автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Расчетное обоснование метода оценки тканевых доз фотонного облучения по результатам ЭПР-дозиметрии эмали зубов человека

На правах рукописи

БОРЫШЕВА НАТАЛЬЯ БОРИСОВНА

РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ТКАНЕВЫХ ДОЗ ФОТОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭПР-ДОЗИМЕТРИИ ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 05.13.18. - "Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ".

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ОБНИНСК-2004 СУ

Работа выполнена в Лаборатории экспериментальной ядерной Медицинского радиологического научного центра РАМН (г. Обнинск)

медицины

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Скворцов Валерий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Коробейников Валерий Васильевич Доктор технических наук Денисенко Олег Николаевич

Ведущая организация:

Московский инженерно-физический иснтитут (Государственный университет), г. Москва

« 4 » Ш&М 2004 г. в «ЛШ>

на заседании

Защита диссертации состоится, диссертационного совета Д 201.003.01 при ГНЦ РФ-ФЭИ имени А И. Лейпунского по адресу: Калужская область, г. Обнинск, пл. Бондарен ко, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках МРНЦ РАМН и ГНЦ РФ - ФЭИ имени А.И. Лейпунского

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Доктор технических наук Прохоров Ю.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Массовый индивидуальный дозиметрический контроль работников ядерной промышленности в аварийных ситуациях, а также населения, проживающего на территориях, загрязненных радиоактивными выпадениями в результате аварий на радиационных объектах и при испытаниях ядерного оружия, с помощью инструментальных методов не всегда может быть организован сразу после инцидента, либо отсутствует вовсе. Поэтому необходимо разрабатывать методы ретроспективной биофизической дозиметрии, основанные на количественной оценке стабильных и неэлиминируемых повреждений в организме человека. Одним из объектов такой оценки является эмаль зубов (ЭЗ), в кристаллической структуре которой под действием ионизирующего излучения с различной линейной передачей энергии образуются радиационно-индуцированные (РИ) парамагнитные центры (ПЦ), накапливающиеся и сохраняющиеся в течение всего времени существования сформировавшейся коронки зуба, концентрацию которых можно оценить методом спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и использовать полученное значение интенсивности РИ сигнала эмали зуба для реконструкции индивидуальной накопленной дозы облучения (ЭПР-дозиметрии). Далее, используя коэффициенты конверсии, полученные расчетным путем (метод Монте-Карло), можно осуществить переход от дозы, накопленной в эмали зуба человека к эквивалентным и эффективной дозам.

По сравнению с прямыми инструментальными методами этот метод ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз является новым, и его разработку нельзя считать завершенной. Имеется ряд проблем, касающихся интерпретации получаемых данных, а также их точности и достоверности, которые предстоит решить для того, чтобы метод ЭПР-дозиметрии получил широкое распространение.

Процесс реконструкции индивидуальной накопленной дозы методом ЭПР-дозиметрии по ЭЗ человека можно разделить на три этапа: оценка интенсивности радиационно-индуцированного сигнала ЭПР в зубной эмали; определение поглощенной дозы в образце зубной эмали; оценка дозы, поглощенной в воздухе или ткани, а также эквивалентных доз в различных органах или тканях и эффективной дозы с помощью вычислений методом Монте-Карло. Точность конечных результатов реконструкции дозы зависит от точности всех результатов, полученных последовательно на каждом из этих этапов.

В настоящее время по отработанной методике ЭПР-спектроскопии мы можем достаточно точно определять дозу, поглощенную в эмали зубов человека. Для того чтобы перейти от интенсивности ЭПР-сигнала зубной эмали, к эквивалентным дозам в критических органах в реальных радиационных полях, характеризующихся, как правило, широкими спектрами фотонов, необходимо знать энергетическую зависимость радиационной чувствительности эмали зубов человека.

Радиационная чувствительность (РЧ) зубной эмали человека существенно зависит от энергии фотонов, особенно в области энергий менее 0,2 МэВ. Литературные данные, касающиеся этого вопроса, существенно различаются. Поэтому сложно определить каким видом энергетической зависимости радиационной чувствительности следует пользоваться на практике. Эти данные требуют уточнения для того, чтобы разработать пути перехода от дозы облучения, накопленной эмалью зуба, к эквивалентным дозам в критических органах, а в дальнейшем спрогнозировать риск

организме человека, а также оценить радиационно-эпидемиологическую обстановку на территории, подвергшейся радиационному загрязнению.

Цель работы - разработка методики перехода от доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии эмали зубов, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе в реальных условиях воздействия внешнего гамма-излучения на организм человека.

Для достижения поставленной цели были последовательно решены следующие задачи:

• проанализированы и объяснены расхождения в экспериментальных данных по энергетической зависимости относительной радиационной чувствительности зубной эмали, полученных различными исследовательскими группами, а также даны практические рекомендации по учету данной зависимости в процессе калибровки;

• определена энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от дозы, поглощенной в зубной эмали, к эквивалентным и эффективной дозам в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба (in situ) и сделаны практические рекомендации по учету данной зависимости;

• предложена расчетная методика определения оценки эффективной энергии внешнего гамма-излучения по отношению показаний внешней и внутренней поверхности эмали коренного зуба.

Научная новизна

В отличие от ранее проведенных исследований в данной работе представлены систематизированные результаты изучения процессов формирования поглощенной дозы в образцах зубной эмали различной толщины; исследован ряд факторов, влияющих на результаты проведения ЭПР-дозиметрии. К числу этих факторов относятся: геометрическая и энергетическая зависимости поглощенной дозы в образце зубной эмали.

Расчетным путем проведена теоретическая оценка влияния энергетической зависимости РЧ ЭЗ на результаты ЭПР-дозиметрии. Обнаружено, что параметры энергетической зависимости коэффициентов конверсии существенно зависят от толщины образцов ЭЗ, от условий облучения (свойств окружающего ЭЗ материала и его толщины), а также от методов дозиметрии, используемых при нормировке. Все эти эффекты по отдельности и в совокупности были проанализированы в данной работе и тем самым объяснены различия в экспериментальных данных, полученных различными исследовательскими группами.

Впервые в данной работе расчетным путем с использованием метода Монте-Карло, было произведено теоретическое исследование влияния ионизирующего излучения на поглощенную дозу в ЭЗ в реальных условиях облучения организма человека, что позволяет разработать пути перехода от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых по ЭЗ методом ЭПР-спектроскопии, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе на все теле. Получены коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ, к эквивалентным и эффективной дозам для мужского фантома MIRD, дополненного дентальной областью, с учетом транспорта вторичных электронов в ней.

В аварийных и неконтролируемых ситуациях спектр внешнего фотонного излучения неизвестен. Поэтому, в работе предложена расчетная методика определения эффективной энергии, воздействовавшей на организм человека по отношению показаний ЭПР-дозиметрии внешней и внутренней поверхностей коренных зубов.

Практическая значимость

В данной работе разработаны оптимизированные рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов конверсии для перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к эквивалентным дозам в различных органах и тканях, а также к эффективной дозе.

Разработанные рекомендации будут использованы при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, и у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. Результаты работы буду использованы при разработке Методических указаний по практическому применению метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз. Положения, выносимые на защиту. Автор защищает:

• практические рекомендации по учету РЧ эмали зуба в процессе калибровки интенсивности ЭПР-сигнала эмали зуба в процессе ретроспективной оценки поглощенных доз методом ЭПР-дозиметрии по эмали зубов;

• методику оценки тканевых доз методом ЭПР-дозиметрии, используя дозовые коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в эмали зуба, к эквивалентным и эффективной дозам в условиях воздействия на организм человека внешнего фотонного излучения;

• методику расчетной оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения неизвестного спектра, воздействовавшего на организм человека, по отношению показаний внешней и внутренней поверхностей эмали зуба. Апробация работы

Основные результаты работы представлены на научно-практической конференции «Медико-психологические, радиоэкологические и

социально-экономические аспекты ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в Калужской области» (Калуга, 2001), международной научно-практической конференции «Экология, безопасность и устойчивое развитие - XXI век. Опыт преодоления последствий катастрофы на чернобыльской атомной станции» (г. Брянск), на шестом Международном симпозиуме по ЭПР-дозиметрии (г. Сан Пауло, Бразилия).

Публикации Материалы диссертационной работы отражены в 7 опубликованных работах.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 28 рисунков и список литературы из 101 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, дана характеристика научной новизны, обосновано практическое значение работы.

