16 MeV醫用回旋質子加速器測試間輻射安全研究

蘇曉書,吳適杰,李元崗,何占飛,劉 穎,王金明

(1.中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021;2.南華大學 核科學技術學院,湖南 衡陽 421001)

醫用回旋質子加速器是利用電磁場對帶電粒子進行循環加速達到特定能量[1]的一種粒子加速器,也是生產放射性核素的必要設備[2]。目前,國內一些科研機構對醫用回旋質子加速器有較深入研究,但成熟、市場化的技術主要集中在美國General Electric Company、比利時Ion Beam Applications S.A.、美國Crystal Technology &Industries Inc.、加拿大Advanced Cyclotron Systems Inc.等公司[3]。我國現階段使用的醫用回旋質子加速器大部分為進口設備,加速器在國外測試合格后運入國內,安裝在放射性核素生產場所的加速器屏蔽間內,安裝后位置不發生變動,無需再運出。加速器屏蔽間一般在屋頂或側墻設置開孔,然后通過吊裝、搬運等方式將加速器放入屏蔽間內,之后將開孔封堵,只設置人員進出口,用于檢修、換靶。但隨著我國放射醫療技術的快速發展,醫用回旋質子加速器正在更大規模的應用,國外加速器生產廠家為了提高加速器應用效率,擬在國內建設加速器測試間,當加速器測試達標后即可直接在生產場所安裝使用。為實現上述功能,加速器測試間不同于加速器屏蔽間,其既要考慮加速器頻繁進出的測試需求,還應考慮對進出通道進行屏蔽以滿足輻射防護相關要求。一般情況下,1座加速器測試間年測試量為50臺加速器,測試間建設數量根據廠家銷量需求確定。本研究以進口占比較大的16 MeV回旋質子加速器測試間為例,對測試間周圍環境進行輻射場模擬,判斷其輻射安全性,為此類工程的建設提供理論支持及數據參考。

1 回旋質子加速器源項

本研究輻射源項為國外某公司典型16 MeV醫用回旋質子加速器,各項參數具有一定代表性,束流強度最大為160 μA,測試過程中采用兩種測試靶材,分別為Dummy靶和液體靶材料。其中,Dummy靶的材質為鋁,形狀為圓柱體,直徑40 mm,高度100 mm;靶座材料同樣為鋁,外徑80 mm,內徑25 mm,厚度30 mm。液體靶材質為重氧水(H218O),厚度10 mm,體積1.9 mL。

該回旋質子加速器打靶高度為1 000～1 600 mm,質子束流損失位置在靶位出口前,高度約1 000～1 500 mm;從中心質子源到靶的束流損失率約為30%～40%,最不利情況可達到50%,束流傳輸過程的管壁材料為鋁制材料。

加速器有兩種運行工況:加速器以單束流線運行,其最大束流強度不超過160 μA;加速器兩條束流線同時運行,此時兩條束流線最大束流強度合計不超過160 μA,最大的組合是80 μA+80 μA,或者每條束流線不超過80 μA的任何自由組合,如60 μA+60 μA,70 μA+50 μA、80 μA+70 μA等。

2 測試間工程布置

回旋質子加速器測試間布置示于圖1。圖1a為測試間平面圖,房間大小為4 500 mm×4 100 mm的矩形結構,四周墻體厚度為2 000 mm的混凝土,移動式防護門位于房間的東側,防護門的寬度為2 300 mm;測試間內鉛屏風正對于回旋加速器出束口,鉛屏風的結構為內外兩層,其中靠近出束口的內層材料為5%含硼聚乙烯,外層材料為鉛。房間西側有一條產品管線,其呈“Z”字型走向以減小射線泄漏。南側布置800 mm寬的迷道供工作人員進出,迷道最外側墻體厚度為1 100 mm,采用“U”字型結構設計可以增加射線在迷道內散射次數,降低迷道出口處的劑量率水平。

