RU2326513C2 - Neutron-producing target assembly - Google Patents
Neutron-producing target assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2326513C2 RU2326513C2 RU2006101875/06A RU2006101875A RU2326513C2 RU 2326513 C2 RU2326513 C2 RU 2326513C2 RU 2006101875/06 A RU2006101875/06 A RU 2006101875/06A RU 2006101875 A RU2006101875 A RU 2006101875A RU 2326513 C2 RU2326513 C2 RU 2326513C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- tape
- producing target
- target site
- target
- Prior art date
Links
Images
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 нейтронов, выполненных на основе ускорителей заряженных частиц. Такие источники преимущественно предназначены для использования в медицинской технике, используемой для нейтронной терапии, в основном в нейтронозахватной терапии (НЗТ).The invention relates to nuclear physics and medicine and can be used in neutron sources based on charged particle accelerators. Such sources are mainly intended for use in medical equipment used for neutron therapy, mainly in neutron capture therapy (NRT).
Предшествующий уровень техникиState of the art
Концепция НЗТ в онкологии была предложена в 1936 году, спустя 4 года после открытия нейтрона. Ее физический принцип прост и элегантен. Раствор, содержащий стабильный изотоп бор-10, вводится пациенту, 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 α частица и ион 7Li тормозятся в пределах клетки опухоли и выделяют энергию ~2.3 МэВ именно в той клетке, 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 борнейтронзахватная терапия (БЗНТ) позволит осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.The concept of NRT in oncology was proposed in 1936, 4 years after the discovery of the neutron. Her physical principle is simple and elegant. A solution containing the stable boron-10 isotope is administered to the patient, and after some time, the 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 particle and 7 Li ion are inhibited within the tumor cell and release energy of ~ 2.3 MeV in that cell that contained the boron nucleus, which leads to its 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 (BNCT) will allow for selective damage to malignant tumor cells.
В 1951 году было впервые продемонстрировано, что определенные соединения с бором позволяют получить более высокую концентрацию бора в клетках раковой опухоли по сравнению со здоровой клеткой. В течение 1950-х годов и в начале 1960-х гг. в Брукхевене и Массачусетсе на специально построенных медицинских реакторах были проведены первые клинические испытания. Эти испытания, к сожалению, не продемонстрировали несомненной терапевтической эффективности данного метода и были прекращены. Причина, как выяснилось впоследствии, заключалась в недостаточной концентрации бора. Дело в том, что нейтроны также упруго рассеиваются и поглощаются ядрами азота и водорода. Поглощение и упругое рассеяние нейтронов приводит к ядерным реакциям 14N(n, p)14C, 1H(n, γ)2H и появлению ядер отдачи и γ-квантов. Хотя сечения взаимодействия нейтронов с водородом и азотом во много раз меньше сечения поглощения нейтронов изотопом 10В, зато водород и азот присутствуют в тканях в такой большой концентрации, что дополнительное неизбирательное «фоновое» облучение протонами отдачи и γ-квантами вносит основной вклад в поглощенную дозу.In 1951, it was first demonstrated that certain compounds with boron produce a higher concentration of boron in cancer cells compared to a healthy cell. During the 1950s and early 1960s. the first clinical trials were conducted in Brookhaven and Massachusetts on purpose-built medical reactors. Unfortunately, these tests did not demonstrate the undoubted therapeutic effectiveness of this method and were discontinued. The reason, as it turned out later, was an insufficient concentration of boron. The fact is that neutrons are also elastically scattered and absorbed by the nuclei of nitrogen and hydrogen. The absorption and elastic scattering of neutrons leads to nuclear reactions of 14 N (n, p) 14 C, 1 H (n, γ) 2 H and the appearance of recoil nuclei and γ-quanta. Although the cross sections for the interaction of neutrons with hydrogen and nitrogen are many times smaller than the cross sections for neutron absorption by the 10 V isotope, hydrogen and nitrogen are present in tissues in such a high concentration that additional indiscriminate “background” irradiation by recoil protons and γ-rays makes the main contribution to the absorbed dose .
Несмотря на неудачу, японский нейрохирург Хатанака, который участвовал в клинических испытаниях в США, вернувшись в Японию в 1968 году, продолжил развитие этой методики. Он трепанировал череп пациента, на открытом мозгу проводил хирургическую операцию, а затем облучал опухоль пучком медленных нейтронов. Такой методикой несколько групп в Японии на различных реакторах, с обнадеживающими результатами, пролечили более 200 пациентов.Despite the failure, the Japanese neurosurgeon Hatanaka, who participated in clinical trials in the United States, returned to Japan in 1968, continued to develop this technique. He trepanded the patient’s skull, performed a surgical operation on his open brain, and then irradiated the tumor with a beam of slow neutrons. With this technique, several groups in Japan at various reactors, with encouraging results, treated more than 200 patients.
