name: Оптимизация источника быстрых нейтронов на основе циклотрона для лучевой радиотерапии
keyword_list: оптимизация бериллиевой мишени коллиматор лучевая терапия циклотрон быстрые нейтроны
abstract: Работа выполнена в Научно-образовательном центре Б. П. Вейнберга Инженерной школы ядерных технологий федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».
  Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор В.П. Кривобоков; официальные оппоненты: д.т.н., профессор В.А. Лисин, д.ф.-м.н., профессор М.М. Михайлов. 
  Целью работы являлось создание высокоинтенсивных источников быстрых нейтронов на основе циклотрона У-120 Томского политехнического университета для применения в медицине и других областях.
  Результаты, полученные в процессе подготовки данной диссертации к защите, позволили сформулировать несколько выводов и рекомендаций, которые могут быть полезны для разработки источников быстрых нейтронов на основе циклотрона с перспективой их практического применения в нейтронно-лучевой радиотерапии.
  1. Мишень, спрессованная из металлического порошка бериллия, и использованная в наших экспериментах, не имеет склонности к значительному разогреву и не нуждается в принудительном охлаждении. Мы заметили, что она не повреждается пучком. Возможно, что это связано с её малой плотностью и меньшими по сравнению с литой мишенью линейными потерями энергии налетающих дейтронов при их торможении. По крайней мере, в диапазоне плотности мощности пучка, использованного в данной работе.
  2. Использование прессованного порошка Be в медной форме в качестве мишени приводит к существенному увеличению плотности потока нейтронов. Он возрастает по сравнению с твердой литой мишенью примерно 1,6 раза или более в диапазоне энергий нейтронов 1 ‒ 6 МэВ. Вероятная причина этого эффекта   связана с реакцией Cu(n, 2n).
  3. Результаты моделирования переноса быстрых нейтронов с использованием кода PHITS показали, что замена в мишени бериллия на литий позволяет увеличить выход нейтронов в 2,4 раза при использовании дейтронов с энергией 12 МэВ. Максимальный их выход имеет место в случае, когда облучение мишени производится дейтронами (условно принято за 100%). Для протонов он составляет 22% и для альфа-частиц - 2,4%.
  4. Моделирование переноса быстрых нейтронов с помощью кода MCNP и результаты экспериментальных исследований показали, что существенное увеличение плотности их потока (примерно в 3 раза по сравнению с первыми конструкциями) физически возможно и практически достижимо путем оптимизации материальных и геометрических параметров коллиматора. 
  5. Доказана возможность получения узкого пучка нейтронов (диаметром 1-2 см или даже менее). Это позволяет значительно (в 14,1 раза) увеличить плотность потока быстрых нейтронов по сравнению с цилиндрическим каналом. Есть основание надеяться, что узкие пучки сделают методику нейтронно-лучевой радиотерапии лечения небольших и неправильной формы опухолей более точной и безопасной для пациента.
  6. Доля плотности потока быстрых нейтронов с энергией в интервале 1 ‒ 6 МэВ составляет около 83%. Это позволяет свести к минимуму количество нежелательных для клинического применения нейтронов с энергией выше 6 МэВ и ниже 1 МэВ, которые не способствуют процессу лучевой терапии. В итоге мы минимизируем дозу, поглощаемую здоровыми тканями.
  7. Предложен ряд выражений, полученных на основе выполненных экспериментов, позволяющий оценивать среднюю энергию и плотность потока нейтронов в зависимости от энергии дейтронов. Они дают корректные результаты в диапазоне энергий от 0,5 до 50 МэВ при расчёте плотности потока нейтронов и в диапазоне от 2,6 до 40 МэВ при расчёте их средней энергии нейтронов. 
  Значимые публикации: 
  1. Shehada, A. M. Angular Distribution of Neutrons Around Thick Beryllium Target of Accelerator-Based 9Be(d, n) Neutron Source / A.M. Shehada, V.M. Golovkov // ASME J of Nuclear Rad Sci. – 2020. – V. 6, № 2. – P. 021111.
