RU2282908C2 - Neutron-producing target assembly - Google Patents
Neutron-producing target assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2282908C2 RU2282908C2 RU2003129766/06A RU2003129766A RU2282908C2 RU 2282908 C2 RU2282908 C2 RU 2282908C2 RU 2003129766/06 A RU2003129766/06 A RU 2003129766/06A RU 2003129766 A RU2003129766 A RU 2003129766A RU 2282908 C2 RU2282908 C2 RU 2282908C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- target
- thin
- cooling medium
- producing target
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к ядерной физике и медицине и может быть применено в источниках надтепловых нейтронов, выполненных на основе ускорителей заряженных частиц. Такие источники, преимущественно, предназначены для использования в медицинской технике, применяемой в нейтронной терапии, в основном, в нейтронозахватной терапии (НЗТ).The invention relates to nuclear physics and medicine and can be used in sources of epithermal neutrons based on charged particle accelerators. Such sources are mainly intended for use in medical equipment used in neutron therapy, mainly in neutron capture therapy (NRT).
Предшествующий уровень техникиState of the art
Концепция нейтронозахватной терапии в онкологии была предложена в 1936 году, спустя 4 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 в клетках. Затем опухоль облучается потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом 10В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетические α частица и ион 7Li быстро тормозятся на длине размера клетки опухоли, выделяя энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к ее поражению. Таким образом, если обеспечить более высокую концентрацию 10В в раковой клетке по сравнению со здоровой, то борнейтронозахватная терапия (БЗНТ) позволит осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.The concept of neutron capture therapy in oncology was proposed in 1936, 4 years after the discovery of the neutron. Its physical principle is as follows. A solution containing the stable boron-10 isotope is introduced into human blood and after some time, boron is sorbed in the cells. Then the tumor is irradiated with a stream of epithermal neutrons. As a result of neutron absorption by the stable 10 V isotope, a nuclear reaction occurs, and the resulting α energy particle and 7 Li ion are rapidly inhibited along the length of the tumor cell, releasing an energy of ~ 2.3 MeV within the very cell that contained the boron nucleus, which leads to her defeat. Thus, if a higher concentration of 10 V in the cancer cell is achieved compared to a healthy one, then boron neutron capture therapy (BRNT) will allow for selective damage to malignant tumor cells.
За прошедший с тех пор период времени концепция НЗТ и, в частности БНЗТ, испытывала падения и взлеты. Однако в конце 60-х годов интерес к НЗТ значительно вырос. В этом большую роль сыграли исследования японского ученого Хатанаки и прогресс в синтезировании содержащих изотоп 10В фармпрепаратов. 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 позволяет обеспечить возможность избирательного поражения раковой опухоли, что невозможно было осуществить в ранних исследованиях из-за отсутствия подобных фармпрепаратов. Для получения пучка нейтронов использовались специальные медицинские реакторы, построенные для этой цели в Брукхевене и Массачусетсе (США).Over the period since then, the concept of NRT and, in particular, BNCT, has experienced falls and rises. However, in the late 60s, interest in NRT increased significantly. In this, the research of the Japanese scientist Hatanaki and the progress in the synthesis of 10 V isotope-containing pharmaceutical preparations played a large role. Preparations were obtained that create a concentration of 10 V isotope in tumor tissue up to 40 μg / g, which is 3.5 times more than in healthy tissue. This concentration makes it possible to selectively damage a cancerous tumor, which was not possible in early studies due to the lack of such pharmaceuticals. To obtain the neutron beam, special medical reactors built for this purpose in Brookhaven and Massachusetts (USA) were used.
На сегодняшний день интерес к БНЗТ проявляют во многих странах мира. Одновременно ведутся работы, направленные на получение нейтронов нужных для БНЗТ энергий без использования реакторных установок.Today, interest in BNCT is shown in many countries of the world. At the same time, work is underway aimed at obtaining neutrons of the energies necessary for BNCT without the use of reactor facilities.
Предложены различные принципы построения систем БНЗТ на базе ускорителя с пучком частиц, взаимодействующим с мишенью для генерации нейтронов.Various principles are proposed for constructing BNCT systems based on an accelerator with a particle beam interacting with a neutron generation target.
Многообещающим достижением является концепция протонный пучок - литиевая мишень, согласно которой пучок низкоэнергетических нейтронов (с энергией порядка 2 МэВ) ударяет в литиевую мишень, генерируя нейтроны путем (р,п) реакции. Привлекательными чертами концепции являются:A promising achievement is the concept of a proton beam - a lithium target, according to which a low-energy neutron beam (with an energy of the order of 2 MeV) hits a lithium target, generating neutrons by (p, n) reaction. Attractive features of the concept are:
- относительно высокий выход нейтронов (около 10-4),- a relatively high neutron yield (about 10 -4 ),
- возможность обеспечения низкой максимальной энергии генерируемых нейтронов (не более 30 кэВ),- the ability to provide low maximum energy of the generated neutrons (not more than 30 keV),
- относительно простой низкоэнергетический протонный ускоритель,- a relatively simple low-energy proton accelerator,
- возможность работы в "открытой" геометрии, когда пучок образованных нейтронов направлен вперед в угле 20-30°, а расстояние от мишени до пациента минимально (не более 20 см),- the ability to work in an "open" geometry, when the beam of formed neutrons is directed forward at an angle of 20-30 °, and the distance from the target to the patient is minimal (no more than 20 cm),
- минимально - необходимое экранирование и незначительная остаточная радиоактивность.- minimum - required shielding and low residual radioactivity.
