一種旋轉式血液輻照儀漏射線束的MCNP計算方法

王棋 李建軍

( 1.國家電投集團遠達環保工程有限公司， 重慶， 401122；2.四川大學建筑與環境學院， 成都， 610065)

輸血性移植物抗宿主病是一種發生在免疫缺損或免疫抑制的患者間的輸血性并發癥。研究發現：該病與受體的免疫狀態，供、受體間的組織相容性以及輸入血液中含具有免疫活性的淋巴細胞有關。臨床上通常采用輸入輻照滅活血液的辦法對輸血性移植物抗宿主病高危人群展開救治，血液輻照儀是制備滅活血液的重要設備。

本文計算參照的血液輻照儀是重慶市黔江中心血站擬購買的德國GSM公司生產的GSR C1型旋轉式血液輻照儀，其工作流程如圖1所示。①在初步檢查無誤后，打開艙門，將需要輻照的血液置于輻照容器中；②關閉艙門，按下啟動鍵，輻照容器自動旋轉就位并進入輻照狀態，為保證輻照均勻性，輻照容器會在機械裝置帶動下自轉，同時放射源也會在豎直方向進行往復運動；③待完成輻照后，輻照容器旋轉至初始位置，血液輻照儀存儲數據，同時可打開艙門，取出被輻照后的血液，完成一次照射。

圖1 旋轉式血液輻照儀工作流程

1 建模

由于相關環評資料[1]上并未附上GSR C1型血液輻照儀的內部詳細尺寸參數，因此本文計算時采用在已有數據基礎上結合經驗估算的辦法確定儀器內部參數，詳細推導過程如下：

參照國家標準《密封放射源一般要求和分級》[2]附錄B中的銫源(如圖2)尺寸進行建模，放射源外部套筒按DN25不銹鋼鋼管考慮，并依此假設兩放射源中心間距4.2 cm (DN25鋼管直徑3.2 cm，兩根鋼管間距1 cm)，若鋼管與固定器壁間距也是1 cm，則有放射源固定器內腔長為3.2 cm×2+1 cm×3=9.4 cm，寬為3.2 cm+1 cm×2=5.2 cm。

圖2 137Cs源固定裝置

根據項目環境影響報告表中介紹GSR C1型旋轉式血液輻照儀輻照容器3.8 L，可一次性照射8袋400 mL血樣，由國家標準《人體血液及血液成分袋式塑料容器 第1部分 傳統型血袋》[3]中400 mL血袋內部尺寸120 mm×170 mm估算出血液輻照儀輻照容器直徑為20 cm；同時結合鉛屏蔽最薄弱處厚度158 mm，考慮4 mm不銹鋼包覆(需重復計算4次，屏蔽件兩個尖角內外圈均需覆蓋)，確定內部旋轉鉛屏蔽件半徑為(15.8 cm+0.4 cm×4+20 cm)÷2=18.7 cm。

假設旋轉鉛屏蔽件與固定鉛屏蔽件間隙為2 mm，間隙外沿與放射源不銹鋼外殼共切，則固定鉛屏蔽件半徑為(18.7 cm×2+0.2 cm×2+0.4 cm×4+3.2 cm+1 cm+15.8 cm)÷2=29.7 cm。

輻照腔室內高可根據輻照容器容積3.8 L，結合20 cm假設直徑保守估計為15 cm，該模型在GSR C1型旋轉式血液輻照儀包絡尺寸720 mm×680 mm×1 700 mm以內，重量11.34 g/cm3×π×(29.72 cm2×15 cm×3-102cm2×15 cm)=1.36 t，也小于設備總重2.2 t。

MCNP模型如圖3所示。

2 計算

因模型涉及深穿透問題，常規算法很難得到計數；所以對鉛柵元開啟強迫碰撞功能，并將源柵元的粒子重要性設置為1，探測柵元的粒子重要性設置為4，其余柵元粒子重要性設置為2，抽樣粒子數為2.0×109；計算完成后將縫隙柵元的粒子重要性設置為0，進行第二次計算，兩次計算結果之差即為縫隙漏射線束的份額。得出各探測柵元的歸一化計數列于表1。

