RU2282909C2 - Neutron production method - Google Patents
Neutron production method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2282909C2 RU2282909C2 RU2003129858/06A RU2003129858A RU2282909C2 RU 2282909 C2 RU2282909 C2 RU 2282909C2 RU 2003129858/06 A RU2003129858/06 A RU 2003129858/06A RU 2003129858 A RU2003129858 A RU 2003129858A RU 2282909 C2 RU2282909 C2 RU 2282909C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active material
- particles
- producing neutrons
- neutrons according
- neutron
- 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 нейтронозахватной терапии в онкологии была предложена в 1936 году, спустя 4 года после открытия нейтрона. Ее физический принцип заключается в следующим. Раствор, содержащий стабильный изотоп бор-10, вводится в кровь человека и через некоторое время бор сорбируется в клетках. Затем опухоль облучается потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом 10В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетические α частица и ион 7Li быстро тормозятся на длине размера клетки опухоли, выделяя энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к ее поражению. Таким образом, если обеспечить более высокую концентрацию 10В в раковой клетке по сравнению со здоровой, то борнейтронозахватная терапия (БЗНТ) позволит осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.The concept of neutron capture therapy in oncology was proposed in 1936, 4 years after the discovery of the neutron. Its physical principle is as follows. A solution containing the stable boron-10 isotope is introduced into human blood and after some time, boron is sorbed in the cells. Then the tumor is irradiated with a stream of epithermal neutrons. As a result of neutron absorption by the stable 10 V isotope, a nuclear reaction occurs, and the resulting α energy particle and 7 Li ion are rapidly inhibited along the length of the tumor cell, releasing an energy of ~ 2.3 MeV within the exact cell that contained the boron nucleus, which leads to her defeat. Thus, if a higher concentration of 10 V in the cancer cell is achieved compared to a healthy one, then boron neutron capture therapy (BRNT) will allow for selective damage to malignant tumor cells.
За прошедший с тех пор период времени концепция НЗТ и, в частности, БНЗТ испытывала падения и взлеты. Однако в конце 60-х годов интерес к НЗТ значительно вырос. В этом большую роль сыграли исследования японского ученого Хатанаки и прогресс в синтезировании содержащих изотоп 10В фармпрепаратов. Получены препараты, которые создают концентрацию изотопа 10В в опухолевой ткани до 40 мкг/г, что в 3,5 раза больше, чем в здоровой ткани. Такая концентрация позволяет обеспечить возможность избирательного поражения раковой опухоли, что невозможно было осуществить в ранних исследованиях из-за отсутствия подобных фармпрепаратов. Для получения пучка нейтронов использовались специальные медицинские реакторы, построенные для этой цели в Брукхевене и Массачусетсе (США).Over the past period of time, the concept of NRT and, in particular, BNCT has experienced falls and rises. However, in the late 60s, interest in NRT increased significantly. In this, the research of the Japanese scientist Hatanaki and the progress in the synthesis of 10 V isotope-containing pharmaceutical preparations played a large role. Preparations were obtained that create a concentration of 10 V isotope in tumor tissue up to 40 μg / g, which is 3.5 times more than in healthy tissue. This concentration makes it possible to selectively damage a cancerous tumor, which was not possible in early studies due to the lack of such pharmaceuticals. To obtain the neutron beam, special medical reactors built for this purpose in Brookhaven and Massachusetts (USA) were used.
На сегодняшний день интерес к БНЗТ проявляют во многих странах мира. Одновременно ведутся работы, направленные на получение нейтронов нужных для БНЗТ энергий без использования реакторных установок.Today, interest in BNCT is shown in many countries of the world. At the same time, work is underway aimed at obtaining neutrons of the energies necessary for BNCT without the use of reactor facilities.
Предложены различные принципы построения систем БНЗТ на базе ускорителя с пучком частиц, взаимодействующим с мишенью для генерации нейтронов.Various principles are proposed for constructing BNCT systems based on an accelerator with a particle beam interacting with a neutron generation target.
Многообещающим достижением является концепция протонный пучок - литиевая мишень, согласно которой пучок низкоэнергетических протонов (с энергией порядка 2 МэВ) ударяет в литиевую мишень, генерируя нейтроны путем (р, n) реакции. Привлекательными чертами концепции являются: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 the order of 2 MeV) hits a lithium target, generating neutrons by (p, n) reaction. Attractive features of the concept are:
- относительно высокий выход нейтронов (около 10-4),- a relatively high neutron yield (about 10 -4 ),
- возможность обеспечения низкой максимальной энергии генерируемых нейтронов (не более 30 кэВ),- the ability to provide low maximum energy of the generated neutrons (not more than 30 keV),
- относительно простой низкоэнергетический протонный ускоритель,- a relatively simple low-energy proton accelerator,
- возможность работы в "открытой" геометрии, когда расстояние от мишени до пациента минимально (10-20 см),- the ability to work in the "open" geometry, when the distance from the target to the patient is minimal (10-20 cm),
- минимально необходимое экранирование и приемлемая остаточная радиоактивность.- the minimum required shielding and acceptable residual radioactivity.
В России проработана концепция протонный пучок - литиевая мишень, включающая использование тандемного ускорителя протонов для воздействия на литиевую мишень с энергией, превышающей порог продуцирования 1,88 МэВ при реакции 7Li(р, n)7 Ве, подобная описанной в патенте США №5976066, опубл. 02.11.99, Yanch J.С. и др., патентообладатель Massachusetts Institute of Technology, Newton Scientific, Inc. Предварительные исследования показали, что данное предложение является вполне приемлемым, при этом требуемый ток протонного пучка должен составлять 10 мА и более для обеспечения необходимой дозы в зоне лечения.In Russian concept elaborated proton beam - lithium target, comprising the use of a tandem proton accelerator to influence the lithium target with energy exceeding the threshold of 1.88 MeV for the production reaction 7 Li (p, n) 7 Be, similar to that described in U.S. Patent №5976066, publ. 11/02/99, Yanch J.C. et al. Patentee Massachusetts Institute of Technology, Newton Scientific, Inc. Preliminary studies have shown that this proposal is quite acceptable, while the required proton beam current should be 10 mA or more to provide the necessary dose in the treatment area.