В России проработана концепция протонный пучок - литиевая мишень, включающая использование тандемного ускорителя протонов для воздействия на литиевую мишень с энергией, превышающей порог продуцирования 1,88 МэВ при реакции 7Li(р,n)7Ве, подобная описанной в патенте США №5976066, опубл. 02.11.99, Yanch J.С. и др., патентообладатель Massachusetts Institut of Technology, Newton Scientific, Inc. Предварительные исследования показали, что данное предложение является приемлемым, при этом требуемый ток протонного пучка должен составлять 10 мА и более для обеспечения необходимой дозы в зоне лечения.In Russia, the proton beam - lithium target concept has been developed, including the use of a tandem proton accelerator to act on a lithium target with an energy exceeding the production threshold of 1.88 MeV in the reaction 7 Li (p, n) 7 Be, similar to that described in US patent No. 59976066, publ. 11/02/99, Yanch J.C. et al. Patentee Massachusetts Institut of Technology, Newton Scientific, Inc. Preliminary studies have shown that this proposal is acceptable, while the required proton beam current should be 10 mA or more to provide the necessary dose in the treatment area.
Тем не менее, концепция литиевой мишени на базе ускорителя все еще имеет нерешенные критические проблемы, включающие требования больших протонных токов, излишки энергетических нейтронов и охлаждение мишени из лития, имеющего низкую температуру плавления. Как альтернатива, в качестве мишенного материала рассмотрен бериллий, который имеет более высокую температуру плавления по сравнению с литием, легче охлаждается и успешно используется в клиническом оборудовании при терапии быстрыми нейтронами. Например, для реакции 9Be(d,n)10B при Е=2,5 МэВ и I=10 мА выход нейтронов S~4×1013 н/с, что в 4 раза больше, чем для другой реакции 7Li(р,n)7В для тех же условий. Однако при этом наблюдаются высокоэнергетические нейтроны с энергией 100-800 кэВ, и для превращения их в эпитепловые нейтроны с энергией 0-30 кэВ, которые нужны для НЗТ, используют замедлители на основе оксида бериллия, оксида алюминия и тяжелой воды. При этом требуются расстояния от мишени до пациента не менее 50 см, что снижает на порядок плотность потока эпитепловых нейтронов в опухоли.Nevertheless, the accelerator-based lithium target concept still has unresolved critical problems, including the requirements of high proton currents, excess energy neutrons, and the cooling of a lithium target with a low melting point. As an alternative, beryllium, which has a higher melting point than lithium, is more easily cooled and successfully used in clinical equipment for fast neutron therapy, is considered as the target material. For example, for the 9 Be (d, n) 10 B reaction at E = 2.5 MeV and I = 10 mA, the neutron yield is S ~ 4 × 10 13 n / s, which is 4 times more than for the other 7 Li reaction ( p, n) 7 V for the same conditions. However, at the same time, high-energy neutrons with an energy of 100-800 keV are observed, and to convert them into epithermal neutrons with an energy of 0-30 keV, which are needed for NRTs, they use moderators based on beryllium oxide, alumina, and heavy water. This requires a distance from the target to the patient of at least 50 cm, which reduces the order of magnitude of the flux density of epithermal neutrons in the tumor.
Использование реакции 7Li(р,n)7B в ближней надкритической области энергии протонов, когда разность между порогом реакции Екр.=1,88 МэВ и падающей на мишень энергией составляет 0-30 кэВ, позволяет:Using the reaction 7 Li (p, n) 7 B in the near supercritical region of proton energy, when the difference between the reaction threshold Ecr = 1.88 MeV and the energy incident on the target is 0-30 keV, it allows:
- приблизить пациента к мишени на расстояние 10-20 см, т.е. работать в "открытой геометрии",- bring the patient closer to the target at a distance of 10-20 cm, i.e. work in "open geometry"
- использовать так называемую "кинематическую коллимацию", когда эпитепловые нейтроны распространяются вперед в пределах пространственного угла 20-30°.- use the so-called "kinematic collimation" when epithermal neutrons propagate forward within a spatial angle of 20-30 °.
В экспериментах последняя реакция изучена при токах 1-2 мА. Это соответствует мощности пучка 2-4 кВт. Современный уровень развития НЗТ с учетом достижений медицины, технологий и фармпрепаратов требует увеличения мощности примерно на порядок.In experiments, the last reaction was studied at currents of 1-2 mA. This corresponds to a beam power of 2-4 kW. The current level of development of NRT, taking into account the achievements of medicine, technology and pharmaceuticals, requires an increase in capacity by about an order of magnitude.
