基于硼中子俘获治疗(BNCT)束流监测的热中子探测器：概念设计与读出电子学性能验证

为解决BNCT治疗中束流分布实时监测的难题，中国科学院研究人员创新性设计了一种基于蒸发固体中子转换层的多通道位置灵敏探测器。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟优化了2微米10B转换层与铝层复合结构，配合Ar:CO2(90:10)工作气体，开发出64通道、采样率1-100MHz的前端电子学系统，积分非线性<1.5%，为BNCT剂量评估提供了高精度解决方案。

　　

在癌症治疗领域，硼中子俘获治疗(BNCT)因其"生物靶向性"优势备受关注。与传统放疗的"无差别攻击"不同，BNCT通过硼(¹⁰B)药物在肿瘤部位富集，利用热中子引发核反应产生高能α粒子(⁴He)和锂核(⁷Li)，实现细胞级精准杀伤。然而，这种"导弹式"治疗面临关键瓶颈——中子束流的实时监测精度直接决定治疗效果与安全性。当前主流³He探测器不仅面临全球资源枯竭危机，更难以满足现代加速器BNCT装置对高计数率(>10⁶ n/s/cm²)的需求。

针对这一"卡脖子"问题，中国科学院团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表的研究中，提出了一种革命性的探测器设计方案。研究人员采用固体¹⁰B₄C转换层替代传统气体探测器，通过Geant4模拟发现2微米厚度的转换层可实现最优中子捕获效率。创新性地在转换层后蒸镀2微米铝层，将次级粒子最概然发射角从60°降至30°，大幅提升位置分辨率。电子学系统采用64通道双层PCB板设计，在120fC-10pC动态范围内实现<1.5%积分非线性，采样速率突破100MHz。

关键技术包括：1)Geant4模拟计算中子转换层厚度与次级粒子角分布；2)蒸发沉积法制备¹⁰B/Al复合转换层；3)基于ASIC芯片的多通道电荷灵敏前置放大器设计；4)Ar:CO₂(90:10)混合气体比例计数器优化。

【基本概念】部分阐明探测器通过¹⁰B(n,α)⁷Li核反应转换中子，Q值达2.31MeV，远超⁶Li的4.78MeV。模拟显示2微米转换层时α粒子产额达到饱和，继续增厚会导致自吸收效应。

【中子转换层厚度计算】通过Geant4建模发现，2微米¹⁰B层对25meV中子吸收率达85%，铝层使α粒子能量损失从300keV降至80keV，同时改善出射角分布。

【结论】表明该探测器计数率较传统³He探测器提升两个数量级，位置分辨率达亚毫米级。电子学系统功耗仅3.2W/64通道，满足BNCT治疗室实时在线监测需求。

这项研究突破了³He资源限制的技术壁垒，为BNCT治疗设备国产化提供了核心监测手段。探测器模块化设计可扩展至256通道，未来通过Time-over-Threshold技术有望进一步提升能谱分辨能力。论文通讯作者Zhengguo Hu指出，该成果不仅适用于医院BNCT治疗，还可推广至中子照相、核燃料检测等领域，具有重大产业化价值。