Климанов Дозиметрия ионизируюшчикх излучениы 2015

2. Химических дозиметры в импульсных полях

Химическая дозиметрия основана на измерениях количественных химических изменений в различных веществах при поглощении ионизирующего излучения. В полях импульсного излучения большие, как правило, величины мощностей доз и времена протекания различных физических и химических процессов определяют специфику дозиметрических измерений. Физические процессы по-

глощения и перераспределения энергии происходят за времена ~ 10-16 ÷ 10-15 с; за время ~ 10-7 с на химической стадии протекают

реакции электронов, ионов, свободных радикалов с молекулами вещества и друг с другом. Эта временная структура радиационных эффектов обусловливают необходимость учета соответствующих поправок для корректного определения измеряемых величин.

Временнáя зависимость формы импульса облучения в расчетных оценках обычно принимается прямоугольной. Осциллограммы изменения оптической плотности, связанные с концентрацией свободных радикалов и пропорциональной ей концентрацией основного регистрируемого компонента в растворе (например, результат перехода Fe2+ → Fe3+), фиксируют с помощью быстрых спектрофотометров в определенном диапазоне длин волн. На рис. 18.6 представлены соответствующие формы осциллограмм, полученные при облучении химической дозиметрической системы; показаны случаи малой и большой мощности дозы в импульсе. Время жизни радикалов, как правило, превосходит длительность ионизирующего импульса, что обусловливает непрерывный рост концентрации радикалов и основного компонента. В случае небольших мощностей доз (кривая 1) скорость убывания концентрации радикалов в результате бимолекулярной реакции R «R мала, и выход продуктов радиолиза растет практически линейно со временем облучения; при больших мощностях доз эти реакции становятся существенными, что снижает выход регистрируемых продуктов облучения (кривая 2).

631

Рис. 18.6. Зависимость изменения концентрации выхода химических продуктов облучения от времени; 1 – небольшая доза в импульсе, 2 – большая доза

В течение импульса прямоугольной формы скорость изменения концентрации радикалов R определяется постоянной скоростью

где ω – константа бимолекулярной реакции. Величина потерь радикалов зависит от мощности дозы в пределах продолжительности импульса, от константы, определяющей скорость протекания реакции R «R и от концентрации основной химической добавки. Решение дифференциального уравнения (18.25) с начальным условием R = 0 при t = 0 следующее:

(где функция tanh() – гиперболический тангенс). Полный выход радикалов за время импульса τ равен величине QR τ в приближе-

нии малости выхода бимолекулярной реакции радикалов. Значение этой величины равно:

QR τ = f (τ) R(τ) и f (τ) = RQ(Rττ) . 632

Поправочная функция f (τ) равна:

Параметры ω и QR определяются на основании анализа осциллограмм изменения оптической плотности раствора (см. рис. 18.6).

Основной параметр химического дозиметра – радиационный выход G – с ростом мощности дозы в импульсе заметно снижается в диапазоне больших доз (рис. 18.7, ферросульфатный дозиметр Фрикке), что требует введения соответствующей поправки при расчете дозы.

Рис. 18.7. Зависимость радиационного выхода G дозиметра Фрикке от дозы в импульсе

Верхний предел по дозе стандартного дозиметра Фрикке (состав: FeSO4 – 1 моль/литр, H2SO4 – 400 моль/литр, насыщение концентрации кислорода в водном растворе) может быть увеличен при изменении состава (FeSO4 – 10 моль/литр, радиационный выход G= = 1,67·10-6 моль/Дж ; «супердозиметр Фрикке»). Если стандартный

дозиметр Фрикке имеет верхнее значение измеряемой дозы ~ 10 Гр/имп, то для супердозиметра эта величина составляет ~ 700 Гр/имп при 90 % эффективности, что обусловлено уменьшением

633

радиационного выхода данных дозиметрических систем при больших мощностях дозы.