Известные нейтронопродуцирующие мишенные узлы можно разделить на два основных вида со статическими и динамическими мишенями.Known neutron-producing target sites can be divided into two main types with static and dynamic targets.
В статических мишенях поток направленных на мишень заряженных частиц и рабочее тело мишени, содержащее активное нейтронообразующее вещество, не меняют своего положения относительно друг друга. В таких мишенях наблюдается существенный износ активного (нейтронопродуцирующего) слоя и накопление наведенной активности. К тому же современные статические мишени требуют систем охлаждения с большими удельными тепловыми потоками (>1 кВт/см2), но даже интенсивное жидкостное охлаждение не в состоянии снять такие высокие тепловые нагрузки. В качестве примера статической мишени на относительно небольшой удельный тепловой поток можно привести нейтронопродуцирующие мишени, описанные в патентах США №4666651, опубл. 19.05.1987 г., Barjon Robert, патентообладатель: Commissariat a l'Energie Atomique (Paris, Fr), Centre Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) и №5920601, опубл. 06.07.1999 г., Nigg David W. и др., патентообладатель: Lockheed Martin Idaho Technologies Company (Idaho Falls, ID).In static targets, the flow of charged particles directed at the target and the target working medium containing the active neutron-forming substance do not change their position relative to each other. In such targets, significant wear of the active (neutron-producing) layer and accumulation of induced activity are observed. In addition, modern static targets require cooling systems with large specific heat fluxes (> 1 kW / cm 2 ), but even intensive liquid cooling is not able to remove such high thermal loads. As an example of a static target for a relatively small specific heat flux, neutron-producing targets described in US Pat. No. 4,666,651, publ. 05/19/1987, Barjon Robert, patent holder: Commissariat a l'Energie Atomique (Paris, Fr), Center Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) and No. 5920601, publ. 07/06/1999, Nigg David W. et al., Patent holder: Lockheed Martin Idaho Technologies Company (Idaho Falls, ID).
В динамических мишенях поток частиц и рабочее тело мишени, содержащее нейтронопродуцирующее вещество, перемещаются относительно друг друга. Динамические мишени в отличие от статических не предъявляют жестких требований к системе охлаждения, однако требуют специальных устройств, реализующих перемещение рабочего тела мишени или потока частиц.In dynamic targets, the particle flux and the target working medium containing a neutron-producing substance move relative to each other. Dynamic targets, unlike static ones, do not impose strict requirements on the cooling system, however, they require special devices that realize the movement of the target’s working medium or particle flow.
В качестве прототипа выбран нейтронопродуцирующий мишенный узел с мишенью, перемещаемой относительно потока заряженных частиц - протонов, генерируемых ускорителем (см. патент США №4582667, опубл. 15.04.1986г., Gunter Bauer, патентообладатель: Kemforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. of Germany). Известный нейтронопродуцирующий мишенный узел на основе ускорителя содержит подвижную мишень с активным материалом, на котором производится ядерная реакция, выполненную в форме вращающегося диска, корпус для размещения мишени с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также привод мишени в движение и средства ее охлаждения. Для охлаждения непосредственно в мишени выполняется разветвленная сеть охлаждающих каналов.As a prototype, a neutron-producing target site with a target moving relative to the flow of charged particles - protons generated by the accelerator (see US patent No. 4582667, publ. 04/15/1986, Gunter Bauer, patent holder: Kemforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. Of Germany, was selected ) The known neutron-producing target node based on the accelerator contains a movable target with active material on which a nuclear reaction is made in the form of a rotating disk, a housing for accommodating the target with an input window designed to enter charged particles from the accelerator, and with an output collimating window designed for neutron output, as well as drive the target into motion and means of its cooling. For cooling directly in the target, an extensive network of cooling channels is carried out.
Недостаток данного устройства заключается в том, что охлаждение ведется через тело мишени, т.е. недостаточно эффективно. Кроме того, при больших мощностях технологически достаточно сложно организовать охлаждение большой площади активного материала. В то же время, чем больше площадь активного материала, тем больше размеры диска и, как следствие, габариты всего устройства.The disadvantage of this device is that cooling is carried out through the target body, i.e. not effective enough. In addition, at high capacities it is technologically difficult to organize cooling of a large area of the active material. At the same time, the larger the area of the active material, the larger the size of the disk and, as a result, the dimensions of the entire device.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является создание более компактного и простого, в том числе и в эксплуатации, нейтронопродуцирующего мишенного узла.The objective of the invention is to create a more compact and simple, including in operation, neutron-producing target site.
Для решения поставленной задачи в нейтронопродуцирующем мишенном узле для источника нейтронов на основе ускорителя, содержащем мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, корпус для размещения мишени с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также средство для приведения мишени во вращательное движение и средство ее охлаждения, согласно предлагаемому изобретению, мишень выполнена в виде тонкостенной оболочки вращения, диаметр которой существенно больше размеров входного окна, при этом полость корпуса, в которой размещена мишень, заполнена охлаждающей средой и снабжена средством, препятствующим попаданию охлаждающей среды в объем входного окна (и, как следствие, - в объем ускорителя).To solve the problem in a neutron-producing target site for an accelerator-based neutron source containing a target of an active material that produces a nuclear reaction, a housing for placing the target with an input window designed to enter charged particles from the accelerator, and with an output collimating window designed for neutron output, as well as means for bringing the target into rotational motion and means for cooling it, according to the invention, the target is made in the form of a thin-walled a rotation shell, the diameter of which is significantly larger than the size of the input window, while the cavity of the housing in which the target is placed is filled with a cooling medium and equipped with a means to prevent the cooling medium from entering the volume of the input window (and, as a consequence, into the volume of the accelerator).
