Med ESS kommer forskarna att få  möjlighet att studera material på  atom‐ och molekylnivå. 

Sames 14 MeV 

neutrongenerator För 40 år sen

Om <10 år

Radiofysik i Lund  på 1970‐talet

Lund ??

rbrp

BNCT

European Spallation Source ESS AB  ska konstruera, bygga och driva 

världens mest kraftfulla neutronkälla  för materialforskning i nordöstra  Lund. Anläggningen kommer att  öppnas 2019 och har planerad  byggstart 2013.

M d ESS k f k få

Med ESS kommer forskarna att få  möjlighet att studera material på  atom‐ och molekylnivå. 

Tillsammans med 

synkrotronljuslaboratoriet Max IV,  som byggs intill ESS, bildas i Lund  ygg ett världsledande Europeiskt 

centrum för materialforskning

h

CMSV

och  

Centrum för Medicinsk 

å

Strålningsvetenskap 

?? 

Spallations Neutron källa

Mycket högenergetiska protoner ( >10 GeV) som träffar en target av Wolfram splittrar

som träffar en target av Wolfram splittrar atomkärnorna i kärnfragment (Spallation), varvid det bl.a. bildas massor av neutroner varvid det bl.a. bildas massor av neutroner som kan användas för olika ändamål.

decelerated in the moderator

Neutron utbytet fån en bly‐

target som funktion av g proton energin. 

b i i

Neutron utbytet visar sig  vara i det närmaste

proportionellt mot proton proportionellt mot proton  energin upp till  12 GeV. 

Spallations Neutronernas energi

k f å k i k il h

spektrum från kvicksilver och

Bly/Vismut target.

Spallations neutronerna leds ut i kanaler till olika stationer Kan vi etablera en station för Medicinsk strålnings

Kan vi etablera en station för Medicinsk  strålnings 

vetenskap  ??

Medicinska Strålnings vetenskapliga projekt vid ESS ?

Neutron Terapi: p

• Neutroninfångningsterapi

Neutron Radiografi:

N t N N kl ä M di i Neutron Nano Nukleär Medicin:

Neutron Spridning och diffraktion Neutron Magnetism

Neutron Spridning och diffraktion

Neutron Magnetism

BNCT BNCT

(BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY)

Bertil Persson Leif G. Salford Crister Ceberg

P M k f R höld

Per Munck af Rosenschöld

LU

Neutroninfångning i bor‐10 Neutroninfångning i bor‐10

4

He

9 m

Prompt gamma

10

B

n 5 m

7

Li

Energin (2.3 MeV)

deponeras mycket lokalt Termiska neutroner

infångas av f g

B deponeras mycket lokalt

Kä k i i hjä

Kärnreaktioner i hjärnan

4

He

10

B

7

Li Li

Behandling i två steg Behandling i två steg

10

k

1. 2.

Stabilt

B ges Intravenöst som

B f l l i

10

B aktiveras i tumören Bor-fenyl-alanin

Termiska

Termiska

neutroner

N t R di fi

Neutron Radiografi:

Internal view of Neutron  te a e o eut o Radiographic beam

(shielding partially (shielding partially removed).

The detector The detector

arrangement is shown at  th f t

the front

Neutron Nano Nukleär Medicin

2002 Prompt‐gamma spektroskopi (PGS)

• Mätning av infångningsgamma utsända från bor och  väte i patient under bestrålning med epitermiska

väte i patient under bestrålning med epitermiska neutroner.

n + p      D

+ gamma

2002 Prompt‐gamma spektroskopi (PGS)

• Mätning av 

infångningsgamma

HPGe-detektor MCA+Dator

infångningsgamma  utsända från bor och  väte i patient under väte i patient under  bestrålning.

Räk h ti h t i

• Räknehastigheten i  detektorn för linjerna  k l t till

1000 10000

nts

kan relateras till 

borkoncentrationen in‐

i

Coun 100

vivo.

