УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ СПЕКТРОМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 1997 года по МПК G01T1/161 

Изобретение относится к радиационной физике и может быть использовано в радиационной безопасности и радиационной гигиене для определения содержания гамма-излучающих радионуклидов в организме человека и объектах окружающей среды.

Для этой цели используют установки спектрометры (счетчики) излучений человека (СИЧ) [1] которые позволяют определять содержание гамма-излучающих радионуклидов в организме по результатам измерений. Предварительно производят градуировочные измерения с использованием фантома человека, имеющего конфигурацию стандартного человека и содержащего известное количество заданного радионуклида. Причем радионуклид, как правило, равномерно распределен в жидкости (воде), заполняющей весь внутренний объем фантома. Полученное в градуировочных измерениях значение коэффициента перехода от измеренных значений скорости счета СИЧ в выбранном энергетическом интервале к фактическому содержанию радионуклида в фантоме используется для определения содержания радионуклида в организме человека по результатам измерения скорости счета СИЧ в том же энергетическом интервале от человека.

Известно устройство для градуировки СИЧ, включающее водонаполненный фантом человека, содержащий раствор радионуклида известной удельной активности [2] К недостаткам указанного устройства относятся: невозможность проведения градуировки СИЧ для людей с различными росто-весовыми показателями, сложность изготовления фантома, сравнительно большая погрешность определения удельной активности радионуклида, опасность в отношении радиоактивного загрязнения при работе с радиоактивными растворами, неудобства хранения и др.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство для градуировки СИЧ, включающее десять цилиндрических полиэтиленовых емкостей, которые заполняются водой или другим водным раствором с равномерно распределенным радионуклидом [3] Элементы фантома моделируют конфигурацию основных частей тела человека: торс, бедра, голову, шею, руки и ноги. К недостаткам этого устройства следует отнести: для моделирования людей различного возраста необходимо использовать емкости различного размера; трудность или невозможность моделирования различных геометрий измерений (поз человека), необходимость использования радиоактивных растворов и, следовательно, высокая радиационная опасность работ; испарение растворов; остаточная радиоактивность емкостей после удаления растворов; сравнительно высокая погрешность определения активности растворов; малое время действия метрологического аттестата на фантом; сравнительная сложность моделирования различных локализаций радионуклидов; неудобства и опасность при транспортировке и складировании.

Целью изобретения является разработка устройства для градуировки спектрометров излучений человека, лишенного указанных недостатков.

Это достигается в устройстве для градуировки СИЧ, содержащем тканеэквивалентный фантом заданной конфигурации с полостями для размещения радионуклидных источников, причем фантом заданной конфигурации выполнен из модульных элементов, которые представляют собой прямоугольные параллелепипеды со сторонами а, b и с. В модульных элементах имеются сквозные параллельные друг другу и четырем боковым граням каналы (соответственно, перпендикулярные двум оставшимся граням) диаметром D каждый. Каналы расположены на расстоянии l друг от друга и на расстоянии t₁ и t₂ от близлежащих смежных поверхностей. При этом длины сторон (ребер) b и с основания, куда выходят торцы этих каналов, удовлетворяют условиям:
2t₁ + l(n 1) b; 2t₂ + l(m 1) c,
где n и m количества каналов вдоль сторон b и с соответственно. То есть, если канал один, то его торцы расположены на расстояниях t₁ и t₂ (считая от центра канала) от смежных боковых сторон прямоугольников (квадратов) или, что то же самое, все точки, расположенные на оси канала, находятся на расстояниях t₁ и t₂ от смежных боковых граней, которым он параллелен.

Если канал не один, то каждый из них должен быть расположен на расстояниях t₁ и t₂ от смежных боковых граней в случае, если между этой гранью и этим каналом нет других каналов, и на расстоянии l от другого канала, в противном случае. Из формул ясно, что расстояния t₁ и t₂ отсчитываются во взаимно-перпендикулярных направлениях.

Было установлено, что в диапазоне энергий гамма-излучения 150-3000 кэВ равномерно распределенный источник в элементе фантома с сечением в виде квадрата может быть смоделирован источником с той же энергией гамма-излучения, но иной локализации, помещенным в идентичный тканеэквивалентный (имитирующим мягкую биологическую ткань) элемент фантома. При этом энергетические спектры вблизи какой-либо стороны (грани) элемента фантома для двух этих случаев будут близки, если расстояние локализованного источника от этой стороны составляет не более 25-30 мм.

