此医院拟新建的医用电子直线加速器工作场所位于医院西南部, 为独立单层建筑物, 由治疗室、控制室、辅助设备机房和模拟定位机房等组成。建筑物东距院内道路20m;西隔院墙为一城市主干道路, 干道低于院墙10 m以上; 南距保健病房楼8 m; 北距9 m处为传染病房。

1 屏蔽设计的原则、目标及方法

在符合辐射防护基本原则(即实践的正当性, 剂量限制和潜在照射危险限制, 防护与安全的最优化)的前提下, 根据GB18871-2002^[1]中规定的剂量限值, 即:放射工作人员连续五年平均的有效剂量为20 mSv/a; 公众成员一年内的有效剂量为1 mSv。并充分考虑工作人员及公众对辐射的心理承受因素。

根据电离辐射的基本特性及外照射防护的基本方法, 对医用电子直线加速器机房, 屏蔽是外照射防护的主要方法。屏蔽体外剂量率参考设计目标:要将可能受到的透射当量剂量率减少到可接受的水平。在放射工作人员经常工作的位置, 剂量率平均不超过2.5μSv/h; 在公众或非放射工作人员长期居留的位置, 剂量率平均不超过0.25μSv/h。本设计权衡可能的最高瞬间剂量率不超过7.5 μSv/h。

2 加速器主要性能指标

射线类型:X射线; 标称能量:6MV; 剂量率:3 Gy/min; 正常治疗距离:100 cm; 最大射野:40 cm ×40 cm。

3 辐射屏蔽设计 3.1 治疗室的布局与设计

治疗室的墙体及室顶用密度为2.35 t/m³的普通混凝土浇注而成。治疗室使用主体内径尺寸7 500 mm×7 200 mm ×3 800mm, 面积为54 m², 容积为205.2 m³。迷路内径尺寸:宽1 800 mm, 内口2 400 mm, 外口1 200 mm。主射束方向为东西方向, 与迷路平行(不对迷路); 东主屏蔽墙厚度为2 100 mm, 西主屏蔽墙厚度为2000mm; 东墙次级屏蔽部分的厚度为1 200 mm; 西次级屏蔽部分的厚度为1 000 mm。北次级屏蔽墙厚度为1200 mm; 室顶主屏蔽厚度为1 400mm, 次级屏蔽厚度为900 mm; 设L型迷路, 迷路内、外墙的厚度皆为1 000 mm。治疗室设X射线防护门, 防护门具6 mmPb, 并与加速器联锁。

等中心参考点距东主屏蔽墙表 3 000 mm, 距西主屏蔽墙表 4 500 mm, 距北次级屏蔽墙表 3500mm, 距迷路内墙3 700mm, 距地面高1 330 mm, 距室顶内表 2 470 mm。

3.2 屏蔽设计使用的基本参数

有用束的利用因子(U)和居留因子(T):东方向:U=1 4 T=1;西方向:U=1 4 T=1 16;南方向:U=1 T=1;北方向: U=1 T=1 4;

工作负荷(W)(按X射线估算):每日预计最多治疗60人次, 每周工作负荷W=9×10² Gy°m²°wk^-1;

4 屏蔽效果预评价 4.1 按剂量率评价屏蔽效果

根据主屏蔽厚度(6MVX射线有用线束的屏蔽), 采用TVT (1/10值厚度)减弱法(密度为2.35 t/m³的普通混凝土墙:TVT=343 mm)。东墙墙外最大剂量率即低于3.0 μGy/h; 西墙外最大瞬时剂量率为4.15 μGy/h; 设计符合辐射防护要求。

根据设计厚度, 采用TVT (1/10值厚度)减弱法(密度为2.35 t/m³的普通混凝土墙, 漏射线:TVT=343 mm, 散射线:90°散射的散射系数值α_M=6 ×10^-4, TVT=167 mm; 45°散射的散射系数值α_M=1.8 ×10^-3, TVT=225 mm; 30°散射的散射系数值α_M=7 ×10^-3, TVT=263 mm), 东次级屏蔽墙外控制室内(离靶点约8 m)最大剂量率为2.16 μGy/h; 西墙外(离靶点约9 m)最大剂量率为9.81 μGy/h; 北墙外空地(离靶点约6 m)最大剂量率为1.59 μGy/h; 南墙外模拟机房内(离靶点为9 m)的剂量率为本底值。由上可见, 次级屏蔽墙外的最大剂量率都在2.5 μGy/h以下。因西墙外无人居留, 9.81 μGy/h的剂量率对工作人员及公众无任何不良影响。次级屏蔽厚度符合防护要求。

