ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Описание
ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (греч. dosis доза, порция + metreo измерять) — раздел радиационной физики и измерительной техники, занимающийся измерением и изучением полей ионизирующих излучений (фотонных и корпускулярных), изучением эффектов их взаимодействия с веществом, а также создаваемых в результате этого дозных полей (см.) в веществе. Д. и. и. широко используется в разработке способов формирования полей излучения и дозных полей с заданными параметрами. Средства Д. и. и. применяют при разработке и использовании источников ионизирующих излучений в народном хозяйстве, науке и медицине.
Возникновение и развитие Д. и. и. связано с открытием и практическим использованием рентгеновского и гамма-излучений, нейтронов и других ядерных частиц, с изучением их биол, действия. Стало необходимым дозировать полезные радиационные эффекты при воздействии излучения на различные материалы и биол, ткани, контролировать условия радиационной безопасности для всего населения, особенно для лиц, работающих в сфере действия радиации (см. Дозиметрический контроль). Д. и. и. внесла большой вклад в решение задач радиационной безопасности космических полетов.
Для медицины Д. и. и. является одной из смежных физ. дисциплин. Она занимается разработкой научных основ, методики и решением прикладных задач лучевой терапии, радиационной гигиены и других разделов мед. радиологии.
В 60—70-е гг. 20 в. сложилась клин, дозиметрия, к-рая является неотъемлемой частью лучевой терапии. Приобрела самостоятельное значение дозиметрия в радиационной гигиене. Появились реальные предпосылки к формированию радиобиол. дозиметрии, к-рая должна учитывать особые условия осуществления радиационных процессов в биол, объектах на клеточном и молекулярном уровнях.
Д. и. и. располагает многими расчетными и экспериментальными методами. Расчетные методы опираются на физику взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и используют современные средства электронно-вычислительной техники, Экспериментальные методы Д. и. и. основаны на использовании для измерения дозиметрических величин различных макроскопических эффектов облучения специально подобранных веществ.
Основным в дозиметрии является ионизационный метод измерения. Он связан с главным свойством ионизирующего излучения — способностью производить ионизацию вещества. Другие методы основаны на преобразовании энергии ионизирующего излучения в видимый свет (люминесцентный метод), на изменении под действием излучения свойств полупроводников (полупроводниковый метод), на радиолизе веществ в результате хим. реакций (хим. метод), на почернении фотоэмульсии или появлении в ней изображений следов ионизирующих частиц (фотографический метод), на непосредственном измерении выделяющегося в веществе тепла (калориметрический метод). Наконец, в Д. и. и. могут использоваться радиационные эффекты, наблюдаемые на хромосомном наборе клеток (биол, метод).
Любой метод Д. и. и. является физ. измерением. В результате его применения получают численное значение той или иной физ. величины (дозиметрической характеристики). Это относится и к биол, методу, в к-ром измеряется не сам биол, эффект, а его нек-рая физ. мера, и биологическим он называется лишь потому, что непосредственным детектором излучения служит биол, объект, или потому, что измеряемая величина связана с определенным биол, признаком. Смешение физ. и биол, понятий может приводить к неверному представлению о так наз. биологической дозе, к-рой нередко пользуются в радиобиол. и других исследованиях.
На основе регистрации излучения с помощью того или иного метода дозиметрии можно получать информацию пе только о полях излучения и дозных полях, но и об источниках излучения, их изотопном составе и распределении в пространстве, в облучаемом теле. Этот аспект важен для решения многих задач радиометрия (см.). Однако между Д. и. и. и радиометрией не существует резких различий и четкого разделения функций. Их методы и средства имеют много общего и во многих случаях дополняют друг друга.
Дозиметрия каждого вида ионизирующих излучений имеет свои методические, метрол. и другие особенности.
Наиболее полно разработана дозиметрия рентгеновского и гамма-излучений с энергией до 3 МэВ, за исключением области низких энергий (до нескольких десятков кэВ), где дозные характеристики зависят от энергетического спектра излучения, который существенно меняется в зависимости от глубины в веществе и условий облучения. Особо выделяется дозиметрия нейтронов, которые непосредственно не производят ионизации, а создают ее косвенно, через вторичные тяжелые заряженные частицы (протоны, дейтроны, альфа-частицы и др.). Вторичные тяжелые заряженные частицы, взаимодействуя с тканями, образуют треки (следы движения частиц) с высокой линейной плотностью ионизации (ЛИИ), т. е. с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) излучения микроструктурам тканей (см. Относительная биологическая эффективность излучений); условно считают ОБЭ = 1 для рентгеновского излучения с энергией генерирования ок. 200 кВ.
