1 引言

正电子发射扫描成像仪(PET)是目前最先进的核医学影像诊断设备之一, 可用于心、脑、肿瘤等疾病的早期诊断, 可研究重要生命物质如糖、蛋白质、脂肪等在人体内的功能与代谢过程, 有巨大的应用前景。目前全世界有200多台PET, 3~5年内我国可望有5~10台PET运转。杨国山等^[1]曾对PET及其配套回旋加速器的辐射源项和照射途径进行了分析, 提出了防护与屏蔽的建议。本文以美国CTI公司生产的RDS 111型回旋加速器和配套的装置为例, 依据诊断过程中放射性源项特点, 介绍了该装置正常和非正常运行状况下对环境的影响。

2 RDS 111型回旋加速器及其配套装置的特点

加速质子能量最大为11MeV, 束流30~40μA, 加速器室尺寸701 ×670 ×427cm, 靶点在中心左前侧280cm ×290cm × 109cm处。可生产¹⁸F、¹³N、¹¹C、¹⁵O几种放射性核素。化学合成系统能够在计算机控制下自动完成放射性药物的制备。内有带高效过滤器的通风系统。

加速器带自屏蔽装置。自屏蔽体由内、外两层组成, 内层为30cm厚铅、环氧树脂和碳化硼混合的高密度铸件, 用于慢化快中子, 吸收热中子; 外层为70cm厚含聚乙烯和碳化硼的混凝土, 用于慢化和吸收中子, 降低次级γ辐射。

加速器有完整的安全联锁系统, 只有当靶、离子源、磁铁线圈等有冷却水并达到一定流速时, 束流才能打到靶上。只有当自屏蔽体封闭、离子源射频屏蔽箱盖关上才能出束。只有在加速器防护门关闭时, 才能启动加速器。只有当加速器室内的剂量值小于限值时, 才能打开加速器室防护门。

3 评价采用的限值和建设项目中放射性场所模型(见图 1)

职业照射和公众照射限值采用ICRP 60号报告^[2]建议值, 本着为将来发展留有余地的原则, 对公众照射的剂量分配值为30μSv。气载放射性核素的环境限值为《辐射防护规定》^[3]中气载放射性核素导出空气浓度(DAC)的1/150。

4 环境放射性污染源项分析

环境放射性污染源项主要有贯穿辐射(中子和γ射线), 活化气体和放射性"三废"。

4.1 中子

中子可通过¹⁸O (p.n)¹⁸F和¹⁵N (p, n)¹⁵O反应而产生, 最大能量约8.5MeV, 中子发射率1.2×10¹¹n/s (束流20μA, 靶厚2mm, ¹⁸O丰度85%), 90°方向中子注量率与0°方向之比为0.1。加速器室屏蔽墙内侧中子剂量当量率为4μSv/h, 能量5MeV。

4.2 γ射线

γ射线主要有下列几种来源:(1)中子与自屏蔽体, 靶周围物质等部件作用产生次级γ射线, 在加速器屏蔽墙内侧γ射线平均能量为8MeV, 剂量当量率为16μSv/h。(2)加速器部件, 靶周围器件、准直器、自屏蔽体等受中子照射而活化, 生成以短半衰期为主的感生放射性。(3)在加速器打靶时, 由¹⁸O (p.n)¹⁸F反应产生发射正电子的核素¹⁸F。¹⁸F的β⁺衰变经湮没后发射出能量为0.511MeV的γ射线。

4.3 活化气体

加速器室中的空气受中子照射后可生成放射性活化气体, 主要核素有¹¹C、¹⁵O、¹³N和⁴¹Ar等, 其中关键核素为⁴¹Ar。它们经高效过滤器净化后, 排放到环境中。

4.4 气载放射性物质

在放射性药物制取、质检、分装、注射时, 部分未被高效过滤器净化的含¹⁸F等的放射性气体经通风管道排入大气, 会对环境产生污染。

4.5 放射性废物

包括乙腈反应介质和乙醚洗涤液、靶冷却水、少量剩余药液、受检病人的尿液、废靶料以及一些其他固体废物, 其中主要核素为¹⁸F、¹³N。

5 正常运行情况下对环境影响 5.1 加速器的贯穿辐射

依据设备参数, 采用文献^[1]提供的公式, 按加速器全年开机1000h, 计算得出了加速器屏蔽墙外剂量当量率和工作人员受照年剂量当量。如表 1所示。可见, 控制室和热室工作人员因贯穿辐射所致年剂量当量小于0.5mSv, 加速器上部和外面公众因贯穿辐射所致年剂量当量分别为7.5μSv和27.5μSv。

