4
.pdf4.7.Использование дискриминации по форме импульса в избирательной дозиметрии нейтронного и фотонного
излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 5. Полупроводниковые детекторы в дозиметрии . . . . . . . . . . . . . . 497 5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 5.2. Основные типы полупроводниковыхдетекторов. . . . . . . . . . . . 501 5.3. Применение кремниевых ППД без подачи напряжения . . . . . .505
питания в дозиметрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 5.4. Использование ППД с обратным смещением в дозиметрии. . 512 5.5. Применение ППД как заместителей ионизационных камер.. .. 517 5.6. Возможность применения ППД в дозиметрии нейтронного
излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . 519 Список литературы... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
ГЛАВА 15. ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ НЕЙТРОНОВ. . . . . . . . . . . . . .522 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 2. Типичные виды взаимодействия нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 с биологической тканью и веществом детекторов. . . . . . . . . . . . . . . 525 2.1. Тепловые нейтроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 2.2. Нейтроны промежуточных энергий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 2.3. Быстрые нейтроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 3. Расчёт кермы нейтронов в биологической ткани. . . . . . . . . . . . . . 542
Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
ГЛАВА 16. ДОЗИМЕТРИЯ НЕЙТРОНОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 1. Источники нейтронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 2. Методы измерения кермы нейтронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .559 3. Расчёты поглощённой дозы и спектров ядер отдачи в фантомах человека. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
4. Эквивалент дозы и эквивалентная доза нейтронов. . . . . . . . . . . 570 5. Способы измерения амбиентного эквивалента дозы нейтронов578 6. Методы измерения индивидуального эквивалента доз. . .. . . . .. 583
Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .591
11
ГЛАВА17. ДОЗИМЕТРИИ ИНКОРПОРИРОВАННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
1. Общее рассмотрение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 2. Источники внутреннегооблучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..595 3. Поступлениерадиоактивныхвеществ ворганизмчеловека. . . . .599 3.1.Основные пути поступленияРВворганизм. . . . . . . . . . . . . . . . . 599 3.2. Поступлениечерез органыдыхания(ингаляционный канал) . .600 3.3. Желудочно– кишечный тракт (ЖКТ, пероральный канал) . . . .602 3.4. ПоступлениеРВчерез кожныепокровы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 4. Тканевая доза, обусловленнаяизлучениеминкорпорированных
радионуклидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603 5. Роль времени в формировании дозыизлучения
инкорпорированных нуклидов. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .606 6. Камерные модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .607 6.1.Общеерассмотрение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 6.2. Простаякинематика нуклидовв рамках однокамерной
модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609 6.3. Двухкамерная модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .611 7. Кинетикапродуктов распада радонана фильтре. . . . . . . . . . . . . . 613 7.1. Кинетика продуктов распадарадона на фильтревпроцессе
прокачки . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613 7.2. Кинетика продуктов распадарадона на фильтрепосле
прокачки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617 7.3. Фильтрыдляизмерения концентрации аэрозолей. . . . . . . . . . 618
Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620 Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
ГЛАВА18. ДОЗИМЕТРИЯВПОЛЯХИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
1. Импульсный режимоблученияионизационной камеры. . . . . . . 622 1.1. СоотношениеБоугапри импульсном облучении. . . . . . . . . . . . .622 1.2. Экспериментальный метод определенияэффективности
собиранияионоввимпульсном режиме. . . . .. .. . . . . . . . . . . . 626 1.3. Метод определенияэффективности собиранияионов
в импульсном режимеоблучения. . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . .. .627 2. Химическихдозиметрывимпульсныхполях.. . . . .. . . . .. . . . . . . . 631 3. Другиеинтегральные дозиметрывполяхимпульсного
излучения. . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . ... . . . . . .. . .634
12
3.1. Калориметрический метод измерения дозовых характеристик в полях импульсного излучения.. . . . .. . . . . . . . 634
3.2. Твердотельные дозиметры импульсного излучения. . . . . . . . 635
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .638
ГЛАВА 19. ДОЗИМЕТРИЯ ВЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ. . . . . . . . . . . . . . 639 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
2.Разработка протоколов для измерения поглощенной дозы в РФ641
3.Абсолютные измерения поглощенной дозы при дистанционной
лучевой терапии . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 3.1. Стандартные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 3.2. Фантомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649 3.3. Определение качества пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .651 3.4. Неопределенности в определении поглощенной дозы в воде
