用于BNCT-SPECT的帕維亞TRIGAMARKⅡ反應(yīng)堆熱柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

第卷第期年月強(qiáng)激光與粒子束，反應(yīng)堆熱柱優(yōu)化設(shè)計(jì)硼中子俘獲治療（）作為一種特殊的放射治療方式，被認(rèn)為是一種結(jié)合靶向化學(xué)治療與重離子治有效地殺死腫瘤細(xì)胞；（，）反應(yīng)截面高于中子與人體常見元素的反應(yīng)截面數(shù)千倍，因此中子對未攝程序（）是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室集用于的帕維亞龔春慧，耿長冉，湯曉斌，（南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與工程系，南京；意大利國家核物理研究所帕維亞分部，帕維亞）摘要：針對坐落于意大利帕維亞大學(xué)的反應(yīng)堆熱柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足面向硼中子俘獲治療（）的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（）研究要求。為提高計(jì)算效率并減小統(tǒng)計(jì)誤差，對比分析使用方法與直接使用反應(yīng)堆為源項(xiàng)時(shí)熱柱內(nèi)照射位置處中子能譜，其結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了方法的可靠性。為在該反應(yīng)堆開展中實(shí)驗(yàn)，熱柱中子束需準(zhǔn)直為筆形束。對比分析四種熱柱優(yōu)化方案下束流口處及探測器處熱中子和光子通量：長石墨（射束口）；厚硼包裹長石墨（射束口）；長天然鋰聚乙烯（射束口直徑）；長天然鋰聚乙烯（長射束口直徑，長射束口直徑，長射束口直徑）。結(jié)果顯示，射束口處熱中子通量分別為，和（）。綜合考慮中子準(zhǔn)直效果及光子污染，方案三具有最優(yōu)性能。為后續(xù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)，從而有效促進(jìn)劑量準(zhǔn)確評估方法的研究進(jìn)程。關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆；硼中子俘獲治療；中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：療的二元放射治療技術(shù)，其原理是：將含有的親腫瘤靶向藥物注入患者體內(nèi)，含硼藥物選擇性地聚集于腫瘤細(xì)胞內(nèi)，再使用熱中子或超熱中子從患者體外進(jìn)行照射，中子被硼俘獲后發(fā)生（，）反應(yīng)，同時(shí)放出的特征射線，其反應(yīng)產(chǎn)物粒子與粒子在生物組織中的射程為，與細(xì)胞直徑類似，可取的正常組織輻射損傷可控制在安全劑量水平。由于患者個體的差異、硼在人體內(nèi)新陳代謝的濃度變化和載硼藥物在腫瘤組織分布的不均勻等因素的影響，給輻射劑量準(zhǔn)確評估提出了巨大挑戰(zhàn)，有效解決此問題的關(guān)鍵是硼濃度分布的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測。通過測量（，）反應(yīng)產(chǎn)生的特征射線可實(shí)現(xiàn)對硼濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在國內(nèi)外已經(jīng)得到初步研究。本研究小組擬針對反應(yīng)堆的系統(tǒng)展開單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（）的實(shí)驗(yàn)和理論研究，具體來說，本研究的對象是坐落于意大利帕維亞大學(xué)的反應(yīng)堆，此反應(yīng)堆為研究和應(yīng)用提供有效的中子源，其中研究是該反應(yīng)堆的一個主要應(yīng)用。