本實用新型涉及一種中子發(fā)生器，具體涉及一種用于中子俘獲治療的中子發(fā)生器。
背景技術(shù)：
由美國生物物理學(xué)家G. L. Locher于1936年首次提出的硼中子俘獲治療腫瘤的基本原理，把硼選擇性地濃集于某種腫瘤內(nèi)，然后用熱中子照射它，就能有效的殺滅腫瘤細(xì)胞。雖然經(jīng)過幾十年研究，但中子俘獲治療腫瘤并未投入臨床應(yīng)用，制約其發(fā)展的最大瓶頸之一是中子源。中子源獲得的途徑有核反應(yīng)堆、中子發(fā)生器、靜電加速器、回旋加速器等。但在現(xiàn)有技術(shù)中，反應(yīng)堆中子源將可能產(chǎn)生環(huán)境污染、輻射防護也很困難；靜電加速器、回旋加速器等形成的中子源存在體積大、價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
2000年，美國Verbeke JM,等人在Appl Radiat Isot 期刊53卷第801–809頁發(fā)表了題為“密封加速器管中子發(fā)生器的研制”（“Development of a sealed-accelerator-tube neutron generator”）的文章，介紹了小型密封氘氚中子源，通過該小型密封氘氚中子源產(chǎn)生的高能中子經(jīng)過慢化后，實現(xiàn)對腫瘤進行熱中子俘獲治療，但該技術(shù)存在缺點是:氚會對環(huán)境造成放射性污染，且由于該中子源是密封的結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)使中子源工作壽命較短。
并且通過該文章推算，氘氘中子產(chǎn)額達(dá)到1012n/s才能用于中子俘獲治療腫瘤研究，而現(xiàn)有小型中子發(fā)生器存在氘氘中子產(chǎn)額不夠高，并不能安裝在醫(yī)院用于中子俘獲治療腫瘤。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的在于解決現(xiàn)有氘氘中子發(fā)生器的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)額小的問題，提供一種解決上述問題的一種用于中子俘獲治療的中子發(fā)生器。
本實用新型通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種用于中子俘獲治療的中子發(fā)生器，包括真空腔體，設(shè)置在真空腔體上的抽真空系統(tǒng)，設(shè)置在真空腔體內(nèi)的靶系統(tǒng)，產(chǎn)生氘離子并將氘離子引出到靶系統(tǒng)上的離子源系統(tǒng)。
所述離子源系統(tǒng)包括設(shè)置在真空腔體內(nèi)的放電室，設(shè)置在放電室上的引出電極；所述引出電極為多孔，這些孔均勻分布在放電室一周的側(cè)壁；所述靶系統(tǒng)包括位于真空腔體內(nèi)且圍繞放電室一周設(shè)置的靶件，靶件與負(fù)高壓電源連接。
通過本發(fā)明中引出電極360度均勻分布在放電室側(cè)壁上的設(shè)置，能增大引出的氘離子束流，同時使引出的氘離子束流均勻分布打擊到靶件上，同時，由于靶件和放電室之間無須設(shè)置抑制電極，可以最大化的減小放電室與靶件之間的間隙，進而無需采用復(fù)雜的強流離子束聚焦裝置。同時，通過靶件圍繞放電室一周設(shè)置的方式，使靶面積很大，可以承受大的功率容量，進而能保證引出的氘離子束流全部均勻地打在靶件上，在減小體積的同時增大引出的氘離子束流。檢測發(fā)現(xiàn)，通過本實用新型的設(shè)置使引出的氘離子束流可達(dá)1.5A，氘氘中子產(chǎn)額可達(dá)到1012n/s量級，滿足用于中子俘獲治療腫瘤研究的條件，效果十分顯著。
進一步，所述離子源系統(tǒng)還包括微波發(fā)生器，一端與微波發(fā)生器連接，另一端延伸到放電室內(nèi)的波導(dǎo)，設(shè)置在波導(dǎo)上的微波調(diào)諧器，與波導(dǎo)連接的環(huán)形器，通過連接管與放電室連通的氘氣瓶，設(shè)置在真空腔體上或真空腔體外的陶瓷絕緣體，以及用于產(chǎn)生作用于放電室的磁場的永磁體。
