УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА НЕЙТРОНОВ НА ПРОТОННОМ УСКОРИТЕЛЕ КОМПЛЕКСА "ПРОМЕТЕУС" Российский патент 2023 года по МПК A61N5/10 G21C5/02 G21K1/02 

Заявленное изобретение относится к области формирования пучка нейтронов в широком диапазоне энергий и может быть, в частности, использовано для получения пучка нейтронов для использования в лучевой терапии, в практической дозиметрии при определении поглощенной дозы от пучка нейтронов для медицинских целей, в нейтронной терапии при облучении малоинтенсивным пучком нейтронов биологических объектов, в частности, в борзахватной нейтронной терапии.

Кроме этого, заявленное изобретение может быть использовано для контроля надежности электронных компонентов и/или микросхем на основе кремния при моделировании воздействия на них потока нейтронов космического излучения.

Известно устройство для формирования пучка нейтронов, содержащее расположенные последовательно на одной продольной оси вакуумный канал, предназначенный для распространения пучка протонов, и мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, а также систему получения пучка эпитепловых нейтронов, ортогонального направлению распространения пучка протонов, включающую в себя замедлитель, отражатель и поглотитель (см. RU 2540124 С2, МПК G21G 4/02, опубл. 10.02.2015 [1]).

К недостаткам известного устройства относятся:

- возможность излучения нейтронов в ограниченном по энергии спектре (в результате включения в конструкцию устройства замедлителя излучаются только эпитепловые нейтроны);

- низкая степень защищенности технического персонала, обслуживающего устройство (в качестве поглотителя традиционно используется один слой полиэтилена толщиной в несколько сантиметров, содержащий изотопы лития-6 или бора-10, не обладающий должной надежностью, а также не способный к поглощению гамма-излучения).

Известно устройство для формирования пучка нейтронов, содержащее расположенные последовательно на одной продольной оси ускоритель заряженных частиц, канал, предназначенный для распространения пучка заряженных частиц, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и замедлитель, окруженный блоком материала, предназначенного для поглощения нейтронного и гамма-излучения, для получения направленного потока эпитепловых нейтронов (см. US 2020/0001113 А1, МПК A61N 5/10, опубл. 02.01.2020 [2]).

К недостаткам известного устройства относятся:

- возможность излучения нейтронов в ограниченном по энергии спектре (в результате включения в конструкцию устройства замедлителя излучаются только эпитепловые нейтроны);

- сложность монтажа и демонтажа устройства в связи с необходимостью его встраивания в помещение для лучевой терапии.

Известное из [2] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для формирования пучка нейтронов с расширенными возможностями применения, за счет возможности получать как пучок высокоэнергетичных нейтронов с энергией до 100 МэВ (т.н. быстрых нейтронов), так и пучок эпитепловых нейтронов и изменять как площадь облучаемой поверхности, так и мощность подводимой дозы, что может оказаться актуальным в лучевой терапии, практической дозиметрии или при неразрушающем контроле в результате возможности использования одного устройства для облучения областей различной протяженности и локализации без внесения изменений в его конструкцию.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышенной безопасности использования устройства при одновременной простоте его изготовления и использования.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для формирования пучка нейтронов, содержащего расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и замедлитель, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения, для получения направленного потока эпитепловых и тепловых нейтронов. Устройство снабжено диафрагмой с регулируемым выходным отверстием, выполненной из материала ПОВ, расположенной после упомянутого замедлителя, на одной оси с ним. Упомянутый замедлитель выполнен съемным в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, а упомянутое средство представляет собой набор эквидистантных полых усеченных конусов, расположенных один в другом, вплотную друг к другу, на больших основаниях которых расположена обечайка. Первый, считая от упомянутой оси, конус выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.% и шариков вольфрама диаметром от 1 до 10 мм, второй конус - из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.%, третий конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 20 об.% бора, четвертый конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 10 об.% бора, а обечайка - из материала ПОВ.

Согласно частому варианту выполнения, устройство снабжено падовой камерой на «теплой жидкости» и системой для измерения дозного профиля, установленными на общем основании на выходе из устройства.

Согласно другому частому варианту выполнения, замедлитель представляет собой водный фантом.

Согласно еще одному частому варианту выполнения, протонный ускоритель выполнен с возможностью перестройки на различную энергию протонов.

На фиг. 1 представлена общая схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 представлена схема падовой камеры.

На фиг. 3 представлен профиль эпитепловых и тепловых нейтронов, измеренный при помощи падовой камеры на протонным ускорителе КПТ «Прометеус» (г. Обнинск) при выборе толщин конусов А и В - 30 мм, конусов С и D и обечайки Е - 40 мм, диаметра шариков вольфрама - 4 мм, количества аморфного бора - 6 об.%.

На фиг. 4 представлен профиль быстрых нейтронов, измеренный при помощи падовой камеры на протонным ускорителе КПТ «Прометеус» (г. Обнинск) при тех же выбранных параметрах.

Устройство для формирования нейтронного пучка, представленное на фиг. 1, содержит расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель (1), например, синхротрон, протонный канал (2), предназначенный для распространения пучка протонов, испускаемых ускорителем (1), мишень (3), например, изготовленную из NaI и предназначенную для получения быстрых нейтронов, и замедлитель (4).

