江新標(biāo)，朱養(yǎng)妮，趙柱民，陳立新，周永茂

(1.西北核技術(shù)研究所，西安 710024;2.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)中原對(duì)外工程公司，北京 100191)

1 前言

高品質(zhì)的超熱中子束是硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy，BNCT)惡性腫瘤取得成功的關(guān)鍵 條 件之一[1]。由 于超熱中子 束 (0.4 ～10000 eV)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1)穿透力強(qiáng)，能深入到大腦深部;

2)與熱中子相比，超熱中子對(duì)正常腦細(xì)胞的損傷較小。

因此目前國(guó)際上傾向于采用超熱中子束來(lái)開(kāi)展BNCT研究。超熱中子經(jīng)過(guò)人體組織慢化后，可在人體組織較深部位得到較為理想的熱中子，該熱中子可與富集在腫瘤區(qū)域的含硼藥物中的10B發(fā)生核反應(yīng)，釋放出傳能線密度較高的α粒子和7Li粒子來(lái)殺傷腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)腫瘤的二元治療目的。

醫(yī)院中子照射器 I型堆(IHNI－1)設(shè)計(jì)有BNCT 超熱中子束流孔道[2，3]，該孔道最初采用 Al和Al2O3作為慢化材料來(lái)設(shè)計(jì)超熱中子孔道，其幾何結(jié)構(gòu)橫截面圖如圖1所示。在設(shè)計(jì)BNCT超熱中子束流方面，Al和Al2O3慢化材料的性能不如專(zhuān)用材料 FLUENTAL[4]，因此，最初采用 Al和 Al2O3慢化材料設(shè)計(jì)的超熱中子通量密度較小，約為4.58×108cm－2·s－1，沒(méi)有達(dá)到 1.0 ×109cm－2·s－1的國(guó)際通用要求。因此，為了進(jìn)一步提高IHNI－1堆超熱中子孔道的束流強(qiáng)度，文章利用Al、FLUENTAL等材料對(duì)圖1中的超熱中子濾束裝置的慢化體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 IHNI－1堆超熱中子束流孔道的幾何示意圖Fig.1 Epithermal neutron duct of IHNI－1 reactor

2 IHNI－1堆超熱中子束流孔道慢化體的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

2.1 IHNI－1堆超熱中子束流孔道慢化體優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于慢化體、反射層材料等對(duì)超熱中子束流影響較大，因此主要對(duì)這兩部分的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)圖1中的慢化體，文章利用FLUENTAL和Al材料組合了6種不同尺寸不同材料組成的慢化體方案，采用蒙特卡羅程序(MCNP)對(duì)IHNI－1堆超熱中子束流孔道的6種慢化體方案進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算時(shí)，堆芯歸一化熱功率為30 kW，堆芯產(chǎn)生的中子速度為2.5327 ×1015n·s－1，6 種慢化體方案時(shí)的超熱中子束流孔道出口處(r＜6 cm)束流參數(shù)的蒙卡計(jì)算結(jié)果列于表1。其中，中子、γ劑量率采用ICRU－46軟組織中的Kerma因子[5]轉(zhuǎn)換得到。對(duì)應(yīng)于6種慢化體方案的孔道出口處(r＜6 cm)超熱中子通量密度與原設(shè)計(jì)值的變化曲線如圖2所示。

由表1、圖2可知，采用方案4～6時(shí)，孔道出口處的超熱中子通量密度均大于IHNI－1堆原超熱中子孔道的設(shè)計(jì)值4.58 ×108cm－2·s－1，其中，方案5 孔道出口處的超熱中子通量密度φepi為5.93 ×108cm－2·s－1，方案6 的能量密度 φepi為6.02 ×108cm－2·s－1，分別是原設(shè)計(jì)值的1.29倍和1.31倍。因此，文章建議IHNI－1堆超熱中子孔道的慢化體選擇方案5或方案6。

下文中的慢化體外圍反射層的優(yōu)化即基于上述兩種慢化體優(yōu)化方案。

表1 采用6種慢化體方案時(shí)的超熱中子束流孔道出口處束流參數(shù)的蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果Table 1 The Monte Carlo calculation results of neutron beam parameters at exit of epithermal neutron duct for six moderator schemes

