расчетные методы дозиметрии бета-излучения

Открытие электрона

Открытие электрона представляет собой завершение длившегося несколько десятилетий исследования газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ. В частности, приблизительно к середине прошлого века было выяснено, что если к электродам, впаянным в стеклянную трубку с газом, приложить достаточно высокое напряжение, то через газ проходит электрический ток, а сам газ при этом светится. Английские физики У.Крукс, А.Шустер, затем Дж.Дж. Томсон полагали, что из катода выходят не лучи, а какие-то отрицательно заряженные частицы и что именно под их воздействием возникает свечение стекла. Совсем как у Иоанна: «Вначале было слово». В 1894 г. Джонстон Стоней ввел слово «электрон». Решающие опыты были выполнены в 1887 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Опыты это состояли в наблюдении движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Поэтому теперь принято считать, что год открытия электрона – 1897, а автор этого важнейшего открытия Джозеф Джон Томсон. За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы, приведшие к открытию электрона, Дж.Дж. Томсон в 1906 г. получил Нобелевскую премию по физике. Заряд электрона оказался равным 1,6·10-19 Кл. Отсюда для массы электрона получается значение 9,1·10-31 кг. Это самые маленькие значения заряда и массы в природе. Одна из составных частей атома – отрицательно заряженный электрон – была обнаружена еще в 19 веке. В 1887 г. удалось, хотя и грубо, измерить заряд электрона; позднее измерена было его масса и еще позже были обнаружены другие его свойства – вращательный и магнитный моменты. Эти единичные отрицательные заряды получили название электронов. Никогда и нигде не удавалось наблюдать зарядов, меньших заряда электрона или равных нецелому числу зарядов электрона.

В 1937 году И.Е. Тамм вместе с И.М. Франком создали теорию явления, которое тремя годами ранее найдено и исследовано П.А. Черенковым и С.И. Вавиловым. Было обнаружено слабое свечение жидкостей под действием радиоактивного излучения. Тамм и Франк указали, что источником свечения являютсябыстрозаряженныечастицы,пролетающиечерезпрозрачноевещество со скоростью, превосходящей скорость света в этом веществе. Очень красивая эта теория, как и само явление, сначала не привлекла к себе большого внимания, потому что свечение было очень слабым и казалось, что его невозможно использовать. Однако прошло полтора десятка лет после открытия, и появи- лисьприборы–черенковскиесчетчики,позволяющиерегистрироватьбыстрые заряженные частицы по излучаемому ими свечению.

20

Сигнальный экземпляр

ГЛАВА 1. ЗАКРЫТЫЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Еще в конце 50-х годов ученые-медики, подводя некоторые итоги применения радиоактивных нуклидов для лучевой терапии, отмечали перспективность бета-терапии. Однако, при этом свидетельствовалось и о значительной пестроте результатов клинических исследований. Такое расхождение ре-

зультатов применения радионуклидных источников , в частности, в офтальмологии, связывали как с несовершенной техникой изготовления аппликаторов (чащевсегоприготавливаемыхкустарнымспособаминаместахвмедицинских учреждениях), так и в связи с применением различных ( иногда – недоста-

точно корректных и несопоставимых) методик определения полученных больным доз бета-излучения. В связи с этим была отмечена необходимость изготовления аппликаторов заводским путем и необходимость разработки до-

стоверных экспериментальных и расчетных методов определения дозиме-

трических характеристик бета-источников.

На протяжении нескольких десятилетий практическая медицина апробировала многие терапевтические методики с использованием дискретных закрытых источников с различными радионуклидами. В закрытом терапевтическом радионуклидом источнике ионизирующего излучения активная матрица обычнозаключенавоболочку,выполненнуюлибоввидезащитногопокрытия,либо в виде ампулы, предотвращающей контакт пациента и персонала непосредственно с радиоактивным материалом радионуклидное загрязнение окружающей среды выше допустимого уровня, предусмотренных для данных условий использования источника.

