Способ радиационного облучения мишеней большого размера на протонном пучке синхроциклотрона
METHOD OF IRRADIATION OF LARGE TARGETS ON THE PROTON BEAM OF THE SYNCHROCYCLOTRON

Изобретение относится к ускорительной технике и способам использования пучков заряженных частиц для облучения мишеней различного назначения.
Введение в проблему. Известно, что пучки заряженных частиц ускорителей, в том числе и синхроциклотронов (далее - СЦ) (Брук Г. «Циклические ускорители заряженных частиц: введение в теорию» (пер. с франц. под ред. А.И. Дзергача) М., Атомиздат, 1970) [1], используются для облучения мишений с различными целями, например, для получения изотопов, для фундаментальных исследований, в медицине и т.п. Под термином «мишень большого размера» будем понимать любой объект, облучаемый протонным пучком (далее - р-пучком) ускорителя, площадь которого S больше или много больше поперечного сечения р-пучка S >> s.
Проблема облучения мишеней больших размеров р-пучком высокой энергии возникает в ряде областей. Например, в медицине для облучения опухолей больших размеров (легких, печени, головы и т.п.) протонами с энергией «пика Брэгга» ~ 600 МэВ (С.А. Костромин, Е.М. Сыресин «Тенденции в ускорительной технике для адронной терапии». Письма в ЭЧАЯ, 2019, т.10, №7 (184), с. 1346-1375) [2], в трансмутации радиоактивных отходов с энергией р-пучка ≥1000 МэВ (Ю.Т. Миронов «Использование ускорителей заряженных частиц в ядерно-топливном цикле» Сборник «Экология. Безопасность. Жизнь» ПИЯФ, Гатчина, 1998 г. выпуск 5. стр. 62-64) [3], в авиакосмической отрасли при облучении протонами электронных блоков, конструктивных элементов космических станций и т.п. для тестирования надежности их работы в потоках атмосферных и космических высокоэнергетичных протонов (РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов) (зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780 [4], (А.И. Чумаков «Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004) [5].
Однако, способ облучения мишеней больших размеров неочевиден. Действительно, известно (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», г. Гатчина, 2012) [6], что диаметр р-пучка СЦ 2÷5 см. Поэтому невозможно облучить всю площадь большой мишени при сканирования ее круглым пучком без зазоров и технически трудно осуществлять отклонение р-пучка с энергией ~ 1000 МэВ на большие углы.
В качестве аналога предлагаемого способа укажем на способ радиационного облучения р-пучком СЦ мишеней больших размеров в виде онкологических опухолей (печени, легких, головы и т.п.) у неподвижно лежащего больного способом сканирования пучком опухоли при помощи устройства гантри (gantry) (А.П. Черняев, Е.Н. Лыкова, А.И. Поподько «Медицинское оборудование в современной лучевой терапии», М., ООП Физический факультет МГУ, 2019, с. 88, [7].
Недостатком способа-аналога является сложность его реализации, так как техническая конструкция и сложность гантри соизмерима со сложностью самого ускорителя, а гантри на энергию 1000 МэВ технически нереальна. Так, например, в Центре ионно-лучевой терапии Гайдельберга для протонного пучка размер гантри на энергию протонов ~ 400 МэВ составляет 10-15 м в высоту и вращаемый вес ~ 100 тонн [7].
В качестве способа-прототипа укажем на способ радиационного облучения большой мишени р-пучком синхроциклотрона, предложенный в работе. (Д.А. Амерканов, Е.М. Иванов и др. «Возможности облучения протонами объектов большой площади» Научно-технический сборник «Стойкость 22 - Всероссийская Конференция «Радиационная стойкость электронных систем», 2019, стр. 77-78) [8].
2
Способ-прототип заключается в облучении мишени р-пучком синхроциклотрона путем 4-х кратной произвольной перестановки самой мишени относительно оси р-пучка в плоскости, перпендикулярной оси пучка, что по существу является методом сканирования. В результате наложения протонных потоков друг на друга в четырех областях мишени реализуется облучение всей площади мишени с неравномерностью распределения плотности облучения ~ 20% для мишени 20×20 см при диаметре пучка 10 см. В случае мишени большой площади, она разбивается на участки 20×20 см с последующей перестановкой мишени (сканировании) и последовательном облучении ее в пределах каждого участка.
Недостатками способа-прототипа являются: большая степень неравномерности облучения ~20% и необходимость предварительной трансформации размера и формы р-пучка системой электромагнитной фокусировки для увеличения его размера, соизмеримого с размерами разбиваемых участков, и для выравнивания распределения плотности протонов в самом пучке.