С 60-х гг. 20 в. интенсивно развивается особый раздел Д. и. и., получивший название микродозиметрия. Микродозиметрия занимается исследованием микроскопического распределения энергии при взаимодействии излучения с веществом (фотонов и частиц с ядрами, атомами вещества, с клеточными структурами и клетками ткани). Учитывается статистический характер этого взаимодействия для более глубокого понимания радиобиол. процессов на клеточном и молекулярном уровнях и роль распределения поглощенной энергии излучения по ЛПЭ. Это особенно важно для дозиметрии смешанного излучения, для оптимального использования различных видов излучений в мед. радиологии.
Основным понятием Д. и. и. является поглощенная доза излучения — мера плотности энергии, переданной излучением веществу. Другими физ. величинами более узкого применения являются: экспозиционная доза излучения для рентгеновского и гамма-излучений с энергией фотонов до 3 МэВ; эквивалентная доза излучения — в задачах радиационной безопасности (см. Дозы ионизирующих излучений).
Эти физ. величины и единицы их измерения были выработаны в рамках Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ).
Клиническая дозиметрия ионизирующих излучений
Применение ионизирующих излучений для диагностики и лечения онкол, и других больных требует правильной количественной и качественной оценки характера распределения энергии излучения в облучаемой среде.
Основная задача клин, дозиметрии в дозного поля (см.), при к-ром патол, очаг и возможные пути метастазирования получат необходимую и достаточную дозу излучения, вызывающую деструкцию опухолевой ткани, при наименьшем поглощении энергии нормальными тканями и особенно жизненно важными органами. Энергия ионизирующего излучения должна быть фракционирована во времени так, чтобы обеспечить наибольший терапевтический эффект.
В лучевой диагностике оптимизация условий облучения сводится к выбору условий и методов облучения, при которых можно получить наиболее полную диагностическую информацию при наименьшей лучевой нагрузке на организм.
Клин, дозиметрия использует расчетные и экспериментальные методы. Расчетные методы основаны на физ. законах взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Их применяют для определения дозы излучения в воздухе с целью характеристики поля излучения источников различной конфигурации и для определения поглощенной дозы в облучаемом теле.
Экспериментальные методы клин, дозиметрии имеют целью получить данные о пространственном распределении поглощенной дозы излучения в облучаемом теле. Для этого используют различные модельные системы — фантомы из тканеэквивалентных материалов (см. Фантом дозиметрический), внутри которых измеряют распределение дозы излучения.
Исходными данными для проведения лучевой терапии являются характеристики пучков излучения в воздухе. Путем систематического дозиметрического контроля (см.) устанавливают мощность экспозиционной дозы на заданных фокусных расстояниях и при определенных полях облучения. Качественный состав излучения определяется эффективной энергией фотонов или слоем половинного ослабления мощности дозы. На основании полученных данных при помощи таблиц относительных глубинных доз или графиков изодоз с учетом условий облучения для данного больного определяют экспозиционную дозу для однородной тканеэквивалентной среды, моделирующей облучаемое тело. Зная качественный состав излучения и свойства тканей, через которые проходит пучок лучей, экспозиционную дозу переводят в поглощенную и, т. о., получают данные о пространственном распределении поглощенной дозы. Учитывая неоднородность тканей человека, в распределение дозы вводят соответствующую поправку. При отсутствии в картах изодоз условий облучения, необходимых для данного больного, или с целью уточнений производят фантомные измерения на специально изготовленном фантоме, воспроизводящем по форме, размерам и составу облучаемый орган или часть тела.
