DE2311533A1

DE2311533A1 - Neutronenstrahlkollimator

Info

Publication number: DE2311533A1
Application number: DE19732311533
Authority: DE
Inventors: Derek Anthony Lundberg
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1972-03-16
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1973-09-27
Also published as: GB1409263A; FR2176097B1; FR2176097A1; NL7303615A; JPS491997A

Description

Dr.-Ihg. Wilhelm Reichel Dipl.-Ing. V/bl&ing Rachel

6 Franlami a. M. 1

Paiksiraße 13

7356

ELLIOTT BROTHERS (LONDON) LIMITED, London, Großbritannien

Neutronenstrahlkollimator

Die Erfindung betrifft Neutronenstrahlkollimatoren, und sie bezieht sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf Kollimatoren zur Verwendung in Neutronengeräten für therapeutische Zwecke.

Bei Neutronengeräten für therapeutische Zwecke ist es z.B. erforderlich, einen Neutronenstrahl zu erzeugen, der einen begrenzten Querschnitt besitzt. Zu diesem Zweck wird ein Neutronenkollimator verwendet, der z.B. aus einem Körper aus geeignetem Material mit einer.Bohrung besteht, durch die Neutronen hindurchtreten können und die im allgemeinen den Querschnitt des Neutronenstrahles bestimmt. Solch ein Kollimator kann als ein entfernbarer Teil einer Abschirmung ausgebildet sein, die die Neutronenquelle umgibt. Dadurch kann der Kollimator gegen andere Kollimatoren ausgewechselt werden, die verschieden große Bohrungen besitzen, um Strahlen mit verschiedenen Querschnitten zu erzeugen.

Der Aufbau von Neutronenkollimatoren bietet erhebliche Schwierigkeiten, da Neutronen im Vergleich zu Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder Elektronen äußerst durchdringend sind. Während z.B. ein

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Diaphragma (z.B. aus Blei) von einigen Zentimetern Dicke als eine Abschirmung für einen Röntgenstrahl oder Gammastrahl verwendet werden kann, wäre für einen 15 MeV Neutronenstrahl ein Diaphragma von wenigstens 50 cm Dicke erforderlich, um die gleiche Abschirmwirkung zu erzielen. Weiterhin besitzen Strenprozesse eine viel größere Bedeutung bei Neutronen als bei Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Eine weitere Schwierigkeit ist, daß Neutronenaktivierung bewirkt, daß einige Materialien unerwünscht radioaktiv werden, was eine Gefahr für die Benutzer des Gerätes darstellt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Form eines Neutronenkollimators zu schaffen.

Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung enthält ein Neutronenstrahlkollimator für einen Neutronenstrahl mit vorherbestimmter Energie einen Körper aus einem Material, das folgendes enthält:

Wolfram zum Moderieren der Energien dieser Neutronen durch unelastische Stoßprozesse; ein mit dem Wolfram innig vermischtes, langsame Neutronen absorbierendes Material zur Verringerung der Stöße zwischen langsamen Neutronen und den Wolframatomen; ein wasserstoffhaltes Material zum weiteren Moderieren der Neutronen auf thermische Energien durch elastische Stoßprozesse mit den Wasserstoffatomen und zum Absorbieren der thermischen Neutronen durch Einfangprozesse und ein Material, das eine Dichte von wenigstens 10 g/cm besitzt, zur Schwächung von Gammastrahlung, die in dem wasserstoffhaltigen Material während der Neutroneneinfangprozesse erzeugt worden ist, und der Kollimator besitzt eine hinreichende Dicke, um im wesentlichen für Neutronen der vorgegebenen Energie undurchlässig zu sein, und besitzt eine Bohrung, die im Betrieb im allgemeinen den Querschnitt des Neutronenstrahles bestimmt.

