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(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021;2.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

醫(yī)用回旋質(zhì)子加速器是利用電磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子進(jìn)行循環(huán)加速達(dá)到特定能量[1]的一種粒子加速器,也是生產(chǎn)放射性核素的必要設(shè)備[2]。目前,國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)醫(yī)用回旋質(zhì)子加速器有較深入研究,但成熟、市場(chǎng)化的技術(shù)主要集中在美國(guó)General Electric Company、比利時(shí)Ion Beam Applications S.A.、美國(guó)Crystal Technology &Industries Inc.、加拿大Advanced Cyclotron Systems Inc.等公司[3]。我國(guó)現(xiàn)階段使用的醫(yī)用回旋質(zhì)子加速器大部分為進(jìn)口設(shè)備,加速器在國(guó)外測(cè)試合格后運(yùn)入國(guó)內(nèi),安裝在放射性核素生產(chǎn)場(chǎng)所的加速器屏蔽間內(nèi),安裝后位置不發(fā)生變動(dòng),無(wú)需再運(yùn)出。加速器屏蔽間一般在屋頂或側(cè)墻設(shè)置開孔,然后通過(guò)吊裝、搬運(yùn)等方式將加速器放入屏蔽間內(nèi),之后將開孔封堵,只設(shè)置人員進(jìn)出口,用于檢修、換靶。但隨著我國(guó)放射醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展,醫(yī)用回旋質(zhì)子加速器正在更大規(guī)模的應(yīng)用,國(guó)外加速器生產(chǎn)廠家為了提高加速器應(yīng)用效率,擬在國(guó)內(nèi)建設(shè)加速器測(cè)試間,當(dāng)加速器測(cè)試達(dá)標(biāo)后即可直接在生產(chǎn)場(chǎng)所安裝使用。為實(shí)現(xiàn)上述功能,加速器測(cè)試間不同于加速器屏蔽間,其既要考慮加速器頻繁進(jìn)出的測(cè)試需求,還應(yīng)考慮對(duì)進(jìn)出通道進(jìn)行屏蔽以滿足輻射防護(hù)相關(guān)要求。一般情況下,1座加速器測(cè)試間年測(cè)試量為50臺(tái)加速器,測(cè)試間建設(shè)數(shù)量根據(jù)廠家銷量需求確定。本研究以進(jìn)口占比較大的16 MeV回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間為例,對(duì)測(cè)試間周圍環(huán)境進(jìn)行輻射場(chǎng)模擬,判斷其輻射安全性,為此類工程的建設(shè)提供理論支持及數(shù)據(jù)參考。

1 回旋質(zhì)子加速器源項(xiàng)

本研究輻射源項(xiàng)為國(guó)外某公司典型16 MeV醫(yī)用回旋質(zhì)子加速器,各項(xiàng)參數(shù)具有一定代表性,束流強(qiáng)度最大為160 μA,測(cè)試過(guò)程中采用兩種測(cè)試靶材,分別為Dummy靶和液體靶材料。其中,Dummy靶的材質(zhì)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(nèi)徑25 mm,厚度30 mm。液體靶材質(zhì)為重氧水(H218O),厚度10 mm,體積1.9 mL。

該回旋質(zhì)子加速器打靶高度為1 000～1 600 mm,質(zhì)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(zhì)子源到靶的束流損失率約為30%～40%,最不利情況可達(dá)到50%,束流傳輸過(guò)程的管壁材料為鋁制材料。

加速器有兩種運(yùn)行工況:加速器以單束流線運(yùn)行,其最大束流強(qiáng)度不超過(guò)160 μA;加速器兩條束流線同時(shí)運(yùn)行,此時(shí)兩條束流線最大束流強(qiáng)度合計(jì)不超過(guò)160 μA,最大的組合是80 μA+80 μA,或者每條束流線不超過(guò)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(cè)試間工程布置

回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間布置示于圖1。圖1a為測(cè)試間平面圖,房間大小為4 500 mm×4 100 mm的矩形結(jié)構(gòu),四周墻體厚度為2 000 mm的混凝土,移動(dòng)式防護(hù)門位于房間的東側(cè),防護(hù)門的寬度為2 300 mm;測(cè)試間內(nèi)鉛屏風(fēng)正對(duì)于回旋加速器出束口,鉛屏風(fēng)的結(jié)構(gòu)為內(nèi)外兩層,其中靠近出束口的內(nèi)層材料為5%含硼聚乙烯,外層材料為鉛。房間西側(cè)有一條產(chǎn)品管線,其呈“Z”字型走向以減小射線泄漏。南側(cè)布置800 mm寬的迷道供工作人員進(jìn)出,迷道最外側(cè)墻體厚度為1 100 mm,采用“U”字型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增加射線在迷道內(nèi)散射次數(shù),降低迷道出口處的劑量率水平。

a——回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間平面圖;b——回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間A-A剖面圖

圖1b為測(cè)試間A-A剖面圖,測(cè)試間凈高為3 150 mm,頂部混凝土厚度為2 000 mm。防護(hù)門前端從地面到1 100 mm高處設(shè)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(hù)門方向的縱深厚度為1 300 mm。防護(hù)門為氣墊門,充氣后氣墊將防護(hù)門向上托起20 mm并牽引防護(hù)門前進(jìn)或后退,運(yùn)行結(jié)束后氣墊放氣,防護(hù)門下降20 mm,落回地面。為滿足防護(hù)門運(yùn)行需要,防護(hù)門上側(cè)與測(cè)試間頂部混凝土之間留有42 mm的縫隙,防護(hù)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(cè)試間輻射屏蔽模型建立及FLUKA模擬

3.1 源項(xiàng)參數(shù)設(shè)置

考慮同等條件下,束流轟擊液體靶產(chǎn)生的輻射影響高于固體靶,針對(duì)液體靶測(cè)試工況進(jìn)行研究。液體靶測(cè)試工作原理為:回旋加速器加速負(fù)氫離子(16 MeV),經(jīng)過(guò)剝離膜剝離后變成質(zhì)子,質(zhì)子束轟擊靶材料重氧水(H218O),由18O(p,n)18F反應(yīng)生成18F[4-5]。

回旋質(zhì)子加速器粒子源為16 MeV的質(zhì)子,束流強(qiáng)度為160 μA。建模時(shí),依據(jù)回旋加速器實(shí)際大小,在直徑1 000 mm范圍內(nèi)設(shè)有呈對(duì)稱分布的8個(gè)束流損失點(diǎn),模型中用鋁質(zhì)小球近似模擬回旋加速器加速腔內(nèi)管壁材料,其中40%的束流被均勻分布在各個(gè)束流損失點(diǎn)。剩余60%的束流經(jīng)出束口射向靶點(diǎn),靶點(diǎn)位于最左側(cè)束流損失點(diǎn)前方420 mm,靶點(diǎn)周圍有鉛屏風(fēng)包圍,模型中靶點(diǎn)、束流損失點(diǎn)及鉛屏風(fēng)位置示于圖2。

圖2 靶點(diǎn)與束流損失點(diǎn)及鉛屏風(fēng)平面位置示意圖

3.2 建立測(cè)試間屏蔽模型

本研究采用FLUKA軟件建立加速器測(cè)試間模型,該軟件由意大利國(guó)家核物理研究院和歐洲核子中心聯(lián)合研發(fā)的高精度蒙特卡羅粒子輸運(yùn)工具,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)物理和輻射屏蔽等領(lǐng)域[6]。加速器測(cè)試間輻射劑量場(chǎng)模擬,使用USRTRACK卡記錄各關(guān)注點(diǎn)周圍劑量當(dāng)量率,使用USRBIN卡模擬整個(gè)測(cè)試機(jī)房平面與剖面劑量場(chǎng)分布,在屏蔽計(jì)算時(shí)還通過(guò)AUXSCORE卡分別記錄光子和中子所致劑量率[7]。同時(shí)為改善屏蔽深穿透問(wèn)題,使計(jì)算結(jié)果具有較好的統(tǒng)計(jì)性,使用BIASING卡進(jìn)行減方差處理,模擬計(jì)算過(guò)程中抽樣粒子數(shù)均設(shè)置在3×108以上[8]。

