医用电子直线加速器基本原理与职业防护

张秀文 张永寿 郑庆海 汪鹏飞 李 岩 宋天一

1 医用电子直线加速器基本结构及工作原理

医用电子加速器是采用微波电场将电子加速到高能的一类射线装置，它能够根据患者病变部位治疗深度的要求提供不同能量的光子和电子，从而输出不同的辐射剂量以达到治愈疾病的目的[1]。

行波电子直线加速器和驻波电子直线加速器的具体结构虽各有其特点，但主要系统大致相同，由加速系统、应用系统、剂量检测系统、控制系统以及恒温水冷却和充气系统五大部分组成(如图1所示)，图中虚框部分为直射式加速器治疗头。

1.1 加速系统

加速系统是医用电子直线加速器的核心，由加速管、微波功率源、微波传输系统、电子注入系统和高压脉冲调制系统等组成。

图1 医用电子直线加速器的基本结构

(1)加速管是由电子枪、加速结构、引出系统、离子泵组成。电子枪产生电子，在阴极和阳极间的高压电场作用下，以一定的初始动能从阴极中心孔道注入加速腔。微波功率经耦合波导馈入后，在其中产生行波或驻波电磁场。引出系统的作用是将电子束引出。低能机的加速管较短，大多采用直射式；中、高能机的加速管较长，采用带偏转磁铁的偏转式引出系统。真空系统采用离子泵吸收气体，维持加速管的真空状态。

(2)微波功率源，其频率为2998 MHz和2856 MHz。功率源通常在低能时用磁控管，高能时用速调管。速调管比磁控管更能直接可靠地提供高能机所要求的高峰值RF脉冲功率。

(3)微波传输系统，其主要由传输波导构成。在行波传输系统中，用隔离器吸收反向传输的微波以保护微波功率源。在驻波传输系统中，由于反射功率强，需采用环流器作为隔离器件。为提高波导系统的耐压能力，通常在其中充满氟利昂或六氟化硫气体。

(4)高压脉冲调制系统，其作用是向微波功率源提供具有一定波形和频率的脉冲高压，一般由高压直流电源、脉冲形成网络、自动电压控制电路、开关电路和脉冲变压器组成。

(5)电子注入系统包括电子枪、预聚焦线圈和导向线圈。电子枪用于发射电子，预聚焦线圈和导向线圈安装在电子枪和加速管之间，以确保从电子枪发射的电子以较小的散射角注入加速管。

(6)束流和偏转系统。束流系统一般包括聚焦线圈、对中线圈、束流偏转磁铁或扫描磁铁，利用磁场对电子束进行限制、偏转、聚焦。为了克服电子束同种电荷的斥力所产生的散焦和径向电场对电子的散焦作用，在加速管外设置有聚焦线圈，用以产生轴向磁场，使电子产生径向聚焦力。低能机的加速管较短，不用偏转系统即可在X射线靶处获得直径为3 mm以内的射束，称为直射型加速器。而高能机的加速管长度约在1～2.5 m，必须用聚焦偏转系统来制约电子束的直径，并在出口处偏转90o～270o轰击X射线靶或者穿过电子窗输出高能X线或电子束。

1.2 应用系统

1.2.1 治疗头

治疗头主要由电子引出窗、X射线靶、初级准直器、均整器、散射箔、光栅、电离室、附件架、限光筒、光野灯和反射镜、光距灯和屏蔽块组成。其作用是使所投射的辐射符合放射治疗的特殊要求。当加速器输出X射线时，治疗头内各部件的位置和工作状态如图2所示。

图2 X射线治疗模式下治疗头内各部件状态

在选定X射线治疗模式时，加速器会自动将“靶窗转换装置”的“X射线靶”对准电子束，电子打靶产生X射线。打靶前的电子能量越高，输出的X射线的能量就越高。在射野范围内，输出的X射线呈中间强、周边弱的峰形束流，为使射野内的束流强度均匀，加速器会自动将中间呈凸出状的圆锥形均整块移到靶下面。由于均整块中间厚周边薄，射线穿过后中央部分的射线强度被减弱而输出能量均匀平坦的X射线束。在均整块前方安装的是用来监测输出射线的电离室。电离室通常是多极透射型平板结构，包括2道剂量检测通道和2组4道或3组6道剂量均整度检测通道，可以即时检测输出射线的剂量特性和均整程度。

