Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Оптимизация мишени для производства фотонейтронов

02.10.2016 2016 - №03 Ядерная медицина

Ю.А. Кураченко Ю.Г. Забарянский Е.А. Онищук

УДК: 615.849.1:536.2.023:519.688

Рассмотрена возможность создания мощных источников фотонейтронов для медицины. Основой предложенной концепции является жидкий галлий в качестве мишени-теплоносителя для мощного и компактного ускорителя электронов. Стационарный фрагмент мишени – матрица из тугоплавкого вольфрама, через которую протекает галлий, позволяет резко увеличить выход фотонейтронов. При энергиях электронов выше 15 МэВ тормозные γ-кванты, поглощаясь ядрами галлия и вольфрама, производят нейтроны в реакциях (γ, n) в области гигантского дипольного резонанса. Жидкий галлий как мишень (теплоноситель) имеет два неоспоримых достоинства: незначительную активацию и большой температурный диапазон жидкого состояния (~ 2200°), позволяющий достаточно просто обеспечить теплосъем. Представлены результаты расчетов блока вывода фотонейтронов из комбинированной мишени и его адаптации к задачам нейтронной терапии. Сегодня конкурентоспособной нейтронной терапией все в большей степени становится и воспринимается населением именно нейтроно-захватная терапия (НЗТ). Выполнена оптимизация мишени для максимизации НЗТ-характеристик пучка нейтронов при организации практически реализуемой схемы теплосъема. Для нормировки результатов приняты характеристики доступного ускорителя: средний ток 4 мА при энергии электронов 35 МэВ. Оптимальная комбинированная мишень «вольфрам+галлий» в сочетании с оптимальным блоком вывода позволили многократно увеличить интенсивность пучка нейтронов при обеспечении приемлемых условий теплосъема. При скорости теплоносителя 4 м/с максимальная температура вольфрамовой матрицы мишени примерно 1300 °C, температура теплоносителя не превышает 290 °C. Показано, что при этом качество пучка для НЗТ практически не изменилось, а требуемая для подведения терапевтической дозы экспозиция существенно уменьшилась; плотность потока эпитепловых («терапевтических») нейтронов в позиции пациента примерно в 15 – 40 раз превышает плотность потока существующих и проектируемых реакторных пучков для НЗТ.

