автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка методов и средств воспроизведения поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ

005553747

Берлянд Александр Владимирович

На права описи

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ В ВОДЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ ОТ 15 ДО 250 кэВ

05.11.15 — Метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

Менделеево - 2014

005553747

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ")

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, Брегадзе Юрий Иосифович

Официальные оппоненты:

Ломанов Михаил Федорович — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела медицинской физики, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики", г. Москва

Клочков Владимир Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Государственный Научный Центр Российской Федерации Федеральный Медицинский Биофизический Центр им. А.И. Бурназяна, г. Москва

Ведущая организация: Главный научный метрологический центр Министерства обороны РФ «ГНМЦ», г. Мытищи

Защита состоится 12 ноября 2014г. на заседании диссертационного совета Д 308.005.01 в ФГУП "ВНИИФТРИ", 141570, п/о Менделеево, Солнечногорский район, Московская область.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "ВНИИФТРИ".

Автореферат разослан « » г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Ю.Д. Иванова

Актуальность темы диссертации

Ионизирующее излучение, в том числе гамма-излучение радионуклидов, рентгеновское излучение, электронное и тормозное излучение ускорителей, нейтронное и протонное излучение широко применяются в различных сферах деятельности человека: в медицине для целей лучевой терапии и диагностики, в радиационной технологии, ядерной энергетике, научных исследованиях и т.п. Основными величинами, наиболее полно характеризующими степень воздействия всех видов ионизирующих излучений на объекты, являются поглощенная доза и величины, связанные с ней. Дозиметрические измерения в зависимости от сферы применения можно разделить следующим образом: измерения для целей техники радиационной безопасности, измерения в области радиационных технологий и клиническая дозиметрия при лучевой терапии.

Система обеспечения единства измерений поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений устанавливает допустимые пределы погрешности рабочих средств измерений (дозиметров) следующим образом: дозиметры техники радиационной безопасности -имеют погрешность 15-30 %. Дозиметры, используемые в радиационной технологии, имеют погрешность 10-15 %. В лучевой терапии должны использоваться дозиметры с погрешностью не более 2-3 %. Это накладывает очень высокие требования к системе обеспечения единства измерений поглощенной дозы.

• Таким образом, наивысшая точность дозиметрических измерений необходима для целей лучевой терапии.

Для целей лучевой терапии используются различные виды ионизирующих излучений: фотонное (гамма и рентгеновское), протонное, электронное, нейтронное. Выбор конкретного вида ионизирующего излучения обусловлен необходимостью решения определенных терапевтических задач. В зависимости от глубины залегания поврежденных клеток и типа ткани, в которой они находятся, выбирается тип излучения и его энергетический диапазон. В случае, когда поврежденные клетки находятся на небольшой глубине, используется рентгеновское излучение.

Успех лучевой терапии зависит от точности, с которой облучаемый орган получает заданную дозу излучения.

Поглощенная доза в облучаемой области должна задаваться с неопределенностью намного меньше тех отклонений дозы от оптимального значения, которые вызывают отрицательные клинические эффекты, и не должна отличаться от назначенного значения более чем на 5 %. Точность, с которой заданное значение дозы «подводится» к опухоли или к другому объекту, зависит от целого ряда факторов, в том числе и от точности, с которой выполняются измерения поглощенных доз в клинической практике.

Это обусловливает очень высокие требования к точности измерения доз излучения в медицинской практике и к системе метрологического обеспечения этих измерений. Чтобы соответствовать этим требованиям, в луче-

вой терапии должны использоваться дозиметры с основной относительной погрешностью не более 2-3 %.

Согласно рекомендациям МКРЕ (ICRU Radiation dosimetry: x-rays and gamma-rays with maximum energies between 0,6 MeV and 50 MeV: Report № 14) измеряемой величиной в лучевой терапии является поглощенная доза в воде. Выбор воды в качестве стандартного материала обусловлен тем, что радиационные свойства воды, характеризующиеся коэффициентами поглощения, рассеяния, тормозной способности и т.п. близки к таковым для биологической ткани в широком диапазоне энергий фотонного и электронного излучений; состав воды строго постоянен, ее легко получить везде в чистом виде; в литературе накоплено много данных по дозным полям и дозным распределениям в воде.

В лучевой терапии происходит постепенная замена радионуклидных источников на ускорители электронов и рентгеновские аппараты. Рентгеновское излучение доступно в большинстве онкологических клиник и очень широко применяется для целей лучевой терапии.

Стоящий во главе государственной поверочной схемы для средств измерений поглощенной дозы Государственный первичный эталон единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-95 к началу данной работы перекрывал энергетический диапазон фотонного излучения от 0,6 МэВ до 50 МэВ и не охватывал область рентгеновского излучения.

Расширение энергетического диапазона ГЭТ 38-95 позволит обеспечить необходимую точность измерений доз рентгеновского излучения в лучевой терапии, возможность проведения испытаний и поверки средств измерений поглощенной дозы фотонного излучения в низкоэнергетическом диапазоне.

Цель работы:

Расширение энергетического диапазона фотонного излучения Государственного первичного эталона поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ38-95 в область низких энергий от 15 до 250 кэВ с целью обеспечения требуемого уровня точности измерений поглощенной дозы в клинической дозиметрии рентгеновского излучения.

Предмет исследований:

Методы и средства воспроизведения и передачи единицы поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

Объект исследований:

Дозиметрия рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне от 15 до 250 кэВ.

Основная научная задача:

Разработка методов и средств воспроизведения единицы поглощенной дозы в графите и перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

Частные научные задачи:

1) Создание калориметров, позволяющих воспроизводить единицу поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазонах энергий от 15 до 50 кэВ и от 50 до 250 кэВ.

2) Разработка методов и средств обеспечения адиабатических условий в калориметрах, систем калибровки калориметров и оптимизация отношения сигнал - шум электрического сигнала калориметра.

3) Анализ составляющих неисключенной систематической погрешности (НСП) воспроизведения единицы поглощенной дозы. Определение поправок к значению поглощенной дозы, обусловленных наличием вакуумных зазоров в конструкции калориметров и тепловыми потерями.

4) Определение значения эффективной массы поглотителя калориметра с учетом энергетического спектра рентгеновского излучения.

5) Разработка методов и средств, позволяющих перейти от дозы на глубине графитового фантома к дозе на поверхности.

6) Разработка методов определения отношений массовых коэффициентов поглощения энергии для графита и воды для спектров рентгеновского излучения, используемых в лучевой терапии.

7) Разработка методов и средств перехода от поглощенной дозы в графите к дозе в воде в глубине водного фантома и на поверхности водного фантома.