治疗头内部设置的初级准直器的作用是将射线限定为一束圆锥形束流。次级准直器通常是由两对4个铅门对称设置，每个铅门可以独立运动，这样就可以根据病变的大小合理设置射野，此时只能设定方形射野。对于不规则的射野，通常是在托盘上摆放特制形状的铅挡块使之符合治疗区域的形状要求。为了开展精确放射治疗技术，近年来生产的高能医用电子直线加速器将次级准直器改为动态多叶准直器，由数十对相对独立的叶片构成，每个叶片由一个步进电机控制，可以独立运动，各个叶片的运动由计算机控制完成，从而可以实现“适形治疗”和“调强治疗”技术，以达到精确治疗的目的。

当加速器输出电子线时，治疗头内各部件的位置和工作状态如图3所示。

图3 电子线治疗模式下治疗头内各部件状态

在选定电子线治疗模式时，加速器会自动将“X射线靶”移开，把“窗”对准电子束，电子线直接从窗口引出。这时引出的电子束是窄束射线，束流直径只有3 mm不能满足临床治疗要求，必须展开成为散射状束流。因此，当选定电子线治疗模式时，加速器会自动将均整块移开，并将与电子束能量相适应的金属散射箔移至窗口下。经过散射箔的散射后电子束成为散射状束流，然后经典铃声检测、次级准直器和电子束限光筒的准直限束，最后到达病变部位。由于最后输出的电子射线仍然容易散射，电子束限光筒做得比较长，让输出端口直接贴近患者皮肤，以减少周围组织的射线受量，最大限度地保护正常组织。

1.2.2 机架及治疗床

治疗床可以前、后、左、右、上、下移动，还可以旋转运动(如图4所示)。现代医用电子直线加速器采用等中心原则的运动系统，即机架、辐射头及治疗床三者的旋转轴线交于一点、该点称为等中心，要求中心误差在±2 mm以内。

1.3 剂量监测系统

剂量监测系统由电离室、信号放大器及监测剂量仪组成。电离室位于辐射系统之内，由若干片极所构成，其中有两对用于监测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度，有一片用于监测辐射的能量变化，有两片用于监测辐射的吸收剂量。配备剂量联锁装置，保证剂量给定。

1.4 控制系统

控制系统包括以下方面∶①各种电源；②连锁保护，包括水流、水温、水压、高压过载、微波功率源打火等各种保护；③自动控制，包括自动频率控制、自动剂量率控制、自动均整度控制、自动楔形过滤器控制、弧形旋转控制等；④正常治疗的程序控制，包括待机、预定、准备、出束等状态的程序控制。

1.5 冷却系统

冷却系统用来带走加速管、靶、聚焦线圈、偏转磁铁线圈、微波功率源、隔离器(或环流器)及吸收负载等在工作中产生的热量，确保机器的工作温度维持在所需范围内。

2 正常工作条件下医用电子直线加速器的主要辐射危害

在加速器工作场所工作的人员所接受的放射性辐射危害主要来自于加速器工作场所中所受到的照射，在控制室内操作时受到的贯穿辐射的照射及治疗室内摆位时受到的放射性气体和感生放射性的照射[2-3]。

(1)泄漏辐射的照射，按一般医院放射治疗工作负荷为2250 Gy/wk，则加速器年出束时间为469 h(50周•周工作负荷2250 Gy•wk-1/剂量率400 cGy•min-1)。控制室内辐射水平控制目标值为0.25 μSv/h，则该场所放射工作人员年受照剂量为0.12 mSv。

图4 医用电子直线加速器机械运动示意图

(2)放射性气体，加速器在运行中会产生和排放一定放射性有害气体，放射工作人员在加速器治疗室内所受到放射性气体(湮没辐射)的照射剂量[3]进行估算结果如下∶

式中∶①H为工作人员每次摆位中所受放射性气体的照射剂量，μGy；②Q为放射性气体产生率与X射线吸收剂量指数率的比值，对13N取2.03×10-2，15O可忽略不计；③D为距源1 m处X射线输出剂量，取6 Gy/ min；④Ee为加速器最高标称能量，取15 MeV；⑤V为放射性气体扩散的体积，取治疗室容积的5%，14 m3；⑥λ为13N的衰变常数，取λ=1.155×10-3S-1；⑦N为空气交换率，取N=3h-1=8.333×10-4S-1；⑧T为放射工作人员进入治疗室所花的时间，取30 S；⑨t为照射时间，取30 S；⑩t`为工作人员摆位时间，取180 S。

