基于NG-9密封D-T中子管的硼中子俘获治疗束流整形装置优化设计研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Optimization design of beam shaping assembly based on NG - 9 sealed D - T neutron tube for boron neutron capture therapy

本文基于NG-9密封D-T中子管开展硼中子俘获治疗（BNCT）束流整形装置（BSA）的优化设计研究。通过蒙特卡罗模拟，确定了以20 cm铅（Pb）为中子倍增层、30 cm三氟化铝（AlF3）为慢化层的最佳组合方案，在1010 n/s中子产额下获得8.10×105 cm-2?s-1的超热中子通量。研究证实该紧凑型中子源方案可满足除IAEA超热中子通量标准外的主要治疗参数要求，为低成本BNCT设备开发提供重要技术路径。

　　

Highlight

BNCT通过硼俘获低能中子产生高传能线密度（LET）的⁷Li和α粒子实现肿瘤细胞级精准打击。当前反应堆与加速器中子源均需通过束流整形装置（BSA）将中子能量降至超热中子能区（0.5 eV–10 keV）。国际原子能机构（IAEA）建议治疗束需满足：超热中子通量>1×10⁹ cm^-2?s^-1，快中子剂量占比<2×10^-13 Gy?cm²，γ射线剂量占比<1×10^-13 Gy?cm²等关键参数。

Moderator

基于图3模型，我们计算了AlF₃、BiF₃、MgF₂等材料在不同厚度下的中子能谱。图8和图9分别展示20 cm与30 cm厚度时的能谱对比。可见铁（Fe）、铅（Pb）、铋（Bi）的中子通量显著高于其他材料。正如预期，高原子序数材料通过(n,2n)反应有效提升中子产额。最终选择20 cm铅作为中子倍增层，其不仅提升通量，还通过非弹性散射降低中子能量。

Conclusions

本研究以NG-9密封D-T中子管为起点，开发了适用于硼中子俘获治疗的束流整形装置。计算表明：采用20 cm铅倍增层+30 cm AlF₃慢化层+15 cm铅背反射层组合方案，在10¹⁰ n/s产额下可获得8.10×10⁵ cm^-2?s^-1超热中子通量。除该参数略低于IAEA标准外，其余剂量指标均达标。Snyder头模治疗深度达8.30 cm，肿瘤最大剂量率0.23 cGy·min^-1，证明该紧凑型中子源具备临床转化潜力。