Устройство моделирования на пучках тяжелых ионов высокой энергии полей смешанного излучения для целей экспериментальной радиобиологии
DEVICE FOR SIMULATING HIGH ENERGY HEAVY ION BEAMS OF MIXED RADIATION FIELDS FOR THE PURPOSES OF EXPERIMENTAL RADIOBIOLOGY

Область изобретения. Изобретение относится к устройствам моделирования на высокоэнергетичных ускорителях тяжелых ионов полей смешанного вторичного излучения для облучения в них биологических образцов. Изобретение применимо при исследованиях действия тяжелых заряженных частиц различных энергий на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях биологической организации.
Уровень изобретения.
Интерес к тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) в радиобиологии обострился в последние годы, когда стало известно о их воздействии на центральную нервную систему животных. При этом механизм воздействия ТЗЧ с большими передачами энергии (ЛПЭ) на биологические структуры сильно отличается от действия слабоионизирующих видов излучений с малыми ЛПЭ и обусловлен, главным образом, возникновением слаборепарируемых двунитевых разрывов цепи ДНК.
Радиобиологические исследования воздействия тяжелых заряженных частиц на биологические объекты проводятся на пучках частиц ускорителей. Наиболее доступны пучки протонов с энергиями несколько сотен МэВ; пучки высокоэнергетичных тяжелых ядер доступны в мире лишь на нескольких тяжелоионных ускорителях. В России эти работы выполняются в Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ЛРБ ОИЯИ) с использованием Нуклотрона Лаборатории физики высоких энергий, способного ускорять ядра до Z=36 с энергией до 6 ГэВ/н (здесь Z - заряд ядра).
В ходе экспериментов на указанных ускорителях в каждом сеансе биологические образцы облучаются моноэнергетическими частицами только одного типа, в то время как практический интерес представляет собой смешанное поле из частиц разного типа с разными энергиями. Известно, что помимо поглощенной дозы при оценке тяжести облучения важную роль играет его качество, характеризуемое, в первом приближении, ЛПЭ частицы. Неограниченное ЛПЭ эквивалентно удельным ионизационным потерям энергии частицы, пропорциональным квадрату ее заряда и растущим по мере уменьшения энергии частицы. Таким образом, в каждом эксперименте на пучках моноэнергетичных частиц исследуются эффекты облучения образцов только с одним ЛПЭ. Такие облучения не позволяют выявить эффекты одновременного сочетанного облучения частицами с различными ЛПЭ (возможно, и синергетического характера), т.е. затрудняют адекватную оценку риска облучения излучением со сложным и протяженным распределением ЛПЭ. Чтобы исправить, сложившуюся в силу объективных технических трудностей практику радиобиологических экспериментов на ускорителях, надо разработать новую методику, которая позволит моделировать в экспериментах на ускорителях поля смешанного излучения со всей спецификой, т.е. облучать биологические образцы в ходе одного сеанса набором различных частиц с разной энергией одновременно или последовательно за сравнительно короткое время (в предположении аддитивности действия облучения).
Компонентный и энергетический состав полей вторичного излучения из фиксированных мишеней, облучаемых пучками моноэнергетических ускоренных ядер на ускорителях, определяется типом ядра-снаряда, его энергией, материалом мишени и ее размерами. К сожалению, целенаправленно изменять характеристики поля вторичного излучения в ходе радиобиологического эксперимента на ускорителе без смены типа ядра-снаряда (т.е. замены источника ионов ускорителя) и их энергии технически сложно и требует значительных затрат времени.