本實用新型采用大功率微波離子源，因而其工作壽命長、性能穩(wěn)定、無極、耐腐蝕、能在低真空下工作。且本實用新型中微波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為2.45GHz、功率為3kW的微波，經(jīng)波導(dǎo)傳輸?shù)椒烹娛?，在放電室中，電子在永磁體形成的磁場中沿磁場線作回旋運動，產(chǎn)生電子回旋共振條件，電子和氘原子的碰撞過程產(chǎn)生等離子體，等離子體被限制在磁場中，磁場的綜合作用導(dǎo)致等離子體有一個較長的約束時間，進而增加了碰撞幾率，得到高密度的氘離子，微波離子源產(chǎn)生的電流密度比高頻離子源大兩個數(shù)量級以上。
并且，通過永磁體位置和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)置，本實用新型不僅僅能將永磁體產(chǎn)生的磁場作用到放電室內(nèi)，使產(chǎn)生的磁場滿足電子回旋共振條件，同時還能形成磁絕緣效應(yīng)，抑制二次電子，效果更加顯著。
優(yōu)選地，陶瓷絕緣體、放電室和靶件同軸設(shè)置，陶瓷絕緣體、放電室和靶件均設(shè)置為筒狀結(jié)構(gòu)，靶件位于陶瓷絕緣體內(nèi)，放電室位于靶件內(nèi)，該永磁體位于真空腔體外，陶瓷絕緣體的直徑不超過300mm。通過上述設(shè)置，能使永磁體產(chǎn)生的磁場可以完全作用到放電室內(nèi)。本發(fā)明中該引出電極設(shè)置在低電位，而靶件設(shè)置為高電位，通過本實用新型靶件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)置，可以采用同一負(fù)高壓電源對氘離子進行引出和加速，因而簡化了高壓設(shè)備，進一步減小本發(fā)明的體積。
更為優(yōu)選地，陶瓷絕緣體和靶件均為橫截面呈圓形的筒狀結(jié)構(gòu)。
為了有效調(diào)節(jié)流入放電室內(nèi)的氘氣的量，所述連接管上還設(shè)置有電動針閥。
進一步，所述離子源系統(tǒng)上還設(shè)置有低電位循環(huán)水裝置，該低電位循環(huán)水裝置出水口通過水管與放電室的入水口相連，放電室的出水口通過水管與微波發(fā)生器的入水口相連，微波發(fā)生器的出水口通過水管與環(huán)形器的入水口相連，環(huán)形器的出水口通過水管與低電位循環(huán)水裝置的入水口相連。
本實用新型通過低電位循環(huán)水裝置的設(shè)置，有效實現(xiàn)離子源系統(tǒng)的冷卻，進而延長離子源系統(tǒng)的使用壽命。
進一步，所述靶系統(tǒng)還包括高電位循環(huán)水裝置，該高電位循環(huán)水裝置的出水口通過水管與靶件入水口相連，靶件的出水口通過水管與高電位循環(huán)水裝置的入水口相連。靶件優(yōu)選氘鈦靶件。
靶件通過水管與高電位循環(huán)水裝置連接，在本實用新型工作時可以有效帶走靶件上的熱量，因此增長靶件的使用壽命。靶件通過高電位循環(huán)水裝置冷卻，離子源系統(tǒng)通過低電位循環(huán)水裝置冷卻，通過上述設(shè)置體現(xiàn)了水的最佳冷卻效果，既不會在水中產(chǎn)生高電壓差，又不會帶來高壓絕緣和有害氣體問題，效果顯著。
進一步，所述靶系統(tǒng)包括用于固定靶件的上法蘭，該靶件頂端固定在上法蘭下方；所述離子源系統(tǒng)還包括用于固定放電室的下法蘭，該放電室固定在下法蘭上方；所述陶瓷絕緣體位于上法蘭與下法蘭之間，且該陶瓷絕緣體、上法蘭與下法蘭之間固定后形成真空腔體，該下法蘭上設(shè)置有抽真空孔，該真空腔體通過抽真空系統(tǒng)抽真空后形成高真空室。
優(yōu)選地，所述永磁體為環(huán)狀，該環(huán)狀的永磁體套接在陶瓷絕緣體上，永磁體優(yōu)選為釤鈷永磁體。該環(huán)狀結(jié)構(gòu)的永磁體與螺旋管磁鐵相比，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的永磁體最大限度的減少了離子源的尺寸，減小體積。
