质子治疗肿瘤是放疗的热点方向之一。
高能质子系统会产生什么辐射？屏蔽设计有哪些考量？
我们用两期文章为您解读。
01
初级质子
质子治疗系统产生的初级质子能量很高。从辐射屏蔽的角度看，因为穿透力不强，而无需重点考虑。下图我们可以看到能量MeV质子对应的布拉格峰在水中路径约32厘米。
不同能量质子在水中的布拉格峰
质子和它路径上的物质反应，会产生什么样的放射性？其中哪些是需要考虑进辐射屏蔽设计里的呢？
02
质子与物质的反应
质子与周围物质的相互作用包括：电离、散射、核相互作用。
其中1）电离作用为质子沉积能量的最主要方式，它与2）质子的散射都不是辐射屏蔽的设计考虑内容。
重点在第3项！质子与周围物质的原子核互相作用有多种形式，也有许多产物，包括：
质子与原子核相互作用产生的瞬时伽玛射线与高能中子皆有很强的穿透力。
MeV质子产生的伽玛射线最高能量可达6MeV，但产额极低。2MeV以上的伽玛射线也只占总产额的1%以下，平均能量约为1MeV。因为能量不高，产额低，所以不是防护重点。
原子核里每个核子的核结合能约为8MeV，MeV质子具有足够的能量，足以将中子从原子核中击出，剩余能量高达MeV。总中子产生额与质子能量的平方成正比。高能质子加速器的辐射屏蔽，实质上就是对中子的屏蔽，更是对高能中子的屏蔽。
03
质子穿过物质产生的中子的种类
（1）级联中子能量远大于10MeV，并且可以延伸到接近入射质子的能量，并且有明显向前的角分布。从数量上看，级联中子只占总中子产生额的百分之几，但它在屏蔽体外，起着绝对的主导作用。
（2）蒸发中子峰值能量在几个MeV区域内，其角度分布大体上各向同性，蒸发中子的数量远大于级联中子，对加速器部件的活化起着非常重要的作用。这不仅是因为数量多，而且俘获截面更大。
（3）由级联中子和蒸发中子的慢化而产生热中子。
质子穿过镍靶时产生的中子
04
中子的剂量
当中子与周围物质相互作用时，它们可能会发生弹性和非弹性散射，并引发核反应，例如中子捕获，散裂和裂变。中子沉积能量首先将能量转移到荷电粒子上，然后这些荷电粒子通过库仑相互作用，将能量沉积在吸收体中。
中子的生物效应非常高，剂量计算需要考虑品质因素。品质因数(qualityfactor,Q)是以能量为变量的连续函数。为了增强可操作性，ICRP推荐了一个表格。通过表格可看出，能量在1MeV附近的中子最有害，其品质因素高达20。质子治疗产生的中子平均品质因素约为7。
05
用于屏蔽中子的材料
高Z材料对于屏蔽光子非常有用，但它们对屏蔽中子效果不佳。光子将在铅中发生电磁相互作用，而中子则不会。由于质量差异大，中子只能失去很小的动量，保留了大部分初始能量，同时改变方向。
铅具有四种自然存在的稳定同位素，其中Pb-占52.1%，它具有个中子，也就是说有24个多余的中子（被轻束缚），极其容易产生次级中子，是我们想避免的。同时，当被激活时，铅和其他重同位素具有许多状态，需要很长的时间才能衰减。
最好的中子屏蔽材料能慢化中子，使它们在每次散射/相互作用中损失最多的动量。最好的慢化材料是氢含量高的材料，包括：水、石蜡、硼（具有很高的高中子截面）、重混凝土、人体（包含水）。
前文链接：放射治疗的中子屏蔽防护
07
中子的探测
很少有探测器可以测量整个能量范围内的中子。大多数中子探测器都是出于辐射安全目的，在治疗室外测量中子，非常适合测量2mR/小时（0.02mSv/小时）左右的中子速率。
对于被动散射系统，中子本底将接近0.1％。我们假设质子剂量率为2Gy/min，则预期中子剂量率约为2mSv/min，也就是mSv/小时。比中子探测器的典型使用速率高倍，这么高的剂量率可令中子探测器饱和，读数失效。前文链接：放射治疗的中子探测
文章的末尾用三句话总结：
1.用于治疗肿瘤的质子与周围物质的原子核作用，会产生高能中子。
2.中子的生物效应非常高，品质因素可高达20。
3.质子中心的辐射屏蔽设计，实质上就是针对中子的屏蔽。
参考资料
[1]PieternelvanderTol,Radiationprotectioninprotontherapy
[2]CharlesBloch,PTCOG,BasicNeutronPhysicsandNeutronProductioninProtonTherapy
[3]刘世耀，，质子和重离子治疗及其装置
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