质子用于治疗始于1946年，Wilson^[1]提出使用加速器产生的质子治疗肿瘤。近年来在世界范围内，由于质子独特的物理和生物学优势，使用能量约250 MeV的质子加速器用于治疗癌症得到越来越广泛地应用^[2-5]。治疗用的质子加速器运行时将可能产生较复杂的次级辐射，在人口密集的医院中应当进行仔细评估辐射屏蔽的安全性。次级中子是质子加速器屏蔽设计中的主要关注因素^[2-7]。

质子加速器机房设计的屏蔽材料多采用重晶石混凝土或者普通混凝土中添加铁板进行屏蔽^[8-10]。本研究中用于模拟计算的机房屏蔽材料由普通混凝土添加铁板组成。当质子加速器运行时产生的高能中子通过一定厚度的铁板时，通过跟铁原子的非弹性碰撞将快速失去能量，通过铁板后中子的能量将会发生显著的变化^{[2, 10-12]}。为了实现辐射防护的最优化，铁板在混凝土中位置对屏蔽体外剂量率影响的研究具有重要的意义。

本研究将重点关注铁板在混凝土不同深度处时屏蔽体外30 cm处的剂量率的变化趋势，将通过模拟能量分别为220和250 MeV的质子束轰击水模体的粒子输运情况，探讨质子治疗室屏蔽设计的辐射防护最优化。

1.模拟方法：本研究中使用的模拟计算工具是FLUKA^[13]，版本FLUKA 2011.2x.2，FLUKA是一个通用集成的粒子物理蒙特卡罗仿真软件包。

2.仿真计算模型的构建：本研究采用FLUKA程序来构建质子治疗机房的几何结构。在几何空间和屏蔽体的构建上是基于国内某质子加速器治疗中心的设计图纸所创建，尽量还原了真实的质子治疗机房的空间几何结构和防护所用屏蔽体材质的构成，主防护墙由混凝土内镶铁板组成，这两种屏蔽材料的元素组成和材料密度等参数在FLUKA中进行定义。

在常用的辐射防护研究所使用的材料中，由于水和人体组织的生物等效性的相似，在剂量学研究中，对质子治疗室周围剂量当量率进行测量时，质子束的靶体材料通常采用水模体来代替^[14]。因此，本研究选择水模体作为靶物质。在模拟计算中，将水模体的体积设置成40 cm×40 cm×40 cm。照射条件分别模拟220和250 MeV的质子朝向主屏蔽体方向照射水模体，模拟的初始质子数为2×10⁸，质子束损失率为1.645×10¹⁰/s。

主屏蔽体由230 cm厚的混凝土和50 cm厚的铁板所组成(主屏蔽体总厚度为280 cm)，对铁板镶嵌于混凝土不同深处(铁板距屏蔽体内表面分别为0、40、80、120、160、200和220 cm)时分别进行模拟计算，模拟屏蔽体的不同几何条件下质子治疗室主防护墙外周围剂量当量率的分布情况。

1. 220 MeV质子束照射靶体时的模拟结果：220 MeV质子束朝向主屏蔽体方向照射靶体时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率(光子和中子周围剂量当量率总和，下同)模拟结果列于表 1。当铁板在混凝土中距内表面40 cm时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率最小，此时模拟计算的周围剂量当量率约为1.31 μSv/h，当铁板在距主屏蔽体内表面0~160 cm的不同深度时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率在1.31~1.85 μSv/h之间变化，当铁板距主屏蔽体内表面220 cm时，主屏蔽墙外30 cm处的周围剂量当量率达到该能量照射下的最大值(3.42 μSv/h)。在能量为220 MeV的质子照射的模拟计算条件下，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率最大值约为最小值的2.6倍。

表 1(Table 1)

表 1 220 MeV质子束照射水模体时主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果 Table 1 Simulated dose rates at 30 cm ourside main protetion wall for 220 MeV proton beam impinging on target 铁板距主屏蔽体内表面的距离(cm) 周围剂量当量率(μSv/h) 模拟计算误差(μSv/h) 0 1.75 0.16 40 1.31 0.13 80 1.50 0.17 120 1.58 0.16 160 1.85 0.19 200 2.26 0.33 220 3.42 0.37

表 1 220 MeV质子束照射水模体时主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果 Table 1 Simulated dose rates at 30 cm ourside main protetion wall for 220 MeV proton beam impinging on target

