Accelerator-based neutron source for boron neutron capture therapy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

An accelerator-based neutron source is being developed for boron neutron capture therapy (BNCT) of oncological diseases. In the source, neutrons are produced through interaction of a proton beam accelerated in an electrostatic tandem accelerator with a lithium target. The source generates an optimal neutron beam for BNCT treatment, and has several unique practical characteristics that make it ideally suited for clinical use. Namely, the tandem accelerator is compact (its design does not utilize accelerator tubes), reliable, simple and flexible in operation, and relatively inexpensive. The paper provides a comprehensive overview of studies of the neutron source prototype and preliminary test results of the first specialized neutron source for clinical trials of BNCT.

About the authors

A. A. Ivanov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: aaivanov5353@mail.ru

Artem N. Smirnov

Tri Alpha Energy Life Sciences; Tri Alpha Energy Technologies, Inc.

Sergei Yur'evich Taskaev

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Email: S.Yu.Taskaev@inp.nsk.su
Doctor of physico-mathematical sciences

Boris Fedorovich Bayanov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Yurii Ivanovich Belchenko

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: Yu.I.Belchenko@inp.nsk.su
Doctor of physico-mathematical sciences

Vladimir Ivanovich Davydenko

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: V.I.Davydenko@inp.nsk.su

Aleksandr Dunaevsky

Tri Alpha Energy Technologies, Inc.

Ivan Sergeevich Emelev

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Email: i.s.emelev@inp.nsk.su

Dmitrii Aleksandrovich Kasatov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Aleksandr Nikolaevich Makarov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Mike Meekins

Tri Alpha Energy Technologies, Inc.

Nikolai Konstantinovich Kuksanov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: N.K.Kuksanov@inp.nsk.su

Sergey Sergeevich Popov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: S.S.Popov@inp.nsk.su

R. A. Salimov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Andrey Leonidovich Sanin

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: A.L.Sanin@inp.nsk.su

Igor Nikolaevich Sorokin

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Tri Alpha Energy Technologies, Inc.

Tat'yana Viktorovna Sycheva

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Ivan Mikhailovich Shudlo

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Denis Sergeevich Vorob'ev

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: D.S.Vorobev@inp.nsk.su

Viktor Grigor'evich Cherepkov

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: V.G.Cherepkov@inp.nsk.su

Sergei Nikolaevich Fadeev

G I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Candidate of technical sciences

