随着社会经济的不断发展, 为了适应市场经济的需求和自身发展的需要, 建设单位拟安装一台能量为15 MV的医用电子直线加速器。根据《中华人民共和国职业病防治法》的要求, 对加速器机房建设项目进行职业病危害放射防护预评价。本文着重于加速器机房屏蔽厚度计算与评价。

1 基本情况 1.1 设备

15 MV CLINAC-21EX医用电子直线加速器, 生产厂家:美国瓦里安医疗系统生产。

1.2 场所布局、分区

该加速器机房位于该医院一层独立建筑的放疗中心东北角, 东邻空调机房, 南邻候诊厅、控制室和设备间, 西邻库房, 北邻空地、道路。机房土建示意图见图 1、2。加速器安装方向坐西朝东, 迷路形状为L型。机房建筑面积180 m², 控制室面积20 m², 层高4.2 m。在本建设项目中, 加速器机房划为控制区, 机房周围及控制室、辅助用房等其他区域划为监督区。

2 加速器机房屏蔽厚度 2.1 机房屏蔽设计

根据建设单位提供的图纸和说明:治疗机房屏蔽墙为混凝土浇筑, 北墙、南墙及室顶主屏蔽墙厚度2800 mm; 北墙、南墙和东墙及室顶副屏蔽墙厚度1500 mm; 西墙(迷路内墙)厚度1200 mm; 西墙(迷路外墙)厚度1100 mm; 机房门18 mmPb +含硼聚乙烯150 mm; 北墙、南墙及屋顶主屏蔽区宽度均为3800 mm; 迷路形状为L型, 宽2100 mm, 迷路内口宽2200 mm; 机房东西长7800 mm, 南北宽6400 mm, 治疗室净高4200 mm。主屏蔽墙凸出部分均位于机房墙体内侧。等中心位置居正中, 距地面1.3 m。

2.2 机房屏蔽验证计算 2.2.1 屏蔽厚度计算方法和公式

屏蔽厚度的计算方法有多种, 如计算穿透因子查图表法, 林氏计算法, 什值层计算法等。什值层计算方法可简化计算, 什值层资料日趋完善, 计算的屏蔽厚度也较为确切, 因此本预评价屏蔽厚度理论计算采用什值层计算方法计算。屏蔽厚度计算公式和基本参数来源于国家职业卫生标准GBZ/T 201.2-2011^[1]。

2.2.2 屏蔽厚度理论计算 2.2.2.1 有用线束主屏蔽区(图 1关注点A、D和图 2关注点I)

关注点A:关注点达到剂量率参考控制水平H_c时, 设计的屏蔽所需要的屏蔽透射因子B按下式计算:

(1)

式中: -按国家标准^[1]中4.2.1和A.2确定的剂量率参考控制水平, =2.5 μSv/h; -加速器有用线束中心轴上距产生治疗X射线束的靶(以下简称靶) 1 m处的剂量率, 按该加速器技术参数, =3.6 ×10⁸μSv/h; R-辐射源点(靶点)至关注点的距离, 对于15 MV加速器, 按^[1] 表 1预设屏蔽厚度为250 cm, 按图 1的几何尺寸, 则R=700 cm; f-对有用束为1。将上述参数代入公式(1), 得到透射因子B=3.40 ×10^-7。A点所需屏蔽厚度按下式计算:

(2)

由标准^[1]附录B表B.1查得在混凝土(ρ=2.35 g/cm³)中15 MV的TVL₁=44 cm、TVL=41 cm, 对于0°入射, X=Xe, 将上述参数代入公式(2), 则屏蔽厚度X=268 cm。为使数据更确切, 以X=268 cm, 进行再次计算, R=718 cm, B=3.58×10^-7, 则X=267 cm; 以X=267 cm, 再次计算, R=717 cm, B=3.57×10^-7, X=267 cm。即主屏蔽墙A屏蔽厚度X为267 cm最为合适。

关注点D:对关注点D的屏蔽估算与上述方法相同, 得到X=267 cm。

顶墙关注点I:治疗室内净高4.2 m, 等中心高度1.3 m, 按上述方法, 预设屏蔽厚度为250 cm, 按图 2几何尺寸, R=670 cm, 按标准^[1]附录D.1.1屋顶的剂量率控制水平=100 μSv/h。其他参数同上, 代入公式(1)和(2)得到B=1.25×10^-5, X=204 cm; 以X=204 cm, 再次计算, R=624 cm, B=1.08×10^-5, X=207 cm; 以X=207 cm, 再次计算, R=627 cm, B=1.09×10^-5, X=206 cm; 以X=206 cm, 再次计算, R=626 cm, B=1.09×10^-5, X=206 cm。即顶主屏蔽厚度为206 cm最合适。

2.2.2.2 侧屏蔽墙区(图 1关注点C)

