D-T快中子治疗准直屏蔽体设计及中子特性模拟

    作为放射治疗的重要手段, 快中子治疗已在世界范围得到广泛研究^[1–4]。中国科学院高能物理研究所用 35 MeV 质子直线加速器产生的快中子治疗病例累计约~600 人。临床结果表明，快中子对某些类型肿瘤的疗效明显优于光子治疗^[5]。兰州大学已建成 3.3×10_¹²/s 的 D-T 强流中子发生器^[6,7]，并开展了D-T 快中子治疗机的研究，除建造足够强的 D-T 快中子源外，还需研究以下问题：(1) 治疗机快中子屏蔽准直器设计及屏蔽效果研究；(2) 准直中子束特性参数研究(包括中子束中子能谱、中子束均匀性、中子束在人体等效水箱中的剂量分布等)；(3) 准直中子束流中的光子污染研究等。

    文献[8]给出了 D-T 快中子治疗准直屏蔽体方案，通过中子、γ 射线输运的 Monte-Carlo 模拟，对准直屏蔽体的屏蔽效果进行了评价，并对准直快中子束的特性参数、中子束在人体等效组织中的剂量分布等进行了模拟和数值计算。

    1 准直屏蔽体设计及其屏蔽效果模拟

    对 D-T 快中子的屏蔽效果，钨-聚乙烯-铅组合最好，铜-聚乙烯-铅组合次之，铁-聚乙烯-铅组合第三^[8]。由图 1，快中子治疗准直屏蔽器为圆柱体，D 束以及靶点中心在圆柱体中心轴上，圆柱屏蔽体外形 Φ1480 mm×1900 mm，为安装大面积旋转靶，圆柱体中心为边长 460 mm 的立方体空腔，对准靶点垂直向下为圆锥形准直器，准直器开口为方锥形(根据治疗要求更换)。屏蔽体第一层快中子慢化材料为钨，准直器方向最大厚度 30 cm；第二层材料为铁，轴向厚度 40 cm，径向厚度 10 cm；第三层为15 cm 厚含硼 8%的聚乙烯；第四层为 2 cm 厚的铅；第五层为 2 cm 厚的不锈钢结构材料。准直器采用钨、含硼聚乙烯、铅、不锈钢组合材料，厚度分别为 35、15、2、2 cm，以保证治疗方向的良好屏蔽。

    我们用 MCNP 程序^[9]模拟了 400 keV D 束的D-T 中子及 γ 射线在准直屏蔽体中的输运，记录屏蔽体重要方向和薄弱方向的透射中子能谱和透射光子能谱，计算它们在水中的吸收剂量。

    MCNP 模拟时，根据 D-T 反应产生的中子能谱和角分布数据建立中子源模型^[8]由图 1，治疗头下端准直中子束出射口一侧为患者治疗位置，是重要屏蔽方向，A 点为重要屏蔽方向屏蔽体最薄的地方，选择 A 方向距 D 束靶点 100 cm 处作为剂量计算测试点。在屏蔽体上侧 B 点，屏蔽材料最薄，选择 B 方向距 D 束靶点 100 cm 处为另一剂量计算测试点。为判断屏蔽效果，模拟了准直中子束在距 D束靶点 100 cm 处的能谱，计算其在水中的吸收剂量，并与 A、B 方向的透射中子、光子剂量相比较。