Допустимо использование мишени (3) из любого иного материала, отвечающего задаче получения быстрых нейтронов.

Замедлитель (4) выполнен съемным в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, и окружен набором эквидистантных полых усеченных конусов А, В, С, D, расположенных один в другом, вплотную друг к другу, на больших основаниях которых расположена обечайка Е, с образованием средства, предназначенного для поглощения излучения и, следовательно, защиты персонала, обслуживающего устройство, и получения направленного потока эпитепловых и тепловых нейтронов. В качестве замедлителя может быть использован водный фантом (в частности, при энергии протонов 300 МэВ должен быть использован водный фантом длиной 41 см). Допустимо использовано любого иного замедлителя, отвечающего задаче получения низкоэнергетичных нейтронов.

Для привязки положения мишени (3) к продольной оси введена система координат х, у, z.

После замедлителя (4), на одной оси с ним, расположена диафрагма F с регулируемым, например, дистанционно, из комнаты оператора, выходным отверстием (от d_min до d_max), обеспечивающая возможность облучения областей различной протяженности и локализации.

Первый, считая от оси, конус А выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (далее - СВМПЭ) с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.% и шариков вольфрама диаметром от 1 до 10 мм.

Второй конус В выполнен из СВМПЭ с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.%.

Известна способность бора активно захватывать нейтроны, что используют в создании защиты от нейтронного излучения (см. В.А. Палеха, А.А. Гетьман. Бор. Свойства и применение в ядерной энергетике, Литье и металлургия, №3 (88), 2017, стр. 91-94 [3]).

Широко известна способность элементов с высоким атомным номером и высокой плотностью (в том числе, вольфрама) поглощать гамма-излучение.

Кроме этого, известна способность легких материалов (в частности, полимеров) с высоким содержанием водорода эффективно ослаблять нейтронное излучение в результате поглощения быстрых нейтронов, которые замедляются до тепловых нейтронов и затем могут быть поглощены аморфным бором (или карбидом бора), при этом шарики вольфрама ослабляют поток гамма-излучения.

Добавление аморфного бора в количестве, меньшем 5 об.%, нецелесообразно из-за снижения защитных свойств материала конуса. Добавление аморфного бора в количестве, большем 7 об.%, также нецелесообразно, т.к. усложняет технологический процесс изготовления конуса (затрудняет перемешивание исходной смеси для равномерного распределения аморфного бора по объему конуса).

Использование шариков вольфрама диаметром, меньшим, чем 1 мм, нецелесообразно из-за сложности их изготовления и необоснованного увеличения веса устройства в результате увеличения их количества в объеме конуса А.

Использование шариков вольфрама диаметра, большего, чем 10 мм, также нецелесообразно из-за снижения защитных свойств материала конуса А в результате возрастания промежутков между шариками.

Третий конус С выполнен из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 20 об.% бора. Четвертый конус D выполнен из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 10 об.% бора.

Под сферопластиком понимается полимерная композиция с низкой плотностью на основе полимерных связующих, наполненная полыми микросферами (см., например, Шашкеев К.А., Кондратов С.В., Гуревич Я.М., Попков О.В., Фионов А.С. Сферопластики с углеродными нанотрубками, Сборник докладов III Всероссийской научно-технической конференции, ФГУП «ВИАМ», 2016, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Москва [4]).

Обечайка Е и диафрагма F выполнены из материала ПОВ (см. Малютин Е.В., Сиксин В.В., Шемяков А.Е., Щеголев И.Ю. Защитные свойства материалов ПОВ-40 в условиях облучения вторичными нейтронами и гамма-квантами, Медицинская физика, 2019, №4, стр. 75-79 [5]; Сиксин В.В. Исследование защитных свойств материала типа ПОВ в условиях облучения нейтронами и гамма-квантами от водного фантома, Краткие сообщения по физике ФИАН, №5, 2019, стр. 52-56 [6]).

Согласно частному варианту выполнения, устройство снабжено падовой камерой (5) на «теплой жидкости» (см. фиг. 2) и системой для измерения дозного профиля, включающей в себя блок выработки номера сработавшего спота (6), аналоговый мультиплексор (7), триггер (8), обеспечивающий запуск считывания дозного профиля, блок считывающей электроники (9), блок контроля и обнаружения отклонений (10), программируемую матрицу (11), персональный компьютер (12), например, размещенный в комнате оператора.

Падовая камера (5) и система для измерения дозного профиля установлены на общем основании (13) на выходе из устройства, что обеспечивает высокую точность измерения дозного профиля за счет конструктивной устойчивости электронных средств при использовании устройства.

Падовая камера на «теплой жидкости» (см. Сиксин В.В. Особенности контроля пучка падовыми камерами на «теплой жидкости» на ускорителе «Прометеус», Краткие сообщения по физике ФИАН, 2021, №1, стр. 16-23 [7]) позволяет быстро и с высокой точностью измерять дозный профиль пучка нейтронов для конформности проведения лечения пациента или экспериментов.

