用于BNCT-SPECT的帕维亚TRIGAMARKⅡ反应堆热柱优化设计

第卷第期年月强激光与粒子束，反应堆热柱优化设计硼中子俘获治疗（）作为一种特殊的放射治疗方式，被认为是一种结合靶向化学治疗与重离子治有效地杀死肿瘤细胞；（，）反应截面高于中子与人体常见元素的反应截面数千倍，因此中子对未摄程序（）是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室集用于的帕维亚龚春慧，耿长冉，汤晓斌，（南京航空航天大学核科学与工程系，南京；意大利国家核物理研究所帕维亚分部，帕维亚）摘要：针对坐落于意大利帕维亚大学的反应堆热柱结构进行优化设计，从而满足面向硼中子俘获治疗（）的单光子发射计算机断层成像（）研究要求。为提高计算效率并减小统计误差，对比分析使用方法与直接使用反应堆为源项时热柱内照射位置处中子能谱，其结果基本一致，从而验证了方法的可靠性。为在该反应堆开展中实验，热柱中子束需准直为笔形束。对比分析四种热柱优化方案下束流口处及探测器处热中子和光子通量：长石墨（射束口）；厚硼包裹长石墨（射束口）；长天然锂聚乙烯（射束口直径）；长天然锂聚乙烯（长射束口直径，长射束口直径，长射束口直径）。结果显示，射束口处热中子通量分别为，和（）。综合考虑中子准直效果及光子污染，方案三具有最优性能。为后续进行理论和实验研究提供了基础，从而有效促进剂量准确评估方法的研究进程。关键词：反应堆；硼中子俘获治疗；中图分类号：文献标志码：疗的二元放射治疗技术，其原理是：将含有的亲肿瘤靶向药物注入患者体内，含硼药物选择性地聚集于肿瘤细胞内，再使用热中子或超热中子从患者体外进行照射，中子被硼俘获后发生（，）反应，同时放出的特征射线，其反应产物粒子与粒子在生物组织中的射程为，与细胞直径类似，可取的正常组织辐射损伤可控制在安全剂量水平。由于患者个体的差异、硼在人体内新陈代谢的浓度变化和载硼药物在肿瘤组织分布的不均匀等因素的影响，给辐射剂量准确评估提出了巨大挑战，有效解决此问题的关键是硼浓度分布的实时精确监测。通过测量（，）反应产生的特征射线可实现对硼浓度的实时监测，在国内外已经得到初步研究。本研究小组拟针对反应堆的系统展开单光子发射计算机断层成像（）的实验和理论研究，具体来说，本研究的对象是坐落于意大利帕维亚大学的反应堆，此反应堆为研究和应用提供有效的中子源，其中研究是该反应堆的一个主要应用。热中子照射在反应堆改进的热柱的一个小腔室内进行，并且已完成对多发性转移肝癌病人进行体外肝移植治疗。但目前该反应堆热柱结构是为多发性转移肝癌病人进行体外肝脏治疗而改造的，照射面积过大，不适用于中研究。因此，本文将利用蒙特卡罗程序致力于优化反应堆现有热柱以适用于研究。为了提高计算效率并减小统计误差，首先将中子源从反应堆向热柱移动并验证其可靠性；然后利用写面源对反应堆现有热柱进行优化以适用于利用该反应堆开展中的实验。蒙特卡罗方法中编制的一个大型多功能蒙特卡罗粒子输运程序。针对反应堆这种大规模系统，蒙特卡罗计收稿日期：；修订日期：基金项目：国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（）；江苏省优势学科建设工程资助项目作者简介：龚春慧（），女，博士，主要从事硼中子俘获治疗研究；。强激光与粒子束反应堆模型如图（）所示，所使用的是图（）中虚线所标示的热柱部算的收敛是非常耗时的。因此，为了减少计算时间，针对反应堆的每次计算，即在中使用临界源计算是不实际的。幸运的是，具有写表面源（）能力，旨在记录穿过给定面的各个粒子轨迹的所有必需信息，并将这些信息写入格式文件。为了测试写面源文件是否写入成功，必须利用的读表面源（）卡对写面源文件进行读取并计算验证。卡和卡的组合不仅可降低计算成本，而且还可提高计算精度，因为它包含了穿过给定面每个粒子完整和准确的信息。本研究采用进行计算，考虑的初始中子个数是，中子通量分别通过和卡计数得到。读写面元卡的可行性研究分结构，其放大图如图（）所示。为了将中子源从反应堆向热柱移动，选取图（）中蓝色曲线所标注的曲面来记录模拟中穿过该曲面的所有粒子类型、能量、位置和方向，这些信息将存储在格式的文件中，本文选取两个不同位置的曲面以互相验证。