УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ НА ПРОТОННОМ УСКОРИТЕЛЕ КОМПЛЕКСА "ПРОМЕТЕУС" Российский патент 2024 года по МПК G01T3/00 A61N5/10 

Заявленное изобретение относится к области формирования пучка низкоэнергетичных нейтронов 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.

Известно устройство для формирования пучка нейтронов, содержащее расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и съемный замедлитель в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения, для получения направленного потока низкоэнергетичных (тепловых и эпитепловых) нейтронов (см. RU 2808930 С1, 05.12.2023 [1]). После замедлителя, на одной оси с ним, расположена диафрагма с регулируемым выходным отверстием, выполненная из материала ПОВ, при помощи которой осуществляется регулирование поперечного сечения выходного пучка нейтронов.

К недостаткам известного устройства относятся:

- в выходном пучке низкоэнергетичных нейтронов присутствует до 10% примеси гамма-квантов и быстрых нейтронов, которые во время сеанса лучевой терапии могут облучать здоровые ткани;

- в известном устройстве не предусмотрено изменения направления пучка нейтронов непосредственно во время сеанса лучевой терапии, что снижает его функциональные возможности;

- плотности выходного пучка нейтронов, уменьшаемой в результате отсечения части потока нейтронов при уменьшении выходного отверстия диафрагмы, может оказаться недостаточно для решения задач лучевой терапии, что также снижает функциональные возможности устройства.

Известное из [1] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для формирования пучка нейтронов, обладающего повышенной функциональностью.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении конформности использования устройства при одновременной простоте и высокой безопасности (как для пациента, так и для персонала, обслуживающего устройство).

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для формирования пучка низкоэнергетичных нейтронов, содержащего расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и первый замедлитель в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения, для получения направленного потока низкоэнергетичных нейтронов, которое снабжено расположенными после первого замедлителя, последовательно, на одной продольной оси с ним, вторым замедлителем в форме диска, вогнутого со стороны выхода устройства, и средством для замедления и отражения нейтронов, выполненным в виде цилиндра, ось симметрии которого расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости упомянутой продольной оси, состоящим из двух сегментов, расположенных вплотную друг к другу, внутренняя поверхность первого из которых, предназначенного для замедления нейтронов, представляет собой в поперечном сечении линию, образованную условной окружностью диаметром, равным диаметру упомянутого цилиндра, смещенной на расстояние, равное половине радиуса упомянутого цилиндра, и пересекающейся с ней условной окружностью диаметром, равным половине диаметра упомянутого цилиндра, а также отражателем, соединенным со вторым сегментом упомянутого цилиндра, ось симметрии которого перпендикулярна упомянутой продольной оси и расположена с ней в одной плоскости, на высоте, равной половине высоте упомянутого цилиндра, в котором образован нейтронный канал в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к выходу устройства, и третьим замедлителем в форме, ответной форме упомянутого нейтронного канала, расположенным на входе в него, при этом упомянутый диск вогнут эквидистантно боковой поверхности упомянутого цилиндра и установлен относительно него с зазором, обеспечивающим возможность поворота упомянутого цилиндра, упомянутые цилиндр и диск окружены корпусом, выполненным из материала, предназначенного для отражения нейтронов, заключенным в кожух, выполненный из материала, предназначенного для поглощения излучения, а через упомянутые корпус и кожух проходит вырез, обеспечивающий возможность поворота упомянутого цилиндра.

В частном варианте выполнения, устройство снабжено фильтром, предназначенным для поглощения тепловых нейтронов, расположенным в упомянутом нейтронном канале после третьего замедлителя.

На фиг.1 представлена общая схема заявляемого устройства.

Устройство для формирования нейтронного пучка, представленное на фиг.1, содержит расположенные последовательно на одной продольной оси z 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 первый замедлитель (4).

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

Первый замедлитель (4) выполнен в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, и окружен средством (5), предназначенным для поглощения излучения и получения направленного потока низкоэнергетичных (эпитепловых и тепловых) нейтронов. В качестве замедлителя может быть, например, использован водный фантом или любой иной замедлитель, отвечающий задаче получения низкоэнергетичных нейтронов.

