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第２６卷第２期　

南华大学学报（自然科学版）　

Ｖ　０１．２６　Ｎｏ．２　

２０１２年６月　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｕｎｉｖｅ

ｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉ

ｎ

ａ（Ｓ

ｃ

ｉｅｎｃｅ

—

～

ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　

Ｊｕｎ．２０１２　

文章编号：１６７３—００６２（２０１２】０２—０００４—０５　

慢化体材料对加速器ＢＮＣＴ束流装置中　

子品　质影响研究　

杨程　，于涛　，谢金森　

（１．南华大学核科学技术学院，湖南衡阳４２１００１；２．邵阳市中心医院，湖南邵阳４２２０００）　

摘要：基于加速器ｑ－子源的硼ｑ－子俘获治疗（ＢＮＣＴ）是一种较好的肿瘤治疗技术，　

通过慢化得到的超热中子可用于非浅表肿瘤ＢＮＣＴ治疗．本文以２．３　ＭｅＶ、１０　ｍＡ质　

子流强的　Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ中子源为对象，建立了加速器ＢＮＣＴ柬流装置模型，采用中子　

输运程序ＭＣＮＰ研究了慢化体材料对超热中子束流品质的影响．结果表明：采用重水　

作为慢化体材料可有效的提高柬流出口处超热中子水平，对于２．３　ＭｅＶ、１０　ｍＡ质子　

流强的　Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ中子源，超热中子束流水平为０．６６９×１０　ｎ／（ａｍ　・ｓ），超热中子　

与快中子产额比达６２．３，基本达到临床治疗所需１０　ｎ／（ａｍ　・ｓ）的超热中子水平．　

关键词：加速器ＢＮＣＴ；慢化体材料；中子束流品质　

中图分类号：ＴＬ９９　文献标识码：Ｂ　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｎ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　

Ａｃｃｅｌａｒａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ＢＮＣＴ　Ｂｅａｍ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ　

ＹＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ　一，ＹＵ　Ｔａｏ　，ＸＩＥ　Ｊｉｎ．ｓｅｎ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ，Ｈｕｎａｎ　４２　１００１，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｔｈｅ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｏｙａｎｇ，Ｓｈａｏｙａｎｇ，Ｈｕｎａｎ　４２２０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　Ｂｏｒｏｎ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｃａｐｔｕｒｅ　Ｔｈｅｒａｐｙ（ＢＮＣＴ）ｗａｓ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｓｉｎｇ　

ｔｒｅａｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｕｍｏｕｒ，ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｏｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｕｒｃｅ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｃａｎ　

ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｎｏｎ－ｆａｔｉａｌ　ｔｕｍｏｕｒ　ＢＮＣＴ　ｔｈｅｒａｐｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　

２．３　ＭｅＶ，１０　ｍＡ　ｐｒｏｔｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ，ｎｅｕｔｒｏｎ　ｂｅａｍ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｆｏｒ　ＢＮＣＴ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　

ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｎ　ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　

ｔｈｒｏｕｇｈ　ＭＣＮＰ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ＤＯ，ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｃａｎ　ｅｌｅｖａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ　

ｎｅｕｔｒｏｎ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｏｕｔｌｅｔ，ｆｏｒ　Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　２．３　ＭｅＶ，１０　ｍＡ　

ｐｒｏｔｏｎ，ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｆｌｕｘ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｏ　０．６６９×１０　ｎ／（ｅｍ　・ｓ）ａｎｄ　ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ　ｔｏ　ｔｈｅｒｍａｌ　

ｎｅｕｔｒｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　ｔｏ　６２．３，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ（１０９ｎ／（ｅｍ２・ｓ））ｉｎ　

收稿日期：２０１２—０５—１８　

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（０７ＪＪ６１５９）　

作者简介：杨程（１９８２一），男，江苏启东人，南华大学核科学技术学院硕士研究生，工程师．主要研究方向：肿瘤放　

射治疗．　通讯作者　

第２６卷第２期　杨程等：慢化体材料对加速器ＢＮＣＴ束流装置中子品质影响研究　５　

ＢＮＣＴ　ｆｏｒ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ｕｓｅａｇｅ．　

ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ＢＮＣＴ；ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｎｅｕｔｒｏｎ　ｂｅａｍ　ｑｕａｌｉｔｙ　

