ДОЗИМЕТР УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01J1/50 

Изобретение относится к радиационным измерениям и, в частности, к измерениям дозы ультрафиолетового (УФ) излучения на основе использования явления фотохромизма.

Предлагаемый дозиметр может получить применение для контроля УФ-облученности при гелиотерапии, а также лучевой терапии в клинических и домашних условиях при использовании искусственных источников излучения и в естественных условиях профессиональной деятельности и отдыха под воздействием солнечного излучения.

Известен УФ - дозиметр [1], предназначенный для контроля индивидуальной УФ-облученности. Дозиметр включает в себя фотохромный чувствительный элемент, изменяющий свой цвет под воздействием УФ-излучения с длиной волны в диапазоне 280-320 нм, аподизационный фильтр перед чувствительным элементом, а также набор стандартных цветов. Аподизационный фильтр представляет собой полимерную пленку, пропускающую свет с длиной волны λ > 280 нм (например, полистирол) с плавно изменяющейся по поверхности концентрацией поглощающих УФ - излучение центром или переменной толщиной.

Доза УФ - излучения определяется в результате сравнения фотоиндуцированного цвета фотохромного чувствительного элемента со стандартным.

Основными недостатками, препятствующими широкому практическому использованию такого дозиметра, являются,
невысокая точность измерений, что обусловлено визуальным контролем изменения цвета и сравнением его со стандартным в рассеянном свете;
необходимость учета конкретной эритемной чувствительности при оценке УФ - лучевого воздействия на каждого отдельного индивидуума, что обусловливает дополнительные ошибки измерений;
неудобства практического применения предлагаемого устройства для индивидуальной дозиметрии с учетом многообразия условий воздействия УФ-излучения на пользователя.

Наиболее близким по технической сущности является датчик экспозиционной дозы УФ-излучения индивидуального пользователя [2].

Датчик представляет собой трехслойную систему, заключенную в защитный контейнер коробчатого типа, одна из поверхностей которого прозрачна для УФ- и видимого света. При измерениях контейнер прикрепляется к коже при одежде пользователя с помощью клейкой ленты.

Измерительная система включает в себя:
первый (наружный) слой, обеспечивающий переменное поглощение УФ-излучения;
второй (промежуточный) слой фотохромного материала (ФХМ);
третий слой, индикаторная подложка, на которой нанесен разноцветный градуировочный рисунок.

Для учета различной эритемной чувствительности кожи людей к УФ-излучению с целью получения информации о степени поражения каждого отдельного пользователя в соответствии с принятыми нормами, возможно изменение среднего пропускания аподизационного фильтра-поглотителя.

Датчик работает следующим образом.

В исходном положении (до начала экспозиции) слой ФХМ непрозрачен. Поверхность индикаторной подложки не видна пользователю. При облучении определенной дозой УФ-излучения ФХМ становится прозрачным так, что окрашенная поверхность индикаторной подложки становится видимой пользователю. Переменное поглощение УФ-излучения аподизационным фильтром-поглотителем по длине его поверхности обеспечивает последовательное постепенное просветление индикаторной подложки по ее длине по мере накопления дозы УФ-излучения на наружной поверхности датчика. В свою очередь, соответственно изменению поглощения аподизационного фильтра-поглотителя меняется окрашенный градуированный рисунок индикаторной подложки по ее длине, последовательно просветляемый по мере накопления дозы УФ-излучения, что и позволяет индицировать величину дозы.

Рассмотренному датчику присущ ряд недостатков, ограничивающих возможности его практического использования.

Ограниченная точность и чувствительность измерений дозы УФ-излучения, связанная с необходимостью выявления различий градуировочного рисунка в рассеянном свете при высоком уровне светового фона (яркое солнце), что обусловлено биологическими особенностями глаза человека.

Необходимость систематической замены ФХМ-чувствительного элемента датчика после каждого цикла измерений, обусловленная необратимостью фотохромизма в используемом ФХМ, что усложняет практическое применение дозиметра при длительных многократных измерениях.