a——回旋質子加速器測試間平面圖;b——回旋質子加速器測試間A-A剖面圖

圖1b為測試間A-A剖面圖,測試間凈高為3 150 mm,頂部混凝土厚度為2 000 mm。防護門前端從地面到1 100 mm高處設有鉛加含硼聚乙烯的局部屏蔽,其中外層鉛的厚度為100 mm,含硼聚乙烯沿防護門方向的縱深厚度為1 300 mm。防護門為氣墊門,充氣后氣墊將防護門向上托起20 mm并牽引防護門前進或后退,運行結束后氣墊放氣,防護門下降20 mm,落回地面。為滿足防護門運行需要,防護門上側與測試間頂部混凝土之間留有42 mm的縫隙,防護門底部存在26 mm的氣隙與用于支撐氣墊的16 mm不銹鋼墊板。

3 測試間輻射屏蔽模型建立及FLUKA模擬

3.1 源項參數設置

考慮同等條件下,束流轟擊液體靶產生的輻射影響高于固體靶,針對液體靶測試工況進行研究。液體靶測試工作原理為:回旋加速器加速負氫離子(16 MeV),經過剝離膜剝離后變成質子,質子束轟擊靶材料重氧水(H218O),由18O(p,n)18F反應生成18F[4-5]。

回旋質子加速器粒子源為16 MeV的質子,束流強度為160 μA。建模時,依據回旋加速器實際大小,在直徑1 000 mm范圍內設有呈對稱分布的8個束流損失點,模型中用鋁質小球近似模擬回旋加速器加速腔內管壁材料,其中40%的束流被均勻分布在各個束流損失點。剩余60%的束流經出束口射向靶點,靶點位于最左側束流損失點前方420 mm,靶點周圍有鉛屏風包圍,模型中靶點、束流損失點及鉛屏風位置示于圖2。

圖2 靶點與束流損失點及鉛屏風平面位置示意圖

3.2 建立測試間屏蔽模型

本研究采用FLUKA軟件建立加速器測試間模型,該軟件由意大利國家核物理研究院和歐洲核子中心聯合研發的高精度蒙特卡羅粒子輸運工具,被廣泛應用于醫學物理和輻射屏蔽等領域[6]。加速器測試間輻射劑量場模擬,使用USRTRACK卡記錄各關注點周圍劑量當量率,使用USRBIN卡模擬整個測試機房平面與剖面劑量場分布,在屏蔽計算時還通過AUXSCORE卡分別記錄光子和中子所致劑量率[7]。同時為改善屏蔽深穿透問題,使計算結果具有較好的統計性,使用BIASING卡進行減方差處理,模擬計算過程中抽樣粒子數均設置在3×108以上[8]。

根據回旋加速器測試間房間布置結構圖,建立的屏蔽體模型示于圖3。其中圖3(a)為標高500 mm時回旋加速器房間平面圖,北面、西面、東面均設置有2 000 mm厚的混凝土墻,南面為迷道并在迷道出口處設有10 mm厚的鉛屏蔽門。四周墻體結構與防護門采用了分層設置方法,此種模型設置方法配合FLUKA程序中對不同REGION區域設置倍數遞增的區域內粒子重要性(IMP)指數,可以有效地減小模擬過程中粒子深穿透。圖3(b)為加速器測試間A-A剖面模型圖,其中鉛屏風的標高位置為750～2 750 mm,底部為鐵質的鉛屏蔽底座,測試間頂部為2 000 mm混凝土,防護門前端及內部設有鉛加含硼聚乙烯的局部屏蔽。圖3(c)展示了防護門底部的模型設置,為實現氣墊門充放氣而設置的地面26 mm氣隙與16 mm不銹鋼墊板。

