电子加速器的应用越来越广泛，能量也越来越高，一方面医用电子直线加速在医疗行业放射治疗中应用非常广泛，另一方面电子加速器也广泛应用在科学研究、工业探伤、工业辐照等领域^[1-3]。

电子加速器运行过程会产生高能电子束、轫致辐射（X射线）等，这些射线穿过空气会使空气电离而产生臭氧和氮氧化物，其中，臭氧的产量一般是氮氧化物的两倍，可能会对人体的呼吸系统、神经系统造成损伤，国家职业卫生标准中规定了其限值。故本文将分析并评估高能电子直线加速器、同步加速器和医用电子直线加速器工作过程中产生的臭氧浓度，对保护工作人员职业健康、加速器辐射防护设计、职业病危害评价等有重要参考价值。

1 对象与方法 1.1 研究对象

研究高能电子直线加速器，高能同步加速器，医用电子直线加速器三种类型机房或隧道内的臭氧浓度。本文中采用的500 MeV电子直线加速器的隧道长宽高尺寸为50 m × 3 m × 3 m；15 MeV医用电子直线加速器机房的长宽高尺寸为13.5 m × 10 m × 3 m；6 GeV同步加速器环形隧道周长为450 m，隧道截面宽高尺寸为3.33 m × 3 m。

1.2 计算方法

采用NCRP144号报告中的臭氧浓度计算公式并参考IAEA 188号报告中有关参数，分别计算高能电子直线加速器、高能同步加速器、医用电子直线加速器等工作场所的臭氧浓度^[4-5]，在不考虑射线对已产生臭氧分子的破坏而降低时，臭氧浓度计算公式如下，

$ C\left( t \right) = \dfrac{{gI}}{{\alpha + Q/V}} \times \left[ {1 - {{\rm{e}}^{ - \left( {\alpha + Q/V} \right)t}}} \right] \times \dfrac{{48000}}{{6.02 \times {{10}^{23}}}} $

(1)

其中，C（t）为t时刻臭氧浓度，mg/m³； $\dfrac{48000}{6.02\times {10}^{23}}$ 为单位体积内臭氧分子数转换为浓度时的转换系数。I为单位时间单位体积内空气中能量的沉积，eVm⁻³s⁻¹；g为单位能量沉积产生的臭氧分子数，eV⁻¹，低剂量率下取0.074；α为臭氧分子分解速率s⁻¹，其值为2.03 × 10⁻⁴；Q为机房空气排出率，m³ s⁻¹；V 为机房体积，m³。

当t→∞时，由公式（1）可以推导出饱和臭氧浓度计算公式如下，

$ {C_{\rm{s}}} = \frac{{gI}}{{\left( {\alpha + Q/V} \right)}} \times \frac{{48000}}{{6.02 \times {{10}^{23}}}} $

(2)

其中， $ {C}_{\rm{s}} $ 为饱和臭氧浓度，mg/m³，其他参数同公式（1）。

在公式（2）中，I的数值是臭氧浓度计算的关键，在已知工作场所吸收剂量率时，比如医用电子直线加速器治疗时常见吸收剂量率为600 cGy/min，再根据空气中的吸收剂量率与I的转换系数，可以计算I值。标准大气压下空气密度为1.29 kg/m³，因此，1 Gys⁻¹ = 1 Js⁻¹ = 6.25 × 10¹⁸eVkg⁻¹ s⁻¹，则1Gys^-1对应单位体积空气中的能量沉积为6.25 × 10¹⁸ × 1.29 eV m⁻³ s⁻¹ = 8.1 × 10¹⁸eV m⁻³ s⁻¹。

对于高能电子直线加速器和同步加速器，X/γ射线剂量率根据Jenkins公式进行计算^[6-7]，计算公式如下：

$ \begin{array}{l} {H_{{\rm{X}}\gamma }} = {10^{ - 13}}{E_0}{\left( {\dfrac{{\sin \theta }}{{a + d}}} \right)^2} \times \\ \left[ {\dfrac{{133{e^{ - \dfrac{\mu }{\rho } \cdot \dfrac{{\rho d}}{{\sin \theta }}}}}}{{{{\left( {1 - 0.98\cos \theta } \right)}^2}}} + 0.267{e^{ - \dfrac{{\rho d}}{{{\lambda _1}\sin \theta }}}}} \right]\left( {{\rm{Gy}}/{\rm{e}}} \right) \end{array} $

