用于中子射線減速材料的氟化物燒結(jié)體及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氟化物燒結(jié)體及其制造方法，更具體地，涉及具有適合用來(lái)抑制中子射線等各種放射線的放射速度的減速材料的致密構(gòu)造的用于中子射線減速材料的氟化物燒結(jié)體及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化鈣(CaF2)單晶體，氟化鎂(MgF2)單晶體等氟化物比較廣泛地應(yīng)用在光學(xué)領(lǐng)域中。氟化物被使用在光學(xué)領(lǐng)域以外的情況極少，(CaF2)單晶體由于其高的耐等離子體性，有時(shí)候被用于半導(dǎo)體制造工藝中。有將其應(yīng)用到硅片的等離子體蝕刻處理爐內(nèi)的對(duì)耐等離子最有要求的部件的情況，例如，連結(jié)板或者天花板等的設(shè)計(jì)。但是由于CaF2單晶體是是極其高價(jià)的，所以尚未有在實(shí)際的制造線中使用的報(bào)告。
[0003]CaF2單晶體，氟化鋰(LiF)或者氟化鋁(AlF3)單晶體很少作為放射線之一的中子射線的遮蔽物使用。
[0004]放射線在宇宙中大量存在，但是在地球上受地球的磁場(chǎng)、大氣圈的影響，其大部份都被遮斷，只有極微量存在。例如人工是通過(guò)原子爐內(nèi)的原子核反應(yīng)來(lái)發(fā)生中子射線等放射線。
[0005]放射線可以分為阿爾法(α)射線、貝塔(β)射線、伽馬(γ)射線、艾克斯⑴射線以及中子射線等，按照這個(gè)順序，穿透物質(zhì)的能力(穿透力)逐漸增大。
[0006]放射線中穿透力最大的中子射線根據(jù)能量水平被進(jìn)一步細(xì)分。其中一例如下所示。括號(hào)內(nèi)表示各種中子射線所具有的能量水平，其數(shù)值越大表示穿透力越大。
[0007]從穿透力小的一方開始排序，分類為低溫中子(?0.002eV)、熱中子(?0.025eV)、超熱中子(?IeV)、低速中子(0.03?10eV)、中速中子(0.1?500keV)、高速中子(500keV以上)。但括號(hào)內(nèi)的能量數(shù)值不是嚴(yán)密的，有關(guān)中子射線的分類存在諸多說(shuō)法。例如，還有的說(shuō)法是把上述中速中子的能量范圍內(nèi)的40keV以下作為超熱中子能量。
[0008]有效利用中子射線的代表是應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域。對(duì)惡性腫瘤細(xì)胞照射中子射線進(jìn)行破壞的放射線治療近年來(lái)正在急速普及?，F(xiàn)在的放射線治療，處在為了獲得充分的醫(yī)療效果，而不得不一定程度使用高能量中子射線的狀況。在使用高能量中子射線照射時(shí)，對(duì)患者的患部以外的部位(健康部位)的影響無(wú)法避免，并伴隨副作用。因此，現(xiàn)狀是放射線治療只限定為對(duì)重度患者適用。
[0009]對(duì)正常細(xì)胞照射高能量放射線，會(huì)傷害DNA，引起皮膚炎癥和放射性貧血、白血球減少等副作用。進(jìn)而，在治療后過(guò)一段時(shí)間以后，發(fā)生晚期障礙，也有在直腸和膀胱發(fā)生腫瘤，出血的情況發(fā)生。
[0010]為了不產(chǎn)生這樣的副作用和晚期障礙，正在研宄將放射線精確地照射腫瘤的方法。其實(shí)例有，只對(duì)腫瘤部分準(zhǔn)確地進(jìn)行立體照射高線量的“強(qiáng)度調(diào)制放射線治療法(IMRT) ”，或者與患者呼吸和心臟跳動(dòng)等體內(nèi)活動(dòng)相配合進(jìn)行放射線照射的“動(dòng)體追跡放射線治療法”，或者集中地照射治療效果高的重粒子射線和陽(yáng)子射線等的“粒子射線治療法”等。