Непрактичность конструкции и системы крепления датчика к телу или одежде пользователя, что затрудняет его использование в реальных и многообразных условиях работы или отдыха на открытом воздухе, например, на пляже, во время купания, в особенности детьми и т.п.

Неэстетичность конструктивного оформления дозиметра, что вызывает дополнительные психологические препятствия его широкому практическому использованию.

Задачей, на разрешение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства удобной в повседневном использовании и элегантной конструкции, сочетающей в себе свойства средства украшения и медикобиологического прибора, обеспечивающего многоразовые измерения и индикацию в минимальных эритемных дозах индивидуальной УФ-облученности в разнообразных условиях работы, отдыха и лечения при воздействии радиации Солнца и искусственных источников без замены чувствительных элементов в течение всего срока службы (до нескольких лет), а также повышение точности и чувствительности измерений.

Задача решается тем, что заявляемый дозиметр выполняется в виде измерительно-индикаторного устройства, размещаемого в медальное или кулоне с цепочкой для ношения на шее пользователя. Устройство включает в себя три слоя, образующих "сэндвич". Два наружных слоя, выполненные из ФХМ с обратимым фотохромизмом, являются пассивным информационным носителем оптической памяти, выполняя функции чувствительного и запоминающего устройства дозиметра реверсивного типа. ФХМ претерпевает изменение оптической плотности в выбранном участке его спектра пропускания в зависимости от энергии УФ-излучения с длиной волны менее 320 нм, воздействующего на единицу его поверхности за время облучения, т.е. экспозиционной дозы УФ-излучения.

Внутренний слой измерительно-индикаторного устройства представляет собой набор абсорбционных светофильтров, выполняющих функцию съема (считывания) информации с носителя, и, таким образом, являющийся индикаторной частью дозиметра.

Каждый светофильтр набора предназначается для измерения и индикации одного фиксированного дискретного значения дозы УФ-излучения. Выбор количества фильтров, т.е. степень дискретности измерений осуществляется на основе существующих научно обоснованных рекомендаций по рациональному использованию УФ-излучения в лучевой терапии, а также в обеспечении лучевой безопасности в условиях труда и отдыха под воздействием излучения.

Общий диапазон измерений рационально выбрать 1-10 МЭД, что практически приемлемо в условиях УФ-терапии и принятии солнечных ванн.

Области интенсивного поглощения ФХМ в спектрах поглощения исходной и фотоиндуцированной форм выбраны разнесенными. Для исходной формы длина волны верхней границы области интенсивного поглощения выбирается равной 320 нм. Область интенсивного поглощения фотоиндуцированной формы выбирается в полосе длин волн
λ_и= 550нм±Δλ_п, (1)
где
Δλ_п - перекрытие, зависящее от типа ФХМ.

Выбор λ_и в окрестности 550 нм обеспечивает использование максимальной чувствительности рецепторных клеток глаза человека при реакции на интенсивность монохроматического света.

Временные характеристики обратимости применяемого ФХМ выбираются с учетом практики контроля облученности как в условиях отдыха и лечения, так и в профессиональных условиях. При этом принимается во внимание периодичность контроля, длительность контрольных циклов, а также динамика облученности с тем, чтобы свести к минимуму влияние эффектов релаксации в ФХМ. Как известно (1) к временным характеристикам ФХМ относятся время накопления (t_н) и хранения информации (t_хр).

t_н - время получения фотоиндуцированной формы (постоянная времени накопления информации), определяется скоростью фотохромного превращения из исходного состояния в фотоиндуцированное, которое происходит по закону, описываемому экспонентой exp(t/t_н), где t - текущее время облучения ФХМ (время фотоиндуцирования).