熱中子照射在反應(yīng)堆改進(jìn)的熱柱的一個小腔室內(nèi)進(jìn)行，并且已完成對多發(fā)性轉(zhuǎn)移肝癌病人進(jìn)行體外肝移植治療。但目前該反應(yīng)堆熱柱結(jié)構(gòu)是為多發(fā)性轉(zhuǎn)移肝癌病人進(jìn)行體外肝臟治療而改造的，照射面積過大，不適用于中研究。因此，本文將利用蒙特卡羅程序致力于優(yōu)化反應(yīng)堆現(xiàn)有熱柱以適用于研究。為了提高計(jì)算效率并減小統(tǒng)計(jì)誤差，首先將中子源從反應(yīng)堆向熱柱移動并驗(yàn)證其可靠性；然后利用寫面源對反應(yīng)堆現(xiàn)有熱柱進(jìn)行優(yōu)化以適用于利用該反應(yīng)堆開展中的實(shí)驗(yàn)。蒙特卡羅方法中編制的一個大型多功能蒙特卡羅粒子輸運(yùn)程序。針對反應(yīng)堆這種大規(guī)模系統(tǒng)，蒙特卡羅計(jì)收稿日期：；修訂日期：基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（）；江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目作者簡介：龔春慧（），女，博士，主要從事硼中子俘獲治療研究；。強(qiáng)激光與粒子束反應(yīng)堆模型如圖（）所示，所使用的是圖（）中虛線所標(biāo)示的熱柱部算的收斂是非常耗時(shí)的。因此，為了減少計(jì)算時(shí)間，針對反應(yīng)堆的每次計(jì)算，即在中使用臨界源計(jì)算是不實(shí)際的。幸運(yùn)的是，具有寫表面源（）能力，旨在記錄穿過給定面的各個粒子軌跡的所有必需信息，并將這些信息寫入格式文件。為了測試寫面源文件是否寫入成功，必須利用的讀表面源（）卡對寫面源文件進(jìn)行讀取并計(jì)算驗(yàn)證?？ê涂ǖ慕M合不僅可降低計(jì)算成本，而且還可提高計(jì)算精度，因?yàn)樗舜┻^給定面每個粒子完整和準(zhǔn)確的信息。本研究采用進(jìn)行計(jì)算，考慮的初始中子個數(shù)是，中子通量分別通過和卡計(jì)數(shù)得到。讀寫面元卡的可行性研究分結(jié)構(gòu)，其放大圖如圖（）所示。為了將中子源從反應(yīng)堆向熱柱移動，選取圖（）中藍(lán)色曲線所標(biāo)注的曲面來記錄模擬中穿過該曲面的所有粒子類型、能量、位置和方向，這些信息將存儲在格式的文件中，本文選取兩個不同位置的曲面以互相驗(yàn)證。圖（）中探測器所在的位置為治療室內(nèi)，即進(jìn)行時(shí)探測器所在位置。圖反應(yīng)堆的模型圖源文件寫入成功后，使用的卡讀入格式文件來驗(yàn)證寫入源文件的正確性。在此步驟中，將文件名字改為文件，使用卡關(guān)閉裂變，并使用卡代替卡。在此使用四種不同類型的熱中子活化探測器（，和）來進(jìn)行驗(yàn)證，探測器的放置位置如圖所示。圖模型中四種熱中子活化探測器位置圖通過對比結(jié)合使用卡和直接使用反應(yīng)堆為源項(xiàng)兩種方法獲得的熱柱內(nèi)放置熱中子活化探測器處的中子能譜，來驗(yàn)證使用卡的可靠性。四種不同探測器處的中子能譜如圖所示，對比分析可知兩種方法獲得的中子能譜幾乎一致，從而驗(yàn)證了方法的可靠性。龔春慧等：用于的帕維亞反應(yīng)堆熱柱優(yōu)化設(shè)計(jì)圖四種熱中子活化探測器位置處的中子能譜反應(yīng)堆熱柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)方案為利用反應(yīng)堆開展中的實(shí)驗(yàn)，需將反應(yīng)堆現(xiàn)有熱柱的中子束準(zhǔn)直為筆形束，且希望滿足在出口處的熱中子通量較高、同時(shí)周邊區(qū)域中子通量較低的要求。