автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование и оценки погрешностей при измерении поглощенной дозы

р Г Б ВД0РУССК||,П ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 о АПР 1995

УДК 53.088

МЕГРАХИ АБДУЛЬХАФИД МАБРУК

ИССЛЕДОВАНИЕ Н ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ

05.11.10 - Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

Автореферат диссершцин на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1995

Работа выполнена на кафедре ядерноМ физики и электроники физического факультета Бшгосуниасрситгта.

Научные рукоиодители: доктор технических наук, профессор ЯмиыИ В.Е., кандидат биологических наук, Финин B.C.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Рудах Э.А.,

кандидат технических наук, Данилов В.А.

Оппонирующая организация: НИИ радиационной медицины.

Защита состоится "24" марта 1995 г. а 10й* часоп на заседании спещщздпцр-сшошхого Совета ICQS6.03.15 а Белорусской государственном ymisqiKncss 110 адресу: 22ШШ, г. Минск, проспект Ф.Скорнны, 4, глшщьШ вцрус, ауд. 206.

Автореферат разослан "10" марта 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета ' доцент

В.А.Чудаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Возрастающие объемы атомной энергетики, проблемы утилизации радиоактивных отходов, испытания атомного оружия обуславливают изучение действия небольших доз облучения. Особенно резко возрос интерес к радиобиологии малых доз после чернобыльской аварии. Проводятся многочисленные исследования на клеточном и организменном уровнях. Разработаны методы физической дозиметрии. Однако чти методы (к сожалению) ие лишены некоторых недостатков. Hanpимq>, в условиях больших аварий не удаегся применить физическую дозиметрию, по причине озсуплиия дозиметров у большинства людей. Эж методы дают ^усредненные значения доз облучения, не учитывая локальный характер зафязнения и т.д. Разработаны так же методы биологической дозиметрии к которым относятся цитогенетический анализ хромосомных аберраций (поломок) и метод ЭПР-дозиметрии эмали зубов человека. Первый метод основываегся на подсчеге аберраций хромосом в лимфоцитах перифири-ческой крони. В этом методе ие учитывается индивидуальность человека (возраст, пол, здоровье и т.д.), а так же он трудоемок, требует больших затрат времени и трудно поддается автоматизации и метрологической аттестации. Этих недостатков пишем метод ЭПР дозиметрии. Сущность методе заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений образуются свободные радикалы в дефектах кристаллической решетки эмали зубов и метод ЭПР позволяет обнаружить их. Время жизни свободных радикалов эмали зубов достигает 10' лет, а в мягких тканях составляет лишь доли секунды. Это позволяет считать эмаль зуба как идеальный обьект для целей дозиметрии. Впервые этот метод был применен для определения поглощенной дозы у людей, поднсрппихся облучению после атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки.

В связи с вышеизложенным представляет интерес проведение дальнейших исследований метода ЭПР-дознметрии.

Не известно (к настоящему моменту времени) ни одной экспериментальной работы, в которой была бы приведена нижним граница применимости метода ЭПР-дознметрин, что особенно актуально сейчас, и связи с применением метода ЭПР-дозиметрии в местах, пораженных выпавшими радиоактивными веществами, в следствие произошедшей аварии на Чернобыльской АЭС.

Цель диссертационной работа;

Определи и границы применимости метода ЭПР при измерении поглощенной дозы.

1. Провести теоретические и экспериментальные исследования метода ЭПР при определении поглощенной дозы;

2. Разработать программно-математическое обеспечение для моделирования и расчета экспериментальных спскзров ЭПР эмали зубов;

3. Исследовать случайные погрешности метода ЭПР и оцени ть границы применимости метода при определении поглощенной дозы.

НПУЧМЯЯ цопизпр РЕГ>РТЫ;

Впервые разработано программно-математическое обеспечение для моделирования и расчета экспериментальных спектров ЭПР эмали зубов, что позволило получить более реалистичные модели спектров и тем самым понизить границу применимости метода ЭПР-дозимстрии.

Впервые определена нижняя граница применимости метода ЭПР-дозиметрии зубной эмали. На зацщту рынрси-гся;

1. Методика определения поглощенной дозы методом ЭПР-дози-метрик.