Расчеты показывают, что выбор ФХМ с величиной t_н, составляющей единицы секунд и менее, обеспечивает практически несущественное влияние динамики облученности на результаты измерений в реальных условиях воздействия УФ-излучения Солнца и искусственных источников.

t_хр - время существования фотоиндуцированной формы (время хранения информации) определяется скоростью спонтанного перехода ФХМ из фотоиндуцированной в исходную форму, т.е. скоростью реверса, также происходящего по экспоненциальному закону с постоянной времени t_хр. Величина t_хр при использовании в дозиметре ФХМ с обратимым фотохромизмом должна удовлетворять двум противоречивым требованиям, обусловленным особенностями практического использования дозиметра УФ-излучения.

С одной стороны t_xp должно быть достаточно большим по сравнению с длительностью одного контрольно-измерительного цикла t_цк. Это требование обусловлено необходимостью сведения к минимуму влияния релаксации на информацию о дозе, накапливаемой за время контроля, т.е. на погрешность измерений.

Для этого необходимо:
t_хр≥k₁•t_цк
где
k₁ - коэффициент запаса определяемый допускаемой погрешностью накопленной информации о дозе за счет эффектов релаксации.

С другой стороны величина t_хр должна обеспечить спонтанное возвращение ФХМ в исходное состояние после облучения в течение промежутка времени между концом предыдущего и началом последующего циклов контроля, т.е. самопроизвольное стирание информации о дозе облучения, накопленной за цикл контроля.

Это требует выбора t_хр, исходя из условия
t_xp≤ k₂Δt_цк, (3) ,
где
Δt_цк - минимальный промежуток времени между концом предыдущего и началом последующего циклов контроля,
k₂ - коэффициент запаса, определяемый допустимым влиянием остаточных эффектов на погрешности измеренной дозы.

Анализ показывает, что если исходить из погрешности измерений порядка 10%, то величину коэффициентов k₁ и k₂ следует выбирать:
k₁≥4, k₂≤2,5
Рассмотрение практических особенностей контроля облученности в различных условиях воздействия УФ-излучения искусственных источников и Солнца показывает, что t_цк и Δt_цк суть величины одного порядка и в большинстве случаев
t_цк≈ Δt_цк= 6-8 ч .

Таким образом путем выбора ФХМ с присущей ему величиной t_хр не удастся одновременно обеспечить выполнение требований (2) и (3).

В предлагаемом дозиметре для обеспечения выполнения условий (2) и (3) предусматривается использовать систему принудительного револьверного переключения набора светофильтров измерительно-индикаторного устройства ежедневно по дням недели от понедельника до воскресенья включительно с соответствующими обозначениями.

При этом при одной и той же величине t_хр значение Δt_цк для каждой ячейки принудительно увеличивается в 7 раз, что и позволяет обеспечить выполнение требований (2) и (3). Переключение именно по дням недели дает дополнительные удобства для пользователя в особенности на отдыхе.

Абсорбционные светофильтры выбираются с максимумом пропускания (Т) при длине волны λ_m = 550 нм, т.е. в области максимальной чувствительности глаза человека. Полуширина пропускания светофильтра Δλ_1/2 выбирается исходя из условия
.

Таким образом область поглощения фотоиндуцированной формы ФХМ охватывает полосу пропускания светофильтра.

Пропускание каждого светофильтра Ti в наборе выбирается разным, меняясь в пределах от T_min до T_max, соответствующих выбранному диапазону измерений в МЭД. Наименьшее пропускание T_min у светофильтра индицирующего наименьшее значение измеряемой дозы, например, 1 МЭД. Наибольшее пропускание T_max у светофильтра индицирующего максимальное значение дозы, например, 10 МЭД.

Диапазон измеряемых и индицируемых доз УФ-излучения, а также количество и номиналы отсчетных точек могут быть выбраны исходя из конкретных требований гигиенического нормирования при физиотерапии, гелиотерапии а также нормирования УФ-излучения как фактора производственной среды.