進一步，所述靶系統(tǒng)還包括固定在上法蘭上方且與負(fù)高壓電源連接的高壓端蓋板，該高壓端蓋板通過不銹鋼圓柱固定在上法蘭上，該負(fù)高壓電源通過不銹鋼圓柱與連接在上法蘭上的靶件連通。
進一步，所述抽真空系統(tǒng)包括用于抽取真空腔體內(nèi)氣體的分子泵，以及通過管道連接在分子泵上的干泵。優(yōu)選地，所述管道為波紋管。
優(yōu)選地，本實用新型中所述微波調(diào)諧器為三銷釘調(diào)配器，所述陶瓷絕緣體為高壓陶瓷圓柱體，高壓陶瓷材料為現(xiàn)有，在此不再贅述。
采用本實用新型的一種用于中子俘獲治療的中子發(fā)生器中子產(chǎn)生過程如下：
步驟一、通過抽真空系統(tǒng)進行抽真空操作，使真空腔體內(nèi)真空度達(dá)到1×10-4 Pa；啟動負(fù)高壓電源，使靶件與引出電極之間產(chǎn)生130kV的高壓；
步驟二、在高壓作用下離子源系統(tǒng)的氘離子從引出電極輸出形成氘離子束，該氘離子束通過高壓作用加速打擊到靶件上產(chǎn)生能量為2.54MeV的D-D聚變中子。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
1、本實用新型通過呈360度均勻分布在放電室側(cè)壁上的引出電極以及圍繞放電室一周的靶件的設(shè)置，能使放電室引出的氘離子束流增大，可以達(dá)到1.5A以上，由于靶面積很大，可以承受大的功率容量，使氘氘中子產(chǎn)額最大達(dá)到1012n/s，滿足中子俘獲治療腫瘤的研究需求；
2、本實用新型360度引出電極和靶件的優(yōu)化設(shè)置，能最大化的減小引出電極和靶件之間的間隙，使引出的氘離子全部均勻打靶上，空間電荷效應(yīng)很小，沒有復(fù)雜的聚焦裝置，結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小體積；
3、本實用新型中的永磁體的設(shè)置，既可以產(chǎn)生等離子體放電的激勵磁場，又可以產(chǎn)生二次電子的抑制磁場，有利于進一步減小體積，增加離子束流；
4、本實用新型的靶系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)的工作壽命均很長，因此本實用新型的使用壽命和工作壽命很長；
5、本實用新型采用氘靶，不會產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境無污染，本實用新型在開機時才有中子輸出，關(guān)機時無射線輸出，可以安裝在醫(yī)院進行對腫瘤中子俘獲治療。
6、本發(fā)明的中子發(fā)生器雖主要用于中子俘獲治療，但不局限于此，也可用于中子照相和無損檢測等需要小型化、高氘氘中子產(chǎn)額的領(lǐng)域。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實用新型實施例的限定。在附圖中：
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：
1-微波發(fā)生器，2-環(huán)形器，3-微波調(diào)諧器，4-波導(dǎo)，5-低電位循環(huán)水裝置，6-電動針閥，7-氘氣瓶，8-陶瓷絕緣體，9-放電室，10-引出電極，11-靶件，12-永磁體，13-負(fù)高壓電源，14-高壓端蓋板，15-上法蘭，16-高電位循環(huán)水裝置，17-加速間隙，18-下法蘭，19-高真空室，20-分子泵，21-波紋管，22-干泵。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本實用新型作進一步的詳細(xì)說明，本實用新型的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本實用新型，并不作為對本實用新型的限定。
實施例1