Тем не менее, концепция литиевой мишени на базе ускорителя все еще имеет нерешенные критические проблемы, включающие требования больших протонных токов, излишки энергетических нейтронов и охлаждение мишени из лития, имеющего низкую температуру плавления. Как альтернатива, в качестве мишенного материала рассмотрен бериллий, который имеет более высокую температуру плавления по сравнению с литием, легче охлаждается и успешно используется в клиническом оборудовании при терапии быстрыми нейтронами. Например, для реакции 9Be(d, n)10 Be при Е=2,5 МэВ и 1=10 мА выход нейтронов S~4·1013 н/с, что в 4 раза больше, чем для другой реакции 7Li(p, n)7Be для тех же условий. Однако при этом в спектре наблюдаются высокоэнергетические нейтроны с энергией 100-800 кэВ, и для превращения их в эпитепловые нейтроны с энергией 1-30 кэВ, которые нужны для НЗТ, используют замедлители на основе оксида бериллия, оксида алюминия и тяжелой воды. При этом требуются расстояния от мишени до пациента не менее 50 см, что снижает на порядок плотность потока эпитепловых нейтронов в опухоли.However, the accelerator-based lithium target concept still has unresolved critical problems, including high proton current requirements, excess energy neutrons, and the cooling of a lithium target with a low melting point. As an alternative, beryllium, which has a higher melting point than lithium, is more easily cooled and successfully used in clinical equipment for fast neutron therapy, is considered as the target material. For example, for the 9 Be (d, n) 10 Be reaction at E = 2.5 MeV and 1 = 10 mA, the neutron yield is S ~ 4 · 10 13 n / s, which is 4 times greater than for the other 7 Li ( p, n) 7 Be for the same conditions. However, in this case, high-energy neutrons with an energy of 100-800 keV are observed in the spectrum, and moderators based on beryllium oxide, aluminum oxide, and heavy water are used to convert them into epithermal neutrons with an energy of 1-30 keV, which are needed for NRTs. In this case, distances from the target to the patient of at least 50 cm are required, which reduces the density of epithermal neutron flux in the tumor by an order of magnitude.
Использование реакции 7Li(р, n)7Ве в ближней надкритической области энергии протонов, когда разность между порогом реакции Екр.=1,88 МэВ и падающей на мишень энергией составляет 0-30 кэВ, позволяет:Using the reaction 7 Li (p, n) 7 Be in the near supercritical region of proton energy, when the difference between the reaction threshold Ecr = 1.88 MeV and the energy incident on the target is 0-30 keV, it allows:
- приблизить пациента к мишени на расстояние 10-20 см, т.е. работать в "открытой геометрии",- bring the patient closer to the target at a distance of 10-20 cm, i.e. work in "open geometry"
- использовать, так называемую "кинематическую коллимацию", когда эпитепловые нейтроны распространяются прямо в пределах пространственного угла 20-30°.- use the so-called "kinematic collimation" when epithermal neutrons propagate directly within the spatial angle of 20-30 °.
В экспериментах последняя реакция изучена при токах 1-2 мА. Это соответствует мощности пучка 2-4 кВт. Современный уровень развития НЗТ с учетом достижений медицины, технологий и фармпрепаратов требует увеличения мощности примерно на порядок.In experiments, the last reaction was studied at currents of 1-2 mA. This corresponds to a beam power of 2-4 kW. The current level of development of NRT, taking into account the achievements of medicine, technology and pharmaceuticals, requires an increase in capacity by about an order of magnitude.
Известные способы получения нейтронов для использования в НЗТ можно разделить на два вида. Первый способ заключается в облучении пучком заряженных частиц с выхода ускорителя неподвижной мишени с активным материалом. Второй способ предполагает облучение аналогичным пучком подвижной мишени, содержащей активный материал, на котором происходит нейтронопродуцирующая реакция.Known methods for producing neutrons for use in NRT can be divided into two types. The first method consists in irradiating a beam of charged particles from the output of the accelerator of a fixed target with active material. The second method involves irradiating with a similar beam a moving target containing the active material on which the neutron-producing reaction occurs.
Первый из указанных способов реализован, например, в устройствах, защищенных патентами США №4666651, опубл. 19.05.1987 г., Barjon Robert, патентообладатель: Commissariat a l′Energie Atomique (Paris, Fr), Centre Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) и №5920601, опубл. 06.07.1999 г., Nigg David W. и др., патентообладатель: Lockheed Martin Idaho Technologies Company (Idaho Falls, ID). Недостаток способа в необходимости использования интенсивного охлаждения активного материала статической мишени. Второй способ реализован в устройствах, защищенных патентом США №4582673, опубл. 15.04.1986 г., Gunter Bauer, патентообладатель: Kernforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. of Germany. При подвижной мишени снижаются требования к системе охлаждения, но требуются специальные устройства для приведения мишени в движение.The first of these methods is implemented, for example, in devices protected by US patents No. 4666651, publ. 05/19/1987, Barjon Robert, patent holder: Commissariat a l′Energie Atomique (Paris, Fr), Center Antoine-Lacassagne (Nice, Fr.) and No. 5920601, publ. 07/06/1999, Nigg David W. et al., Patent holder: Lockheed Martin Idaho Technologies Company (Idaho Falls, ID). The disadvantage of this method is the need to use intensive cooling of the active material of a static target. The second method is implemented in devices protected by US patent No. 4582673, publ. 04/15/1986, Gunter Bauer, patent holder: Kernforschungsanlage Juljich Gesellschaft, Fed. Rep. of Germany. With a moving target, the cooling system requirements are reduced, but special devices are required to drive the target.