References

  1. Barth R. F. et al., Clinic. Cancer Res., 11 (2005), 3987
  2. Moss R. L., Appl. Radiat. Isot., 88 (2014), 2
  3. Sauerwein W. A. G. et al. (Eds.), Neutron Capture Therapy. Principles and Applications, Springer, Heidelberg, 2012
  4. Farr L. E. et al., Am. J. Roeng. Ther. Nucl. Med., 71 (1954), 279
  5. Goldwin J. T., Cancer, 8 (1955), 601
  6. Slatkin D. N., Brain, 114 (1991), 1609
  7. Hawthorne M. F., Shelly K., Wiersema R. J. (Eds.), Frontiers in Neutron Capture Therapy, v. 1, Springer-Verlag, New York, 2001
  8. Soloway A. H., Hatanaka H., Davis M. A., J. Med. Chem., 10 (1967), 714
  9. Hatanaka H., Basic Life Sci., 54 (1990), 15
  10. Mishima Y. et al., Basic Life Sci., 50 (1989), 251
  11. Granada A. D. et al., Neurosurgery, 44 (1999), 1182
  12. Busse P. M. et al., J Neurooncol., 62 (2003), 111
  13. Sauerwein W., Zurlo A., Eur. J. Cancer, 38:Suppl. 4 (2002), 31
  14. Joensuu H. et al., J. Neurooncol., 62 (2003), 123
  15. Capala J. et al., J. Neurooncol., 62 (2003), 135
  16. Dbaly V. et al., Ces a slov Neurol. Neurochir., 66–69 (2002), 60
  17. Nakagawa Y. et al., J. Neurooncol., 62 (2003), 87
  18. Gonzalez S. J. et al., Appl. Radiat. Isot., 61 (2004), 1101
  19. Kato I. et al., Appl. Radiat. Isot., 61 (2004), 1069
  20. Kankaanranta L. et al., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 2012, no. 1, E67
  21. Tamura Y. et al., J. Neurosurg., 105 (2006), 898
  22. Suzuki M. et al., Radiotherapy Oncol., 88:2 (2008), 192
  23. Suzuki M. et al., Jpn. J. Clin. Oncol., 37 (2007), 376
  24. Blue T., Yanch J., J. Neurooncol., 62 (2003), 19
  25. Kreiner A. J. et al., Rep. Pract. Oncol. Radiotherapy, 21 (2016), 2
  26. Tanaka H. et al., Appl. Radiat. Isot., 67 (2009), S258
  27. Tanaka H. et al., Proc. of the 14th Intern. Congress on Neutron Capture Therapy, 14ICNCT (Buenos Aires, Argentina, 25-29 October 2010), 447
  28. Beynon T., Research and Development in Neutron Capture Therapy, M. W. Sauerwein, R. Moss, A. Wittig, Monduzzi Editore, Intern. Proc. Division, Bologna, 2002, 225
  29. Wangler T., “Conceptual design of an RFQ accelerator-based neutron source for boron neutron capture therapy”, LAUR89-912, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, 1989
  30. McMichael G. E., Yule T. J., Zhou X.-L., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 99 (1995), 847
  31. Kreiner A. J. et al., Proc. of the 8th Intern. Topical Meeting on Nuclear Applications and Utilization of Accelerators (Pocatello, Idaho, 2007), 373
  32. Kreiner A. J. et al., Appl. Radiat. Isot., 67 (2009), S266
  33. Smick T. et al., Book of Abstracts of the 16th Intern. Congress on Neutron Capture Therapy (Finland, Helsinki, 2014), 138
  34. Tsuchida K. et al., Book of Abstracts of the 16th Intern. Congress on Neutron Capture Therapy (Finland, Helsinki, 2014), 206
  35. Forton E. et al., Appl. Radiat. Isot., 67 (2009), S262
  36. Bayanov B. F. et al., Nucl. Instrum. Method. Phys. Res. A, 413 (1998), 397
  37. Димов Г. И. и др., Атомная энергия, 94 (2003), 155
  38. Miyatake S. et al., J. Neurooncol., 149 (2020), 1
  39. Hirose K. et al., Int. J. Rad. Onc. Biol. Phys., 105 (2019), E374
  40. Barth R. F., Mi P., Yang W., Cancer Commun., 38 (2018), 35
  41. Crossley E. L. et al., Mini Rev. Medic. Chem., 7 (2007), 303
  42. Lesnikowski Z. J. et al., Bioorg. Medic. Chem., 13 (2005), 4168
