УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТАВКИ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ ПО ГИБКИМ НЕЙТРОНОВОДАМ
DEVICE TO DELIVER ULTRACOLD NEUTRONS ALONG FLEXIBLE NEUTRON GUIDES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно - к способам доставки низкоэнергетических нейтронов от источников нейтронов до объектов исследований или экспериментальных установок.
Настоящее изобретение может быть использовано при транспортировке нейтронов низких энергий, включая ультрахолодные нейтроны, в труднодоступные места по искривленным каналам сложной конфигурации или при проведении нейтронно-захватной терапии онкологических заболеваний, локализующихся в полостях организма или внутренних органов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нейтроноводы используются для вывода нейтронов из активной зоны ядерного реактора или мишени ускорителя за биологическую защиту в экспериментальный зал и отделения нейтронов низких энергий и гамма-квантов от прямого пучка.
-7
Ультрахолодными нейтронами (УХН) называются нейтроны с энергией ~10 эВ, имеющие скорости порядка 10 м/с и меньше и длину волны от нескольких сот до тысячи ангстрем. Одной из замечательных особенностей УХН является их способность испытывать полное отражение от поверхности конденсированного вещества при всех углах падения. Явление полного отражения УХН было продемонстрировано в многочисленных экспериментах.
Ультрахолодные нейтроны интенсивно используются в фундаментальной физике и, возможно, могли бы применяться в физике поверхности и наночастиц, нейтронной оптике и других прикладных областях нейтронной физики.
Граничная энергия полного отражения нейтрона от поверхности при любых углах падения определяется выражением:
µ - магнитный момент нейтрона; ρ - плотность ядер; b - длина когерентного рассеяния; m - масса нейтрона; h - постоянная Планка; В - магнитная индукция; (±) - для спина нейтрона с параллельным и антипараллельным направлением относительно В.
гр
гр
гр
-7
При b>0 нейтрон, попадающий из вакуума в среду, встречает положительный барьер высотой U. Для большинства ядер b>0, и лишь для некоторых изотопов ядер (Li, Mn, Ti, V) b<0. Если энергия нейтрона меньше Е, нейтрон отражается и не проходит границу раздела сред. Почти для всех веществ Е~10 эВ. Значения Е и критических скоростей для некоторых материалов приведены в таблице.
Значения Е<sub>гр</sub> и критических скоростей для некоторых материалов
Вещество
Е<sub>гр</sub>(10<sup>-7</sup>, эВ)
v<sub>гр</sub>, м/с
Вещество
Е<sub>гр</sub>(10<sup>-7</sup>, эВ)
v<sub>гр</sub>, м/с
Н<sub>2</sub>О
-0,146
-
Al
0,541
3,22
Полиэтилен
-0,070
-
Ti
-0,500
-
Be
2,500
6,90
Mn
-0,680
-
С (графит)
1,750
5,83
Нерж. сталь
1,820
6,05
Mg
0,595
3,37
Cu
1.720
5,70
Одним из основных параметров, характеризующих нейтроновод, является его пропускная способность, т.е. отношение потока нейтронов на выходе из нейтроновода к потоку на входе. Потери нейтронов зависят от качества поверхности нейтроновода, наличия загрязнения, уровня вакуума, диаметра и длины нейтроновода. Очевидно, что ослабление тем сильнее, чем более шероховаты и загрязнены стенки нейтроновода и чем хуже вакуум внутри него. В настоящее время типичная потеря плотности нейтронов в нейтроноводе превышает 10 раз [V.V.Nesvizhevsky Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 557 (2006) 576-579].
Таким образом, в конечном счете, транспортировка ультрахолодных нейтронов определяется взаимодействием нейтронов со стенкой. Известно, что для транспортировки нейтронов низких энергий на большие расстояния необходимы нейтроноводы с высокой зеркальностью стенок, достаточно большой граничной энергией и низким коэффициентом потерь при столкновениях со стенками. Как показывает практика, наиболее гладкие для отражения УХН поверхности дает электрохимическая полировка. Однако достижение высокой зеркальности стенок для металлических нейтроноводов представляет собой сложную технологическую задачу и не всегда возможно, особенно для нейтроноводов сложной конфигурации.