4.2 按工作负荷评价屏蔽效果

主、漏射线屏蔽透射比η的计算公式如下:

散射线屏蔽透射比η的计算公式如下:

当工作负荷W=9×10² Gy°m²°wk^-1(60人次/日)时, 按公众0.02 mSv°wk^-1的剂量限值计算, 主屏蔽墙厚度应为1 426 mm; 按工作人员剂量限值计算, 主屏蔽厚度应为1 438 mm; 东次级墙厚度为787 mm; 西次级墙厚度为786 mm; 南迷路墙厚度为626 mm; 北墙厚度为935 mm; 即可达到防护要求。

实际设计厚度超过此要求厚度, 按工作负荷评价计算, 设计的屏蔽墙厚度是相当安全的。

4.3 室顶屏蔽厚度的效果

评价新建的医用电子直线加速器机房为单层建筑物, 且周围20 m内无高大建筑, 其室顶厚度根据贯穿室顶的射线通过空气散射对地面的影响进行设计。

当射束方向向上时, 室顶外表面2 m处离靶点约7 m, 室顶厚度为1.4 m, 室顶外表面2 m高处最大剂量率为304 μGy/h。其20 m处天空反散射剂量当量率为:H_S=2.5×10^-2 H₁(Ω^1.3/d²其中H₁=304 Gy/h, Ω=2.22,d=20 m)=0.054μGy/h, 因此, 室顶厚度符合防护要求。

4.4 防护门屏蔽厚度效果的评价

防护门处的辐射剂量主要来自于:漏射线、散射线透过迷路内墙的透射辐射; 在患者体表上发生的45°散射在墙内表上产生的二次散射的散射辐射。

4.4.1 漏射线、散射线透过迷路内墙的透射辐射

漏射线透过迷路内墙的透射辐射:防护门处离靶点约7 m, 如无迷路内墙屏蔽, 此处的漏射线剂量率为1.84 ×10⁴ μGy/h。经1 000 mm (因斜射, 相当于1 131 mm)迷路内墙屏蔽(η=8.84×10^-5), 防护门处的剂量率下降为1.63 μGy/h。

散射线透过迷路内墙的透射辐射:从病人体表散射至此处的散射角约为60°, α_M约为0.0011, 且6MVX射线60°散射的屏蔽TVT为200 mm, 经迷路内墙屏蔽后, 此处散射辐射剂量率为3.59 μGy/h。

4.4.2 在患者体表上发生的45°散射在墙内表上产生的二次散射的散射辐射

防护门到对面墙表的距离为10 m, 此墙表距散射点7.0 m。在患者体表上发生的45°散射将辐射到防护门对面的墙上, 由墙表上产生的二次散射将辐射到防护门外。二次散射的散射角约为135°, 其能量 < 0.5 MeV, 笔者取0.5 MeV, 防护门处的剂量率估算公式如下:HS₂=H_O° α_MA₁° α_rA₂/ (d₂² d₃² ×400)(H_O=1.8 ×10⁸ μGy/h; α_M=1.0 ×10^-3; A₁= 1600 cm²; α_r=1×10^-2; A₂=2.5 m ×3.80 m=9.5 m²; d₂=7 m; d₃=10 m)=14.0 μGy/h。

查《放射卫生学》附图 16, 当射线能量为0.5 MeV时, 6 mm铅的透射比约为0.25, 使14.7 μGy/h的剂量率减弱为3.48μGy/h。

由于漏射线透过迷路内墙的透射辐射, 使防护门外产生的剂量率为2.14μGy/h。由于在患者体表上发生散射在墙内表上产生的二次散射的散射辐射, 使防护门外产生的剂量率为3.48 μGy/h。根据以上计算, 防护门的屏蔽厚度符合防护要求。

5 结论

放射工作人员和公众的受照剂量, 经计算治疗室屏蔽墙外公众居留区最大剂量率不超过1.59 μGy/h, 控制室内的最大剂量率不超过2.16μGy/h, 设备间内最大剂量率不超过0.37 μGy/h, 室顶上方2 m处剂量率不超过304 μGy/h, 20 m处空气反散射剂量率为0.054μGy/h, 防护门外的最大剂量率为3.67μGy/h。

工作人员在控制室内操作和公众偶尔从治疗室附近通过所受的照射剂量较低, 按工作负荷计算, 远远低于剂量限值。

由此可见, 此设计符合辐射防护的要求。