  2. A.M. Shehada. Improving Neutron Flux by Optimizing the Geometries and Materials of the Collimation Assembly for Fast Neutron Therapy / V.M. Golovkov, A.M. Shehada // Журнал медицинской физики. – 2019. – № 2. – Т. 82.
  3. Shikhada, A.M. Optimizing the source of fast neutrons for therapy applications/ A.M. Shikhada, V.M. Golovkov V.M // Research and Practical Medicine Journal. – 2019. – V. 6. – №. 1S. – P. 295.
  4. Shehada, A.M. The dependencies of fast neutron flux and spectra on the collimation-field size and geometry for fast neutron therapy purposes / A.M. Shehada, V.P. Krivobokov // Radiation Effects and Defects in Solids. –2021. – V. 176. – №. 9 –10. – P. 777 –788.
  5. Shehada, A.M. Evaluating the Dependency of Neutron Spectra and Absorbed Dose Rates on the Collimation Field Size in Fast Neutron Therapy / A.M. Shehada, V.P. Krivobokov, V.M. Golovkov // Heliyon. – 2021. –V. 7. – №. 11. – P. e08274.
  6. Shehada, A.M. Simulation study of the response of a highly sensitive silver activation detector for neutron detection using MCNP code / A.M. Shehada, V.P. Krivobokov // Radiation Physics and Chemistry. – 2021. – V. 189. – P. 109732.
  7. Shehada, A.M. MCNP Simulations for Silver-Plastic Scintillator Detector for Mono-Energy Neutrons 2.5 and 14 MeV / A.M. Shehada, I.N. Pyatkov, V.P. Krivobokov, A.J. Othman // Phys. Part. Nuclei. Lett. – 2021. №. 18. –P. 786 –790.
  8. Shehada, A.M. Probing yields and angular distributions of Be(d,n) neutrons with novel target of compressed beryllium-powder / A.M. Shehada, V.P. Krivobokov, I.V. Lomov, A.A. Garapatsky, R. Mardelli, A.J. Othman // Radiation Physics and Chemistry. – 2022. – V. 197. – P. 110178.
chairman_dissertation_council.name: Андрей
chairman_dissertation_council.surname: Лидер
chairman_dissertation_council.patronymic: Маркович
chairman_dissertation_council.position: заведующий кафедрой - руководитель отделения на правах кафедры
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: A-7702-2014
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 57191193620
chairman_dissertation_council.url: https://staff.tpu.ru/personal/employee?lid=58928
chairman_dissertation_council.orcid: 0000-0002-3868-2647
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Леонид
organization_supervisor.surname: Сухих
organization_supervisor.patronymic: Григорьевич
organization_supervisor.position: Проректор по науке и трансферу технологий
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 34.49.33
rubrics.name: Радиационные методы и средства исследования в биологии и медицине
rubrics.code: 34.49.29
rubrics.name: Дозиметрия ионизирующих излучений в биологии и медицине
rubrics.code: 34.49.27
rubrics.name: Биомедицинское применение источников ионизирующих излучений
oecds.code: 03.02.VY
oecds.name: RADIOLOGY, NUCLEAR MEDICINE & MEDICAL IMAGING
oecds.code: 01.03.UN
oecds.name: PHYSICS, NUCLEAR
oecds.code: 01.03.UB
oecds.name: PHYSICS, APPLIED
speciality_codes.name: Приборы и методы экспериментальной физики
speciality_codes.code: 1.3.2.
supervisors.fio: Кривобоков В.П.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Физика конденсированного состояния
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Лисин В.А.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Михайлов М.М.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика полупроводников
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГАОУ ВО НИ ТПУ, ТПУ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1027000890168
protection_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
protection_organization.supervisor_surname: СЕДНЕВ
protection_organization.supervisor_patronymic: АНДРЕЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения
author_organization.short_name: ФГАОУ ВО НИ ТПУ, ТПУ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1027000890168
author_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
author_organization.supervisor_surname: СЕДНЕВ
author_organization.supervisor_patronymic: АНДРЕЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения