облучательное устройство для нейтронно-захватной терапии на ядерном реакторе

Формула изобретения

1. Облучательное устройство для нейтронно-захватной терапии на ядерном реакторе, содержащее активную зону водно-водяного ядерного реактора, бетонный массив биологической защиты реактора, коллиматор тепловых нейтронов, внутренняя поверхность которого облицована материалом с большим сечением рассеяния тепловых нейтронов, например полиэтиленом, и имеет форму усеченного конуса, фильтр для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов и диафрагму для регулирования диаметра пучка тепловых нейтронов, отличающееся тем, что в пространстве между цельным металлическим корпусом бака бассейна реактора и примыкающей гранью активной зоны размещен замедлитель, выполненный из бериллия, или графита, или из тяжелой воды, высота и ширина которого не меньше соответствующих размеров примыкающей грани активной зоны, в бетонном массиве биологической защиты реактора выбрано отверстие для вывода тепловых нейтронов, в котором коллиматор размещен таким образом, что в телесный угол, вырезанный им, попадает вся грань активной зоны, а его выходное отверстие выполнено заподлицо с внешней стенкой бетонного массива биологической защиты реактора и сопряжено с диафрагмой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина оси коллиматора составляет не менее 50 см.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диафрагма выполнена из материала с большим сечением поглощения тепловых нейтронов в виде набора насадок с коническими отверстиями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лучевой терапии, в частности к нейтронно-захватной терапии (НЗТ) злокачественных опухолей. Суть НЗТ состоит в том, что в опухоль предварительно вводят препарат, содержащий элемент с большим сечением захвата тепловых нейтронов, например, Бор-10 и/или гадолиний-157. В результате захвата тепловых нейтронов в опухоли возникает вторичное излучение, которое поражает опухолевые клетки. Этот метод тем более избирательно поражает опухолевые клетки, не затрагивая здоровую ткань, чем меньше в падающем пучке тепловых нейтронов присутствуют быстрые нейтроны и гамма-кванты, а также чем точнее коллимирован на опухоль падающий пучок тепловых нейтронов.

Известно устройство для облучения опухоли (а.с. №1706647), включающее активную зону реактора, горизонтальный экспериментальный канал, фильтр, коллиматор переменного сечения, рабочую камеру для размещения биологического объекта внутри биологической защиты. Технический уровень водо-водяного реактора в стандартном исполнении обеспечивает следующие характеристики полей излучения: плотность потока тепловых нейтронов - 3· 10⁸ см^-2· с^-1, плотность потока быстрых нейтронов - 1,2· 10⁷ см^-2· с^-1 при мощности дозы фонового -излучения 1,2 Р/с. Указанные параметры не обеспечивают эффективности нейтрон-захватной терапии, поскольку плотность потока тепловых нейтронов мала и его использование удлиняет время облучения, высокая мощность фонового у-излучения и большая плотность потока быстрых нейтронов приводят к радиационному поражению здоровых тканей биологического объекта.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип (а.с. №2141860), является устройство, содержащее активную зону водо-водяного ядерного реактора в бетонном массиве биологической защиты реактора, установленный по пучку коллиматор тепловых нейтронов, облицованный полиэтиленом, фильтр из висмута для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов и диафрагму для регулирования диаметра пучка. Параллельно грани активной зоны в форме параллелепипеда проходит горизонтальный экспериментальный канал №4 (ГЭК-4). По отношению к активной зоне он является касательным. Канал проходит через воду бассейна реактора. В бетонной защите реактора смонтирован шибер этого канала, состоящий из 5 дисков с отверстиями. Когда шибер открыт, все 5 отверстий в дисках шибера соосны каналу ГЭК-4. Внутренний диаметр ГЭК-4, а также диаметр отверстия в открытом шибере равны 15 см. Через этот канал и отверстие в шибере нейтроны выводятся за пределы биологической защиты реактора. При этом расстояние от точки, расположенной против центра грани активной зоны реактора, до выхода из шибера составляет 258 см. Если канал пустой, то выход нейтронов за пределы шибера очень мал, так как нейтроны активной зоны могут отражаться вдоль оси канала лишь от стенки самого канала. Для увеличения выхода нейтронов в канале против грани активной зоны реактора размещен отражатель из графита. В отверстиях трех средних дисков шибера расположены висмут для поглощения гамма-квантов и коллиматор в виде усеченного конуса, а в отверстии последнего по ходу нейтронов диска шибера - полиэтиленовая втулка. Диаметр отверстия коллиматора на входе составляет 126 мм, на выходе - 60 мм. Диаметр пучка нейтронов регулируется диафрагмой в пределах от 1 см до 15 см. Диафрагма расположена после коллиматора и примыкающей к ней втулки.