Wolfram besitzt einen hohen makroskopischen totalen Neutronen Wirkungsquerschnitt von 0,35 cm und ist daher ein wirksames Neutronenmoderatormaterial. (Der makroskopische totale Neutronen-

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wirkungsquerschnitt eines Materials ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung beliebiger Art zwischen dem Material und einem Neutron, das durch es hindurchgeht.) Ferner ist Wolfram vorteilhaft im Vergleich zu anderen Materialien mit hohem makroskopischem totalen Neutronenwirkungsquerschnitt, z.B. Eisen, Kupfer und Nickel (die entsprechende Wirkungsquer-

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schnitte von 0,22 cm , 0,24 cm und 0,24 cm besitzen), die Probleme der induzierten Radioaktivität durch Neutronenaktivierung bieten. Wenn nämlich Wolfram durch Neutronen aktiviert

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wird, ist das aktivste Produkt 'W mit einem spezifischen Gammastrahlungswert von 3 und einer maximalen Gammaenergie von 0,6 MeV. Zum Vergleich besitzt Mn, das erzeugt wird, wenn Eisen durch Neutronen aktiviert wird, einen spezifischen Gammastrahlungswert von 8,3 und eine maximale Gammaenergie von 2,13 MeV.

Diese Aktivität in Wolfram wird durch langsame Neutronen erzeugt und wird folglich durch das langsame Neutronen absorbierende Material, das mit dem Wolfram innig gemischt wird, verringert oder unterdrückt. Dieses langsame Neutronen absorbierende Material kann geeigneterweise Bor, z.B. in Form von Borkarbid, sein*

Das wasserstoffhaltige Material kann geeigneterweise Polyäthylen enthalten. Das Material hoher Dichte kann geeigneterweise Blei enthalten, welches keine merklichen Probleme in Bezug auf induzierte Radioaktivität auf wirft.

Vorzugsweise liegen das Wolfram und das langsame Neutronen absorbierende Material in der Form von Teilchen vor, die in einer Matrix aus Bindermaterial aneinander gebunden sind. Geeigneterweise kann das wasserstoffhaltige Material ebenfalls in der Form von Teilchen vorliegen, die in einer Matrix aus Bindermaterial aneinandergebunden sind.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen das Wolfram, das langsame Neutronen absorbierende Material, das wasserstoffhaltige Material und das Material hoher Dichte alle in der Form von Teilchen vor, die in einer Matrix aus Bindermaterial auseinandergebunden sind. Geeigneterweise sind die Teilchen aus diesen jeweiligen Materialien im wesentlichen gleichförmig durch die gesamte Matrix verteilt. Vorzugsweise jedoch können die Teilchen aus Wolfram, dem wasserstoffhaltigen Material und dem Material hoher Dichte zu entsprechenden Schichten innerhalb der Matrix zusammengefaßt sein, wobei die Bohrung durch diese Schichten in der angegebenen Reihenfolge hindurchreicht.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Material hoher Dichte in der Form einer aus dem festen Material bestehenden Schicht vorliegen, das Wolfram, das langsame Neutronen absorbierende Material und das wasserstoffhaltige Material können dabei in der Form von Teilchen, die in einer Matrix aus Bindermaterial aneinander gebunden sind, vorliegen. In diesem Fall können die Teilchen aus Wolfram und wasserstoffhaltigem Material entweder in entsprechende Schichten innerhalb der Matrix aneinandergelagert sein oder im wesentlichen gleichförmig durch die Matrix verteilt sein.

Das Bindematerial kann geeigneterweise ein wasserstoffhaltiges Material, vorzugsweise Epoxy-harz, enthalten. Alternativ dazu kann das Bindermaterial für die Wolframteilchen, wenn diese in einer getrennten Schicht aneinandergelagert sind, ein Material hoher Dichte, z.B. Blei enthalten.

Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung enthält ein Gerät zur Neutronenbestrahlung eine Quelle für Neutronen, eine Abschirmung, die die Quelle umgibt und an der eine Öffnung ausgeformt ist, und einen Kollimator gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung, der so angepaßt ist, daß er in die Öffnung in der Abschirmung hineinpaßt und zwar in einer solchen Weise, daß Neutronen von dieser Quelle durch die Bohrung des Kollimators hindurchtreten

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lind einen Strahl mit begrenztem Querschnitt bilden.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als Beispiel beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittaufrißansicht eines Teils eines Gerätes zur Neutronenbestrahlung und

Fig. 2 u. 3 sind schematische Schnittaufrißansichten von zwei Kollimatoren des Gerätes nach Fig. 1 gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 enthält ein Gerät zur Neutronenbestrahlung, z.B. für therapeutische Zwecke, eine Neutronenquelle 10 (z.B. einen Auffänger oder Target, der so angeordnet ist, daß er mit Teilchen von einem Teilchenbeschleuniger beschossen werden kann), die 15 MeV Neutronen erzeugt. Die Quelle 10 ist von einer Abschirmung 12 umgeben, die in dem Bereich der Quelle 10 eine Dicke von 50 cm besitzt. Die Abschirmung 12 enthält eine innere Schicht