Иными словами, энергетический спектр линейного источника, помещенного в прямоугольный параллелепипед из тканеэквивалентного материала будет близок к спектру равномерно распределенного в таком же объеме источника, если расстояние линейного источника от грани, вблизи которой спектр измеряется6 не превышает в среднем 27,5 мм. При этом под близостью спектра понимается следующее. Аппаратурные спектры,измеренные на расстоянии не менее 10 см от поверхности боковой грани (детекторы СИЧ располагаются, как правило, не ближе 10 см от поверхности тела) отличаются не более чем на 10% (по суммарной скорости счета) в каждом из пяти энергетических интервалов с границами, отвечающими комптоновскому рассеянию гаммаизлучения под углами, соответственно: О, 30, 60, 90, 180^o и многократному комтоновскому рассеянию с порогом не более 50 кэВ.

Для обеспечения целостности и жесткости конструкции фантомов, собираемых из указанных модульных элементов, каждый элемент снабжен гнездами, размещенными на поверхностях модульных элементов, причем они сопряжены с аналогичными гнездами соседних элементов. Крепление осуществляется соединителями, например, трубками, длина которых не превышает суммарной длины сопрягаемых гнезд. Как установлено авторами, использование для креплений дюралевых трубок общей массой не более 5•10^-3 от общей массы фантома не вносит заметных искажений в регистрируемый спектр. Аналогичным образом допускается применение подставки для фантома из стали любой марки общей массой не более 3 кг, что обеспечивает дополнительную устойчивость конструкции при сборке фантома в геометрии "стоя".

Радиоактивные источники подбираются предварительно для каждого канала по активности (количеству радионуклидов) и спектральному составу (один конкретный заданный радионуклид, смесь заданных радионуклидов). Источники герметично размещены в трубках диаметром не более D и установлены в каналы. Распределение активности источника вдоль трубки равномерное, хотя, в принципе, может быть реализовано и любое неравномерное (включая точечное).

Было установлено, что реализация предложенной конструкции устройства позволяет экспериментально моделировать телосложение людей различных возрастных групп; моделировать позы, применяемые при измерении людей на СИЧ с различными геометриями измерений, в том числе: сидя (геометрия стандартного кресла), лежа, стоя и согнувшись (геометрия "Север"); моделировать различные органы человека с различной пространственной локализацией радионуклидов от равномерной до резко неоднородной (например, точечной); обеспечивать проведение фоновых измерений для учета экранирования фона телом обследуемого человека.

Наилучшие результаты получаются, когда радионуклидные источники, размещенные в трубках, сформированы из радионуклида, нанесенного на ионообменную смолу, например, путем осаждения (равномерно по массе смолы). Это обеспечивает высокую степень радиационной безопасности фантома, удобства хранения и транспортировки, уменьшение погрешности введенной в фантом активности, увеличение срока действия метрологического аттестата на фантом.

Наилучшие результаты достигнуты при реализации устройства для градуировки СИЧ, когда в качестве тканеэквивалентного материала использован полиэтилен, а геометрические параметры выбраны следующими: а 165 мм, b 110 мм, с 55 мм, t₁ t₂ 27,5 мм, а параметры n 2, m 1.

Модульные элементы с этими параметрами позволяют оптимальным образом реализовать фантомы, перекрывающие весь диапазон росто-весовых особенностей и возможных геометрий измерений (поз), причем обеспечивается моделирование равномерного распределения любого радионуклида по фантому.

Для более близкого приближения формы фантома к форме тела человека и удобства сборки дополнительно были изготовлены модульные элементы с параметрами: а 165 мм, b 110 мм, с 27,5 мм, t₁ 27,5 мм, t₂ 13,7 мм, n 2, m 1. Условно их можно назвать "половинными элементами". Причем активность каждого из двух используемых в нем источников в случае моделирования равномерного распределения в фантоме равна половине активности каждого из двух источников, используемых в модульном элементе с с 55 мм. Могут быть использованы и другие модули, например, с размерами, кратными основному.

