Система формирования пучка нейтронов

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2540124:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к ядерной физике и медицине и может быть применено для нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей с использованием источника нейтронов, выполненного на основе ускорителя заряженных частиц. В заявленной системе формирования ортогонального пучка нейтронов генерация нейтронов осуществляется в результате взаимодействия пучка заряженных частиц, например пучка протонов, с мишенью, установленной внутри вакуумной камеры. Система формирования пучка включает в себя замедлитель, отражатель и поглотитель и формирует на выходе пучок эпитепловых нейтронов, ортогональный направлению распространения пучка заряженных частиц. При этом обеспечивается возможность поворота системы формирования пучка или ее части, содержащей замедлитель, относительно оси распространения пучка заряженных частиц за счет наличия системы вращения, установленной снаружи вакуумной камеры. Техническим результатом является обеспечение возможности изменения направления терапевтического пучка эпитепловых нейтронов относительно оси распространения пучка заряженных частиц, что позволяет направить нейтроны на пациента под любым углом, в частности под тем углом, под которым проведение терапии данной конкретной опухоли дает максимальный эффект. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной физике и медицине и может быть применено в источниках нейтронов, выполненных на основе ускорителя заряженных частиц. Такие источники предназначены для использования, преимущественно, в медицинской технике, применяемой в нейтронной терапии, главным образом, в нейтронозахватной терапии (НЗТ).

Концепция нейтронозахватной терапии в онкологии была предложена в 1936 году, спустя четыре года после открытия нейтрона. Ее физический принцип заключается в следующем. Раствор, содержащий стабильный изотоп бор-10, вводится в кровь человека, и через некоторое время бор сорбируется преимущественно в клетках опухоли. Затем опухоль облучается потоком эпитепловых (с энергией от 0,5 эВ до 10 кэВ) нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом ¹⁰В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетичные α-частица и ион Li быстро тормозятся на длине размера клетки и выделяют энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к ее поражению. Т.о., бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) позволяет осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.

В начале 1950-х годов было впервые продемонстрировано, что определенные соединения бора позволяют получить более высокую концентрацию бора в клетках раковой опухоли по сравнению со здоровой. С середины 1950-х годов методику с переменным успехом отрабатывали на ядерных ректорах в ряде стран. Основные достижения были связаны с именем японского нейрохирурга Хатанаки, который провел облучение более 200 пациентов с очень обнадеживающими результатами, и с прогрессом в синтезе препаратов, содержащих изотоп ¹⁰В. Так, были получены препараты, которые создают концентрацию изотопа ¹⁰В в опухолевой ткани до 40 мкг/г, что в 3,5 раза больше, чем в здоровой ткани. Такая концентрация и контраст позволяют сделать вклад фонового облучения приемлемо малым и действительно обеспечить возможность избирательного поражения клеток опухоли. Целесообразность развития технологии нейтронозахватной терапии обусловлена ее ориентацией на лечение таких видов злокачественных опухолей, которые практически не поддаются никаким другим методам, - глиобластомы мозга и метастазы меланомы.

В 1990-е годы одновременно с работами на реакторах начались интенсивные обсуждения вопроса разработки и создания нейтронного источника на основе компактного и недорогого ускорителя, которым можно было бы оснастить практически каждую онкологическую клинику. Предложены различные принципы построения систем НЗТ на базе ускорителя с пучком заряженных частиц, в частности с пучком протонов, взаимодействующим с мишенью для генерации нейтронов. В основном, рассматриваются четыре реакции: ⁷Li(p,n), ⁹Be(p,n), ⁹Be(d,n) и ¹³C(d,n) [Т.Blue and J. Yanch. Accelerator-based epithermal neutron sources for boron neutron capture therapy of brain tumors. Journal of Neuro-oncology 62 (2003) 19-31; C.Lee, X.Zhou. Thick target neutron yields for the ⁷Li(p,n) Be reaction near threshold. NIM В 152 (1999) 1-11].

