为了探讨15MV医用加速器防护门设计的最优化, 对我院加速器治疗室迷路外口处的中子和X、γ射线的剂量率进行了测试, 并对中子屏蔽材料和方法进行了初步探讨, 报道如下。

1 加速器治疗室的结构形式与屏蔽厚度 1.1 结构形式

治疗室使用面积63.68 m²(8.7 m×7.32 m), 房高4 m, S型双路[迷路外口(门洞)开在迷路外墙上], 迷路长(迷路内口与迷路外口之最近距离)5.65 m, 迷路宽1.8 m, 迷路内口宽2m, 迷路外口(门洞)的内侧1.45m, 外侧宽1.2m, 主防护墙宽度4.6 m, 迷路墙为副防护, 迷路墙外是控制室。

1.2 屏蔽厚度(ρ=2.35 t·m^-3混凝土)

主防护墙2.4 m, 副防护墙1.4 m, 迷路内墙1.6 m(在与迷路外口相对处又增加18 cm), 迷路外墙1.2 m(在与迷路内口相对处又增加40 cm), 屋顶主防护2.4 m, 副防护1.4 m。经防护部门监测, 治疗室墙外均为本底水平。

2 测试条件与方法 2.1 射线装置

瑞典医科达PRECISE医用直线加速器, 用15 MV X射线模式, 等中心最大剂量率5.6 Gy·min^-1, 采用标准水模(30 cm×30 cm, 水深20 cm), 照射野30 cm×40 cm, 源皮距100 cm, 有用线束向下、向迷路和向迷路内口相邻一侧3个方向照射, 取其中之最大测量值。

2.2 测试仪器

美国190N型中子测量仪和美国451P型加压电离室X、γ巡测仪。

2.3 测试内容

测量迷路外口(门口)处中子和X、γ射线剂量率, 分为开门测试、加不同厚度防护材料测试和关上原防护门测试。

2.4 防护材料

实验用防护材料有特制的石墨防护板、硼酸防护板、硫酸钡防护板和铅板, 其面积均为45 cm×40 cm。原防护门所用防护材料:石腊厚度90 mm, 硼酸粉厚度23 mm, 铅板厚度13 mm。

3 测试结果(表 1) 4 结果分析 4.1 迷路外口处之辐射水平与迷路结构形式的关系

表 1中的数据表明, 在开门无防护的条件下测试, 中子和X、γ射线的剂量率分别为3.31 μSv·h^-1和1.6 μSv·h^-1, 较文献[1]报道的15 MV单折长L型迷路外口中子30 μSv·h^-1(有用线束水平照射)小得多。分析其原因, 主要与迷路结构形式有关。①本例之迷路为S型, 迷路外口(门口)设在迷路外墙上, 其宽度被含钡混凝土封堵为1.2 m, 使散射线射到门口多了一折; ②迷路内口与迷路均较窄, 分别为2 m和1.8 m, 缩小了迷路内口处之散射面积; ③迷路内墙较厚为1.6 m, 减少了透过迷路内墙的漏射线。

需要说明的是, 本例所设计的迷路结构形式是可取的, 科学的; 而迷路墙及其他主、副防护墙厚度的设计过于保守, 因当初是按18MV X射线、环境剂量控制到0.5 μSv·h^-1设计的, 对迷路墙又要求特别加厚, 因墙外是控制室, 因此, 不符合最优化的原则。

4.2 防护门的屏蔽设计问题

本例实测结果, 迷路外口处中子和X、γ射线的剂量率分别为3.31 μSv·h^-1和1.6 μSv·h^-1。根据文献[2]介绍的计算方法, 若将中子和X、γ射线的剂量率降至0.25 μSv·h^-1, 则需含硼聚乙烯5.6 cm, 需铅2.3 mm。实验中, 采用48 mm厚石墨作中子慢化剂+18 mm硼酸作中子吸收剂(合计66 mm含硼石墨), 则中子剂量率即降至0.01 μSv·h^-1; 用5mm硫酸钡(约相当于1mmPb)和2 mmPb板(合计约相当于3 mmPb), 即将X、γ射线剂量率降至0.23 μSv·h^-1。计算数据与实验数据基本相符, 但是本例之防护门由防护器材厂商根据经验设计制造, 采用了90mm厚石腊、23mm厚的硼酸粉和13mm厚铅板。显然不符合最优化的防护原则。因此, 对防护门的屏蔽设计不能凭一般经验和一般计算方法, 必须全面考虑上述诸多影响因素。

4.3 防中子材料的层次排列问题

表 1中第3、4两项实验所用防护材料及其厚度均相同, 仅层次排列有别, 结果表明, 第4项的排列方式, 其防护效果明显优于第3项, 因为迷路外口处散射中子的平均能量仅0.1 MeV左右, 可直接与碳(C)原子通过弹性散射使其能量降至热中子而被硼(B)吸收, 不需要先经过与钡原子(Z =56)的非弹性散射降低其能量。这与文献[3]中报道的最佳组合有相似之处。

4.4 中子慢化剂与吸收剂 4.4.1 中子慢化剂

常用者有聚乙烯和石腊。由于二者具有相同的CH₂基, 含氢量和密度均相近, 故大致可相互转换。本例实验采用了石墨作慢化剂, 其成分是碳(C)。石墨(ρ= 1.67 g/ cm³)也是良好的中子慢化剂, 热中子俘获截面大, 次级γ产额小。本例实验初步说明, 对0.1MeV的散射中子, 含硼石墨的半值层厚度初步估计约为17 mm。但由于仅此初步实验, 而且测量的中子剂量率很低, 故难作定论, 有待进一步实验研究和验证。

4.4.2 中子慢化剂与吸收剂之配合比例

有关资料^[4]提到含硼聚乙烯中含硼量大约为5 %。笔者设计采用分层法, 曾采用第一层为70 mm厚石腊, 第二层为15 mm厚硼酸, 硼酸的厚度约为总厚度的17.6 %, 按单位体积重量计算, 硼酸含量约为25 %。由于硼在硼酸分子中的重量比为17 %, 故实际硼含量应为4.25 %。本次实验采用48mm石墨, 18mm硼酸。硼酸的厚度约为总厚度的27 %, 以重量计, 硼酸含量约为24 %, 换算成硼含量约为4.08 %。上述这两种分层比例经实测均满足了防护要求, 但究竟采取何种比例最佳, 尚需进一步研究。

(山东省疾病预防控制中心辐射防护安全所于夕荣副所长和李炜、张显鹏医师对中子、X、γ射线剂量的测量给予了大力支持与帮助, 特致谢意!)