В первой главе диссертации проведен литературных обзор, посвященный методам ретроспективной дозиметрии, в частности методу ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека. В результате анализа литературных испточников оказалось, что экспериментальные данные по измерению энергетической зависимости радиационной чувствительности эмали зуба, полученные разными авторами, существенно различаются. Таким образом сложно определить каким видом энергетической зависимости следует пользоваться на практике. На основании литературного обзора сформулированы основные направления, цели и задачи работы.

Глава 2 Используемые методы и их адаптация к поставленным задачам

посвящена описанию программного комплекса MCNP-4B (метод Монте-Карло), а также его использованию для решения поставленных задач.

На реконструкцию накопленных доз излучения в значительной степени влияют следующие факторы: вид излучения, угловое и пространственное распределение падающего излучения и его энергетический спектр, ориентация тела человека в радиационном поле, конфигурация и состав тела. Существуют два подхода к решению проблемы — экспериментальный и вычислительный. Причем оба подхода требуют принятия упрощенных фантомов, представляющих тело человека, а также необходимого принятия идеальных геометрических условий облучения. Описание использованного в работе метода расчета поглощенных доз в ЭЗ, различных критических органах и тканях, а также фантома, описаны в данной главе.

1. Программный комплекс MCNP-4B для расчета эффективной и эквивалентных доз фотонного излучения. Трудность решения уравнения переноса Больцмана при сложных геометрических условиях приводит к широкому распространению метода Монте-Карло, основной принцип вычислений которого заключается в выборе функциональных значений из вероятных распределений с использованием произвольных чисел. История отслеживаемой частицы включает в себя её появление на источнике, произвольное перемещение через среду, когда частица претерпевает различные взаимодействия на расстоянии, и её выведение, которое заканчивает историю. Выведение может произойти в том случае, когда частица поглощается, покидает область, представляющую интерес, или теряет значимость вследствие других факторов, таких как, например, низкой энергии.

Для решения поставленной задачи, а именно, определения поглощенной дозы в ЭЗ, эквивалентной дозы в различных критических органах и тканях, а также эффективной дозы нами использовался программный комплекс MCNP-4B.

Транспорт фотонов включает в себя такие процессы взаимодействия фотонов с веществом как когерентное и некогерентное рассеяния, а также с учетом флуоресценции и фотоэлектрического поглощения. Вычисления проводили и для фотонов, и для электронов одновременно.

В нашем случае, доза, поглощенная в ЭЗ в результате воздействия на нее фотонного излучения формируется, главным образом, посредствам вторичных электронов.

Энергия и длина пробега электрона в среднем определяется следующим соотношением:

где - полная тормозная способность в единицах энергии на единицу длины.

Эта величина зависит от энергии электрона и от материала, в котором движется электрон. Величина шага электрона с энергетически зависимой длиной называется энергетическим шагом (главным шагом) и определяется по формуле:

Таким образом, поведение электрона описывается набором таких шагов.

2. Описание реалистичного фантома человека MIRD. В данной работе для вычислений был использован математический фантом взрослого мужчины MIRD, представленный на рис. 1. Все органы описаны квадратичными неравенствами, которые

позволяют пользоваться методом Монте-Карло для моделирования взаимодействия различных типов излучения (фотонного, фотонно-электронного и нейтронного) с веществом фантома.

В данном фантоме было сделано дополнение - для расчета поглощенной дозы в ЭЗ человека, добавлена дентальная область.

Дентальная область смоделирована согласно математическим уравнениям (3), составленным в результате анализа данных, которые дают представления о геометрических размерах рассматриваемой области согласно среднестатистическим параметрам человека. Данная область описывается цилиндрическими поверхностями, имеющими эллиптическое сечение, где между внешним и внутренним слоями эмали расположен дентин, а также присутствует жевательная часть эмали.

Используемый фантом состоит из следующих типов материалов: костная ткань (скелет), легкие, мягкая биологическая ткань (МБТ), эмаль зуба и дентин.

а) б)

Рис. 1. Фантом МШБ: а - общий вид фантома; б - дентальная область (вид сверху).

Объемы ячеек, описывающих органы, входящие в фантом МШБ, а, следовательно, и их массы, были рассчитаны методом Монте-Карло (МСКР-4Б).

Глава 3 Изучение относительной радиационной чувствительности эмали зубов человека к внешнему фотонному излучению посвящена изучению с помощью метода Монте-Карло энергетической зависимости радиационной чувствительности эмали зуба человека.

Эмаль зубов человека представляет собой естественный биодозиметр с уникальными свойствами. Как было отмечено выше, процесс реконструкции индивидуальной накопленной дозы методом ЭПР-дозиметрии проходит в три этапа:

оценка интенсивности ЭПР-сигнала ЭЗ; определение дозы, поглощенной в образце ЭЗ; оценка эквивалентных и эффективной доз с помощью > коэффициентов конверсии, которые связывают дозу, поглощенную в ЭЗ, с эквивалентными дозами в различных критических органах и тканях. Точность конечных результатов ретроспективной оценки зависит от точности результатов, получаемых последовательно на всех этапах.

Было опубликовано достаточно много работ, в которых освещены вопросы, касающиеся повышения точности результатов, получаемых на первом этапе, несколько работ, посвященных переходу к эквивалентным и эффективной дозам. В данной главе излагаются результаты изучения вопросов, касающихся калибровки РИ сигнала ЭПР ЭЗ, а также факторы, влияющие на точность полученных результатов на втором этапе процесса реконструкции дозы методом ЭПР-дозиметрии.

При определении поглощенных доз от внешнего фотонного излучения в диапазоне энергий менее 0,2 МэВ необходимо учитывать энергетическую зависимость радиационной чувствительности (РЧ) ЭЗ к фотонному излучению in situ. Результаты измерения показали, что при энергиях 40-70 кэВ эта зависимость может превышать в 10 раз чувствительность к фотонам большей энергии (около 1 МэВ), тогда как для мышечной ткани она изменяется менее чем на 10%, начиная от 10 кэВ и выше. При этом экспериментальные данные по этому вопросу, полученные различными исследовательскими группами, существенно различаются (рис. 2).

Рис. 2. Энергетическая зависимость РЧ эмали зубов (по данным разных авторов).

Это объясняется тем, что результаты были получены при различных экспериментальных условиях. Более того, интенсивность сигнала ЭПР ЭЗ нормировали на дозу излучения, измеренную воздухо- и тканеэквивалентными дозиметрами, в некоторых работах на дозу, поглощенную в ЭЗ, без учета условий облучения. Поэтому имеющиеся экспериментальные результаты невозможно проанализировать и определить, каким видом энергетической зависимости РЧ ЭЗ следует пользоваться на практике.

Несмотря на достаточно большое число публикаций на эту тему, имеется ряд вопросов, такие как влияние окружающего материала (в естественных условиях ЭЗ

находится за слоем МБТ щеки), ослабление излучения при прохождении через толщину образца, а также через толщину окружающего материала, коррекция полученных результатов на спектры, использованные в экспериментах (как правило, в качестве фотонного излучения в диапазоне низких энергий используют фильтрованное рентгеновское излучение, характеризующееся широким энергетическим спектром), и каким образом можно учесть все эти факторы при определении поглощенной дозы в ЭЗ.

Интенсивность РИ сигнала ЭПР ЭЗ, на оценке которой основан метод ЭПР-дозиметрии по ЭЗ человека, пропорциональна- концентрации РИ ПЦ, образованных в ЭЗ под действием ионизирующего излучения. Расчетные методы (и метод Монте-Карло в том числе) не позволяют проводить прямых оценок данных величин. В ряде работ в качестве величины, моделирующей интенсивность РИ сигнала ЭПР ЭЗ, используется поглощенная доза излучения, которую можно оценить расчетными методами. На наш взгляд допустимость таких оценок требует обоснования. 1. Изучение формирования поглощенной дозы в пластинке зубной эмали человека методом Монте-Карло. Для того чтобы проводить оценку поглощенной дозы в ЭЗ по интенсивности РИ сигнала ЭПР, необходимо рассмотреть и изучить процессы, которые влияют на формирование поглощенной дозы в образце ЭЗ. Очевидно, что в данном вопросе одну из важных ролей играют окружающий ЭЗ материал (в естественных условиях ЭЗ находятся за слоем МБТ щеки человека), а также толщина как самой ЭЗ, так и окружающего её материала.

