基于蒙特卡洛模拟的医用直线加速器周边散射轫致辐射能量分布与强度分析

本研究针对医用直线加速器（LINAC）周边散射轫致辐射谱分布研究不足的问题，通过Geant4(v.11.1)蒙特卡洛模拟分析了6 MeV电子束轰击钨靶产生的散射辐射特性。结果显示模拟与实验计数率误差仅15(4)%，首次量化了初级准直器上方43.4·109 photons m-2 s-1的最高散射通量，为放疗设备辐射防护提供关键数据。

　　

在精准放疗时代，医用直线加速器（LINAC）产生的兆伏级光子束是肿瘤治疗的核心工具。然而，设备周边由电子束轰击钨靶产生的散射轫致辐射（bremsstrahlung）长期缺乏系统性研究，这种次级辐射可能影响治疗精度并带来辐射防护隐患。国际辐射单位与测量委员会（ICRU）要求放疗剂量误差必须控制在5%以内，但散射辐射的能谱分布、空间强度等关键参数至今未有完整建模，这成为制约放疗质量提升的潜在瓶颈。

针对这一科学问题，来自塞尔维亚科学院的Danijel VELIMIROVIC团队在《Applied Radiation and Isotopes》发表研究，采用Geant4(v.11.1)蒙特卡洛模拟软件，精确重建了Varian TrueBeam加速器机头结构（含钨靶、初级准直器等关键组件），通过发射4×10⁹个6 MeV初级电子的超大规模计算（耗时10天），首次获得了0-3600 keV能区内散射辐射的完整能谱。研究创新性地将模拟结果与实验测量对比验证，并重点分析了多重散射事件、湮灭光子等复杂辐射现象。

关键技术方法包括：1) 基于Geant4的蒙特卡洛粒子输运模拟；2) Varian TrueBeam加速器机头的几何与材料建模；3) 4核CPU并行计算处理4×10⁹电子事件；4) 能谱分析聚焦59.3 keV钨特征X射线及511 keV湮灭峰。

主要研究结果

1. 模拟与实验谱对比
   在0-3600 keV能区，模拟计数率与实验测量偏差仅为15(4)%，验证了模型的可靠性。统计误差通过4×10⁹电子事件控制在1%以下。

2. 空间分布特征
   初级准直器上方检测到最高散射通量（43.4·10⁹ photons m^-2 s^-1），该位置连续谱峰值位于200 keV，同时存在显著的59.3 keV钨X荧光和511 keV湮灭线。

3. 特殊辐射成分
   首次量化了单次初级光子产生的多重散射事件占比，发现钨材料主导的机头结构会显著增强特征X射线发射。

结论与意义
该研究通过蒙特卡洛模拟揭示了医用直线加速器周边散射辐射的三维能谱特征，特别是准直器区域的高通量辐射热点（200 keV连续谱+特征峰）的发现，为设备屏蔽设计提供了关键参数。研究建立的Geant4模型可推广至不同能量LINAC（如10/15 MV），其提出的"15%误差带"为后续研究设立了精度基准。此外，对钨特征X射线强度的量化，为放疗室辐射监测仪器的能量响应校准提供了理论依据。这项成果不仅完善了放射治疗物理的基础数据，更从辐射安全角度推动了精准放疗技术的发展。