Наилучшей реакцией генерации эпитепловых нейтронов является бомбардирование протонов по литию: выход нейтронов большой и энергетический спектр сравнительно мягкий. Так, протонный пучок 10 мА 2,5 МэВ приводит к потоку нейтронов 8,9×10¹² с^-1 при средней энергии нейтронов 0,55 МэВ. Но даже в этом случае энергия генерируемых нейтронов значительно превосходит требуемую для проведения БНЗТ. Для уменьшения энергии нейтронов и формирования направленного пучка эпитепловых нейтронов используется система формирования пучка (СФП), называемая в англоязычных источниках как Beam Shaping Assembly (BSA). Система формирования пучка включает в себя замедлитель, отражатель, поглотитель и, в некоторых случаях, фильтр. Характерная схема системы представлена на Фиг.1. Замедлитель служит для уменьшения энергии нейтронов и для этого используют тяжелую воду, фторид магния или фторид алюминия. Как правило, замедлитель из фторида магния или фторида алюминия изготавливают в виде цилиндра диаметром порядка 20 см и высотой порядка 30 см. Отражатель, изготовленный в виде цилиндра диаметром 60-90 см из графита, свинца или оксида бериллия, служит для отражения нейтронов с целью возвращения их в область замедлителя. Поглотитель служит для поглощения нейтронов и им покрывают всю внешнюю поверхность системы формирования пучка за исключением замедлителя. В качестве поглотителя преимущественно используют полиэтилен толщиной несколько сантиметров, содержащий изотопы лития-6 или бора-10. Иногда для пропускания требуемых нейтронов или поглощения паразитных применяют фильтры из алюминия, титана, лития. В результате применения такой системы формирования пучка с внешней поверхности замедлителя выходит направленный поток нейтронов.

Система формирования пучка для протонов с энергией от 2,3 до 3 МэВ и литиевой мишени была досконально оптимизирована несколькими группами исследователей и описана в следующих научных статьях: 1) F.Palamara, F.Mattioda, R.Varone, and V.Giusti, 2002. Proton accelerator-based epithermal neutron beams for BNCT. Research and Development in Neutron Capture Therapy. Eds.: W. Sauerwein, R.Moss, and A.Wittig. Monduzzi Editore, 283-288. 2) O.Kononov, V.Kononov, M.Bokhovko, 2004. Optimization of an accelerator-based epithermal neutron source for neutron capture therapy. Appl. Rad. Isot. 61, 1009-1013. 3) F.Stichelbaut, E.Forton, Y.Jongen, 2006. Design of a beam shaping assembly for an accelerator-based BNCT system. Advances in Neutron Capture Therapy 2006, 308-311. 4) B.Elshahat, A.Naqvi, N.Maalej, K.Abdalla, 2007. Design calculations of an accelerator based BSA for BNCT of brain cancer. J. Radioanalyt., and Nucl. Chem. 274 (3), 539-544. 5) E.Forton, F.Stichelbaut, A.Cambriani, et al., 2009. Overview of the IBA accelerator-based BNCT system. Appl. Rad. Isot. 67, S262-S265. 6) D.Minsky, A.Kreyner, A.Valda, 2011. AB-BNCT beam shaping assembly based on ⁷Li(p,n)⁷Be reaction optimization. Appl, Rad. Isot. 69, 1668-1671.

При характерном токе протонного пучка 10 мА использование таких систем формирования пучка позволяет получить требуемые характеристики пучка нейтронов и проводить БНЗТ, обеспечивая мощность дозы в опухоли ~1 Зв/мин, глубину терапии до 9 см и терапевтическое отношение до 6. Во всех этих случаях терапевтический пучок нейтронов соосен протонному пучку.

В работе [С.Cebalos, J.Esposito, S.Agosteo, et al., 2011. Towards the final BSA modeling for the accelerator-driven BNCT facility at INFN LNL. Appl. Rad. Isot. 69, 1660-1663] для 5 МэВ протонов и бериллиевой мишени была предложена система формирования пучка, в которой формируемый пучок нейтронов ортогонален протонному (угол между направлениям протонного пучка и направлением нейтронного пучка равен 90°). В отличие от характерной схемы системы формирования пучка, представленной на Фиг.1, в данном случае отражатель окружает замедлитель со всех сторон за исключением отверстия вбок для выпуска направленного потока нейтронов под углом 90° к направлению распространения протонного пучка. Указанная система формирования ортогонального пучка является наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемому изобретению.

К недостаткам данной системы можно отнести следующее.