Поскольку, во-первых, светосила устройства не велика (канал вывода нейтронов не более 15 см при его длине свыше 250 см), во-вторых, лишь часть нейтронов грани реактора попадает в канал и, тем более, направляются вдоль его оси с помощью графитового рассеивателя, то на выходе устройства плотность потока тепловых нейтронов меньше (7,3· 10⁸ см^-2с ^-1), чем рекомендуется для целей нейтронно-захватной терапии (от 10⁹ см^-2с^-1 до 10¹⁰ см^-2с^-1). Кроме того, как будет показано, в спектре нейтронов велика доля быстрых нейтронов, которые разрушают с одинаковой эффективностью и здоровые и пораженные опухолью ткани. Одним из важных факторов для нейтронно-захватной терапии является высокая направленность нейтронного излучения на выходе устройства. Особенно это важно для малых диаметров опухоли. При плохой направленности поражаются здоровые ткани за пределами опухоли. Для повышения направленности потока тепловых нейтронов и регулирования диаметра выводимого пучка нейтронов в прототипе используются коллиматор в форме усеченного конуса и диафрагма. Однако коллиматор отстоит от диафрагмы на толщину шибера, в котором вставлена втулка из полиэтилена. Это обстоятельство приводит к расфокусировке пучка нейтронов между коллиматором и диафрагмой, так как на атомах втулки нейтроны дополнительно и почти изотропно рассеиваются. Косвенным подтверждением этого является то, что диаметр выводимого пучка регулируется диафрагмой в пределах от 1 до 15 см, в то время как меньшее отверстие коллиматора имеет диаметр лишь 6 см, т.е. на выходе коллиматора диаметр пучка нейтронов составляет 6 см, а на выходе из диафрагмы он может иметь диаметр 15 см.

Таким образом, по-прежнему остается актуальной задача создания облучательного устройства для нейтронно-захватной терапии.

Техническим результатом изобретения является повышение плотности потока тепловых нейтронов и уменьшение доли быстрых нейтронов в выведенном пучке нейтронов.

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве, во-первых, значительно повышена его светосила, т.е. в телесный угол, вырезанный коллиматором, попадает вся активная зона реактора вместе с замедлителем. Тем самым при прочих равных условиях повышается выход нейтронов через этот телесный угол. Во-вторых, если в качестве замедлителя нейтронов использовать обычную воду бассейна реактора, то выход нейтронов будет невелик. В самом деле, в замедлителе из обычной воды плотность потока тепловых нейтронов достигает максимального значения уже на расстоянии 2,72 см, тогда как в бериллии - на расстоянии 10 см, в тяжелой воде - на расстоянии 10,2 см, а в графите - на расстоянии 18,8 см. Однако обычная вода имеет очень малую длину диффузии тепловых нейтронов, 2,76 см. В то же время, для бериллия эта величина равна 21,2 см, для графита - 52,5 см, а для тяжелой воды - 107 см. Поэтому спад плотности потока тепловых нейтронов в обычной воде на расстоянии 40 см и более на несколько порядков значительнее, чем в бериллии, графите и тем более в тяжелой воде. Использование этих замедлителей, которые одновременно вытесняют штатную воду бассейна реактора, значительно повышает плотность потока тепловых нейтронов в выведенном пучке. При этом высота и ширина сечения замедлителя, перпендикулярного оси выведенного пучка нейтронов, не меньше соответствующих размеров сечения активной зоны, перпендикулярного той же оси. В противном случае, во-первых, уменьшится количество нейтронов, попавших в замедлитель из активной зоны, во-вторых, увеличится утечка нейтронов из замедлителя. Это приведет к снижению плотности потока тепловых нейтронов в выведенном пучке, что уменьшит полезный эффект. В реализованном устройстве в качестве замедлителя использован бериллий. В-третьих, наличие замедлителя между активной зоной и металлическим корпусом бака реактора позволяет существенно снизить долю быстрых нейтронов в выводимом пучке. В-четвертых, для вывода пучка тепловых нейтронов за пределы биологической защиты реактора в последней выбирается отверстие. При этом сохраняется целостность металлического корпуса бака реактора. В пятых, высокая направленность пучка тепловых нейтронов достигается за счет того, что внутренняя поверхность диафрагмы в виде насадок с коническими отверстиями является продолжением внутренней поверхности коллиматора, т.е. обе эти внутренние поверхности составляют внутреннюю поверхность одного и того же усеченного конуса. Фокусное расстояние при длине отверстия коллиматора 50 см и при диаметре отверстий коллиматора 50 см и 15 см составляет 21,4 см.

Таким образом, каждый элемент устройства вносит свой вклад в повышении плотности потока тепловых нейтронов, снижении доли быстрых нейтронов и улучшении направленности выведенного пучка нейтронов.