０　引　言　

为攻克癌症这一世界性的医疗难题，近年来，　

各国都投入了大量的精力开展靶向治疗研究，其　

中硼中子俘获治疗（Ｂｏｒｏｎ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈｅｒａｐｙ，　

ＢＮＣＴ）是一项公认有效的靶向治疗癌症的新技　

术¨　Ｊ．目前，ＢＮＣＴ用中子源主要有反应堆中子　

源与加速器中子源．　Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ加速器中子源　

中子产额高，是一种良好的ＢＮＣＴ中子源．但由于　

靶材料限制，使得加速器中子源强度弱于反应堆，　

为了开展超热中子（０．５～１０　ｋｅＶ）治疗，要求患者　

需更加靠近中子源．因此这对加速器ＢＮＣＴ装置　

的慢化体、屏蔽体等尺寸提出的限制性要求．文章　

以流强为１０　ｍＡ、能量为２．３　ＭｅＶ质子束流为研　

究对象，探讨慢化体的材料对超热中子束流品质　

的影响．　

１模型与方法　

超热中子束流对有一定深度肿瘤进行ＢＮＣＴ　

治疗具有良好的治疗效果．在开展加速器ＢＮＣＴ　

治疗时，为获得较高注量率水平（１０　ｎ／（ｃｍ　・　

ｓ））的超热中子束，需要加装慢化体及反射层；同　

时，为了降低热中子污染，需要在中子慢化体后加　

一

层镉片；并且，考虑靶件Ｌｉ（Ｐ，Ｐ　）Ｌｉ反应及中　

子活化产生的　射线对患者的非治疗剂量影响，　

需要在束流装置中增加　屏蔽层．　

本研究选取的加速器ＢＮＣＴ束流装置几何结　

构如图１所示．１为质子束管，直径为５０　ｍｍ；２为　

反射层，材料为石墨，外径为６００　ｍｍ；３为＾ｙ射线　

屏蔽层，材料为铋，两层直径分别为２００　ｍｍ和　

６００　ｍｍ，厚度分别为３０　ｍｍ和１０　ｍｍ；４为水体　

模，代表患者，用于剂量评估；５为空气；６为热中　

子屏蔽层，材料为镉片，厚度为１　ｍｍ；７为　Ｌｉ靶，　

直径为５０　ｍｍ，厚度为３　ｍｍ；８为圆台型慢化体，　

材料为本论文研究的待选材料．整个束流装置为　

圆柱形外观，外径为６００　ｍｍ，长度为５３０　ｍｍ．　

Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ反应道为　Ｌｉ＋Ｐ一　Ｂｅ＋ｎ一　

１．６４６　ＭｅＶ，反应阈能Ｅ　＝１．８８１　ＭｅＶ，出射中子　

能量Ｅ　一Ｅ。一Ｅ　，当入射质子能量为２．３　ＭｅＶ　

时，出射中子能量Ｅ　一０．４１９　ＭｅＶ．当能量为　

２．３　ＭｅＶ、流强为１０　ｍＡ质子束轰击３　ｍｍ厚　Ｌｉ　

靶时，其中子产额为５　ｘ　１０　ｎ／ｓ．本文使用ＭＣ．　

ＮＰＴＭ中子输运程序，对中子能量为０．４１９　ＭｅＶ，以　

靶件作为体中子源，开展不同慢化体情况下束流　

出口处的中子能谱研究．　

１一束管　

２　

２一石墨反射层　

７　

３一铋屏蔽　

＼＼　　—●　一　

４一水体模　

ｌ　ｌｌ　耋　

５一空气　

１＇一　

６一镉片　

２　一　

７一锂靶　

６—　

８－慢化体　

图１加速器ＢＮＣＴ束流装置几何结构示意图　

Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｂｅａｍａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ￣．ｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ＢＮＣＴ　