圖2 對(duì)應(yīng)于6種慢化體方案的孔道出口處超熱中子通量密度與原設(shè)計(jì)值的比值Fig.2 The ratio of calculated epithermal neutron flux density of six new moderator schemes to the value of primary scheme

3 反射層的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 不改變慢化體橫截面尺寸的反射層優(yōu)化設(shè)計(jì)

這里僅對(duì)慢化體方案5和慢化體方案6的反射層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算中，不改變束流孔道的總體外框尺寸以及慢化體的橫截面尺寸，也不改變慢化體材料及其厚度，僅調(diào)整反射層中原有的Pb層和B－poly層的厚度。其束流孔道出口處超熱中子通量密度的蒙卡計(jì)算結(jié)果列于表 2。表 2 中，φepi，5和 φepi，6分別為對(duì)應(yīng)于慢化體方案5和慢化體方案6的采用初始反射層方案時(shí)的超熱中子通量密度的計(jì)算值。

表2 不改變慢化體橫截面尺寸時(shí)，對(duì)應(yīng)于各反射層方案的超熱中子通量密度蒙特卡羅計(jì)算值Table 2 The Monte Carlo calculation results of epithermal neutron flux density for every reflector schemes on the condition of unchanging the transverse cross section of moderation layer

由表2計(jì)算結(jié)果可知，僅調(diào)整反射層Pb和B－poly的厚度，出口處超熱中子通量密度變化范圍在7%以?xún)?nèi)。采用方案3時(shí)，束流孔道出口處的超熱中子通量密度達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)于慢化體方案5和慢化體方案6的孔道出口處的超熱中子通量密度分別為5.97 ×108cm－2·s－1和 6.17 ×108cm－2·s－1，僅比初始反射層方案(鉛反射層200 mm、B－poly反射層20 mm)的超熱中子通量密度提高0.6%和2.6%。因此，在慢化體橫截面尺寸保持不變時(shí)，僅改變Pb反射層和B－poly反射層的厚度，對(duì)提高束流孔道出口處超熱中子通量密度的作用不太明顯。

3.2 改變慢化體橫截面尺寸的反射層優(yōu)化設(shè)計(jì)

保持束流孔道的外框尺寸以及B－poly反射層的尺寸不變，調(diào)整慢化體的橫截面尺寸以及Pb反射層的厚度，慢化體材料保持不變。其束流孔道出口處超熱中子通量密度的蒙卡計(jì)算結(jié)果列于表3，束流孔道出口處快中子、γ射線本底干擾與超熱中子通量密度的比值如圖3所示。表3中的φepi，5和φepi，6分別為對(duì)應(yīng)于慢化體方案5和方案6的采用初始反射層方案時(shí)的超熱中子通量密度的計(jì)算值。

表3 改變慢化體橫截面尺寸時(shí)，對(duì)應(yīng)于各反射層方案的超熱中子通量密度蒙特卡羅計(jì)算值Table 3 The Monte Carlo calculation results of epithermal neutron flux density for every reflector schemes on the condition of changing the transverse cross section of moderation layer

圖3 快中子和γ射線劑量率與超熱中子通量密度的比值隨鉛反射層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 The ratio of fast neutron，γ－ ray dose rate to epithermal neutron flux density vs the thickness of lead reflector

由表3可知，在保持外圍B－poly反射層厚度不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整慢化體的橫截面尺寸以及Pb反射層的厚度，可以適當(dāng)提高束流孔道出口處的超熱中子通量密度。鉛反射層厚度位于50～250 mm之間時(shí)，束流孔道出口處的超熱中子通量密度隨Pb反射層厚度的增加而增加。由圖3可知，鉛反射層厚度位于50～250 mm之間時(shí)，軟組織中γ射線劑量率與超熱中子通量密度的比值均小于2×10－11cGy·cm2，滿(mǎn)足水平超熱中子束流孔道(射線本底的設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)鉛反射層厚度大于220 mm或小于200 mm時(shí)，快中子本底抬高，而鉛反射層厚度位于200～220 mm之間時(shí)，快中子本底較小且基本相當(dāng)。因此，建議鉛反射層的厚度選為220 mm。此時(shí)，對(duì)應(yīng)于慢化體方案5和方案6的超熱中子通量密度分別為6.05844×108cm－2·s－1和 6.32756 ×108cm－2·s－1，分別比初始反射層方案(鉛反射層200 mm、B－poly反射層20 mm)的超熱中子通量密度提高2.1%和5.1%。

