RU2761376C1 - Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology - Google Patents
Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761376C1 RU2761376C1 RU2021105845A RU2021105845A RU2761376C1 RU 2761376 C1 RU2761376 C1 RU 2761376C1 RU 2021105845 A RU2021105845 A RU 2021105845A RU 2021105845 A RU2021105845 A RU 2021105845A RU 2761376 C1 RU2761376 C1 RU 2761376C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- converters
- energy
- field
- converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K5/00—Irradiation devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Область изобретения. Изобретение относится к устройствам моделирования на высокоэнергетичных ускорителях тяжелых ионов полей смешанного вторичного излучения для облучения в них биологических образцов. Изобретение применимо при исследованиях действия тяжелых заряженных частиц различных энергий на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях биологической организации.The scope of the invention. SUBSTANCE: invention relates to devices for simulating fields of mixed secondary radiation on high-energy accelerators of heavy ions for irradiation of biological samples in them. The invention is applicable in studies of the action of heavy charged particles of various energies at the molecular, cellular, tissue and organismal levels of the biological organization.
Уровень изобретения.The level of the invention.
Интерес к тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) в радиобиологии обострился в последние годы, когда стало известно о их воздействии на центральную нервную систему животных. При этом механизм воздействия ТЗЧ с большими передачами энергии (ЛПЭ) на биологические структуры сильно отличается от действия слабоионизирующих видов излучений с малыми ЛПЭ и обусловлен, главным образом, возникновением слаборепарируемых двунитевых разрывов цепи ДНК.Interest in heavy charged particles (HCP) in radiobiology has intensified in recent years, when it became known about their effect on the central nervous system of animals. In this case, the mechanism of the effect of HGTs with large energy transfers (LETs) on biological structures is very different from the action of weakly ionizing types of radiation with small LETs and is mainly due to the occurrence of poorly reparable double-strand breaks in the DNA chain.
Радиобиологические исследования воздействия тяжелых заряженных частиц на биологические объекты проводятся на пучках частиц ускорителей. Наиболее доступны пучки протонов с энергиями несколько сотен МэВ; пучки высокоэнергетичных тяжелых ядер доступны в мире лишь на нескольких тяжелоионных ускорителях. В России эти работы выполняются в Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ЛРБ ОИЯИ) с использованием Нуклотрона Лаборатории физики высоких энергий, способного ускорять ядра до Z=36 с энергией до 6 ГэВ/н (здесь Z - заряд ядра).Radiobiological studies of the effect of heavy charged particles on biological objects are carried out using particle beams of accelerators. The most accessible beams of protons with energies of several hundred MeV; beams of high-energy heavy nuclei are available in the world only at a few heavy ion accelerators. In Russia, these works are carried out at the Laboratory of Radiation Biology of the Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) using the Nuclotron of the High Energy Physics Laboratory, capable of accelerating nuclei to Z = 36 with energies up to 6 GeV / n (here Z is the nuclear charge).
В ходе экспериментов на указанных ускорителях в каждом сеансе биологические образцы облучаются моноэнергетическими частицами только одного типа, в то время как практический интерес представляет собой смешанное поле из частиц разного типа с разными энергиями. Известно, что помимо поглощенной дозы при оценке тяжести облучения важную роль играет его качество, характеризуемое, в первом приближении, ЛПЭ частицы. Неограниченное ЛПЭ эквивалентно удельным ионизационным потерям энергии частицы, пропорциональным квадрату ее заряда и растущим по мере уменьшения энергии частицы. Таким образом, в каждом эксперименте на пучках моноэнергетичных частиц исследуются эффекты облучения образцов только с одним ЛПЭ. Такие облучения не позволяют выявить эффекты одновременного сочетанного облучения частицами с различными ЛПЭ (возможно, и синергетического характера), т.е. затрудняют адекватную оценку риска облучения излучением со сложным и протяженным распределением ЛПЭ. Чтобы исправить, сложившуюся в силу объективных технических трудностей практику радиобиологических экспериментов на ускорителях, надо разработать новую методику, которая позволит моделировать в экспериментах на ускорителях поля смешанного излучения со всей спецификой, т.е. облучать биологические образцы в ходе одного сеанса набором различных частиц с разной энергией одновременно или последовательно за сравнительно короткое время (в предположении аддитивности действия облучения).In the course of experiments on these accelerators, in each session, biological samples are irradiated with monoenergetic particles of only one type, while a mixed field of particles of different types with different energies is of practical interest. It is known that, in addition to the absorbed dose, in assessing the severity of exposure, an important role is played by its quality, which is characterized, in the first approximation, by the LET of the particle. Unlimited LET is equivalent to the specific ionization energy loss of a particle, proportional to the square of its charge and increasing as the particle energy decreases. Thus, in each experiment on beams of monoenergetic particles, the effects of irradiation of samples with only one LET are studied. Such irradiation does not allow one to reveal the effects of simultaneous combined irradiation with particles with different LETs (possibly of a synergistic nature), i.e. make it difficult to adequately assess the risk of exposure to radiation with a complex and extended LET distribution. In order to correct the practice of radiobiological experiments at accelerators, which has developed due to objective technical difficulties, it is necessary to develop a new technique that will make it possible to simulate mixed radiation fields in experiments at accelerators with all the specifics, i.e. irradiate biological samples in the course of one session with a set of different particles with different energies simultaneously or sequentially in a relatively short time (assuming the additivity of the radiation effect).