В 2017 г. в работах [J.C. Chancellor, S. Guetersloh, K. Cengel, J. Ford, H.G. Katzgraber. Emulation of the space radiation environment for materials testing and radiobiological experiments. arXiv Peprint arXiv:1706.02727v1 (2017); J.C. Chancellor, S.B. Guetersloh, R.S. Blue, K.A. Cengel, j.R. Ford, H.G. Katzgraber. Targeted nuclear spallation from moderator block design for a ground-based space radiation analog. arXiv Peprint arXiv: 1706.02727v2 (2019)] был предложен метод симуляции на ускорителях тяжелых ионов полей вторичного излучения с заранее заданными физическими характеристиками. При этом для моделирования смешанного поля вторичных частиц с широким энергетическим диапазоном используется один тип ядер-снарядов - пучок ядер железа с энергией 1 ГэВ/н. Для формирования поля вторичного излучения используется, облучаемый однородным широким полем ядер железа, фигурный полиэтиленовый замедлитель, в котором в результате ядерных реакций ядер Fe с ядрами С и Н образуется набор фрагментов ядра-снаряда. Поскольку разные фрагменты рождаются преимущественно на разных глубинах замедлителя и пробеги фрагментов в полиэтилене также различаются, то для получения смешанного поля фрагментов с широким энергетическим спектром толщина замедлителя сделана в разных его местах различной за счет нескольких конических и цилиндрических выемок (пустот) в однородном блоке замедлителя.
Авторы не сообщили данных о конкретной конструкции замедлителя, а дали только принципиальное описание, поэтому воспроизвести ее невозможно. По их сообщениям, меняя конструкцию в определенных пределах, они могут добиться хорошего соответствия суммарного спектра ЛПЭ в поле облучения с результатами измерений спектров ЛПЭ в реальных условиях и продемонстрировали результаты такого моделирования.
Один из авторов указанных выше статей Jeff Chancellor зарегистрировал на свое имя патент [US 2018/0022478 А1 от 25.01.2018 г.] Сущность этого изобретения состоит в том, что для формирования необходимого поля вторичного смешанного излучения используется пучок ядер железа с энергией 1000 МэВ/н; поле формируется путем взаимодействия ядер железа с одним статичным блоком (конвертором) замедлителя из обогащенного водородом вещества (полиэтилена), содержащим один или несколько слоев и множество пустот, расположенных в одном или нескольких слоях (Фиг. 1); заданный спектр ЛПЭ частиц поля вторичного смешанного излучения определяется конфигурацией этих пустот. Данный патент является прямым прототипом заявляемого изобретения.
*2
2
*
Как уже указывалось выше, существенным недостатком прототипа является значительная неоднородность симулируемого поля излучения даже на расстоянии 1 метр от заднего торца блока замедлителя, которую нельзя устранить введением слоя вещества с большим атомным номером (например, свинца или вольфрама), и наличие которого, к тому же, приводит к общему снижению энергии излучения на выходе из блока. Другой недостаток заключается в том, что прототип хоть и симулирует заданный спектр ЛПЭ, однако не позволяет адекватно исследовать все радиобиологические эффекты воздействия поля смешанного излучения, поскольку ЛПЭ не характеризует однозначно тип и энергию частицы: например, однозарядная частица малой энергии может иметь такое же значение ЛПЭ, как и многозарядная частица с большей энергией на нуклон. Поэтому биологические эффекты тяжелых ядер зависят не только от ЛПЭ, но также от структуры трека. Вследствие этого в последние годы вместо критерия ЛПЭ (необходимого, но недостаточного) использует критерий качества излучения Z/β, где Z - эффективный заряд ядра, а β - его относительная скорость, т.е., по сути, кинетическая энергия. В описании же прототипа приведены только данные о расчетных спектрах ЛПЭ в поле за блоком замедлителя. Таким образом, в прототипе воспроизводится только один параметр поля смешанного излучения, а именно, интегральный спектр ЛПЭ его частиц (патент признает это), в то время как для адекватного симулирования смешанного излучения в широком интервале энергий надо воссоздавать не только спектр ЛПЭ, но также и энергетические спектры всех компонентов поля.
Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является создание устройства с улучшенными в сравнении с прототипом возможностями формирования полей вторичного смешанного излучения в широком интервале энергий для целей радиобиологических исследований; с однородным полем вторичного смешанного излучения за устройством в области пространства, достаточном для размещения в нем большого числа облучаемых образцов и обеспечения равенства доз их облучения; воспроизводства в поле вторичного смешанного излучения за устройством не только заданных спектров ЛПЭ частиц, но и их заданных энергетических спектров.
