我国对医用加速器机房的辐射防护屏蔽设计采用的国家标准^[1]与IAEA Safety Reports Series No.47^[2] (以下简称"IAEA 47报告")基本一致, 采用IAEA 47报告对加速器机房防护门进行屏蔽计算很繁琐复杂, 所需要利用的机房参数和需查找并引用其他文献的数据较多, 计算繁冗。本文采用两种方法对比以寻求可靠的方法优化核算机房防护门的辐射屏蔽厚度。

1 屏蔽核算公式

对标称能量≥10 MV医用电子加速器, 迷路外入口处剂量一般由三部分组成:一是中子剂量, 二是中子俘获γ射线剂量, 三是泄漏和散射辐射剂量。核算迷道外入口处剂量是供选用机房防护门参考。

1.1 简易核算法

简易核算是依据陈敬忠^[3-5]等提供的经验公式和数值核算防护门的屏蔽厚度。

1.1.1 X射线屏蔽核算

对于常规单折L型迷路, 防护门处X射线的平均能量用下式估算:

(1)

式中:E_e-加速器电子的动能, MeV, 实际采用X射线最高能量。E_X-治疗室门口处X射线平均能量, MV。

常规L型迷路门口X射线剂量率:

(2)

式中:等中心X射线剂量率, Gy/min。

减弱倍数

(3)

式中:P-对参考点处要求的瞬时剂量率控制水平, μSv/h。

防护门的铅当量:

(4)

(5)

式中:TVT-E_X对应的铅的1/10值层厚度, mmPb。

1.1.2 中子屏蔽计算屏蔽中子所需含硼聚乙烯防护门厚度计算公式为:

(6)

式中:TVT_P1-为含硼聚乙烯的1/10值层, cm; 为单折L型长迷路外门口中子当量剂量率; 依据资料^[5]在10 MV、15 MV、18 MV X射线照射下, 单折L型长迷路外口处中子当量剂量率分别取40 μSv/h、70 μSv/h和400 μSv/h。

1.2 IAEA 47报告 1.2.1 迷路入口处中子俘获γ射线周剂量当量D_c计算

(7)

(8)

(9)

式中:W-周工作负荷, Gy/wk; D_φ-迷路外入口处俘获γ射线剂量, Sv/Gy; φ_M-迷路内入口处M点总的中子通量, n·m^-2[X Gy (等中心)]^-1; d₁-等中心到迷路内入口处M点距离, m; d₂-M点到迷宫外入口处距离, m; S-治疗室内表面总面积, m²; Q_N-中子强度, n·[X Gy (等中心)]^-1。

铅屏蔽层厚度:

(10)

式中:TVT_(pb)-俘获γ射线在铅中的1/10层, mm; P _r-设定门口的剂量控制值, 中子和γ射线各占50%。

1.2.2 中子周剂量DE估算式

(11)

(12)

式中:D_N-在迷路入口处中子剂量, Gy·(X射线Gy)^-1(等中心处); H₁-在等中心处中子剂量当量, mSv (X射线Gy)^-1; A_r-迷路内入口截面积, m²; S₁-迷道横截面积, m²;

中子屏蔽层厚度:

(13)

式中:TVT_(BPE)-中子在含硼(5%)聚乙烯中1/10值层, cm; P_n-设定的门口剂量控制值。

1.2.3 泄漏和散射辐射周剂量D_d的估算式

迷道外入口处的泄漏和散射辐射剂量D_d来自四部分, 分别为:①病人散射辐射剂量D_p; ②机头泄漏辐射剂量D_L; ③X射线穿过人体后墙体散射剂量D_wH; ④机头泄漏射线在迷道墙体散射剂量D_T。

(14)

f为病人透射因子，对于15 MV加速器取0.33;

(15)

式中:α-归一到400 cm²入射面积患者表面散射系数; α₁-墙体反射系数; F-患者表面入射面积, 按最大射野40 cm × 40 cm; d_sca-源至患者表面距离, 为1 m。

(16)

