医院中子照射器I型堆超热中子束流孔道的优化设计

江新标，朱养妮，赵柱民，陈立新，周永茂

(1.西北核技术研究所，西安 710024;2.中国核工业集团中原对外工程公司，北京 100191)

1 前言

高品质的超热中子束是硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy，BNCT)恶性肿瘤取得成功的关键 条 件之一[1]。由 于超热中子 束 (0.4 ～10000 eV)具有以下两个优点:

1)穿透力强，能深入到大脑深部;

2)与热中子相比，超热中子对正常脑细胞的损伤较小。

因此目前国际上倾向于采用超热中子束来开展BNCT研究。超热中子经过人体组织慢化后，可在人体组织较深部位得到较为理想的热中子，该热中子可与富集在肿瘤区域的含硼药物中的10B发生核反应，释放出传能线密度较高的α粒子和7Li粒子来杀伤肿瘤细胞，实现肿瘤的二元治疗目的。

医院中子照射器 I型堆(IHNI－1)设计有BNCT 超热中子束流孔道[2，3]，该孔道最初采用 Al和Al2O3作为慢化材料来设计超热中子孔道，其几何结构横截面图如图1所示。在设计BNCT超热中子束流方面，Al和Al2O3慢化材料的性能不如专用材料 FLUENTAL[4]，因此，最初采用 Al和 Al2O3慢化材料设计的超热中子通量密度较小，约为4.58×108cm－2·s－1，没有达到 1.0 ×109cm－2·s－1的国际通用要求。因此，为了进一步提高IHNI－1堆超热中子孔道的束流强度，文章利用Al、FLUENTAL等材料对图1中的超热中子滤束装置的慢化体进行优化设计。

图1 IHNI－1堆超热中子束流孔道的几何示意图Fig.1 Epithermal neutron duct of IHNI－1 reactor

2 IHNI－1堆超热中子束流孔道慢化体的优化设计及分析

2.1 IHNI－1堆超热中子束流孔道慢化体优化设计

由于慢化体、反射层材料等对超热中子束流影响较大，因此主要对这两部分的材料和结构进行优化设计。针对图1中的慢化体，文章利用FLUENTAL和Al材料组合了6种不同尺寸不同材料组成的慢化体方案，采用蒙特卡罗程序(MCNP)对IHNI－1堆超热中子束流孔道的6种慢化体方案进行了模拟计算。

2.2 计算结果及分析

计算时，堆芯归一化热功率为30 kW，堆芯产生的中子速度为2.5327 ×1015n·s－1，6 种慢化体方案时的超热中子束流孔道出口处(r＜6 cm)束流参数的蒙卡计算结果列于表1。其中，中子、γ剂量率采用ICRU－46软组织中的Kerma因子[5]转换得到。对应于6种慢化体方案的孔道出口处(r＜6 cm)超热中子通量密度与原设计值的变化曲线如图2所示。

由表1、图2可知，采用方案4～6时，孔道出口处的超热中子通量密度均大于IHNI－1堆原超热中子孔道的设计值4.58 ×108cm－2·s－1，其中，方案5 孔道出口处的超热中子通量密度φepi为5.93 ×108cm－2·s－1，方案6 的能量密度 φepi为6.02 ×108cm－2·s－1，分别是原设计值的1.29倍和1.31倍。因此，文章建议IHNI－1堆超热中子孔道的慢化体选择方案5或方案6。

下文中的慢化体外围反射层的优化即基于上述两种慢化体优化方案。

表1 采用6种慢化体方案时的超热中子束流孔道出口处束流参数的蒙特卡罗计算结果Table 1 The Monte Carlo calculation results of neutron beam parameters at exit of epithermal neutron duct for six moderator schemes

图2 对应于6种慢化体方案的孔道出口处超热中子通量密度与原设计值的比值Fig.2 The ratio of calculated epithermal neutron flux density of six new moderator schemes to the value of primary scheme

3 反射层的优化设计

3.1 不改变慢化体横截面尺寸的反射层优化设计

这里仅对慢化体方案5和慢化体方案6的反射层进行优化设计，计算中，不改变束流孔道的总体外框尺寸以及慢化体的横截面尺寸，也不改变慢化体材料及其厚度，仅调整反射层中原有的Pb层和B－poly层的厚度。其束流孔道出口处超热中子通量密度的蒙卡计算结果列于表 2。表 2 中，φepi，5和 φepi，6分别为对应于慢化体方案5和慢化体方案6的采用初始反射层方案时的超热中子通量密度的计算值。