Из общего класса закрытых источников целесообразно выделить медицинские, а затем терапевтические радионуклидные источники излучении или согласно аббревиатуре – ЗТРИИ. Такое разделение источников по назначению эффективно при классификации, исследовании, аттестации и применении.

Анатомия органов тканей человека, форма, размеры и месторасположения опухолей или других очагов поражения определяют антропометрические требования к конструкциям источников. ЗТРИИ могут быть в виде игл, стрежней, пластин, шариков, спиралей, проволоки. Конструкционно они выполняются в виде «жестких изделий», не изменяющих форму в процессе эксплуатации, и в виде составных, «полужестких». Имеются и гибкие источники, которые могут принимать различную форму в процессе эксплуатации.

Анализ научных публикаций, каталогов фирм и предприятий-производите- лей ЗТИБИ различных стран на свою продукцию показывает, что в настоящее время мировая номенклатура выпускаемых ЗТРИИ включает дискретные источники с 14 радионуклидами. Десять радионуклидов применяются как источники бета-излучения, шесть – в качестве источников гамма-излучения и один – нейтронного. Таким образом, применяемые для ЗТРИИ радиоактивные элементы составляют 13% от общего числа их в таблице Менделеева, и

21

значительно меньше – 1%, от числа радиоактивных изотопов всех элементов. Что касается энергетических характеристик излучений, то, например, диапазон энергий бета-излучения промышленных источников равен (200 кэВ…

3,5 МэВ); для гамма-излучения (0,4÷1,3)МэВ.

Активность радионуклидов в источника в зависимости от его типа и значения составляет (40÷4000) Мбк (1÷100мКи). По величине создаваемой мощности дозы терапевтические источники различаются почти на три порядка (30 …30Гр/мин).

Значения доз на курс лечения могут также отличаться на три порядка, например, при терапии злокачественных новообразований заднего отдела глаза 200 Гр за 6 суток и 20 Гр при некоторых неопухолевых заболеваниях переднего отдела.

Кроме того, известно использование в эксперименте по лучевой терапии источников с такими радионуклидами, как марганец-54, жлезо-55, криптон-85, палладий-103, йод-125, цезий-131, тулий-170, а также некоторых других радионуклидов, в том числе и трансурановых элементов. Среди этих радиоизотопов есть излучатели фотонного характеристического излучения малой энергии (железо, палладий, йод).

Для лечения кожных и глазных заболеваний в течение многих лет использовались аппликаторы с 226Ra. Однако конструкция этих источников оказалась непрочной, кроме того, гамма-излучение увеличивало опасность обращения с ними. Впоследствии появлись источники с такими бета-излучающими изотопами, как 90Sr+90Y, 106Ru+106Rh. Хотя в настоящее время известно несколько сотен бета-активных изотопов, количество же радионуклидов, физические свойства которых пригодны для использования в медицине, не так уж велико. Свойства шести наиболее перспективных из них приведены в таблице.

В настоящее время в медицине для контактной лучевой терапии с учетом наших разработок применяются свыше 20 различных типов источников. Источники одного типа могут быть одинаковыми по форме, но разными по размерам. Таких разновидностей – 70. Одинаковые по геометрии источники могут отличаться по величине активности содержащегося в них радионуклида. С учетом этого, число разновидностей ЗТРИИ достигает 170.Так как при выборе метода аттестации ЗТРИИ по дозиметрическим параметрам приходится учитывать и свойства конструкционных материалов этих и источников, то следует обратить внимание и на большое разнообразие материалов, из которых изготавливают радиоактивные матрицы источников, защитные капсулы и пакеты. Среди них и специальным образом обработанный полиэтилен, ионообменные смолы, модифицированные хлопчатобумажные ткани, стеклоткани, керамика, эмали, глазури, целиоты, стекла, а также металлы: алюминий, сталь, титан, золото, платина, иридий, родий.

Таким образом, только такие параметры, как Z и ρ изменяются в пределах (∆Z=3…79) и (∆ρ=1…20)г/см3. И источники в сочетании, например, с мягкой биологической тканью уже нельзя во многих случаях рассматривать как одно-

родную среду.