5.2 活化气体

加速器运行时, 大厅中的空气被中子活化可产生活化气体。半衰期小于1min的放射性核素, 通过通风系统进入环境中, 很快衰变到可忽略的水平。而一些较长半衰期的核素, 如¹⁵O、¹³N、¹¹C和⁴¹Ar的产生率相当低, 需要考虑的关键核素是⁴¹Ar。⁴¹Ar通过⁴⁰Ar (n, γ)⁴¹Ar核反应产生, 中子在入射到自屏蔽体前只与0.276的空气发生作用, 其中可以生成⁴¹Ar的⁴⁰Ar只占该空气体积的1.3%, 即0.0035。文献^[1]估算得出中子的发射率为1.18 ×10¹¹n/s, 据此计算与⁴¹Ar作用产生的活化气体的核数不会超过4.1 ×10⁸核/s。假设半衰期为10min, 锥体体积为1, 换气率10h^-1, 则活化气体浓度不会大于0.1GBq/m³。

5.3 放射性药物的贯穿辐射(以生产¹⁸F药物为例)

在生产¹⁸F药物过程中, ¹⁸F的β衰变经电子对湮没产生能量为0.511MeV的γ辐射。各放射性同位素操作室γ辐射点源¹⁸F每次操作量为:热室工作箱37GBq (1Ci); 质检室通风柜中14GBq (375mCi); 注射室0.37GBq (10mCi)。放射性药物制备工作箱是密闭的, 热室工作箱和质检室通风柜用6cm铅屏蔽, 注射室用4.34cm铅屏蔽。

γ射线剂量率可由点源公式(1)计算

(1)

式中:H-剂量当量率, (Sv/h); A-源活度(Bq); Γ-照射量率常数, 对¹⁸F, Γ=0.4 ×10^-14C·m²/h·kg·Bq; R-计算点距源距离(m); k-屏蔽减弱倍数; k₁-伦琴与戈瑞转换系数, 0.869 ×10^-2; Q-品质因子, 1;2.58 ×10^-4-库仑/千克与伦琴转换系数;

热室、质检室等操作间屏蔽墙外的剂量当量率及工作人员受照年剂量当量列于表 2。在热室、质控室和注射室进行不同操作人员的年剂量当量列于表 3。

可见, 在制备和使用放射性药物时, 工作人员接受的年剂量当量最大为2.8mSv。由于放射性药物生产是全自动的, 工作人员的全年操作时间远小于500h。同时, 在所有计算中没有考虑操作过程中放射性同位素的衰变, 所以预计工作人员受照剂量会更低。

5.4 气载放射性物质

以生产¹⁸F为例, 热室工作箱一次最大操作量37GBq (1Ci), 完成一次操作大约需要1h, 假设¹⁸F在操作过程中产生有10% ¹⁸F (3.7GBq)气载放射性物质, 计入0.1GBq活化气体, 经高效过滤(过滤效率以99%计)后, 有约38M Bq在1h内排入大气。假设风机通风能力为1500m³/h, 则排气口¹⁸F的释放率为1.03 × 10⁴Bq/s (排气口内径50cm)。

依照大气环境影响评价技术导则^[4], 采用连续点源烟羽扩散模式, 计算得出不同稳定度和不同风速情况下, 排气筒下风向一次(30min)取样时间的最大地面浓度介于0.60~3.77Bq/m³之间, 均低于《辐射防护规定》^[3]中气载放射性核素导出空气浓度(DAC)的1/150。采用最大地面浓度3.8Bq/m³来计算周围公众的受照剂量。根据外照射剂量转换因子3.6 ×10^-4(μSv/h)/ (Bq/m^-3), 假设每年工作250天, 每天4h, 全年开机1000h, 则受照剂量为1.4μSv/a。考虑加速器的贯穿辐射, 公众受照剂量低于剂量约束目标值30μSv/a。

6 非正常情况下对环境影响 6.1 熔靶和靶水吸附事故

以一次生产37GBq¹⁸F考虑, 经24h (13个半衰期)衰变后为9.0MBq。此时, 30cm远处的γ剂量当量率为13.4μSv/h。所以当发生此种事故时, 可封闭加速器大厅24h利用半衰期短的特点, 经自然衰变后, 再进行处理, 可减少对环境的影响。

6.2 反应器倾翻和破裂事故

停止通风, 防止¹⁸F扩散, 让其在气密性的工作箱内自然衰变, 24h后便可正常工作。

6.3 高效过滤器失效

假设高效过滤器失效, 最大地面浓度可高出正常值100倍, 仍然小于限值。由于发生这种情况是短时间的, 公众年受照剂量几乎不受影响。

6.4 自然灾害

立即切断电源, 加速器停机。迅速将放射性物质和气瓶移至安全地区, 如果靶料、放射性同位素和放射性药物泼散、泄漏, 应确定污染范围, 禁止人员进入, 封闭24h。