Статическая и подвижная мишени нейтронопродуцирующего узла выполняются из твердого или жидкого активного материала.The static and moving targets of the neutron producing site are made of solid or liquid active material.
В качестве прототипа выбран способ получения нейтронов, основанный на ядерной реакции в активном материале динамической мишени, облучаемой потоком ускоренных заряженных частиц. В качестве динамической мишени в данном решении используется поток жидкого лития, перетекающий под действием силы тяжести из одной емкости в другую, образуя тонкий пристенный слой, в котором и происходит ядерная реакция (патент США №3993910, опубл. 23.11.1976, Don M.Parkin, Norman D.Dudey, патентообладатель United States Energy Research & Development Administration).As a prototype, a method for producing neutrons based on a nuclear reaction in the active material of a dynamic target irradiated by a stream of accelerated charged particles was selected. As a dynamic target in this solution, a liquid lithium stream is used, flowing under the influence of gravity from one container to another, forming a thin wall layer in which a nuclear reaction occurs (US patent No. 39993910, publ. 11.23.1976, Don M. Parkin , Norman D. Dudey, United States Energy Research & Development Administration patent holder).
При использовании данного способа относительно просто решается вопрос с охлаждением системы, но возникают трудноразрешимые проблемы, связанные с очисткой системы и лития от радиоактивного загрязнения. Это происходит, в том числе, от интенсивного испарения активного материала - лития в объем ускорителя.When using this method, the problem of cooling the system is relatively easy to solve, but intractable problems arise associated with cleaning the system and lithium from radioactive contamination. This occurs, inter alia, from the intensive evaporation of the active material, lithium, into the accelerator volume.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Настоящее изобретение направлено на создание способа, позволяющего устранить или существенно уменьшить указанные недостатки.The present invention is directed to a method for eliminating or significantly reducing these disadvantages.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения нейтронов, основанном на ядерной реакции в активном материале динамической мишени, облучаемой потоком ускоренных заряженных частиц, согласно изобретению в качестве мишени используют перемещаемый перпендикулярно пучку заряженных частиц поток разреженных твердых частиц активного материала.The problem is solved in that in a method for producing neutrons based on a nuclear reaction in the active material of a dynamic target irradiated by a stream of accelerated charged particles, according to the invention, a stream of rarefied solid particles of active material perpendicular to the beam of charged particles is used as a target.
Таким образом, предлагается использовать иное агрегатное состояние активного материала - взвесь, которая в отличие от тонкого покрытия активным материалом в жидком или твердом состоянии занимает в 102-104 раз больший объем и обеспечивает нейтронопродуцирующую реакцию при взаимодействии заряженных частиц с разреженными частицами активного материала. Тепловая энергия при этом выделяется на существенно большей поверхности, чем это имеет место в известных мишенях и достаточно равномерно распределяется по всему объему, практически не нагревая другие элементы устройства, взаимодействующие с активным материалом. Кроме того, данный способ позволяет использовать активный материал с более высокой температурой плавления по сравнению с чистым литием, что существенно снижает испарение активного материала и загрязнение радиоактивными парами элементов системы.Thus, it is proposed to use a different aggregate state of the active material - a suspension, which, in contrast to a thin coating with the active material in a liquid or solid state, takes up 10 2 -10 4 times larger volume and provides a neutron-producing reaction in the interaction of charged particles with rarefied particles of the active material. In this case, thermal energy is released on a substantially larger surface than is the case in known targets and is fairly evenly distributed throughout the volume, practically without heating other elements of the device interacting with the active material. In addition, this method allows the use of an active material with a higher melting point compared to pure lithium, which significantly reduces the evaporation of the active material and the contamination of the elements of the system with radioactive vapors.
Перемещение частиц может происходить под воздействием гравитационных сил.Particle movement can occur under the influence of gravitational forces.
Такое перемещение можно организовать, разместив объем, подающий частицы активного материала в рабочую зону, над приемным объемом.Such a movement can be arranged by placing a volume supplying particles of the active material to the working area above the receiving volume.
В другом варианте перемещение частиц активного материала может быть осуществлено в потоке легкого разреженного газа под действием перепада давлений между объемами подачи и приема частиц активного материала. В этом случае величину давления в объеме подачи частиц активного материала целесообразно выбирать в диапазоне 10-100 мм рт.ст., а в объеме приема - менее 1 мм рт.ст.In another embodiment, the movement of particles of the active material can be carried out in a stream of light rarefied gas under the action of a pressure differential between the volumes of supply and reception of particles of the active material. In this case, it is advisable to choose a pressure value in the feed volume of particles of the active material in the range of 10-100 mm Hg, and in the intake volume less than 1 mm Hg.
На активный материал, находящийся в объеме подачи частиц активного материала, можно воздействовать вибрацией, что обеспечит более равномерное перемещение и однородность взвеси.The active material located in the feed volume of the particles of the active material can be affected by vibration, which will provide a more uniform movement and uniformity of the suspension.
При использовании перепада давлений можно осуществлять перемешивание частиц активного материала в объеме подачи частиц активного материала, что также обеспечит получение однородной взвеси.Using a pressure differential, it is possible to mix the particles of the active material in the feed volume of the particles of the active material, which will also ensure a uniform suspension.