研究設(shè)計(jì)四種不同的熱柱優(yōu)化方案，并利用建立不同的模型：（一）選用長的石墨放置于熱柱內(nèi)，并設(shè)置射束口的大小為，如圖所示，圖中白色部分即為石墨，其中圖（）為熱柱的剖面圖，圖（）為射束口方向的截面圖；（二）將厚的硼包裹在長的石墨外并放置于熱柱內(nèi)，并設(shè)置射束口的大小為，如圖所示，圖中白色部分即為石墨，其中圖（）為熱柱的剖面圖，圖（）為射束口方向的截面圖，粉紅色所示為厚的硼；（三）放置長的天然鋰聚乙烯于熱柱內(nèi)，并設(shè)置射束口的直徑為，如圖所示，圖中淺藍(lán)色部分即為天然鋰聚乙烯；（四）放置長的天然鋰聚乙烯于熱柱內(nèi)，其中長的射束口直徑為，長的射束口直徑為，長的射束口直徑為，如圖所示。：（）圖優(yōu)化方案一：長石墨且射束口大小為強(qiáng)激光與粒子束：（）圖優(yōu)化方案二：長石墨包裹厚硼且射束口大小為：（）圖優(yōu)化方案三：長天然鋰聚乙烯且射束口直徑為：（）圖優(yōu)化方案四：長的天然鋰聚乙烯，其中長射束口直徑為，長射束口直徑為，長射束口直徑為計(jì)算結(jié)果根據(jù)以上四種不同的設(shè)置方案，利用計(jì)算以對比分析不同方案下束流口處的中子通量分布以及探測器處的熱中子和光子通量。在計(jì)算束流口處的中子通量分布時(shí)，結(jié)合使用記數(shù)卡和記數(shù)分段卡；在計(jì)算探測器處的熱中子和光子通量時(shí)，使用重疊網(wǎng)格記數(shù)卡。計(jì)算得到四種不同方案下束流口處的中子通量分布如表所示，其中第組能量為所關(guān)心的熱中子通量。四種不同方案下射束口處熱中子通量表射束口的熱中子通量（）（）（）（）龔春慧等：用于的帕維亞反應(yīng)堆熱柱優(yōu)化設(shè)計(jì)分別為，和（），其中方案一的熱中子通量最大，其次是方案三。同樣地，可知四種不同方案下治療室內(nèi)的熱中子及光子通量分布。靠近硼層處（）的熱中子通量分布如圖所示。從中可以看出，四種方案下束流口的熱中子通量均值最大，但是圖（）中束流口附近的熱中子污染相較其余三種方案較明顯，因此方案一并不適合。綜合考慮束流口的熱中子通量，方案三的束流口中子通量最高。此外，由于熱中子會與探測器的發(fā)生俘獲反應(yīng)，產(chǎn)生的射線會對的圖四種優(yōu)化方案時(shí)束流口附近的熱中子分布圖射線計(jì)數(shù)產(chǎn)生影響，因此探測器所在位置的熱中子通量越小越好。為了更好地檢驗(yàn)四種不同優(yōu)化方案的最優(yōu)性，對探測器所在位置（，）的熱中子和的射線的通量進(jìn)行對比，如表所示。方案三與方案四的熱中子通量相當(dāng)且為四種方案中最小，并且其的射線也相當(dāng)。表探測器位置的熱中子通量及的射線通量（）（）（）（）因此，綜合考慮四種方案，方案三的束流口熱中子通量大于其他方案束流口熱中子通量且具有較低水平的散射射線，方案三為本研究發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)方案。即射束口直徑為、長為的天然鋰聚乙烯被選為帕維亞反應(yīng)堆中熱柱應(yīng)用于中子源的準(zhǔn)直器。結(jié)論本文采用蒙特卡羅程序?qū)σ獯罄辆S亞反應(yīng)堆的熱柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其適用于利用探測器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先利用中卡將中子源從反應(yīng)堆移動至熱柱，并對其正確性及可行性進(jìn)行驗(yàn)證；然后利用寫面源對反應(yīng)堆的熱柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)提出的四種優(yōu)化設(shè)強(qiáng)激光與粒子束，計(jì)方案，對比分析束流口處和束流口附近的熱中子通量以及探測器所在位置處的熱中子和射線的通量，最終選取射束口直徑為、長為的天然鋰聚乙烯作為帕維亞反應(yīng)堆中熱柱應(yīng)用于中子源的準(zhǔn)直器，束流口的中子通量為（）。并根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對帕維亞反應(yīng)堆的熱柱進(jìn)行優(yōu)化，