Параллельно большой прогресс был достигнут в синтезировании содержащих изотоп 10В фармпрепаратов. Получены препараты, которые создают концентрацию изотопа 10В в опухолевой ткани до 40 мкг/г, в 3,5 раза больше, чем в здоровой ткани. Такая концентрация позволяет сделать вклад фонового излучения приемлемо малым и обеспечить избирательное поражение раковой опухоли.In parallel, great progress has been made in the synthesis of pharmaceutical preparations containing 10 V isotope. Preparations are obtained that create a concentration of 10 V isotope in tumor tissue up to 40 μg / g, 3.5 times more than in healthy tissue. Such a concentration makes it possible to make the contribution of background radiation acceptably small and to provide selective damage to the cancerous tumor.
Достижения Хатанаки и прогресс в синтезировании фармпрепаратов привели к тому, что в 1994 году в США возобновилось лечение пациентов с глиобластомой мозга на реакторах в Брукхевене и Массачусетсе. В 1997 году клинические испытания начались в Голландии, в 1999 году - в Финляндии. Сейчас к этим работам подключились в Англии, Австралии, Аргентине, Италии, Германии, Швеции, Чехии, России и др. странах. Обнадеживающие результаты получены также при терапии меланомы. В стадии изучения находится борнейтронзахватная терапия (БНЗТ) полости рта, рака щитовидной железы и неонкологическое применение - лечение ревматического артрита.Hatanaki's advances and progress in the synthesis of pharmaceuticals led to the resumption of treatment of patients with cerebral glioblastoma in the United States in 1994 at the Brookhaven and Massachusetts reactors. In 1997, clinical trials began in the Netherlands, in 1999 in Finland. Now they are connected to these works in England, Australia, Argentina, Italy, Germany, Sweden, the Czech Republic, Russia and other countries. Encouraging results have also been obtained with melanoma therapy. Under study is borne neutron capture therapy (BNCT) of the oral cavity, thyroid cancer and non-cancer use - the treatment of rheumatoid arthritis.
Предложены различные варианты систем БНЗТ на базе ускорителя с пучком частиц, взаимодействующим с мишенью для генерации нейтронов. Многообещающим достижением является концепция протонный пучок - литиевая мишень, согласно которой пучок низкоэнергетических протонов (с энергией около 2 МэВ) падает на литиевую мишень, генерируя нейтроны путем (p, n) реакции. Привлекательными чертами концепции являются:Various versions of BNCT systems based on an accelerator with a particle beam interacting with a neutron generation target have been proposed. A promising achievement is the concept of a proton beam - a lithium target, according to which a beam of low-energy protons (with an energy of about 2 MeV) falls on a lithium target, generating neutrons by (p, n) reaction. Attractive features of the concept are:
- изготовленная мишень не содержит радиоактивных материалов;- the fabricated target does not contain radioactive materials;
- относительно высокий выход нейтронов - около 10-4 (для сравнения на медицинских реакторах на два порядка меньше);- relatively high neutron yield - about 10 -4 (for comparison, in medical reactors, two orders of magnitude less);
- возможность прямого получения эпитепловых нейтронов (с максимальной энергией генерируемых нейтронов не более 30 кэВ);- the ability to directly obtain epithermal neutrons (with a maximum energy of generated neutrons not more than 30 keV);
- достаточно простой и дешевый низкоэнергетический протонный ускоритель;- a fairly simple and cheap low-energy proton accelerator;
- возможность работы в «открытой» геометрии, когда пучок нейтронов направлен по вектору протонного пучка в угле 20°÷30°, а расстояние от мишени до пациента минимально (10÷20 см);- the ability to work in the "open" geometry, when the neutron beam is directed along the proton beam vector at an angle of 20 ° ÷ 30 °, and the distance from the target to the patient is minimal (10 ÷ 20 cm);
- возможность работы без экранирования с минимальной остаточной радиоактивностью.- the ability to work without shielding with minimal residual radioactivity.
В России проработана концепция протонный пучок - литиевая мишень, в которой используется тандемный ускоритель протонов, воздействующий на литиевую мишень с энергией, превышающей порог продуцирования 1,88 МэВ при реакции 7Li(p, n)7Be. Предварительные исследования показали, что концепция является приемлемой, при этом для обеспечения необходимого выхода нейтронов требуемый ток протонного пучка должен составлять 10 мА и более.In Russia, the proton beam – lithium target concept has been developed, which uses a tandem proton accelerator acting on a lithium target with an energy exceeding the production threshold of 1.88 MeV in the reaction 7 Li (p, n) 7 Be. Preliminary studies have shown that the concept is acceptable, while the required proton beam current must be 10 mA or more to ensure the necessary neutron yield.