Градуировка дозиметра в МЭД являет собой дополнительное удобство при его использовании в различных случаях лучевого воздействия и, в частности, позволяет выбрать оптимальный режим облучения при УФ-терапии и принятия солнечных ванн.

В целях обеспечения подбора дозиметров для конкретного пользователя с учетом индивидуальности МЭД предусматривается возможность изменения среднего пропускания светофильтров при градуировке дозиметров. Это позволяет распределять дозиметры по группам в соответствии с принятой классификацией чувствительности кожи человека к УФ-излучению.

Контейнер-медальон изготавливается из пластмасс светлых тонов во избежание его перегрева при длительном нахождении на Солнце и выполняется в виде круглого диска. В наружных стенках медальона предусмотрены щели в виде круговых секторов с центром по оси медальона, расположенных друг против друга. Щели обеспечивают прохождение света с λ < 320 нм и в полосе пропускания светофильтра с наименьшим поглощением. Внутри контейнера-медальона размещается каркас, на котором монтируются составные части дозиметра:
1. Чувствительно-запоминающее устройство, образованное двумя слоями ФХМ в виде круговых дисков.

2. Индикаторное устройство, образованное светофильтрами, имеющими оптический контакт со слоями ФХМ и выполненными в виде плоских колец, ограниченных концентрическими окружностями с центром на оси медальона. Количество кольцевых светофильтров определяется выбранной дискретностью измерений. Таким образом набор светофильтров, индицирующих результаты измерений однодневного цикла, включает с себя участки площадей каждого из круговых колец светофильтров (индикаторные секции) и каждого из слоев ФХМ, ограниченных проекцией щели корпуса медальона на их поверхность. При ежедневном переключении проекция щели перемещается по поверхности светофильтров и ФХМ, последовательно выделяя соответствующие участки их площадей для последующей экспозиции в течении цикла контроля.

Дозиметр работает следующим образом. К началу контроля проекция щели контейнера медальона зафиксирована на участках площадей кольцевых светофильтров и слоев ФХМ, соответствующих исходному дню недели. Наружные слои ФХМ и слой светофильтров пропускают селективно зеленый свет с длиной волны λ = 550нм±Δλ_1/2..
При визуальном просмотре щели "на просвет" в ней видны индикаторные секции светофильтров, соответствующие выбранным дискретным значениям дозы УФ-излучения в выбранном диапазоне - например 1-10 МЭД. Яркость секций возрастает по мере увеличения номинального значения дозы, индицируемой каждой из них. При воздействии УФ-излучения на каждый из слоев ФХМ в нем происходят следующие процессы:
поглощение света с λ < 20 нм;
образование фотоиндуцированной формы в каждом слое;
поглощение света с λ = 550 нм ± λ_п образовавшейся фотоиндуцированной формой в каждом слое.

Таким образом по мере накопления дозы УФ-излучения, воздействующей на наружные слои ФХМ уменьшается степень селективного пропускания зеленого света с λ =550 нм ± Δλ_1/2 в каждой секции "сэндвича", образованной двумя слоями ФХМ и соответствующим слоем светофильтра с величиной пропускания T_i. Чувствительность слоев ФХМ к УФ-излучению, пропускание каждой секции светофильтра T_i выбираются таким образом, что при дозе УФ-излучения D_i, равной выбранному дискретному значению, индицируемому данной секцией светофильтра, оптическая плотность фотоиндуцированной формы ФХМ компенсирует пропускание секции светофильтра T_i. При этом на площади соответствующей i-й секции образуется область затенения. Затенение соответствующей секции свидетельствует о накоплении поверхностью кожи пользователя, на которой расположен контейнер-медальон, дозы УФ-излучения D_i=N МЭД, где N = 1, 2,...,10 - выбранная дискретность измерения и индикации дозы.

По окончании акта измерения (рабочего или светового дня) начинается спонтанное восстановление исходной формы ФХМ. Перед следующим актом измерений (в следующий день недели) производится переключение наборов светофильтров посредством соответствующего перемещения наружной щели на корпусе контейнера-медальона.