Тонкостенная оболочка может быть выполнена либо в форме сферы, либо в форме цилиндра.Thin-walled shell can be made either in the form of a sphere, or in the form of a cylinder.
При таком выполнении мишенного узла съем тепла с мишени производится непосредственно с ее активной поверхности, путем погружения нагретого слоя в охлаждающую среду. Это обеспечивает более эффективное охлаждение активного материала. Кроме того, при сохранении той же рабочей площади активного материала, что и на диске, при переходе на оболочку вращения уменьшаются габариты узла.In this embodiment of the target assembly, heat is removed from the target directly from its active surface by immersing the heated layer in a cooling medium. This provides a more efficient cooling of the active material. In addition, while maintaining the same working area of the active material as on the disk, the dimensions of the assembly are reduced during the transition to the shell of rotation.
В качестве охлаждающей среды, заполняющей полость корпуса, может быть использован жидкий литий, выполняющий одновременно функцию активного материала.As a cooling medium filling the cavity of the casing, liquid lithium can be used, which simultaneously performs the function of the active material.
Кроме того, мишень и сама по себе может быть выполнена из активного материала, например, из бериллия или сплава лития с другими металлами. При этом для охлаждения в определенных режимах могут использоваться газовые среды, например, азот, инертные газы и пр.In addition, the target itself can be made of an active material, for example, of beryllium or an alloy of lithium with other metals. At the same time, for cooling in certain modes, gas media, for example, nitrogen, inert gases, etc., can be used.
В другом варианте мишень состоит из несущего слоя, выполненного из материала с высокой теплопроводностью и нанесенного на его поверхность твердого активного слоя, толщина которого несколько превышает величину надкритического пробега заряженных частиц.In another embodiment, the target consists of a carrier layer made of a material with high thermal conductivity and a solid active layer deposited on its surface, the thickness of which slightly exceeds the supercritical range of charged particles.
Активный слой может быть покрыт защитным слоем с низкими потерями энергии заряженных частиц.The active layer can be coated with a protective layer with low energy loss of charged particles.
Для приведения мишени во вращательное движение может быть использован привод, вал которого жестко соединен с осью вращения мишени, при этом ось мишени совпадает с ее осью симметрии и перпендикулярна оси входного окна.To bring the target into rotational motion, a drive can be used whose shaft is rigidly connected to the axis of rotation of the target, with the axis of the target coinciding with its axis of symmetry and perpendicular to the axis of the input window.
Рабочая поверхность при этом будет ограничена участком боковой поверхности сферы или цилиндра.The working surface in this case will be limited to the portion of the lateral surface of the sphere or cylinder.
При использовании тонкостенной оболочки в форме сферы последняя может быть размещена в охлаждающей жидкости в ответной сферической полости корпуса во взвешенном состоянии. При этом средством вращения сферы может служить поток охлаждающей среды.When using a thin-walled shell in the form of a sphere, the latter can be placed in the coolant in the counter-spherical cavity of the housing in suspension. In this case, the flow of the cooling medium can serve as a means of rotation of the sphere.
В этом случае рабочей поверхностью активного материала может служить вся поверхность сферы, т.к. при произвольном вращении она будет обращаться к входному окну различными участками своей боковой поверхности.In this case, the entire surface of the sphere can serve as the working surface of the active material, since during arbitrary rotation, it will turn to the input window in different parts of its side surface.
Средство для охлаждения содержит внешний резервуар и теплообменник с охлаждающей средой, соединенный каналами ввода - вывода с полостью корпуса, в котором размещена мишень.The means for cooling comprises an external reservoir and a heat exchanger with a cooling medium connected by input / output channels to the cavity of the housing in which the target is placed.
Средство, препятствующее попаданию охлаждающей среды из полости корпуса в объем входного окна, может быть образовано кольцеобразным выступом, выполненным в корпусе в области входного окна по направлению к мишени с обеспечением минимального зазора, необходимого для свободного вращения указанной мишени.The tool that prevents the cooling medium from entering the body cavity into the volume of the inlet window may be formed by an annular protrusion made in the body in the region of the inlet window towards the target with a minimum clearance required for free rotation of the specified target.
Как будет показано ниже, при правильном выборе зазора между сферой и кольцеобразным выступом с газовой охлаждающей средой, натекающей в объем ускорителя через входное окно, вполне справляется работающая система откачки.As will be shown below, with the right choice of the gap between the sphere and the annular protrusion with a gas cooling medium flowing into the accelerator volume through the inlet window, the working pumping system can cope.
