Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Методом численного моделирования транспортировки и ускорения пучка ионов показано, что применение Q-snout линзы улучшает эксплуатационные характеристики ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией - обеспечивает меньшую зависимость выходных параметров пучка ионов от тока и энергии. Разработана конструкция охлаждаемого высоковольтного электрода и газовой обдирочной мишени с меньшим диаметром отверстия и меньшей длиной, соответствующие критериям патентоспособности. Первое обеспечит большую надежность при работе с пучком ионов большой мощности, второе - возможность увеличить энергию ионов или отказаться от предускорения при сохранении габаритов ускорителя. Впервые экспериментально продемонстрировано, что реализованное покрытие лития слоем оксида лития толщиной в десяток нанометров и карбоната лития толщиной несколько нанометров сохраняет нейтроногенерирующие свойства литиевой мишени при ее экспозиции в сухом воздухе вплоть до суток, что открывает новые возможности для разработки технологии транспортировки мишени от производителя потребителю. Изготовлены три новые системы формирования пучка нейтронов: i) оптимизированная с замедлителем из полиэтилена с объемным вкраплением висмута, ii) с ортогональным направлением пучка нейтронов, iii) c замедлителем из тяжелой воды при криогенной температуре. Установлено, что применение замедлителя из полиэтилена, более толстого в центре, с объемным вкраплением висмута заметно понижает нежелательный вклад быстрых нейтронов и гамма-излучения и обеспечивает получение терапевтического пучка нейтронов, сравнимого с использованием замедлителя из фторида магния, но при меньшей энергии и при меньшем токе пучка протонов. Показано, что использование ортогонального пучка нейтронов обеспечивает возможность изменение направления терапевтического пучка эпитепловых нейтронов относительно оси распространения пучка заряженных частиц и позволяет направлять нейтроны на пациента под любым углом, в частности, под тем углом, под которым проведение терапии данной конкретной опухоли дает максимальный эффект. Установлено, что применение замедлителя из тяжелой воды при криогенной температуре позволяет получать пучок холодных нейтронов, которые можно сконцентрировать и направить на поверхностную или открытую опухоль, используя волновод или набор капилляров с переменным сечением. Синтезированы наночастицы элементного бора, размер которых характеризуется узким гранулометрическим распределением. По данным микрофотографии, наблюдаются агломераты частиц бора. Методом рентгеновской фотоэлектронной микроскопии определено, что поверхность микрочастиц бора в основном состоит из смеси элементного бора и его оксидных слоев, которые после ультразвуковой обработки не идентифицируется в образцах. Стабилизация наночастиц бора осуществлена пассивной адсорбцией макромолекул гидроксиэтилцеллюлозы на поверхности частиц, и/или из-за высокой вязкости раствора гидроксиэтилцеллюлозы. Стабильность размера частиц сохраняется продолжительное время в матрице гидроксиэтилцеллюлозы. Стабилизированные наночастицы не оказывают существенного влияния на выживаемость клеточной линии U87. Для реализации метода мгновенной гамма-спектроскопии подготовлен гамма-спектрометрический комплекс с коллиматором, рассеивателем, поглотителем и HPGe гамма-спектрометр, устанавливаемый в соседний бункер и смотрящий на объект облучение через отверстие, просверленное в бетонной стене. Измерен энергетический спектр гамма-излучения при облучении потоком нейтронов пробирок с водой с известным содержанием бора. Установлено, что линия излучения 478 кэВ фотонов в реакции 10B(n,a)7Li достоверно выделяется и регистрируется, начиная с концентрации 20 ppm, что достаточно для реализации методики. Измерена зависимость интенсивности 478 кэВ фотонов от толщины воды, размещаемой между спектрометром и источником излучения. Изучена зависимость мертвого времени спектрометра на достоверность измерения и определен коэффициент, зависящий от мертвого времени, на который следует умножать измеренную интенсивность излучения линии 478 кэВ фотонов для восстановления интенсивности реакции 10B(n,a)7Li. Методом численного моделирования переноса нейтронов и гамма-излучения оптимизирован активационный детектор потока эпитепловых нейтронов с использованием реакции 71Ga(n,g)72Ga для обеспечения высокой и постоянной чувствительности к нейтронам эпитеплового диапазона энергии. Активационный детектор потока эпитепловых нейтронов изготовлен и в 2024 году предполагается его использовать для измерения потока эпитепловых нейтронов. Определена концентрация лития в опухоли, окружающих тканях и отдаленных от опухолевого роста органах экспериментальных животных с перевитой меланомой В16 после однократного перорального введения карбоната лития. Данное исследование показывает, что однократное введение карбоната лития может быть использовано для проведения литий-нейтронозахватной терапии. Предполагается в 2024 году впервые реализовать литий-нейтронозахватную терапию. Измерено энергетическое распределения альфа-частиц из толстого слоя карбида бора при облучении пучком протонов с энергией от 0,3 до 2,15 МэВ. Полученные результаты подтверждают, что реакция 11B(p,α)αα имеет несколько каналов распада с различными сечениями, что соотносится с современными представлениями. Разработана технология нанесения тонкого слоя бора контролируемой толщины на подложку мишени. Для измерения сечения реакции 11B(p,a)aa подготовлено 8 мишеней диаметром 40 мм с толщиной бора от 0,5 до 2 мкм. Предполагается в 2024 году измерить сечение ядерной реакции 11B(p,a)aa с высокой точностью и достоверностью. На комплексе протонной терапии «ПРОМЕТЕУС» ФТЦ ФИАН (г. Протвино) проведены экспериментальные исследования возможности использования детектора с литьевым полистирольным сцинтиллятором, обогащенным бором, для измерения интенсивности нейтронного излучения (по реакции 10B(n,a)7Li), генерируемого пучком протонов с энергией до 150 МэВ, и интенсивности пучка протонов (по реакции 11B(p,a)aa). Установлено, что детектор обеспечивает возможность регистрации нейтронов и продуктов реакции 11B(p,a)aa, но не отличает их. Планируемое в 2024 году измерение сечения реакции 11B(p,a)aa будет осуществлено при уменьшении интенсивности пучка протонов и увеличении его поперечного размера. Для компактного ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией изготовлены и успешно испытаны на воздухе 3 секции генератора Кокрофта-Уолтона. Спектрометром-дозиметром нейтронного и гамма-излучения и алмазным полупроводниковым детектором измерен спектр быстрых нейтронов в реакции Li(d,n) при энергии дейтронов от 0,4 до 2,2 МэВ с шагом 0,1 МэВ. Изучена люминесценция химических соединений под действием потока быстрых нейтронов, тепловых нейтронов и гамма-излучения. Методикой БНЗТ проведено лечение девяти домашних животных (3 собак и 6 кошек) со спонтанными опухолями, преимущественно опухолями в носовой полости. Успешно проведена 5-я Всероссийская школа молодых ученых в области бор-нейтронозахватной терапии. Исполнителями проекта представлены 25 докладов на Международных и Российских конференциях, 5 из которых отмечены дипломами. Трое исполнителей проекта подготовили диссертации на соискание учёной степени кандидата наук и успешно провели предзащитные семинары. Результаты исследования опубликованы в одной монографии, в четырех статьях в научных журналах, в том числе двух в журналах первого квартиля, и в трех статьях в трудах конференций. Все публикации в научных журналах и СМИ доступны на странице проекта по адресу https://www.inp.nsk.su/~bnct/publics/publications.ru.shtml.