Для решения поставленной задачи необходимо использовать все перечисляемые ниже признаки, отличающие заявляемое изобретение от наиболее близкого по технической сущности аналога (прототипа).

Признак 1. Использование в качестве чувствительного и запоминающего элемента дозиметра двух слоев ФХМ с обратимым фотохромизмом и разнесенными областями интенсивного поглощения в спектрах поглощения исходной и фотоиндуцированной форм, причем область интенсивного поглощения исходной формы охватывает λ < 320 нм, а фотоиндуцированной формы лежит в пределах 550 нм ± Δλ_п Δλ_п ≈ 20-30 нм). Для получения приемлемых временных характеристик накопления и запоминания (хранения) информации фотохромным материалом предусматривается его револьверное переключение на ежедневный контроль по дням недели.

Признак 2. Изготовление дозиметра в виде контейнера-медальона (кулона) с цепочкой для ношения на шее пользователя, что позволяет при соответствующем декоративном оформлении совместить свойства медико-биологического прибора и средства украшения.

Признак 3. Измерительно-индикаторная система дозиметра представляет собой "сэндвич", включающий в себя два наружных слоя ФХМ между которыми, находясь в оптическом контакте, располагается набор светофильтров с длиной волны, соответствующей максимуму пропускания равной 550 нм и таким образом входящей в область интенсивного поглощения фотоиндуцированной формы ФХМ; пропускание каждого светофильтра в максимуме его полосы (T) меняется соответственно дискретному значению индицируемой дозы от T_min для минимального отсчетного значения индицируемой дозы до T_max для наибольшего отсчетного значения.

Признак 4. Съем показаний дозиметра "на просвет".

Таким образом по мнению заявителей предлагаемое решение соответствует критерию изобретательского уровня и новизны.

Использование: изобретение относится к области радиационных измерений, в частности, к измерениям дозы УФ-излучения. Сущность изобретения: защитный контейнер в виде медальона (кулона) с цепочкой для ношения на шее пользователя содержит трехслойное измерительно-индикаторное устройство из двух наружных слоев из фотохромного материала с обратимым фотохромизмом и разнесенными областями интенсивного поглощения в спектрах поглощения света исходной (длина волны менее 320 нм) и фотоиндуцированной (в окрестности 550 нм) форм и внутреннего слоя из набора светофильтров с полосой пропускания в окрестности 550 нм и переменным поглощением в максимуме. Количество светофильтров и дискретность изменения поглощения в максимуме их пропускания определяется диапазоном и дискретностью индикации доз излучения. По мере накопления дозы на наружной поверхности растет оптическая плотность фотоиндуцированной формы фотохромного материала и последовательно компенсируется пропускание отдельных светофильтров набора. При наблюдении на просвет фиксируются участки затенения, соответствующие индуцируемым значениям экспозиционной дозы излучения. Для уменьшения влияния эффектов релаксации фотохромного материала предусматривается ежедневное револьверное переключение экспонируемых индицирующих участков слоев фотохромных материалов и соответствующих светофильтров.

Дозиметр УФ-излучения индивидуального пользования, представляющий собой контейнер, в котором размещены оптический фильтр и фотохромный материал, отличающийся тем, что дозиметр содержит второй слой фотохромного материала, при этом оптический фильтр размещен между первым и вторым слоями фотохромного материала и выполнен в виде набора светофильтров с различным поглощением в максимуме их пропускания, разделенного на секции, каждая на отдельный цикл измерений, в качестве фотохромного материала используется фотохромный материал, обладающий обратимым фотохромизмом, спектр поглощения исходной формы которого лежит в диапазоне длин волн менее 320 нм, а фотоиндуцированный - в диапазоне 550 нм ± (20 - 30) нм, контейнер выполнен в виде медальона или кулона с цепочкой для ношения на шее, в котором предусмотрена смотровая щель с возможностью револьверного переключения по циклам измерений.