Abstract
清華水池式反應器(簡稱THOR)目前的超熱中子束，在將就原有之幾何限制下，由於照射點距爐心出口達2.5公尺，因此即使在較寬鬆的快中子及加馬射線劑量限制下，其超熱中子通率只有0.5x109 n/cm2žsec，因此此照射系統尚不太適用於硼中子捕獲治療之臨床研究。2000年時THOR的改建計畫通過，因此得以拆除濾屏周圍的熱中子柱，重新設計建造一個更佳的超熱中子照射系統。本研究的目標即是設計新的THOR超熱中子束。計算工具為兩種理論完全不同的中子遷移模擬計算程式---TORT和MCNP，藉著兩種程式的答案互相驗證，以提高模擬計算結果的可信度。 在濾屏設計方面，首先找出適合的中子束截面積和反射體的材質與厚度。接著把重點放在FLUENTAL和鐵氟龍(Teflon)作為濾屏材料的特性研究上。模擬分析的結果顯示，(40cm Al+20cm FLUENTAL)和60cm FLUENTAL這兩個設計是使用FLUENTAL這種材料作為濾屏的上下極限。FLUENTAL厚度超過60公分或不及20公分，對中子束的整體結果並不好。至於另一種材料鐵氟龍，由於含大量的C元素，對快中子的減速效果非常好，但對高能超熱中子通率的削減程度也很大，而熱中子在中子束中的比例也會升高，所以在濾屏中不能使用太厚的鐵氟龍，而且必須設法壓低熱中子通率。一個FLUENTAL和鐵氟龍搭配的適當濾屏設計為(30cmAl+10cmTeflon+20cmFLUETNAL)加上增厚為0.2公分的Cd。此設計的效果介於使用30公分FLUENTAL和40公分FLUENTAL的濾屏設計之間，是價格上較經濟的設計。 接下來在匯聚設計之前，先建立起了MCNP的接龍技巧並加以驗證，使匯聚設計所需的大量MCNP計算可以藉此技巧節省計算時間。以本研究THOR的模型而言，使用接龍技巧的MCNP匯聚計算時間只需一次完整模擬時間的10%左右。接著的匯聚設計部分，首先在理想的射束截面70x60cm2下，先分析了匯聚的各參數對中子束特性的影響，包括長度、環繞匯聚的材料、使用6Li-poly作為匯聚末段的影響等等。接著根據實際可取得的FLUENTAL尺寸，縮小射束截面至65x48cm2，調整濾屏設計為(12cmAl+48cmFLUENTAL)，並藉著理想射束截面70x60cm2的匯聚各參數分析結果，針對65x48cm2的射束截面作匯聚的進一步設計分析。其中對匯聚影響最大的一個參數，便是匯聚末段使用6Li-poly與否。6Li-poly對中子束最大的影響就是使中子通率在匯聚出口邊緣陡降，使匯聚出口處外側的中子通率遠低於出口中心部分的通率，但缺點是6Li-poly也會使中子束的強度降低20%左右。在實際的射束截面下，得到最佳的匯聚設計是：40公分長，前30公分為6公分厚的Bi壁，末10公分為10公分厚的6Li-poly壁，錐形匯聚的半徑由30公分縮至7公分，周圍環繞Li-nat poly，最後加上10公分厚的鉍。此新設計的THOR超熱中子束，強度可高達4.7x109 n/cm2žsec，快中子劑量和加馬射線劑量分別為2.1x10-11 cGyžcm2/n和0.67x10-11 cGyžcm2/n，比起目前的THOR中子束，強度上和品質上均有大幅的改善。在假體內劑量率分佈計算方面，此設計可得到有利治療深度為8.42公分，有利治療比例為3.78，有利治療深度處的腫瘤治療劑量率為119.5cGy-Eq/min，而腫瘤劑量率的峰值發生在深度2公分處，此處劑量率為485 cGy-Eq/min。以2000cGy-Eq的總治療劑量而言，治療時間可以控制在20分鐘以內。