Задача изобретения - создание более точного способа радиационного облучения р-пучком синхроциклотрона мишеней любого большого размера с заданным распределением плотности протонов по всей площади мишени.
Технический эффект заключается в реализации данной задачи.
Технический эффект достигается тем, что в способе радиационного облучения мишеней большого размера протонным пучком синхроциклотрона методом сканирования новым является то, что сканирование мишени протонным пучком осуществляется путем циклического периодического возвратно-поступательного перемещения самой мишени по двум взаимно ортогональным направлениям относительно оси протонного пучка с определенной величиной шага сканирования, при котором происходит облучение площади мишени в виде частично перекрывающихся полос с повторением циклов сканирования и при модуляции интенсивности протонного пучка по определенному алгоритму, причем шаг сканирования выбирают таким, чтобы распределения плотностей облучения любых двух соседних облученных полос пересекались на половине их максимальных амплитуд, а каждый последующий цикл сканирования проводился со сдвигом начального положения мишени относительно края мишени на такую величину, чтобы максимумы распределений плотностей облучения каждого последующего цикла сканирования совпадали с минимумами предыдущего.
На Фиг. 1, Фиг. 2 условно показана мишень и принцип реализации предложенного способа.
Фиг. 1. Протонный пучок и мишень:
0
1. Мишень площадью S=(А-А) х В.
2. Поперечное сечение р-пучка в форме овала.
3. Ось протонного пучка (р-пучка) OZ.
OXYZ - система координат, связанная с осью р-пучка OZ.
Фиг. 2. Схема Х-цикла сканирования:
оху - система координат, связанная с мишенью 1.
0
1. Мишень в виде пластины площадью S=(А-А) х В.
2. Поперечное сечение р-пучка в форме овала с полуосями а, в (а=b при сечении в форме круга)
1
2
N
i, i…i - области на мишени 1 в виде полос шириной 2а, облученные пучком 2 при его относительном перемещении по мишени 1 по оси у при сканировании.
-
Δх - шаг сканирования, величина скачкообразного перемещения мишени 1 по оси х.
δх - ширина полос, дважды облучаемых пучком 2 при его относительном движении по оси у вверх↑ и вниз↓.
0
Δх - начальное расстояние центра пучка 2 относительно края мишени 1.
i
1
2
N
Фиг. 2б: ρ(x) - условный график зависимостей плотности протонного потока протонов на мишени 1 поперек каждой из полос i, i…i вдоль оси х.
i
Фиг.2в: ρ(х)=Σρ(x) - условный график зависимости плотности протонного потока по оси х при облучении мишени 1.
0
Для определенности рассмотрим облучение мишени в виде прямоугольной пластины 1 площадью S=(А-А) х В р-пучком 2 овальной формы с полуосями а,в и площадью s, причем S>>s, Фиг. 1. Введем неподвижную систему координат OXYZ, связанную с осью пучка OZ, и подвижную - оху, связанную с мишенью 1; оси этих координат взаимно коллинеарны.
Мишень 1 принудительно совершает возвратно-поступательные движения вверх↑ - вниз↓ по оси Y и одновременно периодические скачкообразные перемещения по оси X с шагом сканирования Δх. При таком движении мишени 1 относительно оси р-пучка OZ происходит сканирование р-пучком 2 мишени 1 и облучение ее площади S в виде повторяющихся полос шириной 2а (где а - полуось р-пучка 2).
Если выбрать шаг сканирования Δх>2а, то между облученными полосами i шириной 2а остаются полосы, необлученные р-пучком.
Если выбрать Δх=2а, то вся площадь мишени 1 становится облученной р-пучком.
1
1
N
Если шаг сканирования Δх<2а, то полосы i, i…i перекрывают друг друга и участки мишени 1 шириной δх оказываются облученными дважды. Этот вариант облучения мишени 1 изображен на Фиг. 2а, назовем его Х-циклом сканирования.
Аналогично, если мишень совершает поступательно движение по оси X и периодическое скачкообразное перемещение по оси Y, то будем называть такой вариант облучения мишени Y-циклом сканирования.
0
Рассмотрим закон распределения плотности потока протонов на мишени ρ(х,у) при описанном выше Х-цикле сканирования. Предположим, что р-пучок с полуосями (а, в) имеет произвольное распределение плотности протонов в самом пучке ρ(х,у).
