医用直线加速器机房屏蔽防护改建研究

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2024年3月11日发(作者：)

医用直线加速器机房屏蔽防护改建研究

宋威;赵迪;于大海;孙新臣;李金凯;张西志;李军

【摘 要】Objective To provide a solution to improve the radiation shielding

for medical accelerator room with clay s According to the

basic shielding equations provided by the relevant national standards and

international reports,equations for shielding reconstruction calculation

were derived to calculate the required thickness of clay bricks wall,which

reached the reference dose rate control dose rates at reference

points after reconstruction were also estimated based on the measured

dose rates at reference points before reconstruction of accelerator

room,calculated distance correction factors and transmission factors of

added clay bricks s The measured dose rates satisfied the

requirement of reference dose rate control estimated dose rates

were slightly higher than the measured sion The radiation

shielding requirement of medical accelerator room is fulfilled with the

presented shielding reconstruction method by building clay bricks

wall,measured dose rates could be conservatively predicted with the dose

rates calculated by derived equations.%目的:针对医用直线加速器机房建造中

出现的防护不足提出黏土砖改建方案.方法:参考相关国家标准和国际报告提供的方

法推导屏蔽改建计算公式,计算满足剂量率参考控制水平要求的黏土砖墙厚度.根据

机房改建前参考点的测量剂量率、距离修正因子和增建黏土砖墙的透射因子估算改

建后的参考点剂量率.结果:改建后的参考点剂量率符合剂量率参考控制水平的要求,

估算剂量率大于测量值.结论:提出的增建黏土砖墙的改建方法能够满足机房的屏蔽

防护要求,推导的剂量率估算公式可以保守预测改建后的测量剂量率.

【期刊名称】《医疗卫生装备》

【年(卷),期】2017(038)007

【总页数】5页(P81-84,88)