Кроме того, в кольцеобразном выступе может быть выполнено кольцевое магнитожидкостное уплотнение. При этом гарантируется герметичное отделение полости корпуса от входного канала.In addition, an annular magneto-liquid seal may be provided in the annular protrusion. At the same time, a hermetic separation of the body cavity from the inlet channel is guaranteed.
Кроме того, окно может быть герметично перекрыто чашеобразной прокладкой, выполненной из фольги легких металлов или их сплавов, обладающих малым воздействием на энергию заряженных частиц.In addition, the window can be hermetically sealed by a cup-shaped gasket made of a foil of light metals or their alloys, which have a small effect on the energy of charged particles.
Краткое описание фигур чертежаBrief Description of the Drawings
На фиг.1 приведен общий вид заявляемого нейтронопродуцирующего узла с приводом вращения мишени. На фиг.2 и фиг.3 приведены фрагменты устройства в зоне входного окна с различными средствами разделения полости корпуса от входного окна. На фиг.4 показан вариант нейтронопродуцирующего узла с мишенью в форме сферы, находящейся в охлаждающей жидкости полости корпуса во взвешенном состоянии.Figure 1 shows a General view of the inventive neutron-producing site with a drive rotation of the target. Figure 2 and figure 3 shows fragments of the device in the area of the input window with various means of separating the cavity of the housing from the input window. Figure 4 shows a variant of a neutron-producing assembly with a target in the form of a sphere located in the cooling fluid of the housing cavity in suspension.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Нейтронопродуцирующий узел содержит мишень, выполненную в виде тонкостенной оболочки 1, имеющей форму сферы или цилиндра и размещенной в полости корпуса 2. Обеспечение активного слоя на поверхности мишени может быть решено различными путями. В частности, вся тонкостенная оболочка - мишень может быть выполнена из активного однородного материала, например, из бериллия или сплава лития. В другом варианте тонкостенная оболочка содержит подложку из пассивного материала с хорошими теплопроводньми свойствами, например, меди, на которую нанесен активный материал, например, литий или его соединения. Поверх активного материала может быть нанесен защитный слой, например, алюминий, имеющий небольшую толщину, не более 1 мкм. В варианте, приведенном на фиг.1, мишень размещена на оси 3 и приводится во вращательное движение приводом 4. Полость корпуса заполнена охлаждающей средой 5, прогоняемой с помощью насосов (не показаны) через теплообменник 6. Если в качестве охлаждающей среды применяется литий, то он может сам по себе формировать активный слой на поверхности оболочки, при этом последняя может быть выполнена из пассивного теплопроводного материала типа меди. Пучок заряженных частиц в виде протонов "Р" от ускорителя поступает в полость корпуса через входное окно 7. Для обеспечения разделения полости корпуса 2 от входного окна 7 в корпусе выполнен кольцеобразный выступ 8 по направлению к мишени 1 с обеспечением минимального зазора, необходимого для свободного вращения мишени. Для примера, в разработанном макете с тонкостенной (толщина стенки ~0,5 мм) сферой из бериллия или меди диаметром 150 мм, с входным окном диаметром 50 мм и кольцеобразным выступом шириной 10 мм выполняется зазор ~1 мкм. При этом обеспечивается удовлетворительное охлаждение нагретой области мишени, а натекание охлаждающей среды (инертного газа) через входное окно 7 в объем ускорителя не превышает 1 л/с и эффективно устраняется работающей системой откачки. Поток нейтронов n, образовавшихся в результате реакции на активном материале мишени, выходит из полости корпуса 2 через выходное коллимирующее окно 9.The neutron-producing unit contains a target made in the form of a thin-walled shell 1 having the shape of a sphere or cylinder and placed in the cavity of the housing 2. Providing an active layer on the target surface can be solved in various ways. In particular, the entire thin-walled target shell can be made of an active homogeneous material, for example, beryllium or a lithium alloy. In another embodiment, the thin-walled shell comprises a substrate of a passive material with good heat-conducting properties, for example, copper, on which the active material is deposited, for example, lithium or its compounds. A protective layer may be applied over the active material, for example, aluminum having a small thickness of not more than 1 μm. In the embodiment shown in FIG. 1, the target is placed on the
На фиг.2 показан вариант выполнения корпуса с магнитожидкостным уплотнением 10. Такое уплотнение герметично разделяет охлаждающий объем от области воздействия пучка заряженных частиц на мишень 1. Очевидно, что при этом мишень должна иметь твердый активный слой из активного материала.Figure 2 shows an embodiment of a housing with a magneto-
На фиг.3 показан вариант с использованием специальной тонкостенной чашеобразной прокладки 11 из фольги легких металлов или сплавов. Благодаря малой толщине материала, в такой прокладке не должно теряться более 10% энергии потока протонов. При этом обеспечивается достаточно высокая степень герметизации разделения объемов охлаждения и входного окна.Figure 3 shows a variant using a special thin-walled cup-shaped
На фиг.4 показан вариант, в котором мишень 12, выполненная в форме сферы, находится в охлаждающей жидкости в полости корпуса 2 во взвешенном состоянии. Произвольное (в общем случае) вращение сферы 12 вокруг ее собственного центра симметрии происходит под действием внецентренной струи охлаждающего потока, истекающего из канала 13 и создающего момент М=N×d, где N - гидродинамическое усилие, а d - его плечо.Figure 4 shows a variant in which the
Нейтронопродуцирующий мишенный узел работает следующим образом.Neutron-producing target site operates as follows.
