放療機房防護的Geant4模擬

朱煜和 吳芳 邊界 曾宇 楊衛春 劉娛

摘要：目的：使用Geant4軟件對加速器機房進行防護設計。方法：加速器屏蔽墻采用常用的混凝土結構，迷道采用L型結構，以國家標準GBZ/T2012為準則，調試模擬參數，對機房的屏蔽進行模擬計算。結果：模擬計算得到機房屏蔽模型，能夠保護放射工作人員安全和滿足放療使用的需要。

關鍵詞：輻射屏蔽;Geant4

中圖分類號：R148 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0010-02

加速器放療機房的修建，除了要求在建造結構上結實耐用外，還要求屏蔽墻對機房內產生的原散射線、漏射線、散射線有效屏蔽保證機房外工作人員和候診人員的身體健康不受危害。本文嘗試用Geant4對加速器治療室的屏蔽進行了模擬以及評價。

1材料和方法

1.1基本情況

加速器治療室內，長8m，寬6.6m，高度為3.8m。屏蔽墻包括主屏蔽墻、次屏蔽墻、副屏蔽墻及迷道內、外墻。迷道的寬度為1.5m。加速器為Varian加速機器，可出電子線、6MV和15MV的X線。加速器可以開展調強治療，治療時默認劑量率600MU/min。加速器的工作負荷跟病人數量有關，病人的數量增加，加速器的負荷增加，要求防護墻厚度就越厚。初步取加速器工作負荷為w=1800Gy.m2/wk。根據國家輻射防護標準關于職業放射工作人員限值在照射以周計，則吸收劑量控制值為H.w=0.4mSv/wk。加速器機房模型如圖：

1.2模擬方法

將加速器出的X射線能譜進行離散化，得到一個離散的X射線組，該組內不同能量射線具有不同權重。設計1m*1m*1m的水箱，放置于源皮距離100cm處。加速器射野開到最大，為40cm*40cm。模擬在深度5cm處，射線組各能量射線束按其對應強度的沉積能量。得到該深度處吸收劑量為0.866cGy時，各能量組所需的最小模擬次數。由于加速器校準時，在參考深度，1MU=1cGy。由此就可以模擬出加速器不同負荷下，對應模擬射線粒子數在機房產生的能量沉積。

加速器機房墻體由混凝土組成，混凝土密度2.03g/cm³。混凝土組成成分為：H、O、Na、Hg、Al、Si、K、Ca、Fc、C。各種混凝土的密度和組成成分會有細微差別。治療室內為空氣，密度是1.002g/cm³。機房防護計算包括主屏蔽墻、次屏蔽墻、副屏蔽墻、迷道內墻和迷道外墻的厚度模擬計算。

在模擬過程中，為了提高模擬效率。對模擬進行了一些優化。

（1）將X線能譜離散化進行模擬，省略之前的加速管電子轟擊靶的過程。

（2）X射線能量低，穿透能力弱，能量高，穿透能力強。6MV-X射線平均能量為0.73M峰值能量為1.67MeV。在實際模擬過程中，忽略低于0.73MeV的低能成分，提高了模擬效率，同時保證模擬精度。

（3）采用并行計算，以節省模擬時間。

1.3模擬內容

1.3.1主屏蔽墻的防護

主屏蔽墻包括加速器機頭90度、270度、180度所對墻體。對主屏蔽墻主要考慮初級射線的防護。逐次增加防護墻的厚度，治療室外的吸收劑量逐漸減少，這與X射線的衰減規律變化一致。直到治療室外吸收劑量低于職業放射工作人員劑量限值，結束模擬。

由表中可以看見。當墻厚度大于1.6m時，治療室外強度滿足輻射防護要求。

1.3.2次屏蔽墻的防護

次屏蔽墻與主屏蔽墻直接相連，且處于同側。次屏蔽墻需考慮泄露X射線和散射X射線的防護。

1.3.3副屏蔽墻和迷道內墻的防護

副屏蔽墻和迷道內墻。主要考慮泄露X射線的防護。輻射防護要求泄露X射線不超過主屏蔽墻的0.1%。由模擬結果，當副屏蔽墻厚度只要有0.8m時，墻外劑量率為0.2998mSv/wk，即能夠滿足要求。

1.3.4迷道外墻的防護

本文的迷路類型為L型迷路，有用線束不向迷路內墻照射。主要考慮泄露X射線。

1.3.5 15MV-X線的屏蔽計算

15MV-X線在機房內會產生中子。因此機房的屏蔽必須考慮中子。Geant4的物理過程提供了產生中子的核反應過程，以及中子物理過程。因而能夠完全模擬15MV-X線與混凝土的作用。

2結果

加速器各屏蔽墻的厚度和文獻屏蔽墻厚度對比如下。同時我們還給出了該屏蔽厚度下對應的墻外吸收劑量模擬數值。由表可見，該屏蔽厚度能滿足6MV-X線的防護要求。

我們還模擬了該主屏蔽墻厚度下，加速器出15MV-X線時防護墻外的劑量率，由模擬結果知道，可以屏蔽6MV-X線的主屏蔽墻的墻外劑量率為5.03mSv/wk。該設計下的治療室不可以用于15MV-X線治療。

3討論

1）Geant4提供了可視化的功能。在模擬調式過程中相對MCNP，EGS等模擬軟件有優勢，可以直觀對治療室的結構進行修改和優化。

2）Geant4.10.0以后的版本支持并行計算。而現在的計算機多為多個CPU。在模擬時使用并行功能，可以提高模擬效率。

3）本文主要討論了對6MV-X線的屏蔽。對一些醫院鈷機房改造成直線加速器機房具有借鑒意義。同時考慮了加速器較高負荷下的工作人員的所受劑量，考慮了后期放療病人的增加。