Технический результат в настоящем изобретении достигается за счет того, что:
- по меньшей мере, два конвертора объединены в поворотном барабане револьверного типа с возможностью вращения как вокруг оси барабана, так и вокруг оси пучка ускоренных частиц; таким образом, путем вращения барабана конверторы поочередно устанавливаются в позицию, в которой происходит их облучение пучком ускоренных частиц;
- каждый конвертор выполнен в виде набора виде набора дисковых секторальных и цилиндрических мишеней однородной структуры (без выемок и пустот) и разных толщин. Секторальные дисковые мишени и цилиндрические мишени могут находиться в наборе конвертора в различных сочетаниях. Также, как вариант исполнения:
- по меньшей мере один из конверторов имеет в наборе как минимум одну мишень из стали.
Описание фигур
Фиг. 1. Схематическая конструкция прототипа в продольном разрезе. Слева на Фиг. 1 показан поток пространственно равномерно распределенных ядер Fe. За задним торцом замедлителя в разных местах формируются области поля с различным компонентным и энергетическим составом, т.е. формируемое поле обладает существенной неоднородностью. Перечень компонентов поля вторичного смешанного излучения и направления их вылета показаны на Фиг. 1 справа. Для выравнивания однородности поля в конце полиэтиленового замедлителя добавлен слой вещества с большим атомным номером (на рисунке обозначен темным цветом) для увеличения углового разброса вылетающих из замедлителя частиц. Для улучшения однородности поля излучения за замедлителем в месте облучения образцов предполагается также, что расстояние от заднего торца замедлителя до образца составит не менее 1 метра.
1
2
Фиг. 2. Упрощенная конструкция конвертора с двумя мишенями разной толщины, а - изометрический вид конвертора с падающим на него пучком ядер железа; b - вид со стороны пучка ядер железа; S и S -площади мишеней;
1
2
3
4
1
1
4
1
1
2
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
4
Фиг. 3. Упрощенная конструкция конвертора с четырьмя мишенями разной толщины с падающим на него пучком ядер железа. S S, S и S -площади соответствующих секторальных мишеней. Мишень 1 имеет секторальный угол 360° и представляет собой цилиндр с площадью S=S (площадь круга - торца мишени). У остальных мишеней секторальные углы меньше 360°. d - d - толщины секторальных мишеней. Суммарные толщины мишеней D следующие: D = d; D=d+d; D=d+d+d; D=d+d+d+d.
Фиг. 4. Схематическая конструкция устройства поворотного барабана револьверного типа для смены четырех конверторов на пучке ядер железа. Барабан поочередно устанавливает конверторы в одну и ту же позицию на пучке ядер железа, а - продольный вид поворотного барабана в разрезе, b - сечение барабана с четырьмя конверторами. 1 - конверторы; 2 - облучаемый образец; 3 - поворотный барабан.
Фиг. 5. Вид со стороны пучка ядер железа конвертора №1 (а) и конвертора №2 (b). Цифрами на фигуре обозначены номера мишеней.
Фиг. 6. Расчетное зарядовое распределение заряженных компонентов в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором в проекте канале прикладных радиобиологических исследований на Нуклотроне ОИЯИ. По оси ординат на графике отложена плотность потока вторичных частиц (фрагментов) с зарядом Z (ось абсцисс), нормированная на 1 упавшее в секунду на симулятор ядро железа с энергией 1 ГэВ/н.
Фиг. 7. Расчетные спектры ТЗЧ, а также гамма-квантов и нейтронов в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ. Тип частицы (фрагмента) указан на каждой фигуре. По шкале абсцисс отложена энергия в МэВ/н, по оси ординат - энергетическая плотность потока ТЗЧ, нормированная на 1 ядро железа /сек через симулятор.
Фиг. 8. Расчетный спектр ЛПЭ всех ТЗЧ частиц в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ в месте расположения облучаемых биологических образцов. По оси абсцисс отложена ЛПЭ в единицах кэВ/мкм. По оси ординат отложена плотность потока частиц в бине разбиения ЛПЭ (шаге гистограммы), нормированная на 1 ядро железа /сек через симулятор.
