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基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究

顾少娴 崔凤洁 王宁宇 尹楚欧 张盛元 胡金有 蔡芸竹 吴章文 汪俊 李霞 勾成俊

顾少娴, 崔凤洁, 王宁宇, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 汪俊, 李霞, 勾成俊. 基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
引用本文: 顾少娴, 崔凤洁, 王宁宇, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 汪俊, 李霞, 勾成俊. 基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
Shaoxian GU, Fengjie CUI, Ningyu WANG, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Jun WANG, Xia LI, Chengjun GOU. Simulation of Neutron Moderating Materials Performance Based on BNCT of 2.5 MeV Proton Accelerator[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
Citation: Shaoxian GU, Fengjie CUI, Ningyu WANG, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Jun WANG, Xia LI, Chengjun GOU. Simulation of Neutron Moderating Materials Performance Based on BNCT of 2.5 MeV Proton Accelerator[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073

基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
基金项目: 科技部国家重点研发计划(2016YFC0105103)
详细信息
    作者简介:

    顾少娴(1996−),女(满族),辽宁丹东人,硕士研究生,从事辐射物理与医学物理研究;E-mail: 3239286191@qq.com

    通讯作者: 勾成俊,E-mail: goucjscu720@scu.edu.cn
  • 中图分类号: R815.6

Simulation of Neutron Moderating Materials Performance Based on BNCT of 2.5 MeV Proton Accelerator

Funds: National Key Research and Development Programme of China(2016YFC0105103)
More Information
  • 摘要: 基于加速器中子源的硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)是新一代的放射治疗方法,束流整形体(Beam Shaping Assembly, BSA)作为硼中子俘获治疗装置的重要组成部分,其作用是将中子源中的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eV~10 keV),并尽可能减少快中子、热中子以及$\gamma $射线的成分,使其满足BNCT用于治疗的中子束要求。本工作基于蒙特卡罗软件包Geant4(Geometry and Tracking),以2.5 MeV,10 mA质子流强的7Li(p, n)7Be中子源为对象,研究分析了AlF3 、Fluental、Al2O3、Al作为慢化体材料时,不同的厚度对束流出口处的超热中子注量率、超热中子注量与热中子注量比值、快中子成分、$ \gamma $成分所产生的影响。计算表明,当选用厚度为25 cm的AlF3作为慢化体材料时,经过整形慢化后的超热中子束的束流参数,均满足国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)的中子束流参数推荐值。
  • 图  1  7Li(p, n)和9Be(p, n)反应截面[12]

    (a) 是7Li(p, n)反应在不同的入射质子能量下的反应截面数据,7Li(p, n)反应阈能为1.89 MeV,在入射质子能量2.25 MeV处,7Li(p, n)的反应截面有一个峰;(b) 是9Be(p, n)反应在不同的入射质子能量下的反应截面数据,9Be(p, n)反应阈能为2.057 MeV。

    图  2  BSA结构模型图

    图  3  10B (n, α)7Li反应的中子俘获截面

    图  4  不同慢化体材料下中子束流参数随轴向厚度的变化关系

    (a) 是慢化装置出口处的超热中子注量率Φepi/(109 cm−2·s−1),IAEA推荐值~109,当慢化体的厚度在30~45 cm,AlF3和Fluental满足要求;当慢化体的厚度在15~35 cm,Al2O3和Al满足要求。(b) 是超热中子注量与热中子注量比值Φepi/Φth,IAEA推荐值> 100,当慢化体的厚度在10~25 cm,AlF3和Fluental满足要求;当慢化体的厚度在10~15 cm,Al2O3满足要求;Al不满足要求。(c) 是快中子剂量与超热中子注量比值Df/Φepi(Gy·cm2),IAEA推荐值< 2×10−13 Gy·cm2,当慢化体的厚度在25~35 cm,AlF3满足要求;当慢化体的厚度在25~40 cm,Fluental满足要求;当慢化体的厚度在25~40 cm,Al2O3满足要求;当慢化体的厚度在35~50 cm,Al满足要求。(d) 是$\gamma $剂量与超热中子注量比值$ {{D}}_{\gamma } $/Φepi(Gy·cm2),IAEA推荐值< 2×10−13 Gy·cm2,当慢化体的厚度在20~50 cm,AlF3和Fluental满足要求;当慢化体的厚度在15~45 cm,Al2O3满足要求;当慢化体的厚度在30~50 cm,Al满足要求。