0 500 1000 1500 2000 2500

Energi [keV]

Neutron stimulated emission Neutron stimulated emission computed tomography ^(NSECT),

was pioneered at Duke University in was pioneered at Duke University in 2003 by the late Dr. Carey E. Floyd Jr.

for the purpose of diagnostic medical

imaging. g g

Spectrum for Fe with the sample‐out spectrum subtracted from the sample‐in  t

spectrum.

Geometry of the phantom imaged

in the tomography experiment. Reconstructed image from the NSECT acquisition of the sample.

The vertical outer bars represent copper while the diagonal inner (gray) bars represent iron.

The vertical outer regions represent copper while the diagonal inner

region represents iron.

Each bar measures 0.6 cm by 6 cm

by 2.5 cm Each element was reconstructed

separately and then combined

56Fe

63Cu

63Cu ⁵⁶Fe

Gamma energy spectrum from the iron‐copper phantom showing spectral lines from six transitions in ⁵⁶Fe and ⁶³Cu:

1. 63Cu from 1st excited state to ground state; energy 660 keV 2. 56Fe from 1st excited state to ground state; energy 847 keV 3. 63Cu from 2nd excited state to ground state; energy 962 keV 4. 56Fe from 3rd to 2nd excited state; energy 1239 keV

5. 56Fe from 4th to 2nd excited state; energy 1811 keV 6. 63Cu from 6th to 1st excited state; energy 1864 keV

6 MeV Neutron Stimulated Emission 6 MeV Neutron Stimulated Emission 6 MeV Neutron Stimulated Emission 

Computed Tomography NSECT spectrum of a 

benign breast sample 

6 MeV Neutron Stimulated Emission 

Computed Tomography NSECT spectrum of a 

malignant  breast sample 

elements identified through gamma identified through gamma spectroscopy. elements identified through gamma 

spectroscopy.

Medicinska Strålnings vetenskapliga projekt vid ESS ?

Neutron Terapi: p

• Neutroninfångningsterapi

Neutron Radiografi:

N t N N kl ä M di i Neutron Nano Nukleär Medicin:

Neutron Spridning och diffraktion Neutron Magnetism

Neutron Spridning och diffraktion

Neutron Magnetism

1938   ‐ Bertil RR Persson föds 1939   ‐ Fissionsprocessen upptäcks

1963   ‐ Bertil RR Persson borjar studera radiofysik i Lund

1970   ‐ Bertil RR Persson disputerar och upphandlar neutrongenerator

De Broglie´s (Dö Bröjs) ekvation

De Broglie kombinerar 

Plancks ekvation 

E = h = h c/

för sambandet mellan energin hos en foton 

E



Einsteins  ekvation för vilomassan hos en partikel 

E=mc

Där m är massan hos partikeln (kg) med och

c

c

de Brogle generaliserar denna ekvation till att gälla partiklar med impulsen de Brogle generaliserar denna ekvation till att gälla partiklar med impulsen  p=mv där v är partikelns hastighet.  = h/p  är partikelns våglängd

f ´ k á

 h 2

Om vi inför Dirac´s konstánt vågtalet

k = 2 / och

Vinkelfrekvensen

 = 2

2 h 





fysiken:

observera att vågtalet är en vektor

p   k

 



E    

c

Fysikaliska konstanter y

MW

10⁶ 10⁷

Fotoner  = 1239 / E

THz 1 mm

3

10⁴ 10⁵

m

IR THz

m

10¹ 10² 10³

nano- m

Elektroner

UV

m

10^-1 10⁰ 10

ängd /

Elektroner

 = 1,23 E ^-1/2

er 1 Å

10^-3 10^-2 10

Våg l

Neutroner

0 0286 E^-1/2

ylstrukture

10^-5 10^-4

 = 0.0286 E^1/2

Moleky

1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000

Energi / eV

10⁵ 10⁶ 10⁷

Fotoner  = 1239 / E

10³ 10⁴ 10

o-m ^celler 10   m

10⁰ 10¹ 10²

gd / nan

Elektroner

 = 1,23 E ^-1/2

1

100 nm

3

10^-2 10^-1

Vågläng

Neutroner

stukturer

1 nm

10^-5 10^-4

10^-3 Neutroner

 = 0.0286 E^-1/2

Molekls

1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000

Energi / eV

Elastisk spridning

2

k ^ 

spridd

Elastisk spridning



2

k   

k 

Infallande

neutron

Q 

 

