BNCT中子源用RFQ加速器.docx

文章编号 : 100124322 (2007) 10217312043BNCT 中子源用 RFQ 加速器刘伟 ,颜学庆 ,郭之虞 ,陆元荣 ,朱昆 ,高淑丽 ,方家驯 ,陈佳洱( 北京大学 重离子物理教育部重点实验室 , 北京 100871)摘 要 : 分析了加速器作为硼中子俘获治疗 (BN C T) 中子源的优势 ,提出以射频四极场 ( R FQ) 加速器作为 BN C T 用中子源的首选机型 。对该 R FQ 的参数进行了选择 ,利用质子轰击锂靶近阈反应产生的前冲中子 束能散低 、散角小的优势 ,设定 R FQ 最终能量为 1 . 9 MeV 。采用“匹配均温”设计方法进行了此强流质子 R FQ 的束流动力学设计 ,并对设计方案进行了传输模拟 ,在入口归一化均方根发射度为 0 . 25 mm ·mrad 、流强为100 mA 时 ,束流传输效率为 99 . 3 % 。选择合适厚度的锂靶 ,经过整形即可得到满足 BN C T 治疗需要的中子 束 。关键词 : 硼中子俘获治疗 ; 超热中子 ; R FQ 加速器 ; 胶质瘤中图分类号 : O457文献标识码 : A癌症治疗是医学上的一大难题 ,传统治疗方法有化疗 、放疗和外科手术 。尽管这些治疗方法对某些癌症取得了一些成功 ,但对部分脑肿瘤 ,如脑胶质瘤和恶性黑色素瘤 ,上述治疗方法尚无能为力 。理想的放射治疗方 法要求能选择性地杀死肿瘤细胞而不破坏正常脑组织的结构和功能 。硼中子俘获治疗 (Bo ro n Ne ut ro n Cap2 t ure The rap y ,B N C T) 从理论上能满足上述要求 ,预期成为一种理想的胶质瘤治疗方法[ 1 ] 。BN C T 是一种二元 治疗方法[ 2 ] ,具有其它治癌手段无法比拟的优越性 :选择性高 ,在杀死癌细胞的同时最大限度地保护正常细胞 ;穿透性强 ,能够实现深部癌症治疗 ; 成本更低 ,其造价为质子和重离子治癌设备的 10 %以下 。近年来 ,B N C T 研究在国际上受到高度重视 ,美国 、日本 、芬兰 、伊朗 、荷兰和澳大利亚等十几个国家开展了这项工作的研究 ,其 中日本 、美国的研究世界领先 ,两国相继做过数百次的临床试验 ,取得了良好的效果 。90 年代初留学归国的科 学家开始把 B N C T 介绍到国内 ,清华大学开展了基于现有反应堆的硼中子俘获治疗理论研究 ,北京大学成功 地合成了硼化合物 ,还有其它研究机构正着手做硼中子俘获治疗的临床前期准备工作 。本文对用于 B N C T 的R FQ 加速器进行了束流动力学设计 ,并对设计方案进行了数值模拟 。中子源BN C T 取得成功的条件 :首先必需运送大量的10 B 原子到肿瘤细胞 ,其次有足量的热中子被硼俘获 ,以产 生一个致死性的10 B ( n α, ) 7 L i 反应 。硼俘获反应所需要的中子为热中子 (能量小于 0 . 025 eV ) ,早期的 B N C T 直接用热中子进行照射 ,但由于其穿透能力很弱 ,射线从表皮开始就呈指数衰减 ,到达深部的肿瘤处时已达不 到治疗要求的剂量 。与此相反 ,超热中子 ( 1～10 keV ) 很容易穿过头皮和颅骨 ,它经过正常组织到达含有硼化合物的肿瘤时 ,刚好被慢化为热中子 , 然后发生硼俘获反应 。而快中子束能量过大 ,会对正常组织造成严重损 伤 ,对 B N C T 也是不合适的[ 326 ] 。尽管日本仍应用热中子进行 B N C T ,但世界上其它各国均致力于开发超热中 子源进行 B N C T 。用于 B N C T 的中子源主要有自发裂变中子源 、核反应堆中子源和基于加速器的中子源 3 种 。目前用自发 裂变中子源进行 B N C T 还处在理论研究阶段 ,各国研究的自发裂变中子源主要是人造同位素252 Cf 。对肿瘤治疗来说 ,252 Cf 源产生的中子通量与反应堆源和加速器源相比非常低 ,为了得到有效的治疗效果 ,用252 Cf 中子源 需要相当长的治疗时间 ,人们正研究利用次临界倍增装置来弥补这一不足 ,并研究252 Cf 作为 BN C T 中子源的 可靠性 。由于252 Cf 产量很低 ,其售价极其昂贵 。目前已经投入使用的 BN C T 系统用的大都是反应堆中子源 , 世界上用反应堆中子源的 ( rB N C T) 治疗机已经达到二期临床的水平[ 7 ] 。但由于反应堆体积庞大 、安装复杂 、 造价高 、运行维护费用昂贵 , 而且各国在核安全方面有严格的管制 ,因此 ,反应堆中子源难以在医院普及使用 。13 收稿日期 : 2007205213 ;修订日期 :2007208215基金项目 : 国家自然科学基金资助课题 (作者简介