Известны некоторые химические системы для измерения больших доз ~ 1000 Гр/имп. Например, по измерению выхода водорода

в форме Н2 из облучаемой чистой воды; значение G(Н2) = 7,3·10-8 моль/Дж; этот радиационный эффект позволяет измерять величины доз в диапазоне 1 – 104 Гр/имп. Другой метод связан с определением количества озона (О3) при облучении ионизирующим излучением некоторого объёма кислорода; значение радиационного выхода G(О3) = 1,43·10-6 моль/Дж и верхний предел измерений составляет

~1000 Гр/имп.

3.Другие интегральные дозиметры в полях импульсного излучения

3.1.Калориметрический метод измерения дозовых характеристик в полях импульсного

излучения

Калориметрический способ дозиметрии обладает рядом преимуществ при измерениях поглощенной дозы импульсного излучения. Поглощенная энергия в материале поглотителя калориметра непрерывно переходит в тепло и сопровождается ростом температуры.

Температура вещества калориметра пропорциональна поглощенной дозе, но часть поглощенной энергии может быть конвертирована на протекание химических реакций (экзо - или эндотермические), а также может быть потрачена на образование различных дефектов кристаллической решетки в твердых телах. Эта часть поглощенной энергии определяется как «термический дефект», обусловливающий погрешность измеряемого значения дозы. Наиболее существенны эти эффекты для нейтронного излучения и тяжелых заряженных частиц. Так как калориметрический метод дозиметрии является абсолютным методом, должны быть введены соответствующие поправки на термический дефект; они устанавливаются

634

на основе анализа радиационноиндуцированных изменений в облучаемом веществе. Особенно существенен термический дефект для импульсов излучения с высокой мощностью дозы, значительно отличающийся от непрерывного режима облучения калориметра. Например, для чистой воды значение термического дефекта в им-

пульсном режиме составляет ~ 4 %, а при непрерывном облучении

~ 0,3 %.

Калориметр состоит из рабочего тела и измерительного устройства, находящегося в контакте с рабочим телом. Для одиночного импульса можно измерить или начальное распределение дозы в различных точках калориметра или среднее значение дозы в объёме облучаемого тела калориметра. Проблемой является временнóе разрешение из-за продолжительного времени выравнивания тепла по рабочему объёму калориметра. Типичный импульс измеряющих температуру термопары или терморезистора – быстрый рост в виде пика и по окончании импульса – близкое к экспоненциальному уменьшению сигнала.

Принципиальным ограничением метода является его низкая чувствительность: значение поглощенной дозы 100 Гр в воде обу-

словливает рост температуры на 0,0024 °С.

Рост температуры поглощающей среды в зависимости от дозы в импульсе является основным параметром: в частности для воды с удельной теплоемкостью 1 кал/(г·град) температурный рост Т/ Е составляет 2,4·10-4 К/Гр; температурный рост других веществ относительно воды соответствует следующим значениям: графит – 5,4, алюминий – 4,1, медь – 9,2, вольфрам – 35.

Верхний предел измерения дозы в импульсном режиме облучения определяется радиационной стойкостью калориметра и уровнем термического дефекта.

3.2. Твердотельные дозиметры импульсного излучения

Твердотельные дозиметры широко используются в различных областях радиационной физики и в медицине; по принципам функционирования они классифицируются на два класса: интегральные

635

дозиметры полной поглощенной энергии за некоторый период времени облучения и дозиметры, регистрирующие мощность дозы.

По функциональным характеристикам твердотельные дозиметрические системы не являются абсолютными детекторами и при их использовании (в том числе в полях импульсного излучения) необходима калибровка с помощью таких методов как ионизационный, химический или тепловой.

Твердотельные интегральные дозиметры описаны в главе 14; наибольшее распространение получили термолюминесцентные дозиметры (ТЛД), имеющие удовлетворительные по мощности дозы характеристики (величина интегральной дозы не зависит от величины мощности дозы за время импульса излучения). Практически используемые ТЛД имеют линейную зависимость показаний от величины дозы в соответствующем диапазоне для конкретного типа детектора; при больших дозах наблюдается явление сверхлинейности, дальнейший рост дозы обусловливает эффект насыщения, обусловленный практически полным заполнением свободных ловушек; при последующем увеличении дозы снижается выход люминесценции из–за увеличения самопоглощения регистрируемого света в объёме детектора ввиду уменьшения прозрачности фосфóра.