При многопольном и подвижном облучении суммируют дозные поля. Для формирования дозного поля используют различные устройства — решетчатые и клиновидные фильтры, защитные блоки и др. Дозные поля составляют с учетом индивидуальных особенностей больного. При выборе оптимального для данного больного плана лучевой терапии необходимо располагать несколькими условными срезами, проходящими через центр патол, очага в горизонтальном, фронтальном и сагиттальном направлениях. Условные срезы изготавливают на прозрачной бумаге или пленке по данным рентгенол, обследования, обмера внешнего контура больного и атласа анатомических срезов. На условном срезе указывается место расположения патол, очага и жизненно важных органов. Срез накладывают на дозные карты в соответствии с различными вариантами распределения дозы и выбирают оптимальный вариант облучения.
Для суммирования дозных полей и выбора оптимальных условий облучения в практике лучевой терапии широко используют универсальные электронные, цифровые (ЭЦВМ) и аналого-цифровые (АЦВМ) вычислительные машины. Результаты расчетов выдаются на цифропечатающее устройство, фиксирующее полученное дозное распределение с учетом индивидуальных особенностей больного (контура среза и неоднородности тканей).
При решении задач клин, дозиметрии все большее внимание уделяется не только пространственной, но и временной оптимизации, т. е. подведению к очагу не только необходимой и достаточной дозы, но и оптимальному фракционированию поглощенной дозы. Разрабатывается система пространственно-временной оптимизации условий и методов облучения. Эти задачи решаются также на ЭВМ методами динамического программирования.
Дозиметры ионизирующих излучений
Дозиметры ионизирующих излучений — приборы, измеряющие дозу или мощность дозы излучения. Дозиметры различаются и по функциональному назначению, и по принципу действия.
По назначению дозиметры подразделяются на:
1) дозиметры контроля радиационно-химических процессов с диапазоном измерения 104 — 1010 Р;
2) дозиметры для клин, и радио-биол. измерений с диапазоном измерения 1×104 P или 0,1×103 P/ мин;
3) приборы индивидуального дозиметрического контроля с диапазоном измерения 0,01 — 100 P;
4) приборы для контроля радиационной безопасности (с диапазоном измерения мощности дозы 0,1×103 мкР/сек); к ним обычно относят также и радиометры — приборы для измерения ионизирующих излучений, определяющие плотность потока ионизирующих излучений (см. Радиоизотопные диагностические приборы).
По виду регистрируемых излучений различают дозиметры рентгеновского и гамма-излучений, бета-дозиметры, дозиметры нейтронов и дозиметры для измерения смешанных излучений (напр., гамма и n; бета и гамма). К основным параметрам дозиметров относятся: класс точности, диапазон измерения, стабильность показаний во времени, изменение чувствительности по диапазону энергий.
Дозиметр состоит из двух основных функциональных узлов — блока детектирования (детектора) и электронно-измерительного устройства. Блоком детектирования называется устройство, предназначенное для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для измерения. По физ. процессу, происходящему в детекторах под воздействием ионизирующего излучения, различают ионизационные, люминесцентные (обычно выделяют отдельно сцинтилляционные), химические, фотографические, калориметрические, полупроводниковые дозиметры, а также дозиметры с комбинированными детекторами (напр., полупроводник + сцинтиллятор).
Ионизационные дозиметры основаны на использовании электрического поля для собирания ионов, образованных ионизирующим излучением в веществе; их применяют наиболее широко. В простейшем виде ионизационный детектор состоит из двух параллельных пластин, между к-рыми приложено напряжение. Проводимость газа между пластинами зависит от приложенного напряжения. Типы детекторов характеризуются участком вольтамперной характеристики, на к-ром он работает.
В повседневной практике используются так наз. наперстковые ионизационные камеры, работа которых основана на принципе Брэгга — Грея — измерении ионизации газа в микрополости внутри твердого вещества, толщина стенок к-рой больше пробега вторичных электронов. При этом ионизацию газа обусловливают электроны, освобожденные в твердом веществе. Т. о., измеряя ионизацию газа в полости, можно определить мощность дозы или дозу в материале стенки. Если же материал стенки имеет такой же эффективный атомный номер, как воздух (ткань), то определяют экспозиционную дозу фотонного излучения в рентгенах (поглощенную дозу в радах). Воздухо- или тканеэквивалентность материала стенок камеры, к-рая определяет зависимость показаний от энергии излучения («ход с жесткостью» дозиметра), является одним из важных требований, особенно для клин, дозиметрии.