Пучок протонов "Р" с выхода ускорителя через входное окно 7 поступает в полость корпуса 2 и воздействует на участок поверхности мишени 1, находящийся в данный момент времени напротив входного окна. Для использования в БНЗТ параметры пучка протонов составляют: энергия 1,91 МэВ, ток 10 мА, что соответствует мощности ~20 кВт. В варианте с приводом (фиг.1) мишень 1 приводится в движение относительно оси, проходящей через центр симметрии мишени, которая может быть выполнена как в виде цилиндра, так и в виде сферы. При вращательном перемещении мишени 1 относительно окна перемещается часть боковой поверхности, ограниченная размерами окна 7. В полости корпуса с мишенью постоянно циркулирует та или иная охлаждающая среда 5, проходящая через теплообменник 6. В одном из вариантов, когда в качестве охлаждающей среды 5 используется жидкий литий, он же выполняет роль активного материала на поверхности мишени, на которой он сохраняется за счет сил смачиваемости. В любом случае, независимо от того, является ли активный материал составной частью мишени и находится в твердом состоянии, или он является жидким и обтекающим внешнюю поверхность тонкостенной оболочки - мишени, при взаимодействии его с пучком протонов возникает ядерная реакция, приводящая к образованию нейтронов. Нейтроны в каждый момент времени образуются на небольшом участке мишени, обращенном к окну. Проходя через внутренний объем тонкостенной оболочки и противоположную тонкую стенку, нейтроны выходят наружу через выходное коллимирующее окно 9. Естественно, что участок поверхности, на котором только что возникла реакция, испытывает нагрев. Однако в следующий момент времени этот участок, погружаясь в охлаждающую среду 5, отдает ей аккумулированное тепло и охлаждается в процессе полного поворота мишени практически до температуры охлаждающей среды. При этом поверхность активного материала, на которой осуществляется продуцирование нейтронов, превышает аналогичную площадь в устройстве прототипе с мишенью в форме диска при сохранении тех же габаритов узла.The proton beam "P" from the output of the accelerator through the input window 7 enters the cavity of the housing 2 and acts on the surface area of the target 1, which is currently opposite the input window. For use in BNCTs, the proton beam parameters are: energy 1.91 MeV, current 10 mA, which corresponds to a power of ~ 20 kW. In the embodiment with a drive (Fig. 1), target 1 is set in motion relative to an axis passing through the center of symmetry of the target, which can be made either in the form of a cylinder or in the form of a sphere. During the rotational movement of the target 1 relative to the window, a part of the side surface limited by the size of the window 7 moves. In the cavity of the casing with the target, this or that cooling medium 5 constantly passes through the
В варианте с твердой мишенью особое внимание обращается на выбор толщины активного материала, в качестве которого может быть использовано одно из соединений Li, например гидрид LiH, оксид Li2O. фторид LiF или сплав Li с металлами с тем, чтобы пробег заряженных частиц был несколько меньшим толщины такого слоя.In the solid target variant, particular attention is paid to the choice of the thickness of the active material, which can be used as one of the Li compounds, for example, LiH hydride, Li 2 O oxide. LiF fluoride or an alloy of Li with metals so that the range of charged particles is somewhat smaller thickness of such a layer.
Поскольку практически вся энергия пучка заряженных частиц (протонов) трансформируется в тепловую энергию, нагревая слой пробега у поверхности мишени, вопросу температурных режимов должно уделяться особое внимание. В связи с этим, необходимо показать следующее.Since almost all the energy of a beam of charged particles (protons) is transformed into thermal energy, heating the mean free path at the target surface, special attention should be paid to the temperature regimes. In this regard, it is necessary to show the following.
Пробег протонов с энергией 1,91 МэВ в литийсодержащих нейтронопродуцирующих материалах приведен в таблице:The range of protons with an energy of 1.91 MeV in lithium-containing neutron-producing materials is shown in the table:
Нейтроны образуются только в слое ΔR, на разности энергий 1,91-1,88 МэВ.Neutrons are formed only in the ΔR layer, at an energy difference of 1.91-1.88 MeV.
Приближенньми вычислениями нетрудно показать, что при скорости вращения 200-300 об/мин пятно диаметром d=50 мм на сфере d=150 мм нагреется под пучком на дополнительную температуру 150-200°С.By approximate calculations it is easy to show that at a rotation speed of 200-300 rpm a spot with a diameter of d = 50 mm on a sphere d = 150 mm will be heated under the beam to an additional temperature of 150-200 ° C.
Далее, контактируя непосредственно поверхностью с охлаждающей средой на пути, который на порядок больше размеров пятна (или за отрезок времени, больший на порядок), эта поверхностная энергия передается окружающей среде.Further, by directly contacting the surface with the cooling medium on a path that is an order of magnitude larger than the size of the spot (or over a period of time greater by an order of magnitude), this surface energy is transferred to the environment.
