ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 90-96
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, ^^^^^^^^ МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 539.1.074
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ В ВЕЩЕСТВЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
© 2014 г. Н. В. Марков, А. В. Бахмутова, А. А. Голубев, А. В. Канцырев, В. Е. Лукьяшин, И. В. Рудской, Г. Н. Смирнов, А. Д. Фертман, А. В. Худомясов
ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия, 117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 E-mail: markov@itep.ru Поступила в редакцию 12.04.2013 г.
Описана экспериментальная установка, созданная на базе ускорительного комплекса ТВН—ИТЭФ для проведения радиобиологических исследований на пучках тяжелых ионов. C использованием магнитных элементов линии транспортировки и системы коллиматоров отлажена методика формирования параллельного пучка с требуемыми поперечными размерами. В рамках проводимых исследований разработана и реализована система дозиметрии, позволяющая проводить измерения пространственного распределения поглощенной дозы в веществе при воздействии импульсных пучков тяжелых ионов. С использованием данной системы исследовано распределение поглощенной дозы в воде для моноэнергетического пучка ионов углерода с начальной энергией 215 МэВ/а.е.м. На основании полученной информации проведена оценка поглощенной дозы в тонком слое воды для заданной глубины и интенсивности пучка. Использование данной методики обеспечивает точность определения поглощенной дозы не хуже 5%.
DOI: 10.7868/S003281621401008X
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мировой клинической практике, наряду с постоянным усовершенствованием существующих методов дистанционной лучевой терапии рентгеновским и у-излучением, все большее внимание уделяется развитию направления терапии с использованием пучков тяжелых заряженных частиц, создаваемых на специализированных ускорителях. Это обусловлено необходимостью расширения терапевтического интервала, увеличения точности дистанционной лучевой терапии и уменьшения лучевой нагрузки на здоровые ткани. В последнее время также наблюдается тенденция более широкого использования результатов исследований воздействия пучков тяжелых заряженных частиц на живые системы. На фоне все возрастающего интереса человечества к освоению отдаленного космического пространства появилась необходимость в широкомасштабных исследованиях по оценке степени биологического воздействия космического излучения на живые организмы. В случае первичного космического излучения наибольший интерес представляют потоки тяжелых заряженных частиц — протонов и более тяжелых ионов, таких как гелий, углерод, кислород, неон, магний, кремний и железо, — со спектром энергий в диапазоне от нескольких десятков до сотен тысяч мегаэлектронвольт на 1 а.е.м. [1]. Использование ускорителей высоких энергий, способных ускорять ионы раз-
личных типов до таких энергий, позволит проводить оценки биологического действия космического излучения в наземных условиях.
Для каждого из указанных выше направлений исследований необходимо детальное изучение механизмов воздействия тяжелых заряженных частиц на живые системы, причем одной из важнейших задач является точное измерение поглощенной дозы. Информация о поглощенной дозе в радиобиологических экспериментах определяет взаимосвязь между повреждениями в биологических структурах, индуцированными ионизирующим излучением, с параметрами самого ионизирующего излучения. Результаты многочисленных экспериментов показали, что для одинаковых значений поглощенной дозы биологические повреждения, вызванные воздействием тяжелых заряженных частиц, более существенны по сравнению с воздействием рентгеновского и у-излуче-ния. При этом степень повреждений зависит в первую очередь от удельных энергетических потерь излучения, а также от типа тканей.
С запуском в ИТЭФ в 2003 г. ускорительного комплекса (у.к.) ТВН—ИТЭФ, предназначенного для проведения исследований в области релятивистской ядерной физики и физики высокой плотности энергии в веществе [2], появилась возможность проводить экспериментальные исследования степени биологического воздействия тяжелых ионов в широком диапазоне энергий на
различные живые системы. В 2009 г. было завершено создание установки для проведения радиобиологических исследований на пучках тяжелых ионов. На этой установке выполнена серия экспериментальных работ по оценке и измерению основных характеристик пучков ионов углерода и железа с энергией 215 и 230 МэВ/а.е.м. соответственно. Полученные результаты были использованы при планировании облучения различных биологических объектов ионами данных типов. Ниже описана методика и представлены основные результаты экспериментальных исследований по определению поглощенной дозы для импульсного пучка ионов углерода. Результаты измерений для ионов железа будут представлены позднее.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ
В общем случае поглощенная доза в веществе определяется как отношение энергии излучения, переданной некоторому элементарному объему, к массе вещества в этом объеме. На сегодняшний день во многих дозиметрических лабораториях первичных эталонов, поддерживающих национальные эталоны единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений, в качестве основного метода абсолютной дозиметрии используется калориметрический метод. В настоящее время предпринимаются попытки распространения данной методики в качестве стандартной и для пучков тяжелых заряженных частиц [3].