Генератор нейтронов на базе ускорителя с литиевой мишенью имеет также и нерешенные критические проблемы, заключающиеся в требовании больших протонных токов, наличие в спектре высокоэнергетических нейтронов, большой мощности охлаждения мишени из лития, имеющего низкую температуру плавления и непривлекательные эксплуатационные свойства. Как альтернатива, в качестве мишенного материала рассмотрен бериллий, который имеет более высокую температуру плавления по сравнению с литием, легче охлаждается и используется в клиническом оборудовании при терапии быстрыми нейтронами. Порог продуцирования нейтронов для протонов, воздействующих на бериллиевую мишень, составляет 2,2 МэВ, а выход становится сравнимым с выходом, обеспечиваемым литиевой мишенью при энергиях протонов около 4 МэВ. Широкий спектр нейтронов требует при этом непременного наличия в системе модератора.A neutron generator based on an accelerator with a lithium target also has unresolved critical problems consisting in the requirement of high proton currents, the presence in the spectrum of high-energy neutrons, high cooling power of a lithium target with a low melting point and unattractive performance properties. As an alternative, beryllium, which has a higher melting point than lithium, is more easily cooled and used in clinical equipment for fast neutron therapy as a target material. The neutron production threshold for protons acting on a beryllium target is 2.2 MeV, and the yield becomes comparable to that provided by a lithium target at proton energies of about 4 MeV. A wide range of neutrons requires the presence of a moderator in the system.
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 заряженных частиц, направленных на рабочее тело мишени, и 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 мишени требуют систем охлаждения с большими удельными тепловыми потоками (>1 кВт/см2), что затрудняет возможность создания простого и компактного нейтронопродуцирующего узла. 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, assignee: Commissariat a l'Energie Atomique (Paris, Fr), Centre Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) и №5920601, опубл. 06.07.1999 г., Nigg David W. et all, assignee: Lockheed Martin Idaho Technologies Company (Idaho Falls, ID).In static targets, the flow of charged particles directed at the target’s working medium and 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 targets require cooling systems with large specific heat fluxes (> 1 kW / cm 2 ), which makes it difficult to create a simple and compact neutron-producing unit. 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, assignee: Commissariat a l'Energie Atomique (Paris, Fr), Center Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) and No. 5920601, publ. 07/06/1999, Nigg David W. et all, assignee: 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 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 implement the movement of the working fluid or particle flow.
Так, например, известен нейтронопродуцирующий мишенный узел с динамической мишенью, выполненной в виде мишенной дорожки, расположенной по торцу диска, установленного с возможностью перемещения относительно потока заряженных частиц, направленных на мишень с устройством его перемещения. Мишень снабжена системой принудительного охлаждения (см. патент США №4582667, опубл. 15.04.1986 г., Gunter Bauer, assignee: Kernforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. of Germany).So, for example, a neutron-producing target site with a dynamic target is known, made in the form of a target track located at the end of the disk, mounted with the possibility of movement relative to the flow of charged particles directed at the target with its moving device. The target is equipped with a forced cooling system (see US patent No. 4582667, publ. 04/15/1986, Gunter Bauer, assignee: Kernforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. Of Germany).
Такая схема не позволяет получить компактное и простое устройство. Увеличение длины мишенной дорожки ведет к увеличению габаритов диска, а уменьшение ее длины - к увеличению мощности системы охлаждения и, следовательно, к ее усложнению.Such a scheme does not allow to obtain a compact and simple device. An increase in the length of the target track leads to an increase in the dimensions of the disk, and a decrease in its length leads to an increase in the power of the cooling system and, therefore, to its complication.
В качестве прототипа выбран нейтронопродуцирующий мишенный узел, содержащий рабочее тело (мишень) в виде жидкости (литий, нагретый до перехода в жидкую фазу), и устройство перемещения жидкости относительно потока заряженных частиц, направленных на мишень. Мишенный узел снабжен двумя емкостями для подачи и приема рабочего тела (жидкого лития). Жидкий литий, под действием гравитационных сил, по специальной стенке, тонким слоем перетекает из одной емкости в другую (см. патент США №3993910, опубл. 29 ноября 1976 г., Don М.Parkin et all, assignor to the United States of America as represented by the United States Energy Research & Development Administration.).As a prototype, a neutron-producing target site was selected containing a working fluid (target) in the form of a liquid (lithium, heated before the transition to the liquid phase), and a device for moving the liquid relative to the flow of charged particles directed at the target. The target assembly is equipped with two containers for supplying and receiving a working fluid (liquid lithium). Liquid lithium, under the action of gravitational forces, flows over a special wall with a thin layer from one container to another (see US Patent No. 3,999,910, published November 29, 1976, Don M. Parkin et all, assignor to the United States of America as represented by the United States Energy Research & Development Administration.).