Известен способ транспортировки ультрахолодных нейтронов по нейтроноводам, изготовленным из химически полированных медных труб или нержавеющей стали [В.К.Игнатович «Физика ультрахолодных нейтронов». М., Наука, 1986]. Типичный нейтроновод УХН представляет собой вакуумированную полированную трубу круглого сечения диаметром 5-10 см и длиной 10-20 м. Диаметр нейтроновода обычно определяется геометрическими ограничениями в окрестности источника (активной зоны реактора или мишени ускорителя). Длина определяется минимальным достаточным расстоянием между источником нейтронов и экспериментальной установкой.
2
Главная причина потери УХН в нейтроноводе состоит в их диффузионном, т.е. не зеркальном, рассеянии нейтронов на стенках. Вероятность диффузного рассеяния волны на шероховатой поверхности приблизительно дается соотношением ~(Δd/λ), где Δd - средняя шероховатость поверхности и λ - длина волны ультрахолодного нейтрона, которая составляет 10÷20 нм. Таким образом, высокая вероятность зеркального отражения (намного лучше 1%) возможна только, если шероховатость стенки меньше ~1 нм.
гр
гр
С другой стороны, существовала адекватная шероховатость для нейтроноводов УХН, используемых в течение нескольких десятилетий во многих исследовательских центрах. Попытки использовать стеклянные или кремниевые нейтроноводы не увенчалась успехом - эти материалы имеют слишком низкую граничную энергию Е. Любое покрытие веществом с более высокой Е страдает от худших зеркальных свойств поверхности, а также от незначительных дефектов в покрытиях, которые являются важными, так как УХН с энергией выше, чем граничная энергия материала стенки, с высокой вероятностью теряются через любой дефект покрытия. Кроме того, стекло не выдерживает высоких доз излучения внутри ядерного реактора.
Таким образом, поиск материалов, обладающих высоким зеркальным отражением и высокой граничной энергией, для УХН является актуальной задачей. Хороший кандидат для материала нейтроновода УХН - бериллий, который может быть достаточно отполирован и выровнен, тверд, в частности, не образует острых граней при изломе (сломанный край привел бы к диффузионному рассеиванию), радиационно стоек и имеет достаточно высокую граничную энергия (~150 нэВ), чтобы использовать его без какого-либо покрытия. В противном случае сопротивление любых покрытий излучению было бы слабым и никогда не гарантировалось. Наконец, низкая потеря УХН в бериллиевых ловушках была доказана в экспериментах, где низкие потери были достигнуты без предварительной очистки или охлаждения поверхности, как это обычно делалось для других материалов, чтобы улучшить пропускную способность нейтроновода.
За прототип выбран патент РФ №2313377 «Способ осуществления нейтронно-захватной терапии онкологических заболеваний» (МПК A61N 5/10 (2006.01). G21K 5/00 (2006.01), G21G 4/02 (2006.01), G21G 1/06 (2006.01). Заявка: 2005135228/14, 15.11.2005).
В предложенном способе ультрахолодные нейтроны выводят из криогенного конвертера нейтронов ядерного реактора и доставляют к пораженному органу или ткани по вакуумному нейтроноводу, концевая часть которого выполнена в виде гибкого катетера. Гибкий катетер представляет собой тонкостенную металлическую гофрированную трубку сильфонного типа. На торце катетера располагается тонкое прозрачное окно с b<0, через которое ультрахолодные нейтроны поступают в злокачественную опухоль.
Однако способ доставки ультрахолодных нейтронов, выбранный в качестве прототипа, имеет ряд недостатков, среди которых в первую очередь могут быть выделены следующие:
- внутренняя стенка гофрированной трубки катетера не обладает зеркальным отражением нейтронов из-за неровности поверхности, что неизбежно приводит к потере нейтронов при транспортировке и снижению общего пропускания нейтроновода;
- высокая упругость металлической стенки катетера не обеспечивает необходимой гибкости, что затрудняет введение катетера в узкие каналы сложной конфигурации с поворотами на большие углы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является снижение потерь нейтронов низких энергий, включая ультрахолодные нейтроны, при их транспортировке по каналам сложной конфигурации и доставке в труднодоступные места и внутренние полости, а также обеспечение возможности использования для этих целей пластичных материалов, обладающих высокой гибкостью.