Кроме того, для относительной дозиметрии ионизирующего излучения применяются самые разнообразные детекторы, такие, например, как ионизационные камеры, радиографические и ра-диохромные пленки, полупроводниковые детекторы, термолюминесцентные детекторы, сцин-тилляционные экраны, детекторы для измерения потока частиц. Среди них наибольшее распространение получили ионизационные камеры. В 2000 г. международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) опубликовало рекомендации по дозиметрии в области лучевой терапии с описанием процедуры калибровки ионизационных камер в единицах поглощенной дозы в воде и использования этих детекторов для определения поглощенной дозы в воде в пучках излучения различного типа [4]. Поскольку вода является наиболее близким эквивалентом биологических структур, то с точки зрения изучения воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты именно измерение поглощенной дозы в воде представляет особый интерес.
Следует отметить, что в исследованиях, проводимых на у.к. ТВН—ИТЭФ, из-за особенностей вывода пучка из синхротрона [5] возможно ис-
пользование исключительно только ионных импульсов длительностью 500 нс (ширина на полувысоте). Как следствие, величина дозы в импульсе может достигать от нескольких десятков милли-грей до нескольких десятков грей в зависимости от плотности потока частиц. Данное обстоятельство не позволяет использовать для измерения поглощенной дозы коммерчески доступные на данный момент приборы, рассчитанные на работу в условиях медленного вывода, когда длительность ионного импульса варьируется в диапазоне от 100 мс до нескольких секунд, а величина дозы в импульсе <1 мГр. Поэтому на первом этапе необходимо было разработать соответствующую методику для определения дозы в импульсе в указанном выше диапазоне значений. В качестве основной методики оценки поглощенной дозы в веществе был использован подход, основанный на измерении таких параметров ионного пучка, как ток пучка и энергия частиц.
Исходя из определения поглощенной дозы ее значение Б, Гр, для некоторого слоя облучаемого вещества можно связать с указанными выше параметрами пучка, используя следующее выражение
Б = 1.602 • 10-9 (Щ К1, (1)
\dxlE Sр
где йЕ/йх, кэВ/мкм — табличное значение потерь энергии частиц в данном веществе для заданного значения энергии налетающих частиц; N — число частиц, проходящих через поперечное сечение слоя площадью S, см2; р, г/см3 — плотность вещества.
В нашем случае задача определения поглощенной дозы усложняется тем, что точное значение энергии частиц в месте проведения экспериментальных исследований не известно. Это связано с тем, что на пути распространения пучка располагается ряд элементов, химический состав которых определен со значительной погрешностью, что не позволяет провести прямой расчет энергии частиц в месте проведения измерений. Следует также отметить, что формула (1) справедлива лишь в предположении равномерного распределения частиц по всей поверхности рассматриваемого слоя, а также для случая, когда изменение энергии частиц по толщине слоя незначительно (ДЕ << Е). Из этого следует, что для обеспечения равномерного распределения дозы по всему объему биологической мишени без использования дополнительных средств мишень должна быть достаточно тонкой или располагаться в области плато на кривой удельных энергопотерь ионов (кривая Брэгга), где величина потерь энергии практически не меняется. Под "использованием дополнительных средств" подразумевается применение либо специальных устройств, модифицирующих исходное глубинное дозное распреде-
Накопительное кольцо Ускорительное кольцо
(протонный ускоритель) (ионный ускоритель)
Рис. 1. Линия транспортировки пучка. В1, В2 — поворотные магниты; С^—С4 — корректирующие магниты; 61—616 — квадрупольные линзы; Fl, ^ — фокусирующая система.
ление моноэнергетического пучка, либо облучение мишени пучками с различными энергиями, в результате чего в объеме мишени создается равномерное дозное распределение. Однако на данном этапе исследований вопросы модификации глубинного дозного распределения не рассматривались.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальная установка
При проведении исследований использовался пучок ионов углерода, ускоренный до энергии 215 МэВ/а.е.м в бустерном синхротроне у.к. ТВН—ИТЭФ. Количество частиц предварительно задавалось уровнем накопления ионов в накопительном кольце У-10 и варьировалось в диапазоне 106—109 частиц/импульс. С помощью ударного и септумного магнитов пучок направлялся из накопительного кольца в 510 канал (рис. 1), состоящий из двух поворотных В1, В2 и четырех коррект
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.