для пучков разного вида излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 655 4. Относительные измерения поглощенной дозы . . . . . . . . . . . . . . 656 4.1. Выбор фантомов и детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .657 4.2. Относительные дозовые распределения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 5. Измерения в малых полях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661 5.1. Влияние размера источника излучения и геометрии коллимации
пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661 5.2. Пробеги электронов и потеря электронного равновесия . . . . . 664 5.3. Детекторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .665 5.4. Вычислительные методы реконструкции дозовых
распределений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .684 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
ГЛАВА 20. ДОЗИМЕТРИЯ ВЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ. . . . . . . . . . . . .689 1. Историческая справка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 2. Дозиметрия на разных этапах разработки и внедрения
радиофармпрепаратов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693 3. Методы расчета доз при внутреннем облучении. . . . . . . . . . . . . 695 3.1. Главные уравнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695 3.2. Дозиметрические системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 3.3. Метод Маринелли-Квимби-Хайна. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .698
13
3.4. Современные расчетные методы дозиметрии в ядерной медицине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
4. Практическое рассмотрение . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .714 4.1. S-Факторы для фантома стандартного человека . . . . . . . . . . . . .714 4.2. Серия педиатрических фантомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .716 4.3. Серия фантомов беременных женщин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .718 4.4. Воксельные (томографические) фантомы всего тела . . . . . . . . .719 4.5. Эффективный период полувыведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 4.6. Резидентное время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 5. Программное обеспечение и ресурсы Интернета . . . . . . . . . . . . .721
5.1. Програмные комплексы MIRDOSE и OLINDA . . . . . . .. . . . . . . . . .721 5.2. Система RADAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .722 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .724
ГЛАВА 21. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫМИКРОДОЗИМЕТРИИ .. . . . 728 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728 2. Микродозиметрические величины и распределения . . . . . . . . . .729 3. Флуктуации энергетических потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731 4. Экспериментальные микродозиметрические исследования . . . 733
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737
14
Предисловие
Ионизирующее излучение широко применяется во многих областях науки, производства и медицины. Для того чтобы лучше понимать и использовать ионизирующее излучение, необходимо освоить систему физических основ, методов и свод терминов и понятий. Ряд методов был развит для высокоточного измерения количества радиации, но не всегда удаётся измерить нужную характеристику. Тогда прибегают к расчётным методам, а адекватность расчётов проверяют на физической модели.
Цель представляемого издания – обеспечить студентов и специалистов знаниями в области дозиметрических методов и специфической аппаратуры, используемой для измерения доз. В пособии представлен теоретический фундамент для углублённого понимания методов и адекватного применения инструментария. Множество устройств применяется в дозиметрии и нет возможности описать каждое из них, но большая часть основополагающих методов, реализуемых в приборах, изложена в достаточной мере, включая и такие, которые созданы недавно, но будут перспективны в будущем.
Книга начинается со сжатого изложения, как напоминания, о строении атома и ядра в объёме, необходимом для понимания процессов взаимодействия излучения с веществом. Далее описывается явление радиоактивности, закон радиоактивного распада и основные виды радиоактивности. В следующей третьей главе вводятся фундаментальные понятия, описывающие характеристики поля ионизирующего излучения и используемые для количественного описания процесса взаимодействия излучений с веществом. Четвертая и пятая главы посвящены подробному изложению элементарных актов взаимодействия γ-излучения и заряженных частиц с веществом, передаче энергии излучения в среду при этих актах взаимодействия, образованию тормозного излучения и макроскопическим понятиям, применяемым для описания процесса многократного взаимодействия заряженных частиц.
В шестой главе анализируется статистическая природа поглощения энергии и вопросы радиационного равновесия. На этой основе вводятся базовые понятия радиационной дозиметрии, а именно, керма, поглощенная и экспозиционные дозы, связь этих величин с характеристиками поля и между собой. В заключительных
разделах главы обсуждаются базовые понятия радиационной безопасности, а именно, коэффициент качества, эквивалентная и эффективные дозы, коллективная эквивалентная доза, дозовые эквиваленты и операционные величины, применяемые на практике для радиационного мониторинга. В седьмой главе рассматриваются законы ослабления излучения в веществе и пространственные дозовые распределения, создаваемые различными элементарными источниками в средах. В восьмой главе описываются особенности тормозного излучения, образующегося в средах при прохождении заряженных частиц, спектр и фильтрация этого излучения и спецификация качества тормозных пучков.