Очевидно, что распределения плотностей потоков протонов по осям х и у мишени 1 различны. Действительно, вдоль оси у распределение плотности протонов постоянно ρ(y)=Const, так как р-пучок 2 при своем относительном перемещении по оси у облучает все участки δу полос i с одинаковым распределением плотности.
i
i
1
2
N
i
Однако, вдоль оси х плотность облучения в пределах каждой из полос i неравномерна и зависимость ρ(x) - имеет вид «колокообразной» функции, конкретный вид которой зависит от размера пучка и распределения плотности протонов в пучке. Вдоль всей мишени 1 это распределение периодически повторяется от полосы к полосе и график одинаковых последовательностей ρ(х) для полос i, i…i условно изображен на Фиг.2б. Распределение плотности потока протонов для всей мишени 1 вдоль оси х представляет собой сумму ρ(x):
max
min
в которой каждое последующее слагаемое отличается от предыдущего только сдвигом по оси х на величину i⋅Δx, где Δх - шаг сканирования. В результате сложения протонных потоков, частично накладывающихся друг на друга, получаем распределение плотности облучения ρ(х) вдоль оси х в виде волнистой линии с повторяющимися величинами ρ(x), ρ(x), Фиг. 2в.
i
i+1
0
max
min
Выбор величины шага сканирования Δх влияет на равномерность плотности облучения мишени протонами вдоль оси х. Можно показать, что оптимальным шагом сканирования Δх является шаг, при котором любые два соседних распределения ρ(x) и ρ(x) пересекаются друг с другом на половине их максимальных амплитуд, Фиг. 2б. В этом случае р(х) имеет вид волнистой линии, Фиг. 2в, в которой максимумы и минимумы следуют друг за другом с периодом Δх/2, а их разность ρ(х) - р(х) характеризует степень неоднородности плотности облучения. Поэтому, если провести повторно еще один Х-цикл сканирования со сдвигом начального положения мишени 1 на величину Δх=Δх/4, то при наложении этих двух Х-циклов сканирования друг на друга максимумы распределения первого Х-цикла совпадут с минимумами последующего второго Х-цикла, что приводит к выравниванию однородности облучения больше, чем в два раза. Последующее увеличение числа Х-циклов облучения приводит к дальнейшему улучшению однородности плотности облучения мишени по оси х.
Отметим также, что для симметричного выравнивания неоднородностей по осям мишени х, у необходимо после завершения Х-циклов сканирования
провести аналогичным образом Y-циклы сканирования. Наложение распределений X-циклов и Y-циклов друг на друга приводит к выравниванию однородностей облучения по обеим осям х, у мишени.
Для количественной оценки степени неоднородности плотности облучения введем коэффициенты неоднородностей:
В качестве примера приведем оценку коэффициента неоднородности при облучении мишени протонным пучком СЦ-1000 с энергией протонов 1000 МэВ [6] по предлагаемому способу.
i
Предположим, что р-пучок СЦ отколлимирован так, что имеет круглое сечение радиуса r и равномерную плотность распределения протонов по сечению. Тогда распределение плотности протонов по оси х поперек каждой из полос ρ(x), см. формулу (1), может быть записано аналитической зависимостью как длина хорды окружности диаметра 2r при ее смещении от центра круга
i
i+1
х
х
Можно показать, что в этом случае оптимальный шаг сканирования, обеспечивающий пересечение двух любых соседних ρ(x) и ρ(x) на половине их амплитуд (Фиг. 2б), будет Δх=1.732⋅r. В этом случае после первого Х-цикла сканирования коэффициент неоднородности вдоль оси х будет η≈0,1. После повторения Х-цикла коэффициенты неоднородности уменьшаются примерно еще в три раза и η≈0,03.
х
y
В реальном случае для вычисления η, η необходимо знать размеры р-пучка и реальное распределение протонов в пучке, которые экспериментально определяются перед процессом сканирования.
х,у
ху
ху
Параметры р-пучка СЦ-1000 приведены в [8], Рис. 1, 2, Таблица 1, 2, стр. 77-78. Компьютерное моделирование показывает, что неоднородность облучения мишени уже после первых X и Y циклов сканирования становится η ≈ 0,1, а после повторения циклов коэффициент неоднородности становится η ≈ 0,02, что на порядок лучше, чем по способу-прототипу [8]. Последующее увеличение числа X,Y - циклов сканирования приводит к дальнейшему уменьшению η. Важно также отметить, что в отличие от прототипа коэффициенты неоднородности не зависят от размера мишени или размера р-пучка.
Далее, о важном свойстве предложенного способа.