Компонентный и энергетический состав полей вторичного излучения из фиксированных мишеней, облучаемых пучками моноэнергетических ускоренных ядер на ускорителях, определяется типом ядра-снаряда, его энергией, материалом мишени и ее размерами. К сожалению, целенаправленно изменять характеристики поля вторичного излучения в ходе радиобиологического эксперимента на ускорителе без смены типа ядра-снаряда (т.е. замены источника ионов ускорителя) и их энергии технически сложно и требует значительных затрат времени.The component and energy composition of the secondary radiation fields from fixed targets irradiated with beams of monoenergetic accelerated nuclei in accelerators is determined by the type of projectile nucleus, its energy, target material and its dimensions. Unfortunately, it is technically difficult and time-consuming to purposefully change the characteristics of the secondary radiation field during a radiobiological experiment at an accelerator without changing the type of projectile nucleus (i.e., replacing the ion source of the accelerator) and their energy.
В 2017 г. в работах [J.C. Chancellor, S. Guetersloh, K. Cengel, J. Ford, H.G. Katzgraber. Emulation of the space radiation environment for materials testing and radiobiological experiments. arXiv Peprint arXiv:1706.02727v1 (2017); J.C. Chancellor, S.B. Guetersloh, R.S. Blue, K.A. Cengel, j.R. Ford, H.G. Katzgraber. Targeted nuclear spallation from moderator block design for a ground-based space radiation analog. arXiv Peprint arXiv: 1706.02727v2 (2019)] был предложен метод симуляции на ускорителях тяжелых ионов полей вторичного излучения с заранее заданными физическими характеристиками. При этом для моделирования смешанного поля вторичных частиц с широким энергетическим диапазоном используется один тип ядер-снарядов - пучок ядер железа с энергией 1 ГэВ/н. Для формирования поля вторичного излучения используется, облучаемый однородным широким полем ядер железа, фигурный полиэтиленовый замедлитель, в котором в результате ядерных реакций ядер Fe с ядрами С и Н образуется набор фрагментов ядра-снаряда. Поскольку разные фрагменты рождаются преимущественно на разных глубинах замедлителя и пробеги фрагментов в полиэтилене также различаются, то для получения смешанного поля фрагментов с широким энергетическим спектром толщина замедлителя сделана в разных его местах различной за счет нескольких конических и цилиндрических выемок (пустот) в однородном блоке замедлителя.In 2017, in [J.C. Chancellor, S. Guetersloh, K. Cengel, J. Ford, H.G. Katzgraber. Emulation of the space radiation environment for materials testing and radiobiological experiments. arXiv Peprint arXiv: 1706.02727v1 (2017); J.C. Chancellor, S.B. Guetersloh, R.S. Blue, K.A. Cengel, j.R. Ford, H.G. Katzgraber. Targeted nuclear spallation from moderator block design for a ground-based space radiation analog. arXiv Peprint arXiv: 1706.02727v2 (2019)] proposed a method for simulating secondary radiation fields with predetermined physical characteristics on heavy ion accelerators. In this case, to simulate a mixed field of secondary particles with a wide energy range, one type of projectile nuclei is used - a beam of iron nuclei with an energy of 1 GeV / n. To form the field of secondary radiation, a figured polyethylene moderator is used, irradiated by a uniform wide field of iron nuclei, in which, as a result of nuclear reactions of Fe nuclei with C and H nuclei, a set of fragments of the projectile nucleus is formed. Since different fragments are born mainly at different depths of the moderator and the ranges of fragments in polyethylene are also different, then to obtain a mixed field of fragments with a wide energy spectrum, the thickness of the moderator is made different in its different places due to several conical and cylindrical recesses (voids) in a homogeneous block of the moderator.
Авторы не сообщили данных о конкретной конструкции замедлителя, а дали только принципиальное описание, поэтому воспроизвести ее невозможно. По их сообщениям, меняя конструкцию в определенных пределах, они могут добиться хорошего соответствия суммарного спектра ЛПЭ в поле облучения с результатами измерений спектров ЛПЭ в реальных условиях и продемонстрировали результаты такого моделирования.The authors did not report data on the specific design of the moderator, but gave only a basic description, therefore it is impossible to reproduce it. According to them, by changing the design within certain limits, they can achieve a good match of the total spectrum of the LET in the irradiated field with the results of measurements of the LET spectra in real conditions and have demonstrated the results of such simulations.
Один из авторов указанных выше статей Jeff Chancellor зарегистрировал на свое имя патент [US 2018/0022478 А1 от 25.01.2018 г.] Сущность этого изобретения состоит в том, что для формирования необходимого поля вторичного смешанного излучения используется пучок ядер железа с энергией 1000 МэВ/н; поле формируется путем взаимодействия ядер железа с одним статичным блоком (конвертором) замедлителя из обогащенного водородом вещества (полиэтилена), содержащим один или несколько слоев и множество пустот, расположенных в одном или нескольких слоях (Фиг. 1); заданный спектр ЛПЭ частиц поля вторичного смешанного излучения определяется конфигурацией этих пустот. Данный патент является прямым прототипом заявляемого изобретения.One of the authors of the above articles, Jeff Chancellor, registered a patent in his own name [US 2018/0022478 A1 dated 25.01.2018]. The essence of this invention is that a beam of iron nuclei with an energy of 1000 MeV / n; the field is formed by the interaction of iron nuclei with one static block (converter) of the moderator made of a hydrogen-rich substance (polyethylene) containing one or more layers and a plurality of voids located in one or more layers (Fig. 1); The specified LET spectrum of the particles of the secondary mixed radiation field is determined by the configuration of these voids. This patent is a direct prototype of the claimed invention.