1. Большие размеры системы формирования пучка, изготовленного в виде параллелепипеда, - его стороны равны 156,5, 171 и 187 см. Генерируемые нейтроны характеризуется значительно большей энергией, чем в случае с литиевой мишенью, и потому требуется больший по размеру замедлитель.

2. Хотя формируется ортогональный нейтронный пучок, но так же как и в случаях с прямым пучком, реализуется только одна возможность направления пучка нейтронов.

Изобретение направлено на создание устройства, обеспечивающего формирование пучка эпитепловых нейтронов, пригодного для проведения бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей в онкологической клинике и обладающего свойством изменения направления пучка нейтронов, ранее не реализованным.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем нейтроногенерирующую мишень и систему формирования ортогонального пучка нейтронов последняя имеет возможность быть повернутой на любой угол относительно оси распространения протонного пучка. При использовании горизонтального протонного пучка такая вращающаяся система формирования ортогонального пучка нейтронов позволяет направить нейтроны на пациента под любым углом, например сверху, сбоку или под углом 30°, т.е. под тем углом, под которым проведение терапии данной конкретной опухоли даст максимальный эффект.

Предлагаемый способ изменения направления пучка нейтронов может быть реализован на устройстве, включающем вакуумную камеру, в которой распространяется пучок протонов, нейтроногенерирующую мишень, размещенную на пути распространения пучка протонов, и систему формирования ортогонального пучка нейтронов, которая, или часть которой, может быть повернута относительно оси распространения протонного пучка.

На Фиг.2 представлена схема системы формирования ортогонального пучка нейтронов, а способ поворота поясняется Фиг.3.

В отличие от системы формирования пучка с прямой геометрией (см. Фиг.1) в системе формирования ортогонального пучка замедлитель повернут на угол 90° и отражатель несколько вытянут вдоль оси распространения лротонного пучка. Замедлитель и отражатель изготовлены, например, в виде цилиндров.

При использовании литиевой мишени ее обычно располагают горизонтально, поскольку температура плавления лития низкая и нагрев протонным пучком может ее расплавить [В.Bayanov, V.Belov, Е.Bender, et al., 1998. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nucl. Jnstrum. and Methods, in Phys. Res. A. 413, 397-426]. В работе [В.Bayanov, V.Belov, V.Kindyuk, E.Oparin, S.Taskaev, 2004. Lithium neutron producing target for BINP accelerator-based neutron source. Appl. Radiat. Isot. - 61, 817-821] было экспериментально продемонстрировано, что турбулентное течение воды со скоростью более 10 м/с в охлаждающих каналах подложки мишени диаметром 10 см обеспечивает поддержание температуры литиевого слоя ниже температуры плавления при ее нагреве протонным пучком мощностью 25 кВт. Таким образом, литиевая мишень может быть установлена вертикально без боязни расплавления лития и протонный пучок может быть направлен на нее горизонтально. Система формирования пучка нейтронов монтируется снаружи вакуумной камеры, в которой распространяется протонный пучок и установлена нейтроногенерирующая мишень, и может вращаться относительно при совпадающей с направлением распространения протонного пучка. Вращение может быть реализовано, например, с использованием двух подшипников качения (не показаны), внутренние кольца которых закреплены на вакуумной камере, а внешние - в системе формирования пучка. Применение горизонтального протонного пучка и ортогонального пучка нейтронов, как показано на Фиг.3, позволяет путем вращения системы формирования пучка достаточно легко направить его на пациента под любым углом. Изменение направления терапевтического, нейтронного пучка обеспечивается вращением всей системы формирования пучка или ее части, содержащей замедлитель, относительно оси распространения протонного пучка. В случае, если предполагается использовать только несколько вариантов углов, например только горизонтальный пучок и только вертикальный, возможно изготовление системы формирования пучка с портами для установки в них либо замедлителя, либо отражателя с поглотителем. Также использование ортогональной геометрии путем размещения нескольких замедлителей открывает возможность одновременного получения нескольких терапевтических пучков и одновременного облучения нескольких пациентов.

1. Система формирования пучка нейтронов для получения направленного потока эпитепловых нейтронов, содержащая замедлитель, отражатель и поглотитель, отличающаяся тем, что замедлитель цилиндрической формы повернут на угол 90° относительно оси распространения протонного пучка.