    表  1  质子轰击锂靶、铍靶产生的中子产额、平均能量、最高能量数据对比

    质子能量
    /MeV
    中子产额平均能量/keV最高能量/keV
    7Li9Be7Li9Be7Li9Be
    1.9 2.51$ \times $10−6 0 38 0 76 0
    2.1 6.39$ \times $10−5 1.08$ \times $10−7 126 108 387 314
    2.3 1.89$ \times $10−4 2.86$ \times $10−6 245 233 583 571
    2.5 2.11$ \times $10−4 1.13$ \times $10−5 338 290 778 589
    2.8 3.11$ \times $10−4 4.07$ \times $10−5 465 424 1 085 890
    3.0 4.49$ \times $10−4 6.44$ \times $10−5 510 506 1 293 1 106
    3.2 4.67$ \times $10−4 8.62$ \times $10−5 613 598 1 569 1 483
    3.5 5.84$ \times $10−4 1.32$ \times $10−4 731 712 1 830 1 610
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    表  2  IAEA推荐出口处能谱参数

    中子束参数推荐值
    Φepi/(cm−2 · s−1)~109
    Φepi/Φfast>20
    Φepi/Φth>100
    Df/Φepi/(Gy·cm2)<2×10−13
    ${{\rm{D}}_\gamma } $/Φepi/(Gy·cm2)<2×10−13
    快中子(Φfast)E>10 eV
    超热中子(Φepi)0.5 eV<E<10 keV
    热中子 (Φth)E<0.5 eV
    下载: 导出CSV
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图(4) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-09
  • 修回日期:  2021-12-03
  • 刊出日期:  2022-09-20

基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
    基金项目:  科技部国家重点研发计划(2016YFC0105103)
    作者简介:

    顾少娴(1996−),女(满族),辽宁丹东人,硕士研究生,从事辐射物理与医学物理研究;E-mail: 3239286191@qq.com

    通讯作者: 勾成俊,E-mail: goucjscu720@scu.edu.cn
  • 中图分类号: R815.6

摘要: 基于加速器中子源的硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)是新一代的放射治疗方法,束流整形体(Beam Shaping Assembly, BSA)作为硼中子俘获治疗装置的重要组成部分,其作用是将中子源中的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eV~10 keV),并尽可能减少快中子、热中子以及$\gamma $射线的成分,使其满足BNCT用于治疗的中子束要求。本工作基于蒙特卡罗软件包Geant4(Geometry and Tracking),以2.5 MeV,10 mA质子流强的7Li(p, n)7Be中子源为对象,研究分析了AlF3 、Fluental、Al2O3、Al作为慢化体材料时,不同的厚度对束流出口处的超热中子注量率、超热中子注量与热中子注量比值、快中子成分、$ \gamma $成分所产生的影响。计算表明,当选用厚度为25 cm的AlF3作为慢化体材料时,经过整形慢化后的超热中子束的束流参数,均满足国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)的中子束流参数推荐值。

English Abstract

顾少娴, 崔凤洁, 王宁宇, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 汪俊, 李霞, 勾成俊. 基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
引用本文: 顾少娴, 崔凤洁, 王宁宇, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 汪俊, 李霞, 勾成俊. 基于2.5 MeV质子加速器BNCT装置的中子慢化材料性能模拟研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
Shaoxian GU, Fengjie CUI, Ningyu WANG, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Jun WANG, Xia LI, Chengjun GOU. Simulation of Neutron Moderating Materials Performance Based on BNCT of 2.5 MeV Proton Accelerator[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
Citation: Shaoxian GU, Fengjie CUI, Ningyu WANG, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Jun WANG, Xia LI, Chengjun GOU. Simulation of Neutron Moderating Materials Performance Based on BNCT of 2.5 MeV Proton Accelerator[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 367-372. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021073
    • CA(A Cancer Journal for Clinicians)杂志提供的全球最新癌症数据显示,2020年全球新增癌症病例大约1 930万例(不计非黑素瘤皮肤癌为1 810万例)和将近1 000万例癌症死亡(不计非黑素瘤皮肤癌为990万例)[1]。中国作为世界人口第一大国,癌症发病率和癌症死亡率居于世界前列。根据国际癌症机构提供的GLOBOCAN数据预测,癌症发病率和癌症死亡率仍将持续增长,到2040年,全球癌症新增将达到2 849万例,相比于2020年上升了47%,且发展程度较低或中等的国家病例增幅最大,分别为95%和64%。