Осуществление изобретения
В представленном изобретении описывается устройство для моделирования полей смешанного излучения на высокоэнергетичных ускорителях тяжелых ионов (далее в тексте для краткости называемое симулятором) с использованием широкого однородного пучка ядер железа с энергией 1 ГэВ/н как в прототипе, но состоящий в отличие от прототипа из нескольких блоков замедлителей (конверторов). Каждый конвертор отвечает за создание парциальной составляющей поля за устройством со своим специфическим компонентным и энергетическим составом. Вариабельность толщины блока замедлителя (конвертора) по пучку достигается другим способом, чем в прототипе, не за счет пустот разной конфигурации. В изобретении используются конверторы, состоящие из наборов однородных секторальных или цилиндрических и секторальных мишеней одного диаметра с различными секторальными углами и толщиной. Несколько конверторов с разными наборами мишеней объединяются в поворотном барабане револьверного типа (вокруг оси барабана) для поочередной установки на пучке ускоренных частиц для облучения. Блок замедлителя (конвертор) в процессе облучения имеет возможность быстрого вращения вокруг оси пучка, а поворотный барабан - вокруг своей продольной оси с помощью электродвигателей. Конвертор можно рассматривать как композицию нескольких закрепленных в нем мишеней разной суммарной толщины. При постоянстве плотности потока первичных ядер железа и быстром вращении конвертора вокруг оси пучка, количества ядер, облучающих разные мишени, пропорциональны отношению площадей секторов мишеней к площади круга.
На Фиг. 2 и 3 показаны упрощенные конструкции конвертора с двумя и четырьмя секторными мишенями соответственно. При вращении конвертора вокруг оси пучка каждый сектор мишени будет многократно описывать полный круг, таким образом, парциальная доля поля излучения за симулятором от каждой секторальной мишени будет принципиально однородной и, соответственно будет однородным и суммарное поле от совокупности мишеней и конверторов. В этом случае облучение образцов можно проводить сразу же за конвертором, и не нужно использовать дополнительный слой вещества с большим атомным номером, понижающий энергию частиц, что также является существенным преимуществом в сравнении с прототипом. Доля вклада парциального поля от каждой мишени в суммарное поле за конвертором пропорциональна отношению ее секторальной площади к площади круга, а преимущественный тип вторичных частиц (фрагментов ядра-снаряда) за ней определяется ее суммарной толщиной. Суммарные толщины мишеней выбираются на основе данных о сечении взаимодействий первичного ядра Fe и его фрагментов с полиэтиленом и соответствуют глубине проникновения выбранных групп ядер, на которой вероятность их взаимодействия с полиэтиленом составляет ~ 50%.
При использовании первичного пучка ядер железа с энергией 1 ГэВ/н энергия всех вторичных частиц практически не будет превышать этой величины, а компонентный состав ТЗЧ будет иметь зарядовое распределение от атомного номера 1 до атомного номера 27 (кобальт). Особую трудность представляет собой воспроизведение легких компонентов смешанного поля (т.е. однозарядных частиц и легких ядер). Поскольку бóльшая часть ядро-ядерных взаимодействий является периферийными, то в них рождаются фрагменты ядер-снарядов с массами близкими к массе ядра-снаряда. Чтобы, в конечном итоге, за конвертором присутствовали только легкие компоненты (особенно, протоны), необходимо использовать конвертор большой длины, во много раз превышающей ионизационный пробег ядер железа с энергией 1 ГэВ/н. Это снижает выход частиц из конвертора, поэтому увеличивать энергию первичных ядер железа нецелесообразно. Моделировать адекватно энергетические спектры всех компонентов поля смешанного излучения с одним конвертором невозможно (даже с большим числом мишеней), поэтому предлагается применить несколько конверторов с разными наборами мишеней, объединенных в поворотном барабане (Фиг. 4) для их быстрой замены на пучке.
i
Каждый конвертор воссоздает спектры преимущественно одной группы частиц за счет собственной комбинации мишеней разной толщины. Но в поле излучения за каждым конвертором присутствует также и примесь частиц из других групп. В общем случае, спектр частиц одного i-типа F(E) в итоговом поле смешанного излучения за симулятором получается суммированием спектров частиц парциальных полей из всех конверторов с весами, определяемыми временем облучения каждого конвертора, т.е. суперпозицией парциальных полей.
