10 MV医用电子直线加速器机房屏蔽计算与分析*

王雪航

(黑龙江省疾病预防控制中心)

0 引言

由于放射治疗技术和放射治疗设备发展迅速，在肿瘤治疗方法中放射治疗越来越受重视，占有越来越重要的地位[1-3].近年来中国应用医用电子直线加速器治疗肿瘤工作飞速发展.由于医用电子直线加速器运行时产生的射线对工作人员、公众及环境的辐射安全构成威胁，医用电子直线加速器的防护和安全问题备受人们的关注，因此医院不但需要加强医用电子直线加速器的安全防护，保持设备处于安全运行状态；而且也需要重视放射治疗操作人员和治疗患者的个人自身防护，减少可以避免的非必须照射剂量.医院在应用医用电子直线加速器开展放射治疗工作中必须重视辐射防护与安全[4-5]，可靠的辐射屏蔽设计是装置运行时保障辐射安全的基础.基于安全与防护问题的考虑，该文对某医院新建10MV医用电子加速器机房的屏蔽厚度进行计算，判断其机房的屏蔽设计是否满足国家标准要求.

1 内容和方法

1.1 辐射源项分析

选取验证的医用电子直线加速器射线能量为10MV，产生X射线的最大剂量率为600cGy/min；针对装置产生X射线的初始辐射、散射辐射、泄漏辐射需采取的屏蔽防护进行计算.此型号医用电子直线加速器不具备电子束治疗功能，屏蔽防护设计计算时不涉及电子束射线[6].

1.2 机房墙体屏蔽防护设计

该医用电子直线加速器机房设计为单层的独立建筑物，机房如图1、2所示；机房屏蔽防护墙体建筑材料拟采用密度为2.35 g/cm3的普通混凝土.

图1 加速器机房平面示意图

图2 加速器机房剖面示意图

1.3 人员剂量限值的选取

1.4 屏蔽计算方法

医院提供该医用电子直线加速器周工作负荷(W)为1.53×109μGy/week，射线强度与种类为10MV 的X射线.

屏蔽厚度计算采用 《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2部分：电子直线加速器放射治疗机房》和NCRP REPORT No.151中提供的方法以及经验公式估算方法[8-9].选取的参数：利用因子(U)在照射方向为旋转照射时U为1/4，X射线次级辐射U为1；居留因子(T)在人员全居留时T为1、部分居留时T为1/4、偶然居留时T为1/16；能量为10 MV的X射线在密度为2.35 g/cm3普通混凝土中，主射线束TVL1为0.41 m、TVLe为0.37 m，漏射线TVL1为0.35 m、TVLe为0.31 m，90°方向上散射线TVL90°为0.18 m[6-7].

2 屏蔽计算

2.1 初始辐射屏蔽厚度计算

(1)选择西侧主墙关注点的位置为模具室，距离靶点为10.8 m，居留因子为1/4，利用因子为1/4，工作负荷为1.53×109μGy/week则

(2)选择东侧主墙关注点的位置为室外，距离靶点为7.6 m，居留因子为1/16，利用因子为1/4，工作负荷为1.53×109μGy/week，则同理可得东侧主墙混凝土计算厚度d东=1.86 m.

(3)选择屋顶主墙关注点的位置为上方室外，距离靶点为6.6 m，居留因子为1/16，利用因子为1/4，工作负荷为1.53×109μGy/week，则同理可得屋顶上方主墙混凝土计算厚度d屋顶=1.91 m.

2.2 泄漏辐射与患者散射屏蔽厚度计算

由于主屏蔽墙能够满足泄漏辐射和患者散射的屏蔽防护要求，因此仅考虑南、北墙泄漏辐射和患者散射.

2.2.1 南墙屏蔽厚度计算

南墙泄漏辐射屏蔽厚度计算(d泄漏):

该医用电子直线加速器X射线泄漏辐射比率η为0.001，关注点距离靶点5.8 m.

南墙患者散射辐射屏蔽厚度计算(d散射):

散射因子α为3.81×10-4.