Это устройство дает возможность при компактном исполнении получать весьма большую длину мишенной дорожки. Однако при функциональной и схемной простоте оно представляется весьма сложным с точки зрения как технологии изготовления, так и эксплуатации. Обусловлено это большими удельными тепловыми потоками, которые испаряют и разлагают жидкий литий. При работе пары лития с радиоактивным 7Ве загрязняют внутренний объем всей системы (протонопровод, ускоритель, насосы и др.). Следует также отметить, что эксплуатация такого устройства возможна только при определенной пространственной ориентации мишени.This device makes it possible with a compact design to obtain a very large length of the target track. However, with functional and circuit simplicity, it seems very complicated from the point of view of both manufacturing technology and operation. This is due to the large specific heat fluxes that evaporate and decompose liquid lithium. When lithium vapors are used with radioactive 7 Be, they pollute the internal volume of the entire system (proton line, accelerator, pumps, etc.). It should also be noted that the operation of such a device is possible only with a certain spatial orientation of the target.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является создание компактного и простого, в том числе и в эксплуатации, нейтронопродуцирующего мишенного узла.The objective of the invention is to create a compact and simple, including in operation, neutron-producing target site.
Для решения поставленной задачи в нейтронопродуцирующем мишенном узле, содержащем мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, и устройство перемещения мишени относительно потока заряженных частиц p направленных на мишень, согласно изобретению, мишень выполнена в виде гибкой ленты, а устройство ее перемещения относительно потока заряженных частиц p - в виде лентопротяжного механизма.To solve the problem in a neutron-producing target site containing a target of the active material on which the nuclear reaction is performed, and a device for moving the target relative to the flow of charged particles p directed at the target, according to the invention, the target is made in the form of a flexible tape, and the device for its movement relative to the stream charged particles p - in the form of a tape drive mechanism.
Действительно, твердая мишенная дорожка, изготовленная в виде гибкой ленты, позволяет совместить преимущества жидкого тела (длинная мишенная дорожка - в пределах компактного устройства) и твердого тела (существенно больший перегрев, отсутствие испарения активного материала, любая ориентация в пространстве и др.). Лентопротяжные механизмы просты конструктивно, надежны и широко используются в технике.Indeed, a solid target track made in the form of a flexible tape allows combining the advantages of a liquid body (a long target track is within a compact device) and a solid body (significantly greater overheating, the absence of evaporation of the active material, any orientation in space, etc.). Tape-pulling mechanisms are simple structurally, reliable and widely used in technology.
Наиболее простым видится вариант выполнения лентопротяжного механизма с магазинами для подачи и приема ленты в виде барабанов под ленту.The simplest way is the embodiment of the tape drive mechanism with magazines for feeding and receiving tape in the form of drums under the tape.
Возможно выполнение обоих барабанов приемоподающими с управляемыми реверсивными приводами и направление ленты специальными роликами.It is possible to perform both drums with transceivers with controlled reversible drives and tape direction with special rollers.
В другом варианте ролик и вал принимающего барабана могут иметь внутренние полости для подвода охлаждающей среды.In another embodiment, the roller and the shaft of the receiving drum may have internal cavities for supplying a cooling medium.
Эффективным является вариант выполнения узла с лентой в виде замкнутой петли (бесконечной ленты), одетой на барабаны лентопротяжного механизма и направляющие ленту ролики. В этом случае валы барабанов имеют внутренние полости подвода охлаждающей среды.Effective is the embodiment of the node with the tape in the form of a closed loop (endless tape), dressed on the drums of the tape drive mechanism and the guide rollers. In this case, the drum shafts have internal cavities for supplying a cooling medium.
Удельную мощность излучения на поверхности мишени можно в несколько раз уменьшить введением дополнительного лентопротяжного механизма для перемещения дополнительной ленты, расположив при этом механизмы так, что рабочие поверхности лент образуют с направлением потока заряженных частиц угол α=20÷40 градусов.The specific radiation power on the target surface can be reduced several times by introducing an additional tape drive to move the additional tape, while arranging the mechanisms so that the working surfaces of the tapes form an angle α = 20–40 degrees with the direction of flow of charged particles.
Вариант, предполагающий рулонирование ленты на барабанах, может работать без специальной системы принудительного охлаждения. Необходимо лишь подобрать массу рулона, которая достаточна для аккумулирования энергии вводимого пучка заряженных частиц при допустимом увеличении температуры ленты.An option involving rolls of tape on drums can work without a special forced cooling system. It is only necessary to select the mass of the roll, which is sufficient to accumulate the energy of the introduced beam of charged particles with an acceptable increase in the temperature of the tape.