Как уже указывалось выше, существенным недостатком прототипа является значительная неоднородность симулируемого поля излучения даже на расстоянии 1 метр от заднего торца блока замедлителя, которую нельзя устранить введением слоя вещества с большим атомным номером (например, свинца или вольфрама), и наличие которого, к тому же, приводит к общему снижению энергии излучения на выходе из блока. Другой недостаток заключается в том, что прототип хоть и симулирует заданный спектр ЛПЭ, однако не позволяет адекватно исследовать все радиобиологические эффекты воздействия поля смешанного излучения, поскольку ЛПЭ не характеризует однозначно тип и энергию частицы: например, однозарядная частица малой энергии может иметь такое же значение ЛПЭ, как и многозарядная частица с большей энергией на нуклон. Поэтому биологические эффекты тяжелых ядер зависят не только от ЛПЭ, но также от структуры трека. Вследствие этого в последние годы вместо критерия ЛПЭ (необходимого, но недостаточного) использует критерий качества излучения Z*2/β2, где Z* - эффективный заряд ядра, а β - его относительная скорость, т.е., по сути, кинетическая энергия. В описании же прототипа приведены только данные о расчетных спектрах ЛПЭ в поле за блоком замедлителя. Таким образом, в прототипе воспроизводится только один параметр поля смешанного излучения, а именно, интегральный спектр ЛПЭ его частиц (патент признает это), в то время как для адекватного симулирования смешанного излучения в широком интервале энергий надо воссоздавать не только спектр ЛПЭ, но также и энергетические спектры всех компонентов поля.As already mentioned above, a significant disadvantage of the prototype is a significant inhomogeneity of the simulated radiation field even at a distance of 1 meter from the rear end of the moderator block, which cannot be eliminated by introducing a layer of a substance with a large atomic number (for example, lead or tungsten), and the presence of which, moreover, , leads to a general decrease in the radiation energy at the exit from the unit. Another drawback is that, although the prototype simulates a given LET spectrum, it does not allow adequately investigating all the radiobiological effects of a mixed radiation field, since LET does not unambiguously characterize the type and energy of a particle: for example, a single-charged low-energy particle can have the same LET value , as well as a multiply charged particle with higher energy per nucleon. Therefore, the biological effects of heavy nuclei depend not only on the LET, but also on the track structure. As a result, in recent years, instead of the LET criterion (necessary, but insufficient), he uses the criterion of radiation quality Z * 2 / β 2 , where Z * is the effective charge of the nucleus, and β is its relative velocity, i.e., in fact, the kinetic energy ... In the description of the prototype, only data on the calculated LET spectra in the field behind the moderator block are given. Thus, in the prototype, only one parameter of the field of mixed radiation is reproduced, namely, the integral spectrum of the LET of its particles (the patent recognizes this), while in order to adequately simulate mixed radiation in a wide range of energies, it is necessary to recreate not only the spectrum of the LET, but also energy spectra of all field components.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической задачей изобретения является создание устройства с улучшенными в сравнении с прототипом возможностями формирования полей вторичного смешанного излучения в широком интервале энергий для целей радиобиологических исследований; с однородным полем вторичного смешанного излучения за устройством в области пространства, достаточном для размещения в нем большого числа облучаемых образцов и обеспечения равенства доз их облучения; воспроизводства в поле вторичного смешанного излучения за устройством не только заданных спектров ЛПЭ частиц, но и их заданных энергетических спектров.The technical objective of the invention is to create a device with improved, in comparison with the prototype, the possibility of forming fields of secondary mixed radiation in a wide range of energies for the purposes of radiobiological research; with a uniform field of secondary mixed radiation behind the device in a region of space sufficient to accommodate a large number of irradiated samples and ensure equality of their irradiation doses; reproduction in the field of secondary mixed radiation behind the device not only of the specified spectra of LET particles, but also of their specified energy spectra.
Технический результат в настоящем изобретении достигается за счет того, что:The technical result in the present invention is achieved due to the fact that:
- по меньшей мере, два конвертора объединены в поворотном барабане револьверного типа с возможностью вращения как вокруг оси барабана, так и вокруг оси пучка ускоренных частиц; таким образом, путем вращения барабана конверторы поочередно устанавливаются в позицию, в которой происходит их облучение пучком ускоренных частиц;- at least two converters are combined in a turret-type rotary drum with the ability to rotate both around the axis of the drum and around the axis of the beam of accelerated particles; thus, by rotating the drum, the converters are alternately installed in the position in which they are irradiated with a beam of accelerated particles;
- каждый конвертор выполнен в виде набора виде набора дисковых секторальных и цилиндрических мишеней однородной структуры (без выемок и пустот) и разных толщин. Секторальные дисковые мишени и цилиндрические мишени могут находиться в наборе конвертора в различных сочетаниях. Также, как вариант исполнения:- each converter is made in the form of a set in the form of a set of disk sector and cylindrical targets of a homogeneous structure (without recesses and voids) and different thicknesses. Sectoral disc targets and cylindrical targets can be in the converter set in various combinations. Also, as an option:
- по меньшей мере один из конверторов имеет в наборе как минимум одну мишень из стали.- at least one of the converters has at least one steel target in the set.