２结果与讨论　

１）慢化体材料对束流出口中子能谱影响　

选取束流中心轴上出口处直径为２００　ｍｍ圆　

面作为对象，采用ＭＣＮＰ中的面流计数卡Ｆ１和能　

量箱Ｅｎ，研究了慢化体分别为石墨、重水和铍三　

种材料时束流出口中子能谱．计算结果如图２所　

示，归一化能谱数据列于表１．　

从表１数据和图２对比可以看出：对于不同　

的慢化体材料，束流出口处１　ｅＶ以下的热中子均　

非常少，可见本设计选取１　ｍｍ厚镉片对热中子　

具有良好的过滤效果，可显著降低超热中子束流　

中的热中子污染；石墨慢化体可得到较高水平的　

能量范围在１　ｋｅＶ一１　ＭｅＶ之间的中子；重水慢化　

体可得到较高水平的能量范围在１　ｅＶ一１　ｋｅＶ之　

间的中子；使用铍慢化材料得到的超热中子与快　

中子水平均低于石墨和重水慢化体材料．　

２）不同慢化体材料束流出口中子品质分析　

对于具有一定深度的非浅表肿瘤ＢＮＣＴ治　

疗，希望出口束流具有较高的超热中子份额、较低　

的热中子和较低的快中子份额．为了比较三种慢　

化体材料下的出口束流品质，本文将中子分为三　

组：热中子（０一＿０．５　ｋｅＶ）；超热中子（０．５—　

１　ｋｅＶ）；快中子（１—１　０００　ｋｅＶ）．不同慢化体材料　

下出口束流处各组中子水平如图３所示，三组中　

子所占份额数据列于表２．　

６　南华大学学报（自然科学版）　２０１２年６月　

１．２×１０　

１．０×１０…　

８　０×１０　

６　０×１０　

妥　

丑　

４．０×１０　

导　

２．０×１０。　

０　０　

ＩＥ一８　ｌＥ一７　１Ｅ－６　ｌＥ－５　ＩＥ一４　ｌＥ．３　０

Ｏｌ　

．

Ｏ．１　

中子能量／ＭｅＶ　

图２不同慢化体材料束流出口中子能谱　

Ｆｉｇ．２　Ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｏｕｔｌｅｔ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

表１束流出口归一化中子能谱数据　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｏｕｔｌｅｔ　

能量区间／ＭｅＶ　

石墨　

３．９８　Ｘ１０一　—　．３ｌ×１０一　

６．３１×ｌ０～一１．００×１０一　

１．Ｏ０　ｘ１０～一１．５８×１０一　

１．５８×１０一　—＿２．５ｌ×１０　

２．５１×１Ｏ一３．９８×１０一　

９．９１×１０　

４．７５×１Ｏ一　

２．１３×１０－５　

３．０ｏ×１０　

１．０９×１０一　

归一化中子数　

重水　

５．９４×１０一　

５．２１×１０一　

９．０３　ｘ１０一　

２．８７×１０。　

１．４ｌ×１０Ｉ４　

铍　

９．９２×１０一　

１．９８×１０一　

９．６１　Ｘ１０－６　

２．８３×ｌ０　

９．７３　ｘｌ０　

６．２３×１０一　

３．９８×１０一　—　．３１×１０一　

６．３１×１０～一１．００×１０一　

１．Ｏ０×１０～－－１．５８×１Ｏ一　

１．５８×１０一　—－２．５１×１Ｏ一　

２．５１×ｌ０～一３．９８×ｌ０一　

３．９８×ｌ０一　—＿６．３１×１０一　

６．３１×１０～－－１．００×１Ｏ一　

１．Ｏ０　Ｘ　１０～－－１．５８×ｌＯ　

１．５８　Ｘ　１０一　—＿２．５１×１０一　

２．５１×１Ｏ～一３．９８×ｌ０一　

３．９８　Ｘ１０～－－－６．３１×１０一　

６．３１　Ｘ１０一－－１．００×ｌＯ一　

１．Ｏ０　Ｘ　１０一－－１．５８×１０　

６．１６×１０—　

１．２７×１０　

１．５１×１０一　

８．９２×１０－４　

１．７０×１０一　

１．９２　ｘ１０　

２．０２×１０一　

２．１６×ｌ０　

１．２１×１０　

１．４０×１０一　

１．５６×１０一　

１．５０×１０一　

１．５０×ｌ０　

１．６２×１０　

１．７０×ｌ０　

１．８２×１０　

１．８０×１０　

１．８６×１０　

１．８４×ｌＯ　

Ｉ．９１×１０　

１．９ｌ×１０　

１．９８×１０　

２．２２×１０一　

２．１５×１０　

２．２１　Ｘ１０－３　

２．４１　Ｘ１０一　

１．５３×１０　

１．５４×１０　

１．４２　Ｘ１０　

１．４３×１０一’　

