К ЮБИЛЕЮ ИНСТИТУТА
В этом номере журнала продолжаем публикацию подборки статей специалистов одного из ведущих метрологических институтов России — Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, отметившего в феврале этого года свой юбилей — 55 лет со дня основания (начало подборки см. журнал «Измерительная техника» № 1, 2010 г.)
539.1.08:389.14
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
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: sander_2001@mail.ru
Рассмотрено современное состояние государственного первичного эталона поглощенной дозы фотонного и электронного излучений. Приведены результаты ключевых сличений эталона ВНИИФТРИ с эталоном МБМВ в 2001 и 2009 гг.
Ключевые слова: эталон, калориметр, ионизационная камера, фотонное и электронное излучения, ключевые сличения, мощность поглощенной дозы.
The article considers the recent state of the national primary standard of absorbed dose and absorbed dose rate for photon and electron ionizing radiation. The results of key comparisons of standards of VNIIFTRI and BIPM, which took place at the BIPM an 2001 and 2009, are presented.
Key words: primary standard, calorimeter, ionization chamber, photon and electron ionizing radiations, key comparisons, absorbed dose rate.
Лучевая терапия с использованием радионуклидных источников (в основном 60Со), ускорителей тормозного и электронного излучений, а также рентгеновского излучения является одним из двух наиболее эффективных методов лечения онкологических заболеваний. Успех лучевой терапии зависит от точности, с которой облучаемый орган получает заданную дозу излучения. Считается, что доза излучения в опухоли не должна отличаться от назначенной более чем на 5 %. Это обусловливает очень высокие требования к точности измерения доз излучения в медицинской практике и соответственно к системе метрологического обеспечения этих измерений.
Во главе системы метрологического обеспечения дозиметрии в лучевой терапии, радиационной технологии, технике радиационной безопасности и других областях применения ионизирующих излучений находится государственный первичный эталон поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38—95 [1]. Важно поддержание, совершенствование эталона, а также подтверждение его метрологических характеристик путем международных сличений.
Калибровку терапевтических дозиметров в нашей стране на протяжении нескольких последних десятилетий выполняли с помощью первичного и вторичных эталонов поглощенной дозы, в то время как в большинстве других стран использовали эталоны экспозиционной дозы или кер-
мы. И только опубликованный в 2000 г. технический доклад МАГАТЭ TRS-398 [2] также рекомендовал использовать для этих целей эталоны поглощенной дозы в воде. Воспроизведение единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы осуществляется абсолютным калориметрическим методом. В лучевой терапии необходимо определять поглощенную дозу в биологической ткани или воде, являющейся «дозиметрическим» эквивалентом биологической ткани. Однако вода — не очень подходящий материал для поглотителя калориметра, главным образом, из-за того, что в ней под действием излучения происходят радиационно-химичес-кие реакции. В результате этих реакций выделяется или поглощается дополнительное количество теплоты, причем это количество зависит от чистоты воды, количества растворенного в ней кислорода и водорода. Поэтому в первичном эталоне, как и в национальных эталонах большинства стран, единица поглощенной дозы воспроизводится в графите — в определенной точке графитового фантома. Графит обладает высокой теплопроводностью, в нем практически вся поглощенная энергия излучения выделяется в виде теплоты, а энергией, затрачиваемой на радиационно-химические реакции и смещение атомов, можно пренебречь. Низкий атомный номер графита, близкий к эффективному атомному номеру биологической ткани или воды, а также высокая точность, с которой для графита определены коэффициенты
взаимодействия излучения, позволяют с минимальной потерей точности перейти от дозы в графите к дозе в воде.
Государственный первичный эталон представляет собой комплекс средств измерений и оборудования, который включает дифференциальный калориметр интегрального теплового потока; комплект квазиадиабатических калориметров; графитовый и водный фантомы; полостные ионизационные камеры; радиационную установку больших мощностей доз (УБМД) с радионуклидным источником; ускоритель электронов — микротрон; измерительную и контрольную аппаратуру, а также вспомогательное оборудование: измерительные линейки, предназначенные для фиксирования аппаратуры на определенных расстояниях от источников излучения; платформу с кареткой для перемещения аппаратуры в пучке излучения; пульты управления.
