在肿瘤的临床放射治疗中，质子由于在组织中有其独特的布拉格峰剂量分布特征，相对于常规X、γ射线束更适于进行精确治疗，已受到了各国放射治疗界的重视^[1-4]。目前，世界上很多国家已经开展了质子束治疗，根据国际粒子治疗合作组(PTCOG)的统计，截至2014年3月5日，全世界就有40余个质子治疗中心投入了运行^[5]，目前，总数或已超过了60个。由于质子治疗系统产生的质子束能量较高，在束流损失中产生的次级中子可使周围物质活化，所以其辐射安全问题引人关注,掌握治疗场所活化核素的放射性活度浓度及其剂量水平，对于深入了解装置运行对人员及周围环境的影响、采取有效的防护措施和保障人员安全具有一定意义^[6-8]。根据前期进行的PROTEUS235型质子治疗系统建设项目辐射危害因素的评估和论证工作，本研究探讨空气活化核素在治疗场所内的放射性活度浓度及其剂量估算。

1.质子治疗系统及其主要技术指标：比利时Iba PROTEUS235型质子治疗系统，质子能量为235 MeV，最高束流强度300 nA；质子治疗装置为1个固定式治疗装置和3个旋转式治疗装置；摆动模式下最大治疗照射野为35 cm×25 cm，双散射模式下最大治疗照射野为ø22 cm；靶区的吸收剂量率为2 Gy/min。

2.场所及其通风条件：质子加速器厅体积为1 600 m³，排风速率为7 500 m³/h；4个质子束治疗室体积为1 160 m³，其中治疗室内治疗区空间体积为160 m³，该体积内排风速率为2 200 m³/h。加速器厅和4个治疗室的排气汇集于直径1 m、高出屋顶面4 m(高出地面34.4 m)的烟囱排出，排出口流速8 m/s，总排气率2.26×10⁴m³/h。

3.估算方法及相关参数：按照质子治疗系统断续照射模式计算场所内空气活化核素的放射性活度浓度A_i(t)(Bq/cm³)^[4]。

式中，R₀为场所的等效半径，cm，质子加速器厅和治疗室R₀分别取730和620 cm；λ_i为相应活化核素i的衰变常数，s^-1，¹¹C、¹³N、⁴¹Ar和¹⁵O的λ_i(s^-1)分别为5.66×10^-4、1.16×10^-3、1.05×10^-4和5.69×10^-3；σ为母核生成相应核素i的核反应截面，cm²；Y为束流损失点中子产额，在加速器厅内能量高或低于10 MeV的中子产额Y(n\5s^-1)分别为1.60×10¹¹和3.35×10¹²，在治疗室内分别为6.12×10⁹和1.28×10¹¹；ρ为空气密度，1.29×10^-3 g·cm^-3；A₀为阿伏加德罗常数，6.022×10²³/mol；f_n为母核的天然丰度，%；f_m为母核元素在空气中的重量百分比，%；G为母核的摩尔质量，g/mol；t₁为加速器运行时间，s；F为场所排风速率，cm³/s^-1；V为场所体积，cm³；T₀为每次质子束照射时间，取90 s；τ为断续照射时两次束流之间的循环周期，在质子加速器厅和旋转治疗室内分别为339和1 380 s；$\frac{2{{R}_{o}}{{\lambda }_{i}}\sigma Y\rho {{A}_{0}}{{f}_{n}}{{f}_{m}}~}{\left( {{\lambda }_{i}}+F/V\text{ }GV \right)}\text{ }\cdot \text{ }\frac{1-{{e}^{-\left( {{\lambda }_{i}}+F/V \right)T\backslash -0}}}{1-{{e}^{-\left( {{\lambda }_{i}}+F/V \right)\tau }}}~$为每次断续照射时核素的饱和空气放射性活度浓度，Bq/cm³，记为B。