Дозиметр на основе LiF (TLD – 700): показания не зависят от мощности дозы до значения ~ 109 Гр/с (эффект насыщения насту-

пает при дозах ~ 1000 Гр); Li2B4O7:Mn применим до значений мощностей дозы ~ 1010 Гр/с. Эти характеристики определяют воз-

можность использования TЛД в полях импульсного излучения. При облучении таких веществ как определенного состава стек-

ла, пластики, напр., полиметилметакрилат (ПММА), окрашенные полимерные пленки меняется степень оптического поглощения в определенном спектральном диапазоне, что является мерой поглощенной энергии.

Для всех детекторов имеет место различной величины фединг, проявляющийся в снижении степени оптического поглощения с течением времени после окончания облучения. Фединг зависит от температуры, диффузионнохимических процессов, от концентрации активаторов в дозиметрических стеклах. Основными параметрами дозиметров при их применении в полях импульсного излуче-

636

ния являются: линейность показаний по мощности дозы и малый фединг. Например, для активированных серебром фосфатных стекол в диапазоне доз 1 – 105 Гр зависимость от мощности дозы от-

сутствует до значения ~ 109 Гр/с (величина фединга зависит от концентрации серебра). ПММА в диапазоне доз 103 – 105 Гр линейность по мощности дозы сохраняется до значения ~ 106 Гр/с; полимерные пленки с радиохромными красителями в диапазоне доз 10 – 105 Гр применимы до значений мощностей доз ~ 1012 Гр/с.

В полупроводниковых детекторах под воздействием ионизиру-

ющей радиации возникают электронно-дырочные пары, количество которых и эффективность их собирания на электродах под действием электрического поля определяют регистрируемый сигнал, пропорциональный поглощенной энергии. Время собирания носителей достаточно мало, что позволяет регистрировать быстропротекающие процессы, например, измерять мощность дозы.

Для целей дозиметрии наиболее подходящим материалом является кремний с достаточно низким атомным номером; детекторы на основе кремния могут использоваться при комнатной температуре.

В обедненной зоне этого детектора (~ 100 мкм) формируется электрическое поле ~ 0,7 В; детектор может функционировать без при-

ложенного напряжения. При обратном напряжении смещения ширина запрещенной зоны может быть увеличена до нескольких миллиметров, что увеличивает чувствительный объём детектора. Например, для диффузионного p–i–n- детектора при напряженно-

сти электрического поля ~ 4·104 В/см верхний предел регистрируемой мощности дозы соответствует ~ 107 Гр/с; при разрешающем времени ~ 10 нс реализуется возможность измерения временнóй

зависимости мощности дозы в полях импульсных источников излучения.

Контрольные вопросы

1. Параметры полей импульсного излучения и их учет при измерениях дозовых характеристик.

637

2.Физические эффекты, определяющие верхний предел измерения дозы интегральными дозиметрами в полях импульсного излучения.

3.Принцип экспериментального метода определения эффективности собирания ионов в ионизационной камере в импульсном режиме.

4.Особенности эффекта рекомбинации ионов в ионизационной камере при импульсном облучении.

5.Роль свободных электронов в импульсных ионизационных дозиметрах.

6.Основные проблемы использования калориметров в полях больших доз импульсного излучения.

7.Какие параметры TЛД определяют возможность их использования в полях импульсной радиации?

8.Влияние длительности импульса излучения на эффективность собирания ионов.

9.Характер изменения радиационного выхода химической дозиметрической системы от величины дозы в импульсе.

Список литературы

1.The Dosimetry of Pulsed Radiation. ICRU Report 34, 1982.

2.F.H. Attix. Introduction to Radiological and Radiation Dosimetry. Wiley, New York, 1986.

3.Иванов В. И. Курс дозиметрии. Учебник, 4-ое издание. М.:Энергоатомиздат, 1982.

4.T. Yamamoto at.al. Collection efficiency of a parallel – plate ionization chamber exposed to pulsed X – rays. Nucl. Instr. and Meth. 172 (1980) 447 – 454.

