肿瘤放射治疗(放疗)的目的是让肿瘤靶区接受到致死剂量的照射,同时使肿瘤靶区周围的正常组织及危及器官受到的照射剂量尽可能的低。重离子束与传统的光子放疗相比,具有独特的物理学和生物学特性。这使得重离子束在杀死肿瘤细胞的同时,在周围正常组织沉积的能量更少。基于上述两大优势,碳离子束是目前最好的放射治疗射线。在碳离子放射治疗中,碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域,在产生的次级粒子中以中子的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下,减少碳离子放疗中产生的次级中子和γ射线不仅对于降低放疗后出现的正常组织并发症及二次肿瘤风险有着非常重要的意义,同时也对延长束流配送系统中电子设备的使用寿命有着积极的作用。本文利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法首先模拟计算了被动式束流配送系统中各束流调制设备,如:初级准直器(Primary Collimator,PC)、脊形过滤器(Ridge Filter,RF)、射程移位器(Range Shifter)、多叶光栅(Multi-Leaf Collimator,MLC)、体表补偿器(Compensator)等。在400MeV/u碳离子束照射下,在以设备为中心200cm×200cm×200cm体积内产生的次级粒子沉积的平均当量剂量,从而找出各设备对于次级粒子剂量的贡献。其次,由于RF是被动式束流配送系统以及主动式束流配送系统中都常用的设备。本文模拟了Al、Fe、Cu作为RF材料时,在展宽分别为3cm、6cm、9cm、12cm时产生的次级中子和γ射线所沉积的平均当量剂量。最后,模拟了400MeV/u碳离子束分别照射MLC形成的典型10cm×10cm方形与直径5cm圆射野时,产生的次级中子和γ射线所沉积的平均当量剂量及空间分布特性等。模拟结果显示:在HIMM被动式束流配送系统中钨材料制作的MLC叶片产生的次级粒子是束流配送系统中次级粒子的主要来源。随着RF材料的原子序数增高,在以RF为中心的体积内产生的次级粒子逐渐增加,在水模体中产生的次级粒子基本保持不变。同种材料的RF产生的次级粒子在以其为中心体积内沉积的剂量随着RF展宽Bragg峰(SOBP)宽度的增加逐渐增加,在水模体中沉积的剂量随着RF展宽的增加逐渐减小。碳离子束通过MLC形成射野后在水模体中产生的次级中子主要分布在水模体的入射端,次级γ射线较为均匀的分布在整个水模体内,且较多分布在具有展宽SOBP射野在水模体中贯穿时的坪区。在MLC叶片周围产生的次级粒子随着MLC叶片材料原子序数的增加逐渐增加。并且次级粒子在以MLC为中心200cm×200cm×200cm体积内沉积的剂量比在水模体中沉积的要少。研究结论:本文利用蒙特卡罗方法模拟计算HIMM被动式束流配送系统中各束流调制设备产生次级粒子的情况。建议作为RF材料可以选用原子序数高的材料如Cu来替代现用的材料Al,从而降低设备加工的难度。综合考虑MLC叶片厚度与产生的次级粒子,在要求设备紧凑性时,钨铜合金是较好的选择。对于产生的次级粒子要求较高时,Fe、Ni、Cu以及铜锌合金是较好的选择。实际应用中,MLC叶片材料以及其他束流设备材料的选择,需根据具体的要求来确定。