用于中子射線減速材料的氟化物燒結體及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氟化物燒結體及其制造方法，更具體地，涉及具有適合用來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造的用于中子射線減速材料的氟化物燒結體及其制造方法。
【背景技術】
[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用在光學領域中。氟化物被使用在光學領域以外的情況極少，(CaF2)單晶體由于其高的耐等離子體性，有時候被用于半導體制造工藝中。有將其應用到硅片的等離子體蝕刻處理爐內的對耐等離子最有要求的部件的情況，例如，連結板或者天花板等的設計。但是由于CaF2單晶體是是極其高價的，所以尚未有在實際的制造線中使用的報告。
[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、大氣圈的影響，其大部份都被遮斷，只有極微量存在。例如人工是通過原子爐內的原子核反應來發(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，按照這個順序，穿透物質的能力(穿透力)逐漸增大。
[0006]放射線中穿透力最大的中子射線根據能量水平被進一步細分。其中一例如下所示。括號內表示各種中子射線所具有的能量水平，其數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)。但括號內的能量數值不是嚴密的，有關中子射線的分類存在諸多說法。例如，還有的說法是把上述中速中子的能量范圍內的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用在醫(yī)療領域。對惡性腫瘤細胞照射中子射線進行破壞的放射線治療近年來正在急速普及?，F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，對患者的患部以外的部位(健康部位)的影響無法避免，并伴隨副作用。因此，現狀是放射線治療只限定為對重度患者適用。
[0009]對正常細胞照射高能量放射線，會傷害DNA，引起皮膚炎癥和放射性貧血、白血球減少等副作用。進而，在治療后過一段時間以后，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。其實例有，只對腫瘤部分準確地進行立體照射高線量的“強度調制放射線治療法(IMRT) ”，或者與患者呼吸和心臟跳動等體內活動相配合進行放射線照射的“動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，在短時間內崩壞放出電子和中微子，變?yōu)殛栕?。另外，中子不帶有電荷，因此在與原子核撞擊時容易被吸收。這種吸收中子的情況被稱為中子俘獲，利用該性質應用到醫(yī)療領域的應用實例是近年來正在引人注目的“硼中子俘獲療法(Boron Neutron Capture Therapy:以下稱為BNCT)。
[0012]這個方法首先使硼在患者的惡性腫瘤細胞上反應，在該腫瘤部分形成反應生成物(硼化合物)，對該反應生成物照射對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成)。因此只在形成所述硼化合物的很微小的范圍內發(fā)生核反應，只滅死腫瘤細胞。
[0013]這個方法在大約60年前被提出，由于對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，各國都在研宄。但是，在中子射線發(fā)生裝置、進行對治療有效的中子射線的選擇、選定的裝置(減速裝置)，避免對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]可以說現在這些大多數課題都沒有充分解決，還沒有作為一般治療方法達到普及。尚未達到普及的大的要因之一可以舉出，就中子射線的發(fā)生裝置來說，在過去大多數情況下，是附隨設置在已經設立的原子爐上，研宄、開發(fā)、臨床全部都在那個場所進行，沒有實現適合醫(yī)療用途的狀況。要想根本改善這個狀況，醫(yī)療用專用的中子射線發(fā)生裝置的開發(fā)、實用化是必須的，在我國有2、3個裝置生產企業(yè)擔負著這個期待，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，沒有達到普及的另一個大的要因在于關于減速系裝置也同樣地要求高性能化，小型化這一點，這點是為實現實用化的另一個大課題。
[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)療效果方面來看，通過除去對健全的身體組織帶來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的低能量部分，對患者體內組織的深入性高，比如腦腫瘤情況時也不必要開顱手術，或者在其他內臟器官的剖腹手術不容易實施的情況下，也不需要進行剖腹手術，對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，由于深入性低的緣故，需要開顱或者剖腹手術，對患者的負擔也加大。
[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，把握各種物質對中子射線的減速性能，進行有效的減速是重要的。