Это достигается тем, что в известном устройстве для нейтронно-захватной терапии на ядерном реакторе, содержащем активную зону водо-водяного ядерного реактора, бетонный массив биологической защиты реактора, коллиматор тепловых нейтронов, внутренняя поверхность которого облицована материалом с большим сечением рассеяния тепловых нейтронов, например полиэтиленом, и имеет форму усеченного конуса, фильтр для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов и диафрагму для регулирования диаметра пучка тепловых нейтронов, в пространстве между цельным металлическим корпусом бака бассейна реактора и активной зоной размещен замедлитель, выполненный из бериллия, или из графита, или из тяжелой воды, причем высота и ширина сечения замедлителя, перпендикулярного оси выведенного пучка нейтронов, не меньше соответствующих размеров сечения активной зоны, перпендикулярного той же оси. В бетонном массиве биологической защиты реактора выбрано отверстие для вывода тепловых нейтронов. В выбранном отверстии коллиматор размещен таким образом, что в телесный угол, вырезанный им, попадает весь замедлитель, а его выходное отверстие выполнено заподлицо с внешней стенкой бетонного массива биологической защиты реактора и сопряжено с диафрагмой. Длина оси коллиматора составляет не менее 50 см. Диафрагма выполнена из материала с большим сечением поглощения тепловых нейтронов в виде набора насадок с коническими отверстиями.

На фиг.1 представлен интегральный спектр нейтронов в ГЭК-4 реактора ИРТ-Т НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете. На фиг.2 представлен интегральный спектр нейтронов на выходе предлагаемого устройства. На фиг.3 представлена схема облучательного устройства для нейтронно-захватной терапии на ядерном реакторе.

Устройство включает в себя: активную зону 1 водо-водяного ядерного реактора, являющуюся источником нейтронов спектра деления; замедлитель нейтронов 2 из бериллия, графита или тяжелой воды; горизонтальный экспериментальный канал 3; обычную воду 4 бассейна реактора; отверстие 5 в биологической защите для вывода тепловых нейтронов; металлический корпус 6 бака с водой бассейна реактора; фильтр 7 для очистки пучка тепловых нейтронов от гамма-квантов; коллиматор 8 тепловых нейтронов, внутренняя поверхность которого имеет форму усеченного конуса; насадки 9 с коническими отверстиями, сопряженными с отверстием коллиматора. Отметим, что для реализации устройства на базе водо-водяного реактора горизонтальный экспериментальный канал 3 не обязателен. Этот канал конструктивно предусмотрен на исследовательских реакторах типа ИРТ.

Изготовленная экспериментальная установка смонтирована на базе стандартного водо-водяного реактора типа ИРТ-Т. Активная зона реактора имеет форму прямоугольной призмы. Высота грани активной зоны 58 см, ширина - 42,9 см. В качестве материала замедлителя использован бериллий. Высота замедлителя - 66 см, ширина - 57,2 см, глубина - 64,8 см. Выбранное в бетоне биологической защиты реактора отверстие имеет форму прямоугольной призмы. Высота призмы - 50 см, ширина - 50 см. Коллиматор выполнен из полиэтилена высокого давления. Его внутренняя поверхность имеет форму усеченного конуса. Диаметр большего отверстия коллиматора составляет 50 см, меньшего - 15 см. Длина коллиматора - 50 см. Ось коллиматора перпендикулярна грани активной зоны и направлена на ее центр. Перед коллиматором расположен фильтр для поглощения гамма-квантов. Фильтр выполнен из поликристаллического висмута. Насадки выполнены из кадмия и имеют толщину стенок 1 мм. Проведенные дозиметрические измерения показали полное соответствие параметров установки указанным в изобретении и требованиям действующих НРБ и ОСП. Установка способна работать с использованием в качестве биологических объектов лабораторных животных или фантома головы человека.

Полезный результат заключается в том, что на стандартном реакторе типа ИРТ-Т получен поток тепловых нейтронов с плотностью 3,7· 10⁹ см^-2с^-1, что в 5 раз выше, чем в прототипе. Кроме того, совместно с сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института физико-технических и радиационных измерений были измерены спектры нейтронов в канале ГЭК-4 и на выходе предлагаемого устройства (фиг.1 и 2). Спектр нейтронов в предлагаемом устройстве значительно мягче. В самом деле, доля тепловых нейтронов в ГЭК-4 составляет 0,73, а в устройстве - 0,90; доля нейтронов с энергией выше 100 КэВ в ГЭК-4 - 0,1, а в устройстве - 0,0043, спектральный коэффициент (отношение плотности потока тепловых нейтронов к интегральной плотности потока нейтронов с энергией более 3 МэВ) в ГЭК-4 - 106, а в устройстве - 2980. Все это позволяет повысить качество НЗТ.