2. Оптимальные условия проведения эксперимента по определению поглощенной дозы методом ЭПР-дозимстрии.

3. Алгоритмы моделирования и расчсты экспсрнмсшалмюго спектра ЭПР-эмали зубов.

4. Определение срашшы применимости метода ЭПР-дтимстрии.

Практическая ценность работы.

Полученные в диссертационной работе результаты и выводы могут быть использованы и применены в научно-исследовательских, медицинских, радиобиологических, радиоэкологических учреждениях, на ядерных объектах и особенно в аварийных ситуациях, связанных с выбросом в окружающую среду радиоактивных материалов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной Научно-практической Конференции Метрология^ проводимой в г. Минске в 1994, а так же на научных семинарах кафедры ядерной физики и электроники Белгосуниверситета. * Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников (48 наименований). Объем диссертации 126 страниц машинописного текста, включая 12 таблиц и 36 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана цель исследований, сформулирована постановка задачи, указана новизна работы, кратко изложено содержание диссертации и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих методов определения поглощенной дозы без дозиметра. Рассматриваются методы вычисления дозы по уровню радиоактивной загрязннености поверхности почвы, продуктов питания, времени пребывания, цитогенетическое определение поглощенной дозы и метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Имея ввиду, что для целей дозиметрии методом ЭПР, наиболее подходящим объектом является зубная эмаль, так же рассматривается природа радикалов зубной эмали, индуцированных облучением, реконструкция поглощенной дозы по спектрам ЭПР, и особенности спектров ЭПР эмали зубов. Анализируются особенности, примущества и недостат-

ки рассматриваемых методов дозиметрии. Так, например, методы определения дозы по уровню загрязненности почвы весьма разнообразны и не имеют (в настоящее время) единой общепринятой методики, погрешность этих методов достигает ¡асто сто процентов. При цитогенетическом определении поглощенной дозы подсчет хромосомных абберации требует вы-сококвалифцированного труда и при отсугсвии автоматизации малопроизводителен. Так группа из 2-3 чел тек может определить псего лишь 100200 доз в год. Оценка дозы носи i не индивидуальный, а вероятностный характер. Трудность автоматизации создает серьезные препятствия для метрологической аттестации метола и его широкого применения.

Делается вывод о том, что наиболее перспективным является метод ЭПР-дозиметрии, позволяющий выявлять свободные радикалы, образование ионизирующим излучением в кристаллических сруктурах эмали зубов. Поэтому метод ЭПР-дозиметрии рассмотрен более подробо в сравнении с друп. ми.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методике проведения эксперимента. Рассматриваются принцип работы, характеристики экспериментальной установки, регистрация и предварительный анализ спектров. Подобраны оптимальные условия для регистрации спектров ЭПР. В частности мощность СВЧ подаваемая на образец (эмаль зубов), должна быть порядка 4-8 мВт, а оптимальная масса образца-* 250 гГ.

Рассматриваются методика приготовления образцов эмали для ре-констукции поглощенных доз методом ЭПР, методика определения поглощенной дозы (кратко представленная на рис.1) и статистические методы обработки результатов измерений. Проводится проверка гипотезы нормальности распределения интенсивностей радиационно-индуцирован-ного спектра ЭПР эмали зубов и проверка адекватности линейной модели вида I=bo+bi-D (I - интенсивность индуцированного спектра, D - доза дополнительного облучения, bo, bi - параметры линейной регресии).

Рис. 1

Определяются параметры линейной регресии и величина поглощенной дозы Юо (Оо=-Ьо/Ь|) с помощью обратной экстраполяции линейной за-ннсимости на ось абсцисс и дается оценка случайной погрешности:

Л-,,.,.,-. +

где

i-i_i-i_____.

1(4-¿Г

п-г

- оценка дисперсии регрессии, t - коэффициент Сшодента (при до-

ь,

верительной вероятности Р=95%, числе степеней свободы п-2), /" = ——,

т

_

—, п - число дополнительных доз облучений. Находится среднее п

значение серии измерений.

