放疗机房防护的Geant4模拟

材料和方法

1.1基本情况

加速器治疗室内，长8m，宽6.6m，高度为3.8m。屏蔽墙包括主屏蔽墙、次屏蔽墙、副屏蔽墙及迷道内、外墙。迷道的宽度为1.5m。加速器为Varian加速机器，可出电子线、6MV和15MV的X线。加速器可以开展调强治疗，治疗时默认剂量率600MU/min。加速器的工作负荷跟病人数量有关，病人的数量增加，加速器的负荷增加，要求防护墙厚度就越厚。初步取加速器工作负荷为w=1800Gy.m2/wk。根据国家辐射防护标准关于职业放射工作人员限值在照射以周计，则吸收剂量控制值为H.w=0.4mSv/wk。加速器机房模型如图：

1.2模拟方法

将加速器出的X射线能谱进行离散化，得到一个离散的X射线组，该组内不同能量射线具有不同权重。设计1m*1m*1m的水箱，放置于源皮距离100cm处。加速器射野开到最大，为40cm*40cm。模拟在深度5cm处，射线组各能量射线束按其对应强度的沉积能量。得到该深度处吸收剂量为0.866cGy时，各能量组所需的最小模拟次数。由于加速器校准时，在参考深度，1MU=1cGy。由此就可以模拟出加速器不同负荷下，对应模拟射线粒子数在机房产生的能量沉积。

加速器机房墙体由混凝土组成，混凝土密度2.03g/cm³。混凝土组成成分为：H、O、Na、Hg、Al、Si、K、Ca、Fc、C。各種混凝土的密度和组成成分会有细微差别。治疗室内为空气，密度是1.002g/cm³。机房防护计算包括主屏蔽墙、次屏蔽墙、副屏蔽墙、迷道内墙和迷道外墙的厚度模拟计算。

在模拟过程中，为了提高模拟效率。对模拟进行了一些优化。

（1）将X线能谱离散化进行模拟，省略之前的加速管电子轰击靶的过程。

（2）X射线能量低，穿透能力弱，能量高，穿透能力强。6MV-X射线平均能量为0.73M峰值能量为1.67MeV。在实际模拟过程中，忽略低于0.73MeV的低能成分，提高了模拟效率，同时保证模拟精度。

（3）采用并行计算，以节省模拟时间。

1.3模拟内容

1.3.1主屏蔽墙的防护

主屏蔽墙包括加速器机头90度、270度、180度所对墙体。对主屏蔽墙主要考虑初级射线的防护。逐次增加防护墙的厚度，治疗室外的吸收剂量逐渐减少，这与X射线的衰减规律变化一致。直到治疗室外吸收剂量低于职业放射工作人员剂量限值，结束模拟。

由表中可以看见。当墙厚度大于1.6m时，治疗室外强度满足辐射防护要求。

1.3.2次屏蔽墙的防护

次屏蔽墙与主屏蔽墙直接相连，且处于同侧。次屏蔽墙需考虑泄露X射线和散射X射线的防护。

1.3.3副屏蔽墙和迷道内墙的防护

副屏蔽墙和迷道内墙。主要考虑泄露X射线的防护。辐射防护要求泄露X射线不超过主屏蔽墙的0.1%。由模拟结果，当副屏蔽墙厚度只要有0.8m时，墙外剂量率为0.2998mSv/wk，即能够满足要求。

1.3.4迷道外墙的防护

本文的迷路类型为L型迷路，有用线束不向迷路内墙照射。主要考虑泄露X射线。

1.3.5 15MV-X线的屏蔽计算

15MV-X线在机房内会产生中子。因此机房的屏蔽必须考虑中子。Geant4的物理过程提供了产生中子的核反应过程，以及中子物理过程。因而能够完全模拟15MV-X线与混凝土的作用。

2结果

加速器各屏蔽墙的厚度和文献屏蔽墙厚度对比如下。同时我们还给出了该屏蔽厚度下对应的墙外吸收剂量模拟数值。由表可见，该屏蔽厚度能满足6MV-X线的防护要求。

我们还模拟了该主屏蔽墙厚度下，加速器出15MV-X线时防护墙外的剂量率，由模拟结果知道，可以屏蔽6MV-X线的主屏蔽墙的墙外剂量率为5.03mSv/wk。该设计下的治疗室不可以用于15MV-X线治疗。

3讨论

1）Geant4提供了可视化的功能。在模拟调式过程中相对MCNP，EGS等模拟软件有优势，可以直观对治疗室的结构进行修改和优化。

2）Geant4.10.0以后的版本支持并行计算。而现在的计算机多为多个CPU。在模拟时使用并行功能，可以提高模拟效率。

3）本文主要讨论了对6MV-X线的屏蔽。对一些医院钴机房改造成直线加速器机房具有借鉴意义。同时考虑了加速器较高负荷下的工作人员的所受剂量，考虑了后期放疗病人的增加。