8) Анализ составляющих неопределенности определения поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) Разработанный аппаратурно-методический комплекс, основанный на применении нового материала «графлекс» в калориметре, с компьютеризированной системой управления, измерения, сбора и обработки данных, обеспечивает воспроизведение единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазонах энергий от 15 до 50 кэВ с НСП 0,63 %, СКО 0,2 % и от 50 до 250 кэВ с НСП 0,35 %, СКО 0,2 %.

2) Разработанная графитовая экстраполяционная ионизационная камера в графитовом фантоме, позволяет определять значение поглощенной дозы на поверхности графитового фантома с использованием данных измерений поглощенной дозы на глубине фантома с помощью калориметра и воспроизводить единицу поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ с НСП 1,5 %, СКО 0,1 %.

3) Разработанная совокупность методов и средств измерений, а также полученные зависимости поправочных коэффициентов от энергии излучения, позволяют осуществить переход от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде и получить значение поглощенной дозы рентгеновского излучения в воде в диапазоне энергий от 15 до 50 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 2,5 % (К = 2) и от 50 до 250 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 1,8 % (К = 2).

4) Созданные средства измерений позволяют определять поглощенную дозу в воде протонного излучения косвенным методом в диапазоне энергий

протонов 50-400 МэВ с расширенной неопределенностью не превышающей 3 % (К=2).

Научная новизна:

1) На основе предложенного применения нового материала «графлекс» (графитовая фольга 0,12 мм чистоты 99,99) и исследования энергетического спектра рентгеновского излучения, позволившего определить эффективную массу калориметра и значения массовых коэффициентов поглощения энергии, впервые создан аппаратурный комплекс, позволяющий воспроизводить единицу поглощенной дозы фотонного излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

2) Разработана графитовая экстраполяционная ионизационная камера в графитовом фантоме с входным окном из «графлекса». Использование экс-траполяционной ионизационной камеры для определения поглощенной дозы на поверхности графитового фантома позволяет учесть нарушение электронного равновесия на границе графит-воздух, обусловленное вкладом в ионизацию Оже-электронов, имеющим пробег в воздухе 0,2 мм.

3) Разработаны методы перехода от поглощенной дозы в графите к дозе в воде в точках на поверхности и глубине водного фантома, учитывающие спектральное распределение рентгеновского излучения.

Практическая значимость:

1) Обеспечено воспроизведение единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

2) Разработанные калориметры позволяют проводить измерениями в диапазоне энергий рентгеновского излучения и в поле излучения радионуклида

Со, что в свою очередь обеспечивает подтверждение точности воспроизведения единицы на уровне международных ключевых сличений.

3) Реализованы методы позволяющие осуществлять передачу единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы в воде клиническим дозиметрам для рентгеновского излучения с необходимой для качественного лечения пациентов точностью.

4) Получена возможность проводить испытания новых средств измерений в диапазоне энергий рентгеновского излучения, проводить поверку и калибровку высокоточных дозиметров.

5) Обеспечена возможность определения поглощенной дозы и флюенса протонного излучения для целей лучевой терапии и проведения испытаний аппаратуры на радиационную стойкость.

Внедрение

Разработанные средства измерений были рассмотрены Межведомственной комиссией и включены в состав Государственного первичного эталона единицы поглощенной дозы фотонного и электронного излучения ГЭТ 38-2011. Это позволило расширить энергетический диапазон воспроизведения единицы поглощенной дозы в область рентгеновского излучения (от 15 :;о 250 кэВ).

Личный вклад автора Вся работа, изложенная в диссертации, выполнена автором лично.

Степень достоверности результатов работы Достоверность результатов выполненной работы подтверждается следующим:

1) Актом «Государственных испытаний Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011», составленным Межведомственной комиссией. См. приложение № 2.

2) Результатами сличений разработанных калориметров с калориметром, входящим в состав Государственного первичного эталона поглощенной дозы ГЭТ 38-95 в поле гамма-излучения Со-60. Метрологические характеристики Государственного первичного эталона ГЭТ 38-95 подтверждены результатами ключевых сличений, проведенных в ВГРМ (2009г.).

Апробация работы Основные положения работы докладывались на 4-й конференции по метрологическому обеспечению измерений в Росатоме (Сочи, 2010 г.), на конференциях молодых специалистов ФГУП "ВНИИФТРИ" (2012, 2013 г).

Основные положения работы отражены в 4 научных статьях в журналах "Измерительная техника", " Metrología ", «АНРИ»', «Приборы и техника эксперимента».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по результатам диссертационной работы, библиографического списка, состоящего из 79 наименований. В приложении к диссертации представлены: 1) Акт «Государственных испытаний Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011», составленный Межведомственной комиссией; 2) Приказ № 294 Госстандарта «Об утверждении Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений.»

Во введении описана актуальность темы диссертации, изложен принцип воспроизведения единицы поглощенной дозы, приведен анализ методов и средств воспроизведения единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в России и за рубежом. Сформулированы цели и задачи работы.

В главе 1 проводится анализ методов определения поглощенной дозы рентгеновского излучения в воде.

К моменту начала данной работы Государственный первичный эталон единицы поглощенной дозы фотонного и электронного излучения ГЭТ 38-95 позволял воспроизводить единицы поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы в энергетическом диапазоне от 0,6 до 50 МэВ и не охватывал область рентгеновского излучения. Наиболее распространённый метод дозиметрии в лучевой терапии основан на использовании ионизационных камер. Основная характеристика ионизационной камеры - коэффициент чувствительности jV/>, являющийся отношением значения поглощенной дозы к вели-

чине ионизационного тока, измеряемого ионизационной камерой. Чтобы обеспечить неопределенность результатов измерений дозиметрами в 3 %, неопределенность значения коэффициента чувствительности должна быть не более 2 %.

В настоящее время в области энергий от 15 до 250 кэВ коэффициент чувствительности Ыпв определяется путем перехода от измерений кермы в воздухе к поглощенной дозе в воде расчетным путем. Неопределенность значения коэффициента чувствительности ЫВв, полученного таким способом, оценивается в 4 %. Приведенное значение чувствительности не позволяет удовлетворить требования к неопределенности результатов измерений дозы для пациента.

В 2000 г. были выпущены Международные практические рекомендации по определению поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии, основанные на эталонах поглощенной дозы ГОШ Т118-398. В этом докладе отмечается, что к настоящему времени накоплен очень небольшой опыт в области первичных эталонов единицы поглощенной дозы низкоэнергетического рентгеновского излучения.

В ходе работы был проведен анализ наиболее точных методов измерений поглощенной дозы рентгеновского излучения, используемых как в России, так и за рубежом. Наиболее точным методом является определение поглощенной дозы в воде с помощью водного калориметра, применяемого в РТВ, Германия. Он позволяет воспроизводить значение поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 40 до 140 кэВ с погрешностью в 2,1 %. В России во ВНИИМ существует специальный эталон поглощенной дозы рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 20 до 60 кэВ, основанный на графитовом калориметре, позволяющем воспроизводить единицу поглощенной дозы в графите с СКО 1,5 % и неисключенным остатком систематической погрешности 1 % (ГОСТ 8.203-76).

