放疗机房防护的Geant4模拟

朱煜和 吴芳 边界 曾宇 杨卫春 刘娱

摘要：目的：使用Geant4软件对加速器机房进行防护设计。方法：加速器屏蔽墙采用常用的混凝土结构，迷道采用L型结构，以国家标准GBZ/T2012为准则，调试模拟参数，对机房的屏蔽进行模拟计算。结果：模拟计算得到机房屏蔽模型，能够保护放射工作人员安全和满足放疗使用的需要。

关键词：辐射屏蔽;Geant4

中图分类号：R148 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0010-02

加速器放疗机房的修建，除了要求在建造结构上结实耐用外，还要求屏蔽墙对机房内产生的原散射线、漏射线、散射线有效屏蔽保证机房外工作人员和候诊人员的身体健康不受危害。本文尝试用Geant4对加速器治疗室的屏蔽进行了模拟以及评价。

1材料和方法

1.1基本情况

加速器治疗室内，长8m，宽6.6m，高度为3.8m。屏蔽墙包括主屏蔽墙、次屏蔽墙、副屏蔽墙及迷道内、外墙。迷道的宽度为1.5m。加速器为Varian加速机器，可出电子线、6MV和15MV的X线。加速器可以开展调强治疗，治疗时默认剂量率600MU/min。加速器的工作负荷跟病人数量有关，病人的数量增加，加速器的负荷增加，要求防护墙厚度就越厚。初步取加速器工作负荷为w=1800Gy.m2/wk。根据国家辐射防护标准关于职业放射工作人员限值在照射以周计，则吸收剂量控制值为H.w=0.4mSv/wk。加速器机房模型如图：

1.2模拟方法

将加速器出的X射线能谱进行离散化，得到一个离散的X射线组，该组内不同能量射线具有不同权重。设计1m*1m*1m的水箱，放置于源皮距离100cm处。加速器射野开到最大，为40cm*40cm。模拟在深度5cm处，射线组各能量射线束按其对应强度的沉积能量。得到该深度处吸收剂量为0.866cGy时，各能量组所需的最小模拟次数。由于加速器校准时，在参考深度，1MU=1cGy。由此就可以模拟出加速器不同负荷下，对应模拟射线粒子数在机房产生的能量沉积。

加速器机房墙体由混凝土组成，混凝土密度2.03g/cm³。混凝土组成成分为：H、O、Na、Hg、Al、Si、K、Ca、Fc、C。各种混凝土的密度和组成成分会有细微差别。治疗室内为空气，密度是1.002g/cm³。机房防护计算包括主屏蔽墙、次屏蔽墙、副屏蔽墙、迷道内墙和迷道外墙的厚度模拟计算。

在模拟过程中，为了提高模拟效率。对模拟进行了一些优化。

（1）将X线能谱离散化进行模拟，省略之前的加速管电子轰击靶的过程。

（2）X射线能量低，穿透能力弱，能量高，穿透能力强。6MV-X射线平均能量为0.73M峰值能量为1.67MeV。在实际模拟过程中，忽略低于0.73MeV的低能成分，提高了模拟效率，同时保证模拟精度。

（3）采用并行计算，以节省模拟时间。

1.3模拟内容

1.3.1主屏蔽墙的防护

主屏蔽墙包括加速器机头90度、270度、180度所对墙体。对主屏蔽墙主要考虑初级射线的防护。逐次增加防护墙的厚度，治疗室外的吸收剂量逐渐减少，这与X射线的衰减规律变化一致。直到治疗室外吸收剂量低于职业放射工作人员剂量限值，结束模拟。

由表中可以看见。当墙厚度大于1.6m时，治疗室外强度满足辐射防护要求。

1.3.2次屏蔽墙的防护

次屏蔽墙与主屏蔽墙直接相连，且处于同侧。次屏蔽墙需考虑泄露X射线和散射X射线的防护。

1.3.3副屏蔽墙和迷道内墙的防护

副屏蔽墙和迷道内墙。主要考虑泄露X射线的防护。辐射防护要求泄露X射线不超过主屏蔽墙的0.1%。由模拟结果，当副屏蔽墙厚度只要有0.8m时，墙外剂量率为0.2998mSv/wk，即能够满足要求。

1.3.4迷道外墙的防护

本文的迷路类型为L型迷路，有用线束不向迷路内墙照射。主要考虑泄露X射线。

1.3.5 15MV-X线的屏蔽计算

15MV-X线在机房内会产生中子。因此机房的屏蔽必须考虑中子。Geant4的物理过程提供了产生中子的核反应过程，以及中子物理過程。因而能够完全模拟15MV-X线与混凝土的作用。

2结果

加速器各屏蔽墙的厚度和文献屏蔽墙厚度对比如下。同时我们还给出了该屏蔽厚度下对应的墙外吸收剂量模拟数值。由表可见，该屏蔽厚度能满足6MV-X线的防护要求。

我们还模拟了该主屏蔽墙厚度下，加速器出15MV-X线时防护墙外的剂量率，由模拟结果知道，可以屏蔽6MV-X线的主屏蔽墙的墙外剂量率为5.03mSv/wk。该设计下的治疗室不可以用于15MV-X线治疗。

3讨论

1）Geant4提供了可视化的功能。在模拟调式过程中相对MCNP，EGS等模拟软件有优势，可以直观对治疗室的结构进行修改和优化。

2）Geant4.10.0以后的版本支持并行计算。而现在的计算机多为多个CPU。在模拟时使用并行功能，可以提高模拟效率。

3）本文主要讨论了对6MV-X线的屏蔽。对一些医院钴机房改造成直线加速器机房具有借鉴意义。同时考虑了加速器较高负荷下的工作人员的所受剂量，考虑了后期放疗病人的增加。