Для обеспечения заданной объемной концентрации и скорости перемещения частиц активного материала в рабочей зоне на ее входе осуществляют регулируемое дросселирование и формирование сечения потока частиц активного материала. Изменением размеров впускного отверстия, соединяющего подающую емкость с каналом рабочей зоны, обеспечивают поступление в канал заданного количества частиц активного материала за единицу времени.To ensure a given volume concentration and speed of movement of particles of the active material in the working area at its inlet, controlled throttling and formation of a cross section of the particle stream of active material are carried out. By changing the size of the inlet that connects the supply tank to the channel of the working area, provide the channel with a given number of particles of active material per unit time.
Размер частиц активного материала, толщину слоя частиц и их концентрацию следует выбирать из условия обеспечения полного пробега δ заряженных частиц в таком слое. Другими словами, толщина слоя частиц не должна быть меньше, чем длина пробега заряженных частиц в активном материале мишени.The particle size of the active material, the thickness of the layer of particles and their concentration should be chosen from the condition of ensuring the full range δ of charged particles in such a layer. In other words, the particle layer thickness should not be less than the mean free path of charged particles in the active material of the target.
В качестве активного материала может быть использован один из твердых литийсодержащих материалов, а в качестве заряженных частиц - протоны.One of the solid lithium-containing materials can be used as the active material, and protons as charged particles.
При этом концентрация активных частиц в рабочей зоне может быть выбрана равной 10-2-10-3, а средний размер частиц выбирают, как минимум, на порядок меньше величины пробега δ. При такой концентрации продуцирование нейтронов происходит в относительно тонком верхнем слое сечения мишени. В остальной части рабочей зоны будет происходить нагрев частиц потока за счет энергии торможения заряженных частиц в активном материале.In this case, the concentration of active particles in the working zone can be selected equal to 10 -2 -10 -3 , and the average particle size is chosen at least an order of magnitude less than the mileage δ. At this concentration, neutron production occurs in a relatively thin upper layer of the cross section of the target. In the rest of the working zone, flow particles will be heated due to the braking energy of charged particles in the active material.
В другом варианте толщину слоя частиц активного материала и его концентрацию выбирают из условия обеспечения пробега Δ заряженных частиц только в надкритической реакции. При этом необходимо стенку рабочей зоны в области выхода нейтронов охлаждать. Такое охлаждение необходимо, т.к. протоны выделяют свою энергию на всем пробеге и наиболее заметно в области т.н. пика Брэгга.In another embodiment, the thickness of the layer of particles of the active material and its concentration are selected from the condition of ensuring the path Δ of charged particles only in the supercritical reaction. In this case, it is necessary to cool the wall of the working zone in the neutron exit region. Such cooling is necessary because protons release their energy over the entire range and are most noticeable in the so-called Bragg peak.
Концентрацию частиц активного материала в этом случае целесообразно выбирать ~ 10-4 исходной плотности твердого материала, а средний размер частиц - примерно на порядок меньше величины надкритического пробега Δ.In this case, the concentration of particles of the active material is advisable to choose ~ 10 -4 of the initial density of the solid material, and the average particle size is approximately an order of magnitude less than the supercritical range Δ.
В следующем варианте исполнения толщину слоя частиц следует выбирать в К раз больше, где К=2-10, но при этом по толщине потока частиц активного материала в рабочей зоне прикладывают ускоряющее напряжение U=(К-1)·(1,91-1,88) МэВ. Это вызвано тем, что в увеличенном слое будет происходить в К раз больше столкновений частиц с энергией выше 1,88 МэВ с частицами активного материала и, как следствие, большие потери ими энергии, которые будут компенсироваться ускорением заряженных частиц в процессе их пролета через рабочую зону.In the next embodiment, the particle layer thickness should be chosen K times greater, where K = 2-10, but at the same time, an accelerating voltage U = (K-1) · (1.91-1 , 88) MeV. This is due to the fact that in the enlarged layer there will be K times more collisions of particles with energies above 1.88 MeV with particles of the active material and, as a result, their large energy losses, which will be compensated by the acceleration of charged particles during their passage through the working zone .
Обеспечить герметичное разделение канала потока частиц активного материала от канала подачи заряженных ускоренных частиц можно тонкой лентой из легкого металла с высокой теплоемкостью, которую перемещают перпендикулярно оси канала подачи в рабочую зону ускоренных заряженных частиц.Tight separation of the channel of the active material particle stream from the feed channel of charged accelerated particles can be ensured by a thin tape of light metal with high heat capacity, which is moved perpendicular to the axis of the feed channel into the working zone of accelerated charged particles.
Охлаждение стенки рабочей зоны в области выхода нейтронов можно осуществлять разными путями. Наиболее традиционный способ заключается в охлаждении потоком жидкой или газовой среды. В другом варианте охлаждение можно осуществлять путем перемещения относительно указанной стенки ленты, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, при этом перемещение производят перпендикулярно оси канала подачи ускоренных заряженных частиц. С помощью такой ленты производят утилизацию выделяемого тепла.The cooling of the wall of the working zone in the neutron exit region can be carried out in different ways. The most traditional method is cooling with a stream of liquid or gas medium. In another embodiment, the cooling can be carried out by moving relative to the specified wall of the tape made of a material with high thermal conductivity, while the movement is perpendicular to the axis of the feed channel of accelerated charged particles. Using such a tape, the heat generated is recycled.
Скорость потока частиц активного материала в рабочей зоне целесообразно выбирать в диапазоне 0,2-2,0 м/с.The flow rate of particles of the active material in the working area, it is advisable to choose in the range of 0.2-2.0 m / s
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Заявляемый способ иллюстрируется фигурами 1-10.The inventive method is illustrated by figures 1-10.
