3.3 Источники нейтронов

3.3 Источники нейтронов

Нейтронные источники из калифорния-252 успешно применяются для нейтронной терапии до сих пор. (Подробнее см. курс лекций «Ядерная индустрия». Другой класс ИИИ базируется на атомных реакторах, являющихся источников нейтронов и гамма-излучений (как постоянных, так и импульсных) Ядерные реакторы достаточно широко используются для терапии злокачественных новообразований. Создан широкий набор тест-систем и получены радиобиологические характеристики плотноионизирующих, комбинированных, смешанных радиационных воздействий, осуществлено формирование, исследование и внедрение в практику новых полей и пучков гамма-нейтронного и нейтронного излучений для медико-биологических целей. Усовершенствованы расчетно-теоретические модели для описания радиобиологических эффектов и планирования лучевой терапии. В России импульсное нейтронное излучение (в том числе со сверхвысокими мощностями доз) для медицинских целях добывается на реакторе БАРС-6, а метод нейтрон-захватной терапии осуществляют на реакторе БР-10, дающем быстрые нейтроны.

Источник эпитепловых нейтронов

В последние годы в онкологии стала распространяться идея использования пучка питепловых (0,5 эВ<En<10 кэВ) нейтронов для реализации методов нейтронозахватной терапии рака в клинике. Основными элементами установки для подобной терапии является ускоритель протонов до энергии 3 МэВ и нейтроногенерирующая мишень ускорительного источника нейтронов.

Для ускорительных источников эпитепловых нейтронов, рассматриваются четыре реакции: 7Li(p,n), 9Be(p,n), 9Be(d,n) и 13C(d,n). В Табл. 3 приведены основные характеристики этих реакций и свойства мишени.

Табл. 3. Ядерные реакции – источники тепловых нейтронов.

Реакция Энергия заряж. частиц, МэВ Выход нейтронов при 10 мА, c-1 Средняя энергия нейтронов в 0 град., МэВ Макс. энергия нейтронов, МэВ Температура плавления, °С Коэфф. теплопроводности, Вт/(м K)
7Li(p,n) 2,5 8,9·1012 0,55 0,786 181 71
1,915 2,9·1011 0,04 0,113
9Be(p,n) 4,0 10·1012 1,06 2,12 1287 201
9Be(d,n) 1,5 2,1·1012 2,01 5,81
13C(d,n) 1,5 1,8·1012 1,08 6,77 3550 230

Наилучшей реакцией генерации эпитепловых нейтронов является бомбардирование протонов по литию: поток нейтронов большой и энергетический спектр сравнительно мягкий. Однако механические, химические и тепловые свойства лития плохие. Альтернативные мишени из бериллия-9 и углерода-13 позволяют преодолеть трудности в изготовлении мишени и ее охлаждении, однако для достижения сравнимого потока нейтронов из мишени требуются более мощные пучки. Более того, замедление генерируемых из этих мишеней более энергетичных нейтронов до эпитепловых энергий требует использования более протяженных модераторов, а потому еще более мощных пучков, компенсирующих уменьшение потока эпитепловых нейтронов в области терапии. Поэтому самой перспективной считается литиевая мишень.

При выборе мишени необходимо учитывать такие факторы как:

  1. Для нейтронозахватной терапии идеален энергетический спектр, в котором отсутствуют нейтроны с энергией ниже 0,5 эВ и выше 10 кэВ. Важно и отсутствие g-излучения;
  2. Реакция 7Li(p,n)7Be является наилучшей для генерации эпитепловых нейтронов, однако литий имеет низкую температуру плавления, плохую теплопроводность и высокую химическую активность;
  3. Каждый акт рождения нейтрона в результате реакции 7Li(p,n)7Be сопровождается появлением радиоактивного ядра изотопа бериллия. Генерация нейтронов в течение нескольких часов уже может приводить к наведенной активности, препятствующей простому обращению с мишенью;
  4. Неупругое рассеяние протонов на ядрах лития приводит к излучению g-квантов энергией 0,477 МэВ. В случае, если протоны полностью поглощаются в слое лития, поток g-квантов сравним с потоком нейтронов и даже может его превосходить. Существенного понижения этого паразитного потока g-квантов можно достичь созданием литиевого слоя такой толщины, чтобы при прохождении этого слоя энергия протонов уменьшалась только до 1,882 МэВ – энергии порога реакции генерации нейтронов. Дальнейшее поглощение протонов должно осуществляться в веществе (например, в фольфраме), в котором упругое рассеяние протонов не приводит к излучению g-квантов;
  5. При имплантации 2 МэВ-ных протонов в твердые тела поверхностный слой может деформироваться вплоть до образования блистеров и отслаивания чешуек. Появление развитой поверхности мишени может не только приводить к усиленному испарению лития из-за уменьшения теплопроводности, но и вообще делать мишень непригодной. Оцениваемая доза по блистерингу достигается за время, сравнимое со временем планируемого облучения (около 10 мин);
  6. Чистый литий более эффективен для генерации нейтронов по сравнению с гидридом, оксидом, нитридом или фторидом лития, обладает более высоким коэффициентом теплопроводности, однако имеет несравненно меньшую температуру плавления и потому требует эффективного теплосъема при желательно более низкой температуре литиевого слоя. Возможно использование мишени с жидким литиевым слоем, однако существенное испарение лития повлечет за собой не только снижение высоковольтной электрической прочности из-за поступления паров лития, но и распространение возникающего радиоактивного изотопа бериллия по всей установке.

Оптимальной мишенью для сооружаемого источника нейтронов является неподвижная мишень с интенсивным жидкостным охлаждением.

Реакция 7Li(p,n)7Be является пороговой и характеризуется быстрым ростом сечения реакции вблизи порога. Это свойство позволяет рассматривать дополнительную возможность работы в припороговом режиме, когда энергия протонов превышает на 30 – 40 кэВ порог реакции 1,882 МэВ. В этом случае кинематически коллимированный вперед нейтронный пучок со средней энергией 30 кэВ может быть прямо использован для нейтронозахватной терапии. Поэтому для генерации нейтронов следует использовать реакцию 7Li(p,n)7Be при энергии протонного пучка 1,915 или 2,5 МэВ.

Чистый литий более эффективен для генерации нейтронов по сравнению с гидридом, оксидом, нитридом или фторидом лития и обладает более высоким коэффициентом теплопроводности, однако имеет несравненно меньшую температуру плавления и потому требует эффективного теплосъема при желательно более низкой температуре литиевого слоя. Возможно использование мишени с жидким литиевым слоем, однако существенное испарение лития повлечет за собой не только снижение высоковольтной электрической прочности из-за поступления паров лития, но и распространение возникающего радиоактивного изотопа бериллия по всей установке.

Каждый акт рождения нейтрона в результате реакции 7Li(p,n)7Be сопровождается появлением радиоактивного ядра изотопа бериллия. Изотоп бериллия 7Be в результате захвата орбитального электрона с периодом полураспада в 53,6 дня превращается в стабильный изотоп лития 7Li. В 89,7 % случаев распад идет без излучения, а в 10,3 % — с испусканием g-кванта энергией 0,477 МэВ. Поскольку изотоп 7Be локализован только в литиевом слое приемника пучка, то в тот момент, когда наведенная активность 7Be приближается к 109 Бк, генерация нейтронов прекращается, установка выключается, приемник пучка снимается с установки, помещается в свинцовый ящик и переносится в удаленный отстойник.

Мишень представляет собой тонкий металлический диск диаметром 10 см, на который со стороны протонного пучка напыляется тонкий слой чистого твердого лития, а обратная сторона диска интенсивно охлаждается турбулентным потоком воды. Такая простая и легко заменяемая мишень позволяет решить проблему блистеринга и наведенной активности. Для обеспечения однородного температурного поля на поверхности мишени желательно иметь однородный протонный пучок диаметром 10 см, что может быть осуществлено разверткой протонного пучка меньшего размера по всей мишени. Развертка с частотой более 100 Гц является приемлемой для того, чтобы максимальная температура слоя не превышала температуру плавления лития и флуктуации температуры были незначительны.