Устройство для определения дозы ионизирующих излучений
Предложенное изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для обеспечения радиационной безопасности людей, работающих с источниками ионизирующих излучений, а также для определения доз, поглощенных их органами, и определения эффективной дозы. Задачей изобретения является создание устройства, которое позволяет получить информацию о дозах облучения исследуемых органов даже в условиях неравномерного облучения человека при меньших затратах труда и времени. Предложенное устройство для определения дозы ионизирующих излучений, воздействующих на человека, при неравномерном облучении его тела, создано на базе антропоморфного тканеэквивалентного фантома человека, внутри которого размещены детекторы ионизирующего излучения. При этом детекторы состоят из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, имеющего форму и размеры, соответствующие форме и размерам исследуемого органа человека и выполненного из органических пластмассовых материалов, или в виде емкости, заполненной жидким сцинтиллятором, причем детектор, определяющий дозу излучения на ткани кроветворного костного мозга, состоит из фотоэлектронного умножителя и волоконного сцинтиллятора, проходящего через точки залегания тканей кроветворного костного мозга. Сцинтилляторы детекторов, как правило, размещают в местах расположения соответствующих органов и тканей в теле человека. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Устройство относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для обеспечения радиационной безопасности людей, работающих с источниками ионизирующих излучений, а также для определения доз, поглощенных их органами, и определения эффективной дозы.
Известно использование тканеэквивалентного фантома, моделирующего размеры и форму торса человека, причем торс разделен на горизонтальные слои с ячейками, в которые вставляются термолюминисцентные детекторы [1]. Фантом в собранном виде экспонируется в поле ионизирующих излучений, после чего производится снятие показаний с каждого из детекторов, и на основании полученных данных строится пространственное распределение доз в теле человека, которое может быть соотнесено с дозами, полученными отдельными органами тела человека, на основании чего определяется эффективная доза.
Указанное устройство может быть использовано для контрольных измерений доз излучений на органы тела человека в условиях сложной геометрии облучения, когда трудно использовать расчетные методики, а также для контроля соответствующих расчетных приближений. Однако использование этого устройства связано с большой трудоемкостью измерений, сложностью обработки экспериментальных данных и, как следствие, значительным временным интервалом от момента подготовки фантома для экспонирования в поле ионизирующих излучений и получением необходимых данных о величинах доз, что снижает прикладную ценность полученных результатов.
Известно использование для регистрации ионизирующего излучения сцинтилляторов различной конструкции, изготовленных из различных материалов, в том числе и материалов, близких по составу и атомному номеру к биологической ткани [2, 3, 4]. Однако нет данных об использовании сцинтилляторов в форме органов, расположенных в фантоме человека.
Наиболее близким к заявляемому решению является используемый в космических исследованиях антропоморфный тканеэквивалентный фантом, в котором наряду с пассивными детекторами размещены детекторы ионизирующих излучений, осуществляющие регистрацию в масштабе текущего времени [5]. Действие этого устройства развиты в статье [6]. В этом фантоме точки размещения активных детекторов выбираются приблизительно в геометрических центрах размещения соответствующих органов тела человека, а величины доз, измеренные в этих точках, принимаются за средние величины доз в данных органах. Однако при неравномерном облучении тела человека такое приближение может приводить к значительным ошибкам. Так, например, размеры легких, печени, желудка сопоставимы с размером тела человека. Существенное значение имеет доза, поглощенная тканями кроветворного костного мозга, который размещен в различных частях тела: в костях черепа, в ребрах, в костях позвоночника и в тазобедренных костях. Очевидно, что в случае неравномерного облучения нельзя по измерению в одной точке определить величину средней дозы по данному органу, а следовательно, достоверно определить эффективную дозу облучения данного органа человека. Поэтому в фантоме [5] кроме активных детекторов размещается около тысячи термолюминесцентных дозиметров, измерение которых производится после завершения эксперимента [6]. Для этого их нужно вынуть из ячеек фантома, переправить на Землю и снять с них показания в лабораторных условиях. На основании полученных таким образом данных могут быть определены дозы на органы и эффективная доза за все время экспонирования фантома в полете.