На фиг.1 приведена схема мишенного узла, реализующего способ с использованием гравитационной силы, на которой показаны:Figure 1 shows a diagram of a target site that implements a method using gravitational force, which shows:
1 - объем подачи активного материала;1 - the supply volume of the active material;
2 - тонкодисперсный активный материал (порошок LiH, Li2O, LiF и т.п.);2 - finely dispersed active material (powder LiH, Li 2 O, LiF, etc.);
3 - пучок заряженных частиц от ускорителя, например, протонов Р;3 - a beam of charged particles from the accelerator, for example, protons P;
4 - канал поступления заряженных частиц в рабочую зону;4 - channel for the arrival of charged particles in the working area;
5 - приемный объем;5 - receiving volume;
6 - поток разреженных частиц активного материала;6 - flow of rarefied particles of the active material;
7 - кран-дроссель;7 - throttle valve;
8 - узел вибрации объема подачи;8 - node vibration of the feed volume;
v - скорость перемещения частиц взвеси;v is the velocity of the suspension particles;
n - продуцируемые нейтроны.n are the produced neutrons.
На фиг.2 приведена схема мишенного узла, реализующего способ получения нейтронов с использованием истечения взвеси частиц в легком газе, где дополнительно к вышеприведенным позициям показаны:Figure 2 shows a diagram of a target site that implements a method for producing neutrons using a suspension of particles in a light gas, where in addition to the above positions are shown:
9 - объем формирования взвеси;9 - the volume of formation of the suspension;
10 - устройство формирования взвеси.10 - device for forming a suspension.
На фиг.3 приведена схема, иллюстрирующая эффект увеличения активной поверхности за счет наклонной стенки, где:Figure 3 shows a diagram illustrating the effect of increasing the active surface due to the inclined wall, where:
S0 - площадь стенки, перпендикулярной потоку заряженных частиц;S 0 is the area of the wall perpendicular to the flow of charged particles;
S1=S0/ sinα - площадь наклонной стенки.S 1 = S 0 / sinα is the area of the inclined wall.
На фиг.4 приведена схема, иллюстрирующая эффект наклонной стенки в объеме пылевидной взвеси, где:Figure 4 is a diagram illustrating the effect of an inclined wall in the volume of a dust suspension, where:
Δ - размер частиц взвеси 11;Δ is the particle size of the
а - расстояние между частицами.and - the distance between the particles.
На фиг.5 показан условный пример пролета протона с энергией 1,91 МэВ через три частицы активного материала в надкритической реакции.Figure 5 shows a conditional example of the flight of a proton with an energy of 1.91 MeV through three particles of active material in a supercritical reaction.
На фиг.6 - схема полного торможения потока заряженных частиц в потоке 6 разреженных частиц активного материала, где:Figure 6 - diagram of the complete braking of the flow of charged particles in the
δ - полный пробег протонов;δ is the total range of protons;
m - число условных слоев в полном пробеге протонов δ;m is the number of conditional layers in the full range of protons δ;
а·m - размер пробега протонов в надкритической реакции.and m is the proton mean free path in the supercritical reaction.
На фиг.7 приведена схема рабочей зоны с глубиной канала перемещения взвеси, несколько большей надкритического пробега заряженных частиц, где:Figure 7 shows a diagram of the working area with a depth of the channel for moving the suspension, slightly larger than the supercritical range of charged particles, where:
12 - канал перемещения разреженной взвеси;12 - channel for moving a rarefied suspension;
13 - канал охлаждения;13 - cooling channel;
Vж - скорость перемещения охлаждающей жидкости.Vzh - the speed of movement of the coolant.
На фиг.8 схематически показано перекрытие канала перемещения взвеси от объема канала поступления заряженных частиц тонкой лентой, перемещающейся перпендикулярно оси указанного канала, где 14 - лента из фольги легкого металла (Al, Be), перематываемая с барабана на барабан.Fig. 8 schematically shows the overlap of the suspension displacement channel from the volume of the channel for the arrival of charged particles with a thin tape moving perpendicular to the axis of the specified channel, where 14 is a light metal foil tape (Al, Be) rewound from drum to drum.
На фиг.9 показана схема канала перемещения взвеси с нагревом дополнительной ленты, аккумулирующей остаточную тепловую энергию потока заряженных частиц, где 15 - лента из материала с большой теплоемкостью, перематываемая с барабана на барабан.Figure 9 shows a diagram of the suspension moving channel with heating of an additional tape, accumulating residual thermal energy of the flow of charged particles, where 15 is a tape of material with high heat capacity, rewound from drum to drum.
На фиг.10 показана схема канала для перемещения потока взвеси, глубина которого равна нескольким надкритическим пробегам К а·m, а по глубине прикладывается ускоряющее напряжение, равное (К-1)·ΔЕ, где ΔЕ - надкритическая потеря энергии протонов (ΔЕ=1,91 МэВ - 1,88 МэВ=0,03 МэВ).Figure 10 shows a diagram of the channel for moving the suspension flow, the depth of which is several supercritical ranges K a · m, and an accelerating voltage equal to (K-1) · ΔЕ is applied in depth, where ΔЕ is the supercritical loss of proton energy (ΔЕ = 1 , 91 MeV - 1.88 MeV = 0.03 MeV).