Третья глава посвящена моделированию спектров ЭПР зубной эмали. Рассматриваются теоретические предпосылки для построения модельных спектров; спектры ЭПР эмали зубов обусловлены аксиальной анизотропией g-фактора, форма индивидуальной линии поглощения представляет интегральную свертку Лоренцовой и Гауссовой линий. Разработана программа DETECT для апро'хнмации синглешой линии Лоренца и Гаусса. В результате работы программы DETECT оказалось, что для моделирования экспериментального спектра требуегся более сложное про-грамное обеспечение. В связи с этим разработан алгоритм программного обеспечения моделирования формы линии спектра ЭПР необлученной и облученной эмали зубов, который для моделирования необлученного компонента выглядит следующим образом:

1. Создание Фурье-образоп (ФО) Риг(1), Риг(С) для 1 и О функций соошетстиенно (1 - первая призводная функции Лоренца, в - функция Гаусса).

2. Вычисление произведений ФО ГиКО •Ло,(<7)= Риг(/д- первая производная свертки функции Лоренца и Гаусса.

3. Вычисление ФО Гиг^ш,) для функции анизотропии Г«п.

4. Вычисление произведения ФО Риг(/^ • Риг^Л.

5. Проведение обратных преобразований Фурье.

Оказалось, что моделирование облученного компонента принципиально не отличается от моделирования необлученного компонента и поэтому переход от моделирования необлученного компонента к моделированию облученного заключается лишь в изменении параметров соответ-свующих линий.

Проводится аппроксимация полного (необлученного и облученного) спектра ЭПР, определяется значение интенсивности радиацонно-индуци-рованного спектра ЭПР эмали зубов. Разработан алгоритм прямого перебора значений параметров (анизотропии, ширины линий Лоренца и Гаусса) с изменяемым шагом в процессе минимизации суммы квадратов разностей экспериментальных и модельных спектров ЭПР эмали зубов. Результатом работы программы, реализующей указанный алгоритим, является моделирование полного спектра ЭПР эмали зубов, что иллюстрируется на рис.2. На рнс.2 приведены экспериментальный спектр (обозначенный цифрой - 1), модельный радиационный индуцированный спектр (2) и модельный полный (суммарный) спектр ЭПР эмали зубоп(З).

4'гге«си¿ностЬ} отн-бЭ

Рис. 2

Глава 4 посвящена экспериментальному определению поглощенной дозы и вычислениям погрешностей. Проводиться проверка нормальности распределения измеренных величин и адекватности линейной регрессии. Получено, что при уровне значимости 0.01 величина интенсивности ра-диационно-индуцированного спектра ЭПР эмали зубов подчиняется нормальному закону распределения. Вычисленные коэффициенты корреляции и значения Р-критерия дают основания сделать вывод об адекватности и статистической значимости линейной модели, использованной для восстановления поглощенной дозы. Определены численные значения поглощенных доз и оценены их случайные погрешности, что иллюстрируется таблицей 1.

Таблица I

Определение поглощенной дозы Бц и ее погрешности

Образен 1 2 3 4 5

Доза(О0), сГр 8 13 9 8 11

Случайная погрешность Д,± сГр 14 16 8 12

В соответствии с правилом вычисления среднего значения со статистическими весами определено среднее значение поглощенной дозы равное 9±6 сГр и значение ее относительной случайной погрешности равное 56%.

Проводились такие же вычисления для пяти серий спектров ЭПР. Результаты этих расчетов представлены-графически (рис.3), где приведена зависимость относительной случайной погрешности от поглощенной дозы.

8.%

Э.сГр

Рис.3

Из этой зависимости следует, что если считать в качестве минимального значения измеряемой дозы значение, которое является результатом измерения проведенного с предельной погрешностью - 50%, то граничное значение минимальной дозы равно 11 сГр.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Изложим основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

При реконструкции поглощенных доз получены для параметров ре-1 нстрации спектров ЭПР эмали зубов следующие их оптимальные значения: диапозон работы спектрометра ЭПР - 3 см, мощность СВЧ подаваемой на образц - 4-8 мВт, температура образца - 20-25 °С, масса образца эмали зубов - 250 мГр.