[0011]在這樣的放射線治療中使用較多的中子的半衰期為887.0±2.0秒(約15分)，很短，在短時(shí)間內(nèi)崩壞放出電子和中微子，變?yōu)殛?yáng)子。另外，中子不帶有電荷，因此在與原子核撞擊時(shí)容易被吸收。這種吸收中子的情況被稱為中子俘獲，利用該性質(zhì)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例是近年來(lái)正在引人注目的“硼中子俘獲療法(Boron Neutron Capture Therapy:以下稱為BNCT)。
[0012]這個(gè)方法首先使硼在患者的惡性腫瘤細(xì)胞上反應(yīng)，在該腫瘤部分形成反應(yīng)生成物(硼化合物)，對(duì)該反應(yīng)生成物照射對(duì)健全部位影響少的中子射線(主要有超熱中子射線和熱中子射線構(gòu)成)。因此只在形成所述硼化合物的很微小的范圍內(nèi)發(fā)生核反應(yīng)，只滅死腫瘤細(xì)胞。
[0013]這個(gè)方法在大約60年前被提出，由于對(duì)患者的健全部位的影響小等，從很久以前起就被作為優(yōu)異的放射線治療方法而引起注目，各國(guó)都在研宄。但是，在中子射線發(fā)生裝置、進(jìn)行對(duì)治療有效的中子射線的選擇、選定的裝置(減速裝置)，避免對(duì)患者的健全部位的影響(其中必要條件之一是僅在腫瘤部份形成硼化合物)等，許多方面都存在開發(fā)課題。
[0014]可以說(shuō)現(xiàn)在這些大多數(shù)課題都沒(méi)有充分解決，還沒(méi)有作為一般治療方法達(dá)到普及。尚未達(dá)到普及的大的要因之一可以舉出，就中子射線的發(fā)生裝置來(lái)說(shuō)，在過(guò)去大多數(shù)情況下，是附隨設(shè)置在已經(jīng)設(shè)立的原子爐上，研宄、開發(fā)、臨床全部都在那個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)適合醫(yī)療用途的狀況。要想根本改善這個(gè)狀況，醫(yī)療用專用的中子射線發(fā)生裝置的開發(fā)、實(shí)用化是必須的，在我國(guó)有2、3個(gè)裝置生產(chǎn)企業(yè)擔(dān)負(fù)著這個(gè)期待，正在開發(fā)這種中子射線發(fā)生裝置。
[0015]除了小型且高性能的中子射線發(fā)生裝置的開發(fā)外，沒(méi)有達(dá)到普及的另一個(gè)大的要因在于關(guān)于減速系裝置也同樣地要求高性能化，小型化這一點(diǎn)，這點(diǎn)是為實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的另一個(gè)大課題。
[0016]為了有效地利用中子射線作為醫(yī)療用的粒子射線，中子射線的線種選定也是重要的，其中一例如下所示。
[0017]從醫(yī)療效果方面來(lái)看，通過(guò)除去對(duì)健全的身體組織帶來(lái)壞影響的高能量中子射線，另外，減少醫(yī)療效果差的極低能量的中子射線(例如，熱中子射線和低溫中子射線)，提高相同效果的高中子射線(例如，中速中子射線中的低能量部份和超熱中子射線)的比例，能夠形成令人期待的醫(yī)療用粒子射線。
[0018]超熱中子射線及中速中子射線內(nèi)的低能量部分，對(duì)患者體內(nèi)組織的深入性高，比如腦腫瘤情況時(shí)也不必要開顱手術(shù)，或者在其他內(nèi)臟器官的剖腹手術(shù)不容易實(shí)施的情況下，也不需要進(jìn)行剖腹手術(shù)，對(duì)患部有效的照射是可能的。
[0019]另一方面，使用熱中子射線等能量極低的中子射線時(shí)，由于深入性低的緣故，需要開顱或者剖腹手術(shù)，對(duì)患者的負(fù)擔(dān)也加大。
[0020]為了安全并且有效地利用放射線，適宜地選定減速材料并進(jìn)行配置是必要的。為了有效利用放射線中穿透力最高的中子射線，把握各種物質(zhì)對(duì)中子射線的減速性能，進(jìn)行有效的減速是重要的。
[0021]使用回旋加速器等加速器所產(chǎn)生的中子射線，其大部分是高能量中子射線，對(duì)其使用減速材料，首先極力除去將對(duì)身體帶來(lái)壞影響程度的高能量中子射線(例如高速中子射線和中速中子射線內(nèi)的高能量部分等)。
