Тема: ОПТИМИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ЦИКЛОТРОНА ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ РАДИОТЕРАПИИ

Терапия быстрыми нейтронами имеет много преимуществ по сравнению с лечением с использованием фотонных и электронных пучков. Но в последнее время внимание к ней несколько снизилось из-за того, что технически сложно сфокусировать пучок нейтронов, не имеющих электрического заряда. Кроме того, у нейтронов нет пика Брэгга, который позволяет концентрировать дозу в области раковой опухоли. Интерес к этим задачам постепенно перерос в бор- нейтронозахватную, протонную и ионно-лучевую терапии. Но для этих видов лечения требуются очень большие и дорогостоящие установки, что ограничивает их широкое распространение.
Поэтому естественно, что параллельно возник интерес к идеям создания более эффективных источников нейтронов на основе пучков лёгких ионов в сочетании с мишенями с малым атомным номером и специальными коллиматорами для получения максимального по интенсивности потока частиц с оптимальным спектром и удобным для практического применения размером сечения.
Актуальность работы. В радиотерапии обычно используются нейтроны с энергией в интервале от 1 до 50 МэВ, которые генерируются в результате взаимодействия ускоренных протонов или дейтронов с лёгкой, чаще всего бериллиевой, мишенью. В качестве источника протонов и дейтронов обычно используют циклотроны или другие подобные ускорители заряженных частиц.
Пространственное распределение таких нейтронов близко к сферически симметричному. Их потоки при использовании в терапии коллимируются почти таким же образом, как и фотоны в фотонной терапии, генерируемые с помощью линейных ускорителей электронов. Нейтроны деления в ядерных реакторах с энергией в диапазоне от 0,5 до 10 МэВ тоже могут быть использованы в медицинской практике. Как нейтральные частицы, они взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов в тканях, производя протоны, ядра отдачи и, изредка, осколки деления, которые при торможении создают плотные цепочки столкновений.
Для нейтронов, применяемых в терапии, характерно, что около 85% всего энерговыделения при их взаимодействии с тканями происходит в результате рассеяния на ядрах водорода. Это означает, что выделение кинетической энергии частиц в веществе (керма) будет больше в ткани с высоким содержанием водорода.
Линейная потеря энергии при торможении протонов, созданных в результате реакции (n, p), лежит в диапазоне от 20 до 100 кэВ/мкм. Это существенно больше, чем у мегаэлектронвольтных фотонов и электронов, используемых в обычной лучевой терапии (соответственно от 0,2 до 2 кэВ/мкм).
Здесь важно подчеркнуть, что именно это, более высокое энерговыделение, связанное со вторичными частицами, приводит к различным радиобиологическим эффектам, которые могут быть выгодными в определенных клинических ситуациях. В отличие от фотонов более высокая относительная биологическая эффективность (ОБЭ) часто объясняет различные клинические реакции, наблюдаемые при использовании нейтронов.
Высокоинтенсивные нейтронные пучки могут найти широкое применение во многих отраслях. В здравоохранении их можно использовать в лучевой терапии. Если их замедлить до тепловых или эпитепловых скоростей, они применимы в бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Она основана на реакциях захвата ядрами, которые имеют место, когда 10B облучают тепловыми нейтронами с образованием альфа-частицы (4He) и ядра 7Li. Разрушительное воздействие этих частиц ограничено размерами клеток, содержащими бор. Поскольку обе частицы имеют пробег, сопоставимый с размером клетки, они могут вызывать избирательную гибель опухолевых клеток без значительного повреждения окружающих нормальных тканей.
Поэтому успех медицинского применения лучевой терапии на быстрых нейтронах во многом зависит от того, насколько совершенны их источники, используемые в клинической практике. Несмотря на очевидную важность работы по их созданию, многие аспекты этой темы пока развиты недостаточно.
Степень разработанности темы. Терапия быстрыми нейтронами более эффективна, чем фотонами и электронами, но у нее есть проблема отсутствия пика Брэгга. Из-за этого координаты области поглощения радиационного поля, обусловленного нейтронами, могут не соответствовать местоположению проблемных тканей.
Поскольку нейтроны не имеют заряда, их трудно собрать в узкие пучки, как в случае ионов или электронов. В данной работе мы улучшили форму потока и спектр быстрых нейтронов для их использования в лучевой терапии и других приложениях.
