16 MeV医用回旋质子加速器测试间辐射安全研究

苏晓书,吴适杰,李元岗,何占飞,刘 颖,王金明

(1.中核第四研究设计工程有限公司,河北 石家庄 050021;2.南华大学 核科学技术学院,湖南 衡阳 421001)

医用回旋质子加速器是利用电磁场对带电粒子进行循环加速达到特定能量[1]的一种粒子加速器,也是生产放射性核素的必要设备[2]。目前,国内一些科研机构对医用回旋质子加速器有较深入研究,但成熟、市场化的技术主要集中在美国General Electric Company、比利时Ion Beam Applications S.A.、美国Crystal Technology &Industries Inc.、加拿大Advanced Cyclotron Systems Inc.等公司[3]。我国现阶段使用的医用回旋质子加速器大部分为进口设备,加速器在国外测试合格后运入国内,安装在放射性核素生产场所的加速器屏蔽间内,安装后位置不发生变动,无需再运出。加速器屏蔽间一般在屋顶或侧墙设置开孔,然后通过吊装、搬运等方式将加速器放入屏蔽间内,之后将开孔封堵,只设置人员进出口,用于检修、换靶。但随着我国放射医疗技术的快速发展,医用回旋质子加速器正在更大规模的应用,国外加速器生产厂家为了提高加速器应用效率,拟在国内建设加速器测试间,当加速器测试达标后即可直接在生产场所安装使用。为实现上述功能,加速器测试间不同于加速器屏蔽间,其既要考虑加速器频繁进出的测试需求,还应考虑对进出通道进行屏蔽以满足辐射防护相关要求。一般情况下,1座加速器测试间年测试量为50台加速器,测试间建设数量根据厂家销量需求确定。本研究以进口占比较大的16 MeV回旋质子加速器测试间为例,对测试间周围环境进行辐射场模拟,判断其辐射安全性,为此类工程的建设提供理论支持及数据参考。

1 回旋质子加速器源项

本研究辐射源项为国外某公司典型16 MeV医用回旋质子加速器,各项参数具有一定代表性,束流强度最大为160 μA,测试过程中采用两种测试靶材,分别为Dummy靶和液体靶材料。其中,Dummy靶的材质为铝,形状为圆柱体,直径40 mm,高度100 mm;靶座材料同样为铝,外径80 mm,内径25 mm,厚度30 mm。液体靶材质为重氧水(H218O),厚度10 mm,体积1.9 mL。

该回旋质子加速器打靶高度为1 000～1 600 mm,质子束流损失位置在靶位出口前,高度约1 000～1 500 mm;从中心质子源到靶的束流损失率约为30%～40%,最不利情况可达到50%,束流传输过程的管壁材料为铝制材料。

加速器有两种运行工况:加速器以单束流线运行,其最大束流强度不超过160 μA;加速器两条束流线同时运行,此时两条束流线最大束流强度合计不超过160 μA,最大的组合是80 μA+80 μA,或者每条束流线不超过80 μA的任何自由组合,如60 μA+60 μA,70 μA+50 μA、80 μA+70 μA等。

2 测试间工程布置

回旋质子加速器测试间布置示于图1。图1a为测试间平面图,房间大小为4 500 mm×4 100 mm的矩形结构,四周墙体厚度为2 000 mm的混凝土,移动式防护门位于房间的东侧,防护门的宽度为2 300 mm;测试间内铅屏风正对于回旋加速器出束口,铅屏风的结构为内外两层,其中靠近出束口的内层材料为5%含硼聚乙烯,外层材料为铅。房间西侧有一条产品管线,其呈“Z”字型走向以减小射线泄漏。南侧布置800 mm宽的迷道供工作人员进出,迷道最外侧墙体厚度为1 100 mm,采用“U”字型结构设计可以增加射线在迷道内散射次数,降低迷道出口处的剂量率水平。