Для удобства пользования узел лучше разместить в отдельном герметичном корпусе, имеющем входное окно - для потока заряженных частиц p и выходное окно - для нейтронного излучения, а также фланец - для присоединения к протонопроводу ускорителя.For ease of use, it is better to place the assembly in a separate sealed enclosure that has an inlet window for the flow of charged particles p and an outlet window for neutron radiation, as well as a flange for connecting to the accelerator proton conductor.
Выходное окно можно снабдить модератором для формирования спектра, замедления и фильтрации выходного нейтронного излучения.The output window can be equipped with a moderator to form the spectrum, slow down and filter the output neutron radiation.
Для экранирования остаточного γ-излучения приемный барабан или оба барабана целесообразно поместить в защите, поглощающей это излучение.To shield the residual γ-radiation, the receiving drum or both drums should be placed in a shield absorbing this radiation.
Лента в наиболее простом варианте выполнена из активного материала, например бериллия (для реакции 9Ве(p, n) или 9Be(d, n)).The tape in the simplest embodiment is made of an active material, for example, beryllium (for the reaction 9 Be (p, n) or 9 Be (d, n)).
При использовании реакции 7Li(p, n)7Ве ленту целесообразно выполнить в виде слоя активного материала нанесенного на подложку.When using the reaction 7 Li (p, n) 7 Ve, it is advisable to make the tape in the form of a layer of active material deposited on a substrate.
В качестве активного материала кроме Li могут быть использованы его соединения: гидрид LiH, оксид Li2O, фторид LiF или сплавы лития с другими металлами. В качестве материала подложки целесообразно использовать алюминий, бериллий или медь, которые обладают достаточно высокими значениями теплоемкости и теплопроводности. Рабочую поверхность ленты можно снабдить защитной пленкой, например из алюминия.In addition to Li, its compounds can be used as an active material: LiH hydride, Li 2 O oxide, LiF fluoride, or lithium alloys with other metals. As the substrate material, it is advisable to use aluminum, beryllium or copper, which have sufficiently high values of heat capacity and thermal conductivity. The working surface of the tape can be provided with a protective film, such as aluminum.
Удельную тепловую энергию можно уменьшить в несколько раз, выполнив наружную поверхность ленты рифленой.Specific thermal energy can be reduced several times by performing the outer surface of the corrugated tape.
В связи с различием коэффициентов теплового расширения материалов активного слоя и подложки целесообразно активный материал нанести на подложку с разбиением на отдельные фрагменты, кратные с шириной ленты.Due to the difference in the thermal expansion coefficients of the materials of the active layer and the substrate, it is advisable to apply the active material to the substrate, divided into separate fragments, multiple with the width of the tape.
Краткое описание фигур чертежаBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами, приведенными на фиг.1-10, и нижеприведенными примерами его конкретного выполнения, где:The invention is illustrated by the drawings shown in figures 1-10, and the following examples of its specific implementation, where:
на фиг.1 показана общая схема мишенного узла;figure 1 shows the General diagram of the target node;
на фиг.2 - вид сверху на фиг.1;figure 2 is a top view of figure 1;
на фиг.3 - выноска I с фиг.1;figure 3 - callout I from figure 1;
на фиг.4 показана схема варианта с системой охлаждения;figure 4 shows a diagram of a variant with a cooling system;
на фиг.5 приведена схема варианта с «бесконечной» лентой;figure 5 shows a diagram of a variant with an "endless" tape;
на фиг.6 приведен вариант с размещением рулона ленты в принимающем барабане с дополнительной защитой от остаточного γ-излучения;figure 6 shows the option of placing the roll of tape in the receiving drum with additional protection against residual γ-radiation;
на фиг.7 приведена схема варианта выполнения мишени с симметричным расположением двух лент под углом к потоку заряженных частиц, направленных на мишень, и дополнительным лентопротяжным механизмом;Fig. 7 is a diagram of an embodiment of a target with a symmetrical arrangement of two tapes at an angle to the flow of charged particles directed at the target and an additional tape drive mechanism;
на фиг.8 показан вариант выполнения многослойной ленты (вид сбоку);on Fig shows an embodiment of a multilayer tape (side view);
на фиг.9 показан вариант выполнения ленты с рифлением (вид сбоку);figure 9 shows an embodiment of the tape with corrugation (side view);
на фиг.10 - вид сверху на фиг.8 с делением покрытия на фрагменты.figure 10 is a top view of figure 8 with the division of the coating into fragments.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Нейтронопродуцирующий мишенный узел содержит мишень в виде гибкой ленты 1, устройство ее перемещения относительно потока заряженных частиц p (протонов, дейтронов и др.), направленных на мишень. Устройство перемещения ленты выполнено в виде лентопротяжного механизма, содержащего барабаны 2, 3 для наматывания и сматывания ленты 1 (см. фиг.1) и направляющие ленту 1 ролики 4.The neutron-producing target site contains a target in the form of a
Лентопротяжный механизм лучше всего выполнить с двумя приемо-подающими барабанами 2 и 3. Для этого они снабжены управляемыми реверсивными приводами 5, 6 (см. фиг.2) на электродвигателях.The tape drive mechanism is best performed with two
Для удобства пользования узел размещен в отдельном герметичном корпусе 7, снабженном участком 8 протонопровода с входным 9 и выходным 10 окнами и фланцем 11, который предназначен для герметичного соединения узла с протонопроводом ускорителя заряженных частиц (на чертеже не показан).For ease of use, the assembly is located in a separate sealed
В корпусе 7 со стороны выходного окна 10 установлен защитный экран 12, окружающий модератор 13 для формирования спектра, замедления и фильтрации выходного нейтронного излучения n.A
В целом мишенный узел представляет из себя удобную в эксплуатации съемную кассету.In general, the target assembly is a convenient removable cartridge in operation.
