0 引言

质子、碳离子束流剂量分布的主要特征是此类带电粒子在射程末端以布拉格峰的形式释放出绝大部分能量而尾部剂量很低，较高能X射线具有明显剂量分布优势[1-4]，因此，经治疗计划系统设计计算的质子、碳离子束流经治疗系统执行后可以在肿瘤病灶内得到比较高的剂量分布，而周围正常组织器官的剂量较低，与常规高能X射线放射治疗技术相比也可以减少照射野数量，从而显著地提高肿瘤治疗剂量，增强了对肿瘤的杀灭效应，同时降低了质子、碳离子入射途径周边和肿瘤病灶周围正常组织损伤和减少了受照射的正常组织器官的体积[5-9]。

笔者以上海市质子重离子医院的质子碳离子放射治疗设施（以下简称为设施）为例，主要从以下几个方面进行架构：首先介绍设施的运行原理（见图1）；其次阐述设施建筑辐射防护设计依据；再进行了设施日常运行时辐射防护要点分析及设施运行过程中各环节产生的辐射源的分析；最后，总结了设施正常运行时辐射防护要点等内容，从而为辐射防护管理提供理论技术基础。

图1 设施运行原理图Fig.1 Schematic diagram of facility operation

1 设施的运行原理

氢气和二氧化碳经离子源形成氢离子和碳离子的等离子体，经离子源高压引出后经低能量束流传输段传送和斩波进入直线加速器段（经射频四极加速腔（RFQ）将离子加速至大约400 keV/u，后再由漂移加速强（IH-DTL）加速至约7 MeV/u），再通过中能量束流传输段经传送、碳离子剥离全部外层电子、斩波和能量强度选择等操作后注入同步环，束流经同步加速器的加速腔加速到指定的能量后引出，经高能量束流传输段后再经过扫描磁铁入射患者体内[10]。

2 设施建筑辐射防护设计的理论依据

该设施可以实现2个主要与辐射防护相关的临床参数，有单次溢出最大粒子强度、最大粒子能量和粒子种类使用的时间分布。

2.1 单次溢出最大粒子强度

质子的单次溢出最大粒子强度可以达到2×1010粒子数，即每秒粒子数量的上限1×1010粒子数每秒乘以每循环溢出的时间下限2 s，设施甚至可能每次达到4×1010粒子数；碳离子的单次溢出最大粒子强度可以达到1×109粒子数，即每秒粒子数量的上限3.3×108粒子数每秒乘以每循环溢出的时间下限3 s。

2.2 最大粒子能量及粒子种类使用时间分布

质子的最大粒子能量可达250 MeV/u，碳离子的最大粒子能量可达430 MeV/u。根据以往实际的临床使用情况，使用的质子能量预测值为90%用150 MeV/u，10%用220 MeV/u；碳离子使用的能量预测值为90%用280 MeV/u，10%用430 MeV/u。

预测的粒子种类使用的时间分布占比为初期主要使用质子束流，其中碳离子占10%而质子占90%；长期主要使用碳离子束流，其中碳离子占70%而质子占30%。

该设施根据以上主要参数和驻留时间以最保守的（冗余度最高）情形下计算辐射防护量，预计辐射防护的几何尺寸，以此建造整个辐射防护建筑墙，按每年出束时间2000 h计算，整个设施有效剂量范围大约在0.6 mSv/a，与实际监控的数据（0.52 mSv/a）相近，符合预期辐射防护的设计目标。

3 设施日常运行时辐射来源分析

这里辐射来源的分析主要从两个角度阐述。一个方面是从加速器自身角度分析来源，按束流在加速器内损失的位置分析辐射来源；另一个方面是从辐射源产生的时间长短对辐射源进行分析。

3.1 从加速器自身分析辐射产生的来源

该设施辐射产生的主要来源由束流主动损失和束流被动损失所构成。质子/碳离子在粒子加速、束流引出、束流输运和束流准直等过程中，不可避免地在治疗设施的部件上会发生束流损失。在这个过程中质子/碳离子与物质的原子核发生级联反应，产生能量很高的中子（最高能量接近入射粒子能量）和其他级联产物。

3.1.1 主动束流损失

主要是指在正常的加速器操作期间，束流损失主要发生在以下几个位置：

（1）低能量束流传输段（LEBT）：损失的主要原因为离子和强度的选择；

（2）直线加速器段（LINAC）：损失的主要原因为加速过程中能散、位置和相位等的选择；

（3）同步加速器注入、加速和引出：原因基本同直线加速器段，即主要原因是加速过程中能散、位置和相位等的选择；

（4）在同步加速器里的束流倾倒（主动损失）：没有被用到的离子或联锁引起的需被踢出的剩余离子会倾倒到事先指定位置；

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