肿瘤是人类健康的第一大杀手，质子治疗肿瘤技术由于质子具有布拉格（Bragg）峰带来的深度截止效应，以及更加精准的宽度方向控制，已成为新一代有效的放疗技术，质子治疗装置也成为当前国际上肿瘤放射治疗的主流装备^[1-3]。质子治疗系统运行时，传输中的质子束为高能带电粒子，与物质的相互作用较为复杂，因此机房的辐射屏蔽设计是非常重要的一环^[4-5]。目前关于质子加速器治疗装置用户机房屏蔽设计国内外均开展了较多的研究^[6-12]，根据质子治疗研发运行经验，质子治疗装置在临床医疗前须先进行调试测试，验证其性能、稳定性和可靠性。随着医用质子加速器研制列入国家科研计划，加速器研发调试厂房的辐射屏蔽同样需引起高度重视，但针对研发调试机房屏蔽研究鲜有报道。本文以某质子回旋加速器治疗装备研发调试厂房为研究对象，通过经验公式计算的方法，对质子加速器研发调试厂房屏蔽设计的优化进行了探讨。

1 材料与方法 1.1 材料

质子回旋加速器治疗系统研发调试厂房主体建筑为一层，设置一个回旋加速器室（包含束流输运线）、一个模拟旋转治疗室，分别对超导质子回旋加速器、束流输运线及旋转治疗出束进行调试。根据辐射防护设计要求，回旋加速器室、模拟治疗室四周及两室之间均采用不同厚度的普通混凝土墙体（密度为2.35 g/cm³）；回旋加速器室设置迷道，模拟治疗室设置与墙体同厚的混凝土屏蔽门。厂房的屏蔽设计厚度列于表1，屏蔽及设备布局示意见图1。

1.2 调试流程及辐射源项

质子回旋加速器治疗系统主要由回旋加速器系统、束流输运系统和治疗系统组成，见图2。质子束流在回旋加速器中加速到250 MeV后引出，引出流强最高为300 nA，通过束流输运系统将引出的质子传输到治疗头，在旋转治疗机架等中心点设置体模，根据体模肿瘤位的深度和厚度，调节能量选择系统中降能器的厚度，在模拟治疗室终端得到70～250 MeV连续可调的质子束流。

加速器治疗装备调试流程主要分为回旋加速器调试、束流线调试、模拟治疗室调试3个阶段，不同调试阶段辐射源项列于表2。

1.2.1 回旋加速器调试

此阶段主要测试回旋加速器的性能，回旋加速器内将质子束流加速至250 MeV的能量，偏转引出至加速器外部。加速器引出的质子束流，通过束流传输线传送至准直器位置，并全部损失在此位置。在准直器位置设置一个铜质束流收集靶接收束流，束流收集靶周围用移动混凝土局部屏蔽块进行屏蔽。

1.2.2 束流传输线及降能器调试

束流传输线及降能器调试系统由降能器、准直器、动量狭缝、能量狭缝等部件构成。质子经过降能器后束流发散度、能散度均发生变化，需要由准直器和狭缝进行选择。在调试时，加速器引出的质子束流在束流传输线上依次通过降能器、准直器、动量狭缝、能量狭缝等的传送，最终到达束流传输线尾端的束流收集器。束流收集器周围用混凝土局部屏蔽块进行屏蔽。

1.2.3 模拟治疗室调试

回旋加速器引出的质子束流通过束流传输线传送至治疗头，对体模进行照射。主要调试不同方向的质子束流对旋转机架中心体模的剂量率及照射野等参数，来验证治疗头的性能指标。

1.3 屏蔽计算方法

对于质子治疗系统的辐射屏蔽设计，通常使用蒙特卡洛程序FLUKA、MCNPX 进行^[10-13]。辐射环境评价中常采用经验公式对辐射屏蔽设计进行复核计算，公式多采用Moyer公式^[3,5]，见1）及2），公式中涉及的参数取值参考文献^[14-16]，与程序模拟方法比较，经验公式相对简单且结果偏保守。

$ {D_p} = {S_p}H(\theta )\frac{1}{{{r^2}}}{e^{ - d(\theta )/\lambda (\theta )}} $

(1)

$ {D_L} = {S_L}H(\theta )\frac{2}{r}{e^{ - d(\theta )/0.89\lambda (\theta )}} $

(2)

式中：D_P和D_L分别为对点源和线源屏蔽体外的剂量率，Sv/s；S_p为单位时间内在束流损失点处损失的质子数，s⁻¹；H(θ)为单个质子打靶时，在距靶1 m处中子引起的剂量，Sv·m²；λ(θ)为中子在屏蔽层内的衰减长度，g/cm²；θ为入射质子与出射中子之间的夹角；r为源点到计算点之间的距离，m；d(θ)为屏蔽体的有效质量厚度，g/cm²。

本研究采用经验公式计算方法，对不同调试阶段厂房屏蔽体周围设置的关注点剂量率进行计算并对标分析，对不同阶段调试厂房屏蔽进行优化设计。关注点主要设置在屏蔽体外工作人员可能驻留的设备间、控制室等工作区及公众可达区域。

2 结　果

调试厂房的主体屏蔽采用普通混凝土屏蔽墙体，根据不同调节测试阶段的辐射剂量分布对该阶段辐射屏蔽薄弱区域选择移动混凝土屏蔽块，来实现对质子加速器的调试厂房的瞬发辐射进行屏蔽，屏蔽体外30 cm处的周围剂量率应按GBZ 121—2020^[17]的要求控制，见表3。

