Климанов Дозиметрическое планирование лучевой ч2 2008

Таблица 3.6

Характеристики нейтронного пучка реактора ВВРц для проведения НЗБТ [10]

Активные исследования по НТЗ в конце 90-х годов прошлого века начались на реакторе ИРТ МИФИ. Это водо-водяной реактор бассейнового типа мощностью 2,5 МВт. На касательном канале ГЭК-4 этого реактора был создан облучательный бокс, размеры которого позволили проводить предклинические исследования по НЗБТ с крупными животными. Одновременно с созданием облучательного бокса была проведена реконструкция внутриканальных устройств. В результате реконструкции удалось: получить постоянную плотность потока тепловых нейтронов на выходе ГЭК-4 независимо от диаметра выходного отверстия канала, изменяемого в диапазоне от 30 до 80 мм; уменьшить относительную керму быстрых нейтронов с 1,64·10-10 сГр/т.н./см2·с до 5,3·10-11 сГр/т.н./см2·с при значительно меньшем росте относительной кермы вторичных фотонов до значения 1,4·10-11 сГр/т.н./см2·с. Конструкция канала ГЭК-4 после реконструкции показана на рис. 3.29, спектр пучка – на рис. 3.30.

Рис.3.29. Система коллимации и фильтрации канала ГЭК-4 после реконструкции: 1 – графитовый рассеиватель; 2,3,4,5 – свинцовые коллиматоры; 6 – алюминиевый фильтр; 7 – висмутовый фильтр; 8 – алюминиевая труба; 9 – свинцовая вставка; 10 – сменный свинцовый коллиматор; 11 – корпус шиберного устройства (сталь) [45]

221

нейтронов реактора MITR-II Массачузеттского Технологического Института.

AD ≈ 3.7 см

Рис. 3.31. Распределение биологически взвешенной мощности дозы по глубине тканеэквивалентного фантома при облучении его пучком нейтронов канала ГЭК-4 реактора ИРТ МИФИ диаметром 6 см [45]. На врезке приведены расчетные данные для пучка тепловых нейтронов реактора MITR-II [47]

Полученные после реконструкции канала ГЭК-4 характеристики нейтронного пучка не позволили перейти к клиническим исследованиям НЗБТ из-за недостаточной величины плотности потока эпитепловых нейтронов и высокой относительной дозы от быстрых нейтронов. Этим исследованиям препятствовали также малые размеры существующего облучательного бокса. Поэтому в МИФИ было принято решение провести реконструкцию тепловой колонны реактора с выводом пучка тепловых и эпитепловых нейтронов (с характеристиками, отвечающими всем требованиям НЗБТ) в новый облучательный бокс, оборудованный для приема пациентов.

Конструктивной основой медицинского канала является горизонтальный канал ГЭК-1 графитовой тепловой колонны, которая встроена в бетонный корпус реактора и передним торцом выходит в бассейн, прилегая к корпусу реактора (рис. 3.32). В качестве основного

223

материала для фильтрации пучка выбран алюминий. Геометрия коллиматоров и фильтров канала ГЭК-1 представлена на рис. 3.33. Детальные расчеты показали, что новый медицинский пучок будет близок к рекомендуемому стандарту НЗБТ (табл. 3.7). На рис. 3.34 показано глубинные распределения терапевтического отношения для разной фильтрации для ГЭК-1 и проводится сравнение с ГЭК-4.

Рис. 3.32. Схема расположения каналов и облучательных боксов на реакторе ИРТ МИФИ [46]

224

Начало исследованиям в этой области, фактически, было положено в работах [48,49], авторы которых предложили проекты эпитепловых источников нейтронов для НЗБТ на основе низко-энергетических ускорителей ионов. Их идея состояла в использовании для получения нейтронов реакции 7Li(p,n)7Be, но при невысоких энергиях протонов. Порог этой реакции приблизительно 1,88 МэВ. Спектр нейтронов зависит от энергии протонов (рис. 3.35). Нейтроны, образующиеся при падении на литиевую мишень протонов с энергией 2,5 МэВ, имеют максимальную энергию 0,8 МэВ в переднем направлении. Такие нейтроны по сравнению с нейтронами деления требуют значительно меньшей фильтрации и замедления, чтобы достичь эпитепловой области энергий. Во многих исследованиях было показано, что спектральные качества оптимизированного источника нейтронов данного типа близки к идеальным и в некоторых аспектах значительно лучше, чем таковые для реакторных источников нейтронов.