      手术(surgery)、放疗(radiation therapy)和化疗(che-motherapy)是治疗和控制癌症的三大主要手段。据统计,患者在治疗过程中使用到放射治疗的概率约为70%,患者根治性治疗过程中使用放疗的比例超过40% [2]。硼中子俘获治疗是新一代的放射治疗方法,其原理是给患者注射与肿瘤有特异性亲和力的含10B化合物,利用热中子局部照射靶向聚集在肿瘤部位的10B,10B俘获中子后会发生核反应10B (n, α)7Li,反应方程如下:

      $$ \begin{split} \left\{\begin{array}{l}{}_{}{}^{10}\mathrm{B}+{n}_{\mathrm{t h}}^{}\to {}_{}{}^{4}\mathrm{H e}\left(1.47 \; \mathrm{MeV}\right)+{}_{}{}^{7}\mathrm{L}\mathrm{i}\left(0.84 \; \mathrm{MeV}\right)+ \\ \quad\qquad\qquad \mathrm{\gamma }\left(0.478 \; \mathrm{MeV}\right)\left(93.7\text{%}\right)\\ {}_{}{}^{10}\mathrm{B}+{n}_{\mathrm{th}}^{}\to {}_{}{}^{4}\mathrm{H}\mathrm{e}\left(1.78 \; \mathrm{MeV}\right)+{}_{}{}^{7}\mathrm{L}\mathrm{i}\left(1.01 \; \mathrm{MeV}\right)\left(6.3\text{%}\right)\end{array}\right.。 \end{split} $$

      反应产生的$\alpha $粒子具有射程短($\alpha $粒子的射程约9 µm,相当于一个肿瘤细胞的直径)、传能线密度(Linear Energy Transfer, LET)高、相对生物效应(Relative Biological Effectiveness, RBE)高等特点,所以$\alpha $粒子只对肿瘤细胞起作用,而不损伤周围正常的组织[3]。采用超热中子照射时,可利用其深穿透能力实现深部肿瘤治疗。

      硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)至今仍难以大规模投入使用的难题之一就是中子源的问题[4],随着加速器技术的进步,BNCT从利用反应堆中子源的方式,转变到基于加速器驱动中子源的应用模式(Acceleraror-Based Neutron Sources, ABNS)[5]。与反应堆中子源相比,基于加速器驱动的中子源具有造价低、运行维护简单、可治疗深部肿瘤、可以在人口稠密地区医院普及使用等优点[6]

      在使用质子加速器轰击靶产生中子时,产生的快中子不可以直接用于治疗,需要对BNCT装置的束流整形组件进行优化。束流整形组件(Beam Shaping Assembly, BSA)主要由以下几部分构成:靶、反射体、慢化体、$ \gamma $屏蔽体、热中子吸收层等[7]

      本文主要利用蒙特卡罗研究方法,计算1.9~3.5 MeV质子束轰击靶后产生的中子产额、中子平均能量,得出以2.5 MeV、10 mA质子流强的7Li(p, n)7Be中子源为对象的BNCT装置的束流整形组件中慢化体材料的特性,通过改变慢化体的材料和厚度,研究BSA出口处中子束流的各项指标。

    • 基于低能质子加速器的中子源一般采用锂靶或者铍靶,利用核反应7Li(p, n)7Be和9Be(p, n)9B反应产生中子。锂靶的优点在于接近阈值附近的中子能量较低,所以可以通过调节入射质子能量来产生不同能量的中子;铍靶的优点在于反应产生的中子平均能量低、制靶较容易[8],但是铍靶的熔点和比热容都很高,低能质子入射后,会在靶体内形成很高的能量沉积,所以对散热要求很高。图17Li(p, n)和9Be(p, n)反应截面的对比,7Li(p, n)7Be的反应阈能为1.89 MeV,在入射质子能量2.25 MeV处,7Li(p, n)的反应截面有一个峰,当能量大于2.25 MeV之后,提高入射质子能量,反应截面却在下降,中子产额增速较为平缓。9Be(p, n)9B的反应阈能为2.057 MeV,当2.5 MeV质子入射时,铍靶的中子产额约为锂靶中子产额的6%,如表1所列 。表1列出了质子轰击锂靶、铍靶产生的中子产额、平均能量和最高能量数据对比。在质子能量低于10 MeV时,7Li中子产额高于9Be,所以本文的设计基于锂靶[9-11],选择2.5 MeV质子束轰击锂靶产生中子,并对其产生的中子进行慢化。

      图  1  7Li(p, n)和9Be(p, n)反应截面[12]