Получено выражение для оценки случайной погрешности результатов измерений поглощенной дозы.

Как в случае спектров ЭПР зубной эмали, зависящих от радиации, так и в случае не зависящих от нее, g-фактор является аксиально анизотропным.

Разработан алгоритм для моделирования необлученного и облученного компонентов спектра ЭПР эмали зубов.

Оказалось, что для определения значения интенсивностей радиаци-онно-индуцированного спектра ЭПР эмали зубов, наиболее подходящим является метод прямого перебора значений параметров спектра ЭПР.

Полученные оценки коэффицента корреляции (г«1) и F-критсрия (почти в 500 раз превышающего табличное значение при уровне значимости 0.01) дают основания сделать вывод об адекватности и статистической значимое™ линейной модели, использованной для восстановления поглощенной дозы.

Определена нижняя граница применимости метода ЭПР при определении поглощенной дозы эмали зубов, которая оказалась равной 11 сГр.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Финин B.C., Дещко В.А., Казакевич В.Б., Канделинский С.Л., Ивашкевич А.Г., Меграхи М.А., Кузуро И.Д., Долгая Т.Н. Оценить

влияние внутреннего и внешнею облучения (0.1-1 Гр) на сигналы ЭПР в эмали экспериментальных животных и предложить методы реконструкции доз облучения. Опето НИР БГУ, № гос. per. 19942979, Минск, 1994.

2. Фнпмн B.C., Уголеп И.И., Ивашкевич А.Г., Меграхи A.M. Оценка погрешности измерений индивидуальной поглощенной дозы методом ЭПР.// Тез. докл. научно-практической конференции "Метрология-94".-Минск, 1994.-е. 55-56.

РЕЗЮМЕ

Мегрпхн A.M. Исследование и оценки погрешностей при измерении поглощенной дозы.

Ключевые слова: нижняя граница, применимость, метод ЭПР, поглощенная доза, эмаль зуба, спсктр, моделирование, погрешность.

Целью диссертационной работы является определение нижней границы применимости метода ЭПР-дозиметрии. Проведены теоретические и эксперементальнме исследования метода ЭПР при измерении поглощенной дозы. Разработано программно-математическое обеспечение для моделирования и расчета экспериментальных спектров ЭПР эмали зубов. Исследованы случайные погрешности метода ЭПР. Определена нижняя граница применимости метода ЭПР при определении поглощенной дозы.

Рэзюмс

Mcrpaxl A.M. Даследаванне I ацэнк! х!бнасцей пры мерами! паглы-иутнй дозы.

Ключавмя слови: н!жняя мяжа, прымян!масць, метал ЭПР, паглыну-тая доза, эмаль зуба, спсктр, мадэл1раванне, х1бнасць.

Мэтай дисертацыйнай працы з'я^ляецца акрэсленне н1жняй мяжы прымяш'масц! метала даз!метры!. Прапсдзены тэарэтычныя 1 эксперымен-ш'н.кыя даптедзпантп метала ЭПР пры вызначэнн! пвтлынутай дозы. Рас-

працавана праграына-ыапишычпае забяспичлше дай иадш!ранання 1 рыз/iiKy экспериментальных cnetcipay ЭПР эыал! зубоу. Даследаааны вы-падковия х!бнасц1 метада ЭПР. Акрэслепа н1жния мнжа прымнн1масц1 мс-тадаЭПР пры вызначэнн! паглыпугаИ дозы.

Resume

Megrachi A.M. The research and the estimates of the errors when the absorbed dose is measured.

The key words: a lower boundary, an applicability, the EPR method, an absorbed dose, an enamel ofa tooth, a spectrum, a simulation, an error.

The aim of the dissertation Is the lower boundary definition of the applicability of the dosimetry EPR method. The theoretical and the experimental Investigations of the EPR method were carried outwhai the absorbed dose is measured. The software support was elaborated for the simulation and for the calculation of the experimental EPR spectra of a tooth's enamel. Hie random errors of the EPR methftd were investigated. The lower boundary of the EPR method applicability to determine the absorbed dose was defined.