在不同运行模式下，对HIMM加速器大厅和治疗室进行诱导放射性分析

《Applied Radiation and Isotopes》：Induced radioactivity analysis of HIMM accelerator hall and treatment room under different operation modes

重离子医疗机（HIMM）运行中因中子活化及次生核反应产生诱导放射性，需评估加速器大厅及治疗室辐射安全。研究显示：连续12小时加速器调试后，工作人员年累积有效剂量低于20mSv安全限值；冷却30天后剂量率降至本底水平。治疗模式中，近期工作状态直接影响最终辐射剂量率。水束倾泻装置有效吸收束流并降低前壁活化，其短半衰期核素满足法规豁免要求。采用蒙特卡洛（FLUKA）模拟结合实验验证，揭示了不同运行模式下放射性分布特征及安全控制策略。

　　

马福红|李五元|杨瑶|施健|陈润凯|苏友武|杨波|闫薇薇|王俊杰|丁英梅

兰州离子治疗有限公司，中国兰州730000

摘要

重离子医疗机（HIMM）的运行主要通过中子激活和次级核反应产生放射性。研究加速器大厅和治疗室内的放射性对于指导工作人员和公众的辐射防护设计至关重要。该加速器有两种运行模式：调试模式和治疗模式，连续运行时间分别为12小时和9小时，随后是12小时和15小时的冷却时间。本研究考察了这两种模式下这两个区域的放射性。研究结果表明，经过一年的调试后，加速器大厅内职业工作人员的总吸收剂量仍低于规定的安全限值。此外，冷却30天后，剩余剂量率恢复到背景水平。前一周的运行条件会影响治疗模式下的最终照射剂量率。研究还表明，治疗室内的辐射剂量率仅取决于最后一天?照射情况。此外，本研究评估了水束倾倒装置的双重功能，该装置能有效吸收离子束，同时将前壁的激活降到最低。由于水中产生的放射性核素的半衰期较短，经过短暂的衰减期后即可满足法规豁免要求。这些发现为重离子治疗设施的辐射安全规划和操作规程提供了宝贵的见解。

引言

碳离子治疗在治疗局部肿瘤方面显示出显著的效果。根据PTCOG组织的最新数据，全球共有14台碳离子治疗设备在运行中，还有更多设备正在建设中或等待安装（Durante 2024, Kraft et al. 1999）。在HIMM中，碳离子由电子回旋共振（ECR）离子源产生，然后通过回旋加速器加速到约7 MeV/u，再由同步加速器加速到120-400 MeV/u。在治疗室末端，最大流量强度可达1.333×10⁸个粒子/秒。加速器产生的高能粒子与目标材料（包括磁铁、安全快门、多叶准直器、患者等）发生碰撞，产生各种反应，如（γ,n）、（p,xγ）、（n,xp）、（p,pn）、热中子捕获、散裂或碎片化，从而释放α、β和γ射线，这种现象称为诱导放射性（Livingston 1969）。与瞬时辐射不同，诱导放射性对医疗人员和维护人员存在长期健康风险。

尽管有多种离子束能量可供选择，但在治疗模式中通常只使用三种能量。例如，42.7%的总照射时间对应于330 MeV/u的束能量，36.5%对应于260 MeV/u，20.8%对应于400 MeV/u。HIMM的运行主要分为调试模式和治疗模式。HIMM的运行状态如表1所示。在调试模式下，平均连续运行时间为每天12小时，持续最多1年。测试完成后，设施可进入治疗模式。在治疗模式下，每位患者的平均照射时间为5分钟，治疗间隔为15分钟，工作时间为每天8小时，每周5天（工作日）。每个治疗室在治疗开始前需要进行质量保证（QA），平均每个房间需要15分钟，四个房间总共需要1小时。因此，在治疗模式下，加速器每天连续运行9小时。根据ICRP推荐的安全标准（Bennett 1996），工作人员的年有效剂量平均不超过20 mSv，且任何一年的有效剂量不得超过50 mSv（mSv/a）。操作和维护人员所受的剂量主要来自设备维护和场地清理，HIMM工作人员的剂量限制为5 mSv/a。以往的研究（Yang et al. 2024, Xu et al. 2014）使用蒙特卡洛（MC）方法对目标进行照射时，将调试时间或治疗时间累积为单一连续时间，这并不能准确反映实际工作条件或捕捉照射过程中的放射性变化细节。需要一个合适的模型来研究放射性。

作为一台高能重离子加速器，末端束能量可达400 MeV/u，产生的中子能量在前向方向可达1 GeV。为了在测试、治疗或质量保证过程中最小化前壁的激活，需要使用束倾倒装置。用于束倾倒的材料对于吸收初级和次级粒子、减少产生的放射性以及便于后续操作至关重要。

在这项工作中，通过MC模拟研究了加速器、治疗室和束倾倒装置在调试模式和治疗模式下的放射性。同时进行了实验测量以验证模拟结果。

部分摘录

模拟软件

MC方法能够模拟复杂模型。FLUKA是一个用于粒子传输和粒子-物质相互作用的综合MC模拟程序（Battistoni et al. 2015, Andersen et al. 2004, Roesler et al. 2000）。在本研究中，使用FLUKA（版本4-3.2）模拟了HIMM加速器大厅和治疗室内的放射性。激活了RADDECAY卡片以实现衰减模式，同时使用IRRPROFI卡片设置照射时间。

加速器大厅内放射性的研究

如前一节所述，加速器在调试模式和治疗模式下运行，本研究基于图1(a)所示的模型模拟了这两种模式下的放射性。通过编译source.f脚本，束流损失分布如表3所示。图4(a)展示了调试一年后关闭时的剂量率分布。加速器大厅中隔磁铁附近的区域剂量率最高，这是因为

结论

本研究考察了HIMM加速器大厅和治疗室在各种运行条件下的放射性。HIMM的运行条件相对复杂，由于反复的启动和关闭循环，导致放射性波动，从而产生增加和随后的衰减。以往的研究通常将间歇运行时间合并为单一的照射时间进行模拟，导致结果存在显著偏差。

CRediT作者贡献声明

王俊杰：数据整理。丁英梅：写作——审稿与编辑、软件开发、调查、数据整理、概念构思。杨波：正式分析。闫薇薇：方法论、数据整理。李五元：写作——审稿与编辑、概念构思。杨瑶：数据整理、资金筹集。马福红：写作——初稿撰写、数据整理、概念构思。施健：项目管理。陈润凯：可视化展示。苏友武：验证、监督、软件开发、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。