Введение к работе
Актуальность. Применение реакторных пучков для нейтронной терапии неуклонно расширяется и в количественном, и в качественном отношении. В этой связи очевидна актуальность проблемы надёжности расчётного обеспечения нейтронной терапии достоверными данными о характеристиках полей излучений в канале пучка, на его выходе, в медицинском боксе и вне его. Отдельные большие проблемы – поля излучений в фантоме (как терапевтические, так и фоновые) и оптимизация характеристик пучка для того или иного типа терапии. В настоящее время отсутствует методика, позволяющая получать все необходимые функционалы полей излучений от источника (реактора) до пациента, оптимизировать характеристики пучка для конкретного типа терапии, а также определять дозовые нагрузки на пациента и персонал.
Целью работы является создание и верификация программного аппарата и расчётных технологий, позволяющих обеспечить надёжный расчёт всех функционалов полей излучений, необходимых для решения задач глубокого проникновения излучений, в том числе для организации лучевой терапии на реакторных пучках; применение расчётных технологий в актуальных задачах как на существующих установках, так и на проектируемых; оптимизация характеристик реакторных пучков для конкретного типа терапии; оценка дозовых нагрузок на пациента и персонал.
Направление исследований
-
Создание оптимизационных комплексов, позволяющих осуществлять оперативный поиск оптимальных композиций блока вывода пучка и окружающей защиты от излучений.
-
Создание расчётных технологий, позволяющих с требуемой точностью осуществлять расчёт характеристик в канале вывода пучка, на его выходе, в фантоме, помещении вывода пучка и вне его; эти технологии должны давать возможность корректно переходить от трёхмерной геометрии предметной области (например, реактора и ближайшего окружения) к двумерной (собственно канал вывода пучка), а также осуществлять переход от двумерной к трёхмерной геометрии (например, для расчётов полей излучений в антропоморфном фантоме).
-
Верификация расчётного аппарата с помощью представительных экспериментальных и расчётных данных.
-
Применение расчётного аппарата к широкому кругу задач, возникающих при организации оптимального блока вывода пучка и оптимизации защиты от излучений для проектируемого малогабаритного медицинского реактора.
-
Применение расчётного аппарата для определения возможностей адаптации каналов существующего водо-водяного исследовательского реактора для различных вариантов нейтронной терапии.
-
Применение расчётного аппарата для оптимизации блока вывода и защиты от излучений для типичного тяжеловодного исследовательского реактора.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе используются расчётно-теоретические методы, состоящие в конструировании расчётных моделей предметной области, в которой рассчитывается транспорт излучений, всесторонней проверке адекватности этих моделей и их применению к реальным установкам. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, взаимосогласованностью результатов при применении альтернативных методик расчёта, согласием полученных расчётных результатов с данными экспериментов, а также с результатами исследований других авторов.
Основные положения, выносимые автором на защиту
-
Комплексы программ оптимизации защиты от излучений REMP1, OPT1D и OPT2D.
-
Расчётные технологии последовательного применения детерминистических программ в цепочке с программой метода статистических испытаний для решения задач глубокого проникновения излучений.
-
Конфигурация и материальный состав блока вывода пучков реакторной установки (РУ) «МАРС», оптимальный состав коллимационной системы и защиты от излучений блока вывода пучков.
-
Конфигурация и состав основной защиты от излучений РУ «МАРС».
-
Результаты оптимизации блоков вывода пучков реакторов ВВРц (г. Обнинск) и ТВР-50.
-
Характеристики полей излучений на выходе каналов, в фантоме и медицинских боксах, а также в смежных помещениях для нескольких каналов трёх реакторов: «МАРС», ВВРц и ТВР-50.
При выполнении диссертационной работы автором была решена крупная научная проблема создания адекватной технологии расчёта и оптимизации каналов вывода реакторных пучков для лучевой терапии, что имеет важное научное и практическое значение для медицинской физики. Внедрение полученных результатов внесёт значительный вклад в развитие терапии на нейтронных пучках.
Личный вклад автора на всех этапах работы является определяющим, все результаты получены самостоятельно. Роль соавторов обычно сводилась к обсуждению результатов, рекомендациям, корректировке и поддержке. Исключением являются работы по созданию оптимизационного комплекса REMP1, выполненные совместно с А.А. Дубининым, а также реализация отдельных вариантов расчётных моделей a) реактора ВВРц с участием Е.Ю. Станковского и b) реактора «МАРС» с участием А.В. Левченко.