Девятая и десятая главы посвящены изложению теоретических основ дозиметрии: теории полости, принципам дозиметрии, подходам к интерпретации дозиметрических измерений, основным характеристикам дозиметров.
Во многих часто используемых дозиметрах в качестве детектора применяют ионизационные камеры. Поэтому их рассмотрению посвящены отдельная глава (одиннадцатая) книги. Описаны процессы, происходящие в камерах, даны выводы уравнения вольтамперной характеристики, показана их применимость для абсолютных измерений, возможность калибровки пучков фотонов. Важнейшей областью применения ионизационных камер является калибровка пучков, т.е. абсолютные и относительные измерения дозы и дозовых распределений, создаваемых пользовательскими пучками фотонов и электронов. Эта проблема рассматривается в главе 12.
Значительное место в пособии (глава 13) уделено широко используемым для индивидуальной дозиметрии термолюминесцентным и радиофотолюминесцентным дозиметрам, они относятся к классу интегрирующих дозиметров. К этому же классу относятся химические и фотодозиметры. Последние ещё иногда находят применение в производственных условиях.
Особый класс составляют устройства детектирования, с которых информация снимается в виде отдельных импульсов, амплитуда которых пропорциональна энергии, потерянной заряженными частицами в чувствительном объёме счётчика. Сюда относятся пропорциональные счётчики, полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы. Интегрирование потока импульсов на конденсаторе
16
при правильно подобранной RCцепочке позволяет определять средний ток и, следовательно, мощность дозы. Сложение амплитуд импульсов приводит к измерению дозы с высокой чувствительностью.
Особняком стоят газоразрядные счётчики. Природа подарила такую энергетическую зависимость чувствительности счётчиков с катодами из алюминия, стали, меди, которая позволяет трактовать регистрируемую скорость счёта пропорциональной мощности дозы
вшироком энергетическом интервале, а установка фильтров расширяет диапазон вплоть до 30 кэВ. Приборы с газоразрядными счётчиками являются самыми распространёнными дозиметрами фотонов в России. Все эти вопросы применения импульсных детекторов для дозиметрии рассматриваются в главе 14.
Главы 15 и 16 посвящены дозиметрии нейтронов. Нейтроны, как и фотоны, относятся к косвенно ионизирующему излучению. В результате взаимодействия с биологической тканью, описываемого
вглаве 15, рождаются ядра отдачи, продукты ядерных реакций (протоны, альфа-частицы). Быстрые и промежуточные нейтроны в результате нескольких актов взаимодействия передают энергию ткани, становясь тепловыми. Тепловые нейтроны захватываются, в основном, водородом и рождается захватное γ-излучение. Часть тепловых и медленных нейтронов вступают в реакцию с атомами азота, что приводит к появлению протонов с энергией 0,586 МэВ. Протоны, ядра отдачи, α-частицы, рождаемые в ядерных реакциях, характеризуются высокими значениями линейных потерь энергии и короткими пробегами. Внутри трека частиц локальные дозы достигают огромных величин, что приводит к необратимой гибели клеток и высокому значению биологической эффективности. В главе 16 рассмотрены специфические методы избирательной дозиметрии нейтронов.
Особое место занимает раздел дозиметрии инкорпорированных радиоактивных веществ (глава 17). Важность раздела связана с прошлой деятельностью лиц в атомной промышленности и аварийными ситуациями, когда в ликвидаторов аварии, несмотря на жёсткие требования безопасности попадали радиоактивные вещества, а население подвергалось и подвергается внутреннему облучению, проживая на загрязнённых территориях. Рассмотрены расчётно-
17
теоретические и экспериментальные методы дозиметрии инкорпорированных источников.
Отдельные главы (19 и 20) посвящены дозиметрическим методам, применяемым в лучевой терапии и ядерной медицине. Медицина предъявляет очень высокие требования к точности определения доз, неопределённость результатов расчётов и измерений приближается к государственным эталонам. Поэтому в лучевой терапии применяют хорошо отработанные высокоточные экспериментальные методы дозиметрии и тщательно тестированные программные продукты. Ядерная медицина и входящая в нее радиоформацевтика, – сравнительно молодые направления пауки и практики. Здесь требуются не только знания в области радиационной физики, но чёткое представление о физиологических аспектах поведения радиоактивных веществ и радиофармпрепаратов в организме человека. Эти специфические вопросы кратко освещаются в главе 20.
