混合束γ屏蔽器10内侧面贴合。

减速过滤器5由30cm厚石墨层、11cm厚Al层、9cm厚MgF2层、13cm厚 石墨层依次叠加组合而成。

混合束准直器8为中空的铋制圆锥台形准直器，出口处为圆柱形，混合束外 准直器口13由含LiF质量百分比70％的聚乙烯制成；混合束外准直器12材料 为Pb重量百分比80％，Poly重量百分比19％，B4C重量百分比1％的Pb-B-Poly。

混合束反射器7和混合束γ屏蔽器10由铅砖砌成。

第一中子屏蔽器6为B4C重量百分比10％的B-Poly板；第二中子屏蔽器9 包括含B4C质量百分比10％的聚乙烯板制成的圆锥台空腔，以及填充于圆锥台 空腔之内的石墨块；第三中子屏蔽器11由含LiF质量百分比70％的聚乙烯制成。

如图4、5所示，水平热中子柱照射座35包括第一中子减速器14、第一γ屏 蔽屏15、热柱反射器16、第二γ屏蔽屏17、第二中子减速器18、热柱中子屏 蔽器19、热柱γ屏蔽器20，第一中子减速器14内侧开有圆弧形筒，该圆弧形 筒紧接水平热中子柱箱体壁层40。第一中子减速器14外侧面与热柱反射器16 一侧外表面之间贴合，第一中子减速器14与热柱反射器16之间嵌有第一γ屏 蔽屏15，第一γ屏蔽屏15的一端嵌在第一中子减速器14的凹槽内，第一γ屏 蔽屏15的另一端贯穿热柱反射器16。热柱反射器16内包裹有第二中子减速器 18，第一γ屏蔽屏15与第二中子减速器18贴合，第二中子减速器18中心开有 热柱照射腔B，热柱照射腔B内一侧嵌有第二γ屏蔽屏17。热柱反射器16外包 裹有热柱中子屏蔽器19，热柱中子屏蔽器19外侧面与热柱γ屏蔽器20内侧面 贴合。

第一中子减速器14和第二中子减速器18由高纯核级石墨块垒砌而成。第 一γ屏蔽屏15、第二γ屏蔽屏17的材料均为铋。

热柱反射器16和热柱γ屏蔽器20均由铅砖砌成。

热柱中子屏蔽器19为B4C重量百分比10％的B-Poly板。

如图6所示，垂直超热中子照射座36包括依次自上而下布置的石墨慢化体 21、第一Cd屏22、慢化过滤器23、第二Cd屏24、超热束准直器25、超热束 外准直器28、超热束外准直器口29，石墨慢化体21顶部嵌在水平混合束箱体 壁层4、水平热中子柱箱体壁层40之间。石墨慢化体21底面与第一Cd屏22 顶面贴合，第一Cd屏22底面与慢化过滤器23顶面贴合，慢化过滤器23外包 裹有超热束第一反射器33，超热束第一反射器33外包裹有第一中子吸收器32。 超热束第一反射器33底面、第一中子吸收器32底面均与第二Cd屏24顶面贴 合，第二Cd屏24底面与超热束准直器25顶面贴合。超热束准直器25上部外 包裹有超热束第二反射器31，超热束准直器25中部外包裹有第二中子吸收器 30，超热束准直器25下部外包裹有超热束外准直器28。超热束外准直器28上 部外包裹有第三中子吸收器27、超热束γ屏蔽器26，超热束γ屏蔽器26底面 与第三中子吸收器27顶面贴合；超热束外准直器28内、超热束准直器25端部 处嵌有超热束外准直器口29。超热束准直器25、超热束外准直器口29内形成 垂直超热中子孔道C。

慢化过滤器23由10.35cm厚Al层、15cm厚Fluental层、10cm厚Al层、15cm 厚Fluental层依次叠加组合组成。其中，Fluental的质量百分比组成为69％AlF₃、 30％Al、1％⁶LiF。

超热束准直器25为中空的铋制圆锥台形准直器，出口处为圆柱形；超热束 外准直器28材料为Pb重量百分比80％，Poly重量百分比19％，B4C重量百分 比1％的Pb-B-Poly；超热束外准直器口29由含LiF质量百分比70％的聚乙烯制 成。

超热束第一反射器33、第二反射器31和超热束γ屏蔽器26均由铅砖砌成。

第一中子吸收器32为B4C重量百分比10％的B-Poly板；第二中子吸收器 30包括含B4C质量百分比10％的聚乙烯板制成的圆锥台空腔，以及填充于圆锥 台空腔之内的石墨块；第三中子吸收器27由含LiF质量百分比70％的聚乙烯制 成。

下面结合附图1至6，描述本发明所提供的一种一堆三照射座布局的抗癌 核素中子刀的工作过程：

反应堆启动后，堆芯37泄露出的中子由垂直方向经过底铍反射盘38，进 入垂直超热中子照射座36，依次经过石墨慢化体21、第一Cd屏22、慢化过滤 器23、第二Cd屏24、超热束准直器25、超热束外准直器28的减速、慢化，从 超热束外准直器口29引出超热中子束。堆芯37泄露出的中子由水平方向经过 侧铍反射环1、左铝瓦件2、下筒体3、水平混合束箱体壁层4，进入水平混合 中子照射座34，依次经过减速过滤器5、混合束反射器7、混合束准直器8的减 速慢化，从混合束外准直器口13引出混合中子束。堆芯37泄露出的中子由水 平方向另一侧经过侧铍反射环1、左石墨瓦件39、下筒体3、水平热中子柱箱体 壁层40，进入水平热中子柱照射座35，依次经过第一中子减速器14、第一γ屏 蔽屏15、热柱反射器16、第二中子减速器18、第二γ屏蔽屏17的减速慢化， 在热柱照射腔B内中子通量密度可达1.02×10¹⁰n·cm²·s^-1。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明 宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技 术。