The 14N(n,p) reaction cross-section measurement at n TOF - CERN and its application to the design of a facility for neutron capture therapy

Abstract

Experimental nuclear data and simulations are crucial for new radiotherapies of cancer. In Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), an accurate knowledge of neutron interaction with the elements present in body tissues is key for dosimetry. At low neutron energies, the reaction between neutrons and nitrogen, 14N(n,p), becomes a main component of the dose in most human tissues. There are several discrepancies in previous measurements of this reaction, which increase the uncertainty in dose estimations needed for treatment planning. Furthermore, Neutron Capture Therapy needs intense and clean neutron sources, suitable for therapy and with the possibility of being installed in hospital environments, getting over previous facilities at nuclear reactors. This thesis aims to contribute to these two topics. The nuclear data from a new measurement of the 14N(n,p) reaction, carried out at the n TOF Facility at CERN will be shown. The new high-accuracy data span from 8 meV to 800 keV, covering the range of interest for BNCT, including the thermal point (25.3 meV), whose cross-section value was found to be at 1.809 0.045 b. The implications of this new nuclear data to BNCT dosimetry will be explored via Monte Carlo simulations. A new Beam Shaping Assembly (BSA) will be proposed for a proton acceleratorbased neutron source, using 30 mA of 2.1 MeV protons onto a lithium target. This BSA produces a high-intensity and well-collimated neutron eld that also provides low contamination from gamma radiation and both thermal and fast neutrons. The spectrum of the beam coming out of the BSA aperture will be shown to be adequate for BNCT treatments, full lling all recommendations from the IAEA and also performing well in in-phantom dose simulations. The new nuclear data and the proposed neutron beam will be put together as input in order to develop a Treatment Planning System (TPS). The TPS processes medical images (DICOM) and runs Monte Carlo simulations of neutron transport through the model of the patient, allowing to compute dose estimations in the tumor and surrounding tissues, including organs at risk. The TPS will be used to perform a pilot test simulation with a realistic case of a Glioblastoma patient.

El uso de datos nucleares experimentales y simulaciones es crucial para nuevas formas de radioterapia contra el cáncer. En la Terapia mediante Captura de Neutrones por Boro (BNCT, por sus siglas en ingles), un conocimiento preciso de la interacción de los neutrones con los elementos presentes en los tejidos corporales es clave para la dosimetría. La reacción de los neutrones con el nitrógeno, 14N(n,p), es una componente muy importante de la dosis en la mayor a de tejidos humanos para neutrones de baja energía. Existen discrepancias entre varias medidas anteriores de esta reacción, lo que aumenta la incertidumbre en las estimaciones de dosis necesarias para plantificar un tratamiento. Por otra parte, la Terapia por Captura de Neutrones necesita fuentes de neutrones intensas y limpias, adecuadas para terapia y que tengan la posibilidad de instalarse en el entorno hospitalario, a diferencia de las instalaciones anteriores que se han construido en reactores nucleares. Esta tesis pretende contribuir a resolver estos dos problemas. Se mostrarán los datos nucleares obtenidos en una nueva medida de la reacción 14N(n,p) realizada en las instalaciones de neutrones por tiempo de vuelo (n TOF) del CERN. Los nuevos datos de alta precisión abarcan el rango entre 8 meV y 800 keV, cubriendo por completo el rango de interés para BNCT, lo que incluye el punto térmico (25.3 meV), para el cual se ha encontrado que la sección e caz es 1.809 0.045 b. Las repercusiones de estos nuevos datos nucleares para la dosimetría en BNCT serán exploradas usando simulación Monte Carlo. Se propone un nuevo dispositivo conformador de haces (Beam Shaping Assembly, BSA), diseñado para una fuente de neutrones basada en acelerador, con 30 mA de protones a 2.1 MeV sobre un blanco de litio. Esta BSA produce un campo de neutrones colimado de alta intensidad que además presenta una contaminación baja por radiación gamma y neutrones rápidos o térmicos. Se mostrar a que el espectro del haz de neutrones a la salida de la apertura de la BSA es adecuado para tratamientos de BNCT, cumpliendo todas las recomendaciones del Organismo Internacional para la Energía Atómica (OIEA) y además mostrando buenos resultados con simulaciones de dosis en maniquíes. Tanto los nuevos datos nucleares como el haz de neutrones propuesto se combinarán como inputs en el desarrollo de un Sistema de Planificación de Tratamientos (TPS, por sus siglas en inglés). El TPS procesa imágenes médicas DICOM y ejecuta simulaciones Monte Carlo de transporte de neutrones en un modelo del paciente, lo que permite calcular la dosis en el tumor y los tejidos circundantes, incluyendo los órganos de riesgo. El TPS ser a usado para realizar una simulación de prueba piloto con un caso realista de paciente con Glioblastoma.