Примером ионизационных дозиметров рентгеновского и гамма-излучений являются дозиметры типа ДИМ-60 (рис. 1), дозиметр ДРГ 2-01 «Витим», дозиметр ДРГ 2-03 (рис. 2 и 3), дозиметр И ДМ Д-1 «Круг», комплект индивидуальных дозиметров КИД-20 и КИД-60.
Клин, дозиметр (измеритель дозы и мощности дозы) ИДМД-1 «Круг» предназначен для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений. Детектор выполнен в виде зонда, позволяющего проводить внутриполостные и фантомные измерения. Объем ионизационной камеры 0,2 см3.
Дозиметры КИД-20 и КИД-60 с конденсаторными ионизационными камерами в форме авторучки предназначены для индивидуального контроля и обеспечивают контроль дозы рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне от 0,01 до 50 Р.
Ионизационные дозиметры применяются не только для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучений. Разработаны дозиметры для измерения тормозного и электронного излучения высоких энергий, напр, электрометр — измеритель поглощенной энергии и параметров пучка гамма- и электронного излучения ДКС2-01 «Ветлуга», дозиметр ДБМ-1 (рис. 4) и др.
Другие ионизационные дозиметры (и радиометры) основаны на использовании в качестве детектора газоразрядных счетчиков, в которых возникает электрический импульс при прохождении через него заряженных частиц ионизирующего излучения. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью к излучению, чем ионизационные камеры, поэтому они применяются при измерении малой мощности дозы. Газоразрядные счетчики нашли большое применение в стационарных и переносных приборах для контроля радиационной обстановки.
В качестве примера можно привести регистрирующий дозиметр ДРГ-3-2еМ (рис. 5).
Люминесцентные дозиметры основаны на радиофотолюминесценции или радиотермолюминесценции, заключающихся в том, что образованные в детекторе-люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда локализуются в центрах захвата. Благодаря этому происходит накопление поглощенной энергии, к-рая может быть освобождена в виде люминесценции при дополнительном возбуждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора-детектора определенным участком спектра (обычно ультрафиолетовым светом) — радиофотолюминесценция, либо нагревом — радиотермо люминесценция. В качестве детекторов радиофотолюминесцентных дозиметров используются алюмофосфатные стекла, активированные серебром, а в качестве термолюминесцентных детекторов — алюмофосфатные стекла, активированные марганцем, фтористый литий, фтористый кальций, метаборат лития и др. Отличительной особенностью люминесцентных дозиметров является то, что детекторы не связаны с электронным прибором, и их малогабаритность, а дополнительным достоинством — возможность длительного хранения (до нескольких месяцев) дозиметрической информации и суммирования доз при многократных облучениях, что существенно важно при определении суммарной дозы на опухоль за курс лучевой терапии. В дозиметрической практике используются термолюминесцентные дозиметры ИКС-А, ДТМ-2 (рис. 6), ТЕЛДЕ (рис. 7), ТДП-2 и фотолюминесцентный дозиметр ДФМ-1.
Большой чувствительностью обладают сцинтилляционные дозиметры, блок детектирования которых состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора, образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Фотоумножитель преобразует свет в электрический ток, пропорциональный мощности дозы.
В сцинтилляционных дозиметрах ДРГЗ-1 «Араке» (рис. 8), ДРГЗ-02 и ДРГЗ-ОЗ «Аргунь» (рис. 9) для измерения мощности дозы рентгеновского и гамма-излучения в качестве сцинтиллятора используется воздухоэквивалентная сцинтилляционная пластмасса на основе полистирола с компенсатором из сульфида цинка, активированного серебром. Чувствительность детектора не зависит от энергии излучения в диапазоне 15—1250 кэВ. Фотоумножитель, регистрирующий сцинтилляции, работает в токовом режиме. Ток фотоумножителя усиливается с помощью усилителя постоянного тока и регистрируется микроамперметром. Эти дозиметры состоят из двух блоков, длина соединительного кабеля до 2 м, питание батарейное и сетевое.
Химические дозимeтры основаны на определении хим. изменений, происходящих в некоторых веществах под действием ионизирующего излучения. Для хим. дози-
метрии используются водные р-ры сернокислого железа (ферросульфатный метод), сернокислого церия (цериевый метод), бензола, метиленового голубого, органических соединений галоидов и др. Существенным достоинством хим. дозиметров является тканеэквивалентность ряда хим. систем, используемых в качестве детекторов.