一種用于中子俘獲治療的中子發(fā)生器，如圖1所示，包括真空腔體，設(shè)置在真空腔體上的抽真空系統(tǒng)，設(shè)置在真空腔體內(nèi)的靶系統(tǒng)，將離子引導(dǎo)到靶系統(tǒng)上的離子源系統(tǒng)。
其中，離子源系統(tǒng)包括設(shè)置在真空腔體內(nèi)的放電室9，設(shè)置在放電室9上的引出電極10；所述靶系統(tǒng)包括位于真空腔體內(nèi)且圍繞放電室9一周設(shè)置的靶件11，與靶件11連接的負(fù)高壓電源13；所述引出電極10的數(shù)量為多個，呈360度均勻分布在放電室9的側(cè)壁上。
步驟一、通過抽真空系統(tǒng)進行抽真空操作，當(dāng)真空腔體內(nèi)真空度達(dá)到1×10-4 Pa時；啟動負(fù)高壓電源，使靶件與引出電極之間產(chǎn)生130kV的高壓；
步驟二、在高壓作用下離子源系統(tǒng)的氘離子從引出電極輸出形成氘離子束，該氘離子束通過高壓作用加速打擊到靶件上產(chǎn)生能量為2.54MeV的D-D聚變中子。
實施例2
本實施例與實施例1的區(qū)別在于，本實施例優(yōu)化了靶系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具體設(shè)置如下：
所述離子源系統(tǒng)還包括微波發(fā)生器1，一端與微波發(fā)生器1連接，另一端延伸到放電室9內(nèi)的波導(dǎo)4，設(shè)置在波導(dǎo)4上的微波調(diào)諧器3，與波導(dǎo)4連接的環(huán)形器2，通過連接管與放電室9連通的氘氣瓶7，設(shè)置在真空腔體上或真空腔體外的陶瓷絕緣體8，以及設(shè)置真空腔體外且用于產(chǎn)生作用于放電室9的磁場的永磁體12。
本實施例中，靶件11和陶瓷絕緣體8均設(shè)置為筒狀結(jié)構(gòu)，靶件11位于筒狀結(jié)構(gòu)的陶瓷絕緣體8內(nèi)部，該放電室9則位于該筒狀結(jié)構(gòu)的靶件11內(nèi)部，即靶件11套在放電室9上，陶瓷絕緣體8套在靶件11上。本實用新型中該筒狀結(jié)構(gòu)的靶件11和陶瓷絕緣體8的橫截面優(yōu)選設(shè)置為圓形，此時，該放電室9也設(shè)置成圓柱狀結(jié)構(gòu)，該引出電極10呈360度均勻分布在圓柱狀結(jié)構(gòu)的放電室9的側(cè)壁上，放電室9與靶件11之間則形成加速間隙17。本實施例中陶瓷絕緣體、放電室和靶件同軸設(shè)置，當(dāng)陶瓷絕緣體的橫截面為圓形時，陶瓷絕緣體的直徑不超過300mm。
放電室9柱壁上均勻設(shè)置條柵狀孔，該條柵狀孔形成引出電極10，本實施例中該條柵狀孔的數(shù)量優(yōu)選設(shè)置為二十四個。
本實施例中，該靶系統(tǒng)還包括用于固定靶件11的上法蘭15，該靶件11頂端通過不銹鋼螺釘固定在上法蘭15下方。該離子源系統(tǒng)還包括用于固定放電室9的下法蘭18，該放電室9通過不銹鋼螺釘固定在下法蘭18上方。
本實施例中該陶瓷絕緣體8優(yōu)選設(shè)置在真空腔體上，即，該陶瓷絕緣體8位于上法蘭15與下法蘭18之間，陶瓷絕緣體8的上下兩端均分別通過金屬密封圈與上法蘭15和下法蘭18相連，即該陶瓷絕緣體8、上法蘭15與下法蘭18之間固定后形成真空腔體。該下法蘭18上設(shè)置有抽真空孔，該真空腔體通過抽真空系統(tǒng)抽真空后形成高真空室19，如圖1所示。
本實施例中該永磁體為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該永磁體直接套接在陶瓷絕緣體上。本實施例中氘氣瓶7的連接管上還設(shè)置有電動針閥6，實現(xiàn)了對放電室9的氘氣的輸送與調(diào)節(jié)。
本實施例中該氘氣瓶7上的連接管優(yōu)選為銅管，本實施例中的靶件11優(yōu)選為氘鈦靶，本實施例中的陶瓷絕緣體8優(yōu)選由高壓陶瓷材料制成，本實施例中的微波調(diào)諧器3優(yōu)選為電動三銷釘調(diào)配器，本實施例中的永磁體12優(yōu)選為釤鈷永磁體。
本實施例中氘氘中子的產(chǎn)生方法如下：
a) 啟動干泵22，對整個中子發(fā)生器進行低真空抽氣；