该区主要考虑泄漏辐射屏蔽, 估算方法类似主屏蔽区。式(1)中f=10^-3, 式(2)中的TVL₁和TVL按标准^[1]附录B表B.1的15 MV泄漏辐射值, TVL₁=36 cm, TVL=33 cm。使用标准^[1] 表 1的15 MV预设屏蔽厚度110 cm, R=530 cm, B=1.95×10^-4, X=125 cm; 以125 cm重新计算, R=545 cm, B=2.06×10^-4, X=125 cm。可见, 关注点C屏蔽厚度X=125 cm最合适。

2.2.2.3 与主屏蔽区相连的次屏蔽区(图 1关注点B₁和B₂, 图 2关注点K)

关注点B₁对于位置B₁的屏蔽透射因子B、有效屏蔽厚度Xe和屏蔽厚度X按下列公式计算:

(3)

(2)

(4)

式中: 考虑泄漏辐射和患者散射辐射的复合作用, 患者散射辐射剂量率控制值, 按标准^[1]中4.2.1和附录A.2, =1.25 μSv/h; -距靶1 m出的剂量率, 按该加速器技术参数, =3.6×10⁸μSv/h; Rs-患者(位于等中心)至关注点B₁的距离, 取患者散射角为30°, 按上述2.2.2.1计算的主屏A厚267 cm, 由图 1几何尺寸, Rs=712 cm; α_ph-患者400 cm²面积上的散射因子, 由标准^[1]附录表B.2查出15 MV、30°的α_ph为2.86×10^-3; TVL-由标准^[1]附录B表B.4查出15 MV、30°患者散射辐射的混凝土TVL=31 cm, TVL₁= TVL; F-等中心处最大照射野面积, 40 cm×40 cm=1600 cm²。将所述相关参数代入(2)、(3)、(4)式中, 得到: B=1.54×10^-5, Xe=149, X=129 cm。

关注点B₂见图 1, 对于关注点B₂的屏蔽估算与上述相同, 得到X=129 cm。

关注点K, K处顶外剂量率控制水平为100 μSv/h, 以患者散射剂量率=50 μSv/h估算, 按上有用线束主屏蔽区计算的顶主屏I厚度206 cm, 由图 2几何尺寸, Rs=607 cm, 其他参数同上, 代入式(2)、(3)、(4)得到: B=4.47×10^-4, Xe=104, X=90 cm。

2.2.2.4 有用线束主屏蔽区宽度

按文献[2]的式(2)计算:

式中: Y_p-机房有用线束主屏蔽区的宽度, cm; SAD-源轴距, 该设备为100 cm; θ-治疗束的最大张角, 该设备θ=14°; a-等中心点到"墙"的距离, cm。当主屏蔽区向机房内凸时, "墙"指与主屏蔽相连的次屏蔽墙(或顶)的内表面, 当主屏蔽区向机房外凸时, "墙"指主屏蔽区墙(或顶)的外表面。按上述1)、3)计算X_主=267 cm, X_次=129 cm, 顶关注点I, X_主=206 cm, 关注点K, X_次=90 cm。由图 1(内凸), a=458 cm, 代入上式, Y_p=338 cm, 取整数340 cm; 由图 2(内凸), a= 506 cm, 代入上式, Y_顶=312 cm。考虑到机房的建筑结构以及有用线束向机房墙与顶连接处的照射, 机房顶的主屏蔽区与墙主屏蔽区同宽, 即均为340 cm。

2.2.2.5 迷路内墙屏蔽厚度

依标准^[1] 4.3.2.5. 1.b, 迷路入口按2.5 μSv/h的剂量率控制, 穿过迷路内墙在入口处的泄漏辐射剂量率应小于其1/4, 取为0.5μ Sv/h; 按标准^[1] 表 1的预设屏蔽厚度(15 MV、110 cm)和机房参数, 计算如下: ①O₁至g的距离, 按图 1几何条件, R=796 cm。②取泄漏辐射因子f=10^-3, 按式(1), B=8.80×10^-5。③查标准^[1]附录表B.1, 15 MV泄漏辐射的TVL₁=36 cm, TVL=33 cm, 使用式(2)计算, 迷路内墙有效厚度Xe=137 cm。④加速器射入屏蔽体的斜射角, 通常以30°斜射角保守估算, 按式(4), 迷路内墙厚度X=119。以119 cm代替预设屏蔽厚度110 cm, 重新计算, R=803 cm, B=8.96 ×10^-5, Xe=137 cm, X=119 cm。即迷路内墙屏蔽厚度为119 cm最为合适。

2.2.2.6 迷路外墙(图 1位置h或F)

自图 1的O₂泄漏辐射至迷路外墙(h)的斜射角度小于30°, 以垂直入射保守计算。使用标准^[1] 表 1的预设屏蔽厚度(110 cm), 按图 1几何条件, 按垂直入射, 则O₂至h的距离为R=860 cm。按式(1)和式(2) : B=5.14×10^-5; X=Xe=111 cm; 以111 cm代替110 cm, 再次计算, R=861 cm, B=5.15×10^-4, X=111 cm。可见迷路外墙屏蔽厚度为111 cm最合适。