在220 MeV的质子照射条件下，当铁板分别处于距混凝土内表面40和220 cm处时质子治疗室的周围剂量当量率分布示于图 1，2，可以看出主屏蔽体外周围剂量当量率的显著差异。

图 1 铁板距主屏蔽体内表面40 cm时治疗室周围剂量当量率分布模拟结果 Figure 1 Simulated dose rate distribution outside therapeutic room model when iron shield was 40 cm from internal surface of protection wall

图 2 铁板距主屏蔽体内表面220 cm时治疗室周围剂量当量率分布模拟结果 Figure 2 Simulated dose rate distribution outside therapeutic model when the iron shield was 220 cm from internal surface of protection wall

2. 250 MeV质子束照射靶体时的模拟结果：250 MeV质子束朝向主屏蔽体方向照射靶体时，铁板位于屏蔽墙内不同深度处以及全为混凝土(无铁板)时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果列于表 2。无铁板时，周围剂量当量率模拟结果为13.85 μSv/h，模拟计算误差为3.26 μSv/h。当铁板距主屏蔽体内表面160 cm时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果最小，约为3.19 μSv/h，当铁板在距主屏蔽体内表面0~160 cm的不同深度时，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率在3.19~3.92 μSv/h之间变化；当铁板距主屏蔽体内表面220 cm时，主屏蔽墙外30 cm处的周围剂量当量率达到该能量照射下的最大值(6.32 μSv/h)，当主屏蔽墙全为混凝土时该点的周围剂量当量率约为有铁板时最大值的2.2倍。在能量为250 MeV的质子照射的模拟计算条件下，主屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率最大值约为最小值的2.0倍。

表 2(Table 2)

表 2 250 MeV质子束照射水模体时主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果(μSv/h) Table 2 Simulated dose rates at 30 cm outside main protection wall for 250 MeV proton beam impinging on the target(μSv/h) 铁板距主屏蔽体内表面的距离(cm) 周围剂量当量率 模拟计算误差 0 3.32 0.40 40 3.94 0.45 80 3.43 0.74 120 3.69 0.89 160 3.19 1.00 200 4.01 1.40 220 6.39 1.01

表 2 250 MeV质子束照射水模体时主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率模拟结果(μSv/h) Table 2 Simulated dose rates at 30 cm outside main protection wall for 250 MeV proton beam impinging on the target(μSv/h)

我国的职业卫生标准规定，在屏蔽体外30 cm处的周围剂量当量率应不>2.5 μSv/h^[15]。根据上述模拟计算的结果，当质子能量为220 MeV时，如果将铁板放置在距主屏蔽体内表面0~200 cm处，则防护墙外的周围剂量当量率符合国家标准的要求；而当铁板放置于距主屏蔽体内表面220 cm处时，防护墙外周围剂量当量率超过国家标准的要求。

在质子加速器运行时会产生大量的高能中子，这些中子穿过一定厚度的铁屏蔽体后，中子能量迅速降低，同时中子能谱也发生了很大的变化，如果铁屏蔽体被放置于整个屏蔽体的后端，将不会对混凝土和铁的综合屏蔽作用起到更有效的作用。当中子穿过铁板时，铁会被活化，产生额外的γ射线和电子线，质子加速器运行时还会导致设备冷却水、治疗室内空气、土壤以及加速器结构材料等的活化^[15-17]。混凝土是对伽玛射线和电子线良好的屏蔽材料，因此，将铁板放置于混凝土屏蔽体中间区域是一种不错的选择，铁板周围的混凝土可以有效地屏蔽次级γ射线和电子线。

通过FLUKA蒙特卡罗粒子输运模拟计算程序，构建了一个质子治疗室的模型。质子束的照射方向朝向主防护墙的方向，主防护墙由混凝土内嵌铁板构成，在铁板在主防护墙内不同深度处分别进行模拟计算。

从模拟结果可以看出，主防护墙外的周围剂量当量率随着嵌入铁板深度的不同变化很大，在屏蔽材料厚度相同的情况下，铁板的深度不同导致主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率最大值为最小值的2倍以上，当铁板的嵌入位置靠近主防护墙外表面时，模拟的周围剂量当量率结果呈现上升的趋势。在实际的辐射防护设计时，应当着重考虑防护墙厚度以及材料构成及位置设计。

当铁板中含有不同成分和比例的杂质，在质子照射到Fe和杂质时可能会产生不同程度的活化产物，活化产物的辐射防护问题将是本研究下一步的研究方向。