a——回旋质子加速器测试间平面图;b——回旋质子加速器测试间A-A剖面图

图1b为测试间A-A剖面图,测试间净高为3 150 mm,顶部混凝土厚度为2 000 mm。防护门前端从地面到1 100 mm高处设有铅加含硼聚乙烯的局部屏蔽,其中外层铅的厚度为100 mm,含硼聚乙烯沿防护门方向的纵深厚度为1 300 mm。防护门为气垫门,充气后气垫将防护门向上托起20 mm并牵引防护门前进或后退,运行结束后气垫放气,防护门下降20 mm,落回地面。为满足防护门运行需要,防护门上侧与测试间顶部混凝土之间留有42 mm的缝隙,防护门底部存在26 mm的气隙与用于支撑气垫的16 mm不锈钢垫板。

3 测试间辐射屏蔽模型建立及FLUKA模拟

3.1 源项参数设置

考虑同等条件下,束流轰击液体靶产生的辐射影响高于固体靶,针对液体靶测试工况进行研究。液体靶测试工作原理为:回旋加速器加速负氢离子(16 MeV),经过剥离膜剥离后变成质子,质子束轰击靶材料重氧水(H218O),由18O(p,n)18F反应生成18F[4-5]。

回旋质子加速器粒子源为16 MeV的质子,束流强度为160 μA。建模时,依据回旋加速器实际大小,在直径1 000 mm范围内设有呈对称分布的8个束流损失点,模型中用铝质小球近似模拟回旋加速器加速腔内管壁材料,其中40%的束流被均匀分布在各个束流损失点。剩余60%的束流经出束口射向靶点,靶点位于最左侧束流损失点前方420 mm,靶点周围有铅屏风包围,模型中靶点、束流损失点及铅屏风位置示于图2。

图2 靶点与束流损失点及铅屏风平面位置示意图

3.2 建立测试间屏蔽模型

本研究采用FLUKA软件建立加速器测试间模型,该软件由意大利国家核物理研究院和欧洲核子中心联合研发的高精度蒙特卡罗粒子输运工具,被广泛应用于医学物理和辐射屏蔽等领域[6]。加速器测试间辐射剂量场模拟,使用USRTRACK卡记录各关注点周围剂量当量率,使用USRBIN卡模拟整个测试机房平面与剖面剂量场分布,在屏蔽计算时还通过AUXSCORE卡分别记录光子和中子所致剂量率[7]。同时为改善屏蔽深穿透问题,使计算结果具有较好的统计性,使用BIASING卡进行减方差处理,模拟计算过程中抽样粒子数均设置在3×108以上[8]。

根据回旋加速器测试间房间布置结构图,建立的屏蔽体模型示于图3。其中图3(a)为标高500 mm时回旋加速器房间平面图,北面、西面、东面均设置有2 000 mm厚的混凝土墙,南面为迷道并在迷道出口处设有10 mm厚的铅屏蔽门。四周墙体结构与防护门采用了分层设置方法,此种模型设置方法配合FLUKA程序中对不同REGION区域设置倍数递增的区域内粒子重要性(IMP)指数,可以有效地减小模拟过程中粒子深穿透。图3(b)为加速器测试间A-A剖面模型图,其中铅屏风的标高位置为750～2 750 mm,底部为铁质的铅屏蔽底座,测试间顶部为2 000 mm混凝土,防护门前端及内部设有铅加含硼聚乙烯的局部屏蔽。图3(c)展示了防护门底部的模型设置,为实现气垫门充放气而设置的地面26 mm气隙与16 mm不锈钢垫板。