a——測試間平面模型圖;b——測試間A-A剖面模型圖;c——防護門底部氣隙設置示意圖

4 結果與討論

依據建立的模型,模擬得到圖4、圖5所示的回旋加速器測試間靶材高度位置處的平面劑量場分布與防護門位置處的剖面劑量場分布。由圖4結果可以看出,測試間周圍劑量率最大為打靶處與束流損失點附近位置處,并且劑量場整體呈輻射狀向四周梯度降低,沒有出現屏蔽過度或屏蔽不足的情況,屏蔽體外的劑量率基本處于10-1～100μSv/h量級。其中北側墻體外與西側墻體產品管線外劑量率略高,主要是由于束流直射及墻體開洞的影響。東側防護門由于有搭接需求,比其他墻體厚300 mm,起到了很好的屏蔽作用,使得防護門外的劑量率低于其他墻體外劑量率。南側的“U”字型迷道增加了射線散射次數,且墻體足夠厚,使得迷道出口處的劑量率在10 mm鉛屏蔽的情況下即可達標。由圖5可以看出,測試間屋頂上方的劑量率相較于側墻偏高,主要是由于加速器主體區域八個束流損失點對屋頂劑量率均有貢獻所致;而八個束流損失點對側墻外劑量率的貢獻,由于鉛屏風及自身阻擋等原因,相對較低。防護門底部增設的“鉛+含硼聚乙烯”組合屏蔽材料可以使快中子先與鉛發生(n,xn)反應降低中子能量,再通過含硼聚乙烯對熱中子進行進一步的慢化和吸收,以此達到屏蔽中子的目的,同時通過外側混凝土結構吸收γ射線,防護門底部氣隙位置處的劑量率得到了相較于單一混凝土材料更好的屏蔽效果。

圖4 回旋加速器測試間靶材高度位置處平面劑量場分布圖

圖5 回旋加速器測試間防護門位置處剖面劑量場分布圖

根據表1中回旋質子加速器測試間屏蔽體外側30 cm處劑量率模擬結果可知,加速器測試間屏蔽體四周關注點受中子劑量影響較小,總劑量率由光子占主導,劑量率范圍為0.146～1.210 μSv/h,防護門上部縫隙與下部氣隙出口處劑量率分別為0.146 μSv/h和0.148 μSv/h,均滿足《放射性藥物生產場所輻射安全設計要求》(T/CIRA 5-2019)[9]中規定的2.5 μSv/h的劑量率限值要求,同時滿足考慮兩倍安全系數后的1.25 μSv/h劑量率控制值要求;測試間屋頂上方劑量率為1.801 μSv/h,滿足2.5 μSv/h的劑量率限值要求,由于是不上人屋面,因此不再考慮兩倍安全系數。模擬數據表明,測試間整體屏蔽效果良好,防護門頂部與底部的縫隙不會造成射線過度泄露。

表1 回旋質子加速器測試間屏蔽體外側30cm處劑量率

對于工作人員,假定其工作位置(如控制室),正好位于測試間北側墻體外最大劑量率處,按照年最大測試量50臺,每臺測試時間4 h(首測及復測),人員年受照時間200 h,考慮居留因子為1,工作人員年有效劑量最大為0.242 mSv,低于《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB 18871—2002)[10]中規定的連續5年內年平均有效劑量不應超過20 mSv,任一年內有效劑量不應超過50 mSv的職業人員年劑量限值基本要求。

另外,通過對加速器停機后感生放射性模擬可知,測試間內空氣中所含14C、13N、15O、41Ar等10余種放射性核素與混凝土屏蔽墻體內47Ca、31Si等50余種放射性核素的活度濃度均低于相關標準中所規定的豁免水平,可見感生放射性對周圍環境的輻射影響很小,可不考慮額外的屏蔽措施。

5 結論

本研究以某典型16 MeV回旋質子加速器及其測試間為例,利用FLUKA軟件建立加速器靶件、靶材、測試間屏蔽結構及材料模型并設置了相關參數,對測試間墻外、門外、屋頂上方30 cm處劑量場進行了模擬,分析了相關點位劑量率及工作人員劑量的達標情況,特別是針對測試間防護門進行了詳細模擬分析,確定了測試間的輻射安全性;同時,建議測試間按要求設置門機聯鎖、聲光報警、輻射劑量聯鎖、緊急停機按鈕等輻射安全系統,工作人員經培訓合格后佩戴個人防護用品上崗,以全面保障工作人員輻射安全。本研究測試間結構形式,模擬過程及結果可為同類工程輻射防護設計、環境及人員輻射安全評價提供理論依據和相關參考數據。