表2 不改变慢化体横截面尺寸时，对应于各反射层方案的超热中子通量密度蒙特卡罗计算值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计算结果可知，仅调整反射层Pb和B－poly的厚度，出口处超热中子通量密度变化范围在7%以内。采用方案3时，束流孔道出口处的超热中子通量密度达到最大值，对应于慢化体方案5和慢化体方案6的孔道出口处的超热中子通量密度分别为5.97 ×108cm－2·s－1和 6.17 ×108cm－2·s－1，仅比初始反射层方案(铅反射层200 mm、B－poly反射层20 mm)的超热中子通量密度提高0.6%和2.6%。因此，在慢化体横截面尺寸保持不变时，仅改变Pb反射层和B－poly反射层的厚度，对提高束流孔道出口处超热中子通量密度的作用不太明显。

3.2 改变慢化体横截面尺寸的反射层优化设计

保持束流孔道的外框尺寸以及B－poly反射层的尺寸不变，调整慢化体的横截面尺寸以及Pb反射层的厚度，慢化体材料保持不变。其束流孔道出口处超热中子通量密度的蒙卡计算结果列于表3，束流孔道出口处快中子、γ射线本底干扰与超热中子通量密度的比值如图3所示。表3中的φepi，5和φepi，6分别为对应于慢化体方案5和方案6的采用初始反射层方案时的超热中子通量密度的计算值。

表3 改变慢化体横截面尺寸时，对应于各反射层方案的超热中子通量密度蒙特卡罗计算值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

图3 快中子和γ射线剂量率与超热中子通量密度的比值随铅反射层厚度的对应关系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，在保持外围B－poly反射层厚度不变时，通过调整慢化体的横截面尺寸以及Pb反射层的厚度，可以适当提高束流孔道出口处的超热中子通量密度。铅反射层厚度位于50～250 mm之间时，束流孔道出口处的超热中子通量密度随Pb反射层厚度的增加而增加。由图3可知，铅反射层厚度位于50～250 mm之间时，软组织中γ射线剂量率与超热中子通量密度的比值均小于2×10－11cGy·cm2，满足水平超热中子束流孔道(射线本底的设计要求。但当铅反射层厚度大于220 mm或小于200 mm时，快中子本底抬高，而铅反射层厚度位于200～220 mm之间时，快中子本底较小且基本相当。因此，建议铅反射层的厚度选为220 mm。此时，对应于慢化体方案5和方案6的超热中子通量密度分别为6.05844×108cm－2·s－1和 6.32756 ×108cm－2·s－1，分别比初始反射层方案(铅反射层200 mm、B－poly反射层20 mm)的超热中子通量密度提高2.1%和5.1%。

4 超热中子束流参数的模拟计算

根据以上优化结果，文章采用慢化体方案5、Pb反射层厚度220 mm、B－poly反射层厚度不变来模拟计算超热中子束流孔道出口处的束流参数。表4给出了超热中子束流孔道出口中心处(r＜6 cm)的中子、γ参数的蒙卡计算结果，图4和图5分别给出了孔道出口处不同网格内(r＜1 cm，1 cm＜r＜2 cm，…，13 cm ＜r＜14 cm，14 cm ＜r＜15 cm)中子、γ通量密度的空间分布以及中子、γ在软组织中的剂量率的空间分布。

表4 超热中子束流孔道出口中心处(r＜6 cm)的中子、γ参数的蒙特卡罗计算结果Table 4 The Monte Carlo calculation results of neutron and γ parameters at the center exit of epithermal neutron duct

由表4计算结果可知，超热中子束流孔道出口中心处(r＜6 cm)的超热中子通量密度大于6.0×108cm－2·s－1，比原设计值高 32%，伽玛射线本底小于 2.0 ×10－11cGy·cm2，满足设计指标要求，而快中子本底为5.68721 ×10－11cGy·cm2，与原设计方案 5.60 ×10－11cGy·cm2的快中子本底设计值[3]基本保持一致。因此，文章超热中子束流孔道的优化设计取得理想结果。

图4 超热中子束流孔道出口处的中子、Gamma通量密度的空间分布Fig.4 The distribution of neutron and gamma flux density at the exit of epithermal neutron duct

图5 超热中子束流孔道出口处中子、Gamma在软组织中剂量率的空间分布Fig.5 The space distribution of neutron and gamma dose rate at the exit of epithermal neutron duct

5 结语

文章采用蒙特卡罗程序(MCNP)对医院中子照射器I型堆(IHNI－1)超热中子束流孔道的慢化层、反射层进行了优化设计，并基于慢化体和反射层的优化方案，模拟给出了超热中子束流孔道出口处的束流参数。从计算结果看，在快中子、γ本底保持不变的情况下，虽然采用优化方案可以提高超热中子通量密度 32%，但仍小于1.0 ×109cm－2·s－1的设计指标，且快中子本底偏高，因此要想得到更为理想的超热中子束流，需要进一步提高IHNI－1堆的功率水平且设计布局更合理的垂直超热中子束流孔道。

[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] 江新标，朱养妮.医院中子照射器I型堆(IHNI－1)BNCT中子束的校核计算报告[R] .NINT09－IHNI1－007.西安:西北核技术研究所，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.