      表 1  质子轰击锂靶、铍靶产生的中子产额、平均能量、最高能量数据对比

      质子能量
      /MeV
      中子产额平均能量/keV最高能量/keV
      7Li9Be7Li9Be7Li9Be
      1.9 2.51$ \times $10−6 0 38 0 76 0
      2.1 6.39$ \times $10−5 1.08$ \times $10−7 126 108 387 314
      2.3 1.89$ \times $10−4 2.86$ \times $10−6 245 233 583 571
      2.5 2.11$ \times $10−4 1.13$ \times $10−5 338 290 778 589
      2.8 3.11$ \times $10−4 4.07$ \times $10−5 465 424 1 085 890
      3.0 4.49$ \times $10−4 6.44$ \times $10−5 510 506 1 293 1 106
      3.2 4.67$ \times $10−4 8.62$ \times $10−5 613 598 1 569 1 483
      3.5 5.84$ \times $10−4 1.32$ \times $10−4 731 712 1 830 1 610
    • 超热中子束流可用来进行深部肿瘤的BNCT治疗,其具有良好的治疗效果。在开展加速器BNCT治疗时,为获得较高注量率水平的超热中子束,需要加慢化体及反射层。反射层需要选择高质量数的材料,本文选用Pb作为反射层的材料[13]。考虑到反应Li(p, p′)Li反应及中子活化产生的$ \gamma $射线对患者产生的影响,需要在束流装置中增加$ \gamma $射线屏蔽层,选择Bi作为$ \gamma $射线屏蔽材料。同时,为了降低热中子污染,需要在中子慢化体后加一层Cd片,作为热中子吸收材料[14]

      本研究选取的加速器BNCT束流装置几何结构如图2所示。质子束以2.5 cm半径均匀入射到半径为3 cm的靶体上,锂靶厚0.2 mm。质子流强为10 mA,能量为高斯分布,$ \sigma =0.2 \; \mathrm{M e V} $。装置采用Pb作为反射层,直径为600 mm,厚度为1 000 mm;Bi作为$\gamma $射线屏蔽层,直径为400 mm,厚度为40 mm;Cd作为热中子屏蔽层,直径为400 mm,厚度为1 mm;慢化体材料为本论文研究的待选材料,直径400 mm。

      图  2  BSA结构模型图

      慢化体的作用是将质子轰击靶产生的快中子迅速慢化到超热中子能区,同时应尽量减少热中子和γ射线的产生。慢化材料应具有低中子吸收截面、高中子散射截面等特点[15]。中子在与高质量数核碰撞时损失能量较小,达不到好的慢化效果;中子与高质量数核碰撞时损失能量大,会产生较多的热中子以及$\gamma $射线[16]。同时考虑到在进行BNCT时需要控制较短的治疗时间,就要求超热中子注量率足够高,慢化体材料需要有足够高的慢化效率。

      综合以上因素,以下几种原子是我们经常考虑的,19F的第一激发态为109.9 keV,高能量中子在与其单次碰撞后会失去109.9 keV的能量,而且19F在100 keV以上有较高的非弹性散射截面,使快中子快速失去能量。19F与中子反应截面在40 keV以上有很多共振峰[17],在40 keV以下主要发生弹性散射,其原子质量适中,可以通过控制其材料厚度,保证中子不被过度慢化。

      27Al也是一种做为慢化剂的优秀材料,其原子质量较大,在与中子的单次弹性碰撞中损失的能量较小,可以与其它原子质量较小的元素配合使用,可以有效地控制中子能量的降低。根据27Al与中子反应截面[17]27Al在能量20 keV左右有很多共振峰,而在20 keV 以下主要发生弹性散射。27Al 的第一激发态为843.8 keV,中子在与其单次碰撞中损失843.8 keV的能量,可以使高能量的快中子迅速慢化。16O的原子质量适中,在能量400 keV以上很多共振峰,可以与27Al元素相结合,防止对应能量区间的中子丢失。

      6Li也是作为慢化剂常考虑的材料,6Li具有很高的热中子吸收截面,含有6Li的慢化体材料可以俘获热中子,降低热中子的产额[18]。另外6Li的原子质量较小,在单次碰撞中损失的能量更多,具有的弹性散射能力可以均匀快速地慢化中子。

      在查阅文献后,选择了几种较为常见的超热中子慢化材料:AlF3 、Fluental、Al2O3、Al。其中Fluental是由芬兰开发的一种专利材料,设计初衷是作为反应堆BNCT慢化剂,其成分是质量分数为69%的AlF3、质量分数为30%的Al、质量分数为1%的LiF。

