«Бустер-эффект» 10В для пучка гк-1 реактора ВВРц Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

«БУСТЕР-ЭФФЕКТ» 10B ДЛЯ ПУЧКА ГК-1 РЕАКТОРА ВВРц

Ю.А. Кураченко

Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, г. Обнинск

E-mail: [email protected]

Для горизонтального канала реактора ВВРц (г. Обнинск) рассмотрены перспективы применения нейтрон-захватной терапии (НЗТ). Предложены варианты организации вывода нейтронов посредством оптимального выбора конфигурации и материалов коллиматора, модификатора спектра и гамма-фильтра. Для одного из полученных вариантов системы вывода приведены, в сопоставлении с реальными характеристиками (без специальной системы вывода), основные функционалы потока "in aif' и "in phantom". Показано, что для опухолей неглубокого залегания применение «борной» добавки даже на «голом» пучке даёт значительный «бустер-эффект». С другой стороны, при большем «бустер-эффекте» для оптимизированных систем вывода необходимые времена экспозиции могут быть неприемлемо велики.

Нейтронный пучок горизонтального канала ГК-1 реактора ВВРц (г. Обнинск) рассматривается в качестве перспективного источника для нейтронной терапии [1,2]. Расчётные исследования показали, что при адаптации ГК-1 к задачам нейтрон-захватной терапии (НЗТ) происходит большая потеря плотности потока нейтронов. Попытки минимизировать потерю нейтронов посредством оптимального выбора конфигурации и материалов коллимационной системы20 позволили несколько снизить потери, но качество пучка относительно НЗТ оставалось несопоставимым с качеством пучков, изначально ориентированных на НЗТ.

На рис. 1 приведена расчётная модель одного из вариантов КС для ГК-1. Предполагается [1], что КС будет расположена в отсечном шибере на выходе пучка. В рабочем состоянии ось коллимационной системы совпадает с осью пучка, при выключении шибер поворотом перекрывает пучок своей сплошной частью. В табл. 1 приведены основные характеристики пучка для НЗТ (плотность эпитеплового потока, вклады доз гамма-излучения и быстрых нейтронов, а также отношение «ток-поток» для эпитепловых нейтронов) без КС и с вариантом, представленном на рис.1. На рис.2 сопоставлены спектральные распределения на выходе канала ГК-1 и на выходе пучка реактора «МАРС» [3]. Из представленных данных следует, что для ГК-1 ценой потери почти трёх порядков «полезного» потока нейтронов удалось уменьшить дозы гамма-излучения и быстрых нейтронов всего лишь в ~ 1500 и 3000 раз соответственно. Были получены и другие варианты КС, с меньшими потерями нейтронов, но для этих вариантов «выигрыш» в снижении «вредных» доз был также меньшим.

Таблица 1

Характеристики качества пучка ГК-1 для НЗТ без КС и на выходе из КС

см с Dy/Фец сГрсм2, 10"11 Dfast/Фер сГрсм2, 10"11 J?pi/Фepi

Желательные значения > 1109 ~ 2 - 5 ~ 2 - 5 > 0.7

Без КС («голый пучок») 0.838-109 1430 530 0.97

С КС (FluentaP) 1.03-106 238 157 0.75

Очевидно, что выбор той или иной КС должен определяться медицинскими рекомендациями для конкретной ситуации, поэтому весьма желательно иметь сменную/вариабельную КС.

20 Коллимационная система (КС) обычно включает собственно коллиматор, «сдвигатель спектра» (spectrum shifter) и гамма-фильтр для подавления гамма-излучения.

21 Состав 56% F, 43% Al, 1% LiF.

т ж

4 -Г

70 см

3

5

Рис. 1. Аксиальное сечение осесимметричной расчётной модели коллимационной системы в оконечном шибере. Стрелкой показано направление от АЗ (1 - гамма-фильтр толщиной 7.5 см (РЬ); 2 - защита 10 см (РЬ); 3 - модификатор спектра для НЗТ толщиной 27.5 см (Р1иейа1); 4 - конический коллиматор с толщиной стенок 7 см (РЬ); 5 - полиэтилен; 6 - слой карбида бора толщиной 0.5 мм; 7 - защитная плита толщиной 10 см (РЬ); 8 - цилиндрический коллиматор с толщиной стенок 10 см (РЬ); 9 - выходное отверстие коллиматора 010 см; 10 - защита 5 см (РЬ)

0.1

0.01

1 -10

-3

+ -о 1. =1

о .н* е |

- о и

* л 1 1 - )

1 1

-к' • .хэ - + .4 й"

| -•-

"ч

*

1 -10

1 -10

-6

1 -10

-5

-4 -3

1 -10 1 -10 0.01 Энергия, МэВ

' ВВРц, без КС ооо ВВРц, КС - Р1иеШ;а1 -Ы-+ Реактор "МАРС"

0.1

10

1

1

Рис. 2. Спектры нейтронов на выходе пучков ГК-1 ВВРц и реактора «МАРС» (каждый спектр нормирован на свой полный поток)

Более адекватными, чем рассмотренные характеристики пучка "in air", для НЗТ являются характеристики "in phantom" [3]. Мощности доз в опухоли и ткани составлены из следующих компонент:

Dtumor = СБЭВ,tumor ' DB,tumor + ОБЭЫ ' DN + 0БЭo ■ DO + 0БЭfast 'Dfast + ОБЭу ■ Dy Dtissue = СБЭВ,tissue ' DB,tissue + 0^N ' DN + 0БЭo ■ DO + ОБЭfast ' Dfast + ОБЭу ■ Dy , (1)

где ОБЭ - относительная биологическая эффективность излучений, СБЭ -составная (сочетанная) биологическая эффективность реакции B(n, a)7Li, а D -мощность поглощённой дозы. Выражения (1) описывают основные компоненты дозы, формируемой выходящим пучком: DB,tumor, DB,tissue - мощность поглощённой дозы в результате реакции 10B(n, a)7Li в опухоли и ткани соответственно; остальные компоненты определяют вклад взаимодействий на ядрах азота и кислорода, а также вклад гамма-излучения (пучка и вторичных гамма-квантов ткани) и вклад замедления на водороде.

Степень «бор-захватности» нейтронной терапии определяется вкладом борной составляющей, т. е. первым слагаемым в (1). Этот вклад будет различным для различной глубины залегания опухоли. На рис. 3 представлено распределение доз по глубине ткани для «голого» пучка ГК-1 без КС. Эти данные свидетельствуют о целесообразности применения НЗТ при небольших глубинах залегания. Но при этом максимум дозы, которая может быть подведена к опухоли, не превышает ~ 25 Гр-экв. (при облучении с одной стороны), время же экспозиции не может превысить 1 мин23. Примерно такие же максимальные дозы могут быть подведены и каналами с КС, но опухоли при этом могут располагаться несколько глубже и при этом требуемые времена экспозиции будут слишком велики24.

Если сопоставить доли «борной» компоненты для вариантов с КС и без неё, то для выбранных в расчётах концентраций 10B25 и варианта КС с Fluental максимальная доля «борной» компоненты в опухоли не превысит 55 % (на глубине 2.5 см; на глубине 10 см - уже 22 %); для сравнения - максимальная доля «борной» компоненты в опухоли при проведении НЗТ на существующем «голом» пучке ГК-1, без какой-либо его модификации составляет 45 % (но это на глубине 1.5 см; на глубине 10 см доля «борной» компоненты уже всего 15 %). В заключение следует отметить, что

- расчёты показали, что на пучке ГК-1 без КС терапевтическое отношение TR > 1 на глубине вплоть до ~ 5 см, что позволяет говорить о возможности применения НЗТ;

- необходимо отметить довольно значительный «бустер-эффект» для пучка без КС (рис. 2), особенно на малых глубинах залегания;

- не следует ожидать, что КС позволит существенно улучшить качество пучка ГК-1 относительно НЗТ;

22 Compound Biological Effectiveness (CBE, [4], p. 34).

23 Максимальное значение дозы DtUmUXor , которая может быть подведена к опухоли на глубине x,

определяется следующим образом: DtUUmOr (*) = Dt®aXe х TR (*), где D™aXe - максимально допустимая доза в здоровой ткани (~ 12.6 Гр-экв.); а TR («терапевтическое отношение») -отношение «полезной» дозы в опухоли на глубине x к максимальной «вредной» дозе в ткани на оси пучка: TR( *) = Dtumor (*)/ DmSXe • В данном случае TR ~ 2. При мощности дозы вблизи поверхности ~ 2500 сГр-экв./мин 25 Гр-экв будет подведено за 1 мин.

24 Подведение 25 Гр-экв к опухоли на глубине ~ 2 см потребует для коллимационной системы с Fluental ~ 23 час.

25 Общепринятые для сопоставлений концентрации 18 ppm для здоровой ткани и 65 ppm для опухоли.

оптимальная конфигурация и материальный состав коллимационной системы для НЗТ должны быть определены после детальной проработки конструкции оконечного шибера, условий облучения и т. д.

2500

2000

Я S

S

1-е О

X Г) w О

1500

1000

500

J0- э-Ql

е-*—: X-X - - J J «-Х-Х- - g . -J --■a&j —

— - ^ - - - _ " ~ " - - - _

0 1 2 3 4 5 6

Глубина, см

- Полная доза в опухоли

ООО Доза в опухоли, обусловленная бором в- □ в Полная доза в ткани

---Доза, обусловленная быстрыми нейтронами

- Доза, обусловленная азотом

Доза, обусловленная кислородом * Доза, обусловленная гамма-излучением ---- Доза при нейтрон-соударной терапии

10

Рис. 3. Мощности доз в опухоли и ткани и их компоненты на выходе ГК-1 без КС

1. Проект медицинского комплекса на реакторе ВВРц / В кн.: А.Ф. Цыб, С.Е. Ульяненко, Ю.С. Мардынский. Нейтроны в лечении злокачественных новообразований. - Обнинск: БИСТ, 2003., с. 75 - 87.

2. Кураченко Ю.А., Матусевич Е.С., Ульяненко С.Е. Перспективы реактора ВВРц для нейтронной терапии. Доклад на II Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», 16-19 мая 2006 г., Троицк Моск. обл. // Альманах клинической медицины. Том XII. М., 2006, с. 86.

3. Кураченко Ю.А., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Критерии качества нейтронных пучков для лучевой терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. -2008. - №1. - С. 3-14.

4. Current status of neutron capture therapy / Report of International Atomic Energy Agency No. 1223. Vienna, 2001, 289 p.

0