22

Сигнальный экземпляр

Рис.1.1. Пример разработанных источников и средств облучения для КЛТ

	Оригинальный отечественный
	комплект стронциевых
Офтальмооблучатель типа АБЕТ-1	офтальмоаппликаторов 16 типов

Схематический чертеж стронциевых офтальмоаппликаторов

Комплект оригинальных отечественных	Стронциевый источник для
дозиметрических образцовых	оториноларингологии
(эталонных) истоников бета-излучения
типа ОДИБИ

23

Схематический чертеж источников типа БИСЛ-1 для терапии заболеваний слуховой трубы

Схематический чертеж источника типа БИСЛ-3 для терапии заболеваний уха- горла-носа

Схемы отечественных оригинальных таллиевых офтальмологических аппликаторов типа Т1, Т2, Т3 и Т4

Схема источника типа БИСЛ-2

Модульные гибкие матрицы с радионуклидами 147Pm, 99Tc, 204Tl, 32P, 90Sr+90Y, 106Ru+106Rh для источников бета-излучения

Отечественный оригинальный офтальмоаппликатор на основе радионуклида технеций-99 (99Tc)

24

Сигнальный экземпляр

Отечественный оригинальный офтальмоаппликатор с прометием-147

(147Pm)

В качестве примера – два типа отечественных оригинальных рутениевых офтальмоаппликаторов

25

Сигнальный экземпляр

ГЛАВА 2. СОДЕРЖАТЕЛЬНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И (ИЛИ) СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К СОЗДАНИЮ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ДОЗИМЕТРИИ

БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ .

2.1. Введение

Из более чем 40 различных определений понятия системы мы выбрали наиболее “прикладное” и в то же время достаточно простое и общее: “система S – множество элементов Pi, определённых образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций (назначений)”.

В нашем случае мы имеем дело со своеобразной системой–системой – процессом, которую потребовалось разработать.

На основе системного анализа довольно сложной проблемы создания РМДБИ проведена декомпозиция многоплановой системы.

Для наглядности форма записи алгоритма выбрана следующей: элементы БС отображены в виде связанных стрелками прямоугольников и овалов, внутри которых записаны их идентификаторы, т.е. что вычисляется, что выдаётся для дальнейших расчётов и другая информация, вплоть до нумерации алгоритмов.

Организационно – морфологическое описание системы составлено для

1)проведения сравнения данной системы создания ФТИ с другими (например, Левинджера и др.) в плане их различия и сходства; 2) для подчёркивания особенностей использованной системы (методы её реализации, технические приёмы и математика, состав коллектива, место и продолжительность работы и т.д.) 3)для выявления взаимосвязи элементов – наличия прямых и обратных связей; степени свободы и как следствие 4) определение достаточно обособленных, иногда лидирующих подсистем; и, наконец, для 5) “высвечивания” целевой функции (назначения), а возможно и системы целей. Помимо всего прочего зрительное восприятие облегчает возможную корректировку программы действий, осмысление процесса обработки информации, а иногда и

эффективность алгоритма.

Системный анализ направил процесс исследования, задал круг проблем.

27

28

Сигнальный экземпляр

2.2. Структурная блок – схема (БС) порядка действий (последовательность, алгоритм, работа).

Исходные данные, эволюционный аспект истории создания ФТИ бета – излучения.

Спенсер[65;66] 1955,59

Решение уравнения переноса электронов, ∆Еi=25кэВ…10 МэВ, Конфигурация источников а)плоский б)точечный, изотропный источник.

Бергер М. [67] 1964, метод Монте–Карло, E=1 МэВ,

геометрия а) и б)

Грей, [106], E=0,4 МэВ, 1961, геометрия б), воздух

Вывод :

расчётные результаты для близких геометрий облучений и энергий

хорошо согласуются между собой

Заключение : сопоставить расчёты и эксперимент для геометрии облучения б) – точечный источник, НЕЛЬЗЯ, так как нет экспериментов

29