14 aus Eisen, deren Dicke etwa 2/3 der gesamten radialen Dicke der Abschirmung beträgt und die von einer wasserstoffhaltigen Schicht 16 aus Polyäthylengranulat und Borkarbid in öl umgeben ist, die in einem Stahlgehäuse 18 mit einer äußeren 1 cm dicken Bleischicht 20 enthalten ist.

Die innerhalb der Abschirmung auftretenden Neutronenwechselwirkungen sind kompliziert, jedoch wirkt allgemein gesprochen die innere Schicht 14 in erster Linie zum Abbremsen der primären

15 MeV Neutronen durch unelastische Stoßprozesse. Wenn die mittlere Neutronenenergie unter etwa 1 MeV gefallen ist, werden diese Prozesse weniger wirksam, und weitere Abschirmung wird daher durch die wasserstoffhaltige Schicht 16 bewirkt, die durch elastische Stoßprozesse die Neutronenenergie weiter auf thermische Energien moderiert. Endlich werden die Neutronen in der wasser-

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stoffhaltigen Schicht durch Einfangprozesse eingefangen. Die äußere Bleischicht 20 dämpft Gammastrahlung, die in der wasser- stoffhaltigen Schicht durch die Einfangprozesse erzeugt worden ist.

Das Bor (in dem Borkabid) trägt dazu bei, die Intensität der Einfanggammastrahlung in der wasserstoffhaltigen Schicht zu minimalisieren.

Die Abschirmung 12 besetzt eine Öffnung 22. Ein Neutronenstrahl- kollimator 24 paßt in diese Öffnung, und der Kollimator besitzt eine Bohrung 26 mit im allgemeinen rechteckigem Querschnitt, die im allgemeinen den Querschnitt eines aus der Öffnung emit tierten Neutronenstrahl 28 definiert. Wenn es gewünscht wird, den Querschnitt des Strahls 28 zu verändern, kann der Kollimator 24 entfernt werden und durch einen ähnlichen Kollimator, der jedoch eine verschieden große Bohrung besitzt, ersetzt werden.

Der aus dem Kollimator 24 austretende Strahl 28 besitzt einen Hauptfeldbereich oder Zentralbereich 30, der Neutronen aus allen Teilen der Quelle 10 enthält. Daher ist die Neutronenintensität im wesentlichen gleichförmig über diesem Bereich 30. Außerhalb des Zentralbereiches 30 befindet sich ein geometrischer Halb schattenbereich 32, der aufgrund der Größenausdehnung der Quelle 10 entsteht, und über diesen Bereich 32 fällt die Neutronen intensität graduell auf null ab . Der Halbschatten wird durch Neutronen vergrößert, die von dem Material des Kollimators gestreut werden, und ebenfalls durch Neutronen, die durch das Kollimatormaterial hindurchgehen, ohne durch dieses eingefangen zu werden. In Bezug auf· die Streuung besitzt das Material, das am nächsten zu der Neutronenquelle 10 angeordnet ist, die größte Bedeutung, und eine gewisse Verminderung der Halb schattenintensität kann durch Anwendung eines etwas kürzeren Kollimators erreicht werden, bei dem ein Spalt zwischen der Quelle 10 und dem Ende des Kollimators freigelassen wird.

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Es ist einzusehen, daß der Kollimator so aufgebaut sein sollte, daß er die Intensität in dem Halbschattenbereich soweit wie möglich schwächt, so daß der Zentralbereich 30 so scharf wie möglich definiert ist.

Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, wo in einem ersten Beispiel der Erfindung der Kollimator 24 eine Matrix 40 aus Bindermaterial besitzt, die so beladen ist, daß sie 3 Schichten 34, 36 und 38 bildet. Die erste Schicht 34 ist mit Wolframpulver und Borkarbidpulver beladen, und zwar vorzugsweise in solchen Verhältnissen, daß sich ein Bor- zu Wolframatomverhältnis von wenigstens 1 : 1 und eine Gesamtdichte von wenigstens 3 g/cnr ergibt. Wie oben bereits erklärt worden ist, ist Wolfram, ein besonders vorteilhaft für diesen Zweck ausgewähltes Material, da es einen hohen makroskopischen totalen Neutronenwirkungsquerschnitt besitzt, und es wird durch das Bor gegen übermäßig induzierte Radioaktivität geschützt, die eine Gefahr für die Bedienungsperson des radiographischen Gerätes darstellen würde.