Отсюда можно сделать следующие выводы:

1)Метод РТВ с применением водного калориметра не охватывает диапазон энергий рентгеновского излучения, применяемый на практике в лучевой терапии и рассматриваемый в данной работе.

2)В диапазоне энергий рентгеновского излучения менее 50 кэВ измерения поглощенной дозы должны относиться к поверхности фантома, однако метод с применением водного калориметра не обеспечивает такие условия.

3)Графитовый калориметр, применяемый во ВНИИМС, также не покрывает рассматриваемый диапазон энергий рентгеновского излучения, а расширенная неопределенность результатов измерений поглощенной дозы в графите составляет 3,2 %, что не позволяет определить поглощенную дозу в воде с требуемой точностью.

В главе 2 приводится обоснование выбора метода воспроизведения единицы поглощенной дозы в графите. Описывается разработка и создание методов и средств воспроизведения поглощенной дозы в графите. Приводятся результаты исследований по определению метрологических характеристик разработанного аппаратурно-методического комплекса.

Наиболее точным и близким к определению поглощенной дозы методом является калориметрический, позволяющий определить количество энергии, поглощенной в массе вещества.

В первом и втором разделах второй главы описана разработка и создание первичных преобразователей - графитовых калориметров. Приведено обоснование выбора технических решений при конструировании, выбора материалов, применяемых при создании калориметров. Описана разработанная рентгеновская установка.

Особенности дозиметрии рентгеновского излучения создают ряд проблем, которые необходимо разрешить, чтобы обеспечить возможность использования калориметрического метода для определения поглощенной дозы. Основным при этом является то, что в рассматриваемом диапазоне энергий пробеги первичных фотонов и вторичных электронов, образующихся при взаимодействии излучения с веществом поглотителя, в твердых и жидких средах очень малы, что требует использования поглотителя и других элементов калориметра с малой толщиной. В этом случае роль примесей и элементов, включаемых в поглотитель для его градуировки и измерения температуры (термисторы, подводящие провода, лавсановая пленка, клей) резко возрастает. Связано это с тем, что в области низких энергий фотонов поглощение энергии излучения в сильной степени зависит от атомного номера вещества, который у указанных элементов, как правило, выше, чем у основного материала поглотителя — графита.

В рассматриваемом диапазоне энергий резко возрастает роль ослабления излучения веществом калориметра. Происходит значительное ослабление падающего излучения на пути от поверхности калориметра до его чувствительного объема - поглотителя, а также возникает неравномерность распределения поглощенной дозы по толщине поглотителя. Эти обстоятельства обуславливают нецелесообразность использования конструкторских решений, применявшихся ранее.

В связи с этим было необходимо минимизировать массу и геометрические размеры элементов калориметра.

Уменьшение размеров элементов конструкции ведет за собой резкое увеличение вклада в поглощенную дозу материалов, входящих в конструкцию. Это привело к необходимости минимизировать содержание элементов конструкции, отличных от графита.

По рекомендациям протокола ТЯБ 398 для дозиметрии в лучевой терапии при использовании рентгеновского излучения «низкой» энергии от 15 кэВ до 50 кэВ измерения следует проводить с помощью плоскопараллельных ионизационных камер. Их калибровка осуществляется на поверхности водного фантома - ионизационная камера размещается в фантоме таким образом, чтобы точка измерения находилась на поверхности фантома.

Для дозиметрических измерений рентгеновского излучения «высоких» энергий от 50 кэВ до 250 кэВ используются ионизационные камеры наперсткового типа. Их калибровка осуществляется в водном фантоме на глубине 2 г/см2. Ионизационная камера размещается в водном фантоме таким

образом, чтобы центр чувствительного объема камеры находился на глубине 2 г/см2 от поверхности фантома.

Границы упомянутых диапазонов перекрываются по энергии в интервале от 40 до 70 кэВ, где могут использоваться ионизационные камеры обоих типов.

Для того чтобы осуществить воспроизведение единицы поглощенной дозы в условиях, соответствующих рекомендациям ТЯ8-398, были разработаны два адиабатических калориметра РГ-1 и РГЭ-2, позволяющие перекрыть энергетический диапазон фотонного излучения от 15 кэВ до 250 кэВ.

Калориметр РГ-1 предназначенный для воспроизведения единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы рентгеновского излучения с эффективной энергией фотонов от 15 до 50 кэВ изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Адиабатический калориметр РГ-1.

Для уменьшения искажений рентгеновского излучения, вносимых элементами калориметра поглотитель калориметра, изготовлен из нового материала - «графлекса» толщиной 0,2 мм. В поглотитель калориметра вмонтированы два микротермистора Уесо диаметром 0,12 мм номиналом 20 кОм при 20 °С. Температурный коэффициент сопротивления термисторов приблизительно равняется 3,9 %/°С.

Один из них служит для определения количества тепла, выделившегося при облучении, другой используется в качестве нагревательного элемента для градуировки калориметра с помощью выделяемой в термисторе мощности электрического тока. Использование термистора вместо проволочного нагревательного элемента позволяет минимизировать содержание материалов, отличных от графита в поглотителе калориметра. Поглотитель калориметра окружает первая оболочка, снабженная проволочным нагревательным элементом. Ее назначение уменьшать температурный дрейф поглотителя. В процессе облучения первая оболочка нагревается с такой же скоростью, что и поглотитель, создавая, таким образом, адиабатические условия. Вторая оболочка снабжена нагревательным элементом и термистором для контроля температуры. Температура этой оболочки регулируется с помощью терморегулятора. Торцы первой оболочки и торец второй оболочки, направленный в сторону излучения также изготовлены из «графлекса» толщиной 0,1 мм. Зазоры между элементами калориметра составляют 0,5 мм. Для уменьшения

теплового излучения поверхности элементов калориметра, за исключением поглотителя, покрыты тонкой (0,006 мм) алюминизированной лавсановой пленкой.

Калориметр (поглотитель вместе со всеми оболочками) располагается внутри графитового фантома. Расположение калориметра относительно фантома осуществлено таким образом, чтобы реализовать условия измерения поглощенной дозы в точке, близкой к поверхности фантома.

С помощью турбомолекулярного насоса во внутреннем объеме калориметра поддерживается вакуум, что позволяет минимизировать тепловой обмен между частями калориметра.

Калориметр РГЭ-2 предназначенный для воспроизведения единиц дозы и мощности дозы фотонного излучения в диапазоне энергий от 50 кэВ до 250 кэВ представлен на рисунке 2. Калориметр состоит из поглотителя, представляющего собой графитовый диск диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Поглотитель окружен двумя оболочками, изготовленными из того же графита, и частью графитового фантома.

Рисунок 2. Адиабатический калориметр РГЭ-2.1 - калориметр в разрезе. II -составные части калориметра. III - Калориметр, уставленный на рентгеновской установке.

Конструкция этого калориметра разработана таким образом, чтобы по мере необходимости можно добавлять к фантому графитовые диски. Это позволяет реализовать условия воспроизведения единицы на различных глубинах.

Для определения поглощенной дозы в графите Ог, отнесенной к точке, совпадающей с геометрическим центром поглотителя калориметра, сравнивают изменение сопротивления «измерительного» термистора поглотителя при радиационном и калибровочным нагреве с помощью электрического тока:

2 М,,;, Д1/„ (О

где I — сила электрического тока, протекающего через нагревательный элемент поглотителя калориметра во время градуировки калориметра (сила тока определяется по падению напряжения на мере сопротивления Р3030);

ит— падение напряжения на нагревательном элемента;

I — длительность выделения электрической мощности в поглотителе калориметра;

(Ли^рад и (Лил1)э_, - изменение выходного напряжения мостовой схемы при облучении ионизирующим излучением и при градуировке калориметра электрическим током;

Пк, — произведение поправочных коэффициентов:

квз — коэффициент, учитывающий искажение спектра фотонов вакуумными зазорами внутри калориметра;

ктп - коэффициент, учитывающий потери тепла от поглотителя по подводящим проводам;

кг— коэффициент, учитывающий градиент мощности поглощенной дозы в радиальном и аксиальном направлении в поглотителе;

ктд — коэффициент, учитывающий «тепловой дефект» в материалах, входящих в состав поглотителя калориметра. «Тепловой дефект» - это относительная доля поглощенной энергии ионизирующего излучения, которая затрачивается либо дополнительно выделяется в результате радиационно-химических реакций, протекающих при взаимодействии излучения с веществом;

МЭф — эффективная масса поглотителя калориметра.

Понятие эффективной массы вводится в связи с тем, что в поглотителе калориметра помимо графита присутствуют элементы, такие как термисторы, подводящие провода и т.д., вносящие вклад в значение поглощенной дозы.

Эффективная масса поглотителя калориметра определяется из соотношений: | |

Мэф-тг+^г СТ ' (2)

где тг — масса графита поглотителя;

/И; — масса ¡-го материала, входящего как примесь в состав поглотителя (термистор, подводящие провода, клей, изолятор);

(У-еп.т>1 /(Иеп.т)г~ отношение массовых коэффициентов поглощения энергии ¡-го материала и графита, усредненных по действующему спектру фотонного излучения.

Значение массового коэффициента поглощения энергии зависит от энергии падающего излучения. Для энергий фотонного излучения более 250 кэВ коэффициент по мере изменения энергии изменяется незначительно. В области низких энергий изменение коэффициента в зависимости от энергии становится существенным.

Так как рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр, то возникает необходимость определения коэффициента, отнесенного к спектру излучения.

Усреднение массовых коэффициентов поглощения энергии по спектру фотонного излучения осуществляется по формуле:

где: Ч'е - энергетический спектр фотонного излучения.

Энергетический спектр фотонного излучения определяется с помощью спектрометра на основе Сё-Те детектора. При этом крайне важно учитывать то, что спектр, получаемый с помощью спектрометра, является «аппаратурным». То есть в нем присутствуют линии, обусловленные взаимодействием излучения с материалом детектора. Был разработан метод восстановления «реального» спектра из «аппаратурного» спектра рентгеновского излучения.

Суть метода заключается в следующем. В ходе исследований были установлены основные факторы, обуславливающие искажение реального спектра. Для этих целей использовались аттестованные спектрометрические гамма-источники. Наиболее существенными факторами являются: распределение Гаусса пика полного поглощения, комптоновское рассеяние излучения материалом детектора, обратное рассеяние, пики выхода. Для каждого источника были найдены линии спектра, не вошедшие в пик полного поглощения из-за наличия вышеуказанных факторов. На основании полученных данных была определена связь между не вошедшими в пик полного поглощения линиями и энергией падающего излучения с учетом вероятности регистрации спектрометра. Эти данные были экстраполированы на диапазон энергий непрерывного рентгеновского излучения. Благодаря этому стало возможным определить реальный спектр излучения от рентгеновского аппарата.

Для проведения измерений с калориметром была разработана компьютеризированная система сбора и обработки данных. Измерения с помощью калориметров проводят следующим образом. Один из термисторов поглотителя, предназначенный для измерения изменения температуры поглотителя, включен в плечо мостовой схемы. Питание мостовой схемы осуществляется с помощью источника тока КейЫеу 6221. Выходное напряжение мостовой схемы измеряется нановольтметром КекЫеу 2182А. Программное обеспечение по разработанному алгоритму позволяет осуществлять процесс термостатирования калориметра по определенному профилю (с линейным изменением уставки), что делает возможным добиться адиабатических условий измерений в течение более длительного времени. ,

В случае измерений поглощенной дозы фотонного излучения 60Со характерная калориметрическая кривая выглядит следующим образом (рисунок 3):

(3)

Темпер ааурный дрейф

Ji-

ni

Нагрев

Температурный дрейф

__________________"Jf"

12

I, с

Рисунок 3 - Характерный вид калориметрической кривой для энергий фотонного излучения б0Со. I - участок дрейфа температуры поглотителя, II - участок нагрева излучением или во время калибровки, III - участок дрейфа температуры поглотителя после нагрева, IV - изменение сигнала пропорционально поглощенной дозе.

Для рентгеновского излучения форма калориметрической кривой искажается и имеет вид, представленный на рисунке 4:

да

1.523 1.522

^ 1-521 1.52

1.518

1.516 1.515 1.514 1.513

В

600

620

640 660 680 700 720 740 760 780 С

Рисунок 4. Характерный вид калориметрической кривой для рентгеновского излучения.

В ходе исследований было установлено, что искажение калориметрической кривой связано с так называемым «эффектом термистора». Этот эффект обуславливается тем, что зависимость массовых коэффициентов поглощения энергии материалов, входящих в состав калориметра и графита от энергии в области низких энергий рентгеновского излучения сильно различаются.

В результате под действием излучения скорость нагрева термистора оказывается значительно выше, чем у окружающего его графита.

С помощью компьютеризированной системы сбора и обработки данных кривая анализируется. Программное обеспечение по разработанному алгоритму аппроксимирует отдельные участки кривой, находит точки перегиба. Вычисляется изменение напряжения с мостовой схемы при облучении

ионизирующим излучением и при градуировке калориметра электрическим током. Это изменение пропорционально поглощенной дозе.

