王雪航

(黑龍江省疾病預(yù)防控制中心)

0 引言

由于放射治療技術(shù)和放射治療設(shè)備發(fā)展迅速，在腫瘤治療方法中放射治療越來越受重視，占有越來越重要的地位[1-3].近年來中國應(yīng)用醫(yī)用電子直線加速器治療腫瘤工作飛速發(fā)展.由于醫(yī)用電子直線加速器運行時產(chǎn)生的射線對工作人員、公眾及環(huán)境的輻射安全構(gòu)成威脅，醫(yī)用電子直線加速器的防護和安全問題備受人們的關(guān)注，因此醫(yī)院不但需要加強醫(yī)用電子直線加速器的安全防護，保持設(shè)備處于安全運行狀態(tài)；而且也需要重視放射治療操作人員和治療患者的個人自身防護，減少可以避免的非必須照射劑量.醫(yī)院在應(yīng)用醫(yī)用電子直線加速器開展放射治療工作中必須重視輻射防護與安全[4-5]，可靠的輻射屏蔽設(shè)計是裝置運行時保障輻射安全的基礎(chǔ).基于安全與防護問題的考慮，該文對某醫(yī)院新建10MV醫(yī)用電子加速器機房的屏蔽厚度進行計算，判斷其機房的屏蔽設(shè)計是否滿足國家標準要求.

1 內(nèi)容和方法

1.1 輻射源項分析

選取驗證的醫(yī)用電子直線加速器射線能量為10MV，產(chǎn)生X射線的最大劑量率為600cGy/min；針對裝置產(chǎn)生X射線的初始輻射、散射輻射、泄漏輻射需采取的屏蔽防護進行計算.此型號醫(yī)用電子直線加速器不具備電子束治療功能，屏蔽防護設(shè)計計算時不涉及電子束射線[6].

1.2 機房墻體屏蔽防護設(shè)計

該醫(yī)用電子直線加速器機房設(shè)計為單層的獨立建筑物，機房如圖1、2所示；機房屏蔽防護墻體建筑材料擬采用密度為2.35 g/cm3的普通混凝土.

圖1 加速器機房平面示意圖

圖2 加速器機房剖面示意圖

1.3 人員劑量限值的選取

1.4 屏蔽計算方法

醫(yī)院提供該醫(yī)用電子直線加速器周工作負荷(W)為1.53×109μGy/week，射線強度與種類為10MV 的X射線.

屏蔽厚度計算采用 《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第2部分：電子直線加速器放射治療機房》和NCRP REPORT No.151中提供的方法以及經(jīng)驗公式估算方法[8-9].選取的參數(shù)：利用因子(U)在照射方向為旋轉(zhuǎn)照射時U為1/4，X射線次級輻射U為1；居留因子(T)在人員全居留時T為1、部分居留時T為1/4、偶然居留時T為1/16；能量為10 MV的X射線在密度為2.35 g/cm3普通混凝土中，主射線束TVL1為0.41 m、TVLe為0.37 m，漏射線TVL1為0.35 m、TVLe為0.31 m，90°方向上散射線TVL90°為0.18 m[6-7].

2 屏蔽計算

2.1 初始輻射屏蔽厚度計算

(1)選擇西側(cè)主墻關(guān)注點的位置為模具室，距離靶點為10.8 m，居留因子為1/4，利用因子為1/4，工作負荷為1.53×109μGy/week則

(2)選擇東側(cè)主墻關(guān)注點的位置為室外，距離靶點為7.6 m，居留因子為1/16，利用因子為1/4，工作負荷為1.53×109μGy/week，則同理可得東側(cè)主墻混凝土計算厚度d東=1.86 m.

(3)選擇屋頂主墻關(guān)注點的位置為上方室外，距離靶點為6.6 m，居留因子為1/16，利用因子為1/4，工作負荷為1.53×109μGy/week，則同理可得屋頂上方主墻混凝土計算厚度d屋頂=1.91 m.

2.2 泄漏輻射與患者散射屏蔽厚度計算

由于主屏蔽墻能夠滿足泄漏輻射和患者散射的屏蔽防護要求，因此僅考慮南、北墻泄漏輻射和患者散射.

2.2.1 南墻屏蔽厚度計算

南墻泄漏輻射屏蔽厚度計算(d泄漏):

該醫(yī)用電子直線加速器X射線泄漏輻射比率η為0.001，關(guān)注點距離靶點5.8 m.

南墻患者散射輻射屏蔽厚度計算(d散射):

散射因子α為3.81×10-4.