2. Система формирования пучка нейтронов по п. 1, отличающаяся тем, что содержит устройство для поворота системы на любой угол относительно оси распространения протонного пучка.

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к портативным нейтронным генераторам с запаянными нейтронными трубками, и может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, геофизическом приборостроении, в частности, при разработке импульсных генераторов нейтронов для исследования нефтегазовых и урановых скважин методом импульсного нейтронного каротажа.

Способ получения ускоренных ионов в нейтронных трубках и устройство для его осуществления // 2500046

Изобретение относится к области создания ускоренных ионов в нейтронных трубках, применяемых в медицине, системах идентификации ядерных материалов, устройствах каротажа нефтегазовых скважин и в других областях.

Блок излучателя нейтронов // 2491669

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для применения в аппаратуре элементного анализа вещества на основе нейтронно-радиационных методов.

Нейтронный генератор // 2477935

Изобретение относится к нейтронной технике, к средствам формирования потоков нейтронов высокой плотности и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе, и в других областях ядерной техники и технологии.

Электростатический экран // 2466473

Изобретение относится к области электротехники, к источникам нейтронного и рентгеновского излучения и других подобных устройств, в частности к экранировке аппаратов и их деталей.

Блок излучателя нейтронов // 2399977

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, предназначенным для проведения геофизических исследований нефтяных, газовых и рудных скважин.

Скважинный импульсный нейтронный генератор // 2368024

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для проведения геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами.

Способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки // 2366013

Изобретение относится к способам изготовления газонаполненных нейтронных трубок и формированию нейтронного потока. .

Схема импульсного нейтронного генератора // 2364965

Изобретение относится к разведке и обнаружению скрытых масс или объектов с использованием радиоактивности, конкретно к разработке схем питания импульсных нейтронных генераторов.

Источник тепловых нейтронов // 2362226

Изобретение относится к анализу объектов радиационными методами с помощью нейтронного излучения. .

Способ изготовления нейтронной трубки // 2543053

Изобретение относится к способу изготовления электродов и мишеней нейтронных трубок для генерации потоков нейтронов и может быть использовано при разработке генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин. В заявленном способе на электроды ионного источника (6) наносят покрытие из сплава Pd-Ba с составом Pd (98-99) вес.% и Ba (1-2) вес.%, толщиной от 1 до 5 мкм, проводят вакуумную дегазацию деталей с покрытием при температуре от (500 до 800)°C, в течение (1,5±0,5) часов, при рабочем напряжении (2,5±0,5) кВ ионного источника и вытягивающем отрицательном напряжении (от -20 до -30) кВ, устанавливают ток разряда в источнике ионов, соответствующий рабочему току нейтронной трубки с движением ионного пучка (5) между фокусирующим электродом (1) и ускоряющим электродом (2) по направлению к мишени (3), при увеличении значения разрядного тока более 250 мкА уменьшают давление в нейтронной трубке, снижая разрядный ток до исходной величины, фиксируют окончание роста разрядного тока в ионном источнике и прерывают процесс активирования, проводят реактивацию газогенератора, а затем выполняют высоковольтную тренировку трубки. Техническим результатом является повышение нейтронного потока и ресурса трубки. 2 ил.

Осесимметричный изоляторный узел нейтронной трубки // 2545131

Изобретение относится к конструктивным элементам ускорителей заряженных частиц, в частности к изоляторам нейтронных трубок, и может быть использовано при разработке нейтронных трубок и генераторов нейтронов. В заявленном осесимметричном изоляторном узле нейтронной трубки с ускоряющим электродом (3) изоляторы (1) выполнены в виде, по крайней мере, двух полых усеченных конусов, обращенных большими диаметрами друг к другу и соединенных с помощью пайки или термокомпрессионной сварки через кольцевую манжету (2) с кольцевым выступом по ее внутреннему диаметру. Кроме того, в заявленном устройстве установлен кольцевой подвижный компенсирующий элемент (4) с фиксирующим кольцом, между внешним и внутренним диаметрами которого выполнена кольцевая проточка. При этом по внешнему диаметру ускоряющего электрода выполнена кольцевая проточка, в кольцевой проточке ускоряющего электрода и в кольцевой проточке фиксирующего кольца установлена манжета с возможностью скольжения ее выступа. Техническим результатом является уменьшение продольной длины высоковольтных изоляторов трубки путем придания им формы усеченного конуса и увеличение электропрочности изолятора путем секционирования. 2 ил.

