光中子在现代放射治疗领域的研究进展

随着各种医用加速器新技术的提高和肿瘤患者数量的急剧增加,放射治疗已经成为治疗肿瘤的主要手段之一。医用加速器技术的不断进步,始终围绕着照射肿瘤的同时最大限度地保护正常器官而发展,但仍无法解决由于高能射线在治疗患者时所带来的辐射污染。高能粒子产生的次级粒子如光子、光中子及质子等对人体组织产生的生物效应同样不可忽略,并逐渐受到重视和广泛的研究。由于加速器机头内部构造的金属元素为铅,靶区主要为钨,光子能量达到>7 Me V时,会超过光核反应阈值从而产生中子,这一反应称为光核反应。国外放疗机构对光中子产生的剂量开展了广泛研究。基于参与复杂相互作用的粒子特点,通过蒙特卡罗模拟和实验测量两个途径来研究医用加速器产生的光中子通量和能谱等物理量。由于医用加速器设计不同(主要是机头内部),性能也有很大差别,因此光中子的通量、能谱和剂量也有不同的分布规律。在文献评阅的基础上,从蒙特卡罗模拟和实验测量两个方面阐述目前对医用加速器产生光中子的研究现状以及放射治疗过程中的辐射防护和引发第二原发癌的物理因素。

增强光中子成像空间分辨率的方法研究

X射线和中子联合成像能够极大的提升针对不同种类违禁材料的鉴别能力。光中子源具有中子产额高,系统稳定性好,既是X射线源又是中子源的优点,其不足之处在于中子探测会受到X射线脉冲的干扰,而为了避免这种干扰采用慢化中子延时错开X射线脉冲的解决办法又将带来新的问题,即中子探测空间分辨率的恶化。本文提出了一种新颖的探测慢化后光中子的方法,能够极大地提升光中子探测的空间分辨率,并设计了一套光中子成像原型系统,通过模拟手段评估了系统的各项参数性能,获得了理想的模拟成像结果,验证了方法的可行性。

神龙一号装置产生的共振能区光中子特性模拟研究

中子共振测温具有非浸入式测量、内部温度测量、局部温度分布测量等优点,但高强度脉冲中子源的欠缺限制了其广泛使用。为探讨神龙一号装置作为脉冲中子源用于中子共振测温可行性,用MCNP5软件计算了其产生的光中子特性,得到其光中子产额为1.34×1011个每电子脉冲,宽度约为90ns,采用8cm厚的铀靶产额高达7.47×1012个每电子脉冲,单脉冲中子数只比散裂源小一个数量级。计算了多种慢化剂对光中子的慢化结果,结果显示神龙一号可以作为一个强度较高、脉冲较窄的中子源,可对其用于中子共振测温做进一步研究。

光中子成像多路数据获取系统研制

研制了一套用于强X射线场下多路中子探测器信号处理和采集的数据获取系统。该系统接收探测器信号,分别对其做不同时间范围的积分,两个积分信号的幅度可用作波形甄别。采用现场可编程逻辑器件(FPGA)和硬件描述语言(verilog)实现对探测器和前端电路的测量控制,得到的数据经STM32微控制器控制传输给计算机。使用两种输入信号进行信号采集测试表明:该系统可正常地进行采集工作,得到的数据能够用于区分不同形状的信号。

基于150 MeV电子束的光中子特性模拟分析

高能中子源是研究高能太空宇宙射线中子对人体和电子仪器辐射损伤的必备装置,基于高能电子加速器的光中子源是目前能够提供较高能量白光中子的方式之一。本工作以清华大学先进加速器实验室的激光电子加速器束流参数为基础,借助Geant4对产生的光中子的能量特性、产额特性、角分布特性、时间特性进行了分析。模拟结果表明,Φ2 cm×2 cm的圆柱体Ta靶时,150 MeV电子束流可产生最高能量约为110 MeV、中子产额约为1.2×10~5n/10~7e-、出射时间在0~100 ns之间呈负指数分布的几乎各向同性的光中子。根据拟合的中子能量-出射时间离散指数函数,估算得到对产生的1~100MeV中子,在飞行距离为5m时中子飞行时间的时间分辨率好于2.23%。本工作为该加速器的光中子产生和实验测量工作提供了参考依据。

光中子源的优化设计

文章研究了基于9MeV电子加速器的光中子源的优化设计问题,提出了使X射线最有效地转换为中子的光中子转换靶的最优形状。利用蒙卡程序MCNP5设计了体积为20L的重水光中子转换靶,当加速器的平均电流为100μA时,中子产额可达2.3×10^(11)n/s。通过增加特定形状的石墨反射层使更多的中子向前发射,正前方10m处中子注量率可达8.55×10~4n/(cm^2·s)。文中还计算了出射中子的能谱、空间分布和时间特性。