Тем не менее, учитывая высокую поверхностную плотность энергии на мишени (>2 кВт/см2), более ограничено применение газового охлаждения, которое потребует, к примеру, компрессии тяжелого инертного газа (например, ксенона) и его использования в замкнутом цикле с охлаждением до отрицательных температур.Nevertheless, given the high surface energy density on the target (> 2 kW / cm 2 ), the use of gas cooling is more limited, which will require, for example, compression of a heavy inert gas (for example, xenon) and its use in a closed cycle with cooling to negative temperatures.
Проще реализуется вариант с жидкостным охлаждением, которое наиболее функционально выглядит при охлаждении жидким литием. Для этого потребуется всю мишень в рабочем состоянии прогревать до температуры выше температуры плавления лития (185...200°С) и при этом использовать во втором контуре охладителя высокотемпературную жидкость, к примеру, глицерин в рабочем диапазоне температур 200-220°С.It is easier to implement the option with liquid cooling, which looks most functionally when cooled by liquid lithium. For this, it is necessary to warm the entire target in working condition to a temperature above the melting temperature of lithium (185 ... 200 ° C) and use a high-temperature liquid in the second circuit of the cooler, for example, glycerin in the operating temperature range of 200-220 ° C.
Тем не менее, жидкий литий, смачивая сферическую или цилиндрическую поверхность и попадая под пучок протонов, будет продуцировать нужные эпитепловые нейтроны и далее перемешиваться с многократно большим объемом лития в полости охлаждения, лишь незначительно увеличивая его температуру.Nevertheless, liquid lithium, wetting a spherical or cylindrical surface and falling under a proton beam, will produce the necessary epithermal neutrons and then mix with a much larger volume of lithium in the cooling cavity, only slightly increasing its temperature.
При использовании в качестве охладителя других жидкостей желательно использовать герметизацию объема входного окна от пространства охлаждения с использованием, к примеру, магнитожидкостного уплотнения, опоясывающего входное окно. Такие уплотнения уже используются в работающих мишенных узлах.When using other liquids as a cooler, it is desirable to use the sealing of the volume of the inlet window from the cooling space using, for example, a magneto-liquid seal encircling the inlet window. Such seals are already used in working target nodes.
Другим вариантом является разделительная чашка из тонкой алюминиевой фольги, которая герметично соединяется со стенками входного окна и опирается на сферическую или цилиндрическую поверхность мишени. При этом потребуется задавать большую энергию протонов, т.к., к примеру, в фольге толщиной 10 мкм будет теряться ~0,4 МэВ. Охлаждение фольги можно производить той же системой и той же жидкостью, которая охлаждает мишень.Another option is a separation cup made of thin aluminum foil, which is hermetically connected to the walls of the entrance window and rests on a spherical or cylindrical surface of the target. In this case, it will be necessary to set a large energy of protons, because, for example, ~ 0.4 MeV will be lost in a
В другом варианте исполнения со сферой 12, находящейся во взвешенном состоянии, пучок протонов Р взаимодействует в разные моменты времени практически со всей поверхностью сферы, т.к. ее вращение происходит относительно двух осей с произвольными угловыми скоростями ω1 и ω2. При этом само вращение создается потоком охлаждающей среды, например, за счет выполнения подводящего канала 13 с определенным плечом d относительно центра мишени. И в этом варианте исполнения активные участки мишени после воздействия протонного пучка сразу же погружаются в охлаждающую среду и теряют в той или иной мере аккумулированное в результате воздействия потока заряженных частиц тепло. В качестве примера может служить сферическая оболочка с диаметром 150 мм, с толщиной стенок 2,5 мм, размещенная в силиконовой жидкости. При этом вес сферы ~1,6 кг будет уравновешиваться выталкивающей силой жидкости ~1,6 кг. У этой сферы вся поверхность будет рабочей, т.е. мишенная дорожка при оговоренных размерах увеличится по площади в несколько раз, что снизит удельные тепловые нагрузки или позволит работать при повышенных режимах.In another embodiment, with the
Дополнительным качеством последнего варианта будет функциональное упрощение и, как следствие, повышение надежности устройства.An additional quality of the latter option will be functional simplification and, as a result, increased reliability of the device.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Такое выполнение позволит создать компактный и простой, в том числе и в эксплуатации, нейтронопродуцирующий мишенный узел для ускорителей потоков заряженных частиц. Это позволит получать требуемые потоки эпитепловых нейтронов для использования в нейтронной (преимущественно нейтронозахватной) терапии.This embodiment will allow you to create a compact and simple, including in operation, neutron-producing target site for accelerators of charged particle flows. This will allow obtaining the required epithermal neutron fluxes for use in neutron (mainly neutron capture) therapy.