Die Schicht 34 kann z.B. mit Wolframpulver und Borkarbidpulver in den Verhältnissen 15 kg Wolfram zu 2,5 kg Borkarbid beladen sein. Dadurch entsteht ein Bor-zu Wolframatomverhältnis, das größer ,als 2 : 1 ist, und eine Gesamtdichte in dem Bereich von 4,5 bis 5 g/cm⁵.

Die zweite Schicht 36 ist mit Teilchen eines wasserstoffhaitigen Materials, vorzugsweise Granulat aus Polyäthylen hoher Dichte, beladen. Dieses Granulat ist so gepackt, daß es im wesentlichen eine maximale Packungsdichte ergibt, ohne mechanisch gepreßt zu sein. Es kann ebenfalls Borkarbid zu dieser Schicht hinzugegeben werden, um das Minimalisieren der Intensität der Einfangsgammastrahlung von dieser Schicht zu unterstützen. Dieses Borkarbid kann in das Bindermaterial eingemischt sein, oder das Polyäthylengranulat kann unter Verwendung eines Adhäsionsmittels damit beschichtet sein.

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Die dritte Schicht 38 ist mit Teilchen aus einem Material hoher Dichte, z.B. Bleischrot oder -pulver, "beladen und besitzt eine Gesamtdichte von 6 g/cm .

Das Bindermaterial ist vorzugsweise Epoxy-harz, das selbst

22 eine relativ hohe Wasserstoffatomdichte (angenähert 7,2 x 10 Atome pro cm ) besitzt, leicht ausformbar ist und geeignet widerstandsfähig ist, um mechanischer Beanspruchung und Verschleiß im Gebrauch zu wi-derstehen.

Typischerweise ist die Gesamtlänge des Kollimators 50 - 60 cm, und dies ist hinreichend, um sicherzustellen, daß das Material des Kollimators im wesentlichen gegen 15 MeV Neutronen undurchlässig ist (indem es einen Transmissionsfaktor von angenähert 1% in diesem Fall liefert) und sicherstellt, daß eine gute Strahlbegrenzung erzeugt wird. Die erste Schicht 34 kann Ί/3 bis 2/3 der gesamten Länge betragen. Die dritte Schicht 38 ist typischerweise 4 cm dick.

In einer Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Kollimators kann die dritte Schicht 38 durch eine 2 cm dicke Schicht aus festem Blei ersetzt werden.

In einer anderen Ausführungsform des Kollimators nach Fig. 2 kann das Bindermaterial für die erste Schicht 34 der Matrix 40 Blei sein, wobei das Bindermaterial für die anderen Schichten wie vorher Epoxy harz ist. Dadurch wird ein schärfer begrenzter Neutronenstrahl erzeugt im Vergleich zu dem Kollimator nach Fig. 3 und dieser Aufbau hilft, das Strahlungsniveau von der induzierten Radioaktivität herabzudrücken, so daß weniger Borkarbid erforderlich ist.

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In einer weiteren Abwandlung des Kollimators nach Fig. 2 kann Nickelpulver zu der zweiten Schicht 36 hinzugegeben werden, und zwar typischerweise in einer Menge von 5 - 15 kg für einen Kollimator mit einem 10 cm X 10 cm großen Feld. Das verbessert merklich die Strahlabgrenzung, obgleich es ,Anlaß gibt zur Vergrößerung der induzierten Radioaktivität. Jedoch wird dies in einigen Fällen, z.B. bei einem Kollimator, der nur gelegentlich gebraucht wird, annehmbar sein.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. In einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Kollimator ähnlich dem in Flg. 2 dargestellten, jedoch ist jedes der Beladungsmaterialien gleichmäßig über die Matrix 40 des Bindermaterials verteilt.

Die Leistungsfähigkeit des entstehenden Kollimators ist vielleicht am Rande schlechter als die des Kollimators nach Fig. 2, was jedoch kaum merklich ist.