Поэтому нами был проанализирован процесс формирования поглощенной дозы в пластинке ЭЗ различной толщины, в окружении двух различных материалов (полиметилметакрилата (ПММА) и алюминия), а также в вакууме с помощью вычисления методом Монте-Карло (MCNP-4B) глубинных распределений (профилей) поглощенных доз. Расчет поглощенных доз методом Монте-Карло осуществляется путем моделирования фотонно-электронного транспорта. Транспорт фотонов включал в себя такие процессы взаимодействия фотонов с веществом как когерентное и некогерентное рассеяния, а также флуоресценцию и фотоэлектрическое поглощение.

Профили доз (рис. 3-а, б) были рассчитаны для пластинок ЭЗ толщиной 0,5 и 10 мм между пластинками ПММА толщиной 4 мм - для создания вторичного электронного равновесия. А также в вакууме. Система облучалась плоскопараллельным моноэнергетическим пучком фотонов с энергией 1,25 МэВ.

Рис. 3. Профиль поглощенной дозы, нормированной на энергетический флюенс фотонов, в пластинке ЭЗ, толщиной: а - 0,5, б - 10 мм (1-в вакууме; 2 —между пластинками ПММА толщиной 4 мм).

Профиль поглощенной дозы в ЭЗ существенно неоднороден (кривая — 1, рис. 3) для случая облучения пластинок ЭЗ в вакууме. Причиной тому является отсутствие вторичного электронного равновесия на поверхности пластинки ЭЗ. Во второй системе небольшая неоднородность профиля объясняется различными значениями массовых коэффициентов поглощения энергии материалов ПММА и ЭЗ. Поэтому в первом случае — облучение пластинки ЭЗ в вакууме - поглощенная доза ниже по сравнению со

вторым случаем (облучение пластики ЭЗ между двумя пластинками ПММА, кривая -2). Очевидно, что процесс формирования поглощенной дозы обусловлен двумя противоположными процессами: накоплением вторичного излучения и ослаблением первичного. Согласно проведенным расчетам, глубина, на которой формируется вторичное электронное равновесие в ЭЗ, составляет около 1,5 мм, для ПММА - около 3 мм. Энергетическая ависимость массового коэффициента поглощения энергии для материала ЭЗ очень похожа на энергетическую зависимость для алюминия, и как показали результаты расчета при облучении системы А1-ЭЗ-А1 фотонами с энергией 1,25 МэВ, профиль дозы, поглощенной в пластике ЭЗ, остается однородным для различных толщин (рис. 4).

Рис. 4. Профили глубинных поглощенных доз, нормированных на энергетический флюенс фотонов при облучении фотонами с энергией 1,25 МэВ пластинки ЭЗ толщиной: а - 0,5 мм; б - 2 мм между пластинами А1 толщиной 2,5 мм.

При этом доза, поглощенная в пластинке ЭЗ, не зависит от толщины при облучении в окружении алюминия, в отличие от случая облучения в окружении ПММА или вакуума (рис. 5). Для сохранения условий вторичного электронного равновесия необходимо выбирать толщину пластинки алюминия в соответствии с энергией фотонов.

Рис. 5. Зависимость поглощенной дозы, нормированной на энергетический флюенс фотонов, от толщины пластинки при облучении моноэнергетическими фотонами энергией 1,25 МэВ: а - 1 — пластинка ЭЗ между 4 мм ПММА; 2 - в вакууме; б - в пластинке ЭЗ между 2,5 мм А1.

Таким образом, необходимо отметить, что на формирование поглощенной дозы в пластинке ЭЗ существенную роль играет окружающий её материал, который создает условие равновесия по вторичным электронам.

2. Расчет энергетической зависимости поглощенной дозы в образцах эмали зуба различной толщины. Поглощенные дозы рассчитывались для образцов ЭЗ в виде квадратных пластинок различной толщины (0,5; 1; 1,5; 2; 5 и 10 мм). Вычисления проводили для двух случаев - облучение в вакууме и в условиях, моделирующих реальный эксперимент. Энергетическая зависимость полученных значений поглощенных доз для пластинок ЭЗ различной толщины представлены на рисунке 6 (кривые - 1-6). Как видно из приведенных данных, рассчитанные значения поглощенной дозы в ЭЗ существенно зависят от толщины образца. Особенно ярко эта зависимость проявляется в области низких энергий фотонов. Наблюдаемый феномен объяснить сильным ослаблением плотности потока фотонов в ЭЗ, что приводит к большому градиенту поглощенной дозы в толстом образце ЭЗ, особенно для фотонов низких энергий.

14

ч 0.01

I 0.01 0.1 1

ф

з Энергия фотонов. МэВ £

о С

Рис. 6. Энергетическая зависимость поглощенных доз, нормированных на энергетический флюенс фотонов, для образцов ЭЗ различной толщины: 1 - 0.5 мм, 2-1 мм, 3—1,5 мм, 4 —2 мм, 5-5 мм, 6-10мм; также Ц^/рэмалью (7) и воздухом (8). (а) -в вакууме, (б) — в условиях вторичного электронного равновесия.

В области промежуточных энергий значения поглощенных доз незначительно превышают значения массового коэффициента поглощения энергии в ЭЗ ((^„/р). По-видимому, это объясняется преобладанием процесса накопления вторичного излучения (процессы рассеяния фотонов как от самой пластинки ЭЗ, так и от пластики ПММА) над процессом ослабления первичного излучения. Эффект накопления вторичного излучения существенен в области малых и промежуточных энергий, где ЭЗ демонстрирует сильную энергетическую зависимость ^Ур — рассеянные фотоны имеют меньшую энергию, и, следовательно, будут поглощаться веществом с большей вероятностью. Для случая (б - облучение в окружении пластинок ПММА) эффект накопления вторичного излучения в веществе ЭЗ более заметен, так как фотоны, рассеянные от окружающего тканеэквивалентного материала (пластинки ПММА) проникают в пластинки ЭЗ и тем самым обеспечивают дополнительный вклад в дозу, поглощенную в образцах ЭЗ. Влияние окружающего материала на формирование вторичного электронного равновесия незначительно в области малых и промежуточных энергий (0,010,2 МэВ), так как длина пробега вторичных электронов мала относительно толщины образцов.

О 01 0.1 1

Энергия фотонов, МэВ

Рис. 7. Энергетическая зависимость дозовых коэффициентов конверсии для перехода от дозы в воздухе к дозе в ЭЗ: 1 — 6 - результаты вычисления методом Монте-Карло для образцов ЭЗ различной толщины (0,5; 1; 1,5; 2; 5 и 10 мм); 7 - из отношения (ln/p ЭЗ и воздуха; а - облучение в вакууме; б - облучение в условиях вторичного электронного равновесия.

3. Сопоставление результатов расчета методом Монте-Карло с экспериментальными данными. Результаты расчета для пластинки ЭЗ толщиной 1,5 мм при облучении в условиях равновесия по вторичным электронам (рис. 6, кривая 3) были нормированы на коэффициент конверсии при энергии фотонов 1,25 МэВ (удельный коэффициент конверсии) и сопоставлены с экспериментальными данными. Результаты представлены на рис. 8. Все расчеты были проведены с выполнением условий данного эксперимента.

Рис. 8 Энергетическая зависимость дозовых коэффициентов конверсии: 1 - расчетная кривая для образцов ЭЗ толщиной 1,5 мм при облучении моноэнергетическими фотонами; 2 — усреднение расчетной кривой по рентгеновским спектрам; 3 -экспериментальная кривая.

Из рис. 8 видно, что экспериментальная кривая расположена несколько ниже расчетной, а её максимум смещен в сторону меньших значений. В большинстве работ, посвященных данному вопросу, экспериментальные результаты в области низких энергий, как правило, получены с использованием рентгеновского излучения, с присущим ему широким спектром. В эксперименте для получения значений в области низких энергий (0,01 —0,125 МэВ), как и в большинстве работ, были использованы рентгеновские спектры, которые характеризуются широким диапазоном генерируемых энергий. Поэтому, для того чтобы корректно сравнивать результаты расчетов, выполненных методом Монте-Карло при моделировании взаимодействия моноэнергетического излучения, с экспериментальными результатами, полученными с использованием рентгеновского излучения, необходимо провести усреднение расчетной кривой по спектрам, использованным в эксперименте.