式中:α_A-A墙体的反射系数; A_H-投射到墙体的最大面积; α_M-在迷道内入口M处反射系数; d_H-源到墙体的距离; d_M-入射到墙体的射束中心轴到迷路内入口M距离; d_Z-M点到迷道外入口处距离。

(17)

式中:η-机头泄漏辐射比率; α₂-墙体反射系数; A₁-墙的散射面积; D_i-源到迷道中线的距离。

(18)

式中:B-迷道墙穿透因子; d_t-源到迷道外入口距离。

所有参数如图 1所示。

2 加速器机房门屏蔽厚度核算实例

以某单位购置Varian 1800型15 MV医用加速器为例, 有关参数如下:①加速器治疗室主体内径约为9.1 m × 7.6 m × 3.5 m, 迷路长约为9.6 m, 宽2.1 m, 高3.6 m; 内入口宽为2.1 m, 高2.4 m。如图 2所示。②距加速器靶中心1 m处加速器最大输出量率为6 Gy/min, 周工作负荷W=1 500 Gy/Week。依据资料^[2], 保守取值, Q _n=0.76 × 10¹² n/X射线Gy, H₁= 2.58 mSv/X射线Gy。③依据资料^[5]在15 MV X射线照射下, 机房门口中子剂量当量率取Ḣ_0n=70 μSv/ h, 机房门口控制剂量率为P=1.25 μSv/h, 对于能量为0.1 MeV中子, TVT_(BPE)=4.5 cm。④散射X射线, 散射线能量为0.32 MeV, 对应铅的TVT=5.46 mm。

利用公式核算出机房门的屏蔽厚度, 计算结果列于表 1。

从表 1可知, 利用IAEA 47报告计算屏蔽厚度都要大, 对于此加速器机房防护门的屏蔽推荐采用:防护材料组合从里到外依次为7 mmPb、11 cmBPE、7 mmPb的夹层结构。

需要注意的是, 如果此加速器为西门子Primus型, 依据资料^[2]保守取值, Q_n=0.92 × 10¹²n/X射线Gy, H₁=0.34 mSv/X射线Gy, 则可推算出D_c=284 × 0.92/0.76=343.8 μSv/Week; D_total= 571 μSv/Week; 所需屏蔽厚度为14.2 mmPb; D_E=546 × 0.34/2.58=72.0 μSv/Week, 所需BPE厚度为6.56 cm < 7.87 cm。在这种情况下, 简易法算得中子屏蔽厚度要大。

经过多次实践论证, 对于标称能量≥10 MV的加速器, 机房门的屏蔽设计采用IAEA 47报告核算γ射线与散漏射线屏蔽厚度值都要大于简易算法得到的值, 但屏蔽中子的核算值不一定要大。

对于标称能量 < 10 MV的加速器, 机房门的屏蔽设计(不需屏蔽中子), IAEA 47报告核算的屏蔽厚度不一定要大, 但屏蔽厚度相差不大(甚至小于0.5 mmPb)。

鉴于此, 在加速器机房门的辐射防护屏蔽设计中, 无论加速器的标称能量如何, 我们均用两种方法核算, 为了慎重, 选取两种算法之中的较大值。

3 结论

加速器治疗室门口处的X射线、中子和γ射线的剂量及其平均能量与治疗室内等中心处X射线能量与剂量、治疗条件(照射野大小、有用线束照射方向、迷路结构形式、迷路横截面积、迷路长度、迷路内墙厚度)等诸多因素相关。

采用简易计算法公式简单, 不需查找并引用其它文献中难以准确的数据, 所以核算所考虑的因素不全面, 仅适用于基层单位或监管单位的初步设计。采用IAEA SRS No.47号报告对加速器机房防护门进行屏蔽计算很繁琐复杂, 所需要利用的机房参数和需查找并引用文献的难以准确的数据较多, 计算繁冗容易出现纰漏。因此, 我们选取两种方法核算, 选取核算值中的较大值进行加速器机房门屏蔽保守设计, 在随后的加速器机房的验收检测中, 辐射屏蔽都可行, 符合国家标准^[6]的要求。