Описание фигурDescription of figures
Фиг. 1. Схематическая конструкция прототипа в продольном разрезе. Слева на Фиг. 1 показан поток пространственно равномерно распределенных ядер Fe. За задним торцом замедлителя в разных местах формируются области поля с различным компонентным и энергетическим составом, т.е. формируемое поле обладает существенной неоднородностью. Перечень компонентов поля вторичного смешанного излучения и направления их вылета показаны на Фиг. 1 справа. Для выравнивания однородности поля в конце полиэтиленового замедлителя добавлен слой вещества с большим атомным номером (на рисунке обозначен темным цветом) для увеличения углового разброса вылетающих из замедлителя частиц. Для улучшения однородности поля излучения за замедлителем в месте облучения образцов предполагается также, что расстояние от заднего торца замедлителя до образца составит не менее 1 метра.FIG. 1. Schematic design of the prototype in longitudinal section. On the left in FIG. 1 shows the flow of spatially uniformly distributed Fe nuclei. Behind the rear end of the moderator, in different places, field regions with different component and energy composition are formed, i.e. the generated field has significant inhomogeneity. A list of the components of the secondary mixed radiation field and their emission directions are shown in Fig. 1 on the right. To equalize the field uniformity, at the end of the polyethylene moderator, a layer of a substance with a high atomic number (in the figure marked in dark color) was added to increase the angular spread of particles emitted from the moderator. To improve the uniformity of the radiation field behind the moderator at the site of irradiation of the samples, it is also assumed that the distance from the rear end of the moderator to the sample will be at least 1 meter.
Фиг. 2. Упрощенная конструкция конвертора с двумя мишенями разной толщины, а - изометрический вид конвертора с падающим на него пучком ядер железа; b - вид со стороны пучка ядер железа; S1 и S2 -площади мишеней;FIG. 2. Simplified design of the converter with two targets of different thickness, a - isometric view of the converter with a beam of iron nuclei incident on it; b - view from the side of a beam of iron nuclei; S 1 and S 2 - target areas;
Фиг. 3. Упрощенная конструкция конвертора с четырьмя мишенями разной толщины с падающим на него пучком ядер железа. S1 S2, S3 и S4 -площади соответствующих секторальных мишеней. Мишень 1 имеет секторальный угол 360° и представляет собой цилиндр с площадью S1=S (площадь круга - торца мишени). У остальных мишеней секторальные углы меньше 360°. d1 - d4 - толщины секторальных мишеней. Суммарные толщины мишеней D следующие: D1 = d1; D2=d1+d2; D3=d1+d2+d3; D4=d1+d2+d3+d4.FIG. 3. Simplified design of a converter with four targets of different thicknesses with an incident beam of iron nuclei. S 1 S 2 , S 3 and S 4 are the areas of the corresponding sectoral targets.
Фиг. 4. Схематическая конструкция устройства поворотного барабана револьверного типа для смены четырех конверторов на пучке ядер железа. Барабан поочередно устанавливает конверторы в одну и ту же позицию на пучке ядер железа, а - продольный вид поворотного барабана в разрезе, b - сечение барабана с четырьмя конверторами. 1 - конверторы; 2 - облучаемый образец; 3 - поворотный барабан.FIG. 4. Schematic design of a turret-type rotary drum device for changing four converters on a beam of iron nuclei. The drum alternately sets the converters to the same position on the bundle of iron nuclei, a is a longitudinal sectional view of the rotary drum, b is a section of a drum with four converters. 1 - converters; 2 - irradiated sample; 3 - rotary drum.
Фиг. 5. Вид со стороны пучка ядер железа конвертора №1 (а) и конвертора №2 (b). Цифрами на фигуре обозначены номера мишеней.FIG. 5. View from the side of the beam of iron nuclei of converter # 1 (a) and converter # 2 (b). The numbers in the figure indicate the target numbers.
Фиг. 6. Расчетное зарядовое распределение заряженных компонентов в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором в проекте канале прикладных радиобиологических исследований на Нуклотроне ОИЯИ. По оси ординат на графике отложена плотность потока вторичных частиц (фрагментов) с зарядом Z (ось абсцисс), нормированная на 1 упавшее в секунду на симулятор ядро железа с энергией 1 ГэВ/н.FIG. 6. Calculated charge distribution of charged components in the total field of secondary mixed radiation of TZCH behind the simulator in the project of the channel for applied radiobiological research at the Nuclotron of JINR. The ordinate on the graph plots the flux density of secondary particles (fragments) with a charge Z (abscissa axis), normalized to 1 iron nucleus with an energy of 1 GeV / n that fell per second on the simulator.