Дозовые коэффициенты конверсии, откорректированные на использованные в эксперименте спектры фотонов, могут быть вычислены по формуле:

АоэзЮтЕ)^ I

[ Е ¿Е | \\(»еп1 Р) возд^Г-

где: СС(ЕСр)КОр- коэффициент конверсии от дозы поглощенной в воздухе к дозе

поглощенной в ЭЗ; ЕСр - средняя энергия фотонов спектра; Е - рассчитанные

поглощенные дозы в эмали зуба, нормированные на энергетический флюенс фотона (рис.6); Р^возд - масс°вый коэффициент поглощения энергии воздухом при

данной энергии фотонов Е;

- спектральная плотность фотонов источника излучения, использованного в эксперименте.

Удельный дозовый коэффициент конверсии получен в результате нормирования величины дозового коэффициента на величину коэффициента при энергии 1,25 МэВ: СС{Еср)уд = СС(Еср)/СС(Е = 1.25 МэВ) (5)

Откорректированные по рентгеновским спектрам результаты вычислений (формула 4) также представлены на рис. 8 (кривая 2).

Видно, что нормированные экспериментальные и рассчитанные величины хорошо согласуются в диапазоне энергий 0,013 - 1,25 МэВ. Из этого следует, что радиационная чувствительность относительно дозы, поглощенной в самой ЭЗ не зависит от энергии фотонов. Доза же, поглощенная в ЭЗ зависит от энергии фотонов, от поглощающих свойств материала, его толщины, а также от толщины самой ЭЗ. Эти параметры изменяют только поглощенную в ЭЗ дозу (БЭЗ), а интенсивность ЭПР сигнала ЭЗ

Б Э ПР остается пропорциональна поглощенной дозе:

£>эз=к-*>эпр (6),

где к - коэффициент пропорциональности.

Исходя из всего вышесказанного проблема правильной калибровки ЭПР-дозы ЭЗ к дозе, поглощенной в ЭЗ сводится к определению коэффициента пропорциональности к (6) в условиях вторичного электронного равновесия. Равновесия может быть достигнуто при следующих условиях:

• энергетическая зависимость массового коэффициента поглощения энергии окружающего ЭЗ материала должна быть похожа на энергетическую зависимость ЭЗ;

• толщина окружающего материала должна равняться максимальному пробегу вторичных электронов в нем.

В этих условиях доза, поглощенная в ЭЗ, не зависит от толщины образцов. Она будет равна дозе, измеренной стандартным дозиметром, откорректированной на соответствующее отношение массовых коэффициентов поглощения энергии в ЭЗ и материале дозиметра:

°эз = °доз1{Меп>р)ЭЗ КРеп'Р^доз} (7).

где: БЭЗ - доза, поглощенная в ЭЗ, Вдм - доза, поглощенная материалом дозиметра (в нашем случае воздухом).

Глава 4 Оценка эквивалентных и эффективной доз методом ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека посвящена расчету с помощью метода Монте-Карло коэффициентов конверсии, которые позволяют осуществить переход от дозы, поглощенной в эмали зуба, к эквивалентным дозам в различных органах и тканях, а также к эффективной дозе.

Задача заключается в том, чтобы, имея информацию о дозе, поглощенной в ЭЗ, можно было бы использовать её для оценки эквивалентных доз в различных органах и тканях, а также эффективной дозы. Поэтому в данной главе было выполнено математическое моделирование облучения мужского фантома, дополненного дентальной областью, методом Монте-Карло (МСКР-4Б), чтобы количественно связать поглощенную дозу в ЭЗ с эквивалентными дозами в различных органах и тканях, а также с эффективной дозой для некоторых случаев внешнего облучения фотонами.

На рис. 9 представлена энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ, к керме в воздухе. Максимальное значение коэффициента конверсии для ЭЗ приходится на энергию 0,06 МэВ и составляет 3,81.

Энергия фотонов, МэВ

Рис. 9. Энергетическая зависимость доз, поглощенных в ЭЗ, нормированная на керму в воздухе.

Энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ человека к эффективной дозе представлена на рис. 10.

Энергия фотонов, МэВ

Рис. 10. Энергетическая зависимость коэффициента конверсии для перехода от дозы поглощенной в ЭЗ к эффективной дозе.

В реальных условиях облучения на организм человека, и зубы в том числе, действует излучение, характеризующееся, как правило, широким энергетическим спектром. Это обусловлено различным изотопным составом источников, а также процессами многократного рассеяния при прохождении излучения через почву, воздух, тело человека и др. Коэффициенты конверсии в свою очередь также являются функцией энергии фотонов. Взвешенные по спектру фотонов коэффициенты конверсии могут быть рассчитаны по следующей формуле:

СС(£ )'= \СС(Е)Ф(Е)<1Е/ \Ф(£)</£ (7),

£ Е

где: Ф(Е) - флюенс фотонов.

В данной работе расчет взвешенных коэффициентов конверсии был проведен для спектров излучения, измеренных на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению вследствие аварии на ЧАЭС (Табл. 1).

Таблица 1. Коэффициенты конверсии (Зв Гр-1), рассчитанные для реальных полей излучения, измеренных на территориях, загрязненных в результате аварии на Чернобыльской АЭС._

Орган, тело Место измерения спектра Год измерения спектра

1987 1988 1989' 1990

Коэффициент конверсии

Эффективная доза Задернованные участки 1,23 1,24 1,21 1,20

Пашня 1,42 1,37 1,28 1,27

Лес 1,24 1,25 - 1,18

Внутри жилых помещений 1,53 1,55 1,42 1,38

Щитовидная железа Задернованные участки 1,19 1,20 1,17 1,16

Пашня 1,34 1,30 1,23 1,22

Лес 1,19 1,20 - 1,14

Внутри жилых помещений 1,44 1,45 1,35 1,31

Красный костный мозг Задернованные участки 1,10 1,11 1,08 1,08

Пашня 1,24 1,20 1,13 1,12

Лес 1,18 1,11 - 1,06

Внутри жилых помещений 1,33 1,35 1,20 1,21

В тех же случаях, когда энергетический спектр излучения, воздействовавшего на человека - не известен, можно провести оценку эффективной энергии излучения по показаниям внешней и внутренней стенок ЭЗ. Как следует из полученных данных, поглощенные дозы в ЭЗ внешней и внутренней стенок существенно различаются в области энергии фотонов менее 0.2 МэВ (рис. 11).

1 Ячейки с прочерками в табл 2 - нет данных в первоисточнике М Н Савкин II Радиация и риск, выпуск 3, стр 94-121(1993)

I

■

-Ь---.-«-

-1—■ I I I ■ |-1-1—I—I I ■ I ■ |-

0,1 1

Энергия фотнов, МэВ

Рис. 11. Энергетическая зависимость отношения дозы, поглощенной во внешнем слое ЭЗ, к дозе, поглощенной во внутреннем слое, для изотропной геометрии облучения.

Случай, когда данное отношение близко к 1, означает, что эффективная энергия излучения выше 0.2 МэВ. В этой области энергии фотонов величины коэффициентов конверсии не существенно зависят от энергии и близки к единице.

В области энергии фотонов менее 0.2 МэВ отношение поглощенных внешним и внутренним слоями ЭЗ доз зависит от энергии фотонов, что позволяет оценивать эффективную энергию излучения и соответствующее ей значение коэффициента конверсии.

Зависимость представленная на рис. 11 была рассчитана для изотропной геометрии облучения человека в вакууме, т.е. без учета окружающей среды. Предположительно, что предложенный способ определения эффективной дозы будет полезен при сильно рассеянном внешнем излучении при передне-задней геометрии облучения.

Очевидно, что при сборе, а также хранении и подготовке образцов для такого рода исследований необходимо строго соблюдать маркировку внешней и внутренней стенок эмали.

Также получены коэффициенты конверсии для случая облучения фантома человека, находящегося на поверхности земли, загрязненной Cs-137 и Cs-134. Мужской фантом MIRD, дополненный дентальной областью, находится на поверхности почвы, равномерно загрязненной Cs-137 или Cs-134 и имеющей форму диска радиусом 2500 см. Источник равномерно распределен по поверхности почвы. Толщина почвы составила 100 см. Для моделирования реального рассеяния, создаваемого окружающей человека средой, фантом был окружен цилиндром тем же радиусом, высотой 280 см от поверхности почвы и заполненный воздухом.