где  - спектр частиц i-го типа излучения за конвертором  - время облучения конвертора  Т - время полной экспозиции облучения образцов за симулятором.
При этом спектр частиц i-го типа за каждым конвертором
где  - спектр i-го компонента поля из мишени k конвертора  - площадь секторальной мишени k в конверторе  S - площадь круга.
В результате симулятор способен моделировать биологические эффекты облучения образцов в поле смешанного излучения ТЗЧ с заранее заданным соотношением компонент поля и их спектров путем последовательного облучения образцов за конверторами. Темп набора поглощенной дозы облучения определяется в итоге интенсивностью первичного пучка ядер железа. Адекватное моделирование заданного спектра каждой частицы в суммарном поле смешанного излучения за симулятором достигается подбором следующих параметров: толщин мишеней в каждом конверторе с учетом вклада (веса) каждой мишени и относительного вклада (веса) каждого конвертора в экспозицию облучения образца, что обеспечивает широкие возможности для вариации компонентного и спектрального состава поля.
8
Изобретение предназначено для проведения радиобиологических экспериментов на проектируемом канале прикладных исследований Нуклотрона Объединенного института ядерных исследований. Нуклотрон - циклический синхротрон с частотой цикла 0,1 Гц. В режиме медленного вывода пучка из Нуклотрона длительность импульса составляет 5 сек. Таким образом, смена конвертора в барабане может осуществляться в промежутках между импульсами ускорителя. Максимальная проектная интенсивность пучка ядер Нуклотрона с бустером при работе на прикладные каналы составит ~5⋅10 ядер/цикл. Широкий равномерный пучок ядер железа на входе устройства будет создаваться путем его сканирования по заданной программе. При цикле сканирования пучка ~ 90 мсек и длительности медленного вывода пучка 5 сек за один импульс ускорителя будет происходит ~ 55 сканирований, что обеспечит статистическую равномерность поля облучения даже при небольших нестабильностях вывода пучка.
3
Для подтверждения возможности осуществления изобретения был создан проект установки (симулятора) с четырьмя конверторами в барабане на проектируемом канале прикладных исследований Нуклотрона. Внутренний диаметр конверторов и мишеней задавался равным 10 см. Материал мишеней трех конверторов - полиэтилен плотностью 0,952 г/см. Четвертый конвертор - гетерогенный, из двух мишеней - полиэтиленовой и стальной. Состав конверторов и доли площади сегментов мишеней приведены в таблице 1.
На Фиг. 5 показан вид со стороны пучка ядер железа конверторов №1 (а) и №2 (b).
Углы секторов мишеней для конверторов №1 и 2 приведены в таблице 2. Конвертор №3 представляет собой цилиндр из полиэтилена толщиной 50 см, а конвертор №4 - составлен из двух цилиндров (стального толщиной 20 см и полиэтиленового толщиной 30 см).
На Фиг. 6 показано расчетное зарядовое распределение заряженных компонентов в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором с описанной выше конструкцией.
На Фиг. 7 представлены расчетные энергетические спектры ТЗЧ, а также гамма-квантов и нейтронов в суммарном поле вторичного смешанного излучения за симулятором в проектируемом канале прикладных радиобиологических экспериментов на Нуклотроне ОИЯИ.
На Фиг. 8 показан расчетный спектр ЛПЭ в единицах кэВ/мкм заряженных частиц в суммарном поле вторичного смешанного излучения ТЗЧ за симулятором с описанной выше конструкцией в месте расположения облучаемых биологических образцов. Следует отметить, что предложенное устройство симулятора позволяет воспроизводить спектр ЛПЭ до ~ 1000 кэВ/мкм, т.е. до существенно больших значений, чем прототип.
В целом, приведенные выше расчеты доказывают, что предложенное устройство (симулятор) для формирования полей смешанного излучения ТЗЧ на ускорителях тяжелых ионов высокой энергии обладает существенно расширенными возможностями по сравнению с прототипом и может быть использовано в качестве инструмента для перспективных радиобиологических исследований.