Probeam 型醫(yī)用質(zhì)子治療系統(tǒng)機(jī)房屏蔽分析與測量結(jié)果比較

摘 要：質(zhì)子治療系統(tǒng)使用能量在70～250 MeV 范圍內(nèi)的質(zhì)子進(jìn)行腫瘤治療，損失或預(yù)期使用的質(zhì)子與靶物體產(chǎn)生能量范圍寬、角度分布差異大的中子譜，成為質(zhì)子治療系統(tǒng)屏蔽設(shè)計(jì)的主要考慮源項(xiàng)。本文采用點(diǎn)核模型估算Probeam 型質(zhì)子治療系統(tǒng)機(jī)房外中子周圍劑量當(dāng)量率，與測量結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證屏蔽結(jié)構(gòu)的有效性。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用質(zhì)子加速器;估算;監(jiān)測;中子周圍劑量當(dāng)量

中圖分類號：R144 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

放射治療是腫瘤治療的重要手段。質(zhì)子治療利用70 ～ 250 MeV 范圍的質(zhì)子能量，根據(jù)腫瘤位置調(diào)整治療能量，利用質(zhì)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(dá)到精準(zhǔn)治療的目的，成為國際公認(rèn)的尖端放射治療方式。70 ～250 MeV 能量范圍的質(zhì)子，能量可以克服原子核之間的庫侖勢壘，導(dǎo)致可能發(fā)生核反應(yīng)。對于幾MeV～1 GeV 范圍內(nèi)的質(zhì)子，質(zhì)子-原子核非彈性相互作用通?？梢酝ㄟ^直接反應(yīng)、復(fù)合反應(yīng)和預(yù)平衡發(fā)射三種主要機(jī)制來描述[1] 。直接反應(yīng)時間跨度非常短暫（10-22 s），入射的粒子可能只與核內(nèi)一個核子相互作用，或者引起核內(nèi)集體激發(fā)，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(zhì)子、電荷交換反應(yīng)產(chǎn)生的中子、轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的其他帶電粒子。復(fù)合反應(yīng)時間跨度比直接反應(yīng)長的多（10-18 ～10-16 s），這個過程涉及所有核子，質(zhì)子的能量在質(zhì)子和靶核中的所有核子之間進(jìn)行分配，復(fù)合核通過發(fā)射粒子衰變，同時也有γ 射線的發(fā)射，復(fù)合反應(yīng)中的發(fā)射大致是各向同性的，蒸發(fā)模型和費(fèi)米分裂模型是復(fù)合核衰變過程的兩個模型。預(yù)平衡發(fā)射粒子時間介于直接反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)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(fā)射出粒子，發(fā)射粒子角分布傾向于向前，預(yù)平衡發(fā)射過程包括激發(fā)模型和級聯(lián)簇射模型，預(yù)平衡階段結(jié)束，復(fù)合核將按照復(fù)合反應(yīng)進(jìn)行衰變。250 MeV 的質(zhì)子通過上述核反應(yīng)過程可以產(chǎn)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(yīng)或核內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的粒子，所生成的中子和帶電粒子可以達(dá)到初級質(zhì)子的動能，最高可達(dá)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(yīng)將繼續(xù)產(chǎn)生中子，質(zhì)子通過初級過程和次級過程產(chǎn)生的中子是質(zhì)子加速器主要的穿透輻射，是決定屏蔽設(shè)計(jì)的主要輻射源項(xiàng)。許多文獻(xiàn)[2-4] 給出了簡單幾何模型質(zhì)子屏蔽分析方法，該能量范圍的質(zhì)子具有復(fù)雜的反應(yīng)過程，通常設(shè)計(jì)有較復(fù)雜的屏蔽結(jié)構(gòu)，使質(zhì)子屏蔽分析存在較大的不確定性。本文參考標(biāo)準(zhǔn)[5] 和相關(guān)文獻(xiàn)[4，6] 的分析方法，估算質(zhì)子治療系統(tǒng)機(jī)房外的周圍劑量當(dāng)量率，并與運(yùn)行時機(jī)房外的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證屏蔽結(jié)構(gòu)的有效性。

1 對象和方法

1. 1 對象

以某醫(yī)院1 臺瓦里安Probeam 型質(zhì)子治療系統(tǒng)為研究對象。質(zhì)子治療系統(tǒng)由超導(dǎo)回旋加速器、能量選擇系統(tǒng)、束流傳輸系統(tǒng)和治療系統(tǒng)組成。超導(dǎo)回旋加速器加速產(chǎn)生能量最大為250MeV 的質(zhì)子，加速器最大流強(qiáng)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(jīng)能量選擇系統(tǒng)輸出能量為70 ～ 250 MeV 的質(zhì)子，束流最大損失為512 nA，治療室內(nèi)流強(qiáng)為4 nA。質(zhì)子治療系統(tǒng)設(shè)有固定束治療室和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)束治療室機(jī)架以±190°圍繞等中心點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)治療，束流與兩側(cè)墻成45°角。