图（）中探测器所在的位置为治疗室内，即进行时探测器所在位置。图反应堆的模型图源文件写入成功后，使用的卡读入格式文件来验证写入源文件的正确性。在此步骤中，将文件名字改为文件，使用卡关闭裂变，并使用卡代替卡。在此使用四种不同类型的热中子活化探测器（，和）来进行验证，探测器的放置位置如图所示。图模型中四种热中子活化探测器位置图通过对比结合使用卡和直接使用反应堆为源项两种方法获得的热柱内放置热中子活化探测器处的中子能谱，来验证使用卡的可靠性。四种不同探测器处的中子能谱如图所示，对比分析可知两种方法获得的中子能谱几乎一致，从而验证了方法的可靠性。龚春慧等：用于的帕维亚反应堆热柱优化设计图四种热中子活化探测器位置处的中子能谱反应堆热柱优化设计研究设计方案为利用反应堆开展中的实验，需将反应堆现有热柱的中子束准直为笔形束，且希望满足在出口处的热中子通量较高、同时周边区域中子通量较低的要求。研究设计四种不同的热柱优化方案，并利用建立不同的模型：（一）选用长的石墨放置于热柱内，并设置射束口的大小为，如图所示，图中白色部分即为石墨，其中图（）为热柱的剖面图，图（）为射束口方向的截面图；（二）将厚的硼包裹在长的石墨外并放置于热柱内，并设置射束口的大小为，如图所示，图中白色部分即为石墨，其中图（）为热柱的剖面图，图（）为射束口方向的截面图，粉红色所示为厚的硼；（三）放置长的天然锂聚乙烯于热柱内，并设置射束口的直径为，如图所示，图中浅蓝色部分即为天然锂聚乙烯；（四）放置长的天然锂聚乙烯于热柱内，其中长的射束口直径为，长的射束口直径为，长的射束口直径为，如图所示。：（）图优化方案一：长石墨且射束口大小为强激光与粒子束：（）图优化方案二：长石墨包裹厚硼且射束口大小为：（）图优化方案三：长天然锂聚乙烯且射束口直径为：（）图优化方案四：长的天然锂聚乙烯，其中长射束口直径为，长射束口直径为，长射束口直径为计算结果根据以上四种不同的设置方案，利用计算以对比分析不同方案下束流口处的中子通量分布以及探测器处的热中子和光子通量。在计算束流口处的中子通量分布时，结合使用记数卡和记数分段卡；在计算探测器处的热中子和光子通量时，使用重叠网格记数卡。计算得到四种不同方案下束流口处的中子通量分布如表所示，其中第组能量为所关心的热中子通量。四种不同方案下射束口处热中子通量表射束口的热中子通量（）（）（）（）龚春慧等：用于的帕维亚反应堆热柱优化设计分别为，和（），其中方案一的热中子通量最大，其次是方案三。同样地，可知四种不同方案下治疗室内的热中子及光子通量分布。靠近硼层处（）的热中子通量分布如图所示。从中可以看出，四种方案下束流口的热中子通量均值最大，但是图（）中束流口附近的热中子污染相较其余三种方案较明显，因此方案一并不适合。综合考虑束流口的热中子通量，方案三的束流口中子通量最高。此外，由于热中子会与探测器的发生俘获反应，产生的射线会对的图四种优化方案时束流口附近的热中子分布图射线计数产生影响，因此探测器所在位置的热中子通量越小越好。为了更好地检验四种不同优化方案的最优性，对探测器所在位置（，）的热中子和的射线的通量进行对比，如表所示。方案三与方案四的热中子通量相当且为四种方案中最小，并且其的射线也相当。表探测器位置的热中子通量及的射线通量（）（）（）（）因此，综合考虑四种方案，方案三的束流口热中子通量大于其他方案束流口热中子通量且具有较低水平的散射射线，方案三为本研究发现的最优方案。即射束口直径为、长为的天然锂聚乙烯被选为帕维亚反应堆中热柱应用于中子源的准直器。结论本文采用蒙特卡罗程序对意大利帕维亚反应堆的热柱进行优化设计，使其适用于利用探测器进行实验。首先利用中卡将中子源从反应堆移动至热柱，并对其正确性及可行性进行验证；然后利用写面源对反应堆的热柱进行优化设计。根据提出的四种优化设强激光与粒子束，计方案，对比分析束流口处和束流口附近的热中子通量以及探测器所在位置处的热中子和射线的通量，最终选取射束口直径为、长为的天然锂聚乙烯作为帕维亚反应堆中热柱应用于中子源的准直器，束流口的中子通量为（）。并根据设计方案，对帕维亚反应堆的热柱进行优化，