基于蒙特卡罗方法的医用X射线治疗机射线束及中子防护优化设计

摘要

本文基于蒙特卡罗方法，利用BEAMnrc程序模拟研究了医用直线加速器中均整器对辐射场特性的影响；利用MCNP5程序模拟计算了Al/Gd和Al/B4C复合材料对热中子的屏蔽效果。　　利用BEAMnrc模拟程序对瓦里安公司生产的用于放射治疗的加速器机头进行了模拟，通过水体箱测量系统校准了机头模型，对该型号放疗机头中均整器的作用进行了研究：　　1)机头模型的校准：根据图纸建立起机头模型后，通过不断调整初始电子射束的参数使模拟软件计算结果绘制的百分深度剂量曲线、特定深度剂量曲线与医院放疗科室水体箱质检数据曲线误差小于2%，成功建立起VarianClinacIX型号放疗机头的蒙特卡罗模型。　　2)均整器外形和材质对放疗射线束辐射场特性的影响：在模型中中设置了不同外形和材质的均整器参数，发现近圆锥形的均整器对射束的均整效果更好，射野内光子通量和能量通量分布更均匀。均整器对X射线束的有明显的硬化作用，与无均整器相比，Al、Cu和Pb材质的均整器使得射野中心轴处的光子平均能量分别提高了4.8%，11.2%和30%，能量通量则下降了5.8%，20%和28%，光子通量下降了8.9%，28.1%和45.4%。同时，近圆锥形的均整器可以保证射野内剂量分布的均匀性，但降低了射线的剂量利用率，且均整器材质的原子序数越高，射线剂量利用率越低，与无均整器相比，Al、Cu和Pb三种均整器的射野中心轴处剂量分别下降了9.2%、30.4%和39.6%。　　3)复合材料均整器对辐射场特性的优化：采用近圆锥的几何外形时，与纯铜材质的均整器相比，复合材料对射线束的均整效果更好Al/Cu、Al/Pb和Cu/Pb复合材质的均整器在射野区中心轴处的光子通量分别提升了40.5%，28%和0.8%，能量通量分别提升了16.9%，36.2%和40.2%。Al/Cu、Al/Pb复合材质的均整器在射野区中心轴处的剂量分别提升了27.1%和19.1%，综合考虑剂量分布的均匀性和射线剂量的利用效率，Al/Pb复合材料是均整器的最佳材质。　　利用MCNP5对Al/Gd和Al/B4C两种铝基复合中子屏蔽材料对热中子的屏蔽能力进行了计算：　　1)复合材料的热中子宏观总截面随着功能粒子含量的增加而增大，而且Gd/Al复合材料的热中子宏观总截面比对应的B4C/Al复合材料宏观总截面大，即同等条件下Gd/Al复合材料对热中子的屏蔽性能优于B4C/Al复合材料。　　2)乏燃料储存格架用Gd/Al复合材料，辐射性能最佳配比是Gd的质量含量为4%，复合材料厚度为3mm。

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