4Институт технической физики, п.я. 245, 456770 Снежинск, Челябинская обл., Россия

Концепция нейтронозахватной терапии рака была предложена в 1936 году [1], спустя 4 года после открытия нейтрона. Е╦ физический принцип прост и элегантен. Раствор, содержащий стабильный изотоп бора, вводится в кровь человека и через некоторое время бор сорбируется в клетках. Затем опухоль облучается потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом ¹⁰В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетичные a-частица и ион ⁷Li быстро тормозятся на длине размера клетки и выделяют энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к е╦ поражению. Т.о., если обеспечить более высокую концентрацию ¹⁰В в раковой клетке по сравнению со здоровой, то бор-нейтронозахватная терапия позволит осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.

В 1951 году было впервые продемонстрировано, что определенные соединения с бором позволяют получить более высокую концентрацию бора в клетках раковой опухоли по сравнению со здоровой клеткой. В течение 1950-х и в начале 1960-х гг. в Брукхевене и Массачусетсе на специально построенных медицинских реакторах были проведены первые клинические испытания. Эти испытания, к сожалению, не продемонстрировали терапевтическую эффективность данного метода и были прекращены. Причина, как выяснилось впоследствии, заключалась в низкой концентрации бора. Дело в том, что нейтроны также упруго рассеиваются и поглощаются ядрами азота и водорода. Поглощение приводит к ядерным реакциям ¹⁴N(n,p)¹⁴C, ¹H(n,g)²H и появлению ядер отдачи и g-квантов. Хотя сечения взаимодействия нейтронов с водородом и азотом на несколько порядков меньше сечения поглощения нейтрона изотопом ¹⁰В, но водород и азот присутствуют в такой большой концентрации, что это дополнительное неизбирательное "фоновое" облучение протонами отдачи и g-квантами вносило значительный вклад в поглощенную дозу.

Параллельно большой прогресс был достигнут в синтезировании содержащих изотоп ¹⁰B фармпрепаратов. Получены препараты, которые создают концентрацию изотопа ¹⁰B в опухолевой ткани до 40 мкг/г, что в 3,5 раза больше, чем в здоровой ткани. Такая концентрация позволяет сделать вклад фонового облучения приемлемо малым и действительно обеспечить возможность избирательного поражения раковой опухоли. Ведутся дальнейшие исследования по улучшению препаратов.

Предлагается основанный на ускорителе источник нейтронов для проведения нейтронозахватной терапии в условиях онкологической клиники. Суть предложения состоит в следующем [2]. Пучок отрицательных ионов водорода инжектируется в электростатический ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией и после перезарядки отрицательного иона водорода в протон в перезарядной мишени на выходе из тандема формируется протонный пучок, ускоренный до удвоенного напряжения высоковольтного электрода. При сбросе протонного пучка на литиевую мишень в результате пороговой реакции ⁷Li(p,n)⁷Be генерируется поток нейтронов.

Наиболее привлекательный режим генерации нейтронов реализуется при энергии протонов 1,9 МэВ, что на 20 кэВ выше порога реакции. В этом случае рожденные нейтроны имеют необходимую для БНЗТ низкую энергию ~30 кэВ, направлены впер╦д и могут быть прямо использованы для терапии. Из-за очень быстрого роста сечения вблизи порога, что является особенностью этой реакции, и из-за ярко выраженной направленности вперед поток вперед прямоиспользуемых эпитепловых нейтронов всего на порядок меньше потока нейтронов вперед, рожденных при энергии протонов 2,5 МэВ и имеющих широкий спектр энергий. Возможность размещения пациента на расстоянии 10 см от мишени значительно повышает плотность потока нейтронов или снижает требование на ток. Для использования в клинике требуется протонный пучок током в десятки миллиампер.

На имеющемся стенде на макете поверхностно-плазменного источника отрицательных ионов с пеннинговской геометрией электродов получен стационарный пучок ионов Н^√ током 5 мА с требуемым эмиттансом [3]. Параллельно разрабатывается тандемный поверхностно-плазменный источник ионов Н^√. Закончена разработка рабочих чертежей генератора плазмы с мультипольными магнитными стенками.

Проводится численное моделирование транспортировки пучка отрицательных ионов водорода Н^√ от источника до перезарядной мишени в электрических и магнитных полях с учетом теплового разброса поперечных скоростей ионов, неоднородного распределения плотности тока и влияния пространственного заряда с целью создания оптимального оптического тракта, минимально чувствительного к степени компенсации пространственного заряда и обеспечивающего проводку пучка с минимальными потерями. Определено, что транспортировка может быть обеспечена как электростатическими тормозящими линзами так и магнитными. Численно проведен пучок через сильную линзу на входе в тандем. Также предложен "мягкий" ввод в тандем, реализуемый более плавным нарастанием напряженности электрического с пирсовской геометрией электродов.

На модернизированном имеющемся 1 МэВ ускорителе-тандеме ведутся эксперименты по изучению высоковольтной прочности вакуумных зазоров с электродами большой площади. Результаты первых экспериментов показали, что пробои вакуумных промежутков наступают при напряженности электрического поля выше 40 кВ/см, идут с частотой, например при 70 кВ/см, раз в час и, что наиболее важно, выделяющаяся в результате пробоя запасенная энергия 10 Дж не приводит к детренировке 4,5 см вакуумного промежутка. Планируется проведение экспериментов с запасенной энергией 20 Дж, эксперименты по инжекции импульсного пучка Н^√ и эксперименты с перезарядной мишенью.

Ведутся расчеты пространственно-энергетического распределения нейтронов источника и сопутствующего g , пространственного распределения поглощенной дозы и оптимизация физической защиты.

В настоящее время в рамках реализации проекта основанного на ускорителе источника нейтронов для БНЗТ ведутся работы по источнику отрицательных ионов водорода, по оптимизации тракта, по перезарядной мишени, по ускорителю-тандему, по нейтронообразующей мишени. Предполагается, что к середине 2002 года будет представлен концептуальный проект оптимального источника нейтронов для БНЗТ и создан ускоритель-тандем на полное напряжение. Предполагается продолжение работ по созданию источника нейтронов на основе созданного ускорителя.