【关键词】医用直线加速器;机房屏蔽;屏蔽计算;剂量率估算;黏土砖

【作 者】宋威;赵迪;于大海;孙新臣;李金凯;张西志;李军

【作者单位】210029南京,江苏省中医院放疗科;210029南京,江苏省中医院放疗

科;210029南京,江苏省中医院放疗科;210029南京,南京医科大学第一附属医院放

疗中心;210029南京,南京医科大学第一附属医院放疗中心;225001江苏扬州,江苏

省苏北人民医院放疗科;225001江苏扬州,江苏省苏北人民医院放疗科

【正文语种】中 文

【中图分类】R318.6;TH774

放射治疗是目前肿瘤治疗的重要手段之一，约70%的患者需要接受放射治疗，我

国以医用直线加速器为主流的外照射设备呈逐年增加的趋势[1]。如何合理安全地

使用射线，在造福患者的同时充分保障公众和放疗工作人员的健康是辐射安全防护

必须解决的问题。国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，

IAEA）47号报告和国际辐射防护委员会（National Council on Radiation

Protection and Measurements，NCRP）151号报告以及国家职业卫生标准

GBZ/T 201.2—2011介绍了加速器机房防护的屏蔽材料选择和屏蔽设计的方法[2-

4]。机房从新建到投入使用的过程中需要经历预评估、验收检测等环节，虽然预评

估中对机房新建方案做了屏蔽效果评价，但仍然存在一些不确定因素导致机房检测

结果超出国家相关标准的要求[5-6]。本研究针对笔者单位的医用直线加速器机房

在主屏蔽方向防护不足的情形，提出一种黏土砖墙改建方案以供参考。

1.1 加速器与机房布局

医用直线加速器型号为Varian Clinax iX，X线标称最大能量15 MV，源轴距为

100 cm，等中心处X线最大剂量率600 cGy/min，最大射野尺寸为40 cm× 40

cm。

机房位于地下，其平面布局如图1所示。其中，a、b、c点均为东墙外30cm，d

点为防护门外30cm，e、f点均为南墙外30 cm，g、h、i点均为西墙外30 cm。

机房四周墙壁和屋顶采用密度为2.35 g/cm3的混凝土作为屏蔽材料，东西方向为

主屏蔽方向，东侧为控制室和水冷机房，西侧为设备机房，北侧为土层，南侧为走

道，机房上方为地表填埋2 m厚土壤。等中心至参考点距离和墙体厚度等参数见

表1。

1.2 屏蔽改建计算

GB 18871—2002标准中要求放射工作人员连续5 a的年平均有效剂量不超过20

mSv，公众5 a的年平均有效剂量不超过1 mSv[7]，评价参数取上述年剂量限值

的1/4。放射治疗机房外的控制区工作人员周剂量参考控制水平Hc≤100 μSv/周，

非控制区公众周剂量参考控制水平Hc≤5 μSv/周。

工作负荷按每周5 d、150个照射野/d、200 cGy/照射野计算，加速器等中心剂

量率为300 cGy/min时，出束时间为500 min/周，约为8.3 h。

根据参考点的周剂量参考控制水平Hc、加速器出束时间、使用因子U和人员居留

因子T等参数确定导出剂量率参考控制水平H˙c，d[4]。此外，当参考点处T≥1/2

时，最高剂量率参考控制水平H˙c，d，max≤2.5 μSv/h；当参考点处T＜1/2时，

H˙c，d，max≤10 μSv/h。取c，d和c，d，max两者中较小值作为参考点的剂

量率参考控制水平H˙c。

对于主屏蔽墙，由于有用线束的什值层明显大于漏射线和散射线，参考点b、h测

量剂量率绝大部分源自有用线束的贡献，可近似为有用线束剂量率，因此只需要计

算有用线束的屏蔽厚度[2]：

其中，B为理论有用线束透射因子；H˙0为等中心处常用最高剂量率；R为机房改

建前源到测量参考点的距离；f为加速器的泄露辐射比率，对有用线束取1。

根据参考点剂量率测量值计算屏蔽物质m1（混凝土墙）的实际有用线束透射因子

Bm1：

其中˙主为机房改建前主屏蔽参考点的实际测量剂量率。

不考虑增加屏蔽材料m2（黏土砖墙）后参考点至放射源距离的变化，计算屏蔽物

质m2临界有用线束透射因子，将公式（1）和（2）代入：可选择大于黏土砖墙

体临界有效屏蔽厚度

增建黏土砖墙体实际有效屏蔽厚度

其中，TVLm2和TV分别为射束在屏蔽材料m2中的平衡什值层和第一什值层厚

度。

主屏蔽墙参考点处的有效屏蔽厚度为黏土砖墙厚度）。次屏蔽参考点的射线斜射角

取30°，有效屏蔽厚度可计算黏土砖墙的实际透射因子Bm2。

施工采用的实心黏土砖密度1.6 g/cm3，抗压强度MU25，其主要成分为Al2O3、

SiO2和Fe2O3。根据相关报道提供的黏土砖元素组成[8]，使用WinXCOM程序

计算X线能量为15 MV时黏土砖的理论质量线

性衰减系数为0.022 1 cm2/g，线性衰减系数μ为 0.035 4 cm-1，由计算得到该

条件下的黏土砖什值层为65.030 cm。

1.3 改建后剂量率估算

为了更准确地估算增加屏蔽材料m2后参考点的剂量率，需要考虑距离变化的因

素。对于东西方向主屏蔽墙，剂量率H˙主r估算公式如下，并将公式（2）代入：

其中，Rr为改造后放射源到参考点的距离。为改造后的修正距离衰减因子，总衰

减因子为有用线束透射因子Bm2与距离衰减因子的乘积。

对于与主屏蔽墙相连的次屏蔽墙，同理可得散射线和漏射线剂量率估算公式：

其中和为改建前参考点处散射线和漏射线剂量率和为改建后参考点散射线和漏射线