    • 本研究采用的模拟计算软件是由欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research, CERN)基于C++面向对象技术开发的蒙特卡罗软件包Geant4 10.06版本[19]。Geant4能够模拟多种物理过程,广泛地应用于核物理、粒子物理、医学物理等方面。本文在对物理列表进行模拟分析后,选择使用QGSP_BIC_ALLHP物理列表,用来模拟低能的核反应以及复合的输运过程[20]。QGSP_BIC_ALLHP描述了keV至 MeV能量范围的中子与物质相互作用的过程。本研究模拟的源粒子数量为1×108个。

    • 图310B (n, α)7Li反应的中子截面图,吸收截面与中子能量成反比[21]。因此,癌细胞的位置需要高强度、低能量的中子来诱导硼捕获中子。用于BNCT的中子束,一般由热中子、超热中子、快中子组成。在进行BNCT的治疗过程中,计算对人体组织产生的辐射剂量主要可以分为以下四类[22-23]

      图  3  10B (n, α)7Li反应的中子俘获截面

      (1) 硼剂量(DB):由人体组织中的10B吸收热中子后,发生10B (n, α)7Li核反应后产生的α粒子和7Li粒子在组织中的剂量;

      (2) 热中子剂量(Dth):主要来源于人体组织中的14N 吸收热中子后发生14N(n, p)14C核反应,产生的质子和14C粒子在组织中的能量沉积;

      (3) 快中子剂量(Df):主要由超热中子和快中子与人体组织中的氢原子发生1H(n, n')1H核反应后,生成的反冲质子在组织中产生的剂量;

      (4) 光子剂量($D_{\gamma }$):在治疗过程采用的中子射线束在人体组织中发生核反应后诱发光子所引起,主要由氢吸收热中子后发生1H(n, $\gamma $)2H核反应生成瞬发光子的剂量组成。

      在选择慢化体的材料时,需要有一个标准的优化指标。本文选用国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)于2001年发布的介绍关于硼中子俘获治疗研究进展的报告(IAEA-TECDOC-1223)所推荐的出口处能谱参数为参考标准[24],如表2所列。

      表 2  IAEA推荐出口处能谱参数

      中子束参数推荐值
      Φepi/(cm−2 · s−1)~109
      Φepi/Φfast>20
      Φepi/Φth>100
      Df/Φepi/(Gy·cm2)<2×10−13
      ${{\rm{D}}_\gamma } $/Φepi/(Gy·cm2)<2×10−13
      快中子(Φfast)E>10 eV
      超热中子(Φepi)0.5 eV<E<10 keV
      热中子 (Φth)E<0.5 eV

      本文中慢化体材料的厚度变化范围为10~50 cm,步长为5 cm,分别计算了慢化装置出口处的超热中子注量率Φepi、超热中子注量与热中子注量比值Φepi/Φth、快中子剂量与超热中子注量比值Df/Φepi$\gamma $剂量与超热中子注量比值$ {\rm{D}}_{\gamma } $/Φepi随慢化体材料厚度的变化,模拟结果如图4所示。从图中可以看出,厚度在25~35 cm的范围内,超热中子注量率由高到低依次为AlF3 、Fluental、Al2O3、Al,故排除Al。AlF3和Al2O3$\gamma $成分${\rm{D}}_{\gamma } $/Φepi 最低,又因为Fluental不易获取,故排除。而在20~30 cm 的范围内,只有AlF3的超热中子注量与热中子注量比值Φepi/Φth>100,排除Al2O3。综上分析,最后选定慢化体材料为AlF3,厚度为25 cm是最佳的慢化结果。

      图  4  不同慢化体材料下中子束流参数随轴向厚度的变化关系

    • 本文利用蒙特卡罗程序Geant4模拟计算了利用2.5 MeV、10 mA流强的质子束流轰击锂靶产生的中子产额,研究分析了AlF3 、Fluental、Al2O3、Al作为慢化体材料时不同的厚度,束流出口处的超热中子注量率、超热中子注量与热中子注量比值、快中子成分、$\gamma $成分。结果表明:当选用AlF3作为慢化体材料,厚度为25 cm是最佳的慢化条件,可以较好地满足IAEA的推荐值。在后续的工作中将继续进一步分析BSA的主要部件结构材料(慢化体、反射层和屏蔽体)的尺寸对BSA出口处中子束流品质的影响以及它们之间的相互影响问题。

参考文献 (24)

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