Probeam 型医用质子治疗系统机房屏蔽分析与测量结果比较

摘 要：质子治疗系统使用能量在70～250 MeV 范围内的质子进行肿瘤治疗，损失或预期使用的质子与靶物体产生能量范围宽、角度分布差异大的中子谱，成为质子治疗系统屏蔽设计的主要考虑源项。本文采用点核模型估算Probeam 型质子治疗系统机房外中子周围剂量当量率，与测量结果进行比较分析，验证屏蔽结构的有效性。

关键词：医用质子加速器;估算;监测;中子周围剂量当量

中图分类号：R144 文献标识码：A

放射治疗是肿瘤治疗的重要手段。质子治疗利用70 ～ 250 MeV 范围的质子能量，根据肿瘤位置调整治疗能量，利用质子的布拉格峰使其能量主要损失在肿瘤位置，而使肿瘤周围正常组织受到的辐射损伤尽可能小，以达到精准治疗的目的，成为国际公认的尖端放射治疗方式。70 ～250 MeV 能量范围的质子，能量可以克服原子核之间的库仑势垒，导致可能发生核反应。对于几MeV～1 GeV 范围内的质子，质子-原子核非弹性相互作用通常可以通过直接反应、复合反应和预平衡发射三种主要机制来描述[1] 。直接反应时间跨度非常短暂（10-22 s），入射的粒子可能只与核内一个核子相互作用，或者引起核内集体激发，但入射粒子与靶原子核未融合，这个过程出射粒子角分布具有明显的前向性，出射粒子可能是能量和方向改变的质子、电荷交换反应产生的中子、转移反应产生的其他带电粒子。复合反应时间跨度比直接反应长的多（10-18 ～10-16 s），这个过程涉及所有核子，质子的能量在质子和靶核中的所有核子之间进行分配，复合核通过发射粒子衰变，同时也有γ 射线的发射，复合反应中的发射大致是各向同性的，蒸发模型和费米分裂模型是复合核衰变过程的两个模型。预平衡发射粒子时间介于直接反应和复合反应之间，相互作用的过程中，偶尔以单粒子或者轻簇群的形式发射出粒子，发射粒子角分布倾向于向前，预平衡发射过程包括激发模型和级联簇射模型，预平衡阶段结束，复合核将按照复合反应进行衰变。250 MeV 的质子通过上述核反应过程可以产生各种类型的次级粒子，次级粒子中能量最高的是由直接核反应或核内级联反应产生的粒子，所生成的中子和带电粒子可以达到初级质子的动能，最高可达250 MeV，伽马射线的能量仅约10 MeV。由于带电粒子本身很容易被屏蔽，但是其核反应将继续产生中子，质子通过初级过程和次级过程产生的中子是质子加速器主要的穿透辐射，是决定屏蔽设计的主要辐射源项。许多文献[2-4] 给出了简单几何模型质子屏蔽分析方法，该能量范围的质子具有复杂的反应过程，通常设计有较复杂的屏蔽结构，使质子屏蔽分析存在较大的不确定性。本文参考标准[5] 和相关文献[4，6] 的分析方法，估算质子治疗系统机房外的周围剂量当量率，并与运行时机房外的测量数据进行比较，以验证屏蔽结构的有效性。

1 对象和方法

1. 1 对象

以某医院1 台瓦里安Probeam 型质子治疗系统为研究对象。质子治疗系统由超导回旋加速器、能量选择系统、束流传输系统和治疗系统组成。超导回旋加速器加速产生能量最大为250MeV 的质子，加速器最大流强为800 nA，加速器加速过程中束流损失20%为160 nA，束流从加速器引出时损失20%为128 nA，束流经能量选择系统输出能量为70 ～ 250 MeV 的质子，束流最大损失为512 nA，治疗室内流强为4 nA。质子治疗系统设有固定束治疗室和旋转束治疗室，固定束治疗室束流以与束流前向墙成60°角引出，旋转束治疗室机架以±190°围绕等中心点做旋转治疗，束流与两侧墙成45°角。