将上述数据代入式(1)可得∶H=0.45 μGy。按工作人员工作负荷推算全年受放射性气体照射剂量约为0.68 mGy。

(3)感生放射性，在加速器使用15 MeV时X射线连续治疗的间歇停机中，如工作人员立即进入治疗室摆位，除了受到放射性气体的辐射外还将受到感生放射性的辐射。机头下感生放射性辐射水平与加速器的能量、剂量和停机后间隔时间等因素的有关。

3 正常工作状况下医用电子直线加速器的辐射危害因素

医用电子加速器运行时存在的辐射危害因素因加速电子所达能量的不同而有所不同。在加速器运行及运行停止后的短时刻内，存在辐射危害因素主要为以下数类[3-5]。

3.1 X射线

3.1.1 初级辐射

初级辐射是由辐射源发射经准直后直接用于放射治疗的X射线，又称为有用射束或主射束。

3.1.2 次级辐射

次级辐射由初级辐射与物质相互作用而产生的电离辐射，主要包括有用X射线束与人体、空气、治疗床材料、地面及墙表相互作用产生的一次散射X射线。

3.1.3 泄漏辐射

泄漏辐射是指辐射源发出的辐射经设备自身防护屏蔽体逃逸出的无用射线。

3.1.4 天空散射与侧散射辐射

(1)天空散射辐射∶穿过加速器屏蔽室顶的射线与室顶上方空气作用所产生的在屏蔽室外一定距离处地面附近人员驻留部位的散射辐射为天空散射辐射。

(2)侧散射辐射∶加速器射入屏蔽室顶的辐射与室顶屏蔽物质作用所产生的并穿出室顶的在加速器至屏蔽室顶所张立体角区域外的散射辐射为侧散射辐射。侧散射辐射的位置为加速器屏蔽室外一定距离处人员驻留的建筑物中高于屏蔽室屋顶的楼层。

3.1.5 中子辐射

当医用电子加速器的X射线能量高于10 MeV时，高能光子会与治疗头X射线靶、一级准直器、X射线均整器和治疗准直器等多种高原子序数的材料(如铅、钨等)发生(γ、n)光核反应而产生中子辐射。由治疗头中产生的中子分为两部分，混在X射线野内的中子称原射快中子，经治疗头衰减漏射出来的中子称为漏射中子，二者统称为直射中子。由治疗室墙壁、天花板、地板多次散射后的中子，称为散射中子，其能量较低。这些中子是放射治疗工作中所不需要的，因此又称为污染中子。中子的辐射生物效应远高于X射线、γ射线，按中子能量高低其辐射权重因子(WR)为5～20。对中子的防护，首先是将快中子慢化，然后将热中子吸收。快中子的慢化材料常用的是含氢丰富的水、石蜡和聚乙烯等。热中子的吸收材料常用硼及含硼物质。医用电子加速器机房对中子的防护主要是门对中子的防护。防护门除具有一定厚度的铅当量外，还应具有一定厚度的含硼石蜡或含硼聚乙烯。

3.2 γ射线

3.2.1 缓发辐射

缓发辐射是加速器初级和次级辐射与受照物质相互作用，使受照物质活化释放的β射线、γ射线，也就是常说的感生放射性。在使用医用电子加速器的情况下，感生放射性多数是由于它产生的污染中子而引起。空气受照射后产生感生放射性的核素有16N(7.4 s)、41Ar(1.83 h)等。在偏转磁铁上将产生62Cu(9.7 min)、64Cu(12.8 h)、66Cu(5.1 min)等；对混凝土材料将产生27Mg(9.5 min)、24Na(14.9 h)、28AI(2.3 min)等。当医用加速器按X射线模式运转其光子能量＞8 MeV时也会产生感生放射性。当加速器初级辐射能量较高(＞10 MeV)，并在多次治疗间隔停机的短时刻内，治疗头附近的感生放射性剂量率较高，对摆位人员形成照射，应特别注意防护。感生放射性核素多属于β衰变，一般发射β和(或)γ射线。对感生放射性的防护是根据其半衰期短的特点，在有条件时等其衰变到可接受水平，才可在活化物体周围活动，否则采用屏蔽法屏蔽(因β射线容易被屏蔽)。