Научная новизна результатов исследования.
Научная новизна работы состоит в едином комплексном подходе к расчёту функционалов полей излучений, необходимых для организации нейтронной терапии. В рамках этого подхода автором
созданы универсальные комплексы программ оптимизации характеристик защиты от излучений, позволяющие получать оптимальный состав и конфигурацию защиты при ограничениях на её массу и габариты;
предложены и обоснованы эффективные расчётные технологии, позволяющие решать задачи глубокого проникновения излучений в защите реакторов с неоднородностями;
получена детальная согласованная информация о характеристиках полей излучений в канале, на выходе, в фантоме, медицинском боксе и в смежных помещениях для нескольких пучков трёх реакторов;
получена оптимальная по конфигурации и составу защита РУ «МАРС», обеспечившая малые габариты и массу установки (< 70 т), что позволяет её использование непосредственно в клинике;
получены оптимальные конфигурации блоков вывода пучков для нейтрон-захватной терапии (НЗТ) для РУ «МАРС» и ВВРц; характеристики этих пучков не уступают лучшим мировым аналогам.
Практическая значимость работы.
Созданный автором программный аппарат и расчётные технологии позволяют повысить надёжность результатов расчёта каналов и защиты реакторов, обеспечить оптимизацию характеристик выводимых пучков для нейтронной терапии, а также получить достоверные данные о полях излучений в антропоморфных и осесимметричных фантомах, что даёт возможность корректно учитывать фоновые дозы при проведении терапии. Кроме того, созданный расчётный аппарат позволяет адекватно учесть дозовые нагрузки на персонал в процедурной при различных режимах работы пучков, оценить дозные поля в смежных с процедурной помещениях, а также решать общие задачи глубокого проникновения излучений.
Реализация результатов работы.
Комплекс оптимизационных программ REMP1 в 80-е годы был принят как Стандарт Минсредмаша.
Результаты, полученные автором, использованы в эскизном проекте РУ «МАРС» и в Проекте медицинского комплекса на действующем реакторе ВВРц.
В эскизном проекте РУ «МАРС» использованы предложенные автором:
конфигурация, материальный состав и структура основной защиты от излучений;
конфигурация, материальный состав и структура блока вывода нейтронных пучков;
конфигурация, материальный состав и структура каждого из шиберов (отсечного и заглушки) для обоих каналов;
конфигурация, материальный состав и структура коллимационной системы пучка для НЗТ.
конфигурация, материальный состав и структура ловушек пучка для обоих каналов.
Проект медицинского комплекса на реакторе ВВРц опирается на полученные автором характеристики полей излучений внутри канала ГК-1 и на его выходе.
Апробация работы.
Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на следующих научных форумах:
на всех девяти Российских научных конференциях по радиационной защите и радиационной безопасности в ядерных технологиях (1974 – 2006 гг.; в СССР – Всесоюзные научные конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок);
на конференции «Ядерная энергетика в космосе» 1990 г.;
конференции «От Первой в мире АЭС к атомной энергетике XXI века» 1999 г.;
II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии 2005 г.;
II и III Троицких конференциях «Медицинская физика и инновации в медицине» 2005 и 2008 гг.;
Международных конференциях «Безопасность АЭС и подготовка кадров»;
конференции «Актуальные вопросы онкологии и онкологической помощи в системе ФМБА России», Москва 2006 г.;
конференции «Физико-технические проблемы гарантии качества лучевой терапии», Обнинск, 2006 г.;
на конференции ICNRP’07 NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS, Алматы, 2007 г.;
на научных семинарах в ФЭИ, ИПМ РАН, ИАЭ, ИМБП, ФХИ (Обнинск), МРНЦ РАМН, ИАТЭ и др. предприятиях и организациях;
на конференциях в Нью-Йорке, Токио, Брюсселе, Ницце, Братиславе, на семинарах в университетах КНР (Пекин, Сиань, Харбин).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 97 печатных работ, около 20 научно-технических отчётов и монография. В списке литературы указаны только основные публикации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка, включающего 367 наименований. Работа изложена на 301 листе машинописного текста, содержит 122 рисунка, 84 таблицы.