Для формирования поля рентгеновского излучения, необходимого для воспроизведения единицы поглощенной дозы, была создана специальная рентгеновская установка. Рентгеновская установка включает в себя следующие элементы: рентгеновский аппарат Isovolt Titan Е, стол с направляющими, по которым перемещается приборный столик, коллимационный узел, электромагнитный затвор, систему лазерного позиционирования, линейку, диск с набором фильтров, монитор-проходную плоскопараллельную ионизационную камеру, пульт управления. При проведении измерений средства измерений размещаются на приборном столике, юстировка их в поле излучения осуществляется с помощью лазеров. Размер поля излучения в месте размещения СИ задается с помощью сменного коллиматора. Качество пучка рентгеновского излучения, характеризующее его энергетическое распределение, варьируется путем изменения высокого напряжения на трубке рентгеновского аппарата и использования фильтров из разных материалов и разной толщины, которые размещаются в диске. Время облучения с дискретностью 0,01 с задается с помощью таймера, который управляет электромагнитным затвором, перекрывающим пучок излучения. Управление рентгеновской установкой дистанционное, оно осуществляется с помощью пульта управления. Внешний вид рентгеновской установки представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Внешний вид рентгеновской установки. В третьем разделе второй главы описывается разработка автоматизированной система управления, сбора и обработки данных калориметрической установки (ССД). '

ССД необходима для обеспечения адиабатических условий работы калориметра. Ее можно условно разделить на три составляющие: система обеспечения необходимых для работы калориметра условий, система измерения параметров калориметра, система обработки данных, полученных в ходе калориметрического процесса.

Система обеспечения необходимых для работы калориметра условий выполняет следующие задачи: осуществляет процесс термостатирования 2-й оболочки калориметра, в результате чего размах флуктуаций сигнала с тер-

-мистора поглотителя не превышает 50 нВ; осуществляет линейное изменение температуры термостатирования в процессе измерения поглощенной дозы или калибровочного нагрева.

Система измерения параметров калориметра использует функцию «дельта» режима нановольтметра с источником тока, что позволяет минимизировать шумы измерительной схемы. Суть функции заключается в том, что источник тока подает питающий ток в измерительную мостовую схему импульсами, последовательно меняя полярность. Нановольтметр синхронизируется с источником тока и производит измерения одновременно с подачей импульса тока.

Система обработки данных, полученных в ходе калориметрического процесса, обрабатывает калориметрическую кривую, путем применения алгоритма нахождения точек перегиба, и аппроксимации полученных участков кривой.

В пятом разделе второй главы представлены результаты исследований, направленных на определение случайной погрешности и составляющих систематической погрешности при воспроизведении единицы поглощенной дозы.

Описываются исследования факторов, вносящих искажения в распределение излучения в калориметре при воспроизведении единицы поглощенной дозы и, тем самым, вносят вклад в систематическую погрешность.

Необходимость определения и учета этих факторов обуславливается тем, что значение поглощенной дозы должно быть определено в точке гомогенного материала. В действительности поглощенная доза определяется в точке графитового калориметра, имеющего вакуумные зазоры, элементы, отличные от графита, что приводит к искажению поля излучения.

Факторы искажения поля излучения учитываются путем внесения поправочных коэффициентов в значение поглощенной дозы.

Основными источниками систематической погрешности являются искажение спектра фотонов вакуумными зазорами внутри калориметра, потери тепла от поглотителя по подводящим проводам, градиент мощности поглощенной дозы в радиальном и аксиальном направлениях в поглотителе, «тепловой дефект» в материалах, входящих в состав поглотителя калориметра. Значения поправочных коэффициентов, определенных в результате проведенных исследований, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Поправочные коэффициенты.

Наименование исследования Метод исследования Результат исследования

к„ - коэффициент, учитывающий искажение спектра фотонов вакуумными зазорами внутри калориметра. Экспериментальный с использованием плоскопараллельной ионизационной камеры и теоретический Е, кз В к„

15 1,035

50 1,033

100 1,030

150 1,027

200 1,025

250 1,024

ктп - коэффициент, учитывающий потери тепла от поглотителя по подводящим проводам. Теоретический кга = 0,9989

кг- коэффициент, учитывающий градиент мощности поглощенной дозы в радиальном и аксиальном направлении в поглотителе. Экспериментальный с применением ионизационных камер кг =1,0015

ктл- коэффициент, учитывающий «тепловой дефект» в материалах, входящих в состав поглотителя калориметра. Теоретический ктд =1,0000

В таблице 2 приведены составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы поглощенной дозы адиабатическим калориметром РГ-1.

Таблица 2. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы поглощенной дозы (РГ-1). _

Источники погрешности, неопределенности ЭоЮ2 бо'Ю2 ниЮ2 иов Ю2

0,15 0,09

М,ф 0,25 0,14

(дим)м„ 0,2 0,05 0,2 0,03

V 0,30 0,17

ктп 0,15 0,09

кп> 0,05 0,03

ктл 0,02 0,01

Суммарные значения 0,2 0,45 0,2 0,26

Суммарный остаток неисключенной относительной систематической погрешности НСП (Р = 0,99) 0,63 %. Суммарная расширенная неопределенность с коэффициентом охвата к = 2 0,66 %.

В таблице 3 приведены составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы поглощенной дозы адиабатическим калориметром РГЭ-2.

Таблица 3. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы поглощенной дозы (РГЭ-2). _

Источники погрешности, неопределенности Бо' 102 Оо 'Ю2 иол' 102 иов' Ю2

и„ 0,15 0,09

м,ф 0.05 0,03

(ди„)р.„ 0,2 0.05 0,2 0,03

к„ 0,13 0,08

ктп 0,12 0,07

кп> 0,05 0.03

ктд 0,01 0,01

Суммарные значения 0,2 0,25 0,2 0,15

Суммарный остаток неисключенной относительной систематической погрешности НСП (Р = 0,99) оценивается в 0,35 %.

Суммарная расширенная неопределенность с коэффициентом охвата к = 2 оценивается в 0, 5 %.

Вывод: разработанный аппаратурно-методический комплекс, основанный на применении нового материала «графлекс» в калориметре, с компьютеризированной системой управления, измерения, сбора и обработки данных, обеспечивает воспроизведение единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазонах энергий от 15 до 50 кэВ с НСП 0,63 %, СКО 0,2 % и от 50 до 250 кэВ с НСП 0,35 %, СКО 0,2 %.

В главе 3 описывается разработка метода воспроизведения поглощенной дозы в графите с помощью экстраполяционной ионизационной камеры.