(3)

其中， $ {H}_{{\rm{X}}{\gamma }} $ 为每个电子产生的剂量，Gy/e；E₀为入射电子能量，GeV；θ为靶与屏蔽体外剂量计算点连线与束流的夹角，°（度），本文计算时取90°方向；a为靶到屏蔽体内表面的距离，cm，d为屏蔽体厚度，cm；Z为靶原子序数；ρ为屏蔽材料的密度，g/cm³；μ为屏蔽材料对光子的衰减系数，cm⁻¹，μ = 0.056 cm⁻¹（混凝土）；λ₁为屏蔽材料对高能中子的吸收长度，g/cm²，λ₁ = 120 g/cm²（混凝土）。

2 结果 2.1 剂量率和I值结果

三种加速器参考点位计算得到的X/γ射线剂量率和I值见表1。对于高能电子直线加速器，本文按照正常运行时均匀损失和调试模式下的集中损失两种情况分别计算。表1中给出的是电子直线加速器和同步加速器束流管30 cm处的X/γ射线剂量率，其值分别为5.92 × 10⁻⁵、1.85 × 10⁻⁶和2.17 × 10⁻⁷ Gy s⁻¹，对应的I值为4.8 × 10¹⁴、1.5 × 10¹³和1.8 × 10¹² eV m⁻³ s⁻¹。对于医用电子直线加速器按照治疗剂量率600 cGy/min计算，表1中同时给出了治疗床上方照射野内和治疗床旁1 m处的剂量率（考虑散射辐射和泄漏辐射）^[8]，分别为0.100和2.52 × 10⁻⁴ Gy s⁻¹，对应的I值为8.1 × 10¹⁷和2.1 × 10¹⁵ eV m⁻³ s⁻¹。

2.2 臭氧浓度结果

利用表1中计算的I值、公式（1）和公式（2），表2中给出了三种电子加速器产生的臭氧浓度，其中高能电子直线加速器和同步加速器运行期间按照1次/h的通风换气次数计算，医用电子直线加速器机房通风换气次数要求为不小于4次/h^[9]，本文按4次/h进行计算。高能电子直线加速器和同步加速器饱和臭氧浓度计算结果为2.21 × 10⁻⁵～5.89 × 10⁻³ mg/m³；医用电子直线加速器照射野内和治疗床1 m处的臭氧浓度为0.276和1.05 × 10⁻⁴ mg/m³。同时，表2中给出了臭氧的标准限值MAC = 0.3 mg/m^3[10]。

3 讨论

本文系统的研究了各种常见电子加速器（高能电子直线加速器、同步加速器和医用电子直线加速器）工作场所内的臭氧浓度。计算结果表明，在本文给出的常见束流损失情况下高能电子直线加速器、同步加速器产生的饱和臭氧浓度远低于标准限值^[10]。医用电子直线加速器在正常工作条件下，照射野内的臭氧浓度低于标准限值，但接近限值，该结果也说明医用电子直线加速器机房标准中规定的通风换气次数不低于4次/h是合理的^[8]。治疗床旁的臭氧浓度远低于标准限值，但考虑到有用线束内产生臭氧的扩散，治疗床的实际测量值预计应高于计算值，但应明显低于标准限值。由于计算结果是未考虑射线对已产生臭氧分子的破坏而使浓度降级的保守估算，因此，总体来讲，电子加速器在正常工作条件下臭氧的职业病危害是能够实现有效控制。

臭氧浓度计算中I值的计算最为关键，即单位时间单位体积内空气中能量的沉积，实际工作中可以利用半经验公式计算、蒙特卡略模拟或直接从加速器出束参数中获得。本文使用的计算方法和计算结果对电子加速器中臭氧的职业病危害评价具有重要的参考价值和借鉴意义。