Целью настоящей диссертационной работы является создание высокоинтенсивных источников быстрых нейтронов на основе циклотрона У-120 Томского политехнического университета для применения в медицине и других областях. Требуется показать, что улучшение характеристик источника нейтронов может быть достигнуто путем оптимального выбора геометрии коллиматора пучка и свойств мишени. Изменяя их, можно в несколько раз увеличить поток нейтронов и существенно улучшить спектр. В итоге это позволяет сократить продолжительность и повысить качество лечения пациентов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.
1. Найти условия для протекания ядерных реакций в мишенях, при которых наблюдается наибольший выход нейтронов.
2. Исследовать выход нейтронов из мишени в виде спрессованного бериллиевого порошка, облучаемой ускоренными лёгкими ионами.
3. Проанализировать известные базы данных по этой тематике, сопоставить их с нашими данными, и выполнить аппроксимацию результатов измерения плотности потока и средней энергии нейтронов для оперативной оценки их транспортных и дозовых характеристик. 4
4. Выполнить цифровое моделирование процессов образования и вывода нейтронного пучка. Доказать применимость этой методики для оптимизационных расчётов материальных и геометрических параметров коллиматоров.
5. Разработать и изготовить опытные образцы нейтронных коллиматоров. Исследовать их функциональные характеристики.
Научная новизна исследования подтверждается следующими работами и результатами, соответственно выполненными и полученными впервые.
1. Изучена эмиссия нейтронов и функциональные свойства мишени из спрессованного бериллиевого порошка.
2. Проведено систематическое исследование влияния материальных и геометрических параметров нейтронного коллиматора на его функциональные характеристики для получения узкого (диаметром не более 2 см) пучка нейтронов с целью более точной локализации и уменьшения облучения здоровых тканей в процессе лечения.
3. Предложены работоспособные выражения для расчёта плотности потока и средней энергии нейтронов в широком интервале энергий дейтронов (от 0,5 до 50 МэВ) для оперативной оценки их транспортных и дозовых характеристик.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Выполненные расчёты показали принципиальную возможность существенного (в несколько раз) повышения плотности потока нейтронов при оптимальном выборе геометрии и материалов нейтронного коллиматора. Это актуально для лучевой радиотерапии, так как таким путём можно сократить продолжительность процедуры облучения пациента и снизить радиационную нагрузку на него.
2. Полученные результаты дают возможность генерировать узкий пучок нейтронов, что позволяет обеспечить лечение малых по размерам опухолей и минимизировать облучение здоровых тканей.
3. Предложенная методика управления пучком может быть распространена на облучательные каналы ядерных реакторов, где плотность потока быстрых нейтронов может быть значительно большей.
4. Результаты, полученные при изучении транспортных характеристик быстрых нейтронов в канале коллиматора, имеют важное значение для разработки высокоинтенсивных источников этих частиц.
Объекты и методы исследований. Характеристики нейтронов вычислены с помощью компьютерных программ, доступных в открытых источниках. В частности, процессов переноса моделировался с помощью кода MCNP. Код PHITS использовался для расчета потока нейтронов в зависимости от типа мишени, тока и энергии ускоренных ионов. Вся работа проводилась на базе циклотрона У-120 Томского политехнического университета. В процессе экспериментов использовались пучки дейтронов с энергией 13,6 МэВ, литые и спрессованные из порошка бериллиевые мишени.
Метод активации применён для определения потока нейтронов с помощью железной и алюминиевой фольг в качестве детекторов быстрых нейтронов в диапазоне 1-14 МэВ. Радиоактивность образцов измерялась методом гамма- спектроскопии с помощью детектора HPGe. Программа PACE4 (LISE++) применялась для прогнозирования спектров нейтронов, получаемых в результате реакции 9Be(d, п)10В.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование спрессованного порошка бериллия на медной подложке в качестве мишени приводит к экспериментально наблюдаемому увеличению плотности потока быстрых нейтронов в 1,6 раза по сравнению с мишенью из чистого литого бериллия.
2. Замена бериллия на литий в мишени позволяет увеличить выход нейтронов в 2,5 раза. Максимальный выход нейтронов имеет место в случае дейтронов с энергией 12 МэВ (принято за 100%). Для протонов и альфа-частиц он существенно меньше (22 и 2,4 % соответственно).
3. Оптимизация по предложенной методике материальных и геометрических параметров большого коллиматора в лечебном кабинете циклотронной лаборатории позволяет в 2 -3 раза увеличить плотность потока нейтронов, генерируемых бериллиевой мишенью.
4. Коллиматор с коническим проходным отверстием диаметром 106 мм на входе и 20 мм на выходе позволяет значительно (в 14,1 раза) увеличить плотность потока быстрых нейтронов по сравнению с цилиндрическим каналом.