  43. Ahrens V. M. et al., Chem. Med. Chem., 10 (2015), 164
  44. Yang W. et al., Clinic. Cancer Res., 14 (2008), 883
  45. Kueffer P. J. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110 (2013), 6512
  46. Yinghuai Z. et al., Curr. Chem. Biol., 1 (2007), 141
  47. Mi P. et al., J. Control. Release, 254 (2017), 1
  48. Sivaev I. B. et al., Eur. J. Inorg. Chem., 11 (2009), 1433
  49. Davydenko V. I. et al., AIP Conf. Proc., 763 (2005), 332
  50. Алейник В. И. и др., ПТЭ, 2013, № 5, 5
  51. Belchenko Yu. I., Grigoryev E. V., Rev. Sci. Instrum., 73 (2002), 939
  52. Belchenko Yu. I., Savkin V. Y., Rev. Sci. Instrum., 75 (2004), 1704
  53. Belchenko Yu. I. et al., Rev. Sci. Instrum., 79 (2008), 02A521
  54. Бельченко Ю. И. и др., УФН, 188 (2018), 595
  55. Belchenko Yu. I. et al., AIP Conf. Proc., 2011 (2018), 050021
  56. Sanin A. L. et al., AIP Conf. Proc., 2052 (2018), 050012
  57. Bykov T. et al., AIP Conf. Proc., 2052 (2018), 050013
  58. Belchenko Yu. I. et al., Rev. Sci. Instrum., 77 (2006), 03A527
  59. Belchenko Yu. I., Sanin A. L., Ivanov A. A., AIP Conf. Proc., 1097 (2009), 214
  60. Belchenko Yu. I. et al., AIP Conf. Proc., 1515 (2013), 448
  61. Belchenko Yu. I. et al., Rev. Sci. Instrum., 85 (2014), 02B108
  62. Barnet C. et al., “Atomic data for controlled fusion research”, ORNL-5206, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, 1977
  63. Алейник В. И. и др., Науч. вестн. Новосибирского гос. технического ун-та, 50:1 (2013), 83
  64. Jacob S. A. W., Suter M., Synal H.-A., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 172 (2000), 235
  65. Егорова В. А. и др., Математическая модель взаимодействия протонов с веществом, Препринт №138, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, М., 2017
  66. Баянов Б. Ф., Белов В. П., Таскаев С. Ю., Нейтроногенерирующая мишень ускорительного источника нейтронов для нейтронозахватной терапии, Препринт №2005-4, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 2005
  67. Bayanov B., Appl. Radiat. Isot., 61 (2004), 817
  68. Баянов Б. Ф., Журов Е. В., Таскаев С. Ю., ПТЭ, 2008, № 1, 160
  69. Kasatov D., JINST, 15 (2020), P10006
  70. Баянов Б. Ф. и др., ПТЭ, 2008, № 3, 119
  71. Kasatov D. et al., Appl. Radiat. Isot., 106 (2015), 38
  72. Bykov T. et al., Appl. Radiat. Isot., 175 (2021), 109821
  73. Касатов Д. А., Исследования материалов нейтроногенерирующей мишени для бор-нейтронозахватной терапии, Дисс. … канд. физ.-мат. наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 2022
  74. Batrutdinov A. et al., Metals, 7:12 (2017), 558
  75. Akhmetov T. D. et al., Rev. Sci. Instrum., 77 (2006), 03C106
  76. Barker P. H. et al., Metrologia, 39 (2002), 371
  77. Biesiot W., Smith Ph. B., Phys. Rev. C, 24 (1981), 2443
  78. Vartsky D. et al., Nucl. Phys. A, 505 (1989), 328
  79. Бурдаков А. В. и др., ПТЭ, 2017, № 4, 70
  80. Кузнецов А. С. и др., Письма в ЖТФ, 35:8 (2009), 1
  81. Алейник В. И., ПТЭ, 2013, № 5, 5
  82. Bykov T. et al., 6th Intern. Symp. on Negative Ions, Beams and Sources, NIBS'18 (September 3-7, 2018, Novosibirsk, Russia)
  83. Taskaev S. Yu. et al., Proc. of the 9th Intern. Particle Accelerator Conf. (Vancouver, Canada, MOPML062), 2018
  84. Aleynik V. et al., Appl. Radiat. Isot., 69 (2011), 1639