На фиг.3 показана выноска I с фиг.1, на которой лента 1 выполнена с активным слоем 14 толщиной Δ на подложке 15 толщиной h. Пройдя под пучком заряженных частиц, лента нагревается на температуру ΔТкр. Например, для алюминиевой ленты с h=0,3 мм и активным слоем из LiH толщиной 0,01 мм ΔТкр может составить 400°С.Figure 3 shows the leader I of figure 1, on which the
Возможен вариант (см. фиг.4) с выполнением полного или частичного охлаждения ленты. В этом случае принимающий ленту 1 ролик 4 и вал принимающего барабана имеют внутренние полости 16 для подвода охлаждающей среды.An option (see figure 4) with the implementation of full or partial cooling of the tape. In this case, the receiving
Вариант с выполнением ленты в виде замкнутой петли 17 (бесконечной ленты), а лентопротяжного механизма - в виде барабанов 2, 3 с направляющими ленту роликами 4, показан на фиг.5. В этом варианте валы барабанов 2 и 3 имеют внутренние полости 16 для подвода охлаждающей среды.An embodiment with the tape in the form of a closed loop 17 (endless tape), and the tape drive mechanism in the form of
Для экранирования остаточного γ-излучения активного материала принимающий барабан 3 целесообразно разместить в защите 18 (см. фиг.6). Если оба барабана выполнены приемоподающими, то в защите 18 помещаются оба барабана 2, 3. Наработанный нуклид 7Be является радиоактивным с периодом полураспада T1/2=53,5 суток. При позитронном распаде этого нуклида с квантовым выходом 10% образуются γ-кванты с энергией 0,4777 МэВ, а также γ-кванты аннигиляционного происхождения с энергией 0,511 МэВ. В этом случае целесообразно удалить материал с наведенной активностью по γ от канала медицинского излучения (для БНЗТ необходимы эпитепловые нейтроны с энергией 0÷30 кэВ) и разместить его в защите. По оценкам достаточен кожух-защита, например, из свинца с толщиной стенок около 5÷10 мм. Целесообразно также изготавливать барабаны и добавлять в сплав ленты материалы, которые хорошо поглощают γ-излучение.For shielding the residual γ-radiation of the active material, the receiving
Удельную тепловую нагрузку на поверхности мишенного узла 19 можно существенно уменьшить, расположив две ленты в зоне потока заряженных частиц p наклонно и симметрично под углом α=20÷40 градусов к оси потока. Реализовать такую схему (фиг.7) можно с помощью дополнительного второго мишенного узла 20, также состоящего из дополнительного лентопротяжного механизма, перемещающего дополнительную ленту.The specific heat load on the surface of the
Ленту 1 можно выполнить целиком из активного материала, например из бериллия или сплава лития с металлами.The
Ленту 1 (см. фиг.8) можно выполнить в виде слоя 14 активного материала, нанесенного на подложку 15.The tape 1 (see Fig. 8) can be made in the form of a
В качестве активного материала может быть использован литий или одно из его соединений, например гидрид LiH, оксид Li2О, фторид LiF или сплав Li с металлами.As the active material, lithium or one of its compounds, for example, LiH hydride, Li 2 O oxide, LiF fluoride, or an alloy of Li with metals can be used.
В качестве материала подложки могут быть использованы алюминий, бериллий или медь, обладающие высокими теплоемкостью и теплопроводностью.As the substrate material can be used aluminum, beryllium or copper, which have high heat capacity and thermal conductivity.
