НЕЙТРОНОПРОДУЦИРУЮЩИЙ МИШЕННЫЙ УЗЕЛ

Предполагаемая полезная модель относится к ядерной физике и может быть применена в источниках нейтронов, выполненных на основе ускорителей заряженных частиц. Такие источники продуцируют потоки терапевтических нейтронов и предназначены преимущественно для использования в медицине, в том числе в дистанционно-нейтронной и нейтронозахватной терапии.
Для предшествующего уровня техники традиционными являются трехслойные мишени, содержащие слой нейтроногенерирующего материала, слой-поглотитель протонного пучка и теплоотводящий слой. Известна также двухслойная нейтроногенерирующая мишень с длительным сроком эксплуатации для генерации эпитепловых нейтронов в борнейтронозахватной терапии (БНЗТ), содержащая слой нейтроногенерирующего материала и слой, являющийся одновременно поглотителем протонного пучка и теплоотводящим слоем (Патент RU 2610301, 9.02.2017). В качестве нейтроногенерирующего материала использовался слой твердого лития, в качестве поглотителя протонов и для теплоотвода - тантал.
Общим признаком аналога, совпадающим с предполагаемой полезной моделью, является реализация поглотителя протонного пучка и теплоотводящего слоя в одном изделии (в нашем случае - объеме жидкого лития), что позволяет упростить конструкцию традиционных трехслойных мишеней.
Недостатками рассматриваемого в аналоге устройства являются невысокая стойкость к радиационному блистерингу и недостаточно эффективный теплоотвод для поддержания слоя лития в твердом состоянии при его нагреве мощным протонным пучком (не менее 10 мА). Под блистериигом понимают вздутие, локальное отслоение тонкослойного покрытия от поверхности под воздействием внешних факторов.
Между тем, мощность протонного пучка определяет величину выхода нейтронов и таким образом эффективность использования устройства для медицинских целей.
Известна жидкометаллическая мишень, содержащая патрубки подвода и отвода жидкого металла, например, эвтектики Pb-Bi, патрубок подвода протонов от ускорителя и рабочую камеру с проточной частью (Патент RU №2284676, 27.09.2006).
У этого аналога общим с предлагаемым устройством является подвод протонов от ускорителя и использование в качестве динамической мишени жидкого металла (в нашем случае - лития).
При использовании аналогового устройства относительно просто решается вопрос с охлаждением мишени, но возникают проблемы, связанные с очисткой внутреннего объема источника нейтронов на основе ускорителя от радиоактивного загрязнения. Это происходит, в том числе, из-за наличия подвижных частей (поворотной камеры), что приводит к негерметичности внутреннего объема.
Прототипом предлагаемой полезной модели является нейтронопродуцирующий мишенный узел для источника нейтронов на основе ускорителя, содержащий мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, цилиндрический или шарообразный корпус для размещения мишени с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также средство для приведения мишени во вращательное движение и средство ее охлаждения. В одном из вариантов исполнения в качестве охлаждающей среды, заполняющей полость корпуса, использован жидкий литий, выполняющий одновременно функцию активного материала (Патент RU 2282908, 27.08.2006).
Общим признаком прототипа, совпадающим с предлагаемым техническим решением, является нейтронопродуцирующий мишенный узел для источника нейтронов на основе ускорителя, содержащий мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, цилиндрический или шарообразный корпус, заполненный жидким литием, выполняющим функцию мишени, с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также средство для приведения мишени во вращательное движение и средство ее охлаждения.
В прототипе объем жидкого лития, заполняющий корпус, используется для охлаждения, а использование его в качестве мишени является вспомогательным. Основная мишень прототипа выполнена в виде тонкостенной оболочки вращения и расположена на внутренней поверхности корпуса, а охлаждающая среда заполняет корпус или циркулирует снаружи. Для использования в бор-нейтронозахватной терапии параметры пучка протонов должны составлять: энергия 1,91 МэВ, ток 10 мА, что соответствует мощности пучка ~20 кВт. Поскольку практически вся энергия пучка заряженных частиц (протонов) трансформируется в тепловую энергию, нагревая слой пробега протонов у поверхности мишени, вопросу температурных режимов должно уделяться особое внимание. При использовании тонкослойных мишеней из твердых материалов необходимо обеспечить:
- хорошую адгезию между слоями разнородных материалов в условиях нагрева (например, лития и палладия или лития и тантала);
- высокую стойкость к радиационному блистерингу;
- эффективный теплоотвод от активного материала при его нагреве мощным протонным пучком.
