质子治疗技术(Proton Radiotherapy)是世界上先进的肿瘤治疗手段之一,主要得益于质子特有的“布拉格峰”剂量分布、优越的放射生物学效应。国内某质子治疗中心部分机房屏蔽墙采用重混凝土作为材料,重混凝土中铁元素的占比为47.425%,质子治疗时产生的次级中子会使重混凝土中的56Fe被活化为56Mn,进而使得重混凝土屏蔽墙产生感生放射性。为了研究感生放射性对机房内工作人员的影响,对重混凝土屏蔽墙在质子治疗机房屏蔽中产生的感生放射性大小进行了计算研究,并进一步对重混凝土与普通混凝土的屏蔽效果进行了对比研究。本研究使用蒙特卡罗软件Geant4 10.05(GEometry And Tracking),建立重混凝土屏蔽墙模型,对重混凝土屏蔽墙的感生放射性进行了计算,以及重混凝土和普通混凝土的屏蔽效果进行了对比计算。计算重混凝土屏蔽墙的感生放射性时,模型中屏蔽墙厚2.5 m,高6.0 m,宽12.4 m,质子束流能量为245 MeV,束流强度为3 nA,模拟分两步进行,第一步首先模拟质子束照射水模体产生的次级中子能谱,第二步利用模拟得到的次级中子照射重混凝土屏蔽墙,记录产生的放射性核素56Mn以及其分布;然后依据放射性核素56Mn在屏蔽墙内的分布规律,将屏蔽墙按每10 cm厚度分层,计算前三层屏蔽墙中的放射性核素56Mn在治疗室内产生的周围剂量当量率,计算时参考了中子活化和辐射剂量学相关计算公式;最后研究了重混凝土与普通混凝土对能量为5、20、50、100、150、200、245 MeV的次级中子的屏蔽性能。经过模拟统计,在最大的质子束流照射条件(1.872×1010个)下,模拟次级中子照射屏蔽墙时,得到墙厚10 cm时,距离射束中心轴0°～5°、5°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～30°、30°～35°、35°～40°、40°～45°范围内,56Mn 个数分别为 5.26×106、3.04×106、1.74×106、6.02×105、4.20×105、1.45×105、4.50×104、4.00×103和0个,在离射束中心轴0°～5°范围内的56Mn个数最多。分层计算时,前三层屏蔽墙内的放射性核素56Mn个数分别为3.10×108、1.60×108和9.33×107个;前三层屏蔽墙对治疗室内1 m远处产生的周围剂量当量率分别为2.13×10-3、8.82×10-4 和 9.10×10-4 μSv/h,总的周围剂量当量率为 3.92×10-3 μSv/h。对于重混凝土屏蔽墙与普通混凝土屏蔽墙的屏蔽效果对比研究,当屏蔽墙厚度相同时,对能量为5、50、100、150、200、245 MeV的单能中子,在普通混凝土屏蔽墙中的透射率都大于在重混凝土屏蔽墙中的透射率。当两种屏蔽墙厚度相同,且中子能量相同时,中子在重混凝土中的透射率始终比在普通混凝土中小。当中子能量为5、50 MeV时,两种屏蔽墙的中子透射率在墙厚为50 cm时有最大差值,分别是0.0579和0.0744。在中子能量为100、150、200、245 MeV时,两种屏蔽墙的中子透射率都在墙厚100 cm时有最大差值,分别是0.1007,0.1179,0.1027 和 0.1135。综上所述,在使用质子治疗时,距离射束中心轴越近,屏蔽墙的感生放射性越强,随着距离增大,感生放射性逐渐减小趋近于零;屏蔽墙前端中子活化铁元素产生的感生放射性最强,放射性核素56Mn的个数随着屏蔽墙厚度增大呈指数减小。能量越高,中子的穿透能力越大,在进行质子治疗机房屏蔽设计时要考虑最高能量次级中子的防护。对能量低于100 MeV的中子,在屏蔽墙厚50 cm时重混凝土比普通混凝土的防护性能优势最大;对能量大于等于100 MeV的中子,在屏蔽墙厚100 cm时重混凝土比普通混凝土的防护性能优势最大,总体上重混凝土的屏蔽效果比普通混凝土更好。