Рабочую поверхность ленты можно при необходимости снабдить защитной пленкой 21, например, из алюминия толщиной от нескольких ангстрем до 1 мкм. Защитный слой 21 необходим для того, чтобы повысить стойкость и технологичность активного слоя из лития или гидрида лития, требующих специальных условий работы.The working surface of the tape can, if necessary, be provided with a
Пробег протонов с энергией 2 МэВ в литии и его соединениях составляет 30÷140 мкм, а пробег в надкритической области - единицы мкм. Защитный слой не должен уменьшать эффективность работы мишенного узла более чем на несколько процентов.The range of protons with an energy of 2 MeV in lithium and its compounds is 30–140 μm, and the range in the supercritical region is units of μm. The protective layer should not reduce the efficiency of the target site by more than a few percent.
Удельную тепловую нагрузку на поверхность мишени можно снизить, выполнив наружную поверхность подложки 15 рифленой (см. фиг.9). Рифленая поверхность ленты по одной или двум координатам с гофрами, высота которых а примерно на порядок больше Δ, позволяет снизить тепловую нагрузку на поверхность ленты. Для примера: при Δ=3 мкм высота гофр а=20÷50 мкм.The specific heat load on the target surface can be reduced by performing the outer surface of the
Наконец, в связи с различием коэффициентов теплового расширения материалов активного слоя и подложки целесообразно активный материал нанести на подложку с разбиением по длине ленты 1 на фрагменты 22, кратные ширине ленты b (например, 1/2 - см. фиг.10). Деление слоя активного материала на ленте на фрагменты практически не уменьшает рабочую поверхность, повышает технологичность и устойчивость к термоциклам, при которых работает лента.Finally, due to the difference in the thermal expansion coefficients of the materials of the active layer and the substrate, it is advisable to apply the active material to the substrate with a splitting along the length of the
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
Узел с помощью фланца 12 крепится к ответной части протонопровода ускорителя. Из системы откачивается среда. Лентопротяжный механизм с помощью барабанов 2 и 3 начинает перемотку ленты 1. Лента 1 из активного материала, например бериллия, или ленты подложки, покрытой активным материалом, например гидридом лития, протягивается под входным окном 9 протонопровода 8 с регулируемой от 0,5 до 2,0 м/с, но постоянной скоростью V. При этом лента 1 сматывается с подающего барабана 2 и наматывается на принимающий барабан 3.The node using the
Поток p заряженных частиц выбивает из активного слоя ленты 1 поток нейтронов "n". Для использования в БНЗТ параметры пучка протонов, например, составляют: энергия 1,93 МэВ, ток 10 мА, что соответствует мощности ~20 кВт.The flux p of charged particles knocks out the neutron flux "n" from the active layer of the
Практически вся мощность пучка за время Δt облучения пациента превращается в тепловую энергию. К примеру, за Δt=500 с в массе, нагретой на дополнительную температуру ΔТ=400°С, будет аккумулирована тепловая энергия 10 мДж. Для этого потребуется ~10 кг бериллиевой ленты или около 20 кг алюминиевой ленты. При заданной толщине ленты 0,3 мм (около трех пробегов протонов с энергией около 2 МэВ) и ширине ленты 60 мм (диаметр протонопровода 50 мм) потребуется лента из бериллия около 300 м длиной, из алюминия около 450 м. При заданных параметрах скорость протяжки ленты под пучком протонов составит, соответственно, около 0,6 м/с для бериллия и около 0,8 м/с для алюминия.Almost the entire power of the beam during the time Δt irradiation of the patient is converted into thermal energy. For example, for Δt = 500 s in a mass heated to an additional temperature ΔТ = 400 ° С, thermal energy of 10 mJ will be accumulated. This will require ~ 10 kg of beryllium tape or about 20 kg of aluminum tape. For a given tape thickness of 0.3 mm (about three runs of protons with an energy of about 2 MeV) and a tape width of 60 mm (proton conductor diameter of 50 mm), a tape made of beryllium about 300 m long, aluminum about 450 m long. With the given parameters, the pull speed the ribbons under the proton beam will be, respectively, about 0.6 m / s for beryllium and about 0.8 m / s for aluminum.
Рассмотренная схема не требует дополнительного охлаждения, если предположить, что между сеансами облучения пациентов есть достаточное для охлаждения ленты время (более 2 часов) или система позволяет производить замену мишенного узла. В принципе, можно включить и систему охлаждения, подав охлаждающую среду во внутренние полости 16 барабана и роликов - вариант с дополнительным охлаждением (см. фиг.4).The considered scheme does not require additional cooling, if we assume that between the patient irradiation sessions there is sufficient time for cooling the tape (more than 2 hours) or the system allows the target assembly to be replaced. In principle, you can turn on the cooling system by supplying a cooling medium to the
В варианте с бесконечной лентой ее перемещает один из барабанов лентопротяжного механизма. При этом охлаждение системы с помощью подвода охлаждающей среды обязательно. Это наиболее динамичный для охлаждения вариант. Расчеты на плоской конечно-элементной модели показали, что подобная схема работоспособна для скоростей ленты в диапазоне 3-5 м/с. За несколько оборотов лента выходит на установившийся динамический температурный режим с Тмах<400°С и ΔТ=200÷300°С. Для охлаждения водой требуется расход 30÷60 л/с.In the variant with an endless ribbon, one of the drums of the tape drive moves it. At the same time, cooling the system by supplying a cooling medium is mandatory. This is the most dynamic cooling option. Calculations on a flat finite element model showed that a similar scheme is operational for belt speeds in the range of 3-5 m / s. For several revolutions, the tape reaches a steady dynamic temperature regime with T max <400 ° C and ΔT = 200 ÷ 300 ° C. For water cooling, a flow rate of 30 ÷ 60 l / s is required.