Дозиметры на основе ионизационных камер, в принципе, также могут быть использованы для воспроизведения поглощенной дозы фотонного излучения в графите. Чувствительный объем ионизационной камеры, как правило, заполнен окружающим воздухом. Поглощенная доза в воздухе в чувствительном объеме ионизационной камеры йв03д связана с зарядом (5, образованном в массе воздуха внутри камеры теоздсоотношением:

Аю*) = (<2/ттзд) -р¥в03д/е), (4)

где (1¥в03/е) — средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов в сухом воздухе, отнесенная к заряду электрона. Если стенки камеры сделаны из графита, а воздушная полость мала по сравнению с пробегом вторичных электронов, и толщина стенок достаточна для накопления вторичных электронов (т.е. не меньше длины пробега самых быстрых вторичных электронов), то доза в графите Ц, связана с дозой в воздухе воздушной полости соотношением Брэгга-Грэя, модифицированным Спенсером-Аттиксом:

А = Овозд-(1Ур)геозд, (5)

где (Ь/р)гво3д - отношение массовых тормозных способностей электронов, усредненных по спектру электронного излучения для графита и воздуха.

Для того чтобы определить поглощенную дозу в воздухе по соотношению (4), необходимо знать с достаточной точностью значение энергии ценообразования, а также массу воздуха в полости, для чего необходимо знать размеры полости. Рекомендованное 1СГШ значение энергии новообразования составляет 0Увозд/е) = (33,85 ± 0,15) Дж/Кл, оно определено как среднее значение по ряду экспериментов с применением графитовых калориметров и графитовых ионизационных камер в графитовом фантоме. Определение чувствительного объема камеры является сложной задачей. Сделать это с требуемой для эталона точностью достаточно трудно, кроме того воздушная полость внутри камеры искажает спектр фотонного излучения. Эффект от этого искажения необходимо определять и учитывать при расчете дозы в графитовом фантоме. Поскольку в конечном итоге необходимо определять поглощенную дозу в точке гомогенного графитового фантома, необходимо помещать камеру в фантом, замещая при этом часть графита фантома конструктивными элементами ионизационной камеры, что вносит дополнитель-

ное искажение спектра фотонного излучения. Эти недостатки полостной ионизационной камеры не позволяют использовать ее для воспроизведения единицы поглощенной дозы. Во многом указанные проблемы можно решить, если использовать экстраполяционную ионизационную камеру.

Экстраполяционная ионизационная камера представляет собой плоскопараллельную ионизационную камеру с широким охранным электродом и с изменяемым объемом. Объем меняется за счет изменения расстояния между собирающим и потенциальным электродом. В этом случае задача сводится к определению производной с!()/с1т, т.е. определяется изменение заряда (или тока) dQ, образуемого в объеме камеры, отнесенное к изменению массы воздуха йт в объеме камеры. Если экстраполяционная ионизационная камера сделана из графита, то из соотношений (4) и (5) следует:

Ог = №Ш)-(1¥втУе)-(1/р)гвозд = №/ск)-(1/$р)-(\¥возд/е)-(Ь/рУ>тзд1 (6) где 5 - площадь собирающего электрода, р — плотность воздуха,

с1х - изменение расстояния между собирающим и потенциальным электродами.

Таким образом, задача сводится к измерению заряда (или тока), определению площади (диаметра) собирающего электрода и изменения расстояния между электродами.

Разработанная в ходе выполнения работы экстраполяционная ионизационная камера изображена на рисунке 6.

Рисунок 6. Экстраполяционная ионизационная камера В результате метрологических исследований разработанного метода определения поглощенной дозы в графите с помощью экстраполяционной ионизационной камеры было определено значение расширенной 'суммарной неопределенности результата измерений мощности поглощенной дозы в графите - 1,5 % (К = 2).

Вывод: разработанная графитовая экстраполяционная ионизационная камера в графитовом фантоме, позволяет определять значение поглощенной дозы на поверхности графитового фантома с использованием данных измерений поглощенной дозы на глубине фантома с помощью калориметра и воспроизводить единицу поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ с НСП 1,5 %, СКО 0,1 %.

В главе 4 описываются разработка методов и средств перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде.

В первом разделе четвертой главы приводится обоснования выбранного метода. В диапазоне энергий 50-250 кэВ переход осуществляется с помощью наперстковой ионизационной камерой, которая помещается сначала в графитовый фантом в точку, где мощность дозы измерена калориметром, а затем в водный фантом размером (30x30x30) см на глубине 2 г/см2. Мощность поглощенной дозы в воде определяется из соотношения:

где - мощность поглощенной дозы в графите в реперной точке графито-

г

вого фантома;

- отношение ионизационных токов камеры в реперных точках водного и графитового фантомов;

~ отношение массовых коэффициентов поглощения энергии для воды и графита усредненных по действующему спектру фотонного излучения;

Р ег - отношение поглощенной дозы к керме столкновений в реперных точках водного (в) и графитового (г) фантомов;

р „,г - поправочный коэффициент, учитывающий замещение воды графитом объемом, равным всему объему ионизационной камеры.

В случае перехода от поглощенной дозы в воде к поглощенной дозе в графите в диапазоне энергий менее 50 кэВ необходимо учитывать, что все измерения относятся к точке на поверхности водного и графитового фантомов. Так как физически невозможно осуществить измерение непосредственно на поверхности фантома, необходимо было разработать метод перехода от измерений поглощенной дозы на глубине к поглощенной дозе на поверхности фантома. Для решения этой задачи была применена разработанная экс-траполяционная ионизационная камера. Ионизационная камера практически полностью, за исключением нескольких составляющих, состоит из графитовых компонентов и вмонтирована в графитовый фантом. Это позволяет избежать возмущения спектра рентгеновского излучения материалами, отличными от графита. Для перехода от поглощённой дозы на глубине фантома к поглощенной дозе на поверхности проводятся последовательные измерения с помощью экстраполяционной ионизационной камеры с экстраполяцией к нулевому зазору между электродами. Перед камерой ставятся графитовые фильтры, суммарная толщина которых постепенно уменьшается, и осуществляется экстраполяция полученных результатов измерений к «нулевой» толщине.

В диапазоне энергии рентгеновского излучения менее 50 кэВ мощность поглощенной дозы в воде ^ определяется из соотношения:

в

в

^ /в,г

где £) - мощность поглощенной дозы в графите в реперной точке графито-

г

вого фантома;

1в,г - отношение ионизационных токов камеры в реперных точках водного и графитового фантомов;

(РеМа.г

— отношение массовых коэффициентов поглощения энергии для воды и графита, усредненных по действующему спектру фотонного излучения.