Личный вклад автора. Автор принял активное участие в постановке задачи диссертационного исследования. Им были выполнены все расчёты, связанные с моделированием генерации и транспортировки нейтронов с использованием кодов MCNP и PHITS, а также с оптимизацией материальных и геометрических параметров коллиматоров. Подготовка экспериментов и их проведение выполнены коллективом циклотронной лаборатории, в составе которого работал автор. Все измерения, обработка результатов и их анализ были выполнены автором лично или с его непосредственным участием.
Степень достоверности результатов. Корректность теоретических и экспериментальных данных, представленных в диссертации, подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей выполненных измерений, повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях параметров, а также сравнением теоретических результатов с данными других авторов, представленными в научной печати.
Достоверность результатов подтверждается тем, что они носят непротиворечивый характер, взаимно дополняют друг друга и соответствуют современным представлениям о механизмах рассматриваемых явлений.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде семинаров и конференций, в частности: на II Международном форуме онкологии и радиологии Минздрава России, Москва, 2019 г.; на XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2019 г.; на IX и X Международных научно-практических конференциях «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине», Томск, 2019, 2020 гг.; на The 14th International Forum on Strategic Technology, IFOST, Томск, 2019 г., на научных семинарах НОЦ Б.П. Вейнберга Инженерной школы ядерных технологий ТПУ.
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в виде 8 печатных работ, в том числе двух - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и шести - в журналах, индексируемых в международных базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 115 наименований. Работа содержит 118 страниц текста, включает 14 таблиц и 56 рисунков.

Купить

Результаты, полученные в процессе подготовки данной диссертации к защите, позволили сформулировать несколько выводов и рекомендаций, которые могут быть полезны для разработки источников быстрых нейтронов на основе циклотрона с перспективой их практического использования в нейтроннолучевой радиотерапии.
1. Мишень, спрессованная из металлического порошка бериллия, и использованная в наших экспериментах, не имеет склонности к значительному разогреву и не нуждается в принудительном охлаждении. Мы заметили, что она не повреждается пучком. Возможно, что это связано с её малой плотностью и меньшими по сравнению с литой мишенью линейными потерями энергии налетающих дейтронов при их торможении. По крайней мере, в диапазоне плотности мощности пучка, использованного в данной работе.
2. Использование прессованного порошка Be в медной форме в качестве мишени приводит к существенному увеличению плотности потока нейтронов. Он возрастает по сравнению с твердой литой мишенью примерно 1,6 раза или более в диапазоне энергий нейтронов 1 - 6 МэВ. Вероятная причина этого эффекта связана с реакцией Cu(n, 2n).
3. Результаты моделирования переноса быстрых нейтронов с использованием кода PHITS показали, что замена в мишени бериллия на литий позволяет увеличить выход нейтронов в 2,4 раза при использовании дейтронов с энергией 12 МэВ. Максимальный их выход имеет место в случае, когда облучение мишени производится дейтронами (условно принято за 100%). Для протонов он составляет 22% и для альфа-частиц - 2,4%.
4. Моделирование переноса быстрых нейтронов с помощью кода MCNP и результаты экспериментальных исследований показали, что существенное увеличение плотности их потока (примерно в 3 раза) физически возможно и практически достижимо путем оптимизации материальных и геометрических параметров коллиматора.
5. Доказана возможность получения узкого пучка нейтронов (диаметром 1-2 см или даже менее). Это позволяет значительно (в 15 раз) увеличить плотность потока быстрых нейтронов по сравнению с цилиндрическим каналом. Есть основание надеяться, что узкие пучки сделают методику нейтронно-лучевой радиотерапии лечения небольших и неправильной формы опухолей более точной и безопасной для пациента.
6. Доля плотности потока быстрых нейтронов с энергией в интервале 1 - 6 МэВ составляют около 83% от общего потока. Это позволяет свести к минимуму количество нежелательных для клинического применени нейтронов с энергией выше 6 МэВ и ниже 1 МэВ, которые не способствуют процессу лучевой терапии. В итоге мы минимизируем дозу, поглощаемую здоровыми тканями.
7. Предложен ряд выражений, полученных на основе выполненных экспериментов, позволяющий оценивать среднюю энергию и плотность потока нейтронов в зависимости от энергии дейтронов. Они дают корректные результаты в диапазоне энергий от 0,5 до 50 МэВ при расчёте плотности потока нейтронов и в диапазоне от 2,6 до 40 МэВ при расчёте их средней энергии нейтронов.

Купить