4 超熱中子束流參數(shù)的模擬計(jì)算

根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，文章采用慢化體方案5、Pb反射層厚度220 mm、B－poly反射層厚度不變來(lái)模擬計(jì)算超熱中子束流孔道出口處的束流參數(shù)。表4給出了超熱中子束流孔道出口中心處(r＜6 cm)的中子、γ參數(shù)的蒙卡計(jì)算結(jié)果，圖4和圖5分別給出了孔道出口處不同網(wǎng)格內(nèi)(r＜1 cm，1 cm＜r＜2 cm，…，13 cm ＜r＜14 cm，14 cm ＜r＜15 cm)中子、γ通量密度的空間分布以及中子、γ在軟組織中的劑量率的空間分布。

表4 超熱中子束流孔道出口中心處(r＜6 cm)的中子、γ參數(shù)的蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果Table 4 The Monte Carlo calculation results of neutron and γ parameters at the center exit of epithermal neutron duct

由表4計(jì)算結(jié)果可知，超熱中子束流孔道出口中心處(r＜6 cm)的超熱中子通量密度大于6.0×108cm－2·s－1，比原設(shè)計(jì)值高 32%，伽瑪射線本底小于 2.0 ×10－11cGy·cm2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，而快中子本底為5.68721 ×10－11cGy·cm2，與原設(shè)計(jì)方案 5.60 ×10－11cGy·cm2的快中子本底設(shè)計(jì)值[3]基本保持一致。因此，文章超熱中子束流孔道的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得理想結(jié)果。

圖4 超熱中子束流孔道出口處的中子、Gamma通量密度的空間分布Fig.4 The distribution of neutron and gamma flux density at the exit of epithermal neutron duct

圖5 超熱中子束流孔道出口處中子、Gamma在軟組織中劑量率的空間分布Fig.5 The space distribution of neutron and gamma dose rate at the exit of epithermal neutron duct

5 結(jié)語(yǔ)

文章采用蒙特卡羅程序(MCNP)對(duì)醫(yī)院中子照射器I型堆(IHNI－1)超熱中子束流孔道的慢化層、反射層進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于慢化體和反射層的優(yōu)化方案，模擬給出了超熱中子束流孔道出口處的束流參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果看，在快中子、γ本底保持不變的情況下，雖然采用優(yōu)化方案可以提高超熱中子通量密度 32%，但仍小于1.0 ×109cm－2·s－1的設(shè)計(jì)指標(biāo)，且快中子本底偏高，因此要想得到更為理想的超熱中子束流，需要進(jìn)一步提高IHNI－1堆的功率水平且設(shè)計(jì)布局更合理的垂直超熱中子束流孔道。

[1] Moss RL，Aizawa O，Beynon D，et al.The requirements and development of neutron beams for neutron capture therapy of brain cancer[J] .Journal of Neuro － Oncology，1997，33:27 －40.

[2] Jiang Xinbiao，Zhu Yangni，Gao Jijin，et al.The conceptual calculation for the neutron beam device at＜In Hospital Neutron Irradiator＞Mark 1[C] //Advances in Neutron Capture Therapy 2006:Proceedings of 12th International Congress on Neutron Capture Therapy.Takamatsu，Kagawa，Japan，2006.

[3] 江新標(biāo)，朱養(yǎng)妮.醫(yī)院中子照射器I型堆(IHNI－1)BNCT中子束的校核計(jì)算報(bào)告[R] .NINT09－IHNI1－007.西安:西北核技術(shù)研究所，2010.

[4] J R Venhuizen.INEEL BNCT Research Program Annual Report，CY－2000[M] .Idaho National Engineering and Environmental Laboratory Bechtel BWXT Idaho，LLC.2001.

[5] International Commission on Radiation Units and Measurements.Photon，Electron，Photon and Neutron Interaction Data for Body Tissues[R] .ICRU －46.Bethesda:ICRU Publication.1992.