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质子与硼中子俘获治疗

  近年来,对被称为质子-硼融合的核反应进行了彻底的研究,因为已提出它是一种能够显着改善质子癌症治疗的合适药物。因此,对所涉及物理特性的精确了解代表了评估基于质子-硼聚变的拟议治疗方法实际潜力的主要策略。在这项工作中,从理论的角度研究了有效反应截面,并报道了蒙特卡罗模拟提供的直接应用于非弹性碰撞分布的方法,它权衡了反应在能量沉积过程中的重要性,因此提供了关于该技术的本地化性质的有用见解。
   基于质子束的疗法被称为质子疗法,是用于癌症疾病治疗的现代技术。它利用了由带电粒子组成的光束的反深度剂量分布,在粒子轨道的末端呈现出强大的能量沉积。从这个意义上讲,理解基本的物理原理以在照射患者时跟踪质子的范围变得很重要,因为必须使明智的健康组织免受不良辐射的影响。因此,多年来提出了几种技术来克服这种需要,例如使用正电子发射断层扫描在线监测辐照过程或使用X射线断层摄影术或单光子发射检测不同核过程的即时伽马射线发射。
   最近,提出了一个新的提议,主要基于使用生物组织中不自然存在的元素来诱导某种程度的治疗过程增强。在常规放射治疗中,使用相对高原子序数的纳米粒子,在诊断学应用方面似乎非常有前途。对于使用离子进行的疗法,不仅有可能获得原子过程的好处,而且有可能获得核反应的好处,这可能会利用硼同位素作为提高剂量的合适选择。该提议基于捕获过程,该捕获过程在相对较低的质子动能下发生,即当质子束已经降低其能量时。
   关键问题是被称为质子-硼聚变的核反应,该反应主要由非弹性碰撞过程组成,在该过程中,质子与硼中子相互作用,最终形成三个α粒子。从核物理学的角度来看,内部过程据报道是化合物12C核的连续衰变,是通过α发射而衰变的,剩余的8Be核处于激发态。这又由于α粒子的聚集行为而碎裂,因此发射出两个剩余的α粒子。
   还存在一个10B核的激发态,该激发态通过光核发射而衰减,瞬态伽马光子为718keV。这些光子与铍激发态产生的718keV的光子几率极小,可能对于质子治疗的法理学用途是潜在有用的,因为它们可以提供所需的范围监测,无论与产生的α粒子的高线性能量转移有关的局部剂量增强概率也很理想。
   值得牢记的是,反应截面在675keV附近出现最大值,因此意味着具有高聚变概率的质子位于布拉格峰深度附近,因此被迫终止。因此,应该预料到,PBF之后的能量发射将局部沉积在注入硼的肿瘤体内,从而实现所需的局部剂量增强。短距离也支持此描述反应释放的α粒子,每个粒子的能量约为3-4MeV。
   在这项工作中,提出了质子能量注量加权的铍原子核的第一个激发态的有效反应截面深度的理论模型,并进一步用于提供有用的信息,以便对α粒子的贡献进行反卷积到物理吸收剂量。
   通过基于FLUKA多功能主代码的蒙特卡罗模拟,估算了一张张量图,该张量图包含质子在纯液态水体模和同一模型中含低浓度硼的辐照过程中的非弹性碰撞信息。值得一提的是,关于核反应和去激发过程,FLUKA能够处理低于300MeV的核子诱发反应的光谱和角分布。在非弹性相互作用建模的情况下,对于低能量,FLUKA使用玻尔兹曼主方程事件生成器来处理核反应。对于低于此阈值的能量并考虑轻核,将自动实现费米分裂模型,其中激发核仅一步就被分裂。组态。此外,自1991年以来,最初固定为50MeV的运输阈值已适当降低到库仑势垒的能量。另外,当时还包括了10MeV和200MeV之间质子和中子非弹性截面的更新。因此,在这些能量下,FLUKA能够处理非弹性碰撞分布的可靠预测,并且对于这项工作中提出的设置,对于布拉格峰位置附近的质子来说,这种能量是预期的。因此,在这项工作中报道的非弹性碰撞分布具有可信度。然而,在布拉格峰之后,并且对于低于该阈值的能量,质子通量会出现相当大的下降,因此可用来与硼发生核反应的剩余束流和次级质子应忽略不计,但表明这超出了本研究的范围,应单独处理。有用的一点是,这项工作旨在估计使用非弹性碰撞分布发生的PBF的数量,因此FLUKA对与PBF或其他核反应相关的破碎过程进行建模的方式是没有意义的。
   最后,有效反应横截面用于权衡深度融合的重要性,即对于布拉格峰周围能量约为10MeV的质子发生的非弹性碰撞数,强调了该区域中PBF引起的局部效应,其中质子的动能更有利于PBF反应。
   期望质子-硼的融合导致常规质子疗法的至少两个治疗上的改进。首先,由于硼中所含的潜能在与热化质子发生核反应后以α粒子动能的形式释放出来,因此有望提高物理剂量。其次,主要基于10B的瞬发伽马发射和铍激发态,可能有可能进行在线范围验证和融合监控的系统可用。
   在这项工作中,报告了朝着对混合场吸收剂量贡献的α粒子解卷积的基本步骤。所提出的方法主要包括使用第一原理理论框架理解基本反应过程,并将其应用于通过蒙特卡洛模拟进行的统计估计中,有效诱导质子捕获过程的相互作用的数量。不出所料,导致质子-硼聚变的非弹性碰撞高度集中在深度的布拉格峰附近,这支持了局部剂量增加的可能性。使用横截面的实验数据在较低深度处显示出更高的贡献,而使用Hale数据集时,远离布拉格峰的融合几乎消失了。从而,只要能获得前者的能量和角度分布,就可以用反应过程中发出的α粒子的相应传输来直接补充本文中提出的方法。
   最后,值得注意的是,以有效反应截面加权后,碰撞密度的大小显着降低,这可能意味着“治疗显着剂量增加”可能需要比生物毒性极限更高的硼浓度。该结论受到所实施的MC代码的能量限制。

 
 
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