ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 9-13
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.075
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ УСКОРИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ВРЕМЯПРОЛЕТНЫМ МЕТОДОМ
© 2014 г. В. И. Алейник, Д. А. Касатов*, А. Н. Макаров, С. Ю. Таскаев
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 E-mail: alexxmak314@gmail.com *Новосибирский государственный университет Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 Поступила в редакцию 10.10.2013 г.
Для измерения спектра нейтронов от ускорительного источника со стационарным протонным пучком применяется времяпролетная методика с новым способом генерации коротких импульсов излучения. В работе описаны возникающие при этом специфические проблемы и способы их решения. Представлен измеренный спектр нейтронов в реакции 7Li(p, я)7Ве при энергии протонов 1.915 МэВ и приведено его сравнение с расчетом. Показано его соответствие требованиям, предъявляемым к нейтронному пучку для проведения нейтронозахватной терапии.
DOI: 10.7868/S0032816214030021
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в качестве перспективной методики лечения злокачественных опухолей рассматривается бор-нейтронозахватная терапия (б.н.з.т.) — избирательное уничтожение клеток опухоли путем предварительного накопления в них стабильного изотопа 10B и последующего облучения нейтронами [1]. В результате поглощения нейтрона ядром бора происходит ядерная реакция 10В(я, a)7Li с выделением большого количества энергии в клетке, что приводит к ее гибели. Испытания, проведенные на ядерных реакторах, показали, что б.н.з.т. позволяет лечить глиобла-стомы мозга и метастазы меланомы [2, 3]. Для широкого внедрения методики в клиническую практику необходимы источники эпитепловых нейтронов на основе ускорителей заряженных частиц. В работе [4] был предложен источник на основе электростатического ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией электродов и пороговой реакции генерации нейтронов 7Li(p, «)7Be. Прототип этого ускорительного источника эпитепло-вых нейтронов был сооружен, и генерация нейтронов осуществлена [5]. Выход нейтронов был измерен по активации мишени радиоактивным изотопом 7Be, неизбежно образующимся при генерации нейтронов, и по регистрации Р--распада 128I, образующегося под нейтронным потоком в кристалле Nal у-спектрометра. Эпитепловой характер спектра нейтронов качественно подтвердили показания пузырьковых детекторов BDT и BD100R, чувствительных к нейтронам с разным диапазоном энергий.
В данной работе представлены и обсуждаются результаты измерения спектра генерируемых нейтронов времяпролетным методом, когда при короткой вспышке излучения энергия нейтронов определяется по времени запаздывания их регистрации удаленным детектором.
Использование времяпролетного метода позволяет с хорошей точностью и достоверностью восстановить спектр нейтронов эпитеплового диапазона.
Для создания коротких вспышек нейтронов было предложено новое техническое решение, основанное на использовании порогового характера сечения реакции 7Ы(р, п)7Бе. Решение напоминает известный "метод мигающего ускорителя": ускоритель работает в стационарном режиме при энергии протонного пучка ниже порога реакции 7Ы(р, п)7Бе (1.882 МэВ) и генерации нейтронов не происходит; при подаче отрицательного короткого (200 нс) импульса напряжения 40 кВ на генерирующую нейтроны мишень, электрически изолированную от корпуса установки, энергия протонов увеличивается до 1.915 МэВ, что и приводит к вспышке нейтронного излучения. Прямоугольные импульсы высокого напряжения создаются с использованием двойной формирую -щей линии и тиратрона, работающего в качестве ключа с частотой 100 Гц. Нейтроны регистрируются удаленным детектором, состоящим из ли-тийсодержащего сцинтиллятора 0820 018 и толщиной 4 мм и фотоэлектронного умножителя. Время пролета нейтрона измеряется времяциф-ровым преобразователем ВЦП-1: измеряется ин-
У, Бк
5000
4000 3000 2000 1000
0
50 100 150 200 250
Я, см
Рис. 1. Зависимость активности У таблеток 1151п от расстояния до мишени Я.
тервал времени между моментами подачи высокого напряжения на мишень и появлением сигнала с нейтронного детектора. Предложенное техническое решение генерации коротких импульсов нейтронного излучения включая схему генератора, измеренную форму импульса, расчетную эффективность регистрации нейтронов и результаты калибровки а-Ве-источником детально описано в работе [6].
ПРОБЛЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ
При проведении измерений выявился ряд мешающих работе проблем, влияние которых было, по возможности, минимизировано.
Первая проблема была связана с электромагнитными наводками от генерируемых коротких импульсов высокого напряжения на измерительную аппаратуру и на аппаратуру ускорителя. Наводки вызывали сбои и ложные срабатывания как в цепи измерительной аппаратуры времяпролет-ной методики, так и в цепях управления ускорителем и даже в самой схеме генерации высоковольтных импульсов. Для подавления наводок на входе питания схемы генерации импульсов установлен высокочастотный ферритовый фильтр, через который также происходило заземление всех узлов высоковольтной схемы. На проводах управления ускорителем и высоковольтной схемой размещены ферритовые кольца. Вокруг генерирующей нейтроны мишени смонтирован металлический заземленный экран. Вся измерительная аппаратура вблизи детектора помещена внутрь помехозащищенного бокса с фильтрацией по питанию. Сам нейтронный детектор помещен внутрь заземленного экрана, и осуществлена экранировка проводов. Все эти меры сделали возможным генерацию коротких импульсов высокого напряжения и проведение измерений.
