第一讲中子散射与散裂中子源

中子散射是研究物质微观结构和动态的理想工具之一,广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章简明地介绍了中子散射的特点和它作为物质结构和动态探针的优越性,以及散裂中子源的基本原理、发展状况和多学科的应用优势.我国计划建设的散裂中子源CSNS中,靶站将由多片钨靶、铍/铁反射体和铁/重混凝土生物屏蔽体组成.质子束功率100kW下,脉冲中子通量约为2.4×1016n/cm2/s.第一期将设计建造高通量粉末衍射仪、高分辨粉末衍射仪、小角散射仪、多功能反射仪和直接几何非弹性散射仪等五台典型的中子散射谱仪,以覆盖大部分的中子散射研究领域.     

硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器（RFQ）提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。     

散裂中子源与中子散射

文章介绍了散裂中子源的物理基础、中子散射用散裂中子源对加速器的要求和靶系统的特点，阐述了利用散裂源，尤其是脉冲散裂源进行了散射实验的主要优点，并对我国建造散裂中子源的发展战略提出了建议。     

基于加速器的多终端硼中子俘获治疗装置的束流整形组件设计

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)是一种新型的精准放射治疗方法,束流整形组件(Beam Shaping Assembly, BSA)作为硼中子俘获治疗装置的重要组成部分,对于产生适用于BNCT的中子束至关重要。通过BSA可以将快中子慢化到适当的能量范围,并且减少其他不需要的束流成分,进而满足BNCT用于治疗的中子束要求。本文利用蒙特卡罗模拟软件MCNP,基于2.5 MeV/30 mA的质子加速器,设计出可将质子打Li靶产生的快中子束慢化到热中子能量范围(<0.5 eV)和超热中子能量范围(0.5 eV~10 keV)的多终端BSA方案。提出的热中子BSA方案使用D₂O作为慢化体,BeO作为反射体,Bi作为$\gamma $过滤体,而超热中子BSA方案使用MgF₂作为慢化体,Pb作为反射体,6LiF作为热中子过滤体。热/超热中子方案在BSA出口处的束流参数,均满足国际原子能机构(IAEA)对BNCT治疗提出的束流指标要求。     

基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究

基于加速器中子源的硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)是新一代的放射治疗方法,束流整形体(Beam Shaping Assembly, BSA)作为硼中子俘获治疗装置的重要组成部分,其作用是将中子源中的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eV~10 keV),并尽可能减少快中子、热中子以及$\gamma $射线的成分,使其满足BNCT用于治疗的中子束要求。本工作基于蒙特卡罗软件包Geant4(Geometry and Tracking),以2.5 MeV,10 mA质子流强的7Li(p, n)7Be中子源为对象,研究分析了AlF₃ 、Fluental、Al₂O₃、Al作为慢化体材料时,不同的厚度对束流出口处的超热中子注量率、超热中子注量与热中子注量比值、快中子成分、$ \gamma $成分所产生的影响。计算表明,当选用厚度为25 cm的AlF₃作为慢化体材料时,经过整形慢化后的超热中子束的束流参数,均满足国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)的中子束流参数推荐值。     

一种低能散RFQ加速器的物理设计

讨论了脉冲束注入、逐步增加同步相位、减小电极调制系数和极间电压等降低RFQ加速器能散的途径, 并在此基础上设计了一台能散为0.6%的RFQ加速器. 该加速器用于加速器质谱对¹⁴C, ¹³C, ²C 3种 离子的传输有很强的选择性, 有利于降低测量本底、简化装置.     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

散裂中子源靶站谱仪的物理设计

中子散射广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域,是研究物质微观结构和动态的理想工具之一.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章重点介绍了散裂中子源项目CSNS中靶站和谱仪的建设内容和设计工作的进展.     

RFQ加速器同时加速同荷质比正负离子的实验研究

阐述了利用北京大学26MHz 300keV整体分离环高频四极场(ISR RFQ)加速器同时加速同荷质比正负离子的研究结果.分别用O⁺和O^－离子的连续束以及脉冲束同时注入,均实现了RFQ加速器对同荷质比正负离子的同时加速.用快靶测得的经RFQ腔同时加速后形成的O⁺及O^－离子微脉冲束与预想的正负氧离子微脉冲束相位关系完全一致.证实了同时加速时得到的氧离子束总和明显高于单加速一种离子时得到的氧离子束.在国际上首次实现了用RFQ加速器同时加速同荷质比的正负离子.     