М е т р о л о г и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и э т а л о н а
Диапазон мощностей доз.............10-3 — 10 Гр/с
Диапазон доз.....................10-1 — 103 Гр
Неисключенный остаток систематической погрешности 4 • 10-3 Среднее квадратическое отклонение результата измерений 2 • 10-3 Диапазон энергий:
фотонное излучение............... 0,66 — 50 МэВ
электронное излучение..............5 — 50 МэВ
Калориметры являются основным элементом, от которого зависят метрологические характеристики эталона. Для перехода от поглощенной дозы в графите к дозе в воде необходимо знать дозу в определенной точке гомогенного графитового фантома. Центральным элементом калориметра служит поглотитель, по изменению температуры которого находят поглощенную дозу. Ее мощность в идеале должна быть одинаковой во всех точках поглотителя. Однако в пучке излучения мощность дозы меняется как по глубине фантома, так и в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Поэтому поглотитель калориметра имеет форму диска, плоская поверхность которого перпендикулярна оси пучка излучения. Поглотитель калориметра, с одной стороны, должен быть достаточно маленьким, чтобы градиент дозы в пределах его размеров был незначительным, а с другой стороны — достаточно большим, чтобы вклад в дозу в графитовом поглотителе от других материалов был незначительным.
Дифференциальный калориметр интегрального теплового потока. Одиночный калориметр теплового потока
(рис. 1) содержит поглотитель 1 в форме таблетки из графита диаметром 30 и толщиной 3 мм, внутрь которой помещен нагревательный элемент 2, предназначенный для градуировки калориметра с помощью электрического тока. Поглотитель окружен со всех сторон миниатюрной термобатареей 3, содержащей несколько сотен термопар, которая регистрирует тепловой поток между поглотите-
Рис. 1. Дифференциальный калориметр теплового потока: 1 — поглотитель; 2 — нагревательный элемент; 3 — термобатарея; 4 — графитовый фантом; 5 — отверстие для ионизационной камеры
лем и оболочкой — графитовым фантомом 4, внутри которого и размещен калориметр. Принцип действия этого калориметра заключается в следующем. В стационарном режиме термоэлектродвижущая сила Е термобатареи прямо пропорциональна мощности тепловыделения М в поглотителе калориметра независимо от теплоемкости поглотителя и распределения температур внутри него или на его поверхности:
Е = Ы\М,
где N — чувствительность калориметра по мощности тепловыделения.
Для того чтобы компенсировать влияние флуктуаций температуры окружающей среды и оболочки, используется дифференциальная схема соединения двух идентичных калориметров, помещенных в одну оболочку — массивный графитовый фантом размером 400x300x300 мм.
Мощность поглощенной дозы в графите в точке графитового фантома, совпадающего с центром поглотителя калориметра, определяется из соотношения
D = (е / NMэф )П к,
где М3ф — эффективная масса поглотителя калориметра;
П к1 — произведение поправочных множителей, учитываю/
щих градиенты мощности дозы в радиальном и аксиальном направлениях в пределах поглотителя калориметра, вклад рассеянного излучения в фоновый сигнал опорного калориметра и т. д.
Квазиадиабатический калориметр. Схематически конструкция калориметра [3] представлена на рис. 2. Поглотитель представляет собой графитовый диск диаметром 20 и толщиной 2 мм. Внутри него вмонтированы два термистора, один служит для измерения температуры поглотителя, другой — для градуировки калориметра с помощью электрического тока. Поглотитель окружен тремя графитовыми оболочками. Первые две, ближайшие к поглотителю, играют роль теплового буфера между поглотителем и другими элементами калориметра, а третья (на рис. 2 не показана) термоста-тируется при температуре 300 К с погрешностью 10-4 К. Все элементы калориметра разделены вакуумными зазорами шириной 0,5 мм. Калориметр размещен в графитовом фантоме диаметром 300 и высотой 300 мм.
Для определения поглощенной дозы в графите в точке, совпадающей с центром поглотителя, сравнивают изменение температуры поглотителя при радиационном и градуи-ровочном нагревах с помощью электрического тока:
D = (12Я /МЭф) АЯрад /АЯЭЛ = (К/Мэф) дя,
рад
эф>
рад'
где I — ток, протекающий через нагревательный элемент поглотителя; Я — сопротивление нагревателя; ? — время выделения электрической мощности; АЯ
рад
АЯэл — изме-
нения сопротивления термистора поглотителя при облучении и градуировке электрическим током, соответственно; К — чувствительность калориметра.
Квазиадиабатический калориметр используется для воспроизведения единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного (у-излучения радионуклидов и тормозного излучения генерируемого ускорителем элект-
ронов) и электронного излучений. Соответствие единиц мощности поглощенной дозы, воспроизводимых калориметром теплового потока и квазиадиабатическим калориметром, устанавливается в поле у-излучения 60Со. При несколько разном числе наблюдений (10 — для дифференциального калориметра теплового потока и 20 — для квазиадиабатического) обеспечиваетс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.