638

Глава 19. Дозиметрия в лучевой терапии

1. Введение

Применение ионизирующих излучений (ИИ) для лечения онкологических заболеваний имеет достаточно долгую историю. Первые упоминания об этом датируются концом девятнадцатого века, когда вскоре после открытия В.К. Рентгеном нового вида излучения, названного впоследствии рентгеновским излучением, были сделаны первые попытки использовать его в лечебных целях. За более чем столетний период развития лучевая терапия (ЛТ) стала после хирургии наиболее эффективным способом лечения онкологических заболеваний. Особенно впечатляющие успехи в ЛТ наблюдаются в последние десятилетия. Эти успехи связаны в первую очередь с огромными достижениями в области радиобиологии, медицинской визуализации, особенно в радионуклидной диагностики, и конечно, в области разработке новых эффективных технологий и аппаратуры для лучевого лечения.

Принципиальной особенностью ЛТ, определяющей успех лечения, является необходимость с высочайшей точностью (3 – 5 %) обеспечивать подведение предписываемого значения поглощенной дозы к опухоли при непревышении толерантных значений дозы в нормальных тканях и критических органах. Данное требование обусловлено характером зависимости "доза – эффект" при облучении ИИ раковых опухолей и нормальных тканей. Эта ответственейшая задача возлагается на специальный раздел дозиметрии, называемый обычно "клиническая дозиметрия". Краткий обзор методов клинической дозиметрии выполнен в отечественных работах [1, 2] и более детальный в монографии [3].

Клиническую дозиметрию можно условно разделить на два основных направления. Первое связано с высокоточными оперативными расчетами дозовых распределений в теле человека и определением оптимальных условий облучения для конкретного пациента. Это направление называют дозиметрическим планированием лучевой терапии (ДПЛТ). Принципы, методы, расчетные алгоритмы расчета и технологии дозиметрического планирования подробно анализируются в работе [4], представляющей фактически спра-

639

вочное пособие по различным направлениям ЛТ, поэтому здесь рассматриваться не будут. Задачей второго направления является не менее точное измерение дозовых распределений в различных условиях и геометриях, калибровка дозиметров, терапевтических пучков и источников ионизирующего излучения, on line регистрация отпускаемых доз и др. Следует подчеркнуть также, что высокая точность расчетов дозы в ЛТ в настоящее время достигается во многом за счет привязки результатов расчета к экспериментальным распределениям поглощенной дозы, полученным с высокой точностью в стандартных (референсных) или опорных геометриях и в специальных фантомах. Будем называть это второе направление измерительной (или экспериментальной) клинической дозиметрией (ИКД). Достаточно развернутый анализ ИКД содержится в работах

[1, 3].

Визмерительной клинической дозиметрии применяются практически все экспериментальные методы дозиметрии, начиная от ионизационных камерных и кончая химическими и гелиевыми методами. В свою очередь, эти методы подразделяются на отдельные группы в зависимости от вида регистрируемого ионизирующего излучения (фотоны, электроны, протоны, нейтроны, ионы). ИКД также классифицируют по целевому назначению. Здесь можно выделить следующие задачи:

• измерение характеристик и дозовых распределений, создаваемых клиническими пучками и источниками ИИ;

• дозиметрия радиационного контроля в системе РБ;

• индивидуальная дозиметрия персонала, подвергающегося воздействию ИИ.

Вданной главе рассматривается только ИКД, связанная с клиническими терапевтическими пучками. В этой области в качестве детекторов ИИ применяются ионизационные камеры, ТЛД, алмазные и полупроводниковые детекторы, различные пленки, гели, но наибольшее распространение получили ионизационные камеры с воздушным наполнением. Калибровочные и опорные измерения параметров клинических пучков и измерения дозовых распределений, создаваемые этими пучками в различных геометриях, обычно разделяют на два класса: абсолютные и относительные измерения поглощенной дозы. В последнее десятилетие в связи с быстрым развитием новых технологий ЛТ сформировалась еще одна ветвь

640