Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка компактного нейтронного источника высокой интенсивности для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний

Докладчик: Скалыга Вадим Александрович

Должность: заведующий лабораторией

Цель проекта:
Целью выполнения проекта является создание необходимого научно-технического задела для разработки технологии создания компактных нейтронных источников с высокой интенсивностью, достаточной для успешного их использования в медицинских приложениях, а именно для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний.

Основные планируемые результаты проекта:
На первом этапе исследований будет проведен обзор современной научно-технической литературы,
затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта, а также патентные
исследования. Для успешного проведения ПНИ будут разработаны программы и методики
исследовательских испытаний макета компактного нейтронного источника. Также будут начаты
разработки основных составляющих макета. На первом этапе будут разработаны вакуумная система и
система ввода СВЧ излучения макета компактного нейтронного источника. Для этого будут проведены
соответствующие теоретические исследования и выполнены необходимые оценки. Также на первом этапе
индустриальным партнером будут начаты работы по модернизации гиротрона с частотой 75 ГГц с целью
повышения его мощности до уровня 200 кВт и адаптации его к работе в условиях имеющегося
гиротронного комплекса. Для этого на первом этапе будет разработан новый катодный узел.
На втором этапе основные работы будут связаны с теоретическими исследованиями, направленными на
разработку соленоидов магнитной ловушки, системы формирования ионного пучка и системы
высоковольтной изоляции макета компактного нейтронного источника. Разработка магнитной системы
позволит в дальнейшем проводить экспериментальные исследования и исследовательские испытания
нейтронного источника при использовании для нагрева плазмы в магнитной ловушке излучения
гиротронов с частотами как 37,5 ГГц, так и 75 ГГц в условиях электронного циклотронного резонанса.
Высокие частоты и мощности СВЧ излучения позволят создавать потоки плазмы из магнитной ловушки с
рекордными плотностями, что необходимо для достижения тока пучка ионов дейтерия на уровне сотен
миллиампер и, соответственно, заявленного нейтронного выхода из нейтронного источника. Разработка
специальной системы формирования ионного пучка, рассчитанной на работу в условиях столь высокой
плотности падающего плазменного потока, позволит экстрагировать пучки ионов дейтерия с током до 500
мА. Для успешного достижения этого результата необходимо использовать высокое напряжение,
приложенное к системе формирования ионного пучка на уровне 80 – 100 кВ. Достижение таких значений
возможно только при разработке специализированной системы высоковольтной изоляции макета
компактного нейтронного источника.
На третьем этапе все основные разработанные ранее системы будут использованы для сборки макета
компактного нейтронного источника. После этого будут проведены предварительные экспериментальные
исследования с использованием для нагрева плазмы СВЧ излучения гиротрона с частотой 37,5 ГГц. В
первую очередь будут исследованы параметры плазмы, создаваемой в магнитной ловушке ионного
источника, являющегося основным элементом нейтронного источника. Это необходимо для определения
оптимальных параметров для формирования пучка ионов дейтерия с максимально возможным током.
После чего будут выполнены исследования параметров непосредственно самого ионного пучка. Будут
найдены условия, в которых будет возможно достижение тока 300 мА. Заключительными исследования
третьего этапа станут эксперименты по генерации нейтронного потока в условиях бомбардировки
нейтронобразующей мишени полученными ионными пучками, ускоренными до энергий в диапазоне 60 –
100 кВ. В ходе этого же этапа индустриальным партнером будет реализована модернизация имеющегося
криомагнита, нацеленная на повышение максимально возможного магнитного поля в нем до уровня
достаточно для обеспечения работоспособности гиротрона с частотой 75 ГГц.
На четвертом этапе исследований будут выполнены основные экспериментальные исследования с
использованием для нагрева плазмы излучения гиротрона с частотой 75 ГГц и мощностью до 200 кВт. Это
станет возможно благодаря работам индустриального партнера по модернизации имеющегося
гиротронного стенда для работы с таким генератором СВЧ излучения. В ходе экспериментальных
исследований будут получены результаты аналогичные заявленным на этапе 3, но при использовании
излучения с частотой 75 ГГц. Будет реализована генерация пучков дейтерия с током до 500 мА.
Использование таких пучков, ускоренных до энергии 100 кВ, позволит реализовать интенсивность
нейтронного потока на выходе нейтронного источника не ниже 10^10 нейтронов в секунду через
квадратный сантиметр. Данный результат будет рекордным для компактных нейтронных источников, не
использующих для своей работы ядерных реакторов и крупных ускорителей.
На заключительном этапе ПНИ будут проведены исследовательские испытания разрабатываемого макета
компактного нейтронного источника и определено соответствие его характеристик требованиям ТЗ. Будет
выполнено обобщение результатов и подведение итогов проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты исследований будут способствовать существенному прогрессу в области лечения
онкологических заболеваний. В ходе работ будет создан макет компактного нейтронного источника. После
этого станет возможна разработка и создание прототипа компактных, недорогих и эффективных
источников нейтронов, пригодных для размещения в клиниках. Результаты смогут быть использованы для
постановки НИР и ОКР и в дальнейшем для создания принципиального нового продукта, не имеющего
аналогов, как в России, так и во всем мире. Источник нейтронов, который может быть создан в ходе
дальнейшей работы, позволит существенно удешевить методику лечения онкологических заболеваний с
использованием бор-нейтронозахватной терапии, обеспечит возможность безопасного размещения таких
систем в уже существующих клиниках, что принципиально повысит доступность данного метода лечения.
После проведения клинических испытаний и принятия необходимых протоколов лечения такие
нейтронные источники смогут использоваться в клиниках по всему миру для лечения заболеваний, в
случае которых другие существующие методы малоэффективны. Количество организаций, в которых
будет целесообразна установка подобного оборудования, составляет как минимум несколько сотен.
Каждая установка такого типа сможет обслуживать до 1000 пациентов в год.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-
техническую проблему, исследуемую в рамках проекта.
2. Проведены патентные исследования.
3. Разработана вакуумная система макета компактного нейтронного источника.
4. Разработана система ввода СВЧ излучения макета компактного нейтронного источника.
5. Разработан и модернизирован катодный узел гиротрона.
6. Разработана программы и методики исследовательских испытаний макета компактного нейтронного источника.