利用气泡探测器测量激光快中子

在利用超强激光驱动中子源的研究和应用研究中,中子源的产额及其角分布至关重要.我们在星光Ⅲ号激光装置上采用气泡探测器对强激光驱动的中子源的产额及其角分布进行了测量.利用超强皮秒激光与碳氘薄膜靶相互作用产生高能氘离子束撞击次级碳氘靶,通过氘-氘核反应产生准单能快中子.实验发现中子束的发射具有一定的方向性,在入射氘离子的传输方向上中子束具有更高的强度,测量得到的中子束最大强度为5.13×10⁷ n/sr.利用实验测量的氘离子能谱和角分布对中子束角分布进行了理论计算,结果与实验测量基本一致.     

Microdosimetry for the characterization of the THOR epithermal neutron beam

The epithermal neutron beam of the Tsing Hua Open-pool Reactor (THOR) was constructed for the study of boron neutron capture therapy (BNCT). The THOR epithermal neutron beam was mainly composed of thermal neutrons, fast neutrons, and photons. For fast neutrons and photons, the absorbed dose and the relative biological effectiveness (RBE) were used to characterize radiation dose and radiation quality. The short-ranged alpha particles and lithium ions produced from ¹⁰B(n,α)⁷Li reactions in the BNCT required cellular- and micro-dosimetry characterizations. Due to the non-uniform microdistribution of boron in cells, these characterizations should depend on the source–target geometry. In this case, the geometry-dependent specific cellular dose and lineal energy could be used to describe radiation dose and radiation quality. In the present work, cellular- and micro-dosimetry were studied for the THOR epithermal neutron beam. The specific cellular dose and lineal energy were calculated for thermal neutron-induced α-particles and ⁷Li-ions with different source–target geometry and various cell sizes. Applying the linear energy dependent-biological weighting function, the geometry-dependent RBE of thermal neutron-induced heavy particles was determined. Finally, the effective RBE of the THOR epithermal neutron beam was estimated for tumors and normal tissues of specified ¹⁰B concentrations. This effective RBE should be multiplied by the total absorbed dose to determine the corresponding biological dose required in the treatment planning.     

用于BNCT-SPECT的帕维亚TRIGA MARK II反应堆热柱优化设计

针对坐落于意大利帕维亚大学的TRIGA Mark II反应堆热柱结构进行优化设计,从而满足面向硼中子俘获治疗(BNCT)的单光子发射计算机断层成像(SPECT)研究要求。为提高计算效率并减小统计误差,对比分析使用SSW/SSR方法与直接使用反应堆为源项时热柱内照射位置处中子能谱,其结果基本一致,从而验证了SSW/SSR方法的可靠性。为在该反应堆开展BNCT中SPECT实验,热柱中子束需准直为笔形束。对比分析四种热柱优化方案下束流口处及探测器处热中子和光子通量:40 cm长石墨(射束口5 cm3 cm);0.5 cm厚硼包裹40 cm长石墨(射束口5 cm3 cm);30 cm长天然锂聚乙烯(射束口直径4 cm);30 cm长天然锂聚乙烯(20 cm长射束口直径5 cm,5 cm长射束口直径4 cm,5 cm长射束口直径2 cm)。结果显示,射束口处热中子通量分别为1.05108,2.52107,6.08107和5.10 107 #/(cm2s)。综合考虑中子准直效果及光子污染,方案三具有最优性能。为后续进行BNCT-SPECT理论和实验研究提供了基础,从而有效促进BNCT剂量准确评估方法的研究进程。     