3.2.2 俘获γ射线

在中子与物质的相互作用中，快中子可与原子核发生非弹性散射，即入射中子与原子核形成复合核，复合核放出中子后，剩余核处于基态或激发态。而处于激发态的核则立即放出γ射线而回到基态。此种γ射线的能量多在0.5～4 MeV的范围内分布。快中子在所有重原子核上的散射主要是非弹性散射。热中子被原子核吸收也放出γ射线，称俘获γ射线。大多数元素俘获γ射线的最高能量多在7～10 MeV的范围内分布，如水泥中的主要成份硅的俘获γ射线的最高能量达10.6 MeV，铁达10.16 MeV，钙达7.83 MeV，铝达7.22 MeV等。混凝土主要由硅、铁、钙、铝、氢和氧等元素组成，因此中子与其相互作用将发射出能量高达10 MeV的γ射线。热中子与物质相互作用，与快中子与原子核发生非弹性散射不同，前者被原子核俘获后不再释放出中子而释放出γ射线，即俘获γ射线。俘获γ射线的能量变化范围很宽。在放射防护中往往选择对热中子有很高的吸收截面，而又不释放出或所释放出γ射线能量低的材料。这类材料中较理想的是硼。硼具有很高的热中子吸收截面，所放出γ射线的能量约为0.5 MeV，易于防护。

4 医用电子直线加速器异常情况下辐射危害(事故照射)

当加速器装置失灵、损坏、调试和操作失误时，人员可能受到误照射，称为事故照射。在异常和事故状态下，人员可能误入正在进行治疗的机房内，或者停留于正在进行治疗的机房内而不被发现，此时将会受到散射X射线甚至主射束照射的危害[6]。

4.1 非辐射危害因素

在加速器的照射下，空气吸收辐射能量并通过电离离子的作用产生非放射性有害气体臭氧(O3)和氮氧化物(NOx)，此类气体主要采用治疗室的通风换气来控制[7]。

4.2 潜在职业病危害

国际放射防护委员会(ICRP)为了放射防护的目的和阐述剂量与效应的关系，在1990年第60号出版物中，将辐射有害效应分为确定性效应和随机性效应两种。因此，从事放射治疗职业对放射性工作人员可能造成的潜在性职业危害有确定性效应和随机性效应[8]。

4.3 确定性效应

确定性效应是指那些存在剂量阈值，且严重程度与受照剂量有关的效应。不同组织对电离辐射的敏感程度相差很大，通常在单次较低剂量照射后很少会有组织表现出有临床意义的有害作用；对于分散在数年中的剂量，对大多数组织在年剂量低于0.5 Gy时不致有严重效应，但性腺、眼晶体及骨髓较为敏感。当发生辐射事故受到意外大剂量照射(＞1 Gy)时，可致受照人员发生急性放射病，甚至在短期内死亡。

4.4 随机性效应

随机性效应是指发生概率与受照剂量成正比，而严重程度与剂量无关的效应，即“随机的或有统计性质的效应”。对于这类效应，从辐射防护的观点认为不存在剂量阈值。即使很小的剂量，也有导致随机性效应发生的危险，尽管发生率很低。通常从事放射性工作人员在医用加速器正常工作条件下受照剂量较低，因此在正常工作中极少发生确定性效应，应重视的是随机性效应，因随机性效应无阈值，即使接受很小的剂量也有发生癌症等随机性效应的可能。

5 结语

医用电子直线加速器在正常工作条件下，对从事放射性工作的人员不会产生确定性效应，发生的随机性效应概率也可控制在可接受的水平。医院应通过制定并落实严格、全面的操作规程和规章制度，强化工作人员安全意识以及配备完备、有效的防护设施，以避免或降低事故照射发射的概率。加速器工作场所进、排风口的位置设计要合理，风机功率须符合要求。加速器及其工作场所应具有良好的屏蔽设计和多重监控、联锁系统，以保障加速器正常、安全运行[9]。

[1]顾本广.医用加速器[M].北京∶科学出版社，2003∶10.

[2]李德平.放射防护手册第一分册•辐射源与屏蔽[M].北京∶原子能出版社，1987∶8.

[3]章仲侯.放射卫生学[M].北京∶原子能出版社，1985∶11.

[4]陈敬忠.医用电子加速器的防护[M].成都∶四川科学技术出版社，2001∶6.

[5]从慧玲.实用辐射安全手册[M].北京∶原子能出版社，1994∶12.

[6]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京∶原子能出版社，1999∶9.

[7]Valentin J.国际放射防护委员会第91号出版物评价非人类物种电离辐射影响的框架[J].辐射防护，2004，24(z1)∶9-46.

[8]叶常青.ICRP1990年建议书关于辐射危险评估的新进展[J].辐射防护，1991，11(6)∶415-425.

[9]赵兰才，张丹枫.放射防护实用手册[M].济南∶济南出版社，2009∶7.