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

a——測(cè)試間平面模型圖;b——測(cè)試間A-A剖面模型圖;c——防護(hù)門底部氣隙設(shè)置示意圖

4 結(jié)果與討論

依據(jù)建立的模型,模擬得到圖4、圖5所示的回旋加速器測(cè)試間靶材高度位置處的平面劑量場(chǎng)分布與防護(hù)門位置處的剖面劑量場(chǎng)分布。由圖4結(jié)果可以看出,測(cè)試間周圍劑量率最大為打靶處與束流損失點(diǎn)附近位置處,并且劑量場(chǎng)整體呈輻射狀向四周梯度降低,沒(méi)有出現(xiàn)屏蔽過(guò)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(jí)。其中北側(cè)墻體外與西側(cè)墻體產(chǎn)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(cè)防護(hù)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(hù)門外的劑量率低于其他墻體外劑量率。南側(cè)的“U”字型迷道增加了射線散射次數(shù),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(dá)標(biāo)。由圖5可以看出,測(cè)試間屋頂上方的劑量率相較于側(cè)墻偏高,主要是由于加速器主體區(qū)域八個(gè)束流損失點(diǎn)對(duì)屋頂劑量率均有貢獻(xiàn)所致;而八個(gè)束流損失點(diǎn)對(duì)側(cè)墻外劑量率的貢獻(xiàn),由于鉛屏風(fēng)及自身阻擋等原因,相對(duì)較低。防護(hù)門底部增設(shè)的“鉛+含硼聚乙烯”組合屏蔽材料可以使快中子先與鉛發(fā)生(n,xn)反應(yīng)降低中子能量,再通過(guò)含硼聚乙烯對(duì)熱中子進(jìn)行進(jìn)一步的慢化和吸收,以此達(dá)到屏蔽中子的目的,同時(shí)通過(guò)外側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)吸收γ射線,防護(hù)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(cè)試間靶材高度位置處平面劑量場(chǎng)分布圖

圖5 回旋加速器測(cè)試間防護(hù)門位置處剖面劑量場(chǎng)分布圖

根據(jù)表1中回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間屏蔽體外側(cè)30 cm處劑量率模擬結(jié)果可知,加速器測(cè)試間屏蔽體四周關(guān)注點(diǎn)受中子劑量影響較小,總劑量率由光子占主導(dǎo),劑量率范圍為0.146～1.210 μSv/h,防護(hù)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(chǎn)場(chǎng)所輻射安全設(shè)計(jì)要求》(T/CIRA 5-2019)[9]中規(guī)定的2.5 μSv/h的劑量率限值要求,同時(shí)滿足考慮兩倍安全系數(shù)后的1.25 μSv/h劑量率控制值要求;測(cè)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(shù)。模擬數(shù)據(jù)表明,測(cè)試間整體屏蔽效果良好,防護(hù)門頂部與底部的縫隙不會(huì)造成射線過(guò)度泄露。

表1 回旋質(zhì)子加速器測(cè)試間屏蔽體外側(cè)30cm處劑量率

對(duì)于工作人員,假定其工作位置(如控制室),正好位于測(cè)試間北側(cè)墻體外最大劑量率處,按照年最大測(cè)試量50臺(tái),每臺(tái)測(cè)試時(shí)間4 h(首測(cè)及復(fù)測(cè)),人員年受照時(shí)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(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871—2002)[10]中規(guī)定的連續(xù)5年內(nèi)年平均有效劑量不應(yīng)超過(guò)20 mSv,任一年內(nèi)有效劑量不應(yīng)超過(guò)50 mSv的職業(yè)人員年劑量限值基本要求。

另外,通過(guò)對(duì)加速器停機(jī)后感生放射性模擬可知,測(cè)試間內(nèi)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(nèi)47Ca、31Si等50余種放射性核素的活度濃度均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的豁免水平,可見感生放射性對(duì)周圍環(huán)境的輻射影響很小,可不考慮額外的屏蔽措施。

5 結(jié)論

本研究以某典型16 MeV回旋質(zhì)子加速器及其測(cè)試間為例,利用FLUKA軟件建立加速器靶件、靶材、測(cè)試間屏蔽結(jié)構(gòu)及材料模型并設(shè)置了相關(guān)參數(shù),對(duì)測(cè)試間墻外、門外、屋頂上方30 cm處劑量場(chǎng)進(jìn)行了模擬,分析了相關(guān)點(diǎn)位劑量率及工作人員劑量的達(dá)標(biāo)情況,特別是針對(duì)測(cè)試間防護(hù)門進(jìn)行了詳細(xì)模擬分析,確定了測(cè)試間的輻射安全性;同時(shí),建議測(cè)試間按要求設(shè)置門機(jī)聯(lián)鎖、聲光報(bào)警、輻射劑量聯(lián)鎖、緊急停機(jī)按鈕等輻射安全系統(tǒng),工作人員經(jīng)培訓(xùn)合格后佩戴個(gè)人防護(hù)用品上崗,以全面保障工作人員輻射安全。本研究測(cè)試間結(jié)構(gòu)形式,模擬過(guò)程及結(jié)果可為同類工程輻射防護(hù)設(shè)計(jì)、環(huán)境及人員輻射安全評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和相關(guān)參考數(shù)據(jù)。