2.2.2.7 机房入口防护门

总中子注量Φ_M图 1迷路的中子散射路径为"O-M-g"。M点是从等中心点与迷路内径端的连线和迷路长轴中心线之间的交点。在M点的总中子注量Φ_M按式(5)计算:

(5)

式中: Q_M-等中心处1 Gy治疗照射时M处的总中子注量, (中子数/m²/Gy); Q_n-在等中心处每1 Gy治疗照射时射出加速器机头的总中子数, 查文献[3] NCRP NO.151表B.9得知Q_n=0.46×10¹² (中子数/Gy); d₁-等中心O至M点的距离, 依图 1的几何尺寸, d₁=7.1 m; S-治疗机房的总表面积(m²), 包括四壁墙面、顶面和地面, 不包括迷路内各面积。依图 1的几何尺寸, S=190.72 m²。相关参数代入式(5) : Φ_M= 3.27×10⁹(中子数/m²)/Gy。

什值距离Tn按式(6)计算:

(6)

式中: S₁-迷路横切面积, 依图 1, S₁=2.1×4.2=8.82 m², 代入式(6)得到: T_n=6.12m。

机房入口的中子剂量率()机房的中子经迷路散射后在机房入口门外30 cm(g)处无防护门时的剂量率, (μSv/h)按式(7)计算:

(7)

式中: S₀-迷路内口的面积, m², 依图 1几何条件, S₀=2.2×4.2; S₁-迷路横切面积, m², 同上S₁=2.1×4.2; d₂-M点到迷路入口(g)的距离, m, 依图 1几何条件, d²=9.2 m; T_n-什值距离, m, 如上述, T_n=6.12 m。将相关参数代入(7), 得到: =90.8 μSv/h防中子含硼5%聚乙烯屏蔽厚度按式(8)计算:

(8)

依^[1]附录c, 取含硼5%聚乙烯的TVL_n=4.5 cm, 其他参数同上述, 代入式(8)得到X_n=8.8 cm

机房入口中子俘获γ射线的剂量率(μSv/h)按式(9)计算:

(9)

式中: TVD-将γ射线剂量减至其十分之一的距离, 依^[1] 5.2.7.b, 对于15 MV加速器为3.9 m; 其他参数同上, 代入式(9)得到: =3.54(μSv/h)

中子俘获γ射线所需屏蔽厚度, 按式(10)计算:

(10)

依标准^[1]附录c, 取铅的TVL_r=3.1 cm, 其他参数同上, 代入式(10)得到X_r=1.7 cm由上述的计算结果, 建议防护门防护材料组合依次为: 2 mmFe + 8 mmPb + 88 mm含硼5%聚乙烯+ 8 mmPb + 2 mmFe。

2.3 评价

屏蔽设计与验证计算结果及评价见表 1。

2.4 辐射剂量率

在给定的屏蔽物质厚度X(cm)时, 有用线束和泄漏辐射屏蔽体外关注点辐射剂量率(μSv/h)按式(11)计算; 散射辐射屏蔽体外关注点辐射剂量率(μSv/h)按式(12)计算, 防护门外辐射剂量率(μSv/h)按式(13)计算:

(11)

(12)

(13)

式中各符号和相关参数同上述屏蔽厚度计算中所述。各关注点辐射剂量率按设计厚度屏蔽体外的计算结果见表 1。

3 防护安全装置

根据建设单位提供的有关资料, 该项目安全设施有: ①加速器控制台钥匙开关控制。②在机房门口处设置出束警示灯与加速器控制器相连。③门—机联锁装置。④拟在墙壁、加速器机体、治疗床、迷路出口、控制台都安装紧急停机开关。⑤摄像头、监视器、双向对讲装置。⑥安装应急灯。⑦剂量联锁。⑧时间联锁。⑨在机房南北及迷路内墙内表面安装3个激光灯。⑩其他防护安全措施有警示标志、防护用品等。

4 结论和建议 4.1 结论

① 该建设项目为职业病危害严重类别的建设项目。②工作场所布局与分区基本合理, 基本能满足卫生学要求。③建设项目的屏蔽设计符合国家相关标准的要求。④安全防护设施和措施, 基本符合纵深防御、多元性、独立作用和冗余性的原则, 在正常运行情况下, 能防止潜在照射的发生。

4.2 建议

① 建议机房内设置单独的进风口, 并将排风口与进风口设置成对角, 并保证机房内通风换气达4次/h。②加速器机房门设置防碰撞、挤压装置, 迷路内设置防护门开关、迷路入口处应安装光电安全联锁装置。③混凝土浇筑时要连续作业, 密度应达到2.35 g/cm³。④建设项目在投入运行前, 应委托具有评价资质的机构进行职业病危害放射防护控制效果评价, 并经省级卫生行政部门竣工验收合格、取得放射诊疗许可证后方可正式投入使用。