Фиг. 7. Расчетные спектры ТЗЧ, а также гамма-квантов и нейтронов в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ. Тип частицы (фрагмента) указан на каждой фигуре. По шкале абсцисс отложена энергия в МэВ/н, по оси ординат - энергетическая плотность потока ТЗЧ, нормированная на 1 ядро железа /сек через симулятор.FIG. 7. Calculated spectra of TZCH, as well as gamma-quanta and neutrons in the total field of secondary mixed radiation behind the simulator in the projected channel of applied radiobiological experiments at the JINR Nuclotron. The type of particle (fragment) is indicated on each figure. The abscissa shows the energy in MeV / n, the ordinate shows the energy flux density of the TSP, normalized to 1 iron nucleus / sec through the simulator.
Фиг. 8. Расчетный спектр ЛПЭ всех ТЗЧ частиц в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ в месте расположения облучаемых биологических образцов. По оси абсцисс отложена ЛПЭ в единицах кэВ/мкм. По оси ординат отложена плотность потока частиц в бине разбиения ЛПЭ (шаге гистограммы), нормированная на 1 ядро железа /сек через симулятор.FIG. 8. Calculated LET spectrum of all TZP particles in the total field of secondary mixed radiation behind the simulator in the projected channel of applied radiobiological experiments at the JINR Nuclotron at the location of the irradiated biological samples. The abscissa shows the LET in units of keV / μm. The ordinate is the particle flux density in the bin of the LET partition (step of the histogram), normalized to 1 iron nucleus / sec through the simulator.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В представленном изобретении описывается устройство для моделирования полей смешанного излучения на высокоэнергетичных ускорителях тяжелых ионов (далее в тексте для краткости называемое симулятором) с использованием широкого однородного пучка ядер железа с энергией 1 ГэВ/н как в прототипе, но состоящий в отличие от прототипа из нескольких блоков замедлителей (конверторов). Каждый конвертор отвечает за создание парциальной составляющей поля за устройством со своим специфическим компонентным и энергетическим составом. Вариабельность толщины блока замедлителя (конвертора) по пучку достигается другим способом, чем в прототипе, не за счет пустот разной конфигурации. В изобретении используются конверторы, состоящие из наборов однородных секторальных или цилиндрических и секторальных мишеней одного диаметра с различными секторальными углами и толщиной. Несколько конверторов с разными наборами мишеней объединяются в поворотном барабане револьверного типа (вокруг оси барабана) для поочередной установки на пучке ускоренных частиц для облучения. Блок замедлителя (конвертор) в процессе облучения имеет возможность быстрого вращения вокруг оси пучка, а поворотный барабан - вокруг своей продольной оси с помощью электродвигателей. Конвертор можно рассматривать как композицию нескольких закрепленных в нем мишеней разной суммарной толщины. При постоянстве плотности потока первичных ядер железа и быстром вращении конвертора вокруг оси пучка, количества ядер, облучающих разные мишени, пропорциональны отношению площадей секторов мишеней к площади круга.The presented invention describes a device for simulating mixed radiation fields at high-energy heavy ion accelerators (hereinafter referred to as a simulator for short in the text) using a wide homogeneous beam of iron nuclei with an energy of 1 GeV / n as in the prototype, but in contrast to the prototype, consisting of several blocks retarders (converters). Each converter is responsible for creating a partial field component behind the device with its own specific component and energy composition. The variability of the thickness of the moderator unit (converter) along the beam is achieved in a different way than in the prototype, not due to voids of different configurations. The invention uses converters consisting of sets of uniform sectoral or cylindrical and sectoral targets of the same diameter with different sectoral angles and thicknesses. Several converters with different sets of targets are combined in a revolving rotating drum (around the axis of the drum) for alternate installation of accelerated particles on the beam for irradiation. The moderator unit (converter) in the process of irradiation has the ability to rapidly rotate around the beam axis, and the rotary drum around its longitudinal axis by means of electric motors. The converter can be considered as a composition of several targets of different total thickness fixed in it. With a constant flux density of primary iron nuclei and a fast rotation of the converter around the beam axis, the number of nuclei irradiating different targets is proportional to the ratio of the target sector areas to the area of the circle.
На Фиг. 2 и 3 показаны упрощенные конструкции конвертора с двумя и четырьмя секторными мишенями соответственно. При вращении конвертора вокруг оси пучка каждый сектор мишени будет многократно описывать полный круг, таким образом, парциальная доля поля излучения за симулятором от каждой секторальной мишени будет принципиально однородной и, соответственно будет однородным и суммарное поле от совокупности мишеней и конверторов. В этом случае облучение образцов можно проводить сразу же за конвертором, и не нужно использовать дополнительный слой вещества с большим атомным номером, понижающий энергию частиц, что также является существенным преимуществом в сравнении с прототипом. Доля вклада парциального поля от каждой мишени в суммарное поле за конвертором пропорциональна отношению ее секторальной площади к площади круга, а преимущественный тип вторичных частиц (фрагментов ядра-снаряда) за ней определяется ее суммарной толщиной. Суммарные толщины мишеней выбираются на основе данных о сечении взаимодействий первичного ядра Fe и его фрагментов с полиэтиленом и соответствуют глубине проникновения выбранных групп ядер, на которой вероятность их взаимодействия с полиэтиленом составляет ~ 50%.FIG. 2 and 3 show simplified designs of a converter with two and four sector targets, respectively. When the converter rotates around the beam axis, each target sector will repeatedly describe a full circle, thus, the partial fraction of the radiation field behind the simulator from each sector target will be fundamentally uniform and, accordingly, the total field from the set of targets and converters will also be uniform. In this case, the irradiation of the samples can be carried out immediately after the converter, and there is no need to use an additional layer of a substance with a large atomic number, which lowers the particle energy, which is also a significant advantage over the prototype. The fraction of the contribution of the partial field from each target to the total field behind the converter is proportional to the ratio of its sectoral area to the area of the circle, and the predominant type of secondary particles (fragments of the projectile nucleus) behind it is determined by its total thickness. The total target thicknesses are selected on the basis of data on the cross section of interactions of the primary Fe nucleus and its fragments with polyethylene and correspond to the penetration depth of the selected groups of nuclei, at which the probability of their interaction with polyethylene is ~ 50%.