Особенно критичным становится эффективность теплоотвода при использовании в качестве активного материала твердого лития, температура плавления которого составляет около 180°С. В прототипе жидкостное охлаждение мишени выполняется двумя способами - в первом средство для приведения мишени, выполненной в виде тонкостенной оболочки вращения (совместно с корпусом) содержит привод, вал которого жестко соединен с осью вращения тонкостенной оболочки, во втором сфера размещена в жидкости, охлаждающей полость корпуса, во взвешенном состоянии, а средством приведения ее во вращение служит поток охлаждающей среды.
7
7
К недостатком мишенного узла, описанного в прототипе, относится, во-первых, недостаточно эффективный теплоотвод, и как результат - невозможность использовать мощные потоки протонов, что приводит к невысокому выходу нейтронов. Так, при эксплуатации этого мишенного узла реакция Li(p,n)Be изучена при токах 1-2 мА. Это соответствует мощности пучка 2-4 кВт. Современный уровень развития БНЗТ с учетом достижений медицины, технологий и фармпрепаратов требует увеличения мощности примерно на порядок.
Вторым недостатком мишенного узла, описанного в прототипе, является наличие подвижных частей (механического привода), что приводит к негерметичности внутреннего объема источника нейтронов на основе ускорителя; этот внутренний объем включает и мишенный узел.
Техническим результатом, который достигается предлагаемой полезной моделью, является создание устройства с более эффективным теплоотводом, что позволит увеличить мощность протонных потоков и тем самым повысить выход нейтронов без существенного повышения температуры мишени.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается тем, что изготовленный из материала с высокой теплопроводностью (металла) корпус имеет дно из немагнитного материала (керамики), под которым помещается кольцеобразный статор электродвигателя, ротором которого является активный материал, а входное окно для ввода заряженных частиц от ускорителя расположено не в центре корпуса.
Средство охлаждения мишени может включать внешний охладитель, примыкающий к корпусу, в котором в качестве охлаждающей среды используется вода или галлий.
Кроме того, на дне или стенке корпуса нейтронопродуцирующего мишенного узла может находиться имеется выступ, обеспечивающий при вращении активного материала перемешивание лития не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях.
Для достижения технического результата в предлагаемом нейтронопродуцирующем мишенном узле для источника нейтронов на основе ускорителя, содержащем мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, цилиндрический или шарообразный корпус, заполненный жидким литием, выполняющим функцию мишени, с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также средство для приведения мишени во вращательное движение и средство ее охлаждения, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью (металла) корпус имеет дно из немагнитного материала (керамики), под которым помещается кольцеобразный статор электродвигателя, ротором которого является активный материал, а входное окно для ввода заряженных частиц от ускорителя расположено не в центре корпуса.
Предлагаемый объект поясняется фигурой, на которой схематически изображена конструкция предлагаемого мишенного узла.
