CN115738100A - 一种硼中子俘获治疗（bnct）中子慢化及束流整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硼中子俘获治疗(BNCT)中子慢化及束流整形系统，使用AlF₃和Al复合材料作慢化剂，Al基B₄C复合材料作热中子吸收剂，Bi作伽马屏蔽层，聚四氟乙烯作反射层。通过慢化层物理设计与蒙特卡罗参数化分析，获得束流整形系统内各部分材料组分及尺寸，达到国际原子能机构IAEA推荐的BNCT出口中子束流指标。本发明的优点在于慢化材料毒性低、加工可靠性高；通过蒙卡多目标优化，达到最大中子利用率，慢化后中子束流品质较好，各项技术指标满足设计要求。

Description

一种硼中子俘获治疗（BNCT）中子慢化及束流整形系统

技术领域

本发明涉及硼中子俘获治疗BNCT的中子慢化及束流整形系统设计，属于中子物理、核材料研究等多学科交叉领域。

背景技术

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,简称BNCT)是一种基于¹⁰B(n，a)⁷Li反应治疗癌症的二元放射疗法，具备精准、高效的优点，针对大范围弥散性恶性肿瘤及中晚期癌症，如颅脑肿瘤等，具有特殊治疗优势。通过2.5MeV质子打锂靶产生中子，并将中子慢化，获得治疗所需的超热中子；同时，屏蔽有害的热中子、以及伽马成分，降低癌症治疗过程中病人正常组织的辐射剂量。因此，中子束流品质对癌症治疗以及正常组织保护至关重要，而中子慢化与束流整形系统的设计是影响束流品质的核心关键。基于加速器的BNCT治疗系统，具有体积小、涉核审批容易等优势，适用于医院规模化建设，具有广泛的应用前景。

本发明所在项目团队正开展国产紧凑型BNCT研究，基于加速器产生2.5MeV质子，通过⁷Li(p,n)⁷Be反应，产生平均能量为0.33MeV的快中子。为获得治疗所需超热中子(0.5eV～ 10keV)，需要对其进行慢化；另外，需要控制热中子(<0.5eV)、快中子(>10keV)、γ剂量水平，降低正常组织辐照危害、提高病人治疗安全性。国际原子能机构(IAEA)针对硼中子俘获治疗系统，给出出口束流技术指标。该技术指标建议出口处

较高的超热中子注量率，有助于降低病人辐照时间，提高治疗效率；快中子成分

(即快中子剂量与超热中子注量率之比)，γ成分

(即γ剂量与超热中子注量率之比)，热中子比例(即热中子注量与超热中子通量之比)

本项目即开展高性能的快中子慢化与束流整形系统设计。

中子慢化的材料需要有较高的中子散射截面，能够迅速将平均能量0.33MeV中子慢化；同时，中子吸收截面要小、γ射线反应截面小。因此，一般选用中等质量核素，如Al/Mg/F/O/C 等。同时，需要将无效的热中子吸收，常用的热中子吸收材料有⁶Li、¹⁰B等。中子慢化材料设计，是一个多目标优化过程，需要满足超热中子通量高，同时，快中子、热中子、γ射线成分低的要求。另外，针对医疗设备大规模推广和应用，要求慢化材料加工、制造可行性高，且成本可控。

芬兰国家技术研究中心VTT开发了Fluental^TM，其核心材料组分为质量分数69％的AlF₃、 30％的Al以及1％的LiF，材料加工技术成熟，中子慢化性能优异，超热中子注量率高、γ射线低。但同时，Fluental^TM材料为芬兰VTT专利材料，其价格昂贵；另外，Fluental^TM材料中的LiF有毒，加工制造条件严格，不利于大规模制备。因此，本发明采用AlF₃、金属Al复合材料作中子慢化剂，通过多目标优化分析，获得最佳束流参数的材料组分；同时，设计合理的热中子吸收层、伽马屏蔽层和反射层，获得国际原子能机构IAEA推荐出口束流指标的中子慢化和束流整形系统设计。

本发明的目的为设计一套中子慢化及束流整形系统，将⁷Li(p,n)⁷Be反应产生的中子慢化。质子能量2.5MeV，产生的中子平均能量0.33MeV，慢化后出口为超热中子，能量0.5eV～10keV。

本发明的技术解决问题：将平均能量0.33MeV中子慢化，获得超热中子束，且满足国际原子能机构IAEA对热中子、超热中子、快中子、伽马成分的不同需求，是多目标优化过程，需要设计合理的中子慢化和束流整形结构。