Выводы

В процесс выполнения диссертационной работы были получены следующие

результаты:

1. Методом Монте-Карло проведена оценка влияния энергетической зависимости РЧ ЭЗ на результаты ЭПР-дозиметрии. Показано, что коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в воздухе, к дозе, поглощенной в ЭЗ, существенно зависят от толщины образцов ЭЗ в диапазоне энергий менее 0,05 МэВ. Данный эффект объясняется ослаблением энергетического флюенса при прохождении через объем эмалевого образца.

2. Методом Монте-Карло, путем моделирования фотонно-электронного транспорта, был изучен эффект вторичного электронного равновесия в образцах ЭЗ, облученных фотонами в вакууме и в присутствии окружающего материала. Показано, что при облучении фотонами с энергией 1,25 МэВ тонких образцов ЭЗ в окружении ПММА доза, поглощенная в ЭЗ, увеличивается в 1,09 раза. На практике это приводит к получению заниженных результатов оценки дозы, поглощенной в ЭЗ. Этот эффект обязательно должен учитываться при калибровке интенсивности ЭПР-сигнала облученной ЭЗ.

3. При сравнении результатов расчета методом Моне-Карло с экспериментальными данными показано, что при облучении образцов ЭЗ фотонами с энергией 0,011,25 МэВ интенсивность сигнала ЭПР облученной ЭЗ прямо пропорциональна дозе, поглощенной в ЭЗ, которая была определена расчетным путем с учетом эффектов ослабления, вторичного электронного равновесия и спектра воздействовавшего фотонного излучения. Следовательно, отношение интенсивности сигнала ЭПР облученного образца ЭЗ и дозы, поглощенной в данном образце, не зависит от энергии фотонов. Калибровочный коэффициент при переходе от интенсивности сигнала к дозе, поглощенной в ЭЗ, должен определяться в условиях вторичного электронного равновесия.

4. По рассчитанным профилям поглощенных доз была исследована роль различных окружающих материалов, использующихся при калибровке интенсивности сигнала ЭПР облученной ЭЗ. Показано, что лучшим материалом для этих целей является тот материал (например, алюминий), который обладает такими же поглощающими свойствами, что и ЭЗ. Толщина данного материала, должна быть выбрана с учетом максимального пробега вторичных электронов в данном материале при соответствующей энергии. Тогда доза, поглощенная в ЭЗ, будет равна дозе, измеренной стандартным дозиметром, откорректированной на соответствующее отношение массовых коэффициентов поглощения энергии ЭЗ и материала дозиметра.

5. Расчетным путем для стандартного мужского фантома МШБ с добавленной дентальной областью получена энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к эквивалентным и эффективной дозам для изотропной и поверхностной геометрий облучения. Показано, что доза, поглощенная в ЭЗ, оказалась выше, чем в других органах и тканях при низких энергиях (0,03-0,2 МэВ), из-за большого сечения фотоэффекта материала ЭЗ. Очевидно, что эта зависимость дозы, поглощенной в ЭЗ, от энергии фотонов, должна быть учтена при ретроспективной оценке методом ЭПР-дозиметрии.

6. По отношению доз, поглощенных во внешней и внутренней поверхностях ЭЗ, предложена методика расчетной оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения. Оказалось, что если это отношение равно единице, то энергия,

воздействовавшая на организм, была более 0,2 МэВ, если же это отношение больше единицы, то энергия - менее 0,2 МэВ и необходимо вводить соответствующую поправку на РЧ ЭЗ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикация:

1. Ермакова (Борышева) Н.Б., Иванников А.И., Тикунов Д.Д., Скворцов В.Г., Степаненко В.Ф. Интерпретация данных метода ЭПР-дозиметрии при воздействии различных типов излучения и неопределенности условий облучения. Материалы научно-практической конференции «Медико-психологические, радиоэкологические и социально-экономические аспекты ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в Калужской области» (Калуга 2001).

2. Ермакова (Борышева) Н.Б. Оценка эффективных накопленных доз методом ЭПР-спектроскопии эмали зубов человека// Сборник материалов международной научно-практической конференции "Экология, безопасность и устойчивое развитие — XXI век. Опыт преодоления последствий катастрофы на чернобыльской атомной станции" (Брянск 2002).

3. A.I. Ivannikov, D.D. Tikunov, N.B. Yermakova (Borysheva), F. Trompier, V.G. Skvortsov, V.F. Stepanenko. Calibration of epr dose response of tooth enamel to photons: experiment and Monte-Carlo simulation (Калибровка ЭПР-отклика зубной эмали в случае фотонного излучения: моделирование методом Монте-Карло и эксперимент) // Radiation Protection Dosimetry. 2004, in press.

4. АЛ. Ivannikov, E. Gaillard-Lecanu, F. Trompier, D.D. Tikunov, N.B. Yermakova (Borysheva), V.G. Skvortsov, V.F. Stepanenko. Dose reconstruction by EPR spectroscopy of tooth enamel: Application to the population of Zaborie village exposed to high radioactive contamination after the Chernobyl accident (Реконструкция дозы методом ЭПР-спектроскопии по эмали зубов для населения деревни Заборье, пострадавшего в результате аварии на ЧАЭС) // Health Physics 2003.

5. Степаненко В.Ф., Орлов М.Ю., Петин Д.В., Тикунов Д.Д., Борышева Н.Б., Иванников А.И., Скворцов В.Г., Колыженков Т.В., Крюкова И.Г., Московко Л. И., Цыб А.Ф, Прошин А.Б., Ривкинд Н.Б. Ретроспективная индивидуальных дозиметрия в населенном пункте с высоким радиоактивным загрязнение. // Атомная Энергия, т. 95, вып. 1, июль 2003 г.

6. V.Skvortsov, A. Ivannikov, N. Borysheva, D. Tikunov, V. Stepanenko. Monte Carlo calculation of the ratio between absorbed dose in tooth enamel and whole body dose for 134Cs and I37Cs external and internal irradiation. 6th international symposium on ESR dosimetry and Applications (Вычисление методом Монте-Карло отношения поглощенной дозы в эмали зуба к дозе, поглощенной во всем теле человека за счет внешнего и внутреннего облучения 137Cs и 134Cs. Шестой международный симпозиум по ЭПР-дозиметрии.) // Campos do Jordao-San Paulo -Brazil. 12- 16 October, 2003 (Кампос до Жордао-Сан Сан Пауло, Бразилия, 12-16 октября 2003).

7. V.Stepanenko, M.Orlov, A. Ivannikov, D. Petin, V. Skvortsov, N. Borysheva, D. Tikunov, M. Hoshi, J. Takada, F. Trompier, P. Voileque, A. Tsyb. Individual retrospective dosimetry in a highly contaminated settlement following the Chernobyl accident: computational modeling in comparison with EPR tooth enamel data. 6th international symposium on ESR dosimetry and Applications. (Индивидуальная ретроспективная дозиметрия у населения, проживающего на территориях загрязненных в результате аварии на ЧАЭС: сравнение расчетных величин с измеренными методом ЭПР-спектроскопии по эмали зубов. Шестой международный симпозиум по ЭПР-дозиметрии.) // Campos

do Jordao-San Paulo -Brazil. 12-16 October, 2003 (Кампос до Жордао-Сан Сан Пауло, Бразилия, 12-16 октября 2003).

Заказ № 796 от 30.04.2004 г.

тираж 100 экз. Отпечатано на ротапринте 249020, г. Обнинск Калужской обл., ул. Королева 4, МРНЦ РАМН

»11752

Список основных используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Необходимость в ретроспективной дозиметрии.

1.2. Методы ретроспективной дозиметрии.

1.2.1. Сущность метода определения поглощенных доз внешнего фотонного излучения по спектрам ЭПР зубной эмали.

1.2.2. Состав и строение тканей зубов человека.

1.2.3. Метод математического моделирования, применяемый в целях ретроспективной дозиметрии.

1.3. Относительная радиационная чувствительность зубной эмали человека к внешнему фотонному излучению.