b) 當(dāng)高真空室19的真空度低于0Pa時，啟動分子泵20；當(dāng)高真空室19的真空度達(dá)到1×10-4 Pa時，微波發(fā)生器1開啟，磁控管產(chǎn)生頻率為2.45GHz、功率為3kW的微波，經(jīng)波導(dǎo)2傳輸?shù)椒烹娛?；調(diào)節(jié)微波調(diào)諧器3，使饋入放電室9的微波功率達(dá)到最佳效率；在放電室9中，饋入放電室9的微波電子在永磁體12形成的磁場中沿磁場線作回旋運動，電子和氘原子的碰撞過程產(chǎn)生等離子體；等離子體被限制在磁場中，磁場的綜合作用導(dǎo)致等離子體有一個較長的約束時間，進而增加了碰撞幾率，得到高密度的氘離子；
c）啟動負(fù)高壓電源13，在靶件11和引出電極10之間形成130kV的高壓，在高壓的作用下，強流氘離子通過360度設(shè)置的引出電極10輸出并加速，經(jīng)過加速間隙17到達(dá)氘鈦靶，氘離子束與氘鈦靶中的氘原子相互作用，形成氘氘反應(yīng)產(chǎn)生能量為2.54MeV的D-D聚變中子，氘氘中子產(chǎn)額達(dá)到1012n/s量級。
本實施例中，通過永磁體12的優(yōu)化設(shè)置，能使該永磁體12產(chǎn)生雙重作用，既是等離子體放電的激勵磁場，又形成磁絕緣效應(yīng)，抑制二次電子的產(chǎn)生。
實施例3
本實施例與實施例2的區(qū)別在于，本實施例中增加有低電位循環(huán)水裝置5和高電位循環(huán)水裝置16，如圖1所示，具體設(shè)置如下：
所述離子源系統(tǒng)上還設(shè)置有低電位循環(huán)水裝置5，該低電位循環(huán)水裝置5出水口通過水管與放電室9的入水口相連，放電室9的出水口通過水管與微波發(fā)生器1的入水口相連，微波發(fā)生器1的出水口通過水管與環(huán)形器2的入水口相連，環(huán)形器2的出水口通過水管與低電位循環(huán)水裝置5的入水口相連。
所述靶系統(tǒng)還包括高電位循環(huán)水裝置16，該高電位循環(huán)水裝置16的出水口通過水管與靶件11入水口相連，靶件11的出水口通過水管與高電位循環(huán)水裝置16的入水口相連。
通過上述設(shè)置能降低靶系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的熱量，延長靶系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)的使用壽命，同時低電位循環(huán)水裝置5和高電位循環(huán)水裝置16分開設(shè)置的方式，能有效地避免水中產(chǎn)生高電壓差，而且不會帶來高壓絕緣和有害氣體問題。
實施例4
本實施例與實施例2或3的區(qū)別在于本實施例中進一步優(yōu)化了靶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具體設(shè)置如下：
所述靶系統(tǒng)還包括固定在上法蘭15上方且與負(fù)高壓電源13連接的高壓端蓋板14，該高壓端蓋板14通過不銹鋼圓柱固定在上法蘭15上，該負(fù)高壓電源13通過不銹鋼圓柱與連接在上法蘭15上的靶件11連通。
本實施例中負(fù)高壓電源13的輸出通過高壓電纜與高壓端蓋板14相連，該負(fù)高壓電源13順次通過高壓端蓋板14、不銹鋼圓柱和上法蘭15后，再與靶件11相連，如圖1所示。
實施例5
本實施例與實施例1或2或3或4的差別在于，本實施例提供了一種抽真空系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)置，設(shè)置方式如下：
所述抽真空系統(tǒng)包括用于抽取真空腔體內(nèi)氣體的分子泵20，以及通過管道21連接在分子泵20上的干泵22，該管道21優(yōu)選為波紋管。
以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，并不用于限定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。