2.1 回旋加速器调试

回旋加速器调试阶段，通过对屏蔽墙外关注点剂量率的计算，关注点①（研发区）和②（控制室）处剂量率高于该场所屏蔽体外剂量率控制水平，可见回旋加速器室屏蔽墙3及墙4（如图3a）的墙体厚度不满足屏蔽要求。

采取在墙3、墙4设置移动混凝土屏蔽块的方案，如图3a，屏蔽墙体优化结果见如表4。设置屏蔽块后屏蔽体外关注点的剂量率满足剂量率控制限值。

2.2 束流输运线调试

束流输运线调试阶段，关注点②、③（控制室）处剂量率高于该场所屏蔽体外剂量率控制水平，可见回旋加速器室屏蔽墙4和墙5局部位置厚度不满足屏蔽要求。

在回旋加速器调试完成进入束流输运线调试阶段前，拆除墙3及束流阻挡靶及外围混凝土局部屏蔽。采取保留墙4和墙6，对墙5局部设置移动混凝土屏蔽块的方案，如图3b，屏蔽墙体优化结果如表4。通过计算，设置屏蔽块后屏蔽体外周围关注点的剂量率满足剂量率控制限值。

2.3 模拟治疗室调试

模拟治疗室调试阶段，关注点②、③（控制室）和注点④（公众可达区）及⑤（屋顶）处剂量率高于该场所屏蔽体外剂量率控制水平，可见墙4、墙5局部位置、墙9局部及屋顶位置厚度不满足屏蔽要求。

在束流输运线调试完成进入模拟治疗室调试阶段时，采取保留混凝土局部屏蔽块墙6、墙4、墙5局部移动混凝土屏蔽块，并在模拟治疗室屋顶及墙9外局部设置移动混凝土屏蔽块以增加屏蔽的方案，如图3b及图3c，屏蔽墙体优化结果如表4。通过计算，设置屏蔽块后屏蔽体外周围关注点的剂量率满足剂量率控制限值。

回旋加速器设备研发调试时间相对医疗单位治疗的时间短，不同调试阶段对机房空间布局和屏蔽墙体厚度要求不同，如果把墙体浇筑成满足剂量率限值要求的厚度，将使得局部墙体很厚，机房空间减小，造成建筑成本、空间的浪费。本研究选择在屏蔽墙相应位置增加移动混凝土屏蔽块的解决方案，同时，移动混凝土屏蔽块可在前一阶段拆除后为下一阶段复用，既节省了室内空间，又节约了成本。

3 讨　论

质子能量在100 MeV 以上的质子治疗装备，在质子束流形成、加速、引出、输出以及为了达到治疗目的而对束流能量和截面进行调整的过程中，都会发生束流损失，损失的质子束流与加速器部件（磁铁、降能器、准直器、狭缝、束流阻挡器等）发生相互作用。进行治疗的质子能量大多在130～230 MeV，该能区的质子与物质的作用主要以电离和激发过程为主，同时也会穿过原子核的库仑势垒，与原子核发生核内级联反应，通过（p，α）、（p，n）、（p，2n）、（p，pn）、（p，γ）等反应产生瞬发中子，γ射线和少量其它粒子^[1]。高能质子核反应产生的次级粒子中，带电粒子因电离作用迅速停止，因此从靶中出来的主要是次级中子和γ射线，其中产生的中子能量由低到高可分为热中子、蒸发中子和级联中子3部分，级联中子的能量在20 MeV以上，且占50%以上^[16]。由于能量较高的级联中子的穿透能力很高，在通过屏蔽材料时，初始的热中子、蒸发中子和γ射线的数量迅速减少，级联中子成为穿透屏蔽的主要贡献者, 因而对于高能质子加速器的屏蔽问题主要是针对高能中子的屏蔽^[3]。

中子在穿透屏蔽过程中，通过弹性散射、非弹性散射、核反应等方式损失能量和数目，一部分转变成了热中子和蒸发中子，一部分通过( n，γ) 反应等转化成了光子，使得达到一定屏蔽深度，中子能谱各种能量成分的比重基本保持不变，形成“平衡谱”。此过程可分为2步，第一步是中子碰撞慢化剂发生非弹性散射损失能量，再利用含氢的物质通过弹性散射，将中子的能量降低到热能区，第二步是慢中子的吸收过程，主要是通过中子吸收材料将热中子吸收^[10]。因此，应选择热中子吸收截面大、俘获γ辐射能量低的材料作为热中子吸收材料，常用的屏蔽材料有混凝土、含铅硼聚乙烯、硼钢或混凝土与其它吸收中子材料的组合等^[8]。考虑到经济成本、已有厂房的施工条件，以及屏蔽体的活化问题，本研究采用混凝土作为屏蔽材料，混凝土既含有水的成分，氢元素是良好的中子减速剂，又有高密度物质，对于减速后中子，能与各种物质发生俘获作用，是一种对伽玛射线和中子经济有效的屏蔽材料。

本研究采用经验公式对质子回旋加速器研发调试厂房在各个调试阶段屏蔽体外的瞬发辐射进行计算分析，综合考虑了屏蔽材料选择、空间布局要求、施工条件，以及经济成本核算等因素，确定在调试机房屏蔽薄弱区域针对性的增加移动混凝土屏蔽块的屏蔽优化解决方案。优化的结果表明，调试厂房混凝土屏蔽块的设置在满足屏蔽要求的同时，节省了厂房室内空间，节约了投资费用，符合辐射防护最优化原则。

在大型、高能粒子加速器等射线装置研制调试或测试厂房屏蔽设计中，科研场所要求的不确定性使得场所的屏蔽效果与投资经济性平衡是一个难题，本研究的屏蔽优化思路的是该类研制调试或测试厂房辐射屏蔽的一种可行的解决方案。