Для решения поставленной задачи предложено использовать гибкие нейтроноводы, изготовленные из поливинилхлоридной трубки, внутренняя стенка которой имеет зеркальную поверхность, а средняя шероховатость ниже, чем длина волны ультрахолодных нейтронов.
2
n
H
C
Cl
-3
-13
-13
-13
-9
-1
В качестве материала нейтроновода предлагается использовать полимер поливинилхлорид (химическая формула [-CH-CHCl-]) с плотностью 1,4 г·см и молекулярным весом в диапазоне 30000-100000 а.е.м. Длины когерентного рассеяния для углерода, водорода и хлора составляют соответственно b=-3,74 10 см, b=6,65·10 см, b=9,58·10 см. Граничная энергия поливинилхлорида равна 39,7·10 эВ, а величина граничной скорости 2,8 м·с.
Поливинилхлорид (ПВХ) - термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. ПВХ является практически аморфным полимером. Это связано с большой жесткостью цепи, с огромным сегментом молекулы.
Физические причины зеркальности поливинилхлорида связаны с молекулярными особенностями поверхностного слоя этого полимера. Наличие физико-механических сил межмолекулярного сцепления, благодаря наличию электроотрицательного хлора, определяет высокую прочность ПВХ, химическую стойкость и низкую шероховатость поверхности.
-5
Зеркальность поверхности ПВХ может быть еще повышена за счет нанесения на нее тонкого слоя жидкого безводородного фторополимера фомблин, в состав которого входят только атомы С, О, F и обладающего более высокой граничной энергией и меньшим коэффициентом поглощения, чем поливинилхлорид. Потери ультрахолодных нейтронов при соударении с поверхностью фомблина обусловлены главным образом их неупругим рассеянием в область тепловых энергий нейтронов. Вероятность потерь при однократном столкновении со стенкой составляет ≈10 [Серебров А.П. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов. Успехи физических наук. Том 175, №9, 2005, стр.905-924].
10
Гибкость поливинилхлоридных трубок позволяет оперативно без существенных потерь доставлять УХИ от источника в произвольных направлениях. Так, например, такие трубки могут быть использованы как медицинские катетеры для целей нейтронно-захватной терапии (НЗТ) злокачественных опухолей, где принципиально важно иметь возможность подводить нейтроны к пораженным органам или тканям. Это открывает новые возможности НЗТ в части терапии злокачественных новообразований, локализующихся в полостях организма или его органов. Это, в первую очередь, онкологические очаги в легких различной этиологии, раки пищевода, гортани, внутренних органов брюшной полости, злокачественные новообразования костной системы в пазухах, поражения кожных покровов. При наличии препаратов с В, способных накапливаться в бляшках сосудов, станет возможным применение УХН при лечении склеротических поражений сосудов, что пока практически невозможно в традиционной технологии НЗТ из-за существенного лучевого поражения сосудистых стенок и клеток крови. Возможно, технология НЗТ с применением ультрахолодных нейтронов станет новым этапом развития клеточной НЗТ с большей терапевтической эффективностью по сравнению с традиционной. Важно, что в перечисленных видах терапии, в отличие от традиционной НЗТ, в терапевтическом пучке УХН отсутствуют сопутствующие фоны γ-излучения и быстрых нейтронов реактора, вызывающие вредное облучение здоровых тканей.
Таким образом, техническая задача решается с использованием предложенной совокупности существенных признаков.