6.93×104μSv/week

则南墙综合屏蔽厚度d南=0.86 m

2.2.2 北墙屏蔽厚度计算，方法见2.2.1

则北墙综合屏蔽厚度d北=0.86 m

2.3 迷路防护门设计验证

该医用电子直线加速器X射线标称能量为10MV，对标称能量大于或等于10MV医用电子直线加速器，迷路入口处需考虑以下辐射：

(1)中子在迷路内的散射中子；

(2)中子俘获γ射线的辐射剂量；

(3)患者散射；

(4)穿过迷路内墙的有用射线束受迷路外墙散射至迷路入口的辐射剂量；

(5)机头泄漏辐射经二次散射在迷路入口处的辐射剂量；

(6)机头泄漏辐射经迷路内墙屏蔽后在迷路入口处的辐射剂量.

因患者散射辐射的能量与中子俘获γ射线的能量相比较低，屏蔽门在防护中子俘获γ射线时，忽略不计患者散射辐射射线剂量.

总中子注量Φ的计算：

在迷路外入口处中子俘获γ射线的剂量率Dc估算：

Dc=W×Dφ=1.53×103×0.48×10-8=

7.34×10-6Sv/week=7.34 μSv/week

在迷路外入口处中子的剂量率DE估算：

DE=W×DN=1.53×103×1.13×10-8=1.73×10-5Su/week=17.30 μSv/week

图3 防护门屏蔽计算示意图

患者散射剂量率DpA估算：

24.48 μSv/week

穿过迷路内墙的有用线束受迷路外墙散射至迷路入口的辐射剂量率DwA：

机头泄漏辐射经二次散射在迷路入口处的辐射剂量率DLA：

12.99 μSv/week

机头泄漏辐射透射到迷路外入口处引起的辐射剂量率DTA：

0.038 μSv/week

外侧迷道入口泄露和散射辐射剂量率Dd：

Dd=2.64×(DpA+f×DwA+DLA+DTA)=

99.03 μSv/week

机房防护门屏蔽厚度估算：

在外侧迷道入口处中子俘获γ射线的剂量当量率为7.34 μSv/week，泄露和散射辐射剂量当量率为99.03 μSv/week，总光子剂量率为106.37 μSv/week.在迷道外入口处中子的剂量当量为17.30 μSv/week.在这种情况下，使用铅屏蔽光子辐射，而对中子几乎无屏蔽作用.使用含硼聚乙烯屏蔽中子，而对光子仅有很弱屏蔽作用.因此，对这两种辐射成分可分别独立确定屏蔽厚度，按剂量比例分配使光子剂量和中子剂量分别达到剂量设计控制值5 μSv/week 的0.8和0.2.

在迷道外入口处，光子总剂量为106.37 μSv/week.对迷道长度大于5 m，中子俘获γ射线的TVL为0.006 mPb(保守考虑，对泄露和散射辐射取相同TVL值且安全因子取2).

防护门应采用至少0.011 m厚的铅.

屏蔽中子辐射原理为吸收能量在0～1 keV的慢中子，将能量在1 keV以上中能中子、快中子以及高能中子进行减速.所以，中子屏蔽分两部分环节，第一个环节是将核反应产生的高能中子与慢化剂发生碰撞形成非弹性散射，从而损失高能中子能量；再通过与含氢物质进行弹性散射，将中子能量范围降至热能区.第二个环节是吸收慢中子，主要利用中子吸收材料吸收热中子[10-11].中子通过迷路墙壁进行多次散射，入口处平均能量约为100 KeV，在聚乙烯中TVL为0.045 m.为减少热中子成分而在聚乙烯中加入5%的硼，硼对热中子TVL为0.012 m，对于能量为2 MeV的中子TVL为0.038 m.为保证屏蔽效果，计算时偏保守选取含硼5%聚乙烯TVL为0.038 m.经计算，外侧迷路入口中子剂量为17.3μSv/week.建设单位选定中子控制剂量为5μSv/week，则中子防护厚度X计算结果为：

因此，该项目应采取0.011 m铅用于防护俘获γ射线；约0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防护中子.建议防护材料组合顺序由内向外依次为铅+含硼5%聚乙烯+铅.

