随着高能物理在医疗和工业上的广泛应用，质子重离子由于其独特的生物学特点，越来越多地用于肿瘤的治疗^[1-4]，与此同时也带来了相应的职业病危害。因此，对质子和重离子等高能粒子的剂量学和辐射防护研究也显得十分重要。高能粒子与物质相互作用的过程较为复杂，采用经验公式计算有其局限性，而蒙特卡罗方法则能模拟质子、重离子、中子和光子等多种粒子与物质的相互作用过程，可为辐射防护和剂量学研究等提供可靠数据。

本研究对质子重离子加速器治疗场所的屏蔽计算采用由意大利核物理研究所(INFN)和欧洲核子研究中心(CERN)联合开发的基于蒙特卡罗方法的FLUKA 2011.2c.3程序。FLUKA程序是一个完整的模拟粒子输运的大型蒙特卡罗程序，它广泛应用于高能实验物理及工程学、屏蔽设计、探测器设计、宇宙射线研究、放射量测定、医学物理和射线生物学等领域^[5]。

本研究采用FLUKA程序，参照国内现有的某质子重离子加速器屏蔽设计，建立质子重离子治疗场所的屏蔽计算模型，模拟了质子重离子加速器治疗场所辐射场的分布，并对现场进行了检测，对结果进行比较，验证屏蔽计算模型。

1. FLUKA程序模拟

(1) 材料及几何描述：本次计算模型参考了国内现有的质子重离子加速器治疗室的屏蔽结构，构建了几何模型，几何模型见图 1所示。束流方向为水平方向，屏蔽墙体为普通混凝土加铁组成，其他屏蔽墙体、屋顶和地面均为普通混凝土，其各成份的厚度见表 1。普通混凝土密度为2.35 g/cm³，铁屏蔽体密度为7.874 g/cm³。

图 1 质子重离子治疗室三维结构图 注：①~④为不同厚度和材料墙体 Figure 1 Three dimensional structure drawing of proton and heavy ion treatment room

表 1(Table 1)

表 1 治疗室主要屏蔽结构的厚度 Table 1 Thickness of main shielding structure 主要屏蔽结构 普通混凝土厚度(m) 铁屏蔽体厚度(m) ①墙 2.40 0 ②墙 3.00 0.50和0a ③墙 3.75 0.70 ④墙 3.00 1.50和1.00a 室顶 2.50 0 地面 2.60 0 注：a见图 1中②④墙所示结构

表 1 治疗室主要屏蔽结构的厚度 Table 1 Thickness of main shielding structure

靶材料及结构：采用结构为30 cm×30 cm×35 cm的水靶，等效模拟现场检测中使用的水靶组合，30 cm×30 cm×30 cm水模+ 30 cm×30 cm×5 cm固体水模。水的密度为1.0 g/cm³。

因为模拟计算的时间成本与几何结构复杂程度成正比，本次模拟计算不考虑治疗床，治疗机头和穿墙管道等对辐射场剂量分布的影响。

(2) 束流参数：本次模拟计算的束流能量、强度和方向等条件参考现场检测时的束流条件，最大质子能量为221 MeV；束流强度为2.6×10⁹粒子/s；碳离子能量为430 MeV/u；束流强度为6.5×10⁷粒子/s；束流强度和能量为额定最高束流强度和能量。

(3) 记录(模拟输出)：本次模拟输出为工作场所中子周围剂量当量率、γ射线周围剂量当量率及两者之和。治疗室的长、宽、高各设为196层，189层和118层进行记录，每层厚度10 cm。

(4) 模拟粒子数：质子为3×10⁹，重离子为1×10⁸。

2. 验证检测：对质子重离子放射治疗室的辐射水平进行了检测，检测设备在检定有效期内，见表 2。检测时的束流条件与FLUKA模拟一致，检测时采用连续出束的方式，水靶采用30 cm×30 cm×30 cm水模加30 cm×30 cm×5 cm固体水模，检测点选择见图 2，检测采用巡测和定点检测方式。

表 2(Table 2)

表 2 辐射防护检测设备 Table 2 Radiation detection equipment 序号 仪器设备名称 规格型号 测量范围 1 便携式X、γ射线剂量率仪 6150 AD 5/H-b/H 50 nSv/h~99.99 μSv/h； 0.1 μSv/h~10 mSv/h 2 便携式X、γ射线剂量率仪 FH40G+FHZ672E-10 1 nSv/h~100 μSv/h； 10 nSv/h~1 Sv/h 3 中子周围剂量当量率仪 FH40G/FHT762 0.01 μSv/h~100 mSv/h

表 2 辐射防护检测设备 Table 2 Radiation detection equipment

图 2 质子重离子治疗室检测点分布 A.俯视图；B. A-A′剖面图 注：①~⑦为检测点 Figure 2 Detection positions of proton and heavy ion treatment room A. Top view; B. A-A′ cross-sectional view