按质子束断续照射时核素的饱和空气放射性活度浓度保守估算，每天排放的放射性活度为：

式中，T为每天通风时间，s。

在场所内，活化放射性核素所致放射工作职业人员外照射年有效剂量H为：

式中，n为工作人员每年进入场所的次数，进入质子加速器厅和治疗室的次数分别为250次/年(1次/d)和5 000次/年(20次/d)；K_c为放射性活度浓度(Bq^-1/cm)到单位时间外照射有效剂量(mSv/min)的转换因子^[4]，其中，⁴¹Ar为1.49×10^-2，¹¹C、¹³N和¹⁵O均为1.15×10^-2；60为min到s的转换系数；λ=λ_i+F/V，F为场所的排风速率，V为场所体积质子加速器厅和质子束治疗室排风速率分别为2.08 m³/s(7 500 m³/h)和0.61 m³/s(2 200 m³/h)，空间体积分别为1 600和160 m³；t₀和t分别为质子束停止照射后人员进入场所的等待时间和每次进入场所的驻留时间，min。

1. 场所内空气中主要活化核素的放射性活度浓度：按照式(1)，估算质子加速器厅和质子束治疗室内空气中活化核素的放射性活度浓度[A_i(t)]，列于表 1。在质子加速器厅内，活化核素¹⁵O的放射性活度浓度最高，为4.1×10^-2Bq/cm³；其次为¹³N，

表 1(Table 1)

表 1 质子加速器治疗场所空气活化主要核素的放射性活度浓度 Table 1 Estimated activity concentrations of activated nuclides in radiotherapy place of proton acceterator 核素 母核 质子加速器厅 质子束治疗室 λ(s-1) 放射性活度浓度(Bq/cm3) λ(s-1) 放射性活度浓度(Bq/cm3) 11C N 1.87×10-3 1.80×10-2 1.18×10-3 7.70×10-2 O 1.87×10-3 1.60×10-3 1.18×10-3 6.80×10-2 13N N 2.46×10-3 3.00×10-2 1.77×10-3 1.30×10-3 O 2.46×10-3 2.70×10-3 1.77×10-3 1.10×10-3 41Ar 40Ar 1.41×10-3 6.20×10-3 7.16×10-4 3.00×10-4 15O 16O 6.99×10-3 4.10×10-2 7.08×10-3 2.10×10-3

表 1 质子加速器治疗场所空气活化主要核素的放射性活度浓度 Table 1 Estimated activity concentrations of activated nuclides in radiotherapy place of proton acceterator

质子加速器运行时，场所内空气活化核素活度浓度估算的简化条件主要包括室内空间模型、中子角分布、活化产物空间分布和活化核素的产额等方面。该质子加速器厅和各质子束治疗室虽然实际为立方体，但在估算中均设定为相应等效半径为R_O(cm)的球体；质子打靶生成的中子，其角分布实际前向居主，而在估算时假设为各向同性；将质子加速器厅(含束流传送通道)和质子束治疗室中的活化产物假设为均匀分布；质子加速器厅所有靶点的束流损失总和作为一个靶点的总束流损失，且对应生成中子的总产额；参与⁴⁰Ar(n,γ)⁴¹Ar反应的中子为热中子，其产额为中子总产额的50%，并依此估算⁴¹Ar产额。

表 2(Table 2)