При использовании первичного пучка ядер железа с энергией 1 ГэВ/н энергия всех вторичных частиц практически не будет превышать этой величины, а компонентный состав ТЗЧ будет иметь зарядовое распределение от атомного номера 1 до атомного номера 27 (кобальт). Особую трудность представляет собой воспроизведение легких компонентов смешанного поля (т.е. однозарядных частиц и легких ядер). Поскольку бóльшая часть ядро-ядерных взаимодействий является периферийными, то в них рождаются фрагменты ядер-снарядов с массами близкими к массе ядра-снаряда. Чтобы, в конечном итоге, за конвертором присутствовали только легкие компоненты (особенно, протоны), необходимо использовать конвертор большой длины, во много раз превышающей ионизационный пробег ядер железа с энергией 1 ГэВ/н. Это снижает выход частиц из конвертора, поэтому увеличивать энергию первичных ядер железа нецелесообразно. Моделировать адекватно энергетические спектры всех компонентов поля смешанного излучения с одним конвертором невозможно (даже с большим числом мишеней), поэтому предлагается применить несколько конверторов с разными наборами мишеней, объединенных в поворотном барабане (Фиг. 4) для их быстрой замены на пучке.When using a primary beam of iron nuclei with an energy of 1 GeV / n, the energy of all secondary particles will practically not exceed this value, and the component composition of the HCP will have a charge distribution from
Каждый конвертор воссоздает спектры преимущественно одной группы частиц за счет собственной комбинации мишеней разной толщины. Но в поле излучения за каждым конвертором присутствует также и примесь частиц из других групп. В общем случае, спектр частиц одного i-типа F(E)i в итоговом поле смешанного излучения за симулятором получается суммированием спектров частиц парциальных полей из всех конверторов с весами, определяемыми временем облучения каждого конвертора, т.е. суперпозицией парциальных полей.Each converter reproduces the spectra of predominantly one group of particles due to its own combination of targets of different thicknesses. But in the radiation field behind each converter there is also an admixture of particles from other groups. In the general case, the spectrum of particles of one i-type F (E) i in the final field of mixed radiation behind the simulator is obtained by summing the spectra of particles of partial fields from all converters with weights determined by the irradiation time of each converter, i.e. superposition of partial fields.
где - спектр частиц i-го типа излучения за конвертором - время облучения конвертора Т - время полной экспозиции облучения образцов за симулятором.where - spectrum of particles of the i-th type of radiation behind the converter - converter irradiation time T is the time of the full exposure of the irradiation of the samples behind the simulator.
При этом спектр частиц i-го типа за каждым конвертором In this case, the spectrum of particles of the ith type behind each converter
где - спектр i-го компонента поля из мишени k конвертора - площадь секторальной мишени k в конверторе S - площадь круга.where is the spectrum of the i-th component of the field from the target k of the converter is the area of the sectoral target k in the converter S is the area of the circle.
В результате симулятор способен моделировать биологические эффекты облучения образцов в поле смешанного излучения ТЗЧ с заранее заданным соотношением компонент поля и их спектров путем последовательного облучения образцов за конверторами. Темп набора поглощенной дозы облучения определяется в итоге интенсивностью первичного пучка ядер железа. Адекватное моделирование заданного спектра каждой частицы в суммарном поле смешанного излучения за симулятором достигается подбором следующих параметров: толщин мишеней в каждом конверторе с учетом вклада (веса) каждой мишени и относительного вклада (веса) каждого конвертора в экспозицию облучения образца, что обеспечивает широкие возможности для вариации компонентного и спектрального состава поля.As a result, the simulator is able to simulate the biological effects of irradiation of samples in the field of mixed radiation of TZCH with a predetermined ratio of the field components and their spectra by sequential irradiation of the samples behind the converters. The rate at which the absorbed radiation dose is accumulated is ultimately determined by the intensity of the primary beam of iron nuclei. Adequate modeling of the given spectrum of each particle in the total field of mixed radiation behind the simulator is achieved by selecting the following parameters: target thicknesses in each converter, taking into account the contribution (weight) of each target and the relative contribution (weight) of each converter to the exposure of the sample, which provides ample opportunities for variation component and spectral composition of the field.