治疗室墙体结构对医用电子直线加速器光中子注量的MC模拟

放射治疗室内的光中子一部分来源于高能量X射线与医用电子直线加速器机头部件的光核反应,另外相当一部分来源于治疗室墙体结构的散射作用,这些光中子将对治疗室内外造成二次照射危害。本文通过MC模拟了治疗室墙体结构对治疗室内光中子注量的影响,得出不考虑治疗室墙体结构情况下,治疗室内中心点到离中心点4m处的光中子注量将会被低估15%到90%。因此,在高能医用电子直线加速器的放射治疗模拟中,必须考虑治疗室墙体结构,否则将不能得到治疗室内光中子污染的真实情况。

治疗室墙体结构对医用电子直线加速器所产生光中子注量分布的影响

放射治疗室内的光中子一部分来源于高能量X射线与医用电子直线加速器机头部件的光核反应,另外相当一部分来源于治疗室墙体结构的散射作用,这些光中子将对治疗室内外造成二次照射危害。本文通过模拟了治疗室墙体结构对治疗室内光中子注量的影响,得出在考虑治疗室墙体结构影响的情况下,在治疗室内热中子注量分布较为均匀,在不考虑治疗室墙体结构影响时,将会忽略掉热中子的注量,而中能中子和快中子的注量也将被低估。因此,在高能医用电子直线加速器的高能放射治疗模拟中,必须考虑治疗室墙体结构存在这一实际条件,这样才能得到治疗室内光中子污染的真实情况。

铍光中子对研究堆瞬态特性影响研究

在采用铍材作为慢化剂或反射层的热中子反应堆中,由于^(235)U裂变产物放出的高能γ光子会与~9Be发生(γ,n)反应,产生光激发缓发中子,即铍光中子,会对反应堆的动态特性产生影响。本文选取经典的铍光中子分组参数,采用系统程序relap5,研究了铍光中子对研究堆瞬态特性的影响。研究表明,铍光中子的存在导致反应堆剩余裂变功率增多和持续时间增加,从而提高了余热水平;铍光中子的存在使得瞬态中核功率变化滞后,对反应堆安全有一定的影响。

电子直线加速器驱动的光中子源装置的研制

核反应堆的安全运行、新一代反应堆设计以及核废料处理等需要精确的中子核数据。光中子源联用飞行时间谱(Time of Flight,TOF)测量是最精确的中子能量测量技术,在热中子和共振中子能区的截面测量中发挥了非常重要的作用。钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)项目中15 MeV电子加速器驱动的光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是专为钍-铀循环核数据测量设计和建造的,它位于中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区内。第一阶段采用15 MeV电子直线加速器(LINAC)驱动,第二阶段拟建造电子能量约100 MeV(TPNS2)驱动的光中子源。前者建成后可提供飞行路径5 m、通量约104 n·s-1·cm-2的连续能量中子束(白光中子)及约1 MeV低能伽马射线,它们分别用于测量中子反应截面和伽马辐照研究,这是国内首台用于核数据测量的白光中子源。

HL-1托卡马克中逃逸电子的最高能量和光致中子

本文描述我们在实验观察到每次放电结束之前或大破裂之后,强烈的高能X射线出现,同时伴随着较强的光致中子辐射。其时逃逸电子的最大能量,在考虑到回旋辐射损失及逃逸电子速度的径向分量引起的回旋半径变小等情况后经计算可达50-62MeV,光致中子的强度为2.5×10^(10)s^(-1),与JET在破裂条件下的经验定标关系大致相符。

无损检测用15MeV电子直线加速器主束内光中子剂量的测量与MC模拟计算

通过实验和模拟计算研究了无损检测用15MeV电子直线加速器X射线主束内的中子剂量．加速器采用了铜复合靶和钨加含硼聚乙烯的屏蔽结构,能够有效地减少光中子的产生,中子产额在 1/1000n/γ以下．但由于主束内光子剂量很大,中子的绝对强度也不容忽视．针对加速器周围强X射线脉冲辐射场的特点,采用了被动型的中子剂量测量方法,加速器正常工作情况下,使用CR-39片和双电离室测量了等中心处中子对X射线的剂量当量比率,分别为0．19mSv／Gy X-ray和0．060mSv／Gy X-ray．利用MCNP5模拟计算了实验相应点的中子对X射线的剂量当量比率,为0．092mSv／Gy X-ray,与实验测量结果在数量级上一致．加速器主射束上Dn／Dγ<1／1000,小于辐射防护标准对中子泄漏剂量的规定值,从而验证了屏蔽结构的安全性．