a——测试间平面模型图;b——测试间A-A剖面模型图;c——防护门底部气隙设置示意图

4 结果与讨论

依据建立的模型,模拟得到图4、图5所示的回旋加速器测试间靶材高度位置处的平面剂量场分布与防护门位置处的剖面剂量场分布。由图4结果可以看出,测试间周围剂量率最大为打靶处与束流损失点附近位置处,并且剂量场整体呈辐射状向四周梯度降低,没有出现屏蔽过度或屏蔽不足的情况,屏蔽体外的剂量率基本处于10-1～100μSv/h量级。其中北侧墙体外与西侧墙体产品管线外剂量率略高,主要是由于束流直射及墙体开洞的影响。东侧防护门由于有搭接需求,比其他墙体厚300 mm,起到了很好的屏蔽作用,使得防护门外的剂量率低于其他墙体外剂量率。南侧的“U”字型迷道增加了射线散射次数,且墙体足够厚,使得迷道出口处的剂量率在10 mm铅屏蔽的情况下即可达标。由图5可以看出,测试间屋顶上方的剂量率相较于侧墙偏高,主要是由于加速器主体区域八个束流损失点对屋顶剂量率均有贡献所致;而八个束流损失点对侧墙外剂量率的贡献,由于铅屏风及自身阻挡等原因,相对较低。防护门底部增设的“铅+含硼聚乙烯”组合屏蔽材料可以使快中子先与铅发生(n,xn)反应降低中子能量,再通过含硼聚乙烯对热中子进行进一步的慢化和吸收,以此达到屏蔽中子的目的,同时通过外侧混凝土结构吸收γ射线,防护门底部气隙位置处的剂量率得到了相较于单一混凝土材料更好的屏蔽效果。

图4 回旋加速器测试间靶材高度位置处平面剂量场分布图

图5 回旋加速器测试间防护门位置处剖面剂量场分布图

根据表1中回旋质子加速器测试间屏蔽体外侧30 cm处剂量率模拟结果可知,加速器测试间屏蔽体四周关注点受中子剂量影响较小,总剂量率由光子占主导,剂量率范围为0.146～1.210 μSv/h,防护门上部缝隙与下部气隙出口处剂量率分别为0.146 μSv/h和0.148 μSv/h,均满足《放射性药物生产场所辐射安全设计要求》(T/CIRA 5-2019)[9]中规定的2.5 μSv/h的剂量率限值要求,同时满足考虑两倍安全系数后的1.25 μSv/h剂量率控制值要求;测试间屋顶上方剂量率为1.801 μSv/h,满足2.5 μSv/h的剂量率限值要求,由于是不上人屋面,因此不再考虑两倍安全系数。模拟数据表明,测试间整体屏蔽效果良好,防护门顶部与底部的缝隙不会造成射线过度泄露。

表1 回旋质子加速器测试间屏蔽体外侧30cm处剂量率

对于工作人员,假定其工作位置(如控制室),正好位于测试间北侧墙体外最大剂量率处,按照年最大测试量50台,每台测试时间4 h(首测及复测),人员年受照时间200 h,考虑居留因子为1,工作人员年有效剂量最大为0.242 mSv,低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002)[10]中规定的连续5年内年平均有效剂量不应超过20 mSv,任一年内有效剂量不应超过50 mSv的职业人员年剂量限值基本要求。

另外,通过对加速器停机后感生放射性模拟可知,测试间内空气中所含14C、13N、15O、41Ar等10余种放射性核素与混凝土屏蔽墙体内47Ca、31Si等50余种放射性核素的活度浓度均低于相关标准中所规定的豁免水平,可见感生放射性对周围环境的辐射影响很小,可不考虑额外的屏蔽措施。

5 结论

本研究以某典型16 MeV回旋质子加速器及其测试间为例,利用FLUKA软件建立加速器靶件、靶材、测试间屏蔽结构及材料模型并设置了相关参数,对测试间墙外、门外、屋顶上方30 cm处剂量场进行了模拟,分析了相关点位剂量率及工作人员剂量的达标情况,特别是针对测试间防护门进行了详细模拟分析,确定了测试间的辐射安全性;同时,建议测试间按要求设置门机联锁、声光报警、辐射剂量联锁、紧急停机按钮等辐射安全系统,工作人员经培训合格后佩戴个人防护用品上岗,以全面保障工作人员辐射安全。本研究测试间结构形式,模拟过程及结果可为同类工程辐射防护设计、环境及人员辐射安全评价提供理论依据和相关参考数据。