  85. Сорокин И. Н., Высоковольтная прочность ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией, Дисс. … канд. тех. наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 2014
  86. Сорокин И. Н., Таскаев С. Ю., ПТЭ, 2014, № 4, 5
  87. Быков Т. А. и др., ПТЭ, 2018, № 5, 90
  88. Иванов А. А. и др., Письма в ЖТФ, 42:12 (2016), 1
  89. Касатов Д. А. и др., Письма в ЭЧАЯ, 13 (2016), 543
  90. Hasselkamp D. et al., Nucl. Instrum. Meth., 180 (1981), 349
  91. Sternglass E. J., Phys. Rev., 108 (1957), 1
  92. Брусиловский Б. А., Кинетическая ионно-электронная эмиссия, Энергоатомиздат, М., 1990
  93. Ivanov A. A. et al., JINST, 2016, 04018
  94. Кузнецов А. С. и др., Препринт ИЯФ 2008-27, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 2008
  95. Kasatov D. et al., J. Instrum., 9 (2014), P12016
  96. Taskaev S. Yu. et al., Proc. of the 9th Intern. Particle Accelerator Conf., MOPML063 (Canada, Vancouver, 2018)
  97. Batrutdinov A. et al., Metals, 7:12 (2017), 558
  98. Заиди Л. и др., ЯФ, 80 (2017), 63
  99. Zaidi L. et al., Appl. Radiat. Isot., 139 (2018), 316
  100. Баянов Б. Ф. и др., ПТЭ, 2010, № 6, 117
  101. Алейник В. И. и др., ПТЭ, 2014, № 4, 9
  102. Porosev V., Savinov G., JINST, 14 (2019), P06003
  103. Bykov T. et al., JINST, 14 (2019), P12002
  104. Gubanova N. et al., Book of Abstracts of the 16th Intern. Congress on Neutron Capture Therapy (Finland, Helsinki, 2014), 205
  105. Таскаев С. Ю., Каныгин В. В., Бор-нейтронозахватная терапия, Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2016
  106. Каныгин В. В. и др., J. Siberian Med. Sci., 2016, № 5c, 5
  107. Яруллина А. И. и др., Тихоокеанский медицинский журн., 2015, № 4, 6
  108. Shoshin A. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 48 (2020), 1474
  109. Massironi A. (CMS Collab.), Precision electromagnetic calorimetry at the energy frontier: CMS ECAL at LHC Run 2
  110. Zhang Z., JINST, 13 (2018), C04013
  111. Касатов Д. А. и др., ПТЭ, 2020, № 5, 5
  112. Kuznetsov A. S. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A, 606 (2009), 3
  113. Rostoker N., Qerushi A., Binderbauer M., J. Fusion Energy, 22 (2003), 83
  114. Farrell J. et al., 7th Intern. Workshop on Positron and Positronium Chemistry (Knoxville, USA, 2002), 47
  115. Sorokin I. N., Taskaev S. Yu., Appl. Radiat. Isot., 106 (2015), 101
  116. Таскаев C. Ю., Каныгин В. В., Система формирования пучка нейтронов, Патент РФ №2540124 от 16.12.2014, 2014
  117. Aleynik V. et al., Appl. Radiat. Isot., 88 (2014), 177
  118. Таскаев С. Ю., Способ получения пучка эпитепловых нейтронов, Патент РФ №2722965 от 05.06.2020, 2020
  119. Lee C. L., Zhou X.-L., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 152 (1999), 1
  120. Домаров Е. В. и др., ПТЭ, 2017, № 1, 77
  121. Popov S. S. et al., Rev. Sci. Instrum., 91 (2020), 013311
  122. Fraser J. S., IEEE Trans. Nucl. Sci., 28 (1981), 2137
  123. Chamberlin D. D., Hollabaugh J. S., Stump C. J., IEEE Trans. Nucl. Sci., 30 (1983), 2201
  124. Pasqualotto R. et al., Fusion Eng. Des., 88 (2013), 1253
  125. Delogu R. S. et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 42 (2014), 1802
  126. Деревянкин Г. Е. и др., Препринт ИЯФ 2002-24, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 2002
  127. Tiunov M. A., Kuznetsov G. I., Batazova M. A., AIP Conf. Proc., 572 (2001), 155

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».