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研究生:黃泰庭
論文名稱:清華水池式反應器改建為硼中子捕獲治療專用核反應爐之超熱中子束最終設計分析
指導教授:薛燕婉
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:清華水池式反應器硼中子捕獲治療超熱中子束設計
外文關鍵詞:Tsing Hua Open-pool ReactorTHORBoron Neutron Capture TherapyBNCTNeutron Beam Design
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根據2001年清華水池式反應器超熱中子束設計的結論,在匯聚出口得到4.72 ×10^9 n/cm2.sec的超熱中子通率,伴隨每一超熱中子所產生的快中子劑量為2.1 ×10^(-11)cGy*cm2/n;伴隨每一超熱中子所產生的γ射線劑量為0.67 ×10^(-11)cGy*cm2/n;前向性指標J/Φ為0.753。而在考慮到原來熱中子柱土木結構的承載力限制之下,必須要將濾屏往外移36公分,後來再進一步調整濾屏組成,如此使得超熱中子通率略增20%,成為3.0×10^9 n/cm2.sec;快中子伴隨劑量為2.7 ×10^(-11)cGy*cm2/n;γ射線伴隨劑量為0.54 ×10^(-11)cGy*cm2/n。本研究的目標是在符合設計限值的要求下,調整中子束的設計,以期挽回超熱中子束的品質。
本研究的所有模擬,皆是使用遷移模擬計算程式MCNP4C與截面庫ENDF/B-6,計算平台為本實驗室的hypercluster PC叢集系統,作業系統為Redhat Linux 6.1。
首先,將濾屏出口的Bi厚度縮短為10公分,如此也可縮短從爐心到匯聚出口的距離。在濾屏配置方面,維持原來10cm Al + 16cm FLUENTAL + 10cm Al + 24cm FLUENTAL的設計。若再更進一步考慮減輕原熱中子柱土木結構的承載力,考慮將36公分空區周圍的反射體Pb移除,結果發現這是不可行的設計,會使得部分中子散逸。而在芬蘭VTT公司BNCT計畫主持人Iiro的建議下,將匯聚出口兩側的Bi往內移動10公分,結果這會讓在匯聚出口兩側的快中子通率和劑量率會有上升的現象。在匯聚設計部分,考慮到Bi造價成本高,而且6Li受管制不易取得,因此考慮將匯聚出口的配置由Bi+6Li的組合改變為Pb+Li-nat.的組合,並且將濾屏後方的Cd片加大,這樣的改變使得在匯聚出口的熱中子和γ射線通率皆會大幅提昇。為了使治療點的選擇上更有彈性,我們考慮在除了在匯聚出口照射外,還能在離出口10公分之後做治療,因此考慮到J+ /Φ的重要性。我們將匯聚整體長度拉長,結果是使得匯聚出口的J+ /Φ增加,讓離匯聚出口10公分之處也是個不錯的照射點選擇。若考慮到治療不限於腦癌病患,而將匯聚出口直徑加大,在離匯聚出口10公分照射其他如肝癌的病患也是可行。在研究匯聚出口材料的組成時發現Li2CO3和PE配置的問題,考慮了多種比例組合,發現Li2CO3為40%是較為適合的,這個設計會讓出口部分的熱中子和γ射線通率大幅下降,達到低污染的超熱中子束的品質要求。
觀察完free beam的特性之後,我們觀察在假體內劑量的變化。置放假體在匯聚出口0公分和10公分之下觀察,並假設使用BPA藥物,其硼濃度在腫瘤和正常組織比為30ppm:10ppm、44ppm:12.7ppm、65ppm:18ppm三種藥物做計算並和國際上現有的超熱中子束比較。結果發現,在假體內的表現並不輸給芬蘭、瑞典這些國家。另外在射束出口鉛板周圍的混擬土區的γ射線劑量有過高的現象,再加上治療室的土木結構以及原熱中子柱在拆除時,內部γ射線劑量過高導致難以施工,因此決定將射束出口再度外移30公分。結果發現在射束出口外移30公分之後,在出口0公分以及10公分的能譜並無改變,僅中子束強度減弱為60%。在假體內的熱中子束峰值都發生在2~2.5公分處,有效治療深度為9公分,有效治療比例為5.6,最大治療比例為6,治療時間可控制在30分鐘之內。
摘要 …………………………………………………………………………I
誌謝 …………………………………………………………………………II
目錄 …………………………………………………………………………III
表目錄 ………………………………………………………………………IV
圖目錄 ………………………………………………………………………VI
第一章 前言 …………………………………………………………………1
第二章 研究方法及基本概念 ………………………………………………6
第三章 THOR超熱中子束細部調整設計 ……………………………………13
3-1 濾屏後方的γ射線屏蔽Bi厚度縮小的影響 ………………………13
3-2 濾屏材料Al與FLUENTAL的厚度配置改變的影響 …………………15
3-3 濾屏前段36cm 空區周圍Pb反射體移除改為重水泥的影響 ………16
3-4 匯聚出口兩側Bi板往內移動的影響 ………………………………17
3-5 匯聚出口兩側周圍材料改變的影響 ………………………………19
3-6 改變濾屏位置以及改變匯聚長度的影響 …………………………22
3-7 匯聚出口直徑改變的影響 …………………………………………33
3-8 修改匯聚出口的(Li2CO3+PE)的混和比例的比較 …………………37
3-9 結論 …………………………………………………………………49
第四章 中子束出口的特性分析 ……………………………………………50
4-1 位於射束出口的假體內部的劑量分布 ……………………………50
4-2 評估鉛板兩側混擬土區的γ射線劑量 ……………………………67
4-3 將匯聚出口往外移動的影響 ………………………………………71
4-4 結論 …………………………………………………………………85
第五章 結論與未來工作 ……………………………………………………87
參考文獻 ……………………………………………………………………91
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