Задачей заявленного изобретения является создание устройства, которое бы позволило устранить вышеуказанные недостатки и получить информацию о дозах облучения исследуемых органов даже в условиях неравномерного облучения человека при меньших затратах труда и времени.
Эта задача решается за счет того, что используемые детекторы ионизирующего излучения состоят из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, имеющего форму и размеры, соответствующие форме и размерам исследуемого органа человека, который выполнен из органических пластмассовых материалов или в виде емкостей, заполненных жидким сцинтиллятором, при этом они размещены в местах расположения соответствующих органов в теле человека. В качестве пластмассовых материалов сцинтилляторов может быть использован твердый органический полимер со сцинтилляционными добавками или жидкость с соответствующими добавками, обладающими световым выходом относительно антрацена не менее чем 0,5, а детектор, определяющий дозу на ткани кроветворного костного мозга, может быть выполнен в виде фотоумножителя и сцинтиллирующих волокон [7].
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема размещения детекторов в фантоме, на фиг.2 - пример сцинтилляционного детектора в форме печени, на фиг.3 - схема размещения точек залегания тканей кроветворного костного мозга, определяемых в соответствии с Методическими указаниями [8], через которые проходят сцинтиллирующие волокна.
Как показано на фиг.1, детектор 1, состоящий из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, имеющего форму щитовидной железы, размещен в месте расположения щитовидной железы в модели тела стандартного работника [8]; детекторы 2 и 3, выполненные в виде легких, размещены в месте их расположения; соответственно детектор 4 на месте печени; детектор 5 на месте размещения толстой кишки; детектор 6 на месте мочевого пузыря; детектор 7 на месте прямой кишки, детекторы через кабель 8 связаны с блоком регистрации 9. Детектор дозы облучения тканей кроветворного костного мозга изготавливается в виде фотоэлектронного умножителя и сцинтиллирующего волокна [7], проходящего через точки залегания тканей кроветворного костного мозга, определенные Методическими указаниями [8].
В качестве примера на фиг.2 представлен детектор. Включающий сцинтиллятор из органического полимера со сцинтилляционными добавками, обладающими световым выходом, имеющий форму печени 4 с поверхностью 10, который через световод 11, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 12, кабель 8 связан с блоком регистрации показаний детекторов 9. При этом поверхность 10 сцинтиллятора задается координатами, представленными в упомянутых Методических указаниях [8] и приведенных в табл.1.
Электронный фотоумножитель 12 служит для сбора световых сигналов, обусловленных ионизирующим излучением. При этом поверхность сцинтиллятора 4 должна быть обработана так, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, кроме места присоединения световода, передающего световой сигнал на ФЭУ. Сигналы с ФЭУ 12 передается на блок регистрации 9, который суммирует их с учетом коэффициентов, рекомендованных Международной комиссией по радиологической защите [10] и регламентированных Нормами радиационной безопасности [11].