Однако необходимо учитывать, что спектры рентгеновского излучения на поверхности водного фантома и графитового фантома разные за счет обратного рассеяния. Соответственно, в метод определения отношения массовых коэффициентов поглощения энергии необходимо было внести дополнительные коррективы, учитывающие наличие в спектре излучения обратного рассеяния от фантома. Для того чтобы определить спектр излучения на поверхности фантома с учетом рассеянного излучения, были проведены исследования с использованием аттестованных спектрометрических источников гамма-излучения. На основании полученных данных была определена связь между энергией пика полного поглощения и энергетическим распределением рассеянного излучения в зависимости от энергии падающего излучения. А так же связь между интенсивностью пика полного поглощения и интенсивно-стями линий спектра рассеянного излучения в зависимости от энергии падающего излучения. Это позволило внести в спектр падающего излучения поправки, учитывающие рассеянное излучение.

Во втором разделе четвертой главы описываются исследования, направленные на определение метрологических характеристик разработанных методов и средств перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде.

В результате исследований были определены и учтены наиболее существенные эффекты, влияющие на точность определения поглощенной дозы (таблица 4).

Таблица 4. Составляющие неопределенности определения поглощенной дозы в воде. _

Составляющие неопределенности Относительная стандартная неопределенность, %

от 15до50кэВ от 50 до 250 кэВ

«м-Ю2 Моя'Ю2 им-Ю2 Иов'102

Отношение массовых коэффициентов поглощения энергии, (ц^рМцМс 1,12 0,87

Поправка на замещение воды графитом (р^с) 0,1 0,1

Отношение поглощенной дозы к керме столкновений ф*/рс) 0,05 0,05

Положение камеры в графите 0,05 0,05

Положение камеры в воде 0,05 0,05

Измерение отношения ионизационных токов 0,05 0,05 0,05 0,05

Отношение поправочных коэффициентов на давление и тем- 0,015 0,015

пературу ктг

Неопределенность перехода от дозы на глубине к дозе на поверхности 0,29

Неопределенность определения поглощенной дозы в графите 0,2 0,23 0,2 0,15

Суммарная относительная стандартная неопределенность мощности поглощенной дозы в воде О» 1,24 0,91

Расширенная неопределенность (К = 2) 2,48 1,83

Вывод: разработанная совокупность методов и средств измерений, а так же полученные зависимости поправочных коэффициентов от энергии излучения, позволяют осуществить переход от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде и получить значение поглощенной дозы рентгеновского излучения в воде в диапазоне энергий от 15 до 50 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 2,5 % (К = 2) и от 50 до 250 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 1,8 % (К = 2).

В главе 5 описывается применение разработанных средств измерений для измерений параметров протонного излучения, а также перспективы их развития с целью расширения возможностей ГЭТ38-2011 в область протонного излучения, применяемого в лучевой терапии. Одним из наиболее перспективных методов лечения онкологических заболеваний является использование протонного излучения. Преимущества применения протонного излучения связаны с особенностями взаимодействия этого излучения с веществом, обусловленными наличием в распределении дозы по глубине пика Брэгга.

Исследования в рамках данной работы проводились на синхротроне в «Институте теоретической и экспериментальной физики» («ИТЭФ»). Для калибровки средств измерений, используемых в «ИТЭФ» для дозиметрии медицинского протонного пучка был использовался калориметр РГЭ-2. На рисунке 7 представлена калориметрическая кривая, полученная при измерениях в протонном пучке.

1.404

м

а

2 1.399

1.394

3000 3500 4000 4500 (, с 5000

Рисунок 7. Калориметрическая кривая при измерениях в поле протонного излучения с энергией 200 МэВ.

Калибровка используемых на синхротроне ИТЭФ средств измерений осуществлялась с использованием ионизационной камеры (ИК) и термолюминесцентных дозиметров (ТЛД). С помощью калориметра РГЭ-2 в поле гамма-излучения Со-60 была определена чувствительность дозиметра с ионизационной камерой и комплекта из 25 штук термолюминесцентных дозиметров.

При измерениях в поле протонного пучка на синхротроне, ионизационная камера и ТЛД размещаются в водном фантоме в точке, находящейся на

середине «размытого» пика Брэгга. Значение поглощенной дозы протонного излучения в воде при использовании ионизационной камеры определяется из соотношения:

IV.. ('Я«,, возд—

= Лг,

Мир„

(9)

ИК Со-60 "Со-60 V Ч"«од. еоздСо_б0

где МИКпр - показания дозиметра с ионизационной камерой в протонном пучке,

^лр» ^Со-йо" энергия ценообразования в воздухе для протонов и для гамма-излучения Со-60 соответственно,

( Р) ^ , > { /р) , - отношение тормозных способностей воды

г' вод, вогдгр 4 ' г' вод, воздСо_60 г

и воздуха для протонов и для гамма-излучения Со-60 соответственно,

Р„р - коэффициент возмущения флюенса протонов в результате внесения ионизационной камеры в водный фантом.

Значение поглощенной дозы протонного излучения в воде Г)„р при использовании ТЛД определяется из схожего соотношения:

г.

пр

£) _ МТЛД„Р _ _

р МТЛД Со-60 ^Со-60(%),

(10)

где МТЛДпр - показания ТЛД в протонном пучке,

вод, иГСо_60

№Со-60 иь■ №пРц7?- энергия возбуждения для Ь1Р для протонов и для гамма-

излучения соответственно,

пр

вод, иРСо_б0

— отношение тормозных способностей воды и

ЫБ для протонов и, для гамма-излучения Со-60 соответственно,

Р„р - коэффициент возмущения флюенса протонов в результате внесения ТЛД в водный фантом.

Суммарная расширенная неопределенность результата определения поглощенной дозы протонного излучения в воде с помощью ионизационной камеры составляет 2,8 %, с помощью ТЛД - 4,5 %.

Результаты измерений поглощенной дозы протонного излучения с энергией 200 МэВ в точке водного фантома с использованием различных методов и средств измерений приведены в таблице 5.

Таблица 5. Результаты измерений поглощенной дозы протонного излучение

Значения поглощенной дозы в воде, полученные с помощью ИК и ТЛД (ВНИИФТРИ) Значения поглощенной дозы в воде, полученные с помощью аппаратуры ИТЭФ Отклонение результатов измерений ИТЭФ от ВНИИФТРИ, %

ИК 21,00 сГр 20,77 сГр -1,1

ТЛД 20,51 сГр 20,77 сГр 1,3

Выводы: Использование ионизационных камер, прокалиброванных в поле гамма-излучения Со-60, для дозиметрии медицинских пучков протонного излучения позволяют получить удовлетворительные результаты. Созданные средства измерений позволяют определять поглощенную дозу в воде

протонного излучения косвенным методом в диапазоне энергий протонов 50400 МэВ с расширенной неопределенностью не превышающей 3 % (К=2). Однако для того, чтобы полностью удовлетворять потребностям практики необходимо расширять область применения Государственного первичного эталона поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ38-2011 и на протонное излучение. Предварительные исследования калориметра РГЭ-2 на синхротроне ИТЭФ в полях протонного излучения с энергией от 150 МэВ до 250 МэВ показали возможность адаптации калориметра для дозиметрии протонного излучения.

