PGNAA技术中硼浓度测量的堆积与叠加效应校正研究及其在BNCT中的应用

为解决PGNAA(瞬发伽马中子活化分析)技术中硼浓度测量时因堆积(pile-up)和叠加(summation)效应导致的校准曲线非线性问题，研究人员通过选择最佳氯峰(788 keV + 786 keV)校正自屏蔽效应，并优化样品体积(10 ml→4 ml)与测量时长，使校准曲线R2提升至0.99904。该研究为硼中子俘获治疗(BNCT)等精准医学应用提供了更可靠的定量分析方法。

　　

在核医学和工业检测领域，瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)技术因其实时在线检测能力备受关注，特别是在硼中子俘获治疗(BNCT)中，精准测量硼浓度直接关系到治疗效果。然而，传统PGNAA方法面临两大挑战：高浓度硼引发的自屏蔽(self-shielding)效应会使中子束在样品中分布不均，而探测器端的堆积(pile-up)和叠加(summation)效应则导致能谱畸变——前者指脉冲信号重叠造成的计数失真，后者源于两个伽马光子同时被记录为单一高能事件。尽管通过氯化铵(NH₄Cl)内标法可部分校正自屏蔽效应，但实验校准曲线仍存在9.6%的斜率偏差，这与蒙特卡洛模拟(MCNPX)结果显著不符，暗示着探测器物理过程的模拟缺失。

针对这一难题，伊朗伊斯法罕微型中子源反应堆(MNSR)的研究团队开展了一项创新研究。他们发现，堆积/叠加效应主要来源于三类伽马射线：样品中的硼(477.6 keV)、氯(788/786 keV)以及屏蔽层镉的辐射。通过系统性实验比较，团队提出双重解决方案：首先优选氯的788 keV + 786 keV复合峰进行自屏蔽校正，该峰校正后的校准曲线线性度最佳(R2=0.99891)；其次将标准样品体积从10 ml减至4 ml并延长测量时间，使R2进一步提升至0.99904。这些发现发表于《Radiation Measurements》，为高精度硼浓度测量建立了新标准。

关键技术方法包括：1) 使用MNSR提供热中子通量；2) 对比聚乙烯/派热克斯/铝三种样品容器的本底干扰；3) 通过HPGe探测器获取能谱；4) 采用不同氯峰(788 keV + 786 keV、1165 keV、1951 keV等)进行自屏蔽校正对比；5) 优化样品体积与测量时间参数。

结果与讨论
样品容器选择：派热克斯(Pyrex)因含13% B₂O₃产生显著本底计数，聚乙烯(含氢)会干扰热中子场，最终铝成为最优容器材料。

氯峰优选：在1165 keV、1951 keV等多个氯峰中，788 keV + 786 keV峰校正的线性度最优，因其受堆积效应影响最小且计数统计稳定性高。

体积优化：减小样品体积可降低单位时间内伽马通量，4 ml样品的校准曲线斜率偏差从9.6%降至1.2%，印证了堆积效应与样品密度的正相关性。

结论与意义
该研究首次系统量化了堆积/叠加效应对PGNAA校准曲线的影响机制，建立了基于788 keV + 786 keV氯峰的双重校正模型。相比传统方法，优化后的方案将高浓度段(0.1-0.85%硼)测量误差降低近8倍。这些成果不仅解决了BNCT治疗中硼给药监测的关键技术瓶颈，还为工业领域(如农业灌溉水硼检测)提供了更可靠的分析方法。特别值得注意的是，该方案无需额外屏蔽材料(如铅)，仅通过参数优化即可实现精度提升，具有显著的成本优势。未来研究可进一步探索脉冲形状分析等技术在堆积效应消除中的应用潜力。