一些放疗机房的顶层设计过于薄弱, 因而机房屏蔽墙周围的地面以及机房附近高层建筑物辐射场会随之增强, 这种现象是由于天空反射和侧向散射光子辐射造成的^[1-2]。本文简述天空反射和侧向散射光子辐射的概念和计算方法, 以两个顶层较薄弱的加速器机房为例, 分别将其天空反射和侧向散射光子辐射的检测结果与计算结果进行比较, 并对放疗机房设计和防护检测中特殊问题进行讨论。

1 天空反射和侧向散射光子辐射的概念 1.1 天空反射

"天空反射"又称"天空散射", 即某些辐射设施在设计时顶层无屏蔽或屏蔽薄弱, 此种情况下, 辐射源射向天空的射线, 因受大气的反散射作用而造成辐射源室屏蔽墙周围地面附近辐射场增强的现象^[1], 天空反射示意图见图 1。

1.2 侧向散射光子辐射

"侧向散射光子辐射"特指来自辐射源室顶部薄弱屏蔽层的侧向散射光子并投射到邻近高层建筑物的光子辐射^[1], 侧向散射光子辐射示意图见图 2。

2 检测结果与计算结果的比较

下面, 针对顶层较薄弱两个医用直线加速器机房, 分别将其天空反射和侧向散射光子辐射的检测结果与计算结果进行比较。

例1.A机房将原有后装机房改为加速器机房, 加速器能量为6 MV, 等中心处比释动能率为200 cGy/min。当照射野为40 cm × 40 cm, 剂量率为200 cGy/min, 机头向上照射时, 测得顶屏蔽层外剂量率为4.96 × 10² μSv/h。利用理论计算法, 对该机房外天空反射和侧向散射光子辐射进行计算, 并分别与检测结果进行比较。

2.1 天空反射的检测结果和计算结果的比较

图 3为光子天空反射计算的几何示意图, 计算公式见公式(1):

(1)

式中:Ḣ -在地面上距靶点投影点距离为ds处的光子剂量当量率, 单位nSvh^-1; B_xs-光子在顶屏蔽层的穿透因子; Ḋ₀-距靶点1 m处空气比释动能率, 单位Gy/h; Ω-最大射束的立体角, 单位球面度(sr); d_i-从加速器靶点到顶屏蔽层上方2 m处的垂直距离, 单位m; d_s-地面上计算点距靶点地面投影的水平距离, 单位m。

依据公式(1)以及机房顶层外剂量率的测量结果, 推算出地面检测点的天空反射光子剂量当量率。该加速器靶点到顶屏蔽层上方2 m处的垂直距离近似为8 m, 根据测得的顶层屏蔽层外剂量率, 对天空反射进行估算, 将(1)改写为:

(2)

式中:Ḣ_s-意义同公式(1)中Ḣ, 单位μSvh^-1; Ḣ₀ -机房顶上方2 m处的剂量率数值, 单位为μSvh^-1。

从加速器靶点至机房顶屏蔽层距离为6 m, 根据室顶处剂量率的检测结果, 可以得出机房顶上方2 m处剂量率Ḣ₀=496 × 62 ÷ 82=279 μSvh^-1, 1球面度所对应的立体角所对应的球面表面积为r² (r为球半径), 球半径为1 m处(等中心处)的最大射束的立体角所对应的球面表面积约为[(0.4² + 0.4²) ^1/2 × 1/2]² × π=0.25 m², Ω=0.25/1²=0.25 sr, 根据顶层检测结果计算得出距靶点不同距离处的天空反射剂量当量率, 计算结果见表 1。

从表 1的计算结果可以看出, A机房天空反射不会引起该机房周围地面剂量当量率明显增加。

在对该机房进行机房防护检测时, 考虑到房顶辐射水平较高, 沿机房东侧开阔地进行了天空散射测量, 测量结果表明, 在距机房东墙5 m~20 m范围内未见因天空散射引起的天然外照射辐射水平的增加, 与前面计算结果一致。

2.2 侧向散射光子辐射的检测结果与计算结果的比较

图 4为侧向散射光子辐射计算的几何示意图, 计算公式见公式(3):

(3)

式中:Ḣ_ss-侧散射剂量当量率, 单位Svh^-1; Ḋ₀ -距靶1 m处加速器X射线输出剂量率, 单位Gyh^-1; F -距靶1 m处方形照射野面积, 单位m²; f(θ)-顶层散射光子的角分布函数; D_R-在顶层的射束中心点到计算点的距离, 单位m; t-顶层厚度, 单位m; TVL₁和TVL_e-分别为初始辐射在顶层屏蔽材料中的第一和平衡十分之一减弱层厚度, 单位m。

公式(3)中, 各参数取值如下:建设单位使用最高剂量率Ḋ₀=120 Gy/h, F=0.4 × 0.4=0.16 m², 靶距建筑距离约8 m, 建筑物最高约10 m, 机房高6 m, t= 1.6 m, 6 MV加速器产生的初始X射线在普通混凝土(ρ=2.35 g/cm³)中TVL₁和TVL_e分别为0.37 m和0.33 m。由此, 计算出的建筑物不同高度处的侧散射剂量当量率见表 2:

从表 2的计算结果看出, 对本例情况而言, 侧向散射光子辐射水平与建筑物计算点距地面高度有关, 高度越高, 辐射水平越高。

该机房周围的楼房仅为三层建筑, 在该建筑物最高层窗口处进行了测量, 测量高度约为8 m, 测量结果为天然本底水平, 该处计算值为0.08 μSvh^-1, 计算结果与测量结果处于同一数量级水平。