Проведенное сравнение энергетических спектров гамма-излучения церия-139, цезия-137, кобальта-60 на расстояниях 10 см и более от предложенного фантома и аналогичного фантома в виде емкостей, заполненных водными растворами этих же радионуклидов, показало, что они близки по форме. При этом скорости счета в пяти выбранных энергетических диапазонах отличаются менее чем на 10%
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен модульный элемент, на фиг. 2 схема радиоактивного источника, а на фиг. 3, 4 и 5 схемы сборки устройства для градуировки СИЧ при различных геометриях измерений (позах).

Использованы следующие обозначения: 1 модульный элемент, 2 трубка радионуклидного источника, 3 гнезда, 4 соединитель, 5 каналы, 6 - радионуклидный источник, 7 пробка, 8 шильдик. Ф₁, Ф₂ и Ф₃ обозначают фантомы детей разного возраста, а Ф₄, Ф₅ и Ф₆ фантомы взрослых людей различного телосложения.

Устройство для градуировки спектрометров излучений человека выполнено из модульных элементов 1, представляющих собой прямоугольные параллепипеды со сторонами а, b и с, имеющих параллельные друг другу и боковым граням каналы диаметром D. Каналы расположены на расстоянии l друг от друга и на расстояниях t₁ и t₂ от близлежащих смежных поверхностей. Трубки 2 радионуклидного источника диаметром не более D установлены в каналы 5. Длины сторон b и с оснований, на которые выходят торцы каналов 5 удовлетворяют условиям:
2t₁ + l(n 1) b; 2t₂ + l(m 1) с,
где n и m количества каналов вдоль сторон b и с соответственно. Каждый элемент снабжен гнездами 3, размещенными на поверхностях модульных элементов 1. При сборке устройства эти гнезда 3 скрепляются соединителями 4 с сопряженными гнездами 3 соседних элементов. Трубка 2 радионуклидного источника содержит подобранный для каждого канала 5 по активности и спектральному составу радионуклидный источник 6, герметично размещенный с использованием пробки 7. Пробка дополнительно герметизируется (маркируется), например, с использованием краски. Шильдик 8 служит для нанесения маркировки.

Радионуклидный источник 6, размещенный в трубках радионуклидного источника 2 может быть сформирован из радионуклида, нанесенного на ионообменную смолу, например, путем осаждения (ее пропитки радиоактивным раствором).

Для градуировки СИЧ по наиболее радиационно значимому в настоящее время после Чернобыльской аварии радионуклиду цезий-137 были изготовлены модульные элементы из полиэтилена (ГОСТ 16338-77) двух типоразмеров: с параметрами: а 165 мм, b 110 мм, с 55 мм, t₁ t₂ 27,5 мм, n 2, m 1, то есть двумя сквозными каналами 5 (фиг.1), параллельными большим граням модульного элемента 1 и а 165 мм, b 110 мм, с 27,5 мм, t₁ 27,5 мм, t₂ 13,7 мм, n 2, m 1. Полиэтилен является тканеэквивалентным материалом для энергий гамма-квантов более 150 кэВ (этому условию удовлетворяют энергии большинства гамма-излучающих радионуклидов, подлежащих измерению на СИЧ).

В качестве радионуклидного источника 6 использована ионообменная смола КУ-2-8-24С с равномерно распределенным по массе смолы радионуклидом цезий-137. Радионуклидный источник 6 герметично размещен в трубках радионуклидного источника 2 с использованием пробок 7 (с нанесением на них краски) и маркированных шильдиков 8. Активность цезия-137 одного радионуклидного источника q не превышает 1,85•10³ Бк (5•10^-8 Ки) для модульных элементов 1 с с 55 мм и равна q/2 для модульных элементов 1 с с 27,5 мм. Общая активность устройства не превышает МЗА (минимально значимой активности по НРБ76/87) и составляет одно из значений в диапазоне от 3,7•10⁴ Бк (10^-6 Ки) до 3,7•10⁵ Бк (10^-5 Ки). Граница погрешности общей активности не более 5%
Модульные элементы 1 скреплялись соединителями 4 (дюралевыми трубками диаметром 8 мм и длиной 20 мм) с использованием сопряженных гнезд 3, обеспечивая реализацию одной из известных геометрий (фиг. 3-5).