１．４２×１０一　

１．４２×１０　

１．４４　ｘ１０一　

１．３５　Ｘ１０　

２．１３×１０－３　

２．１９×１０一　

２．０７×ｌＯ　

２．３０×１０一　

２．３３×１０一　

２．０５×１０　

２．０４×ｌ０　

１．５８　Ｘ　１０一　—＿２．５１×１０一　

？　

＜－　

亲　

丑　

廿　

石墨　重水　铍　

图３不同慢化体材料中子份额　

Ｆｉｇ．３　Ｎｅｕｔｒｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｍａ　ａ１ｓ　

从图３可以看出，由于镉片的过滤，不同慢化　

体材料下，热中子份额均非常小；当慢化体采用重　

水时，束流出口具有最高的超热中子成分．为定量　

研究出口束流品质，定义束流品质因子　：　

ｒ），一

出旦　超垫史壬　

出口处快中子数　

Ｑ　值越大表明束流出口的超热中子份额越　

高，同时快中子污染越少．不同慢化体材料的　

８　南华大学学报（自然科学版）　２０１２年６月　

值列于表３．　

表２束流出口中子份额　

Ｔａｂｌｅ　２　Ｎｅｕｔｒｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｏｕｔｌｅｔ　

表３不同慢化体材料的Ｑ　值　

Ｔａｂｌｅ　３　ＱＢ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

从表３可以看出，在同等尺寸子下，铍慢化体　

具有好的慢化能力，超热中子束流品质最高，重水　

的慢化能力次之，而石墨慢化体的超热中子束流　

品质最差．综合考虑束流出口中子能谱水平和超　

热中子品质因子Ｑ　，重水是加速器ＢＮＣＴ慢化体　

的最佳材料选择．　

３结论　

本文建立了加速器ＢＮＣＴ束流装置模型，采　

用中子输运程序ＭＣＮＰ进行了慢化体材料对束流　

出口中子能谱及超热中子品质的影响研究．结果　

表明：在限定几何尺寸的条件下，采用重水作为慢　

化体材料可有效的提高束流出口处超热中子水　

平，对于能量为２．３　ＭｅＶ、流强为１０　ｍＡ质子的　

Ｌｉ（Ｐ，ｎ）　Ｂｅ中子源，束流出口处的超热中子水　

平为０．６６９×１０　ｎ／（ｃｍ　・ｓ），且超热中子与快中　

子产额比达６２．３，达到临床治疗所需的　

１Ｏ　ｎ／（ｃｍ　・Ｓ）超热中子水平．　

当然，加速器ＢＮＣＴ束流装置设计是一项系　

统性工作，本文目前仅考虑了慢化体对中子束流　

的影响，而慢化体、反射层、屏蔽体间的相互影响　

问题暂未考虑，特别是热中子过滤体镉片受中子　

照射后所产生的瞬发伽玛射线，是今后需要进一　

步研究的内容．　

参考文献：　

［１］陈达．硼中子俘获治疗恶性肿瘤进展［Ｊ］．医学研究　

通讯，２００３，３２（４）：４－６．　

［２］Ｖａｎ　Ｒｉｊ　Ｃ　Ｍ，Ｗｉｌｈｅｌｍ　Ａ　Ｊ，Ｓａｕｅｒｗｅｉｎ　Ｗ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ｂｏｒｏｎ　

ｎｅｕｔｒｏｎ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈｅｒａｐｙ　ｆｏｒ　ｇｌｉｏｂｌａｓｔｏｍａ　ｍｕｈｉｏｆｒｍｅ［Ｊ］．　

Ｐｈａｒｍ　Ｗｏｄｄ　Ｓｃｉ，２００５，２７（２）：５－９２．　

［３］Ｈａｔａｎａｋａ　Ｙ，Ｎａｋａｇａｗａ　Ｙ．Ｃｈｉｎｉｅａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｌｏｎｇ—ｓｕｒｖｉ—　

ｖｉｎｇ　ｂｒａｉｎ　ｔｕｍｏｒ　ｐａｔｉｅｎｔｓ　ｗｈｏ　ｕｎｄｅｒｗｅｎｔ　ｂｏｒｏｎ　ｎｅｕｔｒｏｎ　

ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈｅｒａｐｙ，Ｉｎｔ．［Ｊ］．Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｏｎｅｏｌｏｇｙ　Ｂｉｏ１．　

Ｐｈｙｓ．，１９９４，２８（５）：１０６１—１０６７．