Production and measurement of low-energy neutrons using accelerator-based neutron sources for applications in medicine

Abstract

Accelerator-based neutron sources are currently in the spotlight due to the wide range of uses, particularly in medical applications, such as Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). Conventional BNCT facilities, either based on nuclear reactors or on accelerators, require a moderation system or a Beam Shaping Assembly (BSA) to tailor the neutron spectrum, adding complexity, important maintenance and operation and avoiding flexibility in the neutron field. To overcome these challenges, this work proposes a novel approach leveraging the 51V(p,n) and 45Sc(p,n) reactions near their thresholds, eliminating the need for moderation and fulfilling the quality factors established by the International Atomic Energy Agency (IAEA) for BNCT. Neutron time-of-flight measurements were conducted at the accelerator-based neutron facility MONNET at the Joint Research Centre in Geel, Belgium. First, experiments were performed using as a reference the well-known 7Li(p,n) nearthreshold reaction. Subsequently, angle-dependent measurements were carried out for the 51V(p,n) reaction near its threshold, including the integrated neutron spectrum produced by this reaction. The results of the experiments with the 51V(p,n) reaction and the studies on 45Sc(p,n) reaction using available data, demonstrate that the proposed neutron sources achieve the IAEA quality factors with comparable figures of merit to existing BNCT facilities. In particular, the 45Sc(p,n) reaction can be used with available accelerators, meanwhile 51V(p,n) would need higher proton currents than existing accelerators. This approach not only simplifies the design of acceleratorbased BNCT facilities but also enables fine-tuning of neutron penetration depth into the human body through small adjustments in proton energy, opening new possibilities for treatment optimization. This thesis makes significant contributions to the field of accelerator-based neutron sources by providing high-precision experimental data and proposing an innovative approach to neutron generation for BNCT. This new proposal has been submitted as a patent.

Las fuentes de neutrones basadas en aceleradores están actualmente en el punto de mira debido a su amplia gama de aplicaciones, especialmente en el ámbito médico, como la Terapia por Captura de Neutrones en Boro (BNCT). Las instalaciones convencionales de BNCT, ya sean basadas en reactores nucleares o en aceleradores, requieren un sistema de moderación o un Ensamblaje de Modelado del Espectro (BSA) para ajustar el espectro de neutrones, lo que añade complejidad, exige un mantenimiento considerable y limita la flexibilidad del campo de neutrones.

Para superar estos desafíos, este trabajo propone un enfoque novedoso que aprovecha las reacciones 51V(p,n)51V(p,n) y 45Sc(p,n)45Sc(p,n) cerca de sus umbrales, eliminando la necesidad de moderación, al tiempo que se cumplen los factores de calidad de neutrones establecidos por la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) para BNCT.

Las mediciones de tiempo de vuelo de neutrones se llevaron a cabo en la instalación de neutrones basada en aceleradores MONNET, en el Joint Research Centre de Geel, Bélgica. En primer lugar, se realizaron experimentos utilizando como referencia la bien conocida reacción 7Li(p,n)7Li(p,n) cerca de su umbral. Posteriormente, se efectuaron mediciones dependientes del ángulo para la reacción 51V(p,n)51V(p,n), incluyendo el espectro de neutrones integrado producido por esta reacción.

Los experimentos realizados con la reacción 51V(p,n)51V(p,n), junto con estudios sobre 45Sc(p,n)45Sc(p,n) basados en datos disponibles, demuestran que las fuentes de neutrones propuestas alcanzan los factores de calidad definidos por la IAEA, con figuras de mérito comparables a las de las instalaciones actuales de BNCT. En particular, la reacción 45Sc(p,n)45Sc(p,n) puede utilizarse con los aceleradores disponibles, mientras que la reacción 51V(p,n)51V(p,n) requeriría corrientes de protones más altas que las que ofrecen los aceleradores actuales.

Este enfoque no solo simplifica el diseño de las instalaciones de BNCT basadas en aceleradores, sino que también permite un ajuste preciso de la profundidad de penetración de los neutrones en el cuerpo humano mediante pequeñas modificaciones en la energía de los protones, abriendo nuevas posibilidades para la optimización del tratamiento.

Se espera que el enfoque propuesto contribuya significativamente a la simplificación de las instalaciones de BNCT basadas en aceleradores. Esta tesis ha realizado aportes relevantes en el campo de las fuentes de neutrones basadas en aceleradores, proporcionando datos experimentales de alta precisión y proponiendo un enfoque innovador para la generación de neutrones en BNCT. Esta nueva propuesta ha sido presentada como patente.