表 2 质子加速器厅和治疗室内空气活化核素所致工作人员的年有效剂量(mSv/年) Table 2 Annual effective doses from activated nulcides in radiotherapy room and proton acceterator hall(mSv/year) 现场受照时间 质子加速器厅内 质子治疗室内 t0(min) t(min) 41Ar 11C 13N 15O 合计 41Ar 11C 13N 15O 合计 0 10 0.156 0.346 0.496 0.277 1.280 0.182 0.346 0.496 0.280 1.30 0 20 0.223 0.459 0.610 0.281 1.570 0.300 0.517 0.668 0.284 1.79 0 30 0.252 0.495 0.636 0.281 1.660 0.377 0.601 0.727 0.284 1.99 0 60 0.272 0.512 0.643 0.281 1.710 — — — — — 5 10 0.102 0.197 0.237 0.034 0.570 0.147 0.243 0.292 0.034 0.72 5 20 0.146 0.262 0.291 0.035 0.730 0.242 0.363 0.393 0.034 1.03 5 30 0.165 0.283 0.304 0.035 0.790 0.304 0.422 0.428 0.034 1.19 5 60 0.178 0.292 0.307 0.035 0.810 — — — — — 15 10 0.044 0.064 0.054 0.001 0.160 0.095 0.120 0.101 ～0 0.32 15 20 0.063 0.085 0.067 0.001 0.220 0.158 0.179 0.136 ～0 0.47 15 30 0.071 0.092 0.069 0.001 0.230 0.198 0.208 0.148 ～0 0.55 15 60 0.076 0.095 0.070 0.001 0.240 — — — — — 30 10 0.012 0.012 0.006 ～0 0.032 — — — — — 30 20 0.018 0.016 0.007 ～0 0.041 — — — — — 30 30 0.020 0.017 0.008 ～0 0.045 — — — — — 30 60 0.021 0.018 0.008 ～0 0.047 — — — — — 60 10 0.001 ～0 ～0 ～0 0.001 — — — — — 60 20 0.001 0.001 ～0 ～0 0.002 — — — — — 60 30 0.002 0.001 ～0 ～0 0.003 — — — — — 60 60 0.002 0.001 ～0 ～0 0.003 — — — — — 注：“—”为不存在此情形或无需估算

表 2 质子加速器厅和治疗室内空气活化核素所致工作人员的年有效剂量(mSv/年) Table 2 Annual effective doses from activated nulcides in radiotherapy room and proton acceterator hall(mSv/year)

质子治疗工作场所内空气活化核素主要考虑¹³N、¹⁵O、⁴¹Ar、¹¹C，其沉浸外照射对人员造成的剂量贡献以⁴¹Ar为主，而这些核素吸入人体的内照射相对外照射来说是可忽略的^[9]。至于空气排放所致场所外公众受照剂量，在估算中除场所内空气活化核素的放射性活度浓度外，[JP2]还应考虑排放到环境中的大气稀释因子和核素的剂量转换因子等因素，估算出场所外公众成员受照剂量约为1.3×10^-3mSv，属于很低的水平，满足国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871-2001)的要求。而且由于¹⁵O和¹³N的半衰期小于10 min，释放到环境中衰变很多，达不到饱和条件，故不考虑这两个核素时估算出的公众每年受照剂量仅为2.5×10^-4mSv。

该质子加速器运行出束时，治疗区的160 m³空间体积设为通风区，并在进行旋转治疗时保证该区内的通风速率达到2 200 m³/h，从而可推算出治疗区实际可达到的排风速率为13.8次/h。国家标准《粒子加速器辐射防护规定》(GB 5172-85)规定加速器设施内必须设有通风装置，通风系统的排风速率应根据可能产生的有害气体的数量和工作需要而定，国家职业卫生标准《电子加速器放射治疗放射防护要求》(GBZ 126-2011)规定了加速器治疗室通风换气次数应不小于4次/h。分析表明,该质子加速器治疗场所的通风效能满足这些标准的要求，但为更客观评价质子治疗场所的排风指标，国家应尽快制定并出台针对性的技术标准。

总体来说，质子加速器治疗场所空气活化核素所致人员受照剂量是不容忽视的，可采用常规方法进行估算。治疗场所内空气活化产生的核素中，应主要考虑¹³N、¹⁵O、⁴¹Ar、¹¹C的沉浸外照射，它们是现场操作人员受照剂量的主要来源之一，并应对此设计有效的场所排风设施。现场工作人员也应同时加强自身防护和个人剂量监测，有效控制活化产物造成的健康影响。