Скважинный импульсный нейтронный генератор // 2550088

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей-генераторов разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. В заявленном скважинном импульсном нейтронном генераторе трансформаторы (2) и (3) залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, уменьшающейся с ростом температуры, конденсаторы (4), (6) и (7) залиты компаундом с диэлектрической проницаемостью, увеличивающейся с ростом температуры. При этом температурный компенсатор включает в себя резиновую мембрану (13), размещенную в корпусе (9) компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена инертным газом под давлением. Техническим результатом является стабилизация нейтронного потока в широком диапазоне температур, уменьшение габаритов и массы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Скважинный излучатель нейтронов // 2551485

Использование: для излучения импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что скважинный излучатель нейтронов в охранном кожухе содержит вакуумную нейтронную трубку со схемой питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, накопительного конденсатора, схемы формирования ускоряющего импульса, выполненной по биполярной схеме, блока питания с коммутатором и схемой формирования импульса запуска коммутатора, при этом на мишенном и анодном электродах нейтронной трубки установлены теплопроводящие изоляторы, выполненные в виде полых цилиндров с кольцевыми проточками, имеющие тепловой контакт с электродами нейтронной трубки и внутренней поверхностью охранного кожуха. Технический результат: увеличение срока службы, повышение стабильности за счет снижения перегрева основных узлов излучателя, в том числе и нейтронной трубки, являющейся основным источником тепла, а также уменьшение габаритов и массы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ изготовления титано-тритиевой мишени нейтронной трубки // 2624913

Изобретение относится к способу изготовления титано-тритиевых мишеней нейтронных трубок, используемых в скважинной геофизической аппаратуре для каротажа нефтяных и газовых месторождений, а также в составе аппаратуры нейтронного активационного анализа. В заявленном способе титан напыляют на металлическую основу мишени и насыщают его тритием, подают газовую среду к мишени и проводят в ней термическую обработку мишени и удаляют газовую среду от мишени. При этом термическую обработку мишени проводят в камере термической обработки при температуре 200-250°C в течение 1-2 часов, давление газовой среды в камере термической обработки определяют из условия, что при максимальном нагреве камеры оно составит 80-90 кПа, в качестве газовой среды используют осушенный воздух с содержанием влаги не более 13 мг/кг. Техническим результатом является повышение термической стойкости титано-тритиевой мишени, повышение ресурса и надежности работы нейтронной трубки. 1 табл.

Фотонейтронный источник // 2634330

Изобретение относится к фотонейтронным источникам. Фотонейтронный источник включает канал для ввода пучка электронов, облучаемый пучком электронов с энергией 6-8 МэВ, е-γ-конвертер из вольфрама толщиной 0,1 см, две фотонейтронные мишени из бериллия, полость для облучения образцов, замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена и биологическую защиту из борированного полиэтилена для поглощения тепловых и замедления и поглощения быстрых нейтронов, вылетающих наружу из источника. В биологической защите выполнена полость, заполненная замедлителем. В центре замедлителя также выполнена полость, в которой установлены симметрично относительно ее центра первая и вторая фотонейтронные мишени. Пространство между мишенями служит полостью для облучения образцов. На внешней поверхности первой фотонейтронной мишени размещен е-γ-конвертер, который сопряжен с каналом для ввода пучка электронов. По боковым сторонам полости для облучения образцов могут быть дополнительно размещены боковые фотонейтронные мишени из бериллия толщиной не менее 1 см. Фотонейтронный источник дополнительно содержит канал для помещения образцов внутрь полости для облучения образцов и канал для вывода нейтронов из центра источника, причем первая и вторая фотонейтронные мишени выполнены подвижными с возможностью перемещения в центр источника. Техническим результатом является упрощение конструкции и технологии изготовления фотонейтронного источника, повышение эффективности и надежности его функционирования, повышение защиты от нейтронного облучения в процессе функционирования. 15 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 пр.