| Таблица 1. Координаты точек поверхности печени [8] | |||||||
| z=50 | z=52 | z=54 | z=56 | ||||
| Х | Y | X | Y | X | Y | X | Y |
| -22,8 | 18,3 | -33,9 | 20,72 | -31,8 | 11,6 | -33,7 | 11,9 |
| -22,7 | 17,9 | -33,2 | 18,36 | -30,4 | 9,3 | -32,5 | 9,6 |
| -22,8 | 17,3 | -31,2 | 16,62 | -28,1 | 7,7 | -30,5 | 7,7 |
| -22,5 | 16,6 | -29,1 | 15,97 | -25,8 | 7 | -28,2 | 6,7 |
| -21,8 | 16,2 | -27 | 15,72 | -23,6 | 6,9 | -25,7 | 6,2 |
| -21,2 | 16,9 | -25 | 15,48 | -21,3 | 6,8 | -23,2 | 6,1 |
| -21,1 | 17,8 | -22,3 | 15,49 | -18,4 | 6,8 | -19,8 | 6,2 |
| -21,1 | 18,1 | -18,9 | 16,16 | -15,3 | 7,7 | -17,6 | 8,5 |
| -21,1 | 18,5 | -23,8 | 19,41 | -18,6 | 12,1 | -19,9 | 12,2 |
| -21,1 | 18,7 | -23,8 | 20,61 | -18,7 | 13,9 | -19,8 | 14,3 |
| -21,1 | 18,9 | -23,9 | 21,62 | -18,5 | 16,1 | -18,6 | 17,4 |
| -21,1 | 19,3 | -24,1 | 22,54 | -19,8 | 17,5 | -20,3 | 19,7 |
| -21,2 | 20,1 | -24,4 | 23,56 | -21,5 | 18,7 | -23,3 | 20 |
| -21,8 | 21,3 | -25,1 | 24,61 | -23,6 | 19,1 | -25,7 | 19,8 |
| -22,6 | 20,8 | -26,3 | 25,6 | -25,7 | 19 | -27,9 | 19,4 |
| -22,7 | 19,7 | -27,9 | 26,31 | -28 | 18,4 | -30,2 | 18,7 |
| -22,7 | 19,1 | -30 | 26,16 | -30,4 | 17 | -32,3 | 17,2 |
| -22,8 | 18,8 | -31,9 | 24,99 | -31,7 | 14,6 | -33,4 | 14,8 |
| z=58 | z=60 | z=62 | z=64 | ||||
| X | Y | X | Y | X | Y | X | Y |
| -33,3 | 12,3 | -32 | 15 | 13 | -11,3 | 12,4 | -12,2 |
| -32,3 | 10 | -30,8 | 13,1 | 13,1 | -12,9 | 12,4 | -13,4 |
| -30,6 | 8,1 | -28,8 | 11,5 | 13,9 | -14,2 | 12,7 | -14,5 |
| -28,4 | 7,3 | -26,8 | 11,4 | 15,4 | -14,6 | 14,4 | -14 |
| -26 | 7 | -25 | 11,1 | 16,8 | -14,7 | 15,2 | -13,8 |
| -23,7 | 7 | -22,4 | 10,1 | 18 | -14,5 | 15,6 | -13,7 |
| -20,7 | 7,2 | -20,1 | 10,2 | 20,1 | -15,8 | 16,2 | -13,6 |
| -18,5 | 9,1 | -19,6 | 12,4 | 21,7 | -14,9 | 17 | -13,7 |
| -21,3 | 12,7 | -19,8 | 14,9 | 21,7 | -12,8 | 17,8 | -13,1 |
| -21,7 | 14,2 | -21 | 17,1 | 21,7 | -11,3 | 18,2 | -12,4 |
| -21,6 | 16,1 | -22 | 18,7 | 21,5 | -10 | 18,2 | -11,3 |
| -21,3 | 19,1 | -23,4 | 20,1 | 20,3 | -9 | 18 | -10,1 |
| -23,5 | 20,4 | -25,1 | 21 | 18,9 | -8,9 | 17,1 | -9,5 |
| -26 | 20,5 | -26,9 | 21,7 | 18 | -8,3 | 16 | -9,4 |
| -28,4 | 20,3 | -29,1 | 21,8 | 16,7 | -6,9 | 14,9 | -9,4 |
| -31,1 | 19,5 | -30,8 | 21 | 15,3 | -7,5 | 13,9 | -9,6 |
| -33,1 | 17,7 | -32,1 | 19,4 | 14,2 | -8,6 | 13 | -10,2 |
| -33,5 | 14,9 | -32,4 | 17,3 | 13,5 | -9,8 | 12,5 | -11,2 |
Аналогичным образом осуществляет регистрацию светового выхода, обусловленного взаимодействием ионизирующего излучения с веществом сцинтилляторов, моделирующих легкие, щитовидную железу, толстый кишечник и других органов, рекомендованных Международной комиссией по радиологической защите [10] и регламентированных Нормами радиационной безопасности [11].