[0022]為了確保上述醫(yī)療效果高的中子射線的必要量，并且去掉對(duì)身體帶來(lái)壞影響的高能量中子射線使其完全沒(méi)有，需要難易程度高的減速控制。一般情況下，如果要確保醫(yī)療效果高的中子射線的必要量，必然包含著高能量中子射線，從而需要在下一個(gè)減速步驟中極力除去該高能量中子射線。
[0023]作為上述硼中子俘獲療法(BNCT)的方式之一，有以京都大學(xué)為中心的小組近年來(lái)所開展的方法(非專利文獻(xiàn)I及非專利文獻(xiàn)2)。該方式不是在已經(jīng)存在的原子爐上附帶中子射線發(fā)生裝置，而是設(shè)置專用的回旋加速器作為中子射線發(fā)生裝置，采用醫(yī)療專用的中子射線發(fā)生裝置。
[0024]但是，該回旋加速器的小型化不夠充分，是很大的加速器。另外，為了安全且有效地利用該回旋加速器所產(chǎn)生的放射線(主要是中子射線)，在作為放射線用遮蔽物所選定的減速材料中使用鉛(Pb)、鐵(Fe)、鋁(Al)、聚乙烯以及含有氟化鈣(CaF2)和氟化鋰(LiF)的聚乙烯。
[0025]這些減速材料的減速性能不能說(shuō)是充分的，具體后述，但是用這些減速材料的組合進(jìn)行減速后所得到的中子射線，設(shè)定為得到最適合BNCT治療的超熱中子射線的必要線量的條件時(shí)，成為對(duì)健全組織帶來(lái)壞影響的高速中子射線大量混入的構(gòu)成。
[0026]另外，為了進(jìn)行必要的減速，減速材料的厚度變得非常厚，換言之，減速裝置就非常大，所以就有不能充分實(shí)現(xiàn)裝置整體小型化的課題。該BNCT在向一般醫(yī)院普及時(shí)，裝置整體的小型化是必須條件，所以為了實(shí)現(xiàn)加速器的小型化和減速裝置的小型化，減速性能優(yōu)異的減速材料的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急。
[0027]以下就對(duì)于治療效果的提高和BNCT裝置的小型化來(lái)說(shuō)重要的減速材料的選定進(jìn)行詳述。就BNCT而言，除去高速中子射線等高能量中子射線，以超熱中子射線為主體，對(duì)患部照射含有少量熱中子射線的中子射線是必要的。
[0028]具體地，在照射時(shí)間為I小時(shí)程度時(shí)所必要的超熱中子射線和熱中子射線量的基準(zhǔn)大致為lX109[n/cm2/sec]。為此在生成中子射線的對(duì)電極上使用鈹(Be)時(shí)，從中子射線發(fā)生源的加速器所射出的射線束的能量，據(jù)說(shuō)大約需要5?lOMev。
[0029]接著對(duì)使用加速器的BNCT用中子射線照射場(chǎng)的各種減速材料的粒子射線種類的選擇進(jìn)行記述。
[0030]從加速器射出的射線束沖擊對(duì)電極(Be)，通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生主要是高速中子射線等的高能量中子射線。作為高速中子射線的減速方法，首先是使用非彈性散射截面積大的Pb和Fe等，一邊抑制中子射線的衰減一邊減速。通過(guò)該二種減速材料減速到一定程度(?IMeV程度)，然后，根據(jù)照射場(chǎng)所必需的中子射線能量進(jìn)行減速、最適化。
[0031]作為減速到一定程度后的中子射線的減速材料，使用氧化鋁(Al2O3)、氟化鋁(AlF3)、CaF2、、黑鉛、或者重水(D2O)等。通過(guò)將減速到IMeV附近的中子射線射入到這些減速材料，要求將其減速到適合BNCT的超熱中子能量領(lǐng)域(4keV?40keV)。
[0032]以京都大學(xué)為中心的上述小組，使用Pb、Fe、Al、CaF2、聚乙烯以及含有LiF的聚乙烯作為減速材料。
[0033]這其中，聚乙烯和含有LiF的聚乙烯是為了防止高能量中子射線泄漏到照射場(chǎng)所以外，以將裝置外部覆蓋的方式設(shè)置的用來(lái)遮蔽的減速材料。