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Claims

Patentansprüche

Neutronenstrahlkollimator für einen Neutronenstrahl vorgegebener Energie, der einen Körper aus einem Material hinreichender Dicke.enthält, um im wesentlichen gegen Neutronen der vorgegebenen Energie undurchlässig zu sein, und eine Bohrung besitzt, die beim Gebrauch im allgemeinen den Querschnitt des Neutronenstrahls bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Körper (24) folgende Materialien enthält: Wolfram zum Moderieren der Neutronenenergien durch unelastische Stoßprozesse;ein langsame Neutronen absorbierendes Material, das innigst mit dem Wolfram gemischt ist, zum Verringern von Stoßen zwischen langsamen Neutronen und den Wolframatomen; ein wasserstoffhaltiges Material zum weiteren Moderieren der Neutronen auf thermische Energien durch elastische Stoßprozesse mit den· Wasserstoffatomen und zum Absorbieren der thermischen Neutronen durch Einfangprozesse und ein Material, das eine hohe Dichte von wenigstens 10 g/cnr besitzt, zum Dämpfen der Gammastrahlung, die in dem wasser stoffhalt igen Material während der Neutroneneinfangprozesse erzeugt worden ist.
2. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolfram und das langsame Neutronen absorbierende Material in der Form von Teilchen (34) vorliegt, die in einer Matrix (40) aus Bindermaterial aneinandergebunden sind.

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3. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß sowohl das Wolfram, als auch das langsame Neutronen absorbierende Material, das wasserstoffhaltige Material und das Material hoher Dichte in der Form von Teilchen (34, 36, 38) vorliegt, die in einer Matrix (40) aus Bindermaterial aneinandergebunden sind.
4. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teilchen (34, 36, 33) aus Wolfram, wasserstoff haltigem Material und Material hoher Dichte im wesentlichen gleichförmig durch die gesamte Matrix (40) verteilt sind.
5. Neutronenstrahlkolliraator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß diese Teilchen (34, 36, 38) aus Wolfram, wasserstoffhaltigem Material und Material hoher Dichte zu entsprechenden Schichten innerhalb dieser Matrix (40) aneinandergelagert sind, wobei die Bohrung (26) durch diese Schichten aus Wolfram, wasserstoffhaltigem Material und Material hoher Dichte in dieser Reihenfolge hindurchreicht.
6. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolfram, das langsame Neutronen absorbierende Material und das wasserstoffhaltige Material in der Form von Teilchen vorliegen, die in einer Matrix aus Bindermaterial aneinander gebunden sind und dass das Material hoher Dichte in der Form einer festen Materialschicht vorliegt.

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7. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß diese Teilchen aus Wolfram und wasserstoffhaltigem Material im wesentlichen gleichförmig durch die gesamte Matrix verteilt sind.
8. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 6,

d ad ürch gekennzeichnet, daß diese Teilchen aus Wolfram und wasserstoffhaltigem Material zu entsprechenden Schichten innerhalb dieser Matrix zusammengelagert sind und daß die Bohrung durch diese Schichten aus Wolfram, wasserstoffhaltigem Material und Material hoher Dichte in dieser Reihenfolge hindurchreicht.
9. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus wasserstoffhaltigem Material ebenfalls Teilchen aus Nickel enthält.
10. Neutronenstrahlkollimator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß das Bindermaterial ein wasserstoffhaltiges Material enthält.
11. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindermaterial Epoxy-harz enthält.
12. Neutronenstrahlkollimator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 5, 6, 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet, daß d-as Bindermaterial für diese Teilchen aus Wolfram

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ein Material hoher Dichte enthält.
13. Neutronenstrahlkollimator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindermaterial für diese Teilchen aus Wolfram Blei enthält.
14. Gerät zur Neutronenbestrahlung, das eine Neutronenquelle und eine Abschirmung, die diese Quelle umgibt und in der eine öffnung ausgeformt ist, enthält, mit einem Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator so angepaßt ist, daß er in die öffnung der Abschirmung in einer derartigen Weise paßt, daß Neutronen von dieser Quelle durch diese Bohrung (26) des Kollimators hindurch gehen und einen Strahl mit begrenztem Querschnitt bilden.

ReHS/Pi.

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