В качестве средства (5), предназначенного для поглощения излучения, может быть, например, использован, набор эквидистантных полых усеченных конусов, особенности выполнения которых раскрыты в [1], или любое иное средство, отвечающее задаче поглощения излучения.

После первого замедлителя (4), последовательно, на одной продольной оси с ним, расположены второй замедлитель в форме диска (6), вогнутого со стороны выхода устройства, и средство для замедления и отражения нейтронов, выполненное в виде цилиндра (7), ось симметрии которого расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости продольной оси z. Цилиндр (7) состоит из двух сегментов (7а) и (7b), расположенных вплотную друг к другу. Внутренняя поверхность сегмента (7а), предназначенного для замедления нейтронов, представляет собой в поперечном сечении линию, образованную условной окружностью диаметром, равным диаметру цилиндра (7), смещенной на расстояние, равное половине радиуса цилиндра (7), и пересекающейся с ней условной окружностью диаметром, равным половине диаметра цилиндра (7). Внутренняя поверхность второго сегмента (7b), предназначенного для отражения нейтронов, соответственно, выполнена ответной внутренней поверхности первого сегмента (7а).

Цилиндр (7) заключен в металлический кожух (8) и снабжен шарикоподшипниками (9), обеспечивающими возможность его поворота.

Второй замедлитель (6) и сегмент (7а) могут быть выполнены из любого доступного материала, отвечающего задаче замедления нейтронов. В частности, в качестве такого материала может быть использован AlF₃, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂, Al₂O₃.

Устройство, кроме этого, содержит отражатель (10), соединенный с сегментом (7а) цилиндра (7), например, при помощи резьбы, ось симметрии которого х перпендикулярна продольной оси z и расположена с ней в одной плоскости, на высоте, равной половине высоте цилиндра (7). В отражателе (10) образован нейтронный канал (11) в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к выходу устройства. Помимо этого, устройство содержит третий замедлитель (12) в форме, ответной форме нейтронного канала (11), расположенный на входе в него.

Отражатель (10), так же, как и сегмент (7b), может быть выполнен из любого доступного материала, отвечающего задаче отражения нейтронов. В частности, в качестве такого материала может быть использован никель или свинец.

Необязательно, устройство может содержать фильтр (13), предназначенный для поглощения тепловых нейтронов (и обеспечения на выходе пучка только эпитепловых нейтронов), расположенный в нейтронном канале (11) после третьего замедлителя (12). Фильтр (13) может быть выполнен, в частности, из ⁶Li (или любого иного подходящего материала).

Диск (6) вогнут эквидистантно боковой поверхности цилиндра (7) и установлен относительно него с зазором, обеспечивающим возможность поворота цилиндра (7).

Цилиндр (7) и диск (6) окружены корпусом (14), выполненным из материала, предназначенного для отражения нейтронов (никель, свинец или любой иной материал, отвечающий данной задаче), заключенным в кожух (15), выполненный из материала, предназначенного для поглощения излучения. В качестве такого материала может быть, в частности, использован сверхвысокомолекулярный полиэтилен с добавлением аморфного бора в количестве 5-7 об.% или любой иной подходящий материал (или сочетание материалов).

Через корпус (14) и кожух (15) проходит вырез (16), обеспечивающий возможность поворота цилиндра (7).

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 первый замедлитель (4) и теряет энергию, что приводит к образованию низкоэнергетичных (эпитепловых и тепловых нейтронов), поток которых затем проходит во второй замедлитель (6), где происходит их последующее замедление.

Далее поток нейтронов проходит в первый сегмент (7а) цилиндра (7), где происходит их дальнейшее замедление. Часть потока нейтронов, стремящаяся уйти в граничную область первого сегмента (7а), попадает на второй сегмент (7b) цилиндра (7), меняет направление и возвращается обратно в первый сегмент (7а). Пройдя сквозь первый сегмент (7а) цилиндра (7), поток нейтронов попадает в третий замедлитель (12), расположенный на входе в нейтронный канал (11), где снова происходит замедление нейтронов. Часть потока нейтронов, стремящаяся уйти в граничную область третьего замедлителя (12), попадает на отражатель (10), меняет направление и возвращается обратно в третий замедлитель (12).

В результате на выходе из устройства формируется пучок низкоэнергетических нейтронов.

В случае необходимости получения на выходе из устройства пучка только эпитепловых нейтронов, поток низкоэнергетических нейтронов направляется на фильтр (13), который обеспечивает поглощение тепловых нейтронов.

При сканировании опухоли пучком нейтронов (в случае облучения опухоли сложной формы либо большой протяженности) для достижения равномерности облучения и щадящей нагрузки на здоровые ткани цилиндр (7), а, следовательно, и соединенный с его первым сегментом (7а) отражатель (10) с нейтронным каналом (11), поворачивается, что приводит к изменению направления пучка нейтронов.

В таблице представлены данные, подтверждающие эффективность использования устройства.

Заявленное устройство отличается повышенной конформностью использования в результате возможности изменять направление пучка нейтронов непосредственно во время сеанса лучевой терапии, а также возможности получения пучка нейтронов без потери его плотности. Устройство просто и безопасно в использовании, как для пациента (вследствие облучения опухоли пучком низкоэнергетичных нейтронов, практически лишенных примеси быстрых нейтронов и гамма-квантов), так и для персонала, обслуживающего устройство.

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений. Устройство для формирования пучка низкоэнергетичных нейтронов содержит расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, первый замедлитель в форме усеченного конуса, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения для получения направленного потока низкоэнергетичных нейтронов, при этом после первого замедлителя последовательно на одной продольной оси с ним устройство снабжено вторым замедлителем в форме диска и средством для замедления и отражения нейтронов, выполненным в виде цилиндра, состоящего из двух сегментов, расположенных вплотную друг к другу, а также содержит отражатель и нейтронный канал. Технический результат – возможность изменения направления пучка нейтронов непосредственно во время сеанса лучевой терапии, а также возможность получения пучка нейтронов без потери его плотности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устройство для формирования пучка низкоэнергетичных нейтронов, содержащее расположенные последовательно на одной продольной оси протонный ускоритель, протонный канал, мишень, предназначенную для получения быстрых нейтронов, и первый замедлитель в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием к выходу устройства, окруженный средством, предназначенным для поглощения излучения для получения направленного потока низкоэнергетичных нейтронов, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными после первого замедлителя последовательно на одной продольной оси с ним вторым замедлителем в форме диска, вогнутого со стороны выхода устройства, и средством для замедления и отражения нейтронов, выполненным в виде цилиндра, ось симметрии которого расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости упомянутой продольной оси, состоящего из двух сегментов, расположенных вплотную друг к другу, внутренняя поверхность первого из которых, предназначенного для замедления нейтронов, представляет собой в поперечном сечении линию, образованную условной окружностью диаметром, равным диаметру упомянутого цилиндра, смещенной на расстояние, равное половине радиуса упомянутого цилиндра, и пересекающейся с ней условной окружностью диаметром, равным половине диаметра упомянутого цилиндра, а также отражателем, соединенным со вторым сегментом упомянутого цилиндра, ось симметрии которого перпендикулярна упомянутой продольной оси и расположена с ней в одной плоскости на высоте, равной половине высоты упомянутого цилиндра, в котором образован нейтронный канал в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к выходу устройства, и третьим замедлителем в форме, ответной форме упомянутого нейтронного канала, расположенным на входе в него, при этом упомянутый диск вогнут эквидистантно боковой поверхности упомянутого цилиндра и установлен относительно него с зазором, обеспечивающим возможность поворота упомянутого цилиндра, упомянутые цилиндр и диск окружены корпусом, выполненным из материала, предназначенного для отражения нейтронов, заключенным в кожух, выполненный из материала, предназначенного для поглощения излучения, а через упомянутые корпус и кожух проходит вырез, обеспечивающий возможность поворота упомянутого цилиндра.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром, предназначенным для поглощения тепловых нейтронов, расположенным в упомянутом нейтронном канале после третьего замедлителя.