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
В объеме 1 (фиг.1) или 6 (фиг.2) подачи активного материала размещают определенное количество активного материала в виде тонкодисперсного порошка твердого материала. Это может быть литийсодержащий материал: гидрид лития LiH, оксид лития Li2O или фторид лития LiF. В этом случае при бомбардировке протонами происходит ядерная реакция 7Li(р, n)7Ве. В другом случае в качестве активного материала может быть использован бериллий (реакция 9Be(p, n)10Be). Возможно использование также других активных материалов.In the volume 1 (Fig. 1) or 6 (Fig. 2) of the active material supply, a certain amount of active material is placed in the form of a fine powder of solid material. It can be a lithium-containing material: lithium hydride LiH, lithium oxide Li 2 O or lithium fluoride LiF. In this case, with proton bombardment, a nuclear reaction of 7 Li (p, n) 7 Be occurs. In another case, beryllium can be used as the active material (reaction 9 Be (p, n) 10 Be). It is also possible to use other active materials.
Из объема 1 или 6 сыпучий активный материал в форме плоской разреженной стенки определенной толщины с заданной скоростью перемещают в приемный объем. В простейшем случае такое устройство можно выполнить по аналогии с песочными часами, когда перемещение активного материала происходит под действием гравитационных сил (фиг.1). Открывают кран 7 с дросселем и формирователем сечения потока частиц, после чего подают поток Р заряженных частиц. Например, для НЗТ необходим следующий режим: энергия протонов Е0=1,91 МэВ, диаметр пучка - 50 мм, ток - 10 мА, длительность - 500 с. Для утилизации ~ 10 мДж тепловой энергии, возникающей при нагреве на 500°С, достаточно 5-6 кг порошка гидрида лития. Расход порошка при этом составит около 10 г/с. Если задаться глубиной канала взвеси δ=5 мм, то концентрация частиц активного материала по центру пятна будет равна 10-2, а скорость их перемещения ~0,4 м/с. При среднем размере частиц, равном 1 мкм, поток частиц будет состоять из 50 слоев.From
Для надежной и повторяемой процедуры целесообразно воздействовать на объем подачи активного материала вибрацией от простого внешнего устройства.For a reliable and repeatable procedure, it is advisable to influence the volume of supply of the active material by vibration from a simple external device.
В другом варианте (фиг.2) активный материал предварительно располагается в среде легкого газа, например в водороде или гелии, с небольшим остаточным давлением 10-100 мм рт.ст. При этом объем 9 подачи на порядок больше объема активного материала 2 (если активного материала, к примеру, 5 л, то объем подачи должен быть >50 л. Далее включается устройство 9 формирования взвеси в объеме, в простейшем случае - вентилятор. При этом концентрация взвеси в объеме 9 подачи составит 10-1. Если открыть кран 7 с дросселем и формирователем сечения, то под действием перепада давлений (в объеме подачи P1=100 мм рт.ст., в объеме приема, который много больше объема подачи, Р2=1 мм рт.ст.) в канале рабочей зоны 6 сформируется поток частиц, из которых протоны Р начнут выбивать эпитепловые нейтроны n. Режимы и параметры в этом варианте аналогичны примеру, рассмотренному выше.In another embodiment (FIG. 2), the active material is preliminarily placed in a light gas medium, for example, in hydrogen or helium, with a small residual pressure of 10-100 mm Hg. Moreover, the
Использование наклонной рабочей поверхности активного материала по отношению к направлению потока заряженных частиц известно. Упрощенная схема такого решения показана на фиг.3. Если, к примеру, сечение канала поступления заряженных частиц, в нашем случае - протонопровода, составляет 50 мм, а рабочая поверхность при этом ~20 см2, то наклон рабочей поверхности на угол α=30° вдвое увеличивает поверхность и, как следствие, удельная тепловая нагрузка снижается с 1 кВт/см2 до 0,5 кВт/см2, а это существенно.The use of an inclined working surface of the active material with respect to the direction of flow of charged particles is known. A simplified diagram of such a solution is shown in FIG. 3. If, for example, the cross section of the channel for the arrival of charged particles, in our case, the proton conduit, is 50 mm, and the working surface is ~ 20 cm 2 , then the slope of the working surface by an angle α = 30 ° doubles the surface and, as a result, the specific thermal load decreases from 1 kW / cm 2 to 0.5 kW / cm 2 , and this is significant.
При использовании в качестве рабочего материала взвеси многократно увеличивается рабочая поверхность активного материала.When used as a working material, the suspension increases the working surface of the active material many times.
Несложно показать (см. фиг.4), что при концентрации, составляющей 10-3 от исходной, а/Δ=10, и поверхность активного материала также увеличивается более чем на порядок. Если выбрать размер частиц взвеси меньше величины пробега (см. фиг.5), то эту величину следует умножить на число слоев, укладывающихся в пробеге (для фиг.5 это число составляет 3).It is easy to show (see Fig. 4) that at a concentration of 10 −3 of the initial one, and / Δ = 10, the surface of the active material also increases by more than an order of magnitude. If you select a particle size of the suspension is less than the mileage (see figure 5), then this value should be multiplied by the number of layers that fit in the mileage (for figure 5 this number is 3).
В наиболее простом для реализации и рассмотрения случае вся энергия пучка заряженных частиц утилизируется в потоке разреженных частиц активного материала. Сечение по потоку при этом показано на фиг.6. Протоны полностью тормозятся на глубине δ. На приповерхностной глубине "а·m" происходит надкритическая реакция (формируются нейтроны).In the simplest case for implementation and consideration, all the energy of a beam of charged particles is utilized in a stream of rarefied particles of active material. The flow cross section is shown in Fig.6. Protons are completely inhibited at a depth of δ. At the near-surface depth "a · m", a supercritical reaction occurs (neutrons are formed).
В таблице для анализа реакции 7Li(р, n)7Ве представлены характеристики некоторых активных литийсодержащих материалов.The table for the analysis of the reaction of 7 Li (p, n) 7 Be shows the characteristics of some active lithium-containing materials.