На фиг.3 представлены места размещения тканей кроветворного костного мозга в скелете человека 13 и в позвоночнике 14 согласно Методическим указаниям [8], а также волоконный сцинтиллятор, регистрирующий дозы излучений в этих точках 15. При этом детектор состоит из ФЭУ 12 и сцинтиллирующего волокна 15, проходящего через точки залегания тканей короветворного костного мозга, определенные методическими указаниями [8].
Соединение детекторов с блоком регистрации 9 позволяет суммировать показания каждого детектора с учетом их взвешивающих коэффициентов (WТ). При этом эффективная доза Е внешнего ионизирующего излучения определяется как сумма произведений доз, усредненных по органам и тканям, на соответствующий взвешивающий коэффициент
где НТ - средняя эквивалентная доза в органе или ткани [11].
В результате одновременно с дозами в органах определяется величина эффективной дозы. Эта величина, в соответствии с НРБ-99, используется при нормировании облучения в качестве критерия, учитывающего относительные вклады отдельных органов или тканей в полный ущерб из-за стохастических эффектов при тотальном облучении всего тела.
Существующий уровень техники позволяет изготовить детекторы, по форме и размерам соответствующие исследуемым органам, из органического полимера со сцинтилляционными добавками, обладающими световым выходом, обусловленным воздействием на них ионизирующего излучения.
Полученные таким образом результаты дают возможность правильно и оперативно нормировать облучение, определять соотношение между показаниями индивидуальных дозиметров при неравномерном облучении, а также определять целесообразность и эффективность создание защитных экранов отдельных органов.
Источники информации
1. Aldersjn S.W., Lanzl L.H., Rolins M., Spira I. An instrumented phantom system fju fnflog cjmputaijn of treatmtnt plans. American Journal of Roentgenology 1962, 87:185.
2. Патент RU №1739768(13) G 01 Т 1/20 С 6 G 01 V 5/00.
3. Патент RU № 2069372, C1 G 01 Т 1/20, 1997.
4. Патент RU №2088952, C1 G 01 Т 1/20, 1997.
5. Berger Т., Reitz G. "The Matroshka facility - Dose determination during an EVA" // 9ТН WORKSHOP ON RADIATION MONITORING FOR THE INTERNATIONAL SPACE STATION September 8-10, 2004. Stadionallee2 1020 Vienna, Austria.
6. Марина Лямина Матрешка выходит в космос // газета «Московский комсомолец» от 26.01.2004).
7. Патент SU №1145778 A1, G 01 Т 1/202, 5/02.
8. Методические указания «Нормативные модели тела стандартного работника для определения эффективной и эквивалентной дозы» (МУ 2.6.1.46-04).
9. Патент SU №1145778 A1, G 01 Т 1/202, 5/02).
10. Рекомендации МКРЗ 1990. Публикация 60 М., Энергоатомиздат, 1994.
11. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99) СП 2.6.1.758-99, Минздрав России, 1999.
1. Устройство для определения дозы ионизирующих излучений, воздействующих на человека, при неравномерном облучении его тела, включающее антропоморфный тканеэквивалентный фантом человека, внутри которого размещены детекторы ионизирующего излучения, отличающееся тем, что детекторы состоят из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, имеющего форму и размеры, соответствующие форме и размерам исследуемого органа человека, и выполненного из органических пластмассовых материалов или в виде емкости, заполненной жидким сцинтиллятором, при этом детектор, определяющий дозу излучения на ткани кроветворного костного мозга, состоит из фотоэлектронного умножителя и волоконного сцинтиллятора, проходящего через точки залегания тканей кроветворного костного мозга.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляторы детекторов размещены в местах расположения соответствующих органов и тканей в теле человека.