Программа, осуществляющая обработку дозного профиля на основе информации, поступающей от падовой камеры (5), может отключать ускоритель (1) при превышении накопленной дозы у облучаемого объекта.

Заявленное устройство используют следующим образом.

Из протонного ускорителя (1) по протонному каналу (2) выпускают пучок протонов, например, с энергией 300 МэВ, и облучают мишень (3).

При бомбардировке мишени (3) образуются направленные преимущественно вперед высокоэнергетичные нейтроны. В дальнейшем большая часть этих нейтронов попадает в замедлитель (4) и теряет энергию, что приводит к образованию эпитепловых и тепловых нейтронов, которые, проходя диафрагму F, попадают на облучаемый объект или (в частном варианте) на активную поверхность (14) падовой камеры (5), с помощью которой измеряется дозный профиль. За один выпуск протонного ускорителя (1) считывается информация со всех падов (15) активной поверхности (14) падовой камеры (5) (например, от позиции «-7» до позиции «+7» на оси х, как показано на фиг. 1), которая передается с помощью токовых выводов (16) на аналоговый мультиплексор (7).

В программируемой матрице (11) задается, за какое время (в секундах) должна быть набрана доза для построения профиля, затем на персональном компьютере (12) строится дозный профиль нейтронов, излучаемых мишенью (3), вдоль оси х (см. фиг. 3).

Безопасность использования устройства подтверждена экспериментальными данными, полученными на протонном ускорителе КПТ «Прометеус».

В частном варианте, представленном на фиг. 3, доза была набрана за 180 с. Нейтроны, которые не замедлялись, и образующееся в результате проходящей в мишени (3) ядерной реакции гамма-кванты поглощались средством, предназначенным для поглощения излучения.

Далее из устройства демонтировали замедлитель, затем при облучении мишени (3) пучков протонов с энергией 300 МэВ снова измеряли дозный профиль (см. фиг. 4).

Сравнение дозных профилей, приведенных на фиг. 3 и фиг. 4, показало, что нейтроны, прошедшие замедлитель (4) (в данном случае, водный фантом), замедляются.

Из фиг. 3 и фиг. 4 также видно, что коэффициент ослабления на «крыльях» дозного профиля составил не менее 100 (в случае формирования пучка быстрых нейтронов) и не менее 2 (в случае формирования пучка эпитепловых и тепловых нейтронов), что подтверждает возможность формирования пучка нейтронов в заявленном устройстве с обеспечением надежной защиты технического персонала, обслуживающего устройство, за счет использования в его составе предлагаемого средства, предназначенное для поглощения излучения.

Заявленное устройство отличается высокой степенью защищенности персонала, обслуживающего его, от излучения, что существенно повышает безопасность его использования. Кроме этого, устройство, в результате его компоновки, отличается простотой в изготовлении и использовании. В частности, имеется возможность быстрой перенастройки устройства с получения пучка эпитепловых нейтронов на получение пучка быстрых нейтронов и обратно за счет простоты демонтажа замедлителя и его последующего повторного монтажа в устройство.

Заявленное изобретение относится медицине, к области формирования пучка нейтронов в широком диапазоне энергий. Устройство для формирования пучка нейтронов содержит расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и замедлитель, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения, для получения направленного потока эпитепловых и тепловых нейтронов. Устройство снабжено диафрагмой с регулируемым выходным отверстием, выполненной из материала ПОВ, расположенной после упомянутого замедлителя, на одной оси с ним. Упомянутый замедлитель выполнен съемным, в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства. Упомянутое средство представляет собой набор эквидистантных полых усеченных конусов, расположенных один в другом, вплотную друг к другу, на больших основаниях которых расположена обечайка. Первый, считая от упомянутой оси, конус выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.% и шариков вольфрама диаметром от 1 до 10 мм, второй конус - из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.%, третий конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 20 об.% бора, четвертый конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 10 об.% бора, а обечайка - из материала ПОВ. Изобретение обеспечивает повышенную безопасность использования устройства при одновременной простоте его изготовления и использования. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для формирования пучка нейтронов, содержащее расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и замедлитель, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения, для получения направленного потока эпитепловых и тепловых нейтронов, отличающееся тем, что оно снабжено диафрагмой с регулируемым выходным отверстием, выполненной из материала ПОВ, расположенной после упомянутого замедлителя, на одной оси с ним, упомянутый замедлитель выполнен съемным в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, а упомянутое средство представляет собой набор эквидистантных полых усеченных конусов, расположенных один в другом, вплотную друг к другу, на больших основаниях которых расположена обечайка, при этом первый, считая от упомянутой оси, конус выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.% и шариков вольфрама диаметром от 1 до 10 мм, второй конус - из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.%, третий конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 20 об.% бора, четвертый конус - из сферопластика с добавлением карбида бора из расчета 10 об.% бора, а обечайка - из материала ПОВ.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено падовой камерой на «теплой» жидкости и системой для измерения дозного профиля, установленными на общем основании на выходе из устройства.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что упомянутый замедлитель представляет собой водный фантом.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что протонный ускоритель выполнен с возможностью перестройки на различную энергию протонов.