Массовый индивидуальный дозиметрический контроль населения, проживающего на территориях, загрязненных радиоактивными выпадениями в результате аварий на радиационных объектах и при испытаниях ядерного оружия, а также, работников ядерной промышленности в аварийных ситуациях с помощью инструментальных методов не всегда может быть организован сразу после инцидента, либо отсутствует вовсе. Поэтому необходимо разрабатывать методы ретроспективной биофизической дозиметрии, основанные на количественной оценке стабильных и неэлиминируемых радиационных повреждений в организме человека. Одним из объектов такой оценки является эмаль зубов (ЭЗ), в кристаллической структуре которой под действием ионизирующего излучения с различной линейной передачей энергии образуются радиационно-индуцированные парамагнитные центры (РИ ПЦ), накапливающиеся и сохраняющиеся в течение всего времени существования сформировавшейся коронки зуба. Концентрацию РИ ПЦ можно оценить методом ЭПР-спектроскопии и использовать полученное значение для реконструкции индивидуальной накопленной дозы облучения (ЭПР-дозиметрия).

По сравнению с прямыми инструментальными методами этот метод ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз является новым, и его разработку нельзя считать завершенной. Имеется ряд проблем, касающихся интерпретации получаемых данных, а также их точности и достоверности, которые предстоит решить для того, чтобы метод ЭПР-дозиметрии получил широкое распространение.

В настоящее время по отработанной методике ЭПР-спектроскопии [59] мы можем определять дозу, поглощенную в эмали зубов (ЭЗ) человека. Для того, чтобы перейти от интенсивности ЭПР-сигнала зубной эмали к эффективным дозам в критических органах в реальных радиационных полях, характеризующихся, как правило, широкими спектрами фотонов, необходимо знать энергетическую зависимость радиационной чувствительности (РЧ) эмали зубов человека.

РЧ ЭЗ человека существенно зависит от энергии фотонов, особенно в области энергий менее 0,2 МэВ. Литературные данные по этому вопросу существенно различаются [50, 52-53, 59, 63-64, 67]. Поэтому сложно определить каким видом энергетической зависимости РЧ следует пользоваться на практике. Эти данные требуют уточнения для того, чтобы разработать пути перехода от дозы облучения, накопленной эмалью зуба, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе на все тело человека.

Исходя из всего вышесказанного, была сформулирована цель данной работы. которая заключалась в разработке методики перехода от доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии эмали зубов, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе в реальных условиях воздействия внешнего фотонного излучения на организм человека.

Для достижения поставленной цели были последовательно решены следующие задачи:

• проанализированы и объяснены расхождения в экспериментальных данных по энергетической зависимости РЧ ЭЗ, полученных различными исследовательскими группами, а также даны практические рекомендации по учету РЧ ЭЗ в процессе калибровки;

• определена энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от интенсивности ЭПР-сигнала ЭЗ к эквивалентным и эффективной дозам в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба (in situ) и сделаны практические рекомендации по учету данной зависимости;

• предложена методика определения оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения по отношению показаний внешней и внутренней поверхности эмали коренного зуба.

Научная новизна. В отличие от ранее проведенных исследований в данной работе представлены систематизированные результаты изучения процессов формирования поглощенной дозы в образцах зубной эмали различной толщины; исследован ряд факторов, влияющих на результаты проведения ЭПР-дозиметрии. К числу этих факторов относятся: геометрическая и энергетическая зависимости поглощенной дозы в образце зубной эмали.

Расчетным путем проведена теоретическая оценка влияния энергетической зависимости РЧ ЭЗ на результаты ЭПР-дозиметрии. Обнаружено, что параметры энергетической зависимости коэффициентов конверсии существенно зависят от толщины образцов ЭЗ, от условий облучения (свойств окружающего ЭЗ материала и его толщины), а также от методов дозиметрии, используемых при нормировке. Все эти эффекты по отдельности и в совокупности были проанализированы в данной работе и тем самым объяснены различия в экспериментальных данных, полученных различными исследовательскими группами.

Впервые в данной работе расчетным путем с использованием метода Монте-Карло, было произведено теоретическое исследование влияния ионизирующего излучения на поглощенную дозу в ЭЗ в реальных условиях облучения организма человека, что позволяет разработать пути перехода от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых по ЭЗ методом ЭПР-спектроскопии, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе на все теле. Получены коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ к эквивалентным и эффективной дозам для мужского фантома MIRD, дополненного дентальной областью, с учетом транспорта вторичных электронов в ней.

В аварийных и неконтролируемых ситуациях спектр внешнего фотонного излучения неизвестен. Поэтому, в работе предложена расчетная методика определения эффективной энергии, воздействовавшей на организм человека по отношению показаний ЭПР-дозиметрии внешней и внутренней поверхностей коренных зубов.

Практическая значимость. В данной работе разработаны оптимизированные рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов конверсии для перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к эквивалентным дозам в различных органах и тканях, а также к эффективной дозе.

Разработанные рекомендации будут использованы при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, и у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. Результаты работы буду использованы при разработке Методических указаний по практическому применению метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз.

Положения, выносящиеся на защиту. Автор защищает: • практические рекомендации по учету РЧ эмали зуба в процессе калибровки интенсивности ЭПР-сигнала эмали зуба в процессе ретроспективной оценки поглощенных доз методом ЭПР-дозиметрии по эмали зубов;

• методику оценки тканевых доз методом ЭПР-дозиметрии, используя дозовые коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в эмали зуба, к эквивалентным и эффективной дозам в условиях воздействия на организм человека внешнего фотонного излучения;

• методику расчетной оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения неизвестного спектра, воздействовавшего на организм человека, по отношению показаний внешней и внутренней поверхностей эмали зуба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа была посвящена теме: "Расчётное обоснование метода оценки тканевых доз фотонного облучения по результатам ЭПР-дозиметрии эмали зубов человека". На основе анализа литературных данных был выявлен ряд проблем, касающийся интерпретации получаемых данных, которые были решены в соответствии со сформулированной темой и поставленными задачами.

Как следует из анализа литературных источников, экспериментальные данные, полученные различными исследовательскими группами, касающиеся вопроса относительной РЧ ЭЗ к фотонному излучению, значительно различаются. В данной работе выявлен ряд параметров, влияющих на эти результаты, и путем моделирования фотонно-электронного транспорта (метод Монте-Карло) объяснены различия в экспериментальных данных.

Методом Монте-Карло (MCNP-4B) проведена оценка влияния энергетической зависимости относительной РЧ ЭЗ (отношение дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к дозе, поглощенной в воздухо- или тканеэквивалентном дозиметре) на результаты ЭПР-дозиметрии. Показано, что дозовые коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в воздухе к дозе в ЭЗ, существенно зависят от толщины образцов ЭЗ в диапазоне энергий менее 0,05 МэВ. Данный эффект объясняется ослаблением энергетического флюенса при прохождении через объем эмалевого образца.

Также методом Монте-Карло, путем моделирования фотонно-электронного транспорта, был изучен эффект вторичного электронного равновесия в образцах ЭЗ, облученных фотонами в вакууме и в присутствии окружающего материала. Показано, что при облучении фотонами с энергией 1,25 МэВ тонких образцов ЭЗ в окружении ПММА доза в ЭЗ увеличивается в 1,085 раза. На практике это приводит к переоценке отношения интенсивности ЭПР сигнала к дозе, поглощенной в ЭЗ при калибровке и соответственно к получению заниженных результатов оценки дозы, поглощенной в ЭЗ. Этот эффект обязательно должен учитываться при калибровке.

По рассчитанным профилям средних поглощенных глубинных доз была исследована роль различных окружающих материалов, использующихся при калибровке. Показано, что лучшим материалом для этих целей является тот материал (например, алюминий), который обладает такими же поглощающими свойствами, что и ЭЗ. Толщина данного материала, должна быть выбрана с учетом максимального пробега вторичных электронов в данном материале при соответствующей энергии. Тогда доза, поглощенная в ЭЗ будет равна дозе, измеренной стандартным дозиметром, откорректированной на соответствующее отношение массовых коэффициентов поглощения энергии ЭЗ и материала дозиметра.

При сравнении результатов вычисления методом Монте-Карло с экспериментальными результатами показано, что при облучении ЭЗ энергиями фотонов в диапазоне 0,01-1,25 МэВ, ЭПР-доза ЭЗ, а значит и интенсивность ЭПР сигнала ЭЗ прямо пропорциональна дозе, поглощенной в ЭЗ, которая была определена расчетным путем с учетом эффектов ослабления, вторичного электронного равновесия и спектра воздействовавшего фотонного излучения. Таким образом, отношение ЭПР-дозы ЭЗ к дозе, поглощенной в ЭЗ, не зависит от энергии фотонов в исследованном диапазоне.