6.93×104μSv/week

則南墻綜合屏蔽厚度d南=0.86 m

2.2.2 北墻屏蔽厚度計算，方法見2.2.1

則北墻綜合屏蔽厚度d北=0.86 m

2.3 迷路防護門設(shè)計驗證

該醫(yī)用電子直線加速器X射線標稱能量為10MV，對標稱能量大于或等于10MV醫(yī)用電子直線加速器，迷路入口處需考慮以下輻射：

(1)中子在迷路內(nèi)的散射中子；

(2)中子俘獲γ射線的輻射劑量；

(3)患者散射；

(4)穿過迷路內(nèi)墻的有用射線束受迷路外墻散射至迷路入口的輻射劑量；

(5)機頭泄漏輻射經(jīng)二次散射在迷路入口處的輻射劑量；

(6)機頭泄漏輻射經(jīng)迷路內(nèi)墻屏蔽后在迷路入口處的輻射劑量.

因患者散射輻射的能量與中子俘獲γ射線的能量相比較低，屏蔽門在防護中子俘獲γ射線時，忽略不計患者散射輻射射線劑量.

總中子注量Φ的計算：

在迷路外入口處中子俘獲γ射線的劑量率Dc估算：

Dc=W×Dφ=1.53×103×0.48×10-8=

7.34×10-6Sv/week=7.34 μSv/week

在迷路外入口處中子的劑量率DE估算：

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

圖3 防護門屏蔽計算示意圖

患者散射劑量率DpA估算：

24.48 μSv/week

穿過迷路內(nèi)墻的有用線束受迷路外墻散射至迷路入口的輻射劑量率DwA：

機頭泄漏輻射經(jīng)二次散射在迷路入口處的輻射劑量率DLA：

12.99 μSv/week

機頭泄漏輻射透射到迷路外入口處引起的輻射劑量率DTA：

0.038 μSv/week

外側(cè)迷道入口泄露和散射輻射劑量率Dd：

Dd=2.64×(DpA+f×DwA+DLA+DTA)=

99.03 μSv/week

機房防護門屏蔽厚度估算：

在外側(cè)迷道入口處中子俘獲γ射線的劑量當量率為7.34 μSv/week，泄露和散射輻射劑量當量率為99.03 μSv/week，總光子劑量率為106.37 μSv/week.在迷道外入口處中子的劑量當量為17.30 μSv/week.在這種情況下，使用鉛屏蔽光子輻射，而對中子幾乎無屏蔽作用.使用含硼聚乙烯屏蔽中子，而對光子僅有很弱屏蔽作用.因此，對這兩種輻射成分可分別獨立確定屏蔽厚度，按劑量比例分配使光子劑量和中子劑量分別達到劑量設(shè)計控制值5 μSv/week 的0.8和0.2.

在迷道外入口處，光子總劑量為106.37 μSv/week.對迷道長度大于5 m，中子俘獲γ射線的TVL為0.006 mPb(保守考慮，對泄露和散射輻射取相同TVL值且安全因子取2).

防護門應(yīng)采用至少0.011 m厚的鉛.

屏蔽中子輻射原理為吸收能量在0～1 keV的慢中子，將能量在1 keV以上中能中子、快中子以及高能中子進行減速.所以，中子屏蔽分兩部分環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是將核反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子與慢化劑發(fā)生碰撞形成非彈性散射，從而損失高能中子能量；再通過與含氫物質(zhì)進行彈性散射，將中子能量范圍降至熱能區(qū).第二個環(huán)節(jié)是吸收慢中子，主要利用中子吸收材料吸收熱中子[10-11].中子通過迷路墻壁進行多次散射，入口處平均能量約為100 KeV，在聚乙烯中TVL為0.045 m.為減少熱中子成分而在聚乙烯中加入5%的硼，硼對熱中子TVL為0.012 m，對于能量為2 MeV的中子TVL為0.038 m.為保證屏蔽效果，計算時偏保守選取含硼5%聚乙烯TVL為0.038 m.經(jīng)計算，外側(cè)迷路入口中子劑量為17.3μSv/week.建設(shè)單位選定中子控制劑量為5μSv/week，則中子防護厚度X計算結(jié)果為：

因此，該項目應(yīng)采取0.011 m鉛用于防護俘獲γ射線；約0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防護中子.建議防護材料組合順序由內(nèi)向外依次為鉛+含硼5%聚乙烯+鉛.

2.4 初始輻射屏蔽墻寬度估算

圖5 治療室東側(cè)主屏蔽墻寬度估算示意圖

圖6 治療室屋頂主屏蔽墻寬度估算示意圖

根據(jù)通行的一般原則，初始射線束在主屏蔽墻的寬度為投射到所關(guān)注墻面最大方形或矩形照射野對角線長度并在兩側(cè)各增加0.30m以上(如圖4～6所示).該醫(yī)用電子直線加速器等中心處最大照射野為0.40 m×0.40 m，其投射至主屏蔽墻面方形照射野邊長計算公式為：

圖4 治療室西側(cè)主屏蔽墻寬度估算示意圖

式中，dw為主屏蔽墻寬度，單位：m；L為等中心處最大照射野投射到主屏蔽墻的方形照射野邊長，單位：m.

