Probeam 型醫用質子治療系統機房屏蔽分析與測量結果比較

摘 要：質子治療系統使用能量在70～250 MeV 范圍內的質子進行腫瘤治療，損失或預期使用的質子與靶物體產生能量范圍寬、角度分布差異大的中子譜，成為質子治療系統屏蔽設計的主要考慮源項。本文采用點核模型估算Probeam 型質子治療系統機房外中子周圍劑量當量率，與測量結果進行比較分析，驗證屏蔽結構的有效性。

關鍵詞：醫用質子加速器;估算;監測;中子周圍劑量當量

中圖分類號：R144 文獻標識碼：A

放射治療是腫瘤治療的重要手段。質子治療利用70 ～ 250 MeV 范圍的質子能量，根據腫瘤位置調整治療能量，利用質子的布拉格峰使其能量主要損失在腫瘤位置，而使腫瘤周圍正常組織受到的輻射損傷盡可能小，以達到精準治療的目的，成為國際公認的尖端放射治療方式。70 ～250 MeV 能量范圍的質子，能量可以克服原子核之間的庫侖勢壘，導致可能發生核反應。對于幾MeV～1 GeV 范圍內的質子，質子-原子核非彈性相互作用通常可以通過直接反應、復合反應和預平衡發射三種主要機制來描述[1] 。直接反應時間跨度非常短暫（10-22 s），入射的粒子可能只與核內一個核子相互作用，或者引起核內集體激發，但入射粒子與靶原子核未融合，這個過程出射粒子角分布具有明顯的前向性，出射粒子可能是能量和方向改變的質子、電荷交換反應產生的中子、轉移反應產生的其他帶電粒子。復合反應時間跨度比直接反應長的多（10-18 ～10-16 s），這個過程涉及所有核子，質子的能量在質子和靶核中的所有核子之間進行分配，復合核通過發射粒子衰變，同時也有γ 射線的發射，復合反應中的發射大致是各向同性的，蒸發模型和費米分裂模型是復合核衰變過程的兩個模型。預平衡發射粒子時間介于直接反應和復合反應之間，相互作用的過程中，偶爾以單粒子或者輕簇群的形式發射出粒子，發射粒子角分布傾向于向前，預平衡發射過程包括激發模型和級聯簇射模型，預平衡階段結束，復合核將按照復合反應進行衰變。250 MeV 的質子通過上述核反應過程可以產生各種類型的次級粒子，次級粒子中能量最高的是由直接核反應或核內級聯反應產生的粒子，所生成的中子和帶電粒子可以達到初級質子的動能，最高可達250 MeV，伽馬射線的能量僅約10 MeV。由于帶電粒子本身很容易被屏蔽，但是其核反應將繼續產生中子，質子通過初級過程和次級過程產生的中子是質子加速器主要的穿透輻射，是決定屏蔽設計的主要輻射源項。許多文獻[2-4] 給出了簡單幾何模型質子屏蔽分析方法，該能量范圍的質子具有復雜的反應過程，通常設計有較復雜的屏蔽結構，使質子屏蔽分析存在較大的不確定性。本文參考標準[5] 和相關文獻[4，6] 的分析方法，估算質子治療系統機房外的周圍劑量當量率，并與運行時機房外的測量數據進行比較，以驗證屏蔽結構的有效性。

1 對象和方法

1. 1 對象

以某醫院1 臺瓦里安Probeam 型質子治療系統為研究對象。質子治療系統由超導回旋加速器、能量選擇系統、束流傳輸系統和治療系統組成。超導回旋加速器加速產生能量最大為250MeV 的質子，加速器最大流強為800 nA，加速器加速過程中束流損失20%為160 nA，束流從加速器引出時損失20%為128 nA，束流經能量選擇系統輸出能量為70 ～ 250 MeV 的質子，束流最大損失為512 nA，治療室內流強為4 nA。質子治療系統設有固定束治療室和旋轉束治療室，固定束治療室束流以與束流前向墻成60°角引出，旋轉束治療室機架以±190°圍繞等中心點做旋轉治療，束流與兩側墻成45°角。