k



Infallande neutron

) 2

 Q

p   k

i f

k   k   k 





Moment överföring Q

i f

k  k  k

 

i f i f

p k k Q k k

           

   

 ^{i f} 

Q   k    k

2 sin

Q   k  4 sin Q  



 

2 

Magnetic Nuclear

Scattering

Scattering

interaction interaction

Elektron

Dipole‐dipole spinn Neutroner

Interaction med e‐

Elektron

Om vi antar att target urgöres av en kristall som i bilden nedan där de de gråa rundlarna symboliserar atomer. g y

Kristaller kan betaktas som oändligt stora men i figuren nedan har bara innehållet i några få enhetsceller ritats.

har bara innehållet i några få enhetsceller ritats.

Atomerna i bilden nedan fortsätter på samma sätt åt alla håll och bildar en inre planstruktur i target

och bildar en inre planstruktur i target.

Neutronvågen sprids av atomtätheten i varje plan. Genom konstruktiv interferens blir spridningen starkast i vissa vinklar. Villkoret för i vilka vinklar denna spridning sker

k k ll “B l ”

ges av ett uttryck som kallas “Braggs lag” :

2d sinθ = nλ

Denna ekvation ger information om vilka vinklar som ger spridning för ett visst Denna ekvation ger information om vilka vinklar som ger spridning för ett visst

repetitionsavstånd “d” mellan planen i strukturen.

Om avståndet “d” i figuren motsvaras av ett avstånd mellan några repeterande “plan”,

ä b d i k få id i i i k l θ l i f ik i

tätt besatta med atomer i en struktur fås spridning i vinkeln θ relativ framriktningen.

Vinkeln beror förutom d även på vågländen, λ , för neutronerna.

EARLY DEVELOPMENT OF NEUTRON SCATTERING Nobel Lecture, December 8, 1994 by

CLIFFORD G. SHULL.

Operation of the spectrometer was entirely by hand and it was a time‐consuming chore for  Wollan and his early colleague, R. B. Sawyer, to collect what were the first neutron diffraction Wollan and his early colleague, R. B. Sawyer, to collect what were the first neutron diffraction  patterns of polycrystalline NaCl and light and heavy water in the early months of 1946.

Neutron kristallogafi av membran proteiner

Neutron kristallogafi av membran proteiner

Inelastisk spridning Inelastisk spridning

Vid inelastisk spridning ändras energin hos den infallande neutronen med E 

2 2

2

k

k

E E

E 





2 2

spridd spridd

n n

E E E k

m m 

        

Inelastisk spridning:

2

k ^ 

spridd

Inelastisk spridning: 

Den infallande neutronen förlorar energi

2

k   

k 

Infallande

neutron

Q 

 

k



Infallande neutron

) 2

 Q

p   k

i f

k   k 





Moment överföring Q

i f

k  k

 

i f i f

p k k Q k k

           

   

 ^{i f} 

Q   k    k

2 sin

Q   k  4 sin Q  



 

2 

Inelastisk spridning:

2

k ^ 

spridd

Inelastisk spridning: 

Den infallande neutronen absorberar energi

2

k   

k 

Infallande

neutron

Q 

 

k



Infallande neutron

) 2

 Q

p   k

i f

k   k 





Moment överföring Q

i f

k  k

 

i f f i

p k k Q k k

           

   

 ^{f i} 

Q   k    k

2 sin

Q   k  4 sin Q  



 

2 