Устройство для облучения биологических объектов

 

Устройство для облучения биологических объектов предназначено для использования в научно-исследовательской и клинической практике. Оно содержит конвертор нейтронного излучения, выполненный в виде оболочки с возможностью размещения внутри него биологического объекта. Конвертор установлен в объемной полости замедлителя, которая расположена в области максимума распределения конвертируемых (тепловых, медленных и резонансных) нейтронов в гамма-кванты. При этом конвертор может быть выполнен многослойным из различных материалов, замедлитель и конвертор выполнены разъемными, а также имеют закрывающиеся технологические окна. Технический результат: повышение эффективности использования потока нейтронов за счет увеличения выхода гамма-компонентов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области физики биологического действия ионизирующих излучений, в частности к изучению биологических эффектов при воздействии нейтронов и смешанного плотно- и редкоионизирующих излучений. Оно может быть использовано в экспериментальной радиобиологии и дистанционной нейтронной терапии злокачественных новообразований.

Известно техническое решение по раздельному воздействию нейтронного и гамма-излучения на биологические объекты. Вначале проводят контактное облучение посредством изотопа калифорния-252, помещенного в полую иглу, а затем осуществляют дистанционную лучевую терапию посредством гамма-терапевтического аппарата [Открытия, изобретения 1985, № 4, авт. св. № 1054960, с.208]. Такое техническое решение используют для лечения больных с неглубоко расположенными злокачественными новообразованиями.

Недостатками способа являются низкая интенсивность нейтронного излучения, невозможность варьирования гамма- и нейтронной компонентами излучения калифорния-252. Кроме этого, в данном способе имеет место раздельное облучение во времени между изотопом калифорния-252 и на гамма-терапевтическом аппарате, что способствует дополнительной репарации опухолевых клеток и приводит к снижению эффективности лечения.

Известно техническое решение для повышения интенсивности гамма-нейтронного воздействия на биологические объекты [см. авт. св. № 1706647 от 06.07.87 г.]. Для этого используют реакторные пучки быстрых нейтронов.

Недостатком такого решения является невозможность системного изменения соотношения компонент реакторного излучения.

Известно техническое решение, предназначенное для формирования соответствующих полей облучения [см. авт. св. № 1762945 от 23.03.90 г.]. Оно содержит ядерный реактор и систему формирования нейтронного пучка с фильтром из борсодержащего материала и коллиматором переменного сечения. Данная система формирования пучка снабжена дополнительным фильтром из титана. Недостатком такого технического решения является малый вклад гамма-излучения в суммарную дозу.

Прототипом предлагаемого технического решения является устройство для формирования смешанных гамма-нейтронных полей [Wang J., Wang В., Chen D. and Luo Y. The Response of dogs to Mixed Neutron-γ Radiation with Different n/γ Rations. // Radiation Research. 1991, № l28. S.42-46]. В качестве источника смешанного гамма-нейтронного излучения используют реактор на тепловых нейтронах с начальным соотношением n/γ равным, 15%. Для изменения соотношения компонент используют устройства, выполненные в виде свинцовых фильтров разной толщины. Таким образом, в зависимости от материала и толщины фильтра формируют смешанные гамма- и нейтронные поля облучения, в которых представляется возможным выделить одни компоненты из первоначального потока излучения и за счет комбинации фильтров ослабить другие составляющие. Недостатками такого технического решения являются:

- значительное уменьшение суммарной дозы смешанного излучения при использовании любой комбинации фильтров;

- неприменимость метода фильтрации для источников реакторного излучения, у которых вклад гамма-излучения в суммарную дозу является очень малой величиной (до 5%).

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного воздействия нейтронами и гамма-излучением на биологические объекты при любых пучках.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве имеется конвертор нейтронного излучения. Он представляет собой оболочку, внутри которой помещают биологический объект. Конвертор с биологическим объектом размещают внутри объемной полости замедлителя. При этом конвертор содержит один или более слоев, толщины которых соответствуют максимуму выхода гамма-квантов захвата нейтронов. Он размещен на глубине замедлителя, соответствующей максимуму распределения конвертируемых (тепловых, медленных и резонансных) нейтронов и наибольшему выходу гамма-квантов. Замедлитель и конвертор выполнены разъемными и имеют закрывающиеся технологические окна.