В варианте выполнения мишени с двумя лентопротяжными механизмами (см. фиг.7) перемещается также дополнительный рулон с лентой. Если угол α=30°, то суммарная площадь рабочей поверхности ленты под пучком увеличивается в четыре раза (вместо ~20 см2 - становится - 80 см2). Это снижает тепловые нагрузки, увеличивает сроки эксплуатации или дает возможность четырехкратного увеличения суммарной дозы.In an embodiment of the target with two tape drive mechanisms (see Fig. 7), an additional roll with a tape is also moved. If the angle α = 30 °, then the total area of the working surface of the tape under the beam increases four times (instead of ~ 20 cm 2 it becomes - 80 cm 2 ). This reduces heat loads, extends the operating life or makes it possible to quadruple the increase in the total dose.
При необходимости в этом варианте также включается дополнительное охлаждение ленты 1.If necessary, this option also includes additional cooling of the
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 (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006101875/06A RU2326513C2 (en) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Neutron-producing target assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006101875/06A RU2326513C2 (en) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Neutron-producing target assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006101875A RU2006101875A (en) | 2007-08-27 |
| RU2326513C2 true RU2326513C2 (en) | 2008-06-10 |
Family
ID=38596936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006101875/06A RU2326513C2 (en) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Neutron-producing target assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2326513C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2610301C1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-02-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Neutron-generating 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 |
| US12035457B2 (en) | 2020-07-23 | 2024-07-09 | Tae Technologies, Inc. | Systems, devices, and methods for deformation reduction and resistance in metallic bodies |
-
2003
- 2003-07-02 RU RU2006101875/06A patent/RU2326513C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2610301C1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-02-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Neutron-generating target |
| US12035457B2 (en) | 2020-07-23 | 2024-07-09 | Tae Technologies, Inc. | Systems, devices, and methods for deformation reduction and resistance in metallic bodies |
| 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 |
| RU2778110C1 (en) * | 2021-12-28 | 2022-08-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Neutron-producing target assembly |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006101875A (en) | 2007-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6147296B2 (en) | Beam shaping assembly for neutron capture therapy | |
| JP6722281B2 (en) | Beam shaper used for neutron capture therapy | |
| EP1895819A1 (en) | Neutron generating device for boron neutron capture therapy | |
| Taskaev | Development of an accelerator-based epithermal neutron source for boron neutron capture therapy | |
| JP5697021B2 (en) | Composite type target, neutron generation method using composite type target, and neutron generator using composite type target | |
| JP2022091813A (en) | Neutron capture care system and target for particle beam generator | |
| JPH09500286A (en) | Device and method for neutron capture therapy | |
| RU2739171C1 (en) | Neutron capture therapy system | |
| CN111714786A (en) | Neutron capture therapy system | |
| CN108355257B (en) | Beam shaping body for neutron capture therapy | |
| RU2282909C2 (en) | Neutron production method | |
| CN109925607B (en) | Neutron capture therapy system | |
| RU2326513C2 (en) | Neutron-producing target assembly | |
| CN112933422A (en) | Target material for neutron line generation device | |
| Qiao et al. | Beam shaping assembly design of Li (p, n) neutron source with a rotating target for boron neutron capture therapy | |
| CN109925610B (en) | Neutron capture therapy system | |
| EP4324516A1 (en) | Neutron capture therapy system | |
| RU2540124C2 (en) | System for generating neutron beam | |
| Tahara et al. | Engineering design of a spallation reaction-based neutron generator for boron neutron capture therapy | |
| JP2024505479A (en) | Neutron capture therapy system | |
| RU2610301C1 (en) | Neutron-generating target | |
| CN108926782B (en) | Target for neutron ray generating device and neutron capturing treatment system | |
| Powell et al. | Target and filter concepts for accelerator-driven boron neutron capture therapy applications | |
| Harmon et al. | Accelerator neutron sources for neutron capture therapy using near threshold charged particle reactions | |
| CN109925613B (en) | Neutron capture therapeutic device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190703 |