2.4 初始辐射屏蔽墙宽度估算

图5 治疗室东侧主屏蔽墙宽度估算示意图

图6 治疗室屋顶主屏蔽墙宽度估算示意图

根据通行的一般原则，初始射线束在主屏蔽墙的宽度为投射到所关注墙面最大方形或矩形照射野对角线长度并在两侧各增加0.30m以上(如图4～6所示).该医用电子直线加速器等中心处最大照射野为0.40 m×0.40 m，其投射至主屏蔽墙面方形照射野边长计算公式为：

图4 治疗室西侧主屏蔽墙宽度估算示意图

式中，dw为主屏蔽墙宽度，单位：m；L为等中心处最大照射野投射到主屏蔽墙的方形照射野边长，单位：m.

分别计算西侧、东侧和屋顶主屏蔽墙宽度过程如下：

西侧主屏蔽墙宽度计算：

0.6=3.54.

东侧主屏蔽墙宽度计算：

0.6=3.82

屋顶主屏蔽墙宽度计算：

0.6=4.15

2.5 加速器机房辐射屏蔽防护监测结果

该医用电子直线加速器机房竣工后，对其进行辐射屏蔽防护验收监测，用以验证屏蔽防护设计与实际建设情况的符合性.监测设备为高压电离室型巡测仪：型号451P，校准因子为1.02；中子周围剂量当量仪(用于防护门监测)：型号BH3105，校准因子0.905，两台设备均在计量检定有效期内.监测条件：加速器工作模式为10MV X射线，输出剂量率为600cy/min，照射野为0.40m×0.40m，出束时间为3min.监测方法:加速器工作时,使用高压电离室型巡测仪巡测机房屏蔽墙外周围剂量当量率；使用高压电离室型巡测仪和中子周围剂量当量仪巡测机房防护门外周围剂量当量率.在巡测过程中取较大的若干个监测点进行重点多次测量后取最大值，监测点距机房屏蔽墙体或防护门距离0.3 m，距地面高度为1.3 m，顶棚上方监测点距顶棚地面为1 m.对主屏蔽墙进行监测时，射线束朝向主防护墙，无散射模体；对副屏蔽墙进行监测时，射线束朝下，主射线束照射野内设置散射模体；加速器机房屏蔽防护(X射线)监测结果见表1，防护门中子周围剂量当量率监测结果为0.00 μSv/h(环境本底辐射水平)，满足机房屏蔽墙、防护门外30cm处周围剂量当量率应小于等于2.5 μSv/h的剂量限值要求.

表1 加速器机房屏蔽防护(X射线)周围剂量当量率监测结果 μSv/h

3 结论与讨论

3.1 结论

(1)该医院医用电子直线加速器机房是单层的独立建筑物，符合《电子加速器放射治疗放射防护要求》中对机房选址和建筑设计的规定.

(2)依据医用电子直线加速器射线束照射方向，对机房东侧、西侧和屋顶的主防护墙进行初始辐射屏蔽计算，对南侧和北侧的副防护墙按泄漏辐射和患者散射辐射进行屏蔽计算，并经过辐射屏蔽防护验收监测且验收监测结果满足选取的剂量限值，得出设计厚度符合机房屏蔽防护的要求(见表2).

表2 加速器机房防护屏蔽体计算厚度与设计厚度对比

(3)西侧、东侧和屋顶主屏蔽墙的设计宽度符合屏蔽防护要求(见表3).

表3 主屏蔽墙计算宽度与设计宽度对比

3.2 讨论

(1)防护门应采取0.011 m铅用于防护中子俘获γ射线；约0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防护中子.建议防护材料组合顺序由内向外依次为铅+含硼5%聚乙烯+铅.

(2)通过对计算结果的分析，该医用电子直线加速器机房相关屏蔽体屏蔽防护厚度符合针对X射线辐射能量为10MV医用电子直线加速器的屏蔽防护及预先所选取剂量限值的要求，使放射工作人员和周围公众所受射线照射剂量低于《电离辐射防护与辐射源基本安全标准》(GB18871-2002)中所规定的剂量限值和剂量约束值.从辐射防护与安全方面判断，该医用电子直线加速器机房屏蔽设计可以保障接触人员包括放射工作人员、放射治疗患者及公众的健康与安全，其屏蔽设计方案切实可行，在实际应用中具有一定的指导意义.