基于FLUKA蒙特卡罗模拟的放疗光中子屏蔽材料评估与优化策略

《Applied Surface Science Advances》：Evaluation of shielding materials against photoneutrons in radiotherapy through Monte Carlo simulation with FLUKA

本文通过FLUKA蒙特卡罗模拟系统评估了钛氢化物（TiH2）等屏蔽材料对放疗加速器光中子（photoneutrons）的抑制效果，创新性地提出在机头内加装慢化-吸收组合装置的设计，在实现中子通量最高降低88.3%的同时，将治疗光子束影响控制在41%以内，为高能放疗（>10 MV）的辐射防护优化提供了重要技术路径。

　　

亮点

本研究通过FLUKA蒙特卡罗模拟验证了在放疗加速器机头内集成慢化-吸收系统的可行性，钛氢化物（TiH₂）与硼-10组合在5+4厘米厚度配置中展现出最高光中子屏蔽效能（通量降低88.3%），且对治疗光束特性影响可控，为高能放疗的精准辐射防护提供了创新解决方案。

几何模型验证

通过对比FLUKA模拟与实验测量的百分比深度剂量（PDD）曲线，发现三种射野尺寸（5×5、10×10、15×15厘米²）的伽马通过率（3%/3毫米标准）均超过临床接受的95%阈值，其中5×5厘米²射野达到97.56%，而大射野更实现100%的完美匹配。模拟曲线精准复现了剂量建成区、最大剂量点深度等关键特征，证实几何模型可忠实反映真实加速器的物理特性。

讨论

放疗中的光中子问题研究历来分为两大方向：一方面通过实验手段（如邦纳球谱仪、CR-39径迹探测器）表征中子能谱与剂量分布；另一方面采用蒙特卡罗模拟（如MCNP、GEANT4）解析中子产生机制。本研究创新点在于将屏蔽材料嵌入加速器机头内部，从源头抑制光中子产生，突破了传统防护仅依赖治疗室屏蔽的局限。钛氢化物因氢原子高密度分布与热中子吸收截面优势，成为最优慢化材料选择。

结论

FLUKA蒙特卡罗模型的成功验证（伽马通过率97.56–100%）为光中子研究奠定了方法论基础。结果表明，钛氢化物与硼-10组合可实现治疗区域中子通量降低88.3%，且屏蔽效能随材料厚度与距离增加而提升。这种机头内置屏蔽策略在显著改善辐射防护的同时，未对治疗光束临床适用性产生实质性影响，为高能放疗设备升级提供了重要技术支撑。