Но в свою очередь, доза, поглощенная в ЭЗ, зависит от условий облучения самой ЭЗ, а именно от поглощающих свойств и толщины, окружающего её материала, а также от толщины образцов самой ЭЗ. Таким образом, получаем:

ЭЗ =к'°ЭПР> где: D33 - доза, поглощенная в ЭЗ; D3np - ЭПР-доза ЭЗ, к - коэффициент пропорциональности.

Поэтому проблема калибровки ЭПР-дозы ЭЗ в итоге сводится к определению коэффициента пропорциональности к в условиях вторичного электронного равновесия, которое может быть достигнуто при двух условиях: когда поглощающие свойства материала, окружающего ЭЗ, при облучении, схожи с поглощающими свойствами самой ЭЗ, а его толщина равна максимальному пробегу вторичных электронов в нем при соответствующей энергии фотонов. Тогда при этих условиях доза, поглощенная в ЭЗ будет определяться следующим соотношением:

D D ^еп!р)эз (36)

33 (Pen / Р) доз где: D33 - доза, поглощенная в ЭЗ, Бдоз - доза, поглощенная материалом дозиметра (в нашем случае воздухом).

Также в данной работе, показаны широкие возможности метода Моте-Карло в рамках ретроспективной дозиметрии. В частности, путем моделирования фотонно-электронного транспорта (MCNP-4B code) были получены коэффициенты конверсии (Табл. 4.1 и 4.5 - 4.6), с помощью которых можно осуществить переход, от дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к эквивалентным дозам в различных критических органах, а также к эффективной дозе. Все расчеты были выполнены для стандартного мужского фантома MIRD с добавлением дентальной области, геометрические уравнения которой, были записаны в соответствии со среднестатистическими параметрами реального человека. Расчеты проведены для изотропной и поверхностной геометрий. Результаты расчетов эквивалентных доз для изотропной геометрии хорошо согласуются с данными, представленными в [93], что говорит о корректно смоделированном фантоме. Собственные расчеты были выполнены для поверхностной геометрии, для случая загрязнения поверхности земли изотопами Cs-137 и Cs-134. Коэффициенты конверсии для данного случая представлены в табл. 4.5-4.6. Причем энергетическая зависимость коэффициентов конверсии, полученная в условиях свободной геометрии, отличается от таковой для случая облучения ЭЗ в фантоме человека (рис. 3.11-6 и 4.2). В случая облучения пластинки ЭЗ в условиях вторичного электронного равновесия максимальное значение коэффициента конверсии составило 5,01, а для фантома - 3,80. Очевидно, что на данную величину существенным образом влияет геометрия облучения.

Очевидно, что в реальных условиях в результате многократного рассеяния облучение человека происходит широким спектром фотонов. Поэтому в данной работе получены коэффициенты конверсии для изотропной геометрии облучения для реальных спектров, измеренных на территориях, загрязненных радиоактивными выпадениями в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Эти значения поправочных факторов следует использовать для уточнения результатов проведения ЭПР-дозиметрии для получения реальных значений доз.

В случае, когда спектр, воздействовавший на организм человека неизвестен, эффективную энергию можно оценить по показаниям внешней и внутренней стенок ЭЗ. В результате расчетов оказалось, что если отношение поглощенных доз во внутренней и внешней стенках равно единице, то энергия, воздействовавшая на организм, была более 0,2 МэВ, и поправка на относительную РЧ ЭЗ не требуется, а если это отношение больше 1, то энергия - менее 0,2 МэВ, и, соответственно, необходимо вводить поправку на энергетическую зависимость относительной РЧ ЭЗ.

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной ядерной медицины (заведующий - кандидат биологических наук Скворцов В.Г.) Медицинского радиологического научного центра РАМН.

Выражаю искреннюю благодарность моему руководителю к.б.н. Скворцову В.Г., а также моим коллегам к.ф.-м.н. Иванникову А.И., к.ф.-м.н. Тикунову Д.Д. и всему коллективу лаборатории за оказанную помощью и поддержку при выполнении работы.

1. Edwards A. A. The use of chromosomal aberration in human lymphocytes for biological dosimetry (Применение метода хромосомных аберраций лимфоцитов человека для биологической дозиметрии)// Radiat. Res., vol. 148, pp. 39-44 (1997).

2. Brady J.M., Aarestad N.O. and Swartz H.M. In vivo dosimetry by electron spin resonance spectroscopy (In vivo дозиметрия с помощью ЭПР-спектроскопии)// Med. Phys., vol. 15, pp. 43-47 (1968).

3. Ikeya M., Miyajima J. And Okajima S. ESR dosimetry for atomic bomb survivors using tooth enamel (ЭПР-дозиметрия по эмали зубов для людей, переживших атомную бомбардировку)// Appl. Jpn. J. Appl. Phys., vol. 23, pp. 697-699 (1984).

4. Ivannikov A.I., Skvortzov V.G., Stepanenko V.F., et al. Wide-scale EPR retrospective dosimetry: results and problems (Шрокомасштабная ретроспетивная ЭПР-дозиметрия: результаты и проблемы) // Radiat. Prot. Dosim., vol. 71, pp.175180 (1997).

5. Дж.Вертц, Дж.Болтон. Теория и практические приложения метода ЭПР. М.: Мир, 1975.

6. А.Керрингтон, Э.Мак-Лечлан. Магнитный резонанс и его применение в химии. М.:, Мир, 1970.

7. К. Ostrowski, A. Dziedzic-Gostawska znd W. Stachowicz. Free Radicals in Biology (Свободные радикалы в Биологии), vol. IV, 321-344 (1980).

8. K. Ostrowski, A. Dziedzic-Gostawska znd W. Stachowicz, and J. Michalik. Ann. N.Y. Acad. Sci. 238, 186-201 (1974).

9. H.P.Schwarcz. Nucl. Tracks, vol. 10, Nos 4-6, pp. 865-867 (1985).

10. Romanyukha A.A., Ignatiev E.A., Degteva M.O., et al. EPR dose reconstruction for Russian nuclear workers (Реконструкция ЭПР-дозы у работников ядерной промышленности России)// Health Phys. (1999)

11. Romanyukha A.A., Ignatieva М.О., Vasilenko Е.К., et al. Radiation doses from Ural Region (Дозы радиации в Уральском регионе)// Nature, vol. 381, pp. 199-200 (1996).

12. M.A. Logan, Taylor. Cited in Driessens in "Mineral aspects of density", S. Karger,. H.L.J.Biol.Cem. 1938. Vol. 125,p.391. (1982).

13. Е.В.Боровский и др.//Терапевтическая стоматология. Москва (1973).

14. V.Skvortzov, A.Ivannikov, A.Wieser et al. Proceedings of the first international conference (Материалы международной конференции), Minsk, Belarus, 18 to 22 March, 1996. Eds. A.Karaoglou, G.Desmet, G.N.Kelly, H.G.Menzel. EUR 16544 EN, pp. 949-955.

15. A.A.Romanyukha, A. Wieser, D.Regulla.//Radiat. Prot. Dosim., vol. 65, Nos. 1-4, pp. 389-392 (1996).

16. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Д.Д.Тикунова. Обнинск, 1999.

17. N.L. Derise, S.J. Ritchey. Mineral composition of normal human enamel and dentin and relation of composition to dental caries (Состав зубной эмали и дентина человека, соотношение состава при зубном кариесе)// Dent. Res., 53(4), p. 853-858 (1974).

18. F.C.M. Dreessens, R.M.H. Yerbeeck. The probable phase composition of the mineral is sound enamel and dentin (Состав зубной эмали и дентина)// Bull. Soc. Cem. Belg, 91, pp. 573-596 (1991).

19. H.H. Баганов. Стоматология, Москва (1984).

20. Driessens F.C.M. and Verbeeck R.M.H. Biominerals. CRC Press. Boca Raton// Ann Arbor, Boston, p. 428 (1990).

21. Grun. R., Schwarcz H.P. and Zymela S. ESR dating of tooth enamel (Датирование с помощью ЭПР)// Can. J. Earth. Sci., vol. 24, pp. 1022-1037 (1987).

22. Nakamura N., Miyazawa C., Sawada S., Akiyama M., Awa A.A. // Int. J. Of Radiat. Biol., vol. 73, pp. 619-627 (1998).

23. P. Cevc, M. Shara, C. Ravnik.//Radiat. Res. Vol. 51, pp. 581-589 (1966).

24. Bailiff I.K. Retrospective dosimetry with ceramics (Ретроспективная дозиметрия с использование керамики)// Radiat. Mes. Vol. 27, pp. 923-941 (1997).