[0034]在這些減速材料中，使用Pb、Fe將高能量中子射線減速至一定程度(減速的前半階段)是理想的，但關(guān)于在減速到一定程度后使用AlXaF2的后半階段的減速，不能說(shuō)是理想的。該減速到一定程度的射線種類當(dāng)中，還殘留很多對(duì)健全細(xì)胞有害的高能量中子射線。有必要除去這些高能量中子射線直到全部沒(méi)有，同時(shí)使醫(yī)療效果高的超熱中子射線等中能量水平的中子射線殘留所需要的量，但是關(guān)于這一點(diǎn)可以說(shuō)尚未充分達(dá)到。
[0035]即，前半階段的減速所殘留的高能量中子射線的大多數(shù)沒(méi)有被后半階段使用的減速材料(AlXaF2)遮斷而是穿透了，將該中子射線就這樣應(yīng)用于治療，對(duì)患者健全組織的壞影響就無(wú)法避免。
[0036]其原因是后半階段的減速材料當(dāng)中，CaF2對(duì)高能量中子射線的遮斷性能不充分，有一部份沒(méi)有被遮斷而是穿透了。
[0037]與CaF2—起在后半階段使用的含有LiF的聚乙烯，用于覆蓋治療室一側(cè)的中子射線射出口以外的全部，為防止高速中子射線對(duì)患者的全身照射而設(shè)置，不作為射出口處的減速材料使用。
[0038]另外，作為前半階段的減速材料的聚乙烯，與該后半階段的含有LiF的聚乙烯同樣地，用于覆蓋除了治療室一側(cè)以外的裝置外周的全部，是為了防止高速中子射線向裝置周圍泄漏而設(shè)置的。
[0039]因此，期待開發(fā)出一種能夠代替后半階段的CaF2，在抑制治療所必要的中能量水平的中子射線衰減的同時(shí)，能夠遮斷高能量中子射線，并能夠使其減速的優(yōu)異的減速材料。
[0040]本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)各種調(diào)查、研宄，從上述被減速到一定程度的中子射線(?IMeV)中，以被認(rèn)為治療效果最高的超熱中子射線為主體，著眼于MgF2系列燒結(jié)體作為為了得到具有最適合治療的能量(4keV?40keV)分布的中子射線的減速材料。
[0041]MgF2€列燒結(jié)體除了 MgF 2燒結(jié)體外，還包括MgF 2-CaF2:元系燒結(jié)體、MgF2-LiF 二元系燒結(jié)體、MgF2-CaF2-LiF三元系燒結(jié)體等。到現(xiàn)在為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)將MgF2作為中子射線減速材料使用的報(bào)告。更不用說(shuō)，采用以18&燒結(jié)體和MgF 2_CaF2:元系燒結(jié)體為代表的MgF2系列燒結(jié)體作為中子射線減速材料的先例的報(bào)告就更沒(méi)有了。
[0042]本發(fā)明涉及單自(與“單獨(dú)”同義)的MgF2燒結(jié)體(以下，記為MgF 2燒結(jié)體)。
[0043]根據(jù)理化辭典，MgF2是熔點(diǎn)1248°C、沸點(diǎn)2260°C，密度3.15g/cm 3的立方晶系的被稱為金紅石構(gòu)造的無(wú)色結(jié)晶。由于其單結(jié)晶體透明度高，在大致波長(zhǎng)為0.2?7 μπι的廣范圍的波長(zhǎng)領(lǐng)域內(nèi)能夠獲得高的光透過(guò)性，且?guī)秾?，激光耐性高等，主要被作為?zhǔn)分子激光用的窗戶材料使用。另外，MgF2-鍍到透鏡表面，用于內(nèi)部保護(hù)和防止不規(guī)則反射等用途，任何一種都是光學(xué)用途。
[0044]這些用途中任一種都是將MgF2單晶體用于光學(xué)用途上的，單晶體在單結(jié)晶成長(zhǎng)中需要長(zhǎng)的時(shí)間，而且其結(jié)晶生長(zhǎng)的控制難度高，是極其高價(jià)的。因此，從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說(shuō)其用途受到限制。
[0045]另一方面，由于MgF2燒結(jié)體的多結(jié)晶構(gòu)造，缺乏光穿透性，透明度低，所以不適合光學(xué)用途。
[0046]MgF2單晶體和燒結(jié)體除了光學(xué)用途以外的應(yīng)用極少，以下記