医用电子加速器中的光中子产额计算

计算了电子加速器中不同能量的电子垂直入射到钨靶和金靶上时的光中子产额。采用 Monte Carlo 程序EGS4对电子光子簇在靶中的输运进行模拟 ,计算出光子在靶中的径迹长度 ,从而求出光中子产额。对电子加速器钨靶和金靶中的光中子产额进行了计算 ,得到了电子加速器中光中子产额随打靶电子能量变化的规律及随靶厚度变化的规律 ,为加速器靶和屏蔽系统的设计提供依据 。

用于硼中子俘获治疗的医院中子照射器的反应堆光致缓发中子参数

在介绍单群扩散方程基础上,引入堆芯和反射层的中子价值,根据考虑了光致缓发中子及其价值因素的点堆动态方程,建立了利用现有计算程序进行计算和分析的方法,分析了医院中子照射器光致缓发中子的特性参数,在原有6组缓发中子基础上增加了9组光致缓发中子,为进一步进行用于硼中子俘获治疗的医院中子照射器反应堆的点堆动力学研究提供了重要参数。

基于MPD-4电子学插件的液体闪烁体中子光响应特性实验研究

中子光响应函数是液体闪烁体探测器的重要参数,准确的光响应函数和探测阈值是精确确定中子探测效率的基础。近年来,专门用于液体闪烁体中子探测器的高集成度新型电子学插件(Mesytec公司的MPD-4)广泛应用于中子探测系统中,该电子学插件集成了脉冲高度(PH)、脉冲形状甄别(PSD)和恒比定时(CFD)测量功能,且1个NIM插件即可实现4路探测器的同时测量。对于同一中子探测器,利用这一电子学系统与传统电子学系统对中子的光响应函数进行了实验比对,结果表明,两套系统得到的中子光响应函数具有明显的差异。因此,在使用MPD-4电子学系统进行中子探测的实验中,需对光响应函数进行重新标定。

“核-光转换”中子探测器物理结构的优化设计

针对裂变中子时间谱和总数测量的需求背景和目前中子伽马混合辐射场中脉冲裂变中子测量所面临的技术困难,根据物理过程和探测机理,对"核-光转换中子探测器"测量脉冲中子进行定性分析,并采用Geart4程序进行模拟理论研究,总结出探测器物理结构的最优化参数组合;并加工研制了实验用的"核-光转换中子探测器",在DPF和强钴源上标定了探测器的中子和伽马灵敏度,理论数据与实验结果的相对比值基本一致,最后通过定性与理论计算相结合的方法,得出了"核-光转换中子探测器"具有中子伽马甄别测量能力高、测量线性范围宽、中子能量响应较为平坦、时间响应较快等优点。

重水研究堆光激中子强度--停闭时间特性研究

本文利用ORIGEN-ARP程序计算得到重水堆停堆后堆内γ源强,通过D(γ,n) H反应率与γ源强关系计算出重水堆停堆后光激中子源强水平变化。研究结果表明,重水堆停闭1 900 d后光激中子源强水平约为7.2×106n/s,比首次临界外加的Am-Be源强度高,物理启动无需添加外加中子源。

低水平光激中子探测装置

光激中子由^(226)Ra γ源发射的γ量子轰击氘靶产生,由~3He正比管阵列组成的高灵敏中子—中子甄别探测器记录,给出计算氘靶内氘含量的信息。该装置主要用于含氘部件氘含量的无损测定。

液闪探测器中子光响应函数刻度研究

BC501A液体闪烁体在临近空间高能中子测量中具有重要的应用价值,其光响应和能量分辨率对测量结果影响较大。对中子与BC501A液体闪烁体作用产生的反冲质子的光响应函数以及液闪的能量分辨函数进行了研究。利用5SDH-2串列加速器通过核反应获得单能脉冲中子源,实验获得单能中子的脉冲幅度谱,应用GEANT4等MC软件对实验进行模拟计算得到光响应谱,并与脉冲幅度谱进行拟合得到各能点中子的光输出以及其对应的能量分辨率,应用最小二乘法对中子光响应函数以及能量分辨函数进行了计算,并将计算结果与推荐光响应函数进行了对比分析。结果显示:模拟计算反冲质子能谱与单能中子脉冲幅度谱在末端边沿处拟合效果较好,中子光响应函数与其他文献中的研究结果基本一致。

医用光学仪器

TH773 2001064279医用电子加速器中的光中子产额计算=Photoneu- tron yields in medical electron accelerators[刊,中]/李泉凤,严慧勇(清华大学工程物理系.北京(100084))∥清华大学学报.自然科学版.—2001,41(6).—27—29,33计算了电子加速器中不同能量的电子垂直入射钨靶和金靶上时的光中子产额。采用Monte Carlo程序EGS4对电子光子簇在靶中的输运进行模拟。