本发明设计的中子慢化系统及束流整形系统，需要降低束流中的有害成分，包括热中子、γ射线。

基于上述需求，本发明的设计结构由中子慢化层、热中子吸收层、γ屏蔽层、反射层、准直器组成。

所述中子慢化层为第一中子慢化层(1)和第二中子慢化层(6)。

所述γ屏蔽层为第一γ屏蔽层(4)和第二γ屏蔽层(5)。

所述中子慢化层材料为AlF₃/Al复合材料，将0.33MeV中子慢化至超热中子水平。

所述热中子吸收层为Al基B₄C复合材料，功能为吸收多余热中子。

所述γ屏蔽层材料为Bi，降低γ射线成分。

所述反射层材料为聚四氟乙烯，将外围中子反射回出口，提高中子利用率。

所述准直器材料为聚四氟乙烯，提高束流准直特性和照射治疗深度。

优选地，中子慢化层厚度为12～16cm，材料为65～70wt％的AlF3和30～35wt％的Al。

优选地，热中子吸收层厚度为0.3～0.5cm，碳化硼含量5wt％～20wt％。

优选地，γ屏蔽层厚度为3～5cm。

优选地，反射层半径35～40cm。

优选地，准直器出口半径5cm、深度5～10cm。

本发明的优势在于通过蒙卡多目标优化，各项技术指标达到国际原子能机构IAEA推荐束流品质要求，包括超热中子通量、快中子成分、γ成分、热中子比例。本发明通过优化的计算分析，在γ射线、快中子、热中子成分满足国际原子能机构IAEA推荐束流指标的基础上，能够获得最大通量的超热中子束。因此，本发明能相应减少BNCT治疗时间，对于提高BNCT治疗经济性、降低病人治疗费用，具有显著经济效益；同时，能降低有害的γ射线、热中子、快中子对正常组织的损失，能提高治疗安全性。

附图说明

图1为本发明结构设计图，其中1为第一中子慢化层、6为第二中子慢化层、2为反射层、3为热中子吸收层、4为第一γ屏蔽层、5为第二γ屏蔽层、7为准直器。

图2为本发明慢化层及束流整形系统出口中子能谱的模拟数据。

图3为超热中子通量随慢化层厚度、热中子吸收层厚度变化结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

本发明通过全面的蒙卡分析和迭代计算，设计合理的慢化层、热中子吸收层、伽马屏蔽层、反射层及准直器，获得满足IAEA推荐指标的中子束流。

本发明中子慢化及束流整形系统，满足国际原子能机构IAEA推荐BNCT束流指标：即

快中子成分

(即快中子剂量与超热中子注量率之比)，γ成分

(即γ剂量与超热中子注量率之比)，热中子比例(即热中子注量与超热中子通量之比)

本发明中子慢化及束流整形系统能够对2.5MeV质子锂反应产生中子进行慢化，慢化后束流达到国际原子能机构IAEA推荐束流指标，提供BNCT治疗的中子束流。如图1所示，本发明中子慢化及束流整形系统包含依次设置的第一中子慢化层1、反射层2、热中子吸收层3、第一γ屏蔽层4、第二γ屏蔽层5、第二中子慢化层6和准直器7。第一中子慢化层为核心中子慢化层。

其中，第一中子慢化层1和第二中子慢化层6的材质均为AlF₃/Al复合材料，将0.33MeV 中子慢化至超热中子水平。

热中子吸收层3的材质为Al基B₄C复合材料，功能为吸收多余热中子。

第一γ屏蔽层4和第二γ屏蔽层5的材质均为Bi材料，降低γ射线成分。

反射层2的材质为聚四氟乙烯，将外围中子反射回出口，提高中子利用率。

准直器7的材质为聚四氟乙烯，提高束流准直特性和照射治疗深度。

第一中子慢化层1装配于后端位置，并由反射层2包裹。第一中子慢化层1、热中子吸收层3、第一γ屏蔽层4和第二γ屏蔽层5按先后顺序排列。第二γ屏蔽层5外围包裹一层第二中子慢化层6，提高中子慢化效率。热中子吸收层3、第一γ屏蔽层4、第二γ屏蔽层5及其外围第二中子慢化层6，包裹有准直器7，提高中子利用率和中子束准直特性。

本发明采用蒙特卡罗粒子输运方法，对中子、光子进行联合输运，获得慢化层出口处束流参数，包括超热中子注量率、热中子比例、快中子成分、伽马成分。本发明通过建立蒙卡分析的中子慢化和束流整形系统模型，设置慢化层、热中子吸收层、γ(伽马)屏蔽层、反射层及准直器几何参数，进行参数化计算。针对慢化层、热中子吸收层、γ屏蔽层设置几何与材料成分参数，进行蒙特卡罗参数化模拟，几何参数与材料成分参数设置如下：

所述慢化层(即第一中子慢化层1和第二中子慢化层6)径向尺寸：厚度10到20cm，按间隔1cm增加，共11组例题。即慢化层径向尺寸参数分别为10、11、12、13、14、15、 16、17、18、19、20cm。所述慢化层(即第一中子慢化层1和第二中子慢化层6)材料成分：分别为AlF₃组分由60wt％、65wt％到70wt％变化，共3组例题。

所述热中子吸收层：厚度0.1cm到1.1cm，按0.2cm增加，共6组例题。即热中子吸收层厚度参数尺寸分别为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1cm。