По комплексу теплофизических, технологических свойств и стоимости наиболее подходящим материалом для реализации способа является оксид лития.According to the complex of thermophysical, technological properties and cost, the most suitable material for implementing the method is lithium oxide.
Зададимся перегревом Li2O, равным 500°С. При этом потребуется для вышеоговоренного режима НЗТ около 8 кг или примерно 4 л порошка.Let us set the overheating of Li 2 O equal to 500 ° C. At the same time, about 8 kg or about 4 l of powder will be required for the above NCT regimen.
Необходимо будет выполнить следующие требования:The following requirements will need to be met:
- средний размер зерен <0,63 мкм, выбираем 0,5 мкм,- average grain size <0.63 μm, select 0.5 μm,
- расход порошка 8000/500=16 г/с,- powder consumption 8000/500 = 16 g / s,
- концентрация 10-2 (плотность 2,01 кг/м3), при глубине канала 5 мм это соответствует средней скорости перемещения порошка в рабочем объеме ~0,5 м/с.- concentration 10 -2 (density 2.01 kg / m 3 ), with a channel depth of 5 mm this corresponds to an average velocity of the powder in the working volume of ~ 0.5 m / s.
Возможно использование известной системы охлаждения, например охлаждение задней стенки канала потоком жидкости или газа (фиг.7).You can use the known cooling system, for example, cooling the rear wall of the channel with a stream of liquid or gas (Fig.7).
При этом можно резко снизить количество и расход реакционного материала Li2O и использовать его только для надкритической реакции. Зададимся средним размером зерна порошка 0,2 мкм (три надкритических пробега, m=3), возьмем прежнее сечение канала истечения 5×50 мм. Теперь при вышеуказанных режимах расход порошка будет в ~60 раз меньше и потребуется только 125 г порошка (или ~60 см3).In this case, one can drastically reduce the amount and consumption of the reaction material Li 2 O and use it only for a supercritical reaction. We set the average grain size of the powder of 0.2 μm (three supercritical paths, m = 3), take the previous cross section of the
Разделение объемов канала взвеси и протонопровода можно реализовать с использованием перемещающейся по окну протонопровода тонкой ленты из легких металлов (бериллий, алюминий), перематываемой с барабана на барабан. При этом необходимо поднять энергию протонов на величину потерь, которая в ленте из бериллия толщиной 10 мкм составит ~20 кэВ. Потребуется всего лишь 300 г ленты шириной 60 мм.The separation of the volumes of the suspension channel and the proton conduit can be realized using a thin tape of light metals (beryllium, aluminum) moving along the proton conduit window, rewound from drum to drum. In this case, it is necessary to raise the proton energy by the amount of loss, which in the beryllium tape with a thickness of 10 μm will be ~ 20 keV. Only 300 g of tape 60 mm wide is required.
Аналогичное решение можно использовать также взамен традиционного охлаждения противоположной стенки для аккумулирования тепловой энергии. При этом ленту толщиной 0,3-0,5 мм из бериллия или алюминия (фиг.9) перематывают с барабана на барабан со скоростью V1 вдоль противоположной стенки канала перемещения взвеси. Поскольку материал ленты обладает высокой теплоемкостью, она будет эффективно аккумулировать тепло, выделяемое при торможении заряженных частиц. Однако в этом случае такой ленты из алюминия потребуется уже около 10 кг.A similar solution can also be used instead of traditional cooling of the opposite wall to store thermal energy. In this case, a tape with a thickness of 0.3-0.5 mm from beryllium or aluminum (Fig. 9) is rewound from drum to drum with a speed of V 1 along the opposite wall of the suspension moving channel. Since the material of the tape has a high heat capacity, it will effectively accumulate the heat released during braking of charged particles. However, in this case, such an aluminum tape will need about 10 kg.
Наконец, можно в К раз при тех же исходных режимах увеличить выход нейтронов (фиг.10), если увеличить слой надкритического пробега в К раз и приложить по вектору протонного потока в рабочей зоне взвеси ускоряющее напряжение, равное (К-1)·(1,91-1,88) МэВ. При этом потерявшие энергию протоны, ускорившись, снова будут способны вступить в ядерную реакцию, сечение которой как бы увеличится в К раз.Finally, it is possible to increase the neutron yield by a factor of K under the same initial conditions (Fig. 10) by increasing the supercritical path layer by a factor of K and applying an accelerating voltage of (K-1) · (1 , 91-1.88) MeV. In this case, the protons that have lost energy, having accelerated, will again be able to enter into a nuclear reaction, the cross section of which will increase by a factor of K.
Промышленная применимость.Industrial applicability.
С помощью заявляемого способа могут быть созданы нейтронопродуцирующие мишенные узлы для использования в нейтронозахватной терапии. Проведенные расчеты и эксперименты показали, что создание такого узла может быть осуществлено с использованием существующих на сегодняшний день технологий. Использование иного агрегатного состояния активного материала обеспечивает упрощение и удешевление получения нейтронов для использования в медицинских целях.Using the proposed method can be created neutron-producing target sites for use in neutron capture therapy. The calculations and experiments showed that the creation of such a node can be carried out using existing technologies. The use of a different state of aggregation of the active material provides the simplification and cheapening of the production of neutrons for medical use.