Покажем, что способ применим не только для равномерного облучения мишени, но и для формирования «карты дозного поля» с любым заданным распределением плотности облучения протонами по всей площади мишени или при заданной топографии самой мишени. Действительно, формула (1) справедлива в предположении постоянства величины интенсивности р-пучка I=Const во время облучения мишени. Введем автомодулирование интенсивностью р-пучка при его относительных перемещениях по осям х,у, I=I (х,у). Тогда в X цикле сканирования зависимость потока плотности облучения ρ*(у) по оси у будет определяться законом модуляции интенсивности I=I(Y) при движении мишени по оси Y, а зависимость плотности облучения по оси х вместо (1) будет:
i
0
*
где к - модуляционные коэффициенты, определяемые интенсивностью р-пучка при его перемещении от полосы i к полосе i+1. В результате такого модулирования интенсивностью р-пучка после первых X,Y циклов сканирования формируется заданный закон распределения дозного поля ρ(х,у) по осям х,у с определенной величиной ошибки распределения, то есть четкости. Под четкостью дозного поля (по аналогии с фотографией) понимают степень размытости границ при переходе от max дозы к min (от «белого к черному»). Для повышения точности соответствия полученного распределения с заданным, как и в случае равномерного распределения, необходимо повторение X и Y циклов с соответствующими сдвигами Δх начального положения мишени относительно края мишени, Фиг. 2а, что по существу, аналогично способам улучшения качества изображения, используемые в фотошопе (А. Ефремов. «Photoshop и не только фотография» 2006, Изд. «Питер») [9], а для выявления «мелких деталей» дозного поля и повышения четкости необходимо, как и в фотографии, диафрагмирование, то есть коллимирование р-пучка.
Процесс формирования «карты дозного поля» в предложенном способе можно пояснить иначе.
*
*
*
i
В результате проведения X - цикла сканирования плотность ρ(х) облучения протонами мишени по оси х выражается зависимостью (4). После проведения Y - цикла сканирования зависимость плотности облучения ρ(у) по оси у выражается аналогичной (4) зависимостью. В результате наложения распределений потоков протонов в X и Y цикла друг на друга вся площадь мишени S становится облученной в виде перекрещивающихся под прямым углом полос, образующих прямоугольные участки. Увеличение числа повторов X и Y циклов сканирования уменьшает площадь этих участков до приемлемого размера, и они становятся «наименьшей площадью растрового облучения» площади S мишени, то есть пикселями, яркость которых задается модуляционными коэффициентами k в (4) и аналогичными в ρ(у).
Сформулируем преимущества предложенного способа:
- Точность и надежность реализации способа в широком диапазоне энергий протонного пучка 50÷1000 МэВ.
- Способ применим для любого большого размера мишени любой формы.
- Способ обеспечивает как равномерную плотность потока протонов на мишени, так и формирование «карты дозного поля» с заданным распределением плотности потока протонов по всей площади мишени.
Приведенные преимущества выгодно отличают предложенный способ от прототипа и других способов.
К вопросу о практической реализации предложенного способа.
Реализация способа сканирования передвижением мишени по двум ортогональным осям при современных методах роботизации и автоматизации не вызывает принципиальных трудностей и практически осуществима. (METRAROBOTICCS. Ru (автоматизация технологических процессов в сфере атомной промышленности) [10].
Переход от Х-цикла к Y-циклу сканирования, и наоборот, может быть осуществлен путем поворота самой мишени на 90°.
В случае облучения мишени, площадь которой отличается от прямоугольной, (например, конструктивные элементы космических станций), используется автоотключение интенсивности протонного пучка при его сканировании на необлучаемых участках мишени.
Перечислим режимы работы СЦ, необходимые для реализации способа:
- Непрерывный во времени р-пучок синхроциклотрона известен и реализован на СЦ-1000 (Н.К. Абросимов и др. «Система увеличения длительности импульсов протонного пучка синхроциклотрона на 1 ГэВ ЛИЯФ АН СССР» Препринт ЛИЯФ №1, 1972) [11].
- Экспериментальное определение размера и распределения протонов в р-пучке при помощи профилометра известно и реализовано на СЦ-1000 (Е.М. Иванов, С.В. Косьяненко, Г.Ф. Михеев и др. «Устройство для измерения профилей пучков ускорителей высоких энергий». Патент на полезную модель №152734. Приоритет 12.01.2015) [12].