[0021]使用回旋加速器等加速器所產生的中子射線，其大部分是高能量中子射線，對其使用減速材料，首先極力除去將對身體帶來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，并且去掉對身體帶來壞影響的高能量中子射線使其完全沒有，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，有以京都大學為中心的小組近年來所開展的方法(非專利文獻I及非專利文獻2)。該方式不是在已經存在的原子爐上附帶中子射線發(fā)生裝置，而是設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是充分的，具體后述，但是用這些減速材料的組合進行減速后所得到的中子射線，設定為得到最適合BNCT治療的超熱中子射線的必要線量的條件時，成為對健全組織帶來壞影響的高速中子射線大量混入的構成。
[0026]另外，為了進行必要的減速，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現裝置整體小型化的課題。該BNCT在向一般醫(yī)院普及時，裝置整體的小型化是必須條件，所以為了實現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)成為當務之急。
[0027]以下就對于治療效果的提高和BNCT裝置的小型化來說重要的減速材料的選定進行詳述。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，在照射時間為I小時程度時所必要的超熱中子射線和熱中子射線量的基準大致為lX109[n/cm2/sec]。為此在生成中子射線的對電極上使用鈹(Be)時，從中子射線發(fā)生源的加速器所射出的射線束的能量，據說大約需要5?lOMev。
[0029]接著對使用加速器的BNCT用中子射線照射場的各種減速材料的粒子射線種類的選擇進行記述。
[0030]從加速器射出的射線束沖擊對電極(Be)，通過核反應產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。通過該二種減速材料減速到一定程度(?IMeV程度)，然后，根據照射場所必需的中子射線能量進行減速、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的超熱中子能量領域(4keV?40keV)。
[0032]以京都大學為中心的上述小組，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所以外，以將裝置外部覆蓋的方式設置的用來遮蔽的減速材料。
[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，但關于在減速到一定程度后使用AlXaF2的后半階段的減速，不能說是理想的。該減速到一定程度的射線種類當中，還殘留很多對健全細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有，同時使醫(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，但是關于這一點可以說尚未充分達到。
[0035]即，前半階段的減速所殘留的高能量中子射線的大多數沒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用于治療，對患者健全組織的壞影響就無法避免。
[0036]其原因是后半階段的減速材料當中，CaF2對高能量中子射線的遮斷性能不充分，有一部份沒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的中子射線射出口以外的全部，為防止高速中子射線對患者的全身照射而設置，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，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)明人根據各種調查、研宄，從上述被減速到一定程度的中子射線(?IMeV)中，以被認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€列燒結體除了 MgF 2燒結體外，還包括MgF 2-CaF2:元系燒結體、MgF2-LiF 二元系燒結體、MgF2-CaF2-LiF三元系燒結體等。到現在為止沒有發(fā)現將MgF2作為中子射線減速材料使用的報告。更不用說，采用以18&燒結體和MgF 2_CaF2:元系燒結體為代表的MgF2系列燒結體作為中子射線減速材料的先例的報告就更沒有了。
[0042]本發(fā)明涉及單自(與“單獨”同義)的MgF2燒結體(以下，記為MgF 2燒結體)。
[0043]根據理化辭典，MgF2是熔點1248°C、沸點2260°C，密度3.15g/cm 3的立方晶系的被稱為金紅石構造的無色結晶。由于其單結晶體透明度高，在大致波長為0.2?7 μπι的廣范圍的波長領域內能夠獲得高的光透過性，且?guī)秾挘す饽托愿叩?，主要被作為準分子激光用的窗戶材料使用。另外，MgF2-鍍到透鏡表面，用于內部保護和防止不規(guī)則反射等用途，任何一種都是光學用途。
[0044]這些用途中任一種都是將MgF2單晶體用于光學用途上的，單晶體在單結晶成長中需要長的時間，而且其結晶生長的控制難度高，是極其高價的。因此，從經濟方面來說其用途受到限制。
[0045]另一方面，由于MgF2燒結體的多結晶構造，缺乏光穿透性，透明度低，所以不適合光學用途。
[0046]MgF2單晶體和燒結體除了光學用途以外的應用極少，以下記