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003129858/06A RU2282909C2 (en) | 2003-10-07 | 2003-10-07 | Neutron production method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003129858/06A RU2282909C2 (en) | 2003-10-07 | 2003-10-07 | Neutron production method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003129858A RU2003129858A (en) | 2005-03-27 |
RU2282909C2 true RU2282909C2 (en) | 2006-08-27 |
Family
ID=35560302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003129858/06A RU2282909C2 (en) | 2003-10-07 | 2003-10-07 | Neutron production method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2282909C2 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103533740A (en) * | 2013-03-04 | 2014-01-22 | 中国科学院近代物理研究所 | Target device for neutron generating device, accelerator-driven neutron generating device and beam coupling method of accelerator-driven neutron generating device |
CN105142325A (en) * | 2015-09-11 | 2015-12-09 | 中国科学院近代物理研究所 | A target system for a neutron production system and the neutron production system |
CN105682335A (en) * | 2016-03-28 | 2016-06-15 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system provided with target system for generating neutrons and/or neutrinos |
CN105722296A (en) * | 2016-03-28 | 2016-06-29 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system provided with same and used for generating neutrons and/or neutrinos |
CN105828513A (en) * | 2016-03-28 | 2016-08-03 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system with the target system for generation of neutrons and/or neutrinos |
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 |
RU2644390C2 (en) * | 2012-07-13 | 2018-02-12 | Ягами Ко., Лтд. | Target for neutron-generating device and method for its manufacturing |
RU2682972C1 (en) * | 2015-05-04 | 2019-03-25 | Неуборон Медтек Лтд. | Applied in the neutron capture therapy beam formation element |
US10645792B2 (en) | 2013-03-04 | 2020-05-05 | Institute Of Modern Physics, Chinese Academy Of Sciences | Target device for neutron generating device, accelerator-excited neutron generating device and beam coupling method thereof |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2515523C1 (en) * | 2012-12-05 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Method to produce beam of monoenergetic neutrons, device for production of beam of monoenergetic neutrons and method to calibrate detector of dark matter with using of beam of monoenergetic neutrons |
-
2003
- 2003-10-07 RU RU2003129858/06A patent/RU2282909C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (15)
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 |
US10470289B2 (en) | 2012-07-13 | 2019-11-05 | Yagami Co., Ltd. | Target for neutron-generating device and manufacturing method therefor |
RU2644390C2 (en) * | 2012-07-13 | 2018-02-12 | Ягами Ко., Лтд. | Target for neutron-generating device and method for its manufacturing |
CN103533740B (en) * | 2013-03-04 | 2016-01-27 | 中国科学院近代物理研究所 | For the target assembly of neutron generation device, the neutron generation device of Accelerator driven and line coupling process thereof |
CN103533740A (en) * | 2013-03-04 | 2014-01-22 | 中国科学院近代物理研究所 | Target device for neutron generating device, accelerator-driven neutron generating device and beam coupling method of accelerator-driven neutron generating device |
US10645792B2 (en) | 2013-03-04 | 2020-05-05 | Institute Of Modern Physics, Chinese Academy Of Sciences | Target device for neutron generating device, accelerator-excited neutron generating device and beam coupling method thereof |
RU2682972C1 (en) * | 2015-05-04 | 2019-03-25 | Неуборон Медтек Лтд. | Applied in the neutron capture therapy beam formation element |
CN105142325A (en) * | 2015-09-11 | 2015-12-09 | 中国科学院近代物理研究所 | A target system for a neutron production system and the neutron production system |
CN105142325B (en) * | 2015-09-11 | 2017-10-27 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and neutron generation system for neutron generation system |
CN105682335A (en) * | 2016-03-28 | 2016-06-15 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system provided with target system for generating neutrons and/or neutrinos |
CN105722296B (en) * | 2016-03-28 | 2018-09-21 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and the system for generating neutron and/or neutrino with target system |
CN105828513B (en) * | 2016-03-28 | 2019-04-12 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and the system for generating neutron and/or neutrino with target system |
CN105682335B (en) * | 2016-03-28 | 2019-09-27 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and the system for generating neutron and/or neutrino with target system |
CN105828513A (en) * | 2016-03-28 | 2016-08-03 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system with the target system for generation of neutrons and/or neutrinos |
CN105722296A (en) * | 2016-03-28 | 2016-06-29 | 中国科学院近代物理研究所 | Target system and system provided with same and used for generating neutrons and/or neutrinos |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003129858A (en) | 2005-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6592135B2 (en) | Beam shaping assembly for neutron capture therapy | |
CN108042930B (en) | Beam shaping body for neutron capture therapy | |
JP2023002608A (en) | Beam shaper for neutron capture therapy | |
CN107661577B (en) | Beam shaping body for neutron capture therapy | |
RU2717363C1 (en) | Beam forming unit for neutron capture therapy | |
WO2019114307A1 (en) | Neutron capture therapy system | |
EP1895819A1 (en) | Neutron generating device for boron neutron capture therapy | |
CN109568809B (en) | Neutron retarding material | |
JP6722281B2 (en) | Beam shaper used for neutron capture therapy | |
Taskaev | Development of an accelerator-based epithermal neutron source for boron neutron capture therapy | |
JP2007242422A (en) | Neutron generator and neutron irradiation system | |
EP3777976A1 (en) | Neutron capture therapy system and target for particle beam generating device | |
JP2020519420A (en) | Neutron capture therapy system | |
RU2282909C2 (en) | Neutron production method | |
JP2007240330A (en) | Neutron generator and neutron irradiation system | |
CN108926781B (en) | Neutron capture treatment system and target for particle beam generating device | |
CN219481344U (en) | Neutron capture therapy system | |
RU2282908C2 (en) | Neutron-producing target assembly | |
RU2540124C2 (en) | System for generating neutron beam | |
CN109925610B (en) | Neutron capture therapy system | |
CN109925606B (en) | Neutron capture therapy system | |
RU2326513C2 (en) | Neutron-producing target assembly | |
RU2610301C1 (en) | Neutron-generating target | |
CN108926782B (en) | Target for neutron ray generating device and neutron capturing treatment system | |
RU2722965C1 (en) | Method of producing epithermal neutron beam |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201008 |