- Способ автомодулирования интенсивностью р-пучка осуществляется известным способом широтно-импульсной модуляции, при котором изменение интенсивности р-пучка не сопровождается изменением размера и распределения плотности протонов в самом пучке (Е.М. Иванов, В.И. Максимов, Г.Ф. Михеев, B.C. Анашин и др. «Устройство для радиационного экспресс-облучения электроники авиакосмического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент на изобретение №2710205, приоритет 07.06.2019) [13].
- Регулировка энергии р-пучка деградером известна и реализована на СЦ-1000 (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, B.C. Анашин. «Автоматизированный замедлитель протонного пучка синхроциклотрона - деградер». Патент на полезную модель №181147. Приоритет 30.03.2018) [14], (С.А. Артамов, Е.М. Иванов, Н.А. Иванов и др. «Расчет и оптимизация пучков протонов переменной энергии 60-1000 МэВ на синхроциклотроне ПИЯФ для испытаний радиационной стойкости электроники», Письма в ЭЧАЯ, т. 14, №1 (206), стр. 144-168.) [15].
- Набор флюэнса может осуществляться как за счет изменения интенсивности р-пучка СЦ, так и путем изменения скорости сканирования.
- Все алгоритмы для управления движением мишени, модуляцией интенсивностью и профилированием р-пучка реализуются с использованием библиотеки программ в многоуровневой АСУ известным способом (Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента», М. Энергоиздат 1986) [16].
Предложенный способ планируется использовать на лицензируемом испытательном стенде контроля электронной компонентной базы авиа-космического назначения в НИЦ КИ ПИЯФ на синхроциклотроне СЦ-1000 (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, С.А. Артамонов, B.C. Анашин и др. «Устройство для авиационного облучения электроники авиа-космического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018) [17].
Список литературы
[1] Брук Г. «Циклические ускорители заряженных частиц: введение в теорию» (пер. с франц. под ред. А.И. Дзергача) М., Атомиздат, 1970.
[2] С.А. Костромин, Е.М. Сыресин. «Тенденции в ускорительной технике для адронной терапии». Письма в ЭЧАЯ, 2019, т.10, №7 (184), с. 1346-1375.
[3] Ю.Т. Миронов «Использование ускорителей заряженных частиц в ядерно-топливном цикле» Сборник «Экология. Безопасность. Жизнь» ПИЯФ, Гатчина, 1998 г. выпуск 5. стр. 62-64.
[4] РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов (зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780).
[5] А.И. Чумаков «Действие космической радиации на интегральные схемы», М «Радио и связь», 2004.
[6] Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», г. Гатчина, 2012.
[7] А.П. Черняев, Е.Н. Лыкова, А.И. Поподько «Медицинское оборудование в современной лучевой терапии», М., ООП Физ. факультет МГУ, 2019, с. 88, Рис. 49.
[8] Д.А. Амерканов, Е.М. Иванов и др. «Возможности облучения протонами объектов большой площади» Научно-технический сборник «Стойкость 22 - Всероссийская Конференция «Радиационная стойкость электронных систем», 2019, стр. 77-78.
[9] А. Ефремов «Photoshop и не только фотография» 2006, Изд. «Питер».
[10] METRAROBOTICS. Ru (автоматизация технологических процессов в сфере атомной промышленности).
[11] Н.К. Абросимов и др. «Система увеличения длительности импульсов протонного пучка синхроциклотрона на 1 ГэВ ЛИЯФ АН СССР», Препринт ЛИЯФ №1, 1972 г.
[12] Е.М. Иванов, С.В. Косьяненко, Г.Ф. Михеев и др. «Устройство для измерения профилей пучков ускорителей высоких энергий». Патент на полезную модель №152734. Приоритет 12.01.2015.
[13] Е.М. Иванов, В.И. Максимов, Г.Ф. Михеев и др. «Устройство для радиационного экспресс-облучения электроники авиа-космического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент на изобретение №2710205, приоритет 07.06.2019.
[14] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, B.C. Анашин «Автоматизированный замедлитель протонного пучка синхроциклотрона - деградер». Патент на полезную модель №181147. Приоритет 30.03.2018.
[15] С.А. Артамонов, Е.М. Иванов, Н.А. Иванов и др. «Расчет и оптимизация пучков протонов переменной энергии 60-1000 Мэв на синхроциклотроне ПИЯФ для испытаний радиационной стойкости электроники». Письма в ЭЧАЯ, Т. 14, №1 (206), стр. 144-168.
[16] Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента», М. Энергоиздат, 1986.
[17] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев и др. «Устройство для авиационного облучения электроники авиа-космического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018 г.