例2.B机房内原装有一台8 MV加速器, 最大剂量率为200 cGy/min, 后将原加速器拆除, 安装一台6 MV医用直线加速器, 最大剂量率为600 cGy/min。同时, 对原有机房进行了改造, 主要包括加厚各主屏蔽墙和次屏蔽墙厚度, 以及加宽初始束屏蔽墙宽度, 而原机房顶层厚度只有650 mm厚的普通混凝土, 改造方案未对顶层进行改造。设备更新后, 对加速器机房顶层进行防护检测, 检测时, 照射野为40 cm × 40 cm, 剂量率为600 cGy/min, 机头向上照射时, 测得顶屏蔽层外剂量率为7.3 × 10⁴μSv/h。本例加速器机房周围无高层建筑, 未进行侧向散射光子辐射测量, 仅对天空反射进行测量, 本文将天空反射的测量结果和计算结果进行比较。

利用理论计算法, 根据机房顶层外测得剂量率对该机房外天空反射进行计算。计算方法同例1。从加速器靶点至机房顶屏蔽层距离为3.97 m, 根据室顶处剂量率的检测结果, 可以得出机房顶上方2 m处剂量率Ḣ₀=7.3 × 10⁴ × 3.97² ÷ 5.97²=3.2 × 10⁴μS/h, Ω= 0.25 sr(同例1), 根据顶层检测结果计算得出距靶点不同距离处的天空反射剂量当量率, 计算结果见表 3。

从表 2的计算结果可以看出, 天空反射会引起该机房周围地面剂量当量率明显增加。

在对该机房进行机房防护检测时, 考虑到房顶辐射水平较高, 沿机房东侧开阔地进行了天空散射测量, 测量结果表明, 在距东墙20~40 m范围内均检测到因天空散射引起的检测点外照射水平的明显增加(20 m处剂量率为3.3 μS/h, 40 m处剂量率为1.88 μS/h)。可以看出, 该建设单位机房周围天空反射剂量当量率的计算结果与测量结果有些差异, 这是由于计算公式本身的局限性造成的, 本文将在第三部分中对其进行讨论。

3 讨论与结论 3.1 公式(1)的适用性及对天空反射估算的意义

McGinley在对天空反射进行研究时, 针对一台机房顶层薄弱的18 M医用直线加速器(该机房顶层厚度只能吸收10%的X射线), 对X射线天空反射的实际测量结果和采用上述理论计算方法的估算结果进行了比较^[1]。实际测量时, 加速器机头垂直向上照射, 等中心处剂量率为240 Gy/h, d_i=5.97 m, Ω=0.122。实测结果和计算结果对比图见图 5。McGinley的研究结果表明, 实际测量结果和估算结果的一致性较差, 因此, 在运用公式(1)进行计算时, 一定要慎重^[1-3], 最好的情况是天空反射的估算结果和实际情况能够保持在同一数量级水平; 利用公式进行估算的意义在于, 通过估算可以看出机房设计参数对天空散射产生的影响。本文例2中天空反射的估算与检测结果相差较多, 与McGinley的研究结果一致。

3.2 天空反射引起的地面剂量率变化趋势

从图 5可以看出, 随着距屏蔽墙距离的增加, 天空反射引起地面检测点的剂量当量率在某距离处达到一个最大值, 这段距离近似等于屏蔽墙的高度, 达到最大值之后, 随着距离的增加, 剂量率将呈线性趋势下降^[1]。因此, 在评估机房顶层设计薄弱的机房对周围环境的影响时, 不能只测屏蔽墙外近处的剂量率。当检测点距屏蔽墙很近时, 剂量率反而较低, 说明直接穿透屏蔽墙的辐射份额与天空反射相比很小^[4], 而在距屏蔽墙稍远处, 剂量率达到最大值。

3.3 顶层外辐射剂量率检测值达到什么水平需考虑天空反射对地面影响

从前述例1可以看出, 即使顶层外的辐射剂量高达近500 μS/h时, 天空反射仍未引起该机房外剂量当量率明显增加, 本文利用理论计算公式, 估算出顶层外的辐射剂量率达到多大时, 会对机房周围地面产生不可忽略的影响。

若假定天空反射造成地面剂量率为0.05 μS/h时为不可忽略水平, 其他计算条件如下:依据前述天空反射引起的地面剂量率变化趋势, 取地面上计算点距靶点地面投影的水平距离为10 m, 靶中心距机房顶屏蔽层上方30 cm处的距离为6 m, 计算结果见表 4。

从表 4可以看出, 当机房顶上方30 cm处的剂量率达到2000 μSv h^-1时, 计算点的天空反射剂量当量率接近0.05 μSvh^-1, 不能忽视天空反射给地面带来的影响。

3.4 侧向散射光子辐射检测中应注意的问题

从公式(3)可以看出, 机房临近高层建筑的侧向散射光子辐射与加速器的能量、距靶1 m处加速器X射线输出剂量率、顶层厚度、建筑物高度以及射束中心点距建筑物的水平距离等多种因素有关, 在前述各种因素确定的情况下, 当在对机房辐射防护检测时, 若发现顶层辐射水平较高时, 需对机房周围高层建筑进行辐射检测, 检测位置应选在建筑最高层。

3.5 放疗机房改建中不应忽视对顶层的设计

在一些对放疗设备进行更新的改建项目中, 如:设备类型改变, 或设备的技术指标(如剂量率)有较大变化, 若机房顶层无人员停留(如:平房结构), 设计时往往忽略了对顶层的重新设计, 或由于担心机房结构的承重问题, 机房顶层的设计未严格按照国家有关标准进行, 造成改造后机房顶层薄弱。若原有机房存在顶层薄弱问题, 设计时要考虑天空反射和侧向散射光子辐射; 对于顶层薄弱的机房进行防护检测时, 需对机房屏蔽墙周围地面附近以及机房附近高层建筑物的辐射场进行测量。