Рис. 3.35. Спектр нейтронов реакции 7Li(p,n)7Be при разных начальных энергиях протонов [50]

С другой стороны, производство нейтронов на низко-энергетических ускорителях может оказаться неэффективным в единицах “Число образованных нейтронов/одна заряженная частица, упавшая на мишень”. В этом случае для создания необходимой мощности дозы

227

будет требоваться большой ток, что приведет к выделению большой тепловой мощности в мишени. Таким образом, здесь имеется много взаимосвязанных и взаимоисключающих факторов, которые требуется учесть при оптимизации подобных систем.

В 1994 г., когда уже несколько научных групп проводили исследования по разработке ускорительного источника нейтронов для НЗБТ, был организован специальный семинар для обсуждения этой проблемы [51]. В нем приняли участие ученые из 11 стран, в том числе из США, России, Великобритании, Японии, Германии и др. Вскоре после этого Ускорительная лаборатория МИТ продемонстрировала первый полномасштабный прототип ускорителя протонов или дейтронов с током 4 мА и с литиевой или бериллиевой мишенями, предназначенный для НЗБТ [52]. Поток нейтронов данного ускорителя уже был достаточен для радиобиологических исследований по НЗБТ.

Примерно в то же время ученые Великобритании создали другой вариант ускорителя для исследований по НЗБТ [53]. В предыдущих проектах ось падающего на мишень пучка заряженных частиц совпадала с осью выходящего пучка нейтронов. В этом же ускорителе оси пучков составляют прямой угол между собой (рис. 3.36). Спектр нейтронов, испускаемых в перпендикулярном направлении к пучку протонов, имеет среднюю энергию ниже, чем в переднем направлении.

Рис. 3.36. Геометрия установки для получения пучка эпитепловых нейтронов в работе [53]

В конце 90-х годов ученые США разработали для НЗБТ ускоритель протонов большой мощности с литиевой мишенью, позволяющий получать ток свыше 50 мА [50]. Однако недостаток финансирования помешал полностью завершить проект. Тем не менее многие важные вопросы, связанные, например, с поиском наиболее подходящего

228

замедлителя, были решены. В качестве такого замедлителя-фильтра предложили смесь из фторида лития, фторида алюминия и алюминия. Проходя через такой фильтр, нейтроны приобретают спектр с пиком вблизи верхней границы эпитеплового диапазона энергий. Подобный спектр нейтронов позволяет улучшить терапевтическое отношение по сравнению с реакторными пучками епитепловых нейтронов.

Очень интересную концепцию протонного ускорителя для НЗБТ предложили российские ученые [54]. Их идея заключалась в использовании пучка протонов с энергией, близкой к порогу (1,88 МэВ) реакции 7Li(p,n)7Be, а конкретно 1,92 МэВ. В таких условиях угловое распределение образующихся нейтронов сильно вытягивается вперед вследствие так называемой “кинематической коллимации”. Кроме того, спектр нейтронов становится очень мягким (см. рис. 3.35), поэтому требует небольшого замедления и фильтрации, т.е. потери нейтронов уменьшаются. Противоположный фактор – уменьшение выхода нейтронов вблизи порога реакции. Тем не менее продвижение по этому направлению позволяет надеяться на создание ускорительной системы достаточно дешевой и пригодной для проведения НЗБТ в клинических условиях.

Для подтверждения данного тезиса приведем пример сопоставления основных важных параметров ускорительных систем для НЗБТ, спроектированных на основе разных концептуальных подходов. Такое исследование выполнено в работе [55]. С помощью программы MCNP авторы [55] смоделировали работу ускорителя протонов с энергией 1,95 МэВ для НЗБТ, проект которого был предложен в работе [56]. Геометрия замедления и фильтрации пучка, принятая при моделировании показана на рис. 3.37. Такое же моделирование было проведено и для двух других известных прототипов ускорителя для НЗБТ, но спроектированных на энергию пучка протонов 2,5 МэВ и имеющих другую конфигурацию устройства замедления и фильтрации пучка [57, 58]. Результаты сравнения основных параметров приводятся в табл. 3.8 [55].

229