医用电子加速器是将产生的电子束或光子束的束流引向病人肿瘤位置, 从而达到对病灶准确定位和治疗的目的^[1-2]。LA45型医用电子直线加速器是一种新型加速器, 该医疗设备的推广应用可在一定程度上提高放射医学诊断和治疗水平, 具有一定的先进性。但由于该型加速器加速电子能量高达45 MeV, 在生产测试中辐射危险高, 且高能光子会与钨靶、准直器等多种高原子序数的材料发生(γ, n)光核反应, 将产生一定量的中子辐射, 中子剂量计算较为复杂。

本项目拟建的LA45加速器测试工作场所平面布置图见图 1。其主要环境影响为辐射影响, 从事加速器测试工作人员和周围公众是需要关注的对象, 应确保职业照射人员和周围公众受照剂量满足国家标准GB 18871-2002^[3]中剂量限值和项目管理目标值的要求。

1 加速器测试污染源

对于本项目主要考虑在加速器整机测试阶段主要放射性污染物及其对环境和公众的辐射照射途径。由加速器的工作原理可知, 电子枪产生的电子经过加速后, 受到金属靶阻止, 产生高能X射线, 这种X射线是随机器的开关产生和消失的。由于X射线能量在10 MeV以上, 故应考虑中子和感生放射性问题。空气因高能电子和X射线电离, 还会产生臭氧和氮氧化物。因此, 在开机期间, X射线成为加速器可能污染环境的主要因子, 其次为中子、感生放射性、臭氧和氮氧化物^[2]。

2 加速器测试辐射安全分析 2.1 X射线对环境的影响 2.1.1 屏蔽材料十分之一减弱层厚度

LA45加速器在加速器检测间屏蔽墙内侧能发射最高能量为45 MV的X射线, 加速器检测间墙壁所用混凝土密度为2.35 g/cm³。根据NCRP 151号报告可知^[4], X射线其第一个十分之一减弱层厚度为51 cm, 平衡十倍减弱厚度为49 cm。由图 1可知, 加速器检测间主屏蔽墙厚度为3 000 mm, 次屏蔽墙厚度为1 700 mm。

2.1.2 加速器工作负荷

根据检测计划, 年生产25台, 单台LA45测试年输出量约1 312 Gy/a, 则年输出量为32 800 Gy/a。

2.1.3 X剂量率依距离和材料屏蔽衰减公式

采用式(1)和(2)计算透射比。

1)

2)

其中, t_barrier为屏蔽材料厚度, 单位为cm; TVL₁为靠近辐射源的第一个十倍减弱厚度, 单位为cm; TVL_e为平衡十倍减弱厚度, 单位为cm。

由式(1)和(2)可得:

3)

2.1.4 年有效剂量估算(X射线)

由式(3)及加速器工作负荷等条件推导出加速器室周围年有效剂量的计算公式, 各计算点位置如图 2所示。

2.1.4.1 主屏蔽墙(a、b点)

4)

其中, H _pri为年有效剂量, 单位为Sv/a; B_pri为材料衰减系数, 无量纲; U为加速器射束方向利用因子, 无量纲; T为居留因子, 无量纲; W为工作负荷, 单位为Gy/a; d_pri为距离加速器焦点的距离, 单位为m。

2.1.4.2 次屏蔽墙(c、d、e、f点)

a散射剂量计算公式:

5)

其中, ; H _ps为距离模体d_sec处屏蔽条件下的剂量率, 单位为Sv/h; B _ps为次屏蔽墙的厚度对应的透射因子, 无量纲; d_sca为加速器靶至模体的距离, 一般取1 m; d_sec为模体至计算点的距离, 单位为m; α为模体对初级射线束的散射比, 由入射的X射线能量及散射的角度决定, 无量纲; F为模体等中心1 m处照射野面积, 取40 cm × 40 cm; TVL_sca为十分之一值层厚度, 单位为cm, 其他参数同前。

b 漏射剂量估算公式:

6)

其中, ; H_L为距离加速器等中心点dL处屏蔽条件下的受照剂量, 单位为Sv/a; B_L为次屏蔽墙的厚度对应的透射因子, 无量纲; 其他参数同前。

2.1.4.3 迷路入口处(g点)

根据NCRP151号报告, 高能(大于10 MV)加速器迷路入口处的剂量仅需考虑中子俘获γ射线和中子。

a 中子俘获γ射线散射剂量计算公式:

7)