分別計算西側(cè)、東側(cè)和屋頂主屏蔽墻寬度過程如下：

西側(cè)主屏蔽墻寬度計算：

0.6=3.54.

東側(cè)主屏蔽墻寬度計算：

0.6=3.82

屋頂主屏蔽墻寬度計算：

0.6=4.15

2.5 加速器機房輻射屏蔽防護監(jiān)測結(jié)果

該醫(yī)用電子直線加速器機房竣工后，對其進行輻射屏蔽防護驗收監(jiān)測，用以驗證屏蔽防護設(shè)計與實際建設(shè)情況的符合性.監(jiān)測設(shè)備為高壓電離室型巡測儀：型號451P，校準因子為1.02；中子周圍劑量當量儀(用于防護門監(jiān)測)：型號BH3105，校準因子0.905，兩臺設(shè)備均在計量檢定有效期內(nèi).監(jiān)測條件：加速器工作模式為10MV X射線，輸出劑量率為600cy/min，照射野為0.40m×0.40m，出束時間為3min.監(jiān)測方法:加速器工作時,使用高壓電離室型巡測儀巡測機房屏蔽墻外周圍劑量當量率；使用高壓電離室型巡測儀和中子周圍劑量當量儀巡測機房防護門外周圍劑量當量率.在巡測過程中取較大的若干個監(jiān)測點進行重點多次測量后取最大值，監(jiān)測點距機房屏蔽墻體或防護門距離0.3 m，距地面高度為1.3 m，頂棚上方監(jiān)測點距頂棚地面為1 m.對主屏蔽墻進行監(jiān)測時，射線束朝向主防護墻，無散射模體；對副屏蔽墻進行監(jiān)測時，射線束朝下，主射線束照射野內(nèi)設(shè)置散射模體；加速器機房屏蔽防護(X射線)監(jiān)測結(jié)果見表1，防護門中子周圍劑量當量率監(jiān)測結(jié)果為0.00 μSv/h(環(huán)境本底輻射水平)，滿足機房屏蔽墻、防護門外30cm處周圍劑量當量率應(yīng)小于等于2.5 μSv/h的劑量限值要求.

表1 加速器機房屏蔽防護(X射線)周圍劑量當量率監(jiān)測結(jié)果 μSv/h

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)該醫(yī)院醫(yī)用電子直線加速器機房是單層的獨立建筑物，符合《電子加速器放射治療放射防護要求》中對機房選址和建筑設(shè)計的規(guī)定.

(2)依據(jù)醫(yī)用電子直線加速器射線束照射方向，對機房東側(cè)、西側(cè)和屋頂?shù)闹鞣雷o墻進行初始輻射屏蔽計算，對南側(cè)和北側(cè)的副防護墻按泄漏輻射和患者散射輻射進行屏蔽計算，并經(jīng)過輻射屏蔽防護驗收監(jiān)測且驗收監(jiān)測結(jié)果滿足選取的劑量限值，得出設(shè)計厚度符合機房屏蔽防護的要求(見表2).

表2 加速器機房防護屏蔽體計算厚度與設(shè)計厚度對比

(3)西側(cè)、東側(cè)和屋頂主屏蔽墻的設(shè)計寬度符合屏蔽防護要求(見表3).

表3 主屏蔽墻計算寬度與設(shè)計寬度對比

3.2 討論

(1)防護門應(yīng)采取0.011 m鉛用于防護中子俘獲γ射線；約0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防護中子.建議防護材料組合順序由內(nèi)向外依次為鉛+含硼5%聚乙烯+鉛.

(2)通過對計算結(jié)果的分析，該醫(yī)用電子直線加速器機房相關(guān)屏蔽體屏蔽防護厚度符合針對X射線輻射能量為10MV醫(yī)用電子直線加速器的屏蔽防護及預(yù)先所選取劑量限值的要求，使放射工作人員和周圍公眾所受射線照射劑量低于《電離輻射防護與輻射源基本安全標準》(GB18871-2002)中所規(guī)定的劑量限值和劑量約束值.從輻射防護與安全方面判斷，該醫(yī)用電子直線加速器機房屏蔽設(shè)計可以保障接觸人員包括放射工作人員、放射治療患者及公眾的健康與安全，其屏蔽設(shè)計方案切實可行，在實際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義.