圖4～圖6是工作狀態下關注點1、關注點2、關注點5的光子能譜圖。

根據項目環境影響報告表中單枚137Cs源的活度A=30.69 TBq，可計算出放射源源強I0=2λA=2×94.6%×30.69 TBq=5.81×1013s-1，(λ為137Cs→137mBa的衰變分支比)，與MCNP歸一化結果相乘可得到相關的輻照參數，結果列于表2、表3。使用的劑量轉換系數引自國家標準《用于光子外照射放射防護的劑量轉換系數》[4]。

3 驗證

項目環評時采用的類比項目是重慶市血液中心的BB GM 8000型血液輻照儀，該型號儀器是GSM公司早期開發的設備；重慶市黔江中心血站擬購買的GSR C1型血液輻照儀與該款設備具有相似的屏蔽結構。將本次計算結果與類比項目監測結果[5]進行對比，結果列于表4。

4 結果

經過程序計算和相近項目類比發現：

(1) 旋轉式血液輻照儀滿足我國醫藥行業標準《血液輻照儀》[6]中關于1 m遠處雜散輻射劑量當量率不超過1μSv/h，距輻照儀可觸及表面5cm柵元1記錄血液輻照儀艙門外5 cm處結果； 柵元2記錄固定鉛屏蔽體背側5 cm處結果； 柵元3記錄非工作狀態輻照容器內的結果(換血樣時手部劑量數據)； 柵元4記錄工作狀態輻照容器內的結果(血樣照射數據)； 柵元5圖中未標示，為血液輻照儀艙門外1 m處的結果。

(a) 非工作狀態 (b) 工作狀態

圖3旋轉式血液輻照儀(非工作狀態/工作狀態)MCNP模型

(a) 照射光子 (b) 漏射光子

(a) 照射光子 (b) 漏射光子

(a) 照射光子 (b) 漏射光子

關注點編號1)歸一化光子通量密度 (cm-2s-1/s-1)全射束工作狀態非工作狀態漏射線束工作狀態非工作狀態漏散比 (%)工作狀態非工作狀態11.7531×10-132.1645×10-132.09×10-158.80×10-161.190.4121.0693×10-121.0487×10-121.10×10-158.00×10-160.100.083-5.6950×10-13-9.04×10-15-1.6145.8827×10-4-----55.4956×10-151.3348×10-142.53×10-168.34×10-164.616.25

1) 關注點位置如圖3所示。柵元2 (固定鉛屏蔽體背側5 cm)的結果非儀器可觸及表面5 cm數據，在本次計算中不參與評價。表2、 表3同。

表2 旋轉式血液輻照儀關注點輻照參數

表3 漏射線束所致旋轉式血液輻照儀關注點輻照參數

表4 旋轉式血液輻照儀MCNP計算結果與類比項目實際監測結果的對比

1) 類比項目所用放射源2002/01/01裝源活度為81.3 TBq，至 監測時(2012/02/21)剩余活度為64.4 TBq；監測結果未扣 除本底約0.1 μGy/h。

處任意位置劑量當量率不超過5 μSv/h的要求。

(2) 類比項目裝源初期活度較大，不滿足當前標準要求；如擬采購類比項目同款設備，需適當加強屏蔽，或減少裝源活度。

(3) 工作狀態輻照容器內血液吸收劑量率近似等于比釋動能率217 Gy/h，按照項目環境影響報告表中推薦操作時間10 min計算，血液吸收劑量為36.2 Gy，與輻照血要求吻合[7]。

(4) 旋轉血液輻照儀可能因為內部結構不對稱(工作狀態正面位置更復雜)，在正面位置出現能量約為0.35 MeV的散射峰；此外，在旋轉鉛屏蔽體與固定鉛屏蔽體間隙寬度為2 mm的情況下，漏射線束所致的劑量率約為總劑量率的1%，可忽略不計。