蒙特卡罗模拟中核反应截面数据库对AB-BNCT中子束品质影响的跨库评估研究

本研究针对加速器硼中子俘获治疗(AB-BNCT)装置设计中的关键问题，通过PHITS程序系统评估了ENDF/B VII.1/VIII.1、CP2020和JENDL-5.0等不同核数据库对7Li(p,n)7Be反应中子产额及束流整形装置(BSA)出口参数的影响。研究发现不同质子库导致中子产额差异高达16.86%，ENDF/B VIII.1中子库计算的超热中子强度较其他库高5.51%-8.61%，而JENDL-5.0库的快中子组分低23.42%-63.94%。研究揭示了F、Pb等元素截面数据差异是结果分化的主因，为BNCT临床应用的核数据库选择提供了重要依据。

　　

在肿瘤放射治疗领域，硼中子俘获治疗(BNCT)因其"细胞级精准打击"特性备受关注。该技术利用¹⁰B与热中子的核反应释放高能α粒子，可选择性摧毁癌细胞而保护正常组织。然而要实现这一"魔法子弹"效应，关键在于产生符合临床要求的中子束——需要足够强的超热中子(0.5 eV-10 keV)穿透深层组织，同时严格控制快中子和γ射线污染。这依赖于束流整形装置(BSA)的精确设计，而设计基础则是核反应截面数据的准确性。

目前国际主要核数据库如ENDF/B、JEFF、JENDL等对⁷Li(p,n)反应截面的评估存在显著差异。特别是ENDF/B VIII.0版本对⁷Li质子库的重大修改引发学界担忧，因为这些数据直接影响加速器BNCT(AB-BNCT)装置的核心参数计算。更棘手的是，不同中子库对BSA中慢化材料(如MgF₂)的截面处理不一，可能导致最终束流品质预测出现偏差。在放疗临床要求计算与实测剂量偏差<5%的严格标准下，核数据库的选择成为关乎治疗安全的关键科学问题。

针对这一挑战，中国科学院近代物理研究所等机构的研究团队开展了系统性研究。通过PHITS 3.33程序构建了两阶段蒙特卡罗模型：首先比较ENDF/B VII.1/VIII.1、CP2020和JENDL-5.0质子库对2.8 MeV质子轰击天然锂靶产生的中子能谱影响；继而将靶谱作为源项，结合ENDF/B VII.1/VIII.0/VIII.1、JEFF-3.3、CENDL-3.2和JENDL-5.0中子库，模拟中子与BSA的相互作用过程。研究采用IAEA推荐的5项束流品质参数作为评价标准，包括超热中子通量Φ_epi、快中子剂量当量D_f/Φ_epi等，并通过截面替换法追溯差异根源。

靶中子能谱的库间差异

模拟显示ENDF/B VIII.1质子库产生单峰谱(0.32 MeV)，而其他库呈双峰结构(0.1/0.45 MeV)。深入分析发现，ENDF/B VIII.1在1.880-2.371 MeV能区缺失中子角分布数据是谱形差异的主因。中子产额方面，CP2020与JENDL-5.0结果相差16.86%，这直接导致后续BSA出口Φ_epi计算值相差达29.05%。

BSA出口参数分化

当采用相同靶谱时，ENDF/B VIII.1中子库计算的Φ_epi较其他库高5.51%-8.61%，其D_f/Φ_epi更是高出19.04%-63.94%，这源于该库在1×10^-3 MeV处更突出的通量峰。相反，JENDL-5.0中子库的快中子组分显著偏低23.42%-63.94%，而JEFF-3.3/CENDL-3.2的γ射线组分比ENDF/B系列高6.79%-10.08%。

差异根源解析

截面替换实验表明：ENDF/B VIII.1与JENDL-5.0的结果差异主要来自¹⁹F和Pb的截面数据更新。特别是¹⁹F的弹性散射截面在JENDL-5.0中明显偏低，且角分布函数迥异。而JEFF-3.3/CENDL-3.2的γ组分偏高则与Mg、Cu辅助结构及慢化剂中H的截面处理相关。值得注意的是，虽然ENDF/B VIII.1中Pb截面采用NJOY2016.65处理存在理论偏差，但实际影响不足1%，验证了结论可靠性。

这项发表于《Scientific Reports》的研究首次系统量化了核数据库选择对AB-BNCT关键参数的影响程度。其价值不仅在于揭示ENDF/B VIII.1和JENDL-5.0等新版数据库的特殊性，更建立了BSA材料-截面数据-束流参数的关联模型。研究发现16.86%的中子产额差异和63.94%的快中子组分波动，远超临床允许的5%误差限，这对正在全球建设的AB-BNCT装置具有直接指导意义。未来研究需结合实验测量验证数据库适用性，特别是在⁷Li(p,n)反应阈能附近和MgF₂慢化剂等关键能区的截面数据需要重点标定。该工作为BNCT从物理设计到临床应用的转化提供了不可或缺的数据支撑。