Перечень фигур:

Фиг.1 - устройство для облучения: 1 - замедлитель, 2 - полость, 3 - биологический объект, 4 - конвертор, 7 - технологические окна, 8 -крышка;

фиг.2 - конвертор: 5 - слой Cd, 6 - слой W;

фиг.3 - вклад в события радиационного захвата нейтронов в Cd и W разных энергетических групп спектра: n₀ - исходный спектр нейтронов, Cd, W - вклад в события радиационного захвата в Cd и W для разных энергетических групп.

Описание устройства.

Устройство по фиг.1 состоит из замедлителя 1 - полиметилметакрилатного блока с полостью 2, расположенной на определенной глубине. Глубину размещения полости задают таким образом, чтобы потоки нейтронов n₀ для различных энергетических групп проявляли максимальный выход. При этом геометрия полости 2 может быть различной в зависимости от геометрии облучаемого объекта 3. Внутри полости располагается полый конвертор 4, состоящий из одной или нескольких оболочек 5, 6 (фиг.2). Для удобства размещения облучаемого объекта 3 имеются технологические окна 7 и крышка 8 (фиг.1).

Подготовка к работе.

Для облучения биологического объекта (например, пробирки с суспензией клеток) используют замедлитель с цилиндрической полостью 2 для размещения в ней конвертора 4. Биологический объект 3 помещают внутрь конвертора 4 и устанавливают их в полости 2, которую закрывают крышкой 8. Замедлитель и крышка выполнены из одного и того же материала. Таким образом, получаем однородный блок из полиметилметакрилата с расположенными внутри конвертором 4 и биологическим объектом 3, что позволяет одновременно облучать биологический объект нейтронами и гамма-излучением.

Механизм действия устройства.

При облучении замедлителя 1 потоком быстрых нейтронов n₀ часть их преобразуется в тепловые и медленные нейтроны и тем самым устанавливается пространственно распределенное поле конвертируемых нейтронов (медленных и резонансных), которые за счет радиационного захвата в материале конвертора 4 создают поле гамма-излучения в соответствии с реакциями

Применение конвертора 4 (фиг.1, 2) позволяет преобразовать тепловые, медленные и резонансные нейтроны, а также значительно увеличить поток γ-квантов. Так, из физики взаимодействия нейтронов с веществом известно, что в результате радиационного захвата на элементах конвертора 4, то есть при поглощении нейтрона ядром с атомным номером А, образуется изотоп (А+1) в возбужденном состоянии, энергия которого определяется энергией связи нейтрона с ядром и его кинетической энергией. Возбужденное состояние атома неустойчиво и в результате его распада образуется излучение одного или нескольких γ-квантов. Так, в случае применения в качестве конвертора такого материала, как кадмий (Cd), гамма-излучение возникает при реакции на тепловых нейтронах (1). Выход γ-квантов преимущественно зависит от материала конвертора и от энергетического спектра пучка нейтронов. Ожидаемая интенсивность выхода потока γ-квантов на один захват может быть определена по формуле

Nγ = nλγсрΣF(Ei)ΔEiσγ(Ei)exp[-nσ(Ei)],

где n - число ядер на один кв. см, λγср - средний выход гамма-квантов на 1 захват, F(Ei)ΔEi - поток нейтронов в i-той энергетической группе, σ(Ei) - полное сечение взаимодействия нейтронов с используемым элементом конвертора, кв.см., σγ -сечение радиационного захвата нейтронов.

На фиг.3 представлены расчетные данные по вкладу в события радиационного захвата в кадмии и вольфраме разных энергетических групп спектра. Из этих данных видно, что число событий захвата на тепловых нейтронах в основном обусловлено кадмием, а в области резонансных нейтронов - вольфрамом (W). Полученный результат объясняется тем, что в естественном вольфраме наибольшее значение сечения захвата приходится на область резонансных нейтронов, а в таких элементах, как кадмий, наибольшее сечение приходится на тепловые нейтроны.

Положительный эффект от предлагаемого изобретения заключается в существенном повышении гамма-составляющей излучения при облучении нейтронами медико-биологических объектов. Устройство может быть использовано в научно-исследовательской и клинической практике.

Формула изобретения

1. Устройство для облучения биологических объектов, содержащее конвертор нейтронного излучения, отличающееся тем, что конвертор выполнен в виде оболочки с возможностью размещения внутри нее биологического объекта и установлен в объемной полости замедлителя, причем объемная полость расположена в области максимума распределения конвертируемых (тепловых, медленных и резонансных) нейтронов в гамма-кванты.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конвертор выполнен многослойным из различных материалов.

3. Устройство по п.l, отличающееся тем, что замедлитель и конвертор выполнены разъемными.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замедлитель и конвертор имеют закрывающиеся технологические окна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3