25. Butter-Jensen L. and McKeever S.W.S. Optically stimulated luminescence dosimetry using natural and synthetic materials (OCJI дозиметрия с использованием натуральных и синтетических материалов)// Radiat. Prot. Dosim., vol. 65, pp. 273280 (1996).

26. Muller W.U. and Streffer C. Radiation damage (Радиационные повреждения)// Int. J. Radiat Biol. Vol. 59, pp. 863-873 (1991).

27. Е.А. Ignatiev, N.M. Lyubashevskii, E.A. Shishkina, A.A. Romanyukha. EPR dose reconstruction for bone-seeking 90Sr (Реконструкция накопленной дозы в костях засчет 90Sr с использованием ЭПР)// Appl. Radiat. Isot. Vol. 51, pp. 151-159 (1999).

28. К. Meguro and M. Ikeya. Stabilization of superoxide and C03- radicals through cristalliation of CaC03 (Стабилизация суперокида и СОэ- радикалов в процессе кристаллизации CaC03)// Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32, pp. 3540-3543 (1993).

29. A.B. Brik, E.H. Haskell, O.I. Scherbina, et al. // Минерал, журн. 206 №4,26-36 (1998).

30. Егер Р. Дозиметрия и защита от излучений, -М.: Госатомиздат, 1961.

31. Цветкова В.И., Клещенко Е.Д., Кушнерева К.К. Зависимость дозовой чувствительности эмали зубов человека от энергии фотонов гамма-излучения радионуклидного загрязнения местности// Атомная энергия, том 79, вып. 1, июль (1995).

32. К. Saito and P. Jacob.// Radiat. Prot. Dosim., vol. 58, №1, pp. 29-45 (1995).

33. М.Н.Савкин // Радиация и риск, выпуск 3, стр. 94-121 (1993).

34. Логачев В.Ф., Лось И.П., Пархоменко В.И. и др. Динамика уровней гамма-излучения и формирование доз внешнего облучения. В сб.: Медицинские аспекты аварии на ЧАЭС (материалы научной конференции 11-13 мая 1988 г.), 1988, Киев: Здоровье, с. 118-125.

35. ГОСТ РФ «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Контроль населения дозиметрический. Метод определения поглощенных доз внешнего гамма-облучения по спектрам электронного парамагнитного резонанса зубной эмали». ГОСТ Р 22.3.04.-96, Москва (1996).

36. В. Pass and J.E. Aldrich//Radiat. Prot. Dosim. 17, pp. 175-179 (1986).

37. J.F. Copeland, K.R. Kase, G.E. Chabot et al. Spectral energy effect in ESR bone dosimetry: photon and electron (Влияние спектральной энергии в ЭПР-дозиметрии по костям: фотоны и электроны)// Appl. Radiat Isot., vol. 44, pp. 101-106 (1993).

38. International Commission on Radiological Protection 1975 ICRP Publication 23 (MKP3), Pergamon, Oxford.

39. В. Pass, J.E. Aldrich and P.L. Scallion. An analysis of paramagnetic centers in irradiated dentin using electron spin resonance (Анализ парамагнитных центров в облученном дентине с использованием ЭПР)// Calcif. Tissue Int., No 46, pp. 166-168 (1990).

40. Briemeister J.F. MCNP a general Monte-Carlo n-particle transport code, version 4B, LA-12625-M, 1-750; 1997.

41. Н.П.Бусленко, Д.И.Голенко, И.М.Соболь и др. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

42. Hoshi, М., Sawada, S., Ikeya, М. and Miki, Т. ESR dating and dosimetry (ЭПР датирование и дозиметрия) (Ikeya, M. and Miki Т. Eds), Tokyo: Ionics; 1985: 407414

43. Hubbell, J. H. and Seltzer, S. M. Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients (Таблица массовых коэффициентовпоглощения и ослабления фотонов) (version 1.02), Online.

44. Available: http://physics.nist.gov/xaamdi 2000, February 3. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2000.

45. Рекомендации МКРЗ. Публикация 51. Данные для использования при защите от внешнего излучения. Москва. Энергоатомиздат, 1993.

46. H.Ishii, M.Ikeya // Nuclear Scince and Technology 27, pp. 1153-1155 (1990).

47. V.G.Skvortzov, A.I.Ivannikov, U.Eichoff // Journal of Molecular Structure, vol. 347, pp. 321-330(1995).

48. A.A.Romanukha, E.A.Ignatiev, V.O.Degteva et al. // Nature, vol. 381, pp. 199-200 (1996).

49. И.А.Мороз, В.А. Сереженков, Г.А. Клевезаль и др. // Биофизика, т. 39, вып. 6, стр. 11-16(1994).

50. V.G.Skvortzov, A.I.Ivannikov, V.F.Stepanenko et al. // Radiat. Prot. Dosim., vol. 71, № 3, pp. 175-180(1997).

51. В.Г.Скворцов, А.И. Иванников, JI.Г. Хамидова и др. // Радиация и Риск, выпуск 7, стр. 259-269 (1996).

52. Е. Н. Haskell, R.B.Hayes, G. N. Kenner //Interlaboratory comparsion of EPR techniques for measuring radiation exposure of enamel (ECP-10 Project): report by the TL/EPR laboratory of the Universiti of Utah. Kiev report, march 20 (1995)

53. E. A. Ignatiev, A. A Romanyukha, A. A. Koshta et al. //Appl. Radiat. Isot., vol. 47, No. 3, pp. 333-337 (1996)

54. Conceptual basis for calculations of absorbed-dose distributions. NCRP REPORT №108, Issued March 31, 1991.

55. Ivannikov A.I., Skvortsov V.G., Stepanenko V.F et al. Tooth enamel EPR dosimetry: Sources of errors and their correction (ЭПР-дозиметрия по эмали зубов: источники ошибок и их коррекция)// Appl. Radiat.Isot 52:1291-1296; 2000.

56. Shuaer D.A., Seltzer S.M., Link,s J. M. Exposure-to-dose conversion for human adult cortical bone (Переход от мощности излучения к дозе, поглощенной в костях взрослого человека) // J. Apl. Radiat. Isot. 44(3), 485-489 (1993).

57. Stepanenko Y.F., Skvortsov V.G., Ivannikov A.I., et al. ESR and TL dosimetry system: Comparative measurements for human phantom (ЭПР и TJI дозиметрии: сравнительные измерения для фантома человека) // Appl. Radiat. Isot. 47 (11/12): 1359-1363; 1996.

58. Wieser A, Mehta K, Amira S, et al. The 2-nd International Intercomparison on EPR tooth dosimetry (Второе международное интерсличение результатов ЭПР-дозиметрии по эмали зубов). Radiat Meas 32:549-557; 2000а.

59. ORNL/TM-8381 /V1. Health and Safety Research Division. Spesific absorbed fraction of energy at various ages from internal photon sources. Cristy M. and Eckerman F. Appendix A. Description of the mathematical phantom (Описание фантома MIRD).

60. E.Tolstykh, M.Degteva, V.Kozheurov, et al.// Radiat. Environ. Biophys, 39, pp. 161171,2000.

61. Таблицы физических величин. Справочник под ред. академика И.К.Кикоина. Атомиздат. Москва, 1976.

62. NCRP REPORT № 52. Cesium-137 from the environment to man: metabolism and dose (Cs-137: метаболизм и дозы). Issued January 15,1977.

63. L.T.Deelman and F.C. Von der Lage. Radionuclide decay schemes and nuclear parameters for use in radiation-dose estimation, nm/mird pamphlet № 10 (Схемы радиоактивного распада). ORNL, Oak Ridge, Tennessee and Ohio Wesleyan University, Delaware, Ohio.

64. ICRP. 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection (MKP3). ICRP Publication 60 (Oxford: Pergamon Press) (1991).

65. S. Kamboj, D. LePoire, С. Yu. External exposure model in the RESRAD computer code (Моделирование внешнего облучения с использованием REARAD кода)// Health Physics, Vol.82, N 6, pp. 831-839.

66. Paulo-Brazil. 12-16 October, 2003.

67. V.Stepanenko, M.Orlov, A. Ivannikov, D. Petin, V. Skvortsov, N. Borysheva, D.