1. FLUKA计算结果和现场检测结果比较：验证检测包括中子周围剂量当量率和γ射线周围剂量当量率，FLUKA计算结果和现场检测结果见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 FLUKA计算结果和现场检测结果比较(μSv/h) Table 3 Comparison between simulation results and detection data(μSv/h) 出束种类 检测点位置 检测结果 模拟计算结果 γa 中子 γ 中子 质子 ①西墙外30 cm处(2#治疗室迷道内) 0.13 ＜MDL ＜0.10 ＜0.10 ②西北墙外库房西墙外30 cm处 0.15 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ③北墙外30 cm处(控制室内) 0.11 ＜MDL ＜0.10 ＜0.01 ④门外30 cm处中央位置 0.12 ＜MDL ＜0.10 ＜0.10 门外30 cm处四周位置 0.13 ＜MDL ＜0.10 ＜0.10 ⑤迷道墙外30 cm处(库房内) 0.13 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ⑥ 东墙外30 cm处 0.11 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ⑦ 正上方设备层(离地1 m高处) 0.09 ＜MDL ＜0.01 ＜0.10 碳离子 ①西墙外30 cm处(2#治疗室迷道内) 0.13 ＜MDL ＜0.01 ＜0.10 ②西北墙外库房西墙外30 cm处 0.16 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ③北墙外30 cm处(控制室内) 0.11 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ④门外30 cm处中央位置 0.12 ＜MDL ＜0.10 ＜0.10 门外30 cm处四周位置 0.13 ＜MDL ＜0.10 ＜0.10 ⑤迷道墙外30 cm处(库房内) 0.14 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ⑥ 东墙外30 cm处 0.11 ＜MDL ＜0.01 ＜0.01 ⑦ 正上方设备层(离地1 m高处) 0.08 ＜MDL ＜0.01 ＜0.10 注：aγ检测数据包含γ本底，γ本底水平为0.06~0.12 μSv/h；MDL.最小探测下限，FH40G/FHT762的MDL为0.03 μSv/h

表 3 FLUKA计算结果和现场检测结果比较(μSv/h) Table 3 Comparison between simulation results and detection data(μSv/h)

2.治疗室辐射场周围剂量当量率分布：FLUKA模拟出束时，质子重离子放射治疗室的中子和γ射线周围剂量当量率分布图见图 3，4。图 3，4中的俯视图为190~200 cm层面，剖面图为550~560 cm层面。

图 3 质子出束时治疗室的周围剂量当量率分布 A~B.俯视图； C~D. A-A′ 剖面图 Figure 3 The ambient dose equivalent rate distribution of treatment room with proton beam A~B. Top view; C~D. A-A′ cross-sectional view

图 4 重离子出束时治疗室的周围剂量当量率分布 A~B.俯视图； C~D. A-A′ 剖面图 Figure 4 Ambient dose equivalent rate distribution around treatment room with heavy ion beam A~B.Top view; C~D.A-A′ cross-sectional view

由图 3，4可知，质子重离子的能量损失主要集中在靶区，相对于质子，重离子轰击水靶产生的辐射场前向分布更为明显，中子辐射场比γ辐射场更具前向分布的特点。质子和重离子轰击水靶产生的辐射场中，中子对剂量的贡献是主要的，在迷道口处γ射线对剂量的贡献约为中子的十分之一，迷道口内直到靶点，中子对剂量的贡献不断增加。在质子重离子出束过程中，屏蔽设施外较高的周围剂量当量率出现在治疗室门外，西墙外，正下方土层和正上方设备层处，这些地方的周围剂量当量率＜0.1 μSv/h。

质子和重离子加速器运行时，周围辐射场是瞬发中子、光子以及其他粒子构成的混合辐射场，[JP]主要考虑中子对剂量当量的贡献，其次是γ射线^[6]，本次模拟计算结果验证了此结论，因此屏蔽设计中需主要考虑中子的屏蔽。对于本研究γ周围剂量当量率的结果的差异，是因为现场检测结果包含了本底。对于中子周围剂量当量率的结果的差异，部分模拟计算结果要高于现场检测结果，差异可能来自于蒙特卡罗程序模拟在剂量较低结果统计涨落造成的。另外，模拟计算的几何模型没有考虑治疗机房内非屏蔽用途的结构(如治疗床、治疗机头和室内装修结构等)也可能对结果带来细微的影响。

对屏蔽计算，保守考虑应根据加速器最高可达的束流强度及能量进行计算。基于蒙特卡罗方法建立的屏蔽计算模型，其计算结果取决于模型的输入卡参数的选择，如几何卡结构描述是否准确，材料卡、源卡和启动卡的设定等方面。

质子重离子放射治疗室的FLUKA模拟计算结果与现场检测结果具有较好的符合性。FLUKA程序建立的质子重离子加速器治疗场所屏蔽计算模型能够较准确地模拟质子重离子产生的辐射场。

该质子重离子加速器治疗场所屏蔽设计满足标准GBZ 18871-2002和GBZ/T 201.5-2015的要求，治疗场所外的周围剂量当量率为本底水平，因此，该工作场所的工作人员的受照来源，将主要是中子活化产物产生的γ射线，后续可对中子活化产物的剂量学进行研究。