Изобретение предназначено для проведения радиобиологических экспериментов на проектируемом канале прикладных исследований Нуклотрона Объединенного института ядерных исследований. Нуклотрон - циклический синхротрон с частотой цикла 0,1 Гц. В режиме медленного вывода пучка из Нуклотрона длительность импульса составляет 5 сек. Таким образом, смена конвертора в барабане может осуществляться в промежутках между импульсами ускорителя. Максимальная проектная интенсивность пучка ядер Нуклотрона с бустером при работе на прикладные каналы составит ~5⋅108 ядер/цикл. Широкий равномерный пучок ядер железа на входе устройства будет создаваться путем его сканирования по заданной программе. При цикле сканирования пучка ~ 90 мсек и длительности медленного вывода пучка 5 сек за один импульс ускорителя будет происходит ~ 55 сканирований, что обеспечит статистическую равномерность поля облучения даже при небольших нестабильностях вывода пучка.The invention is intended for carrying out radiobiological experiments on the projected channel for applied research of the Nuclotron of the Joint Institute for Nuclear Research. Nuclotron is a cyclic synchrotron with a cycle frequency of 0.1 Hz. In the mode of slow beam extraction from the Nuclotron, the pulse duration is 5 sec. Thus, the change of the converter in the drum can be carried out in the intervals between the pulses of the accelerator. The maximum design intensity of a beam of nuclei of the Nuclotron with a booster when operating on applied channels will be ~ 5⋅10 8 nuclei / cycle. A wide uniform beam of iron nuclei at the input of the device will be created by scanning it according to a given program. With a beam scanning cycle of ~ 90 msec and a slow beam extraction duration of 5 s, ~ 55 scans will occur per accelerator pulse, which will ensure statistical uniformity of the irradiation field even with small instabilities of beam extraction.
Для подтверждения возможности осуществления изобретения был создан проект установки (симулятора) с четырьмя конверторами в барабане на проектируемом канале прикладных исследований Нуклотрона. Внутренний диаметр конверторов и мишеней задавался равным 10 см. Материал мишеней трех конверторов - полиэтилен плотностью 0,952 г/см3. Четвертый конвертор - гетерогенный, из двух мишеней - полиэтиленовой и стальной. Состав конверторов и доли площади сегментов мишеней приведены в таблице 1.To confirm the possibility of implementing the invention, a project was created for an installation (simulator) with four converters in a drum on the projected channel for applied research of the Nuclotron. The inner diameter of converters and targets was set equal to 10 cm. The target material of the three converters is polyethylene with a density of 0.952 g / cm 3 . The fourth converter is heterogeneous, consisting of two targets - polyethylene and steel. The composition of the converters and the area fractions of the target segments are shown in Table 1.
На Фиг. 5 показан вид со стороны пучка ядер железа конверторов №1 (а) и №2 (b).FIG. 5 shows a view from the side of a beam of iron nuclei of converters # 1 (a) and # 2 (b).
Углы секторов мишеней для конверторов №1 и 2 приведены в таблице 2. Конвертор №3 представляет собой цилиндр из полиэтилена толщиной 50 см, а конвертор №4 - составлен из двух цилиндров (стального толщиной 20 см и полиэтиленового толщиной 30 см).The angles of the target sectors for
На Фиг. 6 показано расчетное зарядовое распределение заряженных компонентов в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором с описанной выше конструкцией.FIG. 6 shows the calculated charge distribution of charged components in the total field of the secondary mixed radiation of the TSP behind the simulator with the design described above.
На Фиг. 7 представлены расчетные энергетические спектры ТЗЧ, а также гамма-квантов и нейтронов в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ.FIG. 7 shows the calculated energy spectra of the TPP, as well as gamma quanta and neutrons in the total field of secondary mixed radiation behind the simulator in the projected channel of applied radiobiological experiments at the JINR Nuclotron.
На Фиг. 8 показан расчетный спектр ЛПЭ в единицах кэВ/мкм заряженных частиц в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором с описанной выше конструкцией в месте расположения облучаемых биологических образцов. Следует отметить, что предложенное устройство симулятора позволяет воспроизводить спектр ЛПЭ до ~ 1000 кэВ/мкм, т.е. до существенно больших значений, чем прототип.FIG. 8 shows the calculated LET spectrum in units of keV / μm of charged particles in the total field of the secondary mixed radiation of the TGP behind the simulator with the design described above at the location of the irradiated biological samples. It should be noted that the proposed simulator device makes it possible to reproduce the LET spectrum up to ~ 1000 keV / μm, i.e. to significantly higher values than the prototype.