Следующая проблема связана с так называемыми фоновыми нейтронами. Дело в том, что сам принцип времяпролетных измерений накладывает жесткие требования на уровень потока фоновых нейтронов, поскольку генерация измеряемых нейтронов осуществляется в течение короткого времени (200 нс в данном случае), а их регистрация — в течение более длительного промежутка времени (в 500 раз) при работающем ускорителе. Появление фоновых нейтронов связано с двумя факторами. Во-первых, при транспортировке протонного пучка его небольшая часть попадает на стенки вакуумной камеры, изготовленной из нержавеющей стали, и вызывает генерацию нейтронов в результате реакции 55Мп(р, п)5^е. Известно, что содержание марганца в стали 12Х18Н10Т составляет 2%. Хотя сечение реакции 55Мп(р, п)5^е много меньше сечения реакции 7Ы(р, п)7Ве, но зато много ниже порог реакции, составляющий всего 1.034 МэВ. Поэтому взаимодействие гало протонного пучка со стенками вакуумного тракта вызывает генерацию нейтронов, хотя и незначительную по потоку, но заметно мешающую проведению измерений. Подавление этих фоновых нейтронов было осуществлено защитой стенок камеры молибденовой фольгой на всем протяжении тракта транспортировки пучка. Во-вторых, генерация фоновых нейтронов возможна на конструкционных материалах вблизи мишени, например в медной подложке в реакции 63Си(а, п)66Оа: высокоэнергичные а-частицы образуются в реакции 7Ы(р, а)4Не при прохождении протонного пучка через литиевый слой.
Еще один путь появления паразитного фонового нейтронного сигнала связан с отражением нейтронов от стен и пола помещения, в котором находятся установка и нейтронный детектор. Степень влияния отраженных нейтронов оценена из проведенных экспериментов с активационны-ми детекторами. В качестве активационных детекторов использовались таблетки 1151п 010, толщиной 0.4 мм и массой 0.2 г. На рис. 1 представлена зависимость активности таблеток 1151п от расстояния до мишени, вплоть до 239 см, когда таблетки располагались на полу защищенного бункера. Видно, что вблизи пола в активацию таблеток начинают вносить существенный вклад отраженные нейтроны. Для уменьшения влияния отраженных нейтронов нейтронный детектор был приподнят над полом на высоту 1.5 м.
Следующая проблема связана с паразитным сигналом от у-квантов. Хотя нейтронный детектор на основе литиевого стекла работает за счет реакции 6Ы + п —»- 3Н + а + 4.785 МэВ, у-кванты высокой энергии также могут создавать яркие вспышки в сцинтилляторе, как и нейтроны. На рис. 2 представлены спектры у-квантов, измеренные ВОО-спектрометром, расположенным на
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ
11
расстоянии 160 см от мишени в свинцовой защите, для двух энергий протонов, одна из которых ниже порога генерации нейтронов. Видно, что помимо ярко выделенной линии 478 кэВ, обусловленной взаимодействием протонов с литием, при генерации нейтронов появляются у-кванты с энергиями до 4.8 МэВ и выше. На рис. 3 видно, что детектор регистрирует не только нейтроны, которые формируют ярко выделенный пик 1, но и у-кванты с широким спектром амплитуд сигнала 2. Для отсекания сигналов у-квантов с амплитудой ниже характерных нейтронных применен амплитудный дискриминатор. Для ослабления потока у-квантов высокой энергии, дающих неотличимый от нейтронов сигнал, применена свинцовая защита толщиной 7 см, которая позволила в 100 раз уменьшить поток у-квантов с энергиями в несколько мегаэлектронвольт [7]. При этом свинцовая защита не влияет на форму спектра нейтронов, поскольку в области энергий нейтронов от 1 эВ до 100 кэВ сечение рассеяния нейтронов на свинце практически постоянно.
Еще одна сложность связана с нестабильным напряжением на ускорителе. Электростатический ускоритель-тандем обеспечивает высокую стабильность энергии протонного пучка — 10 кэВ, но для времяпролетного способа измерения спектра нейтронов такая стабильность критична. Для предотвращения незапланированных вспышек нейтронного излучения энергия протонов была занижена от порога реакции на 10 кэВ. Но и это не всегда помогало, поскольку нестабильность энергии протонов временами доходила до 20 кэВ. Каждая такая вспышка нейтронов, вызванная скачком энергии протонов, может дать до 1000 и более шумовых событий на измеряемом в этот момент спектре, уничтожив несколько часов набора статистики. Для исключения этого фона была использована программная фильтрация, которая в реальном режиме времени отслеживала напряжение на ускорителе и наби
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.