Экспериментально было показано, что реализованное устройство имеет энергетический спектр гамма-излучения, отличающийся от спектра аналога, содержащего равномерно распределенный раствор цезия-137 не более чем на 10% Измерения проводились на расстоянии не менее 10 см от поверхности (фантома) в пяти энергетических интервалах.

Стандартный набор включает 130 модулей (из них 40 половинных), 260 радионуклидных источников (из них 80 половинного значения активности) и 260 соединителей.

Градуировка с использованием устройства для градуировки СИЧ осуществляется следующим образом. Проводится измерение фоновой скорости счета СИЧ с использованием устройства, собранного из модульных элементов 1 без радионуклидных источников 6 согласно одной из схем сборки. Затем проводится аналогичное измерение при наличии радионуклидных источников 6, размещенных в трубках радионуклидных источников 2, и установленных в каналы 5. При этом активность (и спектральный состав) каждого источника подбирают так, чтобы моделировалось его реальное распределение в организме человека. Для моделирования равномерного распределения используют радионуклидные источники 6 активностью q для модульных элементов 1 с с 55 мм и q/2 для модульных элементов с с 27,5 мм. Вычитая из полученной скорости счета N_и,i фоновую скорость N_ф,i получают градуировочный коэффициент перехода от измеренной скорости счета к инкорпорированной в устройстве активности А_i: К_i А_i/(N_и,i N_ф,i). Полученный коэффициент используют для перехода от скорости счета для i-го радиоактивного источника N_ч,i к инкорпорированной в организме человека i-ой активности А_ч,i по результатам измерений на СИЧ скорости счета от человека.

А_ч,i К_i•(N_ч,i N_ф,i)
Предложенное устройство позволяет обеспечить следующие технико-экономические преимущества: моделировать телосложение людей различных возрастных групп; моделировать различные позы, применяемые при измерениях на СИЧ; упростить технологию изготовления фантомов; снизить погрешность определения активности в фантоме; увеличить срок действия метрологического аттестата на устройство; существенно снизить опасность радиоактивного загрязнения; обеспечить корректное проведение фоновых измерений; моделировать различные типы распределений (локализаций) различных радионуклидов, включая смеси радионуклидов; упростить транспортировку и складирование.

Устройство для градуировки спектрометров излучения человека. Использование: радиационная безопасность и радиационная гигиена. Сущность изобретения: фантом заданной конфигурации выполнен из модульных элементов в виде прямоугольных параллелепипедов со сквозными параллельными каналами для радионуклидных источников. Модульные элементы снабжены гнездами. Крепление соседних модульных элементов осуществляется с использованием соединителей, вставляемых в гнезда. Установлены соотношения, связывающие геометрические параметры модульных элементов и расположение источников. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для градуировки спектрометров излучений человека, содержащее тканеэквивалентный фантом заданной конфигурации с полостями для размещения радионуклидных источников, отличающееся тем, что фантом заданной конфигурации выполнен из модульных элементов, представляющих собой прямоугольные параллелепипеды со сторонами a, b и с и сквозными, расположенными на расстоянии l друг от друга, параллельными боковым граням параллелипипеда и друг другу каналами диаметром D, причем крайние каналы отстоят от близлежащих к ним смежных граней на расстоянии t₁ и t₂, каждый модульный элемент снабжен гнездами, размещенными на его гранях, сопряженными с аналогичными гнездами соседних элементов и скрепленными между собой соединителями, радионуклидные источники, подобранные предварительно для каждого канала по активности и спектральному составу, герметично размещены в трубках диаметром не более D и установлены в каналы, при этом длины сторон b и с основания параллелепипеда удовлетворяют условиям
2•t₁ + l•(n 1) b;
2•t₂ + l•(m 1) c,
где n и m количества каналов вдоль сторон b и с соответственно, а t₁ и t₂ ≅ 25 30 мм. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радионуклидные источники, размещенные в трубках, сформированы из радионуклида, нанесенного на ионообменную смолу. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве тканеэквивалентного материала использован полиэтилен c параметрами a 165 мм, b 110 мм, с 55 мм, t₁ t₂ 27,5 мм, n 2, а m 1.