其中, W_L为加速器工作负荷, 保守考虑按32 800 Gy/a计算; K为A点处中子俘获γ射线剂量率与总中子注量的比率, 取6.9 × 10^-16; h_Ф为防护门处单位吸收剂量的中子俘获γ射线剂量, 单位为Sv/Gy; d₁为等中心点o到A点的距离, 单位为m; d₂为A点到迷路入口处的距离, 单位为m; TVD为中子剂量率每衰减10倍时在迷路中经过的距离(当X射线输出能量在18~25 MV时取5.4, X射线输出能量为15 MV时取3.9), 单位为m; β为中子在装置头防护材料中的透射因子(铅材料取1, 钨材料取0.85);Q_n为等中心点处单位X射线吸收剂量的中子数, 无量纲; S_r为机架室的总表面积(不含迷路), 单位为m²。

b 中子剂量估算

采用NCRP151号报告提供的Kersey's模式^[4], 即:

8)

其中, S₀/S₁为迷路内口截面(S₀)与迷路径向截面(S₁)之比; 其他参数意义同前。

2.1.5 敏感点位的年有效剂量 2.1.5.1 工作人员在操作位置的年有效剂量(东面)

操作间位于加速器机架室东侧, 屏蔽墙为加速器房间东墙。操作位置距离加速器焦点约8 m, U取1, S取1;墙总厚度为1 700 mm。主要考虑散射和漏射。

a 散射剂量

根据公式(5), 将所需参数值代入(散射比取2.74 × 10^-3, 居留因子为1/4, 十分之一值层厚度为36 cm, 等中心与计算点距离为10 m), 即可得工作人员在操作室所受散射剂量为4.26 × 10^-3mSv/a。

b 漏射剂量

泄漏辐射剂量率一般按初级辐射束的0.1%计, 根据公式(6), 将所需参数值代入(居留因子为1/4, 第一个十分之一值层厚度为51cm, 平衡十倍减弱厚度为49 cm, 等中心与计算点距离为10 m), 即可得工作人员在操作室所受漏射剂量为3.06 × 10^-2mSv/a。

由上述计算可知, 工作人员在操作室内测试作业, 所受剂量为3.49 × 10^-2mSv/a。

2.1.5.2 防护门外受照剂量

a中子俘获γ射线散射剂量

根据公式(7), 将所需参数值代入(K值取6.90 × 10-16, d₁值为8.45 m, d₂值为6.5m, TVD值为5.4, β值为0.85, Q_n值为7.7 × 10¹¹, S_r为44.88 m²), 即可得工作人员在操作室所受散射剂量为2.83 × 10^-2 mSv/a。

b 中子剂量

根据公式(8), 将所需参数值代入(K值取6.90 × 10^-16, d₁值为8.45 m, d₂值为6.5 m, TVD值为5.4, β值为0.85, Q_n值为7.7 × 10¹¹, S_r为44.88 m², S₁为8 m ²), 即可得工作人员在操作室所受散射剂量为1.02 × 10^-2mSv/a。

据此, 可计算出防护门外工作人员所受的年有效剂量1.02 × 10^-2 mSv/a。

工作人员操作室内受照剂量和防护门外受照剂量之和为4.51 × 10^-2 mSv/a, 该年有效剂量远低于标准规定的职业照射人员剂量约束值。

2.1.5.3 公众受照剂量

加速器设置在地下一层, 其西墙、南墙、北墙外属无人区, 三个方向墙体有混凝和土壤的屏蔽作用, 不会对周围环境造成辐射影响。其顶部区域为公司一处草坪, 视为公众活动区域。根据公式(1), 将计算所需参数代入(射线利用因子取1/16, 居留因子取1/16, 第一个十分之一值层厚度为51 cm, 平衡十倍减弱厚度为49 cm, 等中心与计算点距离为6 m), 即可计算出公众在加速器上部空间活动所受剂量为2.93 × 10^-3 mSv/a, 远低于标准规定的公众剂量约束值。

2.2 电子束对周围环境的影响

加速器能发射能量为45 MeV的电子, 电子在物质中的最大射程可以由公式^[5](9)估算:

9)

其中, d为最大射程, 单位为cm; ρ为防护材料的密度, 单位为g/cm³; E_βmax为电子最大能量, 单位为MeV。

由公式(9)可知, 当电子能量为45 MeV能量时, 在混凝土(2.35 g/cm³)中的最大射程约为9.57 cm。由于加速器机架室屏蔽墙墙壁厚度为170 cm以上, 因此加速器发射的电子束对环境的影响基本可忽略不计。

2.3 感生放射性剂量估算

感生放射性主要包括空气、纯水、加速器部件的活化, 由于空气和水中的感生放射性核素半衰期很短, 停机数小时后, 其辐射影响基本可忽略不计。感生放射性影响主要是加速器部件活化后, 工作人员因拆装、售后维修加速器而受到辐射照射。

根据LA45加速器构造及活化机理可知, 由于LA45加速器不含均整器, 故与常规的加速器相比, 其产生的感生放射性量较少, 主要是偏转磁体中的铜受照射后产生感生放射性, 包括⁶² Cu (半衰期为9.7 min)、⁶⁴Cu (半衰期为12.8 h)、⁶⁶Cu (半衰期为5 min), 大部分铜的同位素半衰期较短, 在停止出束后2 h, 放射性基本可忽略不计。LA45加速器采用了自动过滤系统, 不需要操作人员在停机后到治疗头处更换过滤块, 减少了接受感生放射性照射的机会。加速器进行拆装和售后维修一般在5~6 h后进行, 活化产物的辐射水平已经大大降低。

《医用电子加速器放射卫生防护标准》(GBZ 126 -2002)中规定^[6], X射线标称能量大于10 MeV的加速器, 距设备表面5 cm和1 m处由感生放射性所造成的吸收剂量率分别不得超过0.2 mGy/h和0.02 mGy/ h。

假设工作人员直接接触活化部件的拆装作业每台需要1 h, 则年拆装作业需要25 h。保守考虑, 工作人员拆装作业时, 活化部件表面剂量率已降至标准限值的1/2, 则每年工作人员由于加速器拆装作业而受到的年剂量为2.5 mSv/a。按年生产量与销售量持平考虑, 售后维修按30%计算, 修理作业约需2 h/台, 则售后维修人员年受照剂量为1.5 mSv/a。可以看出, 拆装工作人员和售后维修人员年受照剂量均未超过本报告制定的职业照射剂量约束值。项目运行过程中, 应严格遵循辐射防护最优化的原则, 保证工作人员的辐射安全, 根据生产和测试任务, 合理安排作业分工, 严格辐射监测制度和剂量管理, 如要求工作人员进入加速器测试区应携带个人剂量计、适当延长工作人员进入机架室时间等, 保证工作人员所受剂量合理可行尽量低。

2.4 有害气体对环境的影响

在加速器开机运行时, 产生的X射线与空气相互作用可产生少量臭氧和氮氧化物, 相比臭氧来说, 氮氧化物产额及危害均较小, 所以, 本报告以臭氧为主进行了分析和评价。经验表明, 只要臭氧能够达到标准, 氮氧化物也能满足标准要求。

在不考虑通风情况下, 空气中O₃的饱和浓度由式(10)估算:

10)

其中, Q为加速器机架室内O₃饱和浓度, 单位为mg/h; Q₀为O₃的辐射化学产额, 单位为mg/h; t_a-O₃有效分解时间, 取0.83 h。

加速器屏蔽室内的O₃产额由式(11)估算:

11)

其中, D₀为距靶1 m处的空气吸收剂量率, 单位为Gy/h; S为照射野面积, 单位为m²; R为靶距屏蔽室壁的距离, 取3 m; G为每吸收100 eV辐射能量产生的臭氧分子数, 一般为6~10, 为保守起见, 取10。根据式(10), 可计算出O₃的辐射化学产额约为5.616 mg/h。

加速器机架室容积为约179.52 m³, 假如O₃浓度在加速器机架室内是均匀的, 根据式(9), 可计算出O₃饱和浓度为0.026 mg/m³, 该O₃浓度远低于0.16 mg/m³的要求。考虑漏射线与散射线的影响, 可将上述估算值增加10%, O₃浓度仍然远低于0.16 mg/m³的要求。

机房内空气中产生的放射性和非放射性有害气体, 主要靠通风换气来控制, 加速器机架室的机械排风系统排风量为3 000 m³/h, 通风换气次数(10~12次/h)大于国家标准规定的次数(即每小时3~4次)。可以确保室内空气质量满足标准规定要求。

3 结论

通过本文的计算结果可知, 工作人员和公众受照剂量均低于国家标准和本文提出的剂量管理目标值, 该项目运行工作人员和公众的辐射安全是能够得到保证的。但由于LA45射线能量较高, 有较大的辐射风险, 因此, 在项目运行过程中, 应严格遵循辐射防护最优化的原则, 保证工作人员的辐射安全, 根据生产和测试任务, 合理安排作业分工, 严格辐射监测制度和剂量管理, 如要求工作人员进入加速器测试区应携带个人剂量计、适当延长工作人员进入机架室时间等, 保证工作人员所受剂量合理可行尽量低。