Хим. дозиметр, использующий ферросульфатный р-р, нашел широкое применение в метрологии.
Фотографические дозиметры (ИФК) получили широкое распространение в индивидуальной дозиметрии. В качестве детектора используется рентгеновская пленка (рис. 10). Фотографический метод дозиметрии основан на свойстве ионизирующего излучения воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Этот метод может применяться для регистрации дозы в полях смешанного излучения, включающего гамма- и бета-излучения. Достоинством метода является его документальность, недостатком — большая погрешность измерений, значительный «ход с жесткостью»; кроме того, даже фотопленки одной партии обладают различной чувствительностью к излучению.
Калориметрические дозиметры основаны на измерении количества тепла, выделяемого при поглощении излучения. Калориметрический метод является одним из основных абсолютных методов измерения, с помощью к-рого воспроизводится единица поглощенной дозы ионизирующего излучения. Однако этот метод слишком сложен в техническом отношении, чтобы его можно было рекомендовать для повседневных измерений.
Дозиметры с полупроводниковыми детекторами. В таких детекторах под действием ионизирующего излучения происходит изменение проводимости, так что при этом ток зависит от мощности дозы. Чувствительность полупроводниковых детекторов к ионизирующему излучению значительно выше чувствительности ионизационных камер. Это дает возможность существенно уменьшить размеры полупроводникового детектора, что очень важно для клин, дозиметрии.
Все полупроводниковые детекторы можно разделить на три основные группы: поверхностно-барьерные, диффузионные и литий-дрейфовые. Они отличаются друг от друга в основном только типом чувствительной к ионизирующему излучению части детектора. В дозиметрии используются полупроводники на основе германия, кремния, арсенида галлия, сульфида кадмия и др. Так, напр., в дозиметре «Кремний-1» используется кремниевый полупроводниковый детектор.
Дозиметры с комбинированными детекторами представляют комбинацию полупроводника и сцинтиллятора, что позволяет значительно увеличить чувствительность к ионизирующему излучению. Комбинация полупроводниковых детекторов с различными эффективными атомными номерами (такая же комбинация термолюминесцентных и др. детекторов) дает возможность по разности сигналов детекторов определить качество излучения. Этот метод позволяет широко внедрить в клин, практику нетканеэквивалентные детекторы.
Изодозограф — дозиметр, с помощью к-рого автоматически могут быть получены картины распределения дозы в облучаемом объекте. Представляет собой устройство, состоящее из детектора, измерительного устройства, записывающего устройства и механизма перемещения детектора в тканеэквивалентном фантоме. Существуют изодозографы двух типов: в одних перемещение детектора происходит по линии равных доз (изодозе); в других перемещение осуществляется по заданной программе (обычно это прямоугольный растр). В обоих случаях картина распределения дозы получается в виде семейства изодозных линий. Современный изодозограф — это комплексная дозиметрическая установка, состоящая из собственно изодозографа, промежуточного устройства и вычислительной машины. Информация, полученная со всего поля обследования, наносится на перфокарты, а затем с помощью вычислительной машины осуществляется автоматическое построение дозного поля.
См. также Дозы ионизирующих излучений.
Библиография: Иванов В. И. Курс дозиметрии, М., 1970, библиогр.; Исаев Б.М. и Брегадзе Ю. И. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте, М., 1967, библиогр.; Клиническая дозиметрия, Рекомендации Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям, Сер. техн. докл. № 43, Вена, МАГАТЭ, 1965; КронгаузА. Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969, библиогр.; Моисеев А. А. и Иванов В. И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене, М., 1974; Радиационная дозиметрия, под ред. Дж. Хайна и Г. Браунелла, пер. с англ., М., 1958, библиогр.; Радиационная медицина, под ред. А. И. Бур-назяна, с. 5, М., 1968, библиогр.; T ю-биана М. и др. Физические основы лучевой терапии и радиобиологии, пер. с франц., М., 1969.
М. Ш. Вейнберг; А. Н. Кронгауз (кл.), В. А Волков, Ли Дон Хва (техн.).