Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.604.21.0065

Руководитель: Скалыга Вадим Александрович

Должность: заведующий лабораторией

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нейтронный источник, лучевая терапия, бор-нейтронозахватная терапия онкологических заболеваний, квазигазодинамический источник ионов дейтерия, гиротрон

Цель проекта:
Разработка основных систем, создание и исследовательские испытания макета компактного нейтронного источника высокой интенсивности 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Для широкого внедрения методики бор-нейтронозахватной терапии в клиническую практику необходимы еще более компактные и недорогие источники эпитепловых нейтронов. Наиболее перспективными представляются источники, использующие для генерации нейтронов дейтерий-дейтериевую реакцию (D-D реакция), протекающую в результате бомбардировки мишени, насыщенной дейтерием, интенсивными потоками ядер дейтерия. В результате реакции между ядрами дейтерия с вероятностью около 50% образуется третий изотоп гелия и нейтрон с
энергией 2,5 МэВ. Существенным преимуществом такой реакции является ее эффективность при достаточно низких энергиях (десятки кэВ), а также отсутствие необходимости использования радиоактивных веществ. В настоящее время уже существуют источники нейтронов на дейтерий-
дейтериевой реакции. Такие устройства состоят из генератора ионов дейтерия (дейтронов), и нейтронообразующей мишени, обычно изготовленной из дейтрида титана. Генерируемый ионным источников поток дейтронов, имеющий плотность на уровне 1 - 10 мА/см2, ускоряется до энергии порядка 100 кэВ и направляется на мишень, в которой и происходит ядерная реакция с испусканием нейтронов.
Однако при таком потоке дейтронов на мишень плотность выхода нейтронов составляет величину на уровне 10^8 см-2с-1. Энергия нейтронов в этом случае составляет 2,5 МэВ и для использования этого потока в терапии его необходимо замедлять и коллимировать, что приведет к снижению интенсивности примерно на порядок. Т.о. такие источники не могут на сегодняшний день удовлетворить требованиям
БНЗТ. Использование в схеме нейтронного источника на D-D реакции более производительного источника дейтронов на основе плотной плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, должно позволить существенно повысить интенсивность потока нейтронов на выходе источника. Сильноточные ЭЦР источники ионов с нагревом плазмы мощным
миллиметровым излучением гиротронов с частотой 37 ГГц и выше были разработаны в Институте прикладной физики РАН и на сегодняшний день не имеют аналогов в мире. Такие системы позволяют создавать плазму с уникальными параметрами: Ne > 10^13 см-3, Te ~ 300 эВ, Ti ~ 1 эВ. Плотность потока плазмы через пробки магнитной ловушки в таком источнике ионов может достигать 10 А/см2.
Использование уникально большой эмиссионной способности представляется перспективным для формирование плотных ускоренных потоков дейтронов для нейтронных источников на основе D-D реакции, интенсивность нейтронного выхода в которых по оценкам может достичь уровня порядка 10^9-10^11 с-1•см-2. В ранее проведенных в ИПФ РАН экспериментах уже была продемонстрирована возможность генерации нейтронных потоков с интенсивностью 10^9 с-1•см-2 с использованием такого подхода. Однако в тех экспериментах использовались ионные пучки с током до 200 мА и энергией не более 45 кэВ. В рамках предлагаемого проекта предполагается создание макета компактного нейтронного источника, использующего сильноточный ЭЦР источник ионов дейтерия, с током пучка до 500 мА и энергией до 100 кэВ. Такие параметры позволят более чем на порядок улучшить ранее полученный результат и реализовать генерацию нейтронных потоков с интенсивностью не менее 10^10 с-1•см-2. Как уже упоминалось, такие интенсивности нейтронного потока в настоящее время доступны лишь на ядерных реакторах и крупных ускорителях. Создание нового класса компактных и относительно недорогих источников нейтронов позволит существенно расширить возможности для проведения крайне перспективных исследований в различных областях науки, в том числе в области медицины.

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.
Прямыми потребителями ожидаемых результатов являются компании производители медицинского оборудования для лучевой терапии, а также научно-исследовательские центры по всему миру, занимающиеся разработками в области бор-нейтронозахватной терапии (более 100). При сотрудничестве с такими партнерами может быть создан конечный коммерческий компактный нейтронный источник для медицинских приложений. Данный продукт не будет иметь аналогов на рынке, будет являться уникальным, поэтому потенциальными потребителями являются все клиники, специализирующие на лечение онкологических заболеваний.

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны макеты соленоидов магнитной ловушки макета компактного нейтронного источника.
2. Разработан макет системы формирования ионного пучка макета компактного нейтронного источника.
3. Разработан макет системы высоковольтной изоляции макета компактного нейтронного источника.
4. Разработана эскизная конструкторская документация на макет компактного нейтронного источника.
5. Изготовлен макет компактного нейтронного источника.
6. Проведены экспериментальные исследования параметров плазмы макета компактного нейтронного источника при
использовании для ее нагрева СВЧ излучения с частотой 37,5 ГГц.
7. Проведены экспериментальные исследования параметров ионного пучка, формируемого в макете компактного
нейтронного источника, при использовании для нагрева плазмы СВЧ излучения с частотой 37,5 ГГц.
8. Проведены экспериментальные исследования параметров нейтронного потока, генерируемого макетом компактного
нейтронного источника при использовании для нагрева плазмы СВЧ излучения с частотой 37,5 ГГц.