Многие проблемы взаимодействия тяжёлых заряженных частиц на организм, клетки, субклеточные структуры требуют особого подхода. Развившаяся в пятидесятые годы микродозиметрия со своим теоретическим аппаратом и инструментарием позволяет глубже понять и объяснить специфику воздействия ионизирующего излучения на структуры биологических клеток и их ядра. Возник свой понятийный материал и своя терминология, которые рассматриваются в главе 21.
Вметодическом плане пособие построено традиционным способом. В конце каждой главы приводится список контрольных вопросов, часть материала сопровождается конкретными, в том числе
ичисленными примерами. В пособии имеется большое количество рисунков и графических иллюстраций, помогающих усвоению материала. Пособие полностью отвечает современному состоянию науки в области радиационной дозиметрии, наиболее важные главы завершаются обсуждением нерешенных вопросов в рассматриваемых направлениях.
Воснову пособия положены курсы лекций, читаемых авторами студентам НИЯУ МИФИ по дисциплинам "Дозиметрия ионизирующих излучений", "Радиационная физика" и "Клиническая дозиметрия". Пособие предназначено для студентов, обучающихся по двух- и одноуровневой системам высшего образования. Оно будет
18
полезным также для аспирантов, преподавателей, научных работников и специалистов, пожелавших расширить и углубить свой научный уровень. Основы теории и системные принципы даны так, что могут использоваться работниками смежных отраслей знаний.
Главы 1÷7, 10, 12, 19 и 20 написаны проф. Климановым В.А., главы 14, 15, 16 и введение написаны проф. Крамер-Агеевым, главы 8, 9, 11, 13, 18 и 21 написаны доц. Смирновым В.В., глава 17 подготовлена совместно проф. Климановым В.А. и доц. Смирновым В.В., предисловие написано совместно проф. Климановым В.А. и проф. Крамер-Агеевым Е.А., раздел 8 главы 12 подготовлен Климановым В.А. совместно с аспирантом НИЯУ МИФИ Казанцевым П.В., раздел 5 главы 19 написан Казанцевым П.В.
В заключение авторы выражает глубокую благодарность кандидатам физико-математических наук Петрову Д.Э., Моисееву А.Н. и ст. преподавателю НИЯУ МИФИ Могиленцу Н.Н. за неоценимую помощь в подготовке материалов для этого пособия.
19
Введение
Дозиметрия ионизирующих излучений является частью радиационной физики. Дозиметрия призвана изучать принципы и методы определения физических величин, характеризующих взаимодействия излучений с веществом, приводящие к тем или иным радиационным эффектам. Вспомним историю. В.К. Рентген в 1885 г. открыл рентгеновские лучи и положил начало исследованию их свойств. Через год А.А. Беккерель открыл естественную радиоактивность урана, а через два года Пьер Кюри совместно с женой Марией Складовской-Кюри выделили полоний и радий и исследовали излучения, идущие от радиоактивных ядер. Они ввели понятие «радиоактивное излучение». Эти выдающиеся учёные положили начало атомному веку. Вместе с тем, с самого начала исследователи столкнулись с отрицательными эффектами ионизирующих излучений. В 1885 г. помощник Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук от рентгеновского излучения, а А. Беккерель от излучения, исходящего из солей радия, получил сильный ожог кожи. В те же далёкие годы было обнаружено потемнение фотоплёнки от ионизирующих излучений, а чуть позже был обнаружен эффект образования ионов в воздухе. Для измерения количества рентгеновского излучения стали применять ионизационный, фотографический, люминесцентный методы. Ионизационный метод регистрации на долгие годы стал базовым для рентгеновского и гаммаизлучений, появилось понятие «экспозиционная доза» и соответствующая единица экспозиционной дозы – рентген. Предпочтение, отданное экспозиционной дозе, как мере количества излучения, можно объяснить тем, что в основе лежит ионизационный эффект, который не проявляется при электромагнитном, световом, тепловом воздействии на воздушную среду или на ткани человека.
Однако экспозиционная доза относилась только к рентгеновскому и гамма-излучению. Первопричиной радиационных эффектов в биологических объектах, полимерах и других химических соединениях, в некоторых изделиях электроники является поглощение энергии. Фактически удельная поглощённая энергия, называемая поглощённой дозой, является основной дозиметрической
20