深圳某医院拟建设的MM50(Medical Microtron 50 MeV)电子回旋加速器(由比利时IBA公司生产), 是新一代的三维调强适形放射治疗机^[1], 具有能量高, 给量准等特点, 是国内第三台同类型加速器, 主要用于肿瘤放射治疗。人们在获得加速器治疗疾病利益的同时, 亦会因辐射对工作人员与公众带来可能的危害, 趋利避害, 按《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》^[2](简称《基本标准》)的年有效剂量限值和防护与安全最优化原则, 做好机房的屏蔽防护; 用年有效剂量管理值对MM50加速器机房屏蔽防护设计效果进行评价, 实有必要。

1 电子回旋加速器工作原理

电子由电子源注入, 在超高频电场作用下加速获得能量, 并在均匀直流磁场中作圆周运动, 通过谐振腔时将能量加速到50MV。电磁铁使电子束偏转180°, 其运动轨道成为椭圆形, 将电子单圈能量提高到5MeV或更高, 再通过磁场引出, 若不打靶就形成高能电子线, 若打靶则形成高能X射线, 经传输系统导入旋转机架内^[3]。

2 机房的屏蔽防护 2.1 屏蔽防护技术参数的设定 2.1.1 加速器技术参数

X射线最大能量:50MV。X射线的输出率:3Gy/min。距靶中心1m处主射束剂量率:1.8 × 10⁸μGy/h。加速器等中心点高度:1.35 m。

2.1.2 剂量管理值

《基本标准》规定:工作人员职业照射的年有效剂量不超过20mS v, 公众中有关关键人群组的成员所受到的年有效剂量不超过1mS v。按最优化的原则, 提出本项目的年有效剂量管理值:职业工作人员为5mS v, 公众成员为0.25 mS v, 并以此年有效剂量管理值作为本项目防护设计的剂量限值。年照射时间按每天开机4h, 每年250工作日, 每年1 000h进行计算。

2.2 机房屏蔽防护厚度 2.2.1 机房墙体屏蔽厚度

采用林氏法^[4]计算公式(1)墙体主屏蔽厚度

(1)

式中:S_P:主屏蔽混凝土层厚度(ρ=2.35g/cm³), cm; TVT:十分之一值层厚度, cm, 取45.7 cm; W:距靶中心1m处主射束剂量, μGy/h; P:目标点导出剂量率目标值, μGy/h; D:加速器靶距防护计算点的距离, m; n:安全系数, 取2。

(2)墙体副屏蔽厚度

(2)

式中:S_S:副屏蔽混凝土层厚度(ρ=2.35g/cm³) cm; W、P、d、TVT、n含义同上。

2.2.2 机房防护门屏蔽厚度

根据厂家提供的等中心线X射线剂量率和防护门口剂量控制目标(2.5μGy/h), 用减弱倍数法^[4]分别计算出防护门屏蔽X射线与中子线的屏蔽厚度, 结果见表 1。

3 屏蔽计算 3.1 加速器机房设计

MM50加速器机房位于门诊楼一楼。加速器机房(见图 1)设计为14.5m×7.3m×3.8m, 面积为106m², 体积为402m³。机房主射束方向使用密度为3.50g/cm³重晶石结构墙屏蔽, 其他方向使用密度为2.35g/cm³混凝土(简称砼)结构墙屏蔽。加速器机房墙外布局及剂量率目标值见表 2。

3.2 MM50加速器运行对环境的辐射影响

MM50加速器运行时, 对环境的影响主要有:X射线贯穿辐射、中子辐射、感生放射性、空气电离产生臭氧与二氧化氮等。它对外环境的影响只是泄漏辐射。根据该加速器的技术参数用公式(1)、(2)与2.2.2机房防护门屏蔽厚度计算方法进行计算, 结果见表 1。

将计算结果与原设计的机房屏蔽防护进行比较, 结果表明MM50加速器机房四周墙壁、防护门和天花板的设计厚度均能满足屏蔽防护要求。加速器机房屏蔽墙和防护门施工质量如能达到设计要求, 加速器对外环境辐射剂量可控制在年有效剂量管理值以下。

4 类比监测

为验证加速器机房屏蔽防护设计的防护效果, 我们选择西安某医院同一型号的MM50加速器机房进行类比监测。

4.1 监测项目、方法与仪器

监测项目的和监测方法按国家环保总局《辐射环境监测技术规范》(HJ/T 61-2001)规定的方法进行, 检测仪器有:B H3103A型X-γ剂量率仪、451型电离室巡测仪、E MR300型射频电磁辐射分析仪、12-4型中子剂量率仪。全部仪器经检定并在有效期内使用。

4.2 监测结果

西安某医院MM50加速器机房位于医院地下一楼, 加速器机房各屏蔽墙、天花板和防护门厚度和前述MM50加速器机房设计一样。加速器机房南墙外为设备室, 北墙外为控制室, 大门设在东墙, 西墙外为地下土层。加速器机房各墙外监测结果见表 3。由表 3可见, 在开机工况下, 加速器机房四周环境X-γ辐射剂量率(含宇宙射线)各点测量值在(102.4 ±9~309.5 ±16)nGy/h之间, 除控制室测量点明显升高达(309.5 ±16)nGy/h外, 其他各测量点在本底范围内^[5]。电磁辐射和中子剂量率类比监测结果表明, 控制室和加速器门口在开机时电场强度有一定程度的升高, 而中子剂量率最大值为2.0μSv/h。

4.3 剂量估算根据西安某医院

MM50加速器机房四周环境的监测结果, 对评价区域内外照射人均年有效剂量当量进行估算。估算公式见公式(3)。

(3)

式中:H_e:外照射年有效剂量当量, mSv; D:工作场所环境γ辐射在离地面1m高处的空气吸收剂量率, nGy/h; D₀:对照点环境γ辐射在离地面1m高处的空气吸收剂量率, n Gy/h; k:空气吸收剂量换算为有效剂量当量的换算因子, 取0.7S v/Gy; t:年照射时间, h。

用公式(3)对类比监测结果最大值进行职业照射剂量估算。职业人员年有效剂量当量估算值为0.21mS v, 由于在MM50加速器评价中, 加速器发射出的X、γ和电子射线, 其品质因子W_R均为1, 此时年有效剂量当量值等同于年有效剂量值, 即职业人员年有效剂量为0.21mSv, 小于本项目剂量管理值5mSv。公众年有效剂量为0.013mSv/h (居留因子取1/16), 小于本项目剂量管理值0.25mSv。

5 结论

深圳某医院MM50加速器建设项目符合辐射防护实践的正当性, 对加速器机房屏蔽防护采用最优化原则, 符合《基本标准》辐射防护要求。由于辐射工程的特殊性, 为了确保该辐射项目建成后对环境的影响降低到可合理达到的尽量低水平并确保辐射装置的安全运行, 工程应由有资质的专业单位进行施工建设, 有关职能部门应加强施工监督管理, 并做好项目竣工验收, 确保辐射安全。