基于3.5 MeV射频四极质子加速器硼中子俘获治疗装置的束流整形体设计

在硼中子俘获治疗(BNCT)装置中,束流整形体(BSA)的作用是将中子源产生的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eVE10 keV),并尽可能减弱快中子、热中子和γ射线的成分,同时保证中子的方向性,其设计与优化是BNCT装置设计工作的核心内容之一.本文采用3.5 MeV,10 mA的质子束轰击锂靶,由核反应~7Li(p,n)~7Be产生的中子为源项,针对BSA的慢化体材料和结构、γ屏蔽层和热中子吸收层的厚度等参数进行蒙特卡罗模拟设计与优化.研究发现,采用Fluental和LiF两种慢化材料间隔2 cm层状堆叠的三明治BSA构型,在保证快中子剂量成分(D_f/φ_(epi)),γ剂量成分(D_γ/φ_(epi))和热中子比例φ_(th)/φ_(epi)满足IAEA-TECDOC-1223报告推荐要求的同时,在BSA出口处超热中子注量率优于单独使用Fluental和单独使用LiF的BSA设计.BSA出口处修正的Synder人头几何模型中的剂量分布计算结果显示:上述三明治构型的深度剂量分布与单独使用Fluental材料构型的结果基本相当,优于单独使用LiF构型,表明Fluental和LiF层状堆叠的三明治BSA构型是一种可行的BSA结构.     

ADS注入器Ⅰ高频四极场功率源系统研制

ADS注入器Ⅰ高频四极场(RFQ)功率源系统将为325MHz RFQ提供连续波功率,使束流离开RFQ时,其能量达到几MeV。功率源系统除了补偿RFQ腔耗外,还必须提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场。ADS注入器ⅠRFQ功率源系统主要包括600kW连续波速调管、80kV/18A基于脉冲步进调制技术的PSM电源、环流器以及相应的波导传输系统等。根据ADS总体指标和RFQ的相关技术参数,提出了功率源的总体布局、技术指标以及设计要求等,在此基础上完成系统安装与调试,并通过专家组测试与验收。     

The angular and spatial distributions of the thermal neutron source description of the THOR BNCT beam

This paper presents a way to determine the angular and spatial distributions of the thermal neutron source strength of a boron neutron capture therapy (BNCT) beam. The experiments applied 1) the indirect neutron radiography, 2) the cadmium difference method, and 3) the instrumental neutron activation analysis. The measured data were processed by the spectrum deconvolution technique to resolve into a proper set of angular and spatial distributions. This paper took the epithermal neutron beam of the BNCT facility at the Tsing Hua Open-pool Reactor as an example.     

10B-editing 1H-detection and 19F MRI strategies to optimize boron neutron capture therapy

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a binary radiation therapy used to treat malignant brain tumours. It is based on the nuclear reaction (10B + n th --> [11B*] --> alpha + 7Li + 2.79 MeV) that occurs when 10B captures a thermal neutron to yield alpha particles and recoiling 7Li nuclei, both responsible of tumour cells destruction by short range and high ionization energy release. The clinical success of the therapy depends on the selective accumulation of the 10B carriers in the tumour and on the high thermal neutron capture cross-section of 10B. Magnetic resonance imaging (MRI) methods provide the possibility of monitoring, through 10B nuclei, the metabolic and physiological processes suitable to optimize the BNCT procedure. In this study, spatial distribution mapping of borocaptate (BSH) and 4-borono-phenylalanine (BPA), the two boron carriers used in clinical trials, has been obtained. The BSH map in excised rat brain and the 19F-BPA image in vivo rat brain, representative of BPA spatial distribution, were reported. The BSH image was obtained by means of double-resonance 10B-editing 1H-detection sequence, named M-Bend, exploiting the J-coupling interaction between 10B and 1H nuclei. Conversely, the BPA map was obtained by 19F-BPA using 19F-MRI. Both images were obtained at 7 T, in C6 glioma-bearing rat brain. Our results demonstrate the powerful of non conventional MRI techniques to optimize the BNCT procedure.     

基于小型加速器的编码中子源成像研究

编码中子源成像可以在对中子注量率影响不大的情况下大大提高成像的准直比, 从而提高成像质量.北京大学开展了基于小型加速器的编码中子源成像技术研究工作. 不同于已有的基于反应堆的小面积编码板的研究工作, 北京大学建立了基于小型加速器的大面积编码板的编码中子源成像实验平台, 并对加速器中子源上的实验方法和数据处理进行了探索, 对比了重建算法, 获得了初步的重建照片.研究工作表明, 编码中子源成像技术可用于加速器中子源, 但重建图像质量仍须提高. 关键词： 加速器中子源 中子成像 编码源成像 图像重建