Ссылки

  1. Кураченко Ю.А., Вознесенский Н.К., Говердовский А.А., Рачков В.И. Новый интенсивный источник нейтронов для медицинских приложений // Медицинская физика. – 2012. – №2. – С. 29 – 38.
  2. Кураченко Ю.А. Фотонейтроны для нейтронозахватной терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2014. – №4. – С. 41-51.
  3. High Power Linacs for Isotope Production. MEVEX: The accelerator technology company. Доступно по адресу: http://www.mevex.com/Brochures/Brochure_High_Energy.pdf.
  4. MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5. Volume I: Overview and Theory. Authors: X-5 Monte Carlo Team //LA-UR-03-1987.April 24, 2003.
  5. Pelowitz D.B., MCNPX USER’S MANUAL Version 2.4.0 - LA-CP-07-1473.
  6. STAR-CD®. Адрес: CD-adapco Engineering Simulation Software - CAE and CFD Software.
  7. Liu H.B., Brugger R.M., Rorer D.C. Upgrades of the epithermal neutron beam at the Brookhaven medical research reactor // BNL-63411. Доступно по адресу: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/28/014/28014354.pdf.
  8. Riley K.J., Binns P.J., Harling O.K. Performance characteristics of the MIT fission converter based epithermal neutron beam // Phys. Med. Biol. – 2003. – Vol. 48. – PP. 943-958.
  9. Harling O.K., Riley K.J., Newton T.H. et al. The new fission converter based epithermal neutron irradiation facility at MIT // Nuclear Reactor Laboratory, MIT, 138 Albany St., Cambridge, MA 02139, USA. Адрес: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/36/026/36026570.pdf.
  10. Zamenhof R.G., Murray B.W., Brownell G.L., Wellum G.R., Tolpin E.I. Boron Neutron Capture Therapy for the Treatment of Cerebral Gliomas. 1: Theoretical Evaluation of the Efficacy of Various Neutron Beams // Med. Phys. – 1975. – No. 2: –PP. 47-60.
  11. Blue T.E., Yanch J.C: Accelerator-based epithermal neutron sources for boron neutron capture therapy of brain tumors. // J Neurooncol. – 2003. – Vol. 62. – PP. 19-31.
  12. Zhou Y., Gao Z., Li Y., Guo C., Liu X. Design and construction of the in-hospital neutron irradiator- 1(HNI). In Proceed of 12-th ICNCT – Advances in Neutron Capture Therapy 2006; October 9–13; Takamatsu, Japan. Edited by Nakagawa Y., Kobayashi T., Fukuda H. – 2006. – PP. 557-560.
  13. Nigg D.W: Neutron sources and applications in radiotherapy – A brief history and current trends. In Advances in Neutron Capture Therapy 2006 - Proc 12-th Intl Cong Neutron Capture Therapy; Oct 9–13. Edited by Nakagawa Y., Kobayashi T., Fukuda H. Takamatsu, Japan; 2006.
  14. Кураченко Ю.А. Оптимизация блока вывода реакторного пучка для лучевой терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2008. – №1. – С. 129 – 138.
  15. Кураченко Ю.А. Оптимизация блока вывода пучка медицинского реактора «МАРС» // Альманах клинической медицины. – Т. XVII. Часть 1. – 2008. – С. 334-337.
  16. Tanaka H., Sakurai Y., Suzuki M., Masunaga S., Mitsumoto T., Fujita K., Kashino G., Kinashi Y., Liu Y., Takada M. et al. Experimental verification of beam characteristics for cyclotronbased epithermal neutron source (C-BENS). // Appl Radiat Isot – 2011. – Vol. 69. – PP. 1642-1645.
  17. Кураченко Ю.А., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Критерии качества нейтронных пучков для лучевой терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2008. – №1. – С. 139 – 149.
  18. Кураченко Ю.А. Реакторные пучки для лучевой терапии: критерии качества и расчетные технологии // Медицинская физика. – 2008. – №2 (38). – С. 20-28.
  19. Кураченко Ю.А., Матусевич Е.С., Левченко А.В. Критерии качества реакторных пучков для нейтронозахватной терапии // Альманах клинической медицины. – Т. XVII. Часть 1. – М., 2008. – С. 329-333.
  20. Kurachenko Yu.A. et al. Beam’s removing block for the MARS medical reactor, VI International Conference NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS ICRNP’07. – Almaty, Kazakhstan, 2007. Abstracts, p. 574.
  21. Kurachenko Yu. A. Neutron Therapy Beam’s Performance Criteria, VII International Conference NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS ICRNP’09. – Almaty, Kazakhstan, 2009. Abstracts, p. 268-269.
  22. Кураченко Ю.А. Реакторные пучки для лучевой терапии. Расчетные модели и вычислительные технологии. Монография. / Palmarium Academic Publishing, OmniScriptum GmbH&Co. RG, Saarbrьcken, Deutschland. (ISBN: 978-3-8473-9842-4) – 2013. – 372 p.
  23. Кураченко Ю.А., Казанский Ю.А., Левченко А. В., Матусевич Е.С. Вывод нейтронных пучков и защита медицинского реактора МАРС // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2006. – №4. – С. 36-48.
  24. Reattore TAPIRO: ENEA Internal Document, DISP/TAP/85-1, 1985. In: Design of neutron beams for boron neutron capture therapy in a fast reactor/Current status of neutron capture therapy, IAEA-TECDOC-1223, 2001.
  25. Carta M. Palomba, M. TRIGA RC-1 and TAPIRO ENEA Research Reactors. Доступно по адресу: https://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/Technical-Areas/RRS/documents/TM_Innovation/Carta_ENEA.pdf.
  26. General information and technical data of TAPIRO research reactor. Доступно по адресу: http://www.enea.it/en/research-development/documents/nuclear-fission/tapiro-eng-pdf.
  27. Nuclear Research Reactor: TAPIRO. Доступно по адресу: http://old.enea.it/com/ingl/New_ingl/research/energy/nucleare_fission/pdf/TAPIRO-ENG.pdf.
  28. Кураченко Ю.А., Моисеенко Д.Н. МАРС и TAPIRO: реакторы малой мощности для нейтроно-захватной терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2010. – №1. – С. 153-163.
  29. Kurachenko Yu. A. «MARS» vs TAPIRO: Small Reactors for Neutron Therapy //7-th International Conference NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS. – Almaty, Kazakhstan, 2009. Abstracts, p. 265-266.
  30. Кураченко Ю.А., Моисеенко Д.Н. Дозовые нагрузки при нейтронозахватной терапии на реакторах «МАРС» и TAPIRO // Сборник материалов III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика 2010» 21-25 июня 2010 г. – Т. 2. – С. 68 – 71.
  31. Kurachenko Yu.A., Matusevich Eu.S. Medical therapy Reactors: Midget MARS & Fast-Neutron TAPIRO // 8-th International Conference NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS ICNRP’11. – Almaty, Kazakhstan, 2011. Abstracts, p. 273-274.
  32. Shintaro Ishiyama, Yoshio Imahori, Jun Itami, Hanna Koivunoro. Determination of the Compound Biological Effectiveness (CBE) Factors Based on the ISHIYAMA-IMAHORI Deterministic Parsing Model with the Dynamic PET Technique // Journal of Cancer Therapy, 2015, 6, 759-766 Published Online August 2015 in SciRes. Доступно по адресу:http://www.scirp.org/journal/jct http://dx.doi.org/10.4236/jct.2015.68083.

электронный ускоритель фотонейтроны комбинированная мишень организация теплосъема защита пациента уникальные характеристики пучка современные медицинские технологии