С использованием изобретения возможно создание простых и компактных ускорительных установок для проведения нейтронной терапии непосредственно в онкологических клиниках и центрах.Using the invention, it is possible to create simple and compact accelerator facilities for neutron therapy directly in cancer clinics and centers.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003129766/06A RU2282908C2 (en) | 2003-10-06 | 2003-10-06 | Neutron-producing target assembly |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003129766/06A RU2282908C2 (en) | 2003-10-06 | 2003-10-06 | Neutron-producing target assembly |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003129766A RU2003129766A (en) | 2005-03-27 |
RU2282908C2 true RU2282908C2 (en) | 2006-08-27 |
Family
ID=35560283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003129766/06A RU2282908C2 (en) | 2003-10-06 | 2003-10-06 | Neutron-producing target assembly |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2282908C2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008147239A1 (en) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Budker Institute Of Nuclear Physics Sibirskogo Otdeleniya Rossiiskoi Akademii Nauk | Lithium container |
RU2526244C1 (en) * | 2013-08-28 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Медицинский радиологический научный центр" Министерства здравоохранения РФ (ФГБУ МРНЦ Минздрава России) | Apparatus for remote neutron therapy |
RU2597879C2 (en) * | 2011-06-27 | 2016-09-20 | Кэнсэр Интеллидженс Кэа Системс, Инк. | Device for automatic recovery of lithium target and method for automatic recovery of lithium target |
RU185476U1 (en) * | 2018-04-24 | 2018-12-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | NEUTRON PRODUCING TARGET KNOT |
RU194635U1 (en) * | 2019-08-29 | 2019-12-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ) | DEVICE FOR COOLING A TON OF A PROTON ACCELERATOR TARGET |
RU2777655C1 (en) * | 2021-03-16 | 2022-08-08 | Степан Сергеевич Салодкин | Method for cooling of front side of solid-state target during irradiation with charged particle beam |
US11678430B2 (en) | 2019-08-30 | 2023-06-13 | Tae Technologies, Inc. | Neutron generating target for neutron beam systems |
-
2003
- 2003-10-06 RU RU2003129766/06A patent/RU2282908C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008147239A1 (en) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Budker Institute Of Nuclear Physics Sibirskogo Otdeleniya Rossiiskoi Akademii Nauk | Lithium container |
RU2597879C2 (en) * | 2011-06-27 | 2016-09-20 | Кэнсэр Интеллидженс Кэа Системс, Инк. | Device for automatic recovery of lithium target and method for automatic recovery of lithium target |
RU2526244C1 (en) * | 2013-08-28 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Медицинский радиологический научный центр" Министерства здравоохранения РФ (ФГБУ МРНЦ Минздрава России) | Apparatus for remote neutron therapy |
RU185476U1 (en) * | 2018-04-24 | 2018-12-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | NEUTRON PRODUCING TARGET KNOT |
RU194635U1 (en) * | 2019-08-29 | 2019-12-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ) | DEVICE FOR COOLING A TON OF A PROTON ACCELERATOR TARGET |
US11678430B2 (en) | 2019-08-30 | 2023-06-13 | Tae Technologies, Inc. | Neutron generating target for neutron beam systems |
RU2777655C1 (en) * | 2021-03-16 | 2022-08-08 | Степан Сергеевич Салодкин | Method for cooling of front side of solid-state target during irradiation with charged particle beam |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003129766A (en) | 2005-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5392319A (en) | Accelerator-based neutron irradiation | |
TWI717348B (en) | Apparatuses and methods for producing neutron for boron neutron capture therapy | |
JP4596392B2 (en) | Neutron generator and neutron irradiation system | |
TWI536874B (en) | A target for a neutron generator and the method of manufacturing the same | |
JP5054335B2 (en) | Medical device for boron neutron capture therapy | |
JP2022091813A (en) | Neutron capture care system and target for particle beam generator | |
JP4827054B2 (en) | Neutron generator and neutron irradiation system | |
JP2006047115A (en) | Neutron generating apparatus, target and neutron irradiation system | |
Fortov et al. | Intense ion beams for generating extreme states of matter | |
TW201627008A (en) | Generating neutrons using a rotating neutron source material | |
JP6956854B2 (en) | Neutron capture therapy system | |
RU2282908C2 (en) | Neutron-producing target assembly | |
US20240066326A1 (en) | Neutron capture therapy system | |
JP2018535717A (en) | Beam shaper used in neutron capture therapy | |
RU2282909C2 (en) | Neutron production method | |
CN108093552A (en) | A kind of fluid channel target system for accelerator neutron generator | |
KR20170041215A (en) | High efficiency neutron capture products production | |
CN108827994A (en) | A kind of vehicle-mounted accelerator neutron generator solid-state lithium target system | |
AU2021229255A1 (en) | Method and system for surface modification of substrate for ion beam target | |
CA3070676A1 (en) | Nuclear fusion reactor, thermal device, external combustion engine, power generating apparatus, and moving object | |
CN109925610B (en) | Neutron capture therapy system | |
RU2540124C2 (en) | System for generating neutron beam | |
EP4254432A2 (en) | Neutron activator, neutron activation system comprising such neutron activator and method for neutron activation implementing such neutron activator | |
JP6968163B2 (en) | Target assembly and isotope manufacturing system | |
RU2326513C2 (en) | Neutron-producing target assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201007 |