Устройство для доставки нейтронов низких энергий, включая ультрахолодные нейтроны, имеющее стационарный вакуумированный нейтроновод, изготовленный в виде трубы из нержавеющей стали, никеля или меди, причем
устройство дополнительно снабжено участком нейтроновода, выполненным в виде гибкой поливинилхлоридной трубки, внутренняя стенка гибкой поливинилхлоридной трубки имеет зеркальную поверхность, при этом значения средней шероховатости внутренней стенки гибкой поливинилхлоридной трубки не превышают длины волны ультрахолодных нейтронов, при этом
2
n
- в качестве материала участка нейтроновода используют полимер поливинилхлорид, имеющий химическую формулу [-СН-CHCl-];
- внутренняя поверхность гибкой поливинилхлоридной трубки покрыта фторозамещенным полимером фомблин;
- внутренняя поверхность гибкой поливинилхлоридной трубки выполнена со средней шероховатостью меньшей 1 нм;
- гибкая поливинилхлоридная трубка присоединена к стационарному нейтроноводу посредством входного патрубка;
-7
- внутренняя поверхность гибкой поливинилхлоридной трубки покрыта фторозамещенным полимером фомблин YH VAC 18/8, с граничной энергией 1,06·10 эВ.;
- внутренняя поверхность гибкой поливинилхлоридной трубки покрыта фторозамещенным полимером фомблин в виде слоя с толщиной (0,05÷0,1) мм.;
- гибкая поливинилхлоридная трубка имеет внутренний диаметр от 6 до 8 мм.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве примера, иллюстрирующего способ доставки ультрахолодных нейтронов по гибким нейтроноводам из поливинилхлорида, ниже проведены результаты исследования на пучке УХН высокопоточного реактора HFR Института им. М.Лауэ и П.Ланжевена (Гренобль, Франция).
-7
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на Фиг.1. Ультрахолодные нейтроны с энергией (5,2÷3,6)·10 эВ по горизонтальному нейтроноводу 1 и вертикальному нейтроноводу 2 длиной Н=160 см от источника поступали в короткий нейтроновод 3. Диаметр нейтроноводов, изготовленных из нержавеющей стали, составлял 7 см.
-7
3
Поднявшись в нейтроновод 3, нейтроны уменьшали энергию до (0÷2,0)·10эВ и поступали в гибкий нейтроновод 4 из поливинилхлоридной трубки. Исследованные в экспериментах трубки имели внутренний диаметр от 6 до 8 мм. Поток УХН на выходе из трубки 4 поступал в переходную камеру 5 и измерялся газовым пропорциональным детектором 6 на основе изотопа He с алюминиевым входным окном диаметром 9 см.
Схема соединения детектора и входного патрубка с трубкой ПВХ в большем масштабе показана на Фиг.2.
-3
Концы поливинилхлоридной трубки 4 вакуумно плотно натягивались на выходной патрубок верхнего нейтроновода 7 и входной патрубок детектора 8. Вакуум в нейтроноводной системе и поливинилхлоридных трубках поддерживался на уровне 10 мм. рт.ст.
-9
-1
-1
0
Длина патрубков 3 см, внутренний диаметр равнялся диаметру исследуемой трубки. УХН через патрубок детектора попадали в объем переходной камеры 5 из нержавеющей стали. Если энергия УХН была больше граничной энергии алюминия, равной 52,0·10 эВ и, соответственно, скорость больше 3,2 м·с, то нейтроны регистрировались. Таким образом, детектор 6 регистрировал нейтроны со скоростью в интервале (3,2÷6,3) м·с. Вероятность возвращения УХН из переходной камеры 5 в поливинилхлоридную трубу 4 пренебрежимо мала. Для измерения входного потока нейтронов I, поступающего в исследуемые гибкие трубки, входной патрубок и патрубок детектора соединялись вплотную, а вакуум обеспечивался коротким отрезком трубы, надетым на патрубки (L=0).
Как показали эксперименты, пропускание трубок существенно зависит от формы их поперечного сечения, менявшейся по длине от окружности до эллипса. Лучшие результаты были получены для ПВХ трубок, сечение которых по всей длине было близко к окружности (цилиндрические трубки).