剂量率，RS和RSr分别为机房改建前后等中心点到参考点的距离，RL和RLr分

别为改建前后放射源到参考点的距离分别为散射线和漏射线的透射因子。且有用线

束的什值层大于漏射线和散射线什值层，以有用线束什值层计算得到Bm2代替由

可得下式：

其中，H˙次为改建前次屏蔽墙参考点测量剂量率，H˙次r为改建后次屏蔽墙参考点

的估算剂量率。

1.4 检测仪器与检测条件

检测仪器为6150AD6/H型X-γ剂量率仪与6150AD-b/H型探测器、FH40G-X

型中子剂量率仪与FHT762型探测器。检测时加速器X线能量选择15 MV，采用

最大剂量率600 cGy/min，照射野尺寸选择为40 cm×40 cm，准直器旋转45°。

对于不同检测区域，按照GBZ/T 201.2—2011中指定的检测条件进行检测。

2.1 机房改建前主要参考点的X线和中子剂量率测量结果

东西主屏蔽墙参考点b、h的X线剂量率不符合H˙c的要求，分别超出8.5%和

35.3%，其他参考点X线和中子剂量率测量值满足要求（见表2）。

2.2 屏蔽计算结果

黏土砖标准尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，工程上一砖厚眠墙（实心墙）加

上灰缝宽度约为25 cm。机房东墙外砌筑两砖厚眠墙（X=50 cm），在距西墙外

表面1 m位置砌筑两砖厚眠墙（如图1所示），墙高3 m，西墙距离因子小于东

墙。次屏蔽参考点位置由于存在斜射角大于主屏蔽参考点，透射因子小于主屏蔽参

考点（见表3）。

2.3 机房改建后主要参考点的X线估算和测量剂量率

改建后参考点b、h的X线剂量率测量值明显降低，达到剂量率参考控制水平的要

求，分别降至改建前测量值的11.00%和8.95%，其他次屏蔽墙参考点降至

5.34%～6.04%。参考点b、h估算剂量率分别高于测量剂量率36.33%和32.06%，

其他次屏蔽墙参考点为64.98%～89.47%，主屏蔽参考点的估算准确性高于次屏

蔽点（见表4）。

加速器机房是保护工作人员和公众免受电离辐射危害的重要防护设施，对机房设计、

预评价、建造和验收检测的整个流程都必须给予充分的重视。本研究中加速器机房

部分墙体剂量率超标的原因可能来源于：预评价采用的是等中心常用剂量率300

cGy/min，而验收检测使用的是600 cGy/min的最大剂量率，虽然预评价中已经

做了一些保守估算，但仍然超出剂量率参考控制水平的要求；其次机房建造施工过

程中的混凝土密度或者墙厚度等参数未能完全达到设计值的要求。因此在加速器机

房的建造过程中，医学物理人员应当积极参与，为预评价环节提供准确的加速器参

数，包括加速器的最大剂量率和工作负荷的估算数据。

通常为了提高机房的防护性能，例如在将低能X线机房改造用于安装高能X线加

速器时可以使用铅或钢屏蔽材料，其优点是所需屏蔽厚度小、节省室内空间，但需

要设置“工”字梁支撑结构，并且由于铅或钢金属材料会产生光中子[3，9]，因此

通常需要在加速器机房内进行改建，在加速器已经安装完毕和室内装修完成的情况

下施工难度较高。本研究中加速器机房东西两侧的控制室和设备机房有足够的空间

增建黏土砖屏蔽墙，其建造成本低且施工进度快，从时间和经济效率角度考虑是一

种更好的方案，符合防护最优化原则[10]。

黏土砖通常应用于医学诊断和工业探伤X-γ射线的防护[11]，应用于加速器机房的

改建报道很少，未见关于高能X线什值层数据的报道。如何根据改建前检测剂量

率计算所需的黏土砖墙防护厚度并估算改建后的剂量率对于指导改建方案具有非常

重要的意义。本研究推导的屏蔽改建计算公式表明增建黏土砖墙通过增加参考点到

等中心点的距离和黏土砖屏蔽材料对射线衰减2个方面降低了参考点剂量率。由

于黏土砖实心墙厚度约为25 cm的整数倍，计算其厚度时可以暂不考虑距离变化

因素进行保守估算，估算改建后参考点剂量率时加入距离因子可以提高计算准确性。

改建前测量结果显示西墙主屏蔽参考点检测剂量率超标高于东墙，方案设计中将该

侧黏土墙砌筑位置向外延伸1 m以进一步减小距离因子增加防护。改建后测量结

果表明黏土砖作为一种辅助屏蔽材料能够满足机房的防护要求。

本研究中黏土砖墙改建后参考点剂量率估算值高于实测值的原因在于WinXCOM

程序计算的屏蔽材料线性衰减系数以单能窄束X-γ射线为模型，窄束射线服从指

数衰减规律，线性衰减系数与射线能量和屏蔽材料的性质等有关[12]。而医用直线

加速器产生的有用线束是具有连续轫致辐射能谱的宽束X线，最高能量为15 MV，

其实际线性衰减系数大于计算采用的15 MV单能窄束X线的数值，而漏射线和散

射线能量相对更低，其线性衰减系数也更大。此外有研究表明加速器射束的什值层

与准直器尺寸、长度等参数有关，准直器射野越大、准直器长度越短对应的什值层

也越大[13]。为了提高剂量率估算的准确性，可以进一步研究使用蒙特卡洛方法模

拟测量条件下的加速器机头，以获取射束的相空间文件，在此基础上模拟加速器射

束在黏土砖介质中的衰减规律[14-15]，确定测量条件下黏土砖的什值层或线性衰

减系数等屏蔽参数。

综上所述，本研究提出的增建黏土砖墙的改建方法能够满足机房的屏蔽防护要求，

根据推导的剂量率估算公式可以保守预测改建后的测量剂量率，为机房改建方案的

设计提供有益的参考。

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本文标签： 屏蔽机房剂量率加速器