所述热中子吸收层材料3成分：碳化硼含量5wt％、10wt％到20wt％变化，共3组例题。即所述热中子吸收层材料3成分：分别为碳化硼含量5wt％、10wt％到20wt％变化。

所述γ屏蔽层(即第一γ屏蔽层4和第二γ屏蔽层5)：厚度2cm到5cm，按1cm增加，共4组例题。即所述γ屏蔽层参数化尺寸分别为厚度2、3、4、5cm。

所述反射层2参数化尺寸为：半径20cm到50cm，按5cm增加，共7组例题。即所述反射层2参数化尺寸为：半径20、25、30、35、40、45、50cm。

所述准直器尺寸为：出口半径5cm，出口深度5cm、10cm变化，共2组例题。即所述准直器尺寸为：出口半径5cm，出口深度参数尺寸为5、10cm。

根据设计例题的模型几何参数，建立蒙卡计算模型。

设置2.5MeV质子与锂反应产生中子源信息，包括中子能量、强度。

利用蒙卡程序，如MCNP等，进行蒙卡计算。

获得超热中子注量率、快中子成分、γ成分、热中子比例随慢化层、热中子吸收层、伽马屏蔽层、反射层及准直器几何参数的变化，在满足国际原子能机构IAEA推荐指标的中子束流的基础上，确定慢化层、热中子吸收层、伽马屏蔽层、反射层及准直器几何尺寸。

图2为本发明中子慢化和束流整形系统实施例出口中子能谱。该实施例中，第一中子慢化层1，尺寸为厚度14cm、半径10cm圆柱；第二中子慢化层6，尺寸为厚度10cm、内径6cm、外径10cm的空心圆柱；反射层2，尺寸为厚度14cm，内径10cm、外径35cm的空心圆柱；热中子吸收层3，尺寸为厚度0.1cm、半径10cm；第一γ屏蔽层4，尺寸为厚度3cm、半径10cm；第二γ屏蔽层5，尺寸为内径5cm、外径6cm；准直器7组成，长度10cm。如图 3所示，第一γ屏蔽层4厚度3cm，超热中子注量率随热中子吸收层厚度、慢化层厚度的变化结果。选择符合国际原子能机构IAEA指标的例题，确定最佳出口束流参数下的慢化层几何尺寸。

最终确定所述第一中子慢化层1和第二中子慢化层6(AlF₃/Al复合材料慢化层)的厚度均为12～16cm，材料为65～70wt％的AlF3和30～35wt％的Al，能够实现快中子慢化为超热中子的功能。反射层半径35～40cm，材料为聚四氟乙烯，将逃逸的中子反射回束流出口，提高中子利用率。热中子吸收层3厚度为0.3～0.5cm，材料为Al基B₄C复合材料、碳化硼含量 5wt％～20wt％，能够吸收热中子，达到国际原子能机构IAEA热中子比例要求。第一γ屏蔽层 4和第二γ屏蔽层5厚度均为3～5cm，材料为Bi，能够屏蔽γ射线，达到国际原子能机构IAEAγ射线成分要求。准直器为聚四氟乙烯，提高中子束方向性，增加照射肿瘤深度，出口半径5cm、深度5～10cm。

在上述中子慢化和束流整形系统中，获得超热中子注量率达到2.2×10⁹n/cm²/s，超过国际原子能机构IAEA推荐的指标(即>1×10⁹n/cm²/s)，快中子成分、γ成分、热中子比例分别达到1.68×10^-13Gy·cm²n^-1 _epi、1.68×10^-13Gy·cm²n^-1 _epi、0.03，均满足指标要求。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种硼中子俘获治疗(BNCT)中子慢化及束流整形系统，其特征在于：包括依次设置的第一中子慢化层(1)、反射层(2)、热中子吸收层(3)、第一γ屏蔽层(4)、第二γ屏蔽层(5)、第二中子慢化层(6)和准直器(7)；其中第一中子慢化层(1)和第二中子慢化层(6)厚度均为12～16cm，材料为65～70wt％的AlF₃和30～35％的Al；反射层(2)半径35～40cm，材料为聚四氟乙烯；热中子吸收层为0.3～0.5cm，材料为Al基B₄C复合材料，碳化硼含量5％～20％，将热中子吸收，降低热中子辐照危害；第一γ屏蔽层(4)和第二γ屏蔽层(5)厚度均为3～5cm，材料为Bi；准直器为聚四氟乙烯，出口半径5cm、深度5～10cm。

2.根据权利要求1所述的硼中子俘获治疗(BNCT)中子慢化及束流整形系统，其特征在于：第一中子慢化层(1)装配于后端位置，并由反射层(2)包裹；第一中子慢化层(1)、热中子吸收层(3)、第一γ屏蔽层(4)和第二γ屏蔽层(5)按先后顺序排列；第二γ屏蔽层(5)外围包裹一层第二中子慢化层(6)；热中子吸收层(3)、第一γ屏蔽层(4)和第二γ屏蔽层(5)及其外围第二中子慢化层(6)，包裹有准直器(7)。

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