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束流扩展是研究质子治疗大体积、深度肿瘤的基础,因此本论文利用Monte Carlo方法针对质子治疗被动束流横向扩展的几种方法进行模拟,并与解析方法计算的结果进行比较。
首先利用Monte Carlo多粒子模拟输运软件Fluka,计算单能质子经过单膜散射体后的束流分布特性,讨论入射质子能量、散射体材料和厚度等因素对散射角分布的影响。结果表明,高原子序数的材料适合做散射体。当入射质子能量为70MeV时,Fluka模拟的散射角的半宽θ0与Highland公式计算的结果比较发现,随着膜厚的增加,θ0增大。膜厚的增加,二者相差越来越大。当膜厚大于1g/c㎡时,对于散射体材料为Pb时,二者相差大于5%。根据Fluka模拟散射体材料为Pb时的结果,对Highland公式中的系数进行修改,使得修改后的公式在0.5-3g/cm2时,与Fluka模拟的结果符合较好。
第四章开始对双散射体的三种方法进行模拟,其中双环双散射体方法的束流利用率最高,达到27%,优于其它两种方法。与利用Highland公式经解析计算的结果比较发现,Fluka计算得到的质子通量小于解析计算得到的结果。随着膜厚的增加,修改后的公式与Fluka模拟结果符合的好于Highland公式经过解析计算得到的结果。Fluka模拟计算的束流扩展半径大于解析计算得到的结果。在束流扩展半径小于两种方法得到的结果时,这两种方法都适用,由Fluka模拟得到的束流利用率低于解析计算得到的结果。
双散射体方法获得束流分布的均匀性对束流中心线与第二个散射体的中心轴线是否一致非常敏感。因此模拟计算了用液态金属Hg代替Pb做散射体材料时的束流分布,结果表明,用液体散射体取代固体散射体在理论上是可行的。