В целом, приведенные выше расчеты доказывают, что предложенное устройство (симулятор) для формирования полей смешанного излучения ТЗЧ на ускорителях тяжелых ионов высокой энергии обладает существенно расширенными возможностями по сравнению с прототипом и может быть использовано в качестве инструмента для перспективных радиобиологических исследований.In general, the above calculations prove that the proposed device (simulator) for the formation of fields of mixed radiation TZCH at high-energy heavy ion accelerators has significantly expanded capabilities in comparison with the prototype and can be used as a tool for promising radiobiological research.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021105845A RU2761376C1 (en) | 2021-03-05 | 2021-03-05 | Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021105845A RU2761376C1 (en) | 2021-03-05 | 2021-03-05 | Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2761376C1 true RU2761376C1 (en) | 2021-12-07 |
Family
ID=79174365
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021105845A RU2761376C1 (en) | 2021-03-05 | 2021-03-05 | Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2761376C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160345422A1 (en) * | 2014-03-07 | 2016-11-24 | Hitachi, Ltd. | Charged particle beam radiation system, synchrotron, and beam ejection method therefor |
RU169301U1 (en) * | 2016-09-12 | 2017-03-14 | акционерное общество "Экспериментальное научно-производственное объединение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ" (АО "ЭНПО СПЭЛС") | Hardware-software complex for studying the radiation resistance of high-speed integrated circuits based on Si and GaAs to individual charged particles based on a laser source of femtosecond pulses |
US20180022478A1 (en) * | 2016-04-27 | 2018-01-25 | Jeff Chancellor | Space radiation environment emulator |
RU2657327C1 (en) * | 2016-12-26 | 2018-06-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for evaluating of the digital electronics elements stability to the effects of failures from the single particles influence |
RU186479U1 (en) * | 2018-08-13 | 2019-01-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | DEVICE FOR TESTING INTEGRAL CIRCUITS ON RESISTANCE TO EXPOSURE TO HEAVY CHARGED PARTICLES |
RU2687840C1 (en) * | 2018-08-17 | 2019-05-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of investigating behavior of materials during impact-wave loading using proton radiography |
EP3503693B1 (en) * | 2017-12-21 | 2020-02-19 | Ion Beam Applications S.A. | Cyclotron for extracting charged particles at various energies |
-
2021
- 2021-03-05 RU RU2021105845A patent/RU2761376C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160345422A1 (en) * | 2014-03-07 | 2016-11-24 | Hitachi, Ltd. | Charged particle beam radiation system, synchrotron, and beam ejection method therefor |
US20180022478A1 (en) * | 2016-04-27 | 2018-01-25 | Jeff Chancellor | Space radiation environment emulator |
RU169301U1 (en) * | 2016-09-12 | 2017-03-14 | акционерное общество "Экспериментальное научно-производственное объединение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ" (АО "ЭНПО СПЭЛС") | Hardware-software complex for studying the radiation resistance of high-speed integrated circuits based on Si and GaAs to individual charged particles based on a laser source of femtosecond pulses |
RU2657327C1 (en) * | 2016-12-26 | 2018-06-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for evaluating of the digital electronics elements stability to the effects of failures from the single particles influence |
EP3503693B1 (en) * | 2017-12-21 | 2020-02-19 | Ion Beam Applications S.A. | Cyclotron for extracting charged particles at various energies |
RU186479U1 (en) * | 2018-08-13 | 2019-01-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | DEVICE FOR TESTING INTEGRAL CIRCUITS ON RESISTANCE TO EXPOSURE TO HEAVY CHARGED PARTICLES |
RU2687840C1 (en) * | 2018-08-17 | 2019-05-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of investigating behavior of materials during impact-wave loading using proton radiography |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gudowska et al. | Ion beam transport in tissue-like media using the Monte Carlo code SHIELD-HIT | |
Chang et al. | Basic radiotherapy physics and biology | |
US10420957B2 (en) | Method for determining an effect of a particle beam on a material | |
Battistoni et al. | Nuclear physics and particle therapy | |
Scholz | Heavy ion tumour therapy | |
Mohammadi et al. | Production of an 15O beam using a stable oxygen ion beam for in-beam PET imaging | |
Braunn et al. | Comparisons of hadrontherapy-relevant data to nuclear interaction codes in the Geant4 toolkit | |
Kraft et al. | Research needed for improving heavy-ion therapy | |
RU2761376C1 (en) | Device for simulating high energy heavy ion beams of mixed radiation fields for the purposes of experimental radiobiology | |
Mairani | Nucleus-nucleus interaction modelling and applications in ion therapy treatment planning | |
Kuncic | Advances in computational radiation biophysics for cancer therapy: simulating nano-scale damage by low-energy electrons | |
Gribkov | Current and perspective applications of dense plasma focus devices | |
Patera et al. | Nuclear interactions and medicine | |
Pereira | Investigating the mechanisms of α-particle therapy in prostate cancer | |
Valle et al. | The FOOT (FragmentatiOn Of Target) experiment | |
Grünwald | GEANT4 simulation and evaluation of a time-of-flight spectrometer for nuclear cross section measurements in particle therapy | |
Aricó | Ion spectroscopy for improvement of the physical beam model for therapy planning in ion beam therapy | |
Mirzakhanian | Reference dosimetry of static, nonstandard radiation therapy fields: application to biology-guided radiotherapy and cranial radiosurgery generators | |
Himmele et al. | Experimental features of Coulomb fission | |
Kiragga et al. | Exploiting the unique interaction characteristics of fast neutrons for improved cancer therapy. A radiobiological perspective | |
Giacomelli et al. | The measurement of the fragment emission angles in the reactions of< 135MeV/u12C and 16O in tissue equivalent targets | |
Vosburgh | Prediction of the spatial distribution of cell survival in heavy ion beams | |
Pshenichnov et al. | MCHIT-Monte Carlo model for proton and heavy-ion therapy | |
Hernandez Rodriguez | Geant4 Study Of Protons-Body Interactions | |
Schettino et al. | Mechanistic, Modeling, and Dosimetric Radiation Biology |