Нейтронопродуцирующий мишенный узел состоит из корпуса 2, выполненного из материала с высокой теплопроводностью (металла - тантала или бериллия), с неметаллическим дном 3 (из керамики) и имеет форму цилиндра или сферы. Боковая поверхность корпуса соединена с внешним охладителем 6. В корпусе находится активный материал - жидкий литий 1, который приводится во вращение в горизонтальной плоскости с помощью кольцеобразного статора электродвигателя 4, по отношению к которому литий является ротором. Внутренний выступ корпуса 7 (таких выступов может быть несколько) позволяет перемешивать объем лития не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях. Пучок заряженных частиц 5 попадает в зону реакции (на литий) через входное окно, расположенное не в центре корпуса; такое расположение окна обеспечивает перемещение зоны реакции на поверхности жидкого лития при его вращении. Выходное коллимирующее окно 8 предназначено для вывода нейтронов из мишенного узла.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Сначала во внешний охладитель 6, который примыкает к корпусу 2, имеющему немагнитное дно 3, подается нагретый свыше 189°С воздух для расплава лития 1. После расплава лития с целью его вращения (перемешивания) подается напряжение на обмотки статора 4. Наличие внутреннего выступа корпуса 7 обеспечивает дополнительное перемешивание объема лития не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях. Далее на входное окно мишенного узла направляется пучок заряженных частиц 5 от ускорителя и во внешний охладитель подается охлаждающая жидкость (вода или галлий). В результате ядерной реакции нейтроны в каждый момент времени образуются на небольшом участке поверхности жидкого лития, обращенном к окну. Проходя через объем лития, нейтроны выходят наружу через выходное коллимирующее окно 8. Естественно, что участок поверхности, на котором только что возникла реакция, испытывает нагрев. Однако в следующий момент времени этот участок в результате принудительной конвекции отдает объему лития аккумулированное тепло и охлаждается в процессе полного поворота мишени практически до температуры этого объема. Принудительная конвекция является наиболее эффективным методом перемешивания среды и позволяет значительно повысить эффективность теплоотвода (http://chem21.info/page/049233227074032039028022092041036159187254162060/).
К достоинствам предлагаемого устройства относится отсутствие подвижных частей, соединяющих внутренний и внешний объемы корпуса мишени, то есть герметичность внутреннего объема источника нейтронов на основе ускорителя, включающего мишенный узел, не нарушена. Герметичность корпуса снимает основное возражение против использования жидкого лития как активного материала, который состоит в том, что жидкий литий повлечет распространение паров лития и образующегося радиоактивного изотопа бериллий-7 по установке (http://www.findpatent.ru/patent/261/2610301.html RU 2610301, опубликовано 9.02.2017).
7
7
9
10
7
4
Выбор реакции для решения конкретных прикладных задач определяется параметрами ускорителя, необходимой энергией нейтронов, а также наибольшим их выходом. Для ускорителя с предельной энергией 2,5-3 МэВ наибольший выход нейтронов может быть получен с использованием реакций Li(p,n)Ве и Ве(d,n)В, Li(d,n)2He. Ядерные реакции, протекающие в мишени из металлического лития при бомбардировке ионами водорода (протоны, дейтроны) с энергией 2-3 МэВ, являются наиболее перспективными для создания терапевтических пучков нейтронов с различными энергиями (О.Е. Кононов, В.Н. Кононов, М.В. Боховко, Д.Е. Гремячкин «Концепция создания безреакторного интенсивного источника нейтронов для лучевой терапии на базе ускорителя ионов водорода» // Известия вузов. Ядерная энергетика, №4, 2013. С. 86-94).
9
-2
-1
Основное требование, предъявляемое к пучку эпитепловых (терапевтических) нейтронов: плотность потока нейтронов должна быть выше 10 смс с тем, чтобы длительность терапии была менее одного часа (Ю. Таскаев «Ускорительный источник эпитепловых нейтронов» // Физика элементарных частиц и атомного ядра 2015. Т. 46. Вып. 6.) Это требование позволяет реализовать предлагаемое устройство вследствие высокой эффективности теплоотвода от зоны реакции.
В прототипе указано, что при скорости вращения 200-300 об/мин пятно диаметром J=50 мм на сфере d=150 мм нагреется под пучком на дополнительную температуру 150-200°С (Патент RU 2282908, 27.08.2006), но не указана продолжительность рабочего режима. Наши оценки дают, что при тех же параметрах мишенного узла и скорости вращения активного материала 100-150 об/мин температура активного материала в рабочем режиме может поддерживаться в интервале (200-250)°С в течение 1 часа при токе нейтронного пучка 10 мА, что соответствует мощности ~20 кВт. При такой температуре концентрации паров лития и бериллия пренебрежимо малы (см. таблицу).
(Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов, М., Изд-во АН СССР, 1961).
Предлагаемое устройство позволит создать нейтронопродуцирующий мишенный узел для ускорителей потоков заряженных частиц с эффективным теплоотводом, что разрешит увеличить мощность протонных потоков и повысить выход нейтронов. Это позволит получать требуемые потоки терапевтических нейтронов для использования в нейтронной (преимущественно дистанционно-нейтронной и нейтронозахватной) терапии.