В заключении приводятся выводы о проделанной работе, анализ неопределенностей измерений при воспроизведении единиц. В результате работы были впервые созданы:

1) Калориметры, позволяющие в совокупности с разработанным измерительным аппаратурно-программным комплексом обеспечения калориметрических измерений и разработанными методами воспроизводить единицу поглощенной дозы в графите в диапазоне энергий от 15 кэВ до 250 кэВ.

2) Экстраполяционная ионизационная камера, позволяющая в совокупности с разработанными методами воспроизводить единицу поглощенной дозы в графите независимым от калориметрического методом, а также осуществлять переход от дозы на глубине фантома к дозе на поверхности фантома.

3) Метод перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде для рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 кэВ до 250 кэВ

В результате работы были исследованы:

1) Принципы воспроизведения единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения.

2) Особенности взаимодействия рентгеновского излучения с различными веществами и объектами.

3) Спектры рентгеновского излучения с целью определения значений эффективной массы калориметров, и массовых коэффициентов поглощения энергии.

4) Экстраполяционные кривые, полученные с помощью экстраполяционной ионизационной камеры с целью осуществления перехода от поглощенной дозы на глубине к поглощенной дозе на поверхности.

5) Вклад всех факторов, влияющих на погрешность воспроизведения единицы поглощенной дозы в графите рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэв

6) Вклад всех факторов, влияющих на погрешность перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэв

7) Метод определения поглощенной дозы в воде и флюенса протонного излучения в диапазоне энергий 50-400 МэВ с применением ионизационной камеры, прокалиброванной в пучке гамма-излучения Со-60 с помощью калориметра.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) Обеспечено воспроизведение единицы поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 кэВ до 250 кэВ.

2) Обеспечена передача единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы в воде клиническим дозиметрам для рентгеновского излучения.

3) Разработанный измерительный аппаратурно-методический комплекс вошел в состав Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011 (Приказ № 294 «Об утверждении Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений»). Это позволило расширить энергетический диапазон воспроизведения единицы поглощенной дозы от 0,6-50 МэВ до 0,015-50 МэВ.

4) Получена связь между измерениями в области рентгеновского излучения и излучения радионуклида 60Со, что в свою очередь обеспечивает подтверждение точности воспроизведения единицы на уровне международных ключевых сличений.

5) Обеспечена возможность определения поглощенной дозы и флюенса

протонного излучения для целей лучевой терапии и проведения испытаний

аппаратуры на радиационную стойкость.

Характеристики усовершенствованного эталона приведены в таблице 6.

Таблица 6. Характеристики ГЭТ 38-2011 и ГЭТ 38-95

Эталон ГЭТ 38-95 ГЭТ 38-2011

Мощность поглощенной дозы, Гр/с 10"3-102 10"3-102

Поглощенная доза, Гр 1-Ю3 1-Ю3

.Энергетический диапазон:

Фотонное излучение, МэВ 0,6-50 0,015-50

Среднее квадратическое отклонение не превышает: 0,2 % 0,2 %

Неисключенная систематическая погрешность не превышает:

Фотонное излучение в диапазоне энергий:

0,015-0,050 МэВ 0,63 %

0,050-50 МэВ 0,35 %

0,6-50 МэВ 0,4 % 0,35 %

Достоверность результатов выполненной работы подтверждается следующим:

1) Актом «Государственных испытаний Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011», составленным Межведомственной комиссией.

2) Результатами сличений ГЭТ 38-2011 с ГЭТ 38-95, точность которого в области излучения радионуклида 60Со подтверждена на уровне Международных ключевых сличений.

Одним из перспективных направлений в терапии онкологических пациентов является использование протонного излучения. Для этих целей, кро-

ме используемых в настоящее время ускорителей и установленного недавно медицинского ускорителя протонов «Прометеус» в городской больнице г. Протвино, готовится медицинский пучок протонов на ускорителе в Институте ядерных исследований (ИЯИ, г. Троицк), разработан проект отделения протонной терапии (с двумя протонными ускорителями) в городской клинической больнице им. С.П. Боткина. Поэтому одна из перспектив развития эталона - это расширение номенклатуры видов ионизирующего излучения первичного эталона - воспроизведение единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы протонного излучения.

В диссертационной работе содержится решение задачи по созданию методов и средств воспроизведения единицы поглощенной дозы в графите и перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ. Изложены научно обоснованные технические решения, позволившие расширить энергетический диапазон фотонного излучения Государственного первичного эталона поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ38-95 в область низких энергий от 15 до 250 кэВ, что обеспечит требуемый уровень точности измерений поглощенной дозы в клинической дозиметрии рентгеновского излучения.

Основное содержание диссертации доложено на конференции по метрологическому обеспечению измерений в Росатоме (Сочи, 2010 г.), на конференциях молодых специалистов ФГУП "ВНИИФТРИ" (2012,2013 г),

и опубликовано в следующих работах:

1.Берлянд, А.В. Государственный первичный эталон единиц мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений, его совершенствование и результаты ключевых сличений / А.В. Берлянд, В.А. Берлянд, Ю.И. Брегадзе // Измерительная техника. - Москва: Стандартинформ, 2010. - №2. - с. 3.

2.Берлянд, А.В. Воспроизведение мощности поглощенной дозы фотонного излучения в графите с помощью графитовой экстраполяционной камеры в графитовом фантоме / А.В. Берлянд, В.А. Берлянд // Анри. - Москва: Доза, 2014. -№1. -с.56.

3.Титаренко, Ю.Е. Токовый измеритель плотности потока частиц в режиме реального времени / Ю.Е. Титаренко, А. В. Берлянд, и др. // Приборы и техника эксперимента. - Москва: Наука, 2013. - № 5.

4. Титаренко, Ю.Е./ К вопросу об измерениях параметров пучков протонов и ионов, создаваемых на ускорительно-накопительном комплексе ТВН ИТЭФ / Ю.Е. Титаренко, А. В. Берлянд, и др. // Тезисы 4-й конференции по метрологическому обеспечению измерений в Росатоме. — Сочи, 2010 г.

5. Allisy-Roberts, P. J. Comparison of the standards for absorbed dose to water of the VN1IFTRI, Russia and the BIPM in 60Co y-rays / P J Allisy-Roberts, С Kessler, D T Burns, V Berlyand, A Berlyand // Metrología. - 2010. - № 47.

Подписано в печать 09.09.2014 г. Формат 60х901/16 Уч.-изд. л. 1,4. Печ. л. 0,9. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Заказ № 155. Полиграфучасток ФГУП "ВНИИФТРИ", 141570, п/о Менделееве, Солнечногорский р-н, Московская обл.