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放射治疗的中子屏蔽防护

发表时间:2022-03-30 15:31



什么是中子?


原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分,占99.96%以上原子的质量,与它周围围绕的电子组成原子。原子核由质子和中子构成。中子不带电荷,呈电中性,因此不受库仑力的响。只有当中子碰撞到原子核时才会受到核力的影响。






中子是怎么产生的?


中子是由高能光子与原子核的相互作用,通过光核反应 (γ,n)产生的。


在放射治疗中,直线加速器产生的高能光子与加速器内部的高原子序数材料相互作用,并释放中子。


产生中子的阈值能量约为 7 MeV (对于钨和铅)至13 MeV (对于铝和铁)。因此对于低于10 MV的治疗束,中子造成的污染不是问题。在这种能量下,中子的产生很低,但应予以考虑。


如果加速器有高能量,例如10X, 10FFF,那各位就多了一个任务:在机房建好后做中子屏蔽测量。


光子与原子核相互作用的概率 (截面) 随光子能量的增加而急剧增加,并且在13到18 MeV光子的治疗范围内达到最大值。



加速器机头材料的光核反应截面

数据来自Nuclear Energy Agency EXFOR数据库


高能电子也可能发生电子中子(e,n)反应,但它的反应截面比光核反应要小得多。





慢中子和快中子有什么区别?



其实他们之间的区分是人为定义的,但在辐射安全文献中常常被使用:



慢中子 为能量小于10 keV的中子

快中子 为能量大于10 keV的中子





什么是热中子?



在室温下空气中的粒子平均能量为1/40 eV,热中子就是能量等级与之相同的中子。热中子能量为1/40 eV = 0.025 eV



空气中热中子的平均自由程约为30米。






直线加速器中子的产生



直线加速器头部的金属材料主要包括钨(W),铅(Pb)铁,铜和铝。其中高原子序数的成分,包括加速器的靶,初级准直器,次级准直器,楔形板 (wedge),均整器和多叶准直光栅是产生中子的主要来源。



在外照射放疗产生的中子能量范围内,可惜屏蔽射线的准直器与光栅(钨和铅)具有非常低的吸收截面。因此,中子有很大的机会穿透这些屏蔽层,并到达患者和射线屏蔽墙。






中子在机房内的影响


中子离开机头后,它们变得向各向同性 (isotropic),并且随着它们在房间及迷路内的多次散射而能量降低。



X射线靶附近的光子通量最大。在治疗区域中的中子剂量率约为X射线剂量率的0.1%,可认为中子造成的患者吸收剂量可忽略不计。TPS算法也没有将中子增加的病人剂量纳入受辐射剂量计算。



IMRT比非IMRT包含多得多的MU,但在任何给定时间仅一部分射野是开着的,因此,主屏蔽 (primary barrier) 通常保持不变,但机头泄漏 (radiation leakage) 与MU的数量成正比,次级屏蔽 (secondary barrier) 的工作量 (work load) 会增加(work load 是传统的2-5倍)。



为了减少中子的产生,可以尽量减少高能光子的使用,特别是对于高MU的治疗(如IMRT)。



Photo credit to amplemedphys



中子可以将加速器部件放射性活化,但这些活化的同位素半衰期很短 (从几秒到小时),所以不会随时间增加而累积。







中子防护的思路


中子能量高时,以非弹性散射为主,应该先用重元素快速消耗快中子的能量;对于几MeV以上的中子,可用含重核或中重核的材料,通过非弹性碰撞使其能量迅速降低。



中子能量中等时,以弹性散射为主,应该用轻元素将中子慢化为热中子;用含氢材料进一步使其慢化。富含氢核的材料却可以用来屏蔽中子。混凝土或者镶嵌有石蜡层的混凝土比重元素能够更好的防护中子。屏蔽快中子最有效的元素是氢,常用材料是含氢成分较多的水、石蜡等。



中子能量低时,以中子俘获为主,用镉、硼-10等吸收中子。中子防护必然有次生伽马射线辐射。利用B-10或Li-6等吸收截面大的物质,可使中子能量因原子核反应转换成带电粒子的能量,中子则被它们吸收。屏蔽热中子用中子吸收截面大、俘获γ光子能量低的材料,如硼、锂及其化合物等。某些轻核素,比如锂-6,可以吸收热中子而不产生次生辐射。








射线屏蔽门


高能射线屏蔽门必须能够屏蔽伽马射线、低能中子和低能光子。




屏蔽材料的原子序数越低,辐射的衰减越大。氢是优质的减少中子能量材料,因为它的质量与中子大致相同。因此,能量和动量的守恒允许氢原子吸收中子的最大能量。





屏蔽材料的密度越大,辐射的衰减越大。即使水和空气具有基本相同的有效原子序数,水是一个更好的屏蔽层,因为它密度更高。



被混凝土吸收(特别是被氢吸收)的热化的中子会产生高能量(平均3.5 MeV)的捕获伽马射线,并撞击射线屏蔽门。



由于重量和体积的考虑,门通常使用层压构造方法。典型的射线屏蔽门结构由三层组成,从内到外分别是:



1. 高Z材料(通常是铅)的内层。除了衰减入射光子之外,该层还能够减少快速中子的能量,从而使硼化聚乙烯(BPE)层更有效。



2. 硼化聚乙烯(BPE)的中间层 (〜12 厘米) 减弱了热中子通量。但是,该层将产生中子俘获伽马射线。硼的衰减截面约为氢的10,000倍!



3. 高Z材料(通常是铅)的外层 (〜3厘米) 使BPE中产生的中子俘获伽马射线衰减。



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要点:硼酸化聚乙烯必须朝向治疗室的内部,在外部有一层铅,以捕获伽玛射线。





在加速器房间外,哪里是中子的热点?


对于高能量的加速器而言,最有效的屏蔽方法就是用迷路。



在机房外,通常最热的点就在屏蔽门的表面。通常这个读数为0.1 -0.2 mrem/h (1 rem = 0.01 Sv)



如果屏蔽的混凝土屏障能挡住光子,那么它足够削弱加速器产生的中子(混凝土中氢含量高,可以减慢和俘获中子)。



屏蔽门,管道系统和其他非混凝土屏障需要对中子屏蔽进行额外的设计和分析。在其他位置,中子剂量率通常低很多。









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