0
На Фиг.3 приведена зависимость коэффициента пропускания ультрахолодных нейтронов поливинилхлоридной трубкой с внутренним диаметром 8 мм от длины (нижняя прямая - полихлорвиниловая труба, верхняя - ПВХ трубка с покрытием внутренней поверхности фторозамещенным полимером фомблин). Здесь W=I(L)/I, где l(L) - поток нейтронов на выходе трубки диаметром d 8 мм и длиной L, изменявшейся от 4 см до 290 см. Отношение L/d при этом составляло (5÷360).
r
r
r
-1
-1
Видно, что после постановки трубки длиной L=4 см, коэффициент пропускания резко уменьшается от 1 до 0,36. При дальнейшем увеличении L коэффициент пропускания уменьшается медленно, достигая W=0,07 при L=290 см. Качественно полученный результат можно объяснить следующим образом. При попадании в трубу УХН, имеющие первое столкновение со стенкой с радиальной компонентой скорости V>2,8 м·с, проникают в стенку трубки и покидают ее объем, испытывая неупругое рассеяние и захват в поливинилхлориде. На участке трубки длиной L>4 см основная часть таких нейтронов покидает объем трубки. Нейтроны с радиальной компонентой V<2,8 м·с, отражаясь от стенок, распространяются по трубке. При этом за счет зеркальности отражений и цилиндричности трубки величина радиальной компоненты скорости V сохраняется от одного столкновения к другому. Дальнейшее ослабление потока УХН в интервале L=(4÷290) см, возможно, связано уже с подбарьерным поглощением УХН при отражениях или слабыми отклонениями формы трубки от цилиндрической.
-7
-1
-1
В следующих измерениях эти же поливинилхлоридные трубки покрывались изнутри фторозамещенным полимером фомблин YH VAC 18/8, обладающим граничной энергией 1,06·10 эВ, что соответствует граничной скорости 4,56 м·с. Фторополимер наносился в виде слоя с толщиной (0,05÷0,1) мм. Результаты измерений коэффициента пропускания трубок, покрытых фторополимером, приведены на Фиг.3 вверху. Видно, что после постановки трубы с L=4 см коэффициент пропускания W=0,98 и уменьшается до 0,75 при L=290 см. Увеличение граничной скорости отражающего слоя до 4.56 м·с привело к тому, что практически все нейтроны поступающего потока оказались захваченными в трубке и, зеркально отражаясь, распространяются к выходу нейтроновода. Относительное ослабление потока УХН с увеличением длины стало значительно меньше. Это можно объяснить тем, что после покрытия трубки фторополимером уменьшились потери УХН при подбарьерном отражении, а неоднородности сечения трубы стали меньше влиять на процесс распространения УХН.
(прямая)
(конфигурация)
(прямая)
конфигурация
На Фиг.4 приведены значения коэффициентов пропускания поливинилхлоридной трубки диаметром 8 мм и длиной 190 см в зависимости от пространственной конфигурации. Характерные радиусы изгибов составляли (10-20) см. Коэффициент пропускания трубки определяется выражением Т=I/I, где I - поток УХН на выходе прямой трубки, I - поток УХН на выходе этой же трубки, но изогнутой в заданную конфигурацию.
Из Фиг.4 видно, что изгибы трубки влияют на пропускание незначительно. Даже тройной оборот трубки приводит к ослаблению выходного потока только на 45%. Аналогичные результаты получены для трубки длиной 290 см, покрытой изнутри фторополимером фомблин. Значения Т для трубки длиной 290 см приведены на Фиг.5.
Результаты экспериментов подтвердили высокую зеркальность поверхности ПВХ трубок. Зеркальность поверхности повышается при нанесении на нее тонкого слоя жидкого фторополимера, обладающего более высокой граничной энергией и меньшим коэффициентом поглощения. Поверхность такого качества обеспечивает пропускание УХН при отношении L/d=360 на уровне (70-75)%. Так, при диаметре ПВХ нейтроновода 8 мм возможна эффективная транспортировка УХН на расстояния порядка 30 м от источника нейтронов.
Гибкость ПВХ трубок позволяет без существенных потерь пропускания быстро и оперативно доставлять УХН от источника в произвольных направлениях. Такие трубки могут быть использованы как медицинские катетеры для целей нейтронно-захватной терапии злокачественных опухолей.